ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ «ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΑΤΟΥ ΦΩΤΕΙΝΗΣ του ΔΙΟΝΥΣΙΟΥ Α.Μ.:5368 ΦΟΙΤΗΤΡΙΑ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Ε.ΤΑΤΑΚΗΣ, ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: /2008 ΠΑΤΡΑ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2008

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» ΤΗΣ ΦΟΙΤΗΤΡΙΑΣ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΩΝΣΤΑΝΤΑΤΟΥ ΦΩΤΕΙΝΗΣ του ΔΙΟΝΥΣΙΟΥ Α.Μ.:5368 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 13/10/2008 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αναπληρωτής καθηγητής Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνης Αλεξανδρίδης

3 Αριθμός διπλωματικής εργασίας: /2008 ΤΙΤΛΟΣ: «ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» Φοιτήτρια: Κωνσταντάτου Φωτεινή Επιβλέπων: Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή διάταξης διασύνδεσης φωτοβολταϊκών συστημάτων δύο βαθμίδων με το δίκτυο της χαμηλής τάσης. Αντικείμενο της εργασίας ήταν η πρώτη βαθμίδα που αναλαμβάνει την ανύψωσης της τάσης, που δίνει στην έξοδο ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, με σκοπό να συνδεθεί στην επόμενη βαθμίδα, όπου γίνεται η αντιστροφή της τάσης. Το κύκλωμα που μελετήθηκε είναι ένας μετατροπέας ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης εξόδου και επιλέχθηκε από τη σειρά των μετατροπέων Luo. Συγκεκριμένα έπειτα από μελέτη των τοπολογιών και με βάση τις προδιαγραφές που είχαμε στη παρούσα εργασία έγινε η επιλογή δύο διατάξεων ως οι πιο κατάλληλες για την εφαρμογή. Η διάταξη Re-lift ανύψωσης τάσης και το στοιχειώδες κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης μελετήθηκαν θεωρητικά και έγινε προσομοίωση της λειτουργίας τους με πραγματικά στοιχεία. Με βάση τα αποτελέσματα που λήφθηκαν έγινε σύγκριση των δύο μετατροπέων και επιλέχθηκε η μία εκ των δύο για κατασκευή. Τελικά στο εργαστήριο κατασκευάστηκε το στοιχειώδες κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης και ο έλεγχος της διάταξης έγινε με τη χρήση μικροελεγκτή (dspic30f4011). Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την θεωρητική ανάλυση που έγινε και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος. Ο βαθμός απόδοσης που προέκυψε στις πειραματικές μετρήσεις θεωρείται μάλλον χαμηλός της τάξης του 80% για την εφαρμογή αυτή, καθώς αποτελεί την πρώτη βαθμίδα σε σύστημα δύο βαθμίδων. Η συμπεριφορά όμως και το κέρδος τάσης είναι ικανοποιητικά για εφαρμογές χαμηλής ισχύος.

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Tμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη μιας διάταξης διασύνδεσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου με το δίκτυο της χαμηλής τάσης. Συγκεκριμένα ασχοληθήκαμε με την θεωρητική ανάλυση, προσομοίωση και κατασκευή του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, για να χρησιμοποιηθεί ως η πρώτη βαθμίδα, σε ένα σύστημα διασύνδεσης δύο σταδίων. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα πλεονεκτήματα παραγωγής ενέργειας από την ηλιακή ακτινοβολία, αλλά και στον τρόπο εκμετάλλευσης της μέσα από το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τόσο του φωτοβολταϊκού κυττάρου, όσο και του φωτοβολταϊκού πλαισίου, για να γίνει κατανοητός, ο τρόπος λειτουργίας αλλά και η δομή των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Επίσης αναφέρονται οι τρόποι διασύνδεσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων με το δίκτυο. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια εναλλασσομένου ρεύματος και οι κατηγορίες μετατροπέων που χρησιμοποιούνται, για να συνδεθούν στο δίκτυο. Επίσης γίνεται μια σύντομη αναφορά στους μετατροπείς ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, καθώς αυτοί αποτελούν την πρώτη βαθμίδα σε ένα σύστημα διασύνδεσης δύο σταδίων ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου με το δίκτυο. Το τρίτο κεφάλαιο αφορά τους Μετατροπείς Luo γενικά, ενώ παρουσιάζονται οι διάφορες κατηγορίες που έχουν αναπτυχθεί με βάση την τοπολογία και το κέρδος τάσης που δίνουν στην έξοδο, καθώς επίσης παρατίθεται και μια σύντομη σύγκρισή τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται η θεωρητική ανάλυση και των δύο μετατροπέων Luo που μελετήθηκαν. Παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις και κυματομορφές σε συνεχή λειτουργία. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων των δύο υπό διερεύνηση διατάξεων, γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων αυτών με τα θεωρητικά που προέκυψαν από τη μελέτη που αναφέρεται στο προηγούμενο κεφάλαιο. Στη συνέχεια, με βάση τα αποτελέσματα που λήφθηκαν, γίνεται μια σύγκριση των δύο διατάξεων με σκοπό να κατασκευαστεί ο ένας εκ των δύο. Στο έκτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής του μετατροπέα και του κυκλώματος παλμοδότησης. Συγκεκριμένα αναλύεται ο τρόπος επιλογής όλων των στοιχείων και ο υπολογισμός των τιμών τους. Επίσης περιγράφεται η σχεδίαση του πηνίου και του τυπωμένου κυκλώματος. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη περιγραφή των χαρακτηριστικών του μικροεπεξεργαστή dspic30f4011 που χρησιμοποιήθηκε. Επίσης περιγράφεται ο τρόπος και η λογική ανάπτυξης του προγράμματος που υλοποιήθηκε για τον έλεγχο του συστήματος και η δημιουργία παλμών με τη μέθοδο PWM για την παλμοδότηση του ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου ισχύος.

5 Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα και οι κυματομορφές που προέκυψαν από τα πειράματα και τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν. Εν συνεχεία αναφέρονται τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη, κατασκευή και προσομοίωση του κυκλώματος καθώς και οι προοπτικές της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα παρατίθενται υπολογισμοί της θεωρητικής ανάλυσης, τα τυπωμένα κυκλώματα που κατασκευάστηκαν, το πλήρες πρόγραμμα του μικροελεγκτή και τα datasheet των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον υποψήφιο διδάκτορα Κομπούγια Ιωάννη, για τις γνώσεις, τις συμβουλές και την πολύτιμη βοήθεια καθώς και για την αμέριστη υποστήριξη και υπομονή που μου παρείχε συνεχώς, καθ όλη την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής μου εργασίας. Ιδιαίτερες ευχαριστίες απευθύνονται στον επιβλέποντα της Διπλωματικής μου εργασίας Αναπληρωτή καθηγητή κ. Εμμανουήλ Τατάκη για την καθοριστική συμβολή του στα προβλήματα που παρουσιάστηκαν και την καθοδήγησή του, χωρίς τις οποίες θα ήταν αδύνατη η πραγματοποίησή της διπλωματικής μου εργασίας. Θα ήθελα να ευχαριστήσω επίσης όλους εκείνους που συνέβαλαν με οποιονδήποτε τρόπο στην εκπόνηση της εργασίας αυτής: τους φοιτητές του εργαστηρίου μας, προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς, για την αρμονική συνεργασία και για την βοήθεια που μου πρόσφεραν και τις φίλες μου, που μου συμπαραστάθηκαν ενεργά και υλικά και με στήριξαν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τους γονείς μου Διονύση και Μαρία και την αδερφή μου Ειρήνη που στάθηκαν δίπλα μου όλο αυτό το διάστημα. Κωνσταντάτου Φωτεινή

