Сонячна енергетика лекція i hub 2015
Post on 13-Apr-2017
390 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Сонячна енергетика– ?міф чи реальністьЛекція в центрі підприємництва та інновацій iHUB Чернігів, 28.11.2015 р.
Велігорський О.А.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
Доповідач• К.т.н., доцент Велігорський
Олександр Анатолійович.
• Завідувач кафедри біомедичних радіоелектронних апаратів та систем Чернігівського національного технологічного університету.
• Керівник напряму інноваційно-технічного розвитку громадської організації «Чернігів Європейський»
• alexveligorsky@gmail.com 2
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
Доповідач• Учасник програми стажування за кордоном від
міністерства освіти і науки України.• Glyndwr University, Great Britain, 11/2011 - 02/2012.
• Учасник програми “Східне партнерство” від DAAD (Німецька агенція академічнх обмінів).• Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences, 04/2014 - 05/2014.• Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences, Nolden Regelsysteme GmbH
04/2015 - 05/2015.
• Переможець Travel Grant Competition від BILAT-UKR*AINA• Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences, 08/2014.
• Керівник спецкурсу “Printed Circuit Board Design for Power Electronics: A Practical Guide” для аспірантів.• Tallinn University of Technology, 01/2015. 3
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
План лекції• Що таке фотовольтаїка?• Фотовольтаїка – від садових ліхтариків до космічних
станцій.• Рентабельність сонячної енергетики – чи настільки зелені
“зелені технології”?• Типові кейси для фотовольтаїки – дім, місто, Україна, світ.
4
Що таке?фотовольтаїка
Якможна використати ?енергію Сонця
• Нагріти сонячними променями воду до точки кипіння, яка буде обертати турбіну!
• Це сонячна термальна електростанція.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
6
Якможна використати ?енергію Сонця
• Використати явище внутрішнього фотоефекту, при якому під дією випромінювання утворюється перерозподіл електронів за енергетичними рівнями і утворюються вільні електрони.
• Це фотоелемент!• Також відомий як «сонячна батарея».• Також відомий як «фотоелектричний перетворювач».
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
7
Принцип роботифотоелементу• Схожий на принцип роботи звичайного діода (p-n перехід).
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
8
Принцип роботифотоелементу• Світло потрапляє на p-n перехід фотоелементу й
поглинається матеріалом.
• Енергія поглинутих фотонів передається матеріалу, утворюється пара носіїв заряду («дірки» – в р-легованій частині, електрони – в n-легованій частині).
• Носії заряду створюють електричний потенціал (електричне поле), і якщо ми підключимо навантаження – під дією поля будуть рухатись по електричному колу.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
9
Чи багато енергії ми?отримаємо
• Електрична потужність – це:
P=V·I=I2·R=V2/R• Чим більше напруга й чим більше струм – тим більша
потужність!
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
10
Чи багато енергії ми?отримаємо
Напруга:•Одна комірка фотоелементу видає максимальну напругу 0,6…0,7 Вольт.Струм:•Струм – залежить від розміру (площі) напівпровіднику, який опромінюється сонячними променями.
Висновки:•Хочемо отримати більший струм з одного елементу – збільшуємо розміри.•Хочемо отримати більшу напругу – з’єднуємо кілька елементів послідовно.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
11
Типова характеристика250 .Вт панелі
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
12
Паралельно чи?послідовно
• Паралельне підключення фотоелектричних комірок – збільшує струм.• Напруга – не змінюється.
• Послідовне підключення – збільшує напругу.• Струм – не змінюється.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
13
Від комірки до масиву• Модуль - кілька комірок підключаються послідовно, до
досягнення необхідного рівня напруги Vmodule=0,6·NS.• Панель – з’єднання кількох модулів паралельно, для
досягнення потрібного рівня струму Іpanel= Іmodule·NP.• Масив – об’єднання кількох панелей.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
14
Як оцінити потужність фотоелектричного
?модуля• Сонце – газовий шар, за рахунок ядерних реакцій температура всередині Сонця біля 20 млн. К.
• Температура поверхні – 5762К.
• Інтенсивність випромінювання (з рівняння Стефана-Больцмана): H = 62,5·106 Вт/м2.
• Загальний потік енергії, що випромінюється Сонцем: 9,5·1025 Вт.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
15
Як оцінити потужність фотоелектричного
?модуляСкільки енергії дійде до Землі?
