A fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai. Szent István Egyetem Gödöllő

A fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai

Szent István Egyetem Gödöllő

Napelem technológiák

A napenergiában rejlő potenciál

• A Napból a Föld felszínére sugárzott energia: 8 8 • 10 TWh/év

• Az elsődleges energiafelhasználás a világon: 5 1 • 10 TWh/év

• Vagyis napenergia útján 8000-szer több energia érkezik a Földre, mint a teljes energiaigény. Archivierungsangaben



A napenergia felhasználás lehetőségei

sugárzás

rendszer (hatásfok)

hasznos energia

Napsugárzás elnyelő

Mivé alakítja

Energiafajta

fekete fém

hő

hőenergia

növény

biomassza

kémiai energia

fotovillamos cella

elektromosság

villamos energia

napkollektor

hő

hőenergia

Archivierungsangaben

Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany



A napsugárzás légkörön kívüli és a földfelszíni spektruma

-2 Besugárzás intenzitás [Wm ]

ultraibolya

látható

infravörös

Spektrum AM 0

Spektrum AM 1,5

kis energiájú fotonok

nagy energiájú fotonok

Hullámhossz [m] Archivierungsangaben




Napsugárzás Levegő tömeg (Air Mass - AM): Ha a napsugarak merőlegesen érkeznek a Föld felszínére, a fénysugaraknak csak egyszer kell áthaladniuk a légkörön. Ezt az esetet jelöljük AM 1-el. Minden más esetben a fénysugarak útja a légkörön át hosszabb. Az úthossz a Nap magasságától (a fénysugarak beesési szögétől) függ. Például az AM 2 azt jelenti, hogy a fénysugár útja a légkörön át kétszerese az AM 1 értékhez tartozó útnak. Ez az eset akkor áll elő, ha a Nap 30º -os szöget zár be a horizonttal. Definíció: AM = 1 / sin(b) Archivierungsangaben



A napsugár útja a légkörön át visszaverődés

direkt sugárzás

diffúz (szórt) sugárzás

visszavert sugárzás (albedo)





Sugárzás intenzitás különböző időjárási körülmények között

égbolt

időjárás

tiszta kék ég

globál sugárzás 600 – 1000 Wm-2 diffúz sugárzás aránya


10 – 20 %

párás/felhős, a Nap fehéressárgás korong

borult ég,

200 – 400 Wm-2

50 – 150 Wm-2

20 – 80 %

80 – 100 %




Éves napenergia besugárzás különböző helyszíneken

Szahara

Éves energia besugárzás [kWhm-2] 2200

Izrael

2000

Freiburg, Dél-Németország

1200

Hamburg, Észak-Németország

1000

Helyszín




Besugárzottság Khartoumban és Freiburgban (összehasonlítás) 9000

2 átlagos napi globál sugárzás [Wh/m d]

8000 7000 6000 Freiburg, Németzország

5000

Khartoum, Szudán

4000 3000 2000 1000 0 1


2

3

4

5 hónap

6

7

8

9

10

11

12




A direkt, diffúz és globál sugárzás éves megoszlása Freiburg, Németország

2 átlagos napi globál sugárzás [kWh/m ]

7 6

direkt

5 4

diffúz

3 2 1 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

hónap Archivierungsangaben




Napsugárzás

• Standard teszt feltételek: (STC = Standard Test Conditions): Azon feltételek, amelyek mellett az eszközt tesztelik. Besugárzás: 1000 Wm

-2

Cella hőmérséklet: 25 °C Levegő tömeg: AM 1,5



Napelem technológiák és jellemzőik



Kristályos szilícium napelem keresztmetszete negatív elektróda n-típusú szennyezés

pozitív elektróda

p-n határfelület p-típusú szennyezés


Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany



Napelem áram - feszültség (I-V) karakterisztikája megvilágítás esetén I

Cella áram [A]

ISC

Cella feszültség [V] Archivierungsangaben

VOC V




Napelem teljesítmény a munkapont függvényében Maximális teljesítmény pont (MPP) 3.5

1.4

PMPP

ISC 3.0

1.2

2.5

1.0

2.0

0.8

1.5

0.6

1.0

0.4

0.5

0.2

A V

Napelem áram [A]

