Napenergia Napelemek

Átírás

1 Napenergia Napelemek Molnárné Dőry Zsófia Egyetemi tanársegéd, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék, D205. Szerkesztette: Molnárné Dőry Zsófia, Kaszás Csilla, Riz Dániel, Csurgó Marcell 2016

2 Tartalom Napsugárzás természete Villamosenergia-termelés napenergiával Termikus naperőművek Fotovillamos energiaátalakítók Napelemek

3 1. Napenergia jellemzése Napenergia forrása Felszínre érkező teljesítmény Magyarország adottságai

4 1. A Naptól a Föld légköréig Nap magjában: fúzió( C) Nap felszínének hőmérséklete: ~ 6000 C Hőterjedés sugárzásos úton

5 Sugárzás Plank: Napállandó: 1360 W/m 2 a Föld légkörére érkező teljesítménysűsűség Stefan -Boltzmann:a sugárzási energia a hőmérséklet negyedik hatványával arányos:e(t)= σt 4 Wien:a maximális intenzitás hullámhossza annál kisebb, minél nagyobb a sugárzó test hőmérséklete

6 Egységnyi felületre érkező teljesítmény Évszak, napszak -> Nap állása Felület dőlészszöge, tájolása Befolyásoló tényezők: Tereptárgyak árnyékolása Időjárási viszonyok Szálló por koncentrációja

7 Napsugárzás elméleti rendelkezésre állása

8 Adott felületre érkező sugárzás elméleti értéke Θ: a napsugarak és a felület normálisa által bezárt szög β: felület dőlésszöge γ: felület tájolása a déli irányhoz képest δ: adott naphoz tartozómaximális napállás Φ: szélességi fok

9 Mi az optimális szög, tájolás? Mire akarjuk használni?

10 45 dőlésszög esetén

11 Napállandó: 1360 W/m 2 Direkt + szórt sugárzás = globálsugárzás

12 Napsugárzás intenzitása a hullámhossz függvényében

13 Tényleges rendelkezésre állás Németország Szudán

14 Globálsugárzás éves összege hazánkban

15 Napsugárzás havi alakulása

16 Globálsugárzás értékek Magyarországon a felszínen, nyáron, délben

17 Részletes mérési adatsorok

18 Napenergia-hasznosítás Közvetett hasznosítás Közvetlen hasznosítás Passzív napenergia-hasznosítás Aktív napenergia-hasznosítás Villamosenergia-termelés

19 Közvetett napenergia-hasznosítás

20 2. Villamosenergia-termelés Termikus naperőművek Napsugárzás koncentráló típusok Naptó Napkémény Napelemek Felépítés, működési elv Gyártás Jelleggörbe Típusok Hasznosítás

21 Torony típusú naperőmű

22 Torony típusú naperőmű Teljesítmény: Területigény: 0,5-10 MW 4e-80e nm Torony magassága: m Kalifornia

23 Parabola-vályús rendszer

24 Parabola-vályús rendszer Teljesítmény: 0,5-80 MW Felület: 5e-450e nm

25 ORC (Organic Rankine Cycle) Munkaközeg : szervesanyag, pl. izobután gőzfejlesztő Gőzturbina Kondenzátor Szivattyú

26 Naperőmű kapcsolási vázlata

27 Parabolatányéros naperőmű

28 Parabola-tányér Teljesítmény: 7-60 kw Felület: nm

29 Stirling motor

30 Szolár kémény Spanyolország Teljesítmény: 50 kw Magasság: 200m, sugár: 122m

31 Naptó

32 Naptó (Texas) Teljesítmény: 15kW-5MW (70kW) Felület: 1,6-250e nm (3350 nm)

33 Fotovillamos napenergia-hasznosítás Napelemek

34 Napelemek működése Fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítja Félvezetőanyagból készül, gyakorlatilag egy dióda (p és n típus) Pnátmenet A fénysugárzás gerjeszti a töltéseket: a becsapódófoton energiájának hatására egy elektron kilép a vegyérték-sávból A gerjesztett, szabad töltések kimozdulnak a helyükről, és az elektromos tér által meghatározott irányba mozognak

35 Rétegek: Si-alapú félvezetők p típusú: bór-szennyezéssel, A bórnak 3 vegyértékelektronja van, Si(4 vegyérték elektron) atom helyére kerülve egy elektron helye üres marad, azaz ott lyuk jön létre, pozitív-típusú(elektronhiány) n típusú: Foszforral szennyezett 5 vegyérték-elektronja van, tehát szilíciumhoz képest 1 elektron feleslege van, negatív-típus (elektrontöbblet). C. HEMMERLE, R. HASELHUHN

36 Pn átmenet Ha a p-és n-szennyezettfélvezetőrétegeket kapcsolatba hozzuk, egy pn-átmenet keletkezik: a felesleges elektronok az n-típusú félvezetőből a p-típusúba diffundálnak. Ha az átmenet megvilágításra kerül, úgy az elektronok a fotonokat elnyelik, a szerzett energia fedezi a kilépési munkát, a kötés felszakad. A szabad elektronok az elektromos tér hatására az n-félvezetőfelé, a keletkezett lyuk pedig az ellentétes irányba indul. Az áramkört zárva egyenáram folyik. C. HEMMERLE, R. HASELHUHN

