Energia słoneczna i ogniwa fotowoltaiczne Michał Kocyła Problem energetyczny na świecie Przewiduje się, że przy obecnym tempie rozwoju gospodarczego i zapotrzebowaniu na energię, paliw kopalnych starczy na ok 100 lat
Energia emitowana przez Słońce
Energia która dochodzi do atmosfery Ziemi de energia emitowana w jednostce czasu przez źródło o powierzchni ds. w paśmie o długości fali (λ, λ+dλ) W zakresie promieniowania Słonecznego wyodrębniamy: Ultrafioletowe 150 400 nm (7% energii) Widzialne 400 750 nm (45% energii) Podczerwone 750 4000 nm (48% energii) Energia cieplna Problemem związanym z energią cieplną jest jej magazynowanie oraz transport. Z racji na brak idealnych izolatorów duża cześć energii cieplnej jest tracona. Dlatego sposobem wykorzystania energii cieplnej jest jej zamiana na energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych, lub innych konstrukcji elektrowni słonecznych.
Wykorzystanie energii Słonecznej Mont Louis Francja piec przemysłowy temp. ok. 3000 C USA Ivanpah 350 000 luster, trzy wieże o wysokości 140 m, moc 400 MW Elektrownia wieżowa
Elektrownia wieżowa Ogniwa fotowoltaiczne Aby powstało zjawisko fotowoltaiczne muszą być spełnione następujące warunki. a) Pod wpływem promieniowania muszą być generowane w półprzewodniku nadmiarowe nośniki ładunku dodatniego i ujemnego; b) Nośniki nadmiarowe o różnych znakach muszą być rozdzielone przez pewną elektrostatyczną niejednorodność. Rozdzielanie ładunku w fotodiodzie może nastąpić, gdy wytworzy się elektrostatyczną różnicę potencjałów np. taką jaka istnieje w złączu p n, na kontakcie metal półprzewodnik czy na heterozłączu półprzewodnikowym. c) Generowany swobodny nośnik musi zachować swoją ruchliwość dostatecznie długo tak, aby zdążył dotrzeć do niejednorodności powodującej rozdzielenie ładunku. Podstawowym pierwiastkiem z którego buduje się urządzenia półprzewodnikowe jest krzem
Ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu krystalicznego Łączenie ogniw fotowoltaicznych Pojedyncze ogniwo ma wymiary ok 10x10 do 20x20 cm. Moc takiego ogniwa przy napięciu 0,5 0,6 V i prądzie 2,5 A kształtuje się w granicach 1 2 W. W celu osiągnięcia większej mocy pojedyncze ogniwa łączy się ze sobą tworząc panele fotowoltaiczne. Połączenie szeregowe pozwala zwiększyć napięcie, równoległe zaś natężenie prądu.
Wpływ warunków na pracę i wydajność ogniw Na pracę ogniwa mają wpływ zmiany temperatury pracy ogniwa. Jak wynika z poniższych rysunków wraz ze wzrostem temperatury ogniwa: maleje napięcie układu (ok. 0,4 %/K), wzrasta jego prąd zwarcia (ok. 0,06 %/K), maleje moc (nawet o 10% przy wzroście temperatury o 20 K, a co za tym idzie również jego sprawności). T1<T2<T3 MPP punkt największej mocy ogniwa W celu osiągnięcia maksymalnej sprawności stosuje się zaawansowane konstrukcje ogniw lub powłoki fotochromowe (fazy projektowe), które ograniczają dopływ światła do ogniwa kiedy zachodzi taka potrzeba Ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu amorficznego Warstwa 1 µm krzemu uwodornionego jest w stanie przejąć 90% energii padającego na nią światła widzialnego, znacznie więcej od ogniw z krzemu krystalicznego (większa przerwa energetyczna). Ok 12% tej energii zamienianej jest na elektryczną. Ich produkcja polega na nakładaniu cienkich warstw na szkle, stali nierdzewnej, lub tworzywach sztucznych. Proces wytwarzania jest prosty i łatwy do zautomatyzowania, dzięki czemu przebiega przy znacznych oszczędnościach na materiale i energii. Krzem krystaliczny Krzem amorficzny
Rozwój technologii i sprawności ogniw fotowoltaicznych na przestrzeni lat Podsumowanie Energia słoneczna ma ogromny potencjał, a wciąż wykorzystujemy tylko niewielką jej część. Rozwój poszczególnych dziedzin nauki pozwala na szybki wzrost sprawności ogniw fotowoltaicznych, jak również innych systemów wykorzystujących energię słoneczną Energia słoneczna jest w pełni czysta i nie powoduje żadnych szkód dla środowiska. Jedyne zanieczyszczenia powstają przy produkcji urządzeń pozwalających tą energię pozyskać Największe światowe gospodarki i koncerny coraz częściej interesują się energią słoneczną z racji na jej potencjał oraz kończące się zasoby paliw kopalnych. Powinniśmy utrzymać tendencję do rozwijania technologii pozyskiwania energii słonecznej i stale zwiększać jej wykorzystywanie
Pytania: Zadanie 2. Naszkicować zależność generowanego I(U) i P(U) w warunkach zbyt wysokich temperatur T1>T2>T3 Bibliografia: [1] Piotr Boszkowicz, Krzemowe warstwy funkcjonalne na ogniwa słoneczne, Rozprawa Doktorska, Akademia Górniczo Hutnicza, 2013r [2] Politechnika Łódzka, Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych, materiały do laboratorium, [3] Portal naukowy: http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t3.html [4] Prezentacja Możliwości wykorzystania instalacji fotowoltaicznych w Polsce Targi Energetyki Odnawialnej Bydgoszcz 22 24.03.2013r.