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ - i - ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1: ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Το Ενεργειακό Πρόβλημα- Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ηλεκτρική Ενέργεια από την Ηλιακή Ακτινοβολία Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Τεχνολογίες Φωτοβολταϊκών Κυττάρων Μονοκρυσταλλικά Κύτταρα Si Πολυκρυσταλλικά Κύτταρα Si Άμορφα Κύτταρα Si Η Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων Η Φωτοβολταϊκή Γεννήτρια Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Είδη Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Τρόποι Διασύνδεσης Φωτοβολταϊκών συστημάτων με το δίκτυο Εναλλασσομένου Ρεύματος Η Κεντρικοποιημένη Τεχνολογία Η Τεχνολογία Αλυσίδας Η Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων Η Τεχνολογία Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος...25 Κεφάλαιο 2: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Εισαγωγή Κατηγορίες Μετατροπέων Διασύνδεσης Φ/Β Συστήματος με το δίκτυο Εναλλασσόμενου Ρεύματος Μετατροπείς μίας βαθμίδας Μετατροπείς δύο βαθμίδων Μετατροπείς πολλαπλών βαθμίδων Αξιολόγηση Μετατροπέων δύο Βαθμίδων Μετατροπείς Ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση Ο Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης τύπου Boost...34

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ - ii - Κεφάλαιο 3: ΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ LUO Εισαγωγή Κατηγοριοποίηση Μετατροπέων Luo Μετατροπείς Luo Ανύψωσης Τάσης με Θετική Τάση Εξόδου Το στοιχειώδες κύκλωμα Η διάταξη Self-Lift Η διάταξη Re-Lift Οι διατάξεις Multiple-Lift Μετατροπείς Υπέρ-Ανύψωσης Θετικής Τάσης Το Στοιχειώδες Κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης της Κύριας Σειράς Οι υπόλοιπες διατάξεις Υπέρ-Ανύψωσης της Κύριας Σειράς Σύγκριση των Μετατροπέων...46 Κεφάλαιο 4:ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Εισαγωγή Ο Μετατροπέας Ανύψωσης Τάσης Re-Lift Ανάλυση για λειτουργία σε Συνεχή Αγωγή Ανάλυση για Λειτουργία στο Όριο Συνεχούς και Ασυνεχούς αγωγής Κέρδος Μεταφοράς Τάσης λαμβάνοντας υπ' όψη την πτώση τάσης στα Κυκλώματα Ανύψωσης Τάσης Ο Μετατροπέας Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης Ανάλυση για λειτουργία σε Συνεχή Αγωγή Ανάλυση για λειτουργία στο Όριο Συνεχούς και Ασυνεχούς αγωγής Κέρδος Μεταφοράς Τάσης λαμβάνοντας υπ' όψη την πτώση τάσης στo Κύκλωμα Ανύψωσης Tάσης Κεφάλαιο 5:ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΥΠΟ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Γενικά Προσομοίωση του Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης Επιλογή των Παραμέτρων Αποτελέσματα της προσομοίωσης Προσομοίωση του Μετατροπέα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης Επιλογή των Παραμέτρων Αποτελέσματα της προσομοίωσης Σύγκριση των Μετατροπέων..83

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ - iii - Κεφάλαιο 6:ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Γενικά Επιλογή στοιχείων μετατροπέα Επιλογή του ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου Επιλογή διόδων Επιλογή ψυκτικού Υπολογισμός και κατασκευή του πηνίου Κατασκευή του κυκλώματος παλμοδότησης και επιλογή των στοιχείων του Απομόνωση παλμών Ενίσχυση παλμών Τροφοδοτικά Σχεδιασμός τυπωμένου κυκλώματος του DC/DC μετατροπέα Κεφάλαιο 7:ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΑΛΜΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ Γενικά Ο μικροεπεξεργαστής dspic30f4011 και το MPLAB Μετατροπή σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό Παραγωγή παλμών Ανάπτυξη προγράμματος για παραγωγή παλμών Κεφάλαιο 8:ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Γενικά Πειραματικά αποτελέσματα Μετρήσεις με διόδους ισχύος τύπου ultrafast recovery Μετρήσεις με διόδους ισχύος τύπου soft recovery Σχόλια Συμπεράσματα-Επέκταση της Εργασίας ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 151 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α-ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 153 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΚΥΚΛΩΜΑ RE-LIFT ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΥΠΕΡ-ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β-ΤΥΠΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 157 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ-ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΠΑΛΜΩΝ ΣΤΟΝ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ dspic30f ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ-DATASHEET ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 163

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Κεφάλαιο 1 ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.1 Το Ενεργειακό Πρόβλημα- Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχουν προκύψει αυξανόμενες ανησυχίες για τις περιβαλλοντικές επιδράσεις των εκπομπών αερίων στην ατμόσφαιρα που προέρχονται από την καύση των ορυκτών καυσίμων και από τη δημιουργία ραδιενεργών αποβλήτων από τη χρήση της πυρηνικής ενέργειας. Η παγκόσμια οικονομία έχει γνωρίσει εδώ και δύο αιώνες μια σταθερή και πρωτοφανή ανάπτυξη που υποστηρίχθηκε από την εκμετάλλευση των ορυκτών καυσίμων. Καθώς όμως οι ενεργειακές ανάγκες συνεχώς αυξάνουν υπάρχει ανησυχία για την επάρκεια των ενεργειακών πηγών που έχει ενισχυθεί τελευταία και λόγω των συνεχώς αυξανομένων ενεργειακών τιμών. Τη τελευταία τετραετία οι τιμές του πετρελαίου, του φυσικού αερίου και του ουρανίου έχουν υπερτριπλασιασθεί ενώ οι τιμές του άνθρακα έχουν υπερδιπλασιασθεί[1]. Το γεγονός ότι τα ορυκτά καύσιμα είναι πεπερασμένα ενώ η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας ολοένα και αυξάνεται οδήγησε πολλές κυβερνητικές υπηρεσίες και διεθνείς οργανισμούς να εκπονήσουν μελέτες προς αναζήτηση και εκμετάλλευση άλλων ενεργειακών πηγών. Η γενική τάση ήταν προς ανανεώσιμες πηγές ενέργειας οι οποίες είναι «καθαρές», ανεξάντλητες και δεν χρησιμοποιούν καύσιμα. Στις εναλλακτικές πηγές που εξετάστηκαν περιλαμβάνονται η ενέργεια των ανέμων, των κυμάτων ή ακόμα και των σεισμών, η γεωθερμία, η θερμότητα των ωκεανών, η καύση φυτικών προϊόντων (βιομάζα) ή οργανικών αποβλήτων[2]. Αιολική Υδροηλεκτρική Βιοκαύσιμα Μια άλλη πηγή ενέργειας που συνδυάζει ιδανικά τις απαιτήσεις για νέους τρόπους παραγωγής ενέργειας είναι η ηλιακή ακτινοβολία.

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ηλεκτρική Ενέργεια από την Ηλιακή Ακτινοβολία[2][3] Η ηλιακή ενέργεια είναι καθαρή, ανεξάντλητη, ήπια και ανανεώσιμη. Η ηλιακή ακτινοβολία δεν ελέγχεται από κανέναν και αποτελεί ένα ανεξάντλητο ενεργειακό πόρο (ειδικά στη χώρα μας), που παρέχει ανεξαρτησία, προβλεψιμότητα και ασφάλεια στην ενεργειακή τροφοδοσία. Υπάρχουν δύο τρόποι αξιοποίησης της: είτε για την παραγωγή θερμότητας με σκοπό τη θέρμανση νερού, τη θέρμανση χώρων και πολλές οικιακές, γεωργικές ή βιομηχανικές χρήσεις όπου η διαδικασία αυτή μετατροπής εξαρτάται από την θερμότητα είτε με την κατασκευή φωτοβολταϊκών γεννητριών, όπου υπάρχει η πρακτική δυνατότητα της εύκολης, άμεσης και αποδοτικής μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια Η απ ευθείας μετατροπή της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια επιτυγχάνεται με την βοήθεια των ηλιακών κυττάρων, των οποίων την αρχή λειτουργίας αποτελεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η διαδικασία αυτή μετατροπής δεν εξαρτάται από την θερμότητα, απεναντίας η απόδοση των ηλιακών κυττάρων μειώνεται όταν η θερμοκρασία αυξάνεται. Τα πλεονεκτήματα της φωτοβολταϊκής μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι τα εξής: Ανανεώσιμη και ελεύθερα διαθέσιμη ενεργειακή πηγή Η φωτοβολταϊκή μετατροπή δεν προκαλεί ρύπανση στο περιβάλλον, ούτε θόρυβο ή άλλη ενόχληση και δεν δημιουργεί απόβλητα ή άχρηστα παραπροϊόντα. Λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη, με ελάχιστη συντήρηση Αν ένα κομμάτι πάθει βλάβη, το σύστημα συνεχίζει την λειτουργία του μέχρι την αντικατάστασή του λόγω της σπονδυλωτής μορφής της φωτοβολταϊκής διάταξης Λειτουργούν χωρίς καύσιμα Λειτουργούν και με νεφελώδη ουρανό (διάχυτη ακτινοβολία) Δεν χρησιμοποιούν υγρά ή αέρια σε αντίθεση με τα θερμικά συστήματα Έχουν σχετικά εύκολη μέθοδο κατασκευής από πυρίτιο, ένα από τα πλέον εν αφθονία στοιχεία. Έχουν ικανοποιητική απόδοση μετατροπής ακόμα και σε χαμηλές θερμοκρασίες Έχουν γρήγορη απόκριση σε ξαφνικές μεταβολές της ηλιοφάνειας Μπορούν να παράγουν ισχύ από μερικά mw έως MW Έχουν μεγάλο λόγο ισχύος/ βάρος, επομένως κατάλληλα για εγκατάσταση στις στέγες

