Energia w środowisku (7)

Zamiana energii słonecznej na energię elektryczną Zamiana najbardziej zasobnego źródła energii pierwotnej na najbardziej uniwersalną formę energii finalnej Instalacje o dużej jednostkowej mocy

Zjawiska fizyczne: Zamiana energii słonecznej na energię elektryczną Konwersja poprzez energię cieplną: Absorpcja promieniowania słonecznego a następnie zamiana ciepła na energię elektryczną Generator termoelektronowy: Termoemisja czyli emisja elektronów w wysokich temperaturach Zjawisko termoelektryczne: Złącza dwóch różnych przewodników w różnych temperaturach Efekt fotoelektryczny Konwersja fotowoltaniczna: Wewnętrzny efekt fotoelektryczny w diodzie półprzewodnikowej

Konwersja poprzez energię cieplną Większość energii elektrycznej na świecie pochodzi z prądnic prądu zmiennego napędzanych różnymi silnikami cieplnymi. Następuje w nich zamiana energii cieplnej na elektryczną. Potrafimy zamienić energię słoneczną na ciepło. Możemy to ciepło dalej zamienić na energię elektryczną tak jak w konwencjonalnych elektrowniach. Problem wydajności: Maszyna cieplna ma małą wydajność. Maksymalnie  = (T1-T2)/T1 T1 – temperatura źródła (np. 450 K) T2 – temperatura chłodnicy ok. 300 K max = 1/3 Konieczne wytworzenie energii cieplej przy jak najwyższej temperaturze T1

Konwersja poprzez energię cieplną Temperatura równowagi, do której zwykle nagrzewają się ciała absorbujące promieniowanie słoneczne jest zbyt niska nawet przy zastosowaniu selektywnego absorbera. Konieczne jest użycie zwierciadeł, które zwielokrotniają n razy strumień energii w miejscu absorbera. Wtedy  n P = e s Tr4 i temperatura równowagi rośnie w zależności od n Różne rozwiązania techniczne układu zwierciadeł koncentrujących promieniowanie słoneczne

Koncentracja promieniowania słonecznego w elektrowniach słonecznych Trzy wersje elektrownii: - wyposażonej w wieżę i pole zwierciadeł płaskich - wyposażonej w sieć zwierciadeł o kształcie rynny i przekroju paraboli - z jednym dużym zwierciadłem parabolicznym

Schemat elektrownii słonecznej z płaskimi zwierciadłami Nośnikiem energii cieplej są stopione sole lub stopione metale. W innych typach elektrowni nośnikiem może być woda pod wysokim ciśnieniem, glikol, olej syntetyczny lub inny płyn chłodzący.

Elektrownia słoneczna z płaskimi zwierciadłami w Australii. Elektrownia wymaga poruszania każdym zwierciadłem oddzielnie zgodnie z położeniem słońca na niebie

Działanie zwierciadła o przekroju paraboli Promieniowanie słoneczne odbija się od zwierciadła tak, że jest ogniskowane w miejscu, w którym znajduje się rurka z materiału absorbujacego promieniowanie. Rurką płynie ciecz odbierająca ciepło.

Schemat elektrownii słonecznej ze zwierciadłami parabolicznymi

Działanie zwierciadła o przekroju paraboli Zwierciadło jest nieruchome bo promieniowanie niezależnie od położenia słońca zawsze trafia po odbiciu w rurkę znajdującą się w podłużnym ognisku

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami o przekroju paraboli Największa instalacja absorbująca promieniowa- nie słoneczne w Kalifornii

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami o przekroju paraboli Elektrownia ze zwierciadłami parabolicznymi w stanie Nevada

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami rynnowymi o przekroju paraboli „Trough systems” –Systemy rynnowe dominują obecnie wśród komercyjnych elektrowni słonecznych Paraboliczny kształt rynny ogniskuje w miejscu przewodu promieniowanie słoneczne od 30 do 60 razy w porównaniu z normalnym natężeniem Nośnikiem ciepła jest olej syntetyczny osiągający temperaturę do 390oC Pompy pompują olej do wymiennika ciepła. Ciepło przekazywane jest wodzie krążącej w obiegu wtórnym, która zamienia się w parę wodną Para wodna porusza konwencjonalną turbinę i wytwarza prąd elektryczny

Elektrownie słoneczne ze zwierciadłami parabolicznymi Duże zwierciadło pozwala zogniskować promieniowanie słoneczne w prawie punktowym ognisku (rozmiar obrazu tarczy słońca) i osiągnąć bardzo wysoką temperaturę Większa wydajność zamiany energii cieplnej na elektryczną Większy koszt urządzenia, mała moc jednej instalacji

