2020-03-21

1

Energetyka słoneczna

Pozyskiwanie energii promieniowania

słonecznego i jej przetwarzanie na inne

rodzaje energii, tj. elektryczną i w postaci

ciepła, z wykorzystaniem ogniw

fotowoltaicznych, cieplnych elektrowni

słonecznych, kolektorów słonecznych i in.

Słońce jako źródło energii

• Słońce: najbliższa Ziemi gwiazda stanowiąca skupisko

materii gazowej o masie ok. 2.1030 kg

• Energia słoneczna – energia emitowana przez Słońce w

postaci fal elektromagnetycznych

• Emisja promieniowania związana z reakcjami

termojądrowymi zachodzącymi na Słońcu:

• Moc emitowanego promieniowania: ok. 3,8.1026 W

Evep e 224 4

2

1

1

2020-03-21

2

Promieniowanie słoneczne

• Rezultat reakcji termojądrowych zachodzących na Słońcu

• Do Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o mocy ok. 178 000 TW, z

czego:

– 30 % - odbijane przez atmosferę

– 47 % - pochłaniane przez lądy i wody

– 23 % - wiatr, cykl opadów, fotosynteza

• Energia promieniowania słonecznego docierającej w ciągu roku do

powierzchni Ziemi wynosi 1021Wh (ok. 10 razy więcej od obecnie znanych

zasobów energetycznych Ziemi)

• Widmo promieniowania słonecznego jest bardzo podobne do widma ciała

doskonale czarnego o temperaturze 5880K

• Gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego zależy od:

– Kąta podania promieni słonecznych (szerokości geograficznej)

– Odległości Słońca od Ziemi (dnia roku)

– Ruchu obrotowego Ziemi (cyklu dobowego)

Podstawowe pojęcia i wielkości opisujące

promieniowanie słoneczne

Nazwa Definicja Ozn., jedn.

Natężenie

promieniowania

(irradiance)

Gęstość mocy promieniowania padającego

na powierzchnię; wielkość energii

promieniowania padającego na

powierzchnię w jednostce czasu na

jednostkowe pole tej powierzchni

G, W/m2

Napromieniowanie

(irradiation)

Energia promieniowania padająca na

powierzchnię jednostkową, otrzymana

przez scałkowanie natężenia

promieniowania w określonym czasie

(godzina, dzień, rok)

H (dzień), I

(inny okres

czasu), J/m2,

kWh/m2

Usłonecznienie

(solar hours)

Suma godzinna występowania

bezpośrednio widocznej operacji

słonecznej w określonym przedziale czasu

(zwykle 1 rok)

Us, h

2020-03-21

3

Współczynnik AM - optycznej masy powietrza

cos

1AM

D

L

Stosunek długości drogi pokonywanej przez wiązkę optyczną

bezpośredniego promieniowania słonecznego przechodzącego przez

atmosferę ziemską do jej grubości

D L1 L2

AM1

AM1.5

AM2 = 48.2o

= 60o

Granica atmosfery

Powierzchnia Ziemi

AM 4 – 22.12

AM 1.5 – 12.09

AM 1.15 – 21.06

Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego

– prawo Plancka

114400

exp

1074,3,

5

8

T

TE

• Ciało doskonale czarne – ciało, które absorbuje (pochłania) całe padające

na nie promieniowanie niezależnie od częstotliwości

• Energia emitowana w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ciała

doskonale czarnego przy określonej długości fali zależy od jego

temperatury:

E(, T) – jednostkowa moc promieniowania, W/m2mm

- długość fali promieniowania, mm

T – temperatura bezwzględna ciała, K

2020-03-21

4

Widmo promieniowania doskonale czarnego

o temperaturze T = 5880 K

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

8

Dlugosc fali, um

E,

W/m

2*u

m

k = 5.67*10-8

W/m2 K4 - stała

Boltzmanna

max

Emax

Gę

sto

ść e

ne

rgii

UV (7%)

Św. widz.

