Promieniowanie optyczne

Źródła naturalne

Generacja

i

zastosowanie promieniowania

naturalnego

Generacja promieniowania optycznego

Źródła naturalne

Źródła naturalne Słońce:


42% energii w widmie IR-A + IR-B



45% energii w widmie VIS



7% energii w widmie UV A i UV B

Do Ziemi dociera promieniowanie słoneczne zbliżone
widmowo do promieniowania ciała doskonale czarnego o
temperaturze ok. 5800 K.

Graniczną mocą jaką można uzyskać bezpośrednio z
energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym jest
tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio

1 367 W/m

2

i

jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do
zewnętrznej warstwy atmosfery. Część tej energii jest
odbijana lub pochłaniana przez atmosferę, więc efektywnie
wykorzystać przy powierzchni Ziemi możemy do

1 000

W/m

2

.

Odległość Słońce-Ziemia R=1,49 10

11

m średnica Słońca d=1,4 10

9

m

Stała słoneczna

Moc promien.
Słońca

Dane:

odległość Słońce-Ziemia: R=1,49 10

11

m

średnica Słońca d=1,4 10

9

m

Temperatura powierzchni Słońca 5750K

Emisyjność: =1

=5.69 10

-8

4

T

M





=

1

.

5.67 10

-8

5750

4

=

= 6,2 10

7

W/m

2

Gęstość strumienia cieplnego
(emitancja)

M

S

P 

=

4  (1.4 10

9

/2)

2

6,2 10

7

=

= 3.82 10

26

W

Napromienienie
na orbicie Ziemi
(stała słoneczna)
q

orb

S

P

q

= 3.82 10

26

/ 4  (1.49 10

11

)

2

=

= 1370 W/m

2

Przykład zadanie

Jaką powierzchnię S powinny mieć baterie słoneczne
satelity znajdującego się na orbicie okołoziemskiej, jeśli
moc zainstalowanych urządzeń to P=30 kW, a sprawność
ogniw  = 0.4 (stała słoneczna q=1370 W/m

2

)

P = (η q)
S

55

10

37

.

1

4

.

0

10

30

3

3















q

P

S



Do ilu należałoby zwiększyć powierzchnię ogniw jeśli
satelita byłby przeznaczony do pracy na orbicie Marsa?

Orbita Ziemi Rz =

1,49 10

11

m Orbita Marsa

Rm = 2.26 10

11

m

1.52 j.a.

Natężenie promieniowania maleje z kwadratem odległości tzn:

2

2

11

11

2

/

593

43

.

0

1370

10

26

.

2

10

49

.

1

1370

m

W

R

R

q

q

M

z

Ziemia

Mars







































126

10

593

.

0

4

.

0

10

30

3

3















q

P

S



Rozkład widmowy promieniowania

słonecznego dochodzącego do

powierzchni Ziemi

http://www.wikipedia.co
m

Rozkład widmowy promieniowania

słonecznego dochodzącego do

powierzchni Ziemi cz.II

http://www.wikipedia.co
m

Rozkład widmowy promieniowania słonecznego docierającego do

powierzchni Ziemi zależy także od drogi promieniowania w

atmosferze

Przyjęto trzy standardy:

Air Mass 0 – rozkład na zewnątrz atmosfery

Air Mass 1 – rozkład na pow. Ziemi dla kąta padania 0

o

(pozorna wysokość h=90

o

)

Air Mass 1.5 -rozkład na pow. Ziemi dla kąta padania 48

o

(pozorna wysokość h=42

o

)

Air Mass 2 -rozkład na pow. Ziemi dla kąta padania 60

o

(pozorna wysokość h=30

o

)

Ile razy droga przez atmosferę jest dłuższa od prostopadłej

Rys 3.8

Promieniowanie słoneczne w
Polsce

Średnioroczne całkowite zasoby energetyczne promieniowania

słonecznego w Polsce w kWh/m

2

/rok

Żródło:www.solar-pro.pl

Bilans promieniowania Słońca – straty w

atmosferze

http://www.solver.katowi
ce.pl

Napromienienie E przy różnym

zachmurzeniu

Wykorzystanie promieniowania

słonecznego

Budownictwo i architektura – Systemy

pasywne

Układ zysków bezpośrednich:

Układ zysków pośrednich:

Cechy:



wysoka sprawność



mała bezwładność



wahania temperatury wnętrza



zależność od nasłonecznienia

Cechy:



mniejsza sprawność



bezwładność cieplna



stabilizacja temperatury

Źródło:http://ekologika.pl/index.php

Wykorzystanie promieniowania

słonecznego

Budownictwo i architektura – Systemy

pasywne II

Rozbudowane układy zysków pośrednich

układ typu weranda

układ buforowy 2 poziomowy

Źródło:http://ekologika.pl/index.php

Zastosowanie promieniowania

słonecznego

Systemy pasywne - podsumowanie

Systemy pasywnego dogrzewania budynków
pozwalają zaoszczędzić do 30% energii cieplnej.
Koszt budowy rośnie o ok. 8%

Proekologiczne źródła energii odnawialnej. W. Lewandowski

Wykorzystanie promieniowania

słonecznego

Systemy aktywne

Systemy aktywne to:



Układy

niskotemperaturowe:



Kolektory słoneczne,



Stawy słoneczne,



Układy

wysokotemperaturowe:



Elektrownie słoneczne,

Proekologiczne źródła energii odnawialnej. W. Lewandowski

Układy niskotemperaturowe

Proekologiczne źródła energii odnawialnej. W. Lewandowski

Kolektory słoneczne

Źródło:http://ekologika.pl/index.php

Kolektory słoneczne są to urządzenia służące do zamiany

energii promieniowania słonecznego na energię cieplną

magazynowaną w postaci ciepłej wody lub podgrzanego

powietrza. Taka metoda przetwarzania energii solarnej

jest uznawana za szczególnie wydajną i funkcjonalną.

Kolektor odbiera energię słoneczną i przekazuje ją

poprzez tzw. czynnik grzewczy i wymiennik ciepła

znajdujący się w zbiorniku (bojlerze) do ogrzania wody,

która może służyć jako ciepła woda użytkowa, woda

wspomagająca pracę układu centralnego ogrzewania lub

do innych celów, jak np. suszenie płodów rolnych

Kolektor płaski

Źródło:http://ekologika.pl/index.php

Podstawowe elementy kolektora:



absorber, na którego powierzchni pochłaniane jest promieniowanie słoneczne:

a / = 4-6

!



przykrycie przezroczyste,



izolacja cieplna,



obudowa zewnętrzna.

Przeznaczenie to ogrzewanie:



pomieszczeń,



basenów kąpielowych,



ciepłej wody użytkowej.

Rys 7.1 a-b

Kolektor płaski – rola szyby

Rys 7.6 i 7.7

Rys 7.2

Kolektor płaski – rola

pokrycia selektywnego

absorbera

Rys 7.5

Absorber:

• pochłania promieniowanie słoneczne (T=5800K –  < 3 m )
• wypromieniowuje promieniowanie własne (T=350K –  > 6 m )

Idealny absorber powinien mieć:

• duży współczynnik pochłaniania a dla  < 3 m )
• mały współczynnik emisji  dla  > 6 m )
tzn mieć monochromatycznie zmienny współczynnik odbicia 

a =  (1-) = (1-a) = 

Kolektor rurowy

(rurowo-próżniowy)

Źródło:http://ekologika.pl/index.php

Budowa kolektora rurowo-próżniowego
jest następujaca: jest to długa rurka
wypełniona parującym freonem
(nazywana parownikiem), który skrapla się
w jej górnej części, oddając ciepło w
skraplaczu. Całość konstrukcji jest
szczelnie zamknięta w termosie, czyli
podwójnej rurze z próżnią. Ponieważ jest
to przemiana izochoryczna, temperatura i
ciśnienie w skraplaczu są wysokie. Zestaw
składa się z 10 do 30 rur, a ciepło z każdej
z nich oddawane jest do zbiorczej rury
kolektorowej, przez którą przepływa ciecz
solarna. Ciecz solarna, czyli specjalny
roztwór glikolu (płyn niezamarzający),
przekazuje to ciepło do zasobnika ciepłej
wody, który podgrzaną wodę magazynuje.