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Είναι κατάλληλα για επιτόπιες εφαρμογές, όπου ή δεν υπάρχει ή δεν συμφέρει η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου δηλαδή υπάρχει δυνατότητα ανεξαρτησίας από κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανομής Είναι δυνατόν να συναρμολογηθούν τυποποιημένα στοιχεία μαζικής παραγωγής σε σύστημα οποιουδήποτε μεγέθους (και βαθμό απόδοσης πρακτικά ανεξάρτητο του μεγέθους) για να καλύψουν μικρές, μέσες και μεγάλες ενεργειακές ανάγκες Πρακτικά απεριόριστη διάρκεια ζωής των ηλιακών στοιχείων (τουλάχιστον 20 ή 30 χρόνια). Κάθε κιλοβατώρα που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά, και άρα όχι από συμβατικά καύσιμα, συνεπάγεται την αποφυγή έκλυσης ενός περίπου κιλού διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (με βάση το σημερινό ενεργειακό μείγμα στην Ελλάδα και τις μέσες απώλειες του δικτύου)[1]. Τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα λοιπόν των φωτοβολταϊκών είναι αδιαμφισβήτητα και αποτελούν μια βιώσιμη λύση στο ενεργειακό πρόβλημα της εποχής μας. Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει την ποσότητα των ρύπων (σε γραμμάρια) η έκλυση των οποίων αποφεύγεται για κάθε ηλιακή κιλοβατώρα που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Πίνακας 1.1 Αποφυγή εκλυόμενων ρύπων (σε gr) ανά ηλιακή ακτινοβολία[1] Τα μόνα μειονεκτήματα των φωτοβολταϊκών είναι: Το υψηλό κόστος κατασκευής των ηλιακών κυττάρων και των μετατροπέων για τη διασύνδεσή τους στο δίκτυο Η αδυναμία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας να παράγει συνεχώς ηλεκτρική ενέργεια λόγω των διακυμάνσεων της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια του 24ώρου και Η δαπανηρή αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο[2][3] Σχήμα 1.1 Απλοποιημένο σχήμα του φωτοβολταϊκού φαινομένου[1] Η φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ενέργειας στηρίζεται αφ ενός μεν στην ηλιακή ακτινοβολία, αφ ετέρου δε στις ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών. Το άτομο του πυριτίου (που αποτελεί τον κυριότερο εκπρόσωπο των ημιαγωνών) έχει 14 ηλεκτρόνια τοποθετημένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε τα 4 εξωτερικά, που λέγονται και ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να δοθούν, να γίνουν αποδεκτά ή να μοιρασθούν με ένα άλλο άτομο. Ένας μεγάλος αριθμός ατόμων, μέσω των ηλεκτρονίων σθένους, μπορούν να αλληλοσυνδεθούν με δεσμούς και να σχηματίσουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Κάθε άτομο του πυριτίου είναι ενωμένο με 4 γειτονικά άτομα, μέσω ενός χημικού δεσμού που αποτελείται από ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σθένους, με αποτέλεσμα να μην υπάρχουν ελεύθεροι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν δώσουμε ενέργεια στο καθαρό πυρίτιο είτε μέσω θερμότητας είτε από ακτινοβολία, η θερμική ενέργεια που παρέχεται προκαλεί την ελευθέρωση πολλών ηλεκτρονίων από τους δεσμούς τους. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, χάρη στη κινητική ενέργεια που απέκτησαν από τη θερμότητα μετακινούνται στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας πίσω στη ζώνη σθένους ένα δεσμό από τον οποίο λείπει ένα ηλεκτρόνιο, που καλείται οπή. Τα ελευθερωμένα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και οι οπές στη ζώνη σθένους μπορούν να κινούνται μέσα στο κρύσταλλο όσο διάστημα διατηρείται η αυξημένη τους ενέργεια και ονομάζονται ελεύθεροι φορείς. Εξαιτίας ενός μηχανισμού που είναι χαρακτηριστικό των ηλιακών κυττάρων, τα παραγόμενα ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών διαχωρίζονται από το φράγμα δυναμικού με μικρή πιθανότητα επανασύνδεσης τους. Ο χωρισμός των φορτίων στις δύο πλευρές του κυττάρου δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού στα δύο άκρα, και τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Όμως στο πυρίτιο οι φορείς αυτοί είναι πολύ λίγοι οπότε και το ρεύμα που δημιουργούν μικρό και δεν είναι συμφέρον να φτιαχτούν φωτοβολταϊκά στοιχεία μόνο από άτομα πυριτίου. Αν σε ένα καθαρό κρύσταλλο πυριτίου γίνει μια πρόσμιξη (νόθευση) με άτομο από τη πέμπτη ομάδα του περιοδικού συστήματος π.χ. φώσφορο, που έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους, θα υπάρχει περίσσεια ενός ηλεκτρονίου σθένους που δεν θα ανήκει σε δεσμό με άτομο του πυριτίου. Το επιπλέον ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε μια ενδιάμεση στάθμη κοντά στη στάθμη αγωγιμότητας. Η πρόσμιξη λοιπόν

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ είναι δότης ηλεκτρονίου και ο ημιαγωγός που έχει νοθευτεί με άτομα με πέντε ηλεκτρόνια σθένους καλείται τύπου-n. Αντίστοιχα με τη νόθευση με ένα άτομο από την τρίτη ομάδα του περιοδικού συστήματος π.χ. βόριο που έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους, θα δημιουργείται κενή θέση ηλεκτρονίου σε ένα δεσμό, δηλαδή μια οπή. Η οπή αυτή βρίσκεται στη πολύ κοντά στη ζώνη σθένους. Προσμίξεις με τρία ηλεκτρόνια σθένους ονομάζονται δέκτες, διότι οι ελεύθερες οπές μπορούν να δεχτούν ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, ενώ ο ημιαγωγός που έχει νοθευτεί καλείται τύπου-p. Σχήμα 1.2 Ημιαγωγοί τύπου-n και τύπου-p ενωμένοι μεταξύ τους δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο Αν φέρουμε σε επαφή έναν ημιαγωγό τύπου-n και έναν τύπου-p, στο σημείο που ενώνονται αναπτύσσεται το φράγμα δυναμικού (σχήμα 1.2). Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό τύπου n κινούνται προς τις οπές του ημιαγωγού τύπου p, έως ότου αναπτυχθεί ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο είναι το φράγμα δυναμικού και τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να το ξεπεράσουν. Το φωτοβολταϊκό κύτταρο λοιπόν είναι μια δίοδος ημιαγωγού, δηλαδή μια n-p επαφή, η οποία νοθεύεται και έτσι προκαλείται ένα ηλεκτρικό πεδίο, όπου προσπίπτει ηλιακή ενέργεια και παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα (σχήμα 1.3).

