Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice

1. 31 marca 2006 roku, Zebranie Rz.O. PTF Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice Małgorzata Pociask Laboratorium Odnawialnych Źródeł Energii, Instytut Fizyki Uniwersytetu Rzeszowskiego

2. M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006 Plan wykładu O pierwotnych źródłach energii. O historii odkryć…PV. O energetyce odnawialnej. 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

3. ...O pierwotnych źródłach energii O pierwotnych źródłach energii M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

4. ...O pierwotnych źródłach energii ... Kiedy Słońce było bogiem ...  życie 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. Wzrost roślin Pożywienie dla zwierząt ... Dziś wiemy ... Karbon - zanik (wymarcie), roślin i zwierząt węgiel, ropa naftowa, gaz Podstawowe (konwencjonalne) źródła energii elektrycznej, cieplnej na Ziemi M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

5. ...O pierwotnych źródłach energii HELIOS = SŁOŃCE b - uniwersalna stała Wiena, b=2899·10-7m·K Model ciała doskonale czarnego 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 M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

6. ...O widmach Widmo fal elektromagnetycznych i ... ... inne widma ... M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

7. Wykorzystać Słońce – krótka historia odkryć ... PV 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 M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

8. O historii odkryć…PV. 1767 Horace de Saussure, Szwed, buduje pierwszy solarny (słoneczny) kolektor, użyty w 1830 w czasie podróży po Afryce Południowej przez Sir Joha Herschelahttp://solarcooking.org/saussure.htm 1839 Edmund Becquerel, Francuzobserwuje 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 1880Samuel P. Langley, bolometr, pomiar jasności gwiazd, temperatury powierzchni Słońca M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

9. O historii odkryć…PV. 1905Albert Einstein publikuje swoje dwie prace: o teorii względności i zjawisku fotoelektrycznym (1921 – Nobel Prize) 1916Robert Millikan, doświadczalny dowód zachodzenia zjawiska fotoelektrycznego 1918Jan 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 M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

10. O historii odkryć…PV. 1954Daryl 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, satelitatelekomunikacyjny, Telstar (moc początkowa 14 W). M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

11. O historii odkryć…PV. • Sharp Corporation, produkcja PV modułów krzemowych • Japonia, instalacja 242 Wsystemu PV na latarni morskiej, największego wtedy na świecie • NASA, pierwsze Obserwatorium Astronomiczne na orbicie 1kW – system PV, (astronomiczne badania • w zakresie UV i X poza atmosfera ziemską) • David Carlson i Christopher Wroński, RCA Laboratories, wyprodukowanie pierwszego ogniwa z amorficznego krzemu ‘80 – obecnie - gwałtowny rozwój PV, projekty ekonomiczne, propagowanie PV jako ekologicznego sposobu wytwarzania energii elektrycznej M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

12. W pogoni za coraz większą sprawnością ogniw słonecznych Więcej i więcej …… M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

13. Krzem… zastosowania nie tylko w PV Si ... Przyrządy półprzewodnikowe … Techniki informacyjne Elektronika … Informatyka… Informacja M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 20063

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

15. O energetyce odnawialnej Niekonwencjonalne (alternatywne) źródła energii elektrycznej odnawialnenieodnawialne energia słoneczna energia wiatru, energia wody, pływów morskich, fal morskich, energia cieplna oceanów (maretermiczna) wodór, energia magneto-hydro-dynamiczna, ogniwa paliwowe geotermalna gorące skały gejzery M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

16. O energetyce odnawialnej Energia wiatru Energia wody M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

17. O energetyce odnawialnej Geotermia Energia maretermiczna Energia fal M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

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

19. ŚWIATOWE ZUŻYCIE ENERGII USA ŚWIAT POLSKA M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

20. O bilansie energetycznym Ziemi Bilans energetyczny Ziemi (w %) M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

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

22. O polskich zasobach energii odnawialnej Źródła energii POLSKA Zasoby [PJ/rok] POLSKA Wykorzystanie [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 Promieniowanie słoneczne 1340 0,01 (0,00075) 84 194 OGÓŁEM 2514 105,71 (4,2) 498,3 1307 Zasoby energetyczne (OŹE) Polski i krajów skandynawskich M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

23. O polskich zasobach energii odnawialnej Polskie zasoby energii odnawialnej ENERGIA WODY największe elektrownie wodne M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

24. O polskich zasobach energii odnawialnej Warunki nasłonecznienia w Polsce M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

25. O stałej słonecznej 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. 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 = (sina)-1. Uwzględniając lokalne ciśnieniemas 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) M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

26. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) • 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. M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

27. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) Wszechobecna PV, ale ... jak to działa? M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

28. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) Jak pracuje złącze p-n? M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

29. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) Efekt fotowoltaiczny czyli konwersja fotowoltaiczna. Ogniwo słoneczne F. C. TREBLE (Editor); Generating Electricity from the Sun; Pergamon Press, Inc.;New York; 1991 M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

30. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa fotowoltaicznego przy zmiennym natężeniu oświetlenia. • Schemat układu pomiarowego. PV X – źródło światła, V – woltomierz, A – amperomierz, R – dekadowy opornik obciążający ogniwo M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

31. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) Powstawanie barierowej foto SEM Jeśli elektrody fotoogniwa są rozwarte: Układy zastępcze barierowych fotoogniw: doskonałego (a) i realnego (b) Jeśli elektrody fotoogniwa są zwarte obciążeniem (opornikiem) zewnętrznym ( to na podstawie I prawa Kirchhoffa): qs– szybkość generacji powierzchniowej, ß – część fotodziur dochodzących do złącza bez rekombinacji, S – oświetlone pole. iI– prąd fotodziur. związek ten jest podstawowy w teorii ogniw barierowych M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

32. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) Charakterystyka prądowo-napięciowa dla doskonałego ogniwa w ciemności (1) i przy oświetleniu (2) DLA FOTOOGNIWA DOSKONAŁEGO Zgodnie z prawem Kirchhoffa iI=id+i Natomiast, przyjmująci=0, znajdujemy, że SEM ogniwa jest równa: Dla i = 0 (obwód otwarty) napięcie na fotoogniwie nie jest równe zeru, oznacza to, że powstaje w nim pewna SEM równa U0. U – napięcie pomiędzy elektrodami fotoogniwa, is– prąd nasycenia, Analogicznie, dla u = 0 (zwarcie) w obwodzie występuje prąd zwarciowy, równy prądowi świetlnemu iI M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

33. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) Ze wzrostem iIwzrasta 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,maxEg/e. Np. german Ge: U 0,max0,6 V, krzem Si: U 0,max1V. Układ włączenia fotoogniwa (a) i fotodiody (b). M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

34. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) Iloraz mocy maksymalnej i mocy idealnej określa współczynnik wypełnienia (FF – Fill Factor) Tradycyjna notacja Współrzędne punktu maksymalnej mocy M pozwalają wyznaczyć moc maksymalną Pmax ogniwa: Moc idealna: Pid Sprawność ogniwa otrzymamy jako procentowy udział mocy maksymalnej do mocy promieniowania elktromagnetycznego oświetlajacego czynną powierzchnię ogniwa Po.: Jsc – prąd zwarciowy (SC – short currient), ‑ gęstość prądu przepływającego przez obciążenie R Voc napięcie otwartego obwodu (OC – open currient) M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

35. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) 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) M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

36. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) a-Si ogniwa PV stanowią 16% światowej produkcji =14% =8-10 % (AM1) szeregowe łączenie – max. U; równoległe łączenie – max. P typowe moduły: 90-130W 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. M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

37. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

38. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) Indywidualni odbiorcy, gospodarstwa domowe M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

39. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) 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 coWarszawa). M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

40. Wykorzystać Słońce ... o konwersji fotowoltaicznej (PV) W najbliższej przyszłościnajbardziej obiecującymi zastosowaniami ogniw fotowoltaicznych w Polsce będą systemy zasilania w miejscach oddalonych od sieci energetycznej. (Unika się dużych kosztów doprowadzenia linii energetycznych). M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

41. O zastosowaniach systemów PV Zastosowania PV Szwecja ... na małą skalę M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

42. ... na dużo większą O zastosowaniach systemów PV Kalifornia M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

43. O zastosowaniach systemów PV Austria M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

44. O zastosowaniach kolektorów Kolektory ... najprostsze, „najtańsze” wykorzystanie energii Słońca ...basen słoneczny M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

45. O zastosowaniach systemów PV HYBRYDY, czyli dwa lub trzy w jednym M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

46. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii Udział odnawialnych źródeł energii w produkcji energii pierwotnej- prognozy M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

47. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii Autor: kazimierz.zmuda@minrol.gov.pl M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

48. Podsumujmy…O niewykorzystanych energetycznych „możliwościach” Słońca. • 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. M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

49. 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 0,01·109MW... • ... czyli0.037 % niewykorzystanego potencjału Słońca. M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006

50. Literatura • Z. Pluta, Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000. • W. M. Lewandowski, Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002. • E. Klugmann-Radziemska, E. Klugmann, Systemy słonecznego ogrzewania i zasilania elektrycznego budynków, Wydawnictwo ekonomia i Środowisko, Białystok 2002. • E. Boeker, R. van Grondelle, Fizyka Środowiska, wydawnictwo Naukowe PWN, warszawa 2002. • H. Haken, H. C. Wolf, Atomy i kwanty, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997. . M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31 marca 2006