Солнечные батареи Технология строительства и применение

Książka

Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie

Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie

Monograficzne kompleksowe ujęcie zagadnień związanych z przemianą energii słonecznej w elektryczną. Scharakteryzowano promieniowanie słoneczne, opisano zasady doboru optymalnego kąta nachylenia odbiornika tego promieniowania oraz konwersję fotowoltaiczną. Przedstawiono budowę, charakterystyki i technologie produkcji ogniw fotowoltaicznych oraz różne konfiguracje systemów fotowoltaicznych zasilających obiekty stacjonarne. Poruszono także zagadnienie zasilania środków transportu energia słoneczną oraz aspekty prawne, społeczne, ekonomiczne i normalizacyjne dotyczące wykorzystania ogniw słonecznych. Ponadto przedstawiono metody konwersji energii słonecznej w energię cieplną oraz przykłady zastosowań kolektorów cieplnych w Polsce i na świecie.

Odbiorcy książki: ekolodzy i inżynierowie zajmujący się odnawialnymi źródłami energii oraz studenci szkół wyższych i studiów podyplomowych o specjalnościach: energetyka, elektrotechnika, fizyka, budownictwo, ekologia transportu i ochrona środowiska.

Spis treści

• Przedmowa 13
• Wykaz oznaczeń 20
• Wykaz skrótów 22
• 1. Energia Słońca 25
• 1.1. Charakterystyka Słońca 25
• 1.2. Promieniowanie emitowane z powierzchni Słońca 26
• 1.3. Zależności opisujące energię Słońca 29
• 1.3.1. Relacje między kątami opisującymi położenie odbiornika energii względem Słońca 29
• 1.3.2. Składowe promieniowania słonecznego 30
• 1.3.3. Modele wyznaczania gęstości strumienia promieniowania słonecznego 35
• 1.4. Wyznaczanie optymalnego kąta pochylenia odbiornika promieniowania słonecznego ze względu na maksimum energii 38
• 1.4.1. Dyskusja optymalizacji orientacji przestrzennej odbiornika energii słonecznej ze względu na maksymalny zysk energetyczny 38
• 1.4.2. Optymalizacja ustawienia odbiornika na podstawie symulacji komputerowej 45
• 1.4.3. Warunki i wyniki pomiarów gęstości mocy promieniowania 50
• 1.4.4. Podsumowanie 54
• 1.5. Metody konwersji energii słonecznej 56
• 1.6. Zalety i wady energetyki słonecznej 56
• Literatura do rozdziału 1 57
• 2. Cieplna energetyka słoneczna 60
• 2.1. Metody konwersji energii słonecznej w energię cieplną 60
• 2.2. Kolektory 60
• 2.2.1. Ogólna charakterystyka 60
• 2.2.2. Kolektory cieczowe 61
• 2.2.2.1. Kolektory płaskie i rurowe 61
• 2.2.2.2. Kolektory cieczowe skupiające 64
• 2.2.3. Kolektory powietrzne i próżniowe 65
• 2.3. Słoneczne instalacje cieplne na świecie 66
• 2.3.1. Elektrownie cieplne 66
• 2.3.2. Światowi potentaci 67
• 2.3.3. Przykłady aplikacji kolektorów cieplnych 69
• 2.4. Cieplna energetyka słoneczna w Polsce 72
• 2.4.1. Rozkład całkowitego promieniowania słonecznego 72
• 2.4.2. Możliwości wykorzystania energii słonecznej do celów termicznych 75
• 2.4.3. Przykłady aplikacji 78
• Literatura do rozdziału 2 80
• 3. Konwersja energii słonecznej w elektryczną 82
