Pozyskiwanie Energii Elektrycznej z Ogniw Fotowoltaicznych

8/17/2019 Pozyskiwanie Energii Elektrycznej z Ogniw Fotowoltaicznych

1/68

1

Pozyskiwanie energii

elektrycznej z ogniw fotowoltaicznych


2/68

Energia słoneczna - bilans energetyczny

174 PW

89 PW

33 PW

111 10

26

40

3510 7

2

Do granicy atmosfery ziemi dociera ze słońca w sposób cią gły strumień energii o mocy 1366[W/m²] i jest to tak zwana stała słoneczna Zazwyczaj ok. połowa promieniowania słonecznego z

granicy atmosfery przedostaje się do powierzchni Ziemi, reszta jest odbijana rozpraszana przezchmury i atmosfer ę . Ilość energii docierają cej do ziemi ze słońca ulega cią głym zmianom i zależy

od aktualnego stanu atmosfery.


3/68

Charakterystyka widmowa słońca

3

pochłaniacze

promieniowania


4/68

4

Energia słoneczna docierają ca do Ziemi ma postaćfali elektromagnetycznej o różnej długości

Podział promieniowania słonecznego

ze wzglę du na długość fali

Ultrafioletowe UV

znajduje się w paśmie

10-400 nm i stanowi ok.

4,5% promieniowania

docierają cego do Ziemi .Jest szkodliwe dla ludzi i

zwierzą t

Widzialne

zwane słonecznym

znajduje się w paśmie

400-750 nm i stanowi ok.

44% promieniowania

docierają cego do Ziemi .Wywołuje wrażenie

świetlne-umożliwiawidzenie

Podczerwone

zwane promieniowaniem

cieplnym, znajduje się w

paśmie powyżej 1000 nm istanowi ok. 52 %

promieniowania

docierają cego do Ziemi.

Wywołuje odczucie ciepła.


5/68

5

Wielkości opisują ce zasoby energii słonecznej

Natężenie promieniowania słonecznego to chwilowa wartość gę stości mocy promieniowania słonecznego padają cego w cią gu jednej sekundy na powierzchnię jednego m², prostopadłą do kierunku promieniowania. Wartość ta podawana jestzazwyczaj w [W/m²] lub [kW/m²]. Natężenie promieniowania słonecznego ulegacią głym zmianom zazwyczaj w przedziale 100 – 800 [W/m²] w cią gu dnia.

Najwyższe wartości notowane są w słoneczne bezchmurne dni i mogą osią gać1000 [W/m²].

Nasłonecznienie to suma natężenia promieniowania słonecznego w danym czasie

i na danej powierzchni np. suma natężenia promieniowania słonecznego w czasiegodziny, dnia, roku na powierzchni 1m². Nasłonecznienie najczęściej wyrażane jest w Wh/m², kWh/m² lub MJ/m², GJ/m² na dzień, miesią c lub rok

Usłonecznienie jest definiowane, jako liczba godzin słonecznych, czas podany wgodzinach, podczas którego na powierzchnię Ziemi padają bezpośrednio

promienie słoneczne. Jest to parametr opisują cy głównie warunki pogodowe a niezasoby energii słonecznej. Wykorzystuje się go jednak w energetyce słonecznejdo szacowania warunków pracy instalacji np. do wyliczania godzin pracy pompy

cyrkulacyjnej w instalacji kolektorów słonecznych.


6/68

6

Zasoby energii słonecznej w Polsce

TWh

Energiasłoneczna

Energia słoneczna cechuje się dużą zmiennością w cyklu tygodniowym,miesię cznym i rocznym


7/68

Mapa rocznego nasłonecznienia Europy

7

800-900

kWh/m2

1000-1200

kWh/m2

2000-2100

kWh/m2


8/68

Mapa nasłonecznienia Polski

8

Średnie roczne nasłonecznienie obszaru Polski wynosi ~ 1000 kWhm-2rok-1

Liczba godzin do praktycznego wykorzystania przez OZE wynosi ok. 1600


9/68

9

Zasoby energii słonecznej w Polsce

W okresie zimowym w celu

zwię kszenia ilości energii słonecznejnależy płaszczyznę paneli zwrócićna południe pod dużym k ą tem rzę du

60 – 90°

W okresie wiosny i jesieni słońce wcelu zwię kszenie ilości energii

słonecznej w tym okresie należy płaszczyznę zwrócić na południe

pod umiarkowanym k ą tem rzę du45 – 60°.

