TEMAT PRACY DYPLOMOWEJ

Transkrypt

1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy Wydział Inżynierii Mechanicznej Inż. Mikołaj Skibowski Nr albumu: Stanowisko dydaktyczne do badań instalacji fotowoltaicznej The didactic test stand to photovoltaic installation investigations Praca magisterska na kierunku: Mechanika i budowa maszyn specjalizacja: Technologii maszyn Promotor Dr inż. Adam Mroziński UTP w Bydgoszczy - Wydział Inżynierii Mechanicznej Katedra Maszyn Spożywczych i Ochrony Środowiska Bydgoszcz, wrzesień 2012

2 Instytut Technik Wytwarzania Termin złożenia pracy: r. Nr albumu: Kierunek studiów: Rodzaj studiów: Forma studiów: Mechanika i Budowa Maszyn II stopnia niestacjonarne Rok akademicki: 2011/2012 TEMAT PRACY DYPLOMOWEJ Tytuł pracy: Stanowisko dydaktyczne do badań instalacji fotowoltaicznej The didactic test stand to photovoltaic installation investigations Student: Promotor: Inż. Mikołaj Skibowski Dr inż. Adam Mroziński Założenia: Praca o charakterze studialno-badawczym. Analiza możliwości wykorzystania instalacji fotowoltaicznych w Polsce. Podział i budowa ogniw oraz całych instalacji fotowoltaicznych. Projekt i budowa stanowiska do badań instalacji fotowoltaicznych. Przeprowadzenie badań charakterystyk użytkowych badanej instalacji fotowoltaicznej. Zakres pracy: Rodzaj pracy: 1. Wprowadzenie 2. Geneza pracy - zagadnienie wykorzystania ogniw fotowoltaicznych w Polsce 3. Podział instalacji i ogniw fotowoltaicznych 4. Projekt własnego stanowiska laboratoryjnego do badań ogniw fotowoltaicznych 5. Realizacja badań 6. Analiza otrzymanych wyników 7. Podsumowanie i wnioski Magisterska Opracował Zaakceptował Data Podpis Data Podpis Zatwierdził Dziekan 2

3 Składam serdeczne podziękowania Panu dr inŝ. Adamowi Mrozińskiemu za okazywaną pomoc w trakcie pisania niniejszej pracy magisterskiej, za cenne rady oraz miłą atmosferę sprzyjającą pracy naukowej. 3

4 Spis treści 1. WSTĘP Geneza pracy Cele pracy Teza pracy Zakres pracy ROZWÓJ FOTOWOLTAIKI W POLSCE I NA ŚWIECIE PODSTAWY TRANSFORMACJI FOTOWOLTAICZNEJ Energia promieniowania słonecznego Pomiary energii promieniowania Piranometr Wpływ usytuowania ogniw na ich charakterystykę Mechanizm efektu fotowoltaicznego BUDOWA OGNIW I MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH Ogniwa monokrystaliczne Ogniwa polikrystaliczne Ogniwa amorficzne Ogniwa cienkowarstwowe CI(G)S i CdTe Budowa modułu fotowoltaicznego RODZAJE INSTALACJI FOTOWOLTAICZNYCH Instalacje sprzężone z siecią energetyczną Instalacje autonomiczne / wyspowe Urządzenia pomocnicze do systemów fotowoltaicznych Najważniejsze parametry charakteryzujące funkcjonowanie instalacji PV Koszty instalacji fotowoltaicznej STANOWISKA DO BADAŃ INSTALACJI FOTOWOLTAICZNYCH Opis stanowiska Układ pomiarowy

5 6.3. Charakterystyka ogniwa PV Przebieg i wyniki badań Analiza parametrów instalacji SYMULACJA WYDAJNOŚCI PRACY INSTALACJI PV PODSUMOWANIE I WNIOSKI LITERATURA Książki, skrypty i publikacje Dane uzyskane za pośrednictwem Internetu Normy Ustawy i regulacje prawne ZAŁĄCZNIKI

