Promieniowanie optyczne
Źródła naturalne
Generacja
i
zastosowanie promieniowania
naturalnego
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
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