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.3 Ο μηχανισμός της εκδήλωσης του φωτοβολταϊκού φαινομένου σε ένα ηλιακό κύτταρο[2] Η ηλιακή ενέργεια μεταφέρεται σε μικρά πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια, τα οποία περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού φάσματος. Όταν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο ή και γενικά σε έναν ημιαγωγό άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα από απορροφώνται από την κύτταρο. Το φωτόνιο που απορροφάται έχει αρκετά μεγάλη ενέργεια που όταν προσκρούει σε ένα ηλεκτρόνιο σθένους, αποσπάται από το άτομο του και μετακινείται από το ηλεκτρικό πεδίο στην άλλη μεριά της ένωσης, δημιουργώντας έτσι μια τάση κατά μήκους της ένωσης. Η εκδήλωση της τάσης αυτής ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου στοιχείου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η διάταξη αποτελεί μια πηγή ρεύματος που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου. Αν συνδεθεί ένα εξωτερικό φορτίο μεταξύ της n- και p- μεριάς ένα συνεχές ρεύμα θα διαρρεύσει. Η ισχύς από το φωτοβολταϊκό κύτταρο εξαρτάται από την ηλιακή ακτινοβολία, το φορτίο και την θερμοκρασία του κυττάρου. 1.4 Τεχνολογίες Φωτοβολταϊκών Κυττάρων[4] Γενικά, τα κύτταρα κατασκευάζονται από ημιαγωγικά υλικά όπως το GaAs, CdTe αλλά αυτή τη στιγμή, η μεγάλη πλειοψηφία των φωτοβολταϊκών κυττάρων γίνεται από πυρίτιο[4]. Τα Φ/Β κύτταρα πυριτίου χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: τα μονοκρυσταλλικά, τα πολυκρυσταλλικά και τα άμορφα. Αυτήν την περίοδο οι τεχνολογίες κρυστάλλινου πυριτίου (ενιαίο κρύσταλλο ή πολυκρυσταλλικό) αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της γενικής παραγωγής κυψελών όπως μπορούμε να δούμε και στο σχήμα 1.4.

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.4 Υλικά κατασκευής Φ/Β κυττάρων σε παγκόσμια κλίμακα[4] Μονοκρυσταλλικά Κύτταρα Si Η ονομασία τους προέρχεται από την μορφή του κρυσταλλικού πλέγματος των ατόμων Si που πλησιάζει τον τέλειο κρύσταλλο. Το πυρίτιο και τα οξυγόνο τα δύο πλέον άφθονα στοιχεία της γης σχηματίζουν μια χημική ένωση, το SiO 2, που αποτελεί το πρωταρχικό υλικό, το οποίο με κατάλληλες βιομηχανικές διεργασίες δηλαδή τήξη, αργή στερεοποίηση, πρόσθεση προσμίξεων, καθαρισμός, κοπή και στίλβωση, καταλήγει σε λεπτές πλάκες τα ηλιακά κύτταρα. Βασικό μειονέκτημα της όλης διαδικασίας είναι το κόστος κατασκευής του κυττάρου, που είναι σχετικά μεγάλο, λόγω της ανάγκης χρησιμοποίησης ιδιαίτερα καθαρού Si, η χρήση εξειδικευμένων μεθόδων τήξης και κοπής για την επίτευξη του μονοκρυσταλλικού πλέγματος αυξάνει το κόστος παραγωγής. Η εμπορική αποδοτικότητα τους όμως φτάνει μεταξύ 15% και 18 % δίνοντας τους τον καλύτερο βαθμό απόδοσης από όλες τις τεχνολογίες κατασκευής κυττάρων[3]. Το ποσοστό αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι τα μονοκρυσταλλικά κύτταρα είναι πιο ευαίσθητα στην υπέρυθρη ακτινοβολία που το ενεργειακό της περιεχόμενο είναι σχετικά χαμηλό. Σχήμα 1.5 Μονοκρυσταλλικοί ράβδοι Si[1]

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Πολυκρυσταλλικά Κύτταρα Si Τα πολυκρυσταλλικά κύτταρα στο πλέγμα τους περιλαμβάνουν κρυστάλλους ποικίλων προσανατολισμών. Οι πολυκρυσταλλικές κυψέλες που κατασκευάζονται συνήθως μετά από τήξη και διαδικασία στερεοποίησης, είναι λιγότερο ακριβές να παραχθούν διότι είναι μαζική και λιγότερο ελεγχόμενη η ψύξη του Si. Όπως και στην προηγούμενη τεχνολογία, μετά την ψύξη το πολυκρυσταλλικό πλέγμα πριονίζεται στα λεπτά Φ/Β κύτταρα. Η ύπαρξη διαφόρων κρυστάλλων μέσα στο πλέγμα αυξάνει την εσωτερική αντίσταση στα σημεία σύνδεσής τους, με αποτέλεσμα μια μέση αποδοτικότητα περίπου 14 %[3] Άμορφα Κύτταρα Si Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της κατηγορίας αυτής είναι η μη κρυσταλλική της δομή. Κατασκευάζονται με την εφαρμογή Si σε ειδικό υπόστρωμα γυαλιού. Η μικρή και οικονομική ποσότητα πρώτων υλών, ο απλός τρόπος κατασκευής, η ευκολία στην εγκατάσταση και συναρμολόγηση καθιστούν τα άμορφα κύτταρα ικανά για μαζική παραγωγή. Δυστυχώς, η έλλειψη του κρυσταλλικού πλέγματος από την δομή τους περιορίζει τον βαθμό απόδοσης μόλις στο 5-8%. Για τον λόγο αυτό τα άμορφα κύτταρα δεν απαρτίζουν αμιγώς Φ/Β πλαίσια αλλά προτιμούνται σε τεχνολογίες όπως υβριδικά Φ/Β πλαίσια ή λεπτά φιλμ Η Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων Τα κύτταρα λεπτών υμενίων (thin films) κατασκευάζονται με την απόθεση των εξαιρετικά λεπτών στρωμάτων φωτοβολταϊκών ημιαγωγώγιμων υλικών επάνω σε υλικό όπως το γυαλί, ο ανοξείδωτος χάλυβας ή το πλαστικό. Η αποδοτικότητα της φωτοβολταϊκής ενότητας που αναφέρονται για τη λεπτή ταινία Φ/Β κυμαίνονται αυτήν την περίοδο από 7% (α-si) ως 13% (CIS) αλλά είναι ενδεχομένως φτηνότερες να κατασκευαστούν από τις κρυστάλλινες κυψέλες. Το μειονέκτημα των χαμηλών αποδοτικοτήτων μετατροπής είναι ότι μεγαλύτερη επιφάνεια φωτοβολταϊκών σειρών απαιτείται για να παραχθεί το ίδιο ποσό ηλεκτρικής ενέργειας. Τα υλικά λεπτών υμενίων που χρησιμοποιούνται πιο πολύ εμπορικά είναι το άμορφο πυρίτιο (α-si), κάδμιο τελλουρίδιο (CdTe), και ο χαλκός-ίνδιο-γάλλιο- δισελήνιο (CIGS)[1].

