POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny FOTOWOLTAIKA SZANSĄ EKOLOGICZNEGO ROZWOJU ENERGETYKI. dr inŝ. Aleksandra Drygała

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny SZANSĄ EKOLOGICZNEGO ROZWOJU ENERGETYKI dr inŝ. Aleksandra Drygała

2 ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA śródło: mages.google.pl/i mages?hl=pl&lr=&um=1&q=zani eczyszczenie+rzek&sa=n&start=147&ndsp=21 2

3 KONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII śródło: mages.google.pl/i mages?hl=pl&lr=&um=1&sa=1&q=ropa+naftowa&btng=szukaj+obraz%c 3%B3w&aq=f&oq= Woda zanieczyszczona przez ropę naftową i oleje napędowe 3

4 dwutlenek węgla ozon freon metan podtlenek azotu para wodna GAZY CIEPLARNIANE Źródło: images?hl=pl&lr=&um=1&sa=1&q=gazy+cieplarniane&aq=f&oq 4

5 EFEKT CIEPLARNIANY Źródło: AaCp9y0Dw&sa=X&oi=image_result_group&resnum=4&ct=title 5

6 Najwięksi producenci energii elektrycznej w UE Kraj Niemcy Francja Wielka Brytania Hiszpania Włochy Polska Szwecja Norwegia Holandia Belgia i Luksemburg Czechy Grecja Austria Rumunia Portugalia Dania TWh 635,8 571,1 398,7 302, ,9 144,3 121,7 98,6 92,8 84,3 65,6 63,4 62,2 53,0 45,6 Najwięksi producenci energii elektrycznej w Europie poza UE Kraj Rosja Ukraina Turcja TWh 992,5 192,1 176,0 Najwięksi producenci energii elektrycznej na świecie Kraj USA Chiny Japonia Rosja Indie Źródło: " Energia Gigawat" - lipiec 2007 TWh ,4 1150,3 992,5 726,7 6

7 Światowe zasoby paliw pierwotnych [lata] węgiel brunatny węgiel kamienny gaz ziemny ropa narftowa Źródło: "Energetyka Cieplna i Zawodowa" - nr 3/2008) 7

8 Od źródeł energii zaleŝy Ŝycie na Ziemi i poziom rozwoju cywilizacji. Źródło: alne+%c5%bar%c3% B3d%C5% 82a+energii&aq=0&oq=odnawialne 8

9 Produkcja energii elektrycznej Olej 10% 9

10 Produkcja energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w Polsce 3% 2% 1% 34% 60% węgiel kamienny węgiel brunatny gaz Odnawialne Źródła Energii elektrownie szczytowo-pompowe 10

11 SŁOŃCE 11

12 Energia promieniowania słonecznego CIEPŁO ENERGIA WIĄZAŃ CHEMICZNYCH ENERGIA ELEKTRYCZNA 12

13 Energia promieniowania słonecznego Ogniwo fotowoltaiczne Energia elektryczna 13

14 HISTORIA FOTOWOLTAIKI IV w. pne III w. pne 212r. pne I-IV w. ne IV w. ne 1839r. 1843r. 1918r. 1954r. po raz pierwszy uŝyto szkła powiększającego do rozniecenia ognia; Grecja, Rzym uŝywanie luster do rozpalania pochodni w obrzędach religijnych; zogniskowanie promieni słonecznych przez Archimedesa; wykorzystanie zwierciadeł z brązu; budowa łaźni rzymskich z oknami wychodzącymi na południe; słoneczne pokoje w prywatnych domach obserwacja zjawiska fotoelektrycznego przez Francuza Edmunda Becquerela pierwsze ogniwo słoneczne cynowo-selenowe wytworzone przez Fritts a; hodowla kryształów krzemowych metodą Czochralskiego; odkrycie krzemowego ogniwa fotowoltaicznego przez D.Chapina, C. Fullera, G. Pearsona o sprawności wynoszącej 6%; 14

15 15

16 Planowany udział procentowy energii elektrycznej wytworzonej z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii w całkowitym krajowym zuŝyciu energii elektrycznej Rok Udział energii elektrycznej z OZE, % 1,9 2,0 2,2 2,3 2,5 3,0 3,9 5,0 6,2 7,5 16

