Wykład: ENERGETYKA SŁONECZNA - FOTOWOLTAIKA · Wprowadzenie do fotowoltaiki 9 W 2014 r....

energetyka.michalski

Wykład: ENERGETYKA SŁONECZNA

- FOTOWOLTAIKA

Prowadzący: dr inż. Marcin Michalski

kontakt: e-mail: [email protected]

SYSTEMY ENERGETYKI

ODNAWIALNEJ B.21

mailto:[email protected]

1.Wprowadzenie do fotowoltaiki

2.Systemy fotowoltaiczne

3.Typy systemów i instalacji fotowoltaicznych

4.Eksploatacja i konserwacja systemów

fotowoltaicznych

5.Zagadnienia ogólne

6.Dobór, montaż, regulacja systemów fotowoltaicznych

7.Komputerowe wspomaganie projektowania i aspekty

ekonomiczne

PLAN PREZENTACJI

2

Wprowadzenie do

fotowoltaiki

3

Fotowoltaika (PV) - dziedzina nauki i techniki zajmująca się

przetwarzaniem światła słonecznego na energię elektryczną czyli inaczej

wytwarzanie prądu elektrycznego z promieniowania słonecznego przy

wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego

.

PV - to międzynarodowy skrót nazwy efektu fotowoltaicznego (PV=PhotoVoltaic), innowacyjnej

technologii produkcji energii elektrycznej na bazie światła, promieniowania słonecznego.

Wprowadzenie do fotowoltaiki

4

CZY ENERGETYKA

ODNAWIALNA SIĘ OPŁACA?

USTAWA OZE

- Prosument – osoba fizyczna

Mikroinstalacje do 40kW bez pozwolenia budowlanego!

- Net-metering – do 10kW 80%, 10-40kW 70%

- Brak taryf gwarantowanych „FiT”

- Obowiązek przyłączenia do sieci przez Dystrybutora

- Darmowa wymiana licznika

- 8% czy 23% VATu?


7

Rys. Promieniowanie słoneczne całkowite w

Polsce: od 950 – 1050

kWh/m2rok (średnia

długoterminowa).

Poszczególne sumy

roczne energii

promieniowania całkowitego mogą

odbiegać od średniej:

do 30%.


8


9

W 2014 r. zapotrzebowanie

na energię elektryczną

wzrosło o 0,29% i wyniosło

159,4 TWh.

10


Rys. Promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi

11


Rys. Średnie dzienne sumy promieniowania całkowitego .

Poszczególne sumy miesięczne energii promieniowania całkowitego mogą

odbiegać od średniej: do 50%.


12

13



14

MOC DOSTARCZANA PRZEZ SŁOŃCE

15

Optymalny kąt ustawienia paneli PV: 1. Instalacja on-grid 30-35ᵒ

2. Instalacja off-grid całoroczna 45-60ᵒ


CZERWIEC

Kąt, ᵒ 35 40 45 50 55 60

Strata, % 1,83 1,87 2,86 3,24 3,75 4,53

CAŁY ROK

Kąt, ᵒ 35 40 45 50 55 60

Strata, % -0,32 0,07 0,67 1,21 1,59 2,39


16

Systemy

fotowoltaiczne

17

1839 - Edmund Becquerel zauważa zjawisko generacji nośników prądu elektrycznego w niektórych materiałach poddanych naświetlaniu

1954 - pierwsze ogniwo półprzewodnikowe,

monokrystaliczne (Si CdS) o sprawności 6% -era zastosowań

kosmicznych 1975 - pierwsze zastosowania komercyjne

(kryzys paliwowy)

