Διπλωματική Εργασία Σου φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Σεχνολογίας Τπολογιστών της Πολυτεχνικής χολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΕΚΣΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΣΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΩΝ ΣΟΜΕΑ: ΣΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΣΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Διπλωματική Εργασία Σου φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Σεχνολογίας Τπολογιστών της Πολυτεχνικής χολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ανδριτσόπουλου Θεόδωρου του Χρήστου Αριθμός Μητρώου: 4101 ΘΕΜΑ Ανάλυση φωτοβολταϊκών παραμέτρων άμορφου πυριτίου Επιβλέπουσα: Περράκη Βασιλική Λέκτορας Πάτρα 2013

2 ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Ανάλυση φωτοβολταϊκών παραμέτρων άμορφου πυριτίου Σου φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Και Σεχνολογίας Τπολογιστών ΑΝΔΡΙΣΟΠΟΤΛΟΤ ΘΕΟΔΩΡΟΤ ΣΟΤ ΧΡΗΣΟΤ ΑΡΙΘΜΟ ΜΗΣΡΩΟΤ: 4101 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Σμήμα Ηλεκτρολόγων μηχανικών και Σεχνολογίας Τπολογιστών στις / /2013 Η Επιβλέπουσα Ο Διευθυντής του Σομέα Β. Περράκη Νικόλαος Υακωτάκης 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Σίτλος: Ανάλυση φωτοβολταϊκών παραμέτρων άμορφου πυριτίου Υοιτητής: Ανδριτσόπουλος Θεόδωρος Επιβλέπουσα: Περράκη βασιλική, Λέκτορας 3

4 Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευτούν ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Πολυτεχνείου του Πανεπιστημίου Πατρών. 4

5 Περίληψη την παρούσα διπλωματική εργασία εστιάσαμε στην ανάλυση των φωτοβολταϊκών παραμέτρων άμορφου πυριτίου (a-si) και συγκεκριμένα στην παρουσίαση και την ανάλυση του πλαισίου Scott Solar ASi-F 32/12. Οι μετρήσεις λάβανε μέρος στο Πανεπιστήμιο Πατρών το έτος Ειδικότερα, οι μετρήσεις που πήραμε ήταν η τάση του φωτοβολταικού πλαισίου άμορφου πυριτίου, το ρεύμα, η ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία περιβάλλοντος και πλαισίου ανά τακτά χρονικά διαστήματα στη διάρκεια μιας μέρας και σε διαφορετικές καιρικές συνθήκες στη διάρκεια του χρόνου. Σο πλαίσιο είχε τοποθετηθεί σε σταθερό στήριγμα σε γωνία 38 ο, ίση δηλαδή με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Από τις μετρήσεις που λάβαμε ήμασταν σε θέση να εξάγουμε συμπεράσματα και γραφικές παραστάσεις για τις φωτοβολταϊκές παραμέτρους του πλαισίου όπως ρεύματος τάσης (I-V), μέγιστης ισχύς και ακτινοβολίας, συντελεστή πλήρωσης ff και συντελεστή απόδοσης με θερμοκρασία. Για να γίνει πιο ολοκληρωμένη και κατανοητή η ανάλυση των φωτοβολταϊκών παραμέτρων αλλά και οι αιτίες για τις οποίες αναπτύχτηκαν οι φωτοβολταϊκές τεχνολογίες, απαιτήθηκε η παρουσίαση και άλλων κεφαλαίων ξεκινώντας από το γενικό και φτάνοντας στο ειδικό. Η διπλωματική αυτή εργασία ξεκινά με τον ορισμό της ενέργειας και παρουσιάζει όλες τις μορφές και τις πηγές της. Γίνεται μια πιο εκτενής αναφορά στις ανανεώσιμές πηγές ενέργειας, ποιες είναι και τι πλεονεκτήματα έχουν. τη συνέχεια παρουσιάζονται υλικά και δομές αυτών τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ηλεκτρομαγνητικών διατάξεων. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται τύποι ημιαγωγών οι οποίοι αποτελούν το θεμέλιο λίθο της μικροηλεκτρονικής και της νανοηλεκτονικής και εφαρμογές αυτών των ημιαγωγών. 5

6 Προχωρώντας στο επόμενο κεφάλαιο μπαίνουμε ακόμα πιο ειδικά στις εφαρμογές των υλικών - πάντα με γνώμονα την ενεργειακή τους ιδιότητα και παρουσιάζουμε το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, τη δομή του και τα είδη των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Σο κεφάλαιο αυτό ολοκληρώνεται με την παρουσίαση και τον ορισμό των ηλεκτρικών και φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών των στοιχείων. Σέλος, γίνεται η παρουσίαση των μετρήσεων στο πλαισίου αμόρφου πυριτίου, η ανάλυση των φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών του, η σύγκριση μέσω προσομοίωσης σε μέσες καιρικές συνθήκες 20αετίας και το πρακτικό αποτέλεσμα όλων των μετρήσεων που είναι η παραχθείσα ενέργεια από το πλαίσιο στο διάστημα της μελέτης μας. 6

7 Ευχαριστίες Για να εκπονηθεί αυτή η διπλωματική εργασία, απαιτήθηκε η αμέριστη συμπαράσταση από την καθηγήτρια και επιβλέπουσα κυρία Βασιλική Περράκη, όπου χωρίς την βοήθειά της, τις συμβουλές της, την καθοδήγησή της, τις διορθώσεις της και την επιμονή της θα ήταν αδύνατον να έρθει εις πέρας όλο αυτό το έργο και για αυτό την ευχαριστώ εγκάρδια. Επίσης βασική ήταν και η συμβολή του Σμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Σεχνολογίας Τπολογιστών για τις γνώσεις που μου προσέφερε και την δυνατότητα να αρθρώνω λόγο και να εκτελώ πράξεις. Σέλος ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου για την υπομονή και επιμονή τους, στα αδέλφια μου για την αγάπη και συμπαράστασή τους και στους φίλους μου για ψυχολογική υποστήριξή τους. 7

8 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 ο Ενέργεια Ενεργειακές Ανάγκες Ιστορική Αναδρομή Πηγές Ενέργειας Μη Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Παγκόσµια ιαθέσιµες ΑΠΕ Υυσικό αέριο Αιολική Ενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Βιομάζα Βιώσιμη Ανάπτυξη Οι 10 πιο Ενεργειακά Αυτόνοµες Φώρες Ηλιακή Ενέργεια Ηλεκτρικό ρεύμα από τον ήλιο Κεφάλαιο 2 ο Σεχνολογία Τλικών Σα πρώτα υλικά Σαξινόμηση των υλικών Κρυσταλλική δομή Ημικρυσταλλική δομή Άμορφη δομή Ημιαγωγοί Ημιαγωγοί - Δομή Ενεργειακές ζώνες στοσς κρσστάλλοσς Ροή ηλεκτρονίων οπών Ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά Σύποι ημιαγωγών Πυρίτιο (Silicon) Γερμάνιο (Germanium) Πυρίτιο - Si Γερμάνιο - Ge Ενδογενείς ημιαγωγοί Εξωγενείς Ημιαγωγοί (Extrinsic semiconductors) Ημιαγωγοί τύπου - n Ημιαγωγοί τύπου - p Ηλεκτρονικές Εφαρμογές Δίοδος Δίοδος επαφής p n Δίοδος Zener Δίοδος SCHOTTKY Δίοδος ήραγγας ή Δίοδος Esaki Δίοδοι που εκπέμπουν ή ανιχνεύουν φως

9 Transistors - Κρυσταλλολυχνίες Διπολικά τρανζίστορ (Dipolar Junction Transistor-BJT) Σρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field-Effect Transistors) JFET (junction field effect transistor) MOSFET (metal oxide semi-conductor FET) Κεφάλαιο 3 ο Ηλιακά Υωτοβολταϊκά τοιχεία και Υωτοβολταϊκή Μετατροπή Ιστορικά Γεγονότα Υωτοβολταϊκό Πλαίσιο Δομή φωτοβολταϊκού πλαισίου Δομή Υωτοβολταϊκών τοιχείων Είδη Υωτοβολταϊκών τοιχείων Σύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου μεγάλου πάχους Υωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (SingleCrystalline Silicon, sc-si) Υωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (PolyCrystalline Silicon, sc-si) Υωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Υωτοβολταϊκά υλικά λεπτών υμενίων - Thin Film Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CuInSe2 ή CIS ή με προσθήκη γάλλιου CIGS) Υωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin Silm Silicon, a-si) Σελουριούχο κάδμιο (CdTe) Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Πολυστρωματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία Υωτοβολταϊκό Υαινόμενο Η απορρόφηση της ακτινοβολίας στα φωτοβολταϊκά στοιχεία Υωτόρευμα Σα Ηλεκτρικά Φαρακτηριστικά των Υωτοβολταϊκών υντελεστής Πλήρωσης Αποδοτική Λειτουργία των Υωτοβολταϊκών τοιχείων σε ταθερές υνθήκες Αποδοτική Λειτουργία των Υωτοβολταϊκών τοιχείων σε Μεταβαλλόμενες υνθήκες Κεφάλαιο 4 ο Πειραματική Διάταξη Όργανα και υνδεσμολογία Διαδικασία Μετρήσεων Μετρήσεις Φειμερινές μετρήσεις Φεβρουάριος Ανοιξιάτικες μετρήσεις Μάρτιος Απρίλιος Μάιος

10 4.2.3 Καλοκαιρινές μετρήσεις Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Υθινοπωρινές μετρήσεις Σεπτέμβριος ύγκριση & χολιασμός Μετρήσεων Παραγωγή ενέργειας Συντελεστής ποιότητας Συντελεστής ενέργειας προς επιφάνεια Προσομοίωση & ύγκριση Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Κεφάλαιο 5 ο Βιβλιογραθικές Πηγές Παράρηημα Πίνακας εικόνων ΔΗΚΟΝΑ 1: Ζ ΠΑΓΚΟΜΗΑ ΠΑΡΑΓΧΓΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΖΜΔΡΑ ΚΑΗ ΣΟ 2020 ΤΜΦΧΝΑ ΜΔ ΣΟ ΔΝΑΡΗΟ ΣΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑΚΖ ΔΠΑΝΑΣΑΖ.[2] 22 ΔΗΚΟΝΑ 2: ΥΖΜΑΣΗΚΖ ΑΠΔΗΚΟΝΗΖ ΣΧΝ ΔΝΔΡΓΔΗΑΚΧΝ ΑΠΟΘΔΜΑΣΧΝ ΣΧΝ ΟΡΤΚΣΧΝ ΚΑΤΗΜΧΝ ΚΑΗ ΣΧΝ ΥΡΖΗΜΟΠΟΗΟΤΜΔΝΧΝ ΠΟΧΝ ΑΝΑΝΔΧΗΜΧΝ ΠΖΓΧΝ ΔΝΔΡΓΔΗΑ.[3] 23 ΕΙΚΟΝΑ 3: ΠΑΓΚΟΜΙΑ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΔΗΚΟΝΑ 4: ΥΡΖΖ ΣΧΝ ΑΠΔ ΣΖΝ ΔΤΡΧΠΖ.[2] 28 ΔΗΚΟΝΑ 5: ΜΔΣΑΣΡΟΠΖ ΣΖ ΖΛΗΑΚΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ Δ ΖΛΔΚΣΡΗΚΖ.[2] 40 ΔΗΚΟΝΑ 6: ΑΤΣΟΝΟΜΟ Φ/Β ΤΣΖΜΑ.[2] 41 ΔΗΚΟΝΑ 7: Φ/Β ΤΣΖΜΑ ΤΝΓΔΓΔΜΔΝΟ ΜΔ ΣΖ Γ.Δ.Ζ.[2] 41 10

