Moc. emitowana od Ziemi TW. Konwersja fotowoltaiczna. Konwersja chemiczna CHEMICZNA ELEKTRYCZNA CIEP O

Transkrypt

1 Energia ruchów planetarnych PRZESTRZE KOSMICZNA TW CE Moc emitowana od Ziemi TW Moc odbita od atmosfery Moc wypromieniowana z powierzchni Ziemi i atmosfery TW ATMOSFERA POWIERZCHNIA ZIEMI Energia procesów fizykochemicznych we wntrzu Ziemi 100 TW Fotosynteza Konwersja chemiczna Konwersja fotowoltaiczna Cykliczna zmiana entalpii Nagrzewanie i chodzenie KONWERSJA TERMODYNAMICZNA TW TW Chmury Opady Parowanie Wody powierz chniowe OBIEG HYDROLOGICZN Y 400TW Ruch powietrz a ENERGIA YWÓW MORSKICH ENERGIA CIEPLNA GEOTERMALNA ENERGIA BIOMASY Na podst. Pr. zb. Energetyka nr CHEMICZNA ELEKTRYCZNA CIEPO ENERGIA WÓD POWIERZCH NIOWYCH ENERGIA WIATRU ce Gwiazda - skupisko materii gazowej o masie ok kg, Temperatura fotosfery: ok K Moc emitowanego promieniowania: 3, W, rednia odleg od Ziemi: 149,6 mln km 1

2 Podstawowe wielkoci opisujce promieniowanie soneczne Natenie promieniowania sonecznego - chwilowa warto stoci mocy promieniowania sonecznego padajcego w cigu 1 s na powierzchni 1 m², prostopad do kierunku promieniowania Nasonecznienie (kwh/m 2 ) - energia promieniowania cakowitego docierajca do jednostki powierzchni poziomej w cigu danego okresu czasu Usonecznienie (h/rok) liczba godzin sonecznych, czas podany w godzinach, podczas którego na powierzchni Ziemi padaj bezporednio promienie soneczne Albedo (bia) Ziemi stosunek natenia promieniowania onecznego odbitego od Ziemi do natenia promieniowania padajcego na ni (np. otwarte pole: 0,6-0,7 otwarta woda: 0,16 pow. zanieona: -0,67, obszar zamieszkay: 0,21-0,45) Widmo promieniowania ciaa doskonale czarnego prawo Planka Energia emitowana w jednostce czasu przez jednostk powierzchni ciaa doskonale czarnego przy okrelonej dugoci fali zaley od temperatury: E, T 8 3, exp 1 T E(, T) jednostkowa moc promieniowania, W/m 2 m - dugo fali promieniowania, m T temperatura bezwzgldna ciaa, K 2

3 Widmo promieniowania doskonale czarnego o temperaturze T = 5880 K E max 2.5 x k = 5.67*10-8 W/m 2 K 4 - staa Boltzmanna sto energii E, W/m 2 *um Obszar pod krzyw = kt max Dlugosc fali, um Widmo promieniowania sonecznego 3

4 Promieniowanie soneczne ciwoci Do Ziemi dociera promieniowanie soneczne o mocy ok TW, z czego: 30 % - odbijane przez atmosfer 47 % - pochaniane przez ldy i wody 23 % - wiatr, cykl opadów, fotosynteza Energia promieniowania sonecznego docierajcej w cigu roku do powierzchni Ziemi wynosi Wh (ok. 10 razy wicej od obecnie znanych zasobów energetycznych Ziemi) Ok. 50% energii przenosz fale w zakresie wiata widzialnego; pozostaa cz przypada na blisk podczerwie i ultrafiolet Widmo promieniowania sonecznego jest bardzo podobne do widma ciaa doskonale czarnego o temperaturze 5880K Do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie soneczne o nateniu ok W/m 2, Wspóczynnik AM - optycznej masy powietrza Stosunek dugoci drogi pokonywanej przez wizk optyczn bezporedniego promieniowania sonecznego przechodzcego przez atmosfer ziemsk do jej gruboci L AM D 1 cos AM2 AM1.5 L 2 L 1 AM1 = 60 o = 48.2 o Granica atmosfery D Powierzchnia Ziemi AM AM AM

