Energetyka słoneczna

Literatura:

Z. Pluta, Podstawy teoretyczne fototermicznej
konwersji energii słonecznej, Warszawa 2000

Kierunki wykorzystania promieniowania słonecznego

Pochodzenie energii Słońca

• Reakcje jądrowe wewnątrz Słońca: synteza helu:

• Energia generowana jest we wnętrzu Słońca
• Energia jest przenoszona przez cząstki naładowane lub

promieniowanie gamma (w wyniku skomplikowanych
procesów) na powierzchnię Słońca

• Słońce emituje: szeroki zakres promieniowania

elektromagnetycznego, naładowane cząsteczki (wiatr
słoneczny).

• Neutrina przechodzą na wylot przez Ziemię, naładowane

cząstki wywołują zorze polarne

• Produkcja szerokiego spektrum cząstek w atmosferze -

promieniowanie kosmiczne

MeV

Ruch Ziemi wokół Słońca

• Orbita eliptyczna:

– 3.01 - 147,176,000 km
– 4.07 - 152,184,000 km

Stała słoneczna

•

Obliczenie gęstości
promieniowania słonecznego S
padającego na Ziemię z warunku
obok

(średnia gęstość w ciągu roku
strumienia promieniowania
słonecznego na powierzchnię
prostopadłą do kierunku padania
promieniowania na zewnątrz
atmosfery ziemskiej)

1367

)

(

)

(

Stała słoneczna - dane pomiarowe

• Dokładniejsza wartość stałej słonecznej na podstawie

najnowszych pomiarów satelitarnych:

S = 1353 W/m

• W związku z ruchem po elipsie wartość stałej słonecznej w

ciągu roku zmienia się od ok. 1325 W/m

do ok. 1410

W/m

czyli ok. 3.5%

Równanie czasu

Pory roku

Słońce i sfera niebieska

• Deklinacja Słońca:

kątowa odległość Słońca od płaszczyzny równika

•

23.45 dla 21 czerwca

•

0.00 dla 21 marca i 23 września

• -23.45 dla 20 grudnia

• przykładowy (uproszczony wzór):

• N

-numer dnia w roku

)

365

284

360

sin(

Deklinacja - wykres

Czas Słoneczny

• Południe wypada w chwili gdy pozorna droga Słońca po

nieboskłonie przecina płaszczyznę południka miejscowego

• czas słoneczny ( = czas obowiązujący + poprawka
• poprawka: 4(

lok

)+E

• gdzie:

lok

- lokalna długość geograficzna,

- długość

południka dla którego został ustalony obowiązujący czas
(w Polsce: latem 30E, zimą 15E)

- wielkość związana z zaburzenie w ruchu obrotowym

Ziemi dookoła Słońca (wartości od -15min. do 15 min.)

=15*(czas słoneczny – 12.00) [stopnie]

Ruch Ziemi wokół Słońca

Zmienność doby słonecznej

Układ współrzędnych

• położenie Słońca określane jest

przez:

– wysokość kątową na

płaszczyzną horyzontu

– azymut

• ze względów praktycznych

położenie Słońca na niebie
określane jest w funkcji
szerokości geograficznej,
deklinacji i kąta godzinnego.

Wzory

• Wysokość kątowa

• Azymut

cos

sin

cos

sin

Kąty godzinne i azymuty wschodu i zachodu Słońca

• Korzystamy z wzoru:

• podstawiamy =0 (Słońce leży na płaszczyźnie poziomej)
• wtedy:

• Długość pory dziennej (czas pomiędzy wschodem i zachodem Słońca)

cos

sin

)

cos(

arc

)

cos(

arc

Przykłady długości dnia

Przechodzenie promieniowania słonecznego

przez atmosferę

Widmo promieniowania słonecznego

Rodzaje promieniowania słonecznego na

powierzchni Ziemi

Nasłonecznienie

• Średnio rocznie

1100 kWh/m

/rok

• (ok. 3 GJ/m

/rok - co odpowiada ok. 100 m

gazu.

