Áramtermelés napenergiával Fotovillamos rendszerek Hibrid (kogenerációs) kollektorok Termovillamos naperőművek
►
PASSZÍV direkt vagy indirekt
►
AKTÍV ► HŐTERMELÉS Fototermikus – hőenergia ► Naptűzhely
Napkollektoros HMV-előállítás, fűtés ► levegős vagy folyadékos; ► egykörös vagy kétkörös ► Hőszivattyú – légtermikus, hidrotermikus, talajhő (sekély geotermikus) ►
►
ÁRAMTERMELÉS Fotovillamos (napelemmel) CPV „koncentráló” fotovillamos rendszerek (+100%) ► Napkövető fotovillamos rendszerek (+35-50%) ►
Termovillamos megoldások ► Fókuszálás: Napvályú, Naptányér, Naptorony
► Napkémény
►
KOGENERÁCIÓ Hibrid panelekkel ►
hőtermelésre vagy áramtermelésre optimalizált
►
Levegős vagy folyadékos
EU 2014-ben: ~80% új megújuló kapacitás 2000-2014 között: 56,2% megújuló
Történeti áttekintés - napelemek 1839 - Alexandre-Edmond Becquerel francia fizikus felfedezte a fotovillamos effektust; 1883 - Charles Fritts egyesült államokbeli feltaláló megalkotta az első működő napelemet; 1905 - Albert Einstein publikálta dolgozatát, amelyben megadja a fotovillamos jelenségek magyarázatát – ezért (is) 1921-ben Nobel–díjat kapott; 1954. április 25 az első kereskedelmi forgalomba kerülő alkalmazás: a Bell Laboratories bemutatta napelemeit;
A hagyományos napelemek gyártásának problémái A szilíciumot nagy tisztaságú kvarchomokból (SiO2) nyerik 1800 °C hőmérsékleten (a teljes életciklus elemzések szerint 1 - 3,5 év alatt visszatermeli azt az energiamennyiséget, ami az előállításhoz szükséges); Ennek a folyamatnak a végén 98 %-os tisztaságú folyékony szilíciumhoz jutunk.; Ezt az anyagot 99,999 999 999 999 %-os tisztaságúra kell alakítani (ha csak egy földönkívüli látogatna a Földre, akkor – a 7 milliárdos népességet figyelembe véve - ez már 150-szer nagyobb „szennyezettséget” jelentene); A tiszta folyékony szilíciumhoz szennyező anyagokat adnak, s így szennyezett szilícium keletkezik. Legtöbbször 5 vegyértékű foszfort az „n”-típusú (negatív), és 3 vegyértékű bórt a „p” típusú (pozitív) szennyezéshez.
Működés ► A szolár cellák két rétegűek (pozitív és negatív). ► Amikor
a fény fotonjai a félvezető kristály felületére
érkeznek és elnyelődés után a kristály vegyérték elektronjait gerjesztik. ► Az
elektronok magasabb energiaszintre, vezetési sávba
kerülnek, vagyis szabad töltéshordozók keletkeznek. ►A
töltéshordozókat egy külső terhelésen átvezetve, zárt
áramkört létrehozva villamos áram keletkezik.
Napállandó: A napsugárzásnak a földi légkör külső határáig eljutó mennyisége ~ 1370 W/m2 Veszteségek: A sugárzás ~50%-a még a földfelszínig jutás előtt elvész, szétszóródik, elnyelődik, illetve visszaverődik a légköri poron és a felhőkön. Hasznosítható maximális energiamennyiség Magyarországon: nyáron délben = 1000 W/m2 Napsütéses órák száma: 1900-2200 óra/év
A besugárzott (kinyerhető) energia mennyisége Magyarországon 1300 kWh/m2/év – Spanyolországban > 2000 kWh/m2/év.
„A solar panel on every building” NAPELEM: 1 kW teljesítmény 1000-1100 kWh/év Helyigény : 7-10 m2 (NAPKOLLEKTOR: 1 kW 625 kWh/év) 2008. november: 2 200 000 Ft (kulcsrakészen) + E.ON: új villanyóra (220 000 Ft) + új szekrény (50 000 Ft) 2012. november: 1 080 000 Ft (kulcsrakészen minden kiegészítővel) 2014: 750 000 Ft kulcsrakészen
Németország Szél és napenergia 2013
Havi átlagok 2011-2013
2013. január
2013. június
Napelemek rendszerbe integrálása Smart metering – DSM!!
