Φραγκιουδάκη Άννα του Κωνσταντίνου Αριθμός μητρώου: Θέμα: «Οικιακό Φωτοβολταϊκό Σύστημα συνδεδεμένο στο Δίκτυο»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΑΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Φραγκιουδάκη Άννα του Κωνσταντίνου Αριθμός μητρώου: 6658 Θέμα: «Οικιακό Φωτοβολταϊκό Σύστημα συνδεδεμένο στο Δίκτυο» Επιβλέπων: Καθηγητής Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2011

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Οικιακό Φωτοβολταϊκό Σύστημα συνδεδεμένο στο Δίκτυο» της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Φραγκιουδάκη Άννας του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου: 6658 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../.../... Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Γαβριήλ Γιαννακόπουλος Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Οικιακό Φωτοβολταϊκό Σύστημα συνδεδεμένο στο Δίκτυο» Φοιτήτρια: Φραγκιουδάκη Άννα Επιβλέπων: Καθηγητής Γαβριήλ Γιαννακόπουλος ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνώνται οι προδιαγραφές για την εγκατάσταση και τη διασύνδεση με το δίκτυο διανομής ενός οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Ο όρος «οικιακό» αναφέρεται σε φωτοβολταϊκά συστήματα μικρής ισχύος, έως 10 kwp, τα οποία τοποθετούνται πάνω σε κτίρια ή ενσωματώνονται σε αυτά ενώ παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο μέσω της ίδιας παροχής του κτιρίου. Τα οικιακά φωτοβολταϊκά παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα ώστε να αποτελέσουν πόλο έλξης για τους μελλοντικούς παραγωγούς όπως θερμική μόνωση, ηχομόνωση, ηλιο-προστασία, δεν απαιτούν επιπλέον χώρο για την εγκατάσταση τους, συνεισφέρουν στην κάλυψη του φορτίου αιχμής, δε περιλαμβάνουν κινητά μέρη, προσφέρουν έναν ελκυστικό σχεδιασμό κτιρίου και αντικαθιστούν συμβατικά κατασκευαστικά υλικά. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια θεωρητική ανασκόπηση της φύσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή του ηλιακού κυττάρου, των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των αρχών λειτουργίας τους, καθώς και παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και οι παράγοντες που τα επηρεάζουν. Εν συνεχεία, στο τρίτο κεφάλαιο μπορούμε να δούμε τα κριτήρια με τα οποία επιλέγεται ο τόπος και ο τρόπος εγκατάστασης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, και παρουσιάζονται οι αρχές σχεδιασμού του συστήματος ξεκινώντας από την επιλογή του αντιστροφέα μέχρι τα μέσα προστασίας και την καλωδίωση. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι απαιτήσεις που πρέπει να τηρούνται ώστε να καθίσταται εφικτή η διασύνδεση με το δίκτυο ΧΤ μιας εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζονται τα κριτήρια τήρησης των ανωτέρω απαιτήσεων, όπως η επάρκεια του δικτύου, η διαμόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης, οι μεταβολές της τάσης, το φαινόμενο flicker, η έγχυση αρμονικών, η νησιδοποίηση και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας. Εν τέλει, στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιούνται προσομοιώσεις για την μελέτη των παραπάνω προδιαγραφών σε δύο διατάξεις που εξομοιώθηκαν με το πρόγραμμα PSCAD. Η μια

6 διάταξη περιλαμβάνει μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ισχύος 9.6 kwp, έναν μετατροπέα υποβιβασμού τάσης ο οποίος κάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος, έναν τριφασικό αντιστροφέα με παλμοδότηση SPWM, το φίλτρο LC για τη μείωση του αρμονικού περιεχομένου, έναν μετασχηματιστή απομόνωσης και ανύψωσης τάσης 150V/400V, το δίκτυο ΧΤ και το οικιακό φορτίο. Η δεύτερη διάταξη διαφοροποιείται από την πρώτη στο ότι δεν περιλαμβάνει μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, έτσι ο αντιστροφέας αναλαμβάνει την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος. Αρχικά παρουσιάζεται η απόκριση των συστημάτων σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας και μέση φόρτιση, ενώ εξετάζεται και η επίδραση των τιμών των ελεγκτών στην απόκριση τους. Στη συνέχεια, γίνεται η μελέτη αρμονικών και η διερεύνηση της επίδρασης της ακτινοβολίας στους συντελεστές ολικής αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος και τάσης, και στο συντελεστή ισχύος. Έπειτα εξετάζεται η απόκριση των συστημάτων σε απότομες μεταβολές της ακτινοβολίας και του φορτίου. Τέλος διερευνώνται οι διακυμάνσεις της τάσης που εμφανίζονται σε οριακές καταστάσεις λειτουργίας του φωτοβολταϊκού και φόρτισης του δικτύου ενώ εξετάζονται και οι επιπτώσεις στα συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας.

7 ABSTRACT The aim of the present thesis is the study of the installation and gridinterconnection requirements and specifications of a domestic photovoltaic system. The term domestic refers to low power photovoltaic systems (up to 10 kwp), installed or integrated into buildings while providing electric power to the grid through the buildings main power connection. Domestic photovoltaic systems have a number of advantages, such as thermal / sound insulation, solar protection, they do not require extra space in order to be installed, they can contribute in the case of high power demand, they do not require any moving parts, they can prove attractive in terms of building design and even eventually substitute conventional building materials. These advantages are bound to put them in the center of electric power producers attention in the immediate future. In the first chapter a theoretic overview of the nature of solar radiation is presented. In the second chapter, photovoltaic cells and panels as well as their function and electrical properties are briefly analyzed. In the third chapter, the criteria of the photovoltaic system s installation location and method from the selection of a proper inverter to the system s electrical protection equipment and wiring. In the fourth chapter the requirements that must be met in order to establish a connection with the power distribution grid are being presented. The relevant criteria such as: a) power grid adequacy, b) proper design and configuration of the grid connection protection equipment, c) voltage variations, d) flickering, e) voltage/current harmonics, f) islanding, and g) effects on 175Hz remote-operation systems are being studied. Finally, in the fifth chapter, PSCAD-realized simulations with two configurations are presented. The first configuration consists of a 9.6kWp photovoltaic array, a dc-to-dc buck converter which implements a maximum-powerpoint-tracking algorithm, a SPWM-pulsed three-phase inverter, a LC harmonic filter, an isolating 150V/400Vvoltage transformer, the low-voltage grid and a domestic electric load. The second configuration does not include a buck converter and thus, the maximum-power-point-tracking algorithm is implemented on the inverter. The systems response in normal operating conditions and with a medium load as well as the effect of different controller gains in the aforementioned response are initially presented. Afterwards, the system s voltage/current harmonics and the effect of solar radiation in the Total Harmonic Distortion and Power factors are being studied. In continuation the system s response in rapid change of solar irradiance / electrical load is presented. Finally, voltage variations which appear in boundary operating conditions of the grid and photovoltaic system, as well as the impact on 175Hz remote-operation systems are studied.

8

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας έγινε υπό την επίβλεψη και την καθοδήγηση του Καθηγητή κ. Γαβριήλ Γιαννακόπουλου το διάστημα 10/ /2011, στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του εργαστηρίου Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποιήσεως Ηλεκτρικής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της εγκατάστασης, των προβλημάτων που εμφανίζονται καθώς και των προδιαγραφών που πρέπει να ικανοποιούνται για την διασύνδεση ενός οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος στο Δίκτυο χαμηλής τάσης. Η μελέτη αυτή έγινε με εξομοίωση σε ηλεκτρονικό υπολογιστή και για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα PSCAD, ένα από τα πλέον κατάλληλα προγράμματα για την μελέτη των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Η επιλογή του PSCAD στηρίχθηκε στο γεγονός ότι είναι εξαιρετικά εύχρηστο και χρησιμοποιείται κατά κόρον για την προσομοίωση τέτοιων συστημάτων. Σε αυτό το σημείο, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κύριο Γαβριήλ Γιαννακόπουλο για το χρόνο και την βοήθεια που μου προσέφερε το παραπάνω χρονικό διάστημα. Επίσης, νιώθω την ανάγκη να προσφέρω τις θερμές μου ευχαριστίες στον κ. Παπαχρήστο Χρήστο για την βοήθεια που μου προσέφερε στην επίλυση προβλημάτων που παρουσιάστηκαν με το πρόγραμμα προσομοίωσης και για τις εύστοχες παρατηρήσεις του, καθώς και τους γονείς μου για την υποστήριξη και την ηθική συμπαράσταση τους. Πάτρα 2011 Φραγκιουδάκη Άννα

