Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice

Energetyka odnawialna.

O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice

31 marca 2006 roku,

Zebranie Rz.O. PTF

Małgorzata Pociask

Laboratorium Odnawialnych Źródeł Energii,

Instytut Fizyki Uniwersytetu Rzeszowskiego

Plan wykładu

O pierwotnych źródłach energii.

O energetyce odnawialnej.

O historii odkryć…PV.

O bilansie energetycznym Ziemi.

O polskich zasobach energii odnawialnej.

Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV).

O zastosowaniach systemów PV.

O niewykorzystanych energetycznych „możliwościach” Słońca.

M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006


Pierwotne źródła energii Naturalne procesy przemiany energii

Techniczne procesy przemiany energii

Forma uzyskanej energii

Woda Parowanie, topnienie lodu i śniegu, opady

Elektrownie wodne Energia elektryczna

Ruch atmosfery Elektrownie wiatrowe Wiatr

Energia fal Elektrownie falowe Energia cieplna i elektryczna

Prądy oceaniczne Elektrownie wykorzystujące prądy oceaniczne

Energia elektryczna

Elektrownie wykorzystujące ciepło oceanów

Energia elektryczna Nagrzewanie powierzchni ziemi i atmosfery

Pompy ciepła Energia cieplna Kolektory i cieplne elektrownie słoneczne

Energia cieplna

Fotoogniwa i elektrownie słoneczne

Energia elektryczna

Promieniowanie słoneczne


Fotoliza Paliwa Ogrzewanie i elektrownie cieplne

Energia cieplna i elektryczna

Słońce

Biomasa Produkcja biomasy Urządzenia przetwarzające Paliwa

Ziemia Rozpad izotopów Źródła geotermalne Ogrzewanie i elektrownie geotermalne

Energia cieplna i elektryczna

Księżyc Grawitacja Pływy wód Elektrownie pływowe Energia elektryczna

O pierwotnych źródłach energii

...O pierwotnych źródłach energii


... Kiedy Słońce było bogiem ...5 tys. lat pne ...Ra, bóg-Słońce, król Egiptu; ...Shamash; bóg-Słońce, Mezopotamia; ...bogowie Słońca: Apollo, Helios, Grecja.

Wpływ na religie: Zoroastrianizm, Mithraizm, Religia Rzymska, Hinduizm, Buddyzm. Wyznawcy:Druidzi (Anglia), Aztekowie (Meksyk), Inkowie (Peru), i wiele innych nacji.

... Dziś wiemy ...

życie

Wzrost roślinPożywienie dla zwierząt

Karbon - zanik (wymarcie), roślin i zwierząt

węgiel, ropa naftowa, gaz

Podstawowe (konwencjonalne) źródła energii elektrycznej, cieplnej na Ziemi



HELIOS = SŁOŃCE

Model ciała doskonale czarnego

b - uniwersalna stała Wiena, b=2899·10-7m·K


Gwiazda – świeci własnym światłem (reakcje jądrowe);Skład: wodór (hydrogen), hel (helium); Masa Słońca = 99.9% masy układu słonecznego;W ciągu 1 s Słońce traci 4 mln kg swojej masy;Temperatura: 14 mln oC

T

b


Widmo fal elektromagnetycznych i ...

... inne ... inne

widma ..widma ....

...O widmach


VII w. pne – użycie szkła powiększającego do wzniecenia ognia (działania wojenne)

III w. pne – Grecy i Rzymianie używają luster do zapalania pochodni w obrzędach religijnych

212 r. pne – Archimedes ogniskuje promienie słoneczne przy pomocy zwierciadeł z brązu, Imperium rzymskie zwycięża flotę morską pod Syrakuzami (1973, powtórzenie eksperymentu, wzniecenie pożaru na lodzi odległej 50 m od brzegu morza)

20 r. ne – rękopisy chińskie donoszą o stosowaniu luster do zapalania pochodni w obrzędach religijnych

I-IV w. ne – łaźnie rzymskie budowane z oknami wychodzącymi na południe

VI w. ne – budynki użyteczności publicznej, prywatne domy wyposażone w „słoneczne pokoje” (dzienne), kodeks Justyniana

XII w. ne – Pueblo, lud Anasazi, Ameryka Poludniowa domostwa wyżłobione w południowych zboczach skał

Wykorzystać Słońce – krótka historia odkryć ... PV


1767 Horace de Saussure, Szwed, buduje pierwszy solarny (słoneczny) kolektor, użyty w 1830 w czasie podróży po Afryce Południowej przez Sir Joha Herschela http://solarcooking.org/saussure.htm

