Fotovoltaické solární systémy
1
Fotovoltaické systémy (FV) • Přímé využití solární energie • Rozšířené využití v zařízeních s malým odběrem elektrické energie (kalkulačky) nebo na odlehlých místech (osvětlení, doprava) • Větší uplatněníàcena fotovoltaických panelů à • Dotace à instalace pilotních, demonstračních zařízení àpokles ceny a ukončení dotací àinstalace s ohledem na návratnost
1
Fotovoltaické systémy Princip:
www.viessmann.cz
Křemíkový krystalický článek
Dopadem světelného záření se vlivem předávání energie z fotonů na atomy krystalické mřížky uvolňují elektrony, které díky přechodu PN nemohou přecházet do vrstvy typu P a hromadí se ve vrstvě typu N. Stejně tak se v oblasti typu P hromadí díry. Tato nerovnoměrnost rozdělení nosičů náboje vytváří elektrický potenciál (cca 0.6 V). Připojí-li se na elektrody článku elektrický obvod se spotřebičem, začnou elektrony procházet vodičem z N vrstvy, kde je jich přebytek, do vrstvy P. PN přechod umožňuje snadnější přechod volných elektronů z vrstvy P do vrstvy N.
Fotovoltaické systémy • Fotovoltaický článek - pevný, ale křehký • Fotovoltaický panel - složen ze článků, nosné a ochranné konstrukce
www.solarhaus.cz
2
Fotovoltaické systémy • Monokrystalické články – dlouhá životnost – vysoké výrobní náklady www.solarchoice.net.au – hl. monokrystalické články z křemíku Si (arzenid galia GaAs kosmický program)
– účinnost laboratorní až 24 %, reálná 14-16 % – využití především přímého solárního záření, difuzní záření jen omezeně (problémy se stíněním) – použití koncentrátorů (až 30%)
www.solarchoice.net.au
Fotovoltaické systémy • Polykrystalické články – – – – – –
použití Si nižší výrobní náklady, nižší účinnost laboratorně 18 %, v praxi 11-15 %. pokles parametrů během životnosti větší schopnost zachytit difuzní záření opticky rozlišitelné dle struktury (ledové květy)
www.solarfeeds.com
www.thegreenhome.co.uk
3
Fotovoltaické systémy • Vícevrstvé články – – – – –
účinnosti až 40 % (laboratorní) perspektivní trend vysoká degradace možnost integrace do střešního pláště, folie, šindele CdTd, CIGS, a-Si,..
www.nrel.gov
Fotovoltaické systémy • Organické články – – – – – – –
tekuté články (Graetzelovi, barvocitlivé, polymerové) schopnost pracovat i s menším množstvím světla levné materiály, možnost nátěru,tisku výhodnější ekologie výroby předpokládána nižší cena barevnost, průhlednost účinnost do 10%
New Mexico State University, University of California - Los Angeles
www.sigmaaldrich.com
4
• Umístění panelů
FV panely
– Jih+15°, sklon 30-40% – Schopny využívat i difúzní záření – Fasádní systémy-využití svislých ploch, jinak energeticky neaktivních – Nutné chlazení vzduchem proti přehřívání (nad 80°C klesá účinnost)
• Vlastnosti panelů – – – –
typ konstrukce panelu, provedení teplotní koeficienty napěťové parametry bypass diody, konektory
– – – – – –
certifikace pro EU, IEC 61646 záruka výrobce, pokles výkonu v čase reference výrobce, světové zkušenosti časová dostupnost panelů cena forma plnění záručních podmínek
Fotovoltaika • Volt-Ampérová charakteristika článku Isc-proud nakrátko
Uoc- napětí naprázdno
•
V-A charakteristika panelu
• Základní parametr – špičkový výkon ve wattech, uváděný s označením Wp, ( watt-peak)
5
Výroba fotovoltaiky
http://www.pse.de/
http://www.nrel.gov/
6
Vícepřechodové články • • • • •
Dosahují nejvyšší účinnosti (laboratorně 43,5%) Nejpokrokovější technologie solárních článků Potenciál odhadován na 50% Výrobní cena 100x nižší než křemíkových Vhodné pro koncentrační systémy (celková účinnost laboratorně 36% křemíkové 18%)
Systémy koncentrátorů
• CPV Concentrated photovoltaic
