PRZEGLĄD NOWOCZESNYCH TECHNOLOGII MIKRO I MAŁYCH INSTALACJI OZE ŹRÓDŁA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Transkrypt

1 PRZEGLĄD NOWOCZESNYCH TECHNOLOGII MIKRO I MAŁYCH INSTALACJI OZE ŹRÓDŁA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Instalacje fotowoltaiczne Instalacje małych elektrowni wiatrowych

2 INSTALACJE FOTOWOLTAICZNE

3

4

5

6

7

8 Technologia wytwarzania ogniw fotowoltaicznych

9 Produkcja c-si w układach PV

10 Wytwarzanie ogniw PV z krzemu monokrystalicznego

13 Wytwarzanie ogniw PV z krzemu polikrystalicznego

14 Etapy produkcji wafli krzemowych polikrystalicznych

15 Technologia Ribbon Drawing

16 Metoda ta polega na pionowym przeciąganiu przez płytką warstwę roztopionego krzemu, dwóch równoległych drutów, odpornych na wysokie temperatury. Roztopiony krzem przechodzący przez obszar pomiędzy drutami ulega krzepnięciu tworząc wstęgę krzemową o określonych wymiarach. Proces ten jest ciągły, czysty i cichy. Druty rozwijane są ze szpuli i wyciągane do długich wstęg krzemowych poza obszarem roztopionego materiału. Wstęgi te z kolei są okresowo zbierane i cięte na mniejsze prostokąty nadające się do dalszej obróbki.

19

20 Ogniwa I generacji czyli te klasyczne, które większość z nas ma na myśli słysząc słowo fotowoltaika. Ogniwa te oparte są o tradycyjne krzemowe złącze p-n produkowane z bardzo czystego( ) krzemu krystalicznego w postaci wafli grubości ok mikrometrów. Charakteryzują się wysoką sprawnością zazwyczaj 17-22% jak również wysokimi kosztami produkcji. Głównie z uwagi na wysokie koszty krzemu oraz relatywnie małą automatyzację produkcji (wiele prac wykonuje wykwalifikowany pracownik) Obecny udział w rynku ok 82%

21

22 Ogniwa II generacji także zbudowane w oparciu i złącze P-N jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 1-3 mikrometrów. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są znacznie tańsze w produkcji a cały proces bardziej zautomatyzowany. Główną wadą ogniw II generacji jest niższa sprawność od ogniw I generacji, która w zależności od technologii waha się od 7-15%. Obecny udział w rynku ok 18%

23

24 Ogniwa II generacji.także zbudowane w oparciu i złącze P-N jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS)

25 Dlaczego układy cienkowarstwowe?

26 Ogniwa III generacji pozbawione są złącza P-N niezbędnego przy produkcji ogniw fotowoltaicznych z wykorzystaniem tradycyjnych półprzewodników. Obecnie do ogniw III generacji zaliczane są bardzo różne technologie jednak najbardziej zaawansowane prace są nad ogniwami DSSC oraz organicznymi z wykorzystaniem polimerów. Wielką zaletą ogniw II generacji są niskie koszty oraz prostota produkcji. Główną przeszkodą w ich popularyzacji jest niska sprawność oscylująca wokół kilku procent. Obecny udział w rynku ogniw III generacji nie przekracza 0.5%.

27

28

29 Jednostki charakterystyczne promieniowania słonecznego

30 Zmiana cen modułów PV w ostatnich latach

31 Wzrost Sprawności Ogniw Fotowoltaicznych

32 Zasoby energii słonecznej

33 Zasoby energii słonecznej

34 Natężenie promieniowania słonecznego

35

36

37

38 Możliwości wykorzystania Fotowoltaiki w Polsce

39

40

41

42

43

44 Instalacje małych elektrowni wiatrowych

45 MEW - STATYSTYKI RYNKU NA ŚWIECIE

55 Możliwości rozwoju mikroenergetyki wiatrowej w Polsce - rynek energetyki prosumenckiej

56 Średnie zużycie energii elektrycznej

57 Firmy sektora małej energetyki wiatrowej w Polsce

58 Sprzedaż małych turbin wiatrowych w Polsce

59

60 MEW - EKONOMIA Koncepcje zastosowań turbin wiatrowych małej mocy

61 Opłacalność zastosowania turbin wiatrowych małej mocy

62 Opłacalność zastosowania turbin wiatrowych DUŻEJ MOCY

63 Opłacalność zastosowania INSTALACJI OZE

64 MEW - EKONOMIA biznes.gazetaprawna.pl

65 MEW - EKONOMIA biznes.gazetaprawna.pl

66 MEW - STATYSTYKI RYNKU W POLSCE

69 Ograniczenia efektywności pracy siłowni wiatrowej Zmiana prędkości wiatru w ciągu roku

70 Podział małych siłowni wiatrowych Podstawowym kryterium podziału elektrowni wiatrowych jest położenie osi obrotu wirnika, zgodnie z którym rozróżniamy dwa rodzaje elektrowni: z poziomą osią obrotu HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines); najpopularniejsze - ponad 95% stosowanych rozwiązań; z pionową osią obrotu VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines). Podział ze względu inne kryteria: sposób wykorzystania produkowanej energii wyróżnia się siłownie energetyczne i siłownie mechaniczne (np. pompowe); liczbę płatów wirnika elektrownie jedno-, dwu-, trzy-, cztero- i wielopłatowe; usytuowanie wirnika względem kierunku wiatru i masztu (w elektrowniach typu HAWT): dowietrzne (ang. up-wind) oraz odwietrzne (ang. down-wind); szybkobieżność elektrownie wolnobieżne, średniobieżne i szybkobieżne.