• 3.1. Zjawisko fotowoltaiczne wewnętrzne 82
• 3.1.1. Mechanizm zjawiska 82
• 3.1.2. Powstawanie bariery potencjału 84
• 3.2. Kalendarium wydarzeń w rozwoju konwersji fotowoltaicznej 87
• 3.2.1. Antoine Cesar Becquerel i jego odkrycie 87
• 3.2.2. Badania zjawiska fotowoltaicznego w XIX wieku 88
• 3.2.3. Teoria Alberta Einsteina 89
• 3.2.4. Jan Czochralski i jego metoda 90
• 3.2.5. Dalszy rozwój fotowoltaiki 95
• 3.2.6. Witold Żdanowicz – pionier fotowoltaiki w Polsce 97
• 3.2.7. Najnowsze osiągnięcia 99
• Literatura do rozdziału 3 101
• 4. Rozwiązania materiałowe, konstrukcyjne i eksploatacyjne ogniw fotowoltaicznych 103
• 4.1. Podział materiałowy i strukturalny ogniw fotowoltaicznych 103
• 4.2. Ogniwa krzemowe 104
• 4.2.1. Ogólna charakterystyka krzemu 104
• 4.2.2. Ogniwa mono- i polikrystaliczne 106
• 4.2.3. Ogniwa z krzemu amorficznego 108
• 4.2.4. Cienkowarstwowe ogniwa krystaliczne 111
• 4.2.5. Nowe rozwiązania 112
• 4.2.5.1. Ogniwa PERL i RP-PERC 112
• 4.2.5.2. Ogniwo monokrystaliczno-amorficzne HIT 114
• 4.2.5.3. Rozwiązania cienkowarstwowe sliver 115
• 4.2.5.4. Ogniwa krzemowe Sphelar±R 117
• 4.2.6. Właściwości ogniw fotowoltaicznych wykonanych z krzemu w różnych technologiach 118
• 4.3. Ogniwa z tellurku kadmu 118
• 4.3.1. Ogólna charakterystyka tellurku kadmu 118
• 4.3.2. Rozwiązania krystaliczne i cienkowarstwowe 121
• 4.4. Ogniwa z arsenku galu 123
• 4.4.1. Ogólna charakterystyka arsenku galu 123
• 4.4.2. Struktury krystaliczne i cienkowarstwowe 124
• 4.5. Ogniwa z diselenku indowo-miedziowego (CIS) i ich modyfikacje (CIGS) 127
• 4.6. Moduły o mocy 200 Wp 130
• 4.7. Ogniwa fotowoltaiczne typu tandem 131
• 4.8. Ogniwa fotowoltaiczne z nanorurkami 132
• 4.9. Ogniwa organiczne 133
• 4.9.1. Ogólna charakterystyka ogniw 133
• 4.9.2. Wybrane rozwiązania planarne i struktury 3D 134
• 4.9.3. Ogniwo barwnikowe Grätzela 135
• 4.9.4. Nowe rozwiązania 136
• 4.10. Ogniwo fotowoltaiczno-fototermiczne o konwersji kombinowanej 137
• 4.11. Ogniwo termofotowoltaiczne o konwersji promieniowania podczerwonego 138
• 4.12. Ogniwa zintegrowane z architekturą 139
• 4.12.1. Charakterystyka ogniw fotowoltaicznych stosowanych w budownictwie 139
• 4.12.2. Systemy dachowe 141
• 4.12.3. Moduły fasadowe i transparentne okienne 144
• 4.12.4. Nowe rozwiązania BIPV i znani producenci 145
• 4.13. Ogniwa współpracujące z koncentratorami 148
• 4.13.1. Koncentratory w układzie nadążnym 148
• 4.13.2. Nowe rozwiązania 151
• Literatura do rozdziału 4 152
• 5. Wybrane właściwości ogniw fotowoltaicznych 156
• 5.1. Absorpcyjność 156
• 5.2. Refleksyjność 161
• 5.3. Strumień fotonów w funkcji wybranych parametrów ogniwa 162
• 5.4. Gęstość fotoprądu emitera i bazy 164
• 5.5. Wydajność kwantowa 165
• 5.5.1. Wydajność zewnętrzna i wewnętrzna 165
• 5.5.2. Wpływ prędkości rekombinacji na wydajność kwantową 166
• 5.5.3. Wpływ średniej drogi dyfuzji na wydajność kwantową 168
• 5.6. Czynnik spektralny 169