6 1. WSTĘP Ograniczone zasoby naturalne paliw kopalnych i podyktowany tym ciągły wzrost ich cen, a także wymogi ochrony środowiska powodują coraz większe zainteresowanie źródłami energii odnawialnej. Przy obecnym bardzo wysokim poziomie zużycia energii jej konwencjonalne źródła takie jak ropa naftowa, węgiel czy gaz zostaną wyczerpane w ciągu następnych 40 lat. Fakt ten stał się bodźcem do prowadzenia prac badawczych związanych z alternatywnymi źródłami energii elektrycznej. Dodatkowym atutem alternatywnych źródeł energii jest niski poziom emisji szkodliwych substancji do środowiska, lub też całkowity jej brak. Jednym z tego rodzaju źródeł jest słoneczna energia elektryczna wytwarzana w systemach fotowoltaicznych. Słońce jest niewyczerpalnym źródłem czystej energii. Z bogactwa tego można korzystać dzięki modułom fotowoltaicznym. Systemy fotowoltaiczne działają niezależnie od sieci energetycznej, gwarantując stałe dostawy energii nawet w przypadku awarii sieci. Uważana jest ona za jedno z najbardziej obiecujących i przyjaznych środowisku źródeł energii. Jej olbrzymi potencjał związany jest z bezpośrednią konwersją ogólnie dostępnego promieniowania słonecznego na energię elektryczną [1][2][5][6] Geneza pracy Z energii, którą Ziemia otrzymuje rocznie od Słońca, dociera do nas tylko 40%, rocznie jest to ilość szacowana na MWh, reszta ulega odbiciu od wysokich warstw atmosfery. Jednak nawet bardzo mała jej część przetworzona w energię elektryczną użyteczną dla człowieka byłaby kilkaset razy większa od zużycia energii w skali świata, a każda kilowatogodzina wyprodukowana ze słońca pozwala uniknąć emisji 0,8-1 kg CO 2. Systemy fotowoltaiczne nie są wynalazkiem ostatnich dziesięcioleci. W teorii powstawały już w XVIII wieku. Natomiast pierwsze proste instalacje powstały na przełomie XIX i XX wieku. A. C. Becquerel w 1839r., zaobserwował po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny w obwodzie dwóch elektrod oświetlonych (chlorkowo srebrowych) zanurzonych w elektrolicie. W. Adams i R. Day w 1876r., zaobserwowali to zjawisko na granicy dwóch ciał stałych (selen platyna). Pierwsze ogniwa selenowe miały sprawność 0,5% [4][5][7]. Zdecydowanie największy wpływ na rozwój ogniw słonecznych miała metoda produkcji kryształów krzemu o wysokiej czystości opracowana przez Czochralskiego na przełomie lat 6

7 1940 i Urządzenia pokładowe satelity Vanguard (1958r.) zasilane były przez krzemowe ogniwa słoneczne o sprawności 11% - było to pierwsze zastosowanie takich ogniw. Obserwacja efektu fotowoltaicznego przez D. C. Reynolds a, w złączu stopu metalu (Cu monokryształ CdS), doprowadziła do otrzymania w latach sześćdziesiątych pierwszych cienkowarstwowych ogniw słonecznych (Cu2S-CdS) [4][12][13][15]. D. M. Chapin, S. C. Fellerand i G. L. Person dokonali kolejnego postępu, budując z użyciem monokryształu krzemu, ogniwo o sprawności ok. 6%. Praktyczne stosowanie ogniw słonecznych było możliwe dopiero od początku lat 70, gdy opracowano stosunkowo tanią technologie wytwarzania kryształów krzemu i półprzewodników. Fotowoltaika, jak wieje innych dziedzin nauki, miała swój początek w badaniach kosmicznych. Obecnie niemal wszystkie pojazdy kosmiczne: sondy, satelity komunikacyjne, badawcze, wojskowe są zasilane ogniwami fotowoltaicznymi. Prognozy energetyczne do 2020 roku, opracowane przez światową Radę Energetyczną zakładają ochronę środowiska za problem najwyższej wagi, sektor energetyczny odpowiedzialny jest w głównej mierze za degradację środowiska w skali globalnej. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest poszukiwanie nowych technologii umożliwiających eksploatację odnawialnych źródeł energii. Dopływ energii słonecznej jest stały w skali istnienia ludzkości. Z tego stwierdzenia wywodzi się określenie energii odnawialnej, która obejmuje nie tylko bezpośrednią przemianę energii słonecznej w elektryczną, ale także wszystkie źródła energii, które z niej wynikają, takie jak energia wiatru czy wody [1][2][3] Cele pracy Celem poznawczym niniejszej pracy jest przedstawienie i analiza zagadnienia wykorzystania w Polsce i na świecie instalacji fotowoltaicznych, opis technologii wytwarzania ogniw fotowoltaicznych oraz możliwości ich praktycznego zastosowania w szczególności w realiach wprowadzenia w 2013 roku w Polsce ustawy o OZE. Celem praktycznym pracy jest zaprojektowanie i budowa stanowiska do badań efektywności modułów fotowoltaicznych. Przy użyciu zaprojektowanego stanowiska będą mogły być realizowane badania charakterystyk użytkowych różnych modułów fotowoltaicznych. 7

8 Zbudowane w ramach niniejszej pracy stanowisko do badań efektywności modułów fotowoltaicznych jest przykładem próby rozwiązania problemu badań modułów w warunkach rzeczywistych. Obecnie, na bardzo dynamicznie rozwijającym się rynku PV, na którym nowe technologie cienkowarstwowe rozszerzają ofertę, coraz trudniejszy jest świadomy wybór technologii oraz rodzaju modułu, oparty na przejrzystych danych z uwzględnieniem wpływu różnych warunków środowiskowych na charakterystykę energetyczną modułów fotowoltaicznych. Dodatkowo, wpływ każdego z czynników zewnętrznych na produkcję energii często zależy od zastosowanej technologii. Możliwe do przeprowadzenia badania umożliwią porównywanie modułów oferowanych na rynku nie tylko z punktu widzenia ich mocy szczytowej, która staje się tylko głównym wskaźnikiem sprzedażowym, ale także wpływu zaciemnienia czy zmiennej rezystancji obwodu odciążenia Teza pracy Zachodzi zależność między kątami pochylenia modułu fotowoltaicznego a jego efektywnością działania. Dodatkowo efekt zacienienia modułu jest ważnym czynnikiem eksploatacyjnym dla całej instalacji fotowoltaicznej. W przypadku odpowiednio zaprojektowanego stanowiska badawczego możliwe jest wyznaczanie charakterystyk użytkowych modułów fotowoltaicznych w różnych warunkach środowiskowych Zakres pracy Praca zawiera analizę możliwości wykorzystania instalacji fotowoltaicznych w Polsce i na świecie. W treści zawarto podział i budowę typowych ogniw fotowoltaicznych oraz całych instalacji fotowoltaicznych. W ramach realizacji pracy wykonano projekt i zbudowano stanowisko do badań modułów fotowoltaicznych. Zaproponowano własną metodykę badań. Na jej podstawie przeprowadzono badania charakterystyk użytkowych wybranego, badanego modułu. Oprócz badań na stanowisku badawczym zrealizowano również symulację komputerową z wykorzystaniem aplikacji PVSYST w wersji ewaluacyjnej Pracę kończą wnioski z badań i podsumowanie. 8