Kolektor w instalacji

cieplnej

Źródło:http://insbud nat

Kolektory - usytuowanie

Źródło:http://ekologika.pl/index.php

Kolektor powinien być skierowany na południe z dopuszczalną

odchyłką 15

0

i nachylony względem poziomu o 15-40

0.

15-40

0.

Kolektory – obliczenia uproszczone

E – natężenie napromienienia =

= gęstość strumienia ciepła W/m

2

a – współczynnik pochłaniania

 – współczynnik konwekcyjnego przejmowania

p

a

aE

E 

p

o

E

a

E

)

1

( 



a

o

p

E

E

E





0









uż

rad

kon

p

q

q

q

aE

Bilans mocy

)

(

ot

kol

kon

t

t

q







)

(

4

4

ot

kol

rad

T

T

q







Dane:

Ep = 800 W/m

2

a =  = 0.95
tot = 25

o

C

– 4 W/m

2

K

 – 5.669 10-8

izolacja

absorber

Ep

Eo

Ea

qkon qrad

Tot

Tkol

quż

 
 
 

Kolektory słoneczne - obliczenia

Liczenie kolektora słonecznego

Wzory:

Dane:

gęstość mocy abs

902,5

W/m2

Ep * a

tot

35

Ep

950

W/m2

gęstość strat konwek

141

W/m2

 (tkol - tot)

a

0,95

gęstość strat rad

262

W/m2

 (Tkol^4 - Tot^4 )



0,95



4

bilans gęstości mocy

0

W/m2

Ep a - qkon - qrad - quż



5,67E-08

Bilans ma być zerowy !

q uż

500

W/m2

sprawność

53%

Szukane
tkol

70,1

Kolektory słoneczne - rozmieszczenie

Źródło:http://ekologika.pl/index.php

Kolektor powinien być

skierowany na południe z

dopuszczalną odchyłką

15

0

i nachylony

względem poziomu o 15-

40

0.

Kolektory słoneczne – przykłady

umieszczenie

Źródło:http://www.kotly.pl/kolektory_sloneczne.php

Stawy słoneczne – budowa i zasada

działania

Do pracy

potrzebny jest: przetwornik osmotyczny, destylarka, wymiennik jonowy

Niezbędne jest uzupełnianie stężeń: wodą na wierzchu i gęstą solanką na dnie

Główna zasada:

Kolejne warstwy
pochłaniają
promieniowanie i izolują
najcieplejszą denną
warstwę

Przykładowe dane:

Dla 1400 m

2

-> 4

W/m

2

Przy 85-100

o

C na dnie

przez kilka tygodni

Instalacje tego typu pracują w: USA, Arabii Saud. Izraelu, W.Brytanii

Stawy słoneczne – budowa

Największa instalacja w Izraelu: 20 ha, 5MW, sprawność 1%

Układy wysokotemperaturowe

Przyjmując za kryterium sposób koncentracji mocy
istnieją układy:



zdecentralizowane - przemiana promieniowania w

ciepło odbywa się w wielu pojedynczych
koncentratorach, a czynnik chłodzący jest zbierany z
wielu koncentratorów



scentralizowane - zogniskowanie promieniowania

z dużego obszaru na jednym koncentratorze, w
którym nagrzewa się czynnik chłodzący

Czynnik chłodzący ma temperaturę ponad 300

o

C

Czynnikiem chłodzącym są zwykle stopione sole lub olej

Układ zdecentralizowany

wysokotemperaturowy

Wymiennik

ciepła

Wytwornica pary

Turbina
parowa

Generator

Energia elektr.