W okresie letnim w celu

zwię kszenia ilości energiisłonecznej w tym okresie należy

płaszczyznę zwrócić na południe pod nieznacznym k ą tem rzę du

5 – 20°.

http://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/energia_geotermalna.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/energia_wody.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/energia_wiatru.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/energia_sloneczna.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/index.htmlhttp://fwie.eco.pl/http://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/index.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/podstawowa_gimnazjum/index.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/przedszkole/index.html


10/68

10

Sposoby wykorzystania energii słonecznej

Bezpośrednia produkcja

energii elektrycznej przez

panele fotowoltaiczne

PV

Bezpośrednia produkcja

energii cieplnej przez

kolektory słoneczne

Pośrednia produkcja

energii elektrycznejEnergia słoneczna ulega

konwersji na energię cieplną ,

dalej na mechaniczną a potem

na elektryczną )

W 2050 r. przewidywany udział energiielektrycznej z ogniw fotowoltaicznych wbilansie energetycznym świata będzie

wynosił ok. 27%.

http://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/bioenergia.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/energia_geotermalna.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/energia_wody.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/energia_wiatru.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/energia_sloneczna.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/index.htmlhttp://fwie.eco.pl/http://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/srednia/index.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/podstawowa_gimnazjum/index.htmlhttp://../WykA?ady%20z%20Alternatywnych%20AorA3deA?%20zasilania/PrezentacjaOZE/prezentacja/przedszkole/index.html


11/68

p

n

Budowa ogniwa i zasada działania ogniwa PV

Budowa ogniwa:

• Warstwa antyrefleksyjna• Przedni kontakt (ujemny)

• Warstwa typu n (emiter)• Warstwa typu p (absorber)• Tylni kontakt (dodatni):

11Eduardo Lorenzo (1994). Solar Electricity: Engineering of Photovoltaic Systems. Progensa

Generacja fotopr ą du w ogniwiefotowoltaicznym


12/68

Kiedy występuje efekt PV?

12


13/68

Charakterystyka I-V ogniwa oświetlonego

13Green, Solar cells, UNSW, 1986

ph s I mkT

qV exp I I −⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ = 1

I : pr ą d ogniwa I S : pr ą d nasyceniaV : napięcie ogniwaT : temperatura

q : ładunek elektronuk : stała Boltzmanam : współczynnik idealności

I ph : fotopr ą d

phd I I I −=


14/68

Charakterystyka I-V ogniwa oświetlonego


I sc : pr ą d zwarciaV oc : napięcie w stanie rozwarcia

I mp : pr ą d maksymalnej mocy

V mp : napięcie maksymalnej mocy

P in : gęstość mocy promieniowania padają cego

Sprawność

(standardowe warunki pomiaru: P in= 1000 Wm-2 )

in

max

P P =η

MPP : punkt pracymaksymalnej mocy

Maksymalna moc

mpmp I V P ⋅

max

A M P ein ⋅=

Me – moc promieniowania słonecznego [w/m2] A – powierzchnia fotoogniwa [m2]


15/68

Charakterystyka I-V modułu PV oświetlonego (1)

15


16/68

Wpływ promieniowania na parametry ogniwa PV

16Źródło: R. Tytko, odnawialne źródła energii


17/68

Schemat zastępczy ogniwa oświetlonego (idealnego)


Φ : strumień fotonów

gdzie

d ph L I I I

)(exp Φ⎥

⎦

⎤⎢

⎣

⎡

⎠

⎞⎜

⎝

⎛

f mkT qV I I sd 1

)(V f I ph ≠

I ph

I d

I L= - I

R LV L=V


18/68

Zależność parametrów fotoogniwa od natężeniaoświetlenia



19/68

Schemat zastępczy ogniwa oświetlonego (rzeczywistego)

R S - rezystancja szeregowa R P - rezystancja równoległa (upływu)

19

I ph

I d

I L

V L R P R L

R S

P

LS Ld ph L

R

I RV I I I +

−−=

Eduardo Lorenzo (1994). Solar Electricity: Engineering of Photovoltaic Systems. Progensa

Rezystancje R S

i R P

znaczą co obniżają sprawność ogniwa.


