Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie w.2024

Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie

rok wydania: 2024, wydanie drugie rozszerzone
ISBN: 978-83-206-2071-9
ilość stron: 568
format: B5
oprawa: miękka

Opis

Monografia o interdyscyplinarnym charakterze, kompleksowo ujmująca zagadnienia związane z przemianą energii słonecznej w elektryczną. Scharakteryzowano promieniowanie słoneczne, opisano zasady doboru optymalnego kąta nachylenia odbiornika tego promieniowania oraz konwersję fotowoltaiczną. Opisano budowę, charakterystyki i technologie produkcji ogniw fotowoltaicznych oraz różne konfiguracje systemów fotowoltaicznych zasilających obiekty stacjonarne. Poruszono także zagadnienie zasilania środków transportu energią słoneczną oraz aspekty prawne, społeczne, ekonomiczne i normalizacyjne dotyczące wykorzystania ogniw słonecznych, jak również problematykę recyklingu modułów fotowoltaicznych. Ponadto przedstawiono metody konwersji energii słonecznej w energię cieplną oraz przykłady zastosowań kolektorów cieplnych w Polsce i na świecie.

Książka jest przeznaczona dla ekologów i inżynierów zajmujących się odnawialnymi źródłami energii i działaniami proekologicznymi oraz dla studentów szkół wyższych i studiów podyplomowych, przede wszystkim o specjalnościach: energetyka, elektrotechnika, elektronika, fizyka, budownictwo, ekologia transportu i ochrona środowiska.

Spis treści

Przedmowa / 13
Wykaz oznaczeń / 21
Wykaz skrótów / 23

1. Energia Słońca / 29
1.1. Charakterystyka Słońca / 29
1.2. Promieniowanie emitowane z powierzchni Słońca / 30
1.3. Zależności opisujące energię Słońca / 33
1.3.1. Relacje między kątami opisującymi położenie odbiornika energii względem Słońca / 33
1.3.2. Składowe promieniowania słonecznego / 34
1.4. Modelowanie globalnego potencjału promieniowania słonecznego na przestrzeni 100 lat / 39
1.4.1. Promieniowanie słoneczne dominującą częścią bilansu energetycznego naszej planety / 39
1.4.2. Szacowany globalny potencjał promieniowania słonecznego na podstawie alternatywnych danych meteorologicznych / 40
1.5. Kąt pochylenia odbiornika do podłoża – przejście płaszczyzny odbiornika z poziomej do pochylonej / 46
1.5.1. Od modelu izotropowego do anizotropowego / 46
1.5.2. Metoda Liu-Jordana / 47
1.5.3. Modyfikacje metod rozwiązania dla pochylonej płaszczyzny odbiornika / 49
1.5.4. Dyskusja optymalizacji orientacji przestrzennej odbiornika energii słonecznej ze względu na maksymalny zysk energetyczny / 53
1.5.5. Optymalizacja ustawienia odbiornika na podstawie symulacji komputerowej / 60
1.5.6. Warunki i wyniki pomiarów gęstości mocy promieniowania / 66
1.6. Techniki komputerowe w rozwiązywaniu problemów prognostycznych promieniowania słonecznego / 70
1.7. Wnioski / 73
1.8. Sonda kosmiczna Parker Solar Probe / 76
1.9. Metody konwersji energii słonecznej / 79
1.10. Zalety i wady energetyki słonecznej / 80
Literatura do rozdziału 1 / 81

2. Cieplna energetyka słoneczna / 90
2.1. Metody konwersji energii słonecznej w cieplną / 90
2.2. Kolektory / 90
2.2.1. Charakterystyka ogólna / 90
2.2.2. Kolektory cieczowe / 91
2.2.3. Kolektory powietrzne i próżniowe / 96
2.3. Słoneczne instalacje cieplne na świecie / 97
2.3.1. Kolektory cieplne w krajach europejskich / 97
2.3.2. Słoneczne systemy ciepłownicze wielkopowierzchniowe / 100
2.3.3. Elektrownie cieplne wieżowe / 103
2.4. Przykłady zastosowania kolektorów cieplnych / 106
2.5. Cieplna energetyka słoneczna w Polsce / 110
2.5.1. Rozkład całkowitego promieniowania słonecznego / 110
2.5.2. Możliwości wykorzystania energii słonecznej do celów termicznych / 113
Literatura do rozdziału 2 / 120

