Використання сонячної енергії в

альтернативних системах

електроживлення08.06.2016 р.

Велігорський О.А.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

Доповідач• К.т.н., доцент Велігорський

Олександр Анатолійович.

• Завідувач кафедри біомедичних радіоелектронних апаратів та систем Чернігівського національного технологічного університету.

• Керівник напряму інноваційно-технічного розвитку громадської організації «Чернігів Європейський»

• alexveligorsky@gmail.com 2

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

Доповідач• Учасник програми стажування за кордоном від

міністерства освіти і науки України.• Glyndwr University, Great Britain, 11/2011 - 02/2012.

• Учасник програми “Східне партнерство” від DAAD (Німецька агенція академічнх обмінів).• Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences, 04/2014 - 05/2014.• Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences, Nolden Regelsysteme GmbH

04/2015 - 05/2015.

• Переможець Travel Grant Competition від BILAT-UKR*AINA• Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences, 08/2014.

• Керівник спецкурсу “Printed Circuit Board Design for Power Electronics: A Practical Guide” для аспірантів.• Tallinn University of Technology, 01/2015. 3

Що таке?фотовольтаїка

Якможна використати ?енергію Сонця

• Нагріти сонячними променями воду до точки кипіння, яка буде обертати турбіну!

• Це сонячна термальна електростанція.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

5

Якможна використати ?енергію Сонця

• Використати явище внутрішнього фотоефекту, при якому під дією випромінювання утворюється перерозподіл електронів за енергетичними рівнями і утворюються вільні електрони.

• Це фотоелемент!• Також відомий як «сонячна батарея».• Також відомий як «фотоелектричний перетворювач».

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

6

Принцип роботифотоелементу• Схожий на принцип роботи звичайного діода (p-n перехід).

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

7

Принцип роботифотоелементу• Світло потрапляє на p-n перехід фотоелементу й

поглинається матеріалом.

• Енергія поглинутих фотонів передається матеріалу, утворюється пара носіїв заряду («дірки» – в р-легованій частині, електрони – в n-легованій частині).

• Носії заряду створюють електричний потенціал (електричне поле), і якщо ми підключимо навантаження – під дією поля будуть рухатись по електричному колу.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

8

Чи багато енергії ми?отримаємо

• Електрична потужність – це:

P=V·I=I2·R=V2/R• Чим більше напруга й чим більше струм – тим більша

потужність!

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

9

Чи багато енергії ми?отримаємо

Напруга:•Одна комірка фотоелементу видає максимальну напругу 0,6…0,7 Вольт.Струм:•Струм – залежить від розміру (площі) напівпровіднику, який опромінюється сонячними променями.

Висновки:•Хочемо отримати більший струм з одного елементу – збільшуємо розміри.•Хочемо отримати більшу напругу – з’єднуємо кілька елементів послідовно.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

10

Типова характеристика250 .Вт панелі

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

11

Паралельно чи?послідовно

• Паралельне підключення фотоелектричних комірок – збільшує струм.• Напруга – не змінюється.

• Послідовне підключення – збільшує напругу.• Струм – не змінюється.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

12

Від комірки до масиву• Модуль - кілька комірок підключаються послідовно, до

досягнення необхідного рівня напруги Vmodule=0,6·NS.• Панель – з’єднання кількох модулів паралельно, для

досягнення потрібного рівня струму Іpanel= Іmodule·NP.• Масив – об’єднання кількох панелей.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

13

Як оцінити потужність фотоелектричного

?модуля• Сонце – газовий шар, за рахунок ядерних реакцій температура всередині Сонця біля 20 млн. К.

• Температура поверхні – 5762К.

• Інтенсивність випромінювання (з рівняння Стефана-Больцмана): H = 62,5·106 Вт/м2.

• Загальний потік енергії, що випромінюється Сонцем: 9,5·1025 Вт.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

14

Як оцінити потужність фотоелектричного

?модуляСкільки енергії дійде до Землі?

•До Землі дійде: 1353 Вт/м2 – це так звана «Сонячна постійна» АМ0.• Так як Земля рухається по еліпсу, то реальне значення

змінюється від 1300 до 1400 Вт/м2.•До Марса: 586 Вт/м2.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

15

Як оцінити потужність фотоелектричного

?модуля• Освітленість поверхні Землі залежить від:• Поглинання і розсіяння в атмосфері.• Наявність хмар, забруднень атмосфери і т.п.