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Πίνακας 1.2 Συγκριτικός πίνακας φωτοβολταϊκών τεχνολογιών[1] 1.5 Η Φωτοβολταϊκή Γεννήτρια[1][2] Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια αποτελεί το τμήμα μιας Φ/Β εγκατάστασης που περιέχει Φ/Β στοιχεία ομαδοποιημένα και παράγει συνεχές ρεύμα.. Τα κύρια συστατικά των φωτοβολταϊκών γεννητριών και η καρδιά κάθε φωτοβολταϊκού συστήματος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ή φωτοστοιχεία ή ηλιακά κύτταρα ή κυψελίδες (σχήμα 1.6). Σχήμα 1.6 Φωτοβολταϊκά κύτταρα[1]

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η ισχύς στην έξοδο ενός ηλιακού κυττάρου ακόμα και υπό τις καλύτερες συνθήκες, είναι σχετικά μικρή. Ειδικότερα, η τάση που εκδηλώνει ένα συνηθισμένο φωτοβολταϊκό στοιχείο πυριτίου του εμπορίου, σε κανονική ηλιακή ακτινοβολία, είναι μόλις 0.5V περίπου και η ηλεκτρική ισχύς που παράγει είναι μέχρι μόλις 0.4W περίπου[2]. Κατά συνέπεια για να ικανοποιήσουμε τις ενεργειακές ανάγκες σε κάποια εφαρμογή, που συνήθως είναι πολύ μεγαλύτερες, απαιτείται ένας αριθμός ηλιακών κυττάρων, που συνδεδεμένα κατάλληλα σε σειρά ή/ και παράλληλα θα δώσουν την απαιτούμενη ισχύ (τάση και ρεύμα). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που προορίζονται για τη συγκρότηση φωτοβολταϊκών γεννητριών συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα και τοποθετούνται σε ενιαίο πλαίσιο με κοινή ηλεκτρική έξοδο ώστε να τροφοδοτούν στην έξοδο τους με την επιθυμητή από τον κατασκευαστή τάση και ισχύ. Υπάρχουν διάφορα κατασκευαστικά στάδια ομαδοποίησης ηλιακών κυττάρων. Τη μικρότερη δομική μονάδα ομαδοποιημένων ηλιακών κυττάρων αποτελεί το πλαίσιο (σχήμα 1.7), που είναι ένα σύνολο κύτταρων, ηλεκτρικών συνδέσεων κ.λ.π. κατάλληλα συσκευασμένων ώστε να προστατεύονται από το περιβάλλον, που δίνει κάποια DC ισχύ, όταν προσπίπτει ηλιακό φως. Σχήμα 1.7 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο[1] Ακολουθεί το PANEL, που είναι ένα σύνολο από δυο ή περισσότερα πλαίσια συνδεδεμένα μεταξύ τους τόσο από μηχανική όσο και από ηλεκτρονική άποψη, που δίνουν μια μονάδα έτοιμη για εγκατάσταση. Τέλος, η συστοιχία (ARRAY) είναι ένα μηχανικά ολοκληρωμένο σύνολο από PANELS με ηλεκτρική αλληλοσύνδεση, τοποθετημένα σε κοινή κατασκευή στήριξης και ό,τι άλλο είναι απαραίτητο για να αποτελέσει μια ανεξάρτητη μονάδα φωτοβολταϊκής παραγωγής ισχύος. Σχήμα 1.8 Φωτοβολταϊκή συστοιχία[1] Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες με βάση τον επιπλέον εξοπλισμό που περιλαμβάνουν κατατάσσονται σε τρεις κυρίως κατηγορίες[2].

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τις απλές διατάξεις, όπου τα πλαίσια τοποθετούνται σε σταθερό σημείο και η συστοιχία δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία με τη φυσική της πυκνότητα και διακύμανση στη διάρκεια της ημέρας. Τις διατάξεις με κινητά πλαίσια που περιστρέφονται αυτόματα και παρακολουθούν συνεχώς την πορεία του ήλιου στον ουρανό, ώστε τα ηλιακά στοιχεία να δέχονται κάθετα την ηλιακή ακτινοβολία σε όλη τη διάρκεια της μέρας. Τις διατάξεις που με τη χρησιμοποίηση φακών ή κατόπτρων συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία και την στέλνουν συμπυκνωμένη πάνω στα ηλιακά στοιχεία. Για την αποφυγή υπερθέρμανσης, στις συγκεντρωτικές φωτοβολταϊκές διατάξεις απαιτείται συνήθως η τεχνική ψύξη των στοιχείων με κυκλοφορία ψυχρού αέρα ή ψυκτικών υγρών Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των Φωτοβολταϊκών Στοιχείων[2][5] Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα όπως αναφέραμε αντιπροσωπεύουν τη μικρότερη μονάδα σε ένα σύστημα παραγωγής ενέργειας από φωτοβολταϊκά. Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται κατάλληλη ακτινοβολία, διεγείρεται παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα, το φωτόρευμα Ι L,cell, που η τιμή του θα είναι ανάλογη προς τα φωτόνια που απορροφά το στοιχείο. Για να γίνει μια εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και της λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελεί μια πηγή ρεύματος που ελέγχεται από μία δίοδο και ότι περιγράφεται από το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 1.9. Σχήμα 1.9 Ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου[2] Η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου σε στατικές καταστάσεις περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση: I I I cell cell S, cell cell cell S, cell,, exp 1 (1.1) ncell VT RSH, cell cell L cell O cell V I R V I R

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ όπου: V T = η θερμική τάση (σε V). Δίνεται από τη σχέση VT (27 o C=300 o K) V T, 27oC =25.85mV kt q, για θερμοκρασία δωματίου k T Q = σταθερά Boltzmann (1, Joule/Kelvin) = απόλυτη θερμοκρασία του κυττάρου σε βαθμούς Kelvin (0 o C = 273 o Kelvin) = φορτίο ηλεκτρονίου (1, Coulomb) n cell = συντελεστής διόρθωσης, που οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης και μη ιδανικής διάχυσης, τα οποία συμβαίνουν στην περιοχή της p-n επαφής. Λαμβάνει τιμές μεταξύ 1 και 2 Ι cell V cell = το ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου = η τάση στην έξοδο του κυττάρου I L,cell = φωτόρευμα, δηλαδή το ρεύμα που παράγεται λόγω του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός επί του κυττάρου Ι Ο,cell = ρεύμα κόρου της διόδου με τιμές μεταξύ Α R S,cell = σε σειρά αντίσταση του κυττάρου. Παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά την ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό, που βρίσκεται στη πλευρά που προσπίπτει το φως και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού-ωμικής επαφής και την ωμική επαφή. Η αντίσταση R S,cell είναι συνήθως μικρότερη από 1 Ω. R SH,cell = παράλληλη αντίσταση. Οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν είτε στην επαφή p-n (επανασύνδεση), είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου(επιφανειακή διαρροή), είτε σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλη την επιφάνεια του κυττάρου ούτε μεταξύ δύο ομοίων κυττάρων. Η αντίσταση R SH,cell είναι συνήθως της τάξης των kω Έχει επικρατήσει για λόγους κυκλωματικής ανάλυσης, η αναπαράσταση της I-V χαρακτηριστικής του κυττάρου να γίνεται στο πρώτο τεταρτημόριο όπως φαίνεται στο σχήμα 1.10 μαζί με τη γραφική της ισχύος:

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.10 Καμπύλες I-V και P-V φωτοβολταϊκού στοιχείου για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας[2] Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων [2][5] Η εξίσωση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου προκύπτει από τη βασική εξίσωση του ηλιακού κυττάρου (σχέση 1.1). Είναι γνωστό ότι υπό ιδανικές συνθήκες δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές τάσης σε σειρά προστίθενται, ενώ δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές ρεύματος παράλληλα προστίθενται. Έτσι όταν τα ηλιακά κύτταρα έχουν τα ίδια ακριβώς ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, η μέγιστη ισχύς που παίρνουμε από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο ισούται με το γινόμενο της μέγιστης ισχύος που μπορεί να τροφοδοτήσει κάθε στοιχείο ξεχωριστά, επί τον αριθμό των στοιχείων. Η μέγιστη τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού πλαισίου προσδιορίζεται από τον αριθμό συγκεκριμένων ηλιακών στοιχείων που συνδέονται σε σειρά και το μέγιστο ρεύμα στην έξοδο (για κανονικά επίπεδα ηλιοφάνειας) προσδιορίζεται από τον αριθμό των στοιχείων (ή ομάδα εν σειρά στοιχείων) που συνδέονται παράλληλα. Η χαρακτηριστική I-V καμπύλη ενός συνόλου ίδιων ηλιακών στοιχείων συνδεδεμένων σε σειρά ή/ και παράλληλα, προκύπτει με αντίστοιχο συνδυασμό των χαρακτηριστικών των επιμέρους στοιχείων όπως φαίνεται στο σχήμα 1.11.

