A fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai. Szent István Egyetem Gödöllő

Átírás

1 A fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai

2 A napenergiában rejlő potenciál A Napból a Föld felszínére sugárzott energia: TWh/év Az elsődleges energiafelhasználás a világon: TWh/év Vagyis napenergia útján 8000-szer több energia érkezik a Földre, mint a teljes energiaigény.

3 A napenergia felhasználás lehetőségei sugárzás rendszer (hatásfok) hasznos energia Napsugárzás elnyelő Mivé alakítja Energiafajta fekete fém hő hőenergia növény biomassza kémiai energia fotovillamos cella elektromosság villamos energia napkollektor hő hőenergia Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

4 Besugárzás intenzitás [Wm -2 ] Napelem technológiák A napsugárzás légkörön kívüli és a földfelszíni spektruma ultraibolya látható infravörös Spektrum AM 0 Spektrum AM 1,5 nagy energiájú fotonok kis energiájú fotonok Hullámhossz [ m] Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

5 Napsugárzás Levegő tömeg (Air Mass - AM): Ha a napsugarak merőlegesen érkeznek a Föld felszínére, a fénysugaraknak csak egyszer kell áthaladniuk a légkörön. Ezt az esetet jelöljük AM 1-el. Minden más esetben a fénysugarak útja a légkörön át hosszabb. Az úthossz a Nap magasságától (a fénysugarak beesési szögétől) függ. Például az AM 2 azt jelenti, hogy a fénysugár útja a légkörön át kétszerese az AM 1 értékhez tartozó útnak. Ez az eset akkor áll elő, ha a Nap 30º -os szöget zár be a horizonttal. Definíció: AM = 1 / sin(b)

6 A napsugár útja a légkörön át visszaverődés visszavert sugárzás (albedo) direkt sugárzás diffúz (szórt) sugárzás Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

7 Sugárzás intenzitás különböző időjárási körülmények között égbolt időjárás tiszta kék ég párás/felhős, a Nap fehéressárgás korong borult ég, globál sugárzás Wm Wm Wm -2 diffúz sugárzás aránya % % % Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

8 Éves napenergia besugárzás különböző helyszíneken Helyszín Éves energia besugárzás [kwhm -2 ] Szahara 2200 Izrael 2000 Freiburg, Dél-Németország 1200 Hamburg, Észak-Németország 1000

9 átlagos napi globál sugárzás [Wh/m 2 d] Napelem technológiák Besugárzottság Khartoumban és Freiburgban (összehasonlítás) Freiburg, Németzország Khartoum, Szudán hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

10 átlagos napi globál sugárzás [kwh/m 2 ] Napelem technológiák A direkt, diffúz és globál sugárzás éves megoszlása Freiburg, Németország direkt 4 3 diffúz hónap Image: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Solarpraxis AG, Berlin, Germany

11 Napsugárzás Standard teszt feltételek: (STC = Standard Test Conditions): Azon feltételek, amelyek mellett az eszközt tesztelik. Besugárzás: 1000 Wm -2 Cella hőmérséklet: 25 C Levegő tömeg: AM 1,5

12 és jellemzőik

13 Kristályos szilícium napelem keresztmetszete negatív elektróda n-típusú szennyezés pozitív elektróda p-n határfelület p-típusú szennyezés Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

14 Cella áram [A] Napelem technológiák Napelem áram - feszültség (I-V) karakterisztikája megvilágítás esetén I SC I Cella feszültség [V] V OC V Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

15 Napelem áram [A] Kimenő teljesítmény [ W] Napelem technológiák Napelem teljesítmény a munkapont függvényében STC: T = 25 C AM = 1,5 E = 1000 W/m I MPP 2.5 Maximális teljesítmény pont (MPP) I SC 1.4 P MPP A V MPP = Maximum Power Point 0 V OC Napelem feszültség [V] V MPP Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