20/68

Materiałowe - ograniczony zakres widmowy- rekombinacja (powierzchniowa, defekty sieci

krystalicznej)- temperatura

Sprawność ogniwa

Czynniki wpływają ce na sprawność ogniwa:

20

Optyczne - odbicia- zacienianie

Elektryczne - rezystancja szeregowa

- rezystancja równoległa


21/68

Odbicia

Struktura powierzchni w postacipiramid zmniejsza stratyzwią zane z odbiciami o ok. 30%

21

Teksturyzacja powierzchni -

zmniejszenie odbić

Zwierciadlana powierzchniatylnego kontaktu -

pułapkowanie światła

Powłoka antyrefleksyjna


22/68

Rezystancja szeregowa

·R1

– rezystancja kontaktu tylnego

·R2 – rezystancja obszaru typu p

·R3 – rezystancje obszarów typu npomiędzy paskami siatki kontaktuprzedniego

·R4 – rezystancja kontaktu przedniego

·R5 – rezystancja pasków siatki

·R6 – rezystancja szyny kontaktuprzedniego

22V. Benda, Solar cell physics and technology,, Dept. of Electrotechnology,Czech Techn. Univ., Prague

Rezystancja szeregowa ogniwa jest przyczyną powstania znacznych strat.


23/68

R S ↑

R P ↓

Wpływ rezystancji pasożytniczych na właściwościogniwa

Rezystancje R S i R P zmieniają położenie punktu maksymalnej mocy MPPi mogą znaczą co obniżyć sprawność ogniwa.

23Eduardo Lorenzo (1994). Solar Electricity: Engineering of Photovoltaic Systems. Progensa

I L [mA] I L [mA]

V L [V] V L [V]

R S [Ω] R P [Ω]

0

1

5

50

20

∞

MPP


24/68

Wpływ temperatury

Kyocera Module KC85TS, 85 Wp, V mp = 17,4 V

Temperaturowy współczynnik V oc - 82 mV/

Temperaturowy współczynnik I sc 2.12 mA /

24

↑ ph I T

Pr ą d zwarcia

↓

oc

V T

Sprawność

Napięcie rozwarcia

↓T

T ↑


25/68

Wpływ temperatury na pracę fotoogniwa


Zależność napię cia i pr ą du

od temperaturyZależność mocy od temperatury



26/68




27/68

Największa długość faliabsorbowanego

promieniowania

Ograniczony zakres widmowy (1)

27

g

g E

241.max

gdzie E g jest szerokością przerwy energetycznej

Krzem z przerwą E g = 1,1eV absorbuje 44% docierają cego promieniowania.


28/68

Wielozłą czowe ogniwo fotowoltaiczne

28

Trójzłą czowa struktura InGaP/GaAs/Ge ogniwa fotowoltaicznego na podłożugermanowym. Charakterystyka widmowa pokrywa zakres od 0.3 do 1.8 µm.

Dane katalogowe SPECTROLAB USA


29/68

Rozwój struktur wielozłą czowych

29

3-6 JUNCTION PHOTOVOLTAIC CELLS FOR SPACEAND TERRESTRIAL CONCENTRATOR APPLICATIONSF. Dimroth1, C. Baur1, A.W. Bett1, M. Meusel2, G. Strobl2Photovoltaic Specialists Conference IEEE, 2005.

%max 57

Koncentracja – zwiększenie intensywności promieniowania padają cego na ogniwo

Prog. Photovolt: Res. Appl. 2007; 15:51–68

T i f t lt i h t i h


30/68

Typy ogniw fotowoltaicznych w zastosowaniachnaziemnych

Najbardziej rozpowszechnione są ogniwa fotowoltaicznepółprzewodnikowe:

1. ogniwa z krzemu monokrystalicznego (c-Si),2. ogniwa z krzemu polikrystalicznego (p-Si),3. cienkowarstwowe ogniwa z krzemu amorficznego (a-Si),4. cienkowarstwowe ogniwa ze zwią zków półprzewodnikowych:

a. CuInSe2-selenek indowo-miedziowy (CIGS-miedzi, indu, galui selenu),

b. CdTe (tellurek kadmu),

Krzem jest obecnie najważniejszym materiałem wykorzystywanymdo produkcji ogniw fotowoltaicznych.