(47%) IR (46%)

Prawo

Wiena:

max=2898/T

0

4d, kTTE

Widmo promieniowania słonecznego po przejściu

przez atmosferę

2020-03-21

5

Stała słoneczna - całkowita irradiacja słoneczna

(GSC – ang. Global Solar Constant)

Stała słoneczna - energia, jaką promieniowanie słoneczne przenosi w

jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię ustawioną

prostopadle do promieniowania w średniej odległości Ziemi od Słońca

przed wejściem promieniowania do atmosfery:

2

2

42

2

4

W/m1,13664

4

4

d

TRk

d

kSTGSC

1,39x109 m 1,27x107 m

1,495x1011 m

32o

Natężenie promieniowania bezpośredniego

docierające do Ziemi

100365

360sin035,0174,0

W/m,275365

360sin751160

AMexp

2

nk

nA

kAGB

n – numer dnia w roku

2020-03-21

6

Składniki promieniowania słonecznego

Rozproszone

Odbite

Bezpośrednie

Położenie Słońca względem Ziemi

Kąt elewacji (b), azymutu (fs), i zenitu (g),

Kąt elewacji

Kąt azymutu g

2020-03-21

7

Położenie Słońca nad horyzontem w różnych

porach roku

21 grudnia

21 czerwca

21 marca

21 września

Wykres wysokości kątowej Słońca lok. Wrocław (wg http://solardat.uoregon.edu/SunChartProgram.html)

2020-03-21

8

Pomiary egzytancji energetycznej

promieniowania słonecznego

Moc emitowana we wszystkich kierunkach

Jedn. powierzchni

Energia słoneczna cechy

• dostępna na całej Ziemi

• brak niekorzystnego wpływu na klimat i zanieczyszczeń

• brak wpływu na bilans energetyczny Ziemi

• praktycznie niewyczerpalna

• zmieniające się natężenie oświetlenia i moc

promieniowania z zależności od lokalizacji, pory dnia,

pory roku itp.

• stosunkowo mała koncentracja energii:

– Polska: gęstość promieniowania pon. 100 W/m2 ,

nasłonecznienie: 1000 kWh/m2/rok)

2020-03-21

9

Rozkład nasłonecznienia na świecie

Zasoby energii słonecznej - Polska

• Położenie geograficzne Polski:

– Między 49o a 54o szerokości geograficznej północnej

– Między 14o07’ a 24o08’ długości geograficznej

wschodniej

• Średnie roczne usłonecznienie:

– Północ i wschód: 1600-1700 h

– Południe: 1400 h

• Ok. 80% całkowitego rocznego nasłonecznienia

przypada na mies. IV-X

• Przeciętne nasłonecznienie: 950 – 1250 kWh/m2a

2020-03-21

10

Rozkład nasłonecznienia na terenie Polski kWh/m2 rok

Półprzewodnikowe ogniwo fotowoltaiczne

• urządzenie służące do bezpośredniej konwersji

energii promieniowania słonecznego na energię

elektryczną, poprzez wykorzystanie

półprzewodnikowego złącza typu p-n

• w złączu pod wpływem fotonów o odpowiednio

dużej energii powstaje ruch dziur i elektronów

powodując pojawienie się różnicy potencjałów

(napięcia) oraz możliwość przepływu prądu

2020-03-21

11

Półprzewodnik typu n i p

Typ n Typ p

Model pasmowy oświetlonego złącza p-n

p n

Energia

- - - - - hn=8,9 .10-26 kWh

Pasmo

walencyjne

Pasmo

przewodzenia

-

- E=hn hc/

Światło

Wielkość Si GaAs CdTe

Przerwa energetyczna (eV) 1,12 1,42 1.5

Max. długość fali (nm) 1110 870 830

2020-03-21

12

Budowa i model obwodowy ogniwa

fotowoltaicznego

Pow. kontaktowa

Warstwa n

Warstwa p

Pole elektryczne

Prąd dyfuzji (ruch

nośników ładunku)

