Fotovoltaika - přehled přednáška – Výkonová elektronika
Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.
Fotovoltaika
• Fotovoltaika – výroba elektrické energie ze energie fotonů světla, případně ultrafialové a infračervené oblasti - využití energie slunce
• Energie slunce – Zdroj energie – termonukleární reakce, celkový střední zářivý výkon slunce Psol = 3,86.1026 W – Dopadající energie slunce ve vzdálenosti 150 mil.km - insolace ls = 1353 W/m2 (bez ovlivnění atmosférou) – Po průchodu atmosférou ls = 925 W/m2 (při jasném nebi a slunci v nadhlavníku - kolmo k povrchu) – průběh spektrální energie podle úhlu mezi svislicí a uhlem paprsku θ, c = sec(θ), - parametr AM c • AM 0 – bez ovlivnění atmosféry • AM 1 (nadhlavník) • AM 2 – 60°, ls = 691 W/m2, Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
2
Fotovoltaika
• radiační energetické spektrum slunce
energie dopadajícího záření na horní vrstvu atmosféry
záření absolutně černého tělesa pro teplotu 5250 °C (Planckův vyzařovací zákon)
dopadající záření na mořské hladině (po průletu atmosférou)
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
3
Fotovoltaika
• mapa světa průměrné insolace
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
4
Fotovoltaika
• Insolace Evropy – celková hodnota v kWh za 1 rok – přepočet na W na m2 – dělit 8,77 – pro výrobu energie mají význam průměrné roční hodnoty insolace (roční úhrn energie dopadající ze sluce na jednotku plochy), zahrnují vliv zeměpisné šířky, střídání dne a noci výskyt oblačnosti
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
5
Fotovoltaika
• Důležité aspekty využití energie ze slunce: – z průmyslového hlediska je hodnota insolace ve stovkách W na čtverečný metr nízká, pro zisk energie v řádech desítek až stovek MW jsou nutné velké plochy (problém účinnosti) – tok energie se během dne značně mění – akumulace elektrické energie
• Používané principy využití solární energie pro výrobu elektrické energie – nepřímé • koncentrace tepelného záření systémem zrcadel, ohřev vody (na páru) • využití dalších přírodních jevů působených sluneční energie
– přímé • fotovoltaika – přímý převod energie fotonů na elektrickou energii, využití fotoelektrického jevu na přechodu PN, fotoelektrochemický jev,
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
6
Fotovoltaika
• Napětí na fotovolt. článku – vytvoření potenciálu na přechodu PN, – fotoelektrický proud – závislost na osvětlení – závislost na teplot – náhradní schéma fotovoltaického článku výstupní voltampérová charakteristika křemíkového fotovoltaického článku
𝑈+𝐼𝑅𝑆 𝑒 𝑘𝐵 𝑇
𝑈 + 𝐼𝑅𝑆 𝑖𝑝ℎ = 𝑞 𝛷 𝜆 ⋅ 1 − 𝑅 𝜆 𝜂𝐼𝑄 𝜆 𝑑𝜆 𝑅𝑃 𝜆 fotovoltaický proud iph závisí na intenzitě sv., spektrální účinnosti a činiteli odrazu
𝐼 = 𝑖𝑝ℎ − 𝑖𝐷
−1 −
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
7
Fotovoltaika
• Fotovoltaické články pro výrobu elektrické energie ze slunce krystalického křemíku – monokrystalické (účinnost – běžně 15% (max 25 %)) – polykrystalické (účinnost – 12 %, max 20 %) – tenkovrstvé (účinnost pod 10 %)
• použití – jeden článek – 0.5 V – nutné řadit do série, zisk napětí kolem 50 V – značně závislé na teplotě – solární kalkulačky (velmi nízká spotřeba – stačí nízká intenzita světla – stolní lampička) – optimální pracovní bod: 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝑚 𝐼𝑚 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
8
Fotovoltaika
• Struktura monokrystalického fotovoltaického článku – povrchová textura (zuby) – maximální redukce odrazu světla – lom světla dovnitř polovodiče – povrchová ochranná vrstva – elektrody na sběr náboje v monokrystalu
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
9
Fotovoltaika
• Tenkovrstvé fotovoltaické články – levné na výrobu (malé materiálové nároky, prozatím nižší účinnost – do 10%) – nanesení tenké vrstvy aktivních látek na substrát (napařování, naprašování, chemická depozice) – ohebné, účinnost, mechanická odolnost, průsvitnost – nalepení na cokoli (fasády domů, mobilní prostředky, oblečení) – materiály • amorfní křemík • kadmium-tellurid • Cu(In,Ga) Se2
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
10
Fotovoltaika
• Barvivové fotovoltaické články (DSSC – dyes sensitized solar cells) – nepoužívají přechod polovodiče – elektrochemické články – využití fotoelektricky aktivního barviva naneseného na nanočásticích z TiO2, elektrolyt – jodidový systém na rozdělení kladných a záporných iontů – existuje návod na domácí výrobu DSSC z dostupných dílů
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
11
Střídavé měniče
• Fotovotaické invertory – měnič pro převod elektrické energie z fotovoltaického zdroje do rozvodné sítě – části – • zvyšující měnič z napětí fotovoltaických panelů (36-72 V) na 600 (ss meziobvod) • střídač – nejčastěji napěťový, PWM řízení
– často obsahuje akumulátor (uložení špiček) a transformátor (v ss části nebo na výstupu (galvanické oddělení, vyžadují tenkovrstvé panely) – výstupní filtr na potlačení vyšších harmonických složek – řízení měniče – • ss měnič - odběr maximálního výkonu podle výstupní VA charakteristiky panelu, reaguje na změny intenzity slunečního záření • střídač – fázování, ochrany podle stavu sítě (výpadek připojení, ostrovní/neostrovní odběr)
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
12
Střídavé měniče
• Příklad schématu fotovoltaického invertoru (s transformátorem, galvanický oddělený vstup a výstup) – výkonová část – filtry – řízení
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
13
Fotovoltaika
• Vývoj účinnosti fotovoltaických článků (vývojové články)
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
14
Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů
Děkuji za pozornost
Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.
