Opis
Monografia o interdyscyplinarnym charakterze, kompleksowo ujmująca zagadnienia związane z przemianą energii słonecznej w elektryczną. Scharakteryzowano promieniowanie słoneczne, opisano zasady doboru optymalnego kąta nachylenia odbiornika tego promieniowania oraz konwersję fotowoltaiczną. Opisano budowę, charakterystyki i technologie produkcji ogniw fotowoltaicznych oraz różne konfiguracje systemów fotowoltaicznych zasilających obiekty stacjonarne. Poruszono także zagadnienie zasilania środków transportu energią słoneczną oraz aspekty prawne, społeczne, ekonomiczne i normalizacyjne dotyczące wykorzystania ogniw słonecznych, jak również problematykę recyklingu modułów fotowoltaicznych. Ponadto przedstawiono metody konwersji energii słonecznej w energię cieplną oraz przykłady zastosowań kolektorów cieplnych w Polsce i na świecie.Książka jest przeznaczona dla ekologów i inżynierów zajmujących się odnawialnymi źródłami energii i działaniami proekologicznymi oraz dla studentów szkół wyższych i studiów podyplomowych, przede wszystkim o specjalnościach: energetyka, elektrotechnika, elektronika, fizyka, budownictwo, ekologia transportu i ochrona środowiska.
Spis treści
Spis treści
Przedmowa
13
Wykaz oznaczeń 21
Wykaz skrótów
23
1. Energia Słońca 29
1.1.
Charakterystyka Słońca 29
1.2.
Promieniowanie emitowane z powierzchni Słońca
30
1.3.
Zależności opisujące energię Słońca 33
1.3.1.
Relacje między kątami opisującymi położenie odbiornika energii względem Słońca 33
1.3.2.
Składowe promieniowania słonecznego 34
1.4.
Modelowanie globalnego potencjału promieniowania słonecznego na przestrzeni 100
lat 39
1.4.1.
Promieniowanie słoneczne dominującą częścią bilansu energetycznego naszej
planety 39
1.4.2.
Szacowany globalny potencjał promieniowania słonecznego na podstawie
alternatywnych danych meteorologicznych
40
1.5.
Kąt pochylenia odbiornika do podłoża – przejście płaszczyzny odbiornika z
poziomej do pochylonej 46
1.5.1.
Od modelu izotropowego do anizotropowego
46
1.5.2.
Metoda Liu-Jordana 47
1.5.3.
Modyfikacje metod rozwiązania dla pochylonej płaszczyzny odbiornika 49
1.5.4.
Dyskusja optymalizacji orientacji przestrzennej odbiornika energii słonecznej
ze względu na maksymalny zysk energetyczny
53
1.5.5.
Optymalizacja ustawienia odbiornika na podstawie symulacji komputerowej 60
1.5.6.
Warunki i wyniki pomiarów gęstości mocy promieniowania 66
1.6.
Techniki komputerowe w rozwiązywaniu problemów prognostycznych promieniowania
słonecznego 70
1.7.
Wnioski 73
1.8.
Sonda kosmiczna Parker Solar Probe 76
1.9. Metody konwersji energii słonecznej 79
1.10. Zalety i wady energetyki słonecznej 80
Literatura do rozdziału 1 81
2. Cieplna
energetyka słoneczna 90
2.1. Metody konwersji energii słonecznej w cieplną 90
2.2. Kolektory 90
2.2.1. Charakterystyka ogólna 90
2.2.2. Kolektory cieczowe 91
2.2.3. Kolektory powietrzne i próżniowe 96
2.3. Słoneczne instalacje cieplne na świecie 97
2.3.1. Kolektory cieplne w krajach europejskich 97
2.3.2. Słoneczne systemy ciepłownicze wielkopowierzchniowe 100
2.3.3. Elektrownie cieplne wieżowe
103
2.4. Przykłady zastosowania kolektorów cieplnych 106
2.5. Cieplna energetyka słoneczna w Polsce 110
2.5.1. Rozkład całkowitego promieniowania słonecznego 110
2.5.2. Możliwości wykorzystania energii słonecznej do celów
termicznych 113
Literatura do rozdziału 2 120
3. Konwersja
energii słonecznej w elektryczną 124
3.1. Zjawisko fotowoltaiczne wewnętrzne 124