18

Systemy fotowoltaiczne

19 19


Generacje ogniw fotowoltaicznych:

ogniwa fotowoltaiczne I generacji - są to klasyczne ogniwa złożone niemal 100% krzemu, posiadające tradycyjne złącze p-n. Stanową ok 82% rynku ogniw. Charakteryzują się sprawnością ok 18-22% oraz relatywnie niską automatyzacją procesu produkcyjnego

ogniwa fotowoltaiczne II generacji - ogniwa oparte na złączu p-n, lecz złożone z innych pierwiastków niż krzem, tj. tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, galu, indu, selenu (CIGS) lub krzemu amorficznego. Charakteryzują się większą automatyzacją produkcji niż ogniwa I generacji i w związku z tym są znacznie tańsze w produkcji. Jednak ich główną wadą jest niższa sprawność sięgająca ok 7-15%. Udział w tynku tego typu ogniw to ok 18%.

ogniwa fotowoltaiczne III generacji - ogniwa bazujące na różnorodnej technologii nie opartej na półprzewodnikach, a w związku z tym nie posiadają złącza p-n. Najpopularniejsze w tej chwili technologie to DSSC oraz ogniwa polimerowe. Charakteryzują się niską sprawnością ok 5%, ich największą zaletą są bardzo niskie koszty produkcji. Udział w rynku nie przekracza 0,5%.

System fotowoltaiczny korzysta z energii słońca. Jego wielką zaletą jest to, że działa niezależnie od sieci energetycznej i gwarantuje stałe dostawy nawet w przypadku awarii. Co ciekawe produkuje energię nawet w pochmurne dni.

http://www.instsani.pl/folowolt.htm

20


21


ogniwa PV I generacji

Zasada działania krzemowego ogniwa PV I generacji

22


Technologia wytwarzania ogniw fotowoltaicznych

23


Technologia wytwarzania ogniw fotowoltaicznych

24


Metoda Jana Czochralskiego - technika otrzymywania monokryształów, która polega na powolnym, stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału zarodka krystalicznego w

sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację na jego powierzchni. Dodatkowo, jeśli wymagają tego warunki procesu krystalizacji zarodek oraz tygiel mogą

zostać wprawione w ruch obrotowy celem polepszenia warunków transportu masy i ciepła.

W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli.

25

26


Proces wzrostu kryształów

krzemu zachodzi w

temperaturze 1400 C

27



28

29 ogniwa PV II generacji


ogniwa PV III generacji


30

Obecnie udział w rynku krystalicznych, słonecznych ogniw krzemowych (c-Si) w różnych odmianach (monokrystaliczne, multikrystaliczne, taśmowe) przekracza 90%. Pozostała

część przypada na technologie cienkowarstwowe (TF) (amorficzne ogniwa Si, CI(G)S, CdTe).

31


Perowskity – nowa technologia

w fotowoltaice

Perowskity to grupa nieorganicznych związków

chemicznych. Nowa technologia

zaproponowana przez Olgę Malinkiewicz

charakteryzuje się szybkim czasem produkcji

oraz nie wymaga zastosowania

skomplikowanych urządzeń. Przeprowadzana

jest w warunkach próżniowych

niskotemperaturowych. Polega na naniesieniu

sprayem cienkiej warstwy perowskitów na

dowolny materiał np. folię. Aktualnie sprawność

dochodzi do 20%, zaś w przyszłości może

osiągnąć nawet 30%.

Ogniwo perowskitowe.

Foto: Olga Malinkiewicz.


32

http://gramwzielone.pl/energia-sloneczna/12001/przelomowe-rozwiazania-dla-fotowoltaiki-made-in-poland-saule-technologies-ma-recepte


Moduły dwustronne

Zdjęcie tyłu modułu 33


Moduły dwustronne

34


35

Dachówka fotowoltaiczna


36

Dachówka fotowoltaiczna

Ogniwa z krzemu monolitycznego

Technologia produkcji


37

Dane techniczne wybranych modułów polikrystalicznych

39


Klasy wykonania paneli:

A – ogniwa pozbawione skaz,

B – ogniwa z nielicznymi skazami,

C – ogniwa z licznymi skazami

NORMY:

Ogniwa krzemowe – certyfikat IEC 61215:2005 (spełnia normę PN-EN 61215)

Ogniwa cienkowarstwowe - certyfikat IEC 61646:2008 (spełnia normę PN-EN

61646)

WSZYSTKIE - PN-EN 61730-1:2007 – wymagana do uzyskania przyłączenia

do sieci!!!!

