ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka...

44
ENERGIJA SUNCA ENERGIJA SUNCA Doc.dr.sc. Zdenko Šimić Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb, Zavod za visoki napon i energetiku [email protected]

Transcript of ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka...

Page 1: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

ENERGIJA SUNCAENERGIJA SUNCA

Doc.dr.sc. Zdenko ŠimićFakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb,

Zavod za visoki napon i [email protected]

Page 2: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce 22009. 2

SadržajSadržaj

Uvod

Sunčevo zračenje na horizontalnu i položenu

plohu

Korištenje energije zračenja Sunca za grijanje

Korištenje energije zračenja Sunca za

proizvodnju električne energije

Ukratko

Page 3: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce2009.

Uvod: Povijest korištenja energije Sunca

Uvod: Povijest korištenja energije Sunca•

život na zemlji

vjerovanja•

prvi pokušaji korištenja krajem 19. st.

1954. prva fotonaponska ćelija

najrazvijenije korištenje za grijanje

komercijalno razvijene termoelektrane koje koriste toplinu proizvedenu sunčevim zračenjem

cijena u opadaju

Le bagnanti, Pablo Picasso, 1918

Taperet praying to the sun

Solarni

parni strojevi: Pariz 1878 i Pasadena

CA 1901

Page 4: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

ProsjeProsječčna snaga (na snaga (ozraozraččenjeenje) u 24 h.) u 24 h.

GG

00

= 1370 W/m= 1370 W/m22

na rubu atmosfere na rubu atmosfere i pola Zemlje.i pola Zemlje.

4

Page 5: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Snaga i energija sa Sunca Snaga i energija sa Sunca

1. Solarna

energija godišnje dozračena

na Zemlju 2. Trenutno korištena solarna

energija3. Rezerve prirodnog plina4. Rezerve ugljena5. Rezerve nafte6. Rezerve urana7. Godišnja svjetska potrošnje energije

GG

00

= 1370 W/m= 1370 W/m22

--

na rubu atmosfere pola Zemljena rubu atmosfere pola Zemlje

--

solarnasolarna

konstanta srednja vrijednost konstanta srednja vrijednost ((±±3,5%)3,5%)

G = G = KK

tt

··GG

00--

na tlu ovisi o atmosferina tlu ovisi o atmosferiKK

tt

––

indeks prozraindeks prozraččnostinosti

2009. 5

Page 6: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Prividno gibanje Sunca kroz godinu i danPrividno gibanje Sunca kroz godinu i dan

2009. 6

Page 7: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Kolektor:

najbolji nagib kolektora za Sunce u najvišoj točki βo

:

ω=0o, okomito na sunčeve zrake: βo

=90o -

ϕ

+ δ–

ωsc

satni kut za fiksni kolektor

Energija

i snaga Sunčeva zračenja na ZemljiEnergija

i snaga Sunčeva zračenja na ZemljiOzračenje

– gustoća snage

G [W/m2]

(iradijancija)

Ozračenost

– gustoća energije H

[Ws/m2]

Zemljopisna širina ϕDeklinacija Sunca δ - kut između ravnine

ekvatora i spojnice središta Zemlje i Sunca

Satni kut Sunca ω

-

vrijeme izraženo pomoću

kuta (1h≡15o, 0o

za Sunce u najvišem položaju,

negativno prije podne: npr. 10h Sunč. vremena

odgovara sat. kutu ω=-30o;

ωs

satni kut

izlaska/zalaska: α=0o/180o

u formuli

Visina Sunca α - kut između horizonta i

Sunca

Azimut Sunca Ω - kut na ravnini horizonta Između pravca prema jugu i pravca

projekcije sunčevih zraka na horizont (0o

za Sunce u najvišem položaju, negativno prije podne)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=365

81360sin45,23 nooδ

ωδϕδϕα coscoscossinsinsin +=

αωδ

coscoscossin =Ω

2009. 7

Page 8: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Mjerenje ozračenosti (Sunčeva energija)Mjerenje ozračenosti (Sunčeva energija)•

Piranometri:–

termički ili –

poluvodički

Zračenje na ravnoj plohi:–

globalno (ukupno), –

direktno i–

difuzno (raspršeno)

Važan je iznos i trajanje dnevne ozračenosti (insolacije)

