SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet

Transkriptio

1 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet AURINKOENERGIA Maapallolle saapuva säteilyteho Aurinkolämpöjärjestelmät Aurinkosähkö Valosähköinen ilmiö Aurinkokennon toimintaperiaate Aurinkosähköjärjestelmät 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 1 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 2 1

2 Ilmakehään saapuva säteily: aurinkovakio 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 3 Maan pinnan saavuttava säteily 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 4 2

3 SÄTEILYINTENSITEETTI, VUOTUINEN KESKIARVO 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 5 Aurinkolämpöjärjestelmät Hyödyntävät auringon säteilyn lämpöenergiaa (IR-säteily). Matalan lämpötilan sovellukset: käyttöveden ja rakennusten lämmittäminen. Korkean lämpötilan sovellukset: sähkön tuottaminen höyryturbiinin avulla. Yksinkertaisimmillaan talo, jonka ikkunoista suurin osa on kohti etelää. Monimutkaisimmillaan tuhansista auringon liikettä seuraavista peileistä koostuva voimalaitos. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 6 3

4 Lasi Läpäisee näkyvää valoa ja lyhytaaltoista IR-säteilyä, jota auringosta tuleva lämpö pääosin edustaa. Ei läpäise pitkäaaltoista IR-säteilyä, jota lämpimät pinnat pääosin heijastavat: lasi toimii lämmöneristeenä. On myös olemassa ominaisuuksiltaan lasia vastaavia muoveja, mutta UV-säteily vahingoittaa niitä merkittävästi enemmän kuin lasia. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 7 Matalan lämpötilan aurinkolämpöjärjestelmät 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 8 4

5 Esimerkki: omakotitalon lämmitys suoralla auringonsäteilyllä Etelään näyttävän yksi- (katkoviiva) ja kaksikerroksisen (yhtenäinen viiva) ikkunan energiatase Lontoossa (o) ja Carpentrasissa ( ). 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 9 Korkean lämpötilan aurinkolämpöjärjestelmät 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 10 5

6 DESERTEC 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 11 Korkean lämpötilan aurinkolämpöjärjestelmät Kun auringon säteet kohdistetaan peilien avulla, lämmitysteho riittää höyryturbiinisovelluksiin: sähkön tuottaminen. Höyry Turbiini Generaattori Lämmin vesi Pumppu Neste Kylmä vesi Lauhdutin 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 12 6

7 Aurinkosähkö Aurinkokenno muuttaa auringonsäteilyn energiaa suoraan sähköksi ilman mekaanista liikettä tai saastuttavia sivutuotteita. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 13 VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ Ranskalainen Edmond Becquerel havaitsi vuonna 1839 jännitteen nousun tarkastelemassaan paristossa, kun sen hopealevyt altistettiin auringon valolle. Valosähköinen ilmiö: auringosta tulevan sähkömagneettisen säteilyn ja varausten välistä vuorovaikutusta. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 14 7

8 Valosähköinen ilmiö: puolijohteet Auringonsäteily synnyttää puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 15 Miksi aurinkokennoja ei valmisteta puhtaasta puolijohteesta? Jos aurinkokennot valmistettaisiin puhtaasta puolijohteesta: Auringonsäteily kyllä synnyttäisi puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia. Varauksenkuljettajia erotteleva voima kuitenkin puuttuisi, minkä seurauksena lähes kaikki johtavuusvyölle nousseet elektronit putoaisivat pian takaisin valenssivyölle. Tätä elektroni-aukko-parin yhdistymistä kutsutaan rekombinaatioksi. Aurinkokennoissa rekombinaatio on ei-toivottavaa, koska se tarkoittaa syntyneen varauksenkuljettajaparin katoamista. PN-liitos on ratkaisu tähän ongelmaan: Kun p- ja n-tyyppinen puolijohde liitetään toisiinsa, syntyy pn-liitos. Kun aurinkokenno valmistetaan pn-liitoksesta, liitoksen sisäinen sähkökenttä erottelee auringonsäteilyn synnyttämät varauksenkuljettajat eri puolille liitosta. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 16 8

9 Puolijohdeaurinkokennon toimintaperiaate PN-liitos toimii aurinkokennona, koska: auringonsäteily synnyttää puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia (elektroneja ja aukkoja). tyhjennysalueen sähkökenttä erottelee syntyneet varaukset eri puolille pn-liitosta. Syntyy jännite, joka saa sähkövirran kulkemaan kennoon kytketyssä kuormassa. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 17 Toimintaolosuhteiden vaikutus piiaurinkokennoon Tyhjäkäyntijännitteen V oc ja oikosulkuvirran I sc riippuvuus lämpötilasta T: dv oc /dt -2.3 mv/k di sc /dt 0 A/K Riippuvuus säteilytehotiheydestä G: I sc (G)-riippuvuus on likimain lineaarinen dv oc /dg 0 V/(Wm -2 ) Wcm -2 Virta [A] 2 Virta [A] Wcm Wcm Jännite [V] Jännite [V] 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 18 9

10 Toimintaolosuhteiden vaikutus 1.6 Standardiolosuhteet Teho [W] T = 60 o C 0.4 G = 0.06 Wcm Jännite [V] 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 19 Aurinkosähkö Tampereella marraskuu lokakuu 2007 Mittaukset on tehty aurinkopaneelilla, jonka nimellisteho on 125 W. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 20 10