10

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ηλιακή ακτινοβολία Μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Επίδραση περιβαλλοντικών συνθηκών Βαθμός απόδοσης Τύποι φωτοβολταϊκών κυττάρων Φωτοβολταϊκές συστοιχίες 21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΟΙΚΙΑΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Δομή οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος Τοποθεσία εγκατάστασης φωτοβολταϊκού Σχεδίαση φωτοβολταϊκού συστήματος Σφάλματα και προστασία Γείωση φωτοβολταϊκού συστήματος Καλωδίωση Προστασία από υπερτάσεις και κεραυνούς 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Χ.Τ Διαμόρφωση της διασύνδεσης Μεταβολή της τάσης εκπομπές flicker Έγχυση αρμονικών Συντελεστής ισχύος Νησιδοποίηση Συστήματα Τηλεχειρισμών Ακουστικής Συχνότητας 63 1

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΟΙΚΙΑΚΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Περιγραφή διατάξεων Λειτουργία και διαστασιολόγηση των επιμέρους μονάδων Φωτοβολταϊκή γεννήτρια DC/DC μετατροπέας Τρόπος λειτουργίας Διαστασιολόγηση Κύκλωμα Ελέγχου MPPT Αντιστροφέας DC link Απαιτήσεις λειτουργίας του αντιστροφέα Τρόπος λειτουργίας Κύκλωμα ελέγχου Φίλτρο Μετασχηματιστής απομόνωσης Δίκτυο Οικιακό φορτίο Απόκριση σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας Επίδραση των τιμών ελέγχου Μελέτη έγχυσης αρμονικών Απόκριση σε απότομες μεταβολές Οριακές καταστάσεις λειτουργίας Επιπτώσεις στα συστήματα ΤΑΣ 169 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 171 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 175 2

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η απειλή της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής, η συνεχώς αυξανόμενη ενεργειακή ζήτηση του αναπτυσσόμενου κόσμου και η αναπόφευκτη και ολοένα ταχύτερη εξάντληση των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων καθώς και η αστάθεια των τιμών τους έστρεψαν το παγκόσμιο ενδιαφέρον στην αναζήτηση οικονομικότερων και πιο βιώσιμων ενεργειακών αποθεμάτων. Αυτό το ζήτημα αφορά κυριολεκτικά σε κάθε τομέα της ανθρώπινης ύπαρξης. Ταυτόχρονα οι κτιριακές εγκαταστάσεις συνεχίζουν να παίζουν σημαντικό ρόλο στο παγκόσμιο ενεργειακό ισοζύγιο. Τυπικά θεωρούνται υπεύθυνες για το 20-30% των συνολικών πρωταρχικών ενεργειακών απαιτήσεων των βιομηχανικών χωρών. Η συνειδητοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων λόγω της ενεργειακής κατανάλωσης έκανε όλο και πιο πιεστική την ανάγκη εύρεσης ενέργειας και κτιριακών σχεδίων φιλικών προς το περιβάλλον. Σήμερα υπάρχουν πολλές τεχνολογίες για να κάνουμε τον σχεδιασμό ενός κτιρίου φιλικό προς το περιβάλλον όπως α) η ποιοτική θερμική μόνωση, β) η προηγμένη θέρμανση, γ) ο εξοπλισμός για εξαερισμό και κλιματισμό, δ) η χρήση ηλιακών συστημάτων για θέρμανση νερού ή εσωτερικών χώρων και ε) οι ενεργειακά οικονομικές συσκευές. Όλα αυτά τα μέτρα μπορεί να έχουν ήδη μειώσει σημαντικά τις ενεργειακές και ειδικά τις θερμικές απαιτήσεις των κτιριακών εγκαταστάσεων όμως έχουν αυξήσει το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας στο ενεργειακό ισοζύγιο του κτιριακού τομέα. Μέχρι προσφάτως ο σχεδιασμός ενός κτιρίου φιλικού προς το περιβάλλον συνίστατο σε τεχνικές κυρίως αποθήκευσης ενέργειας, ενώ ήταν πρακτικά αδύνατο να παράγουμε υψηλής ποιότητας ενέργεια και η οποία κατόπιν να έχουμε τη δυνατότητα διανομής της σε ολόκληρη την κοινωνία. Εδώ εμφανίζεται η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συστημάτων, με την οποία μπορούμε να παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια από την ανανεώσιμη ηλιακή ενέργεια. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να τοποθετηθούν πάνω στα κτίρια ή να ενσωματωθούν σε αυτά δημιουργώντας έτσι μια νέα διάσταση στον σχεδιασμό κτιρίων φιλικών προς το περιβάλλον. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα: α) είναι αθόρυβα, β) δεν περιλαμβάνουν κατ ανάγκην κινητά μέρη, γ) είναι καθαρά χωρίς να επιβαρύνουν τη μόλυνση του περιβάλλοντος, δ) δεν χρησιμοποιούν καύσιμα, ε) κατασκευάζονται από πυρίτιο το οποίο βρίσκεται άφθονο στη φύση, στ) εάν ένα κομμάτι υποστεί κάποια βλάβη το υπόλοιπο σύστημα συνεχίζει την λειτουργία του, ζ) έχουν μεγάλο λόγο ισχύος/βάρους και μεγάλη διάρκεια ζωής (τουλάχιστον 30 έτη), η) είναι κατάλληλα για επιτόπιες εφαρμογές όπου δεν υπάρχει το ηλεκτρικό δίκτυο και θ) συναρμολογούνται από τυποποιημένα στοιχεία μαζικής παραγωγής σε σύστημα οποιουδήποτε μεγέθους για να καλύψουν μικρές, μεσαίες και μεγάλες ενεργειακές ανάγκες. Παρόλα αυτά αν και τα φωτοβολταϊκά έχουν όλα τα χαρακτηριστικά για να γίνουν η πηγή ενέργειας του μέλλοντος, το κόστος τους παραμένει αρκετά υψηλό. Γι αυτό το λόγο, πολλές κυβερνήσεις δημιουργούν προγράμματα για χρηματοδότηση φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων. Από αρχιτεκτονικής, τεχνικής και οικονομικής απόψεως τα φωτοβολταϊκά σε κτίρια δεν απαιτούν επιπλέον χώρο για την εγκατάσταση τους, συνεισφέρουν στην κάλυψη του φορτίου αιχμής, μπορούν να μειώσουν τις απώλειες μεταφοράς και 3

14 διανομής και μπορούν να αντικαταστήσουν συμβατικά κατασκευαστικά υλικά. Ο διπλός τους ρόλος καταδεικνύει την αυξημένη τους δυνατότητα απόσβεσης του κόστους της αρχικής εγκατάστασης και ταυτόχρονα μπορούν να παρέχουν βελτιωμένη αισθητική εμφάνιση με ένα καινοτόμο τρόπο. Τα φωτοβολταϊκά δεν πρέπει να τα δούμε μόνο σαν απλές γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και ως πολυλειτουργικά κατασκευαστικά στοιχεία ενός κτιρίου που προσφέρουν στέγη και ενέργεια. Εν κατακλείδι, θεωρώντας τα φωτοβολταϊκά σε κτιριακές εγκαταστάσεις ως μια συνένωση της τεχνολογίας, της αρχιτεκτονικής και της κοινωνικής συνείδησης, και συνυπολογίζοντας το μειωμένο κόστος τους, γίνεται εμφανές πως αποτελούν την πλέον υποσχόμενη από τις μελλοντικές αγορές ηλεκτρικής ενέργειας. Καθίστανται κατά συνέπεια ένας από τους μελλοντικούς πρωταγωνιστές που θα κληθούν να γεφυρώσουν τις εφαρμογές φωτοβολταϊκών μικρής κλίμακας με την κύρια παραγωγή διαμορφώνοντας έτσι ένα νέο τοπίο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του 21 ου αιώνα. 4