• Duży udział składowej dyfuzyjnej ok. 50%

(średniorocznie) a w zimie do 77%

Średnie nasłonecznienie na terenie Polski

Średnie miesięczne nasłonecznienie na powierzchnię poziomą

dla Warszawy (średnia z lat 1976-1985)

Kolektory słoneczne

•Matematyczny model kolektora
•Właściwości promieniowania słonecznego
•Budowa i rodzaje kolektorów
•Zastosowania (m.in. radiacyjne chłodzenie)

Model matematyczny kolektora

słonecznego

Rozkład energii
promieniowania
słonecznego
padającego na
kolektor płaski

Fizyka powtórzenie

• Prawo Fouriera

( - wsp. Przewodzenia ciepła - [W/(m K)]

• Moc strat cieplnych

(U - wsp. przenikania ciepła - U[W/(m

K)]

• Współczynnik przenikania ciepła:

grad

wnikania

opory

Podstawowe pojęcia

• Użyteczna moc cieplna (P

[W])

- różnica pomiędzy mocą

absorbowanego strumienia słonecznego i mocą strat
cieplnych do otoczenia

• Całkowity współczynnik strat cieplnych kolektora U

• Grubość absorbera

• Średnica zewnętrzna rurek D, długość L
• Odstępy pomiędzy rurkami W

Założenia:

• strumień czynnika roboczego taki sam w każdym kanale
• absorber z materiału o dużym wsp. przew. ciepła (stała temperatura)
• promieniowanie absorbuje tylko absorber

Schemat kolektora

Równanie bilansu energii

• Absorbowane promieniowanie słoneczne: S

• Straty do otoczenia: U

- T ) x

• Przepływ ciepła wzdłuż absorbera spowodowany różnicą temperatur

(x) i T

(x + x)]

Równanie kolektora

Sumarycznie:

Po przekształceniach (równanie kolektora):

)

(

Praktyczne obliczanie sprawności kolektora

Wykorzystanie poprzedniego równania jest w przypadku prostych

pomiarów zbyt złożone (najczęściej używaną wielkością jest ilość ciepła
pozyskana przez medium grzewcze), dlatego:

•

zaniedbujemy nierównomierność temperatur absorbera (T

(x)=const),

•

zakładamy, że po pewnym czasie pracy temperatura absorbera i wylotu czynnika grzewczego są
zbliżone

•

- transmisyjność osłony przezroczystej (ok. 0.9 i więcej)

•

- absorbcyjność powłoki izolatora (typowe wartości, np.: 0.8)

Pomiary praktyczne wykonuje się wg poniższego wyrażenia

gdzie – ΔT to mierzona na stanowisku różnica temperatur pomiędzy medium na wylocie i wlocie

kolektora

)

(



Budowa i zagadnienia materiałowe

kolektorów słonecznych

Podstawowe pojęcia fizyczne:

• Emisyjność (ε):

zdolność danej powierzchni do emitowania

promieniowania.

• Absorpcyjność ( ):

zdolność do pochłaniania promieniowania -

stosunek promieniowania pochłoniętego przez daną powierzchnię
do padającego na tą powierzchnię

• Refleksyjność ( ) :

zdolność powierzchni do odbijania

promieniowania

• Transmisyjność ( ):

stosunek przepuszczonego promieniowania do

padającego

+ + = 1

Podział kolektorów

• CZYNNIK PRZENOSZĄCY CIEPŁO

cieczowe i powietrzne

• CIECZOWE:

płaskie, próżniowe, magazynujące, elastyczne

• POWIETRZNE:

płaskie, o powierzchni rozwiniętej, porowate,
nadciśnieniowe (foliowe)
Ze względu na drogę przepływu powietrza rozróżniamy:
kolektory z przepływem ciepła pod absorberem, nad oraz
nad i pod

Kolektor cieczowy - płaski

a) widok z góry
b) widok z boku

1 - górna rura zbiorcza

2 - absorber

3 - przepływ czynnika

roboczego

4 - dolna rura zbiorcza

5 - szyba

6 - uszczelki

7 - kanały

8 - izolacja cieplna

Budowa typowego kolektora słonecznego

•

1. Szyba hartowana
2. Miedziany absorber
3. Przewód miedziany zbiorczy
4. Wyjścia boczne do łączenia kolektorów
5. Uszczelniacze silikonowe
6. Izolacja termiczna - wełna mineralna, pianka poliuretanowa

7. Obudowa ze stopu aluminiowego.

Kolektor cieczowy- próżniowy

Rurka z czynnikiem

roboczym w
kształcie

a) litery U

b) prostym

1 - szklana rura

próżniowa

2 - obszar próżni

3 - absorber

4 - rurka z

czynnikiem
roboczym

5 - mieszek

Kolektor cieczowy- próżniowy, cd..

