Wprowadzenie do energetyki

(1)

Czyste energie

Wykład 2

Wprowadzenie do energetyki słonecznej i fotowoltaiki

dr inż. Janusz Teneta

C-3 pok. 8 (parter), e-mail: romus@agh.edu.pl

Wydział EAIiIB

Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej

AGH Kraków 2017

(2)

Energia słoneczna praźródłem innych źródeł energii

BIOMASA

BIOGAZ ROLNICZY

HYDROENERGIA

WIATR

ROPA I GAZ WĘGIEL

(3)

Słońce

 Centralna gwiazda Układu Słonecznego, najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi

 Kula zjonizowanego gazu o masie około 1,9891 × 10

³⁰

kg (333 950 mas Ziemi)

 Średnica 1,392×10

⁶

km (109 średnic Ziemi)

 Szacowana temperatura jądra ok. 1,36×10

⁷

K

 Efektywna temperatura na powierzchni 5780 K

 Wiek Słońca szacowany na 4 600 000 000 lat

 Przemiany jądrowe: fuzja 4 atomów wodoru w jedno jądro helu + emisja energii 26,732 MeV (98% zabierają fotony, 2% neutrina)

 Moc promieniowania 3,827×10

²⁶

W

źródło: www.wikipedia.pl

(4)

Geometria słoneczna

Ruch obrotowy Ziemi dzień - noc

Ruch obiegowy Ziemi zmiana pór roku

Pory roku na półkulach północnej i południowej są przesunięte względem

siebie o 6 miesięcy

(5)

Stała słoneczna

 Całkowita energia, jaką promieniowanie słoneczne przenosi w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle do promieniowania w średniej odległości Ziemi od Słońca (1 j.a.) przed wejściem promieniowania do atmosfery (na wysokości ok. 100km nad powierzchnią Ziemi)

 Średnia wartość stałej słonecznej wynosi około 1366,1 W/m²

 Wartość stałej słonecznej podlega zmianom zgodnie z cyklem aktywności Słońca (cykl 11 lat, zmiana ok. 0,1%) oraz z powodu ruchu obrotowego Słońca (cykl 27 dni, zmiana ok. 0,2%)

 Rzeczywista wartość energii strumienia promieniowania słonecznego

ponad ziemską atmosferą zmienia się w granicach 1,32-1,41 kW/m

²

w

cyklu rocznym (ruch obiegowy Ziemi wokół Słońca).

(6)

Azymut i elewacja Słońca

(7)

Widmo

promieniowania

słonecznego i zjawiska jego absorpcji w

różnych składnikach

ziemskiej atmosfery

(8)

Zjawiska w ziemskiej atmosferze

Rozpraszanie

rozproszone

zaabsorbowane

odbite od Ziemi

odbite z powrotem poza atmosferę

Odbijanie

Promieniowanie słoneczne

Powierzchnia Ziemi

bezpośrednie

O₃ , H₂O

Ziemska atmosfera - do ok 100 km nad powierzchnię Ziemi

(9)

Struktura promieniowania słonecznego

 Bezpośrednie

 Rozproszone

 Odbite (współczynnik Albedo)

 Zaabsorbowane (emisja wtórna)

Źródło: weather.uwaterloo.ca

(10)

Droga promieni słonecznych przez atmosferę –

współczynnik masy powietrza

AMm

 

0

1 253

885

1

93 15 0

p m p



 

 





 



_,

, cos ,

 

 cos

 1

m dla Ψ <70

^o

lub

gdzie: p

₀

– 1013 hPa

p – rzeczywiste ciśnienie atmosferyczne [hPa]

dla Ψ <89

^o

(11)

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).

(12)

Ogniwo wzorcowe ESTI (type) 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)

(13)

Pomiar promieniowania rozproszonego

Układy przesłonowe

Pierścień K&Z Tracker K&Z

(14)

Tracker promieniowania

słonecznego

(15)

Monitoring pogodowy

 Minimum

 Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej

 Temperatura otoczenia

 Optimum

 Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej

 Rozproszone promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej

 Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie modułów PV

 Temperatura otoczenia (powietrza)

 Temperatura modułów PV

 Ciśnienie atmosferyczne

 Wilgotność powietrza

Pomiary zwykle co 1 sek. a uśrednianie/rejestrację danych pomiarowych przeprowadza się z krokiem czasowym nie większym niż 1 godzina (można

spotkać pliki źródłowe z danymi co 5, 15 lub 30 minut).

(16)

Widmo promieniowania słonecznego

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Irradiancja słoneczna [W m-2 nm-1]

Długość fali [nm]

ASTM G173-03 Referencyjne spektrum słoneczne ISO 9845-1 1992

AM0 ASTM E490 ~1367W/m2 AM1.5 Global Hor. ~1000W/m2 AM1.5 Direct ~900W/m2

(17)

Energia słoneczna

Właściwie o jakich ilościach dostępnej energii

słonecznej mówimy?