16 Üresjárati feszültség [V] Rövidzárási áram [A] Napelem technológiák Üresjárati feszültség (V OC ) és a rövidzárási áram (I SC ) a besugárzás (beeső teljesítménysűrűség) függvényében V OC 0.4 I SC Besugárzás [W/m 2 ] 0 Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

17 Modul áram [A] Napelem technológiák Kristályos szilícium modul I-V görbéi különböző besugárzások esetén állandó napelem hőmérsékletnél Modul feszültség [V] V MPP tartomány Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

18 Modul áram [A] Napelem technológiák Kristályos szilícium modul I-V görbéi különböző napelem hőmérsékletek esetén állandó besugárzásnál Modul feszültség [V] MPP feszültség tartomány Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

19 Napelem áram [A] Kitöltési tényező definíciója Napelem technológiák I MPP I SC A terület MPP 2.5 B terület Fläche B B terület Füllfaktor kitöltési FF tényező = Fläche A A terület Napelem feszültség [V] V MPP V OC Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

20 Napelemek gyártásához használt anyagok Napelem típusok osztályozása Az alapanyag és a forma / (kristály-) struktúra alapján egykristályos Szilícium kristályos amorf + µc politikristályos Si vékony réteg CdTe Réz származékok CIS Napelem Összetett félvezetők III - V csoport GaAs, InP, stb. Egyéb rézpiritek GaAs Fényérzékeny festék InP Más elvek Szerves szerkezetek Egyebek Egyebek

21 Vékonyréteg napelemek monolitikus integrálása háromlépéses szeparációs technikával 1. cella 2. cella hátsó kontaktus aktív réteg TCO 1. vágás: TCO 2. vágás: aktív réteg 3. vágás: hátsó kontaktus üveg hordozófelület 300 Image: PSE, Freiburg, Germany

22 Három határréteges amorf szilícium (a-si) napelem keresztmetszet Mindegyik cella egy megadott spektrum tartományra érzékeny rövid hullámhosszú fény közepes hullámhosszú fény hosszú hullámhosszú fény TCO p kékre érzékeny cella i n p zöldre érzékeny cella i n p pirosra érzékeny cella i n visszaverő réteg hordozóanyag Graphik: Solarpraxis Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

23 Relatív intenzitás Napelem technológiák Három különböző anyagú, három határréteges napelem spektrális érzékenysége három határréteges napelem spektrális érzékenysége kék érzékeny cella zöld érzékeny cella vörös érzékeny cella Hullámhossz [nm] Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

24 A különböző napelem technológiák piaci megoszlása az évek során Fotovillamos cella forgalom a használt technológia alapján A teljes forgalom százalékában 100% 80% Si-szalag vékony réteg 60% polikristályos-si Si-szalag 40% 20% Cz-Si 0% Image: PSE, Freiburg, Germany

25 Fotovillamos modulok és generátorok

26 Napelem áram [A] Napelem technológiák Három sorba kapcsolt, azonos (10 x 10 cm) méretű napelem I-V (áram-feszültség) görbéje A 3 ISC V 2 1 UOC 2 UOC 3 UOC Napelem feszültség [V] Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

27 Napelem polaritás-váltás és napelem túlmelegedés részleges árnyékolás miatt hő Z1 Z2 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36 + I R Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

28 Fotovillamos cella forró pont -tal Forró pont Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

29 Árnyékolt napelemek védelme áthidaló diódákkal I I Z1 Z2 Z17 Z18 Z19 Z20 Z35 Z36 I I + R I - Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

30 A modul hátoldalán lévő vízhatlan csatlakozódoboz a csatlakozókkal és az áthidaló diódákkal áthidaló diódák Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

31 Modul áram [A] Napelem technológiák Részben árnyékolt 36 cellás modul I-V görbéje áthidaló diódákkal és anélkül Árnyékolás nélkül Egy napelem 75 %-os árnyékolással egy áthidaló dióda 18 cellánként 0.5 Egy napelem 75 %-os árnyékolással áthidaló diódák nélkül Modul feszültség [V] Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