30J. Żelazny, R. Ciach, Materiały i technologie fotowoltaiczne, Fundacja RozwujuNauk Materiałowych, Kraków


31/68

Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu

Zalety:

- dobrze rozwinięta technologia- dobra sprawność ogniw w produkcji masowej

- sprawności powyżej 24% uzyskiwane w skali laboratoryjnej- stabilne parametry

- nieograniczone zasoby materiału wyjściowego

- dobra zgodność z wymogami ochrony środowiska

Wady:

- mały współczynnik absorpcji wymaga stosowania grubego

obszaru absorbera (warstwa typu p), co powoduje zwiększeniekosztów ogniwa.

31J. Żelazny, R. Ciach, Materiały i technologie fotowoltaiczne, Fundacja RozwujuNauk Materiałowych, Kraków

Ogniwa fotowoltaiczne porównanie


32/68

Ogniwa fotowoltaiczne porównanie

Rodzaj ogniw Sprawność(lab) Sprawność(prod. mas.) Żywotność Cena(€ /1 W)

Krzemmonokrystaliczny

(c-Si)

27 - 28 % 14 -18 % 25 lat 4,6

Krzem polikrystaliczny(p-Si)

17 -18 % 12 -13 % 15 -16 lat 4,0

Krzem amorficzny(a-Si)

11 -13% 5- 8 % 8 -10 lat 2,6

CIGS 20,3% 9-13%

CdTe 16,7% 10-11%

32

Porównanie właściwości ogniw PV

Obecnie 50% ogniw produkowanych jest z krzemu polikrystalicznego.

Z punktu widzenia inwestycyjnego najważniejszy jest stosunek ceny domocy panelu czy ogniwa a nie jego sprawność.


33/68

Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu

Ogniwo z krzemu monokrystalicznego(c-Si)

33

Ogniwo z krzemu polikrystalicznego(p-Si)

Ogniwo z krzemu amorficznego(a-Si)

Przykładowe parametry ogniwa krzemowego


34/68

Przykładowe parametry ogniwa krzemowego

34

Ogniwo fotowoltaiczne 230 mA

Napięcie rozwarcia (Voc) 0,57 V

Pr ą d zwarcia (Isc) >250 mA

Moc gwarantowana (P) 125 mWp

Sprawność (%) 18

Wymiary (mm) 77 x 12 x 0,25

Dane dla STC (standard Test Conditions)

1000W/m2 , AM 1,5, Togniwa 25°C

Cena brutto 6,50 PLN

http://www.soltec.pl/Ogniwa-fotowoltaiczne/

Najniższa cena za 1W zainstalowanej mocy wUSA

~2,5$ wg. firmy First Solar

Ogniwa fotowoltaiczne II generacji


35/68

g g j

Ogniwo CdTe

35

Ogniwo CIGS

Zasadnicza różnica mię dzy ogniwamikrzemowymi i II generacji Ogniwo z krzemu

Krystalicznego

Gtubość 200-300µmOgniwo II genaracji

Cienkowarstwowe

Grubość 1-3 µm


36/68

Technologia ogniw z krzemu amorficznego a-Si

• Proste procesy technologiczne

• Małe zużycie energii, temperatura procesów ok. 250°C

• Zużywa się małą ilość materiału, warstwy mają grubośćmniejszą niż 1 μm, (grubość ogniwa z c-Si około 500 μm)

• Stosowanie reakcji plazmowych umożliwia uzyskanie dużychpowierzchni ogniw

• Reakcje gazowe i niskie temperatury procesów

technologicznych umożliwiają stosowanie tanich podłoży(np szkło, stal nierdzewna, ceramika, folia plastikowa)

36http://www.imio.pw.edu.pl/wwwzmite/pietruszko/pv.html


37/68

Ogniwa CuInSe2 (diselenek miedziowo-indowy CIS)

• Dodatek Ga pozwala zwiększyć szerokość przerwy energetycznej -struktura Cu(In,Ga)Se2.

