Використання сонячної енергії в альтернативних системах електроживлення

Використання сонячної
енергії в альтернативних
системах
електроживлення
08.06.2016 р.
Велігорський О.А.

ВелігорськийО.А.,©2015
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

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

Що таке
фотовольтаїка?

Як можна використати
енергію Сонця?
• Нагріти сонячними променями воду до точки кипіння, яка
буде обертати турбіну!
• Це сонячна термальна електростанція.
5

Як можна 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».
6

Принцип роботи
фотоелементу
• Схожий на принцип роботи звичайного діода (p-n перехід).
7

Принцип роботи
фотоелементу
• 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.
8

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!
9

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.
10

Типова характеристика 250
Вт панелі.
11

Паралельно чи послідовно?
• Паралельне підключення фотоелектричних комірок –
збільшує струм.
• Напруга – не змінюється.
• Послідовне підключення – збільшує напругу.
• Струм – не змінюється.
12

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.
13

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.
14

Скільки 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
.
15

• 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
.
16

• 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).
17

Які бувають панелі?
Панелі 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.
18

Які бувають панелі?
Панелі 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%.
19

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.
20

Я придбав сонячну
панель…
• Монокристалічний кремній – темний (35% ринку).
• Полікристалічний кремній – синій (55% ринку).
• Тонкоплівочний фотоелемент – темний, однорідний (10%).
21

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.
23

Вартість фотоелектричних
панелей.
• Знизилась до 0,3
у.о. за 1 Вт в США!
• При неоптових
закупках – біля
1 у.о. за 1 Вт.
24

А як щодо 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.
25
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!
26

Коефіцієнт використання
• Для класичних джерел – дані з США.
27

Коефіцієнт використання
• Для відновлювальних джерел - дані з США.
28

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»:
29

Мапа річної інсоляції в
Європі.
30

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
31
http://apricus.com.ua/informatsiya/urovni-solnechnoy-insolyatsii-v-ukraine

Типові кейси для
фотовольтаїки.

Приклади використання
• 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.
33

Автономний будинок
34

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.
35

Підключення до мережі
36

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.
37

Підключення до мережі з
акумуляторним запасом.
38

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…
39

Розрахунок вартості
обладнання
Для 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
40

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.
41
http://ecotechnica.com.ua/energy/163-zelenyj-tarif-mozhet-stat-dlya-
ukraintsev-khoroshim-istochnikom-dokhoda.html

Використання сонячної енергії в альтернативних системах електроживлення

Recommended

Recommended

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (18)

Similar to Використання сонячної енергії в альтернативних системах електроживлення

Similar to Використання сонячної енергії в альтернативних системах електроживлення (12)

Використання сонячної енергії в альтернативних системах електроживлення