•До Землі дійде: 1353 Вт/м2 – це так звана «Сонячна постійна» АМ0.• Так як Земля рухається по еліпсу, то реальне значення
змінюється від 1300 до 1400 Вт/м2.•До Марса: 586 Вт/м2.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
16
Як оцінити потужність фотоелектричного
?модуля• Освітленість поверхні Землі залежить від:• Поглинання і розсіяння в атмосфері.• Наявність хмар, забруднень атмосфери і т.п.
• До поверхні Землі доходить максимум 1000 Вт/м2.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
17
Як оцінити потужність фотоелектричного
?модуля• Коефіцієнт корисної дії (ефективність) фотоелектричного модуля – відношення електричної потужності на виході до енергії випромінювання, що потрапляє на панель.
• У більшості фотоелементів к.к.д. – біля 15%.• Максимальне значення в лабораторії – біля 47%.
• Потужність випромінювання на поверхні Землі – максимум 1000 Вт/м2.
• Висновок: максимум з 1 м2 поверхні панелі можна отримати 150 Вт.
• 1 Вт – можна зняти з 66,6 см2 (наприклад, 10 на 7 см).
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
18
?Які бувають панеліПанелі для побудови автономних систем:•Для зарядки портативної електроніки.•Для живлення світлодіодних ліхтариків.Параметри:•Потужність – від 0,5 до 2 Вт.•Напруга – від 0,6 до 20 В. Ве
ліго
рськ
ий О
.А.,
© 2
015
19
?Які бувають панеліПанелі для побудови промислових систем:•Потужність – від 150 до 250 Вт.•Напруга – від 24 до 48 В.•Струм – від 3 до 10 А.•Тривалість роботи – до 20…25 років.• При зменшенні ефективності
до 25%. Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
20
Матеріали фотоелектричних
модулів• Кремнієві однопереходні – найбільш розповсюджені на даний момент (можуть бути моно- чи полікристалічні).• Типовий к.к.д. – біля 15%.• Мають один p-n перехід.
• Тонкоплівочні модулі – можуть бути гнучкі, однак з меншою ефективністю.• К.к.д – до 10%.• Дорожчі ніж звичайні.
• Багатоперехідні (multijunction PV cells).• Декілька p-n переходів, кожен з яких реагує на свою довжину
світла.• К.к.д. – до 40%.• Суттєво дорожчі ніж звичайні.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
21
Максимальнаефективність
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
22
Япридбав сонячну…панель
• Монокристалічний кремній – темний (35% ринку).• Полікристалічний кремній – синій (55% ринку).• Тонкоплівочний фотоелемент – темний, однорідний (10%).
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
23
Рентабельність сонячної
– енергетики чи настільки дешеві
“ ”?зелені технології
З чого складається вартість сонячної
?електрики• 1. Вартість обладнання:• Фотоелектричні панелі.• Перетворювачі напруги.• Акумулятори (для автономних систем)• Кабелі, комутаційні елементи.
• 2. Вартість дозволів на підключення до мережі, перевірки і т.п.
• 3. Вартість затрат на монтаж обладнання.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
25
Вартість фотоелектричних
.панелей• Знизилась до 0,3 у.о. за 1 Вт в США!
• При неоптових закупках – біля 1 у.о. за 1 Вт.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
26
А якщодо загальної?вартості
• В 2015 році в світі вартість встановлення всього обладнання для отримання 1 Вт енергії знизилась до 3 у.о.• В більшості випадків – це трохи більше 4 у.о.• 10 кВт – біля 30000 у.о.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
27
http://solar-power-now.com/cost-of-solar/
?А це багато чи мало• Для невідновлювальних джерел:• Вугільні електростанції – біля 2,1 у.о. на 1 Вт потужності.• Великі гідроелектростанції – біля 1 у.о. на 1,0 Вт потужності.
• Для відновлювальних джерел:• Вітрогенерація – біля 2,0 у.о. на 1 Вт.
Висновки:• На даний момент фотовольтаїка поки дорожча від
більшості викопних та відновлювальних джерел електроенергії!