3.1.1. Mechanizm zjawiska 124
3.1.2. Powstawanie bariery potencjału
126
3.2. Kalendarium wydarzeń w rozwoju konwersji fotowoltaicznej 129
3.2.1. Antoine Cesar Becquerel i jego odkrycie 129
3.2.2. Badania zjawiska fotowoltaicznego w XIX wieku 131
3.2.3. Teoria Alberta Einsteina
131
3.2.4. Jan Czochralski i jego metoda
132
3.2.5. Dalszy rozwój fotowoltaiki
139
3.2.6. Witold Żdanowicz − pionier fotowoltaiki w Polsce 142
3.2.7. Twórcy fotowoltaiki III generacji 143
Literatura do rozdziału
3 147
4. Rozwiązania materiałowe,
konstrukcyjne i eksploatacyjne ogniw fotowoltaicznych 153
4.1. Podział materiałowy i strukturalny ogniw fotowoltaicznych 153
4.2. Ogniwa krzemowe 156
4.2.1. Ogólna charakterystyka krzemu
156
4.2.2. Ogniwa mono- i polikrystaliczne
157
4.2.3. Ogniwa z krzemu amorficznego
161
4.2.4. Cienkowarstwowe krzemowe ogniwa krystaliczne 164
4.2.5. Nowe rozwiązania 165
4.3. Ogniwa z tellurku kadmu
179
4.3.1. Ogólna charakterystyka tellurku kadmu 179
4.3.2. Rozwiązania krystaliczne i cienkowarstwowe 181
4.4. Ogniwa z arsenku galu 184
4.4.1. Ogólna charakterystyka arsenku galu 184
4.4.2. Struktury krystaliczne i cienkowarstwowe 185
4.5. Ogniwa z diselenku indowo-miedziowego (CIS) i ich modyfikacje (CIGS,
CIBS) 187
4.6. Ogniwa fotowoltaiczne typu tandem
192
4.7. Ogniwa fotowoltaiczne z nanorurkami 194
4.8. Ogniwa organiczne 195
4.8.1. Ogólna charakterystyka ogniw
195
4.8.2. Wybrane rozwiązania planarne i struktury 3D 196
4.8.3. Ogniwo barwnikowe Grätzela
197
4.8.4. Nowe rozwiązania ogniw organicznych 198
4.9. Ogniwa perowskitowe 199
4.10. Moduły 202
4.11. Ogniwo fotowoltaiczno-fototermiczne o konwersji
kombinowanej 204
4.12. Ogniwo termofotowoltaiczne o konwersji promieniowania podczerwonego 205
4.13. Ogniwa zintegrowane z architekturą 206
4.13.1. Charakterystyka rozwiązań PV stosowanych w budownictwie 206
4.13.2. Systemy dachowe 208
4.13.3. Przykład instalacji PV na dachu domu jednorodzinnego − analiza
pracy 211
4.13.4. Największe na świecie dachowe systemy PV 212
4.13.5. Moduły fasadowe i transparentne okienne 216
4.13.6. Nowe rozwiązania BIPV i znani producenci 218
4.14. Ogniwa współpracujące z koncentratorami 223
4.14.1. Koncentratory w układzie nadążnym 223
4.14.2. Nowe rozwiązania 226
Literatura do rozdziału 4 227
5. Wybrane
właściwości ogniw fotowoltaicznych 238
5.1. Absorpcyjność 238
5.2. Refleksyjność 243
5.3. Degradacja ogniw 244
5.4. Strumień fotonów w funkcji wybranych parametrów ogniwa 245
5.5. Gęstość fotoprądu emitera i bazy
246
5.6. Wydajność kwantowa 248
5.6.1. Wydajność zewnętrzna i wewnętrzna 248
5.6.2. Wpływ prędkości rekombinacji na wydajność kwantową 249
5.6.3. Wpływ średniej drogi dyfuzji na wydajność kwantową 250
5.7. Czynnik spektralny 252
5.8. Badania ogniw fotowoltaicznych w warunkach promieniowania o różnych
długościach fali w zakresie światła widzialnego
252
5.8.1. Warunki i obiekty badań
252
5.8.2. Wyniki badań 255
5.8.3. Wnioski 255
Literatura do rozdziału 5 259
6. Schemat
zastępczy, parametry i charakterystyki ogniwa fotowoltaicznego 262
6.1. Schemat zastępczy ogniwa i jego parametry 262
6.2. Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa fotowoltaicznego 264
6.2.1. Wyznaczanie zależności prądowo-napięciowych w funkcji parametrów
ogniwa 264
6.2.2. Symulacja charakterystyk wybranych ogniw w funkcji nasłonecznienia
i temperatury 266
6.2.3. Parametry charakterystyczne ogniw 266
