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