Napenergia Napelemek Molnárné Dőry Zsófia Egyetemi tanársegéd, dory@energia.bme.hu Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék, D205. Szerkesztette: Molnárné Dőry Zsófia, Kaszás Csilla, Riz Dániel, Csurgó Marcell 2016
Tartalom Napsugárzás természete Villamosenergia-termelés napenergiával Termikus naperőművek Fotovillamos energiaátalakítók Napelemek
1. Napenergia jellemzése Napenergia forrása Felszínre érkező teljesítmény Magyarország adottságai
1. A Naptól a Föld légköréig Nap magjában: fúzió(15000000 C) Nap felszínének hőmérséklete: ~ 6000 C Hőterjedés sugárzásos úton
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
Egységnyi felületre érkező teljesítmény Évszak, napszak -> Nap állása Felület dőlészszöge, tájolása Befolyásoló tényezők: Tereptárgyak árnyékolása Időjárási viszonyok Szálló por koncentrációja
Napsugárzás elméleti rendelkezésre állása
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
Mi az optimális szög, tájolás? Mire akarjuk használni?
45 dőlésszög esetén
Napállandó: 1360 W/m 2 Direkt + szórt sugárzás = globálsugárzás
Napsugárzás intenzitása a hullámhossz függvényében
Tényleges rendelkezésre állás Németország Szudán
Globálsugárzás éves összege hazánkban www.met.hu
Napsugárzás havi alakulása
Globálsugárzás értékek Magyarországon a felszínen, nyáron, délben
Részletes mérési adatsorok www.naplopo.hu
Napenergia-hasznosítás Közvetett hasznosítás Közvetlen hasznosítás Passzív napenergia-hasznosítás Aktív napenergia-hasznosítás Villamosenergia-termelés
Közvetett napenergia-hasznosítás
2. Villamosenergia-termelés Termikus naperőművek Napsugárzás koncentráló típusok Naptó Napkémény Napelemek Felépítés, működési elv Gyártás Jelleggörbe Típusok Hasznosítás
Torony típusú naperőmű
Torony típusú naperőmű Teljesítmény: Területigény: 0,5-10 MW 4e-80e nm Torony magassága: 40-100 m Kalifornia
Parabola-vályús rendszer
Parabola-vályús rendszer Teljesítmény: 0,5-80 MW Felület: 5e-450e nm
ORC (Organic Rankine Cycle) Munkaközeg : szervesanyag, pl. izobután gőzfejlesztő Gőzturbina Kondenzátor Szivattyú
Naperőmű kapcsolási vázlata
Parabolatányéros naperőmű
Parabola-tányér Teljesítmény: 7-60 kw Felület: 40-250 nm
Stirling motor
Szolár kémény Spanyolország Teljesítmény: 50 kw Magasság: 200m, sugár: 122m
Naptó
Naptó (Texas) Teljesítmény: 15kW-5MW (70kW) Felület: 1,6-250e nm (3350 nm)
Fotovillamos napenergia-hasznosítás Napelemek
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
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
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
Hagyományos Si-alapú cellák kialakítása 1800-1900 C ívkemencében: homok -> szilícium, 2% szennyezés, tisztítás Sósav, hidrogénnel redukálva tiszta szilíciumrudakra 1000-1200 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
Gyártás C. HEMMERLE, R. HASELHUHN
Spektrális érzékenység, hibrid cellák Kristályos cella: hosszabb hullámhossz, Vékony film: látható fény tartományában hasznosít jobban Többrétegű, hibrid cellák C. HEMMERLE, R. HASELHUHN
Napelemek felépítése
Cella jelleggörbe Maximum munkaponti szabályozás: MPPT
Cellák kapcsolása áramerősség Két cella párhuzamosan kapcsolva Egyetlen cella jelleggörbéje Két cella sorosan kapcsolva feszültség
C. HEMMERLE, R. HASELHUHN
Környezeti hatások Hőmérséklet Besugárzás
Árnyékolás Egyetlen cella leárnyékolásának hatása a modulra! (sérült cella azonos következményhez vezet)
By-pass dióda hatása Árnyékhatás csökkentése, 18-20 cellánkénti segéd dióda alkalmazásával C. HEMMERLE, R. HASELHUHN
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
Hatásfok Standard körülmények között E = 1000 W/m 2 sugárzás intenzitás T = 25 C cellahőmérséklet AM = 1,5 Air Mass, légsűrűség tényező
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
Gyakori napelemtípusok Amorf Hatásfok: 5-7% Viszonylag olcsó FF < 0,7 Polikristályos 13-15% Monokristályos 15-22% drága FF=0,85
Hatásfokok alakulása
Napelemek alkalmazása Céleszköz energiaellátása napelemmel Fotovoltaikusvillamosenergia-termelés, majd energiaelosztás és fogyasztás
Eszközök villamosenergia-ellátása
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
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)
Fotovillamos rendszer - szigetüzem
Hálózatra kapcsolt rendszer
Intézményi rendszer Újbudai Önkormányzat www.energiacentrum.hu
Hibrid szolár rendszer remotelab.energia.bme.hu/solar
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
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
Németországi példa
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
Sellye www.tamasinaperomu.hu
Napelemes rendszerek üzemeltetése Szennyeződés Hotspot: cella ellenállásként, ellene by-pass dióda 18-20 cellánként Hatásfok-romlás Katasztrófajelenségek, jégeső, árvíz Inverterek cseréje Akkumulátorok cseréje Terület ápolása
Köszönöm a figyelmet!