6.3. Charakterystyka mocy i sprawność ogniwa fotowoltaicznego 272
6.3.1. Wpływ nasłonecznienia i temperatury na moc 272
6.3.2. Wpływ nasłonecznienia i temperatury na sprawność 275
6.3.3. Optymalizacja pracy w wyniku kształtowania obciążenia
ogniwa 277
6.4. Współpraca baterii słonecznej z silnikiem prądu stałego zasilającym
wentylator 278
6.4.1. Schemat ideowy badanego układu
278
6.4.2. Model matematyczny 280
6.4.3. Przykładowe wyniki symulacji
283
6.5. Praca ogniw fotowoltaicznych w różnych konfiguracjach
połączeń 286
6.6. Wpływ zacienienia na pracę modułu fotowoltaicznego 289
Literatura do rozdziału
6 290
7. Technologia
produkcji 294
7.1. Ogniwa krzemowe 294
7.1.1. Krzem do produkcji ogniw słonecznych 294
7.1.2. Wytwarzanie bloków krzemu monokrystalicznego 299
7.1.3. Otrzymywanie bloków krzemu polikrystalicznego 305
7.1.4. Cięcie bloków krzemowych na płytki 307
7.1.5. Dalsza obróbka płytek krzemowych 307
7.1.6. Inne technologie produkcji ogniw krzemowych 310
7.1.7. Nowe technologie w produkcji krzemu i ogniw krzemowych 313
7.1.8. Łączenie ogniw w moduły 315
7.1.9. Wytwarzanie taśm krzemowych
317
7.2. Ogniwa cienkowarstwowe wykonane w technologii innej niż
krzemowa 323
7.2.1. Ogniwa CdS/CdTe i CIGS 323
7.2.2. Nowa proekologiczna technologia ogniw CIGS 326
7.2.3. Ogniwa cienkowarstwowe GaAs 327
7.3. Technologia samoczyszczenia ogniw słonecznych 329
Literatura do rozdziału 7 329
8. Instalacje
fotowoltaiczne 335
8.1. Konfiguracje systemów fotowoltaicznych 335
8.2. Elementy instalacji fotowoltaicznej 339
8.2.1. Wprowadzenie 339
8.2.2. Moduły fotowoltaiczne 341
8.2.3. Trackery 347
8.2.4. Magazynowanie energii elektrycznej uzyskanej z
fotowoltaiki 349
8.2.5. Regulatory ładowania 354
8.2.6. Falowniki 357
8.2.7. Systemy monitorujące 363
8.2.8. Zabezpieczenia systemów fotowoltaicznych 363
8.2.9. Konstrukcja nośna i kable
364
8.3. Zestaw hybrydowy 368
8.4. Specyfikacja zapotrzebowania na energię. Sprawność i koszty 368
8.5. Montaż, obsługa i konserwacja instalacji fotowoltaicznej 370
Literatura do rozdziału
8 372
9. Zastosowanie
ogniw słonecznych 377
9.1. Dotychczasowe tempo rozwoju instalacji fotowoltaicznych i
perspektywy 377
9.2. Ogniwa słoneczne w urządzeniach powszechnego użytku małej
mocy 378
9.3. Systemy autonomiczne 380
9.3.1. Przegląd możliwości zastosowania 380
9.3.2. Zasilanie oświetlenia 381
9.3.3. Biletomaty i parkomaty
382
9.3.4. Ławki fotowoltaiczne 384
9.3.5. Drogi zasilane fotowoltaicznie
387
9.3.6. Latarnie morskie 388
9.3.7. Systemy ostrzegania i sygnalizacji 392
9.4. Układy współpracujące z siecią
393
9.4.1. Systemy rozproszone BIPV
393
9.4.2. Systemy scentralizowane 396
9.5. Systemy hybrydowe 407
9.5.1. Wprowadzenie 407
9.5.2. Graciosa Acores – przykład systemu hybrydowego gwarantującego
samowystarczalność energetyczną 408
9.5.3. Największe elektrownie hybrydowe z udziałem fotowoltaiki 415
9.5.4. Inne rozwiązania hybrydowe
415
9.6. Zastosowania w kosmonautyce
420
Literatura do rozdziału
9 421
10. Wykorzystanie
energii Słońca i podczerwieni do zasilania w środkach transportu 426
10.1. Samochody słoneczne 426
10.1.1. Metody zasilania 426
10.1.2. Historyczne prototypy 427
10.1.3. Samochody wyścigowe i ich parametry
konstrukcyjno-eksploatacyjne 428
10.2. Najważniejsze aspekty projektowania pojazdu słonecznego 435
10.2.1. Strategia projektowania i optymalizacja ruchu 435
10.2.2. Moc niezbędna do pokonania oporów jazdy 438
10.2.3. Moc pozyskiwana na drodze konwersji fotowoltaicznej 439