11 ΔΗΚΟΝΑ 8: (Α) 8 ΖΛΔΚΣΡΟΝΗΑ ΘΔΝΟΤ. (Β) ΟΜΟΗΟΠΟΛΗΚΟΗ ΓΔΜΟΗ. (Γ) ΓΗΑΓΡΑΜΜΑ ΣΧΝ ΓΔΜΧΝ ΔΝΟ ΚΡΤΣΑΛΛΟΤ [3]. 49 ΔΗΚΟΝΑ 9: ΓΤΝΑΜΗΚΟ ΛΟΓΧ ΣΟΤ ΠΤΡΖΝΑ ΚΑΗ ΟΗ ΔΝΔΡΓΔΗΑΚΔ ΕΧΝΔ ΓΗΑ ΣΟΝ ΠΤΡΖΝΑ ΣΟΤ ΜΑΓΝΖΗΟΤ. ΦΑΗΝΔΣΑΗ ΠΧ ΣΟ ΜΑΓΝΖΗΟ Ζ ΕΧΝΖ ΘΔΝΟΤ ΚΑΗ Ζ ΕΧΝΖ ΑΓΧΓΗΜΟΣΖΣΑ ΑΛΛΖΛΟΔΠΗΚΑΛΤΠΣΟΝΣΑΗ ΚΑΗ ΤΝΔΠΧ ΣΟ ΜΑΓΝΖΗΟ ΔΗΝΑΗ ΑΓΧΓΟ [3]. 50 ΔΗΚΟΝΑ 10: Ζ ΘΔΡΜΗΚΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΠΡΟΚΑΛΔΗ ΣΖ ΓΖΜΗΟΤΡΓΗΑ ΔΝΟ ΕΔΤΓΟΤ ΟΠΖ ΔΛΔΤΘΔΡΟΤ [3]. 51 ΔΗΚΟΝΑ 11: ΓΤΟ ΓΡΟΜΟΗ ΓΗΑ ΣΖ ΡΟΖ ΣΟΤ ΡΔΤΜΑΣΟ. (Α) ΣΑ ΔΛΔΤΘΔΡΑ ΖΛΔΚΣΡΟΝΗΑ ΚΑΗ ΣΑ 52 ΔΗΚΟΝΑ 12: ΓΟΜΖ ΖΜΗΑΓΧΓΟΤ ΣΤΠΟΤ P [21] 55 ΔΗΚΟΝΑ 13: ΓΟΜΖ ΖΜΗΑΓΧΓΟΤ ΣΤΠΟΤ N. [21] 55 ΔΗΚΟΝΑ 14: ΓΟΜΖ ΣΟΤ ΠΤΡΗΣΗΟΤ (SI) [12] 56 ΔΗΚΟΝΑ 15: ΓΟΜΖ ΓΔΡΜΑΝΗΟΤ (GE) [12] 57 ΔΗΚΟΝΑ 16: ΔΝΔΡΓΔΗΑΚΟ ΓΗΑΓΡΑΜΜΑ ΖΜΗΑΓΧΓΟΤ [20] 59 ΔΗΚΟΝΑ 17: ΡΟΖ ΖΛΔΚΣΡΗΚΟΤ ΡΔΤΜΑΣΟ Δ ΔΝΓΟΓΔΝΖ ΖΜΗΑΓΧΓΟ ΜΔ ΜΔΣΑΚΗΝΖΖ ΖΛΔΚΣΡΟΝΗΧΝ ΚΑΗ 60 ΔΗΚΟΝΑ 18: ΓΟΜΖ ΣΟΤ ΦΧΦΟΡΟΤ (P) [12] 61 ΔΗΚΟΝΑ 19: ΔΗΒΟΛΖ ΦΧΦΟΡΟΤ Δ ΚΡΤΣΑΛΛΟ ΠΤΡΗΣΗΟΤ. [12] 62 ΔΗΚΟΝΑ 20: ΔΗΒΟΛΖ ΒΑΡΗΟΤ Δ ΚΡΤΣΑΛΛΟ ΠΤΡΗΣΗΟΤ [12] 63 ΔΗΚΟΝΑ 21: ΑΓΧΓΗΜΟΣΖΣΑ Δ ΠΤΡΗΣΗΟ ΣΤΠΟΤ Ν. A) ΟΗ ΦΟΡΔΗ ΔΗΝΑΗ ΣΑ E- ΠΟΤ ΚΗΝΟΤΝΣΑΗ ΠΡΟ ΣΟ 64 ΔΗΚΟΝΑ 22: ΔΠΑΦΖ PN [14] 66 ΔΗΚΟΝΑ 23: ΚΤΚΛΧΜΑΣΗΚΟ ΤΜΒΟΛΟ ΣΖ ΓΗΟΓΟΤ, ΠΡΑΓΜΑΣΗΚΖ ΓΗΟΓΟ. [12] 67 ΔΗΚΟΝΑ 24: ΚΤΚΛΧΜΑΣΗΚΟ ΤΜΒΟΛΟ ΣΖ ΓΗΟΓΟΤ ZENER. [12] 68 ΔΗΚΟΝΑ 25: ΚΤΚΛΧΜΑΣΗΚΟ ΤΜΒΟΛΟ ΣΖ ΓΗΟΓΟΤ SCHOTTKY [12]. 69 ΔΗΚΟΝΑ 26: ΓΗΟΓΟ ΖΡΑΓΓΑ (Α) Ζ ΚΑΣΑΡΡΔΤΖ ΔΜΦΑΝΗΕΔΣΑΗ ΣΑ 0V (Β) ΥΖΜΑΣΗΚΟ 70 ΔΗΚΟΝΑ 27: (A) ΓΗΟΓΟ ΦΧΣΟΔΚΠΟΜΠΖ LED ΚΑΗ (B) ΦΧΣΟΓΗΟΓΟ 70 ΔΗΚΟΝΑ 28: ΓΗΑΦΟΡΑ ΔΗΓΖ ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ [12] 72 ΔΗΚΟΝΑ 29: ΟΛΟΚΛΖΡΧΜΔΝΑ ΚΤΚΛΧΜΑΣΑ [12] 72 ΔΗΚΟΝΑ 30: ΓΟΜΖ ΚΑΣΑΚΔΤΖ ΔΝΟ ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ NPN ΜΔ ΣΖΝ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΑ ΓΗΑΥΤΔΧ. ΓΗΑ ΣΖΝ ΚΑΝΟΝΗΚΖ ΛΔΗΣΟΤΡΓΗΑ ΣΟΤ, ΣΟ ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ ΠΡΔΠΔΗ ΝΑ ΠΟΛΧΘΔΗ ΚΑΣΑΛΛΖΛΑ ΜΔ ΔΞΧΣΔΡΗΚΔ ΠΖΓΔ ΣΑΖ. Ζ ΔΠΑΦΖ ΒΑΖ-ΤΛΛΔΚΣΖ ΠΡΔΠΔΗ ΝΑ ΔΗΝΑΗ ΑΝΑΣΡΟΦΑ ΠΟΛΧΜΔΝΖ, ΔΝΧ Ζ ΔΠΑΦΖ ΒΑΖ ΔΚΠΟΜΠΟΤ ΠΡΔΠΔΗ ΝΑ ΠΟΛΧΘΔΗ ΟΡΘΑ. Δ ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ ΣΤΠΟΤ NPN ΣΟ ΡΔΤΜΑ ΟΦΔΗΛΔΣΑΗ ΚΤΡΗΧ Δ ΚΗΝΖΖ ΖΛΔΚΣΡΟΝΗΧΝ ΔΝΧ Δ ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ ΣΤΠΟΤ PNP ΟΦΔΗΛΔΣΑΗ ΚΤΡΗΧ ΣΗ ΟΠΔ. [14] 73 ΔΗΚΟΝΑ 31: (A) ΥΖΜΑΣΗΚΑ ΟΗ ΣΡΔΗ ΠΔΡΗΟΥΔ ΣΟΤ ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ NPN ΚΑΗ ΣΟ ΑΝΣΗΣΟΗΥΟ ΚΤΚΛΧΜΑΣΗΚΟ ΤΜΒΟΛΟ (B) ΥΖΜΑΣΗΚΑ ΟΗ ΣΡΔΗ ΠΔΡΗΟΥΔ ΣΟΤ ΣΡΑΝΕΗΣΟΡ PNP ΚΑΗ ΣΟ ΑΝΣΗΣΟΗΥΟ ΚΤΚΛΧΜΑΣΗΚΟ ΤΜΒΟΛΟ. [14] 74 ΔΗΚΟΝΑ 32: ΥΖΜΑΣΗΚΑ ΟΗ ΣΡΔΗ ΠΔΡΗΟΥΔ ΣΟΤ JFET ΚΑΝΑΛΗΟΤ N (ΑΠΛΖ ΠΤΛΖ). [15] 75 ΔΗΚΟΝΑ 33: ΓΟΜΖ MOSFET ΜΔ ΚΑΝΑΛΗ ΣΤΠΟΤ-Ν ΚΑΗ ΣΟ ΚΤΚΛΧΜΑΣΗΚΟ ΣΟΤ ΤΜΒΟΛΟ. (Α) MOSFET ΔΚΚΔΝΧΖ (ΑΡΑΗΧΖ) ΚΑΗ (Β) MOSFET ΔΝΗΥΤΖ (ΠΤΚΝΧΖ). [15] 76 ΔΗΚΟΝΑ 34: ΓΟΜΖ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟΤ ΠΛΑΗΗΟΤ [35] 80 ΔΗΚΟΝΑ 35: ΓΟΜΖ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟΤ ΣΟΗΥΔΗΟΤ [35] 82 ΔΗΚΟΝΑ 36: ΠΛΑΓΗΑ ΟΦΖ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟΤ ΣΟΗΥΔΗΟΤ ΟΠΟΤ (1) ΓΗΑΥΧΡΗΜΟ ΦΟΡΣΗΟΤ (2) ΔΠΑΝΑΤΝΓΔΖ (3) ΑΥΡΖΗΜΟΠΟΗΖΣΖ ΦΧΣΔΗΝΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ (4) ΑΓΧΓΗΜΑ ΔΛΑΜΑΣΑ [1] 83 ΔΗΚΟΝΑ 37: ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ ΜΟΝΟΚΡΤΣΑΛΛΗΚΟΤ ΠΤΡΗΣΗΗΟΤ 85 ΔΗΚΟΝΑ 38: ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ ΠΟΛΤΚΡΤΣΑΛΛΗΚΟΤ ΠΤΡΗΣΗΟΤ 86 ΔΗΚΟΝΑ 39: ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ ΣΑΗΝΗΑ ΠΤΡΗΣΗΟΤ 86 ΔΗΚΟΝΑ 40: ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ CIS 87 ΔΗΚΟΝΑ 41: ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ CIS 88 ΔΗΚΟΝΑ 42: ΓΟΜΖ ΣΤΠΗΚΟΤ Φ/Β ΣΟΗΥΔΗΟΤ ΑΜΟΡΦΟΤ ΠΤΡΗΣΗΟΤ 91 11

12 ΔΗΚΟΝΑ 43: ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ CDTE 92 ΔΗΚΟΝΑ 44: ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ ΑΡΔΝΗΚΟΤ ΓΑΛΛΗΟΤ 92 ΔΗΚΟΝΑ 45: ΠΟΛΤΣΡΧΜΑΣΗΚΑ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ ΣΟΗΥΔΗΑ 94 ΔΗΚΟΝΑ 46: ΤΓΚΡΗΣΗΚΟ ΠΗΝΑΚΑ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΧΝ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΧΝ 94 ΔΗΚΟΝΑ 47: ΑΠΔΗΚΟΝΗΖ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟΤ ΦΑΗΝΟΜΔΝΟΤ Δ ΖΛΗΑΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ 96 ΔΙΚΟΝΑ 48: ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΔΝΟ ΙΟΓΤΝΑΜΟ ΗΛΔΚΣΡΙΚΟ ΚΤΚΛΩΜΑ ΔΝΟ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟΤ ΣΟΙΥΔΙΟΤ 102 ΔΗΚΟΝΑ 49: ΥΑΡΑΚΣΖΡΗΣΗΚΖ ΚΑΜΠΤΛΖ I-V ΔΝΟ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟΤ ΣΟΗΥΔΗΟΤ 104 ΔΗΚΟΝΑ 50: ΓΡΑΦΖΜΑ ΔΝΣΑΖ, ΗΥΤΟ ΣΑΖ ΔΝΟ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟΤ ΣΟΗΥΔΗΟΤ 107 ΔΗΚΟΝΑ 51: ΣΤΠΗΚΖ ΚΑΜΠΤΛΖ ΑΠΟΓΟΖ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΟΤ ΣΟΗΥΔΗΟΤ ΑΜΟΡΦΟΤ ΠΤΡΗΣΗΟΤ Δ ΤΝΑΡΣΖΖ ΜΔ ΣΖ ΘΔΡΜΟΚΡΑΗΑ ΣΟΤ. Ζ ΑΠΟΓΟΖ ΣΟΤ ΣΟΗΥΔΗΟΤ ΓΗΝΔΣΑΗ Δ ΥΔΖ ΜΔ ΣΖΝ ΑΠΟΓΟΖ ΣΟΤ ΣΖ ΤΜΒΑΣΗΚΖ ΘΔΡΜΟΚΡΑΗΑ ΣΧΝ 20ΟC. Ζ ΚΛΗΜΑΚΑ ΣΖ ΘΔΡΜΟΚΡΑΗΑ ΣΟΝ ΟΡΗΕΟΝΣΗΟ ΑΞΟΝΑ ΔΗΝΑΗ Λ 108 ΔΗΚΟΝΑ 52: ΓΗΑΓΡΑΜΜΑ ΑΝΟΗΥΣΟΚΤΚΛΧΜΔΝΖ ΣΑΖ, ΒΡΑΥΤΚΤΚΛΧΜΔΝΖ ΔΝΣΑΖ Χ ΠΡΟ ΣΖΝ ΠΤΚΝΟΣΖΣΑ ΣΖ ΑΚΣΗΝΟΒΟΛΗΑ 109 ΔΗΚΟΝΑ 53: ΚΑΜΠΤΛΔ ΔΝΣΑΖ ΣΑΖ 110 ΕΙΜΡΟΑ 54: ΗΝΕΜΣΡΡΝΡΓΙΜΡ ΧΕΔΙΡ ΠΕΙΡΑΞΑΣΙΜΗ ΔΙΑΣΑΠΗ 113 ΕΙΜΡΟΑ 55: PVPM 2540C 114 ΕΙΜΡΟΑ 56: ΠΝΑΙΙΡ ΑΞΡΡΦΡΤ ΠΤΡΙΣΙΡΤ 114 ΕΙΜΡΟΑ 57: ΗΞΕΙΑ ΝΕΙΣΡΤΡΓΙΑ (Ν) ΜΑΙ ΗΞΕΙΑ ΞΕΓΙΣΗ ΙΧΤΡ(MP) Ε ΦΩΣΡΒΡΝΣΑΛΜΡ ΣΡΙΧΕΙΡ ΠΤΡΙΣΙΡΤ ΓΙΑ ΔΙΑΦΡΡΕΣΙΜΕ ΤΟΘΗΜΕ ΑΜΣΙΟΡΒΡΝΙΑ 149 ΕΙΜΡΟΑ 58: ΧΑΡΑΜΣΗΡΙΣΙΜΗ ΜΑΞΠΤΝΗ ΣΑΗ - ΕΟΣΑΗ ΕΟΡ ΦΩΣΡΒΡΝΣΑΛΜΡΤ ΣΡΙΧΕΙΡΤ [34] 150 Πίνακας διαγραμμάτων ΓΗΑΓΡΑΜΜΑ 1: ΑΝΑΛΟΓΗΑ ΜΔΣΑΞΤ ΣΧΝ ΤΜΒΑΣΗΚΧΝ ΠΖΓΧΝ ΔΝΔΡΓΔΗΑ.[2] ΓΗΑΓΡΑΜΜΑ 2: ΓΤΝΑΜΗΚΟΣΖΣΔ ΑΝΑΝΔΧΗΜΧΝ ΠΖΓΧΝ ΔΝΔΡΓΔΗΑ.[2] ΓΗΑΓΡΑΜΜΑ 3: ΔΚΠΟΜΠΔ CO2 ΑΝΑ ΠΔΡΗΟΥΖ ΚΑΗ ΓΗΑ ΣΑ ΔΣΖ 2005 ΚΑΗ 2020.[2] ΓΗΑΓΡΑΜΜΑ 4: ΔΚΠΟΜΠΔ CO2 ΑΝΑ ΔΗΓΟ ΚΑΤΗΜΟΤ.[2] ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 5: ΜΕΣΑΒΟΛΗ ΣΗ ΙΧΤΟ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΦΕΒΡΟΤΑΡΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 6: ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΗ I-V ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΦΕΒΡΟΤΑΡΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 7: FF ΜΑΙ ΙΧΤ ΣΗ ΔΙΑΡΜΕΙΑ ΞΙΑ ΞΕΡΑ (ΞΕΣΡΗΕΙ ΦΕΒΡΡΤΑΡΙΡΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 8: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΛΑΙΙΟΤ ΓΙΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΜΕΣΡΗΕΙ ΦΕΒΡΡΤΑΡΙΡ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 9: ΜΕΣΑΒΟΛΗ ΣΗ ΙΧΤΟ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΜΑΡΣΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 10: ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΗ I-V ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΜΑΡΣΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 11: FF ΜΑΙ ΙΧΤ ΣΗ ΔΙΑΡΜΕΙΑ ΞΙΑ ΞΕΡΑ (ΞΕΣΡΗΕΙ ΞΑΡΣΙΡΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 12: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΛΑΙΙΟΤ ΓΙΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΜΕΣΡΗΕΙ ΞΑΡΣΙΡΤ)) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 13: ΜΕΣΑΒΟΛΗ ΣΗ ΙΧΤΟ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΑΠΡΙΛΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 14: ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΗ I-V ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝΑΠΡΙΛΙΟΤ)

13 ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 15: FF ΜΑΙ ΙΧΤ ΣΗ ΔΙΑΡΜΕΙΑ ΞΙΑ ΞΕΡΑ (ΞΕΣΡΗΕΙ ΑΠΡΙΝΙΡΤ)) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 16: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΛΑΙΙΟΤ ΓΙΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΜΕΣΡΗΕΙ ΑΠΡΙΝΙΡ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 17: ΜΕΣΑΒΟΛΗ ΣΗ ΙΧΤΟ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΜΑΪΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 18: ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΗ I-V ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΜΑΪΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 19: FF ΜΑΙ ΙΧΤ ΣΗ ΔΙΑΡΜΕΙΑ ΞΙΑ ΞΕΡΑ (ΞΕΣΡΗΕΙ ΞΑΛΡΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 20: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΛΑΙΙΟΤ ΓΙΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΜΕΣΡΗΕΙ ΞΑΙΡ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 21: ΜΕΣΑΒΟΛΗ ΣΗ ΙΧΤΟ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΙΟΤΝΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 22: ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΗ I-V ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΙΟΤΝΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 23: FF ΜΑΙ ΙΧΤ ΣΗ ΔΙΑΡΜΕΙΑ ΞΙΑ ΞΕΡΑ (ΞΕΣΡΗΕΙ ΙΡΤΟΙΡΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 24: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΛΑΙΙΟΤ ΓΙΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΜΕΣΡΗΕΙ ΙΡΤΟΙΡΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 25: ΜΕΣΑΒΟΛΗ ΣΗ ΙΧΤΟ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΙΟΤΛΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 26: ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΗ I-V ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΙΟΤΛΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 27: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΛΑΙΙΟΤ ΓΙΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΜΕΣΡΗΕΙ ΙΟΤΛΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 28: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΝΑΙΙΡΤ ΓΙΑ ΣΡ ΞΗΟΑ ΙΡΤΝΙΡ ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 29: ΜΕΣΑΒΟΛΗ ΣΗ ΙΧΤΟ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΑΤΓΟΤΣΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 30: ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΗ I-V ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΑΤΓΟΤΣΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 31: FF ΜΑΙ ΙΧΤ ΣΗ ΔΙΑΡΜΕΙΑ ΞΙΑ ΞΕΡΑ (ΞΕΣΡΗΕΙ ΑΤΓΡΤΣΡΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 32: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΛΑΙΙΟΤ ΓΙΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΜΕΣΡΗΕΙ ΑΤΓΡΤΣΡ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 33: ΜΕΣΑΒΟΛΗ ΣΗ ΙΧΤΟ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΕΠΣΕΜΒΡΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 34: ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΗ I-V ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΗΜΕΡΩΝ ΕΠΣΕΜΒΡΙΟΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 35: FF ΜΑΙ ΙΧΤ ΣΗ ΔΙΑΡΜΕΙΑ ΞΙΑ ΞΕΡΑ (ΞΕΣΡΗΕΙ ΕΠΣΕΞΒΡΙΡΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 36: ΑΠΟΔΟΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΙΑ ΠΛΑΙΙΟΤ ΓΙΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑ ΗΜΕΡΑ (ΜΕΣΡΗΕΙ ΕΠΣΕΞΒΡΙΡΤ) ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 37: ΑΠΟΔΟΗ ΜΑΙ ΙΧΤ ΓΙΑ ΗΝΙΑΜΗ ΑΜΣΙΟΡΒΡΝΙΑ 300W/M 2 ΑΠΡ ΦΕΒΡΡΤΑΡΙΡ ΞΕΧΡΙ ΕΠΣΕΞΒΡΙΡ. 152 ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 38: ΑΠΡΔΡΗ ΜΑΙ ΙΧΤ ΓΙΑ ΗΝΙΑΜΗ ΑΜΣΙΟΡΒΡΝΙΑ 500W/M 2 ΑΠΡ ΦΕΒΡΡΤΑΡΙΡ ΞΕΧΡΙ ΕΠΣΕΞΒΡΙΡ. 153 ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 39: ΑΠΡΔΡΗ ΜΑΙ ΙΧΤ ΓΙΑ ΗΝΙΑΜΗ ΑΜΣΙΟΡΒΡΝΙΑ 800W/M 2 ΑΠΡ ΦΕΒΡΡΤΑΡΙΡ ΞΕΧΡΙ ΕΠΣΕΞΒΡΙΡ. 154 ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 40: ΞΕΗ ΞΗΟΙΑΙΑ ΙΧΤ ΑΠΡ ΣΡ ΠΡΩΙ ΕΩ ΣΡ ΒΡΑΔΤ ΓΙΑ ΡΝΡΤ ΣΡΤ ΞΗΟΕ ΠΑΡΑΣΗΡΗΗ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 41: ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΣΑ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΣΟΤ ΧΡΟΝΟΤ ΓΙΑ ΠΛΑΙΙΟ ΑΜΟΡΦΟΤ ΠΤΡΙΣΙΟΤ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 42: ΤΝΣΕΛΕΣΗ ΤΓΚΡΙΗ ΠΟΙΟΣΗΣΑ ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΣΟΤ ΧΡΟΝΟΤ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 43: ΑΠΟΔΟΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΝΑ M 2 ΣΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΣΟΤ ΧΡΟΝΟΤ ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 44: ΙΧΤ ΦΕΒΡΡΤΑΡΙΡΤ ΠΡΡΡΞΡΙΩΗ ΜΑΙ ΠΕΙΡΑΞΑΣΡ ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 45: ΙΧΤΕΙ ΞΑΡΣΙΡΤ ΠΡΡΡΞΡΙΩΗ ΜΑΙ ΠΕΙΡΑΞΑΣΡ ΔΙΑΓΡΑΞΞΑ 46: ΙΧΤ ΑΠΡΙΝΙΡΤ ΠΡΡΡΞΡΙΩΗ ΜΑΙ ΠΕΙΡΑΞΑΣΡ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 47: ΙΧΤ ΜΑΪΟΤ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΣΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 48: ΙΧΤ ΙΟΤΝΙΟΤ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΣΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 49: ΙΧΤ ΙΟΤΛΙΟΤ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΣΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 50: ΙΧΤ ΑΤΓΟΤΣΟΤ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΣΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 51: ΙΧΤ ΕΠΣΕΜΒΡΙΟΤ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΣΟ

14 Πίνακας πινάκων ΠΗΝΑΚΑ 1: ΠΑΡΑΓΧΓΖ ΣΧΝ ΑΝΑΝΔΧΗΜΧΝ ΠΖΓΧΝ ΔΝΔΡΓΔΗΑ.[55] ΠΙΟΑΜΑ 2: ΧΑΡΑΜΣΗΡΙΣΙΜΑ ΦΒ ΠΝΑΙΙΡΤ A-SI ΠΙΝΑΚΑ 3: ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΡΗΕΩΝ ΓΙΑ ΣΟ ΜΗΝΑ ΦΕΒΡΟΤΑΡΙΟ ΠΙΝΑΚΑ 4: ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΡΗΕΩΝ ΓΙΑ ΣΟ ΜΗΝΑ ΜΑΡΣΙΟ ΠΙΝΑΚΑ 5: ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΡΗΕΩΝ ΓΙΑ ΣΟ ΜΗΝΑ ΑΠΡΙΛΙΟ ΠΙΝΑΚΑ 6: ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΡΗΕΩΝ ΓΙΑ ΣΟ ΜΗΝΑ ΜΑΙΟ ΠΙΝΑΚΑ 7: ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΡΗΕΩΝ ΓΙΑ ΣΟ ΜΗΝΑ ΙΟΤΝΙΟ ΠΙΝΑΚΑ 8: ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΡΗΕΩΝ ΓΙΑ ΣΟ ΜΗΝΑ ΙΟΤΛΙΟ ΠΙΝΑΚΑ 9: ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΡΗΕΩΝ ΓΙΑ ΣΟ ΜΗΝΑ ΑΤΓΟΤΣΟ ΠΙΝΑΚΑ 10: ΑΝΑΛΤΗ ΜΕΣΡΗΕΩΝ ΓΙΑ ΣΟ ΜΗΝΑ ΕΠΣΕΜΒΡΙΟ