5 Staa soneczna (cakowita irradiacja oneczna) Staa soneczna - energia, jak promieniowanie soneczne przenosi w jednostce czasu przez jednostkow powierzchni ustawion prostopadle do promieniowania w redniej odlegci Ziemi od Sca przed wejciem promieniowania do atmosfery: kst k4r T GSC 1366,1 W/m 2 2 4d 4d Natenie promieniowania sonecznego docierajcego do powierzchni Ziemi: Aexp k AM I B 360 A sin n 275, W/m k 0,174 0,035sin n n numer dnia w roku 2 2 Energia soneczna - cechy dostpna na caej Ziemi brak niekorzystnego wpywu na klimat i zanieczyszcze brak wpywu na bilans energetyczny Ziemi praktycznie niewyczerpalna zmieniajce si natenie owietlenia i moc promieniowania z zalenoci od lokalizacji, pory dnia, pory roku itp. stosunkowo maa koncentracja energii (gsto dobowa równik ok. 300 W/m 2, Polska < 100 W/m kwh/m 2 w cigu roku) 5

6 Rozkad nasonecznienia na wiecie Zasoby energii sonecznej - Polska Poenie geograficzne Polski: Midzy 49 o a 54 o szerokoci geograficznej pónocnej Midzy 14 o 07 a 24 o 08 dugoci geograficznej wschodniej rednie roczne usonecznienie: Pónoc i wschód: h Poudnie: 1400 h Ok. 80% cakowitego rocznego nasonecznienia przypada na mies. IV-X Przecitne nasonecznienie: kwh/m 2 a 6

7 Przecitne usonecznienie Polski - stycze Przecitne usonecznienie Polski - lipiec 7

8 Nasonecznienie Polski kwh/m 2 rok t elewacji i azymutu t elewacji t azymutu 8

9 Wykres wysokoci ktowej Sca lok. Wrocaw (wg Pomiary egzytancji energetycznej Moc emitowana we wszystkich kierunkach Jedn. powierzchni 9

10 Kalkulator uzysku energetycznego z paneli fotowoltaicznych Sposoby pozyskiwania i przetwarzania energii sonecznej zastosowanie ogniw sonecznych (fotowoltaicznych) do wytwarzania energii elektrycznej zastosowanie kolektorów sonecznych o dziaaniu bezporednim (ogrzewanie, przygotowanie c.w.u.) koncentracja heliostatyczna przy uyciu soczewek lub zwierciade wykorzystanie energii wód w elektrowniach wodnych wykorzystanie energii wiatru konwersja biologiczna (fotosynteza) 10

11 Póprzewodnik typu n i p Ogniwo fotowoltaiczne (fotoogniwo) urzdzenie sce do bezporedniej konwersji energii promieniowania sonecznego na energi elektryczn, poprzez wykorzystanie póprzewodnikowego zcza typu p-n w zczu pod wpywem fotonów o odpowiednio duej energii powstaje ruch dziur i elektronów powodujc pojawienie si rónicy potencjaów (napicia) oraz moliwo przepywu prdu 11

12 Model pasmowy zcza p-n E - wiato E=hhc/ - Pasmo przewodzenia p n h=8, kwh Pasmo walencyjne Wielko Si GaAs CdTe Przerwa energetyczna (ev) 1,12 1, Max. dugo fali (nm) Granica sprawnoci idealnego fotoogniwa (granica Shockley a-queisser a) = 33,7% E* p = 1,4 ev P* s = 337 W/m 2 AM1.5, % E p, ev 12

13 Struktura i model obwodowy fotoogniwa póprzewodnikowego wiato wiato Prd ogniwa Rezystancja obcienia Pow. kontaktowa Warstwa n Pole elektryczne Warstwa p Prd dyfuzji (ruch noników adunku) Napicie ogniwa Pow. kontaktowa Warstwa przeciwodblaskowa Równanie charakterystyki prdowo-napiciowej I I I I I S Ph D Ph S exp 1 q V R I nkt V RS I RP I Ph fotoprd I S prd nasycenia q adunek elektronu k staa Boltzmanna n = 1 2 wspóczynnik doskonaci diody R s, R P rezystancja odpowiednio szeregowa i bocznikowa 13

14 Charakterystyka prdowo-napiciowa fotoogniwa I/I SC Punkt mocy maksymalnej (MPP) U/U OC Przykadowa charakterystyka prdowonapiciowa i mocy fotoogniwa 14

