Zonne-energie. door. Alexis De Vos buitengewoon hoogleraar Universiteit Gent

Transcriptie

1 Zonne-energie door Alexis De Vos buitengewoon hoogleraar Universiteit Gent IEEE Students, woensdag 3 november 2010

2 2 1. Stralingsfysica Stralingswet van Planck : een oppervlak op temperatuur T straalt een spectrum n(e) = ǫ(e) 2π c 2 h 3 E 2 exp( E kt ) 1. De totale energie Q = 0 E n(e) de = ǫ 2π5 k 4 15c 2 h 3 T 4, Met de Stefan Boltzmann-constante σ: σ = 2π5 k 4 15c 2 h 3 : Q = ǫ σ T 4.

3 Figuur 1: Het zonnespectrum: (a) experimenteel spectrum, (b) Planck-spectrum (i.r. = infrarood straling; vis. = zichtbaar licht; u.v. = ultraviolet straling). 3

4 4 2. De Zon De Zon heeft volgende parameter-waarden: ǫ = 1 T = K ; dus is een zwarte straler op temperatuur T z = K. Met R z de straal van de Zon en met r de straal van de aardbaan rond de Zon : σt 4 z 4πR2 z 4πr 2. De flux-densiteit is dus verdund met een factor f = R2 z r 2 = 2, De totale instraling van de bovenste atmosfeerlagen van de Aarde wordt de zonneconstante Z genoemd : Z = fσt 4 z = W/m 2.

5 5 Figuur 2: De vlakke atmosfeer. 3. Beschikbaarheid van de zonne-energie De zonne-energie kent twee bijdragen: direkte zonnestraling diffuze straling, uitgestuurd door de hemelkoepel. In Belgisch klimaat zijn beide ongeveer even belangrijk. Indien het zonlicht invalt onder een hoek z, dan is de weglengte door de atmosfeer gelijk aan d sec(z) en dus Het dimensieloos getal Q = Z exp[ αd sec(z)]. m = sec(z) = de luchtmassa (A.M.). Op een paneel, waarvan de normaal een hoek i vormt met de zonnestralen, valt een intensiteit Q = Z exp[ αd sec(z) ] cos(i). Een zonnepaneel heeft een oriëntatie, bepaald door twee vrijheidsgraden : de zenitafstand n en de azimut A van de normale op het paneel.

6 6 Tabel 1: Intensiteiten zonnestraling (W/m 2 ). m 0 1,5 direkt diffuus globaal Tabel 2: Direkte zonne-energie (W/m 2 ). zonneconstante (A.M.0) rekening houdende met afwezigheid van de zon s nachts 677 na invloed van z 277 na met cos(i) 198 rekening houdende met wolken en nevel 59 Een paneel is optimaal geöriënteerd voor het direkt licht, indien het geöriënteerd is naar het zuiden, geheld volgens een compromishoek n = 37 en het corresponderend maximum is 59 W/m 2. voor het diffuus licht, indien het de ganse hemelkoepel ziet, d.w.z. indien het horizontaal geöriënteerd is: n = 0 en het corresponderend maximum is 67 W/m 2. voor het globaal licht, indien het geöriënteerd is volgens een compromis tussen beide vorige optima: naar het zuiden en n = 25, corresponderend met maximum van 123 W/m 2 (= 58 W/m 2 direkt + 66 W/m 2 diffuus).

7 Figuur 3: Gecapteerde zonne-energie (in W/m 2 ), als functie van de oriëntatie van het zonnepaneel. 7

8 8 Figuur 4: Wereldkaart, met isopleten: gemiddelde bezonning in W/m 2. Figuur 5: Zonneschijndistributie (jaargemiddelde) voor n = 50 en A = 180.

9 9 Figuur 6: Thermische zonne-energie conversie. 4. Thermische omzetting We beschouwen de planeettemperatuur T p als constant en gekend. De totale invallende straling is gelijk aan de zonneconstante Z = fσt 4 z = W/m 2. De convertor zelf straalt zwarte straling op temperatuur T. De netto totale invallende energie is dus Q(T) = fσt 4 z σt 4 = σ( f T 4 z T 4 ). Tussen de absorbertemperatuur T en de planeettemperatuur T p bevindt zich een Carnot-machine, welke warmte Q omzet in arbeid W, met rendement η = 1 T p T. De fotothermische convertor produceert een vermogen W. Uit W = ηq : W(T) = (1 T p T ) σ ( ft 4 z T 4 ) We voeren een zonne-energie conversierendement in: w(t) = W fσt 4 z = (1 T p T ) ( 1 T 4 ft 4 z ).