15 Ενέργεια Κεφάλαιο 1 ο

16 Ενέργεια 1.1 Ενεργειακές Ανάγκες Μέχρι το 19 ο αιώνα ο άνθρωπος κάλυπτε τις ενεργειακές του ανάγκες με τη χρήση αποκλειστικά ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως η αιολική (ανεμόμυλοι), υδραυλική ενέργεια (νερόμυλοι) κ.τ.λ. Με τη βιομηχανική επανάσταση όμως τα ορυκτά καύσιμα ( γαιάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) έγιναν οι πρωτεύουσες πηγές ενέργειας για την ανθρώπινη κοινωνία και οικονομία. Πλέον οι ενεργειακές ανάγκες δεν καλύπτονται από πόρους, που υπάρχουν ελεύθερα διαθέσιμοι σε κάθε χώρα αλλά από πόρους που υπήρχαν σε μια μειοψηφία χωρών ενώ οι υπόλοιπες έπρεπε να κάνουν εισαγωγή. ε μερικές μόνο περιπτώσεις οι μεγάλοι παραγωγοί ήταν και μεγάλοι καταναλωτές ενέργειας. Αυτή η νέα πραγματικότητα εντάχθηκε στους γεωπολιτικούς σχεδιασμούς μεγάλων και μικρότερων δυνάμεων που μέχρι τότε διαγκωνίζονταν για εύφορες πεδιάδες, εμπορικούς δρόμους και πολύτιμες πρώτες ύλες. Έτσι χώρες που παλιότερα είχαν ελάχιστη σημασία στη διπλωματική σκακιέρα έγιναν πρωτεύοντες στόχοι διεθνούς ενδιαφέροντος [1]. Καθώς η εκβιομηχάνιση διαδόθηκε ακόμη περισσότερο οι ενεργειακές ανάγκες πολλαπλασιάστηκαν και ενέκυψαν νέα θέματα. Ένα από αυτά αφορά στην εξάντληση των αποθεμάτων ορυκτού πλούτου, γεγονός που καθιστά άμεση την ανάγκη για υποκατάσταση τους με εναλλακτικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πριν εξαντληθούν. Τπάρχουν και άλλοι παράγοντες που πιέζουν προς αυτή την κατεύθυνση, την εκμετάλλευση δηλαδή των ανανεώσιμων και καθαρών πηγών ενέργειας. Ένας παράγοντας αφορά στις επιπτώσεις που έχει, αποδεδειγμένα πια στο περιβάλλον η χρήση των ορυκτών καυσίμων. Άλλος παράγοντας αφορά τις έντονες διακυμάνσεις στις τιμές των ορυκτών καυσίμων και στην ανάγκη μείωσης της οικονομικής και πολιτικής εξάρτησης των χωρών/καταναλωτών από τις προμηθεύτριες χώρες. Η μείωση της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα αποτελεί πλέον παγκόσμιο στόχο, για όλους τους παραπάνω λόγους. Πολλές χώρες έχουν υιοθετήσει ως 16

17 Ενέργεια στρατηγική επιλογή για τη λύση του ενεργειακού τους ζητήματος την πυρηνική ενέργεια, ωστόσο για πολλές άλλες δεν αποτελεί λύση λόγω του μεγάλου κόστους και των περιβαλλοντικών ανησυχιών που υπάρχουν. Άλλες χώρες επενδύουν στην ανάπτυξη, την διάδοση και την εφαρμογή νέων τεχνολογιών που θα αξιοποιήσουν στο μέγιστο βαθμό τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ( ηλιακή, αιολική, υδραυλική). Ωστόσο το ενεργειακό ζήτημα δεν τελειώνει εκεί, έχει άμεση σχέση με τα καταναλωτικά πρότυπα και γενικότερα με τον τρόπο ζωής μας. Επειδή το ενεργειακό ζήτημα είναι κάτι που μας αφορά όλους είναι απαραίτητη η αλλαγή της συμπεριφοράς και της στάσης μας απέναντι στο περιβάλλον. Αυτό όμως δεν επιτυγχάνεται με μια απλή ενημέρωση, αλλά οφείλει να γίνει η ευαισθητοποίηση και η συνειδητή συμπεριφορά των πολιτών βίωμα. Ζωή και ενέργεια είναι δυο έννοιες άρρηκτα δεμένες. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί για να επιζήσουν απαιτούν ενέργεια, αλλά και οι φυσικές όπως και οι ανθρωπογενείς διαδικασίες απαιτούν ενέργεια. Οτιδήποτε κινείται ή προκαλεί κίνηση διαθέτει ενέργεια, ο ήλιος ακτινοβολεί την ενέργειά του, όταν καίμε ξύλα στο τζάκι απελευθερώνεται ενέργεια που τη νιώθουμε σαν ζέστη, οι πυλώνες της ΔΕΗ μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια, ακόμη στους πυρηνικούς αντιδραστήρες η πυρηνική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Δεν μπορούμε πάντοτε να την παρατηρήσουμε, αλλά αισθανόμαστε πάντα την επίδρασή της σε εμάς και γενικότερα στον κόσμο μας. Η ενέργεια λοιπόν υπάρχει παντού, μας περιβάλλει, αλλά εμφανίζεται και μέσα στους οργανισμούς μας. Ενέργεια: εν + έργο, δηλαδή έργο μέσα σε κάποιο σώμα. Σο έργο σχετίζεται με την αλλαγή, την κίνηση ή τη στήριξη και ισοδυναμεί με την ενέργεια που δόθηκε στο αντικείμενο. Η ύλη, όταν προσλάβει ενέργεια, μπορεί να αποκτήσει διαφορετική οργάνωση στη δομή της (από στερεή να γίνει υγρή ή αέρια), ακόμη και να αλλάξει τη δομή της π.χ. με χημική αντίδραση. Η ενέργεια είναι φυσική ποσότητα που μπορεί να μετρηθεί και καθορίζει ποιες αλλαγές, γεγονότα ή φυσικά φαινόμενα είναι δυνατόν να συμβούν. Δεν 17

18 Ενέργεια καθορίζει όμως αν θα συμβούν, μια που αυτό εξαρτάται από τις εκάστοτε συνθήκες. Για παράδειγμα, η απαραίτητη συνθήκη για να θερμανθεί το περιβάλλον από ένα θερμό σώμα (που έχει αποθηκευμένη ενέργεια) είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος να είναι χαμηλότερη από αυτή του θερμού σώματος Η έννοια της ενέργειας χρησιμοποιείται και ευρύτερα, όταν αναφερόμαστε σε κοινωνικές, πολιτικές, πολιτιστικές, αισθητικές δραστηριότητες. Η ενέργεια περικλείεται ή εμπεριέχεται, αποθηκεύεται, εκπέμπεται, μεταβιβάζεται, απορροφάται, μετατρέπεται, διατηρείται, υποβαθμίζεται, ρέει. 1.2 Ιστορική Αναδρομή Ο άνθρωπος "τροφοσυλλέκτης" των προϊστορικών χρόνων στηριζόταν αποκλειστικά στη μυϊκή του ενέργεια (δύναμη) για να βρίσκει την τροφή του και να φτιάχνει τα καταφύγιά του. Με την πάροδο των ετών χρησιμοποίησε πιο αποδοτικά τη μυϊκή του ενέργεια φτιάχνοντας τα πρώτα απλά εργαλεία από ξύλο, πέτρα, κόκαλα. Αξιοποίησε επίσης τη μυϊκή ενέργεια των ζώων είτε για τη μεταφορά επιβατών και αντικειμένων είτε για όργωμα και άντληση νερού σε συνδυασμό με εργαλεία (π.χ. αλέτρι) και απλές μηχανές. Οι σημαντικότεροι σταθμοί στην ιστορία του ανθρώπου υπήρξαν αναμφισβήτητα η ανακάλυψη και χρήση της φωτιάς και η επινόηση του τροχού. Από τη λίθινη ακόμη εποχή γνωρίζουμε ότι οι κάτοικοι των σπηλαίων χρησιμοποίησαν την ενέργεια της φωτιάς αρχικά για το φωτισμό, τη θέρμανση και τη μαγειρική και με το πέρασμα των χιλιετιών για τη μεταλλουργία και την υαλουργία. Σα πρώτα καύσιμα ήταν τα ξερά χόρτα, το 18

19 Ενέργεια ξύλο, η κοπριά και στη συνέχεια το φυτικό και ζωικό λίπος (ανανεώσιμες πηγές ενέργειας). Αργότερα, ανακάλυψε τη δύναμη του ανέμου - αιολική ενέργεια - την οποία χρησιμοποίησε σαν "μηχανική ενέργεια" για την ύδρευση και άρδευση, άλεση δημητριακών, θαλάσσιες μεταφορές. Ήδη από το 3500 π.φ. ο άνθρωπος χρησιμοποίησε την ενέργεια του ανέμου στα ιστιοφόρα πλοία, ενώ οι πρώτοι ανεμόμυλοι εμφανίστηκαν στην Περσία περίπου το 3000 π.φ και την τη Γαλλία συγκεκριμένα, το 1180 π.φ. Με την ανακάλυψη του τροχού του νερού περίπου το 200 π.φ., αξιοποιείται η ενέργεια του νερού που έρρεε ή έπεφτε, για την άλεση των σπόρων - υδραυλική ενέργεια - και σήμερα έχει εξελιχθεί στον σύγχρονο υδροστρόβιλο για την παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος. Οι πρώτες προσπάθειες κατασκευής και χρήσης πιο πολύπλοκων μηχανών, που απαλλάσσουν τον άνθρωπο από επίπονες εργασίες και αξιοποιούν τις πιο πάνω πηγές ενέργειας, εμφανίζονται περί το 300 π.φ.. Ο Αρχιμήδης αναφέρεται ανάμεσα στους πρώτους εφευρέτες, καθώς το 212 π.φ. με τα κοίλα κάτοπτρα που κατασκευάζει, εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια και κατακαίει τα ρωμαϊκά πλοία κατά την πολιορκία των υρακουσών. Ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς, το 130 π.φ. κατασκευάζει την πρώτη θερμική μηχανή που αποτελείται από μια περιστρεφόμενη σφαίρα με δύο ακροφύσια και εκμεταλλεύεται τη δύναμη του ατμού. Κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα ( μ.φ.) και της Αναγέννησης ( μ.φ.) εμφανίζονται μερικές από τις σπουδαιότερες εφευρέσεις, όπως το υγρό ή ελληνικό πυρ (7ος αιώνας- Καλλίνικος), η πυξίδα (1180), το τηλεσκόπιο (Γαλιλαίος), το ρολόι εκκρεμές (1673-Κρίστιαν Φόιχενς), ενώ διατυπώνονται οι βασικοί νόμοι της Υυσικής (νόμος βαρύτητας, παγκόσμιας έλξης, νόμοι διατήρησης της ενέργειας κ.λπ.). Οι πρώτες χρήσιμες ατμομηχανές εμφανίζονται με τη χρήση των καύσιμων απολιθωμάτων, οπότε ξεκινά η βιομηχανική επανάσταση ( μ.φ.) [3]. Η πρώτη μηχανή εσωτερικής καύσης κατασκευάζεται το 1860 από το Γάλλο εφευρέτη Ζαν-Ζοζέφ-Ετιέν Λενουάρ και τελειοποιείται το 1876 από το 19

20 Ενέργεια Γερμανό μηχανικό Νικολάους Όττο, ο οποίος κατασκευάζει την τετράχρονη μηχανή. Σο πρώτο εύχρηστο αυτοκίνητο, με τρεις τροχούς και ανώτατη ταχύτητα 15 χιλιόμετρα την ώρα, κατασκευάζεται το 1885 από το Γερμανό μηχανικό Καρλ Μπεντς. Σο 1901 γενικεύεται η πετρελαιοκινούμενη μεταφορά, ενώ στα τέλη του 19ου αιώνα ανακαλύπτεται ο ηλεκτρισμός που μεταμορφώνει τη ζωή και την εργασία του ανθρώπου και δημιουργεί μια παγκόσμια βιομηχανία με τεράστια οικονομικά μεγέθη. τον εικοστό αιώνα κατασκευάζονται σε μερικές χώρες βιομηχανίες που στηρίζονται στην εντατική χρήση πετρελαίου και ηλεκτρισμού και δίνουν τεράστια ώθηση στην οικονομική ανάπτυξη. Σαυτόχρονα όμως δημιουργούνται νέες ανάγκες που απαιτούν κατανάλωση ενέργειας, ενώ συσσωρεύονται πολλά προβλήματα στο περιβάλλον, ιδιαίτερα με τη χρήση της πυρηνικής ενέργειας από τη δεκαετία του 1970 και μετά. 1.3 Πηγές Ενέργειας Οι " αποθήκες " ενέργειας ονομάζονται "Πηγές Ενέργειας" και διακρίνονται σε αυτογενείς (πυρήνες ατόμων, ήλιος, γαιάνθρακες ή πετρέλαιο) και τεχνητές (ταμιευτήρες, ηλεκτρικοί συσσωρευτές). Επίσης διακρίνονται σε πρωτογενείς πηγές που περιλαμβάνουν τη δυναμική ενέργεια των πυρήνων και δευτερογενείς που είναι όλες οι άλλες μορφές / πηγές ενέργειας [1], [4]. Όσον αφορά όμως στα αποθέματα ενέργειας (ενεργειακό δυναμικό), οι πηγές ενέργειας διακρίνονται σε συμβατικές ή μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας 20

21 Ενέργεια και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι αυτογενείς ή πρωταρχικές πηγές ενέργειας είναι αποθηκευμένες ή υπάρχουν στη φύση. Ο ήλιος είναι η πρωταρχική και η βασική πηγή ενέργειας της γης. Η ενέργειά του είναι αποθηκευμένη και σε άλλες πρωταρχικές πηγές, όπως στο κάρβουνο, στο πετρέλαιο, στο φυσικό αέριο στη βιομάζα και προκαλεί τον υδρολογικό κύκλο και την ενέργεια του ανέμου. Άλλες πρωταρχικές πηγές ενέργειας που υπάρχουν στη γη είναι η πυρηνική ενέργεια των ραδιενεργών στοιχείων, η θερμική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο εσωτερικό της γης και βέβαια η δυναμική ενέργεια. Για να είναι χρήσιμη μια πηγή ενέργειας είναι αναγκαίες ορισμένες προϋποθέσεις: Η ενέργεια αυτή να είναι άφθονη και η πρόσβαση στην ενεργειακή πηγή εύκολη. Να μετατρέπεται χωρίς δυσκολία σε μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα σύγχρονα μηχανήματα. Να μεταφέρεται εύκολα. Να αποθηκεύεται εύκολα Μη Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Αποκαλούνται έτσι γιατί δεν είναι δυνατό να ανανεώσουν σε εύλογο, για τον άνθρωπο, χρονικό διάστημα την αποθηκευμένη τους ενέργεια. Η διαδικασία σχηματισμού τους διήρκεσε εκατομμύρια χρόνια. Οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνουν [1], [5]: 21