• 5.7. Badania ogniw fotowoltaicznych w warunkach promieniowania o różnych długościach fali w zakresie światła widzialnego 170
• 5.7.1. Warunki i obiekty badań 170
• 5.7.2. Wyniki badań 172
• 5.7.3. Podsumowanie 172
• Literatura do rozdziału 5 176
• 6. Schemat zastępczy, parametry i charakterystyki ogniwa fotowoltaicznego 178
• 6.1. Schemat zastępczy ogniwa i jego parametry 178
• 6.2. Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa fotowoltaicznego 180
• 6.2.1. Wyznaczanie zależności prądowo-napięciowych w funkcji parametrów ogniwa 180
• 6.2.2. Symulacja charakterystyk wybranych ogniw w funkcji nasłonecznienia i temperatury 182
• 6.2.3. Parametry charakterystyczne ogniw 182
• 6.3. Charakterystyka mocy i sprawność ogniwa fotowoltaicznego 188
• 6.3.1. Wpływ nasłonecznienia i temperatury na moc 188
• 6.3.2. Wpływ nasłonecznienia i temperatury na sprawność 190
• 6.3.3. Optymalizacja pracy w wyniku kształtowania obciążenia ogniwa 191
• 6.4. Współpraca baterii słonecznej z silnikiem prądu stałego zasilającym wentylator 193
• 6.4.1. Schemat ideowy badanego układu 193
• 6.4.2. Model matematyczny 194
• 6.4.3. Przykładowe wyniki symulacji 197
• 6.5. Praca ogniw fotowoltaicznych w różnych konfiguracjach połączeń 200
• 6.6. Wpływ zacienienia na pracę modułu fotowoltaicznego 203
• Literatura do rozdziału 6 203
• 7. Technologia produkcji 206
• 7.1. Ogniwa krzemowe 206
• 7.1.1. Krzem do produkcji ogniw słonecznych 206
• 7.1.2. Wytwarzanie bloków krzemu monokrystalicznego 210
• 7.1.2.1. Rodzaje technologii 210
• 7.1.2.2. Metoda Czochralskiego 210
• 7.1.2.3. Metoda topienia strefowego 213
• 7.1.3. Otrzymywanie bloków krzemu polikrystalicznego 214
• 7.1.3.1. Rodzaje technologii 214
• 7.1.3.2. Metoda Bridgmana 215
• 7.1.3.3. Metoda odlewania bloku 215
• 7.1.4. Cięcie bloków krzemowych na płytki 216
• 7.1.5. Dalsza obróbka płytek krzemowych 217
• 7.1.6. Łączenie ogniw w moduły 220
• 7.1.7. Wytwarzanie taśm krzemowych 222
• 7.1.7.1. Przegląd metod wyciągania taśm krzemowych 222
• 7.1.7.2. Wytwarzanie taśmy typu WEB 223
• 7.1.7.3. Metoda krawędziowego doprowadzania materiału 224
• 7.1.7.4. Metoda ribbon to ribbon 225
• 7.1.7.5. Metoda SOC 226
• 7.1.7.6. Proces ESR 226
• 7.1.7.7. Metoda RGS 227
• 7.1.8. Inne technologie dla ogniw krzemowych 228
• 7.1.8.1. Uwodorniony krzem amorficzny 228
• 7.1.8.2. Elastyczny układ krzemowy 228
• 7.1.8.3. Technologia ogniw sliver 229
• 7.1.8.4. Technologia ogniw Sphelar±R 230
• 7.2. Ogniwa cienkowarstwowe wykonane w technologii innej niż krzemowa 230
• 7.2.1 CdS/CdTe i CIGS 230
• 7.2.2. Ogniwa cienkowarstwowe GaAs 234
• 7.2.3. Technologia samoczyszczenia ogniw słonecznych 236
• Literatura do rozdziału 7 236
• 8. Instalacje fotowoltaiczne 240
• 8.1. Konfiguracje systemów fotowoltaicznych 240
• 8.2. Elementy instalacji fotowoltaicznej 243
• 8.2.1. Wprowadzenie 243
• 8.2.2. Moduły fotowoltaiczne 245
• 8.2.3. Trackery 252
• 8.2.4. Akumulatory 253