17 Koszt energii elektrycznej wytworzonej z wykorzystaniem ogniw słonecznych Wraz z postępem technologii i wzrostem produkcji ogniw słonecznych spadają ceny energii. W roku 1970 cena 1 kwh energii z paneli słonecznych wynosiła 8 dolarów, w roku 2001 było to juŝ 40 centów, a w 2007 cena spadła do poziomu centów. 17

18 18

19 Podział ogniw słonecznych ze względu na rodzaj zastosowanego materiału bazowego 19

20 Krzem wytwarza się w trzech róŝnych postaciach: monokrystalicznej, polikrystalicznej, amorficznej. a) b) c) Budowa sieci: a) krystalicznej monokryształu, b) krystalicznej polikryształu, c) ciała amorficznego 20

21 Krzem polikrystaliczny 21

22 Budowa ogniw słonecznych 22

23 Przednia i tylna powierzchnia ogniwa słonecznego 23

24 Jedno ogniwo słoneczne, zaleŝnie od jego typu i warunków pracy, moŝe osiągnąć moc w granicach 1 1,5 W. W praktycznych zastosowaniach potrzebne są wyŝsze napięcia i moce. Dzięki temu, Ŝe ogniwa są źródłem prądu stałego, moŝliwe jest ich łączenie na trzy sposoby: szeregowo, równolegle, szeregowo-równolegle. 24

25 Połączenie szeregowe ogniw słonecznych Połączenie szeregowe jest to taki rodzaj połączenia elementów elektrycznych, w którym koniec jednego elementu łączy się z początkiem następnego. Połączenie takie tworzy szereg (łańcuch) elementów, w którym prąd elektryczny musi przepływać kolejno przez wszystkie elementy (natęŝenie prądu ma więc taką samą wartość dla wszystkich elementów w połączeniu szeregowym). Schemat szeregowego połączenia ogniw fotowoltaicznych 25

26 Połączenie szeregowe ogniw słonecznych Połączenie ogniw szeregowo powoduje wzrost napięcia na wyjściu całego zespołu. Wartość tego napięcia jest zaleŝna od liczby połączonych ogniw i oblicza się je jako algebraiczną sumę napięć pojedynczych ogniw. Wartość prądu jaką oddaje układ ogniw jest uzaleŝniony od najsłabszego ogniwa w połączeniu szeregowym. a) b) Charakterystyka prądowo-napięciowa: a) pojedynczego ogniwa, b) dwóch ogniw połączonych szeregowo 26

27 Połączenie równoległe ogniw słonecznych Połączenie równoległe (obwód równoległy) jest to taki rodzaj połączenia elementów elektrycznych, w którym wszystkie końce oraz wszystkie początki składowych elementów są połączone razem. Połączenie takie tworzy odpowiednią ilość gałęzi, w których mogą płynąć róŝne prądy, ale które zasilane są takim samym napięciem elektrycznym. Schemat równoległego połączenia ogniw fotowoltaicznych 27

28 Połączenie równoległe ogniw słonecznych Łącząc ogniwa równolegle uzyskuje się większą wartość prądu na wyjściu całego zespołu. W tym rodzaju połączenia wartość prądu na zaciskach modułu wylicza się jako sumę prądów poszczególnych ogniw tworzących moduł. Połączenie równoległe umoŝliwia łączenie ogniw o róŝnej powierzchni, gdyŝ napięcie pojedynczego ogniwa nie zaleŝy od jego wielkości. a) b) Charakterystyka prądowo-napięciowa: a) pojedynczego ogniwa, b) dwóch ogniw połączonych równoległe 28

29 Połączenie szeregowo-równoległe ogniw słonecznych Połączenie szeregowo-równoległe jest to połączenie składające się z kombinacji połączeń szeregowych i równoległych. Schemat szeregowo-równoległego połączenia ogniw fotowoltaicznych 29

30 Połączenie szeregowo-równoległe ogniw słonecznych Łącząc ogniwa w ten sposób uzyskuje się wzrost na wyjściu zarówno napięcia jak i prądu. a) b) Charakterystyka prądowo-napięciowa: a) pojedynczego ogniwa, b) czterech ogniw połączonych szeregowo-równolegle 30