c) Czynnik roboczym

przepływa dwiema
współosiowymi
rurami

d) z parowaczem-

skraplaczem

1 - szklana rura

próżniowa

2 - obszar próżni

3 - absorber

4 - rurka z czynnikiem

roboczym

5 - mieszek

6 - parownik

7 - skraplacz

Kolektor próżniowy i rurowy

Zbudowane są z rur (plus zwierciadła w rurowych)

Wyprodukowanie takiego kolektora jest technologiczne
trudniejsze są one droższe od kolektorów płaskich

Kolektory w laboratorium dydaktycznym

WEiP, Kawiory 40

Kolektor próżniowy i płaski

Kolektory powietrzne - płaskie

Przepływ ciepła wzdłuż absorbera wymuszony jest przez wentylator (a-d prostopadle do

płaszczyzny przekroju), c-d: absorbery z żebrami - rozwinięta powierzchnia (też a)

1 - szyba, 2 - absorber, 3 - szczelina powietrzna, 4 - kanał kolektora, 5 - izolacja cieplna

Omówienie poszczególnych

składowych kolektora

1. Pokrycia selektywne
2. Szyby i osłony z tworzyw sztucznych
3. Pokrycia przeciwodbiciowe
4. Materiały termoizolacyjne
5. Przezroczyste materiały izolacyjne
6. Płyny o niskiej temperaturze krzepnięcia

Pokrycia selektywne

Pokrycie selektywne
absorbera zapewnia dużą
absorpcyjność w zakresie
długości fal
promieniowania
słonecznego i małą
emisyjność w zakresie
podczerwieni

Metody chemiczne i
elektrochemiczne
wytwarzania pokryć:
czarna miedź, chrom,
molibden, kobalt
(głównym elementem są
tlenki tych metali)

Osłony przeźroczyste kolektorów

• W niewielkim stopniu absorbują promieniowanie (duża transmisyjność)
• Najczęściej spotykane to szyby

Pokrycia przeciwodbiciowe

• Rola: ograniczenie odbić światła od powierzchni np. szyb
• Współczynnik załamania światła warstwy

przeciwodbiciowej (antireflex coating) n

powinien być

dobrany do współczynnika załamania materiału osłony n
zależnością:

• współczynnik ten powinien wynosić 1.22-1.26
• wsp. załamania światła zależy od gęstości - wytworzenie

materiału o mniejszej gęstości

• materiały porowate

a r

Materiały termoizolacyjne

• Przezroczyste (TIM) -

transparent insulation
materials

• bardzo duży opór

przewodzenia ciepła

• duża transmisyjność dla

promieniowania
słonecznego

• budowa komórkowa

a) izolacja kapilarna

b) izolacja ulowa

• Umieszczane pomiędzy

dwoma szybami w celu
zapewnienia odpowiedniej
sztywności

• ograniczenie konwekcji,

przewodzenie tylko w
szkielecie

Płyny o niskiej temperaturze krzepnięcia

• Wodne roztwory

glikoli

• Niewodne płyny:

oleje
węglowodorowe
oleje silikonowe

Struktura pasmowa ciała stałego

W przypadku izolatorów przeniesienie elektronu z pasma
podstawowego (walencyjnego) do pasma przewodnictwa wymaga
dostarczenia energii o wartości 2-10 eV. Dla półprzewodników
energia ta jest mniejsza i wynosi od 0.1 do 2eV. W metalach nie
istnieje pasmo wzbronione.

Fotowoltaika - podstawy fizyki ciała stałego

Brak domieszek

generacja par dziura-elektron

Gdy elektron w stanie podstawowym, znajdujący się wraz z atomami w idealnej sieci krystalicznej, pochłonie
kwant światła (DOSTARCZY MU SIĘ ENERGIĘ) przechodzi do pasma przewodnictwa, natomiast w paśmie
walencyjnym pozostaje luka (dziura).

Dziura jest nośnikiem ładunku dodatniego. Proces ten nazywa się generacją par elektron – dziura.

W półprzewodniku samoistnym koncentracja dziur i elektronów jest jednakowa i nosi nazwę koncentracji
samoistnej.