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Ηλιακή Ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια είναι η μεγαλύτερη ενεργειακή είσοδος πάνω στη γη και παράγεται στον πυρήνα του ήλιου με μια διαδικασία γνωστή ως πυρηνική σύντηξη. Η πυρηνική σύντηξη είναι μια χημική αντίδραση, όπου δύο άτομα υδρογόνου ενώνονται για να δημιουργηθεί ένα άτομο ηλίου ενώ μέρος της μάζας του υδρογόνου μετατρέπεται σε ενέργεια. Ο ήλιος είναι ένα αστέρι πέντε δισεκατομμυρίων ετών και θα συνεχίσει την «λειτουργία» του για δισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον, το γεγονός αυτό τον καθιστά αέναη πηγή ενέργειας. Σχήμα 1.1 Πυρηνική Σύντηξη Λόγω της μεγάλης απόστασης της γης από τον ήλιο ( km) μόνο ένα μικρό ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας φθάνει στην επιφάνεια της γης που αντιστοιχεί σε ενέργεια KWh/έτος. Η ενέργεια αυτή είναι ισοδύναμη με φορές τις παγκόσμιες ενεργειακές απαιτήσεις. Οπότε αρκεί μόνο το 0,01% της ηλιακής ακτινοβολίας, ώστε αν το εκμεταλλευτούμε, να καλυφθούν οι ανάγκες ολόκληρης της ανθρωπότητας. 1.1 Ηλιακή ακτινοβολία Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την ατμόσφαιρα της γης διαφοροποιείται ανάλογα με την απόσταση της γης από τον ήλιο, η οποία μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια ενός έτους. Επιπλέον μειώσεις υφίσταται η ακτινοβολία κατά τη διαδρομή της από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης όταν διέρχεται από την ατμόσφαιρα. Η ατμόσφαιρα της γης μειώνει την ακτινοβολία που εισέρχεται λόγω απορρόφησης (από το όζον, το οξυγόνο, το διοξείδιο του άνθρακα), σκέδασης (από τα μόρια του αέρα, υδρατμούς και σκόνη) και ανάκλασης. Όταν ο ήλιος είναι κάθετος προς τον ορίζοντα του τόπου τότε η ηλιακή ακτινοβολία υφίσταται τη μικρότερη μεταβολή κατά την 5

16 διέλευση της από την ατμόσφαιρα αφού διανύει την ελάχιστη απόσταση μέσα σε αυτή. Αυτό συμβαίνει το μεσημέρι στην ισημερία της άνοιξης και του φθινοπώρου. Λόγω της επίδρασης της ατμόσφαιρας στην ακτινοβολία παρατηρείται εξάρτηση αυτής από το υψόμετρο της τοποθεσίας που δέχεται την ακτινοβολία. Έχει μετρηθεί ότι στην επιφάνεια της θάλασσας η μέγιστη τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας είναι W/m 2 ενώ η τιμή αυτή αυξάνεται περίπου 7 W/m 2 για κάθε 100m μέτρα ύψους της τοποθεσίας. Η αύξηση αυτή οφείλεται στη μείωση του πάχους του στρώματος της ατμόσφαιρας που διασχίζουν οι ηλιακές ακτίνες. Άλλος παράγοντας που επηρεάζει σημαντικά την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης είναι οι μετεωρολογικές συνθήκες. Αρχικά να αναφέρουμε ότι η ηλιακή ακτινοβολία στο έδαφος αποτελείται από δύο συνιστώσες, την άμεση και την διάχυτη ακτινοβολία. Η άμεση ακτινοβολία είναι αυτή που λαμβάνεται από τον ήλιο χωρίς να έχει υποστεί σκέδαση από την ατμόσφαιρα ενώ η διάχυτη είναι η ακτινοβολία που εισερχόμενη στην ατμόσφαιρα μπορεί να διαχυθεί από σωματίδια, την υγρασία ή και να ανακλαστεί από τα σύννεφα (Σχήμα 1.2). Σε καλές καιρικές συνθήκες η ακτινοβολία μπορεί να φτάσει και τα 1000 W/m 2 στην επιφάνεια της γης και αποτελείται κυρίως από άμεση ακτινοβολία. Η μέγιστη όμως ακτινοβολία μπορεί να επιτευχθεί με μερικώς συννεφιασμένο ουρανό, όταν λόγω διάχυσης από περαστικά σύννεφα μπορεί να πάρει και τιμές έως 1400 W/m 2. 6 Σχήμα 1.2 Άμεση, Ανακλώμενη και Διάχυτη Ακτινοβολία Η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει σε ένα επίπεδο στο έδαφος εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος, την κλίση και τον προσανατολισμό του επιπέδου. Η σωστή επιλογή των δύο τελευταίων παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην βέλτιστη εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας από το φωτοβολταϊκό πάνελ. Η κλίση του συλλέκτη ορίζεται ως η γωνία μεταξύ της επιφάνειας και του οριζόντιου επιπέδου ενώ ο προσανατολισμός εκφράζεται από την αζιμούθια γωνία της επιφάνειας, η οποία ορίζεται ως η γωνιακή απόσταση της προβολής στον ορίζοντα της καθέτου στην επιφάνεια από τον τοπικό μεσημβρινό με αρχή το νότο και θετική κατεύθυνση προς τα δυτικά. Η πυκνότερη ισχύς

17 μιας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας επιτυγχάνεται όταν η επιφάνεια του επίπεδου συλλέκτη είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας. Λόγω της ημερήσιας κίνησης του ήλιου από την ανατολή προς την δύση και της ετήσιας κίνησης του δηλ. να κινείται σε παράλληλες τροχιές προς τον ουράνιο ισημερινό (Σχήμα 1.3), η πρόσπτωση της ακτινοβολίας δεν είναι πάντα κάθετη προς το επίπεδο που είναι τοποθετημένο ένα σταθερό φωτοβολταϊκό πάνελ, με αποτέλεσμα η ημερήσια κίνηση να επηρεάζει την εκλογή του προσανατολισμού του πάνελ ενώ η ετήσια κίνηση την κλίση του. Σχήμα 1.3 Ετήσια και ημερήσια πορεία του ήλιου Ως γενικός κανόνας ακολουθείται η κλίση του πάνελ να είναι περίπου ίση με το γεωγραφικό πλάτος (φ). Για συλλογή μέγιστης ενέργειας κατά την διάρκεια του καλοκαιριού να είναι μικρότερη του γεωγραφικού πλάτους και το χειμώνα μεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος. Ως βέλτιστος προσανατολισμός επιλέγεται προσανατολισμός προς το νότο ενώ απόκλιση έχει μικρή επίδραση στην ολική ετήσια ενέργεια. Τέλος στον υπολογισμό της ακτινοβολίας σε ένα κεκλιμένο πάνελ, δεν πρέπει να ξεχνάμε την συνιστώσα της ανακλώμενης ακτινοβολίας από το έδαφος ή από παρακείμενες στο συλλέκτη επιφάνειες. Η ένταση της ανακλώμενης συνιστώσας εξαρτάται από τις ιδιότητες της επιφάνειας ανάκλασης. Για το λόγο αυτό ορίζεται ένας συντελεστής ανάκλασης του εδάφους/επιφάνειας, ο οποίος όσο μεγαλύτερος είναι τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάκλαση της ακτινοβολίας από το έδαφος. Η ανακλώμενη συνιστώσα μπορεί να προσφέρει σημαντική αύξηση της απόδοσης σε περίπτωση που κοντά στο συλλέκτη υπάρχουν επιφάνειες με μεγάλο συντελεστή ανάκλασης όπως το νερό ή το χιόνι, αλλά σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να είναι αμελητέα.. 7

18 1.2 Μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας Η μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να γίνει είτε άμεσα χρησιμοποιώντας πυρανόμετρα ή φωτοβολταϊκούς αισθητήρες, είτε έμμεσα αναλύοντας εικόνες από δορυφόρους. Τα πυρανόμετρα είναι αισθητήρες μεγάλης ακρίβειας που συνδυάζουν δύο ημισφαιρικούς γυάλινους θόλους, ένα μαύρο μεταλλικό επίπεδο ως απορροφητική επιφάνεια, τα θερμικά στοιχεία που είναι τοποθετημένα κάτω από την επιφάνεια και το λευκό μεταλλικό περίβλημα. Η ηλιακή ακτινοβολία πέφτει κάθετα πάνω στην απορροφητική επιφάνεια διαμέσου των δύο ημισφαιρικών θόλων ζεσταίνοντας την. Εφόσον η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ανάλογη της ακτινοβολίας, η διαφορά της θερμοκρασίας μεταξύ της μαύρης επιφάνειας και του περιβάλλοντος μας επιτρέπει να υπολογίσουμε την ακτινοβολία. Επίσης, μας δίνει την δυνατότητα να υπολογίσουμε μόνο την διάχυτη ακτινοβολία αν τοποθετήσουμε ένα δακτύλιο σκίασης για την άμεση ακτινοβολία. Τα πυρανόμετρα, αν και είναι αρκετά ακριβή, παρουσιάζουν αργή απόκριση επειδή βασίζονται σε θερμικά στοιχεία, έτσι δεν μπορούν να αντιληφθούν τις γρήγορες μεταβολές στην ακτινοβολία. Οι φωτοβολταϊκοί αισθητήρες έχουν πολύ χαμηλότερο κόστος σε σχέση με τα πυρανόμετρα. Αποτελούνται από ένα ηλιακό κύτταρο το οποίο παράγει ένα ρεύμα ανάλογο της ακτινοβολίας. Η ακρίβεια του όμως μειώνεται από το γεγονός ότι ένα ηλιακό κύτταρο δεν μπορεί να απορροφήσει ακτινοβολία όλων των μηκών κύματος του ηλιακού φάσματος. 8