31 Budowa modułu słonecznego połączonego szeregowo Moc pojedynczego ogniwa jest zwykle niewielka, dlatego konieczne jest elektryczne połączenie kilku ogniw w moduł, aby mogły mieć one zastosowanie w praktyce. Tak połączone ogniwa są sprzedawane na rynku jako gotowy produkt, a jego wydajność i czas Ŝycia jest uzaleŝniony od konstrukcji modułu. Dostępne moduły charakteryzują się zwykle mocą od 12 do 150W. W przypadku zastosowania w elektrowniach słonecznych wyprodukowane do tego celu moduły osiągają moc do 300W 31

32 WYKONANIE MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH 32

33 WYKONANE MODUŁY FOTOWOLTAICZNE I = 0,291 A U = 13,29 V I = 0,27 A U = 3,29 V 33

34 SYSTEM FOTOWOLTAICZNY Moduły fotowoltaiczne są wykorzystywane do budowy systemów, które pozwalają zasilać odbiornik energią uzyskaną z promieniowania słonecznego. 34

35 SYSTEM FOTOWOLTAICZNY 35

36 36

37 Teksturowanie powierzchni Schemat oddziaływania fotonów z krzemem 37

38 Teksturowanie powierzchni Wpływ teksturowania powierzchni na odbicie i absorpcję promieniowania 38

39 Topografia powierzchni teksturowanej alkalicznie Topografia powierzchni płytki teksturowanej w roztworze 40%KOH:IPA:DIH 2 O w stosunku objętościowym 1:3:46 w czasie 15 minut w temperaturze 80 C dla podłoŝa (100) 39

40 Topografia powierzchni teksturowanej alkalicznie Topografia powierzchni płytki teksturowanej w roztworze 40%KOH:IPA:DIH 2 O w stosunku objętościowym 1:3:46 w czasie 15 minut w temperaturze 80 C dla ziarn o róŝnej orientacji krystalograficznej 40

41 Laserowa obróbka powierzchni krzemu polikrystalicznego 41

42 Płytka krzemowa przed i po laserowej obróbce powierzchni 42

43 Topografia powierzchni teksturowanej laserowo Tekstura laserowa odpowiadająca równoległym rowkom wykonanym z prędkością skanowania wiązki laserowej 20 mm/s przy odstępie między rowkami 0,09 mm 43

44 Topografia powierzchni teksturowanej laserowo Przekrój poprzeczny płytki z teksturą odpowiadającą siatce rowków wykonanych z prędkością skanowania wiązki laserowej 80 mm/s przy odstępie między rowkami 0,09 mm Przekrój poprzeczny płytki z teksturą odpowiadającą równoległym rowkom wykonanymz prędkością skanowania wiązki laserowej 50 mm/s przy odstępie między rowkami 0,09 mm Topografia powierzchni teksturowanej laserowo z widocznymi pęknięciami 44

45 a) Topografia powierzchni teksturowanej laserowo b) b) e) c) d) Tekstura laserowa odpowiadająca równoległym rowkom wykonanym z prędkością skanowania wiązki laserowej 20 mm/s przy odstępie między rowkami 0,09 mm po usunięciu warstwy uszkodzonej w wyniku obróbki laserowej o grubości: a) bez trawienia, b) 20 µm, c) 40 µm, d) 60 µm, e) 80 µm 45

46 Topografia powierzchni teksturowanej laserowo a) b) Tekstura laserowa odpowiadająca siatce rowków wykonanych z prędkością skanowania wiązki laserowej 50 mm/s przy odstępie między rowkami 0,05 mm po usunięciu warstwy uszkodzonej w wyniku obróbki laserowej o grubości: a) bez trawienia, b) 40 µm 46

47 ZASTOSOWANIE OGNIW SŁONECZNYCH 47

48 ZASTOSOWANIE OGNIW SŁONECZNYCH 48

49 ZASTOSOWANIE OGNIW SŁONECZNYCH 49

50 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

51 POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny SZANSĄ EKOLOGICZNEGO ROZWOJU ENERGETYKI dr inŝ. Aleksandra Drygała