• До поверхні Землі доходить максимум 1000 Вт/м2.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

16

Як оцінити потужність фотоелектричного

?модуля• Коефіцієнт корисної дії (ефективність) фотоелектричного модуля – відношення електричної потужності на виході до енергії випромінювання, що потрапляє на панель.

• У більшості фотоелементів к.к.д. – біля 15%.• Максимальне значення в лабораторії – біля 47%.

• Потужність випромінювання на поверхні Землі – максимум 1000 Вт/м2.

• Висновок: максимум з 1 м2 поверхні панелі можна отримати 150 Вт.

• 1 Вт – можна зняти з 66,6 см2 (наприклад, 10 на 7 см).

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

17

?Які бувають панеліПанелі для побудови автономних систем:•Для зарядки портативної електроніки.•Для живлення світлодіодних ліхтариків.Параметри:•Потужність – від 0,5 до 2 Вт.•Напруга – від 0,6 до 20 В. Ве

ліго

рськ

ий О

.А.,

© 2

015

18

?Які бувають панеліПанелі для побудови промислових систем:•Потужність – від 150 до 250 Вт.•Напруга – від 24 до 48 В.•Струм – від 3 до 10 А.•Тривалість роботи – до 20…25 років.• При зменшенні ефективності

до 25%. Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

19

Матеріали фотоелектричних

модулів• Кремнієві однопереходні – найбільш розповсюджені на даний момент (можуть бути моно- чи полікристалічні).• Типовий к.к.д. – біля 15%.• Мають один p-n перехід.

• Тонкоплівочні модулі – можуть бути гнучкі, однак з меншою ефективністю.• К.к.д – до 10%.• Дорожчі ніж звичайні.

• Багатоперехідні (multijunction PV cells).• Декілька p-n переходів, кожен з яких реагує на свою довжину

світла.• К.к.д. – до 40%.• Суттєво дорожчі ніж звичайні.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

20

Япридбав сонячну…панель

• Монокристалічний кремній – темний (35% ринку).• Полікристалічний кремній – синій (55% ринку).• Тонкоплівочний фотоелемент – темний, однорідний (10%).

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

21

Рентабельність сонячної

– енергетики чи настільки дешеві

“ ”?зелені технології

З чого складається вартість сонячної

?електрики• 1. Вартість обладнання:• Фотоелектричні панелі.• Перетворювачі напруги.• Акумулятори (для автономних систем)• Кабелі, комутаційні елементи.

• 2. Вартість дозволів на підключення до мережі, перевірки і т.п.

• 3. Вартість затрат на монтаж обладнання.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

23

Вартість фотоелектричних

.панелей• Знизилась до 0,3 у.о. за 1 Вт в США!

• При неоптових закупках – біля 1 у.о. за 1 Вт.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

24

А якщодо загальної?вартості

• В 2015 році в світі вартість встановлення всього обладнання для отримання 1 Вт енергії знизилась до 3 у.о.• В більшості випадків – це трохи більше 4 у.о.• 10 кВт – біля 30000 у.о.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

25

http://solar-power-now.com/cost-of-solar/

?А це багато чи мало• Для невідновлювальних джерел:• Вугільні електростанції – біля 2,1 у.о. на 1 Вт потужності.• Великі гідроелектростанції – біля 1 у.о. на 1,0 Вт потужності.

• Для відновлювальних джерел:• Вітрогенерація – біля 2,0 у.о. на 1 Вт.

Висновки:• На даний момент фотовольтаїка поки дорожча від

більшості викопних та відновлювальних джерел електроенергії!