32 Hordozható I-V görbe meghatározó, (PV-Engineering, Németország) Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

33 Napelem áram [A] Napelem technológiák Három párhuzamosan kapcsolt, azonos, 10 x 10 cm méretű napelem I-V görbéje ISC ISC 4 V 3 2 ISC A 1 VOC Napelem feszültség [V] Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

34 Generátor áram [A] Párhuzamosan kapcsolt füzérek száma PV modulok kombinált soros és párhuzamos kapcsolása Napelem technológiák Sorosan kapcsolt modulok száma A megfelelő I-V görbék 3 ISC 2 ISC ISC 2 UOC 2 UOC 3 UOC 1 Generátor feszültség [V] Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

35 Kristályos napelemek soros kapcsolása réz összekötő szalagokkal Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

36 Szabvány modulok keretezése alumínium keret vízzáró szélrögzítő üveg (vas mentes) EVA napelemek hátsó kompozit fólia Kép: Solarpraxis AG, Berlin, Németország

37 IEC / teszt eljárások (ISPRA-test) Illusztráció: Solarpraxis - A laminálás, a keretezés és a csatlakozások vizuális ellenőrzése - A névleges teljesítmény meghatározása - A hőmérsékleti együtthatók meghatározása (V, I, P) - Hosszú távú forró pont (hot-spot) vizsgálat - Villamos szigetelés és nedvesség-szivárgás-áram teszt - Statikus terhelés teszt - Csavarási teszt - Jégeső teszt 25 mm-es jéglabdákkal 23 m/s sebességgel - Hő ciklus teszt - Nedves-hő teszt - Nedvesség fagyási teszt

38 Fotovillamos energiaellátó rendszerek általános koncepciói Szent

39 Hálózat független energiaellátás Hálózat kapcsolt rendszer Fogyasztói alkalmazások Ipari alkalmazások Hálózattól távoli települések Elosztott Központi beltéri kültéri számológépek töltő készülékek telekommunikácó villamos világítók magán házak tetői közüzemi energiaellátó villamos mérlegek órák villamos szerszámok szökőkutak zseblámpák kerti fények közlekedési jelzések távközlés kijelzők navigációs fények háztartási szolár rendszerek települési energiaellátás akkumulátor töltés oktatás/ iskolák homlokzatba integrálás osztatlan közös tulajdon zajvédő fal mobil telefonok házszám világítás katódos védelem táv felügyelet víztisztítás öntözés autó szellőztetés hegyi éttermek/hotelek utcai világítás csónakok oltóanyag hűtés iskolák Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

40 Fotovillamos rendszer elvi felépítése egy készülék vagy kisfogyasztó energia ellátására töltés szabályozó PV generátor feszültség szabályozó DC fogyasztó tároló akkumulátor Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

41 Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások Napenergiás tejszínhabverő Fotó: Solarc, Berlin, Németország

42 Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású házszám világítás Fotó: LiSol, Deizisau, Németország

43 Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású segélyhívó telefon és információs rendszer Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

44 Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású mikrohullámú átjátszó-adó az USA délnyugati részén Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

45 Kültéri alkalmazások Fotovillamos energiaellátású, jegesedésre figyelmeztető közúti jelzés Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

46 Hálózat független, lakossági alkalmazás Háztartási szolár rendszer (fotovillamos energiaellátású lakóépület) Zanskarban, India Fotó: R. Brender, Badenweiler, Németország

47 Hálózat független, lakossági alkalmazás Háztartási szolár rendszer (fotovillamos energiaellátású lakóépület) Boquillas del Carmen, Mexikó Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

48 Energiatároló nélküli fotovillamos rendszer elvi felépítése PV generátor (napelemek) Feszültség szabályzó Fogyasztó Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

49 Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások Napenergiás számológép Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