• Szerokość energetycznej CIS - 1,04 eV, natomiast dla CGS - 1,68 eV.

• Najwydajniejsze ogniwa CuIn0,8Ga0,2Se2 w strukturze warstwowej{podłoże/Mo/CIGS/CdS/ZnO} - sprawność 18.6%.

• Fabrycznie ogniwa CIGS z przerwą 1.2 eV mają sprawność > 13% .

37

Zalety:Nie wymaga domieszkowania - materiał typu p (niska energia tworzenia lukmiedziowych 30 meV).

Podłożem może być szkło lub elastyczny materiał (stal lub poliamid).

Wady:

Wysoka cena indu (wymiana na ZnO na razie bez sukcesów aplikacyjnych)

Występują defekty metastabilne (typowe dla ogniw cienkowarstwowych)


38/68

Ogniwo Cu(InGa)Se2

Struktura warstwowa CIGS

38

Warstwa p

Warstwa n

Kontakttylni

Szklane podłoże


39/68

Ogniwo CdTe/CdS

• Szerokość przerwy energetycznej CdTe - 1,45 eV - bliska optymalnej• Naturalne przewodnictwo typu p - luki kadmowe

• Osią gana sprawność 16%

• Procesy technologiczne w wysokich temperaturach,

• Konieczność wygrzewania w celu stabilizacji parametrów

•Zawiera toksyczny kadm

39

TCO (transparent conductingoxides) - warstwa SnO2

CdS: Eg=2.42 eV

CdTe: Eg=1.45 eVCu / Au

Warstwa p

Warstwa n

Kontakttylni

Kontaktprzedni

A. Romeo, Growth and Characterization of High Eciency CdTe/CdS Solar CellsSWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

El t t ó f t lt i h l


40/68

Elementy systemów fotowoltaicznych - panele

Dla uzyskania większych napięć lub pr ą dów ogniwa łą czone są szeregowo lubrównolegle tworzą c moduł fotowoltaiczny. Połą czone moduły tworzą panel

fotowoltaiczny.

W panelu moduły połą czone są za pomocą diod w celu zmniejszenia strat przy uszkodzeniu modułu lubprzy nierównomiernym oświetleniu panelu.

40

Ogniwo Moduł Panel

Solar Energy Technologies Program, U.S. Department of Energy - Energy Efficiency and Renewable Energy

Moduły

Pojedyncze ogniwo krzemowe……~0.5 V, ok. 30 mA/cm2

Z i i i


41/68

Zacienienie niewielkiego obszaru modułu może znaczą cozredukować jego wydajność.

Zacienienie

41KYOCERA Solar Industrial Products Catalog • January 2008

Parametry paneli PV


42/68

42

Parametry podawane przez producentów paneli wyznaczane są wznormalizowanych warunkach pracy. Natężenie promieniowania słonecznego

1000 W/m², temperatura otoczenia 25°C. W rzeczywistych warunkach pracy panel fotowoltaiczny bę dzie zazwyczaj pracował z mocą niższą od nominalnej.

Ogniwa połą czone w panele (moduły) fotowoltaiczne produkują energię elektryczną w postaci prądu stałego. Producent każdego modułu powinien podaćtakie parametry jak:

P – moc nominalną panelu [W]Imp – natężenie pr ą du przy maksymalnej mocy [A]V

mp

– napię cie pr ą du przy maksymalnej mocy [V]Voc – napię cia jałowe bez obciążenia (bez poboru mocy) [V]

oraz

I=f(U) – charakterystyk ę pr ą dowo-napię ciowa przy różnym natężeniu

promieniowaniaη=f(E) – wykres zależności sprawności od natężenia promieniowania

Sposoby łą czenia fotoogniw


43/68

43

Połączenie szeregowe

Połączenie równoległe

Sposoby łą czenia fotoogniw


44/68


Elementy systemów fotowoltaicznych moduły


45/68

Elementy systemów fotowoltaicznych - moduły

45Northern Arizona Wind & Sun, Inc

Kyocera Solar KC85TS85 Watt, 17,4 Volt Solar Panel

Regular price: $ 300.05(trzy lata wstecz kosztował $559)