37 Hagyományos Si-alapú cellák kialakítása C ívkemencében: homok -> szilícium, 2% szennyezés, tisztítás Sósav, hidrogénnel redukálva tiszta szilíciumrudakra C-on, vágás Két dópolt szilícium réteg Érintkezők, szitanyomással rögzítve Hátoldali ált. egész felületen alumínium vagy ezüst paszta Előlapi érintkező jó fényáteresztő, rács szerkezetű Kicsapatással vagy felgőzöléssel vékony antireflexáns anyag 1 töltésszétválás 2 re-kombináció 3 fel nem használt foton-energia 4 az előlapi érintkező reflexiós és árnyékolási vesztesége C. HEMMERLE, R. HASELHUHN

38 Gyártás C. HEMMERLE, R. HASELHUHN

39 Spektrális érzékenység, hibrid cellák Kristályos cella: hosszabb hullámhossz, Vékony film: látható fény tartományában hasznosít jobban Többrétegű, hibrid cellák C. HEMMERLE, R. HASELHUHN

40 Napelemek felépítése

41 Cella jelleggörbe Maximum munkaponti szabályozás: MPPT

42 Cellák kapcsolása áramerősség Két cella párhuzamosan kapcsolva Egyetlen cella jelleggörbéje Két cella sorosan kapcsolva feszültség

43 C. HEMMERLE, R. HASELHUHN

44 Környezeti hatások Hőmérséklet Besugárzás

45 Árnyékolás Egyetlen cella leárnyékolásának hatása a modulra! (sérült cella azonos következményhez vezet)

46 By-pass dióda hatása Árnyékhatás csökkentése, cellánkénti segéd dióda alkalmazásával C. HEMMERLE, R. HASELHUHN

47 Cellafajták (kísérletek nélkül) Kristályos szilícium cellák Monokristályos cellák Normál szilícium cellák Nagyteljesítményű cellák Polikristályos cellák Vékonyfilm cellák Amorf szilícium cellák Réz-indium-diszelenid cellák (CIS) Kadmium-tellurid cellák (CdTe) Kristályos szilícium vékonyfilm cellák Nanoszerkezetű cellák Nanoszerkezetű CIS cellák

48 Hatásfok Standard körülmények között E = 1000 W/m 2 sugárzás intenzitás T = 25 C cellahőmérséklet AM = 1,5 Air Mass, légsűrűség tényező

49 Kitöltési tényező FF: fill factor, kitöltési tényező U MPP [V]: maximális teljesítményűmunkapontbeli feszültség I MPP [A]: maximális teljesítményűmunkapontbeli áram U L [V]: a napelem üresjárási feszültsége I K [A]: a napelem rövidzárási árama C. HEMMERLE, R. HASELHUHN

50 Gyakori napelemtípusok Amorf Hatásfok: 5-7% Viszonylag olcsó FF < 0,7 Polikristályos 13-15% Monokristályos 15-22% drága FF=0,85

51 Hatásfokok alakulása

52 Napelemek alkalmazása Céleszköz energiaellátása napelemmel Fotovoltaikusvillamosenergia-termelés, majd energiaelosztás és fogyasztás

53 Eszközök villamosenergia-ellátása

54 Villamosenergia-termelés fogyasztók ellátására Ipari: napelemparkok inverteres feltáplálással Magyaro.: 500 kw-ig, Németo.: 10 MW felett is Lakossági: fogyasztáshoz méretezett Magyaro.: 2-4 kw-os rendszerek, inverterek, mikroinverterek listája Intézményi: feltáplálás Magyaro.: 50 kw-ig

55 Rendszer kialakítása szerint Szigetüzemű rendszer: energiatárolással (akkumulátorok), önellátás Hálózatra kapcsolt rendszer: hálózatra dolgozóinverterrel, két irányba mérőóra, hálózati feszültség és frekvencia (eltérés < 1%, <1 ), megszakítók Hibrid rendszer: kisebb energiatárolással, nagy részben önellátás, akár szigetüzemre is képes (manuális vagy automatikus átkapcsolás)

56 Fotovillamos rendszer - szigetüzem

57 Hálózatra kapcsolt rendszer

58 Intézményi rendszer Újbudai Önkormányzat

59 Hibrid szolár rendszer remotelab.energia.bme.hu/solar

60 Példák beépített teljesítményértékekkel Világ PV 2013: 139 GW p, ebből lakosság 25 GW p Japán, USA, Kína, EU: Németország, Spanyolország, Olaszország élen 16519,9 MW p kapacitásbővűlésaz EU-ban2012-ben EU összes PV 2012: 70 GW p EU összes PV 2013: 81 GW p Magyarország PV 2012: 3,2 MW p, ebből 0,5 MW p szigetüzem

61 Példák beépített teljesítményértékekkel Düsseldorf reptér: 2,004 MW p Buckendorf 1 Jura Solar Park: 50 MW p Sukow: 11 MW p Kelheim, Gundelshausen: 1,7 MW p Veszprém: 499,5 kw p 2014-ben

62 Németországi példa

63 Hazai napelemes kiserőmű példák Veszprém: 499,5 kw p 1998 db 250 W p fix telepítésűmodul 23 inverter és egy 630 kva-es transzformátor 378,9 millió Ft Villamosenergia-termelés: 550 MWh/év(becsült) Sellye: 499 kw p 50 forgatható, 70 m 2 felületűnapelem 2,5 hektár 460 millió Ft Villamosenergia-termelés: 772 MWh/év

64 Sellye

65 Napelemes rendszerek üzemeltetése Szennyeződés Hotspot: cella ellenállásként, ellene by-pass dióda cellánként Hatásfok-romlás Katasztrófajelenségek, jégeső, árvíz Inverterek cseréje Akkumulátorok cseréje Terület ápolása

66 Köszönöm a figyelmet!