Wykład 4 Energia słoneczna systemy PV

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA Odnawialne źródła energii dla budynków Wykład 4 Energia słoneczna systemy PV

PV historia 1839 Edmund Becquerel odkrycie zjawiska fotowoltaicznego, pierwsze ogniwo wykonano z selenu sprawność konwersji 1-2% 1920-30 - rozwój mechaniki kwantowej daje podstawy teoretyczne rozwoju technologii 1940-50 rozwój technologii otrzymywania czystego krystalicznego krzemu metoda Czochralskiego page 3

Hodowla kryształów page 4

Hodowla kryształów Granulat Dno tygla po użyciu Kryształ zarodkowy Urządzenie do hodowli kryształów Uformowany kryształ page 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 6

Działanie ogniwa Napięcie i natężenie prądu wytwarzanego przez ogniwo krzemowe są proporcjonalne do nasłonecznienia page 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 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 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 10

Typy ogniw fotowoltaicznych lata 90-te page 13

Typy ogniw fotowoltaicznych przyszłość page 14

G1 pierwsza generacja technologii (krystaliczny krzem, GaAs) G2 istniejące ogniwa cienkowarstwowe G3 nowe technologie page 15

Systemy fotowoltaiczne System połączony z siecią page 16

Schemat systemu PV page 17

Systemy fotowoltaiczne System wydzielony page 18

Systemy fotowoltaiczne Wydzielony system hybrydowy page 19

Moduły fotowoltaiczne Przekrój modułu page 20

Moduły fotowoltaiczne Charakterystyka standardowego modułu krzemowego page 21

Specyfikacja typowego modułu page 22

Generatory fotowoltaiczne Częściowe zacienienie może powodować duże straty energii page 23

Generatory fotowoltaiczne Podstawowy schemat połączeń page 24

Akumulatory page 25

Integracja modułów PV w budynkach Typ modułu Typowe wymiary cm x cm Dach pochyły Przydatność zastosowań Dach płaski Ściana Okno Elementy zacieniając e 1 2 3 4 5 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 130 45 x 100 55 x 115 33 x 130 45 x 100 55 x 115 + o o - o + + + - + Pomiędzy 15 a 200 o o + + + Pomiędzy 15 a 200 o o + + + 15 x 150 + + + - + 6 Moduły dachowe (płytki/dachówki) Dopasowane do rozwiązań typowych el. + - - - o 7 Moduły zaprojektowane na zamówienie Wg potrzeb + + + + + + = wysoka przydatność o = niska przydatność - = nieprzydatne page 26

Przykłady zastosowań budownictwo jednorodzinne page 27

Budownictwo szeregowe Holandia page 28

Budownictwo wielorodzinne page 29

Układy większej skali page 30

Układy większej skali page 31

Element systemu paneli PV o powierzchni ok. 200 akrów i mocy 50 MW page 35

Walory ekologiczne page 38

Fotowoltaika w krajach członkowskich moc zainstalowana page 44

Fotowoltaika w krajach członkowskich nowe przyłączenia w 2012-13 page 45

Fotowoltaika w krajach członkowskich - produkcja energii page 46

Fotowoltaika technologia przyszłości energetyki czy rozwiązanie niszowe? Za: Technicznie sprawdzona oczekiwany czas eksploatacji modułów ponad 30 lat; Tysiące instalacji referencyjnych; Doskonała technologia dla zastosowań rozproszonych różnej wielkości od mili do megawatów; Konkurencyjne rozwiązanie dla zastosowań poza sieciowych, gdzie konwencjonalne rozwiązania są niewykonalne; Możliwośc masowej produkcji i montowania w dowolnym, dobrze nasłonecznionym miejscu. Przeciw: ciągle niekonkurencyjna cenowo w stosunku do energii produkowanej masowo, ale to może się zmienić. page 47

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 48

Nie tylko koszty i ochrona środowiska page 49 Korzyści ekologiczne Bezpieczeństwo zasilania Korzyści indywidualne Politycy, Administracja Rządowa Osięgnięcie celów graniczenia emisji CO2 Ograniczenie emisji NOx i SO2 Oszczędność wody Uniknięte koszty zewnętrzne Eliminacja paliw kopalnych Wytwarzanie rozproszone Rozwój przemysłu Korzyści Atrakcyjność Dr gospodarcze inż. Andrzej Wiszniewski eksportowa i społeczne Wzrost zatrudnienia Firmy energetyczne Zmniejszenie ryzyka wzrostu kosztów środowiskowych Mniejsze koszty pozwoleń na emisję CO2 Budowa wizerunku jako firmy ekologicznej Obcinanie szczytowego zapotrzebowania Osiągalność brak przestojów Dodatkowe przychody ze sprzedaży zielonej energii Zmniejszenie kosztów i strat przesyłu i dystrybucji Zmniejszenie ryzyka kosztów paliwa Nowe możliwości biznesowe Główni aktorzy na rynku PV Klienci Budownictwo Budynki mieszkaniowe komercyjne Technologia przyjazna środowisku Prestiż ekologicznego budynku Niezależność energetyczna Oszczędności energii Pewność zasilania Oszczędność materiałów Modułowość Nieuciążliwa eksploatacja (brak hałasu) Technologia przyjazna środowisku Prestiż ekologicznego budynku Niezależność energetyczna Oszczędności energii Pewność zasilania Oszczędność materiałów Modułowość Nieuciążliwa eksploatacja (brak hałasu) Projektanci Developerzy Spełnienie wymagań energetycznych Prestiż ekologicznego budynku Ograniczenie infrastruktury energetycznej Innowacyjna wielofunkcyjność elementów konstrukcyjnych (dach, zacienienia) Innowacyjne cechy projektu (kolor, kształt, przeźroczystość) Poprawa charakterystyki energetycznej budynku Ochrona przed hałasem

Źródła page 50