POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny SZANSĄ EKOLOGICZNEGO ROZWOJU ENERGETYKI dr inŝ. Aleksandra Drygała
ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA śródło:http://i mages.google.pl/i mages?hl=pl&lr=&um=1&q=zani eczyszczenie+rzek&sa=n&start=147&ndsp=21 2
KONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII śródło:http://i 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
dwutlenek węgla ozon freon metan podtlenek azotu para wodna GAZY CIEPLARNIANE Źródło: http://images.google.pl/ images?hl=pl&lr=&um=1&sa=1&q=gazy+cieplarniane&aq=f&oq 4
EFEKT CIEPLARNIANY Źródło: http://images.google.pl/images?hl=pl&q=efekt+cieplarniany&lr=&um=1&ie=utf-8&ei=y8ttsy6xfmew- AaCp9y0Dw&sa=X&oi=image_result_group&resnum=4&ct=title 5
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 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 635,8 571,1 398,7 302,7 315 161,9 144,3 121,7 98,6 92,8 84,3 65,6 63,4 62,2 53,0 45,6 Najwięksi producenci energii elektrycznej w Europie poza UE 1. 2. 3. Kraj Rosja Ukraina Turcja TWh 992,5 192,1 176,0 Najwięksi producenci energii elektrycznej na świecie 1. 2. 3. 4. 5. Kraj USA Chiny Japonia Rosja Indie Źródło: " Energia Gigawat" - lipiec 2007 TWh 4254 2834,4 1150,3 992,5 726,7 6
Światowe zasoby paliw pierwotnych [lata] węgiel brunatny węgiel kamienny gaz ziemny ropa narftowa 0 50 100 150 200 250 300 350 Źródło: "Energetyka Cieplna i Zawodowa" - nr 3/2008) 7
Od źródeł energii zaleŝy Ŝycie na Ziemi i poziom rozwoju cywilizacji. Źródło: http://images.google.pl/images?hl=pl&lr=&um=1&sa=1&q=odnawi alne+%c5%bar%c3% B3d%C5% 82a+energii&aq=0&oq=odnawialne 8
Produkcja energii elektrycznej Olej 10% 9
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
SŁOŃCE 11
Energia promieniowania słonecznego CIEPŁO ENERGIA WIĄZAŃ CHEMICZNYCH ENERGIA ELEKTRYCZNA 12
Energia promieniowania słonecznego Ogniwo fotowoltaiczne Energia elektryczna 13
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
Planowany udział procentowy energii elektrycznej wytworzonej z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii w całkowitym krajowym zuŝyciu energii elektrycznej Rok 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 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
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 20-25 centów. 17
18
Podział ogniw słonecznych ze względu na rodzaj zastosowanego materiału bazowego 19
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
Krzem polikrystaliczny 21
Budowa ogniw słonecznych 22
Przednia i tylna powierzchnia ogniwa słonecznego 23
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
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
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
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
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
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
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
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
WYKONANIE MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH 32
WYKONANE MODUŁY FOTOWOLTAICZNE I = 0,291 A U = 13,29 V I = 0,27 A U = 3,29 V 33
SYSTEM FOTOWOLTAICZNY Moduły fotowoltaiczne są wykorzystywane do budowy systemów, które pozwalają zasilać odbiornik energią uzyskaną z promieniowania słonecznego. 34
SYSTEM FOTOWOLTAICZNY 35
36
Teksturowanie powierzchni Schemat oddziaływania fotonów z krzemem 37
Teksturowanie powierzchni Wpływ teksturowania powierzchni na odbicie i absorpcję promieniowania 38
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
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
Laserowa obróbka powierzchni krzemu polikrystalicznego 41
Płytka krzemowa przed i po laserowej obróbce powierzchni 42
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
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
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
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
ZASTOSOWANIE OGNIW SŁONECZNYCH 47
ZASTOSOWANIE OGNIW SŁONECZNYCH 48
ZASTOSOWANIE OGNIW SŁONECZNYCH 49
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny SZANSĄ EKOLOGICZNEGO ROZWOJU ENERGETYKI dr inŝ. Aleksandra Drygała