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία Ο όρος φωτοβολταϊκή τεχνολογία αναφέρεται στη μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς ρεύματος όταν αυτό προσπίπτει στην επιφάνεια ηλιακών κυττάρων (Σχήμα 2.1). Όταν δεν υπάρχει πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας σταματάει και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ως ηλιακά κύτταρα χρησιμοποιούνται ημιαγωγοί όπως το πυρίτιο (Si) και το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs). Σχήμα 2.1 Ηλιακό κύτταρο Τα πρώτα κύτταρα κατασκευάστηκαν από σελήνιο τον προηγούμενο αιώνα με απόδοση μόνο 1-2%. Από τότε έχει γίνει σημαντική έρευνα σε αυτό τον τομέα. Η κβαντομηχανική, που αναπτύχθηκε κατά την δεκαετία του 20 και του 30, θεμελίωσε τη θεωρητική βάση για την σημερινή μας γνώση πάνω στα φωτοβολταϊκά. Παρόλα αυτά, ένα μεγάλο βήμα παραπέρα στην φωτοβοταϊκή τεχνολογία έγινε τις δεκαετίες του 40 και του 50 όταν μια μέθοδος γνωστή ως Czochralski αναπτύχθηκε για την παραγωγή μεγάλης καθαρότητας κρυστάλλων πυριτίου. Άλλα σημαντικά άλματα στην βιομηχανία των φωτοβολταϊκών ήταν οι δορυφορικές εφαρμογές της δεκαετίας του 50 και η ανάπτυξη της βιομηχανίας των transistors. Τα transistors και τα φωτοβολταϊκά κύτταρα κατασκευάζονται από παρόμοια υλικά και πολλές από τις αρχές λειτουργίας τους διέπονται από τους ίδιους φυσικούς μηχανισμούς. 2.1 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο παρατηρήθηκε αρχικά από τον Γάλλο φυσικό, Edmund Becquerel. Το 1839 παρατήρησε την εμφάνιση μιας τάσης όταν φωτιζόταν ένα από δύο πανομοιότυπα ηλεκτρόδια μέσα σε ένα αραιό ηλεκτρολυτικό διάλυμα. Για να 9

20 δούμε όμως πως λειτουργεί ο μηχανισμός του φωτοβολταϊκού φαινομένου θα θυμηθούμε πρώτα την δομή του πυριτίου. Το άτομο του πυριτίου έχει 14 πρωτόνια στον πυρήνα του και συνεπώς 14 ηλεκτρόνια, εκ των οποίων τα τέσσερα ηλεκτρόνια είναι τοποθετημένα στην εξωτερική στιβάδα και γι αυτό ονομάζεται τετρασθενές. Τα τέσσερα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας, τα οποία ονομάζονται και ηλεκτρόνια σθένους, χρησιμοποιούνται για να σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τέσσερα γειτονικά άτομα δημιουργώντας έτσι ένα κρυσταλλικό πλέγμα (Σχήμα 2.2). 10 Σχήμα 2.2 Άτομο του πυριτίου Όταν το πυρίτιο βρίσκεται στην θερμοκρασία του απολύτου μηδενός (0 Κ), είναι τέλειος ηλεκτρικός μονωτής, αφού δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Με αύξηση της θερμοκρασίας, κάποια ηλεκτρόνια αποκτούν αρκετή ενέργεια ώστε να αποσπαστούν από τους δεσμούς και να μεταβούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Όσο αυξάνει η θερμοκρασία τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν στη ζώνη αγωγιμότητας, με αποτέλεσμα να γίνεται και πιο αγώγιμος ο κρύσταλλος. Αυτή η συμπεριφορά του πυριτίου το κατατάσσει στην κατηγορία των ημιαγωγών. Σε θερμοκρασία δωματίου η αγωγιμότητα του πυριτίου είναι πολύ μικρή, όμως με κατάλληλες προσμίξεις όπως θα δούμε παρακάτω μπορεί να αυξηθεί. Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει σε κρυσταλλικό πυρίτιο, τότε αυτό μπορεί να προσφέρει την απαραίτητη ενέργεια ώστε τα ηλεκτρόνια να αποσπαστούν από τους δεσμούς τους. Όμως, εκτός από την περίπτωση να απορροφηθεί από τον κρύσταλλο το ηλιακό φως μπορεί και να ανακλαστεί ή να διαπεράσει τον κρύσταλλο, γεγονός που μειώνει την απόδοση των ηλιακών κυττάρων. Αλλά ακόμα και στην περίπτωση που το φως θα απορροφηθεί, μόνο αν η ενέργεια του είναι μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα (ενεργειακό χάσμα είναι η διαφορά ενέργειας μεταξύ του πάνω μέρους της ζώνης σθένους και του κάτω μέρους της ζώνης αγωγιμότητας, εκφράζει την ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να ελευθερωθεί ένα ηλεκτρόνιο, είναι σταθερή για κάθε υλικό, μετράται σε ev και για το πυρίτιο είναι 1.12eV) τα ηλεκτρόνια θα μπορέσουν να μεταβούν από την ζώνη σθένους στην ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας πίσω τους δεσμούς από τους οποίους λείπουν ηλεκτρόνια, τις γνωστές και ως οπές. Αν όμως η ενέργεια του φωτός είναι μικρότερη του ενεργειακού χάσματος, τα ηλεκτρόνια αποκτώντας μεγαλύτερη ενέργεια ανεβαίνουν σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη όπου δεν είναι ευσταθή και επιστρέφουν στις αρχικές χαμηλότερες ενεργειακές

21 στάθμες αποδίδοντας την ενέργεια που είχαν απορροφήσει υπό μορφή θερμότητας. Αυτός είναι και ο λόγος που τα κύτταρα δεν μπορούν να εκμεταλλευθούν όλο το φάσμα του ηλιακού φωτός αφού αυτό αποτελείται από ακτινοβολία με διάφορα μήκη κύματος έτσι κάθε ακτινοβολία έχει και διαφορετική ενέργεια (Ε=hf, όπου h η σταθερά του Plank και f=c/λ, λ το μήκος κύματος και c η ταχύτητα του φωτός ). Για το λόγο αυτό επιθυμούμε το ηλιακό κύτταρο να είναι έτσι κατασκευασμένο ώστε να έχει κατάλληλο ενεργειακό χάσμα όπως θα δούμε σε επόμενη παράγραφο. Οι οπές στη ζώνη σθένους και τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας είναι ο βασικός μηχανισμός του φωτοβολταϊκού φαινομένου, ο οποίος όμως δεν επαρκεί για να δημιουργήσει ρεύμα διότι οι οπές και τα ηλεκτρόνια θα εκτελούσαν για λίγο χρόνο τυχαίους ελιγμούς και μετά θα επανέρχονταν στις αρχικές τους θέσεις. Προκειμένου να παραχθεί ρεύμα στον ημιαγωγό που φωτίζεται πρέπει να βρεθεί ένας μηχανισμός που να διαχωρίζει τις παραγόμενες οπές και ηλεκτρόνια. Ο μηχανισμός αυτός είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο μέσα στον ημιαγωγό, το οποίο το δημιουργούμε με κατάλληλες προσμίξεις άλλων στοιχείων στο πυρίτιο. Σε έναν κρύσταλλο πυριτίου δημιουργούμε δύο περιοχές (Σχήμα 2.3). Στην μια αντικαθιστούμε άτομα πυριτίου με άτομα στοιχείων που ανήκουν στην πέμπτη ομάδα του περιοδικού πίνακα π.χ. φώσφορο, τα οποία είναι πεντασθενή δηλ. έχουν πέντε ηλεκτρόνια σθένους. Στην άλλη περιοχή αντικαθιστούμε άτομα του πυριτίου με άτομα της τρίτης ομάδας του περιοδικού πίνακα π.χ. βόριο, τα οποία είναι τρισθενή. Σχήμα 2.3 Κρύσταλλοι τύπου-p και τύπου-n Στην πλευρά που έγινε η πρόσμιξη με το πεντασθενές στοιχείο, με αναλογία περίπου 1:1000, τα τέσσερα από τα πέντε ηλεκτρόνια σθένους θα κάνουν δεσμούς με τα άτομα του πυριτίου αλλά θα περισσεύει ένα ηλεκτρόνιο. Έτσι δημιουργούνται μόνιμα στον κρύσταλλο ελεύθερα ηλεκτρόνια και ένας αντίστοιχος αριθμός θετικών ιόντων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο κρύσταλλος να είναι ηλεκτρικά ουδέτερος. Οι προσμίξεις αυτού του τύπου λέγονται δότες και ο αντίστοιχος κρύσταλλος ονομάζεται τύπου-n. Στην πλευρά που γίνεται η πρόσμιξη με το τρισθενές στοιχείο, με αναλογία περίπου 1:10 7, τα ηλεκτρόνια σθένους θα σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα άτομα του πυριτίου αλλά από τον τέταρτο δεσμό θα λείπει ένα ηλεκτρόνιο δηλ. θα 11