10 Q [W/m^2] w [%] T [K] T [K] (a) (b) Figuur 7: Warmtestroom Q en zonne-energie omzettingsrendement w, als functie van de absorbertemperatuur T. Voor T p < T < 2T p, hebben we een positieve w(t). Tussen zijn twee nullen vertoont w(t) een maximum bij dw/dt = 0 of Numerieke oplossing geeft en dus 4T 5 3T p T 4 4T 5 p = 0. T = 1, T p. w = 0, Dus een zonne-machine heeft een rendement w = 8,06 %.

11 11 5. Concentratie van het zonlicht Figuur 8: Solar power plant Eurelios te Adrano (Sicilië ).

12 12 Figuur 9: Emissiviteit van een zwart lichaam met bedekking: (a) met coating van Al/SiO/Al/SiO, (b) met broeikasglas (i.r. = infrarood straling; vis. = zichtbaar licht; u.v. = ultraviolet straling). 6. Selectieve zwarte lichamen We maken gebruik van een selectieve zwarte absorber i.p.v. van een zwarte. De zonne-absorber heeft dus een emissiviteit ǫ(e), welke niet gelijk is aan één voor alle energieën E, maar welke voldoet aan ǫ = { 0 for E < Eg 1 for E > E g.

13 13 Figuur 10: Arbeid geproduceerd door een fotothermische zonne-energie convertor als functie van de bandgap. 7. De thermische omzetting met bandgap Door integreren van Plancks spectrum van E = E g tot E = + geeft Q = 2π c 2 h 3 [ f E g E 3 de exp( E kt z ) 1 E g i.p.v. van de eenvoudige Stefan Boltzmann transportwet : Q = σ(ft 4 z T 4 ). E 3 de exp( E kt ) 1 ], We zien dat het gebruik van een bandgap-coating voordelig is. De optimale bandgap is 0,90 ev, aanleiding gevend tot een rendement van 53,6 %.

14 14 8. Fotovoltaïsche omzetting Figuur 11: Energiebanden. Direkte omzetting van zonne-energie naar elektriciteit is mogelijk dankzij het fotovoltaïsch effect in halfgeleiders. Een halfgeleider is een materiaal met bandgap (of bandkloof) E g. Het theoretisch maximaal rendement w van de omzetting wordt bekomen door te onderstellen dat geen enkel foton met energie E kleiner dan E g wordt geabsorbeerd; elk foton met energie E groter dan E g wordt wel geabsorbeerd; elk geabsorbeerd foton geeft een nuttige energie gelijk aan E g : E g w = E g N(E) de 0 EN(E) de, alwaar N(E) het invallend zonnespectrum is.

15 I 15 a b W qv/kt qv/kt Figuur 12: Karakteristieken van een zonnecel: (a) stroomspanningskarakteristiek, (b) vermogenspanningskarakteristiek. 9. Stroomspanningskarakteristiek Een diode heeft als stroomspanningskarakteristiek I(V ) = I s [ exp( qv kt ) 1 ], met I s de saturatiestroom van de diode. Een zonnecel heeft als stroomspanningskarakteristiek I(V ) = I l I s [ exp( qv kt ) 1 ]. Het afgegeven elektrisch vermogen W is spanning V maal stroom I : W(V ) = V [ I l I s exp( qv kt ) + I s ]. Deze W(V ) is nul bij V = 0, alsook bij V = V oc, de openklemspanning. Voor 0 < V < V oc is W(V ) positief. Het maximum vermogen bekomen we bij dw/dv = 0 : (1 + qv kt ) exp(qv kt ) 1 I l I s = 0. Het rendement is dan de verhouding van het maximum elektrische uitgangsvermogen tot het optisch ingangsvermogen: w = W max Q in = W max 0 EN(E) de.

