Zaawansowane systemy fotowoltaiczne. Wprowadzenie do energii słonecznej i fotowoltaiki

Transkrypt

1 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Zaawansowane systemy fotowoltaiczne Wykład 1 Wprowadzenie do energii słonecznej i fotowoltaiki dr inż. Janusz Teneta C-3 pok. 8 (parter), romus@agh.edu.pl Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH Kraków 2015

2 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Materiały do pobrania: home.agh.edu.pl/romus/oze

3 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Słońce Centralna gwiazda Układu Słonecznego, najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi Kula zjonizowanego gazu o masie około 1, kg ( mas Ziemi) Średnica 1, km (109 średnic Ziemi) Szacowana temperatura jądra ok. 1, K Efektywna temperatura na powierzchni 5780 K Wiek Słońca szacowany na lat Przemiany jądrowe: fuzja 4 atomów wodoru w jedno jądro helu + emisja energii 26,732 MeV (98% zabierają fotony, 2% neutrina) Moc promieniowania 3, W źródło:

4 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Geometria słoneczna Ruch obrotowy Ziemi dzień - noc Ruch obiegowy Ziemi zmiana pór roku Pory roku na półkulach północnej i południowej są przesunięte względem siebie o 6 miesięcy

5 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Stała słoneczna Całkowita energia, jaką promieniowanie słoneczne przenosi w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle do promieniowania w średniej odległości Ziemi od Słońca (1 j.a.) przed wejściem promieniowania do atmosfery (na wysokości ok. 100km nad powierzchnią Ziemi) Średnia wartość stałej słonecznej wynosi około 1366,1 W/m² Wartość stałej słonecznej podlega zmianom zgodnie z cyklem aktywności Słońca (cykl 11 lat, zmiana ok. 0,1%) oraz z powodu ruchu obrotowego Słońca (cykl 27 dni, zmiana ok. 0,2%) Rzeczywista wartość energii strumienia promieniowania słonecznego ponad ziemską atmosferą zmienia się w granicach 1,32-1,41 kw/m 2 w cyklu rocznym (ruch obiegowy Ziemi wokół Słońca).

6 Azymut i elewacja Słońca J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

7 Widmo promieniowania słonecznego i zjawiska jego absorpcji w różnych składnikach ziemskiej atmosfery J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

8 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Zjawiska w ziemskiej atmosferze Promieniowanie odbite z powrotem poza atmosferę słoneczne Odbijanie zaabsorbowane Rozpraszanie bezpośrednie rozproszone odbite od Ziemi Powierzchnia Ziemi

9 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Struktura promieniowania słonecznego Źródło: weather.uwaterloo.ca Bezpośrednie Rozproszone Odbite (współczynnik Albedo) Zaabsorbowane (emisja wtórna)

10 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH AMm Droga promieni słonecznych przez atmosferę współczynnik masy powietrza m 1 cos dla Ψ <70 o lub m cos 0, 15, 1 p p , gdzie: p hpa p rzeczywiste ciśnienie atmosferyczne [hpa] dla Ψ <89 o

11 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Pomiary promieniowania słonecznego Pyranometr (solarymetr), przyrząd do pomiaru całkowitego promieniowania słonecznego (promieniowanie w atmosferze ziemskiej) w zakresie 0,3 3 µm, padającego na poziomą płaszczyznę. Główną częścią pyranometru jest czujnik w postaci termoelementu lub zespołu termoelementów (termostos), a pomiar polega na pomiarze powstającej w termoelemencie siły elektromotorycznej, proporcjonalnej do natężenia padającego promieniowania. Czujnik jest osłonięty ekranem (zwykle szklana czasza) zatrzymującym promieniowanie o długości fali większej od 3 µm i chroniącym go od wpływu warunków zewnętrznych (wiatru, opadów).