22 Ενέργεια Σα στερεά καύσιμα των γαιανθράκων, όπως λιγνίτη, ανθρακίτη, τύρφη Σα υγρά καύσιμα που παίρνουμε με κατεργασία, όπως μαζούτ, πετρέλαιο, βενζίνη, κηροζίνη Σα αέρια καύσιμα όπως το φυσικό αέριο, υγραέριο Σην πυρηνική ενέργεια που παίρνουμε από τη σχάση ραδιενεργών υλικών. Οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι αυτές που χρησιμοποιούνται κυρίως τα τελευταία χρόνια και που έχουν οδηγήσει σε ενεργειακές κρίσεις, αλλά και στη δημιουργία σειράς προβλημάτων, με αποτέλεσμα την επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Όπως φαίνεται και στον εικόνα 1, οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας συμμετέχουν στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών κατά 82 % με στόχο το 2020 αυτό το ποσοστό να ελαττωθεί στο 68%. Δηθόλα 1: Ζ παγθόζκηα παξαγσγή ελέξγεηαο ζήκεξα θαη ην 2020 ζύκθσλα κε ην ζελάξην ηεο Δλεξγεηαθήο Δπαλάζηαζεο.[2] Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ως ανανεώσιμες χαρακτηρίζονται οι πηγές που θα συνεχίζουν να μας παρέχουν ενέργεια σε βάθος χρόνου γιατί συνεχώς ανανεώνονται [1], [4], [5]. 22

23 Ενέργεια Είναι οι πηγές ενέργειας που τροφοδοτούνται συνεχώς με ενέργεια από τον ήλιο, όπως: ο ίδιος ο ήλιος (ηλιακή ενέργεια), ο άνεμος (αιολική ενέργεια), οι υδατοπτώσεις (υδροηλεκτρική ενέργεια), η ενέργεια των κυμάτων, ρευμάτων, ωκεανών η ενέργεια βιομάζας θ γεωκερμικι ενζργεια τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ανήκει και η γεωθερμική ενέργεια, που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και σχετίζεται με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες της κάθε περιοχής. Δηθόλα 2: ρεκαηηθή απεηθόληζε ησλ ελεξγεηαθώλ απνζεκάησλ ησλ νξπθηώλ θαπζίκσλ θαη ησλ ρξεζηκνπνηνύκελσλ πνζώλ αλαλεώζηκσλ πεγώλ ελέξγεηαο.[3] 23

24 Ενέργεια Η χρήση των ανανεώσιμων ή εναλλακτικών πηγών ενέργειας είναι ακόμη πολύ περιορισμένη σε παγκόσμια κλίμακα, εξυπηρετεί όμως το στόχο της προστασίας του περιβάλλοντος, γιατί είναι " καθαρές " και φιλικές προς το περιβάλλον. Σα παρακάτω ιστογράμματα (διάγραμμα 1) παριστάνουν την σχετική αναλογία μεταξύ των συμβατικών πηγών ενέργειας που καλύπτουν τις παγκόσμιες ανάγκες. Παρουσιάζεται επίσης το χρονικό διάστημα που προβλέπεται να είναι διαθέσιμες. Γηάγξακκα 1: Αλαινγία κεηαμύ ησλ ζπκβαηηθώλ πεγώλ ελέξγεηαο.[2] Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Σα κύρια πλεονεκτήµατα των ΑΠΕ, είναι τα εξής [1], [6]: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συµβάλλουν στη µείωση της εξάρτησης από συµβατικούς ενεργειακούς πόρους. Απαντούν στο ενεργειακό πρόβληµα για τη σταθεροποίηση των εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα και των υπόλοιπων αερίων του θερµοκηπίου. 24

25 Ενέργεια Τποκαθιστώντας τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας από συμβατικές πηγές, οδηγούν σε ελάττωση εκπομπών από άλλους ρυπαντές π.χ. οξείδια θείου και αζώτου που προκαλούν την όξινη βροχή. Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασµού σε εθνικό επίπεδο. Είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήµατος, δίνοντας τη δυνατότητα κάλυψης ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας έτσι τα συστήµατα υποδοµής και µειώνοντας τις απώλειες από τη µεταφ ορά ενέργειας. Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσµα των ενεργειακών αναγκών χρηστών (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερµότητα χαµηλών θερµοκρασιών, αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή) Έχουν συνήθως χαµηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυµάνσεις της διεθνούς οικονοµίας και ειδικότερα των τιµών των συµβατικών καυσίµων. Οι επενδύσεις των ΑΠΕ δηµιουργούν σηµαντικό αριθµό νέων θέσε ων εργασίας, ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο. Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για αναζωογόνηση οικονοµικά και κοινωνικά υποβαθµισµένων περιοχώ ν και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, µε την προώθηση ανάλογων επενδύσεων (π.χ. καλλιέργειες θερµοκηπίου µε τη χρήση γεωθερµικής ενέργειας). Η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας όπως η ηλιακή, αιολική, γεωθερµική και ενέργεια βιοµάζας έχουν τη µικρότερη επίδραση στο περιβάλλον. Αυτές οι "φιλικές προς το περιβάλλον" πηγές ενέργειας δίνουν στον καταναλωτή ένα εναλλακτικό τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αυτόν µε τη χρήση άνθρακα, 25

26 Ενέργεια πυρηνικής ενέργειας, φυσικού αερίου, πετρελαίου και µεγάλων υδροηλεκτρικών µονάδων. ήµερα οι µονάδες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος που λειτουργούν µε άνθρακα παράγουν το µεγαλύτερο ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσµο. Όµως αυτή η φτηνή µέθοδος προκαλεί τη µεγαλύτερη καταστροφή στο περιβάλλον µε την εκποµπή τοξικών αερίων. Αυτά τα τοξικά αέρια, διοξείδιο του θείου και οξείδια του αζώτου, σε συνδυασµό µε το νερό της βροχής δηµιουργούν την όξινη βροχή και συµβάλλουν στη αύξηση της θερµοκρασίας του πλανήτη. το διάγραμμα 2 παριστάνονται οι εγκατεστηµένες δυναµικότητες ανανεώσιµων πηγών ενέργειας (εκτός µεγάλων υδροηλεκτρικών έργων) το 2006 στις 6 πρώτες χώρες, στην Ε.Ε. και παγκοσµίως. Ουσιαστικά η αιολική ενέργεια κυριαρχεί ενώ και τα µικρά υδροηλεκτρικά έργα έχουν µεγάλη δυναµική κυρίως όµως στην Κίνα. Γηάγξακκα 2: Γπλακηθόηεηεο αλαλεώζηκσλ πεγώλ ελέξγεηαο.[2] 26

27 Ενέργεια Παγκόσµια ιαθέσιµες ΑΠΕ τον πίνακα 1 φαίνεται η παγκόσμια παραγωγή ενέργειας. των ΑΠΕ ενώ στην εικόνα 3 απεικονίζεται η κατανομή της ηλεκτικής ενέργειας που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια για το διάστημα 1996 με Σεχνολογία Παραγωγι Ενζργειασ ςτο τζλοσ του 2010 (ςε GW) Αιολικι Ενζργεια ςτθν ξθρά 198 Βιομάηα 62 Ηλιακι Ενζργεια 41,1 Γεωκερμία 11 Τδροθλεκτρικι 1010 Κφματα + Παλίρροια 0,3 Πίλαθαο 1: Παξαγσγή ησλ αλαλεώζηκσλ πεγώλ ελέξγεηαο.[55] Δηθόλα 3: Παγθόζκηα Φσηνβνιηατθή Δλέξγεηα [56] 27

28 Ενέργεια την εικόνα 4 φαίνονται μερικά από σχέδια της Ε.Ε. για την απεξάρτησή της από τα ορυκτά καύσιµα. Ουσιαστικά από πολλούς προτείνεται η εκμετάλλευση της ηλιακής δυναµικής της αχάρας και της Ν.Ευρώπης και της αιολικής ενέργειας της Β. Ευρώπης. Δηθόλα 4: Υξήζε ησλ ΑΠΔ ζηελ Δπξώπε.[2] Υυσικό αέριο ε πολλές υπόγειες κοιλότητες, όπου βρίσκεται πετρέλαιο, συναντάμε συχνά και ένα αέριο ελαφρύτερο από τον αέρα, το λεγόμενο φυσικό αέριο. Κύριο συστατικό του φυσικού αερίου είναι το μεθάνιο. Όπως και το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο όταν καίγεται αποδίδει μεγάλα ποσά ενέργειας (θερμότητα) και σήμερα χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο ως πηγή ενέργειας. Ο άνθρωπος χρησιμοποιεί αυτή την πηγή ενέργειας για να θερμάνει το χώρο που κατοικεί και εργάζεται, για να ζεστάνει το νερό που καταναλώνει και για να μαγειρέψει. Σο φυσικό αέριο χρησιμοποιείται επίσης ως καύσιμο στη βιομηχανία, στις μεταφορές, αλλά και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [1], [3]. 28

29 Ενέργεια Σο φυσικό αέριο άλλοτε μεταφέρεται με ειδικά δεξαμενόπλοια σε υγροποιημένη μορφή και άλλοτε μέσω αγωγών, που διατρέχουν χώρες και χώρες, από τους τόπους άντλησής του έως τους τόπους κατανάλωσής του. Ένας τέτοιος αγωγός, που ολοκληρώθηκε το 1996, μεταφέρει και στη χώρα μας φυσικό αέριο από τη Ρωσία. ε σχέση με τα άλλα συμβατικά καύσιμα, το φυσικό αέριο έχει πολλά πλεονεκτήματα: προκαλεί μικρότερη ρύπανση στο περιβάλλον όταν καίγεται, έχει καλή απόδοση, ευκολία στη χρήση του και είναι σχετικά οικονομικό. Η αναμενόμενη διάρκεια εκμετάλλευσης του φυσικού αερίου είναι τουλάχιστον χρόνια. Είναι, λοιπόν, το φυσικό αέριο μια περισσότερο καθαρή και αποδοτική πηγή ενέργειας, σε σχέση με το πετρέλαιο, δεν είναι όμως ούτε αυτό ανεξάντλητο, αλλά ούτε και τελείως καθαρό/ακίνδυνο. Tο φυσικό αέριο συμμετέχει σήμερα στην ηλεκτροπαραγωγή με ένα ποσοστό 23% το οποίο καλύπτει το 74% των συνολικών πωλήσεων της ΔEΠA (2007). Mε βάση τα υφιστάμενα επενδυτικά σχέδια για ηλεκτροπαραγωγή με καύσιμο το φυσικό αέριο, το ποσοστό αυτό θα ανέλθει το 2015 στο 38%. H κάλυψη αυτού του ποσοστού είναι στον αέρα και κανείς δεν μπορεί αυτή τη στιγμή να εγγυηθεί λύσεις, αφού το θέμα συνδέεται πρωτίστως με τη διαθεσιμότητα του αερίου παγκοσμίως και τις δυνατότητες διάθεσης του από τις παραγωγούς χώρες στις καταναλώτριες όπως η Ελλάδα. H ελληνική αγορά βαδίζει για το 2020 με το βάρος των δεσμευτικών στόχων που έχει αναλάβει για 20% διείσδυση των AΠE, 20% εξοικονόμηση ενέργειας και 20% περιορισμό των εκπεμπόμενων ρύπων (διάγραμμα 3). Bάσει των εκτιμήσεων του υμβουλίου Εθνικής Ενεργειακής τρατηγικής, το 2020 ο ζητούμενος σχεδιασμός πηγών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να υποστηρίζει στο διασυνδεδεμένο σύστημα της χώρας μονάδες ηλεκτροπαραγωγής ισχύος MW έναντι MW σήμερα και να παρέχει ετησίως ενέργεια GWhe έναντι GWhe σήμερα. 29

30 Ενέργεια Γηάγξακκα 3: Δθπνκπέο CO2 αλα πεξηνρή θαη γηα ηα έηε 2005 θαη 2020.[2] Αιολική Ενέργεια Αυτή η µορφή καθαρής ενέργειας που δεν µολύνει το περιβάλλον παράγεται µε τη χρήση τουρµπίνων ή ανεµογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρισµού. Οι ΗΠΑ σήµερα έχουν εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρισµού µε ανεµογεννήτριες δυναµικότητας 1600 Mw, οι οποίες παράγουν 3 δισεκατοµµύρια κιλοβατώρες ηλεκτρικού ρεύµατος κάθε χρόνο. Η αιολική ενέργεια τροφοδοτεί µε ηλεκτρικό ρεύµα τους κατοίκους της Καλιφόρνιας µε εκατοµµύρια κιλοβατώρες κάθε χρόνο. Η µεγαλύτερη ανεµογεννήτρια στο Μίτσιγκαν, που αποτελείται από φτερωτές, γρανάζια και µία γεννήτρια εξοικονοµεί 600 τόνους άνθρακα το χρόνο. Η αιολική ενέργεια δηµιουργείται έµµεσα από την ηλιακή ακτινοβολία, γιατί η ανοµοιόµορφη θέρµανση της επιφάνειας της γης προκαλεί τη µετακίνηση µεγάλων µαζών αέρα από τη 30