Termiczne elektrownie słoneczne Płaskie ruchome zwierciadła skupiają promieniowanie Stopione sole lub metale są nośnikiem ciepła Temperatura 250 -1500oC Moc 100 kW -100MW Rynnowe stojące zwierciadła – liniowe ognisko Olej syntetyczny w temperaturze do 390oC Łączna moc 9 elektrownii w CA 354 MW Poruszające się zwierciadło paraboliczne (faza laboratoryjnych badań) 5-25 kW

Elektrownie słoneczne – komin słoneczny Projekt hiszpańsko – niemiecki zrealizowany w 1982 roku: Wytwarzanie energii elektrycznej w turbinie napędzanej gorącym powietrzem Komin o wysokości 195m i średnicy 10m ustawiony w środku terenu o średnicy 244m. Teren ten zabudowany był „szklarnią” z płytą absorbującą promieniowanie słoneczne. Ciepłe powietrze podążało w kierunku komina i poruszało turbiny u wlotu do komina Urządzenie działało przez 8 lat Maksymalna moc: 50kW

Elektrownie słoneczne – projekt elektrowni kominowej Moc elektrowni rośnie wraz z wysokością komina. Maksymalna wysokość komina z betonu wynosi około 500m. Pomysł z Grecji to zamontowanie rury o długości ponad 1500m. Rura musi być lżejsza od powietrza, unosi się i może powiewać na wietrze

Elektrownia kominowa - wnioski Na podstawie wyliczeń i doświadczenia z instalacją w Hiszpanii można oszacować: Elektrownia o mocy 100MW wymagałaby wieży o wysokości 1000m i „szklarni” zajmującej powierzchnię około 20 km2 Koszty energii z takiej elektrownii to prawie w całości koszt inwestycji. Koszt eksploatacji ogranicza się do wynagrodzenia dla tylko 7 osób personelu. „Paliwo” jest bezpłatne. Oszacowania kosztów energii elektrycznej od 5 do 15 eurocentów za 1kWh

Inne sposoby konwersji: Zjawiska fizyczne Nazwa zjawiska Charakterystyka Występowanie Zastosowanie Termoemisja (Zjawisko Richardsona) Emisja („wyparowanie”) elektronów z silnie rozgrzanego ciała Prąd termoemisji: I = AT2e-W/kT Próżniowe lampy elektronowe, akceleratory Zjawisko termoelektrycz-ne Seebecka Pojawienie się siły elektromotorycznej, gdy styki dwóch materiałów znajdują się w różnych T Siła elektromot. sAB silnie zależy od temperatury Termopary, termoelemen-ty Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne Emisja elektronów z powierzchni ciała pod wpływem światła Szczególnie często metale alkaliczne Fotokomórki, fotopowielacze Zjawisko fotowoltaniczne Pojawienie się siły elektromotorycznej pod wpływem światła padają- cego na złącze półprzew. Najczęściej: selen, krzem, german, AsGa Fotoogniwa, baterie słoneczne

Zjawisko termoemisji Elektrony z pasma przewodnictwa swobodnie poruszają się w całej objętości ciała stałego Gdy temperatura ciała wzrasta coraz więcej elektronów porusza się z dużymi prędkościami Oderwanie się elektronu od powierzchni nie jest łatwe bo jego ładunek elektryczny jest przyciągany przez dodatni ładunek jakim jest brak elektronu na powierzchni. Oderwanie może nastąpić gdy energia elektronu jest większa od „pracy wyjścia” Dla niektórych substancji (wolfram pokryty cezem) praca wyjścia jest stosunkowo niska W temperaturze 1500K termoemisja czyli emisja elektronów pod wpływem temperatury wynosi 5*106 A/m2 (dla czystego wolframu 0.1 A/m2 )

Generator termoelektronowy Generator składa się z dwóch elektrod znajdujących się bardzo blisko siebie Na katodzie (Cs-W) zogniskowana jest silna wiązka promieniowania słonecznego. Katoda nagrzewa się do wysokiej (około 1500K) temperatury i emituje elektrony Elektrony docierają do znajdującej się w sąsiedztwie anody (ładunek elektryczny nie może gromadzić się w przestrzeni bo utrudnia dalszą termoemisję Zjawisko zachodziłoby tylko przez chwilę do naładowania się anody (anoda nie emituje elektronów) Anoda połączona jest zewnętrznym obwodem elektrycznym z katodą Elektrony płyną przez przewodnik i wracają do katody. Po drodze mogą wykonać pracę: – płynąc przez żarówkę sprawiają, że żarówka świeci