71 Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej Większość konstrukcji silników wiatrowych VAWT bazuje na trzech podstawowych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Są to silniki Savonius a, Darrieus a oraz rotory typu H. Przykłady takich rozwiązań przedstawia rysunek poniżej: Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu: a) wirnik Darrieus a sprzęgnięty z dwoma wspomagającymi wirnikami Savonius a, b) silnik wiatrowy Savonius a, c) turbina o wirniku w kształcie H.

72 Zasada działania silnika Savoniusa Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej Turbina Savoniusa wykorzystuje głównie siłę parcia wiatru i tylko w niewielkim stopniu siłę nośną wiatru. Stosunek wysokości do średnicy powinien być dostosowany do warunków w jakich ma pracować. Im wyższy stosunek wysokości do średnicy tym wyższa sprawność, lecz dzieje się to kosztem wytrzymałości konstrukcji. Przez co Savoniusy o wyższych sprawnościach nie nadają się do miejsc gdzie występują silne wiatry. Wady: posiada on dość niską sprawność przez co potrzebna jest konstrukcja dużych rozmiarów by wytworzyć większe ilości energii. w celu podwyższenia sprawności musimy zmniejszyć wytrzymałość całej konstrukcji Zalety: jego budowa jest tak prosta ze można go wykonać samodzielnie. duży moment startowy dzięki któremu nie potrzebuje zewnętrznego napędu przy odpowiednim wykonaniu może przetrwać wiatry do 60m/s pracuje niemal kompletnie bezgłośnie

73 Zasada działania silnika Savoniusa Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej Wirnik Savoniusa, aby jego sprawność była jak najwyższa, powinien posiadać takie cechy jak: dwie łopaty w wirniku zwiększenie liczby wirników przyczynia się do zmniejszenia sprawności turbiny, średnica szczeliny winna mieścić się w granicy 0,1 0,15 średnicy jednego płata, osłony ograniczające łopaty od góry i od dołu winny być o 5 10% większej średnicy niż średnica łopat, dzięki czemu wiatr nie ucieka poza wirnik, aby wyrównać moment startowy turbiny zaleca się umieszczenie dwóch takich wirników obróconych względem osi o 90 stopni.

74 Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej - przykłady Turbina świderkowa jest modyfikacją silnika Savonius a, w której powierzchnie robocze wirnika stanowią powierzchnie walcowe ułożone wzdłuż linii śrubowej. W efekcie tej modyfikacji zapewniono zmniejszenie zmienności momentu napędowego w trakcie obrotu wirnika

75 Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej - przykłady Turbina Helix Wind, z kieszeniami chwytającymi wiatr ułożonymi wzdłuż linii śrubowej [

76 Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej Turbina Darieussa - opatentowana w 1927 roku w dwóch wariantach. Pierwszy z nich tzw. Giromill czyli turbina typu H (lub h - rotor) z prostymi łopatami.

77 Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej Turbina Darieussa - Drugi wariant turbiny tzw. mikser z zagiętymi łopatami mającymi kształt troposkein (z Greki - obracającej się liny ), czyli taki, jaki przybiera skakanka.

78 Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej - Turbina Darieussa

79 Podział siłowni wiatrowych o osi pionowej Zalety i wady turbiny Darrieusa Turbina wiatrowa Darrieusa jest poważnie narażona na uszkodzenia mechaniczne z powodu bardzo dużych sił odśrodkowych działających na łopaty (wirnik wiruje z prędkością większą niż prędkość wiatru i w zasadzie od niej niezależną). Ponieważ turbiny Darrieusa wyposażone są w łożyska umieszczone na dole wieży, jest do nich znacznie łatwiejszy dostęp niż w przypadku zwykłych turbin wiatrowych. Turbiny tego typu są znacznie bezpieczniejsze dla ptaków i nietoperzy, bo poruszają się z prędkością zbliżoną do prędkości wiatru. Mają one prawie zerowy moment rozruchowy i potrzebują do rozruchu jakiegoś zewnętrznego napędu.