9 2. ROZWÓJ FOTOWOLTAIKI W POLSCE I NA ŚWIECIE W pierwszej połowie XX wieku zainteresowanie energią słoneczną nie było duże ze względu na bardzo niskie ceny surowców kopalnych. Począwszy od 1950 roku odnotowuje się stopniowy rozwój prac związanych z zastosowaniem energii słonecznej. Badania zaczęto prowadzić na Uniwersytecie Yale i w M.I.T. dotyczyły one płaskich kolektorów, fotochemii i ogrzewania budynków. Podobne badania podjęto także w ZSRR i w Indiach [2][6][23][27]. Regularne sympozja, poza auspicjami międzynarodowych organizacji (UNESCO, ONZ), prezentowały aktualny stan osiągnięć i zamierzeń dotyczących energii słonecznej. W 1973 roku kryzys energetyczny wpłynął na rozpoczęcie i rozwój licznych prac badawczych i aplikacyjnych nakierowanych na budowę systemów słonecznych, mniej kosztownych i bardziej sprawnych, wykorzystujących różne metody transformacji energii słonecznej. W 1955 roku Western Electric Company przystąpiło do komercjalizacji licencji na technologie produkcji krzemu fotowoltaicznego, od tej pory notuje się rozwój praktycznych systemów PV do zasilania specjalistycznych urządzeń stosowanych do badań kosmicznych. Dalszy rozwój ogniw fotowoltaicznych z krzemu krystalicznego doprowadził do uzyskania odpowiednio dużej sprawności, aby umożliwić stosowanie ich jako generatory energii elektrycznej. Dla zobrazowania wieloletnich przedsięwzięć, związanych z rozwojem zastosowania fotowoltaicznej przemiany energii słonecznej, może posłużyć mała chronologia fotowoltaiki w Stanach Zjednoczonych [4][10][12][13]: - początki lat pięćdziesiątych: opracowanie technologii fotowoltaicznej w Stanach Zjednoczonych, wynalezienie komórki krzemowej w laboratoriach firmy Bell, rok: umówienia władz federalnych, dotyczące wykorzystania źródeł fotowoltaicznych do zasilania satelit kosmicznych, rok: kryzys paliwowy, aktywizujący zainteresowania zastosowaniami fotowoltaiki do potrzeb ziemskich, - koniec lat siedemdziesiątych: zamówienia Departamentu Energii i ustalenie programu rozwoju fotowoltaiki w dziedzinie budownictwa, rok: obniżenie o 10% podatków dla inwestycji dotyczących zastosowań fotowoltaiki; Program Federalny przeznaczający 1,2 miliarda USD na 10 lat w celach badań, rozwoju i zastosowań fotowoltaicznych przetworników energii słonecznej, program komercjalizacji urządzeń fotowoltaicznych, 9

10 rok: powstanie Corlisle House budynku wyposażonego w moduły fotowoltaiczne Solarex (7,5 kw), rok: pierwsza cienkowarstwowa komórka fotowoltaiczna o sprawności przekraczającej 10% (Kodak, Boeing), rok: cena modułów fotowoltaicznych spada poniżej 10 USD/W S, rok: powstanie elektrowni fotowoltaicznej o mocy 6 MWs w Carissa Plaints (Południowa Kalifornia), rok: ustalenie działań skierowanych na poprawę sprawności i obniżenie ceny przetworników fotowoltaicznych, powołanie konsorcjów z udziałem jednostek publicznych i prywatnych, rok: przygotowanie projektu z udziałem władz rządowych i przemysłu, mającego na celu rozbudowę bazy dla rozwoju produkcji systemów fotowoltaicznych, rok: uzyskanie komórki cienkowarstwowej o sprawności 5,9% (Uniwersytet południowej Florydy), cena modułów fotowoltaicznych spada poniżej 5 USD/W S, rok: instalacja pierwszego systemu fotowoltaicznego połączonego z siecią (500 kw/h - światowy rekord sprawności przetworników fotowoltaicznych, cienkowarstwowe 16% monokrystaliczne 30%), rok - Arnoco i Bnron anonsują zamiar wykorzystania modułów amorficznych do zastosowań fotowoltaicznych na wielką skalę. W 2000 roku Stany Zjednoczone realizują program Solar 2000, który dotyczy wykorzystania energii odnawialnej. Jednym z głównych celów tego programu było osiągnięcie mocy 1400 MW ze źródeł fotowoltaicznych, w tym 900 MW w USA i 500 MW w innych państwach. W ciągu ostatnich 10 lat, energetyka słoneczna to jedna z najszybciej rozwijających się gałęzi światowej gospodarki, ze średnim rocznym tempem wzrostu powyżej 35%. Dynamika wzrostu produkcji modułów fotowoltaicznych często przyrównywana jest do dynamiki wzrostu przemysłu mikro-elektronicznego w początkowym okresie jego rozwoju PV jest najdynamiczniej rozwijającym się sektorem obok informatyki i biotechnologii. Nawet w 2006 roku, gdy wystąpił chwilowy niedobór krzemu, zainstalowano więcej systemów PV niż w latach poprzednich. Zakładając konserwatywny wzrost rynku na poziomie 25% rocznie, w 2030 wartość przemysłu półprzewodnikowego związanego z sektorem PV przekroczy 175 bilionów Euro [5][6][7][21]. Przetwarzanie energii słonecznej w elektryczną sprawdza się obecnie w nowoczesnych technologiach i jest stosowana na skalę przemysłową, i pozwala rozwiązywać kluczowe 10