Zamiana energii słonecznej na elektryczną przy pomocy generatora termoelektronowego Ograniczenia: Aby zachodziła termoemisja konieczna jest duża koncentracja promieniowania słonecznego, tak aby temperatura katody wynosiła około 1500K. Katoda musi mieć własność łatwego emitowania elektronów Aby uniknąć emisji elektronów przez anodą, anoda musi mieć temperaturę niską w porównaniu z katodą (używa się AgO pokrytego cezem w temperaturze poniżej 750K Odległość katody od anody wynosi kilka mm a różnica temperatur między elektrodami przekracza 750K Mimo dużej wydajności generatora termoelektronowego, (do 30%) trudności techniczne z zapewnieniem odpowiednich warunków pracy ograniczają jego zastosowanie

Zjawisko termoelektryczne - metale Obwód elektryczny z dwóch przewodników: A-B-A Złącza A-B i B-A mają różne temperatury T i T+DT Na końcach przewodników A pojawia się różnica potencjału: U = S DT; S jest współczynnikiem Seebacka, który charakteryzuje metale A i B. Dla metali typowa wartość S = ok. 10 V/K Dla DT = 1000K DU=0.01V zbyt mała różnica potencjału

Zjawisko termoelektryczne - półprzewodniki Zbyt niskie napięcie w przypadku metali dla których S = ok. 10 V/K Termopara złożona z przewodników dwóch różnych metali służy do pomiarów temperatury ponieważ łatwo można mierzyć nawet tak małe U Dla półprzewodników S może teoretycznie osiągać wartość S max = 1600 V/K W praktyce uzyskiwano S = 400 V/K. Przy DT = 500 K daje U = 0.2 V Osiągnięto konwersja energii słonecznej na energię elektryczną z wydajnością  około 7%

Wykorzystanie zjawiska termoelektrycznego Zainteresowanie metodą trwa chociaż potrzebne są temperatury 800 – 1000 K

Energia promieniowania słonecznego - nagrzewanie - energia elektryczna W przypadku 3 omówionych pomysłów konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną pierwszym etapem było nagrzewanie się materiału absorbującego. Następnie: substancja odbierająca ciepło wykonywała pracę substancja odbierająca ciepło emitowała elektrony płynął prąd elektryczny w obwodzie ze złączami różnych metali w różnych temperaturach

Efekt fotoelektryczny Wykorzystanie faktu, że energia fotonu jest przekazywana indywidualnemu elektronowi. Spróbujmy wykorzystać energię elektronu zanim przekaże ją w zderzeniach z innymi elektronami Elektron powinien móc przekroczyć barierę powierzchni i wydostać się z materiału

Efekt fotoelektryczny Foton o energii h przekazuje ją elektronowi. Gdy energia elektronu jest wystarczająco duża, większa od pracy wyjścia, wtedy elektron może wydostać się na zewnątrz. Typowa praca wyjścia elektronu = ok. 2 eV. Tylko 30% energii promieniowania słonecznego przenoszonego jest przez fotony spełniające warunek: h > 2 eV czyli  < 0.62 m Niestety oddziaływanie elektronu z innymi elektronami zanim elektron dotrze do powierzchni powoduje że rzadko który wydostaje się z materiału katody Teoretyczna wydajność w rzeczywistości spada z 30% do  = około 0.15% Brak dalszego zainteresowania taką metodą konwersji

Efekt fotoelektryczny wewnętrzny W półprzewodnikach elektron z pasma walencyjnego (związany z jądrem atomowym) po oddziaływaniu z fotonem i po odebraniu fotonowi całej energii może znaleźć się na poziomie o wyższej energii (w paśmie przewodnictwa) i nie zostać oderwany. Takie zjawisko można nazwać efektem fotoelektrycznym wewnętrznym. Między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa nie ma innych poziomów, które mogłyby obsadzać elektrony. Mówimy, że w półprzewodniku jest przerwa energetyczna. Aby zaszedł efekt fotoelektryczny foton musi mieć większą energię niż energia równa szerokości przerwy energetycznej

Złącze p-n Zwykle wolne miejsce w paśmie walencyjnym (nazwane dziurą lub nośnikiem ładunku dodatniego) zostaje zapełnione przez elektron z pasma przewodnictwa Własności rozdzielenia ładunku ujemnego - elektronu z pasma przewodnictwa i dodatniego – dziury w paśmie walencyjnym posiada złącze p-n czyli warstwa na granicy dwóch półprzewodników różniących się atomami domieszek wprowadzonych celowo do każdego z nich Skład pierwiastkowy złącza p-n