80 Aspekty ekonomiczne - przykłady

81 Zalety oraz wady silników wiatrowych konstrukcje o pionowej osi obrotu zalety: jednakowa praca niezależna od kierunku wiatru nie wymagają mechanizmu ustawiania na wiatr, a więc uproszczona konstrukcja mechaniczna oraz sterowanie, l możliwość łatwego montażu na obiektach nie jest konieczne budowanie wysokich masztów, l możliwość montażu na dachach budynków, słupach, istniejących konstrukcjach masztów itp., cicha praca nawet przy maksymalnej prędkości obrotowej, odporność na silny wiatr nie wymaga zatrzymania nawet przy wietrze o prędkości 40 m/s kształt wirnika zapewnia aerodynamiczne ograniczenie prędkości obrotowej, odporność w warunkach zimowych na pokrycie szadzią, szronem czy lepkim śniegiem - dzięki niewielkiej średnicy i niskiej prędkości obrotowej, nie wymaga wirnika z tego powodu nie powoduje dużych niebezpiecznych drgań, bezobsługowa praca zespołu prądotwórczego brak połączeń ślizgowych, możliwa jest konstrukcja przenośna dzięki łatwemu montażowi i demontażowi, stosunkowo niski koszt w porównaniu z klasycznym wiatrakiem o poziomej osi obrotu, estetyczny wygląd podczas pracy wrażenie cyklicznej zmiany kształtu, daje nowe możliwości umieszczenia reklam czy też wykorzystania jako element scenografii i krajobrazu.

82 Zalety oraz wady silników wiatrowych konstrukcje o pionowej osi obrotu wady: niska sprawność, aby wytworzyć taką samą ilość energii, co tradycyjne turbiny wymagają znacznie większych gabarytów, ze względu na niewielką prędkość obrotowa potrzebny jest generator wolnobieżny lub przekładnia, której zastosowanie zmniejsza dodatkowo sprawność urządzenia i przyczynia się do zwiększenia emisji hałasu.

83 Koncepcje rozwiązań systemowych Małych Elektrowni Wiatrowych Rozpatrując konstrukcje siłowni wiatrowych od strony elementów składowych wyróżnić w nich można podstawowe bloki funkcjonalne: Przetwarzanie energii kinetycznej płynu w energię mechaniczną ruchu obrotowego. Wytwarzanie energii użytecznej poprzez przetwarzanie energii mechanicznej ruchu obrotowego w inne postaci energii (elektryczną, cieplną, sprężone powietrze). Magazynowanie energii - energia elektryczna - akumulatory elektrochemiczne, superkondensatory bądź magazynowanie w zasobach sieci elektroenergetycznej, - energia cieplna - bezpośrednie nagrzewanie czynnika roboczego lub wykorzystanie ciepła przemiany fazowej czynnika, - magazynowanie energii w wodorze wykorzystywanym następnie do zasilania ogniw paliwowych lub silników spalinowych.

84 Koncepcje rozwiązań systemowych Małych Elektrowni Wiatrowych Koncepcja rozwiązania systemowego zamiany energii wiatru w energię elektryczną wraz z jej sposobem magazynowania lub bezpośredniego wykorzystania

85 Koncepcje rozwiązań systemowych Małych Elektrowni Wiatrowych Koncepcja rozwiązania systemowego zamiany energii wiatru w energię elektryczną z magazynowaniem jej nadwyżek w wodorze

86 Koncepcje rozwiązań systemowych Małych Elektrowni Wiatrowych Koncepcja rozwiązania systemowego zamiany energii wiatru w energię cieplną (za pośrednictwem energii elektrycznej) Zyskujemy: maksymalną sprawność cała wyprowadzona moc zostanie zamieniona w ciepło, prostotę wahania mocy czy częstotliwości nie mają większego znaczenia grzałka nie jest wymagającym odbiornikiem

87 Koncepcje rozwiązań systemowych Małych Elektrowni Wiatrowych Koncepcja rozwiązania systemowego zamiany energii wiatru w energię elektryczną z magazynowaniem jej nadwyżek w sprężonym powietrzu

88 Koncepcje rozwiązań systemowych Małych Elektrowni Wiatrowych Koncepcja rozwiązania systemowego zamiany energii wiatru w energię mechaniczną - nawadnianie upraw, przepompowywanie wody itp.

89 Koncepcje rozwiązań systemowych Małych Elektrowni Wiatrowych Koncepcja rozwiązania systemowego zamiany energii wiatru w energię mechaniczną napowietrzanie jezior

90 Podsumowanie Elektrownie wiatrowe skrywają w sobie ogromny potencjał energetyczny, którego wykorzystanie w Polsce wiąże się z potrzebą opracowania odpowiedniego systemu wsparcia dla przyszłych inwestorów. Małe turbiny o pionowej osi obrotu posiadają niewątpliwe zalety względem klasycznego układu o poziomej osi i będą zwiększały swój udział w produkcji energii elektrycznej. Głównymi odbiorcami są przedsiębiorstwa i gospodarstwa rolne, a najczęściej instalowane moce nominalne utrzymują się w granicy 1,1-3,0 kw. Istnieje kilka bardzo dopracowanych rodzajów MEW o pionowej osi obrotu oraz systemów magazynowania i przetwarzania wyprodukowanej energii. Dzięki temu możliwe jest dobranie odpowiedniego systemu do konkretnych wymagań inwestora.

91 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