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.