16 16 Figuur 13: Ideaal rendement van een zonnecel. Met N(E, T) gelijk aan het Planckse zwarte-straler spectrum, d.i. N(E, T) = f 2π c 2 h 3 E 2 exp( E kt ) 1, berekenen we het gedrag van een zonnecel, als functie van de bandgap E g.

17 17 Tabel 3: Wereldproductiecijfers, per technologie (in MW/jaar) Si πsi asi CdTe CuInSe tot Technologieën Zes technologieën: monokristallijn galliumarsenide ( GaAs met E g = 1,42 ev ) monokristallijn silicium ( Si met E g = 1,12 ev ) polykristallijn silicium ( Si met E g = 1,12 ev ) amorf silicium ( Si met E g 1,5 ev ) polykristallijn cadmiumtelluride ( CdTe met E g = 1,45 ev ) polykristallijn koperindiumselenide ( CuInSe 2 met E g = 1,02 ev ).

18 18 30 w [ % ] a 25 b c d Figuur 14: Rendementen van silicium zonnecellen: (a) ideale bovengrens, (b) rekordrendementen voor cellen in het laboratorium, (c) productierendementen voor cellen in de industrie, (d) productierendementen voor panelen in de industrie. t [ y r ]

19 19 Figuur 15: Poly-Si paneel (PS 94 van Nukem). Een commercieel product 856 mm 1100 mm 8 mm, met W max = 84 W p (w = 10,5 %). Het kostte (in 1993) 496 =, dus 6 = /W p. Huidige prijzen zijn circa 2,5 = /W p.

20 20 Tabel 4: Wereldrecord zonnecel-rendementen (2010). type halfgeleider w (%) mono GaAs 26,4 mono Si 25,0 cel poly Si 20,4 poly CuInSe 2 19,4 poly CdTe 16,7 amorf Si 10,1 mono Si 22,9 mono GaAs 21,0 module poly Si 17,3 poly CuInSe 2 13,8 poly CdTe 10,9 amorf Si 10,4

21 21 Tabel 5: Geïnstalleerd p.v.-vermogen (in MW en in W/inwoner), eind land Duitsland Spanje Japan U.S.A Italië Frankrijk Australië Nederland 57 3 België 50 5 Zwitserland 48 6 Luxemburg Ver. Kon Denemarken Economie We onderstellen een levensduur van 20 jaar. Als voorbeeld nemen we hier een dak te Gent, optimaal geöriënteerd. Het aantal kwh opgewekt gedurende deze 20 jaar = 20 j h/j is 20 j h/j W piek = 20 j h/j W piek = h W piek 0, 123 Q in 1 kw/m W/m W/m 2 Het getal 0,123 = 12,3 % kunnen we de beschikbaarheid noemen. Met de huidige prijs van circa 2,5 = /W p geeft dit circa 120 m = /kwh.

22 G 10 a 100 M 5 10 M b 2 1 M k c k 100 k 1 M 10 M 100 M 1 G 10 G Figuur 16: Evoluties: (a) zonnecelprijs (in $/W p ) in functie van de tijd, (b) productievolume (in W p /jaar) in functie van de tijd, (c) zonnecelprijs (in $/W p ) in functie van cumulatief productievolume (in W p ).

23 Toepassingen Toepassingen van fotovoltaïsche panelen zijn van twee soorten: Naar afgelegen oorden (oazen in de Sahara, berghutten in de Alpen, vissersdorpen op kleine eilanden in de Egeïsche Zee,...) is het te duur om een hoogspanningskabel te leggen. Aldaar is zonne-energie perfekt competitief. We onderscheiden hier twee gevallen: Indien s avonds en s nachts geen elektriciteit nodig is (bv. drinkwater, irrigatie, waterontzilting,...), is geen energiestockeren vereist. Indien s avonds en s nachts wel elektriciteit nodig is (bv. verlichting, koelkast,...), is stockeren van energie vereist, bv. met loodakkumulatoren. In streken met een dicht elektriciteitsnet, kan deze fungeren voor tijdelijk stockeren. Het fotovoltaïsch paneel is dan gekoppeld aan het net via een inverter (d.i. een toestel dat gelijkspanning omzet in 50 Hz 230 V wisselspanning).