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.11 I-V χαρακτηριστική φωτοβολταϊκού πλαισίου με στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά και παράλληλα[3] Στην περίπτωση ενός πλαισίου, αν θεωρήσουμε ότι έχουμε Ns ίδια ηλιακά κύτταρα σε σειρά (αλυσίδα) και Np ίδιες αλυσίδες παράλληλα, τότε η σχέση 1.1 γίνεται I I I (1.2) όπου: L O V I R S V I R exp 1 n VT RSH S n = N S n cell I = N P I cell, το ρεύμα στην έξοδο του Φ/Β πλαισίου V = N S V cell, η τάση στην έξοδο του Φ/Β πλαισίου I L = N P I L,cell, το συνολικό ισοδύναμο φωτόρευμα του Φ/Β πλαισίου I O = N P I o,cell, το συνολικό ισοδύναμο ρεύμα κόρου της διόδου R S = (N S /N P ) R S,cell, η ισοδύναμη εν σειρά αντίσταση του Φ/Β πλαισίου R SH = (N S /N P ) R SH,cell, η ισοδύναμη παράλληλη αντίσταση του Φ/Β πλαισίου Η εξίσωση αυτή είναι μη γραμμική της μορφής I=f (I, V) και είναι πεπλεγμένη. Αποτελεί το μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει την ηλεκτρική συμπεριφορά, σε στατικές καταστάσεις, ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου. Επομένως το ισοδύναμο κύκλωμα του Φ/Β πλαισίου, μπορεί να παρασταθεί από το παρακάτω ηλεκτρικό κύκλωμα:

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.12 Ισοδύναμο κύκλωμα φωτοβολταϊκού πλαισίου[5] Στο σχήμα 1.13 παρουσιάζονται οι τυπικές ποιοτικές χαρακτηριστικές καμπύλες τάσης-ρεύματος (χαρακτηριστική V-Ι) και τάσης- ισχύος (χαρακτηριστική V-Ρ) ενός Φ/Β πλαισίου και πάνω σε αυτές σημειώνονται τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά ηλεκτρικά του μεγέθη, που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς και λειτουργίας του πλαισίου και καθορίζουν την απόδοση του. Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας (και θερμοκρασίας) και για μεταβαλλόμενες τιμές στην αντίσταση του κυκλώματος που τροφοδοτεί το ηλιακό κύτταρο, η τάση και η ένταση του ρεύματος του κυττάρου παίρνουν ενδιάμεσες τιμές ανάμεσα στις ακραίες που αντιστοιχούν σε μηδενική αντίσταση (βραχυκυκλωμένη κατάσταση με μέγιστη τιμή ρεύματος, I sc και μηδενική τάση) και άπειρη αντίσταση (ανοιχτοκυκλωμένη κατάσταση με μηδενική τιμή ρεύματος και μέγιστη τιμή τάσης, V oc ), όπως παρουσιάζεται στο σχήμα Συνεπώς, στα δύο παραπάνω σημεία λειτουργίας της φωτογεννήτριας (ζεύγος τιμών τάσης και ρεύματος), η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς μηδενίζεται. Παράλληλα μεταβάλλεται ομαλά η ισχύς που παράγει το στοιχείο και η μέγιστη τιμή της P MP, επιτυγχάνεται για ένα συγκεκριμένο ζεύγος τιμών τάσης V MP και ρεύματος I MP, για το οποίο η χαρακτηριστική (P-V) της ισχύος ως προς την τάση παρουσιάζει μέγιστο. Διαφορετικά μπορεί να ειπωθεί, ότι για τις τιμές αυτές των V MP, I MP, το εμβαδόν του ορθογωνίου που σχηματίζεται από την I-V καμπύλη και τους άξονες τάσης και έντασης ρεύματος, γίνεται μέγιστο. Από τη μελέτη του σχήματος 1.13, διαπιστώνεται ότι οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες παρουσιάζουν μια αρκετά ιδιόμορφη συμπεριφορά συγκριτικά µε τις συνήθεις πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, σε αντίθεση µε τις περισσότερες κοινές ηλεκτρικές πηγές, οι οποίες διατηρούν περίπου σταθερή την τιμή της τάση τους στην περιοχή κανονικής λειτουργίας τους, η τάση των Φ/Β γεννητριών μεταβάλλεται δραστικά και μάλιστα µη γραµµικά συναρτήσει της έντασης του ρεύματος που παρέχουν σε κάποιο εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα, ακόμα και για σταθερές συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Μια προσεκτικότερη μελέτη της χαρακτηριστικής V-I, αποδεικνύει ότι αριστερά του γονάτου της καμπύλης, η ένταση του ρεύματος που παρέχεται από το Φ/Β πλαίσιο σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα μεταβάλλεται ελάχιστα για μεγάλες μεταβολές της τάσης, ενώ αντίθετα δεξιά του γονάτου το ρεύμα μεταβάλλεται σημαντικά για μικρές μεταβολές της τάσης.

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.13 Ποιοτικές καμπύλες τάσης-ρεύματος και τάσης- ισχύος ενός Φ/Β πλαισίου[5] Λαμβάνοντας υπόψη ότι η τάση που εμφανίζεται στα άκρα ενός ηλιακού κυττάρου καθορίζεται από τις ιδιότητες του υλικού κατασκευής του, ενώ το ρεύμα που δύναται να παράσχει σε ένα εξωτερικό κύκλωμα είναι, σχεδόν, ευθέως ανάλογο προς την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, καταλήγουμε στα ακόλουθα συμπεράσματα για την εξάρτηση της λειτουργικής συμπεριφοράς των Φ/Β γεννητριών από τις τιμές της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας: α) Εξάρτηση από την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας: Διατηρώντας σταθερά την θερμοκρασία και την φασματική κατανομή της ακτινοβολίας, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς όπως και η τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης I SC μεταβάλλονται ευθέως ανάλογα µε την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η τιμή της V OC δεν επηρεάζεται αξιοσημείωτα. Συνεπώς, η μορφή των χαρακτηριστικών V-I και V-P δεν εξαρτώνται από τις μεταβολές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας αλλά σημειώνεται παράλληλη μετατόπιση των χαρακτηριστικών ως προς τον κατακόρυφο άξονα (σχήμα 1.14).

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.14 Χαρακτηριστικές εξόδου V-I ενός Φ/Β πλαισίου για διαφορετικές συνθήκες ακτινοβολίας[2] β) Η αύξηση της θερμοκρασίας, υπό την προϋπόθεση ότι η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας διατηρείται σταθερή, επιδρά αρνητικά στην απόδοση των φωτοβολταϊκών γεννητριών. Συγκεκριμένα, η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση του ενεργειακού χάσματος του ημιαγώγιμου υλικού και αύξηση του αριθμού των επανασυνδεμένων φορέων φορτίου. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η αισθητή μείωση της V OC και η ελαφριά αύξηση της τιμής του I SC. Απόρροια αυτών των μεταβολών, είναι αφενός µεν η μείωση της ισχύος εξόδου της Φ/Β γεννήτριας αφετέρου δε η αλλοίωση της μορφής της χαρακτηριστικής V-I, δηλαδή το γόνατο της καμπύλης αποκτά πιο στρογγυλεμένη μορφή (σχήμα 1.15). Η επίδραση της θερμοκρασίας στις τιμές της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος εξόδου της Φ/Β γεννήτριας, προσδιορίζεται από τρεις συντελεστές. Οι δύο πρώτοι εκφράζουν σε απόλυτα μεγέθη τη μείωση της V OC και την αύξηση του I SC αντίστοιχα για μεταβολή της θερμοκρασίας λειτουργίας της φωτογεννήτριας ανά βαθμό Κελσίου, ενώ ο τρίτος την επί της εκατό μεταβολή του P MP για ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας. Οι συντελεστές αυτοί παρέχονται συνήθως από τον κατασκευαστή μαζί µε τα υπόλοιπα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του Φ/Β πλαισίου.

