Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystanie w OZE

Transkrypt

1 Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystanie w OZE Fizyka IV Michał Trojgo, gr 1.3 Energia Słońca Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m². Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów (10 15 ). Około 30% tej mocy jest odbijane natychmiast w kosmos, a kolejne 20% jest pochłaniane przez atmosferę. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, co oznacza średnio około 180 W/m². Moc ta nie jest rozmieszczona równomiernie: obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać do 1000 W/m², natomiast obszary, na których trwa noc, nie otrzymują bezpośrednio nic. 2

2 Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kwh/m²/rok w krajach skandynawskich, do ponad 2500 kwh/m²/rok w centralnej Afryce. W Polsce wynosi około1100 kwh/m²/rok. Całkowita moc wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% mocy promieniowania słonecznego. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego zawierają łącznie około 430 zettaj = J energii, co odpowiada energii jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu 56 dni 3 Nasłonecznienie w Polsce Rozkład promieniowania słonecznego jest nierównomierny w cyklu rocznym. Około 80% rocznego nasłonecznienia przypada na okres wiosenno letni. (kwiecień wrzesień) Ponadto w każdym regionie występują okresowe zmiany nasłonecznienia wywołane zjawiskami klimatycznymi, zachmurzeniem czy też zanieczyszczeniem powietrza (np. przez przemysł). W Polsce roczna średnia suma nasłonecznienia wynosi 1600 godzin. 4

3 Źródło: pv.com/naslonecznienie w polsce.html 5

4 Jest to najistotniejszy materiał stosowany do produkcji ogniw fotowoltaicznych. Krzemionka, z której można otrzymać krzem stanowi większość skał tworzących skorupę ziemską co czyni krzem drugim co do powszechności pierwiastkiem na świecie.

5 Ogniwa I generacji Ogniwa z czystego krzemu Ogniwa II generacji Tellurek kadmu Mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu Krzem amorficzny Ogniwa monokrystaliczne Ogniwa polikrystaliczne

6 Ogniwa monokrystaliczne jak sama nazwa wskazuje zbudowane są z monolitycznego kryształu krzemu, o kształcie walca i średnicy ok. 30cm, pociętego na płytki o grubości 2 3mm. Kryształ ten uprzednio hoduje się pod ścisłą kontrolą, powolnie wyciągając z roztopionego krzemu krystaliczny zarodek. Jako, że mają one pierwotnie kształt kolisty, aby wyeliminować znaczne straty materiału nie wycina się z nich kwadratów a ośmiokąty stąd pochodzi ich charakterystyczny kształt. Sprawność ogniw monokrystalicznych wynosi średnio ok %. Ogniwa polikrystaliczne zbudowane są z wykrystalizowanego krzemu. Jako, że najlepszym kształtem dla ogniw jest kwadrat, pozwalający na szczelne pokrycie panelu materiałem półprzewodnikowym, ogniwa polikrystaliczne krystalizują w prostopadłościennej kadzi po czym również tnie się je na cienkie płytki. Krystaliczna budowa uwidacznia się poprzez niejednolitą powierzchnię płytki, iwraz zkwadratowy kształtem, stanowi charakterystyczną cechę tego typu ogniwa. Ogniwa polikrystaliczne osiągają sprawności rzędu 12 14%

7 Najszerzej stosowanym materiałem do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krystaliczny krzem. Zalety krzemu: Powszechnie dostępny Nietoksyczny Daje sięłatwo formować Niezmienne właściwości elektryczne do temperatury 125 o C Krzem posiada współczynnik odbicia światła na poziomie 33 54%. Prowadzi to do pogorszenia sprawności fotoogniwa. W celu zminimalizowania tego efektu stosuje się warstwy antyrefleksyjne (ARC antireflective coating) nakładane na powierzchnię ogniwa. Do wytworzenia warstwy ARC stosuje się: Tlenek krzemu (SiO 2 ) Tlenek tytanu (TiO 2 ) Warstwy kompozytowe (Si 3 N 4 ) Tritlenek diglinu (Al 2 O 3 ) Tlenek tantalu (Ta 2 O 5 ) Amorficzny azotek krzemu (a SiN x )

8 Monolityczne ogniwa krzemowe krystaliczne Monolityczne ogniwa krzemowe multikrystaliczne Ogniwa cienkowarstwowe z krzemu amorficznego Ogniwa cienkowarstwowe polikrystaliczne Układy akumulatorowe OFF GRID 16

9 Każdy moduł fotowoltaiczny traci wydajność konwersji wraz z wiekiem. Strata wynosi średnio od 0,6 do nawet ponad 1% w przypadku ogniw o słabej jakości. W ciągu początkowych 24h pracy modułu fotowoltaicznego traci on od 1% do nawet 5% swojej mocy nominalnej. Efekt ten nosi nazwę Light Induced Degradation (LID). Po czasie 24h spadek ten stabilizuje się na niskiej wartości. Ogniwa z krzemu amorficznego zachowują się inaczej. Pierwsze pół roku pracy ogniwa to spadek mocy o 10 30%. Producent podając moc ogniwa podaje wartość po degradacji. Zazwyczaj producenci udzielają gwarancji na moc: Spadek 5% w pierwszym roku Spadek 10% w ciągu 10 lat Spadek 20% po 25 latach Moduły wysokiej jakości posiadają gwarancję: Spadek 2% w pierwszym roku Spadek 8% w ciągu 10 lat

10 Kontrola instalacji Źródło Obraz termowizyjny modułu Źródło Do kontrali większych instalacji wykorzystuje się drony (quadrokoptery) wyposażone w kamerę termowizyjną. Zagadnienia Dlaczego warto inwestować w energię słoneczną? Klasyfikacja ogniw fotowoltaicznych. 20

11 Dlaczego warto inwestować w energię słoneczną [1] Zalety elektrowni fotowoltaicznych [1] Nieograniczone, czyste, bezpieczne źródło energii Niezależność i bezpieczeństwo energetyczne, redukcja zapotrzebowania na paliwa kopalne Elastyczność Dostępność na całym świecie Każdej godziny na Ziemię pada ilość promieniowania słonecznego umożliwiająca zaspokojenie rocznych potrzeb energetycznych całej ludzkości W 2012 roku, moc zainstalowana modułów fotowoltaicznych osiągnęła 100 GW. Roczna ilość wyprodukowanej energii jest równoważna energii powstałej w 16 węglowych lub atomowych elektrowniach. 21 Klasyfikacja ogniw fotowoltaicznych Jednym z kryteriów podziału elektrowni fotowoltaicznych jest technologia użyta do produkcji ogniw. Na tej podstawie można wyróżnić ogniwa: Monolityczne ogniwa krzemowe krystaliczne Monolityczne ogniwa krzemowe multikrystaliczne Ogniwa cienkowarstwowe z krzemu amorficznego Ogniwa cienkowarstwowe polikrystaliczne 22