– Využívá se optických prvků - zrcadel nebo čoček – Koncentrace funguje pouze pro přímé sluneční záření – musí tomu odpovídat lokalita – Přímá výroba elektřiny ze solárního záření – Vyžadováno je aktivní natáčení vzhledem k poloze slunce – Koncentrátory mohou zvýšit produkci energie o přibližně 30 % – Malá (2-100 x) - není nutné aktivní chlazení, ekonomické řešení, použití běžných nebo upravených silikonových článků, většinou nutné natáčení – Střední (100-300x) - nutné dvouosé natáčení, chlazení – Velká koncentrace (>1000 x) – talířové reflektory, Fresnelovy čočky, nutné výkonné pasivní chlazení – Problém mohou představovat nízké úhly dopadajícího záření
– CST Concentrated solar power – Tepelné systémy – konkurence fotovoltaiky
7
Systémy • CPVT (Concentrated photovoltaics and thermal) • CHAPS (combined heat and power solar) – Technologie kogenerace využívající koncentrační fotovoltaiku pro výrobu tepla a elektřiny
• Příklad – – – –
Využití talířových koncentrátorů pro výrobu tepla a elektřiny 16 jednotek Z20 (Izrael) Výkon tepelný 140 kWp, elektrický 70 kWp na ploše 352m2 Konstrukce • • • • • • •
11m2 zrcadel na 2 osém natáčecím zařízení Použití vícepřechodových článků Předpokládaná životnost 20 let 70-90m2 na jednu jednotku 4,5kWp elektřina /při 1000W/m2 11kWp teplo (max. 100°C, 12m/min 1,5 tuny
http://www.zenithsolar.com/
Fotovoltaické systémy
• Autonomní ostrovní systém („grid-off“) • 12/24V nebo 230V • Spotřebiče s nízkou spotřebou
8
Fotovoltaické systémy
Zapojení do sítě ( „grid-on“) vyžadují měnič (střídač) pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý
Skutečný denní výkon FVE
Ing. Jakub Ulč
9
FV elektrárny • • • •
Údržba pozemku Údržba FV systému Řešení likvidace po končení životnosti Nutné zabezpečení proti krádeži – Označení panelů – Obvod pozemku střežen buď infračervenými čidly, nebo detekčním kabelem nataženým v plotu
http://fotovoltaicke-elektrarny.revamont.cz/
http://www.solartechnika.sk/
Fotovoltaika integrovaná do budov Building Integrated Photovoltaics (BIPV) • architektonická variabilita • vztah k životnímu prostředí • ekonomický přínos www.dynamicsolartech.com
http://www.greentechmedia.com/
http://www.solar-fabrik.de/
10
Návrh FV systémů • PV-GIS – http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
FV příprava TV • • • • •
Sestava pro elektrický dohřev TV v zásobníku Výkon 1470Wp (6ks á 245Wp) Zásobník větší než 100l Příkon spirály 2-3kW (230V) Cena 2014: 76tis. Kč vč. DPH
www.solartec.cz
11
SolárníFV systémy Porovnání a FT soustav Účinnost systému (odhad) Maximální měrný výkon
Fotovoltaický systém
Fototermická soustava
15%
60%
125 W/m2
800 W/m2
Zatažená obloha (5% výkon)
Optimální orientace / Celoroční sklon
Jih Sklon 30-35°
Další vlastnosti
Zakrytí panelů Pokles účinnosti Nízké náklady na údržbu Dlouhá životnost
Jih Sklon 45° Sklon v závislosti na době využití tepelné energie. Zimní sklon 60-90°
Menší plocha Vyšší náklady na údržbu a provoz Malý pokles účinnosti
Hašení požárů FV panelů •
prvotním úkolem jednotek požární ochrany je chránit životy a zdraví (v extrémním případě dojít i na situaci, kdy velitel rozhodne o ukončení hasebních prací z důvodu ohrožení zasahujících hasičů)
• • • •
hasiči při požáru vždy zajišťují vypnutí proudu (u FVE jsou různá zapojení) při samotném požáru nehoří přímo panel, ale především kabeláž a rozvody výrobu elektřiny v panelu nelze zastavit jinak, než jeho přikrytím fotovoltaický panel může vytvářet stejnosměrné napětí mezi 30 – 40 V (bezpečné napětí) panely jsou zapojeny do série, jejíž výsledné napětí se může pohybovat v rozsahu 500 – 1000 V a proud mezi 6 – 8 A (životu nebezpečné) nestejnoměrné zatížení střešní konstrukce může v případě požáru zapříčinit její pád
• •
12
