Czyste Energie

Wykład 1

Wprowadzenie do energii

słonecznej i fotowoltaiki

dr inż. Janusz Teneta

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

Wydział EAIiE Katedra Automatyki AGH Kraków 2010

Geometria słoneczna

Stała słoneczna 1,37kW/m2

Azymut i elewacja Słońca

Widmo promieniowania słonecznego i zjawiska jego absorbcji w różnych składnikach ziemskiej atmosfery

Zjawiska w ziemskiej atmosferze

bezpośrednie Rozpraszanie

rozproszone

zaabsorbowane

odbite od Ziemi

odbite z powrotem poza atmosferę

Odbijanie

Promieniowanie

słoneczne

Powierzchnia Ziemi

Struktura promieniowania słonecznego

- Bezpośrednie

- Rozproszone

- Odbite

- Zaabsorbowane (emisja wtórna)

Droga promieni słonecznych przez atmosferę –

współczynnik masy powietrza AMm

0

1

253188593

150

p

pm

,,

,cos

cos

1m dla Ψ <70o

lub

gdzie: p0 – 1013 hPa p – rzeczywiste ciśnienie atmosferyczne [hPa]

dla Ψ <89o

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).

Ogniwo wzorcowe – ESTI 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)

Pomiar promieniowania rozproszonego

Układy przesłonowe

Pierścień K&Z Tracker K&Z

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

Irrad

ian

cja

sło

neczn

a [

W m

-2 n

m -

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

Rejestracja danych pomiarowych

Do celów symulacji komputerowych i kontroli działania systemów PV rejestruje się dane meteo obejmujące:

• globalne oświetlenie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej • rozproszone/bezpośrednie promieniowanie słoneczne w pł. hor. • temperaturę powietrza • prędkość wiatru

Uśrednianie/ rejestrację danych pomiarowych przeprowadza się z krokiem czasowym nie większym

niż 1 godzina.

Struktura promieniowania słonecznego - pomiary

Słońce – dostępna energia

Zimą ok. 200 W/m2

Latem ok. 1000 W/m2

W ciągu roku:

1 MWh/m2 (KRAKÓW)

2.2 MWh/m2 (DAKAR)

DANE DLA PŁASKIEJ

POWIERZCHNI UMIESZCZONEJ HORYZONTALNIE

Dostępna energia słoneczna

Kraków Dakar

Promieniowanie słoneczne w ciągu roku

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

En

erg

ia [

Wh

/d

zie

ń]

Data

Energia słoneczna dostępna na 1m2 powierzchni horyzontalnej

Suma roczna ok. 966 kWh/m2 (ok. 91% danych)

Promieniowanie słoneczne w ciągu dnia

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

03:0

0

03:2

5

03:5

0

04:1

5

04:4

0

05:0

5

05:3

0

05:5

5

06:2

0

06:4

5

07:1

0

07:3

5

08:0

0

08:2

5

08:5

0

09:1

5

09:4

0

10:0

5

10:3

0

10:5

5

11:2

0

11:4

5

12:1

0

12:3

5

13:0

0

13:2

5

13:5

0

14:1

5

14:4

0

15:0

5

15:3

0

15:5

5

16:2

0

16:4

5

17:1

0

17:3

5

18:0

0

18:2

5

18:5

0

19:1

5

19:4

0

W/

m2

Chwilowe natężenie promieniowania słonecznego w dniu 10.06.2007

Uśrednienie co 5 minut

Trajektorie słoneczne widziane z Krakowa

Wpływ montażu 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 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 24,4

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

GaAs 1,4 27

Cu(In,Ga)Se2 1,11 19,2

CdTe 1,50 15,8

Model fizyczny ogniwa fotowoltaiczengo

Rs

Rsh

D

Iph V

+

-

ID=I01 *{exp[q (V+RS* I ) / mkT] –1}

I(V) = Iph – (V + Rs* I) / Rsh - ID

Gdzie: ID - natężenie ciemnego dyfuzyjnego prądu diody I01 – natężenie ciemnego dyfuzyjnego prądu nasycenia m – współczynnik jakości diody

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 fotoogniwa słonecznego

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

Sposoby łączenia ogniw fotowoltaicznych

Szeregowe

Równoległe

źródło : Jerzy Chojnacki „Podstawy wykorzystania energii słonecznej” , prezentacja

Od ogniwa do panela PV

źródło : Jerzy Chojnacki „Podstawy wykorzystania energii słonecznej” , prezentacja

Przekrój modułu fotowoltaicznego

• Odpowiednie połączenie pojedynczych komórek fotowoltaicznych w szeregi

• Masa wypełniająca

• Szyba przednia

• Tworzywo tylne

• Rama wzmacniająca

Standard Test Conditions (STC)

• Natężenie promieniowania słonecznego: 1000[W/m2] • Widmo promieniowania słonecznego: AM=1.5 • Temperatura pracy modułu: 25C

Dla 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

Normal Operating Temperature Conditions NOTC

Pobudka – to już koniec !!! Dziękuję za uwagę (niektórym)

Do zobaczenia na kolejnym wykładzie …. ?