View
217
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
Układy fotowoltaiczne
dr inŜ. Janusz Teneta
Wydział EAIiE Katedra Automatyki
AGH Kraków 2009
Geometria słoneczna
Stała słoneczna 1,37kW/m2
Azymut i elewacja Słońca
Słońce – dostępna energia
�Zimą ok. 200 W/m 2�Latem ok. 1000 W/m 2�W ciągu roku:
�1 MWh/m2 (KRAKÓW)�2.2 MWh/m2 (DAKAR)
DANE DLA PŁASKIEJ POWIERZCHNI UMIESZCZONEJ HORYZONTALNIE
Dostępna energia słoneczna
Kraków Dakar
Nasze pomiary
Suma roczna 2007 ok. 966 kWh/m2 (ok. 91% danych)Suma roczna 2008 ok.1026 kWh/m2 (ok. 97% danych)
Struktura promieniowania słonecznego
- Bezpośrednie- Rozproszone- Odbite- Zaabsorbowane (emisja wtórna)
Struktura promieniowania słonecznego - pomiary
Słońce – metody przetwarzania energii
� Kolektory słoneczne – produkuj ą ciepło (sprawno ść do ok. 80%)
� Baterie słoneczne – produkuj ą prąd elektryczny (sprawno ść do ok. 20%
� Solarne elektrownie termo-elektryczne
� Fotosynteza
Budowa kolektora słonecznego
1 Kolektor słoneczny 2 szt. 2 uchwyt dachowy ocynkowany na jeden kolektor 2 szt. 3 podgrzewacz 1 szt. 4 śrubunek 3” 2 szt. 5 zestaw przyłączeniowy kolektora 1 kpl. 6 zestaw przyłączeniowy podgrzewacza 1 kpl. 7 zespół pompowy ze sterownikiem 1 szt. 8 zespół naczynia przeponowego 1 kpl. 9 profil między kolektory 1 szt. 10 płyn do instalacji 20 kg 11 pompa do napełniania instalacji 1 szt. 12 otulina 18/9
źródło: http://darmowa-energia.eko.org.pl/
Typy kolektorów słonecznych
źródło: http://darmowa-energia.eko.org.pl/
Solarna elektrownia termiczna
Solucar –Sevilla, Hiszpania 11MW624 zwierciadła po 120m2 kaŜde
Źródło: http://www.abengoasolar.es/en/our_projects/solucar/index.html
Trajektorie słoneczne widziane z Krakowa
Wpływ montaŜu paneli PV na dostępność energii słonecznej
Wpływ montaŜu paneli PV na dostępność energii słonecznej
Wpływ montaŜu paneli PV na dostępność energii słonecznej
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)
λmax=hc/Wg
Ogniwo fotowoltaicznemateriały
• 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
MateriałMateriał Eg [eV]Eg [eV] ηηηηηηηη [%][%]
C-SiC-Si 1,151,15 24,424,4
A-Si:HA-Si:H 1,4-2,01,4-2,0 13,213,2
GaAsGaAs 1,41,4 2727
Cu(In,Ga)SeCu(In,Ga)Se 22 1,111,11 19,219,2
CdTeCdTe 1,501,50 15,815,8
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
Fazy procesu produkcyjnego monokrystalicznego fotoogniwa słonecznego
Tworzenie modułu fotowoltaicznego
• Odpowiednie połączenie pojedynczych komórek fotowoltaicznych w szeregi
• Masa wypełniająca
• Szyba przednia
• Tworzywo tylne
• Rama wzmacniająca
Standard Test Conditions (STC)
• ężężężężNat enie promieniowania słonecznego: 1000[W/m2]
• Widmo promieniowania słonecznego: Widmo promieniowania słonecznego: Widmo promieniowania słonecznego: Widmo promieniowania słonecznego: AM=1.5AM=1.5AM=1.5AM=1.5• TTTTemperaturemperaturemperaturemperaturaaaa pracy pracy pracy pracy modułumodułumodułumodułu:::: 25252525°°°°CCCCDla warunków STC podaje się następujące parametry modułu: • moc znamionową,• napięcie układu otwartego (bez obciążenia),• prąd zwarciowy modułu,• optymalny punkt pracy (napięcie i prąd, przy których uzyskuje się z modułu moc znamionową)
Charakterystyka I/V modułu fotowoltaicznego SM55
Zastosowania fotowoltaiki
wagi elektroniczne
zegarki
narzędzia elektr.