31 Ενέργεια µια περιοχή στην άλλη, δηµιουργώντας έτσι τους ανέµους. Είναι µια ήπια µορφή ενέργειας, φιλική προς το περιβάλλον, πρακτικά ανεξάντλητη, γι' αυτό και είναι ανανεώσιµη. Αν υπήρχε η δυνατότητα, µε τη σηµερινή τεχνολογία, να καταστεί εκµεταλλεύσιµο το συνολικό αιολικό δυναµικό της γης, εκτιµάται ότι η παραγόµενη σε ένα χρόνο ηλεκτρική ενέργεια θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες της ανθρωπότητας στο ίδιο διάστηµα. Τπολογίζεται ότι στο 25 % της επιφάνειας της γης επικρατούν άνεµοι µέσης ετήσιας ταχύτητας πάνω από 5,1 m/sec, σε ύψος 10 m πάνω από το έδαφος. Όταν οι άνεµοι πνέουν µε ταχύτητα µεγαλύτερη από αυτή την τιµή, τότε το αιολικό δυναµικό του τόπου θεωρείται εκµεταλλεύσιµο και οι απαιτούµενες εγκαταστάσεις µπορούν να καταστούν οικονοµικά βιώσιµες, σύµφωνα µε τα σηµερινά δεδοµένα. Άλλωστε το κόστος κατασκευής των ανεµογεννητριών έχει µειωθεί σηµαντικά και µπορεί να θεωρηθεί ότι η αιολική ενέργεια διανύει την " πρώτη" περίοδο ωριµότητας, καθώς είναι πλέον ανταγωνιστική των συµβατικών µορφών ενέργειας. Η χώρα µας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναµικό και η αιολική ενέργεια µπορεί να γίνει σηµαντικός µοχλός ανάπτυξής της. Από το 1982, οπότε εγκαταστάθηκε από τη ΕΗ το πρώτο αιολικό πάρκο στην Κύθνο, µέχρι και σήµερα έχουν κατασκευασθεί στην Άνδρο, στην Εύβοια, στη Λήµνο, Λέσβο, Φίο, άµο και στην Κρήτη εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεµο συνολικής ισχύος πάνω από 30 Μεγαβάτ. Μεγάλο ενδιαφέρον επίσης δείχνει και ο ιδιωτικός τοµέας για την εκµετάλλευση της αιολικής ενέργειας, ιδιαίτερα στην Κρήτη, όπου το Τπουργείο Ανάπτυξης έχει εκδώσει άδειες εγκατάστασης για νέα αιολικά πάρκα συνολικής ισχύος δεκάδων MW [1], [2] Γεωθερμική Ενέργεια Γεωθερµική ενέργεια ονοµάζεται η θερµική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εµφανίζεται µε τη µορφή θερµού νερού ή ατµού. 31

32 Ενέργεια Η ενέργεια αυτή σχετίζεται µε την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες της κάθε περιοχής. Είναι µια ήπια και σχετικά ανανεώσιµη ενεργειακή πηγή, που µε τα σηµερινά τεχνολογικά δεδοµένα µπορεί να καλύψει σηµαντικές ενεργειακές ανάγκες. Οι γεωθερµικές περιοχές συχνά εντοπίζονται από τον ατµό που βγαίνει από σχισµές του φλοιού της γης ή από την παρουσία θερµών πηγών. Για να υφίσταται διαθέσιµο θερµό νερό ή ατµός σε µια περιοχή, (αν η θερµοκρασία τους είναι πάνω από 25οC, τότε σύµφωνα µε την ελληνική νοµοθεσία ονοµάζονται γεωθερµικά ρευστά) πρέπει να υπάρχει κάποιος υπόγειος ταµιευτήρας αποθήκευσής του κοντά σε ένα θερµικό κέντρο. την περίπτωση αυτή, το νερό του ταµιευτήρα, που συνήθως είναι βρόχινο νερό που έχει διεισδύσει στα βαθύτερα στρώματα της γης, θερµαίνεται και ανεβαίνει προς την επιφάνεια (γεωθερµικό κοίτασµα). Σα γεωθερµικά αυτά ρευστά εµφανίζονται στην επιφάνεια είτε µε τη µορφή θερµού νερού ή ατµού όπως προαναφέρθηκε είτε αντλούνται µε γεώτρηση και αφού χρησιµοποιηθεί η θερµική τους ενέργεια, γίνεται επανέγχυση του ρευστού στο έδαφος µε δεύτερη γεώτρηση. Έτσι ενισχύεται η µακροβιότητα του ταµιευτήρα και αποφεύγεται η θερµική ρύπανση του περιβάλλοντος. Είναι µια ανανεώσιµη µορφή ενέργειας που πηγάζει από το εσωτερικό της γης. Μεταφέρεται στην επιφάνεια µε θερµική επαγωγή και µε την είσοδο στον φλοιό της γης λειωµένου µάγµατος από τα βαθύτερα στρώµατά της. Για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος, ζεστό νερό σε θερµοκρασίες πού κυµαίνονται από 150 ο C µέχρι περισσότερο από 370 ο C µεταφέρεται µε γεωτρήσεις από υπόγειες δεξαµενές σε ειδικές δεξαµενές και µε την απελευθέρωση της πίεσης µετατρέπεται σε ατµό. Ο ατµός διαχωρίζεται από τα ρευστά και τροφοδοτεί τουρµπίνες που κινούν γεννήτριες. Σα γεωθερµικά ρευστά διοχετεύονται σε περιφερειακά τµήµατα της δεξαµενής για να βοηθήσουν να διατηρηθεί η πίεση. Αν η δεξαµενή χρησιµοποιηθεί για άµεση χρήση της θερµότητας τα γεωθερµικά ρευστά τροφοδοτούν έναν εναλλακτήρα θερµότητας πρίν 32

33 Ενέργεια επιστρέψουν στη γη. Σο ζεστό νερό από την έξοδο του εναλλακτήρα χρησιµοποιείται για τη θέρµανση κτηρίων, θερµοκηπίων κ.α Βιομάζα Βιοµάζα είναι το σύνολο της ύλης που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Περιλαµβάνει οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άµεσα ή έµµεσα από το ζωικό ή το φυτικό κόσµο, όπως φυτικές ύλες από φυσικά οικοσυστήµατα (π.χ. δάση) ή από ενεργειακές καλλιέργειες (φυτείες που προορίζονται για παραγωγή ενέργειας), τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της δασικής, αγροτικής (γεωργία και κτηνοτροφία) και αλιευτικής παραγωγής, αλλά και το βιολογικής προέλευσης µέρος των αστικών λυµάτων και σκουπιδιών. Η ενέργεια της βιοµάζας αποτελεί την αποθηκευµένη µορφή της ηλιακής ακτινοβολίας (ενέργειας), η οποία δεσµεύεται αρχικά από τα φυτά µέσω της φωτοσύνθεσης και στη συνέχεια µετατρέπεται σε χηµική ενέργεια που αποταµιεύεται στις νεογέννητες οργανικές ουσίες και µέσα στους ιστούς των φυτών. Με την "καύση" των φυτών και τη σύγχρονη τεχνολογία µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως: α) καύσιµο για παραγωγή ηλεκτρισµού και θερµότητας, β) πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαερίου ή φυσικού αερίου, το οποίο αποτελεί άριστη καύσιµη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρισµού και θερµότητας γ) πρώτη ύλη για παραγωγή αιθανόλης και βιοντήζελ για µηχανές εσωτερικής καύσης. Επιπλέον η καύση της βιοµάζας έχει µηδενικό ισοζύγιο CO2 - δεν συνεισφέρει στο φαινόµενο του θερµοκηπίου - επειδή οι ποσότητες του CO2 που απελευθερώνονται κατά την καύση της έχουν ήδη δεσµευτεί από την ατµόσφαιρα για τη δηµιουργία της βιοµάζας. 33

34 Ενέργεια Βιώσιμη Ανάπτυξη Οι ερµηνευτικές προσεγγίσεις της έννοιας/αρχής της βιώσιµης ανάπτυξης, αλλά και οι πραγµατικές ανάγκες, τις οποίες καλείται να αντιµετωπίσει στο στάδιο της εφαρµογής, διαφοροποιούνται σε σηµαντικό βαθµό. Και στο ζήτηµα της βιώσιµης ενέργειας οι προβληµατισµοί, οι ανάγκες και οι προτεραιότητες των κοινωνιών και οικονοµιών του Βορρά απέχουν πολύ από αυτές του αναπτυσσόµενου κόσµου. Η υφιστάµενη δοµή, αλλά και οι προτεραιότητες της διεθνούς οργάνωσης στο χώρο της ενέργειας δεν διευκολύνουν την (υπερ-εικοσαετή πλέον) αναζήτηση από την πλευρά του ΟΗΕ µιας αναπτυξιακά ισορροπηµένης, κοινωνικά δίκαιης και φιλικής προς το περιβάλλον (µε άλλα λόγια βιώσιµης) ενεργειακής πολιτικής. Κοιτώντας προς την πλευρά του περιβαλλοντικού πυλώνα, η γενικότερη εικόνα είναι σχετικά ενθαρρυντική. Αυτό οφείλεται εν πολλοίς στην ύπαρξη και εξέλιξη της διεθνούς κλιµατικής πολιτικής, η οποία έχει ενσωµατώσει τις περισσότερες πτυχές της προβληµατικής που αφορούν την πράσινη ενέργεια. το πλαίσιο της «κλιµατικής» αυτής προσπάθειας, ο ΟΗΕ έχει καταφέρει να θέσει σε λειτουργία έναν ειδικό διεθνή µηχανισµό ενεργειακής συνεργασίας Βορρά - Νότου Οι 10 πιο Ενεργειακά Αυτόνοµες Φώρες Η Ελλάδα είναι κατά κοινή οµολογία πλούσια χώρα σε δυναµικό ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, το δυναµικό αυτό ωστόσο παραµένει ανεκµετάλλευτο. Αυτό αποδεικνύει η λίστα της ιεθνούς Επιτροπής Ενέργειας (International Energy Agency), για τις πιο αυτόνοµες ενεργειακά χώρες και στην οποία η χώρα µας βρίσκεται στις τελευταίες θέσεις. Η λίστα καταρτίστηκε µετά από εξέταση παραµέτρων, όπως το πόσο ανεξάρτητη είναι µια χώρα από τα ορυκτά καύσιµα, σε συνάρτηση µε 34

35 Ενέργεια το ρυθμό ανάπτυξης του ΑΕΠ, αλλά και το βαθµό εκµετάλλευσης ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. ε αντίθεση µε την Ελλάδα, στην κορυφή της λίστας βρίσκονται χώρες µε προηγµένη τεχνογνωσία στην εκμεττάλευση ανανεώσιµων μορφών ενέργειας, όπως η Ιαπωνία και η ανία, αλλά και χώρες έκπληξη όπως οι παραγωγοί ορυκτών καυσίµων Βρετανία και Γερµανία. Ισραήλ, Αυστρία και Ελβετία, που επίσης βρίσκονται στην πρώτη δεκάδα, µας υπενθυµίζουν ότι ανεξάρτητα από το µέγεθος, µια χώρα µπορεί να εκµεταλλευτεί τα πλεονεκτήµατα που διαθέτεκαι να είναι ενεργειακά αυτόνοµη. Ειδικότερα, σύµφωνα µε την Επιτροπή, η Ιαπωνία βρίσκεται στην πρώτη θέση, κυρίως εξαιτίας του µεγάλου αριθµού υδροηλεκτρικών έργων, αλλά και των πυρηνικών µονάδων, που βοηθούν στις εξαιρετικές επιδόσεις της χώρας στη µείωση των εκποµπών CO2. Η Ιαπωνία εκµεταλλεύεται επίσης τα νησιά και τις βραχονησίδες της. εν αποτελεί έκπληξη, η δεύτερη θέση της ανίας, που θεωρείται από τις πλέον ανεπτυγµένες χώρες στον τοµέα των ΑΠΕ. Οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας καταλαµβάνουν σηµαντικό µερίδιο στο ενεργειακό ισοζύγιο της χώρας. Ήδη από το 1973 η κυβέρνηση της ανίας, επιβάλει δασµούς και φόρους στα ορυκτά καύσιµα, δίνοντας επιπλέον κίνητρα για τις "πράσινες" επενδύσεις. Εκείνο που ίσως δεν είναι ευρέως γνωστό είναι ότι η Ελβετία που βρίσκεται στην τρίτη θέση είναι η πρώτη χώρα στον κόσµο που σχεδίασε αυτόνοµα ενεργειακά κτίρια. Σο 2004 η ενεργειακή αυτονοµία της χώρας αυξήθηκε κατά 24%, καθώς εξελίχθηκε περαιτέρω η τεχνολογία των βιοκλιµατικών κτιρίων (θέρµανση µε βιοµάζα, ηλιακοί συλλέκτες κ.α.) [3]. Σο Φονγκ Κόνγκ που ακολουθεί στην τέταρτη θέση ξοδεύει για την κάλυψη των ενεργειακών του αναγκών (σε ποσοστό ΑΕΠ), επτά φορές λιγότερα χρήµατα απ ό,τι η Κίνα. Παρουσιάζει καλές επιδόσεις στην ανάπτυξη αιολικών πάρκων, ενώ στη χώρα αποφεύγεται ενεργοβόρων βιοµηχανιών. η κατασκευή µεγάλων 35

