Systemy solarne Główne metody konwersji EPS

Transkrypt

1 Dr inż. Mariusz Szewczyk Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Katedra Termodynamiki Rzeszów, ul. W. Pola 2 Systemy solarne Główne metody konwersji EPS schemat fototermiczna konwersja niskotemperaturowa fototermiczna konwersja wyskotemperaturowa konwersja fotowoltaiczna konwersja fotochemiczna

2 Schemat przekształceń Kolor żółty rodzaje konwersji energii promieniowania słonecznego (EPS) Kolor zielony naturalne procesy przekształcania EPS Kolor łososiowy techniczne procesy transformacji EPS Kolor szary energia użyteczna (ramka niebieska) i nośniki energii (ramka czerwona) uzyskiwane w procesach przekształcania EPS

3 Fototermiczna konwersja niskotemperaturowa Niskotemperaturowa konwersja fototermiczna polega na wykorzystaniu energii termicznej powstałej podczas absorpcji promieniowania słonecznego przez powierzchnie ciał stałych i cieczy, bez koncentracji lub z bardzo niewielkim stopniem koncentracji promieniowania słonecznego. Wzrost temperatury medium lub struktur absorbujących lub/i transportujących energię termiczną w trakcie normalnej pracy nie przekracza 100 K.

4 Konwersja niskotemperaturowa rodzaje systemów Podstawowe technologie dokonujące niskotemperaturowej konwersji fototermicznej to: cieczowe kolektory fototermiczne - ciepło użytkowe, systemy pozyskiwania EPS w budownictwie pasywnym i niskoenergetycznym - ciepło użytkowe, powietrzne kolektory fototermiczne - ciepło użytkowe, suszarnie i odsalarnie słoneczne - ciepło użytkowe, stawy słoneczne - ciepło użytkowe lub energia elektryczna, wieże słoneczne energia elektryczna. Systemy wytwarzające ciepło użytkowe, w zależności od tego czy do wykorzystania otrzymanej energii termicznej wymagają dodatkowej energii z zewnątrz, czy też energia termiczna zostanie przemieszczona/wydzielona we właściwe miejsce dzięki naturalnym procesom wywołanym absorpcją promieniowania słonecznego, dzielimy na: systemy pasywne i systemy aktywne.

5 Zastosowania systemów pasywnych Pasywna metoda wykorzystania energii termicznej uzyskanej na drodze konwersji fototermicznej znalazła zastosowanie przede wszystkim w: systemach pozyskiwania EPS w budownictwie, przygotowywaniu ciepłej wody użytkowej CWU w kolektorach magazynujących i instalacjach termosyfonowych, wentylacji naturalnej i suszarniach słonecznych z wentylacją naturalną. Przygotowywanie ciepłej wody użytkowej CWU w kolektorach magazynujących i instalacjach termosyfonowych jest możliwe do zastosowania w lepszych niż Polskie warunkach klimatycznych lub w instalacjach działających okresowo w okresie letnim - instalacje termosyfonowe w celu właściwego działania wymagają bowiem takiego natężenia promieniowania które w Polsce występuje rzadko, a kolektorów magazynujących nie można stosować gdy temperatura obniża się poniżej temperatury zamarzania wody. Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w suszarnictwie jest natomiast najbardziej efektywnym ekonomicznie sposobem wykorzystania energii promieniowania słonecznego.

6 Konwersja wysokotemperaturowa Podstawowym warunkiem uzyskania odpowiednio wysokiej temperatury czynnika roboczego jest zastosowanie kolektora skupiającego koncentratora promieniowania słonecznego zwiększającego irradiencję na absorberze. W układach pozyskiwania EPS stosowane układy koncentratorów zapewniają stopień koncentracji od kilku do W układach koncentrujących stosuje się albo reflektory lustra, albo refraktory soczewki skupiające. Stosowane mogą być tak koncentratory obrazowe jak i bezobrazowe. Ze względu na uzyskiwane temperatury absorbera, ściśle uzależnione od stopnia koncentracji, za układy wysokotemperaturowe uznaje się w zasadzie tylko te wykorzystujące koncentratory obrazowe. Koncentratory bezobrazowe (CPC) wykorzystywane są w konwersji niskotemperaturowej. Warunkiem niezbędnym efektywnego i ekonomicznego działania systemów wysokotemperaturowych jest roczne nasłonecznienie bezpośrednie mierzone w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku promieniowania przekraczające 7 GJ/m 2 (2 kwh/m 2 ). Warunek ten nie jest spełniony w Polsce nawet w miejscach posiadających najlepsze warunki słoneczne.