1839 Edmund Becquerel, Francuz obserwuje zjawisko fotoelektryczne

(E. Becquerel,"Mčmoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires", C. R. Acad. Sci. Paris, 1839, 9, 561-567)

1873 selen „produkuje” elektryczność

1876 William Grylls Adams, Richard Evans Day - eksperyment

1880 Samuel P. Langley, bolometr, pomiar jasności gwiazd, temperatury powierzchni Słońca



1905 Albert Einstein publikuje swoje dwie prace: o teorii względności i zjawisku fotoelektrycznym (1921 – Nobel Prize)

1916 Robert Millikan, doświadczalny dowód zachodzenia zjawiska fotoelektrycznego

1918 Jan Czochralski, metoda hodowli kryształów krzemowych

http://rekt.pol.lublin.pl/users/ptwk/art2.htm ”Professor Jan Czochralski (1885-1953) and His Contribution to the Art and Science of Crystal Growth”.

Wczesne lata 50-te ubiegłego stulecia, udoskonalenie metody produkcji czystego krzemu



1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller, Gerald Pearson – odkrycje krzemowego ogniwa fotowoltaicznego (PV), Laboratorium Bella. 4% - 11% wydajność.

D.M. Chapin, C.S. Fuller and G.L. Pearson, "A New Silicon p-n JunctionPhotocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power ", J. Appl. Phys., 1954, 25, 676-677)

1962 Bell Telephone Laboratories, satelita telekomunikacyjny, Telstar (moc początkowa 14 W).



1976 David Carlson i Christopher Wroński, RCA Laboratories, wyprodukowanie pierwszego ogniwa z amorficznego krzemu

1968 NASA, pierwsze Obserwatorium Astronomiczne na orbicie 1kW – system PV, (astronomiczne badania

1969w zakresie UV i X poza atmosfera ziemską)

1963 Sharp Corporation, produkcja PV modułów krzemowych

1964 Japonia, instalacja 242 W systemu PV na latarni morskiej, największego wtedy na świecie

‘80 – obecnie - gwałtowny rozwój PV, projekty ekonomiczne, propagowanie PV jako ekologicznego sposobu wytwarzania energii elektrycznej



Więcej i więcej ……

W pogoni za coraz większą sprawnością ogniw słonecznych


Si ... Przyrządy półprzewodnikowe … Techniki informacyjne Elektronika … Informatyka… Informacja

Krzem… zastosowania nie tylko w PV


Energetyka odnawialna?!


Niekonwencjonalne (alternatywne) źródła

energii elektrycznej

odnawialne nieodnawialne

wodór, energia magneto-hydro-dynamiczna,ogniwa paliwowe

energia słoneczna

energia wiatru, energia wody, pływów morskich, fal morskich, energia cieplna oceanów (maretermiczna)

geotermalna

gejzerygorące skały

O energetyce odnawialnej


Energia wiatru

Energia wody



Geotermia

Energia maretermiczna

Energia fal





ŚWIAT

POLSKA

ŚWIATOWE ZUŻYCIE ENERGII

USA


Bilans energetyczny Ziemi (w %)

O bilansie energetycznym Ziemi


Groźny efekt cieplarniany

Atmosfera jest względnie przezroczysta dla fal krótkich emitowanych przez Ziemię,

natomiast ze względu na obecność gazów cieplarnianych pochłania fale dłuższe widm absorpcyjnych (jest kołdrą utrzymującą życie przy powierzchni Ziemi)

O bilansie energetycznym Ziemi


Zasoby energetyczne (OŹE) Polski i krajów skandynawskich

Źródła energii

POLSKAZasoby[PJ/rok]

POLSKAWykorzystanie[PJ/rok (%)]

DANIA[PJ/rok]

SZWECJA[PJ/rok]

Biomasa 895 100 (11,18) 216 638

Energia wodna

43 2 (4,65) 0,3 266

Zasoby geotermalne

200 0,1 (0,05) 100 0

Energia wiatrowa

36 3,6 (10) 97 209


1340 0,01(0,00075)

84 194

OGÓŁEM 2514 105,71 (4,2) 498,3 1307

O polskich zasobach energii odnawialnej


Polskie zasoby energii odnawialnej

ENERGIA WODYnajwiększe elektrownie wodne



Warunki nasłonecznienia w Polsce



Jeśli kąt padania promieniowania jest < 90° (musi być jednak większy niż 20 °) światło musi pokonać większa masę atmosfery niż w warunkach AM1. Względny wzrost przebytej masy atmosfery określa równanie

AM = (sin

Uwzględniając lokalne ciśnienie mas atmosfery p mamy AM* (p0=1.013bar):

AM*= (p/p0) AM.

