Ogniwa słoneczne. Wpływ środowiska naturalnego na ich pracę

Ogniwa słoneczne. Wpływ środowiska naturalnego na ich pracę

rok wydania: 2011, wydanie drugie
ilość stron: 206
ISBN: 978-83-7926-264-9
format: 16,5x23,8 cm
oprawa: miękka

Opis
Gwałtowny wzrost liczby ludności na świecie oraz ciągły, dynamiczny rozwój gospodarczy powodują zwiększenie zapotrzebowania na energię. Dzisiejsze potrzeby energetyczne są zaspokajane głównie dzięki eksploatacji kopalnych surowców energetycznych, których globalne zasoby wystarczą według szacunkowych prognoz na ok. 50 lat. Bliska perspektywa ich wyczerpania oraz troska o stan środowiska naturalnego wywołały zwiększone zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii, w tym energią słoneczną. Jej pozyskiwanie i przetwarzanie na energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych jest korzystne zarówno ze względów ekonomicznych, jak i ekologicznych. Obecnie w krajach wysoko rozwiniętych duży nacisk kładzie się na zintegrowanie systemów fotowoltaicznych z siecią energetyczną.

W Polsce wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych jest jeszcze stosunkowo niewielkie, co Autorzy niniejszej książki chcieliby zmienić, propagując wiedzę o działaniu współczesnych ogniw słonecznych oraz wpływie środowiska naturalnego na ich pracę. Na podstawie wieloletnich analiz pracy siedmiu różnych modułów fotowoltaicznych zainstalowanych na Uniwersytecie Opolskim formułują wnioski dotyczące optymalnego stosowania systemów PV w polskich warunkach klimatycznych. Udzielają praktycznych wskazówek jak zweryfikować podawane przez producentów informacje o maksymalnej mocy i wynikającej z niej sprawność konwersji, aby prawidłowo obliczyć uzysk energii podczas projektowania elektrowni słonecznej zlokalizowanej w naszym kraju.

Książka dedykowana jest studentom kierunków: energetyka, ekoenergetyka, ochrona środowiska, alternatywne technologie energetyczne i zarzadzanie środowiskiem, inżynieria środowiska oraz biotechnologia; a także inżynierom pracującym w sektorze energetycznym.

Spis treści
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ / 9
WYKAZ UŻYWANYCH SKRÓTÓW / 13
WSTĘP / 17

1. ENERGIA PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO / 21
1.1. Wpływ odległości Ziemi od Słońca oraz położenia geograficznego na właściwości promieniowania słonecznego / 21
1.2. Struktura promieniowania słonecznego / 24
1.2.1. Wpływ ukształtowania terenu / 24
1.2.2. Wpływ atmosfery na widmo promieniowania słonecznego / 26
1.3. Zasoby energii słonecznej w Polsce i w innych krajach europejskich / 28
1.4. Wykorzystanie promieniowania słonecznego w siłowniach fotowoltaicznych Europy Środkowej / 33

2. PODSTAWY FIZYCZNE DZIAŁANIA OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH / 37
2.1. Wstęp / 37
2.2. Zjawisko fotowoltaiczne w złączach p-n / 38
2.3. Odbicie światła od powierzchni ogniwa PV / 40
2.4. Absorpcja światła i generacja nośników ładunku / 41
2.5. Procesy rekombinacyjne / 43
2.6. Wydajność kwantowa i charakterystyka widmowa ogniwa PV / 47
2.7. Charakterystyka prądowo-napięciowa (I-V) oświetlonego ogniwa PV / 49
2.7.1. Podstawowe parametry / 49
2.7.2. Ciemna charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa. Modele zastępcze ogniwa słonecznego / 51
2.8. Czynniki ograniczające sprawność przetwarzania w ogniwie PV / 54
2.9. Wpływ natężenia promieniowania słonecznego oraz temperatury otoczeniana temperaturę znamionową pracy ogniw w module fotowoltaicznym (NOCT) / 60
2.10. Wpływ temperatury na parametry ogniwa fotowoltaicznego / 62

3. STRUKTURY WSPÓŁCZESNYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH / 65
3.1. Monolityczne ogniwa krzemowe krystaliczne i multikrystaliczne wykonywane w technologii grubowarstwowej / 65
3.2. Wysokosprawne ogniwa z krzemu krystalicznego / 66
3.2.1. Ogniwa typu PERL/PERT / 67
3.2.2. Ogniwa z tylnym kontaktem / 68
3.2.3. Ogniwa typu HIT / 69
3.3. Jedno- i wielozłączowe ogniwa cienkowarstwowe z krzemu amorficznego / 70
3.4. Ogniwa cienkowarstwowe polikrystaliczne / 74
3.4.1. Ogniwa cienkowarstwowe z CdS/CdTe / 74
3.4.2. Ogniwa cienkowarstwowe typu CIS i CIGS / 76
3.4.3. Ogniwa cienkowarstwowe jedno- i wielozłączowe z arsenku galu / 79
3.5. Inne konstrukcje ogniw PV / 83
3.5.1. Ogniwa typu SLIVERTM / 83
3.5.2. Ogniwa typu SPHELAR® / 87