Wymiary

1007mm x 652mm x 58mm

Elementy systemów fotowoltaicznych moduły

Specyfikacja techniczna


46/68

Elementy systemów fotowoltaicznych - moduły

Monokrystaliczny panel190 W cena 1159 zł

http://www.modernhome.pl/46

Model JS190

Typ Monokrystaliczny

Moc 190W

Pr ą d ładowania 5,19 A

Pr ą d zwarciowy 5,56 A

Napięcie nominalne 36,6 V

Napięcie jałowe45,2 V

Wymiary 1580 x 810 x 40 [mm]

Waga 14,5 kgDane dla warunków: 1000W/m2, 25°C, AM 1,5

Typy instalacji fotowoltaicznej


47/68

47

Instalacja wyspowa (off grid) –

w tym typie instalacji energiaelektryczna z paneli

fotowoltaicznych w postaci pr ą dustałego jest zamieniana przez

inwerter na pr ą d zmienny oodpowiednich parametrach i

nastę pnie wykorzystywana na potrzeby pracy urzą dzeń

domowych. Nadwyżki energii poprzez regulator

wykorzystywane są do ładowaniaakumulatorów w celu

późniejszego wykorzystaniazgromadzonej energii.

Instalacja podłą czona do sieci (on grid) jest znacznie tańsza i prostsza w realizacji od

instalacji wyspowej (off grid), gdyż nie wymaga zakupu i późniejszego serwisuakumulatorów.

Typy instalacji fotowoltaicznej


48/68

48

Instalacja podłączona do sieci(on grid) – w tym typie instalacji

energia elektryczna z paneli

fotowoltaicznych w postaci pr ą dustałego jest zamieniana przezinwerter na pr ą d zmienny oodpowiednich parametrach i

nastę pnie wykorzystywana na potrzeby pracy urzą dzeń

domowych. Nadwyżki energiisprzedawane są do sieci

energetycznej.

Sprawność instalacji PV zależy nie tylko od sprawność konwersji energii w samym

panelu PV ale należy uwzglę dnić straty w przesyle energii elektrycznej (95-98%)

oraz transformacji w inwerterze (90-95%) i ewentualnie konwersji w akumulatorze

(70-75%)

Sposób obliczenia uzysku energii z instalacji PV


49/68

49

Określić moc szczytową instalacji P w kWp

Wybrać lokalizację odczytać nasłonecznienie

Określić pochylenie i kierunek paneli fotowoltaicznych

Odczytać współczynnik korekcji nasłonecznienia wynikają cy z ustawienia paneli (wzależności od ustawienia paneli można zwię kszyć lub zmniejszyć ilość docierają cej

do nich energii w stosunku do położenia poziomego)

Wyliczyć uzysk energii w oparciu o wzór empiryczny

E = 0,75

F

N

P [kWh]gdzie:

N – nasłonecznienie w miejscu instalacji paneli fotowoltaicznych [kWh/m²]F – współczynnik korekcji nasłonecznienia wynikają cy z ustawiania paneli

fotowoltaicznychP – moc instalacji [kW]

Sposób obliczenia uzysku energii z instalacji PVŚrednie nasłonecznienie w Warszawie w latach 1971 2000


50/68

Źródło: http://www.transport.gov.pl/2-482be1a920074-1787534-p_1.htm

Średnie nasłonecznienie w Warszawie w latach 1971-2000

iso 123750PL Warszawa 4 (Okęcie)

