SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet



Samankaltaiset tiedostot
SMG-4300: Yhteenveto toisesta luennosta. Miten puolijohde eroaa johteista ja eristeistä elektronivyörakenteen kannalta?

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-4300: Yhteenveto kolmannesta luennosta. PN-liitokseen perustuva aurinkokenno on kuin diodi, jossa auringonsäteily synnyttää estosuuntaisen virran.

SMG-4300 Aurinkosähkö ja Tuulivoima

Kuva 6.6 esittää moniliitosaurinkokennojen toimintaperiaatteen. Päällimmäisen

SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta

SMG-4450 Aurinkosähkö

SMG-4450 Aurinkosähkö

SMG-4450 Aurinkosähkö

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-4450 Aurinkosähkö

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-4450 Aurinkosähkö

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-4300: Yhteenveto viidennestä luennosta

SMG-4450 Aurinkosähkö

DEE Aurinkosähkön perusteet

Jukka Kitunen Aurinkosähkön soveltuvuus hajautettuun energiantuotantoon Suomessa. Diplomityö

DEE Aurinkosähkön perusteet

DEE Aurinkosähkön perusteet

Valosähköisten aurinkopaneeleiden hyötysuhteet

AURINKOPANEELIT. 1. Aurinkopaneelin toimintaperiaate. Kuva 1. Aurinkopaneelin toimintaperiaate.

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

SMG-4450 Aurinkosähkö

14.1. Lämpötilan mittaaminen

Aurinkosähkö. Antti Kosonen & Jero Ahola

Aurinkosähköä! Jero Ahola, LUT Energia,

SMG-4500 Tuulivoima. Kuudennen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan energiantuotanto-odotukset AIHEESEEN LIITTYVÄ TERMISTÖ (1/2)

Aurinkosähkö kotitaloudessa

JARNO KESKINEN SÄHKÖENERGIAN TUOTANTOON SOVELTUVAT AURINKOKENNOTEKNOLOGIAT JA NIIDEN KEHITTYMINEN Diplomityö

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa Heinikainen Olli

ERIKA KAITARANTA AURINKOKENNON JA KERÄIMEN YHDISTÄMINEN ENERGIANTUOTON KASVATTAMISEKSI

SPIRIDON VAMPOULAS AURINKOPANEELITEKNIIKAN SOVELTUVUUS- JA TALOUDELLISUUSTARKASTELU TEOLLISESSA SOVELLUKSESSA

Mahdollisuuksista integroida jäähdytystä metsäbiomassan polttoon perustuviin energiajärjestelmiin

SMG-4450 Aurinkosähkö

Väriaineaurinkokenno (Dye-sensitized solar cell, DSSC) 4. Kennon komponenteista huokoinen puolijohde

Aurinkosähkön hyödyntäminen

Aurinkoenergian hyödyntäminen Lappeenrannassa. Solar energy utilization in Lappeenranta

Kotien aurinkosähkö nyt kovassa kasvussa Uudellamaalla jo yli 260 voimalaa

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Energia on elämää käytä sitä järkevästi

TUOMAS LAPP AURINKOVOIMALAN KÄYTTÖ LISÄENERGIAN LÄHTEENÄ KIILTO OY:SSÄ

ARTO HILTUNEN AURINKOKENNON MAKSIMITEHOPISTEEN RIIPPUVUUS TOIMINTAOLOSUHTEISTA Kandidaatintyö

Maalämpöjärjestelmän hankinta. Keski-Suomen Energiatoimisto

Nanoteknologia aurinkokennoissa

HELENIN AURINKO-OHJELMA OHJELMA JA ENERGIAN VARASTOINTI. SAS - ABB Pitäjänmäki Atte Kallio,

CIS OHUTKALVO AURINKOPANEELIT YTM-INDUSTRIAL OY

Aurinkokennotyyppien ja aurinkokeräinten vertailu

Aurinkopaneelit tansanialaisessa oppimisympäristössä

skijännitekojeistot ENERGIAA AURINGOSTA ium Voltage Power Distribution Equipment

AURINKOSÄHKÖPANEELI MONIKITEISIÄ - SI-ESF-M-NE-P-45W

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

FFEKTA. ower Supplies. Aurinkosähköinvertteri AX -sarja EFFEKTA. 1-5 kva Hybridi-invertteri

Sapa Solar BIPV. Rakennukseen integroitavat aurinkokennot

suunta kuvassa alaspäin. Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun

Aurinko- ja tuulisähkön tuotantoprofiilit ja aurinkosähkön tuntitason ennustaminen

Aurinkosähkön tuotantokustannus ja kannattavuus. Eero Vartiainen Solar Technology Manager, Fortum Growth Oy

