Systemy solarne Główne metody konwersji EPS

Dr inż. Mariusz Szewczyk
Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Termodynamiki
35-959 Rzeszów, ul. W. Pola 2
Systemy solarne
Główne metody konwersji EPS
schemat
fototermiczna konwersja niskotemperaturowa
fototermiczna konwersja wyskotemperaturowa
konwersja fotowoltaiczna
konwersja fotochemiczna
BMi
L
w
1951
Schemat przekształceń
Kolor żółty – rodzaje konwersji energii promieniowania słonecznego (EPS)
Kolor zielony – naturalne procesy przekształcania EPS
Kolor łososiowy – techniczne procesy transformacji EPS
Kolor szary – energia użyteczna (ramka niebieska) i nośniki energii (ramka czerwona) uzyskiwane
w procesach przekształcania EPS
BMi
L
w
1951
Fototermiczna konwersja niskotemperaturowa
Niskotemperaturowa konwersja fototermiczna polega na wykorzystaniu energii
termicznej powstałej podczas absorpcji promieniowania słonecznego przez
powierzchnie ciał stałych i cieczy, bez koncentracji lub z bardzo niewielkim
stopniem koncentracji promieniowania słonecznego.
Wzrost temperatury medium lub struktur absorbujących lub/i transportujących
energię termiczną w trakcie normalnej pracy nie przekracza 100 K.
BMi
L
w
1951
Konwersja niskotemperaturowa – rodzaje systemów
Podstawowe technologie dokonujące niskotemperaturowej konwersji
fototermicznej to:
• cieczowe kolektory fototermiczne - ciepło użytkowe,
• systemy pozyskiwania EPS w budownictwie pasywnym i niskoenergetycznym ciepło użytkowe,
• powietrzne kolektory fototermiczne - ciepło użytkowe,
• suszarnie i odsalarnie słoneczne - ciepło użytkowe,
• stawy słoneczne - ciepło użytkowe lub energia elektryczna,
• wieże słoneczne – energia elektryczna.
Systemy wytwarzające ciepło użytkowe, w zależności od tego czy do
wykorzystania otrzymanej energii termicznej wymagają dodatkowej energii z
zewnątrz, czy też energia termiczna zostanie przemieszczona/wydzielona we
właściwe miejsce dzięki naturalnym procesom wywołanym absorpcją
promieniowania słonecznego, dzielimy na:
• systemy pasywne i
• systemy aktywne.
BMi
L
w
1951
Zastosowania systemów pasywnych
Pasywna metoda wykorzystania energii termicznej uzyskanej na drodze
konwersji fototermicznej znalazła zastosowanie przede wszystkim w:
• systemach pozyskiwania EPS w budownictwie,
• przygotowywaniu ciepłej wody użytkowej CWU w kolektorach magazynujących
i instalacjach termosyfonowych,
• wentylacji naturalnej i suszarniach słonecznych z wentylacją naturalną.
Przygotowywanie ciepłej wody użytkowej CWU w kolektorach
magazynujących i instalacjach termosyfonowych jest możliwe do zastosowania
w lepszych niż Polskie warunkach klimatycznych lub w instalacjach działających
okresowo w okresie letnim - instalacje termosyfonowe w celu właściwego
działania wymagają bowiem takiego natężenia promieniowania które w Polsce
występuje rzadko, a kolektorów magazynujących nie można stosować gdy
temperatura obniża się poniżej temperatury zamarzania wody.
Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w suszarnictwie jest
natomiast najbardziej efektywnym ekonomicznie sposobem wykorzystania
energii promieniowania słonecznego.
BMi
L
w
1951
Konwersja wysokotemperaturowa
Podstawowym warunkiem uzyskania odpowiednio wysokiej temperatury
czynnika roboczego jest zastosowanie kolektora skupiającego – koncentratora
promieniowania słonecznego zwiększającego irradiencję na absorberze.
W układach pozyskiwania EPS stosowane układy koncentratorów zapewniają
stopień koncentracji od kilku do 10000. W układach koncentrujących stosuje się
albo reflektory – lustra, albo refraktory – soczewki skupiające.
Stosowane mogą być tak koncentratory obrazowe jak i bezobrazowe. Ze
względu na uzyskiwane temperatury absorbera, ściśle uzależnione od stopnia
koncentracji, za układy wysokotemperaturowe uznaje się w zasadzie tylko te
wykorzystujące koncentratory obrazowe. Koncentratory bezobrazowe (CPC)
wykorzystywane są w konwersji niskotemperaturowej.