11 problemy energetyczne w wielu rejonach świata. Rosnąca niezawodność i sprawność ogniw fotowoltaicznych dochodząca już do 30%, a także długa żywotność (powyżej 20 lat), łatwość obsługi, niskie koszty eksploatacji, walory ekologiczne i coraz niższa cena powodują dynamiczny wzrost zapotrzebowania na źródła fotowoltaiczne w świecie oraz rozszerzenie obszarów ich zastosowań. Zastosowania źródeł fotowoltaicznych, ograniczone niegdyś do bardzo małych mocy, obejmują obecnie moce rzędu MW, które mogą zapewnić autonomię zasilania lub być zintegrowane z rozwiązaniami tradycyjnymi [7][12]. Rys Rynek systemów fotowoltaicznych na świecie [14] Rynek PV osiągnął już około 40 GW mocy zainstalowanej (Rys.2.1). Mimo tak znaczącego przyrostu energia elektryczna wytwarzana przez źródła fotowoltaiczne stanowi zaledwie niecały 1% światowej podaży energii. Przewiduje się, że w ogólnym zaopatrzeniu energetycznym świata udział energii promieniowania słonecznego będzie systematycznie wzrastał, a bezpośrednia zamiana tej energii będzie stanowić potencjalne przyszłościowe źródła ekologiczne czystej energii. Według szacunków Międzynarodowej Agencji Energii, do roku 2050 energia elektryczna wytwarzana przez instalacje fotowoltaiczne mogłaby wynosić 11% w skali globalnej [1][2]. Dzięki rozwiązaniom prawnym i administracyjnym wsparcie instalacji odnawialnych źródeł energii w tym i fotowoltaiki przy użyciu programu feed-in tariff (FiT) spowodowały dominację krajów europejskich w światowym rynku fotowoltaicznym. Liderem tego rynku od lat są Niemcy, gdzie moc systemów fotowoltaicznych zainstalowana wyniosła 17,3 GW w 2010r. - przewyższając roczny przyrost energetyki 11

12 wiatrowej! W krajach, które wprowadziły system FiT nastąpił zauważalny wzrost zainstalowanych nych systemów fotowoltaicznych. Rynek systemów fotowoltaicznych nowych państw członkowskich UE wzrósł z 485 MW w roku 2009 do 2165 MW w roku 2010 [9][10][12]. Pompy wodne 7% Inne 21% Systemy domowe 23% Sport - Turystyka 9% Komunikacja 11% Małe elektrownie 17% Średnie elektrownie 12% Rys Procentowy udział wykorzystania energii pochodzącej ze źródeł fotowoltaicznych [12][16] Prace nad wykorzystaniem fotowoltaicznych źródeł energii w Polsce prowadzone są już od 1973 roku. Jednak nie są one rozpowszechnione tak bardzo jak w krajach wysoko rozwiniętych. Nadal ponad 75 proc. energii uzyskuje się przez spalanie paliw kopalnych, kosztem dużej emisji dwutlenków siarki, węgla i azotu, a także pyłu. Rocznie w Polsce elektrownie zasilane węglem kamiennym produkują łącznie około GWh energii elektrycznej, a te zasilane węglem brunatnym ok GWh. Szacunkowa emisja gazów pochodzących z procesów spalania węgla podczas produkcji energii elektrycznej, przy rocznej jej produkcji w ilości 140 TWh, wynosi 1320 tys. ton S0 2, 370 tys. ton CO 2 i 400 tys. ton N0 2 [16][17]. Teoretyczne zasoby niekonwencjonalnych źródeł energii w naszym kraju są bardzo duże i znacznie wykraczają ą poza zużycie wszystkich paliw kopalnych. Istnieje jednak szereg uwarunkowań, które ograniczają wykorzystanie tego potencjału. Przede wszystkim jest to opłacalność ich stosowania przy danym poziomie cen tradycyjnych źródeł energii, ale ważne jest także, aby stworzyć właściwe lobby w społeczeństwie, stwie, które promować będzie paliwa odnawialne jako proekologiczne. 12