Miesią c

ITH [Wh/(m2mies]suma całkowitego natężeniapromieniowania słonecznego

na powierzchnię poziomą

IDH [Wh/(m2mies]suma bezpośredniego

natężenia promieniowaniasłonecznego na

powierzchnię poziomą

ISH [Wh/(m2mies]suma rozproszonego natężeniapromieniowania słonecznego na

powierzchnię poziomą 1 27 501 6 286 21 215

2 34 801 9 244 25 556

3 67 515 18 201 49 314

4 96 048 27 122 68 925

5 142 112 49 060 93 052

6 154 302 56 518 97 783

7 154 681 53 347 101 333

8 132 302 44 063 88 239

9 82 256 20 732 61 523

10 47 150 10 504 36 646

11 21 650 3 627 18 02212 17 603 2 053 15 549

Za rok 977 921 300 757 677 157

Średnia 81 493 25 063 56 430Max 154 681 56 518 101 333

Min 17 603 2 053 15 549

Sposób obliczenia uzysku energii z instalacji PV


51/68

51

Przyk ład obliczeniowy: Obliczenie uzysku energii elektrycznej z instalacji PV

1. Moc instalacji 3 kWp

2. Lokalizacja instalacji – Warszawa nasł onecznienie 978 kWh/m² na rok 3. Współ czynnik korekcji nasł onecznienia wynikający z ustawienia paneli

(panele ustawione 30° S) F = 1,19

4. Uzysk energii z instalacji E = 0,75 1,19 978 3 = 2618 [kWh]

5. Roczna oszcz ędno ść O przy cenie 1kWh=0,60 z ł

O =2918[kWh/rok] 0,6 [z ł /kWh] =1571 [z ł /rok]

6. Prosty okres zwrotu przy cenie instalacji ~30 000 z ł wynosi ok. 19 lat


52/68

Zastosowania ogniw fotowoltaicznych


53/68

53

Zastosowania kosmiczne

Zastosowania naziemne

Zastosowania naziemne


54/68

Elektrownie słoneczne

54

Zastosowania domowe

Zastosowania naziemne (wymagania)


55/68

( y g )

- Duże moce

- Mały koszt 1 W ogniwa

- Łatwość instalacji- Możliwość współpracy sieciowej

- Zmienne warunki pracy (pogoda)

- Proste technologie wytwarzania

- Jednozłą czowe struktury ogniw- Materiał: krzem, tellurek kadmu

55

Zastosowania kosmiczne (1)


56/68

( )

56

Promieniowanie kosmiczne

Meteoroidy

Zmiany temperatury

February_2008

Zastosowania kosmiczne


57/68

Pierwsza aplikacja kosmiczna: satelita Vanguard wprowadzony naorbitę 17 marca 1958.

57

• Sześć krzemowych ogniw

fotowoltaicznych(ogniwa pierwszej generacji)

• Sprawność 9%.

• Maksymalna osią galna mocogniw 100 mW.

Zasilany nadajnik 108,03 MHzo mocy 5 mW.

Ź ród ł o: http://www.mappinginteractivo.com/

Zastosowania kosmiczne (wymagania)


58/68

- Promieniowanie kosmiczne (degradacja)

- Zmiany temperatury

- Mały współczynnik wagi do mocy

- Przewidywalne warunki pracy

- Zaawansowane technologie wytwarzania

- Wielowarstwowe struktury ogniw

- Materiał: zwią zki z grup III-VGaInP/GaAs, Cu(InGa)Se2

58

Wielowarstwowe ogniwo fotowoltaiczne (1)


59/68

59

Ź ród ł o: http://www.mappinginteractivo.com/

Dzisiejszy standard:

Wielozłą czowe (podwójne orazpotrójne) ogniwa oparte na zwią zkachgrupy III-V np. GaInP/GaAs

Osią gają one w warunkachkosmicznych (AM0 - Air Mass Zero)sprawność konwersji powyżej 27%.

Wielowarstwowe ogniwo fotowoltaiczne (2)


60/68

60

Trójwarstwowa struktura InGaP/InGaAs/Ge ogniwafotowoltaicznego na podłożu germanowym.

Charakterystyka widmowa pokrywa zakres od 0.3 do 1.8 µm.

Dane katalogowe ogniwa BTJ EMCORE Photovoltaics USA

Solar Cell BTJ Parameters @ AM0, 28oC

Spawność 28,5 %Voc = 2.7 V, Jsc = 17.1 mA/cm

2

Vmp = 2.37 V , Jmp = 16.3 mA/cm2

MPP 38.6 mW/cm2

Międzynarodowa stacja kosmiczna (I.S.S.)N j i k i t l j PV t i k i j


61/68

Największa instalacja PV w przestrzeni kosmicznej.