36 Ενέργεια Η Ιρλανδία βρίσκεται στην πέµπτη θέση, καθώς µε το νέο αναπτυξιακό πρότυπο που υιοθέτησε κατάφερε να προσελκύσει επιχειρήσεις της νέας οικονοµίας, λιγότερο ενεργοβόρες. Πρόκειται για επιχειρήσεις που δραστηριοποιούνται στους τοµείς των ηλεκτρονικών και της φαρµακοβιοµηχανίας, οι οποίες βοήθησαν στη σηµαντική αύξηση του ΑΕΠ, χωρίς ανάλογη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας της χώρας. Η Μεγάλη Βρετανία είναι η µεγαλύτερη παραγωγός πετρελαίου και φυσικού αερίου στην Ευρωπαϊκή Ένωση, ενώ παράλληλα κάνει εισαγωγές ορυκτών καυσίµων για την κάλυψη των αναγκών της. Ωστόσο οι συστηµατικές προσπάθειες για την ανάπτυξη των ΑΠΕ, φέρνουν αποτέλεσµα και η χώρα κατατάσσεται στην έκτη θέση. ύµφωνα µε το πρόγραµµα της βρετανικής κυβέρνησης το 2012, όταν διοργανώθηκαν οι Ολυµπιακοί αγώνες του Λονδίνου, το 25% της κατανάλωσης ενέργειας καλύφτηκε από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. Ακολουθεί το Ισραήλ, το οποίο δε διαθέτει εγχώριους ενεργειακούς πόρους, και ίσως για αυτόν το λόγο έχει καταφέρει να επιτύχει αξιοσηµείωτες επιδόσεις στον τοµέα της εξοικονόµησης ενέργειας αλλά και της εκµετάλλευσης του ήλιου. Οι επενδύσεις στις ΑΠΕ, που ξεκίνησαν στην Ιταλία τα προηγούµενα χρόνια, φέρνουν καρπούς και η γειτονική χώρα, που στο παρελθόν ήταν από τις πλέον ενεργοβόρες, βρίσκεται στην όγδοη θέση της λίστας. Εκτός από τις γνωστές Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας, η Ιταλία πρωτοπορεί και στον τοµέα της κυµατικής ενέργειας µε τα τέσσερα εργοστάσια που εκµεταλλεύονται τα κύµατα της Αδριατικής. Η Γερµανία µαζί µε την Ελλάδα είναι οι µεγαλύτεροι λιγνιτοπαραγωγοί της Ε.Ε. Με τη διαφορά ότι οι Γερµανοί εκτός από άνθρακα έχουν αναπτύξει σε σηµαντικό βαθµό τα αιολικά, αλλά και τα φωτοβολταϊκά, επενδύοντας σηµαντικά κεφάλαια για την ανάπτυξη των ΑΠΕ. Σο γεγονός αναγνωρίζεται από την ΙΕΑ που κατατάσσει τη χώρα στην ένατη θέση της λίστας. Ση δεκάδα των "πράσινων" πρωταθλητών της ενεργειακής 36

37 Ενέργεια αυτονοµίας κλείνει η Αυστρία, που είναι πρωτοπόρος χώρα στην ανάπτυξη υδροηλεκτρικών µονάδων. Η χώρα έχει προχωρήσει στην εκµετάλλευση του συνόλου του υδροδυναµικού της, καλύπτοντας από τα νερά των ποταµών και των λιµνών το 50% των αναγκών της σε ενέργεια. Γηάγξακκα 4: Δθπνκπέο CO2 αλά είδνο θαπζίκνπ.[2] Η χώρα µας αυξάνει την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας κατά 4-5% το χρόνο. Σα επόµενα 10 χρόνια θα χρειαστούν επενδύσεις δις ευρώ για την κάλυψη των ενεργειακών µας αναγκών. Επειδή γίνεται πολύς θόρυβος τελευταία για τις εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα, παρουσιάζεται το διάγραµµα 4 που δείχνει τις εκποµπές CO2 ανά παραγώµενη MWh, από τις διάφορες θερµικές τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. εδοµένο είναι επίσης ότι κάθε χρόνο θα πρέπει να µπαίνουν στο σύστηµα περίπου 1000 MW (εξαιτίας και της απόσυρσης των παλιών και µη αποδοτικών µονάδων). 37

38 Ενέργεια 1.4 Ηλιακή Ενέργεια Ο ήλιος εκπέµπει τεράστια ποσότητα ενέργειας ηµερησίως. Η ηλιακή ακτινοβολία αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισµού µε δύο τρόπους. Θερµικές και φωτοβολταϊκές εφαρµογές. Η πρώτη είναι η συλλογή της ηλιακής ενέργειας για να παραχθεί θερµότητα, κυρίως για τη θέρµανση του νερού και τη µετατροπή του σε ατµό για την κίνηση τουρµπίνων. τη δεύτερη εφαρµογή τα φωτοβολταϊκά συστήµατα µετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρισµό µε τη χρήση φωτοβολταϊκών κυττάρων ή συστοιχιών. Αυτή η τεχνολογία που εµφανίστηκε στις αρχές του 1970 στα διαστηµικά προγράµµατα των ΗΠΑ έχει µειώσει το κόστος παραγωγής ηλεκτρισµού µε αυτόν τον τρόπο από $300 σε $4 το Watt [3]. Σα φωτοβολταϊκά συστήµατα χρησιµοποιούνται κυρίως σε αγροτικές και αποµακρυσµένες περιοχές όπου η σύνδεση µε το δίκτυο είναι πολύ ακριβή. Αν και όλη η γη δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία, η ποσότητά της εξαρτάται κυρίως από τη γεωγραφική θέση, την ηµέρα, την εποχή και τη νεφοκάλυψη. Η έρηµος δέχεται περίπου το διπλάσιο ποσό ηλιακής ενέργειας από άλλες περιοχές. Ο Ήλιος ( εκ του αβέλιος - αέλιος - ηέλιος = ο ακτινοβολών, ο πυρπολών) είναι απλανής αστέρας µέσου µεγέθους και είναι η βασική πηγή ενέργειας του πλανήτη µας. Λόγω των µεγάλων θερµοκρασιών των στοιχείων που τον συνθέτουν, µεταξύ των οποίων και το υδρογόνο, τα µόρια αλλά και τα άτοµά τους βρίσκονται σε µια κατάσταση "νέφους " θετικών και αρνητικών φορτίων ή κατάσταση πλάσµατος, όπως ονοµάστηκε. ' αυτές τις θερµοκρασίες, µερικών εκατοµµυρίων ο C, οι ταχύτατα κινούµενοι πυρήνες υδρογόνου (H) συσσωµατώνονται, υπερνικώντας τις µεταξύ τους απωστικές ηλεκτροµαγνητικές δυνάµεις και δηµιουργούν πυρήνες του στοιχείου ηλίου (Ηe). Η πυρηνική αυτή αντίδραση σύντηξη πυρήνων- είναι εξώθερµη και χαρακτηρίζεται από τη γνωστή µας έκλυση τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας ή θερµότητας ή όπως συνηθίζεται να λέγεται, ηλιακής ενέργειας, που ακτινοβολείται προς όλες τις κατευθύνσεις στο 38

39 Ενέργεια διάστηµα.οι αναλύσεις των ακτίνων του Ήλιου έδειξαν ότι αποτελείται κυρίω ς από υδρογόνο και ήλιο. Αν και η ζωή του είναι 5 δισεκατοµµύρια χρόνια περίπου, ο ήλιος διαθέτει τεράστιες ποσότητες υδρογόνου και δεν αναµένεται να υπάρξει µείωση της ενέργειας που ακτινοβολείται από αυτόν. το µεγαλύτερο τµήµα της χώρα µας η ηλιοφάνεια διαρκεί περισσότερες από 2700 ώρες το χρόνο. τη υτική Μακεδονία και την Ήπειρο εµφανίζει τις µικρότερες τιµές κυµαινόµενη από 2200 ως 2300 ώρες, ενώ στη Ρόδο και τη νότια Κρήτη ξεπερνά τις 3100 ώρες ετησίως Ηλεκτρικό ρεύμα από τον ήλιο Η σύγχρονη τεχνολογία µάς έδωσε τη δυνατότητα εκµετάλλευσης της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας µε τη χρήση των ηλιακών φωτοβολταϊκών συστηµάτων (Υ/Β), που η λειτουργία τους στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο, δηλαδή την άµεση µετατροπή της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύµα (εικόνα 5). Μερικά υλικά, όπως το πυρίτιο µε πρόσµιξη άλλων στοιχείων γίνονται ηµιαγωγοί, έχουν δηλαδή τη δυνατότητα να δηµιουργούν διαφορά δυναµικού όταν φωτίζονται και κατά συνέπεια να παράγουν ηλεκτρικό ρεύµα. υνδέοντας µεταξύ τους πολλά µικρά κοµµάτια τέτοιων υλικών (φωτοβολταϊκά κύτταρα ή στοιχεία), τοποθετώντας τα σε µία επίπεδη επιφάνεια (φωτοβολταϊκό πλαίσιο) και στρέφοντάς τα προς τον ήλιο είναι δυνατό να πάρουµε ηλεκτρικό ρεύµα αρκετό για να καλύψουµε τις ανάγκες για τη λειτουργία: - επιστηµονικών συσκευών (όπως δορυφόρων), -για την κίνηση ελαφρών αυτοκινήτων (ηλιακά αυτοκίνητα), 39

40 Ενέργεια - για τη λειτουργία φάρων - για την κάλυψη έστω και µέρους των ενεργειακών αναγκών µικρών αποµονωµένων κατοικιών, όπως φωτισµός, τηλεπικοινωνίες, ψύξη, ηχητική κάλυψη, (όχι κουζίνες, θερµοσίφωνες, ηλεκτρικά καλοριφέρ). Δηθόλα 5: Μεηαηξνπή ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο ζε ειεθηξηθή.[2] 40

41 Ενέργεια Δηθόλα 6: Απηόλνκν Φ/Β ζύζηεκα.[2] Δηθόλα 7: Φ/Β ζύζηεκα ζπλδεδεκέλν κε ηε Γ.Δ.Ζ.[2] Η µέγιστη απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων (Υ/Β), ανάλογα µε το υλικό κατασκευής τους κυµαίνεται από 7% (ηλιακά στοιχεία άµορφου πυριτίου) έως 12-15% (ηλιακά στοιχεία µονοκρυσταλλικού πυριτίου). (Μαλαµής Β, 1999). Σο σηµαντικό είναι ότι η ενέργεια που παράγεται µε αυτό τον τρόπο, είναι δυνατό να 41

42 Ενέργεια αποθηκευτεί σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές (µπαταρίες). Έτσι έχουµε ενέργεια ανεξάντλητη, ανανεώσιµη, φθηνή και κυρίως "καθαρή". Σα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα από τη χρήση των φωτοβολταϊκών είναι: Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα 1. Μηδενική ρύπανση 1. Τψηλό κόστος κατασκευής 2. Αθόρυβη λειτουργία 2. έλλειψη επιδοτήσεων 3. Αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής 3. προβλήματα στην αποθήκευση 4. Απεξάρτηση από τροφοδοσία καυσίµων της ενέργειας (µπαταρίες) 5. υνατότητα επέκτασης 6. Μηδενικό κόστος παραγωγής πρωτογενης ενέργειας - ελάχιστη συντήρηση Σα Υ/Β παράγουν συνεχές ρεύµα που το µετατρέπουµε σε εναλλασσόµενο 220V στη χώρα µας (ρεύµα ίδιο µε της ΕΗ) µε ηλεκτρονικές (αντιστροφείς συνεχούς - εναλλασσόµενου). συσκευές 42