Najčešće se mjeri samo globalna (ukupna) ozračenost–

tada je potrebno izračunavati udio direktne i raspršene komponente

Rezultati mjerenja su dostupni kao ozračenost na ravnu plohu za prosječni dan u mjesecu: [Wh/m2

ili

J/m2]•

Za sve primjene nužno je razlučiti direktni i raspršeni dio

Obnovljivi

izvori

energije: Sunce

H

2009. 8

Page 9: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Mjerenja i proračunMjerenja i proračun

2009. Obnovljivi

izvori

energije: Sunce

Ukupna godišnja ozračenost na:• horizontalnu plohu i na •

plohu pod optimalnim fiksnim nagibom.

9

Page 10: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Grijanje•

pasivno

aktivno

Korištenje

Sunčeve energijaKorištenje

Sunčeve energija

Električna energija•

direktno

u elektranama

2009. Obnovljivi

izvori

energije: Sunce 10

Page 11: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Pasivno

Solarno

grijanjePasivno

Solarno

grijanjePotencijali:•

Zadovoljenje desetine postotaka potreba za grijanjem

Od jednostavnih rješenja do sofisticiranih izvedbi

Svjetlo po danu, upravljivi pokrovi, vakumirano staklo

EU 2010: pasivno solarno

grijanje štedi

10% potreba za grijanjem prostora

Zahtjevi:

Velika južna površina za prihvat sunčeva zračenja.

Konstrukcija s velikom termalnom masom (npr. gusti beton ili cigle).Ovo sprema toplinsku energiju za dana i zadržava preko noći.

Dobra izolacija na vanjskim strukturama za održavanje topline

Izbjegavanje zasjenjivanja objekata.

2009. 11Obnovljivi

izvori

energije: Sunce

Page 12: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Aktivno solarno

grijanjeAktivno solarno

grijanje

Nisko-temperaturni

kolektori:–

Bez pokrova za grijanje npr

bazena. –

Perforirane ploče za predgrijavanje

zraka.

Srednje-temperaturni

kolektori:–

Izolirani kolektori s pokrovom.

Visoko-temperaturni

kolektori:–

Vakumirane cijevi.–

Koncentrirajući

Solarni

toplinski kolektori preuzimaju energiju svjetlosnog zračenja i griju vodu. Solarni

toplinski kolektori

se mogu

kategorizirati prema temperaturi na koju griju vodu.

2009. 12

Page 13: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

i NTPE 13

Primjene solarnog grijanja vode

Primjene solarnog grijanja vode

Grijanje vode u domaćinstvima•

Grijanje bazena i kupatila

Grijanje procesne vode•

Dogrijavanje

za kondicioniranje

zraka

www.rewww.re--solutions.orgsolutions.org

(NREL)

Page 14: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Efikasnost kolektora određuje konstrukcija i razlika temperature

2009.

ϑu - ϑz Temperatura iznad okolišne

K _ G Solarno

ozračenje

W/m2

Efikasnost = % iskorištenog Solarnog

ozračenja

Bez pokrova najbolji za~ do 10 °C iznad okolišne

najbolji za~10 do 50 °C iznad okolišne

najbolji zaviše

od 50 °C iznad okolišne

k–

koef. ukupnih gubitaka

k

=

14

Page 15: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

i NTPE 15

Primjeri isplativih solarnih

toplinskih primjena

Primjeri isplativih solarnih

toplinskih primjena•

Niske

temperature:–

bazeni, jezera za uzgajališta–

predgrijavanje

za ventilaciju–

pranje auta i sl.; otapanje snijega

Visoke

temperature:–

industrijski

procesi–

proizv. el. energije–

zagrijavanje vode i prostora

• Srednje

temperature:–

stambena i komercijalna

topla voda– kafeterije, praonice –

zagrijavanje prostora

(površina koja zrači)

– zatvori, rekreacioni centri– javne ustanove (vrtići i sl.)