13 Według danych przekazywanych przez Urząd Regulacji Energetyki, w Polsce funkcjonuje 1,1 MW elektrowni PV, liczba ta jest przede wszystkim efektem uruchomienia farmy słonecznej w Wierzchosławicach o mocy 1 MW [16][20]. Dane URE nie uwzględniają systemów fotowoltaicznych, które nie są podłączone do sieci energetycznej, jednakże potencjał autonomicznych instalacji PV jest w naszym kraju znikomy. Najczęściej są to małe samodzielne systemy wykorzystywane w telekomunikacji, urządzeniach elektronicznych, rolniczych, sygnalizacji świetlnej drogowej i nawigacyjnej morskiej. Sporadycznie używa się systemów fotowoltaicznych do zaopatrywania w energię jachtów oraz domków letniskowych. Ilość dostępnej energii słonecznej zależy od szerokości geograficznej, warunków pogodowych, ukształtowania terenu, wysokości nad poziomem morza. Polska znajduje się w rejonie, w którym warunki klimatyczne i naturalne nie są co prawda optymalne do zastosowania urządzeń słonecznych, jednak pozwalają na znacznie szersze niż obecnie wykorzystanie Słońca. W klimacie umiarkowanym średnia liczba godzin słonecznych w ciągu roku wynosi 1600 h. Rys Średnia roczna energia promieniowania słonecznego na 1m 2 w Europie [18] 13

14 Długookresowe pomiary wykonywane przez IMGW wykazują, że średnie miesięczne sumy całkowitego promieniowania słonecznego w Polsce są zróżnicowane. Wartość średnia energii promieniowania słonecznego w czerwcu jest około 10 razy większa niż w grudniu, przy czym w okresie wiosenno letnim otrzymujemy 80% całorocznej energii promieniowania. Wynika stąd możliwość instalacji takich rozwiązań systemów PV, których maksymalne obciążenie przypada na okres wiosenno-letni. Rys Średnia roczna energia promieniowania słonecznego na 1m 2 w Polsce [18] Roczne promieniowanie na terenie Polski wynosi od 980 do 1050 kwh/m 2 i brak jest istotnych różnic w docierającej energii dla różnych rejonów kraju, co przedstawiono na 14

15 rysunku 2.4. Uprzywilejowane jednak są rejony górskie ze względu na mniejszy współczynnik AM oraz więcej słonecznych dni. Przy sprawności transformacji fotowoltaicznej rzędu 13 17% w Polsce można uzyskać z l m 2 około 150 kwh/rok. Rys Średnia miesięczna wartość promieniowania kwh/m 2 dla Krakowa w porównaniu z Dakarem [16] Szacunki mówią, że do 2030r. przy sprzyjających warunkach i wspieraniu ze strony państwa (działania proekologiczne, ekonomiczne wspomaganie inwestycji opartych na wykorzystaniu źródeł odnawialnych, obniżenie kosztów inwestycyjnych zespołów wchodzących w skład linii technologicznych itp.) możliwy będzie 10-15% udział energii odnawialnej w ogólnokrajowym bilansie energetycznym. Polska zobowiązana jest uzyskać do końca 2020 roku 15% udział OŹE w krajowym bilansie zużycia energii brutto, co może być jednak bardzo trudne do osiągnięcia Obrazuje to rysunek 2.6. Krajowy Plan Działania przewiduje udział OŹE w zużyciu energii elektrycznej brutto na poziomie 19.13%, dla porównania: Niemcy w 2009 mieli 16.3%. Założenia ramowe w tym względzie wynikają z ogólnoświatowego programu działań przyjętego na konferencji ONZ zwanej,,szczytem Ziemi w Rio de Janeiro, gdzie 153 państwa (w tym Polska) zobowiązały się do realizacji koncepcji ekorozwoju. 15

16 Rys Udział OŹE w zużyciu energii elektrycznej finalnej brutto w Polsce [16] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Rys Współczynniki korekcyjne jako element wsparcia rozwoju OŹE [22] 16

17 Obecnie w kraju trwają prace legislacyjne nad nową ustawą o odnawialnych źródłach energii, której celem ma być optymalizacja systemu wsparcia oraz uporządkowanie i uproszczenie przepisów prawa w zakresie wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych. Najważniejsze zmiany proponowane w ustawie zakładają [16][19][22]: - Uproszczone zasady prowadzenia działalności gospodarczej. Małe instalacje (40-200kW) oraz mikro instalacje (do 40kW) nie będą musiały stanowić działalności gospodarczej. - Brak potrzeby uzyskania koncesji - Uproszczone zasady przyłączania do sieci - Współczynniki korekcyjne - Preferencje dla podmiotów energochłonnych - Obowiązek zakupu przez ZE energii z instalacji PV o mocy do 100kW po określonej cenie. - Certyfikację instalatorów OŹE Rys Koszty produkcji energii elektrycznej wg. poszczególnych technologii OŹE (zł/mwh) [16] 17