11 Aurinkosähkö Tampereella marraskuu lokakuu 2007 Toimiva nyrkkisääntö aurinkosähköenergian tuotannolle Etelä-Suomen olosuhteissa: Jos aurinkopaneelin nimellisteho on x W, vuoden aikana tuotettu sähköenergia on noin 0.8x kwh. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 21 Korkealaatuisen piikennon valmistus 1) Piin erottaminen hiekasta. 2) Puhdistaminen elektroniikkateollisuudelle kelpaavaksi. 3) Monikiteisestä piistä yksikiteiseksi piiksi. 4) Yksikiteisestä piikiekosta aurinkokennoksi. 5) Kotelointi ja kytkentä säänkestäviksi paneeleiksi. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 22 11

12 Hiekasta aurinkopaneeliksi 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 23 Kennomateriaalit (1/2) ENSIMMÄISEN SUKUPOLVEN AURINKOKENNOT Yksi- ja monikiteinen pii Ylivoimainen markkinajohtaja, kaupallisten paneelien hyötysuhde luokkaa 14%. Gallium-Arsenide (GaAs) Korkea hyötysuhde (~18%), sillä absorboivat fotoneja tehokkaammin kuin pii. Erittäin kallis ja myrkyllinen käytetään vain erikoissovelluksissa (lähinnä avaruudessa). TOISEN SUKUPOLVEN AURINKOKENNOT: ohutkalvomateriaalit Amorfinen pii (a-si) Halpa materiaali, mutta alhainen hyötysuhde (4-7%). Käytetään elektroniikkasovelluksissa. Kupari-Indiumdiselenidi (CiS) Hyötysuhde ~10%, mutta huomattavasti halvempi valmistaa kuin kiteinen piikenno. Galliumilla seostaminen (CiGS) parantaa absorptio-ominaisuuksia. Pidetään yhtenä tulevaisuuden aurinkokennoista. Kadmiumtelluridi (CdTe) Teoriassa hieman korkeampi hyötysuhde kuin kiteisellä piillä. Kiderakenteesta on vaikea saada riittävän säännöllistä, mikä lisää rekombinaatiota. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 24 12

13 Kennomateriaalit (2/2) TOISEN SUKUPOLVEN AURINKOKENNOT: moniliitoskennot Kun julkisuudessa puhutaan 30-50%:n aurinkosähköhyötysuhteista, tarkoitetaan yleensä ohutkalvoaurinkokennoista valmistettuja moniliitoskennoja. Kun kenno valmistetaan monesta eri puolijohteesta siten, että energia-aukoltaan suurin materiaali on kennon pinnalla ja pienin kennon pohjalla, hyötysuhde kasvaa merkittävästi. Moniliitoskenno on väriaineaurinkokennon ohella tämän hetken tutkituin kennotyyppi. KOLMANNEN SUKUPOLVEN AURINKOKENNOT: nanotekniikka Väriaineaurinkokennot (Dye sensitised nanocrystalline solar cell) Yksi ratkaisu nanomateriaalien hyödyntämiseksi aurinkokennoissa. Toimintaperiaate on erilainen kuin perinteisillä puolijohdeaurinkokennoilla. Tämän hetken tutkituin aurinkokennotyyppi: hyötysuhde ~11% mutta vahvuutena halpa hinta. Väriaineaurinkokennon oleellisimmat erot perinteiseen puolijohdekennoon verrattuna Puolijohde ei absorboi auringonsäteilyä, vaan sen tekee puolijohdepartikkelien pinnalla oleva väriaine. Väriaineen virittynyt elektroni siirtyy puolijohteeseen, jota pitkin se pääsee ulkoiseen kuormaan. Ei pn-liitosta. Elektronien liike perustuu diffuusioon, eli konsentraatioerojen aiheuttamaan varausten liikkeeseen. Ideaalisessa tilanteessa puolijohteen valenssivyöllä ei ole aukkoja, joten rekombinaatio jää vähiin. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 25 Kennomateriaalit Kuva esittää Japanin aurinkosähköteollisuuden tilannetta vuosina 2009 ja Vastaava trendi on havaittavissa muuallakin maailmassa. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 26 13

14 Aurinkosähköjärjestelmän rakenne Akusto Aurinkosähkövoimala Ohjaus ja säätö AC- tai DC-kuorma Varageneraattori Verkko 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 27 Aurinkosähkövoimala Aurinkosähkövoimala on siinä mielessä yksinkertainen laitos, että nimellisteholtaan pieni ja suuri voimala ovat rakenteellisesti lähes samanlaisia. Esimerkiksi tuulivoimala on tässä mielessä erilainen, sillä pienen ja suuren kokoluokan tuulivoimalat ovat suunnittelumielessä tyystin erilaisia. Aurinkosähkövoimalassa paneeleiden lukumäärä ratkaisee voimalan nimellistehon. Yksittäisen paneelin jännite on yleensä sopiva 12 V:n akun lataamiseen, mutta suuremmissa voimaloissa paneeleita kytketään sarjaan ja rinnan niin, että kokonaisjännite ja virta saadaan sopiviksi. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 28 14

15 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 29 Aurinkosähkön hintanäkymät Lähde: US Department of Energy 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 30 15

16 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 31 16