Power to gas (P2G) metán alapon
Áramból metán
Technológia lényege: 1) Árammal vízbontás 2) Keletkező H2 segítségével CH4
300 m3/nap - a városigázhálózatba táplálják
A napelemek típusai 1. Kristályos napelemek: mono- és polikristályos technológia Közép-Európában gyakorlatilag azonos mennyiségű áramot lehet megtermelni velük
A napelemek típusai 2. Vékonyrétegű technológiák: a félvezető réteget kémiai vagy fizikai lecsapatással közvetlenül az üvegre, vagy akár más hordozó felületre viszik fel; Típus függvényében változó hatásfok; nagy melegre kevésbé érzékenyek, így inkább szubtrópusi, trópusi területeken alkalmazzák; pl. CdTe (Cadmium Tellurid) - átl. hatásfok 16%; CIGS (Copper indium gallium selenide) - átl. hatásfok 1820%
Vékonyréteg – thin film
Vékonyréteg napelemek
A felhasznált ritkaföldfémek korlátozott mennyiségben; aSi technológiáknál egyes gyártók használnak NF3 (nitrogéntrifluorid) gázt, amely GlobalWarmingPotenciálja 17 200x nagyobb, mint a CO2-é; a CdTe (kadmium-tellurid) mérgező (ha lenyeljük vagy belélegezzük). Ez főleg gyártásnál lehet veszélyes. Piaci részesedése ma kb 5%.
Organikus napelem (OPV) Hatásfok ~7% Rövid (3-5 éves ) élettartam
“OPV is the greenest PV technology in the marketplace. OPV is formed from organic components and is free of any toxic or hazardous materials or substances. OPV ranks the highest in every category of green technology from the amount of energy manufacturing, energy-related costs, carbon footprint, to energy payback time,”
Organikus napelem technológiák és jellemzőik --félvezető organikus polimerek: mesterséges molekulaláncok, melyek félvezető tulajdonsággal rendelkeznek; -- fényérzékeny festett cellák (dye-sensitised cells, DSC): a fotoszintézist utánozza, csak a zöld klorofil helyett jellemzően vöröses festékréteg nyeli el a fotonokat és generál elektromos feszültséget. -Általános jellemzők: kevésbé érzékeny a fény beesési szögére, így nem ideális tájolás esetén is jól használhatók; kiválóan színezhetők és mintázhatók; az előzetes kutatások szerint nagyon olcsón állíthatók elő; ezért nagy felületek vonhatók be velük szinte festéshez hasonlóan.
Áramtermelés növelésének lehetséges útjai:
1) Összetett, többrétegű napelemcellák (multijunction)
Fraunhofer Intézet laboreredmény: 41,1% (2010. 06.) Sharp: 35,8% (2010. 04.) több mint 20, egyenként optimalizált réteg
2) Fókuszálás (fényérzékeny felület 1/20-ra csökkentése)
3) Napkövetés Magyarországon egytengelyű rendszerekkel 15-20%kal, kéttengelyű rendszerrel 25-35% többlet várható évente. Problémák: Nagyobb beruházási költség – forgatásvezérlés, gépészet; Jóval nagyobb karbantartási költség – mozgó alkatrészek, viharkár; Energiaigény – villamos áram Konklúzió: a csökkenő napelem árak mellett érdemesebb 15-30%-kal több napelemet elhelyezni, semmint napkövetésre beruházni
4) Hibrid kollektor PVT (PhotoVoltaics/Thermal) A fotovillamos rendszerek hatásfoka 0,2-0,4%kal csökken 1 °C hőmérséklet-emelkedésnél Standard teszt hőmérséklet: 25 °C Nyári üzemi hőmérséklet: 80 °C !!! Megoldás: a fotovillamos felület alatt egy folyadékos vagy levegős napkollektor
Folyadékos rendszerbe integrálva - áramtermelésre optimalizált - hőtermelésre optimalizált
Légkollektorral kombinálva
Napelem modulok árának változása 1975-2012 között
Energetikai-megtérülés 1 – 3,5 év
Nuclear: greenhouse gas intensities for the LWR and HWR: 65 g CO2-e/kWhel Benjamin K. Sovacool: Valuing the greenhouse gas emissions from nuclear power: A critical survey in: Energy Policy (2008)
98-144 g CO2-e/kWhel Jan Willem Storm van Leeuwen (independent
consultant): Nuclear power, energy security and CO2 emission (2012)
Japán legnagyobb naperőműve (Kagoshima): 70 MW - 78800MWh/év - 314 ha (2013)
Alkalmazások jellege Háztartási Közekedési infrastruktúra Épületállomány Egyéb közösségi infrastruktúra
Háztartási alkalmazások néhány kiragadott példa a végtelen sok közül
Napelemes külső billentyűzet (bluetooth)
telefontöltő
Telefonok – külső töltő nélkül (az első modell 2009-ből)
6W / 12V / 430mAh paraméterekkel bíró napcellás töltő. Súlya gyakorlatilag nincs, és összehajtható egy kisalakú füzet méretűre. Van hozzá kismillió adapter. Két AA-s aksit tud tölteni. Két kimenetet építettek rá, a GPS elem nélkül is elműködik róla.