18 Należy oczekiwać, że po wprowadzeniu ustawy o OŹE w Polsce również w naszym kraju będziemy obserwować przyrost ilości systemów fotowoltaicznych. W krajach zachodnioeuropejskich, położonych w warunkach klimatycznych zbliżonych do warunków polskich, odnotowuje się bardzo szybki wzrost zapotrzebowania na źródła fotowoltaiczne. Można, więc przewidywać, że wykorzystanie tych źródeł uzyska odpowiednią rangę także w Polsce i znajdzie swój stosowny wyraz w programach nauczania [1][2][6][18][22][24][34]. 18

19 3. PODSTAWY TRANSFORMACJI FOTOWOLTAICZNEJ 3.1. Energia promieniowania słonecznego Słońce emituje energię o mocy równej 3, MW w każdej sekundzie z czego do atmosfery ziemskiej dociera średnio 1,367 kw/m 2. Podczas przejścia światła przez atmosferę ziemską zachodzą zjawiska, które mają bezpośredni wpływ na ilość promieniowania docierającego do powierzchni ziemi (Rys. 3.1 i 3.3), są to absorpcja, rozpraszanie, lokalne zmiany w atmosferze jak i pora dnia i roku. W granicach 30% mocy promieniowania docierającej do górnych warstw stratosfery jest absorbowane i odbijane a następnie dociera do powierzchni jako promieniowanie rozproszone (ok. 23% promieniowania całkowitego) oraz w postaci wiązki bezpośredniej (77%). Ilościowo efekty te zależą od lokalnego składu atmosfery i drogi przebytej przez promieniowanie słoneczne. Droga ta zmienia się wraz z porą dnia, roku i punktem położenia na powierzchni ziemi [14][15][16][29]. Rys Schemat absorpcji i rozproszenia światła słonecznego w atmosferze ziemskiej [16] promieniowanie bezpośrednie: - przenosi większość energii, kierunek padania jest istotny dla działania i projektowania systemów PV - dominuje barwa żółta (brak krótkich fal niebieskich rozpraszanych w atmosferze) promieniowanie dyfuzyjne(rozproszone): - pochodzi z całej hemisfery nieba, ma zabarwienie niebieskie ze względu na rozpraszanie fal o większych energiach - pozwala na działanie systemu PV podczas pochmurnych dni 19

20 promieniowanie odbite: - średnia dla całej Ziemi wynosi 0,3 - niektóre materiały jak śnieg mają bardzo wysokie albedo: 0.82, trawa: 0.2, asfalt: 0.18, budynki: w praktyce promieniowanie odbite nie jest użyteczne w systemach PV ze względu na nieprzewidywalny kierunek odbicia Światło emitowane przez słońce posiada temperaturę barwową 5800K,a maksimum emisji promieniowania występuje dla długości fali 500nm Rozkład widmowy promieniowania docierającego do górnych części atmosfery ziemskiej przedstawiono na (Rys.3.2), jako krzywa AM0. Masa optyczna atmosfery (AM) jest stosunkiem długości drogi promieniowania przez atmosferę przy promieniowaniu padającym pod określonym kątem do długości drogi przy przejściu przez atmosferę prostopadle do powierzchni ziemi. AM = (3.1) Rozkłady widmowe na powierzchni ziemi dla różnych pozornych wysokości słońca oznaczono: AM1, dla kąta αs =90 oraz AM2 dla kąta α s =30. Rys Natężenie promieniowania słonecznego na powierzchni ziemi w zależności od długości fali [13] 20

21 Rys Rodzaje promieniowania słonecznego na powierzchni ziemi [13] Promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni ziemi jest charakteryzowane różnymi wielkościami, z których trzy mają istotne znaczenie w fotowoltaice. Są to: - gęstość strumienia promieniowania słonecznego (W/m 2 ) - nasłonecznienie (J/m 2 ) - usłonecznienie (h) Gęstością promieniowania docierającą do dowolnie usytuowanego ogniwa słonecznego nazywa się sumę energii promieniowania w całym zakresie długości fal, padającą na jednostkę powierzchni. Odnosi się ona do promieniowania całkowitego. Nasłonecznienie zwane również napromieniowaniem, jest energią promieniowania słonecznego podającą na jednostkę powierzchni w ciągu określonego czasu (np.: godziny, dnia, miesiąca, roku) Usłonecznienie określa liczbę godzin z bezpośrednio widoczną tarczą słoneczną. Liczba godzin słonecznych jest zmienna i zależna od położenia geograficznego. Dla obszaru Polski liczba ta wacha się w granicach godz./rok Pomiary energii promieniowania Piranometr Do określania mocy szczytowej ogniw fotowoltaicznych w standardowych warunkach testowania (STC) posługujemy się całkowitym natężeniem promieniowania czyli gęstością promieniowania, zwaną również irradiacją. Pomiaru dokonujemy za pomocą piranometru lub ogniwa wzorcowego. Piranometrem nazywamy przyrząd przeznaczony do pomiarów promieniowania globalnego, dochodzącego do powierzchni płaskiej w ramach kąta bryłowego 2Π. 21