telefony kom.
kalkulatory
wewnętrzne
ładowarki
fontanny
latarki
światła ogrodowe
numery domów
wentylacja samochodowa
łodzie i jachty
zewnętrzne
telekomunikacja
sygnal. drogowa
telematyka
tablice ogłosz.
światła nawigacyjne
ochrona katodowa
zdalny nadzór
górskie hotele i restauracje
chłodnie medyczne
oświetlenie elektr.
ładowanie akumulat.
uzdatnianie wody
nawadnianie
lampy uliczne
wiejskie źródła zasilania
szkoły
systemy domów słonecznych
Zastosowaniaindywidualne
Zastosowania przemysłowe
Odległe miejscazamieszkania
prywatne dachy
pokazowe/szkolne
zintegrowanez fasadami
elektrownie
wspólnotywłaścicieli
bariery dźwiękochłonne
Rozproszone Scentrali-zowane
Syst. podł ączone do sieciSystemy wydzielone
Fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV)
Elementy fasady budynku wykonane z baterii słonecznych
Fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV)
Pokrycia dachowe wykonane z baterii słonecznych
Markiza (fasada) słoneczna AGH budynek C3
Moc 2kWp50 modułówShell Solar ST40Falownik SMASB 1700E
1. Bateria słoneczna2. Akumulator3. Kontroler ładowania4. Falownik
6. Odbiornik prądu stałego5. Odbiornik prądu zmiennego
ODB ≈
≈
ODB
System fotowoltaiczny
ODB
Odbiornik DC zasilany bezpośrednio z baterii słonecznych
Zalety: prostota układowa, niski koszt
Wady: odbiornik stałoprądowy zasilany jest tylko w sprzyjających warunkach oświetleniowych
ODB ≈
≈
Odbiornik AC zasilany bezpośrednio z baterii słonecznych
Zalety: prostota układowa
Wady: odbiornik zasilany jest tylko w sprzyjających warunkach oświetlenia, a falownik powinien mieć układ dopasowania mocy chwilowej
ODB
System autonomiczny
Zalety: zapewnia zasilanie odbiornika nawet przy całkowitym braku oświetlenia (noc).
Wady: spory koszt, konieczność kontroli stanu akumulatoraAutonomia – czas przez który odbiornik moŜe być zasilany tylko z akumulatora
ODB ≈
≈
ODB
Wyspa napięciowa
Zalety: potrafi dostarczyć w miarę stabilnezasilanie róŜnego typu odbiornikom (np. w domku letniskowym)
Wady: wysoki koszt uzyskanej energii – zawsze wyŜszy od energii sieciowej
Elektrownia fotowoltaiczna podpięta do sieci publicznej
≈
Zalety: najprostszy układ konfiguracyjny, cała wyprodukowana energia oddawana jest do sieci
Wady: w Polsce brak uzasadnienia ekonomicznego
Schemat elektrowni PV podpiętej do sieci
Systemy „czysto” fotowoltaiczne nie
gwarantują ciągłości zasilania odbiornika !!!