AM-1.5 (ISO 9845-2: 1992, ASTM E892-87: 1992) i przyjęto wartość 1000Wm−2 (tzw. „warunki jednostkowego słońca” – stała słoneczna)

AM0 –natężenie promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię Ziemi przy braku atmosfery (jak w przestrzeni kosmicznej, W=1370 Wm-2.

AM1 – jest to natężenie promieniowania padającego na powierzchnię Ziemi na równiku, na poziomie morza, w momencie górowania Słońca, kąta padania promieni słonecznych 90°, idealne wolne od zachmurzenia niebo (W=1007 Wm-2)

AM2 – AM1, 60, przy idealnie wolnym od zachmurzenia niebie.

O stałej słonecznej


Konwersja promieniowania słonecznego:

- fotochemiczna - prowadząca dzięki fotosyntezie do tworzenia energii wiązań chemicznych w roślinach

w procesach asymilacji,

- fototermiczna - prowadzącą do przetworzenia energii promieniowania słonecznego na energię cieplną,

- fotowoltaiczna (PV)- prowadząca do przetworzenia energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV)


Wszechobecna PV,

ale ... jak to działa?



Jak pracuje złącze p-n?



F. C. TREBLE (Editor); Generating Electricity from the Sun; Pergamon Press, Inc.;New York; 1991

Efekt fotowoltaiczny czyli konwersja fotowoltaiczna.

Ogniwo słoneczne



Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa fotowoltaicznego przy zmiennym natężeniu oświetlenia.

Schemat układu pomiarowego.

X – źródło światła, V – woltomierz, A – amperomierz, R – dekadowy opornik obciążający ogniwo

PV


Seqi sI

Powstawanie barierowej foto SEM

qs – szybkość generacji powierzchniowej,

ß – część fotodziur dochodzących do złącza bez rekombinacji,S – oświetlone pole.iI – prąd fotodziur.

0 dI iii

Jeśli elektrody fotoogniwa są rozwarte:

Układy zastępcze barierowych fotoogniw: doskonałego (a) i realnego (b)

związek ten jest podstawowy w teorii ogniw barierowych

Jeśli elektrody fotoogniwa są zwarte obciążeniem (opornikiem) zewnętrznym ( to na podstawie I prawa Kirchhoffa):

)1( UsIdI eiiiii



Charakterystyka prądowo-napięciowa dla doskonałego ogniwa w ciemności (1) i przy oświetleniu (2)

Dla i = 0 (obwód otwarty)napięcie na fotoogniwie nie jest równe zeru, oznacza to, że powstaje w nim pewna SEM równa U0.

Analogicznie, dla u = 0 (zwarcie) w obwodzie występuje prąd zwarciowy, równy prądowi świetlnemu iI

DLA FOTOOGNIWA DOSKONAŁEGO

Zgodnie z prawem Kirchhoffa

iI=id+i

Natomiast, przyjmując i=0, znajdujemy, że SEM ogniwa jest równa:

s

I

i

i

e

kTU 1ln0 kT

e

U – napięcie pomiędzy elektrodami fotoogniwa,is – prąd nasycenia,



Ze wzrostem iI wzrasta SEM (wg prawa logarytmicznego). Jednocześnie maleje wysokość bariery potencjału w złączu p-n.Kiedy bariera jest rzędu kT, wzrost SEM ustaje.

Wynika stąd, że SEM nie może przewyższać stykowej różnicy potencjałów pomiędzy obszarami p i n .

Dla najkorzystniejszego przypadku (bez oświetlenia) poziom Fermiego położony jest w pobliżu krawędzi pasm energetycznych, U 0,maxEg/e. Np. german Ge: U 0,max 0,6 V, krzem Si: U 0,max1V.

Układ włączenia fotoogniwa (a)i fotodiody (b).



mmUJP max

ocscid VJP

Tradycyjna notacja

Współrzędne punktu maksymalnej mocy M pozwalają wyznaczyć

moc maksymalną Pmax ogniwa:

Moc idealna: Pid

Jsc – prąd zwarciowy (SC – short currient),

‑ gęstość prądu przepływającego przez obciążenie RVoc napięcie otwartego obwodu (OC – open currient)

scoc

mm

IV

IVFF

o

ocSC

o

mm

P

VIFF

P

VI

Iloraz mocy maksymalnej i mocy idealnej określa współczynnik wypełnienia (FF – Fill Factor)

Sprawność ogniwa otrzymamy jako procentowy udział mocy maksymalnej do mocy promieniowania elktromagnetycznego oświetlajacego czynną powierzchnię ogniwa Po.:



Budowa najpopularniejszego ogniwa o wydajności powyżej 30% - monokrystaliczne krzemowe, prototyp laboratoryjny)

DLAR (double layer antireflection) –

system minimalizujący odbicie. Passivated emitter, rear locally-

diffused (PERL) cell with a double layer antireflection coating.