Külső akkumulátor arra az esetre, ha nem sütne a nap. Feltölthető a napcelláról, és USB-s bemenetű eszközöket tud működtetni. 5,5 Volt max output 3200 mAh 340 g
Közlekedési infrastruktúra
new Blackfriars station in London – 1 MW! - 3558,719 kW/km (átadás: 2012-ben, PV: 2014-ben – 50%-át fedezi az állomás fogyasztásának)
Főpályaudvar – Berlin: 190 kW – a létesítmény áramigényének 2%-a
Solar train – 2011. 06. Napelemekkel fedett vasúti szakasz Antwerpennél. Egy 3,6 km-es alagutat borítottak be 50 ezer m2-es - nyolc futballpályának megfelelő - területen napelemmel. Névleges teljesítmény: 3,92 MW - 1120 kW/km
William Paterson University, Wayne NJ | 2,7 MW Rooftop & Parking Lot Canopies
Freising, Németország 594 kW – 1,2 km (~500 kWp/km)
Graz, Ausztria
2,7 km = 2,8 MW ~ 1000 kWp/km
32 km hosszú bringaút az elválasztósávban napelemekkel borítva – sajátos dél-koreai koncepció
Solar roadways 112610 km2 lehetne az AEÁ 48 tagállamában
Épületállományhoz kapcsolódó
Freiburg
PowerShade – zsalúzia és PV
Center for Alternative Technologies, Wales
20 kW – 5 db inverter
A Vatikán napelemei
Egyéb közösségi infrastruktúra
Szingapúr
Ipari lépték o Zöldmező o Barnamező o Más célra alkalmatlan területeken o Leggyorsabb energetikai megtérülés o Legnagyobb kapacitás adott területre
Agua Caliente Solar Project – 250 MW, Gila River Valley, Arizona
Centinela Solar Energy Project – 170 MW, Imperial Valley, California
Rosamond California Solar Star Projects (2013-2015) - 579 MW
Nagyléptékű alkalmazások hátrányai Esetleg feleslegesen elfoglalt értékes területek Nagy (12-15%) veszteségek az áram nagyobb és kisebb feszültségszintre való transzformálásakor - a centralizált termelés itt is megköveteli a szállítás miatt a nagyobb feszültségszintre transzformálást. 5-7% veszteség a szállításkor
Napenergia alapú áramtermelés kapacitása a lakosság számához viszonyítva Mértékegység: MW/millió fő vagy kW/ezer fő vagy W/fő
Európai Unió A napenergiára való átállás politikai döntés kérdése…
Bajorország: 764 W/fő
Németország példája
Átvételi árak változása 10 kW-nál kisebb PV-rendszerekre
Évente telepített új PV kapacitás Németországban
Évente telepített német PV kapacitás méret szerinti bontásban
A megújulók részaránya a német nettó áramtermelésben
Globális előrejelzések
A European Photovoltaic Industry Association előrejelzése 2006-ban: 2012-re 44 GW EHHEZ KÉPEST AZ EREDMÉNY: 100 GW
2007-2012 között becslés
Forrás: epia.org
Összes kapacitás 177 GW (2014)
kollektor
CSP
Magyarország MTA, 2010
Napelemek az egykori szocialista országokban 1000 főre vetített kW (2013)
250,0
193,8
200,0
150,0
138,5
100,0
50,8
50,0
0,0
1,5
Jelentősebb hazai projektek Újszilvás: 403 kW teljesítményű napkövető, fotovillamos áramtermelés Tesco Megapark – 100 kW - ~110 MWh/év magyar gyártmányú monokristályos napelemekkel;
Törökbálinti 50 kW napelemes rendszer. Polikristályos napelemekből épül föl, évi ~55 MWh villamos energiát termel Szentendrei REC konferencia központ 30 kW beépített kapacitással. Hibrid (mono + vékonyréteg) napelemekből épül föl évi ~33 MWh villamos energiát termelve. naprakész termelési adatok: http://sunnyportal.com/Templates/PublicPageOverview.aspx?page=481c2790-783346a2-b76f-75e634a1a9c2&plant=995f6afc-07b2-477f-acbd-30714ba674e9&splang=en-