Warstwa

przeciwodblaskowa

Pow. kontaktowa

Napięcie ogniwa

Prąd ogniwa

Rezystancja

obciążenia

Światło

Światło

Równanie charakterystyki prądowo-napięciowej

ogniwa fotowoltaicznego (I=f(U))

exp 1

S SPh D Ph S

P

q U R I U R II I I I I

nkT R

IPh – fotoprąd

IS – prąd nasycenia

q – ładunek elektronu

k – stała Boltzmanna

T – temperatura (K)

n = 1 – 2 – współczynnik doskonałości diody

Rs, RP – rezystancja ogniwa: szeregowa i bocznikowa

exp 1Ph D Ph S

qUI I I I I

kT

Charakterystyka idealna (Rs = 0, RP = , n = 1)

Charakterystyka rzeczywista:

2020-03-21

13

Charakterystyka prądowo-napięciowa fotoogniwa

I/ISC

U/UOC

Punkt mocy maksymalnej (MPP)

Przykładowa charakterystyka prądowo-

napięciowa i mocy fotoogniwa

2020-03-21

14

Teoretyczna sprawność konwersji energii w

ogniwach PV Limit Shockley’a–Queisser’a

Wg Ruhle S.,Tabulated values of

the Shockley–Queisser…

Sprawność ogniwa fotowoltaicznego w zależności

od natężenia promieniowania

t = 25oC, AM1,5, napięcie i prąd w MPP

2020-03-21

15

Charakterystyki prądowo-napięciowe paneli

fotowoltaicznych w zależności od układu połączeń

I, A

U, V U, V U, V

I, A I, A

Poł. równoległe Poł. szeregowe Poł. szeregowo-

równoległe

Układ połączeń ogniw w module fotowoltaicznym

Dioda bocznikująca

Moduł przesłonięty

Moduł fotowoltaiczny

Dioda blokująca

Bezpiecznik

Obciążenie

2020-03-21

16

Charakterystyka prądowo-napięciowa modułu

z diodą i bez diody bocznikowej

Podstawowe parametry ogniw (modułów)

fotowoltaicznych

(0.7 0.9)MPP MPP MPP

OC SC OC SC

U I PFF

U I U I

FF - współczynnik wypełnienia:

UMPP, IMPP – napięcie i prąd w punkcie mocy maksymalnej, (V, A)

UOC – napięcie ogniwa w stanie jałowym (bez obciążenia), (V)

ISC – prąd zwarcia ogniwa, (A)

PMPP – moc maksymalna w punkcie MPP, (Wp)

0

MPP

t

P

AG

– sprawność ogniwa:

gdzie: At – powierzchnia oświetlana ogniwa/modułu, G0 – natężenie

promieniowania słonecznego w warunkach testowych

2020-03-21

17

Dane przykładowego panelu fotowoltaicznego (1)

Dane przykładowego panelu fotowoltaicznego (2)

2020-03-21

18

Dane przykładowego panelu fotowoltaicznego (3)

Technologie ogniw fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne

Krzem Związki półprzewodnikowe Inne

Krystaliczny :

• Monokrystaliczne

• Polikrystaliczne

Amorficzny

Chalkogenki :

• CdTe

• CIS

• Inne

Związki z III – V grupy:

• GaAs

• InP

• inne

Barwnikowe

Organiczne

Perowskitowe

…

2020-03-21

19

Półprzewodnikowe fotoogniwa krzemowe Wygląd

Polikrystaliczne Monokrystaliczne Amorficzne

Charakterystyka komercyjnych technologii ogniw

fotowoltaicznych

Typ ogniwa Grubość Sprawność Pow. na 1

kW

Cechy

Krzemowe

monokrystaliczne

0,3 mm 15-18% 7-9 m2 Najwyższa sprawność,

droga i złożona

produkcja

Krzemowe

polikrystaliczne

0,3 mm 13-15% 8-9 m2 Największa

wyprodukowana ilość

Krzemowe

amorficzne

0,1 mm

Podłoże 3 mm

5-8% 13-20 m2 Krótki okres

eksploatacji, możliwe

ogniwa w postaci taśm

Tellurek kadmu 8 mm

Podłoże 3 mm

9-11% 11-13 m2

Mała wrażliwość na

temperaturę

CIS (selenek

miedziowo-

indowy)

