Wykład 3 Energia słoneczna systemy PV

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA Odnawialne źródła energii dla budynków Wykład 3 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 2

Hodowla kryształów page 3

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

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

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

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

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

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

Technologia CPV Concentrator Photovoltaic page 13

Technologia CPV Concentrator Photovoltaic - Rozwój technologii page 14

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

Typy i sprawnośc ogniw fotowoltaicznych lata 90-te page 16

Typy i sprawność ogniw i modułów fotowoltaicznych obecnie page 17

Typy ogniw fotowoltaicznych przyszłość page 18

Typy ogniw fotowoltaicznych przyszłość page 19

Sprawność dostępnych modułów PV page 20

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

Systemy fotowoltaiczne System połączony z siecią page 22

Schemat systemu PV page 23

Systemy fotowoltaiczne System wydzielony page 24

Systemy fotowoltaiczne Wydzielony system hybrydowy page 25

Moduły fotowoltaiczne Przekrój modułu page 26

Moduły fotowoltaiczne Charakterystyka standardowego modułu krzemowego page 27

Specyfikacja typowego modułu page 28

Generatory fotowoltaiczne Częściowe zacienienie może powodować duże straty energii page 29

Generatory fotowoltaiczne Podstawowy schemat połączeń page 30

Magazynowanie energii page 31

Inwertery page 32

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 33

Przykłady zastosowań budownictwo jednorodzinne page 34

Budownictwo szeregowe Holandia page 35

Budownictwo wielorodzinne page 36

Układy większej skali page 37

Układy większej skali page 38

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

Energetyczny czas zwrotu page 45

Energetyczny czas zwrotu Różne technologie lokalizacja Niemcy page 46

Energetyczny czas zwrotu systemy dachowe page 47

Walory ekologiczne page 49

Walory ekologiczne page 51

Fotowoltaika w krajach członkowskich moc zainstalowana page 53

Fotowoltaika w Polsce page 56 Źródło: Raport SBF 2016 www.polskapv.pl

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

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

Źródła page 61