61

Planowana konfiguracja 110kW do roku 2010Ź rół o:http://spaceflight.nasa.gov/

Skrzydło 34x12 m(dwa panele)

Waga skrzydła7.711 kg,

Moc 32.8 kW

Napięcie 160 V

Panel składa się z16400 krzemowychogniw (o powierzchni8 cm2 ) z 4100diodami.

Szczegóły konstrukcyjne panelu

Prognoza kosztów produkcji ogniw krzemowych


62/68

62Ź ród ł o: Making affordable solar energy a reality, Ayodhya N. Tiwari, WWW.FLISOM.CH

Ceny rynkowe ogniw PV w 2011 roku wynosiły ok. 2Euro/W (duży popyt) to

spodziewane jest obniżenie ceny o połowę do 2020 roku

K o s z t p

r o d u k c j i

[ $ / W p ]

R o c z n a

p r o d u k c j a

[ M W p ]

Rozwój technologii ogniw fotowoltaicznych


63/68

L. Kazmerski, D. Gwinner, Al Hicks, Reported timeline of solar cell energy conversionefficiencies (from National Renewable Energy Laboratory USA)

63L. Kazmerski, D. Gwinner, Al Hicks, Reported timeline of solar cell energy conversion efficiencies (from NationalRenewable Energy Laboratory USA)

Prognoza globalnego wykorzystania źródeł energii

Prognoza globalnego wykorzystania źródeł energiiPozostałe odnawialne


64/68

64

Prognoza globalnego wykorzystania źródeł energii

Ropa

Wę giel

Gaz

Energia ją drowa

Energia wodna

Biomasa

Wiatr

Słonecznaenergetyka

Słoneczna termika[EJ/rok]

Źródło: solarwirtschaft.de

Światowi liderzy w produkcji ogniw PV

Pozycja Firma TechnologiaMoc

MW dc


65/68

65

y j gMW-dc

1 Suntech, China c-Si 1 5842 JA Solar, China c-Si 1 464

3 First Solar, US CdTe 1 400

4 Yingli Green, China c-Si 1 117

5 Trina Solar, China c-Si 1 116

6 Q-Cells, Germany c-Si, CIGS 939

7 Gintech, Taiwan c-Si 800

8 Sharp, Japan c-Si, a-Si 7459 Motech, Taiwan c-Si 715

10 Kyocera, Japan c-Si 532

c-Si = Crystalline Silicone, CdTe = Cadmium Telluride, CIGS = Copper

Indium Gallium diSelenide

Źródło: http://solarcellcentral.com

Niemcy mają podobne warunki słoneczne do polskich i są światowym liderem

w wykorzystaniu instalacji fotowoltaicznych

Zalety ogniw fotowoltaicznych


66/68

1. Bezpośrednia konwersja energii promieniowania w energięelektryczną bez potrzeby wykorzystania innych procesów np..ciepła w kolektorach słonecznych.

2. Sprawność przetwarzania energii jest taka sama, niezależnieo skali produkcji.

3. Moc jest wytwarzana nawet w pochmurne dni przy wykorzystaniu

światła rozproszonego.

4. Obsługa i konserwacja wymagają minimalnych nakładów.

5. W czasie wytwarzania energii elektrycznej nie powstają produktyszkodliwe.

66

http://www.imio.pw.edu.pl/wwwzmite/pietruszko/pv.html

Inne możliwości wykorzystania energii słonecznej


67/68

W przyszłości przewiduje się wykorzystanie ogniwfotowoltaicznych do produkcji tzw. paliwsłonecznych.

• Energia elektryczna z ogniw jest bezpośredniowykorzystywana do elektrolizy wody.

• Ttlen i wodór można magazynować w zbiornikachpraktycznie przez dowolny okres czasu.

• Elementem dodatkowo sprzyjają cym takiemuwykorzystaniu ogniw PV jest to, że do elektrolizystosuje się pr ą d stały.

67

Report on the Basic Energy Sciences Workshop on Solar Energy Utilization, Argonne National Laboratory, 2005


68/68

Documents

Pozyskiwanie Energii Elektrycznej z Ogniw Fotowoltaicznych