3 mm

Podłoże 3 mm

10-12% 9-11 m2

Mała wrażliwość na

temperaturę

2020-03-21

20

Uzysk energetyczny elektrowni fotowoltaicznej

g CSTCr EUPRAE

Ec(g) – średnie roczne napromieniowanie w płaszczyźnie nachylenia

modułów (kWh/m2)

STC – sprawność modułów zmierzona w tzw. standardowych warunkach

badania (Standard Testing Conditions - STC)

PR (ang. Performance Ratio) – współczynnik sprawności przetwarzania

energii. Stosunek rzeczywistej energii systemu PV do energii wyznaczonej z

iloczynu energii padającej na powierzchnię modułów (Ec) i sprawności w

warunkach STC

A – powierzchnia modułów (m2)

U – współczynnik dyspozycyjności (U = 1 przy przyłączeniu do sieci el.-en.)

Warunki STC – natężenie promieniowania 1kW/m2, widmo AM1,5,

temperatura elementu 25oC

Kalkulator uzysku energetycznego z paneli

fotowoltaicznych

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

2020-03-21

21

Generacja fotowoltaiczna w ciągu roku

Reklama baterii słonecznej firmy Bell z 1956 r.

2020-03-21

22

Charakterystyka prądowo – napięciowa ogniwa

fotowoltaicznego Zadanie

Dla ogniwa fotowoltaicznego o prądzie nasycenia Is = 210-14 A, prądzie

zwarcia Isc,STC = 30 mA (Iph) i powierzchni s = 1 cm2 wyznaczyć:

• Napięcie biegu jałowego UOC,

• Moc, napięcie i prąd w punkcie mocy maksymalnej PMPP, UMPP, IMPP,

• Sprawność STC 3

12

30 10ln 1 0.026ln 1 0.6092V, 0.026V

2 10

SCOC

S

IkT kTU

q I q

3 14exp 1 30 10 2 10 exp 10.026

ph S

qU UI I I

kT

P, W 0.0149 0.0152 0.0154 0.0156 0.0158 0.0159 0.0159 0.0157 0.0153

U, V 0.50 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58

I, A 0.0298 0.0298 0.0296 0.0295 0.0292 0.0289 0.0283 0.0276 0.0264

MPP

2

0.01590.868

0.6092 30 10

MPP

OC SC

PFF

U I

4

0.0159100 100 15.9%

1000 10

MPPSTC

STC

P

G s

Elektrownie fotowoltaiczne Podsumowanie

Zalety Wady

• Bezpośrednia konwersja promieniowania słonecznego w energię elektryczną

• Niewielkie wymogi w zakresie obsługi i potrzeb własnych

• Stosunkowo wysokie nakłady inwestycyjne na jednostkę mocy zainstalowanej

• Energia wytwarzana jedynie w okresie odpowiednio dużego nasłonecznienia

• Konieczność stosowania magazynów energii (np. baterie akumulatorów)

2020-03-21

23

Systemy wolnostojące i dachowe

Instalacja fotowoltaiczna Budowa

Reg.

ładowania

Akumulatory

2020-03-21

24

Zespół paneli fotowoltaicznych umieszczony na

dachu budynku

Systemy BIPV (Building Integrated Photovoltaics)

2020-03-21

25

Duża elektrownia fotowoltaiczna Kolorado, USA

Czy tylko fotowoltaika?

Elektrownia CSP (ang. Concentrated Solar Power)

2020-03-21

26

Elektrownia CSP Schemat układu cieplnego