Odporność na warunki atmosferyczne:

Panele PV mimo lekkiej budowy mają znaczną wytrzymałość na uderzenia

i wiatr. Typowe parametry wytrzymałościowe paneli to:

- 5400 Pa dla odporności mechanicznej na obciążenie (540kg/m2)

- 2400 Pa ciśnienia wiatru (wytrzymałość na wiatr o prędkości 130 km/h)

- wytrzymałość na temperaturę od -40 do +85°C

- wytrzymałość na grad do 25 mm poruszający się z prędkością 23 m/s


40

Dane techniczne wybranych modułów polikrystalicznych c.d.

*1) STC = Standard Test Conditions (standardowe warunki kontrolne: Natężenie

nasłonecznienia 1000 W/m2, temperatura ogniwa 25 C i masa powietrza AM 1,5).

Masa optyczna atmosfery AM = 1,5

AM - masa powietrza, która oznacza kąt padania i drogę promieniowania

słonecznego (AM = 1/cos φ)

Φ=48,2

Rys. Masa optyczna atmosfery AM

41


Przykłady wad paneli PV

typu B i C


42

Dane techniczne wybranych modułów polikrystalicznych c.d.

*2) MPP = Maximum Power Point (moc maksymalna w warunkach standardowych).

*3) NOCT = Nominal Operating Cell Temperature (nominalna temperatura pracy modułu: Natężenie nasłonecznienia 800 W/m2, masa powietrza AM 1,5, prędkość

wiatru 1 m/s,

temperatura otoczenia

20 C).


43

44


45


Potencjał promieniowania słonecznego w Polsce: ok. 1 000 kWh/m2rok Instalacja fotowoltaiczna - 1kWp (7m2) =>1000kWh/rok

z 1m2 PV ok 150 kWh/rok Sprawność PV ok 15%

Elektrownia klasyczna 1kW – 8760 kWh/rok Prawie 9 razy więcej!!!


46

Dane techniczne wybranych ogniw polikrystalicznych c.d.

47


Klasa zabezpieczenia : IP68

Pierwsza cyfra oznacza ochronę przed dotknięciem i przed ciałami obcymi (0= „brak ochrony” do 6= „pyłoszczelność”) Druga cyfra – ochronę przed wodą (0= „brak ochrony” do 8= „ochrona przyciągłym zanurzeniu”).

48


49

RÓWNOLEGŁE SZEREGOWE

Typy systemów i

instalacji

fotowoltaicznych

50

Instalacja do grzania CWU

http://www.eko-logicznie.com.pl/selfa-pvcwu-4-zestaw-fotowoltaiczny-do-c-w-u/347/

Prąd stały z panelu słonecznego przekazywany jest do

ISG, który kontroluje parametry prądu przekazywane do

grzałki (zespołu grzałek) podgrzewających

w zbiorniku wodę użytkową lub grzejną. 51

Instalacja do grzania CWU

52

Instalacja na prąd stały DC

http://solarid.pl/baterie-sloneczne/zastosowania-baterii-slonecznych/baterie-sloneczne-system-offgrid

Prąd z panelu słonecznego przekazywany jest do

regulatora ładowania, który przekazuje określoną

wartość prądu do ładowania akumulatora (w zależności

od stopnia jego naładowania). Odbiorniki podłączone do

regulatora korzystają ze zgromadzonej energii w

akumulatorze. 53

54

Typy systemów i instalacji fotowoltaicznych

Instalacje na prąd stały DC

Akumulator - rozłącznie zaczyna się

od „–”, podłączanie najpierw „+”

UWAGA! Przy podłączaniu układu

należy zawsze jako pierwszy

podłączyć akumulator.