US
Visonta – 15 MW
Pécs – 7 MW a Pécs Erőmű egykori zagyterén 7 MW-os teljesítőképességű naperőmű kiviteli terveinek elkészítését és azok alapján az erőmű megvalósítását 2015. december 15-ig kell megoldani, és az országos villamosenergia-hálózathoz csatlakoztatni. A beruházásra 3,5 milliárdot szánnak uniós forrásból, s mivel igencsak szorítanak a határidők a támogatás felhasználásának elszámolása miatt – ezt az év végéig meg kell tenni -, ezért a kormány kiemelt jelentőségűvé nyilvánította a projektet.
Szuboptimális telepítés – beázó födémmel
Szomolya – általános iskola
Keletre néző napelem árnyékban - Nagycenk
és jutott a nyugati oldalra is…– van pénz
Nyugati oldalra elhelyezett napelemek tájolásának korrigálása (Ausztria – Köstendorf)
A meglévő alkalmazások optimalizálása szükséges
Kondó Napelemes rendszerhez kapcsolódó elektromos autó töltő
termovillamos naperőművek ELLENE Kevésbé kiforrott technológia Bonyolult gépészet – újabban hibrid (ISCC - Integrated Solar Combined Cycle) üzemben (pl. biomasszával) Hűtővízigényes korlátozottan telepíthető (sivatag…) „Csak” trópusi-szubtrópusi területen alkalmazható CSP: minimum 2000 kWh/m2/év Hibrid (ISCC) üzemben: 1700 kWh/m2/év – Magyaro: ~1300… MELLETTE: Könnyebben hozzáférhető, olcsóbb anyagokból épülnek – tárolás terén is; Folyamatos áramtermelésre alkalmasak 1 m2-re számítva olcsóbb, mint a PV , pedig az árnyékolás miatt nem telepíthetők szorosan egymás mellé a rendszer elemei
TERÜLETEGYSÉGRE JUTÓ TELJESÍTMÉNY A Fresnel- kollektor: 19-28 W/m2 Napvályú: 14-19 W/m2 Naptányér és – torony: 9-14 W/m2
A napelemek előnyei: -- Bármilyen méretben, akár W-os és kW-os léptékben is -- Mindenhová elhelyezhető (háztető, útmenti oszlop, karóra); -- Akár a mérsékelt övezetben is gazdaságos; -- Nem igényel hűtővizet
Napvályú A CSP erőművek beépített teljesítményét figyelembe éve 90%-a ilyen technológia
A rendszerben korábban olaj, mostanában inkább olvadt só a hőhordozó közeg. A só 220 °C hőmérsékleten vált halmazállapotot. Általában 290 °C-on történik a keringetés. A napvályú energetikai hatásfoka 20%.
A só hőtárolásra is alkalmas.
Napvályú
Andasol (2009)– 50 MW – 180 GWh/év – 41% hatásfok Na-nitrát (60%) + K-nitrát (40%) olvadt só hőtároló = 7,5 óra üzemidő teljes kapacitással napenergia nélkül is Nagyszerű adottságok: 2200 kWh/m2/év – nálunk 1300
64 működő rendszer
Az európai rendszerek
Fresnel kollektor
Fresnel solar power plant PE 1 in southern Spain (2009)
1.4 MWel demonstration plant (PE1)
Murcia 18000 m2
ELNYELŐTORNYOS MEGOLDÁSOK
Elnyelő-tornyos naperőmű/naptorony (~10 MW)
2011. június - Gemasolar CSP erőmű átadása az első folyamatosan áramot biztosító naperőmű a világon
19,9 MW Az új erőmű középpontjában egy ún. naptorony áll, mely képes a hő tárolására is. Ez 15 óráig képes napfény nélkül is energiát termelni. Elérhetővé vált a 24-órás energiaellátás. A torony fogadótükrének működési hőmérséklete elérheti a 900 °C-t, míg az olvadt só akár 500 fokon is keringhet a rendszerben. 2650 heliosztátból áll, melyeket egy 185 hektáros területen állítottak fel. 110 GWh/year The 21.2 MW Photovoltaic Solarpark Calaveron in Spain generates about 40 GWh a year.