Półprzewodnik samoistny

•Krzem, jak i inne
półprzewodniki należy do 4-tej
grupy układu okresowego -
tzn. posiada 4 elektrony
walencyjne

•W krysztale te elektrony stają
się wspólne dla czterech
sąsiednich atomów - powstaje
bardzo trwała konfiguracja
ośmioelektronowa (wiązanie
kowalentne)

Półprzewodniki domieszkowane

Wyróżniamy domieszki donorowe (typ N-negative) oraz akceptorowe (typ P- positive)

Domieszki donorowe to atomy V grupy układu okresowego: fosfor, arsen, antymon, bizmut. Atomy takie mają

pięć elektronów

walencyjnych z których cztery są związane z atomami krzemu, piąty zaś elektron jest wolny i może być łatwo przeniesiony do pasma
przewodnictwa. Blisko pasma przewodnictwa powstaje tzw. poziom donorowy.

Półprzewodnik typu P ma w swojej sieci część atomów krzemu zastąpionych przez atomy z trzeciej grupy układu okresowego takie jak ind,
gal. Wprowadzony do półprzewodnika atom trójwartościowy powoduje niedobór w sieci krystalicznej jednego elektronu. Brak elektronu
tworzy dziurę, która jest nośnikiem ładunku dodatniego. Powstaje dodatkowe pasmo akceptorowe

•Donory: domieszkujemy atomem mającym 5
elektronów walencyjnych, 4 tworzą wiązanie
kowalentne, 5-ty jest swobodny i porusza się
wewnątrz kryształu
•Akceptory: domieszkujemy atomem mającym 3
elektrony walencyjne i aby utworzyć wiązanie
uzyskuje dodatkowy elektron od krzemu -
prowadzi to do pojawienia się dziury, która może
poruszać się wewnątrz kryształu.
•Skutkuje to pojawieniem się dodatkowych
poziomów: donorowy (od słabo związanych
elektronów) i akceptorowy (od dziur).
•Zatem w półprzewodniku mamy elektrony i dziury
generowane termicznie i pochodzące od
domieszek.

W celu wytworzenia pola elektrycznego
w półprzewodniku wprowadza się dwa
różne półprzewodniki z efektywnym
ładunkiem dodatnim i ujemnym

Łącząc obszary p i n tworzymy pole
elektryczne

Pole elektryczne tworzy się w obszarze
zwanym złączem p-n

Wybity przez światło elektron jest
poruszany tym polem elektrycznym,
najpierw przez ogniwo a potem przez
zewnętrzny obwód

Rozdzielenie ładunków

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Typowe ogniwo ma kształt prostokątny o wymiarach
dochodzących do kilku centymetrów.

Kruchość ogniwa warunkuje to, że nie buduje się

dużych ogniw ale małe, które łączy się równolegle i
szeregowo

celu

uzyskania

odpowiednich

właściwości prądowo –napięciowych.

W celu obniżenia kosztów buduje się ogniwa jak
najcieńsze.

Warstwa n –znajduje się przy powierzchni ogniwa i
ma grubość kilku mikrometrów. Pod spodem znajduje
się warstwa p.

Górna część ogniwa zaopatrzona jest w elektrodę

ujemną, która powinna być jak najmniejsza aby nie
przesłaniać właściwej części fotoogniwa.

Górna powierzchnia półprzewodnika typu n powinna
być bardzo gładka, aby nie

następowało odbicie

światła.

Powierzchnia

fotoogniwa

chroniona

jest

przed

uszkodzeniami mechanicznymi osłoną zewnętrzną.

Dolna

część ogniwa jest ułożona na dobrze

dopasowanym metalowym styku, będącym elektrodą
dodatnią -najczęściej w kolorze czarnym.

Praca ogniwa słonecznego

Charakterystyki prądowo-napięciowe

Wpływ natężenia
promieniowania na:

A) zmianę

charakterystyki I-U

B) Zmianę punktu mocy

maksymalnej (MPP)

Widać, że wraz ze zmianą natężenia

promieniowania zmienia się położenie
punktu MPP. Na rys. (A) zielona linia to
prosta odpowiadającą obciążeniu (stała
rezystancja). Punkty przecięcia tej prostej
z charakterystykami fotoogniwa
odpowiadają punktom pracy dla różnych
natężeń promieniowania świetlnego.

Aby ogniwo pracowało jak najbliżej punktu MPP

należy dobrać odpowiednią rezystancje
obciążenia (rys. B), w zależności od
natężenia promieniowania słonecznego
(zagadnie dość skomplikowane i
wymagające zawansowanych układów
elektronicznych oraz akumulatorów)