Obnovitelné zdroje energie Budovy a energie

Transkript

1 ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov Obnovitelné zdroje energie Budovy a energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Pracovní materiály pro výuku předmětu. 1 Fotovoltaické solární systémy 2 1

2 Fotovoltaické systémy (FV) Přímé využití solární energie Rozšířené využití v zařízeních s malým odběrem elektrické energie (kalkulačky) nebo na odlehlých místech (osvětlení, doprava) Větší uplatnění cena fotovoltaických panelů Dotace instalace pilotních, demonstračních zařízení pokles ceny a ukončení dotací instalace s ohledem na návratnost Princip: Křemíkový krystalický článek Fotovoltaické systémy 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. 2

3 Fotovoltaické systémy Fotovoltaický článek - pevný, ale křehký Fotovoltaický panel - složen ze článků, nosné a ochranné konstrukce Monokrystalické články Fotovoltaické systémy dlouhá životnost vysoké výrobní náklady hl. monokrystalické články z křemíku Si (arzenid galia GaAs - kosmický program) účinnost laboratorní až 24 %, reálná % využití především přímého solárního záření, difuzní záření jen omezeně (problémy se stíněním) použití koncentrátorů (až 30%) 3

4 Fotovoltaické systémy Polykrystalické články použití Si nižší výrobní náklady, nižší účinnost laboratorně 18 %, v praxi %. pokles parametrů během životnosti větší schopnost zachytit difuzní záření opticky rozlišitelné dle struktury (ledové květy) Vícevrstvé články Fotovoltaické systémy účinnosti až 40 % (laboratorní) perspektivní trend vysoká degradace možnost integrace do střešního pláště, folie, šindele CdTd, CIGS, a-si,.. 4

5 Organické články Fotovoltaické systémy 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 Konstrukce panelů Solární články jsou zataveny ve speciální průhledné fólii EVA, zakryté pod vysoce průhledným a tvrzeným sklem Panel je vytvořen montážním rámem z hliníku Životnost kvalitně vyrobeného panelu dosahuje 25 let a více. EVA=ethylen vinyl acetát - folie pro průmyslové vrstvené sklo s dobrou průhledností a vynikající odolností 5

6 Umístění panelů FV panely Jih+15, sklon 25-40% 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 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) 6

7 AM AM0 spektrum solárního záření na hranici atmosféry AM1 = 1 atmosféra AM1,5 spektrum vhodné pro testování solárních systémů. Představuje roční průměr pro střední zeměpisnou šířku (zenitový úhel 48,2 ) AM2-3 používáno pro solární systém ve vyšších zeměpisných šířkách AM38 spektrum při zenitovém úhlu 90, horizontála

8 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%) Upevnění panelů 8

9 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 ( x) - 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 Natáčecí zařízení-sledovače slunce kdmegatech.en.ec21.com Použitý typ na základě velikosti FV systému a požadavků na vlastnosti natáčení 9

10 Fotovoltaické systémy Autonomní ostrovní systém ( grid-off ) 12/24V nebo 230V Spotřebiče s nízkou spotřebou Fotovoltaické systémy Zapojení do sítě ( grid-on ) vyžadují měnič (střídač) pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý 10

11 Skutečný výkon FVE na RD (5,88kWp) Plocha 43m2 Roční výroba 5400kWh Ing. Jakub Ulč Vykurovanie 2009 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

12 Fotovoltaika integrovaná do budov Building Integrated Photovoltaics (BIPV) architektonická variabilita vztah k životnímu prostředí ekonomický přínos 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 V (bezpečné napětí) panely jsou zapojeny do série, jejíž výsledné napětí se může pohybovat v rozsahu V a proud mezi 6 8 A (životu nebezpečné) nestejnoměrné zatížení střešní konstrukce může v případě požáru zapříčinit její pád 12