22 Przyrząd ten, wyposażony w osłonę od słońca, może mierzyć także promieniowanie rozproszone. Energia promieniowania padającego na powierzchnię pomiarowe przetwornika zamienia się w ciepło, a różnica temperatur między powierzchniami jest proporcjonalna do energii zaabsorbowanej, ta z kolei powoduje powstanie napięcia elektrycznego. Najczęściej są to generatory o powierzchni odbiorczej usytuowanej horyzontalnie. W przypadku ogniwa wzorcowego pomiar natężenia promieniowania dokonywany jest na podstawie wyliczania mocy jaką dostarcza ogniwo o ściśle określonych parametrach oraz powierzchni. Rys a) Piranometr Kipp&Zonen cmp21, b) Ogniwo wzorcowe Tritec Spektron 300 [16] 3.3. Wpływ usytuowania ogniw na ich charakterystykę Do czynników zewnętrznych, które wpływają na ilość energii elektrycznej pozyskiwanej ze Słońca, zalicza się intensywność promieniowania, przejrzystość atmosfery i kąt padania promieni słonecznych. Czynnikiem, który ma znaczny wpływ na wydajność instalacji solarnych, jest przezroczystość atmosfery. Para wodna w powietrzu, pyłki roślin oraz zanieczyszczenia w postaci pyłów pochodzenia przemysłowego niekorzystnie zmieniają własności optyczne powietrza, przy czym warto wspomnieć, że podczas miesięcy letnich przezroczystość jest mniejsza ze względu na większą ilość pary wodnej. Aby najefektywniej wykorzystać energię słoneczną docierającą do powierzchni modułów fotowoltaicznych, należy uwzględnić odpowiednie ich usytuowanie względem stron świata i nachylenia do poziomu, aby uzyskać optymalny kąt padania promieni słonecznych. Największe nasłonecznienie przyjmuje płaszczyzna ustawiona w stosunku do pozornego ruchu słońca tak, aby promienie padały na nią prostopadle. Optymalną pozycją funkcjonowania przetworników słonecznych w środkowoeuropejskich szerokościach geograficznych jest orientacja powierzchni absorbującej na 22

23 południe i nachylenie jej do płaszczyzny horyzontalnej pod kątem odpowiadającym szerokości geograficznej. Rys Zależność kąta padania promieniowania słonecznego od szerokości geograficznej i pory roku [16] Rys Geometria układu słońce ogniwo PV [13] Kąty oznaczone na rys. 3.6 to: β pochylenie ogniwa względem horyzontu γ azymut ogniwa γ s azymut słoneczny θ β kąt padania promieniowania na powierzchnie ogniwa θ z kąt zenitu α s wysokość słońca 23

24 Dla systemów funkcjonujących cały rok, uzasadniona jest zmiana kąta nachyleń ogniw fotowoltaicznych stosownie do pory roku, ze względu na zmianę promieniowania globalnego. W Europie Centralnej, w okresie kwiecień sierpień, optymalny kąt nachylenia to 30. Praktycznie kąty nachylenia między 30 i 45 okazują się najbardziej korzystne, aczkolwiek w zależności od okresu użytkowania mogą mieć także zastosowanie kąty nachylenia zawarte między 25 i Mechanizm efektu fotowoltaicznego Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego opiera się na absorpcji promieniowania świetlnego docierającego do odpowiednio ukształtowanej struktury z krzemu, która stanowi w zasadzie diodę półprzewodnikową, czyli jedno złącze P-N. Ilościowo absorpcja określona jest tzw. współczynnikiem absorpcji α(λ), który oznacza odwrotność grubości półprzewodnika, w której moc promieniowania zmniejsza się e - krotnie. W celu wyjaśnienia mechanizmów wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego, które jest podstawą foto-konwersji, należy posłużyć się kwantową teorią promieniowania świetlnego. Zakłada ona, że światło to strumień fotonów, z których każdy niesie ze sobą pewien kwant energii (3.2). E = hf= (3.2) gdzie: h stała Plancka (6,6*10-34 J/s) f, λ częstotliwość i długość fali promieniowania c prędkość światła w próżni (3*10 8 m/s) Energia promieniowania elektromagnetycznego przede wszystkim w spektrum światła widzialnego powoduje wybijanie w półprzewodnikach elektronów z pasma walencyjnego na poziom przewodnictwa. W miejscu wybitego wiązania w sieci krystalicznej elektronu (-) powstaje dziura (+). Dziura rekombinuje z elektronem z sąsiedniego węzła sieci krystalicznej w którym powstaje nowa dziura. W przewodniku typu P jest przewaga dziur, natomiast w typu N jest przewaga elektronów. Do struktury krystalicznej materiału bazowego np. krzemu, wprowadzane są atomy o charakterze donorów (np. fosfor typ N) lub akceptorów (np. bor typ P). Na styku tych dwóch półprzewodników tworzy się bariera zaporowa, w wyniku pierwotnej rekombinacji ujemna w obszarze typu P i dodatnia 24