koncentrator

Rodzaje zdecentralizowanych

koncentratorów

Oparte są na dużej ilości koncentratorów
skupiających (1.5 do 10

4

razy) promieniowanie

słoneczne

Budowa koncentratora; cylindryczny, paraboliczny

Układ zdecentralizowany – zwierciadła
paraboliczne



paraboliczne zwierciadło w kształcie wyprofilowanego długiego

prostokąta koncentruje promieniowanie na rurze pokrytej
absorberem i umieszczonej w ognisku



w odbiorniku skoncentrowane promieniowanie nagrzewa ciecz

chłodzącą (olej, stopione sole)



w wymienniku ciepła ciecz chodząca oddaje ciepło wodzie

przekształcanej w parę napędzającej tradycyjną turbinę elektryczną



ekonomicznie uzasadnione jednostki mają ponad 250 MW

Układ zdecentralizowany – koncentratory
talerzowe



paraboliczne zwierciadło w kształcie talerza koncentruje

promieniowanie na odbiorniku umieszczonym w ognisku



w odbiorniku skoncentrowane promieniowanie nagrzewa ciecz

chłodzącą lub bezpośrednio wytwarzana jest tam para



pojedyncze zwierciadła mają moc wyjściową 1-30 kW

Magazynowanie energii

Czynnik chłodzący - amoniak

1.

Reaktor endotermiczny : dysocjacja (rozkład) amoniaku na H

2

i N

2

2.

Reaktor egzotermiczny: synteza amoniaku z gazów H

2

i N

2

2 NH

3

+ Energia  N

2

+

3 H

2

Zdecentralizowana elektrownia

słoneczna Kramer Junction, Kalifornia

Kramer Junction Solar Electric Generation Station 3-7, USA (1986):



moc P=150 MW (w szczycie) łącznie z sąsiednimi:

 

354 MW

 i 

 

Jedna ze stacji:



koncentratory paraboliczne S=250 tys m

2



moc P=30 MW

Elektrownia Nevada Solar Thermal Plant



Od 2007r. - uruchomienie



140 ha – powierzchnia kolektorów



64 MW – moc elektrowni



96% energii jest pochłaniana

Para wodna

Olej

400

o

C

Układ zcentralizowany

wysokotemperaturowy

Wymiennik

ciepła

Wytwornica

pary

Turbina
parowa

Generator

Energia elektr.

koncentrator

Układ zcentralizowany – wieże słoneczne



wiele płaskich zwierciadeł kieruje promieniowanie do odbiornika

umieszczonego na wieży



w odbiorniku skoncentrowane promieniowanie nagrzewa ciecz

chłodzącą (stopione sole)



instalacja jest uzupełniona zbiornikiem nagrzanej cieczy służącej za

buforowy zasobnik ciepła



w wymienniku ciepła ciecz chodząca oddaje ciepło wodzie

przekształcanej w parę



ekonomicznie uzasadnione jednostki mają ponad 250 MW



identycznie konstruuje się przemysłowe piece słoneczne

Zcentralizowana elektrownia słoneczna

Almeria, Hiszpania (1981):



koncentratory paraboliczne S-5362 m2



czynnik ogrzewany: olej t=295oC



Istniejące i budowane elektrownie

słoneczne

Endesa

- Hiszpania 12,3 MW 37 ha fotowoltaniczna

SGES

USA

354 MW

lustra+koncentr. +olej

Dep.En USA Nevada 65 MW koncentrat. parabol.

