Czyste energie Wykład 1 Wprowadzenie do energii słonecznej i fotowoltaiki cz. 1 dr inż. Janusz Teneta C-3 pok. 8 (parter), e-mail: romus@agh.edu.pl Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH Kraków 2012
BIOMASA Energia słoneczna praźródłem innych źródeł energii HYDROENERGIA ROPA I GAZ WĘGIEL BIOGAZ WIATR
Geometria słoneczna Stała słoneczna 1,37kW/m 2
Azymut i elewacja Słońca
Widmo promieniowania słonecznego i zjawiska jego absorpcji w różnych składnikach ziemskiej atmosfery
Zjawiska w ziemskiej atmosferze Promieniowanie odbite z powrotem poza atmosferę słoneczne Odbijanie zaabsorbowane Rozpraszanie bezpośrednie rozproszone odbite od Ziemi Powierzchnia Ziemi
Struktura promieniowania słonecznego - Bezpośrednie - Rozproszone - Odbite - Zaabsorbowane (emisja wtórna)
AMm Droga promieni słonecznych przez atmosferę współczynnik masy powietrza m 1 cos dla Ψ <70 o lub m cos 0, 15, 1 p p 1 253 93, 885 0 gdzie: p 0 1013 hpa p rzeczywiste ciśnienie atmosferyczne [hpa] dla Ψ <89 o
Pomiary promieniowania słonecznego Pyranometr (solarymetr), przyrząd do pomiaru całkowitego promieniowania słonecznego (promieniowanie w atmosferze ziemskiej) w zakresie 0,3 3 µm, padającego na poziomą płaszczyznę. Główną częścią pyranometru jest czujnik w postaci termoelementu lub zespołu termoelementów (termostos), a pomiar polega na pomiarze powstającej w termoelemencie siły elektromotorycznej, proporcjonalnej do natężenia padającego promieniowania. Czujnik jest osłonięty ekranem (zwykle szklana czasza) zatrzymującym promieniowanie o długości fali większej od 3 µm i chroniącym go od wpływu warunków zewnętrznych (wiatru, opadów).
Ogniwo wzorcowe ESTI Sensor ESTI-Sensor (European Solar Test Installation) składa się z przepołowionej celi krzemowej. Zaciski jednej połowy są rozwarte, natomiast druga połowa zwarta jest przez obciążenie (20mOhm). Sensor mierzy natężenie promieniowania słonecznego pod napięciem 30mV, około sześciokrotnie wyższym niż na pyranometrze. Promieniowanie jest proporcjonalne do prądu zwarciowego w pierwszej połówce sensora, natomiast temperatura jest proporcjonalna do napięcia układu otwartego drugiej połowy. Zastosowanie: Monitorowanie instalacji fotowoltaicznych wykonanych z takiego samego materiału co sensor. Mierzenie temperatury wewnętrznej modułu, co pozwala na określenie charakterystyk względem warunków nominalnych (STC Standard Test Condition)
Pomiar promieniowania Układy przesłonowe rozproszonego Pierścień K&Z Tracker K&Z
Tracker promieniowania słonecznego
Rejestracja danych pomiarowych Do celów symulacji komputerowych i kontroli działania systemów PV rejestruje się dane meteo obejmujące: globalne oświetlenie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej rozproszone/bezpośrednie promieniowanie słoneczne w pł. hor. temperaturę powietrza prędkość wiatru Uśrednianie/ rejestrację danych pomiarowych przeprowadza się z krokiem czasowym nie większym niż 1 godzina.
Irradiancja słoneczna [W m -2 nm -1 ] Widmo promieniowania słonecznego ASTM G173-03 Referencyjne spektrum słoneczne ISO 9845-1 1992 2.25 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 AM0 ASTM E490 AM1.5 Global Hor. AM1.5 Direct ~1367W/m2 ~1000W/m2 ~900W/m2 0.75 0.50 0.25 0.00 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Długość fali [nm]
Energia słoneczna??? Właściwie o jakich ilościach dostępnej energii słonecznej mówimy?
Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Dakar 2176 Kair 2091
Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Delhi 1976 Tokyo 1275
Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Los Angeles 1924 Sevilla 1757
Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Berlin 1004 Freiburg 1113
Dostępna energia słoneczna [ kwh/m 2 /rok ] Kraków 1094 Freiburg 1113
Struktura promieniowania słonecznego - pomiary
03:00 03:25 03:50 04:15 04:40 05:05 05:30 05:55 06:20 06:45 07:10 07:35 08:00 08:25 08:50 09:15 09:40 10:05 10:30 10:55 11:20 11:45 12:10 12:35 13:00 13:25 13:50 14:15 14:40 15:05 15:30 15:55 16:20 16:45 17:10 17:35 18:00 18:25 18:50 19:15 19:40 W/m2 Promieniowanie słoneczne w ciągu dnia 1000 Chwilowe natężenie promieniowania słonecznego w dniu 10.06.2007 900 800 700 Uśrednienie co 5 minut 600 500 400 300 200 100 0
Nasłonecznienie w Europie
Nasłonecznienie w Niemczech i w Polsce
Potencjał produkcji energii z PV w Niemczech i w Polsce
Trajektorie słoneczne widziane z Krakowa
Wpływ montażu paneli PV na dostępność energii słonecznej
Sposoby przetwarzania energii słonecznej Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny) Kolektor słoneczny
Sprawność przetwarzania energii słonecznej Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny) Kolektor słoneczny ~15 % do 80 %
Wrażliwość na wzrost temperatury Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny) Kolektor słoneczny
Wrażliwość na zacienienie (nawet częściowe) Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny)
Solarna elektrownia termiczna Solucar Sevilla, Hiszpania 11MW 624 zwierciadła po 120m 2 każde Źródło: http://www.abengoasolar.es/en/our_projects/solucar/index.html
Solarna elektrownia termiczna (schemat)
Solarna elektrownia termiczna
Fotowoltaika co to jest???? Zjawisko fotowoltaiczne (wewnętrzny efekt fotowoltaiczny) to wytwarzanie w ciele stałym siły elektromotorycznej (napięcia) pod wpływem promieniowania świetlnego Antoni C. Becquerel (1839) źródło: wikipedia
Ogniwo fotowoltaiczne Oświetlone złącze półprzewodnikowe generujące energię w oparciu o wewnętrzne zjawisko fotowoltaiczne (generacja pary elektron-dziura gdy energia fotonu jest większa od szerokości pasma zabronionego) λ max =hc/w g
Ogniwo fotowoltaiczne materiały Krzem Monokrystaliczny Multikrystaliczny Cienkowarstwowy (amorficzny) Inne: Arsenek galu GaAs Tellurek kadmu CdTe Si krystaliczny (c-si i mc-si) 90% Si amorficzny 9% GaAs i inne III-V CuInSe2 i pochodne 1% CdTe Materiał Eg [ev] [%] C-Si 1,15 24,4 A-Si:H 1,4-2,0 13,2 GaAs 1,4 27 Cu(In,Ga)Se 2 1,11 19,2 CdTe 1,50 15,8
EPIA PV MARKET RAPORT 2011
Potencjał fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami (raport EPIA)
Zastosowania fotowoltaiki Systemy wydzielone Syst. podłączone do sieci Zastosowania indywidualne Zastosowania przemysłowe Odległe miejsca zamieszkania Rozproszone Scentralizowane wewnętrzne zewnętrzne kalkulatory wagi elektroniczne zegarki narzędzia elektr. ładowarki fontanny latarki światła ogrodowe telekomunikacja sygnal. drogowa telematyka tablice ogłosz. światła nawigacyjne oświetlenie elektr. systemy domów słonecznych wiejskie źródła zasilania ładowanie akumulat. prywatne dachy pokazowe/ szkolne zintegrowane z fasadami elektrownie wspólnoty właścicieli bariery dźwiękochłonne telefony kom. numery domów wentylacja samochodowa ochrona katodowa zdalny nadzór górskie hotele i restauracje uzdatnianie wody nawadnianie lampy uliczne łodzie i jachty chłodnie medyczne szkoły
Systemy mikromocowe źródło: różne informacje handlowe (DIY TRADE, DSnumbers, alibaba.com, www.wholesale.com )
Komercyjne systemy autonomiczne (hybrydowe) Źródło : http://www.solari.it Źródło: BBC News
Sygnalizacja drogowa, kolejowa i morska źródło: różne informacje handlowe (SEALITEUSA, ELTEC, WWW.Solar-LED-Lights.cn, OkSolar, Affordable Solar)
Realizacja zasilania w miejscach bez dostępu do sieci Refuge de Tete Rousse 3100 n.p.m The Rappenecker Hof http://idw-online.de/pages/en/image8360
Systemy oświetleniowe Fotowoltaiczne systemy oświetleniowe LED
Systemy oświetleniowe Ross Lovegrove Solar Trees in Vienna http://inhabitat.com Solar Powered Bus Shelter Unveiled in San Francisco http://inhabitat.com The sustainable city light concept http://www.design.philips.com
Fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV) źródło: Fraunhofer ISE Elementy fasady budynku wykonane z baterii słonecznych
Fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV) źródło: Fraunhofer ISE Pokrycia dachowe wykonane z baterii słonecznych
Fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV) Eden Project, Cornwall, UK http://www.sharpmanufacturing.co.uk http://www.gipv.de/bipv_brochure.pdf
Fotowoltaika doinstalowywana do budynków (BAPV) Fotowoltaiczny system zacienieniowy (markiza) AGH Budynek C-3 źródło: SMA ttp://www.smapictures.com
Komercyjne elektrownie fotowoltaiczne Yuma County, Arizona USA Agua Caliente Solar Project 247MWp (397MWp) http://www.yumasun.com/ Hokuto-City, Japan 1,2MWp
Wierzchosławice Pierwsza w Polsce farma fotowoltaiczna o mocy 1,0 MWp w Wierzchosławicach została uruchomiona w dniu 30.09.2011 r. Fot. Archiwum GEORYT Krzysztof Witkowski
Przykład BAPV w Jaworznie Sanktuarium Matki Bożej Nieustającej Pomocy źródło: www.diecezjasosnowiec.pl Agnieszka Lorek kwiecień 2011
Przykład BAPV w Łodzi Wojewódzki Specjalistyczny Szpital im. dr Wł. Biegańskiego
Główna wada fotowoltaiki CENA Ceny netto na rynku polskim za wybudowanie pod klucz fotowoltaicznego systemu sieciowego Małe systemy Duże systemy (>1MWp) ok. 1600 /kwp ok. 1300 /kwp
Ceny modułów PV (pvxchange) - 73 %
Pobudka to już koniec!!! Dziękuję za uwagę (niektórym) Do zobaczenia na kolejnym wykładzie.?