Page 16: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

i NTPE 16

Solarni krov Špansko, Zagreb

• solarni

kolektori

10

m2

• spremnik

750 l

• solarni

moduli 7,14

kWp• 3 izmjenjivača dc/ac• 40 mjernih osjetnika• 200 parametara

Page 17: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Sunčevo ozračenje

na kolektor u horizontalnom položaju, pod nagibom i u pokretu

zora sutonvrijeme tijekom dana

Wm-2

1000

500

Pokretni kolektor

slanted

Promjena položaja-u jednoj osi tijekom dana 25% do 30% više energije-u dvije osi tijekom daje 30% do 40% više energije- sunčanije lokacije imaju više koristi

Promjena položaja-poskupljuje instalaciju (duplo)-otežava održavanje-veća masa-mijenjanje položaja u nekoliko navrata (npr. 4x godišnje) ne daje značajno povečanje

2009. 17Korištenje

Sunčeve

energije

Page 18: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

i NTPE 18

primjena za zgrade

Energetski tornjevi

Koncentrirani tanjuri

Parabolične

protočne elektrane

Koncentrirana Koncentrirana solarnasolarna

energijaenergija

Page 19: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Solarna

elektrana –

parabolična protočnaSolarna

elektrana –

parabolična protočna

kao i sve druge koncentrirane teh. koristi samo direktno zračenje

najrazvijenija tehnologija •

instalirano više stotina MWe•

koncentracija sunca 75x•

temperature do 500 oC•

godišnja efikasnost (sunce u el. en.) do 14%

obično prati sunce I-Z•

Rankine ciklus direktno ili posredno

cijena blizu konkurentne drugim izvorima

optimalna snaga 200 MWe•

unapređenja na cijevima i spremanju topline (otopljena sol)

2009. Obnovljivi

izvori

energije: Sunce

30 MWe, Kramer

Junction, California

19

Page 20: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeSunce

toplinski

Solarna

elektrana – solarni

toranj

Solarna

elektrana – solarni

toranj

manje razvijenija tehnologija u odnosu na parabolične protočne

instalirano probno više desetaka MWe•

koncentracija sunca 800x•

temperature do 560 oC•

procjena godišnje efikasnosti do 18%•

radni mediji: voda, org. kapljevinesoli natrij nitrata ili zrak

Rankine ciklus posredno ili direktno•

optimalna snaga 100-ne MWe•

unapređenja na cijevima i spremanju topline (otopljena sol)

2009.

Solar

II 10 MWe, California, skoro 2000 ogledala, 100m toranj, 40 M$

11 11 MWeMWe, , SpainSpain, 600 ogledala, 600 ogledala

20

Page 21: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Solarna

elektrana –

parabolični tanjurSolarna

elektrana –

parabolični tanjur

najmanje razvijen sustav

instalirano probno više MWe

koncentracija sunca više od 3000x

temperature preko 750 oC

i godišnja efikasnost od 22%

svaka jedinica ima 10 do 25 kWe

i može raditi samostalno -

modularnost

Stirlingov

toplinski stroj–

ηt

preko 40 %

visoka gustoća snage ~55kW/L

problem pouzdanost i cijena koncentratora

Braytonov

topl. stroj i mikroturbine se također testiraju

planovi za stotine MWe

2009. Obnovljivi

izvori

energije: Sunce 21

Page 22: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Direktna pretvorba Sunčeve u električnu energiju

Direktna pretvorba Sunčeve u električnu energiju

fotoefekt

otkrio Becquerel

1839.•

Einstein

objasnio fotoefekt

1905.

direktna konverzija solarnog

zračenja u el. energiju

prva moderna FN ćelija napravljena

1954. u Bell

Labs

kristal silicija (ili drugi poluvodič) apsorbira svjetlost

odgovarajuće zračenje oslobađa

elektron•

slobodni elektron znači elektricitet

2009. 22

Page 23: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije2009. Obnovljivi

izvori

energije: Sunce

Kako radi FN ćelijaKako radi FN ćelija•

Kristali silicija dopirani

atomima različitog broja valentnih elektrona–

Silicij

4, –

Fosfor

5

i Bor

3

Fosforom dopirani

silicij postaje n-sloj, sa slobodnim elektronima

Borom dopirani

silicij postane p-sloj, sa šupljinama

1.

Elektroni idu od n-sloja prema p-sloju

2.

Inicijalno neutralni p-n spoj ima električno polje – napon između p-sloja i n-sloja

3.

Fotoni oslobađaju elektrone u p-n spoju koje električno polje usmjerava u n-sloj

4.