24 24 10 GW wind 1 GW 100 MW zon 10 MW 1 MW Figuur 17: Productievolumes (in W p /jaar) in functie van de tijd. 13. Vergelijking met windenergie Op logaritmische schaal duidt dat op een konstante verhouding: de windmolenindustrie is ongeveer een faktor 10 groter dan de zonnecel-industrie: We kunnen het ook anders bekijken: deze rechte is gelijk aan deze rechte, verschoven naar rechts. We besluiten dat de zonnecel-industrie ongeveer 11 jaar achterloopt op de windturbine-industrie.

25 Groenestroomcertificaten Ten einde de realisatie van de Kyoto-doelstellingen te bevorderen, is in het leven geroepen het systeem van de verhandelbare groenestroomcertificaten. Belgisch koninklijk besluit van 16 juli 2002 betreffende de instelling van mechanismen voor de bevordering van elektriciteit opgewekt uit hernieuwbare energiebronnen : art. 7 Een groenestroomcertificaat wordt afgeleverd voor een hoeveelheid geproduceerde groene stroom die overeenkomt met één MWh. art. 14 Om de afzet van een minimum volume groene stroom tegen een minimale prijs op de markt te verzekeren, wordt een systeem van minimumprijzen voorzien. De netbeheerder is verplicht certificaten aan te kopen, van de producent die hierom verzoekt, aan een minimale prijs, namelijk: off-shore wind : 90 of 107 = /MWh on-shore wind : 50 = /MWh waterkracht : 50 = /MWh zonne-energie : 150 = /MWh andere : 20 = /MWh. De aankoopverplichting bedraagt 20 jaar voor off-shore en 10 jaar voor alle andere bronnen. Dit K.B. wordt aangevuld met het Vlaams decreet van 7 mei 2004 betreffende het groenestroomcertificatensysteem gewijzigd door het decreet van 8 mei 2009 houdende de organisatie van de elektriciteitsmarkt : art. 25ter De netbeheerders kennen een minimumsteun toe voor de produktie van elektriciteit uit herniewbare energiebronnen. De minimumsteun bedraagt per overgedragen certificaat: voor zonne-energie : 350 = (jaarlijks verminderd met 20 = ) voor waterkracht : 90 = voor windenergie op land : 90 = voor andere : 60 =. De verplichting loopt over een periode van 10 jaar. Voor zonne-energie loopt ze over een periode van 15 jaar. De 150 = van België en de 350 = van Vlaanderen zijn (uiteraard) niet cumuleerbaar...

26 Voorbeeld: Phalk 500 Figuur 18: Zonnecentrale Phalk 500. De zonnecentrale Phalk 500 (Fotovoltaik Alpine Kraftwerk 500 kw) bevindt zich op de Mont-Soleil in het Jura-gebergte, te Saint-Imier. Bij standaard testcondities (Q in = W/m 2 ) is het een 580 kw installatie. Het rendement van de installatie bedraagt w = 505 kw kw = 0, 11.

27 27 Figuur 19: Demonstratieprojekt te Melle (NO gevel). 16. Voorbeeld: Melle 2 Sinds 1 september 2001 baat de Universiteit Gent een klein fotovoltaïsch demonstratieprojekt uit te Melle (Proefhoevestraat 18), op het dak (helling 17 naar ZW en NO) van de melkveestal van de Proefhoeve. Oppervlakte = 16 m 2. De nominale opbrengst is Watt p. Het hoogste a.c. vermogen tot nu toe opgetekend was W (14 mei 2002). Het gelijkstroomrendement bedraagt 10,0 %, het inverterrendement 89 %.

28 28 Figuur 20: Demonstratieprojekt te Melle (ZW gevel).

29 29 Figuur 21: Zonnevermogen invallend op het demonstratieprojekt te Melle, op een zonnige dag. Figuur 22: Zonnevermogen invallend op het demonstratieprojekt te Melle, op een bewolkte dag.

30 30 Figuur 23: Privéwoning te Gentbrugge (8,3 m 2, 832 W p ).

31 Figuur 24: Kmo te Lovendegem (28 m 2, 3 kw p ). 31