22 υπάρχει μια οπή. Έτσι, σε πυρίτιο με πρόσμιξη βορίου υπάρχουν πολλές οπές που μπορούν να ειδωθούν ως ελεύθερα θετικά φορτία τα οποία μπορούν να μετακινηθούν μέσω του κρυσταλλικού πλέγματος. Οι προσμίξεις αυτού του τύπου λέγονται δέκτες και ο αντίστοιχος κρύσταλλος τύπου-p. Τελικά στον κρύσταλλο του ημιαγωγού κατασκευάζονται δύο περιοχές, η μία τύπου-n με φορείς πλειονότητας τα ηλεκτρόνια και η άλλη τύπου-p με φορείς πλειονότητας τις οπές. Με την επαφή των δύο περιοχών αρχίζει η διάχυση των φορέων πλειονότητας από την μια πλευρά στην άλλη διαμέσου της ένωσης, δηλ. ηλεκτρόνια από την πλευρά τύπου-n οδηγούνται στην περιοχή τύπου-p και οπές από την πλευρά τύπου-p οδηγούνται στην περιοχή τύπου-n. Η μεταφορά αυτή των φορτίων είναι η αιτία δημιουργίας σταθερών θετικών φορτίων στην πλευρά τύπου-n και αρνητικών φορτίων στην πλευρά τύπου-p. Η διαδικασία αυτή προκαλεί την εμφάνιση ενός ηλεκτρικού πεδίου στην ένωση στων δύο υλικών. Το πεδίο αυτό αντιτίθεται στην παραπέρα διάχυση των φορέων πλειονότητας, η οποία τελικά σταματά. Δηλαδή, το ηλεκτρικό πεδίο αποτελεί το φράγμα δυναμικού το οποίο όπως αναφέραμε προηγουμένως είναι απαραίτητο για τη λειτουργία του ηλιακού κυττάρου. Το εύρος ζώνης του φράγματος δυναμικού είναι της τάξεως του 1μm και η τάση κατά μήκος του είναι περίπου 1V, δηλ. η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι της τάξεως των V/m. Ωστόσο, να αναφέρουμε ότι οι φορείς μειονότητας δεν εμποδίζονται από το φράγμα δυναμικού, αλλά υπάρχει ένας μικρός αριθμός φορέων μειονότητας, όπως ελεύθερα ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου-p, τα οποία από τη στιγμή που θα βρεθούν μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο της επαφής επιταχύνονται από αυτό για να καταλήξουν στην αντίθετη πλευρά δηλ. στο υλικό τύπου-n και αυτή η μετακίνηση φορτίων δημιουργεί ένα ρεύμα γνωστό και ως ρεύμα ολισθήσεως (Σχήμα 2.4). Σχήμα 2.4 Η επίδραση του φράγματος δυναμικού Όταν το κύτταρο δεν φωτίζεται οι φορείς πλειονότητας που αποκτούν τυχαία αρκετή ενέργεια ώστε να διασχίσουν το φράγμα δυναμικού είναι λίγοι και το ρεύμα διάχυσης που συνιστούν αντισταθμίζεται από ίσο και αντίθετο ρεύμα ολίσθησης των φορέων μειονότητας, οπότε δεν υπάρχει ρεύμα στον κρύσταλλο. 12

23 Με την έκθεση του κυττάρου στο φως γίνεται απορρόφηση φωτονίων, που αν έχουν ενέργεια, μεγαλύτερη ή ίση του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού, δημιουργούν ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων. Από τη στιγμή που ένα τέτοιο ζεύγος δημιουργηθεί στην περιοχή τύπου-p, αν το ηλεκτρόνιο του ζεύγους δεν επανασυνδεθεί με μία από τις πολυάριθμες οπές που υπάρχουν στο υλικό τύπου-p, όταν αυτό βρεθεί στο πεδίο επαφής όπως και οι φορείς μειονότητας που εξηγήσαμε προηγουμένως, επιταχύνεται από το φράγμα δυναμικού προς το υλικό τύπου-n, όπου πλέον υπάρχουν ελάχιστες οπές και δεν υπάρχει κίνδυνος επανασύνδεσης καθώς και η πιθανότητα να επιστρέψει στο υλικό τύπου-p είναι ελάχιστη. Από την άλλη η οπή του ζεύγους παραμένει στο υλικό τύπου-p, διότι εμποδίζεται από την ζώνη απώθησης φορέων. Τα αντίστοιχα συμβαίνουν όταν ένα ζεύγος οπής-ηλεκτρονίου δημιουργείται στην πλευρά του υλικού-n. Η παραπάνω διαδικασία του διαχωρισμού των φορτίων που παράγονται σε ένα φωτιζόμενο ηλιακό κύτταρο, δημιουργεί πλεόνασμα αρνητικών φορτίων στο υλικό τύπου-n και θετικών φορτίων στο υλικό τύπου-p. Δηλαδή με αυτόν τρόπο δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων της διάταξης. Αν τώρα συνδέσουμε την πλευρά τύπου-n με την πλευρά τύπου-p του κυττάρου μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος θα είχαμε ροή ρεύματος μέσω του κυκλώματος. Αρνητικά φορτία ρέουν από το ηλεκτρόδιο που βρίσκεται στο υλικό τύπου-n, μέσω του φορτίου στο υλικό τύπου-p και επανασυνδέονται με τις οπές κοντά στο ηλεκτρόδιο (Σχήμα 2.5). Σχήμα 2.5 Παραγωγή ρεύματος στο φωτιζόμενο ηλιακό κύτταρο 2.2 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Όπως έχουμε αναφέρει ένα ηλιακό κύτταρο είναι ένας κρύσταλλός πυριτίου με τύπου-n και τύπου-p προσμίξεις, όπως είναι και η αρχή κατασκευής μιας διόδου. Όταν λοιπόν το ηλιακό κύτταρο δεν φωτίζεται μπορούμε να πούμε ότι είναι ισοδύναμο με μια 13

24 δίοδο και η εξίσωση που περιγράφει την λειτουργία του είναι όμοια με αυτή της διόδου όπως φαίνεται παρακάτω: I=I (e 1) (2.1) όπου Ι : το ρεύμα του κυττάρου V : η τάση του κυττάρου Ι 0 : το ρεύμα κόρου της διόδου που δίνεται από τη σχέση: I =A( + ) (2.2) όπου Α : η διατομή του κυττάρου n i = n= p : η ενδογενής συγκέντρωση ηλεκτρονίων (οπών) σε καθαρό κρύσταλλο πυριτίου L e : μήκος διάχυσης ηλεκτρονίων = τ τ e : διάρκεια ζωής ηλεκτρονίων σαν φορέων μειονότητας = ο χρόνος μεταξύ της δημιουργίας ενός φορέα σε υλικό που αποτελεί φορέα μειονότητας και της επανασύνδεσης με φορέα πλειονότητας. L h : μήκος διάχυσης οπών = τ h : διάρκεια ζωής οπών σαν φορέων μειονότητας Όταν το κύτταρο φωτίζεται έχουμε την εμφάνιση του φωτορεύματος και η εξίσωση που το περιγράφει παίρνει την εξής μορφή : I=I e 1 I (2.3) όπου όλα τα μεγέθη που εμφανίζονται είναι ίδια με αυτά της εξίσωσης (2.2) και επεξηγούνται παραπάνω εκτός από το Ι L που είναι το φωτόρευμα δηλ. το ρεύμα που παράγεται λόγω του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός επί του κυττάρου και δίνεται από τη σχέση: I =qag(l +W+L ) (2.4) όπου W : το εύρος της επαφής G : ρυθμός παραγωγής για το ηλιακό φως Η γραφική παράσταση της (2.1) και (2.3) φαίνονται παρακάτω: 14

25 Σχήμα 2.6 Χαρακτηριστική καμπύλη της διόδου p-n όταν δεν φωτίζεται (διακεκομμένη) και όταν φωτίζεται (κόκκινη, ηλιακό κύτταρο) Παρατηρούμε ότι στην περίπτωση που το ηλιακό κύτταρο φωτίζεται η καμπύλη του είναι η καμπύλη της διόδου μετατοπισμένη προς τα κάτω κατά Ι L. Θα μπορούσαμε να πούμε λοιπόν ότι το ηλιακό κύτταρο είναι ισοδύναμο με μια δίοδο αντιπαράλληλα με μια πηγή ρεύματος εντάσεως Ι L, όμως αυτό δεν θα είναι ακριβές διότι στην πραγματικότητα εμφανίζονται κάποια φαινόμενα που δεν περιλαμβάνονται στην εξίσωση (2.3). Προκειμένου λοιπόν να μπορέσουμε να κατασκευάσουμε το ηλεκτρικό ισοδύναμο ενός ηλιακού κυττάρου δεν θα χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση (2.3) αλλά μια άλλη βελτιωμένη εξίσωση, που έχει προκύψει με πειραματικές παρατηρήσεις και γίνεται χρήση τριών νέων όρων Α, R S, R SH. Επιπλέον, έχει επικρατήσει η αναπαράσταση της χαρακτηριστικής του κυττάρου να γίνεται στο πρώτο τεταρτημόριο και όχι στο τέταρτο. Από τις προηγούμενες παρατηρήσεις έχει προκύψει η παρακάτω εξίσωση για το ηλιακό κύτταρο: Ι=I I exp ( ) 1 (2.5) όπου Ι : το ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου Ι L : το φωτόρευμα Ι 0 : το ρεύμα κόρου της διόδου q : το φορτίο του ηλεκτρονίου V : τάση στην έξοδο του κυττάρου R S : η εν σειρά αντίσταση του κυττάρου. Παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό που βρίσκεται στην πλευρά που προσπίπτει το φως και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού-ωμικής επαφής και την ωμική επαφή. Είναι της τάξεως των 10-3 Ohm. 15

26 V+IR S = V D : τάση της διόδου επαφής μέσα στο κύτταρο Α : σταθερά με τιμές μεταξύ 1 και 2. Οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης που συμβαίνουν στην περιοχή της επαφής και τα οποία κατά την παραγωγή της θεωρητικής εξίσωσης παραλήφθηκαν διότι το εύρος W της περιοχής αυτής θεωρήθηκε αμελητέο. Κ : σταθερά BOLTZMANN (= J/K) T : απόλυτη θερμοκρασία R SH : η παράλληλη αντίσταση του κυττάρου. Οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν είτε στην επαφή p-n (επανασύνδεση), είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου (επιφανειακή διαρροή), είτε σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου οι οποίες δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλη την επιφάνεια του κυττάρου ούτε μεταξύ δύο όμοιων κυττάρων. Η γραφική παράσταση της εξίσωσης (2.5), η οποία είναι η γραφική παράσταση μεταξύ του ρεύματος στην έξοδο (Ι) και της τάσεως στην έξοδο (V) ενός ηλιακού κυττάρου που ονομάζεται Ι-Vχαρακτηριστική του κυττάρου, καθώς και το ηλεκτρικό ισοδύναμο του ηλιακού κυττάρου που προέκυψε από την παραπάνω εξίσωση φαίνονται στα παρακάτω σχήματα 2.7 και 2.8: P max I mp V mp Σχήμα 2.7 Ι-V χαρακτηριστική και ισχύς ηλιακού κυττάρου Ι L Σχήμα 2.8 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ηλιακού κυττάρου 16

27 Τα χαρακτηριστικά σημεία της I-V χαρακτηριστικής τα οποία φαίνονται και στο σχήμα 2.7 είναι τα εξής: Το σημείο μεγίστης ισχύος MPP : το σημείο στο οποίο το κύτταρο παράγει την μέγιστη ισχύ. Στο σημείο αυτό αντιστοιχεί το ρεύμα Ι mp και η τάση V mp και βρίσκεται στο σημείο από το οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε το ορθογώνιο με το μεγαλύτερο εμβαδόν μέσα στην Ι-V χαρακτηριστική. Η ευθεία η οποία διέρχεται από την αρχή των αξόνων και το σημείο μεγίστης ισχύος παριστάνει τη βέλτιστη αντίσταση φορτίου R Lopt, που έχει κλίση 1/ R Lopt = I mp /V mp. Το ρεύμα βραχυκυκλώσεως Ι SC : είναι το ρεύμα για V=0 και αν θεωρήσουμε την R S πολύ μικρή, είναι ίσο με το φωτόρευμα I L. Το ρεύμα βραχυκυκλώσεως είναι 5% - 15% μεγαλύτερο του ρεύματος μεγίστης ισχύος και είναι της τάξεως των 2-3 Α. Η τάση ανοικτού κυκλώματος V OC : είναι η τάση για Ι=0 και αν θεωρήσουμε την R SH πολύ μεγάλη, από την εξίσωση 2.5 προκύπτει: V = ln ( +1) (2.6) Η τάση ανοικτού κυκλώματος είναι της τάξεως των 0,5 V- 0,9 V. 2.3 Επίδραση περιβαλλοντικών συνθηκών Η Ι-V χαρακτηριστική εξαρτάται όχι μόνο από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του ηλιακού κυττάρου αλλά επηρεάζεται έντονα από την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και την θερμοκρασία του κυττάρου. Όπως μπορούμε να δούμε και από την εξίσωση 2.4 το φωτόρευμα είναι ανάλογο της έντασης της ακτινοβολίας, εφόσον διατηρείται σταθερή η θερμοκρασία του κυττάρου και η φασματική κατανομή της ακτινοβολίας. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.9 (αριστερά) η αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας προκαλεί ανάλογη αύξηση στο ρεύμα I SC ενώ η τάση V OC αυξάνεται λιγότερο, έχοντας λογαριθμική εξάρτηση από την ακτινοβολία. Μάλιστα να αναφέρουμε ότι η απόκριση του ηλιακού κυττάρου σε μεταβολές της ακτινοβολίας είναι πολύ γρήγορη (σταθερά χρόνου της τάξεως των μsec). Σχήμα 2.9 Εξάρτηση της Ι-V χαρακτηριστικής από την ένταση της ακτινοβολίας (αριστερά) και από την θερμοκρασία του ηλιακού κυττάρου (δεξιά) 17

28 Παρακάτω στο σχήμα 2.10 μπορούμε να δούμε την εξάρτηση της τάσης ανοικτού κυκλώματος και του ρεύματος βραχυκυκλώσεως από την ένταση της ακτινοβολίας Σχήμα 2.10 V OC και I SC συναρτήσει της ακτινοβολίας Η αύξηση της θερμοκρασίας του ηλιακού κυττάρου προκαλεί γραμμική μείωση της τάσης ανοικτού κυκλώματος V OC όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.9 (δεξιά) ενώ το ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC παρουσιάζει μικρή αύξηση. Η μείωση της τάσης είναι της τάξεως των -0,4% / C ενώ η αύξηση του ρεύματος 0,1% / C. Ακόμα παρατηρούμε ότι με αύξηση της ακτινοβολίας αυξάνεται και η παραγόμενη ισχύς (P mp ) ενώ με αύξηση της θερμοκρασίας του κυττάρου μειώνεται η παραγόμενη ισχύς με ρυθμό -0,5% / C. Από τα παραπάνω μπορούμε να καταλάβουμε ότι προκειμένου να μπορούμε να συγκρίνουμε διαφορετικά κύτταρα ή γενικά να χαρακτηρίσουμε ένα ηλιακό κύτταρο και κατ επέκταση μια φωτοβολταϊκή συστοιχία χρειαζόμαστε ένα σημείο αναφοράς για την ένταση της ακτινοβολίας και τη θερμοκρασία του κυττάρου. Έτσι έχει συμφωνηθεί ένα κύτταρο να χαρακτηρίζεται από την μέγιστη ισχύ που μπορεί να παράγει (ισχύς αιχμής) και μετράται σε Wp (Watt peak), με ακτινοβολία 1000 W/m 2 και θερμοκρασία κυττάρου 25 C ± 2 C. Επειδή όμως σε ακτινοβολία 1000 W/m 2 η θερμοκρασία του κυττάρου ξεπερνά τους 25 C οι κατασκευαστές παρέχουν και έναν άλλο δείκτη τον NOCT (nominal operating cell temperature). Ο δείκτης αυτός προσδιορίζεται για συνθήκες ακτινοβολίας 800 W/m 2, θερμοκρασίας περιβάλλοντος 20 C και ταχύτητα ανέμου 1 m/s. Για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του κυττάρου σε άλλες συνθήκες περιβάλλοντος χρησιμοποιείται η σχέση Τ =T+( )G, όπου Τ η, θερμοκρασία περιβάλλοντος σε C και G η ηλιακή ακτινοβολία σε kw/m 2. 18

29 2.4 Βαθμός απόδοσης Ο βαθμός απόδοσης ενός ηλιακού κυττάρου δίνεται από την παρακάτω σχέση: η= = (2.7) όπου G : η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο ηλιακό κύτταρο Α : η επιφάνεια του ηλιακού κυττάρου Πρακτικά ο βαθμός απόδοσης παίρνει τιμές γύρω στο 12% - 14%, πειραματικά έχουν επιτευχθεί και μεγαλύτερες τιμές 20% με 24%. Μια άλλη ποσότητα που χρησιμοποιείται συχνά και σχετίζεται με την απόδοση των κυττάρων είναι ο συντελεστής πληρώσεως (FF) και ορίζεται ως εξής : FF = (2.8) Ο συντελεστής πληρώσεως εκφράζει το πόσο «τετράγωνη» είναι η Ι-V χαρακτηριστική και παίρνει τιμές γύρω στο 0,7. Από την σχέση (2.8) αντικαθιστώντας στην σχέση (2.7) παίρνουμε την σχέση (2.9) για την βαθμό απόδοσης. η= (2.9) Από την παραπάνω λοιπόν εξίσωση βλέπουμε ότι ο βαθμός απόδοσης εξαρτάται από το ρεύμα βραχυκύκλωσης, την τάση ανοικτού κυκλώματος και το συντελεστή πληρώσεως. Ο συντελεστής πληρώσεως εξαρτάται κυρίως από την τάση ανοικτού κυκλώματος, οπότε καταλήγουμε ο βαθμός απόδοσης να επηρεάζεται κυρίως από το I SC και από το V OC. Η παράμετρος η οποία ουσιαστικά επιβάλλει τις τιμές των I SC και V OC είναι το ενεργειακό χάσμα του κρυστάλλου. Για να δούμε λοιπόν πως θα επιτύχουμε το μέγιστο βαθμό απόδοσης πρέπει να εξετάσουμε πως το ενεργειακό χάσμα επηρεάζει το ρεύμα βραχυκύκλωσης και την τάση ανοικτού κυκλώματος. Όσο το ενεργειακό χάσμα μειώνεται τόσα περισσότερα φωτόνια έχουν την απαραίτητη ενέργεια ώστε τα ηλεκτρόνια να μεταβούν από την ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας επομένως έχουμε και μεγαλύτερο ρεύμα παραγωγής. Άρα μείωση του ενεργειακού χάσματος προκαλεί αύξηση του ρεύματος βραχυκυκλώσεως. Η εύρεση της σχέσης μεταξύ του ενεργειακού χάσματος και της τάσης ανοικτού κυκλώματος είναι μια πολύπλοκη διαδικασία, γι αυτό θα αρκεστούμε εδώ να αναφέρουμε ότι η μείωση του ενεργειακού χάσματος προκαλεί μείωση της V OC. Δηλαδή το ενεργειακό χάσμα επιδρά με αντίστροφο τρόπο στις δύο παραμέτρους που μας ενδιαφέρουν, υπάρχει όμως μια βέλτιστη τιμή του ενεργειακού χάσματος για την οποία ο βαθμός απόδοσης μεγιστοποιείται. Η μέγιστη απόδοση επιτυγχάνεται για τιμές του ενεργειακού χάσματος στην περιοχή eV. 19

30 Μέχρι τώρα εξετάσαμε πως θα επιτύχουμε το μέγιστο βαθμό απόδοσης και πάλι όμως αυτός παίρνει μια τιμή μέχρι το πολύ 25% - 30%. Οι παράγοντες που είναι υπεύθυνοι για την χαμηλή τιμή του βαθμού απόδοσης είναι: Ατελής εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων: Όπως έχουμε ήδη αναφέρει δεν απορροφώνται όλα τα φωτόνια από τον κρύσταλλο, άλλα τον διαπερνούν, άλλα ανακλώνται. Αλλά και από αυτά που απορροφώνται δεν έχουν όλα την απαραίτητη ενέργεια για την παραγωγή οπής-ηλεκτρονίου. Αυτός ο παράγοντας από μόνος του είναι υπεύθυνος για την μείωση του βαθμού απόδοσης στο 44%. Ανάκλαση: ανάκλαση στην επιφάνεια του πυριτίου. Μη επεξεργασμένη επιφάνεια πυριτίου ανακλά το 30% την προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Με κατάλληλη επεξεργασία της επιφάνειας μπορεί να περιοριστεί στο 3%. Σκίαση από τις επαφές: Από την μία θέλουμε τα ηλεκτρόδια να έχουν μικρή επιφάνεια για να αποφεύγουμε την σκίαση του κυττάρου από την άλλη πρέπει να έχουν μεγάλη επιφάνεια διότι η αντίσταση στην επιφανειακή κίνηση των φορέων είναι μεγάλη και θέλουμε να υπάρχουν πολλά σημεία απαγωγής των φορέων. Αυτό έχει αποτέλεσμα το 5% - 15% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας να εκτρέπεται. Επανασύνδεση Αντίσταση: μη ικανοποιητικές τιμές της R S και της R SH έχουν ως αποτέλεσμα μικρό συντελεστή πληρώσεως. Θερμοκρασία: Οι ακραίες θερμοκρασίες τείνουν να μειώσουν σημαντικά το βαθμό απόδοσης. 2.5 Τύποι φωτοβολταϊκών κυττάρων Δύο είναι οι βασικοί τύποι των φωτοβολταϊκών κυττάρων: Κρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό στην κατασκευή ηλιακών κυττάρων είναι το πυρίτιο. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα που κατασκευάζονται από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (μονοκρυσταλλικά κύτταρα) είναι διαθέσιμα στην αγορά σήμερα με βαθμό απόδοσης κοντά στο 16%. Τα εργαστηριακά κύτταρα είναι κοντά στην θεωρητική απόδοση του πυριτίου (29%). Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο είναι πιο εύκολο στην παραγωγή και επομένως φθηνότερο. Χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα αφού η απόδοση του είναι μόνο λίγο μικρότερη από αυτή των μονοκρυσταλλικών κυττάρων. Το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) είναι ένα άλλο μονοκρυσταλλικό υλικό κατάλληλο για την κατασκευή κυττάρων υψηλής απόδοσης. Το κόστος αυτού του υλικού είναι αξιόλογα πιο υψηλό από αυτό του πυριτίου, με αποτέλεσμα να περιορίζεται η χρήση του σε συγκεντρωτικούς συλλέκτες και διαστημικές εφαρμογές. 20

31 Ηλιακά κύτταρα λεπτών επιστρώσεων (thin film) Θέλοντας να μειώσουμε το κόστος της κατασκευής των φωτοβολταϊκών, αναπτύχθηκε η τεχνολογία των λεπτών επιστρώσεων ηλιακών κυττάρων. Η λογική που οδήγησε στην ανάπτυξη τους είναι η χρήση λιγότερου υλικού και γρηγορότερης διαδικασίας παραγωγής. Η μεγάλη έρευνα στα thin film επικεντρώθηκε κυρίως στο άμορφο πυρίτιο (a-si). Το πλεονέκτημα που παρουσιάζει μακροπρόθεσμα το άμορφο πυρίτιο συγκρινόμενο με το κρυσταλλικό πυρίτιο είναι η μικρότερη ανάγκη για ενέργεια παραγωγής που οδηγεί στην απόσβεση κόστους σε μικρότερο χρονικό διάστημα. Το μειονέκτημα αυτών των κυττάρων είναι η σχετικά χαμηλή τους απόδοση, το οποίο έχει αποτρέψει την χρήση τους στην παραγωγή εγκαταστάσεων μεγάλης ισχύος. Άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι το τελλουριούχο κάδμιο (CdTe) και το CIS. Στον παρακάτω πίνακα παρατίθενται οι βαθμοί απόδοσης για διάφορους τύπους ηλιακών κυττάρων. Τύπος ηλιακού κυττάρου Απόδοση (Εργαστήριο) (%) Απόδοση (Εμπόριο) (%) Μονοκρυσταλλικό Πυρίτιο Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο Thin film Κρυσταλλικού Πυριτίου Άμορφο Πυρίτιο CdTe CIS Φωτοβολταϊκές συστοιχίες Ένα ηλιακό κύτταρο μόνο του δεν μπορεί να βρει πολλές εφαρμογές αφού η ισχύς που παράγει υπό κανονικές συνθήκες είναι της τάξης του 1 Watt. Συνδέοντας έναν αριθμό ηλιακών κυττάρων σε σειρά και παράλληλα και συσκευάζοντας τα με ανθεκτικά περιβλήματα σχηματίζουμε το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, το οποίο είναι και η βασική μονάδα των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Ένα τυπικό πλαίσιο περιλαμβάνει 30 με 36 κύτταρα εν σειρά παράγοντας τάση 15-17V με ισχύ εξόδου μέχρι 300 Wp περίπου και καθιερώθηκε από την φόρτιση των 12V μπαταριών. Πολλά πλαίσια μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ώστε να αυξήσουμε την παραγωγή τάσης και παράλληλα για να αυξήσουμε το ρεύμα σχηματίζοντας το panel. Τέλος αν με όμοιο τρόπο συνδεθούν 21

32 πολλά panel θα σχηματίσουν μια φωτοβολταϊκή συστοιχία με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που απαιτεί η κάθε εφαρμογή. Συνδέοντας όμοια ηλιακά κύτταρα σε σειρά είναι σαν να συνδέουμε όμοιες πηγές τάσης σε σειρά ενώ συνδέοντας τα παράλληλα είναι σαν να συνδέουμε όμοιες πηγές ρεύματος παράλληλα. Στο σχήμα 2.11 και 2.12 μπορούμε να δούμε την I-V χαρακτηριστική που προκύπτει σε κάθε περίπτωση. Σχήμα 2.11 I-V χαρακτηριστική τριών κυττάρων εν σειρά συνδεδεμένων 22 Σχήμα 2.12 I-V χαρακτηριστική τριών κυττάρων παράλληλα συνδεδεμένων Τα παραπάνω ισχύουν για κύτταρα και κατ επέκταση για πλαίσια με ίδια χαρακτηριστικά. Όμως αυτό είναι σχεδόν αδύνατο να συμβεί στην πράξη. Είτε για λόγους κατασκευαστικούς είτε λόγω εξωτερικών παραγόντων τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν παρουσιάζουν ίδια χαρακτηριστικά, με αποτέλεσμα να είναι πολύ πιο δύσκολος ο προσδιορισμός της I-V χαρακτηριστικής αλλά και ακόμα χειρότερα να έχουμε περιορισμό της παραγόμενης ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Η σκίαση, το φαινόμενο hot spot, η θραύση είναι κάποιοι από αυτούς τους παράγοντες που επηρεάζουν την λειτουργία της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Η σκίαση ακόμα και μιας μικρής περιοχής ενός πλαισίου μπορεί όχι μόνο να μειώσει δραματικά

33 την παραγόμενη ισχύ του πλαισίου αλλά να οδηγήσει και σε καταστροφή των σκιασμένων κυττάρων (hot spot) με αποτέλεσμα να πρέπει να αντικατασταθεί ολόκληρο το πλαίσιο αφού στο εμπόριο είναι η μικρότερη φωτοβολταϊκή μονάδα που κυκλοφορεί. Όταν ένα κύτταρο σκιαστεί σταματά να παράγει ή παράγει μειωμένο ρεύμα και τάση, ανάλογα με το ποσοστό της επιφάνειας που σκιάστηκε. Όταν διαφορετικά κύτταρα συνδέονται σε σειρά η συνολική τάση είναι το άθροισμα των τάσεων των κυττάρων και το συνολικό ρεύμα είναι ίσο με το ρεύμα του κυττάρου που παράγει το μικρότερο ρεύμα. Αντίστοιχα όταν διαφορετικά κύτταρα συνδέονται παράλληλα το συνολικό ρεύμα είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων αλλά η συνολική τάση είναι ίση με την τάση του κυττάρου που παράγει την μικρότερη τάση. Βλέπουμε λοιπόν ότι η μικρότερη παραγωγή ισχύος του ενός κυττάρου περιορίζει την ισχύ εξόδου και των άλλων κυττάρων. (Αναφερόμαστε σε κύτταρα αλλά τα αντίστοιχα ισχύουν και για πλαίσια και panels). Σχήμα 2.13 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο με φορτίο Για να δούμε πως δημιουργείται το φαινόμενο hot spot ας υποθέσουμε ότι έχουμε αρχικά το παραπάνω πλαίσιο (σχήμα 2.13). Έστω τώρα ότι σκιάζεται το τελευταίο κύτταρο του πλαισίου (σχήμα 2.14) με συνέπεια να γίνεται αυτό ηλεκτρικό φορτίο και να δέχεται ανάστροφη τάση από την τάση των άλλων κυττάρων. Αυτό όχι μόνο σταματά να παράγει ρεύμα αλλά το ρεύμα των άλλων κυττάρων οδηγείται μέσα από το σκιασμένο κύτταρο και καταναλώνεται στις αντιστάσεις R S και R SH με αποτέλεσμα την παραγωγή θερμότητας. Αν το ρεύμα αυτό είναι αρκετά μεγάλο (εξαρτάται από την ώρα και τις καιρικές συνθήκες) μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση του κυττάρου που θα οδηγήσει στην καταστροφή του. 23

34 Σχήμα 2.14 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο με σκιασμένο κύτταρο Για να αποφύγουμε το φαινόμενο hot spot αλλά και την απώλεια ισχύος χρησιμοποιούμε διόδους παράκαμψης (bypass diodes). Οι δίοδοι αυτοί όπως λέει και το όνομα τους προσφέρουν έναν δρόμο-παράκαμψη για το ρεύμα των άλλων κυττάρων και επιπλέον αποτρέπει την ανάπτυξη υψηλών τάσεων στα άκρα των σκιασμένων κυττάρων (σχήμα 2.15). Αν είχαμε την δυνατότητα να τοποθετούμε δίοδο παράκαμψης παράλληλα με κάθε κύτταρο θα ήταν το βέλτιστο αλλά όχι και πρακτικό. Έτσι οι κατασκευαστές συνηθίζουν να τοποθετούν μια δίοδο ανά κύτταρα. Σχήμα 2.15 Σκιασμένο Φωτοβολταϊκό πλαίσιο με δίοδο παράκαμψης 24

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Οικιακά Φωτοβολταϊκά Συστήματα Τα φωτοβολταϊκά συστήματα διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: διασυνδεμένα στο δίκτυο αυτόνομα συστήματα Ενώ στην πρώτη περίπτωση το δίκτυο λειτουργεί ως εφεδρική πηγή ενέργειας και διασφαλίζει την αξιοπιστία του συστήματος, στην περίπτωση των αυτόνομων συστημάτων απαιτείται η χρήση μπαταρίας. Μάλιστα προκειμένου να εξασφαλίσουμε συνεχή παροχή ισχύος, ακόμα και σε ακραίες συνθήκες, εγκαθίσταται και μια εφεδρική γεννήτρια. Η εργασία αυτή αφορά σε οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα διασυνδεμένα στο δίκτυο. Ο όρος οικιακά χρησιμοποιείται κυρίως για να αποδώσει το γεγονός ότι πρόκειται για χαμηλής ισχύος συστήματα (έως 10 kwp). Σε αυτό το κεφάλαιο θα ασχοληθούμε κυρίως με τεχνικά θέματα που έχουν να κάνουν με τις διάφορες μονάδες που αποτελείται το οικιακό φωτοβολταϊκό σύστημα, ζητήματα εγκατάστασης και προστασίας του συστήματος. Η διασύνδεση στο δίκτυο θα εξετασθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Γενικά όμως ότι θα πούμε παρακάτω θα έχει να κάνει κυρίως με το πως πρέπει και πως συνηθίζεται για λόγους οικονομικούς να κατασκευάζονται τα οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν ισχύουν τα αντίστοιχα και για άλλες μεγαλύτερες εφαρμογές, ανάλογα βέβαια με το τι εξετάζεται κάθε φορά. Σχήμα 3.1 Βασική δομή οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένου στο δίκτυο 25