Nagomilani elektroni struje kroz priključeni teret

električna energija

23

Page 24: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Sunčevo zračenje i FN ćelijaSunčevo zračenje i FN ćelija

Samo je dio zračenja u UV području, a ostalo približno podijeljeno u vidljivom (0,38-0,78 μm)

i IC.

2009.

Omjer mase zraka = AMAM0 na vrhu atmosfereZa θ = 48 deg

AM=1.5

24

Page 25: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeKorištenje

Sunčeve

energije

Temeljni parametri FN ćelija

2009.

Amorfni Si

5% 2007.Monokristalni Si

42% 2007.

Polikristalni Si

45% 2007.

Stupanj djelovanja je definiran kao omjer upadnog ozračenja

i električne snage.

Veći stupanj djelovanja od teorijskog se postiže kombinacijom poluvodičkih materijala, kvantnim točkama i fokusiranjem sunčeva zračenja.

25

Vrsta ćelije Uok

V Jks

/ (mA

cm-2) η

% ProizvodnjaMonokristalična-Si Polikristalična-Si Amorfna-Si Amorfna-Si, 2 sloja, tanki filmCd

S / Cu2

S Cd

S / Cd

Te Ga In

PAs

/ Ga As

0,65 0,60 0,85 0,50,7 1

30 26 15 2015 25

14-

18~14

88,812

10,721

masovnamasovnamasovnamanje količinemanje količinemanje količinemanje količine

Page 26: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Osnovne karakteristike FN ćelija Osnovne karakteristike FN ćelija

26

Page 27: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

I-U karakteristika i maksimalna snagaI-U karakteristika i maksimalna snaga

2009.

Unutrašnji otpori FN ćelije određuju I-U karakteristiku s točkom maksimalne snage.Za maksimalnu snagu Pm karakteristične su struja Im i napon UmUOC –

napon otvorenog kruga (open circuit, ili UOK ili samo UO )Omjer maksimalne snage i produkta IKS sa naponom Uo se naziva faktor punjenja F.

Im

Uoc

Točka maksimalne snage, Pm

Isc

-struja kratkog spoja (short circuit, ili IKS

)

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.7U, Napon

(V)Um

0UIUIF

KS

mm

⋅⋅

=

27

Page 28: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Snaga, solarno

zračenje i temperaturaSnaga, solarno

zračenje i temperatura

I-U

karakteristika

monokristalne

FN

ćelije pri

ozračenjima

od 200, 600 i 1000W/m2

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6U, Napon

(V)

I, Stru

ja(A

)

200 W / m2

600 W / m2

1000 W / m2

2009.

I-U

karakteristika

modula sa monokristalnim

FN

ćelijama pri

tri različite temperature.

28

Page 29: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Solarni

modul i panelSolarni

modul i panelTemperirano staklo

Prozirni laminat

Prozirni laminat

Solarna ćelija

PlastikaAluminijski

okvirRazvodna kutija

2009. 29Obnovljivi

izvori

energije: Sunce

Page 30: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

U-Ikarakteristika

spoja FN ćelijaU-Ikarakteristika

spoja FN ćelija

Obnovljivi

izvori

i NTPE 2006. 30

Page 31: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeEnergijske

tehnologije: Energija

sunca 31

Optimiranje globalnog i lokalnog optimuma ozračenosti FN panela

položajem

Optimiranje globalnog i lokalnog optimuma ozračenosti FN panela

položajem

2009.

Page 32: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

FN primjeneFN primjene

2009.

Porast kapaciteta oko 30% godišnje.Golem porast (preko 1GW/god) dovodi u pitanje raspoloživost Si.Ekonomičnost još

uglavnom nedostižnaPreko 10 GW ukupno inst. do kraja 2008.

Instalirano 2002.

Ovisi o potpori

Ekono-

mično

10 i 6,3 MWe

Njemačka

32

Page 33: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeKorištenje

Sunčeve

energije

Direktni S baterijama HibridniSamostalni

FN sistemi

Samostalni

FN sistemi

2009.

Fleksibilnost i optimalni rad se postiže primjenom elektronike snage za ispravljanje, konverziju i rad u točki maksimalne snage

33

Page 34: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Elektrifikacija udaljenih i nerazvijenih krajeva

Elektrifikacija udaljenih i nerazvijenih krajeva

Pokazatelji: cijena na sat i cijena po litri dobavljene vode

2009. 34

Page 35: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeKorištenje

Sunčeve

energije

FN na mreži

FN na mreži

Pokazatelji: estetika, cijena po površini i cijena po energiji

2009.

