Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie

Prezentace na téma: "Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie"— Transkript prezentace:

1 Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie
Energie Slunce Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie

2 Možnosti využití sluneční energie
Jak lze vyrobit elektrickou energii ze Slunce ? a) přímo * fotovoltaické články b) nepřímo * ohřev média a následná výroba elektrické energie Jak lze vyrobit tepelnou energii ze Slunce ? * solární kolektory Míra využití sluneční energie je dána: * intenzitou slunečního svitu * technologickými možnostmi * všestranným využitím získané energie * ekonomickou návratností * možností investic a mírou zisku

3 Mapa slunečního svitu v ČR
V ČR za rok 1kWP  1MWh Solární záření v České republice Zdroj: Atlas podnebí Česka Světová mapa slunečního svitu – matematický model

4 Světová mapa slunečního svitu
Pojmy: - technologie CIS amorfní panel - měď, indium, selen - tabulka Ed denní výroba (kWh) Em měsíční výroba (kWh) Hd průměrné denní záření na plochu (kWh/m2) Em průměrné měsíční záření na plochu (kWh/m2)

5 Mapa slunečního svitu v Evropě

6 Výroba OZE v ČR - zdroj: Český regulační úřad

7 Výkon fotovoltaických elektráren v ČR Zdroj: tzb-info

8 Největší fotovoltaické elektrárny v ČR zdroj: ERU
lokalita výkon (MW) spuštění výroba 2011 (GWh) provozovatel FVE Ralsko 38,3 2010 40 ČEZ – Obnovitelné zdroje FVE Vepřek 35,1 40,4 FVE CZECH NOVUM s.r.o. FVE Ševětín 29,9 32,5 FVE Brno letiště 21,2 2009, 2010 18 BS Park s.r.o. FVE Mimoň 17,5 17,6

9 Nepřímá výroba elektrické energie
* V ohnisku (pec) je teplota až 3000oC * Voda se mění v páru a pohání turbínu (na obr. je varianta s olejem, nutný výměník * Zrcadla (heliostaty) jsou pohyblivá a natáčí se za sluncem

10 Nepřímá výroba elektrické energie
* Je tvořena řadami naklápěcích slunečních kolektorů, sluneční záření je směřováno na trubku * V trubce proudí teplonosné médium * V Kalifornii pracuje elektrárna s výkonem 30 MW

11 Nepřímá výroba elektrické energie

12 Největší solární elektrárna na světě
zdroj: MIT Technology Review, Phys.Org, Ivanpah Solar, Wikipedia Místo - Mohavská poušť, Kalifornie Výkon MWe Počet zrcadel tisíc Počet věží - 3 Rozloha - 14 km2

13 Princip fotovoltaického článku
* po dopadu fotonu (musí mít dostatečnou energii) na polovodič typu N se uvolní z mřížky elektron, po kterém zůstane kladná "díra" * volný elektron nemůže vlivem přechodu PN přejít do vrstvy P * elektrony uvolněné ve vrstvě P mohou volně přecházet do vrstvy N * tím se vytvoří rozdíl potenciálů mezi spodní a vrchní vrstvou  na článku naměříme napětí asi 0,5 V * po připojení zátěže začne procházet proud * z 1m2 lze získat stejnosměrný výkon přibližně 150W * pro praktické využití je třeba sério-paralelní zapojení článků

14 Princip fotovoltaického článku
Princip: zde Princip fotovoltaického článku

15 Materiály pro fotovoltaické články
1. Generace - základem jsou krystalické křemíkové desky Křemík teoretická maximální účinnost 31 % multikrystalický * účinnost (11-14) % * výhody nižší cena difúzní světlo * energetická návratnost 2,2 let monokrystalický * reálná účinnost (12-16) % * energetická návratnost 2,7 let Obě technologie jsou dnes zcela rovnocenné. V současné době nejvíce využívaná technologie (zhruba 90%)

16 2. Generace Hlavním aspektem je úspora křemíku při plánovaném růstu výroby článků Tenkovrstvé technologie Aktivní polovodičová vrstva se nanáší na podložku (sklo nebo fólie) a je 100 – 1000 tenčí. a) na bázi křemíku * polykrystalická technologie, účinnost (okolo 10%) * amorfní křemík nanesený na skle, tloušťka 0,5m, účinnost (6 - 7)% b) bez křemíku * CIGS moduly – měď, indium, galium, diselenid, účinnost až 20% * Cd-Te ( kadmium-telurid) moduly, účinnost (9 - 11)% Obecné vlastnosti tenkovrstvé technologie: * lehkost a snadná manipulace * větší citlivost na denní světlo  asi o 15% vyšší energetická výtěžnost * menší citlivost na vyšší teploty * nižší výrobní náklady a rychlejší zhodnocení investice * předpoklad zvyšování účinnosti Použití - fólie na ohebný podklad, fasády domů, vrstvy na skle, …