???

(18)

Potencjał OZE na Ziemi

208%

47%

1,7%

0,018%

Źródło: Wikipedia, Energy flow charts . Global Climate & Energy Project.

(19)

Dostępna energia słoneczna [ kWh/m ² /rok ]

Dakar 2176 ^{Kair 2091}

Źródło: PVSyst (Meteonorm)

(20)

Dostępna energia słoneczna [ kWh/m ² /rok ]

Delhi 1976 Tokyo 1275

(21)

Dostępna energia słoneczna [ kWh/m ² /rok ]

Los Angeles 1924 Sevilla 1757

(22)

Dostępna energia słoneczna [ kWh/m ² /rok ]

Berlin 1004 Freiburg 1113

(23)

Dostępna energia słoneczna [ kWh/m ² /rok ]

Kraków 1094 Freiburg 1113

(24)

Struktura promieniowania

słonecznego - pomiary

(25)

Promieniowanie słoneczne w ciągu dnia

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

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

Chwilowe natężenie promieniowania słonecznego w dniu 10.06.2007

Uśrednienie co 5 minut

(26)

Potencjał PV w Europie

(27)

Potencjał PV w Europie

(28)

Potencjał energii słonecznej

na optymalnie pochylonej powierzchni w

warunkach miejskich

(29)

Nasłonecznienie

w Niemczech i w Polsce

(30)

Potencjał produkcji energii z PV

w Niemczech i w Polsce

(31)

Trajektorie słoneczne

widziane z Krakowa

(32)

Wpływ montażu paneli PV na

dostępność energii słonecznej

(33)

Sposoby przetwarzania energii słonecznej

Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny)

Kolektor słoneczny

(34)

Sprawność przetwarzania energii słonecznej

Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny)

Kolektor słoneczny

~18 %

do 80 %

(35)

Wrażliwość na wzrost temperatury

Bateria słoneczna (panel fotowoltaiczny)

Kolektor słoneczny

(36)

Wrażliwość na zacienienie (nawet częściowe)

Bateria słoneczna

(panel fotowoltaiczny)

(37)

Moduł TWIN (PV +Termo)

(38)

Moduł TWIN (PV +Termo)

Źródło: www.skorut-solar.pl

(39)

Moduł TWIN (PV +Termo)

(40)

Moduł TWIN (PV +Termo)

(41)

Solarna elektrownia termiczna

PS10 (11 MWe)

Solucar – Sevilla, Hiszpania 624 heliostaty po 120m

²

każdy wieża 115 m

Źródło: http://www.abengoasolar.es

PS20 (20 MWe)

Solucar – Sevilla, Hiszpania

1255 heliostatów po 120m

²

każdy

wieża 165 m

(42)

Solarna elektrownia termiczna (schemat)

Źródło: http://www.abengoasolar.es Zdolność magazynowania pary wodnej na

30 minut pracy elektrowni

(43)

Solarna elektrownia termiczna

Źródło: http://www.abengoasolar.es

(44)

Solarna elektrownia termiczna + PV

Pustynia Atacama

Comuna de María Elena, Antofagasta Region, Chile

Atacama 1 – w trakcie budowy 110 MWe – wieża + heliostaty 100 MW - fotowoltaika

Magazyn energii na 17,5 godziny

Źródło: http://www.abengoasolar.es

(45)

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

(46)

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

(47)

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 26/24

A-Si:H 1,4-2,0 13,2

GaAs 1,4 27

Cu(In,Ga)Se₂ 1,11 21,7/16

CdTe 1,50 22,1/16

(48)

Produkcja monokrystalicznego fotoogniwa słonecznego

 Krzem metalurgiczny (polikryształ)

 Wyciąganie monokryształów

 Wycinanie z walca prostopadłościanu

 Cięcie na płytki 0.2 do 0.5mm

 Teksturyzacja powierzchni

 Dyfuzja fosforu

 Nanoszenie kontaktów i warstwy antyodblaskowej

(49)

Fazy procesu produkcyjnego fotoogniwa słonecznego

źródło : Marek Butkowski „Rynek technologii Słonecznych w Polsce”, prezentacja

(50)

Testowanie krzemowego polikrystalicznego ogniwa fotowoltaicznego na symulatorze

Słońca

(51)

Model fizyczny ogniwa fotowoltaiczengo

Rs

Rsh

D

Iph V

+

-

Gdzie:

D – symbolizuje złącze półprzewodnikowe

I_ph – oznacza fotoprąd generowany w złączu

R_sh– oznacza rezystancję upływności między

elektrodami złącza ( powinna mieć jak największą wartość)

R_s – oznacza rezystancję szeregową – czyli właściwie rezystancję kontaktów (powinna mieć jak najmniejszą wartość)