• 8.2.5. Regulatory ładowania 254
• 8.2.6. Falowniki 257
• 8.2.7. Systemy monitorujące 262
• 8.2.8. Zabezpieczenia systemów fotowoltaicznych 263
• 8.2.9. Konstrukcja nośna i kable 264
• 8.3. Zestaw hybrydowy 268
• 8.4. Specyfikacja zapotrzebowania na energię. Sprawność i koszty 269
• 8.5. Montaż, obsługa i konserwacja instalacji fotowoltaicznej 270
• Literatura do rozdziału 8 272
• 9. Obszary i przykłady zastosowań ogniw fotowoltaicznych 274
• 9.1. Dotychczasowe tempo rozwoju instalacji fotowoltaicznych i perspektywy 274
• 9.2. Ogniwa słoneczne w urządzeniach powszechnego użytku małej mocy 277
• 9.3. Systemy autonomiczne 278
• 9.3.1. Przegląd możliwości aplikacji 278
• 9.3.2. Zasilanie oświetlenia 279
• 9.3.3. Biletomaty i parkomaty 280
• 9.3.4. Latarnie morskie 282
• 9.3.5. Systemy ostrzegania i sygnalizacji 285
• 9.4. Układy współpracujące z siecią 286
• 9.4.1. Systemy rozproszone BIPV 286
• 9.4.2. Systemy scentralizowane 290
• 9.5. Systemy hybrydowe 294
• 9.6. Zastosowania w kosmonautyce 298
• Literatura do rozdziału 9 299
• 10. Zastosowanie energii Słońca i podczerwieni do zasilania w środkach transportu 301
• 10.1. Samochody słoneczne 301
• 10.1.1. Metody zasilania 301
• 10.1.2. Historyczne prototypy 302
• 10.1.3. Samochody wyścigowe i ich parametry konstrukcyjno-eksploatacyjne 303
• 10.2. Najważniejsze aspekty projektowania pojazdu słonecznego 310
• 10.2.1. Strategia projektowania i optymalizacja ruchu 310
• 10.2.2. Moc potrzebna do pokonania oporów jazdy 313
• 10.2.3. Moc pozyskiwana na drodze konwersji fotowoltaicznej 314
• 10.2.4. Moc uzupełniająca z akumulatora 316
• 10.2.5. Materiały i elementy konstrukcyjne stosowane w samochodach słonecznych 319
• 10.3. Charakterystyki ruchu samochodu słonecznego w funkcji jego parametrów i warunków zewnętrznych 322
• 10.3.1. Wpływ parametrów konstrukcyjno-eksploatacyjnych samochodu słonecznego na jego charakterystyki ruchu 322
• 10.3.2. Optymalizacja doboru prędkości w samochodzie słonecznym z doładowaniem akumulatora podczas jazdy ze względu na maksymalny zasięg 325
• 10.3.3. Bilans mocy pojazdu elektrycznego zasilanego energią Słońca 329
• 10.3.4. Wnioski i uwagi do przeprowadzonych symulacji komputerowych 336
• 10.3.5. Samochód słoneczny „Hannibal” 338
• 10.4. Samochody konwencjonalne zasilane energią Słońca 339
• 10.4.1. Samochody elektryczne 339
• 10.4.1.1. „Solar Bug” 339
• 10.4.1.2. Jeep elektryczny 339
• 10.4.2. Rozwiązania hybrydowe 340
• 10.4.2.1. Samochodowe panele PV 340
• 10.4.2.2. Connector 2001 341
• 10.4.2.3. Peugeot BB1 Concept 342
• 10.4.2.4. Fisker Karma 342
• 10.4.2.5. Inne rozwiązania 343
• 10.4.2.6. Solar Energy Station 344
• 10.5. Inne środki transportu zasilane energią słoneczną 345
• 10.5.1 Pociąg słoneczny 345
• 10.5.2. Samoloty zasilane energią słoneczną 345
• 10.5.2.1. Prace NASA 345
• 10.5.2.2. Solar Challenger 345
• 10.5.2.3. Helios 345
• 10.5.2.4. Solar Impulse 347
• 10.5.2.5. Polski samolot słoneczny „Phoenix” 347