25 w obszarze typu N. W nieoświetlonym złączu P-N dziury przemieszczają na lewo i płynie niewielki wsteczny prąd dyfuzyjny Id (Rys.3.7b). Rys Mechanizm fotowoltaiczny, a) mechanizm powstawania dziur, b) wsteczny prąd szczątkowy dyfuzyjny(bez oświetlenia), c) przepływ prądu(oświetlenie) Fotony padające na złącze PN o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, powodują powstanie w tym miejscu pary elektron dziura (-) i (+). Pole elektryczne wokół półprzewodnika przesuwa nośniki różnych znaków w przeciwne strony, dziury do obszaru P, a elektrony do obszaru N, co powoduje powstanie zewnętrznego napięcia elektrycznego na złączu efekt fotowoltaiczny. Rozdzielone ładunki są nośnikami nadmiarowymi o nieskończonym czasie życia, napięcie na złączu PN jest stałe i złącze działa jak ogniwo elektryczne (Rys. 3.7c). Padający na ogniwo foton nie może mieć jednak zbyt małej energii gdyż, nie wybije elektronu z powłoki walencyjnej. Także fotony o energii przewyższającej barierę potencjału nie są w pełni użyteczne, gdyż jedynie cześć ich energii będzie wykorzystana, i właśnie tu leży problem nie wielkiej sprawności ogniw PV. Najbardziej wydajne będące obecnie w produkcji osiągają sprawność rzędu 20%. 25

26 Producenci ogniw fotowoltaicznych podają zazwyczaj spektrum promieniowania, w którego przedziale następuje konwersja promieniowania słonecznego na elektryczność. Rys Zakres spektrum promieniowania w jakim zachodzi efekt fotowoltaiczny [16] Na powyższym wykresie widać, że nawet w przypadku wysoce sprawnego krzemu konwersja promieniowania słonecznego na energię elektryczną zachodzi głównie w części widzialnej promieniowania słonecznego (od nm ) dodatkowo nawet w tym wąskim zakresie konwersja nie wynosi 100%. Wzór (3.2) dla promieniowania słonecznego można uprościć do postaci: E = Korzystając z wykresu (Rys.3.8) oraz równania (3.3) wynika, że: - maksymalna energia, jaką mogą mieć fotony to 4.1 ev konwersja poniżej 20% (3.3) - efektywna konwersja (ponad 90%) - zachodzi jedynie w przedziale 1,77eV 1.3eV, a dokonać może tego promieniowanie o długości fali nm. Warunek ten spełnia jedynie ok. 30% promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi. - konwersja zanika, gdy elektrony mają energię mniejszą niż 1.1eV [12][13][15][17][26]. 26

27 4. BUDOWA OGNIW I MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH Technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicznych w ostatnim dziesięcioleciu rozwijają się niezwykle intensywnie i stają się coraz bardziej znaczącym przemysłem w świecie. Ciągle poszukuje się nowych materiałów i nowych metod wytwarzania zmierzających przede wszystkim do podniesienia sprawności energetycznej fotoogniw, jak i znaczącego obniżenia ich ceny. Rys Udział poszczególnych technologii na rynku PV w 2009r. [16] Podstawowym materiałem stosowanym obecnie do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem. Za jego stosowaniem przemawiają pewne charakterystyczne właściwości: - jest najbardziej znanym materiałem półprzewodnikowym, - jest relatywnie tani i łatwo dostępny, - bardzo dobrze opanowana technologia wytwarzania krzemu krystalicznego, - akceptowalny stosunek ceny do sprawności modułów, - wysoka trwałość struktur krystalicznych. Budowa typowego ogniwa fotowoltaicznego przypomina konstrukcją diodę. Ogniwa w których obie warstwy (p i n) wykonano z tego samego materiału (np. z pojedynczego kryształu krzemu), nazywane są ogniwami mono krystalicznymi o homozłączu p-n (tzn. obie struktury p i n wykonano z tego samego półprzewodnika). Ogniwa budowane z wielu kryształów tego samego materiału nazywamy ogniwami polikrystalicznymi z homozłączem, a gdy warstwy p i n są wykonane z wielu kryształów różnych materiałów - ogniwami polikrystalicznymi z heterozłączem. 27

28 Rys Szacowana wielkość produkcji do roku 2014 [mat.szkoleniowe] Rys Budowa ogniwa fotowoltaicznego [13] Ogniwa PV mogą być również budowane z materiałów bezpostaciowych, w których nie występuje uporządkowanie atomów takie jak w sieci krystalicznej, zwanych amorficznymi. Mogą one mieć wiązania wysycone atomami wodoru z homozłączem, np. a-si:h, lub z heterozłączem, np. a-sige lub a-sic. Coraz większego znaczenia nabierają ogniwa cienkowarstwowe o grubości rzędu kilku mikrometrów, elastyczne i półprzeźroczyste na bazie heterostruktury CIS/CdS. Obecnie najwyższą sprawność w warunkach laboratoryjnych (ok 30%) uzyskują ogniwa wykonane na bazie arsenku galu, których sprawność jest dodatkowo słabo zależna od temperatury, co stwarza szansę na stosowanie koncentratorów promieniowania i zmniejszenie gabarytów modułów i paneli PV. Według ogólnej klasyfikacji dzielimy ogniwa na trzy generacje: Ogniwa fotowoltaiczne I generacji są produkowane na bazie płytek krystalicznego krzemu (aktualnie ok. 82% całej światowej produkcji ogniw PV). Główne zalety krzemu to: 28