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.15 Χαρακτηριστικές εξόδου V-I ενός Φ/Β πλαισίου για τρεις διαφορετικές τιμές της θερμοκρασίας του πλαισίου[5] 1.6 Είδη Φωτοβολταϊκών Πλαισίων[4] Η διαφοροποίηση των Φ/Β πλαισίων πέρα από το υλικό κατασκευής τους, συντελείται βάσει των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών. Συγκεκριμένα όλοι οι κατασκευαστές δίνουν για κάθε Φ/Β πλαίσιο ένα πίνακα στον οποίο αναφέρονται οι τιμές της μέγιστης δυνατής αποδιδόμενης ισχύος P ΜP, της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V OC, του ρεύματος βραχυκυκλώματος I SC καθώς επίσης και οι τιμές της τάσης V MP και του ρεύματος Ι MP στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Τα μεγέθη αυτά μετρούνται για συγκεκριμένες συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας (θερμοκρασία 25 ο C και ακτινοβολία 1000/m 2 ). Από αυτά, εκείνα που θεωρούνται ιδιαίτερης σημασίας προκειμένου να επιλεγεί η κατάλληλη Φ/Β γεννήτρια για την εκάστοτε εφαρμογή είναι η μέγιστη δυνατή αποδιδόμενη ισχύς και η τιμής της τάσης εξόδου αυτής στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Ο αριθμός των Φ/Β πλαισίων που χρησιμοποιούνται σε ένα σύστημα καθορίζει την μέγιστη παραγόμενη ισχύ ενώ η εν σειρά και παράλληλα σύνδεση τους καθορίζει την τιμή της τάσης και του ρεύματος που μπορεί να δώσει το Φ/Β σύστημα. Στο σχήμα 1.16 πραγματοποιείται ομαδοποίηση των πλαισίων βάσει της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος αυτών P m. Ενώ στο σχήμα 1.17 γίνεται κατηγοριοποίηση των πλαισίων βάσει της τιμής της τάσης στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος, βλέπουμε ότι στη βιομηχανία των Φ/Β υπερτερούν τα πλαίσια με τιμή τάσης V m [15-19)V.

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.16 Κατηγοριοποίηση των Φ/Β πλαισίων βάσει της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος (P m )[4] Σχήμα 1.17 Κατηγοριοποίηση των Φ/Β πλαισίων βάσει της τάσης στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος (V m )[4] Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας αποφασίστηκε να κατασκευαστεί διάταξη ανύψωσης τάσης για Φ/Β πλαίσιο 125W, 17V τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του οποίου φαίνονται στο σχήμα 1.18.

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.18 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φ/Β πλαισίου της εφαρμογής[6] 1.7 Τρόποι Διασύνδεσης Φωτοβολταϊκών συστημάτων με το δίκτυο Εναλλασσομένου Ρεύματος [4] Η ισχύς από τα Φ/Β συστήματα μπορεί είτε να εισαχθεί μέσα στο δίκτυο ή/ και σε ένα συσσωρευτή. Για να συνδεθεί λοιπόν στο δίκτυο η Φ/Β γεννήτρια, η μικρή συνεχή τάση που παράγεται πρέπει να ενισχυθεί σε μια υψηλότερη εναλλασσόμενη τάση το οποίο συνήθως γίνεται από έναν μετατροπέα. Επίσης ο μετατροπέας τοποθετείται για να ελέγχει συνέχεια το σημείο λειτουργίας των πλαισίων όπως μεταβάλλεται στη καμπύλη P-V (σχήμα 1.13), δηλαδή χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του σημείου βέλτιστης ισχύος των πλαισίων (Maximum Power Point Tracking-MPPT). Εφόσον η ηλιακή ακτινοβολία και η θερμοκρασία μεταβάλλονται διαρκώς κατά τη διάρκεια της ημέρας, οι χαρακτηριστικές εξόδου (V-I) μετατοπίζονται διαρκώς. Το σημείο λειτουργίας του μετατροπέα δε θα πρέπει απλά να μπορεί να κινηθεί πάνω στις καμπύλες εξόδου του φωτοβολταϊκού, αλλά θα πρέπει να εντοπίζει και σταθεροποιείται στο εκάστοτε σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος, για δεδομένη ακτινοβολία και θερμοκρασία. Ο ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος (ΜΡΡΤ), είναι λοιπόν μια συσκευή που επεξεργάζεται κατάλληλα το ρεύμα και την τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού, ώστε σε κάθε χρονική στιγμή το σύστημα, να απορροφά τη μέγιστη δυνατή ισχύ από το φωτοβολταϊκό[5]. Τα πλεονεκτήματα της σύνδεσης στο δίκτυο, είναι ότι μπορεί η ισχύς να αποθηκευτεί όταν η παραγωγή είναι μεγαλύτερη από την κατανάλωση.

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.19 Διασυνδεδεμένο σύστημα με το δίκτυο Ε.Ρ.[1] Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι διάφορες τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών συστημάτων για τη διασύνδεση στο δίκτυο (διασυνδεδεμένο σύστημα). Η διαφοροποίηση των τεχνολογικών τάσεων έγκειται, αφενός μεν στον αριθμό των Φ/Β πλαισίων που συνδέονται ανά ηλεκτρονικό μετατροπέα (επίπεδο ισχύος του μετατροπέα), αφετέρου δε στον τρόπο με τον οποίο συνδέονται μεταξύ τους τα Φ/Β πλαίσια (εν σειρά σύνδεση, παράλληλη σύνδεση ή συνδυασμός αυτών) Η Κεντρικοποιημένη Τεχνολογία (Centralized Technology) Η Τεχνολογία Αλυσίδας (String Technology) Η Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων (Multistring Technology) Τεχνολογία Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος (AC- PV Modules) Η Κεντρικοποιημένη Τεχνολογία Η centralized τεχνολογία είναι από τις παλαιότερες που εφαρμόστηκαν και αποσκοπεί στην παραγωγή μεγάλων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας τα οποία μεταφέρονται στο δίκτυο μέσω ενός μόνου αντιστροφέα ο οποίος διασυνδέει ένα μεγάλο αριθμό Φ/Β πλαισίων (Σχήμα 1.20). Η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας πραγματοποιείται από ένα πλέγμα Φ/Β πλαισίων, τα οποία χωρίζονται σε εν σειρά ομάδες εξασφαλίζοντας έτσι υψηλή τιμή συνεχούς τάσης, χωρίς να απαιτείται επιπλέον ενίσχυση, αυτές οι αλυσίδες των εν σειρά συνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων συνδέονται παράλληλα, για να επιτευχθεί η απαιτούμενη τιμή εντάσεως. Χαρακτηριστικό αυτής της τεχνολογίας, αποτελεί η χρήση ενός μόνου ελέγχου ανίχνευσης του σημείου λειτουργίας μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος (M.P.P.T. ελεγκτής) και η χρήση διόδων ισχύος ώστε να αποφευχθεί η λειτουργία ορισμένων εν σειρά ομάδων ως φορτία λόγω σκίασης. Αν εξαιρέσουμε τα υψηλά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας που μπορούν να παραχθούν από ένα μόνο Φ/Β σύστημα και το ότι δεν είναι απαραίτητη η περαιτέρω ενίσχυση της