Przy odłączaniu układu należy

zawsze jako ostatni odłączyć

akumulator.

Typy systemów i instalacji fotowoltaicznych

Przetwornica prądu

55

56

Typy systemów fotowoltaicznych


57

- mikroinstalacje (do 40 kW) - małe instalacje (40-100 kW) oraz (100-200 kW) - duże systemy 200 kW+


- Dobór ze względu na miejsce (dach lub grunt) - Dobór ze względu na inwerter

mikroinwerter inwerter szeregowy 58

Sieć niskiego napięcia 230V: teoretycznie do 200kW, praktycznie do 100kW. Sieć średniego napięcia 15kV: teoretycznie do 10MW, praktycznie do 5MW. Sieć wysokiego napięcia 110kV: powyżej 5MW

inwerter centralny


59

Transformatorowe

Cięższe

Mogą mieć uziemioną

tablicę inwertera

(moduły

cieńkowarstwoe –

uziemie bieguna „-”)

Stosowane zazwyczaj

do baterii

cienkowarstwowych

wysoka sprawność

przy niskim obciążeniu

Sieciowe

synchronizują się z

siecią i mogą oddawać

energię do sieci

nie ładują

akumulatorów

wyłączają się jak nie

ma napięcia w sieci

Bez transformatorowe

Lżejsze

Wyższa sprawność w

szerokim zakresie

pracy

Nie mogą mieć

uziemionej tablicy

inwertera

Najpowszechniejszy

typ inwertera

Wyspowe

nie synchronizują się

z siecią przez co nie

mogą oddawać energii

do sieci

mogą ładować

akumulatory i

kontrolują ich pracę

zasilają urządzenia

AC w budynku

korzystając z energii z

paneli PV jak i

akumulatorów

Rodzaje falowników


60

Charakterystyka prądowo-napięciowa

Falownik – sterowanie MPP

MPP (Maximum Power Point) – falownik steruje punktem mocy

maksymalnej. Czyli zapewnia pracę generatora solarnego zawsze z

maksymalnie możliwą mocą.

Moc generatora solarnego zależy od napromieniowania

W/m2 (natężenia

promieniowania słonecznego)

oraz od temperatury ogniw.

Rys. Charakterystyki ogniw

61

Falownik – sterowanie MPP c.d.

Jeśli zmieni się

intensywność

napromieniowania lub

temperatura ogniw,

to falownik szuka nowego

MPP, aby generator pracował

zawsze z maksymalnie możliwą mocą (pole na

wykresie).

Rys. Zasada optymalizacji

mocy (wyszukiwanie

MPP)

62

Charakterystyka prądowo-napięciowa

Inwerter

Urządzeniem współpracującym z obwodami stałoprądowymi jest

beztransformatorowy inwerter dobierany do parametrów pracy sieci. Inwerter jest

urządzeniem energoelektronicznym przekształcającym prąd stały w prąd przemienny o

odpowiednich parametrach. Posiadający oprócz wbudowanej części przekształtnika

DC/AC, przekształtnik DC/DC (do zapewnienia odpowiedniej wartości napięcia i prądu)

oraz filtr AC (umożliwiający uzyskanie wielkości wyjściowych o odpowiednich

parametrach). 63

64

Inwerter SMA Sunny

Boy 1.5 / 2.5

65

Inwerter SMA Sunny

Boy 1.5 / 2.5

66

Inwerter SMA Sunny

Boy 1.5 / 2.5

Film dotyczący sposobu montażu i podłączenia nowego

Sunny Boy 1.5 / 2.5:

https://www.youtube.com/watch?v=9g_Pc9OMZxc

Konfiguracja przez innowacyjny interfejs WEB UI:

https://www.youtube.com/watch?v=RZfWf0lQL4I

Specyfikacja techniczna urządzenia:

http://www.sma-solar.pl/fileadmin/user_upload/SB15-25-

DPL1503-V10.pdf

67

Inwerter SMA Sunny

Boy 1.5 / 2.5



https://www.youtube.com/watch?v=RZfWf0lQL4I

http://www.sma-solar.pl/fileadmin/user_upload/SB15-25-DPL1503-V10.pdf










68

69



72


73

Oświetlenie uliczne, znaki drogowe


74


76

Sygnalizacja drogowa, parkometry


77

Namioty


78

.Eksploatacja i

konserwacja

systemów

fotowoltaicznych

79

CZĘŚĆ ELEKTRYCZNA

W SYSTEMIE

FOTOWOLTAICZNYM

80

Zabezpieczenia elektryczne

Zabezpieczenia elektryczne

Strona DC Strona AC

- zabezpieczenia nadprądowe

- zabezpieczenia

przeciwprzepięciowe

- zabezpieczenia nadprądowe

- zabezpieczenia

przeciwprzepięciowe

- zabezpieczenie przed pracą

wyspową

81

Zabezpieczenia nadprądowe:

Istnieją trzy główne różnice pomiędzy instalacją fotowoltaiczną a innym tradycyjnym systemem DC:

1. Wyższe napięcie- zwykle dla instalacji fotowoltaicznych jest to 400-1000 V DC. 2. Prąd zwarciowy modułów fotowoltaicznych jest bliski ich prądowi

znamionowemu. 3. Zmiana polaryzacji prądu płynącego przez wyłącznik lub rozłącznik podczas

nieprawidłowej pracy systemu PV. Wszystkie te trzy kwestie stawiają zupełnie nowe wymagania dotyczące projektowania, budowy i działania elementów DC, takich jak wyłączniki lub rozłączniki

82

Ważne aby zabezpieczenie nadprądowe miało charakterystykę gPV.

Zabezpieczenie dobiera się według poniższego wzoru (norma IEC 62548-1):

Zabezpieczenia nadprądowe: - prąd znamionowy zabezpieczenia

- prąd zwarcia generatora prądu (modułów)

- współczynnik korygujący w zależności od temperatury otoczenia

83

Ochrona odgromowa instalacji na

budynkach

PN-EN 62305-1:2008, Ochrona odgromowa – Część 1:

Wymagania ogólne.


Zarządzanie ryzykiem


Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie

życia.


Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach

budowlanych.

84

Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych

Ze względu na montaż instalacji na dachu, istnieje szczególnie zagrożenie,

wynikające z bezpośredniego uderzenia pioruna.

Uderzenie pioruna wywołuje skutki w otoczeniu w promieniu ok. 1 km.

85

W przypadku systemów fotowoltaicznych montowanych w strefie narażonej

– na dachu płaskim, konieczne jest zainstalowanie właściwej ochrony

odgromowej, ponieważ system PV jest najwyższym elementem na dachu.

Jeżeli nie zainstalowano żadnej ochrony odgromowej, generator PV musi

być uziemiony. Wyjątkiem są systemy PV o mocy poniżej 5 kW, moduły o

klasie ochronnej II lub instalacje niskiego napięcia.

Ochrona odgromowa – ochrona zewnętrzna

Zadaniem zewnętrznej ochrony odgromowej jest przewodzenie energii uderzenia pioruna.

System taki składa się z:

– zwodu,

– piorunochronu o przekroju min. 16 mm2,

– uziomu.