15 Sprawno ogniwa fotowoltaicznego w zalenoci od natenia promieniowania t = 25 o C, AM1,5, napicie i prd w MPP Charakterystyki prdowo-napiciowe paneli fotowoltaicznych w zalenoci od ukadu pocze Po. równolege Po. szeregowe Po. szeregoworównolege I, A I, A I, A U, V U, V U, V 15

16 Ukad pocze w panelu fotowoltaicznym Dioda bocznikujca Modu przesonity Modu fotowoltaiczny Dioda blokujca Bezpiecznik Obcienie Podstawowe parametry fotoogniw U MPP, I MPP napicie i prd w punkcie mocy maksymalnej U OC napicie ogniwa w stanie jaowym (bez obcienia), I SC prd zwarcia ogniwa P m (jedn. W p ) moc maksymalna w punkcie MPP FF - wspóczynnik wypenienia: U FF U - sprawno: MPP OC I I MPP SC Pm At G 0 Pm U I OC SC FF = 0,60 0,90 gdzie: A t powierzchnia ogniwa/moduu, G 0 natenie promieniowania onecznego 16

17 Ogniwa fotowoltaiczne klasyfikacja wg materiaów bazowych Ogniwa fotowoltaiczne Krzem Zwizki póprzewodnikowe Inne Krystaliczny : Monokrystaliczne Polikrystaliczne Amorficzny Chalkogenki : CdTe CIS Inne Zwizki z III V grupy: GaAs InP inne Barwnikowe Organiczne Charakterystyka ogniw fotowoltaicznych Typ ogniwa Grubo Sprawno Pow. na 1 kw Krzemowe monokrystaliczne Krzemowe polikrystaliczne Krzemowe amorficzne Tellurek kadmu CIS (selenek miedziowoindowy) Cechy 0,3 mm 15-18% 7-9 m 2 Najwysza sprawno, droga i zona produkcja 0,3 mm 13-15% 8-9 m 2 Najwiksza wyprodukowana ilo 0,1 m Pode 3 mm 8 m Pode 3 mm 3 m Pode 3 mm 5-8% m 2 Krótki okres eksploatacji, moliwe ogniwa w postaci tam 9-11% m 2 Maa wraliwo na temperatur 10-12% 9-11 m 2 Maa wraliwo na temperatur 17

18 Sprawno ogniw fotowoltaicznych 18

19 Roczna produkcja energii elektrycznej w siowni fotowoltaicznej E A PR U r STC E E c () rednie roczne napromieniowanie w paszczynie nachylenia moduów (kwh/m 2 ) STC sprawno moduów zmierzona w tzw. standardowych warunkach badania (Standard Testing Conditions - STC) PR (ang. Performance Ratio) wspóczynnik sprawnoci przetwarzania energii. Stosunek rzeczywistej energii systemu PV do energii wyznaczonej z iloczynu energii padajcej na powierzchni moduów (E c ) i sprawnoci w warunkach STC A powierzchnia moduów (m 2 ) U wspóczynnik dyspozycyjnoci (U = 1 przy przyczeniu do sieci el.-en.) Warunki STC natenie promieniowania 1kW/m 2, widmo AM1,5, temperatura elementu 25 o C C Schemat mikroinstalacji fotowoltaicznej 19

20 Dane przykadowego panelu fotowoltaicznego (1) Dane przykadowego panelu fotowoltaicznego (2) 20

21 Dane przykadowego panelu fotowoltaicznego (3) Cechy siowni fotowoltaicznych Zalety Bezporednia konwersja promieniowania sonecznego w energi elektryczn Niewielkie wymogi w zakresie obsugi i potrzeb wasnych Wady Wysokie nakady inwestycyjne na jednostk mocy zainstalowanej (obecnie 6-7 ty PLN/kW) Energia wytwarzana jedynie w okresie odpowiednio duego nasonecznienia Konieczno stosowania magazynów energii (np. baterie akumulatorów) 21

22 Systemy wolnostojce i dachowe Fotowoltaiczne systemy wolnostojce 22

23 Elektrownia fotowoltaiczna Kolorado, USA Panele fotowoltaiczne 23

24 Systemy BIPV (Building Integrated Photovoltaics) 24