Wykład 3 Energia słoneczna systemy PV

Transkrypt

1 WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA Odnawialne źródła energii dla budynków Wykład 3 Energia słoneczna systemy PV

2 PV historia 1839 Edmund Becquerel odkrycie zjawiska fotowoltaicznego, pierwsze ogniwo wykonano z selenu sprawność konwersji 1-2% rozwój mechaniki kwantowej daje podstawy teoretyczne rozwoju technologii rozwój technologii otrzymywania czystego krystalicznego krzemu metoda Czochralskiego page 2

3 Hodowla kryształów page 3

4 Hodowla kryształów Granulat Dno tygla po użyciu Kryształ zarodkowy Urządzenie do hodowli kryształów Uformowany kryształ page 4

5 PV budowa ogniwa krzemowego Przekrój przez ogniwo krzemowe Si, typu n, ujemny (negative) ze zwiększoną ilością wolnych elektronów domieszka fosfór Si, typu p, dodatni (positive) z ograniczona liczbą wolnych elektronów domieszka boron page 5

6 Działanie ogniwa Napięcie i natężenie prądu wytwarzanego przez ogniwo krzemowe są proporcjonalne do nasłonecznienia page 6

7 Typy ogniw fotowoltaicznych - obecnie Ogniwa krystaliczne typu wafel : Monokrystaliczny krzem (wysokosprawny) Polikrystaliczny krzem (tańszy) Arsenek Galu - GaAs (drogi materiał, specjalne zastosowania) III-V MJs ( Multi junction FC) technologia polegającą na użyciu stosu dwu lub więcej ogniw o pojedynczym złączu o różnym pamach aktywności w celu wykorzystania całego spektrum światła page 7

8 Typy ogniw fotowoltaicznych - obecnie Ogniwa cienkowarstwowe Amorficzny krzem, a-si (niższa sprawność pow. 10%, ale tańsze) CdTe - Tellurek Kadmu CuInGaSe2 CIGS (Copper indium gallium diselenide) Ogniwa cienkowarstwowe są konkurencyjne pod względem kosztów jednostkowych, jednak ich niższa sprawność może powodować, że cena całego systemu może być wyższa (zajmuje większą powierzchnię przy tej samej wydajności). Ponadto konieczność stosowania w niektórych technologiach rzadkich pierwiastków lub związków toksycznych w istotny sposób ogranicza ich stosowanie na dużą page 8

9 Typy ogniw fotowoltaicznych - przyszłość Ogniwa cienkowarstwowe Copper zinc tin sulfide (Cu 2 ZnSnS 4 - CZTS) bogato występująca w przyrodzie alternatywa dla CIGS Perovskite solar cells struktura krystaliczna odkryta przez Perowskiego w XIX w. Badania nad rożnymi materiałami, najszybciej rozwijajaca się technologia Organic photovoltaics (OPV) - bogato występujące w przyrodzie, łatwe technologie nakładania (druk i odparowanie rozpuszczalnika), jednak do tej pory niskie sprawności oraz niewielka stabilność wydajności. Dye-sensitized solar cell (DSSC) najbardziej obiecująca technologia oparta na nanomateriałach, wykorzystuje nieorganiczny, przezroczysty szkielet (TiO 2 film z nanoporami) wypełnionymi światłoczułym materiałem organicznym tani i dostępny materiał, niestabilny w wysokiej temperaturze oraz przy długotrwałej ekspozycji na słońce) Colloidal quantum dot photovoltaics (QDPV) koloidalny roztwór (zawiesina?) nanokryształów (zwanych Quantum dots), głównie PbS absorbujących pasmo promieniowania bliskie podczerwieni obiecujące zastosowania w ogniwach MJ page 9

10 page 10

11 page 11

12 page 12

13 Technologia CPV Concentrator Photovoltaic page 13

14 Technologia CPV Concentrator Photovoltaic - Rozwój technologii page 14

15 Zalety Wysoka sprawność przy bezpośrednim nasłonecznieniu Słaba zależność od sprawności temperatury Technologia CPV Concentrator Photovoltaic - Rozwój technologii Słabości HCPV nie wykorzystują promieniowania rozproszonego, zaś LCPV tylko częściowo Konieczne jest zastosowanie pewnego i precyzyjnego układu śledzenia słońca Możliwość odzysku ciepła odpadowego dla dużych systemów Niski Capex dla wytwarzania infrastruktury stwarza możliwość szybkiego rozwoju Budowa modułowa od kw do GW Dzięki układowiśledzenia stabilna produkcja energii w ciągu dnia Bardzo niski energetyczny czas zwrotu Możliwość równoległego użytkowania gruntu Mogą wymagać częstego czyszczenia, szczególnie w rejonach o dużym zapyleniu Ograniczony rynek tylko do regionów o wysokim natężeniu promieniowania bezpośredniego DNI Direct Normal Irradiation Szybko malejące ceny konwencjonalnych, płaskich modułów krzemowych stwarzają silną konkurencję dla rozwoju rynku CPV Trudniejszy dostęp do kredytów ze względu na większe ryzyko technologiczne związane z małym rozpowszechnieniem technologii Dodatkowe straty optyczne Brak standaryzacji produkcji Możliwość wykorzystania lokalnego przemysłu do wytwarzanie niektórych elegantów systemu Mniejsza zależność od cen półprzewodników Większy potencjał rozwoju dzięki miniaturyzacji page 15

