Fotovoltaika - přehled

Transkript

1 - přehled přednáška Výkonová elektronika Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/ Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

2 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 P sol = 3, W Dopadající energie slunce ve vzdálenosti 150 mil.km - insolace l s = 1353 W/m 2 (bez ovlivnění atmosférou) Po průchodu atmosférou l s = 925 W/m 2 (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, výuky technických předmětů 2

3 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) výuky technických předmětů 3

4 mapa světa průměrné insolace výuky technických předmětů 4

5 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 výuky technických předmětů 5

6 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 přímé koncentrace tepelného záření systémem zrcadel, ohřev vody (na páru) využití dalších přírodních jevů působených sluneční energie fotovoltaika přímý převod energie fotonů na elektrickou energii, využití fotoelektrického jevu na přechodu PN, fotoelektrochemický jev, výuky technických předmětů 6

7 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 I = i ph i D U+IR S e k B T 1 U + IR S R P i ph = q Φ λ 1 R λ η IQ λ dλ λ fotovoltaický proud i ph závisí na intenzitě sv., spektrální účinnosti a činiteli odrazu výuky technických předmětů 7

8 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: P max = U m I m výuky technických předmětů 8

9 Struktura monokrystalického fotovoltaického článku povrchová textura (zuby) maximální redukce odrazu světla lom světla dovnitř polovodiče povrchová ochranná vrstva elektrody na sběr náboje v monokrystalu výuky technických předmětů 9

10 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) Se 2 výuky technických předmětů 10

11 Barvivové fotovoltaické články (DSSC dyes sensitized solar cells) nepoužívají přechod polovodiče elektrochemické články využití fotoelektricky aktivního barviva naneseného na nanočásticích z TiO 2, elektrolyt jodidový systém na rozdělení kladných a záporných iontů existuje návod na domácí výrobu DSSC z dostupných dílů výuky technických předmětů 11

12 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) výuky technických předmětů 12

13 Střídavé měniče Příklad schématu fotovoltaického invertoru (s transformátorem, galvanický oddělený vstup a výstup) výkonová část filtry řízení výuky technických předmětů 13

14 Vývoj účinnosti fotovoltaických článků (vývojové články) výuky technických předmětů 14

15 výuky technických předmětů Děkuji za pozornost Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.