4. OGNIWA FOTOWOLTAICZNE Z MATERIAŁÓW ORGANICZNYCH ORAZ UCZULANE BARWNIKIEM / 93
4.1. Wprowadzenie / 93
4.2. Charakterystyka organicznych ogniw fotowoltaicznych / 94
4.2.1. Struktura pasmowa materiałów organicznych / 94
4.2.2. Procesy zachodzące w czasie pracy organicznych ogniw fotowoltaicznych / 95
4.2.3. Kontakty omowe i prostujące / 96
4.2.4. Działanie organicznych ogniw fotowoltaicznych / 97
4.3. Architektura organicznych ogniw fotowoltaicznych / 99
4.3.1. Wprowadzenie / 99
4.3.2. Heterozłącze dwuwarstwowe / 100
4.3.3. Heterozłącze przestrzenne / 101
4.4. Ogniwa fotowoltaiczne uczulane barwnikiem / 104
4.5. Perspektywy materiałów organicznych w fotowoltaice / 107

5. MODUŁY FOTOWOLTAICZNE / 109
5.1. Konstrukcja modułów fotowoltaicznych / 109
5.2. Sposoby hermetyzacji modułów PV / 111
5.3. Wpływ hermetyzacji ogniw PV na ich właściwości optyczne / 115
5.4. Wpływ zacienienia na pracę modułów fotowoltaicznych / 116
6. WPŁYW WARUNKÓW ATMOSFERYCZNYCH NA PRACĘ MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH / 123
6.1. Systemy pomiarowe i zbierania danych Uniwersytetu Opolskiego / 123
6.1.1. Stanowisko badawcze monitorujące pracę systemu fotowoltaicznego oraz dane meteorologiczne / 123
6.1.2. Stanowisko badawcze do testowania modułów fotowoltaicznych / 127
6.2. Badanie wpływu temperatury modułu TC i otoczenia Tamb / 128
6.3. Wpływ zawartości pary wodnej w atmosferze / 132
6.3.1. Badania symulacyjne / 132
6.3.2. Badania doświadczalne / 133
6.3.3. Wpływ zawartości pary wodnej oraz średniej energii fotonów promieniowania słonecznego na parametry modułów PV / 135
6.4. Wpływ kąta padania promieniowania słonecznego / 137
6.5. Wpływ wiatru / 139

7. OGNIWA FOTOWOLTAICZNE WIELOZŁĄCZOWE I OPTYMALIZACJA SPRAWNOŚCI / 141
7.1. Analiza ilościowa ogniwa PV wielozłączowego / 141
7.2. Optymalizacja szerokości przerw energetycznych absorberów jedno i wielozłączowych ogniw PV dla charakterystycznych warunków pracy / 144
7.2.1. Rozkłady widma promieniowania słonecznego dla dni zdefiniowanych projektem normy IEC 61853 (draft 82/254) / 144
7.2.2. Rzeczywista temperatura pracy modułów PV w różnych warunkach pracy / 147
7.2.3. Optymalizacja szerokości przerwy energetycznej jednozłączowych ogniw PV dla różnych warunków pracy / 147
7.2.4. Optymalizacja szerokości przerwy energetycznej dwuzłączowych i wielozłączowych ogniw PV dla różnych warunków pracy / 149
7.3. Wpływ współczynnika masy powietrza (AM) na pracę ogniw/modułów jedno- i wielozłączowych / 152
7.3.1. Wpływ szerokości przerwy energetycznej ogniw PV na ich pracę w warunkach zmiennego współczynnika masy powietrza / 152
7.3.2. Wpływ kształtu charakterystyk czułości widmowej ogniw PV na ich pracę w warunkach zmiennego współczynnika masy powietrza / 154
7.4. Optymalizacja szerokości przerwy energetycznej absorberów jedno i wielozłączowych ogniw PV w warunkach klimatycznych Polski Południowej / 156

8. ANALIZA WIELOLETNIEJ PRACY MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH / 159
8.1. Analiza warunków meteorologicznych w okresie testowania modułów / 159
8.1.1. Rozkład wartości napromieniowań / 159
8.1.2. Rozkład wartości temperatury oraz natężenia promieniowania słonecznego / 160
8.1.3. Rozkład chwilowych wartości indeksu składowej rozproszonej promieniowania słonecznego / 161
8.1.4. Rozkłady zawartości pary wodnej i średniej wartości energii fotonów światła / 163
8.2. Analizy sprawności energetycznej / 165
8.3. Analiza zmian wartości współczynnika PR / 166
8.4. Zdolność kumulacji ładunku i energii / 168
8.5. Analiza uzysku energii z pozycjonowania modułów w warunkach Polski Południowej / 171
8.5.1. Krótkoterminowa analiza uzysku energii / 171
8.5.2. Długoterminowa analiza uzysku energii / 175
8.6. Podsumowanie badań / 176

9. NAJNOWSZE OSIĄGNIĘCIA I PERSPEKTYWY ROZWOJU FOTOWOLTAIKI / 177
9.1. Najnowsze rekordy świata w zakresie sprawności ogniw i modułów PV / 177
9.2. Perspektywy rozwoju fotowoltaiki / 184

10. PODSUMOWANIE / 189
BIBLIOGRAFIA / 191
SKOROWIDZ / 203