17 Vlastnosti – současná účinnost 1,3%, cílová hodnota okolo 5%
Tenkovrstvé technologie Jedna z možných realizací technologie – solární články na fólii a papíře. 1. nastříkání fotocitlivých vrstev ve vakuové komoře na fólii (papír) - USA 2. tisk pomocí speciálních barev na list běžný papíru (technologie 3PV) - Německo Vlastnosti – současná účinnost 1,3%, cílová hodnota okolo 5% Výhoda – běžný tisk  nízká cena

18 Fotovoltaické fólie (zdroj: www.ekobydleni.eu)
Fólie může být nanesena na libovolný skleněný povrch. Tvoří zároveň tepelnou izolaci a zvyšuje ochranu skla před mechanickým poškozením. Účinnost - (3 - 5) % Měrná cena - zhruba dvojnásobná v porovnání s klasickými panely

19 Další generace a perspektivy vývoje solárních panelů
Vícevrstvé solární články (dvoj-, trojvrstvé články) * ultratenké materiály s různou citlivostí na sluneční spektrum * některé fotony „uvíznou“ ve vrchní vrstvě, jiné projdou hlouběji * teoretická účinnost je až 72 % * problémy s krystalickou mřížkou, maximální dosažená účinnost okolo 30 % * jednotlivé vrstvy by měly být zdrojem stejného proudu * výsledné napětí je dáno součtem jednotlivých napětí vrstev. V současné době existuje několik dalších technologií - organické články - články na bázi nanočástic

20 Vývoj účinnosti

21 Nové články - perovskit
* Jedná se o skupiny látek, sloučenin halogenů (chlór, jód nebo bróm), které jsou naneseny na základní vodivé desce (sklo) * na podzim 2013 se podařilo dosáhnout účinnosti okolo 15% v laboratorních podmínkách * do budoucna se předpokládá i stejná účinnost v normálních podmínkách * mohou být i průhledné * cena nových článků by měla být výrazně nižší než u stávajících křemíkových modulů * uvažuje se i "tisku" perovskitu na současné křemíkové články, což by vedlo ke zvýšení účinnosti

22 Popište jednotlivé solární články
(momokrystalický a polykrystalický křemík, organický solární článek.)

23 Ostrovní systém (off – grid)
S přímým napájením - napájení letního čerpadla - letní atrakce, ohřev - nabíjení akumulátorů Systém s akumulací - dopravní značky, obytné karavany, malé meteorologické stanice, odlehlé chaty, zahradní svítidla, světelné reklamy, … Hybridní systém s akumulací - velké odlehlé stanice pro různé účely

24 Ostrovní systém grid-off
* Výhodné zejména v místech, kde není přímé připojení k soustavě a zhotovení přípojky by bylo nákladné * v nejjednodušších aplikacích není třeba další přídavné zařízení, jinak nutný speciální akumulátor s regulátorem nabíjení * investiční náklady – (50 – 100) Kč/WP * v případě potřeby lze kombinovat s dalšími nezávislými zdroji

25 Ostrovní systém grid-off
Sestava firmy Solartek (36.000,- Kč vč DPH)

26 Ohřev vody Výkon – 1,5kWP (6 panelů po 250 WP), Umax=260V, cena Kč

27 Síťové systémy (on–grid)
Systém je propojen s rozvodnou soustavou Možnosti realizace: a) výroba z fotovoltaických panelů jde přímo do rozvodné soustavy - příný prodej

28 Systémy na síť grid-on Možnosti realizace:
b) výroba z fotovoltaických panelů slouží i pro samotný objekt - zelený bonus

29 Mechanismus výkupních cen a zelené bonusy
V současné době lze volit cenu, za kterou lze prodávat: 1. Zelený bonus - (příspěvek - energie vyrobená z obnovitelného zdroje se nemusí vyrobit z fosilních paliv) vyrobenou elektrickou energii využívá majitel pro svou vlastní spotřebu, případné přebytky odevzdává do sítě - úspora stavebních nákladů (panely na střeše, …) - většinou se jedná o menší výkony - měrné náklady okolo 50,- Kč/W 2.Přímý prodej - vyrobená elektrická energie se prodává přímo do veřejného rozvodu - zpravidla se jedná o sluneční farmy o velkých výkonech - umístění na volném prostranství