Pierwsze doniesienia w pracy:(A.W. Blakers and M. A. Green,

"20% Efficiency Silicon Solar Cells", Appied Physic. Letters 48, pp. 215-217, 1986)



=14% =8-10 % (AM1)

a-Si ogniwa PV stanowią 16% światowej produkcji

USA: Solarex Enron, United Solar, Canon - pilotażowe elektrownie fotowoltaiczne o mocy produkcyjnej 10 MWp/rok każda.

Japonia (pionierem w komercjalizacji ogniw fotowoltaicznych z krzemu amorficznego) - program GENESIS.

szeregowe łączenie – max. U; równoległe łączenie – max. P

typowe moduły: 90-130W





Indywidualni odbiorcy,

gospodarstwa domowe



Moduły fotowoltaiczne można wykorzystać również do produkcji energii oddawanej bezpośrednio do sieci elektrycznej.

Umieszczanie modułów fotowoltaicznych: na fasadach lub dachach budynków i domów mieszkalnych.

- np. w Berlinie (ta sama szerokość geograficzna co Warszawa).



W najbliższej przyszłości najbardziej obiecującymi zastosowaniami ogniw fotowoltaicznych w Polsce będą systemy zasilania w miejscach oddalonych od sieci energetycznej.(Unika się dużych kosztów doprowadzenia linii energetycznych).



Zastosowania PV

Szwecja

... na małą skalę

O zastosowaniach systemów PV


... na dużo większą

Kalifornia



Austria



Kolektory ... najprostsze, „najtańsze” wykorzystanie energii Słońca ...basen

słoneczny

O zastosowaniach kolektorów


HYBRYDY, czyli dwa lub trzy w jednym



Udział odnawialnych źródeł energii w produkcji energii pierwotnej

- prognozy

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii


Autor: [email protected]

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii


Odnawialne Źródła Energii przyszłość energetyki

Dlaczego stosować PV?

- minimalny, nawet żaden wpływ na środowisko.

Ograniczenia w stosowaniu :

• technologiczne, ze względu na formę występowania i możliwości praktycznego wykorzystania;

• ekonomiczne, związane z dużymi kosztami ich wykorzystania.

Podsumujmy…O niewykorzystanych energetycznych „możliwościach” Słońca.


Niewykorzystany potencjał Słońca

- tylko niewielki procent (>1%) energii słonecznej jest aktywnie wykorzystywany (głównie w fotosyntezie i energii wiatrowej);

- reszta, 99% z 27·109 MW ( miliardów megawatów) energii, która dzięki Słońcu pada na lądy marnuje się.

- Światowe zapotrzebowania na energię pod wszystkimi postaciami (a więc nie tylko na prąd elektryczny) wynosi

obecnie 0,01·109 MW ... ... czyli 0.037 % niewykorzystanego

potencjału Słońca.

O niewykorzystanych energetycznych „możliwościach” Słońca.


Literatura

.

1. Z. Pluta, Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.

2. W. M. Lewandowski, Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002.

3. E. Klugmann-Radziemska, E. Klugmann, Systemy słonecznego ogrzewania i zasilania elektrycznego budynków, Wydawnictwo ekonomia i Środowisko, Białystok 2002.

4. E. Boeker, R. van Grondelle, Fizyka Środowiska, wydawnictwo Naukowe PWN, warszawa 2002.

5. H. Haken, H. C. Wolf, Atomy i kwanty, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997.


6. Rzeczpospolita, Słońce na dachu, 10 marca 2001;7. Materiały reklamowe: GTB-SOLARIS Solarex Marle, Sunflower Farm8. "Wiedzy i Życia" nr 7/1997 ENERGIA SŁONECZNA NARESZCIE

TAŃSZA? 9. "New Scientist", 2077/1997

Internet:10. www.nasa.com11. www.imgw.pl12. www.energiaodnawialna.com.pl13. www.miltonhydro.com14. www.wyooo.republika.pl 15. www.zb.eco.pl/bzb/27/energia1.htm www.imgw.pl 16. www.elektrownie-wiatrowe.pl17. www.rotal.pl18. www.elchlod.pl

oraz


Documents

Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice