ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Πτυχιακή Εργασία: Αντωνίου Ευθύμιος - Τσέρνιχ Ελπίδα

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ:ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Πτυχιακή Εργασία: Αντωνίου Ευθύμιος - Τσέρνιχ Ελπίδα Επιβλέπων Καθηγητής: Δρ. Χημικός Μηχανικός Αχιλλέας Χριστοφορίδης

2

3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ:ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Θέμα: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Πτυχιακή εργασία των Αντωνίου Ευθύμιος 2635 Τσέρνιχ Ελπίδα 2591 Επιβλέπων Καθηγητής: Δρ. Χημικός Μηχανικός Αχιλλέας Χριστοφορίδης

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος...4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εισαγωγή Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Χαρακτηριστικά μεγέθη Η Ηλιακή σταθερά Το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας Το φαινόμενο του θερμοκηπίου Ολική, απευθείας και διάχυτη ακτινοβολία Η κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο Ηλιακή γεωμετρία Γεωγραφικό πλάτος γεωγραφικό μήκος Σφαιρικές συντεταγμένες Προσανατολισμός του συλλέκτη Υπολογισμός ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένες επιφάνειες Επιφάνειες με Νότιο Προσανατολισμό Επιφάνειες με τυχαίο προσανατολισμό Ωριαία ηλιακή ακτινοβολία Βέλτιστη κλίση ηλιακών συστημάτων...21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Ενεργειακές ζώνες...23 Δημιουργία οπής...24 Εξάρτηση ενεργειακού χάσματος από τη θερμοκρασία...26 Διάκριση υλικών...27 Στάθμη Fermi...27 Ενδογενείς ημιαγωγοί...28 Ημιαγωγοί πρόσμειξης Ημιαγωγοί τύπου n Ημιαγωγοί τύπου p Επαφή p-n Πόλωση Διόδου p-n Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωση...35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 3.1 Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό στοιχείο Δομή του στοιχείου Απορρόφηση φωτός από έναν ημιαγωγό Ηλεκτροστατικό φράγμα δυναμικού Δημιουργία φωτορεύματος Ρεύμα διάχυσης και ανάστροφο ρεύμα Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ηλιακού στοιχείου Τάση ανοιχτού κυκλώματος ρεύμα βραχυκύκλωσης Χαρακτηριστική καμπύλη Ι-V φωτοβολταϊκού στοιχείου Σημείο λειτουργίας μέγιστης ισχύος ( ΣΜΙ ) Καμπύλη φόρτου

5 3.5.5 Οι αντιστάσεις στο κύκλωμα Παράγων πλήρωσης FF (Fill Factor) Απόδοση του ΦΒ στοιχείου Απώλειες ισχύος στα ΦΒ στοιχεία Εξάρτηση ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ΦΒ στοιχείου από την πυκνότητα ισχύος της ΗΜ ακτινοβολίας Επίδραση θερμοκρασίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ΦΒ στοιχείου Πρότυπες συνθήκες ελέγχου των χαρακτηριστικών των ΦΒ στοιχείων Συνδεσμολογία Σύνδεση σε σειρά Παράλληλη σύνδεση...56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΉ ΓΕΝΝΉΤΡΙΑ Εισαγωγή Ορολογία Φωτοβολταϊκό πλαίσιο (module) Εσωτερική σύνδεση των ΦΒ βασικών μονάδων Ονομαστική ισχύς ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου Απόδοση ΦΒ πλαισίου Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση Φωτοβολταϊκή συστοιχία (string)...67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΦΒ Εισαγωγή Τεχνολογίες παραγωγής ΦΒ Παρασκευή EGS (Electronic Grade Silicon) Ανάπτυξη μονοκρυσταλλικού πυριτίου Η τεχνική Czochralski Η τεχνική Float-Zone Εισαγωγή προσμίξεων κατά την ανάπτυξη Μονοκρυσταλλικό Πυρίτιο Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο Ribbon Πυρίτιο Κρυσταλλικό Πυρίτιο λεπτού φίλμ (c-sitfc) Άμορφο πυρίτιο (a-si) Αρσενικούχο Γάλλιο (GαAs) Δισεληνιούχος Ινδιούχος Χαλκός (CuInSe2 ή CIS) Τελλουριούχο Κάδμιο (CdTe) Κύτταρα υψηλής απόδοσης Νέες τεχνολογίες ηλιακών στοιχείων Σφαιρικά ηλιακά κύτταρα Dye - Ευαισθητοποιημένα Nano - κρυσταλλικά κύτταρα...85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑTA Αυτόνομο ΦΒ σύστημα (Stand alone)...87 Διασυνδεδεμένο ΦΒ σύστημα (Grid connected)...88 Μετατροπείς...89 Ρυθμιστής συνεχούς τάσης...90 Μπαταρία Χαρακτηριστικά μεγέθη μπαταρίας Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας Τύποι μπαταριών ΦΒ συστημάτων

6 6.6 Μετατροπέας συνεχούς-εναλλασσόμενου ρεύματος (Iinverter) Μετατροπέας αυτόνομου συστήματος Μετατροπέας ΦB συστήματος συνδεδεμένου με δίκτυο Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μετατροπέα Πλευρά εισόδου του μετατροπέα. ( Input side) Πλευρά εξόδου του μετατροπέα Απόδοση μετατροπέα Διαστασιολόγηση...99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ Εισαγωγή Πρόγραμμα ανάπτυξης ΦΒ Υπάρχουσα κατάσταση - ΦΒ Στέγες - Οικιακό πρόγραμμα Διαδικασίες αδειοδότησης ΦΒ εγκαταστάσεων Αιτήσεις μέχρι 10 KW σε στέγες Αιτήσεις μέχρι 500 KW (μη οχλούσες δραστηριότητες) Αιτήσεις από 500 KW ΚW (χαμηλή όχληση) Αιτήσεις από ΚW (χαμηλή όχληση) Άδεια παραγωγής Άδεια εγκατάστασης - Άδεια λειτουργίας Έγκριση περιβαλλοντικών όρων (ΕΠΟ) Για Φ/Π κάτω από 500 ΚW Μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Εισαγωγή Βασικές οικονομικες έννοιες Χρηματοροή Πληθωρισμός Αποσβέσεις Κόστος χρηματοδότησης Κριτήρια οικονομικής αξιολόγησης Καθαρή παρούσα αξία (NPV) Εσωτερικός βαθμός απόδοσης επένδυσης (IRR) Τεχνοοικονομική ανάλυση ΦΒ συστημάτων Τεχνοοικονομική ανάλυση -9,5 kw στέγη στην Καβάλα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Τα τελευταία χρόνια, η παραγωγή ενέργειας από συμβατικές πηγές ( πετρέλαιο, φυσικό αέριο κτλ) γίνεται καθημερινά ακριβότερη. Επίσης, λόγω της εκτεταμένης εκπομπής των βλαβερών αερίων παρουσιάζει πολλές αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, όπως το αυξημένο φαινόμενο του θερμοκηπίου, μόλυνση της ατμόσφαιρας και αυτά με τη σειρά τους έχουν αντίκτυπο και στον άνθρωπο. Τα αποθέματα ενέργειας από συμβατικά καύσιμα ελαττώνονται και η αναπλήρωση τους γίνεται με ρυθμό βραδύτερο από ότι η κατανάλωση τους, οδηγώντας έτσι την ανθρωπότητα σε σοβαρή κρίση. Η επίλυση αυτών των προβλημάτων είναι αναγκαία περισσότερο σήμερα παρά ποτέ. Η ανάπτυξη των εναλλακτικών πηγών ενέργειας προβάλει ως ιδανική λύση στο ενεργειακό πρόβλημα. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, που είναι ο ήλιος, ο αέρας, το νερό μπορούν να καλύψουν τις βασικές, και όχι μόνο, ανάγκες του ανθρώπου και να προσφέρουν μια καλύτερη ποιότητα ζωής. Ο ήλιος αποτελεί αστείρευτη πηγή ενέργειας και η χώρα μας, η οποία λούζεται από τον ήλιο, θα πρέπει στους δύσκολους καιρούς που διανύουμε να κερδίζει μεγάλο ποσοστό της ενέργειας που καταναλώνει από τον ήλιο. Σήμερα υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες που μπορούν να δεσμεύσουν την ηλιακή ακτινοβολία και να την μετατρέψουν σε ενέργεια αξιοποιήσιμη είτε σε επίπεδο ηλεκτροπαραγωγής είτε στον οικιακό τομέα για την παραγωγή ηλεκτρισμού ή απλά για θέρμανση νερού και άλλες οικιακές χρήσεις. Ανάμεσα στις άλλες τεχνολογίες, που εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια είναι και η φωτοβολταϊκή τεχνολογία, η οποία έχει πολλά πλεονεκτήματα. Είναι ανανεώσιμη και ελεύθερα διαθέσιμη ενεργειακή πηγή, με μηδενική ρύπανση και πλήρης απουσία αποβλήτων ή άλλων άχρηστων παραπροϊόντων, λειτουργεί αθόρυβα, έχει ελάχιστες απαιτήσεις επίβλεψης και συντήρησης, υψηλή αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής. Βέβαια, η παραγόμενη ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά, σήμερα, είναι σχετικά ακριβή. Αυτό οφείλεται σχεδόν αποκλειστικά στο υψηλό κόστος κατασκευής των φωτοβολταϊκών στοιχείων και πολύ λιγότερο στο κόστος τις υπόλοιπης φωτοβολταϊκής εγκατάστασης (ηλεκτρομηχανολογικός εξοπλισμός). Εκτιμάται, όμως, ότι στα επόμενα χρόνια το κόστος αυτό θα μειωθεί αισθητά και θα αυξηθεί και η απόδοση των φωτοβολταϊκών. Στα πλαίσια αυτά, σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας, είναι η μελέτη των φωτοβολταϊκών συστημάτων σε βάθος, δηλαδή, μελέτη της σύστασής τους, του τρόπου με τον οποίο κατασκευάζονται, του τρόπου λειτουργίας και των οικονομικών στοιχείων. 4

8 1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο Ήλιος είναι ο αστέρας του ηλιακού μας συστήματος και το λαμπρότερο σώμα του ουρανού με μάζα 19181*10 30kg, διάμετρο 1392*103km και ηλικία περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια. Η σημασία του Ήλιου στην εξέλιξη και την διατήρηση της ζωής στην Γη είναι καίρια, καθώς με τη θεμελιώδη διαδικασία της φωτοσύνθεσης προσφέρει την απαραίτητη ενέργεια για την ανάπτυξη των ζωντανών οργανισμών, και διατηρεί την επιφανειακή θερμοκρασία της Γης σε ανεκτά για τη ζωή επίπεδα. Ο Ήλιος αποτελείται κατά 74% από υδρογόνο, κατά 25% από ήλιο και 1% από άλλα στοιχεία. Το υδρογόνο αποτελεί το κύριο καύσιμο για τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που παράγουν την ενέργεια που ακτινοβολεί, ενώ το ήλιο προέρχεται κυρίως από τα προϊόντα της πυρηνικής σύντηξης του υδρογόνου. 4 11Η 24He + 26,2 (MeV) Λόγω των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων η θερμοκρασία στην επιφάνεια του ήλιου είναι περίπου 5800 Κ, ενώ στο κέντρο Κ. Η ηλιακή ενέργεια διαδίδεται στο σύμπαν κυρίως με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ΗΜ) αλλά και με σωματιδιακή μορφή. 1.1 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αποτελεί διαδιδόμενη διαταραχή συνδυασμένου ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Η ταχύτητα διάδοσης του ΗΜ κύματος είναι km/s. Εκπέμπεται από άτομα, μόρια και ιόντα της ύλης. Η εκπομπή οφείλεται σε: Θερμοκρασία σωμάτων (θερμική ακτινοβολία) Ηλεκτρονικές αποδιεγέρσεις διεργεμένων δομικών λίθων (άτομα, μόρια, ιόντα), που προκαλούνται από άλλη αιτία, εκτός της θερμοκρασίας, π.χ. κατά τις κρούσεις επιταχυμένων ιόντων ή ηλεκτρονίων με ιόντα ή μόρια του σώματος. Θερμική ακτινοβολία Η ακτινοβολούμενη από ένα σώμα ΗΜ ακτινοβολία είναι συνάρτηση του μήκους κύματος λ, της θερμοκρασίας του σώματος Τ και της φύσης του σώματος που ακτινοβολεί. Η πυκνότητα ισχύος ΗΜ ακτινοβολίας συμβολίζεται με ΕλΤ και εκφράζεται σε W/m2*nm. Η θεωρία του Max Planck για την έννοια εκπομπής της ΗΜ ακτινοβολίας κατά ποσά (quanta) χρησιμοποιεί ένα μοντέλο, το οποίο βασίζεται στη θερμοδυναμική ισορροπία των ΗΜ ταλαντωτών (ταλαντευόμενα ηλεκτρικά φορτία όπως, άτομα, μόρια και ιόντα). Η εκπομπή της ΗΜ ακτινοβολίας, αντιπροσωπεύει τις ταλαντώσεις των δομικών λίθων των τοιχωμάτων μιας κοιλότητας του σώματος και της ΗΜ ακτινοβολίας που εκπέμπουν στο χώρο της κοιλότητας. Σχήμα 1.1: Μέλαν σώμα: Το φως που εισέρχεται στην κοιλότητα από μια μικρή οπή, έπειτα από πολλαπλές αντανακλάσεις απορροφάται σχεδόν ολοκληρωτικά από τα τοιχώματα. 5

9 Το μοντέλο που χρησιμοποίησε ο Planck ονομάστηκε μέλαν (μαύρο) σώμα που έχει την ιδιότητα να εκπέμπει ακτινοβολία, με ορισμένη φασματική κατανομή, χαρακτηριστική της θερμοκρασίας του. Απορροφά πλήρως κάθε ακτινοβολία που προσπίπτει επάνω του, ανεξάρτητα από το λ και τη θερμοκρασία ή τη θερμοκρασία του σώματος που την εκπέμπει. Για κάθε πραγματικό σώμα υπάρχει ο συντελεστής ικανότητας εκπομπής, ελt, ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο της εκπεμπόμενης ενέργειας από το πραγματικό σώμα, μέσα σε στενή περιοχή μηκών κύματος, προς την εκπεμπόμενη, στην ίδια περιοχή μηκών κύματος, από το μέλαν σώμα, ίδιας θερμοκρασίας. Παίρνει τιμές από 0 (τέλεια ανακλαστική επιφάνεια ή τέλειος ανακλαστήρας), μέχρι 1 (μέλαν σώμα ή τέλειος απορροφητής), εξαρτώμενες από το υλικό, τη θερμοκρασία του σώματος, από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και την κατεύθυνση παρατήρησης της επιφάνειας. Αποδείχτηκε από τον Gustav R. Kirchhoff ( ), εντελώς γενικά, ότι η ικανότητα εκπομπής ελt ενός σώματος, ισούται με την αντίστοιχη απορροφητικότητά του, αλτ. Σύμφωνα με το νόμο αυτό, κάθε σώμα εκπέμπει εκείνα τα μήκη κύματος θερμικής ακτινοβολίας, τα οποία στην ίδια θερμοκρασία μπορεί να απορροφήσει. Ακτινοβολία διέγερσης Αυτή προέρχεται από τις αποδιεγέρσεις των ηλεκτρονικών καταστάσεων των ατόμων της ύλης και όχι λόγω της θερμοκρασίας του σώματος. Διεγείρουσα αιτία είναι είτε άλλη ακτινοβολία, που προσπίπτει στο σώμα και απορροφάται από τους δομικούς λίθους της ύλης, είτε οι κρούσεις μεταξύ τους, κατά την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου σε ιονισμένη ύλη. Η ένταση της ακτινοβολίας που εκπέμπεται μ αυτό τον τρόπο, εξαρτάται από το ποσοστό των διεγερμένων ατόμων, κατά τη συγκεκριμένη ενεργειακή μετάβαση, από την αρχική στην τελική ενέργεια (π.χ. λάμπες φθορισμού) ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ α) Ισχύς ή Ροή ακτινοβολίας, Ρ, ορίζεται ως το πηλίκο της ακτινοβολούμενης, σε χρόνο dt, ενέργειας du, μέσα σε στερεά γωνία dω. Η μονάδα μέτρησης της ισχύος της ακτινοβολίας, στο SI, είναι το 1 W. β) Πυκνότητα ισχύος ΗΜ ακτινοβολίας, Ε, προσδιορίζεται από την σχέση: όπου ds η στοιχειώδης επιφάνεια, μέσα απ την οποία διέρχεται ή πάνω στην οποία προσπίπτει ή από την οποία εκπέμπεται, η στοιχειώδης ισχύς ακτινοβολίας dp. Η μονάδα μέτρησής της, στο SI, είναι το 1 W/m2. γ) Ένταση ακτινοβολίας, J, ονομάζουμε την ισχύ που διαπερνά κάθετα την μονάδα επιφάνειας, τοποθετημένη στη θέση προσδιορισμού και δίδεται από τη σχέση: όπου dp, η στοιχειώδης ισχύς ακτινοβολίας, η οποία διαπερνά κάθετα τη στοιχειώδη επιφάνεια ds. Μονάδα της έντασης ακτινοβολίας στο SI, είναι το 1 W/m 2. Ομοίως, ορίζεται η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας, περιορίζοντας ενεργειακά το φάσμα στην περιοχή του ορατού και έχει την ίδια μονάδα (1 W/m2). 6

10 1.2 Η ΗΛΙΑΚΗ ΣΤΑΘΕΡΑ Η ένταση της ΗΜ ακτινοβολίας, που αντιστοιχεί στη μέση απόσταση πλανήτη-ήλιου, ονομάζεται ηλιακή σταθερά του συγκεκριμένου πλανήτη. Στην περίπτωση του ηλιακού μας συστήματος, η ηλιακή σταθερά για τη γη, ορίζεται σε απόσταση 1 AU από τον ήλιο. 1AU 149,6*106km και είναι αστρονομική μονάδα μήκους σε διαστημικές αποστάσεις. Μετρήσεις από δορυφόρους, έδωσαν τιμές για την ηλιακή σταθερά, στην περιοχή W/m2. Η μέση τιμή τους J0=1367 W/m2 χρησιμοποιείται πλέον διεθνώς, ως πρότυπη τιμή της ηλιακής σταθεράς για τη γη. Η μετρούμενη τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ γης και ήλιου, η οποία αλλάζει κατά τη διάρκεια του έτους. 1.3 ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Η φασματική κατανομή της εκτός γήινης ατμόσφαιρας ηλιακής ακτινοβολίας μοιάζει αρκετά με εκείνη του μέλανος σώματος στην θερμοκρασία των 5762 K. Σχήμα 1.2: Το ηλιακό φάσμα Το φάσμα του ηλιακού φωτός στα όρια της ατμόσφαιρας χαρακτηρίζεται με τη συντετμημένη έκφραση ΑΜ0 (Air Mass 0). Εκτός από το φάσμα AM0 υπάρχουν και τα AM1, AM1.5 AM2, τα οποία αφορούν στο ηλιακό φως, ο αριθμός που ακολουθεί τα αρκτικόλεξα AM δηλώνει πόσες φορές χωράει το πάχος της γήινης ατμόσφαιρας, στο μήκος που διανύει το φως μέσα στην ατμόσφαιρα, τη δεδομένη χρονική στιγμή. Δηλαδή, εκφράζει την απόσταση που διανύει η απευθείας ηλιακή ακτινοβολία, με μονάδα μήκους το πάχος της γήινης ατμόσφαιρας. Θεωρώντας ότι το ηλιακό φως διαγράφει ευθύγραμμη τροχιά μέσα στην ατμόσφαιρα στις τρεις προηγούμενες περιπτώσεις, οι ακτίνες σχηματίζουν γωνίες 0, 48, 60, αντίστοιχα, με την κατακόρυφη του τόπου. Σχήμα 1.3: Σχηματική παράσταση του ΑΜ Η πυκνότητα ισχύος της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, κάθετα στην επιφάνεια συλλογής, που αντιστοιχεί σε AM1 (Air Mass 1), έχει τυπική τιμή 950 W/m2. Η AM1 μπορεί να μετρηθεί σε τόπους με γεωγραφικό πλάτος μεταξύ των τιμών και 23.5, διότι μόνο 7

11 σ'αυτούς, οι ηλιακές ακτίνες μπορούν να διαπεράσουν κάθετα την ατμόσφαιρα, δύο φορές μέσα στο έτος. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση που διανύει η ηλιακή ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρα, τόσο μικρότερο είναι το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης. Για τον λόγο αυτό η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι πολύ μεγαλύτερη κατά την θερινή περίοδο σε σχέση με τη χειμερινή. Γενικά, όσο πιο κάθετα προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία πάνω σε μια επιφάνεια στην Γη τόσο μεγαλύτερη είναι η έντασή της. Η Ελλάδα παρουσιάζει ένα ιδιαίτερα υψηλό ηλιακό δυναμικό, περίπου 1,400-1,800kWh/m2 ετησίως σε οριζόντιο επίπεδο, ανάλογα το γεωγραφικό πλάτος και το ανάγλυφο της περιοχής. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι μια μορφή ενέργειας με σχεδόν σταθερή και προβλέψιμη ένταση στην διάρκεια του χρόνου και της ημέρας. Η ηλιακή ακτινοβολία παρουσιάζει την μέγιστη ένταση της κατά την διάρκεια του μεσημεριού (μέγιστο ηλιακό ύψος), τόσο κατά τη θερινή όσο και κατά τη χειμερινή περίοδο. Η ηλιακή ενέργεια είναι μεγαλύτερη κατά τη θερινή περίοδο, λόγω την θέσης του ήλιου, αλλά και λόγω της αύξησης των ωρών ηλιοφάνειας (μείωση των νεφώσεων). Σχήμα1.4: Χάρτης απεικόνισης του ετήσιου συνολικού δυναμικού ηλιακής ακτινοβολίας. Καθώς το ύψος (EL, Elevation) του ήλιου, δηλαδή, η γωνία των ακτίνων του, σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο του τόπου, αλλάζει, οι ακτίνες του διανύουν διαφορετικό μήκος μέσα στην ατμόσφαιρα. Ο λόγος m=l/h του μήκους της διαδρομής των ηλιακών ακτίνων μέσα στην ατμόσφαιρα σε σχέση με το πάχος της ατμόσφαιρας, προσδιορίζει τον αριθμό, που τίθεται μετά τα ακρωνύμια AM. Με καλή, σχετικά, προσέγγιση για μικρές ζενίθιες γωνίες (z < 60 ), μπορούμε να υπολογίσουμε το λόγο m από τη σχέση : 8

12 Καθορίζει ουσιαστικά την ελάττωση της έντασης του φωτός, που προκαλείται από το μεγαλύτερο δρόμο που διανύουν σ' αυτήν την περίπτωση, οι ακτίνες του ήλιου μέσα στην ατμόσφαιρα. Όπως είναι φανερό, ο λόγος m, εξαρτάται από τη ζενίθια γωνία z, μεταξύ των ηλιακών ακτίνων και της διεύθυνσης του ζενίθ του τόπου. Σχήμα 1.5: Το μήκος L που διανύουν οι ηλιακές ακτίνες μέσα στην ατμόσφαιρα πάχους H και η ζενίθια γωνία z. 1.4 ΤΟ ΦΑΙΝOΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Το μεγαλύτερο ποσοστό, περίπου 70%, της ηλιακής ΗΜ ακτινοβολίας που φτάνει στα όρια της ατμόσφαιρας, τη διαπερνά, άμεσα ή με σκέδαση και φτάνει στην επιφάνεια της γης, ενώ το υπόλοιπο σκεδάζεται προς το διάστημα. Στην επιφάνεια της γης, ένα μέρος της συνολικής ακτινοβολίας, απορροφάται από τη γη και ό,τι την καλύπτει. Ένα άλλο, ανακλάται διάχυτα και ξαναπερνά την ατμόσφαιρα προς το διάστημα, υφηστάμενο απορροφήσεις και σκεδάσεις αντίστοιχες της εισόδου του. Η απορροφόμενη από τη γη ενέργεια συμβάλλει στη θέρμανσή της. Ταυτόχρονα, η γη, ως σώμα μέσης επιφανειακής θερμοκρασίας περίπου 15 C εκπέμπει από όλη την επιφάνειά της προς την ατμόσφαιρα, ακτινοβολία αντίστοιχη της θερμοκρασίας της. Μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας αυτής περνά με σχετικά μικρή απορρόφηση προς το σύμπαν, ενώ το υπόλοιπο απορροφάται από τα αέρια της ατμόσφαιρας, κυρίως από το CO2, τους υδρατμούς και το όζον. Το όζον ελαττώνει ισχυρά την πυκνότητα ισχύος της διερχόμενης ακτινοβολίας στην περιοχή των μηκών κύματος 0,3-0,4μm. Η ύπαρξη της ατμόσφαιρας και συγκεκριμένα των αερίων CO2, H2O, CH4, N2O, O3 κ.α., με τη χαρακτηριστική τους δράση στα μεγάλα μήκη κύματος, συντελούν στην αποκατάσταση μιας μέσης επιφανειακής θερμοκρασίας 15 C. Το αποτέλεσμα αυτό αποτελεί το κανονικό φαινόμενο του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα. 1.5 ΟΛΙΚH, ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΧΥΤΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Κατά τη διέλευση των ηλιακών ακτίνων από τη γήινη ατμόσφαιρα, η έντασή τους ελαττώνεται. Τα φωτόνια σκεδάζονται αφενός στα μόρια της ατμόσφαιρας και στα πολύ μικρά σωματίδια, αφετέρου, στα αιωρήματα της ατμόσφαιρας, δηλαδή στους υδρατμούς, τη σκόνη και τον καπνό. Ένα άλλο μέρος της ακτινοβολίας απορροφάται από ορισμένα συστατικά της π.χ. η υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από τα μόρια του όζοντος, έτσι ώστε η έντασή τους να είναι εξαιρετικά μειωμένη και η καρκινογόνος δράση αρκετά περιορισμένη. Ομοίως απορροφούν οι υδρατμοί, το CO2, τα οξείδια του αζώτου κ.α., σε άλλες περιοχές του φάσματος. Τέλος, μέρος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας φτάνει στην επιφάνεια της γης. 9

13 Συνεπώς, σε κάθε τόπο της επιφάνειας της γης, φτάνουν δυο συνιστώσες του ηλιακού φωτός, η απευθείας ή άμεση Β (Beam) και η σκεδαζόμενη η οποία ονομάζεται διάχυτη D (Diffuse). Σχήμα 1.6: Ηλιακή ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρά. Γενικά, η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ένα συλλέκτη ή ένα αισθητήρα, αποτελείται από την απευθείας, τη διάχυτη και τη διάχυτα ανακλώμενη από το έδαφος. Η συνολική αυτή ακτινοβολία αναφέρεται ως ολική ακτινοβολία σε κεκλιμένο ή οριζόντιο συλλέκτη και συμβολίζεται με G (Global Irradiation). Η διάχυτα ανακλώμενη εξαρτάται από τη μορφολογία και το χρώμα του εδάφους ή της επικάλυψής του (γρασίδι ή χιόνι) και την πυκνότητα των νεφών, ενώ η ολική, εξαρτάται σε γενικές γραμμές από τα παρακάτω: 1. τη σύσταση της ατμόσφαιρας, τη δεδομένη χρονική στιγμή (υγρασία, αιωρήματα κτλ.) 2. την ημέρα κατά τη διάρκεια του έτους 3. τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στη συλλεκτική επιφάνεια (ύψος του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας). Μεταξύ της ολικής οριζόντιας ακτινοβολίας, G, της κάθετης απευθείας ακτινοβολίας, Βn, και της διάχυτης, D, ισχύει η επόμενη σχέση: G = B + D =συνz + D Όπου z, η ζενιθία γωνία του ήλιου (z= 90- EL, EL το ύψος του ήλιου). Κατά την ανατολή του ήλιου η ζενιθία γωνία είναι 90, άρα η ολική οριζόντια πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας G, καθορίζεται κυρίως από τη διάχυτη συνιστώσα D. Καθώς το ύψος του ήλιου αυξάνει, μέσα σε μια αίθρια μέρα, η απευθείας κάθετη ακτινοβολία, αυξάνει μέχρι το ηλιακό μεσημέρι, μετά το οποίο ελαττώνεται, κατά συμμετρικό τρόπο. 10

14 Σχήμα 1.7: Μεταβολή της πυκνότητας ισχύος ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στην ημέρα και συγκεκριμένες μέρες το χρόνο. Με βάση τις ωριαίες τιμές των συνιστωσών G, B, D προκύπτουν οι ημερήσιες μέσες τιμές, οι μηνιαίες μέσες τιμές καθώς και ετήσιες μέσες τιμές των μεγεθών αυτών. Προκειμένου τα αποτελέσματα αυτά να αξιοποιηθούν σε ενεργειακούς υπολογισμούς, συλλέγονται επί σειρά ετών (π.χ. 30 ετών), η επεξεργασία των οποίων δίνει το Τυπικό Μετεωρολογικό Έτος για τον αντίστοιχο τόπο. Όσον αφορά στο μέγεθος της διάχυτα ανακλώμενης ακτινοβολίας, που προσπίπτει στην επιφάνεια ενός συλλέκτη ή αισθητήρα, αυτό καθορίζεται από τη φύση της επιφάνειας που ανακλά διάχυτα. Το φως ανακλάται στα σύννεφα, στο γυμνό έδαφος, στα φυτά, στο χιόνι, στο νερό, στις κατασκευές του ανθρώπου κτλ. Η διάχυτη ανακλαστικότητα, δηλαδή, το ποσοστό της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας από την επιφάνεια της γης και ό,τι την καλύπτει, αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως albedo. Τιμές του albedo αναφέρονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 1.1: Συντελεστής ανάκλασης για διάφορα είδη επιφανειών. 1.6 Η ΚΙΝΗΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΤΟΝ ΗΛΙΟ Η κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο ακολουθεί δυο συνιστώσες: Περιφορά γύρω από τον ήλιο, σε ελλειπτική τροχιά, με τον ήλιο στη μια των δυο εστιών. Περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της. 11

15 Σχήμα 1.8: Η κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο. Στο παραπάνω σχήμα δείχνεται η συνθετική κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο. Κατά την περιφορά της διαγράφει ελλειπτική τροχιά που λέγεται εκλειπτική. Επίσης, παρατηρούμε την περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της, σε 4 χαρακτηριστικές θέσεις κατά τη διάρκεια του έτους. Το επίπεδο του ισημερινού της, που είναι κάθετο στον άξονά της, σχηματίζει με το επίπεδο της εκλειπτικής τροχιάς γωνία ίση με 23,45. Έτσι, καθώς η γη αλλάζει θέση στην ετήσια τροχιά της περί τον ήλιο, αλλάζει το ύψος μεσουράνησης του ήλιου σε κάθε τόπο στην επιφάνεια της γης. Για τόπο στο βόρειο ημισφαίριο, η θέση μεσουράνησης παίρνει τη μικρότερη τιμή της το χειμώνα (22 Δεκεμβρίου) και τη μέγιστη το καλοκαίρι (21 Ιουνίου). Το αντίθετο ισχύει για τόπους του νοτίου ημισφαιρίου. Η μεσουράνηση του ήλιου σε τόπους που βρίσκονται στον ίδιο μεσημβρινό συμβαίνει την ίδια στιγμή, ο ήλιος όμως βρίσκεται σε διαφορετικό ύψος σε διάφορους αυτούς τόπους. Το μέγιστο ύψος του ήλιου, που συμβαίνει κατά τη μεσουράνησή του, για τόπους ενός μεσημβρινού στο βόρειο ημισφαίριο, ελαττώνεται όσο αυξάνεται το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. 1.7 ΗΛΙΑΚΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ Προκειμένου να υπολογιστεί η ηλιακή ακτινοβολία που δέχεται ένα επίπεδο στη επιφάνεια της γης, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε εκτός των άλλων και τη θέση του ήλιου στον ουράνιο θόλο ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΟ ΠΛΑΤΟΣ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΟ ΜΗΚΟΣ Οι κύκλοι που είναι παράλληλοι στον ισημερινό ονομάζονται παράλληλοι κύκλοι (Σχήμα 1.9). Τα ημικύκλια που διέρχονται από τους πόλους ονομάζονται μεσημβρινοί. Από κάθε σημείο της επιφάνειας της γης περνάει ένας παράλληλος κύκλος και ένας μεσημβρινός. Βασικός μεσημβρινός θεωρείται αυτός που περνάει από το αστεροσκοπείο του Greenwich(G). Προκειμένου να καθορισθεί η θέση ενός τόπου (Τ) στην επιφάνεια της γης απαιτείται να ορισθεί το γεωγραφικό πλάτος και το γεωγραφικό μήκος. Γεωγραφικό πλάτος (φ) ενός τόπου είναι η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της ευθείας που ενώνει το κέντρο της γης με τον τόπο και του ισημερινού επιπέδου. Το γεωγραφικό πλάτος παίρνει τιμές από 0 μέχρι 90 για το βόρειο ημισφαίριο και από 0 μέχρι -90 για το νότο ημισφαίριο. Γεωγραφικό μήκος (L) ενός τόπου είναι η γωνία που σχηματίζεται από το μεσημβρινό του Greenwich και το μεσημβρινό επίπεδο του τόπου. Το γεωγραφικό μήκος παίρνει τιμές από 0 12

16 μέχρι -180 για τόπους ανατολικά του Greenwich και από 0 μέχρι 180 για τόπους δυτικά του Greenwich. Σχήμα 1.9: Γεωγραφικό πλάτος και γεωγραφικό μήκος ΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ Για τον καθαρισμό της ακριβής θέσης ενός άστρου όπως είναι ο ήλιος στον ουράνιο θόλο, χρησιμοποιούνται σφαιρικές συντεταγμένες. Το ύψος του ήλιου, EL (Elevation) : Είναι η γωνία μεταξύ της ευθείας από τον παρατηρητή ή τον τόπο, προς τον ήλιο, με οριζόντιο επίπεδο. Ισούται με τη συμπληρωματική γωνία της ζενίθιας απόστασης του ήλιου, z,δηλαδή, της γωνίας μεταξύ της ευθείας παρατηρητή-ήλιου και της κατακόρυφης του τόπου (EL=90 -z). Σχήμα 1.10: Ύψος, ζενίθ και το αζιμούθιο του ήλιου Το αζιμούθιο ή αζιμουθιακή γωνία : Συμβολίζεται συνήθως με Α και μετριέται κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού (clockwise), με αναφορά στην κατεύθυνση του βορρά, από Στα φωτοβολταϊκά συστήματα, συνηθίζεται η αναφορά του αζιμούθιου ως προς την κατεύθυνση του νότου, ανατολικά από και δυτικά από Ωριαία γωνία του ήλιου : Ορίζεται ως ωριαία γωνία (ω) του ήλιου η γωνιακή απόσταση του ηλίου από την ηλιακή μεσημβρία λόγω περιστροφής της γης περί τον άξονά της. Στην 13

17 ηλιακή μεσημβρία ω=0 ενώ κάθε ώρα η ω μεταβάλλεται κατά 15.Τις πρωινές ώρες η ω είναι θετική (+) και κατά τις απογευματινές γίνεται αρνητική (-). ω = ±0,25*(min από το ηλιακό μεσημέρι) Απόκλιση του ήλιου δ, (Declination) : Κατά τη διάρκεια ενός έτους, η θέση του ήλιου παίρνει πολύ διαφορετικές τιμές σαν αποτέλεσμα της μεταβολής της απόκλισης (δ), δηλαδή της γωνίας που σχηματίζεται ανάμεσα στη ευθεία που ενώνει το κέντρο της γης με το κέντρο του ήλιου, και στο επίπεδο του ισημερινού. Οι τιμές της απόκλισης του ήλιου είναι θετικές για το βόρειο ημισφαίριο και αρνητικές για το νότιο. Οι ακραίες της τιμές είναι στις 21 Ιουνίου ( θερινό ηλιοστάσιο για το βόρειο ημισφαίριο) και -23,45 στις 21 Δεκεμβρίου (χειμερινό ηλιοστάσιο). Άμεση συνέπεια των διαφορετικών τιμών της απόκλισής του ήλιου κατά τη διάρκεια του έτους είναι οι κυκλικές τροχιές που διαγράφονται βορειότερα στο ουρανό το καλοκαίρι, με νωρίτερη ανατολή και αργότερη δύση στο βόρειο ημισφαίριο, ενώ το χειμώνα συμβαίνει το αντίθετο. Παράλληλα διαμορφώνονται οι αντίστοιχες μετεωρολογικές και κλιματολογικές συνθήκες που επικρατούν σε διάφορες εποχές του έτους. Ιδιαίτερα χρήσιμα μεγέθη για τη γενική εκτίμηση της καθημερινής και της εποχιακής διακύμανσης της ακτινοβολίας σε ένα τόπο, είναι η θεωρητική ηλιοφάνεια, δηλαδή το χρονικό διάστημα από την ανατολή μέχρι τη δύση του ήλιου, καθώς και η μέση πραγματική ηλιοφάνεια που δείχνει το μέσο όρο των ωρών που ο ήλιος δεν καλύπτεται από σύννεφα. Επίσης, ο αριθμός των ημερών με ηλιοφάνεια, στη διάρκεια των οποίων ο ήλιος δεν καλύπτεται από σύννεφα, καθώς και των ανήλιων ημερών, που ο ήλιος καλύπτεται από σύννεφα σε ολόκληρο το διάστημα της ημέρας. Σχήμα 1.11: Η απόκλιση του ήλιου Η απόκλιση του ήλιου δίνεται από την εξίσωση: όπου n, ημέρα του έτους ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία κάθε συστήματος που εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια είναι ο προσανατολισμός του ηλιακού συλλέκτη σε σχέση με την κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας. Όπως η θέση του ήλιου στον ουρανό, έτσι και ο προσανατολισμός ενός 14

18 επίπεδου στην επιφάνεια της γης περιγράφεται από δύο γωνίες: την κλίση και την αζιμουθιακή γωνία. Η κλίση του συλλέκτη (β) είναι η δίεδρη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του συλλέκτη και στον ορίζοντα και μπορεί να πάρει τιμές από 0 μέχρι 180. Για γωνίες β>90 το επίπεδο του συλλέκτη είναι στραμμένο προς τα κάτω. Σχήμα 1.12: Η κλίση του συλλέκτη (β), το αζιμούθιο του συλλέκτη (γ) και η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στο συλλέκτη (θ). Η αζιμουθιακή γωνία του συλλέκτη (γ) είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κατακόρυφου του συλλέκτη και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου. Παίρνει τιμές από -180 μέχρι Η γωνία -180 (που συμπίπτει με την +180 ) αντιστοιχεί σε τοποθέτηση του συλλέκτη προς το βορρά, η γωνία -90 προς την ανατολή, η γωνία 0 προς το νότο και η γωνία +90 προς τη δύση. Προφανώς, η πυκνότερη ισχύς μιας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας, πάνω σε ένα επίπεδο συλλέκτη θα πραγματοποιείται όταν η επιφάνεια του είναι κάθετη προς τη κατεύθυνση της ακτινοβολίας, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσης (θ) είναι 0. Η συνθήκη όμως αυτή δεν είναι εύκολο να εξασφαλιστεί καθώς ο ήλιος συνεχώς μετακινείται στον ουρανό κατά τη διάρκεια της ημέρας. Έχουν κατασκευαστεί μηχανικές διατάξεις που επαναπροσανατολίζουν συνεχώς τον συλλέκτη (π.χ. με τη βοήθεια υπολογιστή ή φωτοκύτταρων) ώστε η επιφάνεια του να αντικρίζει πάντα κάθετα τον ήλιο. Οι διατάξεις όμως αυτές είναι πολύπλοκες και δαπανηρές. Έτσι, η χρήση τους δικαιολογείται μόνον σε περιπτώσεις εφαρμογών, όπως στα συστήματα συγκεντρωμένης ακτινοβολίας με φακούς ή κάτοπτρα. Στις συνηθισμένες περιπτώσεις οι συλλέκτες τοποθετούνται σε σταθερή κλίση και αζιμουθιακή γωνία, που επιλέγονται ώστε η γωνία της πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας να είναι όσο το δυνατό μικρότερη, κατά τη διάρκεια του έτους. Οι επίπεδοι συλλέκτες χρησιμοποιούν την άμεση και τη διάχυτη ακτινοβολία και συνήθως τοποθετούνται υπό σταθερή κλίση και προσανατολισμό κατά τη διάρκεια του έτους. Η επιλογή του ευνοϊκού προσανατολισμού και της κλίσης του συλλέκτη είναι το σημαντικότερο μέτρο για τη βελτίωση του ηλιακού κέρδους. Γενικά η μεγαλύτερη ποσότητα της ηλιακής ενέργειας, λαμβάνεται σε μία Νότια προσανατολισμένη κλίση. Εάν ή επιφάνεια του συλλέκτη δεν αντικρίζει ακριβώς το νότο, το ποσό της ωφέλιμης ενέργειας, μειώνεται ελαφρά σε μία γωνία 30ο ανατολικά, δυτικά ή νότια. 15

19 1.8 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΕ ΚΕΚΛΙΜΕΝΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε κεκλιμένες επιφάνειες με σταθερό ή τυχαίο προσανατολισμό υπολογίζεται με θεωρητικά και εμπειρικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί και βασίζονται κυρίως σε μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας στο οριζόντιο επίπεδο της υπό μελέτη περιοχής. Στα μοντέλα αυτά συνυπολογίζονται και γεωμετρικοί παράγοντες που σχετίζονται με την τροχιά του ήλιου, την περιοχή και την εποχή του χρόνου. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε μια επιφάνεια είναι συνάρτηση της κλίσης της επιφάνειας, του προσανατολισμού της και της περιοχής εγκατάστασης (γεωγραφικό πλάτος και μήκος). Σημαντική επίσης παράμετρος είναι η καθαρότητα του ορίζοντα και τα τυχόν φυσικά ή τεχνητά εμπόδια που υπάρχουν γύρω από την επιφάνεια πρόσπτωσης ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΜΕ ΝΟΤΙΟ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟ Η μέση ολική μηνιαία ΗT ηλιακή ακτινοβολία (kwh/m2) σε κεκλιμένο επίπεδο με νότιο υπολογισμό, υπολογίζεται βάση του ισοτροπικού μοντέλου των Liu, Jordan& Klein, από την ακόλουθη σχέση: σχέση (1) όπου, ρ, είναι η ανακλαστικότητα του εδάφους και θεωρήθηκε ίση με 0,15 β, είναι η κλίσης της επιφάνειας, ΗT, είναι η μέση μηνιαία ολική ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο για την υπό μελέτη περιοχή, Ηd, είναι η μέση μηνιαία διάχυτη ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο για την υπό μελέτη περιοχή. Rb, είναι μέσος μηνιαίος γεωμετρικός παράγοντας για νότιο προσανατολισμό (αζιμούθιο γ=0). Η μέση μηνιαία διάχυτη ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο, υπολογίζεται από την σχέση των Collares-Pereira & Rabl η οποία αναφέρεται στον λόγο της διάχυτης προς την ολική μηνιαία ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο. Ο λόγος αυτός περιγράφεται από την παρακάτω σχέση. Στον πίνακα 1.2 δίνονται τιμές της μέση μηνιαίας διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας όπως υπολογίστηκαν από την σχέση 2 και βάσει των τιμών της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας όπως αναφέρονται στον πίνακα 4.1. σχέση (2) όπου, ωss, η ωριαία γωνία δύσης για τη μέση αντιπροσωπευτική ημέρα του μήνα στην υπό μελέτη περιοχή, και kt ο μέσος μηνιαίος συντελεστής αιθριότητας της περιοχής και υπολογίζεται από την εξίσωση 3, όπου Ηo είναι η μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία (kwh/m2) σε οριζόντιο επίπεδο στο όριο της ατμόσφαιρας. Στον πίνακα 1.3 δίνονται οι τιμές του μέσου μηνιαίου συντελεστής αιθριότητας. σχέση (3) 16

20 Πίνακας 1.2: Μέση μηνιαία διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο (kwh/m2). 17

21 Πίνακας 1.3. Μέσος μηνιαίος συντελεστής αιθριότητας kt. 18

22 Ο μέσος μηνιαίος γεωμετρικός παράγοντας Rb, που είναι ο λόγος της άμεσης ακτινοβολίας στο κεκλιμένο επίπεδο προς την άμεση ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο, υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: σχέση (4) όπου, ωss, είναι η ωριαία γωνία δύσης της κεκλιμένης επιφάνειας για τη μέση αντιπροσωπευτική ημέρα του μήνα στην υπό μελέτη περιοχή και υπολογίζεται από την σχέση: όπου φ, είναι το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής, δ, είναι η ηλιακή απόκλιση την μέση αντιπροσωπευτική μέρα του μήνα και β, είναι η κλίση της επιφάνειας Με την εφαρμογή των πιο πάνω σχέσεων υπολογίζεται η μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία σε κεκλιμένο επίπεδο με νότιο προσανατολισμό, για διάφορες κλίσεις β επιφανειών. Οι τιμές αυτές αναφέρονται σε καθαρό ορίζοντα χωρίς εμπόδια. Σε περίπτωση που στο νότο υπάρχουν φυσικά ή τεχνητά εμπόδια η προσπίπτουσα ακτινοβολία μειώνεται ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΜΕ ΤΥΧΑΙΟ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟ Για κεκλιμένες επιφάνειες με τυχαίο προσανατολισμό (αζιμούθιο γ 0), η προσπίπτουσα μέση μηνιαία ολική ηλιακή ακτινοβολία (kwh/m2) υπολογίζεται με την εξίσωση 4 του Klein, όπου ο μέσος μηνιαίος γεωμετρικός παράγοντας Rb, είναι ο λόγος της άμεσης ακτινοβολίας στο κεκλιμένο επίπεδο με τυχαίο προσανατολισμό προς την άμεση ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση. σχέση (5) όπου, ωsr, είναι η ωριαία γωνία ανατολής του ήλιου επί της κεκλιμένης επιφάνειας με τυχαίο προσανατολισμό και ωss, είναι η ωριαία γωνία δύσης του ήλιου και υπολογίζονται από τις ακόλουθες σχέσεις, οι οποίες ισχύουν για αζιμούθιο -90ο γ 90ο. για επιφάνειες με δυτικό προσανατολισμό: αζιμούθιο από 0 μέχρι και 90. Για γ> 90 οι σχέσεις δεν δίνουν σωστά αποτελέσματα. 19

23 για επιφάνειες με ανατολικό προσανατολισμό: αζιμούθιο από 0 μέχρι και -90. Για γ< -90 οι σχέσεις δεν δίνουν σωστά αποτελέσματα. όπου και Για κεκλιμένες επιφάνειες με τυχαίο προσανατολισμό η προσπίπτουσα μέση μηνιαία ολική ηλιακή ακτινοβολία (kwh/(m2.mo)) μπορεί να υπολογισθεί από τις ωριαίες τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας βάσει της μεθοδολογία η οποία εξηγείται στην ακόλουθη παράγραφο ΩΡΙΑΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Για την εκτίμηση της μέσης ωριαίας ενέργειας ή της ισχύος που αποδίδει ένα ηλιακό σύστημα (π.χ. ΦΒ), είναι απαραίτητος ο υπολογισμός της μέσης ημερήσιας διακύμανσης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια μιας τυπικής ημέρας του κάθε μήνα. Η διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια μιας τυπικής ημέρας του μήνα μπορεί να υπολογιστεί από τα αντίστοιχα εμπειρικά μοντέλα υπολογισμών των Collares, Pereira & Rabl, αλλά και το ισοτροπικό μοντέλο. Τα μοντέλα αυτά υπολογίζουν της ωριαίες τιμές της ολικής, άμεσης και διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο και σε κεκλιμένο επίπεδο. Η ολική ωριαία ηλιακή ακτινοβολία ΙT (kwh/(m2*hr)) στο οριζόντιο επίπεδο υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση όταν είναι γνωστή η μέση ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο ΗT (kwh/(m2*day)). όπου, ω είναι η ωριαία γωνία για δεδομένη ώρα της ημέρας: ω = (H.X 12)*15o a και b γεωμετρικοί παράμετροι που υπολογίζονται βάσει της ωριαίας γωνίας δύσης στην υπό μελέτη περιοχή a = sin(ωss 60) b = sin(ωss 60) Αντίστοιχα, η μέση διάχυτη ωριαία ηλιακή ακτινοβολία Ιd (kwh/m2*hour) που προσπίπτει σε οριζόντιο επίπεδο υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση των Liu & Jordan όταν είναι γνωστή η μέση ημερήσια διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο Ηd kwh/m2.day. Η μέση ωριαία ηλιακή ενέργεια Iβ που προσπίπτει σε κεκλιμένο επίπεδο με κλίση και τυχαίο προσανατολισμό υπολογίζεται από την εξίσωση: όπου, 20

24 Rb είναι ο γεωμετρικός παράγοντας που εκφράζει τον λόγο της άμεσης ωριαίας ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο προς αυτή στον οριζόντιο επίπεδο και δίνεται από την εξίσωση: όπου, γ, η αζιμουθιακή γωνία της επιφάνειας και ισούται με (γ=0 ) για νότιο προσανατολισμό της επιφάνειας, (γ=90 ) για δυτικό και (γ=-90 ) για ανατολικό, ω, η ωριαία γωνία για δεδομένη ώρα της ημέρας, δ, η ηλιακή απόκλιση: φ, το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής., με το D αριθμός της ημέρας. Με βάση την πιο πάνω σχέση για την ωριαία ηλιακή ενέργεια Ι β (kwh/m2) σε κεκλιμένη επιφάνεια, εύκολα υπολογίζεται η διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (kw/m2) στην διάρκεια της εκάστοτε τυπικής ημέρας του κάθε μήνα. Οι μέγιστες και ελάχιστες τιμές της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην διάρκεια της ημέρας εξαρτώνται από τις κλιματικές συνθήκες και κυρίως την νέφωση. 1.9 ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΚΛΙΣΗ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Τα συστήματα αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας (ηλιακός συλλέκτης ή φωτοβολταϊκά) μπορεί να είναι τοποθετημένα πάνω σε σταθερή βάση ή σε περιστρεφόμενη βάση. Αναλόγως με το είδος του συστήματος, το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που αξιοποιείται, είναι διαφορετικό. Για σταθερή βάση με δυνατότητα ή μη ρύθμισης της γωνίας κλίσης (β) ως προς το οριζόντιο επίπεδο, ο υπολογισμός της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται από τις εξισώσεις 4.1 (για ημερήσιες ή μηνιαίες τιμές) ή 4.8 (για ωριαίες τιμές). Η βέλτιστη ετήσια σταθερή γωνία κλίσης ενός ηλιακού συστήματος, εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής, την περίοδο ηλιοφάνειας, τη μορφολογία της περιοχής εγκατάστασης και τα φυσικά εμπόδια (ορεινοί όγκοι, δένδρα, κτιριακές εγκαταστάσεις, κ.α.). Τα φυσικά ή τεχνητά εμπόδια μπορεί να περιορίζουν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ανάλογα με τη γεωμετρική θέση που έχουν ως προς τα ηλιακά συστήματα. Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε μια επιφάνεια με σταθερή βάση, μπορεί να αυξηθεί (4 6%) με την μηνιαία μεταβολή της κλίση (β) ανά μήνα ή ανά εποχή. Στο πίνακα 1.4, δίνονται τιμές της προσπίπτουσας μηνιαίας ολικής ηλιακής ενέργειας (kwh/(m2.mo)) σε κεκλιμένες επιφάνειας για τις βέλτιστες κλίσεις εγκατάστασης ηλιακού συστήματος (β), για εννέα περιοχές της Ελλάδας. Οι τιμές της βέλτιστης κλίσης δίνονται σε ετήσια (Ε) βάση, σε χειμερινή (Χ) βάση και θερινή (Θ) βάση. Οι τιμές βέλτιστης κλίσης (β) είναι σχεδόν ίδιες για περιοχές με ίδιο γεωγραφικό πλάτος. Στην Ελλάδα, η μεταβολή της κλίση ενός ηλιακού συστήματος σε εποχική βάση, αυξάνει την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία κατά περίπου 5% ως προς την προσπίπτουσα σε σύστημα σταθερής ετήσιας κλίσης, ενώ η μεταβολή της κλίσης σε μηνιαία βάση ισούται με 6%. Συστήματα περιστρεφόμενων βάσεων υπάρχουν ενός ή δύο αξόνων. Οι βάσεις με έναν άξονα περιστροφής διατηρούν την συλλεκτική επιφάνεια ενός ηλιακού συστήματος σε σταθερή κλίση αλλά με προσανατολισμό ίσο με το ηλιακό αζιμούθιο γs. Οι βάσεις με δύο άξονες περιστροφής μετακινούν την συλλεκτική επιφάνεια του συστήματος σε κλίση (β) ίση 21

25 με το ηλιακό ύψος (α) και με προσανατολισμό (γ) ίσο με το ηλιακό αζιμούθιο γs, δηλαδή έτσι ώστε να ακολουθεί την κίνηση του ηλίου. Στην Ελλάδα, συστήματα περιστρεφόμενων βάσεων ενός άξονα αυξάνουν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε ποσοστό περίπου 23 25% ως προς την προσπίπτουσα σε σύστημα σταθερής ετήσιας κλίσης, ενώ στην περίπτωση περιστρεφόμενων βάσεων δύο αξόνων η αύξηση ανέρχεται περίπου στο 28 30%. Πίνακας 1.4. Μηνιαία Ηλιακή Ενέργεια για τις βέλτιστες γωνίες κλίσης β των Φ/Β (kwh/m2.mo), και βέλτιστη κλίση σε ετήσια (Ε) βάση, χειμερινή (Χ) και θερινή (Θ) περίοδο, για διάφορες περιοχές της Ελλάδας. 22

26 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ 2.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΖΩΝΕΣ Σε ένα μεμονωμένο άτομο, τα ηλεκτρόνια βρίσκονται γύρω από τον πυρήνα και οι ενέργειές τους είναι κβαντισμένες, μπορεί δηλαδή να έχουν μόνο μια συγκεκριμένη διακριτή τιμή Εn (n=1,2,3.). Απόσταση μεταξύ των ατόμων κρυσταλλικό πλέγμα μεμονωμένα άτομα (ενεργειακές ζώνες) (ενεργειακές στάθμες) Σχήμα 2.1 : Σχηματική παράσταση της μετατροπής των ενεργειακών σταθμών σε ζώνες κατά το σχηματισμό κρυσταλλικού στερεού. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται το γραμμικό ενεργειακό φάσμα ενός τυπικού μεμονωμένου ατόμου αποτελούμενο από δυο καταστάσεις: την θεμελιώδη κατάσταση, όπου τα ηλεκτρόνια συγκρατούνται από τον πυρήνα με δυνάμεις Coulomb και την ελεύθερη κατάσταση όπου τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα. Οι δυο αυτές περιοχές διαχωρίζονται από μια κατάσταση μηδενικής ενέργειας Evacuum. Στη θεμελιώδη κατάσταση η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι αρνητική σε σχέση με τη στάθμη κενού. Οι επιτρεπόμενες ενεργειακές στάθμες είναι διακριτές, χωρίζονται μεταξύ τους από απαγορευμένες περιοχές και περιλαμβάνουν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονικών καταστάσεων. Θεωρούμε τώρα την περίπτωση κατά την οποία Ν άτομα συνδέονται μεταξύ τους για το σχηματισμό ενός κρυσταλλικού στερεού. Καθώς οι αποστάσεις μεταξύ τους μικραίνουν, οι τροχιές των ηλεκτρονίων σθένους υπερκαλύπτονται και τα ηλεκτρόνια βλέπουν τους πυρήνες των γειτονικών ατόμων. Όμως η απαγορευτική αρχή του Pauli (που ορίζει ότι δυο ηλεκτρόνια ενός ατόμου δεν μπορεί να υπάρχουν στην ίδια κατάσταση) υπαγορεύει το διαχωρισμό του ενεργειακού διαγράμματος σε Ν το πλήθος πολύ κοντά διατεταγμένες στάθμες. Καθώς η απόσταση μεταξύ των ατόμων ελαττώνεται, άλλες εσωτερικές τροχιές αρχίζουν να υπερκαλύπτονται και οι ενεργειακές τους στάθμες χωρίζονται επίσης σε Ν πολύ κοντά 23

27 ταξινομημένες στάθμες. Κάθε ομάδα χωριστών ενεργειακών σταθμών ονομάζεται ενεργειακή ζώνη ή ταινία. Οι ζώνες διαχωρίζονται μεταξύ τους από ενεργειακά χάσματα E g, δηλαδή απαγορευμένες τιμές ενέργειες στις οποίες δεν μπορούν να υπάρξουν ελεύθεροι φορείς. Σε μια συγκεκριμένη κατάσταση του στερεού, οι ενεργειακές ζώνες μπορεί να είναι: α) πλήρως κατειλημμένες από ηλεκτρόνια β) μερικά κατειλημμένες και γ) άδειες. Σε συνθήκες Τ=0 K, η ζώνη που είναι πλήρης καλείται ζώνη σθένους (ΖΣ) και τα ηλεκτρόνια δεν συμμετέχουν στην αγωγιμότητα του στερεού, αφού δεν υπάρχουν διαθέσιμες ενεργειακές καταστάσεις, που μπορούν να τις καταλάβουν υπό την επίδραση εξωτερικού πεδίου. Η αμέσως επόμενη ζώνη που είναι κενή ή μερικώς πληρωμένη, είναι γνωστή ως ζώνη αγωγιμότητας (ΖΑ). Ένα απλοποιημένο ενεργειακό διάγραμμα ημιαγωγού φαίνεται στο σχήμα 2.2, όπου διακρίνεται η σχεδόν κενή ζώνη αγωγιμότητας. Η οριζόντια γραμμή E c σημειώνει τον πυθμένα της ζώνης. Ομοίως, η κορυφή της ζώνης σθένους σημειώνεται από τη γραμμή Ev. Το ενεργειακό χάσμα βρίσκεται μεταξύ των δυο αυτών γραμμών, που χωρίζονται από ενέργεια Eg. Είναι δηλαδή, Eg=Ec-Ev. Σχήμα 2.2: Απλοποιημένο ενεργειακό διάγραμμα ημιαγωγού, όπου φαίνεται το ενεργειακό χάσμα Ε g και η ενέργεια ελεύθερων ηλεκτρονίων Εv εκτός κρυστάλλου. 2.2 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΟΠΗΣ Η μετακίνηση των ηλεκτρονίων σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, συνήθως γίνεται με θερμική ή οπτική διέγερση με ελάχιστο ποσό ενέργειας ίσο με το ενεργειακό χάσμα του κρυστάλλου Eg. Ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας είναι ελεύθερο να κινηθεί στον κρύσταλλο και επίσης να ανταποκριθεί σε ηλεκτρικά πεδία, λόγω των κενών γειτονικών ενεργειακών ζωνών. Ας θεωρήσουμε την περίπτωση, όπου ένα φωτόνιο με ενέργεια h v > Eg αλληλεπιδρά με ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη σθένους και απορροφάται απ αυτό (Σχήμα 2.3). Το ηλεκτρόνιο τότε αποκτά ενέργεια ικανή για να ξεπεράσει το ενεργειακό χάσμα E g, να φθάσει στη ζώνη αγωγιμότητας και να καταστεί ελεύθερο. Είναι φανερό ότι κατά την μετακίνηση του ηλεκτρονίου προς τη ζώνη αγωγιμότητας, δημιουργείται μια ελεύθερη θέση στη ζώνη σθένους, που καλείται οπή. Η περιοχή γύρω από την οπή είναι θετικά φορτισμένη λόγω της αφαίρεσης ενός αρνητικού φορτίου από μια ουδέτερη, κατά τα άλλα περιοχή. Η οπή, που συμβολίζεται ως h+, επίσης μετακινείται ελεύθερα στον κρύσταλλο λόγω του ότι ένα ηλεκτρόνιο γειτονικού δεσμού, μπορεί να καλύψει τη θέση της, δημιουργώντας έτσι 24

28 μια καινούργια ελεύθερη θέση. Αυτό ισοδυναμεί με κίνηση της οπής προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτή του ηλεκτρονίου. Έτσι και τα ηλεκτρόνια και οι οπές με φορτία e και +e αντίστοιχα, συμμετέχουν στην αγωγιμότητα του ημιαγωγού. Αν και στο συγκεκριμένο παράδειγμα, φωτόνιο ενέργειας hv > Eg δημιουργεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίου - οπής, υπάρχουν και άλλες πηγές ενέργειας, που επίσης δημιουργούν τέτοια ζεύγη. Σχήμα 2.3: (α) Ένα φωτόνιο με ενέργεια hv >Eg διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο από τη ΖΣ στη ΖΑ. (β) Κάθε γραμμή σ ένα δεσμό μεταξύ ατόμων Si Si, είναι ένα ηλεκτρόνιο σθένους. Όταν ένα φωτόνιο σπάσει το δεσμό, δημιουργείται ένα ζεύγος ηλεκτρονίου οπής. Όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινηθεί από τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους, συναντά μια οπή την οποία και καλύπτει. Το φαινόμενο καλείται επανασύνδεση και έχει ως αποτέλεσμα την εξαφάνιση του ζεύγους ηλεκτρονίου - οπής. Σε μερικούς ημιαγωγούς, όπως GaAs και InP, το πλεονάζον ποσό ενέργειας του ηλεκτρονίου, που πέφτει από τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους, εκπέμπεται ως φωτόνιο. Στους ημιαγωγούς Si και Ge διαφεύγει υπό τη μορφή θερμότητας. Τα συμπεράσματα, που προκύπτουν από τα παραπάνω είναι τα εξής: α) Η ενέργεια του ηλεκτρονίου μπορεί να έχει τιμές, μόνο μέσα σε ορισμένες περιοχές ενέργειας, που ονομάζονται ενεργειακές ζώνες ή ταινίες. β) Οι ενεργειακές ζώνες είναι περιοχές ενέργειας των ηλεκτρονίων του στερεού, μέσα στο πεδίο των πυρήνων. Μεταξύ των ενεργειακών ζωνών υπάρχουν περιοχές ενέργειας με μη επιτρεπτές τιμές για τα ηλεκτρόνια του κρυσταλλικού στερεού. Οι απαγορευμένες αυτές περιοχές ονομάζονται ενεργειακά χάσματα και εκφράζουν την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους ώστε να μετατραπεί σε ελεύθερο ηλεκτρόνιο με ταυτόχρονη δημιουργία μιας οπής. 25

29 Σχήμα 2.4: Απεικόνιση των ιδανικών αποδόσεων των πιο σημαντικών φωτοβολταϊκών στοιχείων, ως συνάρτηση του ενεργειακού χάσματος των αντίστοιχων ημιαγωγών στους 300οΚ. 2.3 ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΧΑΣΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Το ενεργειακό χάσμα στους ημιαγωγούς εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Όταν αυτή αυξάνεται το χάσμα μικραίνει. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να κατανοηθεί καλύτερα αν σκεφθούμε ότι, λόγω της θερμικής ενέργειας, αυξάνει το πλάτος των ατομικών ταλαντώσεων και ως εκ τούτου, αυξάνει η απόσταση μεταξύ των ατόμων. Μια αύξηση των διατομικών αποστάσεων, ελαττώνει το δυναμικό που βλέπουν τα ηλεκτρόνια του κρυσταλλικού στερεού και αυτό με τη σειρά του μικραίνει το ενεργειακό χάσμα. Επίσης, μια απ ευθείας διαμόρφωση των διατομικών αποστάσεων, όπως για παράδειγμα να τοποθετήσουμε τον κρύσταλλο σε σύστημα εφελκυσμού, επιφέρει ανάλογα αποτελέσματα. Σχήμα 2.5: Εξάρτηση ενεργειακού χάσματος Ge, Si και GaAs από τη θερμοκρασία 26

30 2.4 ΔΙΑΚΡΙΣΗ ΥΛΙΚΩΝ Σύμφωνα με τη θεωρία των ζωνών, τα υλικά διακρίνονται στις εξής κατηγορίες: Μέταλλο: Χαρακτηρίζεται ένα στερεό, το οποίο διαθέτει μερικά συμπληρωμένες ενεργειακές ζώνες π.χ. ο χαλκός, ο άργυρος, το αλουμίνιο. Τα μέταλλα, ως καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού, έχουν ειδική αντίσταση στην περιοχή του 10-6Ω*cm Ημιμέταλλα: Υπάρχει μια κατηγορία υλικών, τα οποία παρουσιάζουν σχεδόν μεταλλική αγωγιμότητα, που οφείλεται στη μερική επικάλυψη κάποιων ανωτέρων ενεργειακών ζωνών. Έτσι, ηλεκτρόνια της χαμηλής ενεργειακής ζώνης περνούν ανέξοδα στην επόμενη αδειανή ζώνη, συμβάλλοντας στην αγωγιμότητα του υλικού. Στη συνολική αγωγιμότητα συμβάλλουν και οι οπές που δημιουργούνται στην προηγούμενη ζώνη. Η ιδιαίτερη αυτή κατηγορία των μετάλλων ονομάζεται ημιμέταλλα (Pb, Sn,As, Bi κ.α.). Μονωτής: Είναι ένα στερεό το οποίο διαθέτει πλήρως γεμάτες και πλήρως άδειες ζώνες με ενεργειακό χάσμα, μεταξύ ανώτερης κατειλημμένης και της επόμενης άδειας, μεγαλύτερο, από ~2,5eV. Σε κανονικές συνθήκες οι μονωτές, πρακτικά, δεν άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα, χαρακτηριζόμενοι από τεράστια ειδική αντίσταση, στην περιοχή 1014 έως 1022 Ω*cm. Ημιαγωγός: Είναι ένα στερεό, το οποίο, κοντά στο απόλυτο μηδέν, έχει ενεργειακό χάσμα Eg από κλάσμα του ev, μέχρι ~2,5eV. Όταν ο ημιαγωγός βρίσκεται σε δεδομένη θερμοκρασία (Τ>0 Κ), υπάρχει αρκετή πιθανότητα, ηλεκτρόνια από την προηγούμενη ενεργειακή ζώνη, να υπερπηδήσουν το ενεργειακό χάσμα και να αποκτήσουν ενέργεια της επόμενης ενεργειακής ζώνης, που ήταν άδεια σε θερμοκρασία απόλυτου μηδενός. Στη νέα τους κατάσταση, τα ηλεκτρόνια αυτά έχουν τη δυνατότητα συμμετοχής σε ηλεκτρικό ρεύμα, με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου. Οι ημιαγωγοί έχουν ειδική αντίσταση στην περιοχή 10-2 έως 109Ω*cm, ανάλογα με τη χημική τους σύνθεση. 2.5 ΣΤΑΘΜΗ FERMI Η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας εξαρτάται από δυο παράγοντες. Ο ένας είναι η πυκνότητα των ενεργειακών καταστάσεων D(E) όπου μπορεί να υπάρξουν ηλεκτρόνια και ο άλλος είναι η συνάρτηση κατανομής ενέργειας F(E,T) των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Η συνάρτηση κατανομής ενέργειας δίνεται από τη συνάρτηση κατανομής Fermi-Dirac και εκφράζει την πιθανότητα του να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο σε μια κβαντική κατάσταση ενέργειας E, όταν το σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας. όπου k η σταθερά Boltzmann, Τ η θερμοκρασία σε (Κ) και Ε F μια ενεργειακή παράμετρος που καλείται ενέργεια Fermi ή απλώς στάθμη Fermi 27

31 2.6 ΕΝΔΟΓΕΝΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Οι ημιαγωγοί διακρίνονται σε ενδογενείς ημιαγωγούς, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από την ίδια στοιχειακή σύνθεση, σε όλη την έκτασή τους και σε αγωγούς προσμίξεων. Οι τελευταίοι δημιουργούνται αν ένας ενδογενής ημιαγωγός εμπλουτιστεί με κατάλληλο τρόπο, με άτομα άλλου στοιχείου. Οι ενδογενείς ημιαγωγοί είναι ημιαγωγοί κρύσταλλοι υψηλής καθαρότητας στοιχείων όπως το Si, Ge και άλλα. Βασικό τους χαρακτηριστικό είναι η εξάρτηση της αγωγιμότητας τους από την θερμοκρασία. Ένας ημιαγωγός έχει τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων και οπών. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμική ενέργεια παράγει ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές κατά ζεύγη. Το ενεργειακό διάγραμμα ενός ημιαγωγού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σε θερμοκρασία T=0 Κ και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες η ζώνη αγωγιμότητας είναι εντελώς άδεια και η ζώνη σθένους πλήρως κατειλημμένη που σημαίνει ότι πρακτικά τα υλικά συμπεριφέρονται σαν μονωτές. Σχήμα 2.6: Ομοιοπολικός δεσμός κρυσταλλικού πλέγματος του πυριτίου και το διάγραμμα ενεργειακού χάσματος. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες το υλικό παρουσιάζει αγωγιμότητα. Αυτό οφείλεται στο ότι ένας αριθμός ηλεκτρονίων διεγείρεται θερμικά και αποκτά την απαιτούμενη ενέργεια ώστε να υπερπηδήσει το ενεργειακό χάσμα και να μεταφερθεί από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Η διεργασία αυτή στην πραγματικότητα σημαίνει ότι έχουμε μερική διάσπαση ορισμένων δεσμών του υλικού και πλήρη αποδέσμευση των ηλεκτρονίων από τις θέσεις που κατείχαν αρχικά. Τα αποδεσμευμένα ηλεκτρόνια κατέχουν ενέργεια μεγαλύτερη από τα ηλεκτρόνια που είναι δεσμευμένα στους ομοιοπολικούς δεσμούς και θεωρούνται ότι ανήκουν στη ζώνη αγωγιμότητας. Ενώ οι οπές και τα ηλεκτρόνια των δεσμών ανήκουν στη ζώνη σθένους. Υπό την επίδραση εξωτερικού πεδίου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έλκονται από το θετικό ηλεκτρόδιο ενώ οι οπές από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Από το σχήμα φαίνεται ότι η κίνηση της οπής είναι στην πραγματικότητα κίνηση των ηλεκτρονίων σθένους. Τα ηλεκτρόνια σθένους ανταλλάσσουν θέσεις με την οπή κατά τρόπον ώστε να μετακινούνται προς το θετικό ηλεκτρόδιο. Συνεπώς κάθε φορά που μια οπή κινείται από τη μια θέση στην άλλη ένα ηλεκτρόνιο σθένους μετακινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια κινούνται προς το θετικό ηλεκτρόδιο ανεξάρτητα από την κίνηση των οπών. Είναι φυσικό ότι τα ''ελεύθερα ηλεκτρόνια'' θα κινούνται με μεγαλύτερη ευκινησία από τις οπές. Η ευκινησία των διηγερμένων ηλεκτρονίων του Si στους 300 Κ είναι τριπλάσια της ευκινησίας των οπών ενώ του Ge είναι διπλάσια. 28

32 ΠΥΡΙΤΙΟ: Το πυρίτιο (Si) είναι χημικό στοιχείο, αμέταλλο. Στη φύση συναντάται με μορφή ενώσεων. Απομονώθηκε για πρώτη φορά από τον Μπερζέλιους το 1823 ως άμορφο. Το 1854 ο Σαίντ Κλέρ Ντεβίλ πέτυχε την παρασκευή του κρυσταλλικού πυριτίου, το όποιον βρίσκεται στη φύση ενωμένο πάντα με το οξυγόνο (διοξείδιο) με την άμμο της θάλασσας και τον χαλαζία. Μετά το οξυγόνο, το πυρίτιο είναι το πιο άφθονο υλικό στη γή με ποσοστό 28%. Το κρυσταλλικό πυρίτιο εμφανίζεται με μορφή κανονικών οκτάεδρων, είναι γκρι και παρουσιάζει μεταλλική λάμψη. Το πυρίτιο, όπως και το γερμάνιο, είναι ημιαγωγό υλικό, αλλά όταν του αυξήσουμε την θερμοκρασία αυξάνεται και η αγωγιμότητά του. Τα ηλεκτρόνια του ατόμου του πυριτίου βρίσκονται κατανεμημένα ως εξής: Κ: 2 L: 8 Μ: 4 Σήμερα παρασκευάζεται βιομηχανικά σε ηλεκτρικό κλίβανο με συνθέρμανση χαλαζία και μεταλλουργικού άνθρακα σε θερμοκρασία περίπου 2000οC: SiO2 + C Si + CO2 SiO2 + 2C Si + 2CO 2.7 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΜΕΙΞΗΣ Στους ενδογενείς ημιαγωγούς το πλήθος των ελεύθερων φορέων για δεδομένο ημιαγωγό και καθορισμένη θερμοκρασία είναι καθορισμένο. Στις ημιαγωγικές διατάξεις όμως απαιτείται να μπορούμε να αυξάνουμε το πλήθος και των δύο ειδών ελευθέρων φορέων (οπών και ηλεκτρονίων) ή και μόνο του ενός είδους ανεξάρτητα με το ενεργειακό χάσμα και την θερμοκρασία. Αυτό επιτυγχάνεται αν στο μητρικό πλέγμα του ημιαγωγού υπάρχουν ορισμένα είδη προσμίξεων είτε εσκεμμένα είτε όχι. Μια προγραμματισμένη προσθήκη προσμίξεων σε ένα ημιαγωγό ονομάζεται εμπλουτισμός (doping). Οι ημιαγωγοί πρόσμειξης είναι στερεά διαλύματα υποκατάστασης που δημιουργούνται με προσθήκη πρόσμειξης στοιχείων της ΙΙΙ ή V ομάδας σε κρυστάλλους Si ή Ge υψηλής καθαρότητας. (NiO, ZnO, TiO2) Η αγωγιμότητα των εξωγενών ημιαγωγών εξαρτάται από τον αριθμό των ατόμων της πρόσμειξης και για μια ορισμένη περιοχή θερμοκρασιών παραμένει σχεδόν σταθερή, σε αντίθεση με τους ενδογενείς ημιαγωγούς που η αγωγιμότητα τους επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Τυπικές τιμές συγκεντρώσεων προσμίξεων, σε αντιστοιχία με τους ημιαγωγούς τύπου n και p, είναι (1/5)*1016 άτομα πρόσμιξης/cm3 υλικού. Δηλαδή, ένα άτομο πρόσμιξης σε περίπου άτομα καθαρού υλικού (τυπική πυκνότητα καθαρού υλικού π.χ. Si:5*1022/cm3) ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΤΥΠΟΥ Ν Αν σε κρύσταλλο καθαρού ημιαγωγού (Si) προστεθεί σε ελάχιστο ποσοστό (π.χ. 1 άτομο στα 10) ποσότητα ενός στοιχείου της 5ης ομάδας του περιοδικού συστήματος, (με 5 εξωτερικά ηλεκτρόνια, π.χ. φώσφορος), τότε θα προκύψει ένας ημιαγωγός με δομή λίγο διαφορετική από του ενδογενούς ημιαγωγού. Συγκεκριμένα, για κάθε άτομο πρόσμιξης (P) τα τέσσερα εξωτερικά του ηλεκτρόνια θα συμμετέχουν σε δεσμούς με γειτονικά άτομα, ενώ το πέμπτο ηλεκτρόνιο θα απομείνει ασύνδετο. Αυτό το ηλεκτρόνιο, με ελάχιστη ενέργεια που μπορεί να προσλάβει με οποιονδήποτε τρόπο, αποσπάται από το άτομο και γίνεται ελεύθερο. 29

33 Φυσικά, ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές μπορεί να δημιουργηθούν και με την ενδογενή διαδικασία όπως άλλωστε και οπές. Ωστόσο τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αποτελούν την συντριπτική πλειονότητα και επειδή είναι φορείς αρνητικού (negative) φορτίου, ο ημιαγωγός αυτός παίρνει το όνομα ημιαγωγός τύπου n. Το στοιχείο πρόσμιξης που δίνει στον κρύσταλλο ελεύθερα ηλεκτρόνια λέγεται δότης. Από ενεργειακή άποψη, συμβαίνουν τα εξής. Κάθε άτομο πρόσμιξης παρουσιάζει ενεργειακή δομή παρόμοια με τη δομή του καθαρού πυριτίου με τη διαφορά ότι το 5 ο εξωτερικό ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει μια επιπλέον δική του ενεργειακή στάθμη. Κατά την πρόσμιξη, ενώ οι ενεργειακές στάθμες των τεσσάρων εξωτερικών ηλεκτρονίων τόσο του πυριτίου όσο και του φωσφόρου υβριδίζονται και δημιουργούν τις ζώνες σθένους και αγωγιμότητας, οι στάθμες των πέμπτων ηλεκτρονίων των ατόμων πρόσμιξης δεν υβριδίζονται γιατί τα άτομα που τις έχουν κατειλημμένες με ηλεκτρόνια απέχουν πάρα πολύ μεταξύ τους. Πραγματικά, με τόσο μικρή αναλογία πρόσμιξης, και με μια ομοιόμορφη κατανομή των ατόμων στον κρύσταλλο, στη γειτονιά κάθε ατόμου πρόσμιξης, και σε όσο χώρο καταλαμβάνουν 10 άτομα δεν θα υπάρχει άλλο άτομο πρόσμιξης. Έτσι μέσα στο ενεργειακό χάσμα προστίθεται τώρα μια ενεργειακή στάθμη που απέχει ελάχιστα από τη ζώνη αγωγιμότητας και λέγεται στάθμη δότη (σχήμα 2.7). Αποδεικνύεται ότι η ενέργεια αυτή (E D) που συνδέει ουσιαστικά το επί πλέον ηλεκτρόνιο με το άτομο του δότη, είναι: όπου ε: η σχετική διηλεκτρική σταθερά 11,8 Η ενέργεια αυτή είναι ίση με το 1/20 του ενεργειακού χάσματος, κατά προσέγγιση. Αν η συγκέντρωση του δότη είναι Ν τότε ίδια θα είναι και η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων που προέρχονται απ'αυτόν δηλαδή των ηλεκτρονίων πρόσμιξης. Φυσικά η συγκέντρωση όλων των ηλεκτρονίων θα είναι: n = N + ni και επειδή Ν >> ni θα ισχύει κατά μεγάλη προσέγγιση: n N. Σχήμα 2.7: Ημιαγωγός τύπου n. Κρυσταλλική δομή 30

34 2.7.2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΤΥΠΟΥ P Αν τώρα στον κρύσταλλο του καθαρού ημιαγωγού προστεθεί πρόσμιξη στοιχείου με 3 εξωτερικά ηλεκτρόνια (π.χ. Β) τότε θα προκύψει η κρυσταλλική δομή του σχήματος 2.8, όπου για μικρή αναλογία πρόσμιξης τα άτομα αυτά θα απέχουν πάρα πολύ μεταξύ τους. Τα τρία εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων πρόσμιξης συμμετέχουν σε δεσμούς μαζί με ηλεκτρόνια από γειτονικά άτομα ενώ ταυτόχρονα η έλλειψη τέταρτου ηλεκτρονίου δημιουργεί μια οπή στη θέση αυτή. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται τόσες οπές, όσα και τα άτομα πρόσμιξης, που επειδή έχουν τη δυνατότητα να δεχτούν ηλεκτρόνιο στη θέση της οπής, λέγονται άτομα αποδέκτη. Η συγκέντρωση του αποδέκτη και συνεπώς η συγκέντρωση των οπών πρόσμιξης θα είναι Ν.Προφανώς θα δημιουργηθούν οπές όπως και ελεύθερα ηλεκτρόνια από την ενδογενή διαδικασία, αλλά αυτές θα είναι πολύ λιγότερες (ni << N ). Άρα η ολική συγκέντρωση οπών θα είναι: p = N + ni H συγκέντρωση των οπών p στη ΖΣ δίδεται από τη σχέση : Από ενεργειακή άποψη, η πρόσμιξη αποδέκτη προσθέτει μια μονωμένη κενή ενεργειακή στάθμη μέσα στο ενεργειακό χάσμα και πολύ κοντά στη ζώνη σθένους. Αυτή λέγεται στάθμη αποδέκτη και είναι πολύ εύκολο να καταληφθεί από ηλεκτρόνιο προερχόμενο από τη ζώνη σθένους, δημιουργώντας ταυτόχρονα κενές ενεργειακές στάθμες στη ζώνη σθένους. Έτσι μπορούν πλέον να μετακινηθούν ηλεκτρόνια σθένους μέσα από τις κενές καταστάσεις της ζώνης σθένους με αποτέλεσμα την ύπαρξη αγωγιμότητας. Η αγωγιμότητα στους ημιαγωγούς αυτούς θα οφείλεται κυρίως στις οπές που επειδή φέρουν θετικό φορτίο, ο ημιαγωγός χαρακτηρίζεται σαν τύπου p. Επειδή εδώ οι οπές είναι πολύ περισσότερες από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια λέγονται φορείς πλειονότητας. Αντίστοιχα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια λέγονται φορείς μειονότητας. Προφανώς στους ημιαγωγούς τύπου n, φορείς πλειονότητας θα είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και φορείς μειονότητας οι οπές. Σχήμα 2.8: Ημιαγωγός τύπου p. Στον P-τύπου ημιαγωγό οι οπές κινούνται προς τον αρνητικό ακροδέκτη της πηγής τάσης. Το ρεύμα των οπών είναι ίσο με το ρεύμα των ηλεκτρονίων αλλά αντίθετης διεύθυνσης. Στο σχήμα 2.9 φαίνεται η διαφορά μεταξύ Ν και P τύπου ημιαγωγών. Στο σχήμα 2.9(α) οι φορείς είναι τα ηλεκτρόνια που κινούνται προς το θετικό ακροδέκτη της πηγής τάσης. Στο σχήμα 2.9(β) οι φορείς είναι οι οπές οι οποίες κινούνται προς το αρνητικό ακροδέκτη της πηγής τάσης. 31

35 Σχήμα 2.9: Αγωγιμότητα σε πυρίτιο τύπου Ν. a) Οι φορείς είναι τα e- που κινούνται προς το θετικό ακροδέκτη της πηγής. β) Οι φορείς είναι οι οπές οι οποίες κινούνται προς το αρνητικό ακροδέκτη της πηγής. 2.8 ΕΠΑΦΗ P-N Επαφή p-n ή ένωση p-n δημιουργείται στην επιφάνεια επαφής ενός ημιαγωγού-p με έναν ημιαγωγό-n. Θεωρούμε έναν ενδογενή ημιαγωγό από τον οποίο έχουν προκύψει με προσμίξεις δυο τύποι ημιαγωγών: ένας τύπου p και ένας τύπου n, όπως προαναφέραμε. Αν οι δυο αυτοί ημιαγωγοί ενωθούν, η διαχωριστική τους επιφάνεια ονομάζεται επαφή p-n. Σχήμα 2.10: Επαφή / Δίοδος p-n Κατά την υλοποίηση της επαφής p-n, σημειώνεται μετακίνηση ηλεκτρονίων από τον ημιαγωγό n προς τον ημιαγωγό p, προς επανασύνδεση με τις παραπλήσιες οπές, οπότε λαμβάνει χώρα η αντίδραση: ηλεκτρόνιο + οπή ενέργεια. Αποτέλεσμα αυτής της δράσης είναι η αλληλοεξουδετέρωση των φορέων και η δημιουργία εκατέρωθεν της επαφής δύο τμημάτων ''απογυμνωμένων'' από τους φορείς τους, δηλ. ένα τμήμα στον ημιαγωγό n με θετικά ιόντα μόνο, χωρίς ηλεκτρόνια και ένα τμήμα στον ημιαγωγό p με αρνητικά ιόντα μόνο, χωρίς οπές. Σε αντίθεση με τους ευκίνητους φορείς των ημιαγωγών (ελεύθερα ηλεκτρόνια και oπές) που τείνουν να διαχέονται προς τις περιοχές με τη μικρότερη συγκέντρωσή τους, η συγκέντρωση των αρνητικών ιόντων στα οποία μετατράπηκαν οι αποδέκτες του τμήματος τύπου p και η συγκέντρωση των θετικών ιόντων στα οποία μετατράπηκαν οι δότες στο τμήμα τύπου n, παραμένουν αμετάβλητες, αφού τα ιόντα μένουν ακίνητα στο σώμα. Έτσι, το υλικό 32

36 χάνει τοπικά την ηλεκτρική του ουδετερότητα και οι πλευρές της ένωσης φορτίζονται με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού (συνήθως V), της οποίας το ηλεκτροστατικό πεδίο εμποδίζει την παραπέρα διάχυση των φορέων προς το απέναντι τμήμα της ένωσης. Η περιοχή αυτή του ημιαγωγού, η οποία δεν έχει καθόλου εξωτερικά ηλεκτρόνια ή οπές ονομάζεται περιοχή απογύμνωσης. Έξω από την περιοχή απογύμνωσης η δομή των ημιαγωγών παραμένει ως είχε. Σχήμα 2.11: Σχηματισμός της ζώνης απογύμνωσης Το μήκος απογύμνωσης μέσα στην περιοχή p, συμβολίζεται wp και αντίστοιχα στην περιοχή n με wn. Η συνολική περιοχή w = w n + wp έχει έκταση από κλάσμα του μm, μέχρι αρκετές δεκάδες του μm (πχ 0,1/10 μm για το Si), εξαρτώμενη από το υλικό, τις πυκνότητες των προσμίξεων και την εφαρμοζόμενη τάση. Η ζώνη απογύμνωσης δημιουργεί φραγμό στη μετακίνηση ηλεκτρονίων διαμέσου αυτής. Το ελάχιστο δυναμικό V0 που πρέπει να επιβληθεί για να υπερπηδηθεί η ζώνη απογύμνωσης από τα ηλεκτρόνια ονομάζεται δυναμικό φραγμού. Δίοδος p-n ή κρυσταλλοδίοδος είναι το ηλεκτρονικό εξάρτημα που προκύπτει από την ένωση ενός ημιαγωγού-p με έναν ημιαγωγό-n. Η δίοδος p-n υλοποιείται με σύνδεση των άκρων των δύο ημιαγώγιμων τμημάτων p και n με μεταλλικές επαφές. Έτσι, προκύπτουν η άνοδος Α και η κάθοδος Κ της διόδου, η οποία στα ηλεκτρικά κυκλώματα συμβολίζεται με ένα βέλος στην πλευρά p και μία γραμμή στην πλευρά n. Σχήμα 2.12: Υλοποίηση και συμβολισμός διόδου p-n ΠΟΛΩΣΗ ΔΙΟΔΟΥ P-N Ανάλογα με την σύνδεση εξωτερικής πηγής με τα άκρα της διόδου p-n διακρίνουμε δύο είδη πόλωσής της: Ορθή πόλωση (forward bias): όταν ο θετικός πόλος της εξωτερικής πηγής συνδέεται με το τμήμα p της διόδου (Σχήμα 2.13). 33

37 Ανάστροφη πόλωση (reverse bias): όταν ο θετικός πόλος της εξωτερικής πηγής συνδέεται με το τμήμα n της διόδου (Σχήμα. 2.16) ΟΡΘΗ ΠΟΛΩΣΗ Σχήμα 2:13: Ορθή πόλωση διόδου p-n (α) V<V0, (β) V>V0 Αν τα άκρα της επαφής συνδεθούν με πηγή συνεχούς ρεύματος, έτσι ώστε ο θετικός πόλος της να συνδεθεί με το τμήμα p και ο αρνητικός πόλος της με το τμήμα n, τότε θεωρούμε ότι η επαφή είναι πολωμένη ορθά. Με αύξηση της εξωτερικής τάσης, το μήκος της ζώνης απογύμνωσης βαθμιαία μειώνεται μέχρις ότου μηδενιστεί, οπότε ξεκινά ροή ρεύματος στο κύκλωμα προς μία κατεύθυνση. Ρεύμα διάχυσης IF (forward current): Είναι το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα και σημειώνεται με φορά αντίθετη προς τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων. Ανάστροφο ρεύμα κόρου (Ι0): Είναι το ρεύμα που οφείλεται σε θερμική διέγερση του ημιαγωγού και λαμβάνει πολύ χαμηλή τιμή (μερικά μα). Ρεύμα εξωτερικού κυκλώματος (ΙD): ID=IF-I0. Τάση γόνατος (Vγ): Είναι η τιμή της εξωτερικής τάσης, μετά την οποία αυτή αυξάνεται εκθετικά, βλ. σχήμα Για το Ge λαμβάνει την τιμή 0.3V, ενώ για το Si την τιμή 0.7V. Σχήμα 2.14: Χαρακτηριστική καμπύλη V-I διόδου p-n σε ορθή πόλωση 34

38 Η ορθά πολωμένη δίοδος p-n λειτουργεί ως κλειστός διακόπτης και το αντίστοιχο ισοδύναμο κύκλωμά της φαίνεται στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 2.15: Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου p-n με ορθή πόλωση ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΠΟΛΩΣΗ Σχήμα 2.16: Ανάστροφη πόλωση διόδου p-n: (α) V<V0, (β) V'>V0 Εδώ ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδέεται με το τμήμα p και ο θετικός με το τμήμα n. Με αύξηση της εξωτερικής τάσης, το μήκος της ζώνης απογύμνωσης αυξάνεται συνεχώς (L1>L) και η δίοδος διαρρέεται από ένα πολύ μικρό ρεύμα (Ι0), που ονομάζεται ανάστροφο ρεύμα κόρου (της τάξης των μa) και παραμένει σχεδόν σταθερό. Το δυναμικό φραγμού αυξάνεται συνεχώς σύμφωνα με τη σχέση: V0 = V0+V. Σχήμα 2.17 : Χαρακτηριστική καμπύλη V-I διόδου p-n σε ανάστροφη πόλωση 35

39 Όταν η εξωτερική τάση φθάσει μια ορισμένη τιμή (Vz) που λέγεται τάση διάσπασης ή τάση Zener, παρατηρείται ραγδαία αύξηση του ρεύματος. Το φαινόμενο καλείται κατάρρευση της διόδου. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στη ραγδαία αύξηση των φορέων με ιονισμό, ο οποίος χαρακτηριστικά ονομάζεται ιονισμός χιονοστοιβάδας. Στο Σχήμα 2.17 παρουσιάζεται η χαρακτηριστική καμπύλη V-I της διόδου σε ανάστροφη πόλωση. Η ανάστροφα πολωμένη δίοδος p-n αντιμετωπίζεται σε κύκλωμα ως ανοικτός διακόπτης (ιδανική δίοδος) ή ως πολύ μεγάλη αντίσταση (μη ιδανική δίοδος). Σχήμα 2.18: Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου p-n με ανάστροφη πόλωση 36

40 3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 3.1 ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι το φαινόμενο, όπου η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική. Δηλαδή η ενέργεια των φωτονίων, όταν αυτά πέσουν σε μια κατάλληλη επαφή p-n, μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Στις επαφές αυτές δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων οπών. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων οπών οφείλονται στη θερμική διάσπαση των ατόμων, που προκαλείται από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Σχήμα 3.1: Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ο όρος photovoltaic προέρχεται από την ελληνική λέξη φως (phōs) και voltaic που σημαίνει ηλεκτρική, από το όνομα του ιταλού φυσικού Volta, από τον οποίο η μονάδα ηλεκτρικής τάσης ονομάστηκε (volt). Ο όρος "photovoltaic" είναι σε λειτουργία στα αγγλικά από το ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ Φωτοβολταϊκό στοιχείο (PV cell): Η ηλεκτρονική διάταξη που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν δέχεται ακτινοβολία. Λέγεται ακόμα φωτοβολταϊκό κύτταρο ή φωτοβολταϊκή κυψέλη. Το Σχήμα 3.2 παρουσιάζει το διάγραμμα ενός ΦΒ κυττάρου πυριτίου, το τυπικό ΦΒ κύτταρο που χρησιμοποιείται σήμερα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται μέσα στον ημιαγωγό εξάγεται από τις επαφές στο εμπρόσθιο και πίσω μέρους του ΦΒ κυττάρου. Η δομή της άνω επαφής η οποία πρέπει να επιτρέπει στο φως να περάσει διαμέσου αυτής κατασκευάζεται σε μορφή λεπτών μεταλλικών λωρίδων με ευρεία απόσταση [συνήθως ονομάζονται δείκτες (fingers)], οι οποίες τροφοδοτούν με ρεύμα μια πλατύτερη ράβδο οδήγησης. Το κύτταρο καλύπτεται μ ένα λεπτό στρώμα διηλεκτρικού υλικού την αντί ανακλαστική επίστρωση ή ARC για να ελαχιστοποιήσει την ανάκλαση του φωτός από την φωτιζόμενη επιφάνεια. 37

41 Σχήμα 3.2: Το ΦΒ στοιχείο πυριτίου ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Οι κατασκευαστικές λεπτομέρειες του ΦΒ στοιχείου φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Το ηλεκτρόδιο της εμπρός όψης του ηλιακού στοιχείου αποτελείται από ένα αραιό μεταλλικό δικτυωτό πλέγμα, σε σχήμα σχάρας, ώστε να αφήνει ελεύθερο το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας για να δέχεται φως. Το ηλεκτρόδιο του πίσω τμήματος του δίσκου, όπου δεν υπάρχει πρόβλημα κάλυψης, αφού δεν δέχεται ακτινοβολία, αποτελείται από ένα λεπτό φύλλο αλουμινίου, σε όλο το πλάτος του στοιχείου. Σχήμα 3.3: Δομή ΦΒ κυττάρου. Η επίδραση της υγρασίας μπορεί να προκαλέσει πρόωρη φθορά στα στοιχεία. Γι αυτό καλύπτονται από ένα λεπτό γυαλί που μετά την σύνδεση σε σειρά και παράλληλα μεταξύ τους, στεγανοποιείται με μια περιμετρική ταινία και το όλο σύστημα συγκρατείται ισχυρά και μόνιμα με την βοήθεια μιας περιμετρικής ταινίας από αλουμίνιο. Έτσι το δημιουργηθέν πλαίσιο είναι σταθερό και ανεπηρέαστο κατά μεγάλο μέρος από τις καιρικές συνθήκες. 3.2 ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΦΩΤΟΣ ΑΠΟ ΕΝΑΝ ΗΜΙΑΓΩΓΟ Απορρόφηση: άτομο στη βασική κατάσταση Ε1 απορροφά φωτόνιο ενέργειας hν1,2=ε2-ε1 και ανεβαίνει στη διεγερμένη κατάσταση Ε 2. Η αλλαγή της ενεργειακής κατάστασης του ατόμου είναι το φαινόμενο της απορρόφησης. 38

42 Σχήμα 3.4: Η δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων οπών με το φως. Η φωτοβολταϊκή μετατροπή της ενέργειας βασίζεται στη κβαντική φύση του φωτός σύμφωνα με την οποία θεωρούμε το φως ως μια ροή σωματιδίων φωτονίων τα οποία μεταφέρουν ενέργεια όπου h είναι η σταθερά Planck, c είναι η ταχύτητα του φωτός και λ το μήκος κύματος του φωτός. Σε μια καθαρή ημέρα 4.4*1017 φωτόνια περίπου, χτυπούν ένα τετραγωνικό εκατοστό της επιφάνειας της γης κάθε δευτερόλεπτο. Γενικά, η απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μέσα σε ένα υλικό οφείλεται στη διέγερση των ταλαντευόμενων ηλεκτρικών φορτίων του υλικού, σε ανώτερες ενεργειακές καταστάσεις. Στην περίπτωση των ημιαγωγών, μια πολύ σημαντική απορρόφηση του φωτός μπορεί να γίνει από τα ηλεκτρόνια σθένους του υλικού. Η απορρόφηση αυτή καθορίζεται από το μέγεθος της ενέργειας των φωτονίων σε σχέση με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. Αν η ενέργεια του φωτονίου είναι μικρότερη του ενεργειακού χάσματος, το φωτόνιο δεν απορροφάται και κατά συνέπεια το υλικό είναι διαφανές σε αυτό το μήκος κύματος. Στην περίπτωση που η ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη ή ίση αυτής του απορροφάται από ηλεκτρόνιο σθένους, το οποίο καθίσταται ''ελεύθερο'' μέσα στον ημιαγωγό, αφήνοντας ακάλυπτο δεσμό, την οπή. Το ηλεκτρόνιο ''ανεβαίνει'' ενεργειακά στη ζώνη αγωγιμότητας. Στην περίπτωση, μάλιστα, που η ενέργεια των φωτονίων είναι μεγαλύτερη της ενέργειας του ενεργειακού χάσματος, η γένεση του ζεύγους ηλεκτρονίου - οπής, συνοδεύεται από θέρμανση του υλικού. Το επιπλέον του Εg, ποσό ενέργειας αποδίδεται από τα αντίστοιχα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας στο πλέγμα του υλικού, συμβάλλοντας στην αύξηση της θερμοκρασίας του. Ο συντελεστής απορρόφησης εξαρτάται χαρακτηριστικά από το υλικό και τη συχνότητα της ακτινοβολίας. Η μονάδα του εκφράζεται σε αντίστροφες μονάδες μήκους (cm-1) και η αντίστροφη τιμή του προσδιορίζει το πάχος του υλικού, μέσα στο οποίο η ποσοστιαία ελάττωση της έντασης του φωτός είναι 63,2%. Στο σχήμα 3.5 δίδονται οι γραφικές παραστάσεις συντελεστών απορρόφησης αλ, διαφόρων υλικών, σε συνάρτηση με το μήκος κύματος λ, της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. 39

43 Σχήμα 3.5: Συντελεστές απορρόφησης και λ αποκοπής διαφόρων ημιαγωγών. 3.3 ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΟ ΦΡΑΓΜΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Τα ηλιακά στοιχεία είναι δίοδοι ημιαγωγού με την μορφή ενός δίσκου, που δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία. Πρόκειται για διόδους επαφής τύπου n και τύπου p, οι οποίες εκτείνονται σε όλο το πλάτος του δίσκου. Τα ηλιακά στοιχεία βασίζουν τη λειτουργία τους στη δημιουργία ενός ηλεκτροστατικού φράγματος δυναμικού, το οποίο εκτείνεται σε όλο το πλάτος του στοιχείου που δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία. Σχήμα 3.6: Η επίδραση του φράγματος δυναμικού Αυτό το φράγμα δυναμικού βρίσκεται κατανεμημένο σε μικρό βάθος από την επιφάνεια και τοποθετείται από την πλευρά από την οποία προσπίπτει το φως. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να δημιουργηθεί ένα 40

44 ζεύγος φορέων, δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο της ζώνης αγωγιμότητας και μια οπή της ζώνης σθένους. Δημιουργείται έτσι, όσο διαρκεί η ακτινοβόληση, μια περίσσεια από ζεύγη φορέων, πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν σε συνθήκες ισορροπίας. Η αναγκαιότητα ύπαρξης του ηλεκτροστατικού δυναμικού πηγάζει από την απαίτηση για διαχωρισμό των θετικών και αρνητικών φορέων φορτίου και την συγκέντρωσή τους πάνω στις δύο όψεις του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Συγκεκριμένα, επειδή μερικά από τα ζεύγη των φορέων αυτών δημιουργούνται μέσα ή και δίπλα από την περιοχή του ηλεκτροστατικού φράγματος δυναμικού διαχωρίζονται προκειμένου να ελαχιστοποιήσουν τη δυναμική τους ενέργεια. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν σφαίρες που κυλούν πάνω σε κεκλιμένο επίπεδο, ενώ οι οπές συμπεριφέρονται σαν φυσαλίδες που αιωρούνται μέσα σε ένα υγρό (Σχήμα 3.7). Στο μοντέλο αυτό, το ηλεκτρόνιο ελαχιστοποιεί την ενέργεια του κινούμενο προς τα κάτω, ενώ η οπή ελαχιστοποιεί την ενέργειά της κινούμενη προς τα πάνω σε ένα διάγραμμα δυναμικής ενέργειας. Σε μια δίοδο p-n τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου-n και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου-p. Αποτέλεσμα είναι να συσσωρεύονται φορτία στις δύο αντικρινές επιφάνειες και να δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων του ηλιακού στοιχείου. Σχήμα 3.7: Φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το ηλιακό στοιχείο αποτελείται από την επαφή ημιαγωγού τύπου n και τύπου-p. Το σχήμα παρουσιάζει το διάγραμμα της δυναμικής ενέργειας σε συνάρτηση με το βάθος από την επιφάνεια. Στο ηλιακό στοιχείο προσπίπτει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με ενέργεια E=h v E g όπου Eg=EcbEvt η τιμή του ενεργειακού διακένου, Ecb ο πυθμένας της ζώνης αγωγιμότητας και Evt η κορυφή της ζώνης σθένους. Η λειτουργικότητα του φράγματος οφείλεται στο γεγονός ότι δεν παρουσιάζει την ίδια αντίσταση σε όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που εμφανίζονται σαν αποτέλεσμα της απορρόφησης φωτονίων ηλιακού φωτός που προσπίπτει στο ΦΒ στοιχείο. Από την αρχή στο n-στρώμα υπάρχει μεγάλος αριθμός ελευθέρων ηλεκτρονίων και πολύ μικρός αριθμός οπών. Λόγω του μεγάλου αριθμού ηλεκτρονίων στο στρώμα αυτό εμποδίζεται η κίνησή τους και έτσι κινούνται με μικρές ταχύτητες. Στο p-στρώμα όμως υπάρχουν λιγότερα ηλεκτρόνια και 41

45 εφόσον εμποδίζονται λιγότερο στην κίνησή τους έχουν μεγαλύτερες ταχύτητες. Τα ηλεκτρόνια στο p-στρώμα που έχουν τη μεγαλύτερη ταχύτητα καταφέρνουν να περάσουν την αντίσταση του φράγματος, ενώ του n-στρώματος απωθούνται από το φράγμα του δυναμικού και εμποδίζονται να το περάσουν. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην εξωτερική επιφάνεια του n-στρώματος σε μικρό χρονικό διάστημα, γεμίζει την περιοχή με τόσα πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια, ώστε μεταξύ των επιφανειών των δύο στρωμάτων δημιουργείται μια τάση έτοιμη να δώσει ρεύμα. Αν συνδεθεί εξωτερικά μια αντίσταση (καταναλωτής) μεταξύ της εξωτερικής επιφάνειας του p-στρώματος και της εξωτερικής του n-στρώματος, τότε αρχίζει να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα, διότι ηλεκτρόνια από την επιφάνεια του n-στρώματος επιστρέφουν δια μέσου της αντίστασης στο p-στρώμα και από εκεί περνούν εύκολα το φράγμα του δυναμικού προς το n-στρώμα. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο n-στρώμα, με την ενέργεια των φωτονίων της δίνει ενέργεια στα ηλεκτρόνια που ελευθερώνονται και στη συνέχεια μαζεύονται στην επιφάνεια του n-στρώματος από την οποία φεύγουν διατρέχοντας το ηλεκτρικό κύκλωμα με την αντίσταση που περιέχει. Το ηλεκτρικό ρεύμα των ηλεκτρονίων δίνει όλη την ενέργεια στην αντίσταση προτού επιστρέψει πάλι στην άλλη πλευρά του φωτοβολταϊκού στοιχείου για να επαναληφθεί η ίδια διαδικασία. Και όλα αυτά γίνονται χωρίς καμιά αλλοίωση ή μεταβολή στη δομή του ημιαγωγού. Η τάση που δημιουργείται σε ένα στοιχείο πυριτίου είναι περίπου 0,5eV και δεν μεταβάλλεται με το εμβαδόν του στοιχείου, ενώ η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος εξαρτάται από το εμβαδόν του στοιχείου και από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό. 3.4 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΡΕΥΜΑΤΟΣ Όταν ένα ΦΒ στοιχείο δέχεται μια κατάλληλη ακτινοβολία, διεγείρεται παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα, το φωτόρευμα Ιφ, που η τιμή του είναι ανάλογη προς τα φωτόνια που απορροφά και κατά συνέπεια ανάλογη προς τη ηλιακή ακτινοβολία. Για τον υπολογισμό του μπορεί να χρησιμοποιηθεί η παρακάτω σχέση: όπου: 1. e το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, 2. R(λ) ο δείκτης ανάκλασης για ακτινοβολία μήκους κύματος λ 3. Φ(λ) το πλήθος των φωτονίων με ενέργεια που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος από λ μέχρι λ+dλ, 4. S(λ) η φασματική απόκριση, δηλαδή το πλήθος των φωτονίων της ακτινοβολίας που δέχεται το στοιχείο ανά μονάδα επιφανείας και ανά μονάδα χρόνου, 5. λg το μέγιστο μήκος κύματος ακτινοβολίας σε έναν ημιαγωγό, ενεργειακού χάσματος Η τιμή του φωτορεύματος ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου εξαρτάται από πολλούς κατασκευαστικούς παράγοντες, όπως ο συντελεστής ανάκλασης στην επιφάνεια του στοιχείου, ο συντελεστής απορρόφησης και το πάχος του ημιαγωγού, το πλήθος των επανασυνδέσεων των φορέων κλπ. 42

46 3.4.1 ΡΕΥΜΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΣΤΡΟΦΟ ΡΕΥΜΑ Όταν συμβαίνει η κίνηση των οπών προς την περιοχή n και η κίνηση των ηλεκτρονίων προς την περιοχή p λέμε ότι έχουμε ρεύμα διαχύσεως IF. Βέβαια μέσα στην επαφή p-n είναι δυνατό να αναπτυχθούν οπές και ηλεκτρόνια εξαιτίας της θερμικής διάσπασης των ατόμων. Οι φορείς αυτοί όταν βρίσκονται στην περιοχή απογύμνωσης κινούνται με την επίδραση του δυναμικού φραγμού, έτσι ώστε οι οπές να κινούνται προς την περιοχή p και τα ηλεκτρόνια προς την περιοχή n. Το ρεύμα έχει αντίθετη φορά από το ρεύμα διαχύσεως και ονομάζεται ανάστροφο ρεύμα I0. Στην περίπτωση που βάλουμε μια εξωτερική τάση, ώστε η επαφή p να είναι συνδεμένη με το θετικό πόλο της πηγής και η επαφή n με το αρνητικό πόλο της πηγής, λέμε ότι έχουμε πόλωση κατά την ορθή φορά. Οι οπές απωθούνται από το θετικό πόλο της πηγής και τα ηλεκτρόνια από το αρνητικό πόλο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αυξάνουν οι οπές στην περιοχή p και τα ηλεκτρόνια στην περιοχή n και να στενέψει η περιοχή απογύμνωσης. Το ρεύμα που κυκλοφορεί στον ημιαγωγό θα είναι: Στην περίπτωση που η επαφή p συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της πηγής έχουμε αναστροφή πόλωση. Σε αυτή τη περίπτωση επειδή οι οπές έλκονται από τον αρνητικό πόλο και τα ηλεκτρόνια από το θετικό πόλο, η περιοχή απογύμνωσης διευρύνεται και το ρεύμα που διαρρέει τον ημιαγωγό ισούται σχεδόν με το ανάστροφο ρεύμα αφού, το ρεύμα διάχυσης IF είναι σχεδόν μηδέν. 3.5 ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΤΑΣΗ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΡΕΥΜΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΣΗΣ Ανοιχτό κύκλωμα: Στην περίπτωση που το ΦΒ στοιχείο βρίσκεται σε ανοικτό κύκλωμα και κάτω από συνθήκες σταθερού φωτισμού τα ρεύματα που κυκλοφορούν μέσα στην επαφή είναι αντίθετης φοράς και ίσα κατά απόλυτη τιμή Iδ = - IL (εικόνα 3.7α). Αυτή η ισότητα ρευμάτων, τα οποία επιβάλλονται αφενός από την διάχυση, λόγω αύξησης των πυκνοτήτων των φορέων πλειονότητας, αφετέρου από την ηλεκτρική τάση του ενδογενούς ηλεκτρικού φραγμού, έχει ως αποτέλεσμα η τάση στα άκρα της επαφής p-n να προσεγγίζει το ύψος της τάσης V bi (τάση διάχυσης : η τάση που διακόπτει το φαινόμενο της διάχυσης από το ένα τμήμα της επαφής στο άλλο) με φορά αντίθετη αυτής. Ονομάζεται τάση ανοιχτού κυκλώματος (V oc) και ισχύει : η ισότητα αφορά την ιδανική περίπτωση που δεν συμβαίνουν επανασυνδέσεις 43

47 Κλειστό κύκλωμα Αν, τώρα, τα άκρα της επαφής p-n που φωτίζεται όπως και πριν κάτω από συνθήκες σταθερού φωτισμού, είναι βραχυκυκλωμένα (με χάλκινο σύρμα πρακτικά μηδενικής αντίστασης), οι αυξημένες πυκνότητες των φορέων πλειονότητας στα άκρα της επαφής δημιουργούν έκχυση τους είτε μέσα από την επαφή, που παρουσιάζει φραγμό, είτε μέσα από το σύρμα, που δεν παρουσιάζει φραγμό. Άρα κατά το βραχυκύκλωμα το ρεύμα IL διέρχεται από τον αγωγό βραχυκύκλωσης (σχήμα 3.8β), οπότε ισχύει : Όταν όμως στα άκρα της επαφής συνδέσουμε μια αντίσταση R (σχήμα 3.8γ) αυτή θα διαρρέεται από ρεύμα IR=IL Iδ, δηλαδή το ρεύμα IR εξαρτάται από την τιμή της αντίστασης που συνδέουμε στα άκρα της επαφής Σχήμα 3.8: Ρεύματα στην επαφή p-n ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ Ι-V ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Όπως αναφέραμε και παραπάνω, φως δεδομένης πυκνότητας ισχύος και φάσματος δημιουργεί μέσα στο σώμα του ΦΒ στοιχείου ηλεκτρικό ρεύμα I L. Το ρεύμα αυτό παραμένει σταθερό καθώς αλλάζει η ωμική αντίσταση που είναι συνδεδεμένη στα άκρα του. Έτσι η λειτουργία του ΦΒ στοιχείου είναι ισοδύναμη με εκείνη που θα δημιουργούσε η σύνδεση μιας πηγής σταθερού ρεύματος στα άκρα της διόδου, όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.9, ειδικότερα θα μπορούσαμε να πούμε ότι η πηγή αυτή προσαρμόζει την τάση στα άκρα της ώστε να διατηρεί το ρεύμα πρακτικά σταθερό, για αυτό παρουσιάζεται και ως πηγή σταθερού ρεύματος. Σχήμα 3.9: (α) τυπικό ηλεκτρικό κύκλωμα που περιλαμβάνει ΦΒ στοιχείο (β) Αναλυτική παρουσίαση ρευμάτων στο κύκλωμα (γ) Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα 44

48 Σύμφωνα με προηγούμενη ανάλυση το ρεύμα Iδ είναι σαν να προέρχεται από μια ορθή τάση VF, επειδή οφείλεται στην αύξηση των πυκνοτήτων των φορέων πλειονότητας. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι οι τιμές του Iδ ακολουθούν την καμπύλη I-V της διόδου (εικόνα 3.10).Στο παρακάτω σχήμα, ορθή πόλωση έχουμε για θετική τάση και αναστροφή πόλωση για αρνητική τάση. Παρατηρούμε ότι στη ορθή πόλωση το ρεύμα αυξάνει εκθετικά με τη τάση Έτσι, για να κατασκευάσουμε την καμπύλη I-V της φωτιζόμενης διόδου πρέπει να προσθέσουμε την καμπύλη I-V της μη φωτιζόμενης διόδου και την ευθεία I=-I L, του φωτορεύματος που αποτελεί την καμπύλη I-V της πηγής σταθερού ρεύματος. Σχήμα 3.10: Χαρακτηριστική I-V. Μεταβολή ρεύματος σε μια επαφή σε σχέση με την τάση πόλωσης. Το ρεύμα IR όμως έχει αντίθετη φορά από το επιβαλλόμενο στη δίοδο ρεύμα από μία εξωτερική πηγή με ορθή πόλωση, συνεπώς στο διάγραμμα I-V της μη φωτιζόμενης επαφής θα τοποθετήσουμε της τιμές IR στον αρνητικό ημιάξονα και σε κάθε τιμή του Iδ θα προσθέτουμε το -IL και θα βρίσκουμε το IR. όπου ηιδ ο παράγων ιδανικότητας της διόδου Στην εικόνα 3.11α φαίνεται η καμπύλη I-V του φωτοβολταϊκού στοιχείου στο σκοτάδι (1) και στο φως (2), ενώ στην εικόνα 3.11β δίνεται σε μεγέθυνση το τμήμα της καμπύλης που βρίσκεται στο τέταρτο τεταρτημόριο ανεστραμμένο ως προς τις τιμές του ρεύματος, στο οποίο η επαφή p-n συμπεριφέρεται ως φωτοβολταϊκο στοιχείο. Σε εκείνη την περιοχή η φωτοβολταϊκή κυψέλη φέρεται σαν πηγή ενέργειας και παρέχει ενέργεια σ ένα καταναλωτή (P =V * I < 0). Εικόνα 3.11: (α) Η χαρακτηριστική καμπύλη Ι-V, ενός ΦΒ στοιχείου, στο σκοτάδι (1) και στο φως (2). (β) Σε μεγέθυνση το τμήμα της καμπύλης στο τέταρτο τεταρτημόριο 45

49 3.5.3 ΣΗΜΕΙΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ( ΣΜΙ ) Για την καλύτερη εκμετάλλευση των δυνατοτήτων του φωτοβολταϊκού πρέπει να προσαρμόσουμε την αντίσταση του καταναλωτή ώστε η τάση και το ρεύμα σε αυτόν να αντιστοιχούν στο σημείο μέγιστης λειτουργίας. Το συμπέρασμα αυτό γίνεται εμφανές αν στην καμπύλη I-V κατασκευάσουμε και την καμπύλη της ισχύος σε συνάρτηση με την τάση στα άκρα του φωτοβολταϊκού, P = f(v), όπως φαίνεται και στην εικόνα Προφανώς στις ακραίες συνθήκες για τάση μηδέν και τάση ίση με την V oc, η παρεχόμενη ισχύς είναι μηδέν συνεπώς είναι αναμενόμενο η καμπύλη της ισχύος να εμφανίζει μέγιστο, το οποίο παρουσιάζεται κοντά στο σημείο που αρχίζει η έντονη πτώση του ρεύματος. Σχήμα 3.12: Ανεστραμμένη καμπύλη I-V στο τεταρτημόριο που το ΦΒ στοιχείο παρέχει ενέργεια, καμπύλη ισχύος και ευθεία φόρτου ( ΕΦ ) ΚΑΜΠΥΛΗ ΦΟΡΤΟΥ Καμπύλη φόρτου είναι η καμπύλη του ρεύματος I που διαρρέει τη διάταξη σε συνάρτηση με την τάση που εφαρμόζεται στην είσοδό της, I=f(V). Αν την τοποθετήσουμε στην καμπύλη I-V του φωτοβολταϊκού τότε το σημείο τομής αυτών των δύο μας δίνει το σημείο λειτουργίας του συστήματος. Στην εικόνα 3.11 φαίνεται η καμπύλη φόρτου (ΕΦ) για ωμική κατανάλωση, το οποίο είναι κοινό με το ΣΜΙ. Προφανώς αν μεταβληθεί η πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας η καμπύλη I-V αλλάζει και το σημείο λειτουργίας για δεδομένο φορτίο δεν συμπίπτει με το ΣΜΙ (εικόνα 3.13). Σχήμα 3.13: Χαρακτηριστική Ι-V συναρτήσει ηλιακής ακτινοβολίας 46

50 Για να συμπίπτει το σημείο λειτουργίας με το ΣΜΙ, θα πρέπει να αλλάξει η ωμική αντίσταση έτσι ώστε η νέα ευθεία φορτίου να περνά από το αντίστοιχο νέο ΣΜΙ. Η μέγιστη ισχύς που μπορεί να δώσει το ΦΒ στοιχείο είναι P m=vm*im, όπου Vm και Im η μέγιστη τάση και ρεύμα στο σημείο μέγιστης λειτουργίας ΟΙ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ ΣΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου δίνεται στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 3.14) και είναι μέσα στο πλαίσιο διακεκομμένης γραμμής. Περιλαμβάνει μια πηγή σταθερού ρεύματος IL σε συνδυασμό με μια ιδανική δίοδο και το μη ιδανικό τμήμα του που αποτελείται από μια αντίσταση απωλειών διαρροής του ρεύματος R sh μεταξύ των άκρων του στοιχείου παράλληλα συνδεδεμένη στα άκρα της διόδου και μια αντίσταση απωλειών στο δρόμο ροής του ρεύματος της διόδου Rs συνδεδεμένη σε σειρά με αυτήν. Σχήμα 3.14: Ισοδύναμο κύκλωμα ΦΒ. (α) Απλό και (β) Πλήρες Η αντίσταση Rsh αφορά διαδρομές του ρεύματος διαρροής στο εσωτερικό της επαφής p-n μεταξύ των σημείων που βρίσκονται σε διαφορά δυναμικού ίση με την τάση στα άκρα της διόδου. Αναλυτικότερα, οι διαδρομές αυτές αφορούν ρεύματα: 1. Διαμέσου του σώματος της διάταξης επαφής 2. Δια των εξωτερικών επιφανειών της επαφής, παράλληλα προς το ηλεκτρικό πεδίο της επαφής και 3. Διαμέσου της ηλεκτρικής διάβασης που δημιουργούν οι προσμίξεις της επαφής. Η αντίσταση Rs αφορά στην αντίσταση που παρουσιάζει η επαφή : 1. Κατά την δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το σώμα της διόδου και 2. Στις ωμικές αντιστάσεις των σημείων πρόσφυσης των ηλεκτροδίων της επαφής καθώς και κατά μήκος των μεταλλικών κλάδων τους. Η επίδραση των αντιστάσεων Rsh και Rs φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 3.14) από την οποία γίνεται φανερό ότι μικρή R sh (< 500 7) έχει ως αποτέλεσμα την έντονη ελάττωση του ρεύματος καθώς προχωρούμε προς την τάση V oc, ενώ μεγάλη Rs οδηγεί σε μείωση της μέγιστης ισχύος λόγω ότι μια αύξηση της R s περιορίζει την περιοχή τάσεων στην οποία αντιστοιχεί σταθερό ρεύμα βραχυκύκλωσης. 47

51 Σχήμα 3.15: Επίδραση σειριακής και παράλληλης αντίστασης ΠΑΡΑΓΩΝ ΠΛΗΡΩΣΗΣ FF (FILL FACTOR) Ο παράγων πλήρωσης FF της ΦΒ κυψέλης (Σχήμα 3.15) δίνεται από την σχέση: Οι τιμές του καθορίζονται από το υλικό του ΦΒ και τις συνθήκες και είναι μεταξύ 0 και 1. Η τιμή αναφοράς ελέγχου δίνεται σε πρότυπες συνθήκες (STC) και όσο πιο κοντά στη μονάδα είναι τόσο η λειτουργία του ΦΒ πλησιάζει την ιδανική συμπεριφορά της πηγής σταθερού ρεύματος στην περιοχή 0-Voc. Σε αυτήν την περίπτωση η διάταξη χαρακτηρίζεται από μικρή Rs και μεγάλη Rsh. Σχήμα 3.16: Παράγων πλήρωσης Ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους και την ένταση ακτινοβολίας που δέχονται, ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μπορεί να δώσει μέχρι V και πυκνότητα ρεύματος μέχρι 2040mA ανά cm2 της επιφανείας του. 48

52 Σχήμα 3.17: Απεικόνιση των ιδανικών αποδόσεων των πιο σημαντικών ΦΒ στοιχείων, ως συνάρτηση του ενεργειακού χάσματος των αντίστοιχων ημιαγωγών, στους 300 οκ και για AM1.5. Μέγιστος βαθμός απόδοσης συμβαίνει για ενεργειακό χάσμα στην περιοχή ev ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥ ΦΒ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Ας θεωρήσουμε ότι πάνω στην επιφάνεια ενός ΦΒ στοιχείου εμβαδού S, προσπίπτει ισχύς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, Pinc=E*S (incident), όπου E, η πυκνότητα ισχύος της. Το πηλίκο της ηλεκτρικής ισχύος Pm, που αποδίδεται από το ΦΒ στοιχείο, στο αντίστοιχο σημείο μέγιστης ισχύος, προς την προσπίπτουσα ισχύ ακτινοβολίας, P inc, καθορίζει την απόδοση ενεργειακής μετατροπής (energy conversion efficiency), η, του ΦΒ στοιχείου και δίνεται από τον τύπο: Επειδή αναφερόμαστε σε απόδοση ΦΒ στοιχείου το εμβαδόν S αντιστοιχεί στην ενεργό επιφάνεια του ΦΒ μη λαμβάνοντας υπόψη την επιφάνεια της μεταλλικής σχάρας του. Η απόδοση αυξάνεται με την αύξηση της πυκνότητας ισχύος της ακτινοβολίας Ε και μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Παρακάτω παρουσιάζονται μερικές αποδόσεις των πλαισίων ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους. 49

53 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΑ ΦΒ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Θεμελιώδεις απώλειες: Η δημιουργία φορέων μέσα στον ημιαγωγό από το φως περιλαμβάνει σημαντική μετατροπή της ενέργειας των παραγόμενων φορέων σε θερμότητα. Επιπρόσθετα ένα σημαντικό τμήμα του ηλιακού φάσματος δεν είναι χρήσιμο λόγω της ανικανότητας ενός ημιαγωγού) να απορροφήσει το φως με ενέργεια μικρότερη του ενεργειακού του χάσματος. Μπορούν να ελαττωθούν αυτές οι απώλειες; Ναι, αλλά όχι με μια απλή δομή την οποία έχουμε στο μυαλό μας αυτή τη στιγμή. Μια τέτοια διάταξη ονομάζεται ηλιακό κύτταρο πολλαπλών επικαλύψεων (tandem cell) Σχήμα 3.18 και εκπροσωπεί μια στήλη αρκετών ηλεκτρικών κυττάρων, που το καθένα λειτουργεί σύμφωνα με τις αρχές τις οποίες έχουμε περιγράψει. Το ηλιακό κύτταρο κορυφής πρέπει να κατασκευάζεται από έναν ημιαγωγό μεγάλου ΕΥ και να αξιοποιεί την ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος. Το διερχόμενο φως στη συνέχεια αξιοποιείται από το ηλιακό κύτταρο (βάσης).λυτή η διάταξη αυξάνει σημαντικά την απόδοση που μπορούμε να επιτύχουμε. Έχουν ήδη παρουσιαστεί εργαστηριακές διατάξεις έχουν ήδη επιδειχθεί που λειτουργούν με πάνω από 30% απόδοση. Οι περισσότερες από αυτές τις δομές βρίσκονται στο στάδιο του πειραματισμού αλλά μερικές διατάξεις λεπτής μεμβράνης αυτού του τύπου ίσως δεν θ αργήσουν να καρποφορήσουν. Επανασύνδεση. Μια αντίθετη διαδικασία από τη δημιουργία φορέων είναι η επανασύνδεση, όταν ένα ζεύγος ηλεκτρονίου - οπής εξαφανίζεται. Η επανασύνδεση είναι περισσότερο συνήθης στις προσμίξεις ή στις ατέλειες της κρυσταλλικής δομής ή στην επιφάνεια του ημιαγωγοί) όπου δηλαδή ενεργειακές καταστάσεις (στάθμες) μπορούν να λειτουργούν στο εσωτερικό του ενεργειακού χάσματος. Αυτές οι στάθμες λειτουργούν, σαν σκαλοπάτια για τα ηλεκτρόνια που επιστρέφουν στη ζώνη σθένους και επανασυνδέονται με τις οπές (Σχήμα 3.18). Μια σημαντική περιοχή, που συμβαίνει επανασύνδεση είναι επίσης οι ωμικές μεταλλικές επαφές στον ημιαγωγό. Σχήμα 3.18: Επανασύνδεση των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών υποβοηθούμενη από ατέλειες. Η επανασύνδεση ελαττώνει τόσο την τάση όσο και το ρεύμα εξόδου από το φωτοκύτταρο. Οι απώλειες του ρεύματος μπορούν να ομαδοποιηθούν κάτω από τον όρο συλλογική απόδοση, δηλαδή το λόγο του αριθμού των φορέων, που παράγονται από το φως, και του αριθμού που φτάνει στην επαφή. Η εξέταση της συλλογικής απόδοσης επηρεάζει τη σχεδίαση του φωτοκύτταρου. Στα κρυσταλλικά υλικά τα χαρακτηριστικά μεταφοράς είναι συνήθως καλά και η διάδοση των φορέων με απλή διάχυση είναι αρκετά αποτελεσματική. Στα άμορφα 50

54 και πολυκρυσταλλικά λεπτά ημένια όμως ηλεκτρικά πεδία χρειάζονται, για να έλξουν τους φορείς. Άλλες απώλειες ρεύματος που έχουμε στο φωτοκύτταρου, οφείλονται στην ανάκλαση του φωτός από την πρώτη επιφάνεια, στη σκίαση του φωτοκύτταρου από τις επιφανειακές επαφές, στην ελλιπή απορρόφηση του φωτός. Το τελευταίο χαρακτηριστικό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στα κρυσταλλικά φωτοκύτταρα πυριτίου από τη στιγμή που το πυρίτιο έχει φτωχά χαρακτηριστικά απορρόφησης του φωτός. Η σκίαση της επιφανειακής επαφής είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για φωτοκύτταρα που λειτουργούν κάτω από συγκεντρωμένο μεγάλης έντασης ηλιακό φως. Είναι επομένως επωφελές να εξαλείψουμε τελείως τη σκίαση, όπως στα φωτοκύτταρα σημειακής επαφής του STANFORD, μεταφέροντας και τις δύο επαφές στο πίσω μέρος του φωτοκύτταρου. Αντίσταση σειράς : Η μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται από το φωτοκύτταρο περιλαμβάνει ωμικές απώλειες. Αυτές μπορούν να ομαδοποιηθούν και να περιληφθούν στο ισοδύναμο κύκλωμα ως μια αντίσταση (Σχήμα 3-19). Φαίνεται ότι η αντίσταση αυτή σειράς επηρεάζει τη λειτουργία του ηλιακού στοιχείου κυρίως ελαττώνοντας το συντελεστή πληρότητας. Σχήμα 3.19: Η αντίσταση σειράς και η επίδρασή της πάνω στη χαρακτηριστική I-V ενός φωτοκύτταρου. Οι απώλειες τις οποίες έχουμε αναλύσει σ αυτό το τμήμα συνοψίζονται στο σχήμα Φαίνεται ότι οι θεμελιώδεις απώλειες περιορίζουν τη μέγιστη θεωρητική απόδοση ενός φωτοκύτταρου πυριτίου περίπου σε 48%. Πρόσθετες απώλειες τάσης (-36%), απώλειες ρεύματος (-10%) και απώλειες σχετιζόμενες με τον συντελεστή πληρότητας (-20%) εξηγούν το ότι η απόδοση είναι περίπου 23%, για το καλύτερο φωτοκύτταρο πυριτίου σήμερα. Υψηλότερες αποδόσεις έχουν ήδη επιτευχθεί κάτω από συγκεντρωμένο ηλιακό φως σε διατάξεις από διαφορετικά υλικά ή με δομή tandem. Το τυπικό εμπορικό φωτοκύτταρων πυριτίου έχει απόδοση 14% περίπου. Εντούτοις, νέα υλικά με απόδοση που προσεγγίζει το 18% αρχίζουν να εμφανίζονται στην αγορά. 51

55 Σχήμα 3.20: Απώλειες ισχύος μέσα στα φωτοστοιχεία. Οι αριθμοί είναι ανά τετραγωνικό εκατοστό για φωτοκύτταρα εμπορικής παραγωγής και (σε παρένθεση) για φωτοκύτταρα εργαστηρίου ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΦΒ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΗΣ ΗΜ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Η πυκνότητα ισχύος της ΗΜ ακτινοβολίας έχει άμεση εξάρτηση με την μέγιστη ισχύ που μπορεί να προσφέρει το ΦΒ στοιχείο. Όσο λιγότερη είναι η ακτινοβολία τόσο λιγότερο είναι και το ρεύμα που διαρρέει την διάταξη, αντιθέτως η τάση μέγιστου σημείου ισχύος παραμένει σχετικά σταθερή. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.21 παρακάτω, παρατηρούμε ότι: 1. το ρεύμα βραχυκύκλωσης ISC είναι ανάλογο της πυκνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (γραμμική εξάρτηση) και 2. η τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc αρχικά αυξάνει ως συνάρτηση της ακτινοβολίας και παραμένει πρακτικά σταθερή για μεγαλύτερη αύξηση της πυκνότητας ισχύος της ακτινοβολίας. 52

56 Σχήμα 3.21: Τάση Voc και ISC σε συνάρτηση με την πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ΗΜ Ακτινοβολίας ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΒ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Η I-V καμπύλη εξαρτάται τόσο από την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (W/m2) όσο και από τη θερμοκρασία (0 C). Έχοντας δει τη μεταβολή της τάσης ανοικτού κυκλώματος VOC και του ρεύματος βραχυκυκλώσεως ISC συναρτήσει της ακτινοβολίας, μπορούμε να δούμε πως μεταβάλλεται και η I-V χαρακτηριστική του κυττάρου όταν μεταβάλλεται η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία του. Συγκεκριμένα με αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας του κυττάρου : Tο ρεύμα βραχυκύκλωσης ISC αυξάνεται ελαφρά (εξαρτάται βέβαια και από την ένταση της ακτινοβολίας και οφείλεται σε μεταβολή της δυνατότητας συλλογής των φορέων, αφού και το ενεργειακό χάσμα μειώνεται με αύξηση της θερμοκρασίας). Η τάση ανοικτού κυκλώματος VOC μειώνεται (οφείλεται σε μεταβολή των χαρακτηριστικών αγωγής της διόδου). Η ισχύς Pm (Pmpp ή Pmax) μειώνεται ενώ μεταβάλλεται και η μορφή της καμπύλης (το σημείο μέγιστης ισχύος της καμπύλης γίνεται πιο στρογγυλεμένο με αύξηση της θερμοκρασίας Σχήμα 3.22: Μεταβολή της καμπύλης I V με την αύξηση της θερμοκρασίας για ακτινοβολία 1000W/m2 53

57 Σχήμα 3.23: Μεταβολή της ισχύος σε συνάρτηση με την θερμοκρασία για ακτινοβολία1000w/m ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ ΦΒ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Τα βασικά χαρακτηριστικά, τα οποία ελέγχονται σε ένα ΦΒ στοιχείο παρασκευασμένο στο εργαστήριο καθώς επίσης και στο τελικά διατιθέμενο βιομηχανικό προϊόν, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, είναι η ενεργειακή απόδοση, η, ο παράγων πλήρωσης, ff, το ρεύμα βραχυκύκλωσης, ISC και η τάση ανοικτού κυκλώματος, V OC, σε συγκεκριμένες συνθήκες φωτισμού (πυκνότητα ισχύος και φάσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ) και θερμοκρασίας του στοιχείου. Η γνώση των χαρακτηριστικών αυτών μεγεθών επιτρέπει τον έλεγχο της αποδοτικότητας του ΦΒ στοιχείου κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, που αντιπροσωπεύουν τυπικές συνθήκες της ηλιακής ακτινοβολίας. Για το σκοπό αυτό, καθορίστηκαν διεθνώς, οι ακόλουθες πρότυπες συνθήκες ελέγχου των χαρακτηριστικών ενός ΦΒ στοιχείου ή ΦΒ πλαισίου (Standard Test Conditions, STC). Πρότυπες συνθήκες ελέγχου - Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πυκνότητας ισχύος 1 kw/m 2 και φάσματος αντίστοιχου του ηλιακού με AM1.5 (κάθετη πρόσπτωση) - Θερμοκρασία του ΦΒ στοιχείου ίση με 250οC±20οC Όταν τα module βρίσκονται υπό λειτουργία δεν λειτουργούν υπό στάνταρ συνθήκες. Έτσι ορίστηκε μια άλλη συνθήκη που ονομάστηκε ''normal operation condition'', για την οποία ισχύουν οι παρακάτω συνθήκες. Ακτινοβολία: 800W/m2 Θερμοκρασία αέρα = 20ºC Ταχύτητα ανέμου = 1m/s Φασματική κατανομή = ΑΜ 1.5 (air mass 1.5) Σε αυτή την περίπτωση η θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών κυψελών θα εξαρτάται από την θερμοκρασία του αέρα, την ταχύτητα του ανέμου και την θερμική απόδοση του module. Στα ειδικά εργαστήρια ελέγχου και πιστοποίησης των χαρακτηριστικών των ΦΒ στοιχείων, ο χώρος ελέγχου βρίσκεται στην προκαθορισμένη θερμοκρασία των 250οC. Το φάσμα εκπομπής της χρησιμοποιούμενης πηγής φωτισμού, προσομοιάζεται προς το ηλιακό, του 54

58 συγκεντρωμένου φάσματος (AM1.5). Η πηγή αυτή λειτουργεί στιγμιαία (Flash), ώστε η θερμοκρασία του υλικού του ΦΒ στοιχείου να παραμένει στα προκαθορισμένα όρια των πρότυπων συνθηκών. Επιπλέον, η ακτινοβολία από την τεχνητή πηγή προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια του ΦΒ πλαισίου. Συνεπώς οι πρότυπες συνθήκες αφορούν εργαστηριακό περιβάλλον. Στην πράξη, τα ΦΒ στοιχεία, ενσωματωμένα στη μονάδα που ονομάζεται ΦΒ πλαίσιο, λειτουργούν κάτω από φυσικό ηλιακό φως, του οποίου τα χαρακτηριστικά μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της ημέρας καθ'όλο το έτος. Επιπλέον, η αποδιδόμενη ημερήσια ηλεκτρική ενέργεια εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και από τις ιδιαίτερες κλιματικές συνθήκες του τόπου εγκατάστασης. Σε ορισμένα εργαστήρια (πχ. στο National Renewable Energy Laboratory, NREL) πραγματοποιούνται μετρήσεις χαρακτηριστικών των ΦΒ στοιχείων- πλαισίων χρησιμοποιώντας φυσικό ηλιακό φως με τα χαρακτηριστικά των πρότυπων συνθηκών. 3.6 ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ Οι συνδέσεις που μπορούν να προκύψουν είναι η σύνδεση σε σειρά, η παράλληλη σύνδεση και η μικτή σύνδεση. Στη σύνδεση σε σειρά συνδέεται ο αρνητικός πόλος του ενός πλαισίου με τον θετικό του επόμενου κ.ο.κ ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΕ ΣΕΙΡΑ Το ρεύμα σε συνδεσμολογία κυψελών σε σειρά είναι το ίδιο σε κάθε σημείο της συνδεσμολογίας, ίδιο με αυτό που παράγεται από μία κυψέλη. Εάν μία κυψέλη με χαρακτηριστικά χαμηλού ρεύματος συνδεθεί σε μια συνδεσμολογία με άλλες κυψέλες που έχουν χαρακτηριστικά υψηλότερου ρεύματος, η συνδεσμολογία θα περιοριστεί στο ρεύμα της κυψέλης χαμηλού ρεύματος. Σχήμα 3.24: Σύνδεση σε σειρά V=V1+V2 Και I=I1=I2 Η τάση σε μία εν σειρά συνδεσμολογία κυψελών είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων κάθε κυψέλης. Υποθέτοντας όμοιες κυψέλες, η τάση μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο: Vσειράς= (Αριθμός κυψελών)*( Vmax μιας κυψέλης) 55

59 Η παραγόμενη ισχύς από μία συνδεσμολογία κυψελών ισούται με το ρεύμα της συνδεσμολογίας πολλαπλασιαζόμενο με την τάση της. Οι μεμονωμένες κυψέλες μπορεί να λειτουργούν σε διαφορετικές τάσεις, αλλά κάθε μία κυψέλη θα λειτουργεί με το ίδιο ρεύμα όπως και οι άλλες στη συνδεσμολογία. Σχήμα 3.25: Τέσσερις ηλιακές κυψέλες συνδεδεμένες σε σειρά Στο σχήμα 3.25 φαίνεται πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά I-V των μεμονωμένων κυψελών για να διαμορφώσουν την καμπύλη I-V της εν σειρά συνδεσμολογίας, ενώ στο σχήμα 3.27 παρουσιάζεται μία παράλληλη συνδεσμολογία από τέσσερις κυψέλες και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος αυτών ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΣΥΝΔΕΣΗ Σχήμα 3.26: Σύνδεση παράλληλα V=V1=V2 Και 56 I=I1+I2

60 Το παραγόμενο ρεύμα από μια ομάδα κυψελών συνδεδεμένων παράλληλα ισούται με το άθροισμα των μεμονωμένων ρευμάτων κάθε κυψέλης. Υποθέτοντας παρόμοιες κυψέλες, το ρεύμα μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: Iπαράλληλα= (Αριθμός κυψελών)*( Imax μιας κυψέλης) Η τάση μεταξύ δύο κόμβων μιας ομάδας κυψελών συνδεδεμένων παραλλήλα είναι ίση με την τάση κάθε κυψέλης: Vπαράλληλα = Vmax μιας κυψέλης Η ισχύς που παράγεται από κυψέλες συνδεδεμένες παραλλήλα είναι ίση με το παράλληλο ρεύμα πολλαπλασιασμένο με την παράλληλη τάση της. Όταν μια ομάδα κυψελών συνδέεται παράλληλα, οι μεμονωμένες κυψέλες μπορεί να παράγουν διαφορετικά ρεύματα, αλλά κάθε κυψέλη θα λειτουργεί στην ίδια τάση. Στο σχήμα 3.27 φαίνεται πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά I-V των μεμονωμένων κυψελών για να διαμορφώσουν την καμπύλη I-V της ομάδας των κυψελών παραλλήλα, ενώ στο σχήμα 3.28 απεικονίζονται ομάδες κυψελών παραλλήλα και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος αυτών. Σχήμα 3.27: Καμπύλες I-V για μία και τέσσερις κυψέλες συνδεδεμένες παράλληλα Σχήμα 3.28: Μία, δύο και τρεις κυψέλες συνδεδεμένες παράλληλα 57

61 Μία συνηθισμένη τιμή νια τις τάσεις V1 και V2 με καλή πυκνότητα ακτινοβολίας είναι 0,4V-1,0V, ενώ τα ρεύματα I1, I2 εξαρτώνται από την επιφάνεια των αντιστοίχων ηλιακών κυψελών. Συνήθεις πρακτικές τιμές αυτών είναι 20 ma/cm 2-40 ma/cm2 της επιφάνειας της κυψέλης. Όταν πολλές διατάξεις συνδεθούν μεταξύ τους παράλληλα προκύπτει ένας φωτοβολταϊκός συλλέκτης. Στους φωτοβολταϊκούς συλλέκτες οι ηλιακές κυψέλες συνδεσμολογούνται μικτά. Με κατάλληλη συνδεσμολογία των συλλεκτών προκύπτουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και αυτά συνδεόμενα στη σειρά μεταξύ τους δίνουν τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Για να αποφευχθεί η ροή ρεύματος μεταξύ των παράλληλων κλάδων των ηλιακών συλλεκτών τοποθετούνται δίοδοι έλεγχου της ροής του ρεύματος στην έξοδο κάθε παράλληλου κλάδου, οι οποίες ονομάζονται δίοδοι διέλευσης. Εν γένει, ένα πλαίσιο προσφέρεται από τον κατασκευαστή με ενσωματωμένη μια δίοδο διέλευσης, η οποία συνδέεται παράλληλα με ολόκληρο το πλαίσιο. Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, η δίοδος δεν κάνει τίποτα εκτός από το να καταναλώνει μία ελάχιστη ποσότητα ισχύος. Εάν σκιαστεί ή υποστεί βλάβη μέρος του πλαισίου, η δίοδος διέλευσης εκτρέπει το ρεύμα μέσω αυτής και γύρω από το πλαίσιο. Χωρίς τη δίοδο, το πλαίσιο που σκιάζεται ή έχει υποστεί βλάβη διοχετεύει το ρεύμα υπό μορφή θερμότητας και τελικά καταστρέφεται. Οι δίοδοι αντεπιστροφής εγκαθίστανται για να αποτρέψουν την αντιστροφή της ροής του ρεύματος προς τα πλαίσια. Μια δίοδος αντεπιστροφής συνδέεται συνήθως εν σειρά μεταξύ της συστοιχίας και των μπαταριών. Άντι αυτού, εάν ένας αριθμός συνδεσμολογιών συνδέονται εν σειρά, οι δίοδοι αντεπιστροφής μπορούν να συνδεθούν εν σειρά με κάθε μία συνδεσμολογία. Ενίοτε ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στα φωτοβολταϊκά συστήματα για τη ρύθμιση της ισχύος εξαλείφει την ανάγκη προσθήκης μιας διόδου αντεπιστροφής. 58

62 4 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στη μέχρι τώρα ανάλυση έχει γίνει λόγος για φωτοβολταϊκά στοιχεία, τα οποία όμως αποδίδουν πολύ μικρές τιμές ισχύος για να είναι εκμεταλλέυσιμες στις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές. Γι αυτό το λόγο συνήθως γίνεται σύνδεση πολλών φωτοβολταϊκών στοιχείων έτσι ώστε να αποτελέσουν ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Οι εξισώσεις και τα σχήματα που έχουν παρουσιαστεί μέχρι τώρα μπορούν να θεωρηθούν ότι αναφέρονται τόσο σε φωτοβολταϊκά στοιχεία όσο και σε φωτοβολταϊκά πλάισια. Τα φωτοβλταϊκά πλάισια μπορούν να θεωρηθούν ως βασικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας οι οποίες όμως συνδυαζόμενες αποδίδουν μεγαλύτερη τάση, ένταση ή και ισχύ ανάλογα με την εφαρμογή στην οποία πρόκειαι να αξιοποιηθούν. Προκύπτει λοιπόν ανάγκη σύνδεσής τους κατά τρόπο που να ικανοποιεί τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής. 4.1 ΟΡΟΛΟΓΙΑ Φωτοβολταϊκό στοιχείο (PV cell): Η ηλεκτρονική διάταξη που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν δέχεται ακτινοβολία. Λέγεται ακόμα φωτοβολταϊκό κύτταρο ή φωτοβολταϊκή κυψέλη. Φωτοβολταϊκό πλαίσιο (PV module): Ένα σύνολο φωτοβολταϊκών στοιχείων που είναι ηλεκτρονικά συνδεδεμένα. Αποτελεί τη βασική δομική μονάδα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Φωτοβολταϊκό πανέλο (PV panel): Ένα ή περισσότερα φωτοβολταϊκά πλαίσια, που έχουν προκατασκευαστεί και συναρμολογηθεί σε ενιαία κατασκευή, έτοιμη για να εγκατασταθεί σε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση. Φωτοβολταϊκή συστοιχία (PV array): Μια ομάδα από φωττοβολταϊκά πλαίσια ή πλαίσια με ηλεκτρική αλληλοσύνδεση, τοποθετημένα συνήθως σε κοινή κατασκευή στήριξης. Φωτοβολταϊκή γεννήτρια (PV generator): Το τμήμα μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης που περιέχει φωτοβολταϊκά στοιχεία και παράγει συνεχές ρεύμα. Αντιστροφέας ή μετατροπέας (inverter): Ηλεκτρονική συσκευή που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Ρυθμιστής φόρτισης (charge controller): Συσκευή που χρησιμοποιείται σε αυτόνομα συστήματα για να ρυθμίζει τη φόρτιση των συσσωρευτών. 59

63 4.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Η τάση και η ισχύς ενός ΦΒ στοιχείου είναι πολύ μικρή για να ανταποκριθεί στην τροφοδότηση των συνηθισμένων ηλεκτρικών καταναλώσεων ή για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Για αυτό το λόγο τα ΦΒ στοιχεία τοποθετούνται σε ένα ενιαίο πλαίσιο με κοινή ηλεκτρική έξοδο. Στο πλαίσιο αυτό, τα στοιχεία συνδέονται σε σειρά, σε ομάδες κατάλληλου πλήθους για την απόκτηση επιθυμητής τάσης. Τα πλαίσια είναι προκατασκευασμένα στο εργοστάσιο. Τα ηλιακά στοιχεία στερεώνονται με κολλητική ουσία σε ένα ανθεκτικό φύλλο από μέταλλο (συνήθως αλουμίνιο) ή από ενισχυμένο πλαστικό, που αποτελεί την πλάτη του πλαισίου, ενώ η εμπρός όψη τους καλύπτεται από ένα προστατευτικό φύλλο γυαλιού ή διαφανούς πλαστικού. Το εμπρός και πίσω φύλλο συγκρατούνται μεταξύ τους, στεγανά και μόνιμα, με τη βοήθεια μιας ταινίας από φυσικό ή συνθετικό ελαστικό και συσφίγγονται με ένα περιμετρικό μεταλλικό περίβλημα. Διαμορφώνεται έτσι το ΦΒ πλαίσιο (module), που είναι η δομική μονάδα που κατασκευάζεται βιομηχανικά και κυκλοφορεί στο εμπόριο για να χρησιμοποιηθεί ως συλλέκτης στη συγκρότηση ΦΒ γεννητριών. Λόγω των απαιτούμενων υλικών και εργασιών για την κατασκευή του, το κόστος προκύπτει σημαντικά μεγαλύτερο από τα ΦΒ στοιχεία που περιέχουν. Συνώνυμο σχεδόν με το ΦΒ πλαίσιο είναι το ΦΒ πάνελ (panel). Όπως και το πλαίσιο, έχει συναρμολογηθεί και προκατασκευαστεί στο εργοστάσιο και είναι έτοιμο για τοποθέτηση σε ΦΒ εγκατάσταση, αλλά με τη διαφορά ότι ένα πάνελ μπορεί να αποτελείται από περισσότερα χωριστά πλαίσια (το ένα δίπλα στο άλλο) που είναι σε κοινή συσκευασία και κοινή ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους. Τα τελευταία χρόνια σχεδόν όλες οι εταιρίες που κατασκευάζουν ΦΒ στοιχεία, δεν διαχωρίζουν τα πλαίσια από τα πλαίσια. Το προϊόν που παράγεται ονομάζεται ΦΒ πλαίσιο (module) και διατίθεται σε ποικιλία, όσον αφορά την ισχύ που παράγει, την τάση και τελικά τις διαστάσεις του. Για αυτό τον λόγο παρακάτω θα γίνεται αναφορά μόνο σε ΦΒ πλαίσια. 4.3 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΦΒ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΟΝΑΔΩΝ Ένα σχηματικό διάγραμμα μιας ΦΒ γεννήτριας που αποτελείται από αρκετές βασικές μονάδες παρουσιάζεται στο σχήμα (4.1). Επιπρόσθετα, πέρα από τις φωτοβολταϊκές βασικές μονάδες η γεννήτρια περιέχει διόδους παράκαμψης και παρεμπόδισης. Αυτές οι δίοδοι προστατεύουν βασική μονάδα και αποτρέπουν τη γεννήτρια από το να ενεργεί ως ένα φορτίο στο σκοτάδι. Σχήμα 4.1: Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια. 60

64 Οι βασικές μονάδες συνδέονται σε σειρά για να σχηματίσουν ταινίες, στις οποίες ο αριθμός των βασικών μονάδων Ns καθορίζεται από την επιλεγμένη τάση DC που υπάρχει στους αγωγούς διέλευσης και ο αριθμός των παράλληλων ταινιών Νρ δίνεται από το ρεύμα που απαιτείται από τη γεννήτρια. Για τη γεννήτρια στο Σχήμα 4.1, Ns=2 και Νρ=3. Η τάση εξόδου επομένως θα μπορούσε να είναι διπλάσια της τάσης της βασικής μονάδας και το ρεύμα αυτής τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό της βασικής μονάδας. Αυτή η ανάλυση προϋποθέτει ότι όλες οι βασικές μονάδες είναι όμοιες. Πρακτικά οι βασικές μονάδες (και τα ηλιακά στοιχεία) δεν είναι όμοια και oι παράμετροι τους παρουσιάζουν ένα συγκεκριμένο βαθμό διαφοροποίησης για δυο κυρίως λόγους Τα ηλιακά στοιχεία και οι βασικές μονάδες ποικίλλουν σε ποιότητα, καθώς αυτή είναι αποτέλεσμα της διαδικασίας της βιομηχανοποίησης. Γενικότερα το ρεύμα που παράγεται από εμπορικές βασικές μονάδες παρουσιάζει μεγαλύτερη διαφοροποίηση από την τάση. Διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες ίσως υπάρχουν σε διαφορετικά τμήματα της ΦΒ διάταξης. Για παράδειγμα, μπορεί να υπάρχει διαφορετική καθαρότητα των διαφόρων τμημάτων της ΦΒ γεννήτριας ή μερικές βασικές μονάδες ίσως σκιάζονται από ένα σύννεφο το οποίο καλύπτει μόνο ένα μέρος της σειράς. Αυτή η διαφοροποίηση των παραμέτρων ενός στοιχείου έχει δυο σημαντικά αποτελέσματα. Πρώτα η ισχύς εξόδου της γεννήτριας είναι μικρότερη από το άθροισμα των τιμών που αντιστοιχούν σε όλες τις βασικές μονάδες του συστήματος. Αυτό προκαλεί απώλειες λόγω της κακής προσαρμογής. Αυτές οι απώλειες μπορούν να ελαχιστοποιηθούν βραχυκυκλώνοντας τις βασικές μονάδες πριν την εσωτερική σύνδεσή τους και σχηματίζοντας σειρές από βασικές μονάδες με όμοιες τιμές του ρεύματος βραχυκυκλώματος. Κατά δεύτερον, υπάρχει η δυνατότητα υπερθέρμανσης του φτωχότερου ηλεκτρικού στοιχείου μιας σειράς. Σε μερικές περιπτώσεις ένα στοιχείο μπορεί να λειτουργεί ως ''φορτίο'' για τα άλλα στοιχεία που ενεργούν ως ''γεννήτριες''. Συνεπώς, αυτό το στοιχείο καταναλώνει ενέργεια και η θερμοκρασία του αυξάνεται. Εάν η θερμοκρασία του ηλεκτρικού στοιχείου αυξηθεί πάνω από ένα όριο (85100οC), τα στερεωτικά υλικά μπορεί να πάθουν βλάβη και αυτό θα μειώσει την αποτελεσματικότητα όλης της βασικής μονάδας. Αυτό ονομάζεται σχηματισμός ''ζεστής κηλίδας'' (Hot Spot). Αυτό το φαινόμενο εμφανίζεται στο σχήμα 4.2 που παρουσιάζει ένα στοιχείο το οποίο δεν παράγει ρεύμα μέσα σε μια ταινία, αυτό μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, όταν το στοιχείο σκιάζεται. Στο κεφάλαιο 3 μάθαμε ότι ένα ηλεκτρικό στοιχείο στο σκοτάδι ενεργεί ως μια δίοδος. Η σκίαση ενός ηλεκτρικού στοιχείου, το μετατρέπει σε μια δίοδο κάτω από ανάστροφη πόλωση, μηδενίζοντας μ'αυτόν τον τρόπο την παραγωγή ρεύματος από όλη την ταινία. Ακόμη περισσότερο, το σκιασμένο στοιχείο θα καταναλώσει όλη την παραγόμενη ισχύ των φωτισμένων στοιχείων στην ταινία, η οποία μπορεί να είναι σημαντική, εάν η ταινία είναι μεγάλη. Σχήμα 4.2: Σχηματισμός ζεστής κηλίδας. 61

65 H κοινή τεχνική που χρησιμοποιείται για να απαλύνει αυτό το φαινόμενο είναι η χρησιμοποίηση διόδων παράκαμψης, οι οποίες συνδέονται στα άκρα ομάδας αρκετών στοιχείων μιας ταινίας (Σχήμα 4.1). Αυτό περιορίζει την ισχύ, που καταναλώνεται σ αυτή την ομάδα, και παρέχει μια οδό χαμηλής αντίστασης για το ρεύμα της βασικής μονάδας. 4.4 ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ ΕΝΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ. Ισχύς αιχμής ενός πλαισίου Pp: είναι η μέγιστη ισχύς με την οποία αυτό αποδίδει ηλεκτρική ενέργεια κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου STC. Έστω για παράδειγμα ότι η ισχύς αιχμής ενός πλαισίου είναι 300Wp. Αυτό σημαίνει ότι όταν το πλαίσιο δέχεται ακτινοβολία πυκνότητας ισχύος E=1kW/m2, φάσματος ΑΜ1,5 και η θερμοκρασία του είναι 25 C τότε παράγει ηλεκτρική ενέργεια με ισχύ 300W. Κατά την λειτουργία του σε πραγματικές συνθήκες η θερμοκρασία του πλαισίου είναι διαφορετική από τους 25 C και η πυκνότητα ισχύος της ΗΜ ακτινοβολίας από 0 ως 1200 W/m. Η μέγιστη παραγόμενη ισχύς είναι διαφορετική και μάλιστα μικρότερη από την ισχύ αιχμής του. Μερικά από τα συνήθη στοιχεία των φβ πλαισίων που δίνουν οι κατασκευαστές για τις Πρότυπες Συνθήκες Ελέγχου (STC) είναι η ισχύς αιχμής P p, η ένταση ρεύματος βραχυκύκλωσης Isc και τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc Σε κάθε πλαίσιο μπορεί να αναγράφεται επιπλέον και η θερμοκρασία την οποία αποκτά το πλαίσιο σε καθορισμένες συνθήκες περιβάλλοντος που προσεγγίζουν μια μέση πραγματική κατάσταση. Αντιπροσωπευτικές τιμές αυτής της θερμοκρασίας μπορεί να είναι 45-50oC. Η περιοχή αυτή των θ αφορά τη μέση κατάσταση του υλικού του φβ στοιχείου στο χρονικό διάστημα 2-3 ώρες πριν και μετά το μεσημέρι μιας αίθριας καλοκαιρινής μέρας σε μέσα γεωγραφικά πλάτη. Χαρακτηρίζεται ως Ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας ΦΒ κυψελίδας. Nominal Operating Cell Temperature-NOCT conditions. Χαμηλή NOCT για την κυψελίδα σημαίνει ότι αποβάλλει ταχύτερα στο περιβάλλον το μέρος εκείνο της ηλιακής ακτινοβολίας που συμβάλλει ουσιαστικά στην αύξηση της θερμοκρασίας του. Άρα όσο μικρότερη είναι η NOCT για ένα πλαίσιο τόσο μικρότερη είναι η μείωση της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος σε σχέση με άλλο πλαίσιο ίδιας ισχύος αιχμής το οποίο όμως έχει μεγαλύτερη NOCT. 4.5 ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΒ ΠΛΑΙΣΙΟΥ Σημαντικοί κανόνες για την μεγιστοποίηση της ηλεκτρικής παραγωγής από ΦΒ πλαίσια : Απαιτείται επαρκής, ελεύθερος και ασκίαστος χώρος. Χρειάζονται περίπου 10m2 για κάθε kw αν χρησιμοποιηθούν τα συνηθισμένα κρυσταλλικά ΦΒ του εμπορίου. Αν τοποθετηθούν άμορφα ΦΒ, το συνολικό κόστος θα είναι περίπου το ίδιο ή και μικρότερο, θα απαιτηθεί όμως 2-2,5 φορές μεγαλύτερη επιφάνεια. Ο χώρος πρέπει να είναι 100% ασκίαστος καθ'όλη τη διάρκεια της ημέρας. Τα ΦΒ παρουσιάζουν τη μέγιστη απόδοση όταν έχουν νότιο προσανατολισμό. Αποκλίσεις από το νότο έως και 45 είναι επιτρεπτές, μειώνουν όμως την απόδοση. Επίσης απαιτείται σωστή κλίση του ΦΒ σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο. Σκοπός είναι να επιλέγεται μια κλίση που να δίνει τα καλύτερα αποτελέσματα καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Για τον Ελλαδικό χώρο η βέλτιστη κλίση είναι περίπου 30ο-31ο. 62

66 Ο στιγμιαίος συντελεστής απόδοσης ενός ΦΒ πλαισίου, εμβαδού S, προσδιορίζεται από το πηλίκο της αποδιδόμενης μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος Pm προς την προσπίπτουσα στο πλαίσιο ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας E*S, όπου E η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του πλαισίου: Εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής του, την θερμοκρασία των ΦΒ κυψελών και την πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση τους είναι μικρότερη της αντίστοιχης της ΦΒ κυψέλης (ΦΒ στοιχείο) εργαστηριακής παραγωγής επειδή: 1. η μη πλήρης κάλυψη της επιφάνειας του από ΦΒ κυψέλες, η οποία καθορίζεται από τον παράγοντα κάλυψης (PF Packing Factor), που αποτελεί το πηλίκο της πραγματικής επιφάνειας των ΦΒ κυψελών προς την επιφάνεια του ΦΒ πλαισίου (εικόνα 4.3). 2. η ανομοιογένεια των ΦΒ κυψελών που συνθέτουν το ΦΒ πλαίσιο και 3. η ανακλαστικότητα του υαλοπίνακα του πλαισίου. Σχήμα 4.3: Παραδείγματα διαφορετικής διάταξης ΦΒ κυψελών Η υψηλή θερμοκρασία των ΦΒ στοιχείων του πλαισίου και η εισχώρηση υγρασίας στο εσωτερικό του με αποτέλεσμα την αλλοίωση της δομής της κυψελίδας καθώς και η ρύπανση της επιφάνειας του, όπως π.χ. από τη σκόνη, μειώνουν την ενεργειακή απόδοση του. Εν συντομία οι κυριότερες απώλειες που συντελούν στην μείωση του στιγμιαίου συντελεστή απόδοσης nm του ΦΒ πλαισίου είναι: η γήρανση του ΦΒ πλαισίου οι απώλειες οπτικού δρόμου και θερμοκρασίας κυψελίδας και στις απώλειες στη δίοδο αντεπιστροφής. 63

67 Ο συντελεστής απόδοσης nm μπορεί να αποδοθεί και ως γινόμενο των επιμέρους στιγμιαίων συντελεστών ενεργειακών απωλειών από την σχέση: όπου, nκαθ Συντελεστής καθαρότητας υαλοπίνακα ΦΒ πλαισίου nr: Συντελεστής απόκλισης λόγω διαφοροποίησης της ανακλαστικότητας σε γωνίες πρόσπτωσης διάφορες της καθέτου του ΦΒ πλαισίου nli: Συντελεστής απόκλισης στην περιοχή χαμηλών τιμών πυκνότητας ισχύος της ακτινοβολίας ns: Συντελεστής φασματικής απόκλισης λόγω διαφορετικού φάσματος σε σχέση με το φάσμα ΑΜ1,5 (STC) np: Συντελεστής απόκλισης εξαιτίας της πόλωσης της ηλιακής ακτινοβολίας nt: Συντελεστής απόκλισης της απόδοσης του ΦΒ πλαισίου εξαιτίας της διαφοροποίησης της θερμοκρασίας της κυψέλης σε σχέση με την θερμοκρασία αναφοράς 25 C. nd: Συντελεστής απωλειών στη δίοδο αντεπιστροφής nm,stc: Συντελεστής απόδοσης ΦΒ πλαισίου σε πρότυπες συνθήκες (STC) Η τελική τιμή του συντελεστή απόδοσης καθορίζεται και από τον παράγοντα γήρανσης του ΦΒ πλαισίου nγ,m. 4.6 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ Παράγων ή συντελεστής γήρανσης nγ,m Αφορά στη μείωση της απόδοσης των ΦΒ πλαισίων στο χρόνο ζωής τους και εκφράζεται συνήθως με το ποσοστό γήρανσης ανά έτος χρήσης. Προσδιορίζει την ελάττωση της απόδοσής τους άρα και της ισχύος αιχμής και οφείλεται κυρίως σε υπερθερμάνσεις των ΦΒ κυψελών που καταστρέφουν την δομή του υλικού τους. Σχήμα 4.4: (α) Παράδειγμα γήρανσης ΦΒ κυττάρου όπου φαίνεται ο αποχρωματισμός του και το ράγισμα του γυαλιού κάλυψης (β) Πίσω όψη του πλαισίου όπου φαίνεται σπασμένο το ειδικό πλαστικό υλικό προστασίας από την υγρασία Μετρήσεις μακράς διάρκειας σε πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου, δίδουν μείωση της αποδοτικότητάς του κάτω από πρότυπες συνθήκες,~1% κατά έτος χρήσης (ρυθμός γήρανσης). 64

68 Οπτικές ενεργειακές απώλειες Αποτελούν όλες εκείνες τις απώλειες που καθορίζονται από την απόκλιση της απόδοσης σε σχέση με τις πρότυπες συνθήκες, λόγω των παρακάτω αιτιών: Διαφοροποίηση ανακλαστικότητας ΦΒ πλαισίου σε σχέση με την αντίστοιχη σε STC. Επίδραση διαφοροποίησης φάσματος ακτινοβολίας σε σχέση με το AM1,5 (STC) Απώλειες διαφοροποίησης της πόλωσής Απώλειες χαμηλών τιμών πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας Καθαρότητα όψεως του ΦΒ πλαισίου Απώλειες από σκίαση Επίδραση της ρύπανσης στην απόδοση Ένας άλλος παράγοντας που μπορεί να μειώσει την ηλεκτροπαραγωγή των ΦΒ πλαισίων, ιδίως όταν έχουν μικρή κλίση, είναι η ρύπανση της επιφάνειάς τους από την επικάθιση σκόνης, φύλλων, χιονιού κ.α. Η μείωση είναι σημαντικότερη σε αστικές περιοχές λόγω της αιθάλης που αιωρείται στην ατμόσφαιρα και προσκολλάται ισχυρά στην γυάλινη ή πλαστική επιφάνεια των ΦΒ πλαισίων, χωρίς να μπορεί η βροχή εύκολα να τη ξεπλύνει. 65

69 Επομένως είναι σημαντικό όταν η ΦΒ γεννήτρια πρόκειται να εγκατασταθεί σε μια περιοχή, που εκτιμάται ότι η ρύπανσή της θα είναι σημαντική να προβλεφθεί στους υπολογισμούς η αντίστοιχη μείωση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με τη χρησιμοποίηση ενός αδιάστατου συντελεστή καθαρότητας (σρ). Ο συντελεστής αυτός ορίζεται ως ο λόγος της ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το ρυπασμένο ΦΒ πλαίσιο προς την ηλεκτρική ισχύ που παράγει όταν η επιφάνειά του είναι τελείως καθαρή. Η τιμή του σ ρ είναι τόσο μικρότερη από τη μονάδα, όσο εντονότερη είναι η ρύπανση του περιβάλλοντος, όσο μικρότερη είναι η κλίση του ΦΒ πλαισίου, όσο σπανιότερες είναι οι βροχές στην περιοχή κλπ. Τελικά η απόδοση ενός ΦΒ πλαισίου, λαμβάνοντας υπόψη την ρύπανση της επιφάνειάς του, προκύπτει: όπου ηm,κ η απόδοσή του, όταν είναι καθαρό. Ενδεικτική απόδοση ανάλογα με τον προσανατολισμό και την κλίση 66

70 Θερμοκρασία ΦΒ κυψέλης Περιγράφει τη διαφοροποίηση της απόδοσης του ΦΒ πλαισίου, λόγω της διαφορετικής θερμοκρασίας λειτουργίας της κυψέλης σε σχέση με την θερμοκρασία της στις πρότυπες συνθήκες (STC) και δίνεται από την ίδια σχέση που χρησιμοποιείτε στην περίπτωση μεμονωμένου ΦΒ στοιχείου : όπου,, ο θερμικός συντελεστής μέγιστης ισχύος του ΦΒ στοιχείου θc, θερμοκρασία κυψέλης θεωρούμενη ίδια για όλες τις κυψέλες. Μια αναλυτική έκφραση για την εξάρτηση της θερμοκρασίας της κυψέλης από τις συνθήκες περιβάλλοντος, είναι: όπου, θα, η θερμοκρασία του περιβάλλοντα αέρα Gt, η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του ΦΒ πλαισίου Β, εμπειρικός συντελεστής ws, η ταχύτητα του ανέμου Τ1,Τ2, εμπειρικοί συντελεστές που υπολογίζονται βάση τις οριακές τιμές της θερμοκρασίας της κυψέλης σε χαμηλές και υψηλές ταχύτητες ανέμου αντίστοιχα και Δθ, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της κυψέλης και της πίσω επιφάνειας του ΦΒ πλαισίου. Συντελεστής απωλειών στη δίοδο αντεπιστροφής Περιγράφει τις απώλειες που προέρχονται από την δίοδο αντεπιστροφής που τοποθετείται για να αποτρέπεται η εκφόρτιση του συσσωρευτή διαμέσου της ΦΒ συστοιχίας όταν αυτή δεν φωτίζεται. 4.7 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ Σε μια ΦΒ εγκατάσταση που έχει σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή λειτουργεί ως σταθμός παραγωγής, μπορεί να χρησιμοποιηθούν εκατοντάδες ή και χιλιάδες ΦΒ πλαίσια. Όπως είναι αναμενόμενο τα ΦΒ πλαίσια πρέπει να ομαδοποιηθούν και να συνδεθούν κατάλληλα. Για την αύξηση της αξιοπιστίας ενός ΦΒ συστήματος είναι σκόπιμο οι συνδέσεις των ΦΒ στοιχείων μέσα στα πλαίσια, αλλά και ανάμεσα στα πλαίσια να μην είναι μόνο στη σειρά αλλά και παράλληλες. Με αυτόν τον τρόπο, αν ένα ΦΒ στοιχείο σκιαστεί ή αν πάθει βλάβη δεν θα μηδενιστεί η ισχύς που παράγει το σύστημα. Έτσι τα ΦΒ πλαίσια ομαδοποιούνται σε ΦΒ συστοιχίες και τοποθετούνται σε κοινή βάση στήριξης, η οποία είναι συνήθως μεταλλική. Η σύνδεση των πλαισίων στη σειρά ή παράλληλα γίνεται έτσι ώστε να η τάση εξόδου της γεννήτριας να αποκτήσει την επιθυμητή τιμή. Η σχέση του ΦΒ πλαισίου με την ΦΒ συστοιχία και την ΦΒ γεννήτρια φαίνεται στο σχήμα

71 Σχήμα 4.5: Η σχέση ανάμεσα στο ΦΒ στοιχείο, το ΦΒ πλαίσιο, τη ΦΒ συστοιχία και το ΦΒ πάρκο. 68

72 5 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΦΒ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πυρίτιο είναι ένας ημιαγωγός με έμμεσο ενεργειακό χάσμα 1,1eV. Αν και οι δύο αυτές ιδιότητές του, δηλαδή έμμεσο και σχετικά μικρή τιμή ενεργειακού χάσματος δεν είναι ιδεώδεις για την φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας, το πυρίτιο είναι ο ημιαγωγός που κυριάρχησε από την αρχή αλλά μέχρι και σήμερα, σαν υλικό κατασκευής ΦΒ στοιχείων. Οι λόγοι για τους οποίους συμβαίνει αυτό έχουν να κάνουν με το γεγονός ότι το πυρίτιο είναι το κύριο υλικό των διατάξεων ηλεκτρονικής για πολλές δεκαετίες. Επομένως οι ιδιότητες του είναι καλά μελετημένες και το υλικό κυκλοφορεί στη αγορά σε αρκετά μεγάλες ποσότητες, με ικανοποιητική χημική καθαρότητα και τελειότητα κρυσταλλικής δομής, με την χρησιμοποίηση τεχνολογικών μεθόδων δοκιμασμένων με επιτυχία. Επιπλέον τα ΦΒ στοιχεία πυριτίου έχουν λειτουργήσει με απόλυτα ικανοποιητική αξιοπιστία σε ακραίες καιρικές συνθήκες, τόσο σε διαστημικές όσο και σε επίγειες εφαρμογές. Εκτός του οξυγόνου, το πυρίτιο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στην επιφάνεια του εδάφους. Σχεδόν πάντα, όμως απαντάται με τη μορφή οξειδίου στο περιβάλλον, συγκεκριμένα ως διοξείδιο του πυριτίου (SiO2). Για την αξιοποίησή του, επομένως, απαιτείται επεξεργασία έτσι ώστε να αποκτήσει υψηλή καθαρότητα. Το πυρίτιο κυριάρχησε έναντι του γερμανίου που χρησιμοποιήθηκε αρχικά στην κατασκευή συσκευών στερεάς κατάστασης λόγω των μικρότερων ρευμάτων διαρροής επαφής που παρουσιάζει σε σχέση με το γερμάνιο. Αυτό οφείλεται στο μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα του πυριτίου (1.1 ev) έναντι αυτού του γερμανίου (0.66 ev). Υπάρχουν όμως κι άλλες αιτίες για την κυριαρχία του πυριτίου έναντι του γερμανίου όπως : το γεγονός ότι οι συσκευές πυριτίου μπορούν να λειτουργήσουν μέχρι και τη θερμοκρασία των 150 C έναντι των 100 C των συσκευών γερμανίου, οι εξαιρετικές ιδιότητες του θερμικού διοξειδίου του πυριτίου για εφαρμογές επίπεδης τεχνολογίας σε αντίθεση με το ακατάλληλο οξείδιο του γερμανίου και η απαγορευτικά χαμηλή ειδική αντίσταση του ενδογενούς γερμανίου (μερικές δεκάδες Ωcm) έναντι της πολύ υψηλότερης Ω*cm) του ενδογενούς πυριτίου. Το GaAs αποτελεί εναλλακτική του πυριτίου που παρέχει υψηλές ευκινησίες φορέων είναι όμως μια τεχνολογία με μεγαλύτερο κόστος, το υλικό αυτό ντοπάρεται δύσκολα και δε μπορεί να παραχθεί σε τόσο μεγάλες διαμέτρους διατηρώντας υψηλή κρυσταλλική ποιότητα όπως το πυρίτιο. Επίσης είναι δύσκολο να αναπτυχθεί υψηλής ποιότητας οξείδιο στο GaAs λόγω του γεγονότος ότι το ένα από τα δύο στοιχεία που το απαρτίζουν οξειδώνεται περισσότερο από το άλλο αφήνοντας μια μεταλλική φάση στη διεπιφάνεια. 5.1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΦΒ Οι κύριες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ΦΒ στοιχείων είναι: Τεχνολογία παραγωγής ημιαγώγιμων υλικών με κρυσταλλική δομή, την πλειοψηφία των οποίων αποτελεί το πυρίτιο. Τεχνολογία λεπτών υμενίων (thin film), η οποία ονομάζεται έτσι επειδή το πάχος των στοιχείων είναι πολύ μικρό (μερικά μόνο μm). Άλλες τεχνολογίες που σκοπό έχουν να γίνει λιγότερο ενεργοβόρα η παραγωγή του καθαρού πυριτίου, περιορίζοντας τις απώλειες σε ακριβό καθαρό πυρίτιο (π.χ. μέθοδος EFG, edge defined film fed growth και μέθοδος String Process). 69

73 Οι κρύσταλλοι και η μορφή λεπτού φιλμ διαφέρουν μεταξύ τους όσον αφορά την απόδοση απορρόφησης του φωτός,την απόδοση μετατροπής της μια μορφής ενέργειας στην άλλη, την τεχνολογία κατασκευής και το κόστος κατασκευής. Τα υπόβαθρα πυριτίου εκτός από τη μονοκρυσταλλικότητα πρέπει να παρουσιάζουν υψηλό βαθμό χημικής καθαρότητας, υψηλό βαθμό κρυσταλλικής τελειότητας και υψηλή δομική ομοιομορφία. Για την παραγωγή ενός τόσο υψηλής ποιότητας υλικού ακολουθούνται τα εξής δύο στάδια: ένας τύπος άμμου (quartzite) που αποτελεί την πρώτη ύλη αναβαθμίζεται με μια διαδικασία πολλών σταδίων σε υψηλής ποιότητας πολυκρυσταλλικό πυρίτιο Electronic Grade Silicon (EGS). από το EGS αναπτύσσεται μονοκρυσταλλικό πυρίτιο με δύο εναλλακτικές τεχνικές: 1. την τεχνική Czochralski ή CZ 2. την τεχνική Float Zone ή FZ Σχήμα 5.1: Σχηματικό διάγραμμα διαδικασίας παραγωγής κρυσταλλικού Si 5.2 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ EGS (ELECTRONIC GRADE SILICON) Το EGS είναι ένα μονοκρυσταλλικό υλικό υψηλής καθαρότητας. Κύριες προσμίξεις είναι το βόριο και ο άνθρακας. Απαιτήσεις καθαρότητας: Άνθρακας λιγότερο από 2 ppm 70

74 Λοιπές προσμίξεις της τάξης του ppb. Η παραγωγή του EGS ακολουθεί τα εξής στάδια: Παραγωγή MGS (Metallurgical grade silicon) Το MGS χρησιμοποιείται στην κατασκευή μεταλλικών κραμάτων και δεν είναι αρκετά καθαρό για την κατασκευή ημιαγωγικών διατάξεων. Πρώτες ύλες για την παραγωγή του: quartzite (SiO2) και άνθρακας σε μορφή κάρβουνου, και θρυμμάτων ξύλου. Η πρώτη ύλη τοποθετείται σε κατάλληλο φούρνο και θερμαίνεται από ηλεκτρόδιο που εμβαπτίζεται μέσα της. Η διαδικασία είναι πολύπλοκη και ενεργοβόρα (13kWh/kg) και συνολικά περιγράφεται από την ακόλουθη αντίδραση: SiC(s) + SiO (s) Si (l) + SiO (g) +CO (g) Παραγωγή τριχλωροσιλανίου SiHCl3. Το MGS κονιορτοποιείται μηχανικά και αντιδρά με άνυδρο υδροχλώριο παρουσία καταλύτη στους 300 C για την παρασκευή τριχλωροσιλανίου: Si(s) + 3HCL (g) SiHCl3 (g) + H2 (g) +Q Η παραγωγή του τριχλωροσιλανίου είναι βασική για να προκύψει το χημικά καθαρό EGS. Κατά την παρασκευή του SiHCl3 παράγονται και χλωρίδια των προσμίξεων. Το SiHCl 3 είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου (σ.β.32 C) όπως και τα περισσότερα χλωρίδια των προσμίξεων. Έτσι, η απομάκρυνση των ανεπιθύμητων χλωριδίων των προσμίξεων γίνεται με κλασματική απόσταξη. Παρασκευή EGS με χημική εναπόθεση ατμών Το EGS παράγεται τελικά από το χημικώς καθαρό τριχλωροσιλάνιο με την τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμών σύμφωνα με την ακόλουθη αντίδραση: 2SiHCl3 (g) + 2H2 (g) 2Si(s) + 6HCl (g) Εναλλακτικά το EGS μπορεί να παραχθεί και με πυρόλυση σιλανίου (SiH 4) σε έναν αντιδραστήρα CVD στους 900 C σύμφωνα με την αντίδραση: SiH4 (g) + Q Si(s) + 2H2 (g) 5.3 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Η ΤΕΧΝΙΚΗ CZOCHRALSKI Η τεχνική CZ ουσιαστικά σχετίζεται με τη στερεοποίηση πάνω σε μια διεπιφάνεια ατόμων που προέρχονται από μια υγρή φάση. Η ταχύτητα της ανάπτυξης εξαρτάται από το πλήθος των διαθέσιμων θέσεων στην επιφάνεια του κρυστάλλου (seed) και από το πώς μεταδίδεται η θερμότητα στη διεπιφάνεια. Τα βήματα της τεχνικής CZ είναι τα ακόλουθα: 1. Σε μια χοάνη τήξης (crucible) τοποθετείται το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο υψηλής καθαρότητας (EGS) μαζί με την κατάλληλη ποσότητα αραιού κράματος πυριτίου. 2. Εκκενώνεται ο θάλαμος ανάπτυξης από τα υπάρχοντα αέρια. 3. Στο θάλαμο ανάπτυξης διοχετεύεται αδρανές αέριο για να αποτραπεί η είσοδος ατμοσφαιρικών αερίων στο τήγμα κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. 4. Τήκεται το πυρίτιο (σημείο τήξης πυριτίου 1421 C). 71

75 5. Εισάγεται στο λιωμένο πυρίτιο ένας πυρήνας κρυστάλλωσης (seed) από κρυσταλλικό πυρίτιο διαμέτρου 5mm και μήκους mm. Λαμβάνεται ιδιαίτερη πρόνοια για το σωστό προσανατολισμό του seed. 6. Ο πυρήνας κρυστάλλωσης απομακρύνεται με έναν καλά ελεγχόμενο ρυθμό. Κατά την απομάκρυνση τόσο ο πυρήνας κρυστάλλωσης όσο και η χοάνη τήξης περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις Η ΤΕΧΝΙΚΗ FLOAT-ZONE Η τεχνική float zone (FZ) είναι όπως και η CZ μέθοδος ανάπτυξης μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Πρόκειται για μια διαδικασία κατά την οποία μια λειωμένη ζώνη διαπερνά μια ράβδο πολυκρυσταλλικού πυριτίου η οποία έχει τις ίδιες διαστάσεις με το τελικό ingot. Η καθαρότητα του μονοκρυστάλλου που παράγεται με την τεχνική FZ ξεπερνά αυτήν που επιτυγχάνεται με την τεχνική CZ. Τα βήματα της τεχνικής FZ είναι τα ακόλουθα: 1. Μια ράβδος από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο τοποθετείται κατακόρυφα εντός ειδικού θαλάμου ο οποίος βρίσκεται υπό κενό ή είναι γεμισμένος με αδρανές αέριο. 2. Ένα πηνίο το οποίο μπορεί να κινείται κατά μήκος του άξονα της ράβδου πολυπυριτίου τροφοδοτείται με ηλεκτρομαγνητική ενέργεια και δημιουργεί μια λιωμένη ζώνη εύρους 2 cm στη ράβδο. Η λιωμένη περιοχή διατηρείται με τη βοήθεια του πηνίου σε σταθερή υγρή μορφή. 3. Στη συνέχεια, το πηνίο κινείται κατά μήκος του άξονα της ράβδου οπότε και μετακινείται μαζί με αυτό και η λιωμένη περιοχή. 4. Η κίνηση της λιωμένης ζώνης σε όλο το μήκος της ράβδου καθαρίζει τη ράβδο και σχηματίζει έναν σχεδόν τέλειο μονοκρύσταλλο. Εναλλακτικά, η τεχνική FZ μπορεί να υλοποιηθεί με στατικό πηνίο και κινούμενη ράβδο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Σχήμα 5.2. Η τεχνική Float-Zone 72

76 Πίνακας 5.1 Σύγκριση μεταξύ των μεθόδων ανάπτυξης CZ και FZ Χαρακτηριστικό Ταχύτητα Ανάπτυξης (mm/min) Απουσία Dislocations Χρήση Crucible Κόστος Υλικού που Καταναλώνεται Χρόνος Θέρμανσης/Ψύξης (Heat- Up/Cool-Down Time) Αξονική Ομοιομορφία Ειδικής Αντίστασης (Axial Resistivity Uniformity) Περιεχόμενο σε Οξυγόνο (atoms/cm3) Περιεχόμενο σε Άνθρακα (atoms/cm3) Περιεχόμενο σε Μεταλλικές Προσμίξεις Χρόνος ζωής φορέων μειονότητας [Bulk Minority Charge Carrier Lifetime] (μs) Μηχανική Ενδυνάμωση Παραγόμενη Διάμετρος (mm) Απαίτηση σε Δεξιότητες Χειριστή Μορφή Τροφοδότησης με Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο (Polycrystalline Si Feed Form) CZ 1-2 Ναι Ναι Υψηλό FZ 3-5 Ναι Όχι Χαμηλό Μεγάλος Μικρός Χαμηλή Καλή >1x1018 >1x1017 Υψηλότερο <1x1016 <1x1016 Χαμηλότερο Με 1017 cm-3 Οξυγόνο Μικρή Οποιαδήποτε Με 1015 cm-3 Άζωτο Μεγάλη Ράβδος χωρίς ρωγμές (Crack-freerod) ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ Για την παραγωγή wafers πυριτίου που να μην είναι ενδογενή αλλά να χαρακτηρίζονται από κάποιο τύπο αγωγιμότητας εισάγονται προσμίξεις στο πυρίτιο κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. Για την ανάπτυξη p-τύπου πυριτίου χρησιμοποιείται ως πρόσμιξη το βόριο ενώ για n-τύπου χρησιμοποιούνται το αρσενικό, ο φώσφορος και το αντιμόνιο ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο έχει μια ομοιόμορφη μοριακή δομή. Με υλικά που δεν είναι σε μορφή κρυστάλλου, η υψηλή του ομοιομορφία έχει ως αποτέλεσμα τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης (δηλαδή την αναλογία της ηλεκτρικής ισχύος που παράγεται από το ηλιακό στοιχείο προς την διαθέσιμη από την ηλιακή ακτινοβολία ισχύ). Η απόδοση των μονοκρυσταλλικών στοιχείων του εμπορίου κυμαίνεται από 14-18%. Παραγωγική Διαδικασία Το διοξείδιο του πυριτίου κατά την διαδικασία εξευγενισμού του (αφαίρεση των προσμίξεων) θερμαίνεται στους 1800 C παρουσία άνθρακα. Το μεταλλουργικό πυρίτιο που προκύπτει από αυτή την διαδικασία έχει μια καθαρότητα της τάξης του 98% και μπορεί μεν να χρησιμοποιηθεί στην μεταλλουργική βιομηχανία, είναι δε τελείως ακατάλληλο ως ημιαγωγός. Απαιτείται επομένως περαιτέρω επεξεργασία. Σε πρώτη φάση γίνεται ανάπτυξη και στη συνέχεια αντίδραση με υδροχλώριο (HCl), μετατρέποντας το μεταλλουργικό πυρίτιο σε τριχλωροσιλάνιο (SiHCl 3) που είναι ένα πτητικό 73

77 υγρό. Στη συνεχεία αποχωρίζεται από διάφορες προσμίξεις μέσω κλασματικής απόσταξης (μέθοδος Siemens). Τέλος ανάγεται με υδρογόνο και συμπυκνώνεται. Πρέπει να τονιστεί ότι οι παραπάνω διαδικασίες είναι εξαιρετικά ενεργοβόρες και συντελούν στο υψηλό κόστος κατασκευής των ΦΒ στοιχείων. Το τελικό προϊόν είναι ένα υψηλής καθαρότητας πυρίτιο (με συγκέντρωση προσμίξεων μικρότερη από 1 άτομο ανά 1012 άτομα Si), που δεν έχει όμως την επιθυμητή δομή. Ακολουθεί η κρυσταλλική ανάπτυξη του πυριτίου συνήθως με την μέθοδο Czochralski (Σχήμα 5.3), κατά την οποία αρχικά τήκεται αυτό μέσα σε ένα κυλινδρικό δοχείο και σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 1400oC. Έπειτα ένα πολύ μικρό κομμάτι κρυσταλλικού πυριτίου τοποθετείται σε επαφή με την επιφάνεια του λιωμένου πυριτίου, ενώ το κυλινδρικό δοχείο βρίσκεται σε περιστροφική κίνηση. Το κομμάτι πυριτίου δρα σαν πυρήνας κρυστάλλωσης και έτσι το πυρίτιο επικάθεται σε αυτό με αποτέλεσμα να μεγαλώσει και να σχηματισθεί σταδιακά ένας νέος μεγάλος κρύσταλλος πυριτίου με την συνεχή ανύψωση από το λιωμένο πυρίτιο. Αποτέλεσμα της μεθόδου είναι το πυρίτιο να αποκτήσει μια κυλινδρική μορφή με διάμετρο περίπου 10cm και μήκους 1m. Σχήμα 5.3: Παραγωγή μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Μετά, ο κύλινδρος αυτός πρέπει να κοπεί σε πολύ λεπτούς δίσκους (κυλινδρικές πλάκες), πάχους που κυμαίνεται από 150μm μέχρι 500μm για τις ηλιακές εφαρμογές. Η διαδικασία είναι εξαιρετικά δαπανηρή, καθώς το πυρίτιο είναι πολύ σκληρό υλικό και επιπλέον ένα ποσοστό χάνεται κατά την κοπή, που φτάνει μέχρι και το 50%. Μια μέθοδος κοπής που περιορίζει κάπως τις παραπάνω απώλειες και στηρίζεται στη κοπή με πολύ λεπτή διαμαντένια ίνα. Οι δίσκοι έπειτα λειαίνονται για την απομάκρυνση των ελαττωμάτων της κοπής και διαμορφώνονται σε διόδους τύπου-p ή τύπου-n με επίταξη, διάχυση ή εμφύτευση προσμίξεων. 74

78 Σχήμα 5.4: Κοπή με τη μέθοδο των πολλαπλών συρμάτων Το τελικό στάδιο είναι η συγκόλληση των ηλεκτροδίων στην εμπρός και πίσω όψη του δίσκου, η αλληλοσύνδεση των έτοιμων πια στοιχείων, η κάλυψη της εμπρός επιφανείας τους με ένα αντανακλαστικό επίστρωμα για την μείωση της ανάκλασης του φωτός και η στεγανή συσκευασία σε πλαίσια. Απόδοση: 15% - 18% (Czochralski πυρίτιο). Μορφή: ανάλογα με το πώς το κρύσταλλο είναι κομμένο σε φέτες, στρογγυλά, ημιστρογγυλά ή τετραγωνικά κύτταρα. Στρογγυλά κύτταρα είναι φθηνότερα από τα ημιστρογγυλά ή τετράγωνα κύτταρα διότι λιγότερο υλικό σπαταλιέται στην παραγωγή τους. Παρά το γεγονός αυτό, σπάνια χρησιμοποιούνται σε τυποποιημένα πλαίσια, διότι όταν τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο, δεν καλύπτουν τον χώρο αποτελεσματικά. Ωστόσο, σε ειδικά πλαίσια για ενσωμάτωση σε κτίριο όπου μερική διαφάνεια είναι επιθυμητή, ή για ηλιακά οικιακά συστήματα, τα στρογγυλά κύτταρα είναι μια τέλεια βιώσιμη και εναλλακτική λύση. Συνήθης μεγέθη: 10cm2*10cm2 (4inch), 12.5cm2*12.5cm2 (5inch), ή 15cm2*15cm2 (6inch), διάμετρος: 12,5 εκατοστά ή 15 εκατοστά. Πάχος: 0,2mm - 0,3mm. Εμφάνιση: ομοιόμορφη. Χρώμα: σκούρο μπλε με μαύρο (με AR), γκρι (χωρίς AR) ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο αποτελείται από περιοχές μονοκρυσταλλικού πυριτίου, αλλά δεν έχει την ομοιόμορφη κρυσταλλική δομή του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν χαμηλότερο βαθμό απόδοσης από τα στοιχεία που αποτελούνται από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Ο βαθμός απόδοσης για μια βαθμίδα εμπορίου κυμαίνεται μεταξύ 10 και 14 %. Παραγωγική Διαδικασία Η παραγωγή του πολυκρυσταλλικού πυριτίου διαφοροποιείται από την παραπάνω διαδικασία στο γεγονός ότι αντί της μεθόδου Czochralski για την επίτευξη ''τέλειας'' κρυσταλλικής δομής, το υψηλής καθαρότητας πυρίτιο, απλά τήκεται και τοποθετείται σε ένα δοχείο με τετραγωνική βάση, όπου και αφήνεται να στερεοποιηθεί (μέθοδος Bridgman) (Σχήμα 5.5). 75

79 Σχήμα 5.5: Μέθοδος Bridgman για την παραγωγή πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Εναλλακτικά χρησιμοποιείται η μέθοδος block casting, όπου το πυρίτιο τήκεται σε ένα δοχείο και έπειτα μεταφέρεται σε ένα δεύτερο όπου και στερεοποιείται (Σχήμα 5.6). Το στερεό πυρίτιο που δημιουργείται έχει πολυκρυσταλλική δομή. Ακολουθεί η κοπή με τον τρόπου που αναφέρθηκε παραπάνω και η διαδικασία ολοκληρώνεται με τον ίδιο τρόπο με το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Σχήμα 5.6: Μέθοδος block casting. Η διαδικασία παραγωγής πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι φθηνότερη από αυτή του μονοκρυσταλλικού. Επιπλέον οι τετραγωνικές πλάκες που προκύπτουν από την κοπή πλεονεκτούν στο γεγονός ότι μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή τετραγωνικών ΦΒ στοιχείων σε αντίθεση με τους δίσκους που είναι κυκλικοί. Αυτό έχει σαν συνέπεια τον μεγαλύτερο δείκτη κάλυψης του ΦΒ πλαισίου. Από τη άλλη εμφανίζουν μικρότερη απόδοση, όπως έχει αναφερθεί κα παραπάνω. Απόδοση: 13% - 16% (με AR). Μορφή: τετράγωνο 76

80 Συνήθης μεγέθη: 10cm2*10cm2(4inch), 12.5cm2*12.5cm2(5inch), 15cm2*15cm2(6inch), 15.6cm2*15.6cm2(7inch), και 21cm2 *21cm2(8inch) Πάχος: 0,24mm 0,3mm Όψη: Η block casting διαδικασία δημιουργεί μορφές κρυστάλλων με διαφορετικούς προσανατολισμούς. Επειδή το φως αντανακλάται με διαφορετικό τρόπο, ξεχωριστοί κρύσταλλοι μπορούν να φανούν ξεκάθαρα στην επιφάνεια (μοτίβο παγετός). Χρώμα: μπλε (με AR), γκρι ασημί (χωρίς AR). 5.4 RIBBON ΠΥΡIΤΙΟ Το πυρίτιο σε μορφή ταινίας μπορεί να παραχθεί με πολλές τεχνικές. Στόχος είναι η αποφυγή του κόστους που συνεπάγεται η διαδικασία κοπής, όπως περιγράφηκε παραπάνω, καθώς και η μείωση των απωλειών σε καθαρό πυρίτιο που συνεπάγεται. Από τις πολυάριθμες τεχνικές ουσιαστικά μόνο δύο κατέληξαν σε εμπορική χρησιμοποίηση. α) Edge defined Film Fed Growth Process (EFG) Κατά τη διαδικασία αυτή παράγεται το Ribbon πυρίτιο μέσα από το λιωμένο υλικό μέσω ενός καλουπιού, το σχήμα του οποίου καθορίζει και τη μορφή της ταινίας (Σχήμα 5.7). Τα παραγόμενα στοιχεία έχουν χαμηλότερη ποιότητα από τα μονοκρυσταλλικά και η επιφάνειά τους εμφανίζει ανωμαλίες. Παρόλα αυτά η απόδοσή τους φτάνει μέχρι το 14,8% για στοιχεία που έχουν φτιαχτεί σε γραμμή παραγωγής και για εμπορικούς σκοπούς. Απόδοση: 14% Μορφή: Τετράγωνο. Μέγεθος: 12.5cm2*12.5cm2. Πάχος: 0,24mm κατά μέσο όρο. Εμφάνιση: η διαδικασία EFG παράγει μεγάλες ταινίες, κρύσταλλοι φαίνονται με γυμνό μάτι αν τα δει κανείς από κοντά. Οι επιφάνειες κυττάρων είναι ελαφρώς ανομοιόμορφες. Χρώμα: μπλε (με AR). Σχήμα 5.7: Παραγωγή του Ribbon πυριτίου. 77

81 β) String Ribbon Process (STR) Σε αυτή την τεχνική το πυρίτιο εξάγεται κατευθείαν από το δοχείο με το λιωμένο πυρίτιο χωρίς καλούπι. Η διαδικασία είναι σχετικά απλή, καθώς χρησιμοποιούνται δύο λωρίδες που διαπερνούν το δοχείο στη βάση του και κινούνται με σταθερή ταχύτητα ανοδικά (Σχήμα 5.8). Σχήμα 5.8: Παραγωγή του String Ribbon πυριτίου. Στην αρχή της διαδικασίας χρειάζεται ένας πυρήνας, έτσι ώστε να γίνει η αρχή της ταινίας πυριτίου. Το πάχος της ταινίας εξαρτάται κυρίως από την ταχύτητα με την οποία κινούνται οι δύο λωρίδες. Η απόδοσή τους μπορεί να φτάσει μέχρι και το 14-15%. Απόδοση: 12% - 13% Μορφή: ορθογώνιο. Μέγεθος: 8cm2*15cm2. Πάχος: 0,3mm Εμφάνιση: όπως για την EFG. Χρώμα: μπλε (με AR), γκρι ασημί (χωρίς AR). 5.5 ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚO ΠΥΡIΤΙΟ ΛΕΠΤΟY ΦIΛΜ (c-sitfc) Η τεχνολογία λεπτού φίλμ έχει ως σκοπό την μείωση του κόστους, μέσω της μείωσης του απαιτούμενου υλικού για την παραγωγή των στοιχείων. Η εναπόθεση μπορεί να γίνει κατευθείαν σε γυαλί, κεραμικό ή οποιοδήποτε άλλο κατάλληλο υπόστρωμα. Εκτός από το μειωμένο κόστος πλεονεκτούν και στην ευκολία με την οποία μπορεί να γίνει σύνδεσή τους σε σειρά, φτιάχνοντας έτσι ολόκληρα πλαίσια κατά τη διαδικασία εναπόθεσης. Από την άλλη όμως η διαδικασία αυτή είναι απαιτητική καθώς μεγάλες περιοχές πρέπει να παραχθούν χωρίς ελαττώματα. Παρόλο που το c-sitfc έχει πάχος μερικών μόνο μm (5 μέχρι 50μm), έχει αποδειχθεί θεωρητικά, αλλά και στην πράξη ότι εμφανίζει αξιόλογη απόδοση. Το κλειδί στην τεχνολογία είναι ο έξυπνος οπτικός σχεδιασμός, με αποτέλεσμα το φως μέσω ανακλάσεων να 78

82 διαγράφει τελικά διαδρομή 30 φορές ή και περισσότερο, μεγαλύτερη από το πάχος του φιλμ. Εκτός από το πλεονέκτημα της μειωμένης απαίτησης σε πυρίτιο, το c-sitfc δεν έχει ιδιαίτερες απαιτήσεις στο υλικό του υποστρώματος, το οποίο μπορεί να είναι χαμηλής ποιότητας πυρίτιο, γυαλί, κεραμικά ή γραφίτης. Υπάρχει εκτεταμένη έρευνα όσον αφορά το csitfc που έχει αναδείξει την υψηλή απόδοση που μπορεί να πετύχει (μέχρι 21% κάτω από ιδανικές συνθήκες). Παρόλο που έχει εμφανίσει σημαντική ανάπτυξη την τελευταία δεκαετία λίγες εταιρίες το έχουν περάσει στη γραμμή παραγωγής ως εμπορικό προϊόν. Σχήμα 5.9: Βασικά στοιχεία κυψέλης c-sitfc Απόδοση: 9,5% Μορφή: τετράγωνο. Μέγεθος: 20.8cm2* 20.8cm2. Πάχος: 0,03mm - 0,01mm + κεραμικό υπόστρωμα Εμφάνιση: όπως και τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία, αλλά το μέγεθος κρυσταλλιτών είναι μικρότερο. Χρώμα: μπλε (με AR), γκρι ασημί (χωρίς AR). 5.6 AΜΟΡΦΟ ΠΥΡIΤΙΟ (a-si) Το άμορφο πυρίτιο χρησιμοποιείται για την παραγωγή ΦΒ στοιχείων σύμφωνα με την τεχνολογία λεπτού φιλμ. Ως υλικό εμφανίζει μεγάλη αταξία στη δομή του, παρά ταύτα βρίσκει εφαρμογή στη ΦΒ τεχνολογία με τη μορφή κράματος με υδρογόνο. Η προσθήκη υδρογόνου βελτιώνει τις ηλεκτρικές ιδιότητές του και περιέχεται σε 10-40% ατομική αναλογία. Διαφέρει ουσιαστικά από το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο καθώς εμφανίζει ενεργειακό διάκενο με μεταβλητή τιμή που κυμαίνεται μεταξύ 1,12eV και 1,7eV περίπου. Το κύριο πλεονέκτημα του είναι ότι έχει υψηλό επίπεδο απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας και μάλιστα περίπου 40 φορές υψηλότερη από αυτή του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Ως προς αυτή την ιδιότητά του το a-si συμπεριφέρεται σχεδόν σαν ημιαγωγός άμεσου ενεργειακού διακένου, για αυτό μια λεπτή επίστρωση είναι αρκετή για την κατασκευή ΦΒ στοιχείων. Επιπλέον το άμορφο πυρίτιο μπορεί να εναποτεθεί σε ποικίλα, χαμηλού κόστους υποστρώματα, συμπεριλαμβανομένου του χάλυβα, του γυαλιού και του πλαστικού. Η κατασκευαστική διαδικασία απαιτεί χαμηλότερες θερμοκρασίες και επομένως λιγότερη κατανάλωση ενέργειας. Έτσι το συνολικό κόστος του υλικού και του κόστους κατασκευής είναι χαμηλότερο ανά μονάδα επιφάνειας, συγκρινόμενο με τα στοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου 79

83 Δυο είναι τα κυριότερα μειονεκτήματά του.ο χαμηλός βαθμός απόδοσης που κυμαίνεται μεταξύ 6-9 % για στοιχεία του εμπορίου και φτάνει το 13% για στοιχεία που έχουν φτιαχτεί στο εργαστήριο και η βαθμιαία μείωση του βαθμού απόδοσης. Μέσα σε μερικούς μήνες μπορεί η απόδοση να μειωθεί από 10% έως και 15 %. Απόδοση: 5% - 7% (σταθεροποιημένη κατάσταση). Μέγεθος: τυποποιημένες ενότητες, κατά ανώτατο όριο 0.79m2-2.44m2 Ειδικά πλαίσια, κατά ανώτατο όριο 2m2-3m2. Πάχος: 1mm - 3 mm υλικό υπόστρωμα (μη σκληρυμένο γυαλί, μέταλλο, περιστασιακά 0,05mm πλαστικό), με περίπου 0,001mm επένδυση, η οποία περιέχει περίπου 0.3μm άμορφου πυριτίου. Εμφάνιση: ομοιόμορφη εμφάνιση. Χρώμα: κοκκινωπό καφέ έως μπλε ή μπλε-βιολετί. 5.7 ΑΡΣΕΝΙΚΟYΧΟ ΓAΛΛΙΟ (GαAs) Το αρσενικούχο γάλλιο είναι ένας ημιαγωγός με ενεργειακό διάκενο 1,43 ev, τιμή η οποία είναι στη βέλτιστη περιοχή για τη φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας με θεωρητική απόδοση περίπου 25-30%. Ένα ακόμη πλεονέκτημα αποτελεί το γεγονός ότι το ενεργειακό διάκενο είναι άμεσο. Επομένως το GaAs συνδυάζει καταρχήν ιδανικά τις προϋποθέσεις για να χρησιμοποιηθεί ως υλικό κατασκευής ηλιακών ΦΒ στοιχείων. Το μειονέκτημά του είναι το υψηλό κόστος παραγωγής, περίπου πενταπλάσιο από αυτό του κρυσταλλικού πυριτίου. Έχει εφαρμογή κυρίως σε ηλιακά στοιχεία συγκεντρωμένης ακτινοβολίας, όπου το υψηλό κόστος του αντισταθμίζεται από την υψηλή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας. Επίσης το GaΑs συναντάται συχνά σε διαστημικές εφαρμογές λόγω της υψηλής θερμικής αδράνειάς του και του υψηλού βαθμού απόδοσης. Συγκεκριμένα η απόδοση των στοιχείων GaAs πέφτει στο μισό, σε σύγκριση με την απόδοσή τους σε συνηθισμένη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, όταν θερμανθούν στους 200 C. Η αντίστοιχη μείωση στα στοιχεία πυριτίου παρατηρείται ήδη στους 120 C. 5.8 ΔΙΣΕΛΗΝΙΟYΧΟΣ ΙΝΔΙΟYΧΟΣ ΧΑΛΚOΣ (CuInSe2 ή CIS) Το ημιαγώγιμο υλικό του δισεληνιούχου ινδιούχου χαλκού είναι ένα ημιαγώγιμο υλικό, το οποίο μπορεί να είναι τύπου-n ή τύπου-p και έχει μια άμεση οπτική απορρόφηση με τον υψηλότερο συντελεστή απορρόφησης που έχει μετρηθεί μέχρι σήμερα. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του CIS εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τον λόγο χαλκού/ινδίου, ενώ ο καλός έλεγχος της στοιχειομετρίας του θεωρείται ουσιώδης για αποδοτικές διατάξεις. Είναι δυνατόν να κατασκευασθούν επαφές τύπου p-n των CIS αλλά αυτές δεν θα είναι ούτε σταθερές ούτε αποδοτικές και οι καλύτερες διατάξεις μέχρι σήμερα είναι ετεροενώσεις με θειούχο κάδμιο (CdS). Το CdS μπορεί να αναπτυχθεί μόνο ως υλικό τύπου-n για αυτό και το CIS πρέπει να είναι τύπου-p. Το CIS έχει ενεργειακό διάκενο 1eV και παράγεται ως κιονοειδής πολυκρυσταλλική μεμβράνη, ενώ το CdS έχει ενεργειακό διάκενο 2,4eV και έτσι αυτό θα απορροφά έντονα όλη την προσπίπτουσα ακτινοβολία από το πράσινο μέχρι το μπλε άκρο φάσματος. Οι βέλτιστες διατάξεις χρησιμοποιούν ένα πολύ λεπτό στρώμα (0,03μm) του CdS με στρώμα παραθύρου ενός υλικού με μεγάλο ενεργειακό διάκενο και υψηλή αγωγιμότητα. Το οξείδιο του ψευδαργύρου έχει βρεθεί ότι είναι ένα κατάλληλο υλικό για το στρώμα του παραθύρου. Έτσι η δομή του ηλιακού στοιχείου CIS είναι αυτή που παρουσιάζεται στο σχήμα

84 Σχήμα 5.10: Δομή του στοιχείου CIS Μια σημαντική προσπάθεια έχει αφιερωθεί στην άνοδο της τεχνολογίας CIS κυρίως από τη SIEMENS. Έχουν φτιαχτεί στοιχεία CIS του εμπορίου, η απόδοση των οποίων πλησιάζει το 10%. Πλεονεκτούν σε σχέση με τα στοιχεία άμορφου πυριτίου, καθώς δεν εμφανίζουν βαθμιαία πτώση της απόδοσης για μια περίοδο μερικών ετών. Επίσης όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω προσφέρουν μεγάλη οικονομία σε ημιαγώγιμα υλικά. Από την άλλη όμως το CIS είναι ένα πολύπλοκο υλικό που δυσκολεύει την κατασκευή του. Τέλος πολύ σημαντική είναι η ασφάλεια του προσωπικού κατά τη διάρκεια της κατασκευής του, αφού η παραγωγή του περιλαμβάνει το σεληνιούχο υδρογόνο, ένα εξαιρετικά τοξικό αέριο. Απόδοση: 9% - 11% Μέγεθος: τυποποιημένες ενότητες, κατά ανώτατο όριο 1,2m*0,6m. Πάχος: 2mm - 4 mm υλικό υπόστρωμα (μη σκληρυμένο γυαλί) με 3-4μm επίστρωσης, εκ των οποίων περίπου 1μm με 2μm CIS. Εμφάνιση: ομοιόμορφη εμφάνιση. Χρώμα: σκούρο γκρι έως μαύρο. 5.9 ΤΕΛΛΟΥΡΙΟΥΧΟ ΚΑΔΜΙΟ (CdTe) Το τελλουριούχο κάδμιο είναι ένα ημιαγώγιμο υλικό που αποτελείται από κάδμιο και τελλούριο, το οποίο έχει υψηλό επίπεδο απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας και το ενεργειακό του διάκενο είναι πολύ κοντά στο ιδανικό. Αρκεί ένα όγκος πάχους ενός μικρόμετρου για να απορροφηθεί το 90% του ηλιακού φάσματος. Η δομή του ηλιακού στοιχείου είναι αυτή που παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 5.11: Δομή του στοιχείου CdTe 81

85 Υπάρχουν μερικές χαμηλού κόστους τεχνικές, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απόθεση του CdTe και όλες αυτές, μπορούν, αφού υποστούν μια επεξεργασία μετά την απόθεση, να παράγουν υλικό υψηλής ποιότητας και αποδοτικά ηλιακά στοιχεία. Η διαδικασία πλεγματικής εκτύπωσης των στοιχείων CdTe προσφέρει μια τεχνολογία με χαμηλό κόστος παραγωγής, αλλά από την άλλη και μια εντελώς χαμηλού ρυθμού παραγωγή. Το βήμα που περιορίζει το ρυθμό παραγωγής είναι η θερμοκρασιακή επεξεργασία της μελάνης εκτύπωσης μετά την απόθεση, η οποία απαιτεί σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (γύρων στους 500 C) για περιόδους μιας ώρας ή και περισσότερο. Με αυτή την τεχνολογία έχουν παραχθεί βασικές μονάδες με απόδοση 6% και έχουν ελεγχθεί σε εξωτερικές συνθήκες. Η εμπορική τους όμως διαθεσιμότητα είναι περιορισμένη. Μια ακόμα τεχνολογία είναι αυτή της ηλεκτροτυπίας. Η τεχνολογία αυτή είναι ιδιαίτερα ευνοϊκή για τα στοιχεία CdTe, λόγω της πολύ μικρή χρήσης του υλικού και του χαμηλού κόστους. Η BP Solar έχει παράγει βασικές μονάδες με αποδόσεις πάνω από 10% και στοιχεία με αποδόσεις γύρω στο 13%. Οι έλεγχοι σταθερότητας σε εξωτερικές συνθήκες έχουν επιτευχθεί με ικανοποιητική επιτυχία. Από την άλλη όμως όπως και στο CIS, το κάδμιο είναι ένα τοξικό υλικό και θα πρέπει να λαμβάνονται αυξημένα μέτρα προστασίας κατά την παραγωγή του. Απόδοση: 7% - 8,5% ανά στοιχείο. Πάχος: 3mm υλικό υπόστρωμα (μη σκληρυμένο γυαλί) με 0,005mm επίστρωση. Μέγεθος: κανονική ενότητα διαστάσεις 1,2m* 0,6m. Εμφάνιση: ομοιόμορφη. Χρώμα: αντανακλαστική σκούρο πράσινο έως μαύρο ΚYΤΤΑΡΑ ΥΨΗΛHΣ ΑΠOΔΟΣΗΣ Back-contacted solar cells Σε αυτά τα κύτταρα, τόσο η θετική όσο και η αρνητική επαφές είναι συνδεδεμένα με το πίσω μέρος του κυττάρου. Για να αποφευχθεί η σκίαση από το μπροστινό μέρος του στοιχείου, στην πλευρά που βρίσκεται ο ήλιος. Αυτό διευκολύνει επίσης την μετέπειτα συνδεσμολογία των κυττάρων σε μια ηλιακή μονάδα και επιτρέπει ομοιόμορφη εμφάνιση με στενή απόσταση κυττάρων. Σχήμα 5.12: Δομή του Back-contacted στοιχείου 82

86 Τα SunPower A-300 στοιχεία για εμπορικές μονάδες είναι πιο προσιτό παρακλάδι από τα στοιχεία που προορίζονται για τα διαστημικά ταξίδια που αναπτύχθηκαν για την Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA). Οι πρώτες γκοφρέτες παράγονται από μονοκρυσταλλικό float zone πυρίτιο, το οποίο σε αντίθεση με τα συμβατικές ηλιακές γκοφρέτες είναι n-doped. Η υψηλή ποιότητα του πυριτίου είναι απαραίτητη, διότι οι φορείς πρέπει να διαχέονται μέσω ολόκληρου του πάχους του κελιού για να φθάσουν στην επαφή pn. Αυτή δημιουργείται μέσω n-doped και p-doped σε ταινίες και είναι συνδεδεμένο με τα ''δάκτυλα'' μετάλλου που λειτουργούν επίσης ως ανακλαστήρες. Και οι δύο επιφάνειες είναι αδρανοποιημένες με οξείδιο του πυριτίου. Για την μείωση της επανασύνδεσης σε επαφές, τα ηλεκτρόδια συνδέονται μόνο με το p-και n-στρώμα μέσω των οπών στο στρώμα του οξειδίου του πυριτίου. Τα κύτταρα αυτά επιτυγχάνουν αποδόσεις άνω του 21,5% κατά τη μαζική παραγωγή και καταστούν δυνατή την απόδοση πλαισίου άνω του 18,6%. Έχουν φασματική ευαισθησία σε ένα μεγάλο εύρος φάσμα του ηλιακού φάσματος. Το n-ντόπινγκ μπροστά αυξάνει την ευαισθησία του στοιχείου στην μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία και παρέχει καλές επιδόσεις στο πλαίσιο σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Σε σύγκριση με τα πρότυπα κρυσταλλικά κύτταρα, η τάση σε στοιχεία αυτού του τύπου είναι κάπως υψηλότερη: Απόδοση: 20,8% Μορφή: ημιστρόγγυλα Μέγεθος: 12,5mm*12,5mm Πάχος: 0,27mm Εμφάνιση:ομοιόμορφη Χρώμα: μαύρο βελούδο Σχήμα 5.13: Back-contacted κύτταρα 5.11 ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕIΩΝ ΣΦΑΙΡΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Στις αρχές του 1990, η Texas Instruments διεξήγαγε έρευνα σχετικά με ηλιακά κύτταρα σφαιρικού πυριτίου, αλλά δεν τις πήγε σε στάδιο παραγωγής. Η καναδική εταιρεία Spheral Solar Power άρχισε την πρώτη εμπορική μαζική παραγωγή των μονοκρυσταλλικών σφαιρικών ηλιακών κυττάρων κατά το Πλαίσια από Kyosemi Corporation της Ιαπωνίας βρίσκονται στο στάδιο της δοκιμαστικής εφαρμογής. Αυτά τα σφαιρικά ηλιακά κύτταρα, με διάμετρο 0,7mm (Spheral) ή 1mm - 1,2mm (Kyosemi) είναι κατασκευασμένα από pενισχυμένο πυρίτιο (π.χ. σταγόνες υγρού πυριτίου σχηματίζονται σε σχήμα μπάλας όταν πέφτουν στο κενό). Η επιφάνεια είναι n-ενισχυμένη και μερικές φορές με αντανακλαστική επίστρωση. 83

87 Στην Kyosemi, οι επαφές παρέχονται μέσω των δύο αντίθετων ηλεκτροδίων από ασήμι και αλουμινίου στον p-πυρήνα και το n-κέλυφος. Αυτά συνδέονται με καλώδιο σε σειρά ή παράλληλα με σύρμα χαλκού υψηλής ποιότητας. που χρησιμοποιούν ωραία wires. Οι μπάλες είναι στηριγμένες σε μια διαφανής συνθετική ρητίνη και μετατρέπονται σε διαφανή πλαίσια σε ένα υπόστρωμα του λευκής συνθετικής ρητίνης, η οποία αντανακλά περιστασιακά φως μεταξύ των σφαιρών. Τα σφαιρικά κύτταρα της Spheral συνδέονται μεταξύ δύο φύλλων αλουμινίου που είναι μονωμένοι με ένα λεπτό πλαστικό layer. Το άνω διάτρητο αλουμίνιο φύλλο κρατά τις σφαίρες μηχανικά και συνδέει τα n-layer. Οι σφαίρες είναι ελαφρώς χαραγμένες από κάτω μέχρι που να αποκαληφθεί ο π-πυρήνας. Αυτά είναι αδρανοποιημένα και ηλεκτρικά συνδεδεμένα με το χαμηλότερο φύλλο αλουμινίου. Δεδομένου ότι όλες οι σφαίρες κυττάρων συνδέονται παράλληλα σε αυτή τη μέθοδο, τα σάντουιτς κελί κομμένο σε 15cm τετράγωνα και αυτά τα ελάσματα συνδέονται σε σειρά με τη βοήθεια υπερήχων. Σχήμα 5.14: Δομή σφαιρικού κυττάρου H Kyosemi έχει ήδη επιδείξει κύτταρα, με 12,5% απόδοση περίπου. Τα πρώτα μεγάλα πλαίσια από την Spheral σε αλουμίνιο τραπεζοειδές φύλλο υποστρωμάτων πέτυχε μια σκιά κάτω από 9,5 τοις εκατό της αποδοτικότητας. Λόγω της σχεδόν σφαιρικής p-n επαφής τους, τα σφαιρικά ηλιακά κύτταρα μπορεί άριστα να πιάνουν ακόμη και το φως που υπάγεται σε μια γωνία και, ως εκ τούτου, χρησιμοποιούν διάχυτη ακτινοβολία καλύτερα από επίπεδα ηλιακά κύτταρα ή thin-film κύτταρα. Δεδομένου ότι αυτό δεν λαμβάνεται υπόψη σε τυποποιημένες διαδικασίες μέτρησης υπό κανονικές συνθήκες δοκιμής (STC), τα πλαίσια υπόσχονται υψηλότερες αποδόσεις ανά κιλοβάτ αιχμής (kwp). Από τη στιγμή που τα σφαιρικά κύτταρα προβλέπουν επίσης την παραγωγή εύκαμπτων πλαισίων, είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για κινητές εφαρμογές, όπως τα σκάφη και στέγες των οχημάτων. Οι σχετικά απλές διαδικασίες κατασκευής και οι μειωμένες απαιτήσεις σε σύγκριση με το πυρίτιο στην παραγωγή, προσφέρουν πιθανή μείωση του κόστους για το μέλλον. 84

88 Σχήμα 5.15: Τα σφαιρικά ηλιακά κύτταρα της Spheral DYE-ΕΥΑΙΣΘΗΤΟΠΟΙΗΜEΝΑ NANO-ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚA ΚYΤΤΑΡΑ Ένα νέο είδος ηλιακών κυττάρων ανακοινώθηκε από τον ελβετό καθηγητή Michael Grätzel το 1991 και θα μπορούσε να εξελιχθεί σε μια οικονομικά προσιτή εναλλακτική λύση για την τεχνολογία πυριτίου στην μέλλον. Για υλικό βάσης για το κελί Grätzel είναι ο ημιαγωγός το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Ωστόσο, δεν λειτουργεί με βάση την επαφή p-n, αλλά απορροφά το φως σε μια οργανική χρωστική ουσία που λειτουργεί παρόμοια με τον τρόπο με τον οποίο τα φυτά χρησιμοποιούν την χλωροφύλλη για να συλλαμβάνουν την ενέργεια από το ήλιο μέσω της φωτοσύνθεσης. Σχήμα 5.16: Δημιουργία ρευματος στα dye-ευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα Dye-ευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα είναι θεμελιωδώς διαφορετικά από συμβατικά ηλιακά στοιχεία. Το στρώμα βαφής διοξειδίου του τιτανίου και αλατούχο διάλυμα σαν ηλεκτρολύτης βρίσκονται ανάμεσα σε δύο διαφανή ηλεκτρόδια (με TCO-επικαλυμμένο γυαλί φύλλα). Το διοξείδιο του τιτανίου»εφαρμόζεται ως πάστα στο ανώτερο ηλεκτρόδιο χρησιμοποιώντας μια διαδικασία ''εκτύπωσης''. Στους 450 C, το στρώμα είναι έτοιμο για να διαμορφώσει μια ταινία πάχους 10μm. Αυτό δημιουργεί μια πρόχειρη μίκρο-πορώδη δομή που αποτελείται από σωματίδια που είναι πάχους 10μm με 30μm. Η εσωτερική επιφάνεια αυτού του ''σφουγγαριού'' είναι 1000 φορές μεγαλύτερη από ό,τι με μια κανονική ταινία. Δεδομένου ότι το TiO 2 απορροφά μόνο το υπεριώδες φως, στην επιφάνεια αυτή δίνεται μια εξαιρετικά λεπτή επίστρωση βαφής με βάση 85

89 το ρουθήνιο. Ο υγρός ηλεκτρολύτης διαπερνά το πορώδες στρώμα και, κατά συνέπεια συνδέει τη χρωστική ουσία ηλεκτρικά με το χαμηλότερο ηλεκτρόδιο. Αν φως χτυπά το κύτταρο, η βαφή διεγείρεται και διοχετεύει ένα ηλεκτρόνιο στο διοξείδιο του τιτανίου. Το ηλεκτρόνιο μεταναστεύει μέσω των TiO 2 σωματιδίων στο ανώτερο ηλεκτρόδιο. Φθάνει το χαμηλότερο ηλεκτρόδιο μέσω του εξωτερικού ηλεκτρικού ρεύματος. Η μεταβιβάσεις των ηλεκτρονίων γίνονται με τη βοήθεια του καταλύτη πλατίνας στον ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης μεταφέρει το ηλεκτρόνιο πίσω στη βαφή και ο κύκλος ολοκληρώνεται. Το μοναδικό χαρακτηριστικό των βαφής-ευαισθητοποιημένων κυττάρων είναι ότι απορρόφησης του φωτός και οι μεταφορές ηλεκτρονίων συμβαίνουν σε διαφορετικά υλικά. Οι διεγέρσεις δημιουργούνται από την απορρόφηση του φωτός στη βαφή, ενώ ο ημιαγωγός TiO 2 και τα διαλυμένα ιόντα στον ηλεκτρολύτη είναι υπεύθυνοι για την μεταφορά των ηλεκτρονίων. Αυτό έχει σαν πλεονέκτημα ότι η επανασύνδεση δεν μπορεί να συμβεί ακόμη και με ''μολυσμένα'' υλικά. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει ανάγκη για καθαρό δωμάτιο και τεχνολογία κενού κατά τη διάρκεια της παραγωγής των κυττάρων. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι μη τοξικά και είναι φτηνά στην παραγωγή τους. Το διοξείδιο του τιτανίου παράγεται βιομηχανικά σε μεγάλες ποσότητες και χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στα χρώματα τοίχου, οδοντόκρεμα και το χαρτί. Ακριβά υλικά, όπως η πλατίνα και οι χρωστικές απαιτούνται μόνο σε πολύ μικρές ποσότητες. Έτσι εξακολουθούν να αποτελούν σοβαρά προβλήματα που πρέπει να λυθούν, ωστόσο, αυτή η τεχνολογία μπορεί να γίνει μαζικής παραγωγής. Μέχρι σήμερα, τα μικρά εργαστήρια έχουν φτάσει σε απόδοση μέχρι και 12%. Πλαίσια από ττην πρώτη περιορισμένη παρτίδα από την αυστραλιανή εταιρεία STI έχουν αποδοτικότητα του 5% περίπου. Σε συνεργασία με την ελβετική εταιρεία Greatcell Solar, έχουν προγραμματιστεί εμπορικά πλαίσια με 8% και 9% αποτελεσματικότητα. Η Konarka Technologies Inc, στις ΗΠΑ, έχει ξεκινήσει πιλοτική παραγωγή των βαφήςευαισθητοποιημένων κυττάρων για χρήση σε μικρές εφαρμογές. Αυτά εκτυπώνονται σε πλαστικές μεμβράνες σε μια διαδικασία roll-to-roll και υποτίθεται ότι έχουν 5% αποδοτικότητα. Η Peccell στην Ιαπωνία ανακοίνωσε επίσης ευέλικτα βαφήςευαισθητοποιημένα κύτταρα σε ένα πλαστικό υπόστρωμα για εφαρμογές εσωτερικού χώρου. Η Sony Europe κάνει έρευνα στα κύτταρα παράλληλα με κόκκινα και μαύρα χρώματα για τη βελτίωση της απορρόφησης φάσματος. Οι μέτρια απόδοση υπό κανονικές συνθήκες δοκιμής εξισορροπείται από συγκριτικά υψηλή απόδοση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού και εντάσεις. Έχουν αποδεχθεί πολύ ανεκτικά στην σκίαση. Σε αντίθεση με κρυσταλλικούς τύπους κυττάρων, απόδοση στην πραγματικότητα αυξάνει σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Συνεπώς, χρησιμοποιούνται γενικά για τις μικρές συσκευές σε εσωτερικούς χώρους και για την ενσωμάτωση στο εσωτερικό των κτιρίων. Εδώ τα βαφής-ευαισθητοποιημένα κύτταρα προσφέρουν συναρπαστικές νέες δυνατότητες σχεδιασμού με ρυθμιζόμενη την διαφάνειά τους και κόκκινη-ώχρα απόχρωση, εναλλακτικά, γκρι-πράσινο μπορεί να επιλεγεί ανάλογα με τη χρωστική ουσία. 86

90 6 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑTA Χρήσεις φωτοβολταϊκών συστημάτων Τα συστήματα φωτοβολταϊκών που χρησιμοποιούμε χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες, τα αυτόνομα και τα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο ισχύος. 6.1 ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ (STAND ALONE) Σχήμα 6.1 : Απλοποιημένο διάγραμμα αυτόνομου ΦΒ συστήματος. Στην κατηγορία αυτή συμπεριλαμβάνονται τα συστήματα στα οποία η παραγωγή ρεύματος γίνεται αποκλειστικά απ αυτά, χωρίς όμως αυτή να διοχετεύεται στο κεντρικό δίκτυο αλλά να καταναλώνεται τοπικά. Κάποιες φορές συνδυάζονται με συσσωρευτές για την αποθήκευση της ενέργειας, όταν αυτή δεν καταναλίσκεται άμεσα. Στην περίπτωση όπου γίνεται άμεση εκμετάλλευση δεν απαιτούνται μπαταρίες (π.χ. σε ηλεκτροδότηση αντλιών ύδρευσης). Τα συστήματα αυτά αποτέλεσαν σημαντική λύση στο πρόβλημα ηλεκτροδότησης εγκαταστάσεων σε απομακρυσμένες και δύσβατες περιοχές όπου ήταν αδύνατο να φθάσει το ηλεκτρικό δίκτυο. Εφαρμογές αυτών είναι: 1. Σπίτια, κτηνοτροφικές και αγροτικές μονάδες, πυροφυλάκια κ.α. 2. Κεραίες και φάροι. 3. Τηλεφωνικοί θάλαμοι. 4. Στύλοι φωτισμού και σημάνσεως. 5. Φωτισμός στάσεων μέσων μεταφοράς. 6. Συστήματα ασφαλείας. Στο σχήμα 6.1 φαίνεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος. Αποτελείται καταρχήν από τη ΦΒ γεννήτρια, η οποία είναι και το βασικότερο συστατικό του συστήματος, αφού εκεί γίνεται η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Έπειτα περιλαμβάνει συσσωρευτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, σε περιόδους που η παραγόμενη ενέργεια εμφανίζει περίσσεια και για την χρησιμοποίησή της, όταν η παραγωγή 87

91 είναι ανεπαρκής. Όπως είναι κατανοητό η χωρητικότητα των μπαταριών είναι δεδομένη και υπάρχει το ενδεχόμενη να μην καλύπτουν τις ανάγκες του φορτίου σε παρατεταμένες περιόδους συννεφιάς ή κάποιας βλάβης του συστήματος. Από την άλλη η επιλογή συσσωρευτών πολύ μεγάλης χωρητικότητας κρίνεται οικονομικά ασύμφορη. Η ιδανικότερη λύση είναι μια βοηθητική γεννήτρια (συνήθως ντηζελογεννήτρια), η οποία τίθεται σε λειτουργία όταν είναι αναγκαίο. Συχνά τα συστήματα αυτά καλούνται υβριδικά ΦΒ συστήματα και μπορεί να περιέχουν και άλλες εναλλακτικές βοηθητικές πηγές ενέργειας (π.χ. ανεμογεννήτρια). Τα υβριδικά μπορούν επίσης να αποτελέσουν μια λογική προσέγγιση σε καταστάσεις όπου οι περιστασιακές αιχμές ζήτησης είναι σημαντικά υψηλότερες από τη ζήτηση φορτίου βάσης. Τέλος αναπόσπαστα συστατικά ενός αυτόνομου συστήματος είναι οι διατάξεις για την μετατροπή της παραγόμενης ενέργεια από τα ΦΒ στοιχεία σε μορφή κατάλληλη για την τροφοδότηση των φορτίων, οι οποίες περιέχουν έναν DC/DC μετατροπέα σε συνδυασμό με έναν ανιχνευτή μέγιστης ισχύος(μρρτ) και έναν DC/AC αντιστροφέα. 6.2 ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ (GRID CONNECTED) Σχήμα 6.2 Απλοποιημένο διάγραμμα διασυνδεδεμένου ΦΒ συστήματος Μια διαφορετική προσέγγιση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας είναι η εφαρμογή των διασυνδεδεμένων ΦΒ συστημάτων, στα οποία η ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτείται στο δίκτυο. Υπάρχουν δύο διαφορετικές υλοποιήσεις, ανάλογα με το αν τροφοδοτείται κάποιο φορτίο απευθείας από το σύστημα ή όχι (Σχήμα 6.2). Σε ένα διασυνδεδεμένο σύστημα το δίκτυο ενεργεί όπως μια μπαταρία με απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης. Επομένως, η συνολική αποδοτικότητα ενός διασυνδεδεμένου ΦΒ συστήματος, θα είναι καλύτερη από την αποδοτικότητα ενός αυτόνομου συστήματος, αφού το δίκτυο έχει πρακτικά απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης και επομένως η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί πάντοτε να αποθηκεύεται. Αντιθέτως στις αυτόνομες εφαρμογές οι συσσωρευτές θα είναι ενίοτε πλήρως φορτισμένες, όποτε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει με κάποιο τρόπο να αποβάλλεται. 88

92 6.3 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ Η καλή λειτουργία και αυξημένη απόδοση των ΦΒ συστημάτων υποβοηθείται συχνά με την χρησιμοποίηση ειδικών διατάξεων, συνήθως ηλεκτρονικών ισχύος, που επεξεργάζονται την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει η ΦΒ γεννήτρια. Στο Σχήμα 6.3 δείχνεται η χαρακτηριστική καμπύλη τάσης - έντασης ενός ΦΒ πλαισίου του εμπορίου όταν τα ηλιακά στοιχεία του έχουν θερμοκρασία 60οC (δηλαδή η θερμοκρασία περιβάλλοντος περίπου 30οC ). Σχήμα 6.3: Παράδειγμα της καμπύλης τάσης (V) έντασης (Ι) ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου του εμπορίου στη θερμοκρασία 60 C (συνεχής γραμμή) και στη συμβατική θερμοκρασία 20 C (ασυνεχής γραμμή) και επιλογή του κατάλληλου σημείου της Σ για τη φόρτιση κοινών συσσωρευτών 12V που είναι όμως διαφορετικό από το σημείο της μέγιστης ισχύος ΜΡ. Για την φόρτιση συσσωρευτών 12V, στους οποίους όπως είδαμε η κατάλληλη τάση φόρτιση είναι 15.15V, μπορεί να χρησιμοποιηθεί, παράλληλα ή στη σειρά με το ΦΒ πλαίσιο, ένας ρυθμιστής τάσης που διατηρεί την τάση εξόδου του ΦΒ πλαισίου στην επιθυμητή τιμή. Επίσης, η τάση φόρτισης των συσσωρευτών μπορεί να ανεξαρτητοποιηθεί εντελώς από την τάση εξόδου της ΦΒ γεννήτριας με την παρεμβολή ενός μετατροπέα συνεχούς ρεύματος. Ο μετατροπέας αυτός παραλαμβάνει την τάση που δίνει η ΦΒ γεννήτριας που είναι αναγκαστικά ασταθής λόγω των διακυμάνσεων της ηλιακής ακτινοβολίας την μετατρέπει στην ευνοϊκή τάση για την φόρτιση των συσσωρευτών και την σταθεροποιεί ώστε να εξασφαλίζονται οι βέλτιστες συνθήκες φόρτισης (Σχήμα 6.4). Σχήμα 6.4: Απλοποιημένα διαγράμματα ενός ΦΒ συστήματος (Α) χωρίς ρυθμιστή τάσης (Β) με ρυθμιστή για τη φόρτιση των συσσωρευτών στη βέλτιστη τάση. Και στις δυο περιπτώσεις προβλέπεται η τοποθέτηση μιας προστατευτικής διόδου για την αποφυγή της εκφόρτισης των συσσωρευτών διαμέσου της ΦΒ γεννήτριας, αν μειωθεί σημαντικά η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. 89

93 Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, όταν οι συσσωρευτές του συστήματος φορτιστούν πλήρως, η περίσσεια του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται στη ΦΒ γεννήτρια διοχετεύεται από τον ρυθμιστή προς κατάλληλες αντιστάσεις ή προς τη γη, και έτσι προστατεύονται οι συσσωρευτές από τους κινδύνους της υπερφόρτισης. Εκτός από τον ρυθμιστή τάσης, τα ΦΒ συστήματα μπορούν να περιέχουν και άλλες ηλεκτρονικές διατάξεις, όπως είναι οι ρυθμιστές ισχύος, γνωστοί με τη συντομογραφία ΜΡΡΤ (Maximum Power Point Τrackers, δηλαδή διατάξεις παρακολούθησης του σημείου της μέγιστης ισχύος). Ο προορισμός τους είναι να επιδιώκουν τη λειτουργία της ΦΒ γεννήτριας στο σημείο της καμπύλης τάσης-έντασης που αντιστοιχεί στη μέγιστη απόδοση, όσο επιτρέπει ο συντελεστής πλήρωσης (FF). Στη συνέχεια, με τον μετατροπέα τάσης, η τάση εξόδου της ΦΒ γεννήτριας μετατρέπεται στην απαιτούμενη για τη φόρτιση των συσσωρευτών του συστήματος. Πάντως, το κόστος των διατάξεων αυτών είναι σημαντικό, και έτσι, συνήθως παραλείπονται στα σχετικά μικρής ισχύος ΦΒ συστήματα. Τέλος, στην έξοδο των ΦΒ συστημάτων παρεμβάλλεται συχνά ένας αντιστροφέας, που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα της ΦΒ γεννήτριας και των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενο, αν αυτό εξυπηρετεί καλύτερα το δίκτυο της τοπικής κατανάλωσης. Κύρια κίνητρα για την προτίμηση της εναλλασσόμενης τάσης, και την τοποθέτηση μεταλλακτών και μετασχηματιστών, είναι ότι οι ηλεκτρικές συσκευές του εμπορίου είναι συνήθως κατασκευασμένες για εναλλασσόμενο ρεύμα και έχουν μικρότερο κόστος από τις αντίστοιχες του συνεχούς ρεύματος. Επίσης, η ανύψωση της τάσης, που γίνεται συγχρόνως με τη μετατροπή της από συνεχή σε εναλλασσόμενη, συνεπάγεται μείωση των απωλειών στους αγωγούς του δικτύου. Σημειώνεται, πάντως ότι η λειτουργία των παραπάνω διατάξεων συνοδεύεται με συχνά αξιόλογες απώλειες. π.χ. ο συντελεστής απόδοσης των διαφόρων ηλεκτρονικών ισχύος που αναφέραμε είναι συνήθως περίπου 90-50%, εφόσον λειτουργούν κοντά στην ονομαστική τους ισχύ, αλλά γίνεται πολύ μικρότερος όταν η ισχύ είναι μειωμένη. 6.4 ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ Η συσκευή αυτή ρυθμίζει τη ροή του ρεύματος από τα ΦB πλαίσια προς τις μπαταρίες αποθήκευσης και διατηρεί την κανονική κατάσταση φόρτισης των μπαταριών Για παράδειγμα όσο η μπαταρία πλησιάζει την πλήρη φόρτισή της ο ρυθμιστής ελαττώνει το ρεύμα που δίνουν τα πλαίσια προς τη μπαταρία και εμποδίζει την υπερφόρτιση της. Είναι γνωστό ότι η υπερφόρτιση μιας μπαταρίας ελαττώνει το χρόνο ζωής της. Για την εκλογή του κατάλληλου ρυθμιστή τάσης που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σε ένα ΦB σύστημα, λαμβάνονται υπόψη τα πιο κάτω βασικά χαρακτηριστικά του: α) Η ισχύς. Αυτή καθορίζεται από τη τάση που δίνουν τα ΦB πλαίσια και την ένταση του ρεύματος στον καταναλωτή. Η ισχύς του ρυθμιστή πρέπει να ξεπερνά την ισχύ που δίνουν τα πλαίσια και την ισχύ που καταναλώνει το φορτίο. Γενικά ο ρυθμιστής πρέπει να έχει τέτοιο μέγεθος ώστε να μπορεί να δεχθεί ρεύμα τουλάχιστον 1.25 φορές μεγαλύτερο του ρεύματος βραχυκυκλώσεως των πλαισίων και η τάση λειτουργίας του να είναι περίπου ίση με τη τάση που δίνουν τα πλαίσια. β) Χαμηλή τάση αποκοπής. Όταν η τάση της μπαταρίας πέσει αρκετά κάτω από την κανονική της τιμή, τότε ο ρυθμιστής αποσυνδέει τη μπαταρία από το φορτίο ώστε να διατηρηθεί η καλή κατάσταση της μπαταρίας και να προληφθεί οποιαδήποτε βλάβη συμβεί στον καταναλωτή (φορτίο) όταν στα άκρα του εφαρμοσθεί τάση μικρότερη από την κανονική 90

94 τάση λειτουργίας του. Σε μια μπαταρία των 12 V, η χαμηλή τάση αποκοπής του συνδεδεμένου ρυθμιστή είναι μεταξύ 11 και 12V. γ) Υψηλή τάση αποκοπής. Όταν η τάση της μπαταρίας μεγαλώσει αρκετά, τότε ο ρυθμιστής την αποσυνδέει από τα πλαίσια και έτσι εμποδίζει την υπερφόρτισή της. Σε μια μπαταρία των 12 V η υψηλή τάση αποκοπής είναι μεταξύ 14.5 και 15 V. δ) Ρύθμιση της φόρτισης της μπαταρίας ανάλογα με την Θερμοκρασία της. Ο ρυθμιστής προσαρμόζει αυτόματα το σημείο τερματισμού της φόρτισης της μπαταρίας ώστε το φορτίο που θα διοχετευθεί στη μπαταρία να είναι μέγιστο σε σχέση με τη θερμοκρασία της. ε) Προστασία πλαισίων από αντίθετο ρεύμα. Ο ρυθμιστής περιέχει μηχανισμό που εμποδίζει κάποιο ρεύμα να κινηθεί από τη μπαταρία προς τα πλαίσια όταν δεν φωτίζονται ή κατά τη διάρκεια της νύχτας. Το μέγεθος του ρυθμιστή έχει επίσης σημασία ιδίως στην περίπτωση που θα τοποθετηθεί στον ίδιο κλειστό χώρο με τις μπαταρίες. 6.5 ΜΠΑΤΑΡΙΑ Όπως έχει ήδη αναφερθεί αναλυτικά, η μπαταρία είναι απαραίτητη σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα για να αποθηκεύει την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στα ΦB πλαίσια και να τη δίνει στον καταναλωτή κατά τα χρονικά διαστήματα που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία (νυκτερινές ώρες, συννεφιασμένες μέρες). Γενικά οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σε ΦB συστήματα είναι όμοιες με τις κοινές μπαταρίες αυτοκινήτων, δηλαδή φόρτισης - εκφόρτισης. Οι πιο συνηθισμένες είναι με ηλεκτρόδια (πόλους) μολύβδου σε διάλυμα θειικού οξέως. Αυτές είναι και οι πιο οικονομικές για τα ΦB συστήματα. Σε περιπτώσεις όμως μεγάλων αυξομειώσεων της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια του έτους, χρησιμοποιούνται αλκαλικές νικελίου-καδμίου. Σήμερα υπάρχει καινούρια γενιά μπαταριών λιθίου (Li) με πολλαπλάσια αποθηκευτική ικανότητα και διάρκεια ζωής και με ανταγωνιστικό κόστος. Τα αυτόνομα (μη διασυνδεδεμένα) φωτοβολταϊκά συστήματα απαιτούν την αποθήκευση της ενέργειας ώστε να έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν και σε περιόδους με καθόλου ή λίγη ηλιακή ακτινοβολία, όπως κατά τη διάρκεια της νύχτας ή κατά τη διάρκεια συννεφιάς. Η πιο βολική λύση για αποθήκευση ενέργειας σε ένα ΦΒ σύστημα είναι ο κλασικός ηλεκτροχημικός συσσωρευτής (μπαταρία), ειδικά αφού παράγεται συνεχές ρεύμα και έτσι επιτρέπεται η απευθείας σύνδεση μεταξύ ηλιακών κυψελών και μπαταρίας χωρίς να χρειάζεται μετατροπή. Ωστόσο η εμπειρία έχει δείξει ότι σε ένα αυτόνομο ΦΒ σύστημα η μπαταρία είναι το πιο αδύνατο σημείο, καθώς η διάρκεια ζωής της είναι γενικά πολύ μικρότερη από όλες τις άλλες μονάδες του συστήματος. Έτσι το 30% περίπου ή και περισσότερο από τα έξοδα κατά τη διάρκεια ζωής ενός τέτοιου συστήματος δαπανείται στις μονάδες αποθήκευσης. Τυπικά η μπαταρία σε ένα αυτόνομο ΦΒ σύστημα είναι διαστασιολογημένη ώστε να διασφαλίζει ότι εφόσον η ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί, τα φορτία που πρέπει, μπορούν να καλυφθούν για τουλάχιστον 3-4 ημέρες. Το αποτέλεσμα της διαστασιολόγησης αυτής είναι ότι το ποσοστό της ημερήσιας εκφόρτισης μιας μπαταρίας ΦΒ συστήματος είναι περίπου 25% με 30% της θεωρητικής χωρητικότητας της. Επιπλέον η διαστασιολόγηση των ΦΒ κυψελών συνήθως γίνεται για την κάλυψη όλων των φορτίων που έχουμε υπό συνθήκες μέσης ακτινοβολίας της περιοχής. Αυτές οι δυο βασικές υποθέσεις μας επιτρέπουν να συμπεράνουμε τις τυπικές συνθήκες λειτουργίας για μια μπαταρία σε ένα αυτόνομο ΦΒ σύστημα. 91

95 Λειτουργία με περίσσεια ενέργειας: Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού κάθε ΦΒ σύστημα λειτουργεί υπό συνθήκες περίσσειας ενέργειας, καθώς είναι σχεδιασμένο για συνθήκες χαμηλότερης μέσης ηλιακής ακτινοβολίας. Ως αποτέλεσμα η μπαταρία φτάνει τη μέγιστη τάση φόρτισης της σχεδόν κάθε μέρα το μεσημέρι και μέχρι το απόγευμα είναι πλήρως φορτισμένη. Κατά τη διάρκεια της νύχτας η μπαταρία εκφορτίζεται και το πρωί με την ανατολή του ηλίου έχει φτάσει στην ελάχιστη κατάσταση εκφόρτισης, περίπου στο 70% της θεωρητικής χωρητικότητας της. Κατά τη διάρκεια της επόμενης ημέρας πραγματοποιείται πάλι ο ίδιος κύκλος φόρτισης και έχουμε και πάλι πλήρη φόρτιση μέχρι το απόγευμα. Αυτές είναι οι ευνοϊκότερες συνθήκες λειτουργίας για την μπαταρία του ΦΒ συστήματος. Λειτουργία με έλλειψη ενέργειας: Κατά τη διάρκεια του χειμώνα αν δεν έχει γίνει σημαντική διαστασιολόγηση, το ίδιο ΦΒ σύστημα λιγότερο ή περισσότερο συχνά αντιμετωπίζει συνθήκες λειτουργίας έλλειψης ενέργειας. Κάθε φορά που ο ουρανός θα είναι συννεφιασμένος (έλλειψη άμεσης ακτινοβολίας) και η συννεφιά θα παραμένει για μερικές ημέρες, η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας σταδιακά θα μειώνεται και αργά η γρήγορα η τάση της θα πέσει κάτω από την ελάχιστη τάση εκφόρτισης. Αν ο χρήστης δεν μειώσει εκουσίως την κατανάλωση το αποτέλεσμα θα είναι η προστασία βαθιάς εκφόρτισης της μπαταρίας να διακόψει την παροχή ρεύματος. Η διακοπή θα συνεχιστεί μέχρι η μπαταρία να φορτιστεί και πάλι κατά την διάρκεια της επόμενης ηλιόλουστης ημέρας και να φτάσει ένα ικανοποιητικό επίπεδο τάσης. Λειτουργία με κύκλους διακύμανσης ενέργειας: Κατά τη διάρκεια των ημερών που η μπαταρία δεν φορτίζεται στο 100% και ούτε πέφτει στην ελάχιστη τάση εκφόρτισης, λειτουργεί σε μια κατάσταση διακύμανσης που είναι δύσκολο να εκτιμηθεί. Ωστόσο σε σχέση με τις δυο προηγούμενες καταστάσεις λειτουργίας αυτή η ενδιάμεση κατάσταση έχει πολύ μικρή σημασία για την διάρκεια ζωής της μπαταρίας γιατί δεν εμφανίζεται τόσο συχνά όσο οι άλλες δυο. Οι συνθήκες λειτουργίας και η διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας ΦΒ συστήματος καθορίζονται βασικά από τον αριθμό των ημερών που η μπαταρία φορτίζεται στο 100% (που είναι το ιδανικό) και των αριθμό των ημερών που φτάνει την ελάχιστη τάση εκφόρτισης. Αν οι κυψέλες έχουν διαστασιολογηθεί να είναι μικρές για τα φορτία που θα τροφοδοτούν, η μπαταρία θα φτάνει πιο συχνά την ελάχιστη αυτή τάση και η διάρκεια ζωής της θα είναι μικρότερη. Αν αντιθέτως οι συλλέκτες είναι υπερδιαστασιολογημένοι η μπαταρία θα φτάνει στο 100% σχεδόν κάθε μέρα του χρόνου και η διάρκεια ζωής της θα είναι μεγαλύτερη. Από τη στιγμή που η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι ένας από τους παράγοντες ''κλειδιά'' για το κόστος κατά τη διάρκεια ζωής του συστήματος, κάποιος πρέπει να ακολουθήσει μια σειρά από κανόνες όταν στοχεύει στη μεγιστοποίηση της. Πρέπει να επιλέξει την κατάλληλη τεχνολογία που ταιριάζει στην εφαρμογή του, να επιλέξει κατάλληλα το ανώτατο όριο φόρτισης και το κατώτατο όριο εκφόρτισης, να αποφύγει τις πλήρεις εκφορτίσεις (κάτω του κατώτατου ορίου εκφόρτισης), να αποφύγει τη δημιουργία στρωμάτων οξέως στον ηλεκτρολύτη, να αποφύγει τις υψηλές θερμοκρασίες μπαταρίας, να εξασφαλίσει συχνές πλήρεις φορτίσεις. 92

96 6.5.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ Το ποσό της ηλεκτρικής ενέργεια που αποθηκεύεται σε μια μπαταρία μετριέται σε Wh ή KWh. Η ενεργειακή απόδοση μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας είναι : και είναι συνήθως 70-80%. Η χωρητικότητα της μπαταρίας μετριέται σε Ah. Η απόδοση φόρτισης είναι : και είναι περίπου 95% για μια μπαταρία οξέως - μολύβδου, και λίγο μικρότερη για μια νικελίου - καδμίου. Οι ρυθμοί φόρτισης και εκφόρτισης είναι βολικές κλίμακες για τη σύγκριση των ρευμάτων φόρτισης των μπαταριών, ανεξάρτητα από τη χωρητικότητα τους. Εκφράζονται σαν ένας αριθμός ωρών π.χ. 10h ρυθμός, 24h ρυθμός κ.τ.λ. Το ρεύμα στο οποίο αντιστοιχούν είναι το πηλίκο της συνολικής ικανότητας εκφόρτισης της μπαταρίας προς τον αριθμό των ωρών που χρειάζονται για την εκφόρτιση Η ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΜΙΑΣ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ Η ονομαστική ικανότητα μιας μπαταρίας (σε Ah) είναι οι μέγιστες Ah που μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία μπορεί να αποδώσει κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Οι συνθήκες αυτές περιλαμβάνουν: Το ρεύμα (ή ο ρυθμός) που γίνεται η εκφόρτιση. Τη θερμοκρασία λειτουργίας της μπαταρίας. Την τάση μέχρι την οποία εκφορτίζεται η μπαταρία (η τελική τάση στο τέλος της εκφόρτισης). Συγκεκριμένα το ρεύμα εκφόρτισης πρέπει να δηλώνεται μαζί με την χωρητικότητα, αφού για παράδειγμα, μια μπαταρία 100 Ah θα δώσει 10h εκφόρτισης στα 10Α, λιγότερο από μια ώρα εκφόρτισης στα 100Α και περισσότερες από 100h στο 1Α. Η χωρητικότητα μεγαλώνει για μικρότερα ρεύματα εκφόρτισης και μικραίνει για μεγαλύτερα ρεύματα. Στις χαμηλές θερμοκρασίες η χωρητικότητα όλων των μπαταριών μειώνεται. Εάν ένα ΦΒ σύστημα απαιτεί μια συγκεκριμένη αυτονομία σε κάποιο μήνα που η μπαταρία αναμένεται να υποστεί χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας αυτό θα πρέπει να ληφθεί υπόψη όταν επιλεγεί η μπαταρία. Η τάση στην οποία εκφορτίζεται η μπαταρία προφανώς επηρεάζει την χωρητικότητα της. Αν μια μπαταρία εκφορτιστεί μέχρι χαμηλότερη τάση φυσικά και θα δώσει περισσότερες Ah. 93

97 6.5.3 ΤΥΠΟΙ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΦΒ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Μπαταρίες μολύβδου Οι μπαταρίες μολύβδου - ασβεστίου αποτελούνται από δυο ηλεκτρόδια και τον ηλεκτρολύτη. Το θετικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από διοξείδιο του μολύβδου (PbO 2), ενώ το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι μεταλλικός μόλυβδος Pb. Κατά την εκφόρτιση το διοξείδιο του μολύβδου στην άνοδο μεταπίπτει σε θειϊκό μόλυβδο, και ο μόλυβδος στην κάθοδο μεταπίπτει επίσης σε θειϊκό μόλυβδο. Ο ηλεκτρολύτης είναι θειϊκό οξύ διαλυμένο σε νερό ή σε μορφή ζελέ. Οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται είναι οι εξής : Μπαταρίες νικελίου - καδμίου Οι μπαταρίες νικελίου - καδμίου στην φορτισμένη κατάσταση έχουν θετικά ηλεκτρόδια με NiOOH σαν ενεργό υλικό, αρνητικά ηλεκτρόδια με κάδμιο σαν ενεργό υλικό και για ηλεκτρολύτη υδροξείδιο του καλίου σε νερό. Οι βασικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται είναι οι εξής : Σημειώνεται ότι στις μπαταρίες νικελίου - καδμίου δεν υπάρχει συμμετοχή του ηλεκτρολύτη (KOH) ούτε στην αντίδραση φόρτισης ούτε στην αντίδραση εκφόρτισης. Αυτό σημαίνει ότι η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη δεν μεταβάλλεται ούτε κατά τη φόρτιση ούτε κατά την εκφόρτιση και κατά την αντίδραση εκφόρτισης δεν χρειάζεται να έχουμε επαρκή απόθεμα ιόντων από τον ηλεκτρολύτη για να εξασφαλιστεί ότι έχουμε μέγιστη χωρητικότητα. Και τα δυο αυτά είναι αντίθετα με τη συμπεριφορά των μπαταριών μολύβδου. Στα ΦΒ συστήματα οι μπαταρίες νικελίου - καδμίου συνήθως επιλέγονται μόνο όταν η λειτουργία του συστήματος θα γίνεται σε πολύ χαμηλές (υπό το μηδέν) ή σε πολύ υψηλές (πάνω από 40οC) θερμοκρασίες, όπου οι μπαταρίες μολύβδου έχουν πρόβλημα και η διάρκεια ζωής τους μειώνεται σημαντικά. Οι μπαταρίες νικελίου - καδμίου είναι περίπου 3-4 φορές ακριβότερες ανά KWh από τις αντίστοιχες μολύβδου. Παρότι μια κυψέλη μπαταρίας νικελίου - καδμίου μπορεί να εκφορτιστεί πλήρως (0V) χωρίς πρόβλημα, δεν είναι καλό να επιτρέπεται εκφόρτιση μιας μπαταρίας μέχρι πολύ χαμηλές τάσεις. Και αυτό γιατί κάποια κελιά αναπόφευκτα θα έχουν μικρότερη χωρητικότητα από άλλα και αν η εκφόρτιση υπερβεί το όριο, τα μικρότερης χωρητικότητας κελιά θα εμφανίσουν αντίστροφη πολικότητα η οποία θα μειώσει αρκετά τη διάρκεια ζωής τους. Έτσι 94

98 συνήθως μια μπαταρία νικελίου - καδμίου σε ένα ΦΒ σύστημα έχει μέγιστο όριο εκφόρτισης το 90%. 6.6 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ - ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ INVERTER Η συσκευή αυτή είναι απαραίτητη για τη μετατροπή του συνεχούς (DC) ρεύματος σε εναλλασσόμενο (ΑC) για να μπορούν να λειτουργούν οι διάφορες συσκευές που κυκλοφορούν στην αγορά. Ένας τέτοιος μετατροπέας είναι ο περιστρεφόμενος, στον οποίο το συνεχές ρεύμα προκαλεί περιστροφή ενός κινητήρα που με τη σειρά του μεταδίδει την κίνηση σε μια γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος. Η συσκευή αυτή δεν χρησιμοποιείται σήμερα διότι με την ανάπτυξη της τεχνολογίας έχουν κατασκευασθεί παρόμοιες συσκευές με ημιαγωγούς και χωρίς κινητά μέρη. Η απόδοση των τελευταίων είναι πολύ μεγαλύτερη, η συντήρησή τους πολύ πιο εύκολη και η ανάγκη για επιδιόρθωση πολύ σπάνια. Ανάλογα με το είδος του Φ/B συστήματος χρησιμοποιείται και ο κατάλληλος μετατροπέας. Σε ένα αυτοτελές Φ/B σύστημα συνδέεται μετατροπέας που έχει τέτοια κατασκευή ώστε να λειτουργεί με την ηλεκτρική ενέργεια που δίνουν τα Φ/B πλαίσια και να μετατρέπει τη συνεχή μορφή της ενέργειας αυτής σε εναλλασσόμενη. Σε ένα Φ/B σύστημα ενωμένο με το κεντρικό δίκτυο, συνδέεται μετατροπέας που λειτουργεί με την τάση του κεντρικού δικτύου και καθίσταται ικανός να μετατρέπει τη συνεχή τάση των Φ/B πλαισίων σε εναλλασσόμενη ώστε να τροφοδοτούνται οι ηλεκτρικές συσκευές ή ακόμη και το ηλεκτρικό δίκτυο ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΑΥΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Τα κύρια χαρακτηριστικά μετατροπέα αυτοτελούς φωτοβολταϊκού συστήματος είναι τα εξής: Η τάση εισόδου, είναι η τάση των ΦB πλαισίων. Η ισχύς του που καθορίζεται από το μέγεθος του Φ/B συστήματος. Η απόδοσή του που κυμαίνεται μεταξύ του 80 και 90%. Η ικανότητα του να μετατρέπει όσο το δυνατό καλύτερα τη συνεχή τάση εισόδου σε εναλλασσόμενη, χωρίς να εμφανίζονται σήματα παραμόρφωσης και να διατηρεί μια σχετική σταθερότητα στη συχνότητα. Βασικό κριτήριο στην εκλογή κατάλληλου μετατροπέα που θα τοποθετηθεί σε αυτοτελές Φ/B σύστημα είναι το είδος της εναλλασσόμενης τάσης που χρειάζεται για να λειτουργήσει ο καταναλωτής. Πολλές συσκευές λειτουργούν και με εναλλασσόμενη τάση διαφορετική της ημιτονοειδούς, υπάρχουν όμως συσκευές, όπως οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, που χρειάζονται τέλεια ημιτονοειδή τάση για να λειτουργήσουν κανονικά. Άλλες συσκευές που έχουν κινητήρα χρειάζονται σταθερότητα στη συχνότητα γι αυτό και ο μετατροπέας πρέπει να δίνει εναλλασσόμενη τάση σταθερής συχνότητας. Η όσο το δυνατό μεγαλύτερη απόδοση αποτελεί βασικό κριτήριο για την εκλογή του μετατροπέα. Αν ένας μετατροπέας έχει 90% απόδοση τότε στην είσοδό του θα χρειαστεί ισχύς 3,3 kw για να δώσει στην έξοδό του ισχύ 3 kw. Συνήθως η απόδοση είναι μικρότερη αν η ισχύς που του δίνεται είναι μικρότερη από τη τιμή για την οποία κατασκευάστηκε. Φυσικά είναι πλεονέκτημα για ένα μετατροπέα να έχει σταθερή απόδοση για μεγάλη περιοχή διαφορετικών τιμών ισχύος. Ένα άλλο πλεονέκτημα που πρέπει να έχει ένας μετατροπέας είναι η αυτόματη διακοπή της λειτουργίας του όταν δεν είναι συνδεδεμένος με καταναλωτή σε λειτουργία. Με αυτόν τον τρόπο εξοικονομείται ενέργεια γιατί δεν θα υπάρχουν απώλειες στον ίδιο τον μετατροπέα όταν δεν περνά ρεύμα από αυτόν. Επίσης, σε περίπτωση που ο μετατροπέας χρειαστεί να τροφοδοτήσει μεγάλο κινητήρα σαν αυτόν που βρίσκεται σε ηλεκτρική αντλία νερού ή σε συμπιεστή ψυγείου, πρέπει να είναι σε θέση να δώσει στην αρχή την απαραίτητη ισχύ που χρειάζεται ο κινητήρας για να ξεκινήσει, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. 95

99 Άλλο χαρακτηριστικό μετατροπέα αυτοτελούς Φ/B συστήματος, είναι η σταθερότητα τάσης που δίνει στον καταναλωτή. Επειδή η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας δεν είναι πάντοτε η ίδια, υπάρχουν αυξομειώσεις στη τάση που δέχεται ο μετατροπέας. Σήμερα έχουν κατασκευασθεί εξαιρετικοί από πλευράς ποιότητας μετατροπείς που έχουν τη δυνατότητα να δίνουν ημιτονοειδή εναλλασσόμενη τάση με (1-2%) αυξομείωση στην τάση εξόδου. Οι περισσότερες οικιακές συσκευές λειτουργούν κανονικά με αυξομειώσεις της τάσης γύρω στο 5-10%. Αυτές είναι συνήθως μικρότερες των αυξομειώσεων της τάσης που δίνει το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο στο σπίτι. Για προστασία τόσο του ιδίου του μετατροπέα, της μπαταρίας αλλά και του καταναλωτή, ένας καλής ποιότητας μετατροπέας έχει μηχανισμό διακοπής της λειτουργίας του εφόσον η τάση στην είσοδο του έχει αστάθεια. Ο συντελεστής ισχύος είναι ο λόγος της ωφέλιμης ισχύος που χρησιμοποιεί ο καταναλωτής προς την ισχύ που δίνεται στον καταναλωτή. Η τιμή του συντελεστή ισχύος εξαρτάται από την εκλογή του μετατροπέα και το είδος του καταναλωτή. Ένας καλής ποιότητας μετατροπέας παρουσιάζει συντελεστή ισχύος 0.7 κατά τη σύνδεση του με τους διάφορους καταναλωτές ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΦB ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ ΜΕ ΔΙΚΤΥΟ Τα κύρια χαρακτηριστικά του μετατροπέα αυτού είναι δύο. Πρώτον έχει απόδοση που είναι γύρω στο 90-95% και δεύτερο μπορεί να μετατρέψει πλήρως τη συνεχή τάση εναλλασσόμενη, γιατί λειτουργεί με βάση το σήμα που παίρνει από το ηλεκτρικό δίκτυο. Θα πρέπει να έχει μεγάλη ισχύ για να μπορεί να μετατρέπει σε εναλλασσόμενη όλη την ισχύ που παράγουν τα ΦB πλαίσια. Θα πρέπει ακόμη να είναι σε θέση να αντεπεξέλθει και σε περιπτώσεις πολύ μεγαλύτερων τιμών ισχύος που μπορεί να εμφανισθούν κατά τη διάρκεια ειδικών καιρικών συνθηκών. Για παράδειγμα, μεγάλη ισχύς μπορεί να δημιουργηθεί όταν ορισμένα σύννεφα που, λειτουργώντας σαν φακός, προκαλούν μεγαλύτερη συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας στα ΦB πλαίσια από τη κανονική. Ένα πλεονέκτημα του μετατροπέα που συνδέεται με το κεντρικό δίκτυο είναι ότι δεν χρειάζεται να αντιμετωπίσει τις μεγάλες τιμές ρεύματος που απαιτούνται για το ξεκίνημα ενός κινητήρα. Σε τέτοιες περιπτώσεις υπάρχει η δυνατότητα τα υψηλά ρεύματα να παρέχονται από το δίκτυο. Και σε αυτή την περίπτωση όμως ο μετατροπέας πρέπει να έχει σταθερή απόδοση σε πολύ μεγάλη περιοχή τιμών ισχύος. Άλλο χαρακτηριστικό που πρέπει να έχει ένας τέτοιος μετατροπέας είναι η ικανότητα να προσαρμόζει τη λειτουργία του υπό τέτοια τάση, ώστε με οποιεσδήποτε συνθήκες, η ισχύς εξόδου να είναι πάντα η μέγιστη. Γενικά, η καλή απόδοση και η ικανότητα του μετατροπέα να χρησιμοποιεί τη μέγιστη ισχύ που παράγουν τα Φ/B πλαίσια έχει πολύ μεγάλη σημασία γιατί έχει σχέση με το οικονομικό όφελος του ιδιοκτήτη του ΦΒ συστήματος. Επειδή η ηλεκτρική ενέργεια είναι δυνατό να διατεθεί δια μέσου του ηλεκτρικού δικτύου, η μορφή του ηλεκτρικού ρεύματος που δίνει ο μετατροπέας πρέπει να είναι ημιτονοειδής όπως ακριβώς το ρεύμα που κυκλοφορεί στο ηλεκτρικό δίκτυο. Πραγματικά, με την αλματώδη ανάπτυξη της φυσικής της στερεάς κατάστασης της ύλης, έχουν κατασκευασθεί μετατροπείς που δίνουν σχεδόν τέλεια ημιτονοειδή τάση με ελάχιστα αρμονικά σήματα που την παραμορφώνουν. Το αποτέλεσμα είναι ότι η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται με αυτό τον τρόπο δεν προκαλεί προβλήματα στη λειτουργία των κινητήρων και είναι πλήρως δεκτή από το ηλεκτρικό δίκτυο. Ένας άλλος παράγοντας που λαμβάνεται υπόψη είναι ο συντελεστής ισχύος. Στην ιδανική περίπτωση ο συντελεστής αυτός πρέπει να είναι ίσος με τη μονάδα. Αυτό σημαίνει ότι η τάση και το ρεύμα παίρνουν συγχρόνως τη μέγιστη τους τιμή και ότι όλη η ισχύς εξόδου του μετατροπέα είναι ίση με την ισχύ που καταναλώνει το φορτίο. Τελευταία έχουν κατασκευασθεί μετατροπείς που έχουν συντελεστή ισχύος 0.95 που είναι ίσος με αυτόν που έχει το ηλεκτρικό δίκτυο. 96

100 6.7 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ Ο μετατροπέας τάσης είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα ισχύος που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη. Είναι συνεπώς ένα βασικό στοιχειό των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Ο μετατροπέας στην βασική του μορφή αποτελείται από κατάλληλη διάταξη ηλεκτρονικών διακοπτών η συνδυασμένη λειτουργία των οποίων έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία τετραγωνικών παλμών διαδοχικά ορθών και αντεστραμμένων. Μια βελτιωμένη έκδοση των μετατροπέων είναι αυτή που στην έξοδο του παράγει τάση που έχει τη μορφή διαμορφωμένου ημίτονου ΠΛΕΥΡΑ ΕΙΣΟΔΟΥ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ (INPUT SIDE) Επί της ουσίας πρόκειται για την πλευρά του μετατροπέα που συνδέεται με την έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, η οποία παρέχει ισχύ υπό συνεχή dc τάση και ρεύμα. Τα μεγέθη που παραθέτουμε σε αυτήν την παράγραφο αναφέρονται στην dc πλευρά της συσκευής, δηλαδή σε συνεχές ρεύμα και τάση. Κατάσταση λειτουργίας Ο μετατροπέας έχει ενσωματωμένες στην είσοδο του ηλεκτρονικές διατάξεις που επεξεργάζονται κατάλληλα το ρεύμα και την τάση εξόδου της ΦΒ συστοιχίας ώστε για κάθε χρονική στιγμή να απορροφάμε τη μέγιστη ισχύ από τη συστοιχία. Η παραγωγή και άρα απορρόφηση μέγιστης ισχύος όπως είδαμε αντιστοιχεί στο MPP σημείο λειτουργίας. Με τη χρήση τέτοιων διατάξεων το σημείο λειτουργίας διατηρείται σταθερά στο MPP, προφανώς για τις εκάστοτε συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Η κατάσταση λοιπόν λειτουργίας του μετατροπέα λαμβάνεται να αντιστοιχεί πάντα στο MPP. Ελάχιστη και μέγιστη MPP τάση Οι δύο αυτές χαρακτηριστικές τιμές της τάσης ορίζουν ένα ''παράθυρο τάσης'', άνω και κάτω όριο τάσης, μέσα στο οποίο ο inverter δύναται να αναζητήσει το MPP. Όταν καθορίζουμε την τάση ΜPP εξόδου της συστοιχίας αυτή θα πρέπει να βρίσκεται μέσα στο «παράθυρο τάσης» του μετατροπέα. Το ΜPP όπως είδαμε καθορίζεται από την ρεύμα IMPP και την τάση VMPP. Τα μεγέθη αυτά παρέχονται από τους κατασκευαστές των πλαισίων αλλά αναφέρονται στις πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC) όπου η θερμοκρασία λειτουργίας των κυττάρων λαμβάνεται 25ºC. Στις πραγματικές συνθήκες η θερμοκρασία λειτουργίας είναι συνήθως αρκετά μεγαλύτερη και το MPP μετατοπίζεται. Έτσι μια καλή προσέγγιση για τον υπολογισμό του MPP της γεννήτριας ώστε να εξεταστεί αν αυτό βρίσκεται μέσα στο παράθυρο τάσης είναι η θερμοκρασία να λαμβάνεται η θερμοκρασία λειτουργίας για 50ºC με 60ºC. Μέγιστη τάση Είναι η απόλυτη μέγιστη DC τάση κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες που μπορεί να δεχθεί στην είσοδό του ο μετατροπέας. Η μέγιστη τάση εξόδου της συστοιχίας δεν πρέπει να υπερβαίνει αυτή την τιμή. Πρέπει λοιπόν να εξετάζουμε αν η V oc της συστοιχίας είναι μικρότερη από το συγκεκριμένο όριο τάσης. Για να είμαστε στην ασφαλή πλευρά ή ακτινοβολία λαμβάνεται στους 1000 ενώ για τη θερμοκρασία μια καλή προσέγγιση είναι -10 C για την Ευρώπη. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες η Voc ελαττώνεται. 97

101 Κατώφλι ισχύος (Power threshold) Είναι η ελάχιστη ισχύς εισόδου που χρειάζεται ο inverter για να λειτουργήσει. Μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι ισχύς που καταναλώνει ο ίδιος ο inverter για τη λειτουργία του. Μέγιστο φωτοβολταϊκό ρεύμα (Ipvmax) Είναι το απόλυτο μέγιστο αποδεκτό ρεύμα στην είσοδο του inverter. Για την διαστασιολόγηση του συστήματος συνήθως εξετάζεται η απαίτηση το Impp της συστοιχίας να είναι μικρότερο από την παραπάνω τιμή ΠΛΕΥΡΑ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ Εννοείται η πλευρά του μετατροπέα που συνδέεται στο δίκτυο ή εν γένει στο φορτίο που τροφοδοτεί. Προφανώς στην πλευρά εξόδου έχουμε εναλλασσόμενη (AC) τάση και ρεύμα. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη που εξετάζονται στις επόμενες υποπαραγράφους αναφέρονται στην AC πλευρά του μετατροπέα. Ονομαστική ισχύς Η ονομαστική ισχύς είναι ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά μεγέθη για τους μετατροπείς. Εννοείται ως η ισχύς που μπορεί να παρέχει διαρκώς στο δίκτυο. Όταν έχουμε υπέρβαση των ορίων, δηλαδή σε ακραίες περιπτώσεις υπερπαραγωγής ισχύος στο ΜPP, εφαρμόζεται κάποια μέθοδος περιορισμού, πχ μετατόπιση του σημείου λειτουργίας της I-V χαρακτηριστικής. Η ονομαστική ισχύς είναι το μόνο από τα μεγέθη που χρησιμοποίει το πρόγραμμα για τη διαστασιολόγηση της εγκατάστασης. Μέγιστη AC ισχύς Η σημασία της δεν είναι σαφώς ορισμένη αν και μερικές φορές παρέχεται από τους κατασκευαστές. Μπορεί να εννοηθεί ως η μέγιστη ισχύς που μπορεί να δώσει ο μετατροπέας στην έξοδο του για ένα χρονικό διάστημα μετά την υπέρβαση του οποίου επέρχεται η υπερθέρμανση της συσκευής οπότε και πρέπει να σταματήσει η λειτουργία της στο σημείο αυτό. Δεν χρησιμοποιείται στο πρόγραμμα. Ονομαστική AC τάση Είναι η τάση υπό την οποία παρέχει την ονομαστική ισχύ του ο μετατροπέας στην έξοδό του. Εξαρτάται από την τάση του δικτύου για την οποία είναι σχεδιασμένος να συνδέεται ο μετατροπέας. Για μετατροπείς που συνδέονται κατευθείαν στο δίκτυο ΧΤ η ονομαστική πολική τάση εξόδου της συσκευής είναι στα 0.4kV. Υπάρχουν και μετατροπείς με τάση εξόδου στα 20kV. Ονομαστικό AC ρεύμα Είναι το ρεύμα που δίνει στην έξοδο του ο μετατροπέας για ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας, δηλαδή ονομαστική τάση και ονομαστική ισχύ. Μονοφασική ή τριφασική σύνδεση Προφανώς αναφέρεται στον τρόπο σύνδεσης του μετατροπέα στην έξοδο του. Συνήθως έχουμε μονοφασική σύνδεση για μετατροπείς μικρότερους των 3kW ενώ τριφασική σύνδεση για μεγαλύτερους μετατροπείς. 98

102 Συχνότητα δικτύου Οι περισσότερη μετατροπείς μπορούν να συνδεθούν σε δίκτυο με συχνότητα 50 Hz και 60Hz. Για την Ελλάδα λαμβάνουμε 50 Hz. 6.8 ΑΠOΔΟΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠEΑ Γενικά οι μετατροπείς χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση (93%-97%) η οποία όμως εξαρτάται από την στιγμιαία ισχύ. Υπάρχει η απαίτηση ο μετατροπέας να έχει μεγάλη απόδοση και για μικρή ισχύ, συγκεκριμένα 90% για 10% της ονομαστικής ισχύος. Συναντώνται γραφικές παραστάσεις της απόδοσης συναρτήσει της ισχύος εισόδου ή εξόδου της συσκευής αν και σπάνια δίνονται από τους κατασκευαστές. Σχήμα 6.5: Απόδοση μετατροπέα συναρτήσει της ισχύος εισόδου της συσκευής Να σημειώσουμε ακόμα ότι οι κατασκευαστές δίνουν την ''ευρωπαϊκή απόδοση'' που επιχειρεί να περιγράψει την απόδοση της συσκευής για την μέση παράγωγη ισχύος στις συνθήκες λειτουργίας ενός έτους. 6.9 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛOΓΗΣΗ Η εξέλιξη της τεχνολογίας, στον τομέα της ηλεκτρονικής και των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου, δημιούργησε ορισμένα χρήσιμα εργαλεία για την διαστασιολόγηση ηλεκτρολογικού εξοπλισμού ΦΒ συστημάτων όπως: Sunny Design (SMA) Kaco Calc Pro (Kaco) PV Design Tool (Danfoss) Αυτά όπως θα δούμε παρακάτω βοηθάν στο να κάνουμε τον βέλτιστο συνδυασμό ΦΒ γεννήτριας και υπόλοιπων ηλεκτρολογικών συστημάτων, ώστε να πετύχουμε την μεγαλύτερη δυνατή απόδοση της εγκατάστασης. Για να υπολογίσουμε με ακρίβεια την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ μιας οποιασδήποτε εγκατάστασης που μας ενδιαφέρει, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε λογισμικά όπως το PV GIS ή το PV Syst. 99

103 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓIΑ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛOΓΗΣΗΣ Η διαστασιολόγηση ενός ΦΒ συστήματος ξεκινά από τον καθορισμό κάποιων βασικών παραμέτρων όπως: Διαθέσιμη επιφάνεια, π.χ. 100m2 Κλίση-Προσανατολισμός, (βέλτιστη) Επιλογή ωφέλιμης επιφάνειας, Επιλογή ΦΒ τεχνολογίας, (μονοκρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό ή thin film) Υπολογισμός συνολικής ισχύος ΦΒ εγκατάστασης, Περιοχή εγκατάστασης και Επιλογή εξοπλισμού (ΦΒ και Inverter) Έχοντας υπ όψη όλα αυτά τα στοιχεία και χρησιμοποιώντας κάποια από τα παραπάνω προγράμματα διαστασιολόγησης κάνουμε έναν συνδυασμό ΦΒ και αντιστροφέων με στόχο τη βέλτιστη λειτουργία και μείωση των απωλειών. Στη συνέχεια, θα υπολογίσουμε τις απώλειες μιας υποθετικής ΦΒ εγκατάστασης ισχύος 10kW και θα δούμε πως χρησιμοποιείται ένα από αυτά τα εργαλεία (SMA) βήμα- βήμα. Ανοίγοντας το πρόγραμμα, ως πρώτη ενέργεια θα επιλέξουμε την τοποθεσία της εγκατάστασης και στη συνέχεια την εταιρία και το μοντέλο του ΦΒ που θέλουμε να εγκαταστήσουμε. Σε αυτό το παράδειγμα θα χρησιμοποιήσουμε ΦΒ πλαίσια άμορφου πυριτίου. Επίσης, εάν ο χώρος δεν μας επιτρέπει να έχουμε βέλτιστη κλίση ή προσανατολισμό, θα καταχωρίσουμε τα στοιχεία που επιβάλει ο χώρος. Σημαντικό είναι να καθορίσουμε και το εύρος των θερμοκρασιών του τόπου. Έτσι έχουμε συμπληρώσει την πρώτη καρτέλα του προγράμματος διαστασιολόγησης, η οποία φαίνεται παρακάτω. 100

104 Επιλέγοντας την ισχύ που θέλουμε να έχει η ΦΒ γεννήτρια το πρόγραμμα υπολογίζει τον αριθμό των πλαισίων που θα χρειαστούν να εγκαταστήσουμε συνολικά. Στην επόμενη καρτέλα επιλέγοντας τον μετατροπέα DC/AC που θα χρησιμοποιήσουμε το πρόγραμμα θα υπολογίσει την μέγιστη ισχύ της γεννήτριας σε συνδυασμό με τον συγκεκριμένο μετατροπέα. Σε αυτό το σημείο είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο λόγος ονομαστικής ισχύος (μέγιστη ισχύς DC/μέγιστη ισχύς WR/ΦΒ) θα πρέπει να είναι %. Αποτέλεσμα που αφορά τη συνδεσμολογία φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Συγκεκριμένα, για 9,6 kw μέγιστη ισχύ ΦΒ γεννήτριας θα χρειαστούμε 6 μετατροπείς και 96 ΦΒ πλαίσια. Μπορούμε να δούμε και τις τιμές των τάσεων σε θερμοκρασίες που έχουμε καθορίσει στην προηγούμενη καρτέλα. Στην επόμενη καρτέλα έχουμε τη δυνατότητα να υπολογίσουμε τις απώλειες του συστήματος λόγω καλωδιώσεων 101

105 Και τέλος, σαν αποτέλεσμα, έχουμε τη συνολική απόδοση του συστήματος και την ετήσια ενεργειακή απόδοση (κατά προσέγγιση). 102

106 Ο λόγος απόδοσης δείχνει την απόκλιση μεταξύ της ενέργειας που τροφοδοτείται στην πράξη και της θεωρητικής ΦΒ απόδοσης (που θα μπορούσε να παραχθεί υπό συνθήκες πρότυπης δοκιμής STC). Μέσω αυτού του λογισμικού μπορούμε να κάνουμε διάφορους συνδυασμούς ΦΒ πλαισίων και μετατροπέων με διαφορετική ισχύ το καθένα. Κάθε φορά το αποτέλεσμα που θα προκύπτει μπορεί να έχει μεγάλη απόκλιση στην απόδοση από την επιθυμητή. Συνεπώς, είναι πολύ σημαντική η επιλογή του μετατροπέα για την εκάστοτε εγκατάσταση. 103

107 7 ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εθνικός στόχος για συµµετοχή ΑΠΕ Οι εθνικοί στόχοι για τις Α.Π.Ε., µε βάση την Οδηγία 2009/28/ΕΚ (ΕΕL,140/2009), καθορίζονται µέχρι το έτος 2020 ως εξής: α) Συµµετοχή της ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση ενέργειας σε ποσοστό 20% (αντί 18% που προβλέπεται από την Οδηγία 28/2009). β) Συµµετοχή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σε ποσοστό τουλάχιστον 40%. Με ΥΑ (υπουργική απόφαση) καθορίζεται η επιδιωκόµενη αναλογία εγκατεστηµένης ισχύος και η κατανοµή της στον χρόνο µεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών Α.Π.Ε. Η απόφαση αυτή αναθεωρείται ανά διετία ή και νωρίτερα. γ) Συµµετοχή της ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην τελική κατανάλωση ενέργειας για θέρµανση και ψύξη σε ποσοστό τουλάχιστον 20%. δ) Συµµετοχή της ενέργειας που παράγεται από Α.Π.Ε. στην τελική κατανάλωση ενέργειας στις µεταφορές σε ποσοστό τουλάχιστον 10%. 7.1 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ Φ/Β Πίνακας 7.1: Κατανοµή ανά κατηγορίες έργων βάσει του Ν.3468/

108 7.2 ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ - ΦΒ ΣΤΕΓΕΣ - ΟΙΚΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Έργα ισχύος µόλις 36 ΜW από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) έχουν τεθεί σε ισχύ κατά το πρώτο 3µηνο του 2010 (ΔΕΣΜΗΕ). Σε όλη την διάρκεια του 2009 είχαν ενταχθεί έργα συνολικής ισχύος άνω των 200 MW στο εγχώριο σύστηµα ηλεκτρισµού. Με βάση το Μηνιαίο δελτίο ΑΠΕ που έχει αναρτήσει στην ιστοσελίδα του ο ΔΕΣΜΗΕ, κατά την διάρκεια του πρώτου τριµήνου του έτους, έχουν τεθεί σε λειτουργία έργα από ΑΠΕ συνολικής ισχύος µόλις 36 MW - για την ακρίβεια 24 MW σε αιολικά πάρκα και άλλα 12 σε φωτοβολταϊκά. Περί τα 47 MW από φωτοβολταϊκά λειτουργούσαν στο τέλος του προηγούµενου έτους (2009) αν και ακόµη αποτελούν ιδιαίτερα µικρό µέγεθος. Σε όλο το 2009, χρονιά η οποία ήταν ιστορικά η καλύτερη για τις ΑΠΕ, είχαν τεθεί σε λειτουργία έργα ισχύος 220 MW, επίδοση η οποία είναι αδύνατο να επιτευχθεί µε αυτούς τους ρυθµούς. Σύµφωνα µε ανεπίσηµα στοιχεία µέχρι σήµερα έχουν συνδεθεί Φ/Β πάρκα συνολικής ισχύος περίπου 150 MW 105

109 7.3 ΔΙΑΔΙΚΑΣIΕΣ ΑΔΕΙΟΔOΤΗΣΗΣ ΦΒ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Οι διαδικασίες και οι χρόνοι αδειοδότησης διαφέρουν ανάλογα µε την ισχύ του φωτοβολταϊκού συστήµατος. Διακρίνουµε 4 κατηγορίες Φωτοβολταϊκών Εγκαταστάσεων: 10 kwp σε στέγες 500 kwp kwp >1.000 kwp ΑΔΕΙΟΔΟΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Δεν απαιτείται οικοδοµική άδεια, ούτε και έγκριση εργασιών µικρής κλίµακας για κτίρια (εξαίρουνται ιστορικά τµήµατα πόλεων, παραδοσιακοί οικισµοί κτλ.). Για την σύνδεση των Φ/Β συστηµάτων µε τη ΔΕΗ απαιτείται απλώς η κατάθεση τεχνικών στοιχείων (κάτοψη δώµατος ή στέγης), καθώς και υπεύθυνη δήλωση µηχανικού ότι η εγκατάσταση εξαιρείται από έγκριση εργασιών µικρής κλίµακας. Δεν επιτρέπεται η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών στοιχείων πάνω από την απόληξη του κλιµακοστασίου, επιτρέπεται όµως η εγκατάσταση τους σε βοηθητικούς χώρους του κτιρίου (αποθήκες, θέσεις στάθµευσης, καθώς και σε σκίαστρα, στέγαστρα). 106

110 Σε περίπτωση τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών στοιχείων σε κεραµοσκεπές, θα πρέπει αυτή να γίνεται εντός του όγκου της στέγης, ακολουθώντας την κλίση τους και να είναι εντός του περιγράµµατος αυτής, ώστε να εξασφαλίζεται η αισθητική εικόνα του κτιρίου. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που τοποθετούνται στο δώµα του κτιρίου θα πρέπει να οριοθετούνται περιµετρικά µε στηθαίο συµπαγές µέγιστου ύψους 1,20µ., για αισθητικούς λόγους και για την προστασία της εγκατάστασης. Η απόσταση από το στηθαίο του δώµατος πρέπει να είναι εσωτερικά αυτού 0,50 µ., για λόγους ασφάλειας. Επιλέξιµες για το συγκεκριµένο Πρόγραµµα είναι οι κατοικίες, καθώς και κτίρια που αποτελούν έδρα πολύ µικρών επιχειρήσεων (< 2 εκ. Ευρώ τζίρο και < 10 άτοµα µόνιµο προσωπικό) Δεν απαιτείται η έναρξη εργασιών στην εφορία από τους ιδιώτες (κατοικίες), ενώ το εισόδηµα είναι αφορολόγητο. Απαραίτητη προϋπόθεση για την ένταξη κατοικιών στο Πρόγραµµα είναι η κάλυψη µέρους των θερµικών αναγκών του κτιρίου από ΑΠΕ (εγκατάσταση ηλιακού θερµοσίφωνα). Η τιµή πώλησης είναι 0,55 /kwh και ισχύει για ενεργοποιήσεις συνδέσεων εντός του ΑΙΤΗΣΕΙΣ ΜΕΧΡΙ 10KW ΣΕ ΣΤΕΓΕΣ Βήµα 1: Υποβολή αίτησης σύνδεσης στην τοπική µονάδα Δικτύου της ΔΕΗ (Περιοχή). Επισυνάπτονται τα απαιτούµενα κατά το στάδιο αυτό έγγραφα και στοιχεία του εντύπου αίτησης (το έντυπο διατίθεται από τη ΔΕΗ). Προϋπόθεση είναι ο ενδιαφερόµενος να έχει ήδη επιλέξει τον τύπο του εξοπλισµού που θα εγκαταστήσει και να έχει εκπονηθεί η σχετική τεχνική µελέτη. Η ΔΕΗ εξετάζει το αίτηµα και προβαίνει εντός είκοσι (20) ηµερών από την παραλαβή της αίτησης στην έγγραφη διατύπωση Προσφοράς Σύνδεσης προς τον ενδιαφερόµενο, η οποία περιλαµβάνει την περιγραφή και τη δαπάνη των έργων σύνδεσης και ισχύει για τρεις (3) µήνες από την ηµεροµηνία έκδοσής της. Βήµα 2: Υποβολή αίτησης κατάρτισης της Σύµβασης Σύνδεσης στην Περιοχή ΔΕΗ. Στην αίτηση θα αναφέρεται ότι γίνεται αποδεκτή η Προσφορά Σύνδεσης και κατά περίπτωση είτε θα επισυνάπτεται η έγκριση εκτέλεσης εργασιών µικρής κλίµακας, είτε θα επισυνάπτονται δύο Υπεύθυνες Δηλώσεις του Ν.1599/86 του κυρίου του φωτοβολταϊκού και του υπεύθυνου για την εγκατάσταση µηχανικού. Βήµα 3: Υπογραφή της Σύµβασης Σύνδεσης µε ταυτόχρονη καταβολή της σχετικής δαπάνης στην Περιοχή ΔΕΗ.Η ΔΕΗ κατασκευάζει τα έργα σύνδεσης εντός είκοσι (20) ηµερών από την υπογραφή της Σύµβασης Σύνδεσης, εφόσον δεν απαιτούνται νέα έργα Δικτύου (πέραν της εγκατάστασης νέου µετρητή). Βήµα 4: Υποβολή αίτησης κατάρτισης της Σύµβασης Συµψηφισµού στην τοπική υπηρεσία Εµπορίας της ΔΕΗ, ή στα γραφεία άλλου προµηθευτή ( εφόσον η ΔΕΗ δεν είναι ο προµηθευτής ηλεκτρικής ενέργειας για τον συγκεκριµένο µετρητή κατανάλωσης µε τον οποίο θα γίνεται συµψηφισµός). Βήµα 5: Υπογραφή της Σύµβασης Συµψηφισµού.Η Σύµβαση υπογράφεται εντός δεκαπέντε (15) ηµερών από την παραλαβή του αιτήµατος. Βήµα 6: Υποβολή αίτησης ενεργοποίησης της σύνδεσης στην Περιοχή ΔΕΗ. Επισυνάπτονται τα απαιτούµενα κατά το στάδιο αυτό έγγραφα και στοιχεία του εντύπου 107

111 αίτησης. Προϋποθέσεις είναι η ετοιµότητα της εγκατάστασης και η ολοκλήρωση των έργων σύνδεσης. Η ΔΕΗ ειδοποιεί τηλεφωνικά τον ενδιαφερόµενο για τον ορισµό της ηµεροµηνίας διενέργειας του ελέγχου της εγκατάστασης. Βήµα 7:Ενεργοποίηση της σύνδεσης. Γίνεται αµέσως µετά από την επιτυχή ολοκλήρωση του ελέγχου ΑΙΤΗΣΕΙΣ ΜΕΧΡΙ 500KW (ΜΗ ΟΧΛΟΥΣΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ) ΑΙΤΗΣΕΙΣ ΑΠΟ 500KW ΚW (ΧΑΜΗΛΗ ΟΧΛΗΣΗ) 108

112 7.3.4 ΑΙΤΗΣΕΙΣ ΑΠΟ 1000ΚW (ΧΑΜΗΛΗ ΟΧΛΗΣΗ) 7.4 ΑΔΕΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Εξαιρούνται από την υποχρέωση λήψης άδειας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας: Γεωθερµικοί σταθµοί µε εγκατεστηµένη ισχύ µικρότερη ή ίση του 0,5 ΜWp Σταθµοί Βιοµάζας, Βιοαερίου και Βιοκαυσίµων µε εγκατεστηµένη ηλεκτρική ισχύ µικρότερη ή ίση του 1 ΜWp Φωτοβολταϊκοί ή ηλιοθερµικοί σταθµοί µε εγκατεστηµένη ηλεκτρική ισχύ µικρότερη ή ίση του 1 MWp Αιολικές εγκαταστάσεις µε εγκατεστηµένη ηλεκτρική ισχύ µικρότερη ή ίση των εκατό 100 kw Σταθµοί Σ.Η.Θ.Υ.Α. µε εγκατεστηµένη ηλεκτρική ισχύ µικρότερη ή ίση του 1 MW Σταθµοί από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. µε εγκατεστηµένη ισχύ έως 5 ΜW, που εγκαθίστανται από εκπαιδευτικούς ή ερευνητικούς φορείς του δηµόσιου ή ιδιωτικού τοµέα, για όσο χρόνο οι σταθµοί αυτοί λειτουργούν αποκλειστικά για εκπαιδευτικούς ή ερευνητικούς σκοπούς, καθώς και σταθµούς που εγκαθίστανται από το Κέντρο Ανανεώσιµων Πηγών και Εξοικονόµησης Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε.), για όσο χρόνο οι σταθµοί αυτοί λειτουργούν για τη διενέργεια πιστοποιήσεων ή µετρήσεων. Αυτόνοµοι σταθµοί από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. οι οποίοι δεν συνδέονται στο Σύστηµα ή στο Δίκτυο, µε εγκατεστηµένη ισχύ µικρότερη ή ίση των 5 MW, χωρίς δυνατότητα τροποποίησης της αυτόνοµης λειτουργίας τους. Τα πρόσωπα που έχουν την ευθύνη της λειτουργίας των σταθµών της περίπτωσης αυτής, υποχρεούνται, πριν εγκαταστήσουν τους σταθµούς, να ενηµερώνουν τον αρµόδιο Διαχειριστή για τη θέση, την ισχύ και την τεχνολογία των σταθµών αυτών. Λοιποί σταθµοί µε εγκατεστηµένη ηλεκτρική ισχύ µικρότερη ή ίση των 50 kw, εφόσον οι σταθµοί αυτοί χρησιµοποιούν Α.Π.Ε. από τις οριζόµενες στην παρ.2 του άρθρου 2, µε µορφή διαφορετική από αυτή που προβλέπεται στις προηγούµενες περιπτώσεις. 109

113 Η άδεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. και Σ.Η.Θ.Υ.Α χορηγείται µε απόφαση της Ρυθµιστικής Αρχής Ενέργειας (Ρ.Α.Ε.) µε βάση τα παρακάτω κριτήρια: α) Της εθνικής ασφάλειας. β) Της προστασίας της δηµόσιας υγείας και ασφάλειας. γ) Της εν γένει ασφάλειας των εγκαταστάσεων και του σχετικού εξοπλισµού του Συστήµατος και του Δικτύου. δ) Της ενεργειακής αποδοτικότητας του έργου για το οποίο υποβάλλεται η σχετική αίτηση, όπως η αποδοτικότητα αυτή προκύπτει, για τα έργα Α.Π.Ε. από µετρήσεις του δυναµικού Α.Π.Ε. και για τις µονάδες Σ.Η.Θ.Υ.Α. από τα ενεργειακά ισοζύγιά τους. Ειδικά για το αιολικό δυναµικό, οι υποβαλλόµενες µετρήσεις πρέπει να έχουν εκτελεστεί από πιστοποιηµένους φορείς, σύµφωνα µε το πρότυπο DIN-EN ISO/IEC17025/2000, όπως ισχύει κάθε φορά. ε) Της ωριµότητας της διαδικασίας υλοποίησης του έργου, όπως προκύπτει από µελέτες που έχουν εκπονηθεί, γνωµοδοτήσεις αρµόδιων υπηρεσιών, καθώς και από άλλα συναφή στοιχεία. στ) Της εξασφάλισης ή της δυνατότητας εξασφάλισης του δικαιώµατος χρήσης της θέσης εγκατάστασης του έργου. ζ) Της δυνατότητας του αιτούντος ή των µετόχων ή εταίρων του να υλοποιήσει το έργο µε βάση την επιστηµονική και τεχνική επάρκειά του και της δυνατότητας εξασφάλισης της απαιτούµενης χρηµατοδότησης από ίδια κεφάλαια ή τραπεζική χρηµατοδότηση έργου ή κεφάλαια επιχειρηµατικών συµµετοχών ή συνδυασµό αυτών. η) Της διασφάλισης παροχής υπηρεσιών κοινής ωφέλειας και προστασίας των Πελατών. θ) Της δυνατότητας υλοποίησης του έργου σε συµµόρφωση µε το Ειδικό Πλαίσιο Χωροταξικού Σχεδιασµού και Αειφόρου Ανάπτυξης για τις Α.Π.Ε. και ειδικότερα µε τις διατάξεις του για τις περιοχές αποκλεισµού χωροθέτησης εγκαταστάσεων Α.Π.Ε., εφόσον οι περιοχές αυτές έχουν οριοθετηθεί κατά τρόπο ειδικό και συγκεκριµένο, καθώς και τις διατάξεις του για τον έλεγχο της φέρουσας ικανότητας στις περιοχές που επιτρέπονται Α.Π.Ε., ώστε να διασφαλίζεται η κατ αρχήν προστασία του περιβάλλοντος. ι) Της συµβατότητας του έργου µε το Εθνικό Σχέδιο Δράσης για την επίτευξη των στόχων που προβλέπονται στην παρ. 3 του άρθρου 1. Είναι η πρώτη από τις άδειες και τις εγκρίσεις που είναι απαραίτητο να εξασφαλίσει ο επενδυτής που επιθυµεί να δραστηριοποιηθεί στον τοµέα της παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ. Βάσει της νέας πρότασης νόµου: Η άδεια παραγωγής εκδίδεται από τη ΡΑΕ και όχι από το Υπουργείο (πρώην Ανάπτυξης) όπως προέβλεπε ο Ν. 3468/2006. Η απόφαση αναρτάται στην ιστοσελίδα της ΡΑΕ (δυνατότητα ελέγχου από το ΥΠΕΚΑ εντός 20 ηµερών). Προβλέπεται προθεσμία 15 ημερών από την ανάρτηση στη σελίδα της ΡΑΕ, για ενστάσεις από όποιον έχει έννομο συμφέρων για έλεγχο της νομιμότητας της απόφασης. 110

114 Η απόφαση της ΡΑΕ καταχωρίζεται στο µητρώο της Νέας Υπηρεσίας για ΑΠΕ του ΥΠΕΚΑ. Η άδεια χορηγείται για 25 έτη και µπορεί να ανανεωθεί για ίσο χρόνο. Σε 30 µήνες αντί 24 (Ν.3468/2006) από τη χορήγησή της θα πρέπει να εκδοθεί άδεια εγκατάστασης, ειδάλλως η άδεια παραγωγής παύει αυτοδικαίως (δυνατότητες παράτασης µε την υποβολή αιτήµατος στη ΡΑΕ πριν την παρέλευση των 30 µηνών). Η άδεια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. περιλαµβάνει τα εξής στοιχεία: α) τον κάτοχό της, παραγωγό ή αυτοπαραγωγό, φυσικό ή νοµικό πρόσωπο, β) τον τόπο εγκατάστασης του σταθµού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, γ) την Εγκατεστηµένη Ισχύ και τη Μέγιστη Ισχύ Παραγωγής, δ) τη χρησιµοποιούµενη τεχνολογία ή τη µορφή Α.Π.Ε. αν χορηγείται για σταθµό Α.Π.Ε., ε) τη διάρκεια ισχύος της, στ) το ή τα πρόσωπα, φυσικά ή νοµικά, που εξασφαλίζουν τη χρηµατοδότηση του έργου, τα οποία µπορεί να είναι διαφορετικά από τον κάτοχο της άδειας ή τους µετόχους του και έχουν αξιολογηθεί από τη Ρ.Α.Ε. κατά το κριτήριο (ζ) της παρ. 1 του παρόντος άρθρου * Δύναται η µεταβίβαση της άδειας σε άλλα φυσικά ή νοµικά πρόσωπα µε σχετική απόφαση της ΡΑΕ. Αποτέλεσµα των αλλαγών στο καθεστώς των αδειών παραγωγής: Δραστικός περιορισµός της διάρκειας της σχετικής αδειοδότησης σε µόλις δύο µήνες από την υποβολή της αίτησης (εφόσον ο φάκελος είναι πλήρης). * δυνατότητα του αιτούντος ή µετόχων να υλοποιήσουν το έργο βάσει της τεχνικής-επιστηµονικής επάρκειάς τους και της δυνατότητας εξασφάλισης της απαιτούµενης χρηµατοδότησης 7.5 ΑΔΕΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ - ΑΔΕΙΑ ΛΕΙΤΟΥΓΙΑΣ Οι σταθµοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. που εξαιρούνται από την υποχρέωση άδειας παραγωγής σύµφωνα µε το άρθρο 4, απαλλάσσονται και από την υποχρέωση να λάβουν άδεια εγκατάστασης και λειτουργίας. Αντίθετα, υποχρεούνται στην τήρηση της διαδικασίας περιβαλλοντικής αδειοδότησης σύµφωνα µε το άρθρο 4 του Ν.1650/1986. Φωτοβολταϊκοί σταθµοί (και ανεµογεννήτριες) που εγκαθίστανται σε κτίρια ή και άλλες δοµικές κατασκευές ή εντός οργανωµένων υποδοχέων βιομηχανικών δραστηριοτήτων, εξαιρούνται, από την υποχρέωση έκδοσης απόφασης Ε.Π.Ο. Άδεια Εγκατάστασης - Προσφοράς Σύνδεσης από τον αρµόδιο Διαχειριστή Μετά την έκδοση της άδειας παραγωγής από τη Ρ.Α.Ε. ο ενδιαφερόµενος, προκειµένου να του χορηγηθεί άδεια εγκατάστασης, ζητά ταυτόχρονα την έκδοση: α) Προσφοράς Σύνδεσης από τον αρµόδιο Διαχειριστή, 111

115 β) Απόφασης Έγκρισης Περιβαλλοντικών Όρων (Ε.Π.Ο.), κατά το άρθρο 4 του Ν.1650/1986, όπως ισχύει, και γ) Άδειας Επέµβασης σε δάσος ή δασική έκταση, κατά την παρ.2 του άρθρου 58 του Ν.998/1979 (Α 289), εφόσον απαιτείται, ή γενικά των αναγκαίων αδειών για την απόκτηση του δικαιώµατος χρήσης της θέσης εγκατάστασης του έργου. Ο αρµόδιος Διαχειριστής µε απόφασή του χορηγεί µέσα σε τέσσερις (4) µήνες την Προσφορά Σύνδεσης που ζητήθηκε, η οποία οριστικοποιείται και καθίσταται δεσµευτική: α) µε την έκδοση της απόφασης Ε.Π.Ο. για τον σταθµό Α.Π.Ε. ή, β) αν δεν απαιτείται απόφαση Ε.Π.Ο., µε τη βεβαίωση από την αρµόδια περιβαλλοντική αρχή της οικείας Περιφέρειας ότι ο σταθµός Α.Π.Ε. απαλλάσσεται από την υποχρέωση αυτή. Η Προσφορά Σύνδεσης ισχύει για τέσσερα (4) έτη από την οριστικοποίησή της και δεσµεύει τον Διαχειριστή και τον δικαιούχο. Αφού καταστεί δεσµευτική η Προσφορά Σύνδεσης, ο δικαιούχος ενεργεί: α) για τη χορήγηση άδειας εγκατάστασης σύµφωνα µε τις διατάξεις του παρόντος άρθρου, β) για τη σύναψη της Σύµβασης Σύνδεσης και της Σύµβασης Πώλησης, σύµφωνα µε τα άρθρα 9, 10 και 12 και τους Κώδικες Διαχείρισης του Συστήµατος και του Δικτύου. Οι Συµβάσεις αυτές υπογράφονται και ισχύουν από τη χορήγηση της άδειας εγκατάστασης, εφόσον απαιτείται, γ) για τη χορήγηση αδειών, πρωτοκόλλων ή άλλων εγκρίσεων που τυχόν απαιτούνται σύµφωνα µε τις διατάξεις της ισχύουσας νοµοθεσίας για την εγκατάσταση του σταθµού, οι οποίες εκδίδονται χωρίς να απαιτείται η προηγούµενη χορήγηση της άδειας εγκατάστασης, δ) για την τροποποίηση της απόφασης Ε.Π.Ο. ως προς τα έργα σύνδεσης, εφόσον απαιτείται. Για την εγκατάσταση ή επέκταση σταθµού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. (για Φ/Π άνω KW), απαιτείται σχετική άδεια εγκατάστασης. Η άδεια αυτή χορηγείται, εφόσον συντρέχουν οι προϋποθέσεις των παραγράφων 3 και 4, µε απόφαση του Γενικού Γραµµατέα της Περιφέρειας, εντός των ορίων της οποίας εγκαθίσταται ο σταθµός. Η άδεια εγκατάστασης χορηγείται µέσα σε προθεσµία 15 εργάσιµων ηµερών από την ολοκλήρωση της διαδικασίας ελέγχου των δικαιολογητικών. Ο έλεγχος αυτός πρέπει σε κάθε περίπτωση να έχει ολοκληρωθεί µέσα σε 30 εργάσιµες ηµέρες από την κατάθεση της σχετικής αίτησης. Αν η άδεια δεν εκδοθεί µέσα στο ανωτέρω χρονικό διάστηµα, ο αρµόδιος Γενικός Γραµµατέας της Περιφέρειας υποχρεούται να εκδώσει διαπιστωτική πράξη µε ειδική αιτιολογία για την αδυναµία έκδοσής της. Η πράξη αυτή µε ολόκληρο τον σχετικό φάκελο διαβιβάζεται στον Υπουργό Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιµατικής Αλλαγής, ο οποίος αποφασίζει για την έκδοση ή µη της άδειας εγκατάστασης µέσα σε τριάντα (30) ηµέρες από την παραλαβή των ανωτέρω εγγράφων. Έχει ισχύ για 2 χρόνια και µπορεί να επεκταθεί έως και 2 έτη επιπλέον, αν µετά την παρέλευση των πρώτων 2 ετών έχει εκτελεστεί το 50% των δαπανών ή αν έχουν συναφθεί οι 112

116 αναγκαίες συµβάσεις για την εκτέλεση του έργου ή αν υφίσταται αναστολή εργασιών µε δικαστική απόφαση. ΑΔΕΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Για τη λειτουργία των σταθµών που προβλέπονται στις παρ.1 και 2 απαιτείται άδεια λειτουργίας. Η άδεια αυτή χορηγείται µε απόφαση του οργάνου που είναι αρµόδιο για τη χορήγηση της άδειας εγκατάστασης, µετά από αίτηση του ενδιαφεροµένου και έλεγχο από κλιµάκιο των αρµοδίων Υπηρεσιών της τήρησης των τεχνικών όρων εγκατάστασης στη δοκιµαστική λειτουργία του σταθµού καθώς και έλεγχο της διασφάλισης των αναγκαίων λειτουργικών και τεχνικών χαρακτηριστικών του εξοπλισµού του, που µπορεί να διενεργείται και από το Κέντρο Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε.). Η άδεια λειτουργίας χορηγείται µέσα σε αποκλειστική προθεσµία 20 ηµερών από την ολοκλήρωση των ανωτέρω ελέγχων, σύµφωνα µε τα οριζόµενα στην απόφαση του Υπουργού Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιµατικής Αλλαγής που προβλέπεται στην παρ.15. Η άδεια λειτουργίας σταθµών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. ισχύει για 20 τουλάχιστον έτη και µπορεί να ανανεώνεται µέχρι ίσο χρονικό διάστηµα. 7.6 ΕΓΚΡΙΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΟΡΩΝ Έγκριση Περιβαλλοντικών Όρων (ΕΠΟ) Για Φ/Π κάτω από 500 ΚW Απαιτείται χορήγηση βεβαίωσης απαλλαγής από την οικεία Περιφέρεια. Δεν απαιτείται χορήγηση σχετικής βεβαίωσης για Φ/Β σταθµούς που εγκαθίστανται σε κτίρια (συµπεριλαµβανοµένου του Οικιακού Προγράµµατος ) Έγκριση Περιβαλλοντικών Όρων (ΕΠΟ) Για Φ/Π άνω των 500 ΚW Στο τέλος της περίπτωσης στ της παρ. 6 του άρθρου 4 του Ν.1650/1986 (Α 160), όπως τροποποιήθηκε µε το άρθρο 2 του Ν.3010/2002 (Α 91), προστίθενται εδάφια ως ακολούθως: Προκαταρκτική Περιβαλλοντική Εκτίµηση και Αξιολόγηση δεν απαιτείται επίσης για τους υβριδικούς σταθµούς και τους σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας, καθώς και για τα συνοδευτικά έργα που απαιτούνται για την ηλεκτρική σύνδεση στο Σύστηµα ή το Δίκτυο και τα έργα εσωτερικής οδοποιίας και οδοποιίας πρόσβασης. Για την έγκριση των περιβαλλοντικών όρων των έργων αυτών στη Μελέτη Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων που εκπονείται σύµφωνα µε την παρ.1 του άρθρου 5 εξετάζονται επίσης τα κριτήρια που προβλέπονται στις υποπεριπτώσεις αα έως και εε της περίπτωσης β, οι εναλλακτικές λύσεις, στις οποίες περιλαµβάνεται και η µηδενική και τηρούνται όλες οι απαιτήσεις της κοινοτικής και εθνικής νοµοθεσίας για την ενηµέρωση και τη συµµετοχή του κοινού στη διαδικασία έγκρισης του οικείου έργου. 113

117 Έγκριση Περιβαλλοντικών Όρων (ΕΠΟ) Για Φ/Π άνω των 500 ΚW Για την έκδοση απόφασης Ε.Π.Ο. των έργων από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. κατά τις διατάξεις του άρθρου 4 του Ν.1650/1986, όπως ισχύει, υποβάλλεται πλήρης φάκελος και Μελέτη Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων (Μ.Π.Ε.) στην αρµόδια για την περιβαλλοντική αδειοδότηση αρχή. Η αρµόδια αρχή εξετάζει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και τα προτεινόµενα µέτρα πρόληψης και αποκατάστασης, µεριµνά για την τήρηση των διαδικασιών δηµοσιοποίησης και αποφαίνεται για τη χορήγηση ή µη απόφασης Ε.Π.Ο. µέσα σε 4 µήνες από τον χρόνο που ο φάκελος θεωρήθηκε πλήρης. Ειδικά, στην περίπτωση έργων της υποκατηγορίας 3 της δεύτερης (Β ) κατηγορίας περιβαλλοντικής αδειοδότησης, που κατατάσσονται από τον Γενικό Γραµµατέα της Περιφέρειας στην υποκατηγορία 4 της δεύτερης κατηγορίας (Β ), η απόφαση Ε.Π.Ο. εκδίδεται από τον Νοµάρχη µέσα σε δύο (2) µήνες από τη διαβίβαση σε αυτόν του σχετικού φακέλου (αναµένεται αλλαγή µε το νέο νοµοσχέδιο για την Τοπική Αυτοδιοίκηση). Η απόφαση Ε.Π.Ο. για την εγκατάσταση σταθµών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. ισχύει για 10 έτη και µπορεί να ανανεώνεται, µε αίτηση που υποβάλλεται υποχρεωτικά 6 µήνες πριν από τη λήξη της, για µία ή περισσότερες φορές, µέχρι ίσο χρόνο κάθε φορά. Μέχρι την έκδοση της απόφασης ανανέωσης εξακολουθούν να ισχύουν οι προηγούµενοι περιβαλλοντικοί όροι. 7.7 ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ Η μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων περιλαµβάνει: α) Περιγραφή του έργου µε πληροφορίες για το χώρο εγκατάστασης, το σχεδιασµό και το µέγεθός του. β) Περιγραφή των στοιχείων του Περιβάλλοντος που ενδέχεται να θιγούν σηµαντικά από τη δραστηριότητα. γ) Εντοπισµό και αξιολόγηση των επιπτώσεων στο περιβάλλον. δ) Περιγραφή µέτρων για την πρόληψη, µείωση ή αποκατάσταση των αρνητικών επιπτώσεων στο περιβάλλον. ε) Σύνοψη των κύριων εναλλακτικών λύσεων και υπόδειξη των κύριων λόγων της επιλογής της προτεινόµενης λύσης στ) Απλή περίληψη του συνόλου της μελέτης ζ) Σύντοµη αναφορά των ενδεχόµενων δυσκολιών που προέκυψαν κατά την εκπόνηση της μελέτης. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ 114

118 8 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η επίτευξη των στόχων της Ευρωπαϊκής πολιτικής, οι λεγόμενοι « », για την μείωση των αερίων του θερμοκηπίου, την εξοικονόμηση ενέργειας και τη μεταστροφή σε μορφές ενέργειας που δεν εκλύουν CO2 είναι δεσμευτικοί για την Ελλάδα. Η Ελληνική κυβέρνηση όσον αφορά την συμμετοχή των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας, ανέβασε τον πήχη από το 18% το 2020 που όρισε η Ε.Ε. Στο 20%. Συνεπώς, θα πρέπει άμεσα να προωθηθεί η διείσδυση των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή γιατί το οικονομικό και κοινωνικό κόστος αν δεν προχωρήσουμε σε σημαντικές εγκαταστάσεις ΑΠΕ μέχρι το 2013 θα είναι μεγαλύτερο. Ο ενεργειακός σχεδιασμός της Ελλάδας προβλέπει το μεγαλύτερο μερίδιο για την επίτευξη των δεσμευτικών στόχων του 2020 να προέρχεται από την αιολική ενέργεια λόγω οικονομικότητας αλλά και διαθέσιμου δυναμικού, το οποίο όμως βρίσκεται κυρίως σε ορεινές και νησιωτικές περιοχές της χώρας. Η ένταξη 5000 με 8000 MW επιπλέον αιολικών συστημάτων στο ηλεκτρικό σύστημα της χώρας μέχρι το 2020 απαιτεί έργα υποδομής σε δίκτυα που έχουν εκτιμηθεί στα 2 Δις Ευρώ. Στο πλαίσιο αυτό, τα διεσπαρμένα Φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα είναι δυνατόν να συνδεθούν άμεσα χωρίς νέα έργα στα δίκτυα διανομής μέχρι μια διείσδυση της τάξης του 30% του ελάχιστου φορτίου τις ώρες λειτουργίας των, χωρίς να δημιουργείται κάποιο πρόβλημα (δηλαδή τουλάχιστον 2000 MWp, μέχρι το 2013), ενώ για περαιτέρω διείσδυση θα χρειασθούν τεχνικές λύσεις οι οποίες βρίσκονται ήδη σε ανάπτυξη. Η σύνδεσή τους στο δίκτυο διανομής επιτρέπει την επιτόπια παραγωγή και κατανάλωση μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας από τους κεντρικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Συνεισφέρουν επίσης στην μείωση της αιχμής ζήτησης λόγω σύμπτωσης με την παραγωγή και ιδιαίτερα το καλοκαίρι κατά την μεσημεριανή αιχμή. Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή μετά από πρόταση του Ευρωπαϊκού Συνδέσμου Βιομηχανίας Φωτοβολταϊκών (EPIA, υποστηρίζει σαν στόχο για το 2020 την διείσδυση των Φ/Β συστημάτων κατά 12% στην ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Αυτός ο στόχος, για το σύνολο της Ευρωπαϊκής Ένωσης αντιστοιχεί σε εγκατεστημένη συνολική Φ/Β ισχύ περίπου 390 GWp μέχρι το 2020, κατ επέκταση αυτός ο στόχος σημαίνει συνολική εγκατεστημένη ισχύ περίπου 6 GWp στην Ελλάδα, ανάλογα με την ετήσια κατανάλωση το Η υποστήριξη και ανάπτυξη της ηλιακής φωτοβολταϊκής βιομηχανίας και του κλάδου μελετών, εγκαταστάσεων και συντήρησης θα μπορούσε να γίνει ένας από τους μοχλούς ανάπτυξης της οικονομίας καθώς θα δημιουργηθούν πολλαπλάσιες θέσεις εργασίας σε σχέση με την ηλεκτρική ενέργεια που αντικαθιστάται από ορυκτά καύσιμα. Η ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Στην Ελλάδα η βιομηχανική βάση για τα φωτοβολταϊκά αναπτύχθηκε σημαντικά τα τελευταία χρόνια (Πίνακας 1) και δραστηριοποιούνται στην κατασκευή φωτοβολταϊκών γεννητριών, δισκίων και στοιχείων οι παρακάτω εταιρίες: 115

119 Η ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΤΩΝ ΦΒ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ Η τιμή αγοράς των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι αρκετά χαμηλή ώστε εδώ και χρόνια να αποτελούν την οικονομικότερη λύση για την ηλεκτροδότηση αυτόνομων συστημάτων μακριά από το ηλεκτρικό δίκτυο και εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης σε καταναλωτικά προϊόντα (αριθμομηχανές, κλπ). Για να φθάσουμε το 2020 στην Ελλάδα και τις υπόλοιπες ευρωπαϊκές χώρες στην διείσδυση των Φ/Β συστημάτων στο 12% της ετήσιας ηλεκτρικής κατανάλωσης θα πρέπει τα Φωτοβολταϊκά συστήματα να εγκατασταθούν κατά προτεραιότητα: σε κτίρια, αποθήκες αλλά και σε θέσεις που προσφέρουν προστιθέμενη αξία όπως στέγαστρα σκίασης σε χώρους στάθμευσης και τέλος σε ελεύθερα γήπεδα χωρίς να αλλοιώνουν τον χαρακτήρα των περιοχών εγκατάστασης. 116

120 Η διείσδυση των διεσπαρμένων Φ/Β συστημάτων κυρίως στο δίκτυο διανομής αντικαθιστά ή αναβάλλει την επέκταση συμβατικών κεντρικών σταθμών παραγωγής με θετικά αποτελέσματα για το περιβάλλον. Επιπλέον, ιδιαίτερη αξία έχει η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από τα Φ/Β όταν συμπίπτει με την αιχμή ζήτησης, όπως οι καλοκαιρινές αιχμές λόγω χρήσης κλιματιστικών. Άλλες θετικές επιπτώσεις είναι ο σύντομος χρόνος ένταξης μονάδων Φ/Β στο δίκτυο, η βελτίωση της ποιότητας ισχύος, η μείωση των απωλειών μεταφοράς καθώς η παραγωγή γίνεται κοντά στους χρήστες, η διαφοροποίηση των πηγών ενέργειας και η μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα. 8.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Σκοπός της ιδιωτικό-οικονομικής ή χρηματικής ανάλυσης είναι να διερευνήσει την ιδιωτική ή χρηματική αποδοτικότητα του σχεδίου επένδυσης. Η ουσία της είναι να προσδιορίσει τη σχέση μεταξύ απόδοσης (κέρδους) και επενδυόμενου κεφαλαίου. Επειδή η ιδιωτικό-οικονομική αποδοτικότητα, δηλαδή η απόδοση για τον επενδυτικό φορέα έχει κρίσιμη σημασία, η σχετική ανάλυση προχωρά παραπέρα και αξιολογεί ή ελέγχει το βαθμό αξιοπιστίας της αποδοτικότητας από άποψη αβεβαιότητας και ευαισθησίας σε ορισμένες πιθανές εξελίξεις ΧΡΗΜΑΤΟΡΟΗ Χρηματοροή καλείται μια πληρωμή (δαπάνη) ή είσπραξη (έσοδο) που πραγματοποιείται μια δεδομένη χρονική στιγμή. Θετικές χρηματοροές (ταμειακές εισροές) θεωρούνται όλες οι εισροές μετρητών από τους χρηματοδοτικούς πόρους (ιδία κεφάλαια, δανεισμός, πιστώσεις κλπ) και τα έσοδα πωλήσεων της μονάδας (εισπράξεις). Αρνητικές χρηματοροές (ταμειακές εκροές) θεωρούνται οι συνολικές επενδύσεις και εγκαταστάσεις, το λειτουργικό κόστος, η εξυπηρέτηση των δανείων, οι πληρωμές των φόρων και οι λοιπές πληρωμές που μπορεί να πραγματοποιηθούν. Η αξία μιας χρηματοροής εξαρτάται από την χρονική στιγμή στην οποία αναφερόμαστε, αφού η αξία του χρήματος μεταβάλλεται με το χρόνο με ρυθμό που ονομάζεται επιτόκιο αναγωγής. Επομένως αφού ένα επενδυτικό σχέδιο από μια σειρά χρηματοροών που η κάθε μια από αυτές γίνεται σε διαφορετική χρονική στιγμή αυτές λόγω της χρονικής αξίας του χρήματος δεν είναι ομοιογενείς και συγκρίσιμες. Έτσι γίνεται αναγκαία η αναγωγή όλων των χρηματοροών σε κοινή χρονική βάση. Αν i το επιτόκιο αναγωγής, S η τελική αξία μετά από n περιόδους χρόνου (π.χ. έτη) μιας παρούσας χρηματοροής και P η παρούσα αξία μιας μελλοντικής χρηματοροής πραγματοποιούμενης μετά από n περιόδους χρόνου (π.χ. έτη), τότε ισχύουν : Ο πρώτος μετασχηματισμός ονομάζεται αναγωγή παρούσας χρηματοροής σε μελλοντική αξία, και μετατρέπει σημερινές αξίες σε ισοδύναμες μελλοντικές με βάση το επιτόκιο αναγωγής. 117

121 Ο δεύτερος μετασχηματισμός ονομάζεται αναγωγή μελλοντικής χρηματοροής σε παρούσα αξία και ανάγει αξίες που αναφέρονται σε κάποια χρονική στιγμή στο μέλλον σε σημερινές τιμές ΠΛΗΘΩΡΙΣΜΟΣ Ο προσδιορισμός της αξίας μιας χρηματοροής δεν εξαρτάται μόνο από τη χρονική αξία του χρήματος. Το φαινόμενο του πληθωρισμού αποτελεί μια άλλη ανεξάρτητη παράμετρο διαχρονικής μείωσης της αξίας του χρήματος. Σε συνθήκες πληθωρισμού με την πάροδο του χρόνου, με το ίδιο χρηματικό ποσό αγοράζονται όλο και λιγότερα αγαθά και υπηρεσίες. Ο πληθωρισμός αντικατοπτρίζεται στην αύξηση των τιμών των αγαθών και υπηρεσιών. Τα τελευταία χρόνια πολλές χώρες παρουσιάζουν ιδιαίτερα έντονα πληθωριστικά φαινόμενα. Στις περιπτώσεις αυτές η αξιολόγηση της οικονομικότητας ενός σχεδίου επένδυσης μεταβάλλεται ανάλογα με την επίδραση του πληθωρισμού στις αξίες των χρηματοροών. Διακρίνονται δύο βασικές μέθοδοι αντιμετώπισης του πληθωρισμού στη διαδικασία αξιολόγησης ενός σχεδίου επένδυσης: Μέθοδος σταθερών τιμών. Η μέθοδος αυτή αγνοεί τελείως τον πληθωρισμό, θεωρώντας είτε ότι δεν επηρεάζει αισθητά τις τιμές των χρηματοροών της επένδυσης είτε ότι επηρεάζει στο ίδιο ποσοστό το κόστος και το όφελός της (τις αρνητικές και τις θετικές χρηματοροές). Σ' αυτήν την περίπτωση εφαρμόζονται σταθερές τιμές σε όλα τα μεγέθη και ισχύουν χωρίς καμιά διαφοροποίηση οι εξισώσεις προσδιορισμού της παρούσας (ή μελλοντικής) αξίας της επένδυσης. Μέθοδος των πληθωριστικά μεταβαλλόμενων χρηματοροών. Με τη μέθοδο αυτή εφαρμόζονται διαφορετικοί ρυθμοί πληθωρισμού (τρέχουσες τιμές) στα επί μέρους μεγέθη που υπόκεινται πληθωριστικές μεταβολές κατά την περίοδο της κατασκευής και λειτουργίας του σχεδίου επένδυσης. Οι δυσκολίες πρόβλεψης της μεταβολής των τιμών για κάθε στοιχείο της επένδυσης, επιβάλλει συχνά τη χρησιμοποίηση ενιαίου συντελεστή πληθωρισμού για όλη την επένδυση, και πληθωρίζεται απλά η καθαρή χρηματοροή με τον προβλεπόμενο από την εξέλιξη του ΔΚΤ (δείκτης τιμών καταναλωτή) συντελεστή. Στην πράξη επειδή όλα τα μεγέθη των χρηματοροών των σχεδίων επένδυσης συνήθως μεταβάλλονται με το ίδιο γενικό ρυθμό πληθωρισμού, ή οι σχετικές μεταβολές των τιμών δεν διαφέρουν σημαντικά, εφαρμόζονται οι τιμές που ισχύουν τη στιγμή που γίνεται η ανάλυσηαξιολόγηση της επένδυσης, δηλαδή χρησιμοποιούνται σταθερές τιμές για όλες τις μελλοντικές αξίες. Σε περίπτωση όμως που υπάρχουν εναλλακτικά σχέδια επένδυσης, η σύγκριση τους πρέπει να βασίζεται στον υπολογισμό της αποδοτικότητας με την ίδια μέθοδο ΑΠΟΣΒΕΣΕΙΣ Οι αποσβέσεις αντιπροσωπεύουν τη σταδιακή μείωση της αξίας των παγίων περιουσιακών στοιχείων μιας επένδυσης (λόγω φθοράς, τεχνολογικής απαξίωσης κτλ) και θεωρητικά επιτρέπουν την αντικατάστασή τους μετά το τέλος του χρήσιμου χρόνου ζωής τους. Με τη μέθοδο των αποσβέσεων επιδιώκεται η κατανομή του κόστους παγίων στοιχείων σε όλο το χρόνο ζωής τους και η αντίστοιχη επιβάρυνση του κόστους παραγωγής (με συνέπεια και την αντίστοιχη φορολογική ελάφρυνση). Η επιβάρυνση αυτή δεν αποτελεί πραγματική ταμειακή εκροή κατά τα έτη της παραγωγικής λειτουργίας, αφού η δαπάνη για την απόκτηση του περιουσιακού στοιχείου σημειώθηκε κατά την χρονική στιγμή της απόκτησής του. 118

122 Για τον υπολογισμό των αποσβέσεων ενός παγίου περιουσιακού στοιχείου, πρέπει να είναι γνωστά: H δαπάνη για την αγορά, μεταφορά, εγκατάσταση και όλα τα πιθανά έξοδα που απαιτούνται μέχρι την έναρξη της λειτουργίας του (αρχικό κόστος επένδυσης). Ο χρήσιμος χρόνος ζωής του. Η υπολειμματική αξία που αποτελεί τα πιθανά έσοδα που θα προκύψουν κατά την εκποίηση του περιουσιακού στοιχείου, μετά το χρήσιμο χρόνο ζωής του. Η αξία που θα αποσβεστεί είναι η διαφορά μεταξύ του αρχικού κόστους επένδυσης και της υπολειμματικής αξίας. Με την κλασσική σταθερή μέθοδο απόσβεσης, το ετήσιο ύψος της απόσβεσης ισούται με το πηλίκο της παραπάνω διαφοράς προς το χρήσιμο χρόνο ζωής. Στην πράξη η σταθερή μέθοδος εφαρμόζεται με τη χρήση ενός σταθερού ποσοστού (ή συντελεστή απόσβεσης) στη θέση του χρήσιμου χρόνου ζωής. Για κάθε κατηγορία περιουσιακού στοιχείου, ισχύει ένας ανώτατος συντελεστής απόσβεσης που καθορίζεται νομοθετικά. Με τους νόμους περί κινήτρων οι συντελεστές αυτοί είναι δυνατόν να προσαυξηθούν ανάλογα με την περιοχή εγκατάστασης της επένδυσης. Η προσαύξηση αυτή, που επιτυγχάνεται και με άλλες μη σταθερές μεθόδους απόσβεσης (με τις οποίες το ετήσιο ύψος απόσβεσης μειώνεται με το χρόνο), αποτελεί μια έμμεση οικονομική ενίσχυση της επιχείρησης, ιδιαίτερα χρήσιμη κατά τα πρώτα χρόνια λειτουργίας της. Για φωτοβολταϊκές μονάδες ο κατώτατος συντελεστής ορίζεται ίσος με 5% και ο ανώτερος ίσος με 7% ΚΟΣΤΟΣ ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗΣ Ένα τμήμα του απαιτούμενου κόστους για την πραγματοποίηση ενός σχεδίου επένδυσης, καλύπτεται συχνά με δανειακά κεφάλαια. Στην περίπτωση ενός μεμονωμένου σχεδίου εξοπλισμού, είναι δυνατό το δάνειο να καλύπτει το συνολικό κόστος επένδυσης. Κάθε δάνειο χαρακτηρίζεται από: Το ύψος του. Το χρόνο λήψης. Την περίοδο χάριτος αν υπάρχει. Το επιτόκιο του. Τη συμφωνία για κεφαλαιοποίηση ή όχι των τόκων κατά την περίοδο χάριτος. Τον τρόπο αποπληρωμής του δανείου. Η αποπληρωμή γίνεται με τοκοχρεολυτικές δόσεις (ΤΧ) που περιλαμβάνουν: το χρεολύσιο (Χ) δηλαδή την επιστροφή του δανείου και τον τόκο (Τ), για το υπόλοιπο μη επιστραφέν δάνειο. 8.2 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Η απόφαση για την προώθηση μιας επένδυσης είναι ιδιαίτερα σημαντική και επομένως είναι απαραίτητο πριν από τη λήψη της απόφασης να διερευνηθεί η χρηματοοικονομική αποδοτικότητα του εξεταζόμενου σχεδίου επένδυσης, για τον ίδιο τον επενδυτή. 119

123 Η διαδικασία της οικονομικής ανάλυσης περιλαμβάνει σύνθεση των στοιχείων κόστους και οφέλους της επένδυσης, με χρονική κλιμάκωση ή συνολικά, ανάλογα αν λαμβάνεται υπ' όψη ή όχι η χρονική αξία του χρήματος. Πιο αναλυτικά πρέπει να εκτιμηθούν τα εξής στοιχεία: Το συνολικό κόστος της επένδυσης και η σχεδιαζόμενη χρονική κατανομή των εκροών. Το κατάλληλο χρηματοδοτικό σχήμα δηλαδή το ύψος του μετοχικού κεφαλαίου, το ύψος των δανειακών κεφαλαίων και οι όροι επιχορήγησής τους. Το ύψος του απαραίτητου κεφαλαίου κίνησης. Ο προβλεπόμενος χρήσιμος χρόνος ζωής της επένδυσης. Οι πωλήσεις και τα αναμενόμενα έσοδα. Το λειτουργικό κόστος της επιχείρησης. Η πιθανή υπολειμματική αξία της επένδυσης στο τέλος του χρήσιμου χρόνου ζωής της. Το νομικό και οικονομικό περιβάλλον μέσα στο οποίο θα λειτουργήσει η επιχείρηση και το οποίο καθορίζει το ύψος των φορολογικών συντελεστών, το ρυθμό απόσβεσης των παγίων περιουσιακών στοιχείων, τις πιθανές επιχορηγήσεις από την πολιτεία και το προβλεπόμενο ύψος του πληθωρισμού. Στην ιδιωτικό-οικονομική ανάλυση χρησιμοποιούνται οι τιμές αγοράς δηλαδή οι ισχύουσες τιμές στην αγορά που περιλαμβάνουν τους φόρους, τις άλλες επιβαρύνσεις κτλ. Οι επενδυτές, ως ιδιωτικοί φορείς, ενδιαφέρονται για το καθαρό κέρδος (μετά τη φορολογία). Ως κέρδος νοείται η αμοιβή του κεφαλαίου (το επιτόκιο του μακροχρόνιου δανεισμού) πλέον το περιθώριο του επιχειρηματικού κινδύνου. Η υπόθεση ότι ο επενδυτής πρέπει να έχει κέρδος ίσο προς το επιτόκιο δανεισμού δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα, εφόσον ο επενδυτής δεν δανείζει απλώς τα κεφάλαιά του, αλλά αναλαμβάνει μια επιχειρηματική πρωτοβουλία, ευρύτερης παραγωγικής αποστολής και διατρέχει κάποιο κίνδυνο ΚΑΘΑΡΗ ΠΑΡΟΥΣΑ ΑΞΙΑ (NPV) Το κριτήριο αυτό αποτελεί ένα ευρύτατο εφαρμοζόμενο μέτρο οικονομικής αποδοτικότητας για την αξιολόγηση των σχεδίων επένδυσης. Η καθαρή παρούσα αξία, γνωστή με τα αρχικά NPV εκφράζει την αξία σε χρηματικές μονάδες, που προκύπτει από την προεξόφληση στο παρόν όλων των καθαρών χρηματοροών κάθε έτους (διαφορά μεταξύ των μελλοντικών ταμειακών εισροών ή εσόδων και εκροών ή εξόδων) για ολόκληρο τον χρονικό ορίζοντα λειτουργίας του σχεδίου επένδυσης. Υπολογίζεται από τον εξής γενικό τύπο: όπου: i το επιτόκιο προεξόφλησης. t η περίοδος προεξόφλησης. n το σύνολο των χρονοσειρών ή ροών. 120

124 Η έννοια της καθαρής χρηματοροής διαφέρει από τη έννοια του καθαρού κέρδους καθώς αποδίδει την ακριβή ταμειακή κατάσταση της επιχείρησης και όχι κάποια λογιστικά μεγέθη. Το επιτόκιο προεξόφλησης επιλέγεται με βάση τις τρέχουσες συνθήκες της τραπεζικής αγοράς, εφόσον αυτή λειτουργεί σχετικά ομαλά, και αντανακλά τις πραγματικές συνθήκες προσφοράς και ζήτησης κεφαλαίων. Συνήθως προστίθεται στο τραπεζικό επιτόκιο ένα επιπλέον ποσοστό, το λεγόμενο περιθώριο κινδύνου, που έχει σκοπό να αντισταθμίσει το ρίσκο του εγχειρήματος και κυμαίνεται μεταξύ 1% και 4% ανάλογα με το βαθμό αβεβαιότητας του σχεδίου επένδυσης ή του κλάδου. Η NPV είναι αξιόπιστη μέθοδος αξιολόγησης γιατί μετατρέπει τις μελλοντικές ροές αξιών του σχεδίου επένδυσης σε παρούσες αξίες, δηλαδή αυτές που ισχύουν τη στιγμή που παίρνεται η απόφαση. Η ίδια η τιμή της NPV δεν έχει κάποια συγκεκριμένη σημασία. Αυτό που ενδιαφέρει είναι αν είναι θετική ή αρνητική. Γενικά ισχύει: NPV>0 : η αποδοτικότητα είναι μεγαλύτερη από το επιτόκιο προεξόφλησης και το σχέδιο επένδυσης είναι αποδεκτό. NPV<0 : η αποδοτικότητα είναι μικρότερη από το επιτόκιο προεξόφλησης και το σχέδιο επένδυσης απορρίπτεται. ΝPV=0 : η αποδοτικότητα είναι οριακή και η αποδοχή του σχεδίου επένδυσης εξαρτάται και από άλλους παράγοντες. Στην εφαρμογή της μεθόδου αυτής πρέπει να προσεχθούν τα εξής: Οι εκροές-κόστος (έξοδα) και οι εισροές-ωφέλειες (έσοδα) υπολογίζονται στον χρόνο που πράγματι γίνονται. Οι αποσβέσεις αν και εμφανίζονται στον Λογαριασμό Εκμετάλλευσης δεν είναι πραγματική εκροή (εκταμίευση) και γι' αυτό δεν συμπεριλαμβάνονται στις ταμειακές εκροές. Η αποπληρωμή των δανείων υπολογίζεται στις εκταμιεύσεις γιατί αποτελεί ταμειακή εκροή. Ο χρόνος προεξόφλησης των ροών πρέπει να αναφέρεται σε ολόκληρη τη ζωή του σχεδίου επένδυσης (φάση κατασκευής λειτουργίας) και να εφαρμόζεται σε ορισμένη χρονική βάση για όλες τις ροές (ομοιογενής χρονική βάση). Η υπολειμματική αξία του σχεδίου επένδυσης υπολογίζεται σαν θετική ροή ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΒΑΘΜΌΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ (IRR) Ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης (IRR) είναι το υπολογιζόμενο επιτόκιο (εσωτερική αποδοτικότητα) με το οποίο η παρούσα αξία των ταμειακών εισροών είναι ίση με την παρούσα αξία των ταμειακών εκροών (άθροιση καθαρών χρηματοροών όλου του χρονικού ορίζοντα του σχεδίου επένδυσης ίση με το μηδέν). Με άλλα λόγια είναι ένα μοναδικό εσωτερικό επιτόκιο που κάνει την προηγούμενη ΝPV να είναι μηδέν. Σε μαθηματική έκφραση το κριτήριο αυτό διατυπώνεται ως εξής: Δηλαδή ο IRR είναι το εκτιμώμενο επιτόκιο που μηδενίζει το άθροισμα των παραπάνω προεξοφλούμενων καθαρών χρηματοροών. Από τη σύγκριση της τιμής του IRR με το επίσημο επιτόκιο της αγοράς i συμπεραίνεται η αποδοτικότητα ή μη του σχεδίου επένδυσης. 121

125 Συγκεκριμένα: IRR>i : το σχέδιο γίνεται αποδεκτό. IRR<i : το σχέδιο απορρίπτεται. IRR=i : το σχέδιο θεωρείται οριακά αποδεκτό και η αποδοχή του εξαρτάται και από άλλους παράγοντες. Σε περίπτωση που υπάρχουν πολλά εναλλακτικά σχέδια επένδυσης επιλέγεται εκείνο που έχει τον υψηλότερο IRR, υπό τον όρο ότι IRR>0. Ο υπολογισμός του IRR γίνεται κατά κανόνα με δοκιμή και σφάλμα (με χρήση κατάλληλου υπολογιστικού πρόγραμματος). Αναλυτικότερα προσδιορίζεται η NPV της επένδυσης με περισσότερες τιμές επιτοκίων (συνήθως χρησιμοποιούνται 3 τιμές, μια χαμηλή μια μέση και μια υψηλή). Αν η προεξόφληση με το χαμηλό επιτόκιο i1 δίνει θετική NPV1 δοκιμάζεται ένα υψηλότερο i2. Αν NPV2 αρνητική αυτό σημαίνει ότι ο IRR βρίσκεται μεταξύ i1 και i2. Υπολογίζεται δε από τη σχέση: Ο IRR είναι ένα υπολογιζόμενο επιτόκιο. Αντανακλά το υψηλότερο επιτόκιο που θα μπορούσε να πληρώσει ο επενδυτικός φορέας ή επιχειρηματίας χωρίς να διακινδυνεύσει να χάσει όλα τα χρήματα που διέθεσε στην επένδυση και αν ακόμη υποτεθεί ότι είχε δανειστεί όλα τα χρήματα για τη χρηματοδότηση της επένδυσης. Ο IRR ως επιτόκιο ή και συντελεστής, δείχνει την πραγματική αποδοτικότητα της συνολικής επένδυσης και έτσι μπορεί να προσδιορίσει τους όρους δανεισμού και του σχεδίου επένδυσης, δεδομένου ότι καθορίζει το μέγιστο επιτόκιο που θα μπορούσε να πληρωθεί από τον επενδυτή χωρίς να κινδυνεύσει να χάσει τα κεφάλαια. 8.3 ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΦΒ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Σύμφωνα µε τις τρέχουσες τιμές στην ελληνική και διεθνή αγορά φωτοβολταϊκών πλαισίων, το κόστος του εξοπλισµού μαζί µε τα έξοδα μεταφοράς και εγκατάστασης κυµαίνεται µεταξύ και ανά εγκατεστημένο kw. Πιο αναλυτικά σε αυτό το κόστος περιλαμβάνονται: Φωτοβολταϊκά πλαίσια πολυκρυσταλλικού τύπου ή thin film. Ανάλογα µε την ονομαστική δυναμικότητα του κάθε πλαισίου, για μια εγκατάσταση 100 kw απαιτούνται πλαίσια πολυκρυσταλλικού τύπου ή περίπου τα διπλά για πλαίσια thin film. Αντιστροφείς (inverters) για την μετατροπή του παραγόμενου συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο (πριν τη διοχέτευσή του στο δίκτυο). Ανάλογα µε τη δυναμικότητα του κάθε αντιστροφέα, για µια εγκατάσταση 100kW απαιτούνται αντιστροφείς (ανεξάρτητα από το αν επιλεγούν πλαίσια πολυκρυσταλλικού τύπου ή πλαίσια thin film) Κόστος της προμήθειας του εξοπλισµού: Πιο αναλυτικά σε αυτό το κόστος περιλαμβάνονται: Καλώδια Συστήματα βάσεων στήριξης. Τα συνήθη στηρίγματα αποτελούνται από κράμα αλουμινίου-ανοξείδωτου χάλυβα Εγκατάσταση βάσεων στήριξης γίνεται σύµφωνα µε τις απαιτούμενες τεχνικές προδιαγραφές. Μοντάρισμα, εγκατάσταση, σύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων και αντιστροφέων. 122

126 Ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις και συνδέσεις περιλαμβανομένων ηλεκτρολογικών πινάκων και λοιπού εξοπλισµού. Οδεύσεις καλωδίων - καλωδιώσεις - γειώσεις συστήµατος Μεταφορικά κόστη στον χώρο εγκατάστασης. Το συνολικό κόστος εξοπλισµού, εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από την τελική επιλογή του εξοπλισµού. Ανάλογα µε την χώρα προέλευσης, την αποδοτικότητα και τις εξασφαλίσεις που µπορεί να προσφέρει ο εκάστοτε κατασκευαστής φωτοβολταϊκών πλαισίων και αντιστροφέων, το συνολικό αυτό κόστος µπορεί να παρουσιάζει μια διακύμανση της τάξης του ±25% έως ±30%. Για τους περαιτέρω υπολογισμούς θα θεωρήσουμε ένα κόστος της τάξης των /kw και επομένως ένα κόστος για μια τυπική εγκατάσταση των 100 kw. Κόστος διαμόρφωσης περιβάλλοντος χώρου: Όσον αφορά τα έργα περιβάλλοντος χώρου, απαιτείται µόνο η περίφραξη των τριών ξεχωριστών εγκαταστάσεων µε περίφραξη τύπου συρματοπλέγματος. Για ένα σύστηµα 20kW, απαιτείται η περίφραξη µόνο των φωτοβολταϊκών πλαισίων και αντιστροφέων (και όχι του συνόλου του οικοπέδου) µε συρματόπλεγμα συνολικού μήκους 180 µέτρων και ύψους 2 µέτρων. Το κόστος της εν λόγω περίφραξης (υλικά και εργασία) είναι της τάξης των Κόστος έργων διασύνδεσης µε τη ΔΕΗ: Όσον αφορά τη σύνδεση του σταθµού µε το δίκτυο χαμηλής τάσης της ΔΕΗ. Ενδεικτικά, τα αναγκαία έργα για τη σύνδεση του σταθµού µε το δίκτυο είναι τα εξής: -Επέκταση δικτύου ΜΤ µε κατασκευή νέου τμήματος εναέριου δικτύου, μήκους 8 µέτρων περίπου, µε αγωγούς 3Χ16 mm2 ACSR. -Κατασκευή νέου υποσταθμού 20/0,4 kv µε μετασχηματιστή 50kVA. -Επέκταση δικτύου ΧΤ µε κατασκευή νέου τμήματος εναερίου δικτύου, μήκους 80 m περίπου, µε αγωγούς ΣΚ-70. -Κατασκευή νέας τριφασικής παροχής ΧΤ. -Εγκατάσταση ηλεκτρονικής μετρητικής διάταξης εισερχόμενης και εξερχόμενης ενέργειας µε ενσωματωμένο GSM modem. Η σύνδεση πραγματοποιείται από συνεργεία της ΔΕΗ. Το κόστος της εν λόγω σύνδεσης είναι της τάξης των Επομένως το τελικό κόστος θεωρείται ότι είναι περίπου ανά εγκατάσταση των 100 kw. Εκτός από την παραπάνω αρχική επένδυση, θα πρέπει να υπολογίζεται ότι στα δέκα περίπου χρόνια θα πρέπει να γίνει αντικατάσταση των αντιστροφέων, η οποία για τη συγκεκριμένη χρονιά θα προκαλέσει ένα επιπλέον έξοδο της τάξης των Θα πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι μέχρι πρόσφατα (µέχρι 31/01/2010), το κόστος εγκατάστασης ΦΒ συστημάτων μπορούσε να επιδοτηθεί κατά 40% µέσω του Αναπτυξιακού Νόμου (για μικρομεσαίες επιχειρήσεις). Ο αναπτυξιακός νόμος σταμάτησε να ισχύει από την 1/2/2010. Σύμφωνα µε τον Νέο Αναπτυξιακό νόμο, τα φωτοβολταϊκά συστήματα θα πάψουν να επιδοτούνται για το πάγιο κόστος εγκατάστασής τους, όταν αυτός ισχύσει. Επομένως θεωρούμε ότι το σύστηµα θα πραγματοποιηθεί µε ίδια ή δανειακά κεφάλαια Όσον αφορά τις τιμές πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας, η τιμολόγηση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ΦΒ σταθµούς γίνεται µε βάση τα στοιχεία του ακόλουθου 123

127 πίνακα (ισχύουν για 20 χρόνια οι τιμές κατά τη στιγμή υπογραφής της σύμβασης µεταξύ επενδυτή και ΔΕΣΜΗΕ, σύµφωνα µε τον πίνακα): Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από φωτοβολταϊκό σταθμό και απορροφάται από το Σύστηµα, τιμολογείται σε μηνιαία βάση και ανά μεγαβατώρα (MWh) της απορροφώμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Οι τιμές που καθορίζονται στον παραπάνω πίνακα, αναπροσαρμόζονται κάθε έτος µε ποσοστό ίσο µε το 25% του δείκτη τιμών καταναλωτή του προηγούµενου έτους, όπως αυτός καθορίζεται από την Τράπεζα της Ελλάδος. Οι τιμές πώλησης της ενέργειας είναι εξασφαλισμένες για τον κάθε παραγωγό για 20 χρόνια. Για τους υπολογισμούς µας θα θεωρήσουµε τιµή πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας µε 419,43 /MWh. Για το σύστηµα υπολογίζουμε (µε υπολογιστικά εργαλεία) συνολική ετήσια παραγωγή kwh/έτος. Όσον αφορά την χρηµατοδότηση της επένδυσης, αυτή µπορεί να πραγματοποιηθεί είτε από ίδια κεφάλαια, είτε από τραπεζικό δανεισμό. Σχεδόν όλες οι ελληνικές τράπεζες, παρουσιάζουν σήµερα προγράμματα τα οποία χρηματοδοτούν επενδύσεις στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας και ειδικότερα στα φωτοβολταϊκά. Τα συνήθη προγράμματα καλύπτουν το σύνολο της επένδυσης, ενώ προσφέρουν επιτόκια που κυµαίνονται ανάλογα µε το Euribor µηνός. Ένα τυπικό επιτόκιο κυµαίνεται στο 6,5% Για τους περαιτέρω υπολογισμούς µας, στα διάφορα σενάρια που θα αναλυθούν στην συνέχεια, θα θεωρηθεί ότι το επιτόκιο δανεισµού, για δεκαετή διάρκεια δανείου, είναι 6,5% για όλη τη διάρκεια του δανείου. Από τη στιγμή της έναρξης λειτουργίας του σταθµού, τα κόστη ετήσιας λειτουργίας του φωτοβολταϊκού σταθμού είναι πολύ χαµηλά και περιορίζονται στα κόστη ασφάλισης του εξοπλισμού. Στο σύνολό τους τα κόστη αυτά είναι περίπου Κανένα άλλο κόστος δεν απαιτείται για την 20ετή λειτουργία του φωτοβολταϊκού σταθµού καθώς δεν 124

128 υπάρχουν πρώτες ύλες, βοηθητικές ύλες ή κατανάλωση ενέργειας. Επομένως, για τους περαιτέρω υπολογισμούς µας, θα θεωρήσουμε ετήσια κόστη λειτουργίας της τάξης των 800. Ανακεφαλαιώνοντας τις υποθέσεις, για ένα σύστηµα ονομαστικής ισχύος 100kW, έχουµε τα παρακάτω δεδοµένα: Κόστος Επένδυσης: Απόσβεση Επένδυσης: 20 έτη (φορολογική απόσβεση 7 χρόνια) Ετήσια Παραγωγή Ενέργειας: kwh/έτος. Τιµή Πώλησης Ηλεκτρικής Ενέργειας: 0,41943 /kwh Συνολικές Πωλήσεις Έτους: Ετήσιο Επιτόκιο Δανεισµού: 6,5% Διάρκεια Δανείου: 10 έτη Ετήσια Λειτουργικά Έξοδα Επένδυσης: 800 Με βάση τα παραπάνω δεδοµένα θα προχωρήσουµε στη χρηματοοικονομική αξιολόγηση της επένδυσης, αναλύοντας 2 διαφορετικά σενάρια. Στο πρώτο σενάριο θα υποτεθεί ότι υπάρχει μηδενικός δανεισμός και όλα τα κεφάλαια προέρχονται από ίδια κεφάλαια του επενδυτή. Στο δεύτερο σενάριο θα θεωρηθεί 75% δανεισμός και 25% ίδια κεφάλαια. ΣΕΝΑΡΙΟ 1: 0% ΔΑΝΕΙΣΜΟΣ Στην περίπτωση του μηδενικού δανεισµού, όλα τα απαραίτητα κεφάλαια θεωρείται ότι προέρχονται από ίδια κεφάλαια. Η απόσβεση της επένδυσης θεωρείται ότι γίνεται σε 20 έτη, και επομένως υπάρχει συντελεστής απόσβεσης 5% ανά έτος. 125

129 Παρουσιάζεται θετικό καθαρό φορολογικό αποτέλεσμα της τάξης των /έτος μετά φόρων, τόκων και αποσβέσεων. Ενώ το αποτέλεσμα προ αποσβέσεων είναι της τάξης των και το αποτέλεσμα προ φόρων είναι Από το πρώτο έτος της επένδυσης υπάρχει θετική χρηματοροή της τάξης των /έτος. 126

130 Με μηδενικό δανεισμό, οι δείκτες της επένδυσης για την 20ετία έχουν ως ακολούθως: Εσωτερικός Βαθμός Απόδοσης (IRR, 20 έτη): 12,66% Καθαρή Παρούσα Αξίας (NPV, 3%, 20 έτη): Απόσβεση (Payback): 6,2 έτη Απόδοση Κεφαλαίων (ROI): 13,6% Δείκτης (Κέρδη Προ Φόρων)/Πωλήσεις: 73,1% 127

131 ΣΕΝΑΡΙΟ 2: 75% ΔΑΝΕΙΣΜΟΣ Στην περίπτωση 75% δανεισµού, τα απαραίτητα κεφάλαια θεωρείται ότι προέρχονται κατά 25% από ίδια κεφάλαια και 75% από τραπεζικό δανεισμό. Η απόσβεση της επένδυσης θεωρείται ότι γίνεται σε 20 έτη, και επομένως υπάρχει συντελεστής απόσβεσης 5% ανά έτος. 128

132 129

133 Στη δεύτερη δεκαετία προβλέπονται τα παρακάτω οικονομικά στοιχεία: Από το πρώτο έτος παρουσιάζεται θετικό καθαρό φορολογικό αποτέλεσμα της τάξης των /έτος µετά φόρων, τόκων και αποσβέσεων. Ενώ το αποτέλεσμα προ αποσβέσεων είναι της τάξης των και το αποτέλεσμα προ φόρων είναι Εδώ, από το πρώτο έτος της επένδυσης υπάρχει θετική χρηματοροή της τάξης των /έτος. 130

134 Με 75% δανεισμό, οι δείκτες της επένδυσης για την 20ετία έχουν ως ακολούθως: Εσωτερικός Βαθμός Απόδοσης (IRR): 10,66% Καθαρή Παρούσα Αξίας (NPV, 3%, 20 έτη): Απόσβεση (Payback): 8,7 έτη Απόδοση Κεφαλαίων (ROI): 10,1 % και µετά τη δεκαετία 13,6% Δείκτης (Κέρδη Προ Φόρων)/Πωλήσεις: 50% και µετά τη δεκαετία 73,1% 131

135 8.3.1 ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ -9,5 kw ΣΤΕΓΗ ΣΤΗΝ ΚΑΒΑΛΑ Στους παρακάτω πίνακες δίνεται η οικονομική ανάλυση φωτοβολταϊκών σε στέγη του Τ.Ε.Ι Καβάλας ισχύος 9,5 kw. μιας εγκατάστασης Θεωρώντας ότι τα ΦΒ που θα χρησιμοποιηθούν θα είναι πολυκρυσταλλικού πυριτίου, η κλίση και ο προσανατολισμός είναι βέλτιστα, επομένως έχουμε τις παρακάτω ενδεικτικές τιμές 132

136 Η παραγωγή υπολογίστηκε με την ισχύουσα τιμή της κιλοβατώρας 0,55 ευρώ. Στο παραπάνω διάγραμμα φαίνεται ότι, τα κέρδη της επένδυσης θα είναι πάνω από ευρώ μετά το πέρας των 20 ετών. Η αθροιστική χρηματοροή είναι θετική, άρα η επένδυση είναι συμφέρουσα. Βλέπουμε παρακάτω, τις εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα, που θα απαλλάξει η εγκατάσταση αυτή την ατμόσφαιρα. 133

137 134