30

31 Novela energetického zákona pro malovýrobce
(zdroj Energetika 4/16, The Power Self-generation) Výroba bez licence, zejména pro vlastní spotřebu a) zjednodušené připojení - výroba do 16 A (nebo 10 A na fázi), nulový přetok do sítě, bez žádosti o připojení, obousměrný elektroměr (kontrola neoprávněné dodávky) - problematické zajištění nulové dodávky do sítě b) standardní připojení - do 10 kW, výroba pro vlastní spotřebu s možnými přetoky do sítě, obchodní vyrovnání, žádost o připojení, obousměrný elektroměr Princip obchodního vyrovnání - Net metering Porovnání rozdílu mezi odběrem a dodávkou elektrické energie do sítě, obchodní vyrovnání probíhá v měsíčním (ročním) zúčtování. V ČR se týká pouze silové elektřiny. Výrobce hradí fixní poplatek na pokrytí administrativních nákladů. V současné době se řeší zejména právní a ekonomické vztahy výrobce x obchodník a stanovení ceny elektřiny vyrobené z vlastního zdroje - standardní maloobchodní cena - velkoobchodní tržní cena - cena stanovená vyhláškou

32 Přímý prodej

33 Princip a podmínky pro přímý prodej
* podmínky připojení jsou dány před zahájením výstavby formou „zamluvení výkonu“ mezi výrobcem a provozovatelem (studie připojitelnosti – možnosti distribučních a přenosových linek, rezervy ve stávajících rozvodnách) * veškerá vyrobená energie je odváděna do distribuční sítě * za tuto energii je pevná výkupní cena (ERU), která byla platná v době výstavby * k ceně se připočítává "inflační doložka" – (2 – 4)% * vyrobená energie se měří elektroměrem * provozovatel soustavy musí tuto energii ze zákona vykoupit Obecné povinnosti (neplatí pro novelu do 10 kWP) * každý měsíc je třeba dodat provozovateli výkaz o výrobě * jednou za ¼ roku poslat výkaz na ERU * jednou za rok poslat distributorovi odhad výroby na další rok

34 Ceníky pro výkup (zdroj https://www.tzb-info.cz/)

35 Technické problémy Jaké technické problémy přinesl rychlý rozvoj fotovoltaických elektráren ? * Z důvodů snížení ekonomické návratnosti investice (5 – 7 let) došlo na našem území v roce 2010 k extrémnímu zájmu investorů. Do konce roku 2010 byl rezervován výkon 8 GW, realizovaný výkon je ale zatím pouze zhruba 2 GW (k ) * Zatím není zcela jasný vliv nových zdrojů (slunce a vítr) na rozvodnou soustavu. Proto je uzavírání nových smluv zatím pozastaveno * Analýza dopadů: - udržení frekvence v důsledku kolísání poměru výroba x spotřeba - dostatek jalového výkonu (fotovoltaické elektrárny vyrábí pouze činný výkon) - vznik vyšších harmonických - zvýšení zkratových výkonů On-line výroba fotovoltaických elektráren v ČR (zdroj: sollaris – on-line monotorig FV): zde

36 Příklad kompletního schématu zapojení (zdroj: OEZ)

37 Příklad zapojení stringů (zdroj: OEZ)
V praxi se panely zapojují sério-paralelně. Jednotlivé větve - stringy lze v případě potřeby samostatně spínat. Výhody: - možnost odpojit samostatné části v případě poruchy, zastínění, opravy. …

38 Příklady realizace fotovoltaické panely ve škole
Fotovoltaické články: 12 x FV panel RADIX72 maximální výkon 1,117 kW celkové náklady Kč Parametry jednoho panelu: výkon 100,6 W napětí naprázdno 21,4 V napětí při maximálním výkonu 16,6 V účinnost 11,5 % Dosažené hodnoty: maximální výkon 1,075 kW vyhodnocená doba provozu 5/2001 – 4/2011 celková vyrobená energie ,7 kWh

39

40

41 Olmedila, Španělsko – 60 MW (2008)
Puertoliano, Španělsko – 47 MW (2008)

42 FVE Ralsko – 4 dílčí elektrárny, celkem 38,24 MW (29. 12. 2010)
Vepřek, okres Mělník – 35,1 MW (2010). investice 2,7 mld. Kč

43

44 Technické problémy * Jedná se o neregulované zdroje s výrobou zejména v letních měsících * Transformátory pro připojení do vn a vvn výrazně zhoršují účiník sítě, střídače kvalitu napětí * Při změnách slunečního svitu dojde k výraznému kolísání výkonu i napětí * Extrémní nárůst výkonu zvyšuje požadavky na distribuční (vn) a přenosovou (vvn) soustavu, která není na takovou změnu připravena. Hrozí přetěžování sítí, s následným vypínáním * Jaderné elektrárny se prakticky nedají regulovat, parní elektrárny jen omezeně (zhoršování jejich účinnosti a efektivity) a vodní elektrárny na vše nestačí  v budoucnu se musí stavět nové zdroje s regulací výkonu (50 – 100)% *  požadavek - výstavba nových „regulačních“ elektráren

45 Materiály Data Český regulační úřad
Světová mapa slunečního svitu Internetový odkaz Mapa svitu v ČR Atlas Česka Wikipedie Otevřená encyklopedie Simulace Petr Mastný Obnovitelné zdroje energie Petr Novotný Fotovoltaika, prezentace TU Liberec