ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΜΕΣΩ Φ/Β ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ.

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Ηλεκτρολογίας Πτυχιακή εργασία ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΕΡΑΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΜΕΣΩ Φ/Β ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ. Εισηγητής: Παντελής Μαλατέστας Σπουδαστές: Λεοναρδόπουλος Γεώργιος Πασπαλάς Θωμάς 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o... 6 Ενέργεια και περιβάλον. 1.1 Ηλεκτρική ενέργεια Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας Ηλεκτρική ενέργεια και άνθρωπος Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ορυκτά καύσιμα Πυρηνική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Το ενεργειακό πρόβλημα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ηλιακή ακτινοβολία και ενέργεια. 2.1 Ο Ήλιος Ηλιακή ακτινοβολία εκτός γήινης ατμόσφαιρας Ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια του εδάφους Το ηλιακό δυναμικό της Ελλάδος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 o Τα φωτοβολταϊκά συστήματα. 3.1 φ/β συστήματα Ιστορική αναδρομή Αρχές λειτουργιάς Φωτοβολταϊκές μονάδες και συστοιχίες Πως λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό σύστημα Τύποι φ/β συστημάτων Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Εφαρμογές Φ/Β συστημάτων στην Ελλάδα Παραδείγματα Εφαρμογών Υλικά για φωτοβολταϊκές κυψέλες Το Πυρίτιο (Si) Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Δισεληνιούχος Ινδιούχος Χαλκός (CuInSe2 ή CIS) Τελλουριούχο Κάδμιο (CdTe)

3 3.5 Επιμέρους συστήματα μιας φωτοβολταϊκής διάταξης Μετατροπείς- inverter Μπαταρία-συσσωρευτής Ρυθμιστές φορτίσεις συσσωρευτών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 o Προστασία των φωτοβολταϊκών από υπερτάσεις. 4.1 Αναγκαιότητα αντικεραυνικής προστασίας σε φωτοβολταϊκά συστήματα Υπερτάσεις και βλάβες που αυτές προκαλούν σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα Υπερτάσεις στη dc πλευρά της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης Υπερτάσεις στη ac πλευρά της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης Μέρη συστήματος αντικεραυνικής προστασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Νομοθεσία. 5.1 Ένα νέο επενδυτικό περιβάλλον Νομοθεσία σχετικά με φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις υποστήριξης κεραιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο Τηλεπικοινωνίες. 6.1 Γενικά για τις τηλεπικοινωνίες Ιστορία των Τηλεπικοινωνιών Τηλεπικοινωνιακές συσκευές Είδη τηλεπικοινωνιών Κεραία κινητής τηλεφωνίας Πώς λειτουργεί η κινητή τηλεφωνία Τι είναι ένας σταθμός βάσης Πώς λειτουργούν οι κεραίες κινητής τηλεφωνίας Τηλεπικοινωνίες και ενέργεια Η ενέργεια στο δίκτυο Εξέλιξη της κατανάλωσης Τηλεπικοινωνιακοί φορείς στην Ελλάδα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο Μελέτη φωτοβολταϊκής εγκατάστασης για αυτονομία σταθμού βάσης τηλεπικοινωνιών σε μη διασυνδεδεμένη περιοχή με το δίκτυο. 7.1 Σενάριο λειτουργίας Τρόπος τροφοδοσίας σταθμού βάσης κινητής τηλεφωνίας Μελέτη εγκατάστασης Αποτελέσματα

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο Τεχνοοικονομική μελέτη εγκατάστασης. 8.1 Υπολογισμός κόστους της φωτοβολταικής εγκατάστασης Υπολογισμός κόστους εγκατάστασης η/ζ Μελέτη βιωσιμότητας της εγκατάστασης και μακροοικονομία Μελέτη βιωσιμότητας της εγκατάστασης Μακροοικονομία της εγκατάστασης Συμπεράσματα Προτάσεις βελτίωσης Βιβλιογραφία

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παραγωγή ενέργειας έχει άμεσες επιπτώσεις στο φυσικό περιβάλλον. Οι ορυκτοί ενεργειακοί πόροι εξαντλούνται και ταυτόχρονα προκαλούν διάφορα προβλήματα στην φύση. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εμφανίζονται ως η μόνη λύση για να διατηρηθεί μελλοντικά η ζωή στον πλανήτη. Το ενεργειακό πρόβλημα ήταν πάντα στην επικαιρότητα τις τελευταίες δεκαετίες που διανύουμε και πολλές φορές υπήρξε το αίτιο για μεγάλες πολιτικοοικονομικές ανακατατάξεις στην παγκόσμια κοινότητα. Τα τελευταία χρόνια μάλιστα και με δεδομένο ότι κάποιοι από τους φυσικούς πόρους είναι πεπερασμένοι (άνθρακας πετρέλαιο, φυσικό αέριο) ο ανταγωνισμός για τον έλεγχο της αγοράς ενέργειας έχει γίνει ακόμα πιο έντονος. Έτσι η προσοχή όλων στράφηκε στην παραγωγή ενέργειας μέσω ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η εργασία αυτή αναφέρεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σε κεραία κινητής τηλεφωνίας. Περιληπτικά σας αναφέρουμε τι πραγματεύονται τα κεφάλαια της πτυχιακής εργασίας. Στην εργασία μας στα πρώτα κεφάλαια αναφερόμαστε στην σημασία της ενέργειας στην ζωή του ανθρώπου, κάνουμε ιστορική αναδρομή των φωτοβολταϊκων συστημάτων, εξηγούμε την αρχή λειτουργίας τους, αναφέρουμε εφαρμογές τους. Επίσης ασχολιόμαστε με την αναγκαιότητα αντικεραυνικής προστασίας σε φωτοβολταϊκά συστήματα, παραθέτουμε την νομοθεσία σχετικά με την εγκατάσταση φ/β συστοιχιών σε κεραίες κινητής τηλεφωνίας, αλλά και τη νομοθεσία γενικά το τι ισχύει για τα φωτοβολταικα. Τέλος παραθέτουμε μελέτη λειτουργίας, και τεχνοοικονομική μελέτη με την βοήθεια του προγράμματος PV SYST για τις ανάγκες της εγκατάστασης. 5

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ενέργεια-Περιβάλλον Η παραγωγή ενέργειας για την κάλυψη των αναγκών του ανθρώπινου είδους έχει ως αποτέλεσμα την επιβάρυνση και καταστροφή του περιβάλλοντος. Σε αυτό συντελούν κυρίους οι ορυκτοί πόροι οι οποίοι καταναλώνονται. Οι ορυκτοί πόροι πέρα από την επίδραση που έχουν στο περιβάλλον έχουν και το αρνητικό ότι δεν είναι ανεξάντλητοι. Την λύση σε αυτό το πρόβλημα φαίνετε να δίνουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας οι οποίες κερδίζουν όλο και περισσότερο έδαφος στον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη που κυριαρχούν τα ορυκτά καύσιμα. 1.1 Ηλεκτρική Ενέργεια Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας Η μονάδα ηλεκτρικής ενέργεια είναι η κιλοβατώρα (kilowatt-hour). Μία κιλοβατώρα θεωρητικά αντιστοιχεί στην ενέργεια που καταναλώθηκε από μια συσκευή ισχύος 1kilowatt (κιλοβάτ) που λειτούργησε για την διάρκεια της μιας ώρας (1hour). 1 kwh = 1 kw x 1h = 1 kilowatt-hour = 1 κιλοβατώρα Υποδιαιρέσεις μονάδας ενεργού ισχύος 1 kw (kilowatt) = 1000 W (watt) 1 MW (megawatt) = 1000 kw (kilowatt) 1 TW (terawatt) = 1000 MW (megawatt) Στην πραγματικότητα η κιλοβατώρα είναι η μονάδα μέτρησης της κατανάλωσης ή παραγωγής ενεργού ισχύος. Στην πράξη οι καταναλώσεις ηλεκτρικής ενέργειας στην συνολική ενέργεια που καταναλώνουν, παράγουν και ένα άλλο ποσοστό ενέργειας ανάλογα με τα ποιοτικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της εγκατάστασης (χωρητικά ή επαγωγικά φορτία). Αυτή είναι η άεργος ισχύς (reactive power) ή οποία είναι ανεπιθύμητη αφού δεν παράγει κανένα έργο και ακόμα χειρότερα επιβαρύνει τα δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με μια επιπλέον ποσότητα ρεύματος που αναλογεί απλά σε αντίστοιχες θερμικές απώλειες (I 2 R) ενώ επίσης αλλοιώνει τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας. Η ΔΕΗ μάλιστα χρεώνει τους μεγάλους καταναλωτές όταν ξεπεράσουν κάποιο όριο παραγωγής (συντελεστής ισχύος, συνφ <=0.85) άεργου ισχύος στο δίκτυο. Βελτίωση του συντελεστή ισχύος μιας εγκατάστασης που καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να γίνει με την προσθήκη φορτίων πυκνωτών ή με την προσθήκη καταναλώσεων επαγωγικών ρευμάτων (πηνίων) ανάλογα με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά μιας εγκατάστασης, επαγωγική συμπεριφορά ή χωρητική αντιστοίχως. Η μονάδα της άεργου ισχύος είναι το Volt Ampere Reactive (VAR) Η συνολική ισχύς λέγεται και «φαινόμενη» και έχει μονάδα το Volt-Ampere (VA) Το μέτρο της φαινόμενης ισχύος είναι S=VI=(τετραγωνική ρίζα του(p2+q2)) Volt Ampere 6

7 1.1.2 Ηλεκτρική ενέργεια και άνθρωπος Ο πληθυσμός των ανθρώπων στην γη έχει ξεπεράσει τώρα πια τα 6 δισεκατομμύρια. Οι άνθρωποι χρειάζονται ενέργεια για να βελτιώσουν το επίπεδο διαβίωσης τους και να μπορούν να αξιοποιήσουν όλες τις καινούργιες εφευρέσεις που τους προσφέρει η επιστήμη. Πολλοί επιστήμονες συσχετίζουν την ποιότητα διαβίωσης με την κατανάλωση ενέργειας. Το 2007 η παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανέρχονταν σε 18,8 τρισεκατομμύρια κιλοβατώρες και αναμένετε να φτάσει τις 25 τρισεκατομμύρια κιλοβατώρες το 2020 σύμφωνα με τα επίσημα στοιχεία τις υπηρεσίας ενέργειας των ΗΠΑ. Αυτό συμβαίνει καθώς οι αναπτυσσόμενες χώρες όπως η Κίνα και η Ινδία αυξάνουν διαρκώς τις ενεργειακές τους ανάγκες λόγω τις διείσδυσης των νέων τεχνολογιών αλλά και του πολύ μεγάλου πληθυσμού τους (σχ.1.1). σχ

8 1.1.3 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ο άνθρωπος έχει ανακαλύψει πολλούς τρόπους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με σκοπό να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες του. Ο κύριος τρόπος παραγωγής ενέργειας είναι από ορυκτούς πόρους. Όπως μπορούμε να δούμε στο γράφημα του παγκόσμιου οργανισμού ενέργειας (I.E.A.) για τον τρόπο παραγωγής ενέργειας το 2008, τα ορυκτά καύσιμα αποτελούν το 80% της συνολικής παραγωγής. Στο ίδιο γράφημα μπορούμε να παρατηρήσουμε το πολύ μικρό ποσοστό συμμετοχής των ανανεώσιμών πηγών ενέργειας το οποίο μόλις τα τελευταία χρόνια παρουσιάζει μια αύξηση Ορυκτά καύσιμα Τα ορυκτά καύσιμα είναι ένας γενικός ορισμός που αποδίδεται σε καύσιμα που σχηματίζονται βαθιά μέσα στην γη με την πάροδο εκατομμυρίων χρόνων από υπολείμματα φυτικών ή ζωικών οργανισμών. Τα ορυκτά καύσιμα έχουν σαν κύριο μειονέκτημα την παραγωγή επιβλαβών αερίων, για το περιβάλλον και τον άνθρωπο, κατά την καύση τους. Τα κυριότερα ορυκτά καύσιμα είναι υδρογονάνθρακες και είναι τα παρακάτω: Οι γαιάνθρακες Υπάρχουν πολλές μορφές γαιανθράκων και κατατάσσονται σε διαφορές κατηγορίες. Η περισσότερο γνωστή μορφή είναι ο λιγνίτης. Όσον αφορά την ηλεκτροπαραγωγή χαρακτηρίζονται από την χαμηλή απόδοση μετατροπής σε ηλεκτρική ενέργεια που φτάνει στην καλύτερη περίπτωση το 35%. Στην χώρα 8

9 μας η παραγωγή ενέργειας από λιγνίτη είναι ευρέος διαδεδομένη καθώς υπάρχουν πλούσια κοιτάσματα λιγνίτη στο υπέδαφος της. Φυσικό αέριο Το φυσικό αέριο κυρίως αποτελείται από μεθάνιο. Είναι το καθαρότερο από τα ορυκτά καύσιμα όσων αφορά την εκπομπή αέριων θερμοκηπίου. Το πετρέλαιο Το πετρέλαιο είναι η σημαντικότερη ενεργειακή πηγή από την δεκαετία του 50 και μετά. Η κύρια χρήση του είναι σαν υγρό καύσιμο στις μεταφορές και στην θέρμανση. Για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείτε μόνο σαν λύση έκτακτης ανάγκης όταν δεν υπάρχει άλλος τρόπος Πυρηνική ενέργεια Μια πολύ σημαντική πηγή ενέργειας είναι η πυρηνική. Για την παραγωγή της πυρηνικής ενέργειας χρησιμοποιείται επίσης ορυκτό καύσιμο, το ουράνιο, το όποιο βρίσκεται σε μικρές ποσότητες στον πλανήτη και θεωρείτε ένας από τους ανεκτίμητους πλούτους του πλανήτη μας μαζί με το πετρέλαιο και το χρυσό. Η πυρηνική ενέργεια είναι μια αμφιλεγόμενη μορφή ενέργειας καθώς ναι μεν δεν παράγει επιβλαβή αέρια κατά την επεξεργασία του ουρανίου αλλά γιατί σε περίπτωση ατυχήματος τα αποτελέσματα θα είναι δραματικά. Αυτό συνέβη το 1986 στο πυρηνικό εργοστάσιο του Τσερνομπίλ της Ουκρανίας διαχέοντας τεράστιες ποσότητες ραδιενέργειας στο περιβάλλον προκαλώντας ανεπανόρθωτες καταστροφές στο γειτονικό περιβάλλων και όχι μόνο. Επίσης ένα ακόμα πρόβλημα της πυρηνικής ενέργειας είναι τα απόβλητα κατά τη διαδικασία παράγωγης είναι ιδιαίτερα ραδιενεργά, και επικίνδυνα με αποτέλεσμα να απατούνται ειδικές εγκαταστάσεις για την αποθήκευση τους. Τη μεγαλύτερη παραγωγή ηλεκτρισμού από πυρηνική ενέργεια την έχει η Γαλλία με 59 αντιδραστήρες και ποσοστό ενεργειακής κάλυψης 78% Υδροηλεκτρική ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείτε από τον άνθρωπο από τα αρχαία χρόνια για να διευκολύνει την ζωή του και αν τον βοηθήσει στην ανάπτυξη του. Σήμερα το 16% της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Η εκμετάλλευση του νερού για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτει μεγάλες ανάγκες ειδικά σε χώρες όπου υπάρχον πλούσιοι υδάτινοι πόροι. Έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν περισσότερα χρόνια από ότι ένας αντιδραστήρας καύσιμου ενώ υπάρχουν αρκετές εγκαταστάσεις στον κόσμο που λειτουργούν τα τελευταία 100 χρόνια. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παρουσιάζουν πολλά περιβαλλοντολογικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλους σταθμούς παράγωγης ηλεκτρικής ενέργειας, αφού δεν υπάρχει εκπομπή καυσαερίων αλλά συνήθως δημιουργούν ανακατατάξεις στα οικοσυστήματα που εγκαθίστανται. Ο Καναδάς και η Βραζιλία είναι χώρες που έχουν μεγάλη ενεργειακή εξάρτηση από τις υδροηλεκτρικές τους εγκαταστάσεις. 9

10 1.1.7 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εκπέμπουν περιορισμένα αέρια η καθόλου αέρια τα όποια ευθύνονται για το φαινόμενου του θερμοκηπίου. Επίσης για τις περισσότερες ΑΠΕ δεν υπάρχει κόστος πρώτης ύλης ενώ και το κόστος συντήρησης είναι περιορισμένο. Οι ενεργειακές ανάγκες εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από τα ορυκτά καύσιμα και θα συνεχίζουν να εξαρτώνται από αυτά για πολλές ακόμα δεκαετίες. Η ανάγκη όμως της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει γίνει αντιληπτή σε όλο τον κόσμο και οι περισσότερες χώρες έχουν υπογράψει αντίστοιχες δεσμεύσεις για χρήση ΑΠΕ. Σε κάποιες χώρες ήδη υπάρχουν ιδιαίτερα θετικά αποτελέσματα από την χρήση τεχνολογιών ΑΠΕ. Αυτές οι χώρες λειτούργησαν λίγο διαφορετικά και σαφώς πιο καινοτόμα και οδηγηθήκαν σε ερευνητικά προγράμματα εκμετάλλευσης εναλλακτικών πηγών ενέργειας και στη συνεχεία σε βιομηχανική παραγωγή μηχανισμών ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας. Οι γερμάνια και η Ιαπωνία είναι οι πρώτες στην εκμετάλλευση φωτοβολταϊκών συστημάτων ενέργειας και στην παραγωγή και στην βιομηχανία. Οι περισσότερες γνώστες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι: Α) Η αιολική ενέργεια η οποία μετατρέπεται σε ηλεκτρική με χρήση ανεμογεννήτριων και της οποίας η εγκατεστημένη ισχύ ανεβαίνει με εκθετική πρόοδο. Οι χώρες με τη μεγαλύτερη χρήση είναι η Γερμάνια, η Κίνα και οι ΗΠΑ. Η Κίνα για το 2010 έχει την μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύς με MW αιολικής ενέργειας και πρόβλεψη για αύξηση στις MW για το Β) Η ηλιακή ενέργεια της οποίας η χρήση διακρίνεται σε πολλές υποκατηγορίες: Τα φωτοβολταϊκά συστήματα παράγωγης ηλεκτρικής ενέργειας που είναι μια τεχνολογία ημιαγωγών με τεραστία πλεονεκτήματα αλλά μεγάλο κόστος. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι μια τεχνολογία η οποία αναπτύσσεται με ραγδαίο ρυθμό αφήνοντας πολλές υποσχέσεις για το μέλλον. Συστήματα συλλεκτών ηλιακής θέρμανσης ζεστού νερού Στην Ελλάδα η εγκατάσταση συλλεκτών τα τελευταία χρόνια είναι πολύ μεγάλη. Στα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα παραγωγής ενέργειας, τα οποία με την σειρά τους διακρίνονται σε αρκετές υποκατηγορίες και εκμεταλλεύονται την ανάκλαση του φωτός σε συνδυασμό με διάφορες τεχνικές. Γ) Οι μικρές υδροηλεκτρικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Είναι από τις παλιότερες μορφές ενέργειας (νερόμυλοι, υδραυλική τροχοί, κτλ) και έχουν κάποια σημαντικά πλεονεκτήματα όπως η δυνατότητα άμεσης σύνδεσης στο δίκτυο. Οι μεγάλες υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις δεν συμπεριλαμβάνονται στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας λογά της ογκώδους παρέμβασης στο φυσικό περιβάλλον. 10

11 Δ) Τα βιοκαύσιμα είναι υγρά ή αέρια καύσιμα και χρησιμοποιούνται κυρίως στις μεταφορές. Η παραγωγή τους γίνετε από αξιοποίηση της βιομάζας όπου βιομάζα είναι το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα προϊόντων, αποβλήτων και καταλοίπων από γεωργικές, δασοκομικές και βιομηχανικές δραστηριότητες. Στα βιοκαύσιμα ανήκουν: Η βιοαιθανόλη Το βιοντίζελ Το βιοαέριο Η βιομεθανόλη Ο βιοδιμεθυλαιθέρας Τα συνθετικά βιοκαύσιμα Το βιουδρογόνο Τα καθαρά φυτικά έλαια 1.2 Περιβάλλον Το ενεργειακό πρόβλημα Το ενεργειακό πρόβλημα ήταν πάντα στην επικαιρότητα τις τελευταίες δεκαετίες που διανύουμε και πολλές φορές υπήρξε το αίτιο για μεγάλες πολιτικοοικονομικές ανακατατάξεις στον παγκόσμιο χάρτη. Τα τελευταία χρόνια μάλιστα και με δεδομένο ότι κάποιοι από τους φυσικούς πόρους είναι πεπερασμένοι (άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) ο ανταγωνισμός για τον έλεγχο της αγοράς ενέργειας έχει γίνει ακόμα πιο έντονος και η κατανάλωση ενέργειας γίνετε ολοένα και μεγαλύτερη. Το περιβαλλοντολογικό πρόβλημα έχει γίνει εδώ και αρκετά χρόνια αντιληπτό σε όλη την ανθρωπότητα. Η παρέμβαση του ανθρώπου στην φύση ιστορικά έγινε πριν από δυο αιώνες με την βιομηχανική επανάσταση. Από εκείνο το σημείο και μετά ο άνθρωπος καταναλώνει ασταμάτητα φυσικούς πόρους. Με αποτέλεσμα να οδηγηθούμε στα ακόλουθα προβλήματα: Παγκόσμια υπερθέρμανση Ο όρος παγκόσμια θέρμανση αναφέρεται στην αύξηση της μέσης θερμοκρασία της γης και των ωκεανών. Συμφώνα με την αρμόδια επιτροπή του ΟΗΕ η μέση θερμοκρασία του πλανήτη τον τελευταίο αιώνα έχει αυξηθεί κατά 0,6 βαθμούς κελσίου. Οι προβλέψεις της επιτροπής για το τέλος του αιώνα που διανύουμε πιθανολογείται θα έχουμε αύξηση της θερμοκρασίας έως και 5,8 βαθμούς κελσίου. Το φαινόμενο της παγκόσμιας θέρμανσης είναι άμεσα συνδεδεμένο με την παραγωγή των αέριων θερμοκηπίου. Τα αποτελέσματα αυτής της αύξησης έχουν αρχίσει να γίνονται αισθητά. Στους πόλους της γης ήδη παρατηρείται λιώσιμο τεράστιων παγόβουνων με αποτέλεσμα την αύξηση της στάθμης της του νερού των θαλασσών. 11

12 Ήδη με την χρήση δορυφόρων (1992) έχει διαπιστωθεί ότι ή μέση αύξηση του επιπέδους θάλασσας είναι 2,8 χιλιοστά/έτος άλλα διατηρούνται επιφυλάξεις για την αξιοπιστία (διακριτική ικανότητα) των μετρήσεων. Άλλα αρνητικά φαινόμενα που οφείλονται στην παγκόσμια υπερθέρμανση είναι αλαγάριστους ρυθμούς βροχοπτώσεων, αυξημένη ένταση και συχνότητα ακραίων καιρικών φαινομένων. Μελλοντικά αναμένονται σε κάποιες περιοχές, παρατεταμένη ξηρασία, και θέματα υγιεινής λόγω των κλιματικών αλλαγών. Αέρια του θερμοκηπίου Όπως είπαμε και παραπάνω τα αέρια του θερμοκηπίου είναι υπεύθυνα για την παγκόσμια υπερθέρμανση. Τα αέρια αυτά ουσιαστικά εγκλωβίζουν την ακτινοβολία τα οποία κατά ένα ποσοστό την εκπέμπουν προς την γη θερμαίνοντας έτσι την επιφάνεια της. τα σημαντικότερα αέρια του θερμοκηπίου είναι το διοξείδιο του άνθρακα (CO2),το μεθάνιο(ch4), το οξείδιο του νάτριου(no2), το όζον(03), και οι υδρατμοί(η2ο). Ο άνθρωπος ευθύνεται για την αύξηση των CO2, CH4, NO2 τα οποία αποβάλλονται με ραγδαίο ρυθμό στην ατμόσφαιρα για την κάλυψη των αναγκών του. Όξινη βροχή Η καύση ορυκτών καύσιμων παράγει θεϊκά και ανθρακικά οξέα. Τα αέρια που εκπέμπονται από την καύση των ορυκτών καύσιμων συγκρατούνται από σταγονίδια στα σύννεφα και πέφτουν στην επιφάνεια της γης με την μορφή όξινης βροχής. Με αποτέλεσμα αν αυξάνεται η οξύτητα του φλοιού της γης καθώς επίσης να επηρεάζεται η ισορροπία των λιμνών και των πόταμων. Στον παρακάτω πίνακα υπάρχει μια γενική αξιολόγηση με κριτήριο τις περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις που προκύπτουν από διάφορες παραγωγικές δραστηριότητες. Συγκριτικός πίνακας περιβαλλοντολογικών επιπτώσεων διαφόρων πηγών Ενέργειας. 12

13 Έχει γίνει αντιληπτό ότι ο μόνος τρόπος για να αντιμετωπιστεί στο σημείο που έχουμε φτάσει είναι μέσω διαρθρωτικών κοινωνικοπολιτικών αλλαγών. Η χρησιμοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας είναι σίγουρα ένα σημαντικό βήμα για την μείωση των περιβαλλοντολογικών προβλημάτων που μαστίζουν την ανθρωπότητα ή τουλάχιστον για την επιβράδυνση του ρυθμού αύξησης των, αλλά χρειάζεται και μια παγκόσμια προσπάθεια ευαισθητοποίησης του κόσμου για μείωση της σπατάλης ενέργειας. 13

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ηλιακή ακτινοβολία και ενέργεια Η σχεδίαση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος στηρίζεται πάνω σ έναν προσεκτικό υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Παρ όλο που η ηλιακή ακτινοβολία έχει ήδη καταγραφεί σε διάφορες τοποθεσίες σε ολόκληρο τον κόσμο, πρέπει να αναλυθεί και να επεξεργαστεί πριν πραγματοποιηθεί ένας ακριβής υπολογισμός της διαθέσιμης ηλιακής ακτινοβολίας για το φωτοβολταϊκό σύστημα που θα δημιουργηθεί. 2.1 Ο Ήλιος Ο Ήλιος αποτελείται από 80% υδρογόνο (Η2), 19% ήλιο (He) και το υπόλοιπο 1% είναι μείγμα περισσοτέρων από 100 χημικών στοιχείων. Η θερμοκρασία στο εσωτερικό του εκτιμάται ότι είναι της τάξεως των 107 βαθμών Kelvin. Η ακτινοβολούμενη ενέργεια από την επιφάνειά του προέρχεται από θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που είναι εξώθερμες και γίνονται στο εσωτερικό του. Στις αντιδράσεις αυτές γίνεται μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο και παραγωγή ενέργειας με ρυθμό 4 εκατομμύρια τόνους το δευτερόλεπτο. 2.2 Ηλιακή ακτινοβολία εκτός γήινης ατμόσφαιρας Η φασματική κατανομή της εκτός γήινης ατμόσφαιρας ηλιακής ακτινοβολίας μοιάζει αρκετά με εκείνη του μέλανος σώματος στην θερμοκρασία των 5762K, ενώ η φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο επίπεδο της θάλασσας είναι αρκετά μειωμένη όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Φασματική κατανομή της εκτός γήινης ατμόσφαιράς ακτινοβολίας 14

15 Η μονάδα μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας είναι W/m2. Δηλαδή είναι ισχύς ανά μονάδα επιφανείας και η τιμή της είναι το μέτρο της έντασής της. Οι συμβολισμοί που χρησιμοποιούνται παρακάτω για την ηλιακή ακτινοβολία είναι G για μία στιγμιαία τιμή, I για ωριαία τιμή και Η για τιμές ημερήσιες, εβδομαδιαίες, μηνιαίες, ετήσιες κ.λπ. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει ανά μονάδα επιφανείας και εκτός γήινης ατμόσφαιρας σε ένα επίπεδο που είναι κάθετο στις ηλιακές ακτίνες και βρίσκεται στη μέση απόσταση ήλιου γης λέγεται ηλιακή σταθερά Gsc. Από πειραματικές μετρήσεις έχουν προταθεί διάφορες τιμές της ηλιακής σταθεράς. Μια τιμή που έχει προταθεί με αβεβαιότητα 1% είναι: G sc = 1367 W/ m Ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια του εδάφους Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος επηρεάζεται από το μήκος της ατμόσφαιρας που διαπερνά. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η διαδρομή των ηλιακών ακτίνων στην ατμόσφαιρα τόσο μειωμένη είναι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η μεγαλύτερη διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας για να φθάσει στην επιφάνεια της γης είναι νωρίς το πρωί και αργά το απόγευμα. Το γεωγραφικό πλάτος μιας περιοχής επηρεάζει σε ένα μεγάλο βαθμό την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που θα φτάσει στο έδαφος. Αυτό συμβαίνει λόγο ότι μεγαλώνει ή μικραίνει η απόσταση που διανύει στην ατμόσφαιρα της γης η ακτινοβολία από τον ήλιο. Όσο πιο κοντά κατευθυνόμαστε στον ισημερινό τόσο μεγαλύτερη ένταση έχει η ηλιακή ακτινοβολία και αντίστοιχα μικραίνει όταν κατευθυνόμαστε προς τους πόλους. Ακόμα στις περιοχές πιο κοντά στον ισημερινό έχουμε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας κατά την διάρκεια του έτους οπότε και περισσότερη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο. Αυτό μπορούμε να το παρατηρήσουμε στον παρακάτω πίνακα που απεικονίζει την μέση ετήσια ακτινοβολία στην ευρωπαϊκή ήπειρο. 15

16 Η μέση ετήσια ακτινοβολία πάνω σ ένα οριζόντιο επίπεδο (σε W/m2) κατά μήκος της Ευρώπης. 2.4 Το ηλιακό δυναμικό της Ελλάδος Όλοι γνωρίζουμε ότι η Ελλάδα είναι ιδιαίτερα ευνοημένη από τον ήλιο καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών να είναι πολύ αποδοτική στην χώρα μας και να επιτυγχάνονται πολύ καλοί χρόνοι απόσβεσης της αρχικής επένδυσης. Ένα Φ/Β σύστημα στην Ελλάδα εν γένει παράγει ετησίως KWH ανά εγκατεστημένο KW. Εννοείται ότι στις νότιες και πιο ηλιόλουστες περιοχές της χώρας μας, ένα Φ/Β παράγει περισσότερο ηλιακό ηλεκτρισμό απ ότι στις βόρειες. Για παράδειγμα, αναφέρουμε ότι ένα Φ/Β σύστημα στην Αθήνα αποδίδει KWH/έτος/KW, στη Θεσσαλονίκη KWH/έτος/KW και στην Κρήτη ή Ρόδο KWH/έτος/KW. Αυτό μπορεί να φανεί από τον παρακάτω πίνακα. 16

17 Πίνακας ετήσιας παραγωγής ηλιακής ενέργειας από φοτωβολταϊκά σταθερού προσανατολισμού 1kw. Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε πολλές περιοχές τις Ελλάδος προσφέρονται για εγκατάσταση φωτοβολταϊκών εξασφαλίζοντας υψηλές αποδόσεις. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος που οι επενδύσεις στην φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις στην χώρα μας αυξάνονται με μεγάλο ρυθμό από εγχώριες επενδύσεις αλλά και από το εξωτερικό. 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Τα φωτοβολταϊκά συστήματα 3.1 Φωτοβολταϊκά συστήματα Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική λύνοντας έτσι το πρόβλημα ηλεκτροδότησης εγκαταστάσεων που βρίσκονται μακριά από το δίκτυο. Ακόμα είναι ικανά να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή ενέργειας και διαμοιρασμού της μέσω του ηλεκτρικού δικτύου. Τα φ/β συστήματα είναι μα τεχνολογία πολλά υποσχόμενη ικανή να λύσει τα μεγάλα προβλήματα που αντιμετωπίζει σήμερα ο άνθρωπος. Πρώτων την αναζήτηση ενεργειακών πηγών για της ανάγκες του πλανήτη αλλά και το περιβαλλοντολογικό ζήτημα λογά της χρήση των ορυκτών πόρων του πλανήτη μας. Διάγραμμα σχηματισμού μιας Φ/Β συστοιχίας Διάγραμμα Φ/Β συστήματος διασυνδεδεμένο με το δίκτυο της ΔΕΗ 18

19 Διάγραμμα αυτόνομου Φ/Β συστήματος με αποθήκευση σε μπαταρία η οποία τροφοδοτεί καταναλωτές συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος Ιστορική αναδρομή Η παρατήρηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου ανάγεται στο μακρινό έτος Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι σταθμοί στην εξέλιξη των φωτοβολταϊκά σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Ο Γάλλος φυσικός Edmund Becquerel παρατήρησε για πρώτη φορά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο στο μεταλλικό στοιχείο σελήνιο (Se). Δεκαετία του Κατασκευάσθηκαν οι πρώτες φωτοβολταϊκές κυψέλες από σελήνιο, οι οποίες μετέτρεπαν το ορατό φάσμα του φωτός σε ηλεκτρικό ρεύμα με απόδοση που κυμαινόταν μεταξύ 1% και 2%. Οι φωτοευαίσθητοι αισθητήρες των φωτογραφικών μηχανών κατασκευάζονται ακόμα και σήμερα από σελήνιο Ο Πολωνός φυσικός Jan Czochralski ανέπτυξε αξιόπιστη μέθοδο παραγωγής μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Οι πλέον αποδοτικές και εμπορικά αξιοποιήσιμες σήμερα φωτοβολταϊκές κυψέλες βασίζονται στο μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Αρχές Αναπτύχθηκε ο μετρητής Czochralski για την μαζική παραγωγή κρυσταλλικού πυριτίου υψηλής καθαρότητας, απαραίτητου για την κατασκευή φωτοβολταϊκών κυψελών υψηλής απόδοσης Η εταιρεία Bell Telephone Laboratories κατασκεύασε φωτοβολταϊκή κυψέλη πυριτίου με απόδοση 4%. Αργότερα η απόδοση ανέβηκε στο 11%. 1958, 1959, Κατασκευή φωτοβολταϊκών κυψελών με αποδόσεις 9, 10 και 14% από την εταιρεία Hoffman Electronics Τίθεται σε τροχιά από την εταιρεία Bell Telephone Laboratories ο πρώτος τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος (Telstar) με φωτοβολταϊκά στοιχεία ισχύος 14 W. 19

20 1963. Μαζική παραγωγή φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου από την Ιαπωνική εταιρεία Sharp Corporation Εγκαθίσταται στην Ιαπωνία η μεγαλύτερη φωτοβολταϊκή διάταξη στον κόσμο ισχύος 242 W για την ηλεκτροδότηση ενός φάρου Γάλλοι επιστήμονες εγκαθιστούν σε χωριό του Νίγηρα φωτοβολταϊκό σύστημα Θειούχου Καδμίου (CdS) για την τροφοδοσία εκπαιδευτικής τηλεόρασης ενός σχολείου. Στο μέλλον, οι κυψέλες CdS υπόσχονται πολλά στη μείωση του κόστους παραγωγής και στην αύξηση των αποδόσεων Η πρώτη ενεργειακή κρίση ώθησε το Υπουργείο Ενέργειας των Η.Π.Α. στην ίδρυση του Ομοσπονδιακού Προγράμματος για την Εκμετάλλευση του Φωτοβολταϊκού φαινομένου (Federal Photovoltaic Utilization Program). Πολλά από τα συστήματα, το οποία εγκαταστάθηκαν στα πλαίσια του προγράμματος αυτού, εξακολουθούν ακόμα και σήμερα να λειτουργούν Οι πρώτες φωτοβολταϊκές κυψέλες άμορφου πυριτίου κατασκευάζονται από τον David Carlson και τον Christopher Wronski των RCA Laboratories. Οι κυψέλες άμορφου πυριτίου επέτρεψαν την ανάπτυξη των τεχνολογιών λεπτής μεμβράνης Λόγω μειωμένου ενδιαφέροντος εκ μέρους των Η.Π.Α. για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο, πολλές εταιρείες των Η.Π.Α. εξαγοράσθηκαν από Γερμανικά και Ιαπωνικά συμφέροντα Ο Α πόλεμος του Κόλπου πυροδότησε εκ νέου το ενδιαφέρον των Η.Π.Α. για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Μέσον της δεκαετίας Αρχή ραγδαίας ανάπτυξης της αγοράς των φωτοβολταϊκών συστημάτων Η εταιρία Spectrolab σε συνεργασία με το NREL αναπτύσσουν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο με απόδοση 32,3%!!!. Το στοιχείο αυτό είναι συνδυασμός τριών υλικών (στρώσεων) και ειδικό για εφαρμογές σε συγκεντρωτικά συστήματα CPV. Τις τελευταίες δεκαετίες, η πρόοδος της τεχνολογίας των Φ/Β συστημάτων υπήρξε εντυπωσιακή. Τα τελευταία είκοσι χρόνια η τιμή των Φ/Β κυψελών υποπενταπλασιάσθηκε, η απόδοσή τους αυξήθηκε κατά 50% και παράλληλα βελτιώθηκε αισθητά η αξιοπιστία τους. Μέχρι το έτος 2030 αναμένεται η απόδοσή τους να ανέλθει στο 25% και η τιμή τους να περιορισθεί μεταξύ 0,05 0,12 /kwh. Οι νέες τεχνολογίες υπόσχονται περαιτέρω αύξηση της απόδοσης των Φ/Β κυψελών μετά το 2030 και πολύ σύντομη απόσβεση του κόστους εγκατάστασής τους Αρχές λειτουργιάς Το ηλιακό φως- ηλιακή ενέργεια είναι ουσιαστικά μικρά πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Τα φωτόνια του ηλιακού φωτός- ενέργειας περιέχουν 20

21 διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού ενεργειακού φάσματος. Το γαλάζιο χρώμα ή το υπεριώδες π.χ. έχουν περισσότερη ενέργεια από το κόκκινο ή το υπέρυθρο. Όταν λοιπόν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο (που είναι ουσιαστικά ένας ημιαγωγός), άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται από το φωτοβολταϊκό. Αυτά τα τελευταία φωτόνια είναι που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα ( ενέργεια ). Τα φωτόνια αυτά αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του φωτοβολταϊκού ή των φωτοβολταϊκών, στοιχείων να μετακινηθούν σε άλλη θέση. Η βασική θεωρία του ηλεκτρισμού είναι η κίνηση των ηλεκτρονίων από το θετικό προς το αρνητικό. Σε αυτή την απλή αρχή της φυσικής λοιπόν βασίζεται μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρισμού στις μέρες μας Ηλιακή Φωτοβολταϊκή Διάταξη πλαισίων, τόξων, πάνελ. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και η εκμετάλλευση του στηρίζονται στις βασικές ιδιότητες των ημιαγωγών υλικών σε ατομικό επίπεδο. Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή. Όταν το φως προσπίπτει σε μια επιφάνεια είτε ανακλάται, είτε την διαπερνά (διαπερατότητα) είτε απορροφάτε από το υλικό της επιφάνειας. Η απορρόφηση του φωτός ουσιαστικά σημαίνει την μετατροπή του σε μια άλλη μορφή ενέργειας (σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας) η οποία συνήθως είναι η θερμότητα. Παρόλα αυτά όμως υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των προσπιπτόντων φωτονίων (πακέτα ενέργειας) σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται επίσης η τεράστια τεχνολογική πρόοδος που έχει συντελευτεί στον τομέα της ηλεκτρονικής και συνεπακόλουθα στον ευρύτερο χώρο της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. Γενικότερα τα υλικά στην φύση σε σχέση με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους εμπίπτουν σε τρεις κατηγορίες, τους αγωγούς του ηλεκτρισμού, τους μονωτές και τους ημιαγωγούς. Ένας ημιαγωγός έχει την ιδιότητα να μπορεί να ελεγχθεί η ηλεκτρική του αγωγιμότητα είτε μόνιμα είτε δυναμικά. Ημιαγωγοί Το χαρακτηριστικό στοιχείο ενός ημιαγωγού που το διαφοροποιεί από τα υπόλοιπα υλικά είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων ενός ατόμου που βρίσκεται στην εξωτερική του στοιβάδα (σθένους). Ο περισσότερο γνωστός ημιαγωγός είναι το πυρίτιο (Si) για αυτό και θα επικεντρωθούμε σε αυτό. Το πυρίτιο έχει ατομικό αριθμό 14 και έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 4 ηλεκτρόνια. Όλα τα άτομα που έχουν λιγότερα η περισσότερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (είναι "γενικά" συμπληρωμένη με 8 e) ψάχνουν άλλα άτομα με τα οποία μπορούν να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια ή να μοιρασθούν κάποια με σκοπό τελικά να αποκτήσουν συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα σθένους. Σε αυτήν την τάση οφείλεται και η κρυσταλλική δομή του πυριτίου αφού όταν συνυπάρχουν πολλά άτομα μαζί διατάσσονται με τέτοιο τρόπο ώστε να συνεισφέρουν ηλεκτρόνια με όλα τα γειτονικά τους άτομα και τελικά με αυτόν τον τρόπο να αποκτούν μια συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα και κρυσταλλική δομή. Αυτή είναι και η καθοριστική ιδιότητα που έχουν τα κρυσταλλικά υλικά. 21