12 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Ogniwo wzorcowe ESTI (type) Sensor ESTI-Sensor (European Solar Test Installation) składa się z przepołowionej celi krzemowej. Zaciski jednej połowy są rozwarte, natomiast druga połowa zwarta jest przez obciążenie (20mOhm). Sensor mierzy natężenie promieniowania słonecznego pod napięciem 30mV, około sześciokrotnie wyższym niż na pyranometrze. Promieniowanie jest proporcjonalne do prądu zwarciowego w pierwszej połówce sensora, natomiast temperatura jest proporcjonalna do napięcia układu otwartego drugiej połowy. Zastosowanie: Monitorowanie instalacji fotowoltaicznych wykonanych z takiego samego materiału co sensor. Mierzenie temperatury wewnętrznej modułu, co pozwala na określenie charakterystyk względem warunków nominalnych (STC Standard Test Condition)

13 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Pomiar promieniowania Układy przesłonowe rozproszonego Pierścień K&Z Tracker K&Z

14 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Tracker promieniowania słonecznego

15 Monitoring pogodowy Minimum Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej Temperatura otoczenia Optimum Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej Rozproszone promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie modułów PV Temperatura otoczenia (powietrza) Temperatura modułów PV Ciśnienie atmosferyczne Wilgotność powietrza Uśrednianie/ rejestrację danych pomiarowych przeprowadza się z krokiem czasowym nie większym niż 1 godzina. J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

16 Irradiancja słoneczna [W m -2 nm -1 ] J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Widmo promieniowania słonecznego ASTM G Referencyjne spektrum słoneczne ISO ,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 AM0 ASTM E490 AM1.5 Global Hor. AM1.5 Direct ~1367W/m2 ~1000W/m2 ~900W/m2 0,75 0,50 0,25 0, Długość fali [nm]

17 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Energia słoneczna??? Właściwie o jakich ilościach dostępnej energii słonecznej mówimy?

18 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Potencjał OZE na Ziemi Źródło: Wikipedia, Energy flow charts. Global Climate & Energy Project. 0,018% 1,7% 47% 208%

19 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Dakar 2176 Kair 2091 Źródło: PVSyst (Meteonorm)

20 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Delhi 1976 Tokyo 1275 Źródło: PVSyst (Meteonorm)

21 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Los Angeles 1924 Sevilla 1757 Źródło: PVSyst (Meteonorm)

22 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Berlin 1004 Freiburg 1113 Źródło: PVSyst (Meteonorm)

23 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Kraków 1094 Freiburg 1113 Źródło: PVSyst (Meteonorm)

24 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Struktura promieniowania słonecznego - pomiary

25 W/m2 03:00 03:25 03:50 04:15 04:40 05:05 05:30 05:55 06:20 06:45 07:10 07:35 08:00 08:25 08:50 09:15 09:40 10:05 10:30 10:55 11:20 11:45 12:10 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH :35 13:00 13:25 13:50 14:15 14:40 15:05 15:30 15:55 16:20 16:45 17:10 17:35 18:00 18:25 18:50 19:15 19:40 Promieniowanie słoneczne w ciągu dnia 1000 Chwilowe natężenie promieniowania słonecznego w dniu Uśrednienie co 5 minut

26 Nasłonecznienie w Europie J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

27 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Nasłonecznienie w Niemczech i w Polsce

28 Potencjał produkcji energii z PV w Niemczech i w Polsce J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

29 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Trajektorie słoneczne widziane z Krakowa

30 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Wpływ montażu paneli PV na dostępność energii słonecznej

31 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Sposoby przetwarzania energii słonecznej Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny) Kolektor słoneczny

32 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Sprawność przetwarzania energii słonecznej Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny) Kolektor słoneczny ~18 % do 80 %

33 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Wrażliwość na wzrost temperatury Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny) Kolektor słoneczny

34 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Wrażliwość na zacienienie (nawet częściowe) Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny)

35 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Solarna elektrownia termiczna Solucar Sevilla, Hiszpania 11MW 624 zwierciadła po 120m 2 każde Źródło:

36 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Solarna elektrownia termiczna (schemat)