A világ legnagyobb CSP-naperőműve – 2014. o 377 MW o Ivanpah Dry Lake (Mojave Desert), California; o 3 rendszer egymás mellett; o 140000 kaliforniai fogyasztó áramigényét fedezi; o 347 000 tükör - 14,2 km2 területigény; o Toronymagasság: 140 méter o Átadás: 2013 december; o Tulajdonosok: Google, NRG Energy, BrightSource Energy
Madárpusztulás a világ legnagyobb naperőművénél (Ivanpah Project) – 5 hónap alatt 290 egyed
Repülőgéppel való ütközés o 117000 eset 1990-2010 között; o 28000 galamb kilövése a JFK reptéren az 1980-as években o A madárütközések által okozott kár 50 millió dollár évente csak a légiközlekedésben
The solar furnace at Odeillo in the French Pyrenees can reach temperatures up to 3,800 °C
63 síktükör napkövető rendszerben 1860 m2-es parabolatükör 40 cm-es fókuszpont
Alkalmazási lehetőségek (általában): • 1,000 °C for metallic receivers producing hot air for the next generation solar towers as it will be tested at the Themis plant • 1,400 °C to produce hydrogen by cracking methane molecules[ •up to 2,500 °C to test materials for extreme environment such as nuclear reactors or space vehicle atmospheric reentry •up to 3,500 °C to produce nanomaterials by solar induced sublimation and controlled cooling, such as carbon nanotubes[7] or zinc nanoparticles
Működő rendszerek: 35 db
http://www.csp-world.com/cspworldmap?field_technology_map_tid[]=317
Az európai rendszerek
Power: 1.50 MW Construction start date: July 2007 Start date: December, 2008 Location: Jülich, Germany Land area: 8 hectares
Solar field Heliostat aperture: 8.2 m2 Number of heliostats: 2153 Reflecting area: 17 650 m² Heat Transfer Fluid: Air HTF Temp out: 680ºC Tower height: 60 m
Power block Storage Y/N: Yes Storage type: Ceramic heat sink Storage: 1.50 Hours Turbine: Siemens Cooling: Dry
Jüllich, 1,5 MW
Naptányér Stirling-motorral működtetve max. 40%-os hatásfok
Parabolatányéros erőmű/naptányér Stirling-motorral
Stirling Thermal Motors 25 kW power conversion system under test at Sandia National Laboratories. Using STM4-120 engine incorporating variable displacement power control.
A
A B B
A Stirling-motor : egy zárt ciklusú hőerőgép, ami azt jelenti, hogy a munkaközeg tágulását, nem követi kipufogás, illetve nincs levegő/gőz beáramlás sem, hanem adott mennyiségű gázt melegítünk, illetve hűtünk le a gép belsejében. -Tanszergyártók kínálata között számos Stirling-motor típus található; - A motor tengelyét forgatva, ellenkező irányban végezve a körfolyamatot, eszközünk hűtőként is működik.
Peoria, Arizona 60 SunCatcher berendezés egyenként 25 kW teljesítménnyel = 1,5 MW. 2011 szeptember 29-én az egyik gyártó Stirling Enegy Systems csődbe ment . A telepet eladták és leszerelték…
Power: 1.00 MW Location: Sanya, Hainan Generation: 1.50 GWh Land area: 4 hectares
Stirling-motor aprítéktüzelésű kazánra építve – Hjortshoj, Dánia
Napkémény
An interesting secondary use is one of Greenhouse Cultivation, since plants may be grown under 75% of the solar collector area. The greenhouse effect provides stabile even temperature conditions. However since Solar chimneys are best sited in dry and infertile lands, in order to support intensive agriculture, additional water would be required.
Manzanares Solar Chimney Prototype.
-üveg kollektor 240 m átmérő, -kémény 195 m magas, 10 m átmérővel
-és szélturbinák. Prototype: near Manzanares (Spain) 1982 - 1989