50 Hálózatnélküli, beltéri alkalmazások Elektronikus háztartási mérleg fotovillamos energiaellátással Fotó: Soehnle-Waagen GmbH + Co. KG, Murrhardt, Németország

51 Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Fotovillamos energiaellátású szökőkút Freiburg, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

52 Váltóáram kimenetű fotovillamos rendszer elvi felépítése töltés szabályozó PV generátor (napelemek) inverter házban kiépített hálózat tároló akkumulátor Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

53 Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Fotovillamos energiaellátású ház, USA Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

54 Fotovillamos és generátoros hibrid energiaellátó rendszer elvi felépítése PV generátor (napelemek) töltés szabályozó akkumulátor inverter ház villamos hálózat belsőégésű motorral hajtott generátor akkumulátor töltő Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

55 Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Menedékház napelemes energiaellátással és belsőégésű motorral hajtott generátorral; Freiburger Huette, Ausztriai Alpok Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

56 Fotovillamos, szélturbinás és generátoros hibrid energiaellátó rendszer elvi felépítése PV generátor töltés szabályozó szélturbina akkumulátor töltő akkumulátor inverter ház villamos hálózat motorral hajtott generátor akkumulátor töltő Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

57 Hálózatnélküli, lakossági alkalmazások Rotwand House menedékház napelemekkel, belsőégésű motorral hajtott generátorral és szélturbinával, Német Alpok Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

58 Autonóm energiaellátó Napelem rendszer technológiák napelemekkel és hosszú idejű hidrogéntároló rendszerrel PV generátor (napelemek) töltés szabályozó inverter ház villamos hálózat akkumulátor tüzelőanyag cella töltés szabályozó hidrogén tároló rendszer elektrolizáló Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

59 Ház villamos hálózatára dolgozó, kisméretű, elosztott fotovillamos rendszer ház villamos hálózat PV generátor (napelemek) inverter energia betáplálás a villamos hálózatba energia fogyasztás villamos hálózat Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

60 Közvetlenül a közüzemi villamos hálózatra dolgozó, kisméretű, elosztott fotovillamos rendszer ház villamos hálózat PV generátor (napelemek) inverter energia betáplálás a villamos hálózatba energia fogyasztás villamos hálózat Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

61 Elosztott, hálózatra, kapcsolt fotovillamos rendszerek Családi ház Kirchzarten, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

62 Elosztott, hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszerek Napelem technológiák Központi pályaudvar Freiburg, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

63 Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű elvi felépítése villamos hálózat PV generátor (napelemek) inverter Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

64 Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű (Freiburg) Vásári, kiállító épület tetőszerkezetére telepített fotovillamos modulok; Freiburg, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

65 Hálózatra kapcsolt fotovillamos erőmű Az RWE fotovillamos erőműve Neurath Lake, Németország Fotó: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

66 Elosztott villamos energia Napelem termelésen technológiák alapuló jövőbeli energiaellátó rendszer elvi felépítése atomerőmű nagyméretű vízerőmű széntüzelésű erőmű nagy feszültségű hálózat középfeszültségű hálózat Kisfeszültségű hálózat PV ház villamos hálózat ház villamos hálózat szélenergia nagy méretű PV generátor (napelem) tüzelőanyag cella akkumulátor PV generátor (napelem) CHP (kombinált hő- és villamos energia termelő egység) Kép: Fraunhofer ISE, Freiburg, Németország

67 Tudás teszt: - Melyek a standard teszt körülmények (STC) a napelemek méréséhez? - Nő-e a napelem hatásfoka a napelem hőmérséklettel? - Mi az oka a több-határréteges napelemek létrehozásának? - Mi jellemezhető egy napelem kitöltési tényezőjével?

68 Tudás teszt: - Miért kell kerülni a PV modulok részleges árnyékolását? - Miért használják az áthidaló diódákat? - Mi a forró pont? - Mit jelent az ISPRA-Test? Illusztráció: Solarpraxis