7 Konwersja wysokotemperaturowa rodzaje systemów Wysokotemperaturowa konwersja fototermiczna stosowana jest w systemach służących do produkcji energii elektrycznej lub wytwarzania ciepła technologicznego. Systemy termokonwersji wysokotemperaturowej różnią się między sobą budową koncentratora, sposobem usytuowania odbiornika względem koncentratora oraz wykorzystania ciepła w odbiorniku i dzielą się na trzy zasadnicze typy: układy z odbiornikiem centralnym, układy z odbiornikami rozproszonymi, układy kolektorów indywidualnych dyskowych.

8 Konwersja fotoelektryczna Konwersja fotoelektryczna opiera się na efekcie fotowoltaicznym odkrytym w 1839 r. przez E. Bequerela. Zasada działania współczesnych ogniw fotowoltaicznych opiera się na zjawiskach zachodzących w złączu p-n oświetlonym przez fotony o odpowiedniej energii. Bariera potencjału występująca na złączu p-n prowadzi do segregacji ładunków dodatnich i ujemnych powstałych na skutek wyrzucenia przez fotony promieniowania elektronów z sieci krystalicznej do pasma przewodnictwa. Ponieważ rozdzielone ładunki są nośnikami nadmiarowymi przesuniętymi z jednego obszaru do drugiego powstaje potencjał elektryczny pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami ogniwa. Konwersja fotowoltaiczna jest najprostszym sposobem przetwarzania energii bezpośrednio z postaci najbardziej pierwotnej (energia promieniowania słonecznego) w postać najbardziej przetworzoną (energia elektryczna).

9 Konwersja fotoelektryczna rodzaje systemów Panele i ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są w dwojakiego typu systemach. 1. Systemy autonomiczne (off grid) stosowane do: zasilania urządzeń przenośnych, zasilania systemów produkcji nośników chemicznych np. wodoru, zasilania urządzeń zewnętrznych konsumenckich i przemysłowych, zasilania pojedynczych budynków i osiedli nie podłączonych do sieci; W większości przypadków systemy te wyposażone są w układ akumulacyjny złożony z akumulatorów pozwalających ma długotrwałe ładowanie i głębokie rozładowanie lub drugie źródło energii w postaci siłowni wiatrowej lub silnika cieplnego. 2. Systemy sieciowe (grid connected) zsynchronizowane z siecią elektroenergetyczną: zdecentralizowane (niezawodowe) w postaci instalacji skompletowanych z samodzielnych paneli ustawionych na powierzchni dachu/gruntu lub instalacji zintegrowanych z elementami infrastrukturalnymi lub budynkami, zcentralizowane (zawodowe) w postaci wielkopowierzchniowych zestawów paneli o mocy powyżej 200 kw (elektrownie fotowoltaiczne); Systemy takie nie posiadają układu akumulacji, a energia elektryczna oddawana jest poprzez inwertory bezpośrednio do sieci wewnętrznej lub zewnętrznej.

10 Konwersja fotochemiczna Konwersja fotochemiczna polega na przekształceniu energii kwantu promieniowania elektromagnetycznego w energię wiązania chemicznego bez pośrednictwa innego nośnika energii. Konwersja taka jest dokonywana w sposób naturalny podczas procesu fotosyntezy przekształcając energię promieniowania słonecznego w energię biomasy. Odbywa się to jednak z bardzo niską sprawnością - w energię chemiczną podczas fotosyntezy przekształcane jest w zależności od typ cyklu fotosyntezy i warunków klimatycznych od 3 do 6 % energii padającej na powierzchnię terenów zielonych. Systemy techniczne wykorzystujące konwersję fotochemiczną produkują chemiczne nośniki energii i oparte są na trzech podstawowych schematach: prowadzenie naturalnej fotosyntezy w warunkach kontrolowanych zwiększających jej sprawność (np. poprawa naświetlenia, podniesienie stężenia CO 2 ), realizacja reakcji fotosyntezy bez udziału organizmów żywych z udziałem odpowiednich katalizatorów (np. prace prof.. Nazimka z UMCS), wykorzystanie reakcji fotochemicznych do rozkładu związków chemicznych, sterylizacji itp. fotoliza wody.