Upload
hanga
View
221
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Czyste Energie
Wykład 1
Wprowadzenie do energii
słonecznej i fotowoltaiki
dr inż. Janusz Teneta
C-3 pok. 8 (parter), e-mail: [email protected]
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 …. ?