3. Konwersja energii słonecznej w elektryczną / 124
3.1. Zjawisko fotowoltaiczne wewnętrzne / 124
3.1.1. Mechanizm zjawiska / 124
3.1.2. Powstawanie bariery potencjału / 126
3.2. Kalendarium wydarzeń w rozwoju konwersji fotowoltaicznej / 129
3.2.1. Antoine Cesar Becquerel i jego odkrycie / 129
3.2.2. Badania zjawiska fotowoltaicznego w XIX wieku / 131
3.2.3. Teoria Alberta Einsteina / 131
3.2.4. Jan Czochralski i jego metoda / 132
3.2.5. Dalszy rozwój fotowoltaiki / 139
3.2.6. Witold Żdanowicz − pionier fotowoltaiki w Polsce / 142
3.2.7. Twórcy fotowoltaiki III generacji / 143
Literatura do rozdziału 3 / 147

4. Rozwiązania materiałowe, konstrukcyjne i eksploatacyjne ogniw fotowoltaicznych / 153
4.1. Podział materiałowy i strukturalny ogniw fotowoltaicznych / 153
4.2. Ogniwa krzemowe / 156
4.2.1. Ogólna charakterystyka krzemu / 156
4.2.2. Ogniwa mono- i polikrystaliczne / 157
4.2.3. Ogniwa z krzemu amorficznego / 161
4.2.4. Cienkowarstwowe krzemowe ogniwa krystaliczne / 164
4.2.5. Nowe rozwiązania / 165
4.3. Ogniwa z tellurku kadmu / 179
4.3.1. Ogólna charakterystyka tellurku kadmu / 179
4.3.2. Rozwiązania krystaliczne i cienkowarstwowe / 181
4.4. Ogniwa z arsenku galu / 184
4.4.1. Ogólna charakterystyka arsenku galu / 184
4.4.2. Struktury krystaliczne i cienkowarstwowe / 185
4.5. Ogniwa z diselenku indowo-miedziowego (CIS) i ich modyfikacje (CIGS, CIBS) / 187
4.6. Ogniwa fotowoltaiczne typu tandem / 192
4.7. Ogniwa fotowoltaiczne z nanorurkami / 194
4.8. Ogniwa organiczne / 195
4.8.1. Ogólna charakterystyka ogniw / 195
4.8.2. Wybrane rozwiązania planarne i struktury 3D / 196
4.8.3. Ogniwo barwnikowe Grätzela / 197
4.8.4. Nowe rozwiązania ogniw organicznych / 198
4.9. Ogniwa perowskitowe / 199
4.10. Moduły / 202
4.11. Ogniwo fotowoltaiczno-fototermiczne o konwersji kombinowanej / 204
4.12. Ogniwo termofotowoltaiczne o konwersji promieniowania podczerwonego / 205
4.13. Ogniwa zintegrowane z architekturą / 206
4.13.1. Charakterystyka rozwiązań PV stosowanych w budownictwie / 206
4.13.2. Systemy dachowe / 208
4.13.3. Przykład instalacji PV na dachu domu jednorodzinnego − analiza pracy / 211
4.13.4. Największe na świecie dachowe systemy PV / 212
4.13.5. Moduły fasadowe i transparentne okienne / 216
4.13.6. Nowe rozwiązania BIPV i znani producenci / 218
4.14. Ogniwa współpracujące z koncentratorami / 223
4.14.1. Koncentratory w układzie nadążnym / 223
4.14.2. Nowe rozwiązania / 226
Literatura do rozdziału 4 / 227

5. Wybrane właściwości ogniw fotowoltaicznych / 238
5.1. Absorpcyjność / 238
5.2. Refleksyjność / 243
5.3. Degradacja ogniw / 244
5.4. Strumień fotonów w funkcji wybranych parametrów ogniwa / 245
5.5. Gęstość fotoprądu emitera i bazy / 246
5.6. Wydajność kwantowa / 248
5.6.1. Wydajność zewnętrzna i wewnętrzna / 248
5.6.2. Wpływ prędkości rekombinacji na wydajność kwantową / 249
5.6.3. Wpływ średniej drogi dyfuzji na wydajność kwantową / 250
5.7. Czynnik spektralny / 252
5.8. Badania ogniw fotowoltaicznych w warunkach promieniowania o różnych długościach fali w zakresie światła widzialnego / 252
5.8.1. Warunki i obiekty badań / 252
5.8.2. Wyniki badań / 255
5.8.3. Wnioski / 255
Literatura do rozdziału 5 / 259