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ τάσης του συστήματος είτε με μετατροπέα συνεχούς τάσης είτε με Μ/Σ υπάρχουν πολλά σημαντικά μειονεκτήματα. Καταρχήν υπάρχουν υψηλές τιμές τάσης διασύνδεσης μεταξύ Φ/Β πλέγματος και αντιστροφέα, το οποίο επιβάλλει την εγκατάσταση ειδικών συστημάτων προστασίας και την εφαρμογή ειδικών τεχνικών γειώσεως των επιμέρους τμημάτων του Φ/Β συστήματος, αυξάνοντας έτσι το κόστος της όλης εγκατάστασης. Επίσης στη περίπτωση που γίνει μερική ή ολική σκίαση ενός ή περισσοτέρων κυττάρων ή και ολική θραύση ενός κυττάρου, θα έχουμε κύτταρα με ανόμοια χαρακτηριστικά να συνδέονται σε σειρά, η μη προσαρμογή όμως των χαρακτηριστικών των κυττάρων μιας συστοιχίας επιφέρει απώλειες ισχύος και καταστροφή κάποιου μέρους του Φ/Β συστήματος. Στη περίπτωση που ένα κύτταρο ή ομάδα παράλληλων κυττάρων βρίσκονται υπό σκιά, το ολικό ρεύμα εξόδου της συστοιχίας μειώνεται. Το σκιασμένο κύτταρο περιορίζει την έξοδο της αλυσίδας, αλλά και είναι δυνατόν να προκαλέσει το φαινόμενο hot-spot, το οποίο οφείλεται στην ανάστροφη πόλωση ενός ή περισσοτέρων κυττάρων και συνεπάγεται υπερθέρμανσή τους, που μπορεί να είναι καταστροφική για όλη την εγκατάσταση. Όταν μια αλυσίδα από κύτταρα βραχυκυκλωθεί η τάση στο σκιασμένο κύτταρο πρέπει να είναι ίση και αντίθετη με την τάση στα υπόλοιπα κύτταρα. Το κύτταρο αυτό πολώνεται ανάστροφα και καταναλώνει (αντί να παράγει) ισχύ και είναι δυνατόν να καταναλώνεται ισχύς ίση με τη μέγιστη ισχύ που μπορούν να παράγουν τα υπόλοιπα κύτταρα της αλυσίδας. Τέτοια φαινόμενα μπορούν να προκαλέσουν υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας τοπικά (hotspot) στο κύτταρο με πιθανό αποτέλεσμα θραύση του πλαισίου ή ακόμη και πλήρη καταστροφή του[2][3]. Για να μειώσουμε την επίδραση του φαινομένου hotspot στην λειτουργία της συστοιχίας συνδέουμε διόδους παράκαμψης για την παράλληλη σύνδεση των εν σειρά ομάδων. Οι δίοδοι ισχύος που χρησιμοποιούνται όμως επιβαρύνουν την αποδοτικότητα του όλου συστήματος με τις απώλειες τους. Επίσης η εφαρμογή κεντρικού M.P.P.T. ελέγχου δεν επιτρέπει σε όλα τα πλαίσια να λειτουργούν στο σημείο μέγιστης ισχύος, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο συνολικός βαθμός απόδοσης και ο σχεδιασμός τους δεν αφήνει περιθώρια τεχνικών προσαρμογών και επέκτασης. Τέλος ο χαμηλός βαθμός απόδοσης και το υψηλό κόστος κατασκευής ήταν η αφορμή για το σχεδιασμό άλλων τεχνολογιών[7].

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.20 Φ/Β συστήματα centralized τεχνολογίας[4] Η Τεχνολογία Αλυσίδας Στα συστήματα βασισμένα στην string τεχνολογία, η οποία διαδέχτηκε την centralized, κάθε μονάδα αποτελείται από μία αλυσίδα εν σειρά συνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων που καταλήγει σε έναν αντιστροφέα. Η τάση που παράγεται μπορεί να είναι αρκετά υψηλή και να αποφευχθεί η ενίσχυση τάσης. Ο M.P.P.T. έλεγχος είναι αποδοτικότερος σε σχέση με αυτόν της centralized τεχνολογία, μιας και εφαρμόζεται σε μικρότερο αριθμό πλαισίων. Δεν είναι απαραίτητη η εφαρμογή διόδων ισχύος. Υπάρχει δυνατότητα επέκτασης της εγκατάστασης με χρήση περισσοτέρων μονάδων. Οι απώλειες είναι λιγότερες και έτσι υπάρχει υψηλότερος βαθμός απόδοσης σε σχέση με την centralized τεχνολογία, συνεπώς μειώνεται το κόστος κατασκευής λόγω της μαζικής παραγωγής. Βέβαια παραμένουν τα προβλήματα που επιφέρουν οι υψηλές τάσεις στα σημεία διασύνδεσης, καθώς επίσης και ο κίνδυνος εμφάνισης φαινόμενου hotspot. Αν χρησιμοποιείται μικρό πλήθος Φ/Β πλαισίων απαιτούνται πιο πολύπλοκες τοπολογίες για την ενίσχυση της τάσης και έτσι η τιμή/watt αυξάνεται μειώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση[7].

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.21 Φ/Β συστήματα string τεχνολογίας[4] Η Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων Η τεχνολογία multistring αποτελεί μια επέκταση της string τεχνολογίας, όπου πολλές αλυσίδες εν σειρά συνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων οι οποίες συνδέονται σε έναν κεντρικό αντιστροφέα μέσω ανεξάρτητων μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή. Αυτό είναι και το πλεονέκτημα της συγκρινόμενη με τη centralized τεχνολογία ότι κάθε αλυσίδα μπορεί να ελέγχεται ξεχωριστά. Έτσι γίνεται πιο εύκολη η επέκταση του συστήματος απλά συνδέοντας στον αντιστροφέα περισσότερες αλυσίδες πλαισίων με τους μετατροπείς τους. Προσφέρει λοιπόν ανάλογη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με αυτή της centralized τεχνολογίας περιορίζοντας ταυτόχρονα αρκετά από τα μειονεκτήματα που συναντώνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα Κεντρικοποιημένης δομής[7]. Το μειονέκτημα που παρουσιάζεται σε αυτήν την περίπτωση είναι ότι ο αντιστροφέας δεν μπορεί να δεχθεί άπειρο αριθμό αλυσίδων σε περίπτωση που θέλουμε να επεκτείνουμε το σύστημα, καθώς επίσης μπορεί να παρουσιαστεί ο κίνδυνος ολικής διακοπής της ηλεκτροπαραγωγικής διαδικασίας, σε περίπτωση που ο αντιστροφέας παρουσιάσει βλάβη.

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Σχήμα 1.22 Φ/Β συστήματα multistring τεχνολογίας[4] Η Τεχνολογία Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών πλαισίων εναλλασσομένου ρεύματος, είναι και η νεότερη στο χώρο των Φ/Β εφαρμογών, στην οποία ένα μεγάλο Φ/Β πλαίσιο συνδέεται σε ένα ηλεκτρονικό μετατροπέα συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη και οι οποίες συνδέονται απ ευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης όπως φαίνεται στο Σχήμα Η απουσία διασυνδέσεων τύπου πλέγματος ή /και αλυσίδας μεταξύ Φ/Β πλαισίων, καθώς και η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου κάθε αυτόνομης διάταξης (Φ/Β πλαίσιο και αντιστροφέας), οδηγούν σε μεγαλύτερη αποδοτικότητα του όλου συστήματος[8]. Ο αντιστροφέας μπορεί να είναι ενσωματωμένος είτε στο πίσω μέρος του των πλαισίων, είτε στο μηχανισμό στήριξης του[9]. Σε σχέση με τις παραπάνω τεχνολογίες τα AC PV Modules έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: η αντιστοιχία ενός αντιστροφέα ανά πλαίσιο επιτρέπει τον βέλτιστο M.P.P.T. έλεγχο, οι τάσεις στα σημεία διασύνδεσης είναι αρκετά χαμηλές, το κόστος κατασκευής είναι μικρό, δεν απαιτείται εξειδικευμένο προσωπικό για την εγκατάσταση του συστήματος, οι απαιτήσεις επιφανείας ανά μονάδα είναι ελάχιστες, κάτι που τα καθιστά κατάλληλα ακόμα και για αστικές εφαρμογές, και παρουσιάζει καλύτερο βαθμό απόδοσης σε σχέση με τις προηγούμενε τεχνολογίες. Το μόνο μειονέκτημα είναι ότι πρόκειται για διατάξεις χαμηλής ισχύος και ότι η τεχνολογία δεν είναι ιδιαίτερα ανεπτυγμένη όσον αφορά το είδος του μετατροπέα που θα δίνει την απαραίτητη τιμή τάσης για τη διασύνδεση τους στο δίκτυο ενώ ταυτόχρονα να επιτυγχάνεται και υψηλή απόδοση. Καθώς η παρούσα εργασία αφορά την διασύνδεση ενός Φ/Β συστήματος στο δίκτυο