Podudarnost FN proizvodnje i potreba u poslovnoj zgradi potencijal za ekonomičnost.

35

Page 36: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce2009.

Do kraja 2009. bi se trebala dovršiti FN (tanki film) elektrana od 40 MWe

u Njemačkoj:• 130 M€, 3250 €/kW, 400000 m2

36

Page 37: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

ZaključnoZaključno•

Grijanje najveći i najisplativiji potencijal

pasivno

aktivno

Posredna pretvorba u el. en. vrlo razvijena

komercijalno za parabolične protočne elektrane

veliki broj prototipnih postrojenja za solarne

tornjeve

u razvoju za solarne

tanjure

uz spremanje topline ima veliki potencijal

FN pretvorba predstavlja čistu i pouzdanu tehnologiju–

Proizvodnja uložene energije za

1

do

4

godina

Silicij dominira, tanki film dolazi

Značajnih FN

resursa ima i

u zemljama na sjeveru

FN

primjena isplativa –

samo u posebnim aplikacijama

poticaji nužni

Masovna proizvodnja i inovacije će vjerojatno spustiti cijenu značajno na duži rok:–

750 to 1500 kWh/kW–

za 2010. 2-3

€/Wp–

za 2020. 2

€/Wp

i 9

€ct/kWh

Obnovljivi

izvori

energije: Sunce2009. 37

Page 38: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

DODATNODODATNOSlajdovi koji nisu stali u prezentaciju, a zanimljivi su.

2009. Obnovljivi

izvori

energije: Sunce 38

Page 39: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije2009. Obnovljivi

izvori

energije: Sunce

Efikasnost ravnih kolektoraEfikasnost ravnih kolektora

Efikasnost

= Korisna toplina

/ Solarno

zračenje

η = Q.k

/ (G⋅⋅A)=Qk /(H ⋅⋅ A)

Korisna toplina

= Primljeno

-

Gubitci

Qk

= F ⋅A [a⋅G - k⋅ ΔT]⋅ΔtQk = F ⋅A [a⋅H - k⋅ ΔT⋅ Δt]

Efikasnost η = F [a-

k ⋅⋅ ΔΔT T /G]

Propusnost stakla prema valnoj duljini svjetlosti

G⋅⋅a⋅⋅F⋅⋅A

kk ⋅Δ⋅ΔTT⋅⋅FF⋅⋅AA

Q.k

A

= površina kolektora

(m2)

G = globalno

(ukupno) ozračenje

(W/m2)

F = faktor prijenosa topline iz apsorbera

na medij (vodu)

Q.k

= korisna toplinska snaga

(W)

k = koeficijent ukupnih topl. gubitaka

(W/m2K)

ΔΔT = T = ϑϑuu -- ϑϑzz

ϑϑ u = ulazna temperatura medija

ϑϑ z = vanjska temperatura

zraka

a = efektivni produkt τ α

τ

= transmitivnost

pokrova

α

= apsorptivnost

apsorbera

G⋅⋅A

39

Page 40: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

energije: Sunce

Od

izmjerenoga

do potrebnogaOd

izmjerenoga

do potrebnoga

često su dostupne samo vrijednosti kao u tablici iznad

za većinu primjena potrebno je odrediti ukupnu ozračenost na plohu pod nekim nagibom β

koja se sastoji od tri dijela:

direktni dio (b) se određuje preko produkta direktne ozračenosti na ravnu površinu i faktora proporcionalnosti Rb

raspršeni dio (d) se određuje preko raspršene ozračenosti na ravnu plohu i prostornog kuta pod kojim se 'vidi' nebo s plohe uz pretpostavku o izotropnosti

neba•

raspršena ozračenost na ravnu plohu se određuje primjenom korelacije (Kulišić) s ukupnom ozračenosti H i indeksom prozračnosti Kt

indeks prozračnosti određuje omjer ukupne ozračenosti i ozračenosti na ulazu u atmosferu H0

reflektirani dio se računa preko produkta faktora refleksije ρ, ukupne ozračenosti na ravnu plohu i proporcionalnosti s dijelom okoline koja odbija svjetlost na plohu

za ravnu plohu nema reflektirane komponente–

opisani postupak određuje dnevne prosjeke ozračenosti za plohu pod nagibom te je potrebno koristiti dnevne prosjeke

za H0

i Rb

H [MJ/m2] sije. velj. ožu. trav. svib. lip. srp. kol. ruj. list. stud. pros. kWh/god.Split 6,5 9,8 14,3 18,6 23,3 25,9 25,4 22,4 17,4 12,7 7,4 5,7 1600Zagreb 3,7 6,5 9,7 14,8 19,3 20,6 21,3 18,7 14,0 8,3 3,6 2,7 1200