IMPP

Kimenő teljesítmény [ W]

STC: T = 25°C AM = 1,5 E = 1000 W/m2

VOC 0 0 MPP = Maximum Power Point Archivierungsangaben

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Napelem feszültség [V]

0.6

0 0.7

VMPP




Üresjárati feszültség (VOC) és a rövidzárási áram (ISC) a besugárzás (beeső teljesítménysűrűség) függvényében 0.6

VOC ISC

0.4

2

0.3

0.2

1

Rövidzárási áram [A]

Üresjárati feszültség [V]

0.5

3

0.1

0

0 200

400

Besugárzás Archivierungsangaben

600

800

1000

[W/m2] Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany



Kristályos szilícium modul I-V görbéi különböző besugárzások esetén állandó napelem hőmérsékletnél 3.5 3

Modul áram [A]

2.5 2 1.5 1 0.5 0 5

Modul feszültség [V] Archivierungsangaben

10

15

20

25

VMPP tartomány Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany



Kristályos szilícium modul I-V görbéi különböző napelem hőmérsékletek esetén állandó besugárzásnál 3.5 3

Modul áram [A]

2.5 2 1.5 1 0.5 0 10

20

30

40

Modul feszültség [V] MPP feszültség tartomány Archivierungsangaben




Kitöltési tényező definíciója 3.5

ISC 3.0

„A“ terület

2.5

„B“ terület

Napelem áram [A]

IMPP

MPP

2.0 1.5

Fläche„B“ B terület Füllfaktor  kitöltésiFF tényező = ------Fläche„AA“ terület

1.0 0.5

VOC 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

Napelem feszültség [V] Archivierungsangaben

0.5

0.6

0.7

VMPP Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany



Napelemek gyártásához használt anyagok Napelem típusok osztályozása Az alapanyag és

a forma / (kristály-) struktúra alapján egykristályos kristályos

politikristályos

amorf + µc

Si vékony réteg

Szilícium

CdTe Réz származékok

Napelem

Összetett félvezetők

Egyéb rézpiritek III - V csoport GaAs, InP, stb. Fényérzékeny festék

Más elvek


CIS

GaAs InP

Egyebek Szerves szerkezetek Egyebek



Vékonyréteg napelemek monolitikus integrálása háromlépéses szeparációs technikával 1. cella

2. cella

hátsó kontaktus

1. vágás: TCO 2. vágás: aktív réteg

aktív réteg

3. vágás: hátsó kontaktus

TCO

üveg hordozófelület 300 


Image: PSE, Freiburg, Germany



Három határréteges amorf szilícium (a-Si) napelem keresztmetszet Mindegyik cella egy megadott spektrum tartományra érzékeny

rövid hullámhosszú fény közepes hullámhosszú fény hosszú hullámhosszú fény TCO p kékre érzékeny cella i n p zöldre érzékeny cella i n p pirosra érzékeny cella i n visszaverő réteg hordozóanyag Graphik: Solarpraxis Archivierungsangaben




Három különböző anyagú, három határréteges napelem spektrális érzékenysége 1.0

három határréteges napelem spektrális érzékenysége

Relatív intenzitás

0.8

0.6

kék érzékeny cella

0.4

zöld érzékeny cella

vörös érzékeny cella

0.2

0 300 Archivierungsangaben

400

500

600

Hullámhossz [nm]

700

800

900 Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany



A különböző napelem technológiák piaci megoszlása az évek során Fotovillamos cella forgalom a használt technológia alapján A teljes forgalom százalékában 100%

Si-szalag

vékony réteg

80%

Si-szalag

60%

polikristályos-Si

40%

Cz-Si

20%

0% 1980 Archivierungsangaben

1985

1990

1995

2000 Image: PSE, Freiburg, Germany


Fotovillamos modulok és generátorok



Három sorba kapcsolt, azonos (10 x 10 cm) méretű napelem I-V (áram-feszültség) görbéje

V

Napelem áram [A]

ISC A

3

2

1

UOC 0

0.4

2 UOC 0.8

1.2

3 UOC 1.6

2.0

Napelem feszültség [V]


Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország



Napelem polaritás-váltás és napelem túlmelegedés részleges árnyékolás miatt

hő Z1

Z2

Z17

Z18

Z19

+

I

Z20

-

Z35

Z36

- +

R





Fotovillamos cella „forró pont”-tal

Forró pont





Árnyékolt napelemek védelme áthidaló diódákkal

I I Z1

Z2

Z17

Z18

Z19

Z20

Z35

Z36

I

I I

+

-

R Archivierungsangaben




A modul hátoldalán lévő vízhatlan csatlakozódoboz a csatlakozókkal és az áthidaló diódákkal áthidaló diódák





Részben árnyékolt 36 cellás modul I-V görbéje áthidaló diódákkal és anélkül 3.5

3

Árnyékolás nélkül

Modul áram [A]

2.5

2

1.5

Egy napelem 75 %-os árnyékolással egy áthidaló dióda 18 cellánként

1

0.5

Egy napelem 75 %-os árnyékolással áthidaló diódák nélkül

0 5

10

15

20

Modul feszültség [V] Archivierungsangaben




Hordozható I-V görbe meghatározó, (PV-Engineering, Németország)


Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország



Három párhuzamosan kapcsolt, azonos, 10 x 10 cm méretű napelem I-V görbéje 9

3 ISC 8

Napelem áram [A]

7 6

2 ISC 5 4 3

ISC V A

2 1

VOC 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Napelem feszültség [V] Archivierungsangaben




PV modulok kombinált soros és párhuzamos kapcsolása Sorosan kapcsolt modulok száma

A megfelelő I-V görbék

2

3

Generátor áram [A]

3 ISC

3

2 ISC

2

ISC

1

UOC

2 UOC

3 UOC

Párhuzamosan kapcsolt füzérek száma

1

Generátor feszültség [V] Archivierungsangaben




Kristályos napelemek soros kapcsolása réz összekötő szalagokkal





Szabvány modulok keretezése alumínium keret vízzáró szélrögzítő üveg (vas mentes) EVA napelemek

hátsó kompozit fólia





IEC 61 215 / 61 646 teszt eljárások (ISPRA-test) -

A laminálás, a keretezés és a csatlakozások vizuális ellenőrzése A névleges teljesítmény meghatározása A hőmérsékleti együtthatók meghatározása (V, I, P) Hosszú távú forró pont (hot-spot) vizsgálat Villamos szigetelés és nedvesség-szivárgás-áram teszt Statikus terhelés teszt Csavarási teszt Jégeső teszt 25 mm-es jéglabdákkal 23 m/s sebességgel Hő ciklus teszt Nedves-hő teszt Nedvesség fagyási teszt

Illusztráció: Solarpraxis Archivierungsangaben


Fotovillamos energiaellátó rendszerek általános koncepciói

Szent István Egyetem Szent István Egyetem Gödöllő Gödöllő

Napelem technológiák Hálózat független energiaellátás

Fogyasztói alkalmazások

beltéri

kültéri

számológépek

töltő készülékek

villamos mérlegek

szökőkutak

órák

zseblámpák

villamos szerszámok

mobil telefonok

Ipari alkalmazások

Hálózattól távoli települések

telekommunikácó

villamos világítók

közlekedési jelzések

háztartási szolár rendszerek

távközlés

kerti fények

kijelzők

Elosztott

Központi

magán házak tetői

közüzemi energiaellátó

oktatás/ iskolák

osztatlan közös tulajdon

homlokzatba integrálás

zajvédő fal

települési energiaellátás

navigációs fények

akkumulátor töltés

katódos védelem

víztisztítás

házszám világítás táv felügyelet autó szellőztetés

csónakok Archivierungsangaben

Hálózat kapcsolt rendszer

öntözés

hegyi éttermek/hotelek

utcai világítás

oltóanyag hűtés

iskolák

Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország



Fotovillamos rendszer elvi felépítése egy készülék vagy kisfogyasztó energia ellátására töltés szabályozó

feszültség szabályozó

PV generátor

DC fogyasztó

tároló akkumulátor Archivierungsangaben




Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások Napenergiás tejszínhabverő


Fotó: Solarc, Berlin, Németország



Kültéri alkalmazások

Fotovillamos energiaellátású házszám világítás


Fotó: LiSol, Deizisau, Németország



Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású segélyhívó telefon és információs rendszer





Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású mikrohullámú átjátszó-adó az USA délnyugati részén





Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású, jegesedésre figyelmeztető közúti jelzés





Hálózat független, lakossági alkalmazás Háztartási szolár rendszer (fotovillamos energiaellátású lakóépület) Zanskarban, India


Fotó: R. Brender, Badenweiler, Németország



Hálózat független, lakossági alkalmazás Háztartási szolár rendszer (fotovillamos energiaellátású lakóépület) Boquillas del Carmen, Mexikó





Energiatároló nélküli fotovillamos rendszer elvi felépítése

PV generátor (napelemek)


Feszültség szabályzó

Fogyasztó




Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások

Napenergiás számológép





Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások Elektronikus háztartási mérleg fotovillamos energiaellátással


Fotó: Soehnle-Waagen GmbH + Co. KG, Murrhardt, Németország



Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Fotovillamos energiaellátású szökőkút Freiburg, Németország





Váltóáram kimenetű fotovillamos rendszer elvi felépítése töltés szabályozó


inverter

házban kiépített hálózat

tároló akkumulátor





Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Fotovillamos energiaellátású ház, USA





Fotovillamos és generátoros hibrid energiaellátó rendszer elvi felépítése


töltés szabályozó

akkumulátor

belsőégésű motorral hajtott generátor


ház villamos hálózat

inverter

akkumulátor töltő




Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Menedékház napelemes energiaellátással és belsőégésű motorral hajtott generátorral; Freiburger Huette, Ausztriai Alpok





Fotovillamos, szélturbinás és generátoros hibrid energiaellátó rendszer elvi felépítése


PV generátor


szélturbina


motorral hajtott generátor


akkumulátor

inverter





Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Rotwand House menedékház napelemekkel, belsőégésű motorral hajtott generátorral és szélturbinával, Német Alpok




Autonóm energiaellátó rendszer napelemekkel és Napelem technológiák hosszú idejű hidrogéntároló rendszerrel



inverter


akkumulátor tüzelőanyag cella


hidrogén tároló rendszer Archivierungsangaben

elektrolizáló Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország



Ház villamos hálózatára dolgozó, kisméretű, elosztott fotovillamos rendszer



inverter energia betáplálás a villamos hálózatba

energia fogyasztás

villamos hálózat





Közvetlenül a közüzemi villamos hálózatra dolgozó, kisméretű, elosztott fotovillamos rendszer ház villamos hálózat


inverter energia betáplálás a villamos hálózatba

energia fogyasztás

villamos hálózat





Elosztott, hálózatra , kapcsolt fotovillamos rendszerek Családi ház Kirchzarten, Németország





Elosztott, hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek Központi pályaudvar Freiburg, Németország





Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű elvi felépítése

villamos hálózat



inverter




Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű (Freiburg) Vásári, kiállító épület tetőszerkezetére telepített fotovillamos modulok; Freiburg, Németország





Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű Az RWE fotovillamos erőműve Neurath Lake, Németország




Elosztott villamos energia alapuló jövőbeli Napelemtermelésen technológiák energiaellátó rendszer elvi felépítése atomerőmű

nagyméretű vízerőmű

széntüzelésű erőmű



szélenergia

nagy feszültségű hálózat

középfeszültségű hálózat

Kisfeszültségű hálózat

PV

tüzelőanyag cella Archivierungsangaben

akkumulátor

PV generátor (napelem)

nagy méretű PV generátor (napelem)

CHP (kombinált hő- és villamos energia termelő egység) Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország



Tudás teszt: - Melyek a standard teszt körülmények (STC) a napelemek méréséhez? - Nő-e a napelem hatásfoka a napelem hőmérséklettel? - Mi az oka a több-határréteges napelemek létrehozásának? - Mi jellemezhető egy napelem kitöltési tényezőjével? Archivierungsangaben



Tudás teszt: - Miért kell árnyékolását?

kerülni

a

PV

modulok

részleges

- Miért használják az áthidaló diódákat? - Mi a „forró pont“?

- Mit jelent az „ISPRA-Test“? Illusztráció: Solarpraxis Archivierungsangaben


A fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai. Szent István Egyetem Gödöllő

Recommend Documents