Aurinkosähkö ympäristön kannalta. Raasepori Pasi Tainio Suomen ympäristökeskus (SYKE)

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 7,

Energialähteiden osuus (%) energian kokonaiskulutuksesta Suomessa v. 2010

Luku 6 Uusiutuva energia. ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka ja Prof. Jorma Kyyrä

AURINKOSÄHKÖVOIMALAN TASAINEN TUOTANTO SUOMEN OLOSUHTEISSA

AURINKOSÄHKÖTEKNIIKAN TILANNEKATSAUS Survey of the Current State of Solar Electricity Technology

AURINKOENERGIAJÄRJESTEL- MÄN SUUNNITTELU ASUINRA- KENNUSTEN SÄHKÖNTUOTTOON

Aurinkoenergia: Aurinkosähkö ja aurinkolämpö. Aurinkoteknillinen yhdistys ry Tominnanjohtaja C.Nyman SÄHKÖURAKOITSIJAPÄIVÄT

Naps Systems Oy. Näkökulma aurinkoatlaksen merkityksestä järjestelmätoimittajalle. TkT Mikko Juntunen, Teknologiajohtaja

Toimeksianto sisältää lämpö- ja sähköenergiankulutuksesta tehtyjen laskelmien tulokset kuukausittain sekä kuvaajana että taulukoituna.

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

Saako sähköllä lämmittää?

Aurinko energialähteenä

DEE Aurinkosähkön perusteet: harjoitustyö

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE

SMG-4500 Tuulivoima. Kahdeksannen luennon aihepiirit. Tuulivoiman energiantuotanto-odotukset

ffiffi O, = aoo,'#...

ENERGIATEHOKAS KAUKOLÄMMÖN PUMPPAUS Tilastotutkimus. Helsinki Jarkko Lampinen

Satmatic aurinkoenergiajärjestelmät. Innovatiivinen ja älykäs aurinkoenergia. Solar Forum Satmatic Oy

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

AURINKOENERGIAN KANNATTAVUUS KASARMIN KAMPUKSELLA

Citysec Energy Solutions AURINKOPANEELIT HYBRIDIRATKAISUT INVERTTERIT TARVIKKEET LED-VALOT KATUVALOT Citysec Energy Solutions

Energiatehokkuus ja lämmitystavat. Keski-Suomen Energiatoimisto

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

JUHO LASONEN Aurinkosähkövoimalan suunnittelu ja toteutus

AURINKOENERGIAA ISOLLE ROOBERTINKADULLE. IAH arkkitehtuuritoimisto Pekka Hänninen,

Aurinkosähkön mahdollisuudet maatilalla. Lauri Hietala Solarvoima OY.

TIETOKANSIO Energiatehokas rakentaminen. Keski-Suomen Energiatoimisto

Tuulivoima. Energiaomavaraisuusiltapäivä Katja Hynynen

Aurinkoenergia mahdollisuutena

MIKROTUOTANNON LIITTÄMINEN JAKELUVERKKOON

Timo Ranta. AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN MITOITUS KORTTELIALUEELLE Järjestelmän kannattavuus ja business case

PUOLIJOHTEET tyhjennysalue

TAMPEREEN ASUNTOMESSUT 2012

AURINKOSÄHKÖN TUOTTAMINEN POHJOISMAISSA JA MUUALLA

Lämpöä tuulivoimasta ja auringosta. Kodin vihreä energia Oy

Aurinkoenergian mahdollisuudet Suomessa syys-, talvi- ja kevätolosuhteissa

Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio

Aurinkosähköjärjestelmien suunnittelu ja toteutus. ST-käsikirja 40

19,5 kw OMA PUMPPUTEHON VALINTASI 20,0 kw Täystehoinen

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

Transkriptio:

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

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

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

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

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

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

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

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

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 ) 3 3 0.1 Wcm -2 Virta [A] 2 Virta [A] 2 0.075 Wcm -2 0.05 Wcm -2 1 1 0.2 0.4 0.6 0.8 Jännite [V] 0.2 0.4 0.6 0.8 Jännite [V] 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 18 9

Toimintaolosuhteiden vaikutus 1.6 Standardiolosuhteet Teho [W] 1.2 0.8 T = 60 o C 0.4 G = 0.06 Wcm -2 0.2 0.4 0.6 Jännite [V] 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 19 Aurinkosähkö Tampereella marraskuu 2006 - lokakuu 2007 Mittaukset on tehty aurinkopaneelilla, jonka nimellisteho on 125 W. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 20 10

Aurinkosähkö Tampereella marraskuu 2006 - 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

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

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 2012. Vastaava trendi on havaittavissa muuallakin maailmassa. 10/8/2012 SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet 26 13

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

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

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