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
28
Коефіцієнтвикористання• Для класичних джерел – дані з США.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
29
Коефіцієнтвикористання• Для відновлювальних джерел - дані з США.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
30
Чому так мало для?фотовольтаїки
• Погода не завжди ясна.• Сонце не завжди знаходиться в зеніті.• Ближче до горизонту – більше проходить через атмосферу –
більше розсіюється та поглинається в атмосфері.• Тривалість сонячного дня – не 24 години.• Вводять поняття «сонячних годин»:
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
31
Мапа річної інсоляції в.Європі
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
32
А тепер для України• Для Чернігова – на оптимально орієнтовану поверхню за
кутом нахилу площею в 1 м2 потрапить випромінювання сумарною потужністю 1239 кВт.• Множимо на к.к.д. панелі 15% - виходить 185 кВт за рік з 1 м2
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
33
http://apricus.com.ua/informatsiya/urovni-solnechnoy-insolyatsii-v-ukraine
Типові кейси для.фотовольтаїки
Прикладивикористання• PV - Фотоелектричні панелі.• Charge controller – Контролер заряду батарей.• Battery - Акумуляторні батареї.• Inverter - Інвертор з постійної напруги в 220 В / 50 Гц.• Backup Generator – резервний генератор.• Meter – електричний лічильник (рахує як передану так і
спожиту енергію).• DC, AC Disconnect – вимикачі в мережах постійного та
змінного струму.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
35
Автономний будинок
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
36
Переваги й недоліки автономних систем
• Найдорожча вартість електроенергії.• Використовуємо лише енергію Сонця.• Акумулятори повинні бути такої ємності, щоб витримувати
весь час до наступної підзарядки.• Резервування – генератором.• Акумулятори мають обмежену кількість заряд-розрядів –
треба замінювати через 3-6 років.• Можливі дні коли ми будемо «без світла».• В зимові та осінні дні та в хмарну погоду. Ве
ліго
рськ
ий О
.А.,
© 2
015
37
Підключення до мережі
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
38
Переваги підключення .до мережі
• Ми можемо продавати залишки електроенергії по «зеленому тарифу».• В Україні зараз «зелений тариф» для сонячної електроенергії з
установок до 10 кВт – 0,2 Євро/кВт год.• За часів Януковича «зелений тариф» для наближених складав
0,6 Євро/кВт год.• Не треба акумулятори.• Ми споживаємо енергію з мережі коли нам треба.• Продаємо залишки енергії, коли вона нам не потрібна.
• Потенційно - вища вартість системи.• Узгодження, дозволи.• Додаткове обладнання – інвертори.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
39
Підключення до мережі з акумуляторним
.запасом
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
40
Переваги підключення . до мережі з акум
.запасом• Захист від відсутності мережі – 100%.• Ми заряджаємо акумулятори чи-то від Сонця, чи від мережі.• Заряджені акумулятори відключаємо коли є Сонце чи мережа.
• Продаємо залишки енергії по зеленому тарифу.• Найбільша вартість.• Акумулятори + інвертор.• Дозволи, узгодження…
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
41
, А теперь уважаем ые, кроты д авйте
…посчитаем
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
42
Розрахунок вартостіобладнанняДля 10 кВт котеджної електростанції потрібно:•40 панелей по 250 Вт.
• 1 панель – розмір 1,6 м х 1,0 м = 1,6 м2.• 40 панелей – 64 м2 поверхні даху.• Вартість 1 панелі – біля 6000 грн (250 у.о.).• 40 панелей – 10000 у.о.
•Контролери панелей, інвертор, комутаційне обладнання.• Інвертор на 10 кВт – біля 4000 у.о.• Контролери панелей – біля 500 у.о.• Комутаційне обладнання – біля 500 у.о.
•Загальні інвестиції – більше 15 тис. у.о. (без врахування дозволів).•185 кВт за рік з 1 м2
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
43
Скільки енергії ми можемо продавати?державі• Як рахували раніше, з 1м2 поверхні в Чернігові можна
отримати 185 кВт год за рік.• З поверхні в 64 м2 – 11840 кВт год.• Якщо будинок споживає в середньому 400 кВт год на
місяць, то за рік ми споживатимемо 4800 кВт год.
• Продаємо: 11840-4800 = 7040 кВт год.• Отримуємо: 7040 кВт/год * 0,18 Євро/ кВт год = 1267 Євро.• 0,18 Євро/ кВт год – «зелений тариф» для України з 2017 р.
• Окупність: 14000 Євро /1267 Євро = 11 років.• Після окупності ми отримуватимемо додатково біля 1000
Євро кожного року на протязі 10-15 років.
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
44
http://ecotechnica.com.ua/energy/163-zelenyj-tarif-mozhet-stat-dlya-ukraintsev-khoroshim-istochnikom-dokhoda.html
Висновки• То чи варто вкладати кошти в зелені технології?
Велі
горс
ький
О.А
., ©
201
5
45
Дякую за!увагу
top related