Złącze p-n po przyłożeniu napięcia Gdy do złącza przyłożymy napięcie z zewnątrz złącze p-n zachowuje się jak dioda – czyli przewodzi prąd tylko w jednym kierunku Bez zewnętrznego napięcia, gdy złącze oświetlimy światłem słonecznym powstają dziury i swobodne elektrony, które przesuwają się w przeciwnych kierunkach. Ponieważ mają ładunki elektryczne różnych znaków tworzą prąd płynący w jednym kierunku. Po przeciwnych końcach złącza pojawia się różnica potencjału Dioda półprzewodnikowa

Droga do ogniw fotowoltanicznych służących do zamiany promieniowania Słońca na elektryczność 1839 Edmund Becquerel obserwuje efekt fotowoltaniczny 1880 Powstaje pierwsze ogniwo fotowoltaniczne z selenu, które ma wydajność około 1% 1950 Zastosowanie metody Czochralskiego do wytwarzania monokryształów krzemu 1954 W Bell Telefone Lab wykonano pierwsze ogniwo krzemowe o wydajności około 4% 1958 Sztuczny satelita Vanguard został wyposażony w ogniwa o mocy około 1W służące do zasilania radia 1974 Program Departamentu Energii USA. Powstało 3100 systemów ogniw fotowoltanicznych 1975-90 Zainteresowanie przeniosło się z USA do Japonii i Niemiec 2000 Szybki wzrost produkcji ogniw fotowoltanicznych

Elektrownia fotowoltaniczna

Elektrownia fotowoltaniczna Schemat elektrowni opartej na zamianie promieniowania słonecznego na elektryczność w ogniwach fotowoltanicznych Kolektory z ogniwami fotowoltanicznymi

Wydajność ogniwa fotowoltanicznego Podstawowe ograniczenie wydajności ogniwa wynika z ciągłego rozkładu energii widma promieniowania słonecznego: Gdy energia promieniowania jest dokładnie równa energii przerwy energetycznej to elektron w efekcie fotoelektrycznym otrzymuje dokładnie tyle energii ile potrzebuje by przejść z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa ( wydajność 100%) Gdy energia promieniowania jest mniejsza przejście nie może zajść (wydajność 0%) Gdy energia promieniowania jest większa to elektron otrzymuje zbyt dużą energię i szybko pozbywa się nadmiaru (nadmiar energii zamienia się na ciepło) ale pozostaje w paśmie przewodnictwa ( wydajność mniejsza od 100%) Sumaryczna wydajność zależy od wartości przerwy energetycznej

Wydajność ogniwa fotowoltanicznego Wydajność mogłaby wynieść 100% gdyby wszystkie fotony miały energię równą szerokości pasma wzbronionego (czyli równą przerwie energetycznej półprzewodnika). Dla Si: Eg=1.1eV = 1.24/Eg = 1.1 m Ponieważ widmo promieniowania słonecznego zawiera promieniowanie o różnych długościach fal teoretyczna wydajność maksymalna wynosi 45%.

Wydajność a wartość przerwy energetycznej Różne półprzewodniki mają różne przerwy energetyczne Szczęśliwie wartość przerwy Si jest optymalnie dopasowana do widma promieniowania słonecznego Można podnieść wydajność wytwarzając podwójne a nawet potrójne ogniwo fotowoltaniczne, w którym cienkie warstwy różnych półprzewodników umieszczone są jedna pod drugą tak aby promieniowanie, które nie zostało zaabsorbowane w górnej warstwie mogło spowodować wzbudzenie elektronu w dolnej

Wydajność ogniw fotowoltanicznych z różnych półprzewodników Technologia oparta na ogniwach krzemowych jest najbardziej rozwinięta. Są możliwości zastosowania innych półprzewodników

Produkcja ogniw fotowoltanicznych na świecie Szybki wzrost produkcji ogniw foto- woltanicznych w ostatnich latach

Widok elektrownii fotowoltanicznej w Hiszpanii Problem z wydajnością elektrownii fotowoltanicznych

Produkcja ogniw fotowoltanicznych na świecie Zainstalowana moc elektrownii fotowoltanicznych Nadzieja na zmniejszenie kosztów produkcji elektryczności w elektrowniach słonecznych

Zamiana energii słonecznej na energię elektryczną - podsumowanie Konwersja poprzez energię cieplną: Eksploatacja elektrowni (Kalifornia, Nevada) z rurowymi absorbentami promieniowania. Działają jednostkowe elektrownie z ruchomymi płaskimi zwierciadłami Zjawisko termoelektryczne: Trwają badania przy zastosowaniu złącz dwóch półprzewodników Konwersja fotowoltaniczna: Ogniwa krzemowe pozwalają na konwersję energii słonecznej na elektryczną z wydajnością kilkanaście procent. Działają już duże doświadczalne elektrownie.