16 Typy i sprawnośc ogniw fotowoltaicznych lata 90-te page 16

17 Typy i sprawność ogniw i modułów fotowoltaicznych obecnie page 17

18 Typy ogniw fotowoltaicznych przyszłość page 18

19 Typy ogniw fotowoltaicznych przyszłość page 19

20 Sprawność dostępnych modułów PV page 20

21 G1 pierwsza generacja technologii (krystaliczny krzem, GaAs) G2 istniejące ogniwa cienkowarstwowe G3 nowe technologie page 21

22 Systemy fotowoltaiczne System połączony z siecią page 22

23 Schemat systemu PV page 23

24 Systemy fotowoltaiczne System wydzielony page 24

25 Systemy fotowoltaiczne Wydzielony system hybrydowy page 25

26 Moduły fotowoltaiczne Przekrój modułu page 26

27 Moduły fotowoltaiczne Charakterystyka standardowego modułu krzemowego page 27

28 Specyfikacja typowego modułu page 28

29 Generatory fotowoltaiczne Częściowe zacienienie może powodować duże straty energii page 29

30 Generatory fotowoltaiczne Podstawowy schemat połączeń page 30

31 Magazynowanie energii page 31

32 Inwertery page 32

33 Integracja modułów PV w budynkach Typ modułu Typowe wymiary cm x cm Dach pochyły Przydatność zastosowań Dach płaski Ściana Okno Elementy zacieniając e Standardowe moduły z plastikową lub metalową ramą, nieprzezroczysta tylna płyta Standardowe moduły z laminatów j.w. ale bez ram Moduły szkło szkło z określoną przezroczystością Moduły szklane z przezroczystą plastikową płytą tylną możliwy dobór przezroczystości Moduły z plastikową pokrywą oraz metalową płyta tylną 33 x x x x x x o o - o Pomiędzy 15 a 200 o o Pomiędzy 15 a 200 o o x Moduły dachowe (płytki/dachówki) Dopasowane do rozwiązań typowych el o 7 Moduły zaprojektowane na zamówienie Wg potrzeb = wysoka przydatność o = niska przydatność - = nieprzydatne page 33

34 Przykłady zastosowań budownictwo jednorodzinne page 34

35 Budownictwo szeregowe Holandia page 35

36 Budownictwo wielorodzinne page 36

37 Układy większej skali page 37

38 Układy większej skali page 38

39 page 39

40 page 40

41 page 41

42 Element systemu paneli PV o powierzchni ok. 200 akrów i mocy 50 MW page 42

43 page 43

44 page 44

45 Energetyczny czas zwrotu page 45

46 Energetyczny czas zwrotu Różne technologie lokalizacja Niemcy page 46

47 Energetyczny czas zwrotu systemy dachowe page 47

48 page 48

49 Walory ekologiczne page 49

50 page 50

51 Walory ekologiczne page 51

52 page 52

53 Fotowoltaika w krajach członkowskich moc zainstalowana page 53

54 page 54

55 page 55

56 Fotowoltaika w Polsce page 56 Źródło: Raport SBF

57 Fotowoltaika w Polsce page 57 Źródło: Raport SBF

58 Fotowoltaika w Polsce page 58 Źródło: Raport SBF

59 Rynek Fotowoltaika technologia przyszłości energetyki czy rozwiązanie niszowe? Rynek PV charakteryzuje się szybkim wzrostem skumulowany roczny wskaźnik wzrostu mocy instalacji PV pomiędzy 2000 a 2014 wynosi 44% W 2014 aż 69% procent produkcji modułów PV przydada na Chiny/Taiwan, Europa daje 6%, zaś Japonia i USA po 4%. W 2014 na Europę przypadało 48% montowanych systemów PV ( 58% w roku 2013), Zaś w Chinach/Taiwanie 17% (w porównaniu do 13% w 2013); Moduły krzemowe typu waffer stanowiły w 2014 ok.92%, z czego 56% przypadło na technologie polikrystaliczne; Technologie cienkowarstwowe stanowiły w 2014 roku 9% całkowitej produkcji. Rozwój technologii Najwyższe sprawności w testach laboratoryjnych wyniosły do 2014 : 25,6% dla ogniw: krzemowych monokrystalicznych, 20,8% dla polikrystalicznych, dla cienkowarstwowych - 21% dla CdTe oraz 20,5 dla CIGS Ostatnie 10 lat przyniosło wzrost sprawności modułów typu waffer z 12 do 16%, zaś cienkowarstwowych z 9 do 13%. W testach laboratoryjnych osiągnięto sprawność modułu Si-C aż 23%. W testach laboratoryjnych ogniwa HCMJPV osiągnięto sprawność 46% zaś dla modułu 38,9%. page 59

60 Fotowoltaika w budynkach Zalety: Nie wymaga dodatkowej powierzchni ani instalacji, można zastosować w obszarach o gęstej zabudowie; Produkuje energię w szczycie letnim; Redukcja strat przesyłu i dystrybucji; Możliwość pokrycia znacznej części zapotrzebowania ne energię budynku; Możliwośc zastąpienia konwencjonalnych materiałów budowlanych (dachy, elewacje.) page 60

61 Źródła page 61