86

87

Zabezpieczenia

przeciwprzepięciowe:

Rozdzielnia AC

z zabezpieczeniami

nadprądowymi

Falownik

Rozdzielnia DC z ochronnikami przeciwprzepięciowymi i zabezpieczeniami nadprądowymi

88

89


Współczynnik Wartości

ki

0,08 dla I klasy LPS

0,06 dla II klasy LPS

0,04 dla III lub IV klasy LPS

km 1 dla powietrza

0,5 dla betonu, cegły

kc

1 dla jednego przewodu odprowadzającego

1÷0,5 – dla dwóch przewodów odprowadzających

1÷1/4 dla czterech i więcej przewodów

Zachowane odstępy między modułami, a instalacją odgromową 90


Odstępy między modułami, a instalacją odgromową nie są zachowane 91


Ochrona odgromowa instalacji na

budynkach

92

Ochrona odgromowa

instalacji na budynkach

Wyliczane

zgodnie z pkt

6.3 normy

PN-EN 62305-3

93


Ochrona odgromowa

instalacji na budynkach

94


Dobór średnicy przewodu - Spadek napięcia

𝑆 =𝐼𝐵 · 𝑙 · 100

𝜅 · 𝑈 · ∆𝑈%

Gdzie:

S - obliczany minimalny przekrój przewodu,

IB - prąd płynący przez przewód – prąd roboczy,

l - długość przewodu,

κ - konduktywność przewodu (dla żył Cu – 56 m/(Ωmm²), dla żył Al – 33 m/(Ωmm²)),

U - napięcie generowane przez system,

ΔU% - dopuszczalny spadek napięcia w przewodzie, który według normy N-SEP-E-002 od

licznika do dowolnego odbiornika nie powinien przekraczać 3%.

𝐼𝑍 > 𝐼𝐵 Gdzie:

Iz - prąd dopuszczalny długotrwale,

IB - prąd roboczy.

95

Przepisy bezpieczeństwa

98

Najważniejsze zasady BHP:

- w czasie prac na dachu należy przestrzegać zasad bezpieczeństwa, aby

zapobiec wypadkom;

- podczas pracy na dachu zawsze należy zabezpieczać się przed upadkiem;

- montaż powinny wykonywać minimum dwie osoby;

- w trakcie prac konieczna jest odzież ochronna;

- po zakończeniu montażu należy sprawdzić, czy zestaw montażowy i moduły

zostały stabilnie zamontowane,

W przypadku, gdy moduły fotowoltaiczne i materiały montażowa są przez

dłuższy czas narażone na działanie promieniowania słonecznego, istnieje

ryzyko poparzenia się gorącymi elementami.

99

- każdy instalator powinien posiadać aktualne zaświadczenie stwierdzające

ukończenie przeszkolenia w zakresie BHP;

- przy pracy na wysokości powyżej 1,5 m, wymagane jest aktualne

zaświadczenie dopuszczające instalatora do pracy na wysokości;

- przy pracy z urządzeniami elektrycznymi każda osoba powinna posiadać

aktualne uprawnienia elektryczne do 1 kV w zakresie montażu i eksploatacji

urządzeń elektrycznych;

- podczas prac na wysokości teren pod miejscem wykonywania prac musi

być właściwie oznaczony i zabezpieczony.

100

- przy montażu i demontażu modułu fotowoltaicznego, urządzenia

podporowe, zabezpieczające i drabiny należy stawiać na twardym podłożu

i w położeniu zapewniającym bezpieczeństwo obsłudze,

- należy stosować wyłącznie drabiny i urządzenia podporowa oraz

zabezpieczające o określonej nośności i wytrzymałości, posiadające

aktualne atesty i dopuszczenia, a w przypadku urządzeń mechanicznych,

obsługiwanych przez pracowników mających odpowiednie kwalifikacje

i uprawnienia,

- w przypadku używania drabin

urządzeń podporowych stosować

się do instrukcji ich obsługi.

101

DZIĘKUJĘ ZA

UWAGĘ

102

Wykład: ENERGETYKA SŁONECZNA - FOTOWOLTAIKA · Wprowadzenie do fotowoltaiki 9 W 2014 r....

Documents

Transcript of Wykład: ENERGETYKA SŁONECZNA - FOTOWOLTAIKA · Wprowadzenie do fotowoltaiki 9 W 2014 r....