37 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Solarna elektrownia termiczna

38 Fotowoltaika co to jest???? Zjawisko fotowoltaiczne (wewnętrzny efekt fotowoltaiczny) to wytwarzanie w ciele stałym siły elektromotorycznej (napięcia) pod wpływem promieniowania świetlnego Antoni C. Becquerel (1839) źródło: wikipedia J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

39 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Ogniwo fotowoltaiczne Oświetlone złącze półprzewodnikowe generujące energię w oparciu o wewnętrzne zjawisko fotowoltaiczne (generacja pary elektron-dziura gdy energia fotonu jest większa od szerokości pasma zabronionego) λ max =hc/w g

40 Ogniwo fotowoltaiczne materiały Krzem Monokrystaliczny Multikrystaliczny Cienkowarstwowy (amorficzny) Inne: Arsenek galu GaAs Tellurek kadmu CdTe Si krystaliczny (c-si i mc-si) 90% Si amorficzny 9% GaAs i inne III-V CuInSe2 i pochodne 1% CdTe Materiał Eg [ev] [%] C-Si 1,15 24,4 A-Si:H 1,4-2,0 13,2 GaAs 1,4 27 Cu(In,Ga)Se 2 1,11 19,2 CdTe 1,50 15,8 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

41 Produkcja monokrystalicznego fotoogniwa słonecznego Krzem metalurgiczny (polikryształ) Wyciąganie monokryształów Wycinanie z walca prostopadłościanu Cięcie na płytki 0.2 do 0.5mm Teksturyzacja powierzchni Dyfuzja fosforu Nanoszenie kontaktów i warstwy antyodblaskowej J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

42 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Fazy procesu produkcyjnego fotoogniwa słonecznego źródło : Marek Butkowski Rynek technologii Słonecznych w Polsce, prezentacja

43 Testowanie krzemowego polikrystalicznego ogniwa fotowoltaicznego na symulatorze Słońca J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

44 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH Model fizyczny ogniwa fotowoltaiczengo Iph D Rsh Rs + V - Gdzie: D symbolizuje złącze półprzewodnikowe R sh I ph oznacza fotoprąd generowany w złączu R sh oznacza rezystancję upływności między elektrodami złącza ( powinna mieć jak największą wartość) R s R s oznacza rezystancję szeregową czyli właściwie rezystancję kontaktów (powinna mieć jak najmniejszą wartość)

45 Schemat linii produkcyjnej Źródło: J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

46 Przekrój modułu fotowoltaicznego Odpowiednie połączenie pojedynczych komórek fotowoltaicznych w szeregi Masa wypełniająca Szyba przednia Tworzywo tylne Rama wzmacniająca J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

47 Zalety fotowoltaki Nie emituje zanieczyszczeń Nie wytwarza hałasu Nie generuje wibracji Nie ingeruje w środowisko i przestrzeń * Łatwo ją zintegrować z budynkami Gwarancja parametrów paneli PV na 25 lat J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

48 Fotowoltaika a ekologia System fotowoltaiczny * o mocy 1kWp zainstalowany w Polsce jest w stanie wyprodukować rocznie od 850 do 950 kwh energii elektrycznej * System stacjonarny w optymalnym ułożeniu i w warunkach czystego horyzontu Wielkości emisji zanieczyszczeń w roku 2011 w wyniku spalania paliw w Elektrowni Bełchatów dla bloków 1-12 Emisja całkowita przypadająca na produkcję energii elektrycznej brutto Emisja jednostkowa z produkcji energii elektrycznej Emisja jednostkowa z produkcji energii cieplnej Jednostki kg/mwh kg/mwh kg/gj SO 2 2,678 2,671 0,102 NO x 1,342 1,336 0,078 pył 0,049 0,049 0,002 CO 0,383 0,382 0,015 CO ,06 J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH

49 Dziękuję za uwagę!!! J. TENETA Wykłady "Zaawansowane systemy fotowoltaiczne" AGH