Warunkiem niezbędnym efektywnego i ekonomicznego działania systemów
wysokotemperaturowych jest roczne nasłonecznienie bezpośrednie mierzone w
płaszczyźnie prostopadłej do kierunku promieniowania przekraczające 7 GJ/m2 (2
kWh/m2). Warunek ten nie jest spełniony w Polsce nawet w miejscach
posiadających najlepsze warunki słoneczne.
BMi
L
w
1951
Konwersja wysokotemperaturowa – rodzaje systemów
Wysokotemperaturowa konwersja fototermiczna stosowana jest w systemach
służących do produkcji energii elektrycznej lub wytwarzania ciepła
technologicznego.
Systemy termokonwersji wysokotemperaturowej różnią się między sobą budową
koncentratora, sposobem usytuowania odbiornika względem koncentratora oraz
wykorzystania ciepła w odbiorniku i dzielą się na trzy zasadnicze typy:
• układy z odbiornikiem centralnym,
• układy z odbiornikami rozproszonymi,
• układy kolektorów indywidualnych dyskowych.
BMi
L
w
1951
Konwersja fotoelektryczna
Konwersja fotoelektryczna opiera się na efekcie fotowoltaicznym odkrytym w 1839
r. przez E. Bequerela.
Zasada działania współczesnych ogniw fotowoltaicznych opiera się na zjawiskach
zachodzących w złączu p-n oświetlonym przez fotony o odpowiedniej energii.
Bariera potencjału występująca na złączu p-n prowadzi do segregacji ładunków
dodatnich i ujemnych powstałych na skutek wyrzucenia przez fotony
promieniowania elektronów z sieci krystalicznej do pasma przewodnictwa.
Ponieważ rozdzielone ładunki są nośnikami nadmiarowymi przesuniętymi z jednego
obszaru do drugiego powstaje potencjał elektryczny pomiędzy zewnętrznymi
powierzchniami ogniwa.
Konwersja fotowoltaiczna jest najprostszym sposobem przetwarzania energii
bezpośrednio z postaci najbardziej pierwotnej (energia promieniowania
słonecznego) w postać najbardziej przetworzoną (energia elektryczna).
BMi
L
w
1951
Konwersja fotoelektryczna – rodzaje systemów
Panele i ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są w dwojakiego typu systemach.
1.
Systemy autonomiczne (off grid) stosowane do:
•
zasilania urządzeń przenośnych,
•
zasilania urządzeń zewnętrznych konsumenckich i przemysłowych,
•
•
2.
zasilania systemów produkcji nośników chemicznych np. wodoru,
zasilania pojedynczych budynków i osiedli nie podłączonych do sieci;
W większości przypadków systemy te wyposażone są w układ akumulacyjny złożony
z akumulatorów pozwalających ma długotrwałe ładowanie i głębokie rozładowanie
lub drugie źródło energii w postaci siłowni wiatrowej lub silnika cieplnego.
Systemy sieciowe (grid connected) zsynchronizowane z siecią elektroenergetyczną:
•
•
zdecentralizowane (niezawodowe) w postaci instalacji skompletowanych z
samodzielnych paneli ustawionych na powierzchni dachu/gruntu lub instalacji
zintegrowanych z elementami infrastrukturalnymi lub budynkami,
zcentralizowane (zawodowe) w postaci wielkopowierzchniowych zestawów
paneli o mocy powyżej 200 kW (elektrownie fotowoltaiczne);
Systemy takie nie posiadają układu akumulacji, a energia elektryczna oddawana jest
poprzez inwertory bezpośrednio do sieci wewnętrznej lub zewnętrznej.
BMi
L
w
1951
Konwersja fotochemiczna
Konwersja fotochemiczna polega na przekształceniu energii kwantu
promieniowania elektromagnetycznego w energię wiązania chemicznego bez
pośrednictwa innego nośnika energii.
Konwersja taka jest dokonywana w sposób naturalny podczas procesu fotosyntezy
przekształcając energię promieniowania słonecznego w energię biomasy. Odbywa
się to jednak z bardzo niską sprawnością - w energię chemiczną podczas
fotosyntezy przekształcane jest w zależności od typ cyklu fotosyntezy i warunków
klimatycznych od 3 do 6 % energii padającej na powierzchnię terenów zielonych.
Systemy techniczne wykorzystujące konwersję fotochemiczną produkują
chemiczne nośniki energii i oparte są na trzech podstawowych schematach:
• prowadzenie naturalnej fotosyntezy w warunkach kontrolowanych zwiększających
jej sprawność (np. poprawa naświetlenia, podniesienie stężenia CO2),
• realizacja reakcji fotosyntezy bez udziału organizmów żywych z udziałem
odpowiednich katalizatorów (np. prace prof.. Nazimka z UMCS),
• wykorzystanie reakcji fotochemicznych do rozkładu związków chemicznych,
sterylizacji itp. – fotoliza wody.