Mjesečne prosječne dnevne ozračenosti na horizontalnu plohu

( )δϕωωδϕπ

sinsinsinsinsin365

360cos033,012400 ss

nGH +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅

⋅+=

ββ bbb RHH =

( )32 86,229,517,460,1 tttd KKKHH −+−⋅=

0HHK t =

db HHH −=

δϕωωδϕδβϕωωδβϕβ

βsinsinsincoscos

sin)sin(sincos)cos(

ss

scsc

b

bb

HHR

+−+−

==

ββββ rdb HHHH ++=

2cos1 β

β+

= dd HH

2cos1 βρβ

−= HH r

( )δϕω tgtgs −= arccos

[ ]{ }δβϕωω tgtgssc )(arccos,min −−=

b –

beam (direktni) dio

2009. 40

Page 41: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

i NTPE 41

Solarni toranjSolarni toranj

Sandia

Lab.

eksperiment

u

solarnoj

termalnoj proizvodnji električne energije u

NM.

Financirano od USA DOE.

Page 42: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologijeObnovljivi

izvori

i NTPE 42

Solarna

termalna elektrana -

izvedbaSolarna

termalna elektrana -

izvedba

Page 43: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije

Učinkovitost FN ćelijeUčinkovitost FN ćelije

77% Sunčeva spektra iskoristivo:

Oko

43% apsorbiranog zračenja samo grije kristal.

Teorijski

maksimum: –

na

0oC efikasnost

= 28%

Efikasnost

opada brzo s porastom temperature–

na

100oC efikasnost

= 14% Teorijski maksimum efikasnosti za neke vrste FN ćelija pri standardnim uvjetima ovisno o vrsti ćelije i energiji zabranjenog pojasa Eg

.

Bakar

Indium

Selenid

(CuInSe²)Galij

Arsenid, CadmijTelur

2009.

Za izbijanje elektrona foton mora imati veću energiju od Eg

.Energija fotona veća od Eg

se ne iskoristi.Ćelije s manjim Eg

imaju i manji napon.

43

Page 44: ENERGIJA SUNCA - Izbor · PDF filetoplinski stroj – η preko 40 % – visoka gustoća snage ~55kW/L – problem pouzdanost i cijena koncentratora • Braytonov topl. stroj i mikroturbine

Energijske tehnologije44

U idealnoj fotonaponskoj

ćeliji RS

=0 (nema serijskog gubitka), i RSH

= ∞

(nema rasipanja prema zemlji). •

U visoko kvalitetnoj silicijevoj ćeliji veličine jednog kvadratnog inča RS

= 0.05 do 0.10 Ω

i RSH

= 200 do 300 Ω. •

Učinkovitost fotonaponske

ćelije je osjetljiva na male promjene RS

, ali nije osjetljiva na promjene RSH

. Malo povećanje u serijskom otporu RS

može značajno smanjiti izlazne karakteristike•

Napon praznog hoda VPH

ćelije određuje se kada je ćelija neopterećena (struja potrošača I = 0), prema izrazu: VPH

= V+IRSH•

Struja diode je dana izrazom:

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡−= 1AKT

QVII PHDd

ID

= struja zasićenja diodeQ = 1.6 ⋅

10-19

CA = prilagođavanje krivulje konstanteK = Boltzmannova

konstanta = 1.38 ⋅

10-23

J/KT = temperatura u K

Nadomjesna shema FN ćelije

Nadomjesna shema FN ćelijeIzlazna struja I jednaka je struji koju proizvodi

sunčeva svjetlost. Serijski otpor RS

predstavlja unutarnji otpor i ovisi o dubini p-n spoja, nečistoćama i otporu spoja.