6. Schemat zastępczy, parametry i charakterystyki ogniwa fotowoltaicznego / 262
6.1. Schemat zastępczy ogniwa i jego parametry / 262
6.2. Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa fotowoltaicznego / 264
6.2.1. Wyznaczanie zależności prądowo-napięciowych w funkcji parametrów ogniwa / 264
6.2.2. Symulacja charakterystyk wybranych ogniw w funkcji nasłonecznienia i temperatury / 266
6.2.3. Parametry charakterystyczne ogniw / 266
6.3. Charakterystyka mocy i sprawność ogniwa fotowoltaicznego / 272
6.3.1. Wpływ nasłonecznienia i temperatury na moc / 272
6.3.2. Wpływ nasłonecznienia i temperatury na sprawność / 275
6.3.3. Optymalizacja pracy w wyniku kształtowania obciążenia ogniwa / 277
6.4. Współpraca baterii słonecznej z silnikiem prądu stałego zasilającym wentylator / 278
6.4.1. Schemat ideowy badanego układu / 278
6.4.2. Model matematyczny / 280
6.4.3. Przykładowe wyniki symulacji / 283
6.5. Praca ogniw fotowoltaicznych w różnych konfiguracjach połączeń / 286
6.6. Wpływ zacienienia na pracę modułu fotowoltaicznego / 289
Literatura do rozdziału 6 / 290

7. Technologia produkcji / 294
7.1. Ogniwa krzemowe / 294
7.1.1. Krzem do produkcji ogniw słonecznych / 294
7.1.2. Wytwarzanie bloków krzemu monokrystalicznego / 299
7.1.3. Otrzymywanie bloków krzemu polikrystalicznego / 305
7.1.4. Cięcie bloków krzemowych na płytki / 307
7.1.5. Dalsza obróbka płytek krzemowych / 307
7.1.6. Inne technologie produkcji ogniw krzemowych / 310
7.1.7. Nowe technologie w produkcji krzemu i ogniw krzemowych / 313
7.1.8. Łączenie ogniw w moduły / 315
7.1.9. Wytwarzanie taśm krzemowych / 317
7.2. Ogniwa cienkowarstwowe wykonane w technologii innej niż krzemowa / 323
7.2.1. Ogniwa CdS/CdTe i CIGS / 323
7.2.2. Nowa proekologiczna technologia ogniw CIGS / 326
7.2.3. Ogniwa cienkowarstwowe GaAs / 327
7.3. Technologia samoczyszczenia ogniw słonecznych / 329
Literatura do rozdziału 7 / 329

8. Instalacje fotowoltaiczne / 335
8.1. Konfiguracje systemów fotowoltaicznych / 335
8.2. Elementy instalacji fotowoltaicznej / 339
8.2.1. Wprowadzenie / 339
8.2.2. Moduły fotowoltaiczne / 341
8.2.3. Trackery / 347
8.2.4. Magazynowanie energii elektrycznej uzyskanej z fotowoltaiki / 349
8.2.5. Regulatory ładowania / 354
8.2.6. Falowniki / 357
8.2.7. Systemy monitorujące / 363
8.2.8. Zabezpieczenia systemów fotowoltaicznych / 363
8.2.9. Konstrukcja nośna i kable / 364
8.3. Zestaw hybrydowy / 368
8.4. Specyfikacja zapotrzebowania na energię. Sprawność i koszty / 368
8.5. Montaż, obsługa i konserwacja instalacji fotowoltaicznej / 370
Literatura do rozdziału 8 / 372

9. Zastosowanie ogniw słonecznych / 377
9.1. Dotychczasowe tempo rozwoju instalacji fotowoltaicznych i perspektywy / 377
9.2. Ogniwa słoneczne w urządzeniach powszechnego użytku małej mocy / 378
9.3. Systemy autonomiczne / 380
9.3.1. Przegląd możliwości zastosowania / 380
9.3.2. Zasilanie oświetlenia / 381
9.3.3. Biletomaty i parkomaty / 382
9.3.4. Ławki fotowoltaiczne / 384
9.3.5. Drogi zasilane fotowoltaicznie / 387
9.3.6. Latarnie morskie / 388
9.3.7. Systemy ostrzegania i sygnalizacji / 392
9.4. Układy współpracujące z siecią / 393
9.4.1. Systemy rozproszone BIPV / 393
9.4.2. Systemy scentralizowane / 396
9.5. Systemy hybrydowe / 407
9.5.1. Wprowadzenie / 407
9.5.2. Graciosa Acores – przykład systemu hybrydowego gwarantującego samowystarczalność energetyczną / 408
9.5.3. Największe elektrownie hybrydowe z udziałem fotowoltaiki / 415
9.5.4. Inne rozwiązania hybrydowe / 415
9.6. Zastosowania w kosmonautyce / 420
Literatura do rozdziału 9 / 421