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

26

Коефіцієнтвикористання• Для класичних джерел – дані з США.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

27

Коефіцієнтвикористання• Для відновлювальних джерел - дані з США.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

28

Чому так мало для?фотовольтаїки

• Погода не завжди ясна.• Сонце не завжди знаходиться в зеніті.• Ближче до горизонту – більше проходить через атмосферу –

більше розсіюється та поглинається в атмосфері.• Тривалість сонячного дня – не 24 години.• Вводять поняття «сонячних годин»:

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

29

Мапа річної інсоляції в.Європі

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

30

А тепер для України• Для Чернігова – на оптимально орієнтовану поверхню за

кутом нахилу площею в 1 м2 потрапить випромінювання сумарною потужністю 1239 кВт.• Множимо на к.к.д. панелі 15% - виходить 185 кВт за рік з 1 м2

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

31

http://apricus.com.ua/informatsiya/urovni-solnechnoy-insolyatsii-v-ukraine

Типові кейси для.фотовольтаїки

Прикладивикористання• PV - Фотоелектричні панелі.• Charge controller – Контролер заряду батарей.• Battery - Акумуляторні батареї.• Inverter - Інвертор з постійної напруги в 220 В / 50 Гц.• Backup Generator – резервний генератор.• Meter – електричний лічильник (рахує як передану так і

спожиту енергію).• DC, AC Disconnect – вимикачі в мережах постійного та

змінного струму.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

33

Автономний будинок

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

34

Переваги й недоліки автономних систем

• Найдорожча вартість електроенергії.• Використовуємо лише енергію Сонця.• Акумулятори повинні бути такої ємності, щоб витримувати

весь час до наступної підзарядки.• Резервування – генератором.• Акумулятори мають обмежену кількість заряд-розрядів –

треба замінювати через 3-6 років.• Можливі дні коли ми будемо «без світла».• В зимові та осінні дні та в хмарну погоду. Ве

ліго

рськ

ий О

.А.,

© 2

015

35

Підключення до мережі

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

36

Переваги підключення .до мережі

• Ми можемо продавати залишки електроенергії по «зеленому тарифу».• В Україні зараз «зелений тариф» для сонячної електроенергії з

установок до 10 кВт – 0,2 Євро/кВт год.• За часів Януковича «зелений тариф» для наближених складав

0,6 Євро/кВт год.• Не треба акумулятори.• Ми споживаємо енергію з мережі коли нам треба.• Продаємо залишки енергії, коли вона нам не потрібна.

• Потенційно - вища вартість системи.• Узгодження, дозволи.• Додаткове обладнання – інвертори.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

37

Підключення до мережі з акумуляторним

.запасом

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

38

Переваги підключення . до мережі з акум

.запасом• Захист від відсутності мережі – 100%.• Ми заряджаємо акумулятори чи-то від Сонця, чи від мережі.• Заряджені акумулятори відключаємо коли є Сонце чи мережа.

• Продаємо залишки енергії по зеленому тарифу.• Найбільша вартість.• Акумулятори + інвертор.• Дозволи, узгодження…

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

39

Розрахунок вартостіобладнанняДля 10 кВт котеджної електростанції потрібно:•40 панелей по 250 Вт.

• 1 панель – розмір 1,6 м х 1,0 м = 1,6 м2.• 40 панелей – 64 м2 поверхні даху.• Вартість 1 панелі – біля 6000 грн (250 у.о.).• 40 панелей – 10000 у.о.

•Контролери панелей, інвертор, комутаційне обладнання.• Інвертор на 10 кВт – біля 4000 у.о.• Контролери панелей – біля 500 у.о.• Комутаційне обладнання – біля 500 у.о.

•Загальні інвестиції – більше 15 тис. у.о. (без врахування дозволів).•185 кВт за рік з 1 м2

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

40

Скільки енергії ми можемо продавати?державі• Як рахували раніше, з 1м2 поверхні в Чернігові можна

отримати 185 кВт год за рік.• З поверхні в 64 м2 – 11840 кВт год.• Якщо будинок споживає в середньому 400 кВт год на

місяць, то за рік ми споживатимемо 4800 кВт год.

• Продаємо: 11840-4800 = 7040 кВт год.• Отримуємо: 7040 кВт/год * 0,18 Євро/ кВт год = 1267 Євро.• 0,18 Євро/ кВт год – «зелений тариф» для України з 2017 р.

• Окупність: 14000 Євро /1267 Євро = 11 років.• Після окупності ми отримуватимемо додатково біля 1000

Євро кожного року на протязі 10-15 років.

Велі

горс

ький

О.А

., ©

201

5

41

http://ecotechnica.com.ua/energy/163-zelenyj-tarif-mozhet-stat-dlya-ukraintsev-khoroshim-istochnikom-dokhoda.html

Дякую за!увагу