Solarstorm Lipsk 5 MW

W budowie

Solel/GP&E Mojave 553 MW 24 km2

Szukanie nowych technologii

Australia: komin słoneczny

Turbiny 32*6.5 MW

 130m

V

5

0

k

m

/h

Zjawisko fotowoltaiczne

Zjawisko fotoelektryczne to albo



zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polegające na

emisji elektronów z powierzchni przedmiotu lub,



zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne (fotowoltaiczne)

polegające na przeniesieniu nośników ładunku
elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi,

po naświetleniu jej promieniowaniem
elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym)
o odpowiedniej częstotliwości

Zjawisko fotowoltaiczne - podstawy

fizyczne

Promieniowanie optyczne można je traktować jako rozchodzącą
się falę o częstości  albo jako strumień fotonów, z których

każdy niesie energię

gdzie h jest stałą Plancka. Ponieważ między długością a
częstotliwością fali istnieje związek

 

w którym c jest prędkością światła, długość fali odpowiadającej
energii fotonu określa zależność:





h

W

f





c



f

f

W

c

h





Zjawisko fotowoltaiczne

Powstanie siły elektromotorycznej w ciele stałym pod
wpływem promieniowania optycznego, jest przejawem

fotoelektrycznego zjawiska wewnętrznego

przejście

elektronów w ciele stałym z pasma walencyjnego do pasma
przewodnictwa, wywołane absorpcją promieniowania
świetlnego;

Pochłonięte fotony światła wybijają elektrony z sieci

krystalicznej, tworzą się pary elektron – dziura. Pod wpływem

wewnętrznego pola elektrycznego w warstwie następuje dyfuzja

czyli przejście dziur do obszaru p półprzewodnika, a elektronów

do obszaru n. Elektrony, które przeszły do obszaru n ładują tę

część półprzewodnika ujemnie, natomiast dziury ładują obszar p

półprzewodnika dodatnio. Pomiędzy obiema częściami

półprzewodnika powstaje więc różnica potencjałów. Jeśli obszary

p i n połączymy przewodem na zewnątrz ogniwa, to popłynie prąd

w kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia ogniwa.

typ-n

Zjawisko fotowoltaiczne –

ograniczenia w długości fali

promieniowania

 Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne w półprzewodnikach polega na
generowaniu swobodnych nośników ładunku wskutek absorpcji
promieniowania optycznego. Wyróżnia się dwa podstawowe mechanizmy:



międzypasmowy prowadzący do uwolnienia elektronu i dziury: W

fotonu

>

W

graniczna

,



domieszkowy prowadzący do uwolnienia elektronu lub dziury: W

graniczna

> W

f

> W

jon.domieszki

Maksymalne długości fal wywołujące absorpcję i zjawisko fotowoltaiczne:

gr

W

c

h



max



jon

W

c

h



max



Minimalne długości fal determinuje wzrost pochłaniania w pierwszej
warstwie typu n. Pochłonięte w niej fotony nie docierają do złącza p-n
i zjawisko fotowoltaiczne zanika

Przyrządy fotowoltaiczne – względna

czułość widmowa

Wykorzystanie zjawiska

fotowoltaicznego

Baterie słoneczne stosuje się w



Przyrządach przenośnych



Oświetlenie



Zasilaniu obiektów ruchomych (jachty, przyczepy kempingowe)



Pomocnicze źródło zasilania obiektów stacjonarnych (domy)



Zasilanie obiektów kosmicznych



Elektrownie fotowoltaiczne

Elektrownie fotowoltaiczne

Elektrownia PV (2007):

Arizona, USA

Tucson Electric Power Company

ok. 35 tys paneli

4.6 MW mocy szczytowej

Elektrownie fotowoltaiczne

Solar Park Bavaria:

Łączna ilość ogniw: 52 600

Powierzchnia ogniw: 62*0,4 ha

Moc instalacji: 10MW

System: ogniwa fotowoltaiczne

Zadanie - Zasilanie fotowoltaiczne

Obliczyć powierzchnię ogniw fotowoltaicznych pozwalających
uzyskać w szczycie moc 100kW.

Sprawność ogniwa fot = 0.16
Sprawność przetworn. prz = 0.95

Max. napromienienie E = 1000W/m2

prz

fot

S

E

P













prz

fot

E

P

S











2

660

95

,

0

16

,

0

1000

100000

m