10. Wykorzystanie energii Słońca i podczerwieni do zasilania w środkach transportu / 426
10.1. Samochody słoneczne / 426
10.1.1. Metody zasilania / 426
10.1.2. Historyczne prototypy / 427
10.1.3. Samochody wyścigowe i ich parametry konstrukcyjno-eksploatacyjne / 428
10.2. Najważniejsze aspekty projektowania pojazdu słonecznego / 435
10.2.1. Strategia projektowania i optymalizacja ruchu / 435
10.2.2. Moc niezbędna do pokonania oporów jazdy / 438
10.2.3. Moc pozyskiwana na drodze konwersji fotowoltaicznej / 439
10.2.4. Moc uzupełniająca z akumulatora / 441
10.2.5. Materiały i elementy konstrukcyjne stosowane w samochodach słonecznych / 444
10.3. Charakterystyki ruchu samochodu słonecznego w funkcji jego parametrów i warunków zewnętrznych / 447
10.3.1. Wpływ parametrów konstrukcyjno-eksploatacyjnych samochodu słonecznego na jego charakterystyki ruchu / 447
10.3.2. Optymalizacja doboru prędkości w samochodzie słonecznym z doładowaniem akumulatora podczas jazdy ze względu na maksymalny zasięg / 450
10.3.3. Bilans mocy pojazdu elektrycznego zasilanego energią Słońca / 454
10.3.4. Wnioski i uwagi do przeprowadzonych symulacji komputerowych / 460
10.3.5. Osiągnięcia projektowo-konstrukcyjne zespołów studenckich / 463
10.4. Samochody elektryczne i hybrydowe zasilane energią Słońca / 465
10.4.1. Pojazd Solar Bug / 465
10.4.2. Jeep elektryczny / 466
10.4.3. Pojazd Connector 2001 / 466
10.4.4. Peugeot BB1 Concept / 467
10.4.5. Fisker Karma / 468
10.4.6. Pojazd Lightyear / 469
10.4.7. Aptera Sol / 470
10.4.8. Dalszy rozwój pojazdów zasilanych energią Słońca / 471
10.5. Wyposażenie dodatkowe / 472
10.5.1. Dach słoneczny jako stacja ładowania / 472
10.5.2. Samochodowe panele PV / 472
10.5.3. Inne rozwiązania / 473
10.6. Transport kolejowy z udziałem energii Słońca / 474
10.6.1. Pociąg słoneczny w Belgii / 474
10.6.2. Trendy rozwojowe aplikacji PV w kolejnictwie / 474
10.6.3. Pociąg słoneczny w Australii / 475
10.7. Samoloty zasilane energią Słońca / 476
10.7.1. Prace NASA / 476
10.7.2. Solar Challenger / 476
10.7.3. Helios / 476
10.7.4. Solar Impulse / 477
10.7.5. Polski samolot słoneczny Phoenix / 478
10.8. Jednostki pływające zasilane energią Słońca / 479
10.8.1. Katamaran Sun 21 / 479
10.8.2. Tramwaj wodny Słonecznik / 479
10.8.3. Katamaran pasażerski Solar / 480
10.8.4. Katamaran Tûranor Planet Solar / 483
10.8.5. Katamaran Energy Observer / 484
10.8.6. Łodzie solarne zespołu Fiten Solar Team / 486
10.8.7. Etapy projektowania łodzi zasilanych energią słoneczną / 488
Literatura do rozdziału 10 / 489

11. Zagadnienia prawne, społeczne, ekonomiczne, normalizacja i recykling / 494
11.1. Wprowadzenie / 494
11.2. Strategia Unii Europejskiej dla energetyki słonecznej / 495
11.3. Koszt systemu fotowoltaicznego / 500
11.4. Problem autokonsumpcji / 507
11.5. Koszty zewnętrzne / 508
11.6. Normalizacja / 509
11.7. Konwersja fotowoltaiczna w promocji i edukacji / 511
11.8. Recykling modułów fotowoltaicznych / 516
11.8.1. Problemy recyklingu, koszty, technologie / 516
11.8.2. Linie pilotażowe odzysku i ponownego wykorzystania modułów krzemowych / 518
11.8.3. Metoda odzysku i ponownego wykorzystania modułów z CdTe / 520
Literatura do rozdziału 11 / 521

12. Fotowoltaika w Polsce / 526
12.1. Możliwości sektora fotowoltaicznego / 526
12.2. Prace naukowo-badawcze 529
12.2.1. Laboratorium Fotowoltaiczne Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Kozach / 529
12.2.2. Prace Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych / 537
12.2.3. Laboratorium Energetyki Odnawialnej w Sulechowie / 538
12.2.4. Słupski Inkubator Technologiczny / 539
12.2.5. Fotowoltaika w Parku Naukowo-Technologicznym Euro-Centrum w Katowicach / 542
12.3. Największe inwestycje fotowoltaiczne w Polsce / 543
12.3.1. Farmy fotowoltaiczne w Polsce / 543
12.3.2. Wybrane aplikacje fotowoltaiczne w budownictwie / 548
12.4. Producenci modułów / 557
12.4.1. EKOpower21 Sp. z o.o. z Warszawy / 557
12.4.2. Linia produkcyjna modułów Solar-Energy / 557
12.4.3. SELFA GE ze Szczecina / 559

Literatura do rozdziału 12 / 559
Indeks nazwisk / 563