W układach o krytycznym charakterze stosuje się hybrydowe
systemy zasilania
Regulator napięcia Odbiornik DC
Generator pomocniczy
Regulator ładowania
Akumulatory
Generator PV
Przykład hybrydowego systemu fotowoltaicznego z generatorem pomocniczym
Koncepcja systemu hybrydowego z połączeniem stałoprądowym
Odbiornik AC
Regulatorładowania
Odbiornik DC
Generatorsilnikowy
Turbinawiatrowa
Generator PV
Prostownik /ładowarka
Akumulator InwerterProstownik /ładowarka
Koncepcja systemu hybrydowego z połączeniem zmiennoprądowym
Odbiornik AC Inwerter
Regulator ładowania
Generator silnikowy
Turbina wiatrowa
Generator PV
Akumulator
Fotowoltaiczny system hybrydowy:Wybór odpowiedniego generatora pomocniczego
• Zakres mocy
• Przechowywanie energii (zapas paliwa)
• Koszty
• Wymagania obsługowe
• MoŜliwość zdalnego uruchamiania
• MoŜliwość sterowania podczas pracy
• Sprawność
• Wpływ na środowisko
• Paliwo (typ, dostępność, cena)
NajwaŜniejsze kryteria przy wyborze generatora pomocniczego:
Fotowoltaiczny system hybrydowy:Wybór odpowiedniego generatora pomocniczego
• Generatory benzynowe
• Generatory diesla
• Generatory gazowe
• Generatory na biopaliwa
• Ogniwa paliwowe
• Generatory termoelektryczne
• Generatory termofotowoltaiczne
• Elektrochemiczne źródła energii
• Turbiny wiatrowe
• Mikroelektrownie wodne
Jako generatory pomocnicze moŜna uŜyć:
Sposoby montaŜu paneli słonecznych
Układy stacjonarne (zafiksowane) – baterie słoneczne pozostają w niezmiennej pozycji przez cały rok. W niektórych przypadkach spotyka się moŜliwość sezonowej (lato – zima) zmiany kąta elewacji baterii.
Układy orientowane – baterie codziennie „podąŜają” za Słońcem. Ruch odbywa się w jednej lub dwóch osiach. Napęd stanowią najczęściej silniki elektryczne ale spotyka się równieŜ napędy wykorzystujące zjawiska fizyczne związane z „ciepłem” promieniowania słonecznego. W układach elektrycznych występują dwa sposoby sterowania:
- zegarowy – zmieniający połoŜenie baterii niezaleŜnie od chwilowych warunków oświetleniowych
- czujnikowy – reagujący na odchylenie strumienia promieniowania słonecznego od aktualnego połoŜenia baterii
Układy orientowane
Konstrukcja z osią obrotu równoległą do osi ziemi.
zawieszenie biegunowe - oś obrotu równoległa do osi Ziemi; okresowa korekta kąta deklinacji
Układy orientowane
zawieszenie azymut-elewacja – układ bardziej złoŜony mechanicznie, niezaleŜny obrót w kaŜdej osi, moŜliwość ustawienia w bezpieczną pozycję spoczynkową (np. przy silnym wietrze); pozwala na symulację i testowanie wszelkich
sposobów obrotu i algorytmów sterowania.
Konstrukcja umoŜliwiająca obrót baterii w obu osiach.
Układ samonapędzający – elektryczny TRAXLE
• rozmiar zainstalowanych paneli PV : 1-25m2 (0.1-3kW)• dokładność śledzenia: ±10° (przy AM=1.5)• kąt śledzenia :120°• czas powrotu z ustawienia zachodniego do wschodniego: 5 min• maks. dopuszczalna prędkość wiatru: 160km/h
od wschodu do zachodu słońca
Pomysł na napęd w oparciu o zjawiska fizyczne - firma Poulek Solar International
Rozwiązanie bazuje na stopach metali z pamięcią kształtu.
Ogrzanie jednego ze zbiorników promieniami słonecznymi powoduje zwiększenie objętości znajdującej się w nim cieczy. Ciecz ta napiera na tłok połączony z mechanizmem obrotowym systemu powodując przestawienie całego układu do stanu chwilowej równowagi.
Hydrodynamiczny element napędowy
Jeden z naszych systemów orientowanych
Kierunkowy czujnik oświetlenia
Kąt wierzchołkowy ostrosłupa wynosi 60°, przez co odchylenie stacji od optimum nie powinno przekroczyć ±30°.W tym zakresie umożliwia on, dokładne określenie kierunku źródła światła oraz poziom oświetlenia. Poza tym zakresem wskazuje jedynie orientacyjne kierunek skąd przychodzi więcej światła.
Recommended