• 10.5.3. Jednostki pływające zasilane energią słoneczną 348
• 10.5.3.1. Katamaran „Sun” 348
• 10.5.3.2. Tramwaj wodny „Słonecznik” 348
• 10.5.3.3. Katamaran pasażerski „Solar” 350
• 10.5.3.4. Łodzie solarne Fiten Solar Team 352
• 10.5.3.5. Etapy projektowania łodzi zasilanych energią słoneczną 353
• Literatura do rozdziału 10 354
• 11. Zagadnienia prawne, społeczne, ekonomiczne, normalizacja, edukacja i promocja, recykling 357
• 11.1. Zagadnienia prawne i społeczne 357
• 11.2. Koszt systemu PV 359
• 11.3. Koszty zewnętrzne 365
• 11.4. Normalizacja 365
• 11.5. Konwersja fotowoltaiczna w promocji i edukacji 369
• 11.6. Recykling modułów fotowoltaicznych 374
• 11.6.1. Problemy recyklingu, koszty, technologie 374
• 11.6.2. Linie pilotażowe odzysku i ponownego wykorzystania modułów krzemowych 376
• 11.6.3. Metoda odzysku i ponownego wykorzystania modułów z CdTe 379
• Literatura do rozdziału 11 380
• 12. Fotowoltaika w Polsce 382
• 12.1. Możliwości sektora fotowoltaiki 382
• 12.2. Prace naukowo-badawcze 384
• 12.2.1. Laboratorium Fotowoltaiczne Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Kozach 384
• 12.2.2. Prace Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych 390
• 12.2.3. Laboratorium Energetyki Odnawialnej w Sulechowie 391
• 12.3. Największe inwestycje fotowoltaiczne w Polsce 391
• 12.3.1. Wprowadzenie 391
• 12.3.2. Instalacja PV Warszawa-Wawer 392
• 12.3.3. Instalacja fotowoltaiczna na Wojewódzkim Specjalistycznym Szpitalu im. dr. Władysława Biegańskiego w Łodzi 393
• 12.3.4. Instalacja fotowoltaiczna na wytwórni mrożonek Frosta w Bydgoszczy 393
• 12.3.5. Instalacja PV na Politechnice Warszawskiej 395
• 12.3.6. Instalacja PV na budynku ambasady japońskiej w Warszawie 396
• 12.3.7. Instalacja fotowoltaiczna w Polkowicach 397
• 12.3.8. Instalacja fotowoltaiczna w Rybniku 397
• 12.3.9. Instalacja fotowoltaiczna w Rzeszowie 397
• 12.3.10. Elektrownia słoneczna w Wierzchosławicach 398
• 12.3.11. Projekt elektrowni fotowoltaicznej w Gryźlinach pod Olsztynem 398
• 12.3.12. Projekt elektrowni fotowoltaicznej na budynku hotelowym Centrum Badawczego Polskiej Akademii Nauk w Jabłonnie 398
• 12.3.13. Największa fotowoltaiczna instalacja dachowa w Polsce 399
• 12.3.14. Elektrownia fotowoltaiczna na dachu motelu „Na Wierzynka” w Wieliczce 399
• 12.3.15. Panele fotowoltaiczne na hotelu „Ramka” w Poznaniu 400
• 2.3.16. Skrzydło fotowoltaiczne – projekt z Piły 400
• 12.4. Producenci krzemu i jego stopów 400
• 12.4.1.Warszawskie Centrum Naukowo-Produkcyjne Materiałów Elektronicznych Cemat Silicon 400
• 12.4.2. Firma European Silicon w Katowicach 401
• 12.5. Producenci modułów 401
• 12.5.1. EKOpower21 Sp. z o.o. z Warszawy 401
• 12.5.2. Linia produkcyjna modułów Solar Energy w Bożepolu Wielkim 401
• 12.5.3. Spółka Vetro Polska 402
• 12.5.4. SELFA Photovoltaics ze Szczecina 402
• Literatura do rozdziału 12 402
• Skorowidz rzeczowy 404
• Indeks nazwisk 411

Serdecznie polecamy!