10.2.4. Moc uzupełniająca z akumulatora 441
10.2.5. Materiały i elementy konstrukcyjne stosowane w samochodach
słonecznych 444
10.3. Charakterystyki ruchu samochodu słonecznego w funkcji jego parametrów
i warunków zewnętrznych 447
10.3.1. Wpływ parametrów konstrukcyjno-eksploatacyjnych samochodu słonecznego
na jego charakterystyki ruchu 447
10.3.2. Optymalizacja doboru prędkości w samochodzie słonecznym z
doładowaniem akumulatora podczas jazdy ze względu na maksymalny zasięg 450
10.3.3. Bilans mocy pojazdu elektrycznego zasilanego energią
Słońca 454
10.3.4. Wnioski i uwagi do przeprowadzonych symulacji
komputerowych 460
10.3.5. Osiągnięcia projektowo-konstrukcyjne zespołów studenckich 463
10.4. Samochody elektryczne i hybrydowe zasilane energią Słońca 465
10.4.1. Pojazd Solar Bug 465
10.4.2. Jeep elektryczny 466
10.4.3. Pojazd Connector 2001 466
10.4.4. Peugeot BB1 Concept 467
10.4.5. Fisker Karma 468
10.4.6. Pojazd Lightyear 469
10.4.7. Aptera Sol 470
10.4.8. Dalszy rozwój pojazdów zasilanych energią Słońca 471
10.5. Wyposażenie dodatkowe 472
10.5.1. Dach słoneczny jako stacja ładowania 472
10.5.2. Samochodowe panele PV 472
10.5.3. Inne rozwiązania 473
10.6. Transport kolejowy z udziałem energii Słońca 474
10.6.1. Pociąg słoneczny w Belgii
474
10.6.2. Trendy rozwojowe aplikacji PV w kolejnictwie 474
10.6.3. Pociąg słoneczny w Australii
475
10.7. Samoloty zasilane energią Słońca
476
10.7.1. Prace NASA 476
10.7.2. Solar Challenger 476
10.7.3. Helios 476
10.7.4. Solar Impulse 477
10.7.5. Polski samolot słoneczny Phoenix
478
10.8. Jednostki pływające zasilane energią Słońca 479
10.8.1. Katamaran Sun 21 479
10.8.2. Tramwaj wodny Słonecznik 479
10.8.3. Katamaran pasażerski Solar 480
10.8.4. Katamaran Tûranor Planet
Solar 483
10.8.5. Katamaran Energy
Observer 484
10.8.6. Łodzie solarne zespołu Fiten Solar Team 486
10.8.7. Etapy projektowania łodzi zasilanych energią słoneczną 488
Literatura do rozdziału 10 489
11. Zagadnienia
prawne, społeczne, ekonomiczne, normalizacja i recykling 494
11.1. Wprowadzenie 494
11.2. Strategia Unii Europejskiej dla energetyki słonecznej 495
11.3. Koszt systemu fotowoltaicznego
500
11.4. Problem autokonsumpcji 507
11.5. Koszty zewnętrzne 508
11.6. Normalizacja 509
11.7. Konwersja fotowoltaiczna w promocji i edukacji 511
11.8. Recykling modułów fotowoltaicznych 516
11.8.1. Problemy recyklingu, koszty, technologie 516
11.8.2. Linie pilotażowe odzysku i ponownego wykorzystania modułów krzemowych 518
11.8.3. Metoda odzysku i ponownego wykorzystania modułów z CdTe 520
Literatura do rozdziału
11 521
12. Fotowoltaika w
Polsce 526
12.1. Możliwości sektora fotowoltaicznego 526
12.2. Prace naukowo-badawcze 529
12.2.1. Laboratorium Fotowoltaiczne Instytutu Metalurgii i Inżynierii
Materiałowej PAN w Kozach 529
12.2.2. Prace Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych 537
12.2.3. Laboratorium Energetyki Odnawialnej w Sulechowie 538
12.2.4. Słupski Inkubator Technologiczny 539
12.2.5. Fotowoltaika w Parku Naukowo-Technologicznym Euro-Centrum w
Katowicach 542
12.3. Największe inwestycje fotowoltaiczne w Polsce 543
12.3.1. Farmy fotowoltaiczne w Polsce
543
12.3.2. Wybrane aplikacje fotowoltaiczne w budownictwie 548
12.4. Producenci modułów 557
12.4.1. EKOpower21 Sp. z o.o. z Warszawy 557
12.4.2. Linia produkcyjna modułów Solar-Energy 557
12.4.3. SELFA GE ze Szczecina 559
Literatura do rozdziału
12 559
Indeks nazwisk 563