43 Σεχνολογία Τλικών Κεφάλαιο 2 ο

44 Τεχνολογία Υλικών 2.1 Σα πρώτα υλικά Μεταξύ των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν από τον άνθρωπο ήταν η πέτρα και το ξύλο, αλλά και το οστούν, οι ίνες, τα κελύφη και το δέρμα υπηρέτησαν με τη σειρά τους συγκεκριμένους σκοπούς. Σα υλικά αυτά επικράτησαν για τις κατασκευές εργαλείων, όπλων, οικιακών σκευών, καταφυγίων, αλλά και για την προσωπική έκφραση των ανθρώπων, όπως τη διακόσμηση και την κοσμηματοποιία. Η αυξημένη χρήση και η ανάπτυξη των σύνθετων υλικών ήταν παράλληλη με την ανατέλλουσα πορεία της ανθρωπότητας. Με άλλα λόγια φαίνεται ότι οι προηγμένοι πολιτισμοί εφηύραν και χρησιμοποιούσαν περίπλοκα υλικά. Αυτή η παρατήρηση εξακολουθεί να ισχύει μέχρι και σήμερα. Σα υλικά θεωρούνταν τόσο σημαντικά, ώστε οι ιστορικοί έχουν ονομάσει βασικές αρχαίες περιόδους με βάση τα υλικά των οποίων η χρήση επικρατούσε τη συγκεκριμένη περίοδο. Παραδείγματα είναι, η εποχή της πέτρας, η χαλκολιθική εποχή, η εποχή του χαλκού και η εποχή του σιδήρου. Μέχρι πολύ πρόσφατα η γνώση στα υλικά έχει αποδοθεί βασικά με εμπειρικές ονομασίες ή στην καλλίτερη περίπτωση από μία φόρμα αλχημείας. Μόνο στους δέκατο ένατο ( 19 ο ) και εικοστό ( 20 ο ) αι. η συστηματική έρευνα οδήγησε σε ένα πεδίο που περιέχει πολλές διαφορετικές αρχές για μελέτη, το οποίο τελικά ονομάστηκε Επιστήμη των Υλικών [5]. Κατά την ανάπτυξη της βιομηχανίας και για πολλά χρόνια αργότερα, οι μηχανικοί ήταν αναγκασμένοι εκ των πραγμάτων να εφαρμόζουν τις ιδέες τους χρησιμοποιώντας περιορισμένο αριθμό υλικών, που σε πολλές περιπτώσεις δεν κάλυπταν τις απαιτήσεις των μελετών τους. Η αλματώδης πρόοδος της τεχνολογίας σε κάθε τομέα της ζωής υπήρξε και ο βασικός μοχλός για την εξέλιξη νέων τεχνικών επεξεργασίας και κατεργασίας με στόχο τη σύνθεση εξ ολοκλήρου νέων υλικών υψηλής τεχνολογίας. ημαντικό ρόλο στην εξέλιξη αυτή διαδραματίζει η έρευνα. τα ερευνητικά εργαστήρια οι μηχανικοί αφιερώνουν πολύτιμο χρόνο για τη σύνθεση ενός νέου υλικού. 44

45 Τεχνολογία Υλικών τον εικοστό πρώτο (21 ο ) αι., η εξαιρετικά γρήγοροι ρυθμοί ανάπτυξης της επιστήμης απαιτούν νέα υλικά αιχμής ικανά να καλύψουν επαρκώς και να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις των επιστημόνων. Σα υλικά αυτά είναι τα άμορφα υλικά. Η ίδια τους η ονομασία υποδηλώνει και τη δομή τους. Είναι υλικά, κυρίως μέταλλα, τα οποία λόγω αυτής τους της ιδιαιτερότητας κρατούν το ενδιαφέρον σε πολλές εφαρμογές [6]. την παρούσα εργασία θα ασχοληθούμε με τα άμορφα υλικά που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για εφαρμογές σε ηλεκτρομαγνητικές διατάξεις. Με βάση το γεγονός ότι σήμερα είμαστε συνεχώς σε επαφή με ηλεκτρονικά υλικά, όπως αγωγούς, μονωτές, ημιαγωγούς, φερρομαγνητικά υλικά, οπτικά διαφανή και αδιαφανή υλικά η έρευνά μας αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Οι χρήσιμες ιδιότητες των υλικών αυτών οφείλονται στα ηλεκτρόνιά τους. Για την ακρίβεια, οι φράσεις ηλεκτρονικά υλικά και ηλεκτρονικές ιδιότητες πρέπει να εξεταστούν και να κατανοηθούν σε ένα ευρύτερο λογικό πεδίο, που περιλαμβάνει όλα τα φαινόμενα εκείνα, στα οποία πρωταγωνιστούν τα ηλεκτρόνια σε ενεργό δυναμικό ρόλο. Σα παραπάνω περιλαμβάνουν τα ηλεκτρικά, μαγνητικά, οπτικά και θερμικά φαινόμενα. ε αντίθεση με αυτά, οι μηχανικές ιδιότητες κυρίως ερμηνεύονται λαμβάνοντας υπόψη τις αλληλεπιδράσεις των ατόμων. Όλες οι προαναφερθείσες ιδιότητες θεωρούνταν ανεξάρτητες η μία της άλλης, μέχρι τα τέλη του 18 ου αι. και οι επιστήμονες πίστευαν πως κάθε μία είχε τους δικούς της κανόνες. Πολλοί νεότεροι επιστήμονες άλλαξαν αυτή την εικόνα και μερικοί από αυτούς είναι οι Οersted, Ampere, Volta, Ohm, Coulomb, Drude, Seebeck, Henry, Maxwell, Thomson, Helmholtz και Joule. Παρόλα αυτά ο M. Faraday πίστευε ότι οι γενικοί θεμελιώδεις νόμοι της φύσης, όπως η αλληλοσυσχέτιση μεταξύ ηλεκτρικών, μαγνητικών και οπτικών φαινομένων, θα ανακαλυφθεί εάν διεξαχθούν τα κατάλληλα πειράματα. [5] 45

46 Τεχνολογία Υλικών 2.2 Σαξινόμηση των υλικών Σα υλικά, που παρουσιάζονται στη φύση, χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες χαρακτηριζόμενα σύμφωνα με τη δομή τους. Έτσι, έχουμε τα κρυσταλλικά υλικά, τα ημικρυσταλλικά υλικά και τα άμορφα υλικά, κατηγορίες στις οποίες θα αναφερθούμε αναλυτικά παρακάτω Κρυσταλλική δομή Ονομάζουμε "πραγματικό στερεό", το σώμα που σε στερεά κατάσταση εμφανίζει κρυσταλλική δομή. Ως κρυσταλλική δομή ορίζεται μια διάταξη ατόμων στο χώρο ή οποία παρουσιάζει περιοδικότητα στις τρεις διαστάσεις. Σο μικρότερο σύνολο ατόμων, η διάταξη των οποίων επαναλαμβανομένη κατά τις τρεις διαστάσεις δημιουργεί την κρυσταλλική δομή ονομάζεται στοιχειώδες κύτταρο. Σα άτομα του στοιχειώδους κυττάρου και της κρυσταλλικής δομής παρίστανται συνήθως σαν σφαίρες ορισμένης διαμέτρου. Σο τμήμα της στερεάς ύλης, που σε όλη του την έκταση έχει την ίδια, συνεχή κρυσταλλική δομή, ονομάζεται κρύσταλλος ή κρυσταλλίτης ή κόκκος. Ως πλέγμα ορίζεται ένα σύνολο απείρων σημείων, στο χώρο, διατεταγμένων κατά τρόπο ώστε, για τυχόν σημείο του πλέγματος, τα γειτονικά του σημεία να έχουν την ίδια διάταξη κατά μήκος τυχαίας διεύθυνσης. Κάθε κρυσταλλικό σύστημα χαρακτηρίζεται, από το είδος του γεωμετρικού σχήματος της κυψελίδας του, -του κρυσταλλικού, δηλαδή, πλέγματος της δομής στο χώρο χωρίς τα άτομα,- τις σχετικές τιμές των γωνιών α, β και γ των αξόνων και τις σχετικές τιμές των παραμέτρων a, b και c. Ένας τέλειος κρύσταλλος είναι το υλικό, στο οποίο τα άτομα ( ή ομάδες ατόμων motifs ) είναι διευθετημένα σε ένα πρότυπο που επαναλαμβάνεται περιοδικά στις τρεις διευθύνσεις με απεριόριστη έκταση. [4],[5] 46

47 Τεχνολογία Υλικών Ημικρυσταλλική δομή τα αρχικά στάδια της επιστήμης των quasicrystals έγινε προφανές ότι η εικοσαεδρική φάση και άλλα ημιπεριοδικά κρύσταλλα είναι όχι μόνο άφθονα αλλά είναι επίσης εύκολο να κατασκευαστούν με διαφορετικά μέσα και τεχνικές. Ενώ στην πρώτη ανακάλυψη, και συνεπώς σε άλλα πρόωρα πειράματα, οι εικοσαεδρικές και δεκαγωνικές φάσεις παρήχθησαν από τη γρήγορη στερεοποίηση του λειωμένου μετάλλου που περιστράφηκε, άλλες τεχνικές ακολούθησαν σύντομα. [4],[5],[7],[9] Άμορφη δομή Αυτό που είναι νέο, στην επιστημονική μελέτη των άμορφων υλικών, και έχει δημιουργηθεί έκρηξη ενδιαφέροντος γύρω από αυτό τελευταία, είναι ότι όλο και περισσότερα υλικά παρασκευάζονται σε άμορφη φόρμα, κάποια εκ των οποίων παρουσιάζουν υψηλές τεχνολογικές προοπτικές. Από την πλευρά της επιστήμης των υλικών, ένα ευρύ πλήθος υλικών μπορεί να θεωρηθεί άμορφο, και αν θέλουμε να εκφραστούμε ελεύθερα όλα τα υλικά μπορούν. Σο δεύτερο ενδιαφέρον στα άμορφα υλικά είναι οι θεμελιώδεις νόμοι της Υυσικής που τα διέπουν. Επιπλέον, τα άμορφα υλικά επιδεικνύουν πολλές ιδιότητες, οι οποίες είναι μοναδικές για αυτά και δεν τις μοιράζονται με τα κρυσταλλικά στερεά [27]. Η άμορφη δομή αποτελείται από τοπολογικές ή γεωμετρικές διαταραχές, στις οποίες δεν υπάρχει περιοδικότητα που να μπορεί να διαβαστεί. Όλα τα άμορφα ή τα γυάλινα υλικά έχουν σαν διακριτικό τους την έλλειψη περιοδικότητας. υνεπώς, τα άμορφα υλικά δεν εμφανίζουν τη συνεχή και σαφή περιοδικότητα, η οποία είναι χαρακτηριστικό ενός κρυστάλλου. Σα άμορφα υλικά συνήθως είναι κράματα, δηλαδή συνθέσεις δύο ή περισσοτέρων μετάλλων, γεγονός που μπορεί να προσδίδει την δυνατότητα 47

48 Τεχνολογία Υλικών να μεταβάλλουν οι ερευνητές την επί τοις εκατό ποσοστιαία περιεκτικότητα καθενός συστατικού με σκοπό να επιτυγχάνουν τις ιδιότητες που επιθυμούν. Σα άμορφα υλικά, λόγω της ιδιάζουσας δομής που εμφανίζουν χωρίς όρια και κόκκους και δίχως περιοδικότητα, παρουσιάζουν κάποιες συγκεκριμένες ιδιότητες,μηχανικές και ηλεκτρομαγνητικές. Έτσι, λόγω της σύστασης των κραμάτων τους, είναι συνήθως μαλακά μαγνητικά υλικά, γεγονός που συνεπάγει στενούς βρόγχους υστέρησης και χρήση τέτοιων υλικών σε ηλεκτρομαγνητικές εφαρμογές επιτυγχάνοντας μικρές ηλεκτρομαγνητικές απώλειες. Επιπλέον, έχουν σημαντικές ελαστικές ιδιότητες και παρουσιάζουν μεγάλη μηχανική αντοχή που είναι συγκρίσιμη με εκείνη των ατσαλιών. Ο συνδυασμός των παραπάνω ιδιοτήτων τα κάνει ιδανικά για εφαρμογές σε ηλεκτρομαγνητικές διατάξεις, όπως λόγου χάριν σε μετασχηματιστές. Επιπρόσθετα, η μικροσκοπική τους δομή, τους προσδίδει και την ιδιότητα του να μην δείχνουν σημαντική διάβρωση λόγω της έλλειψης ορίων κόκκων καθώς ακόμη έχουν ελαστικές ιδιότητες και μέση σκληρότητα κάτι ενδιάμεσο από τα κεραμικά και τα μέταλλα. ύμφωνα, λοιπόν, με τις παραπάνω αναφερθείσες ιδιότητες, τα άμορφα υλικά συνήθως κράματα χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρομαγνητικές διατάξεις σαν πυρήνες μετασχηματιστών. Ακόμη, έντονη είναι η χρήση τους σε μαγνητικές εφαρμογές σαν θώρακες προστατευτικοί, σαν υλικά laser, οπτικές εφαρμογές, όπως σε οπτικές ίνες, σε ηλεκτροχημικούς αισθητήρες, ηλεκτροχημικές εφαρμογές σε μπαταρίες στερεάς κατάστασης. ημαντικές και μεγάλης κλίμακας, επίσης, είναι και εφαρμογές άμορφων πυριτιούχων γυαλιών σε ηλιακά κύτταρα. Μια από τις χρήσεις των άμορφων υλικών είναι και τα thin films transistors και γενικότερα χρήση σε ηλεκτρονικές εφαρμογές [4],[5]. 48

49 Τεχνολογία Υλικών 2.3 Ημιαγωγοί Ημιαγωγοί - Δομή Ένας ημιαγωγός είναι ένα στοιχείο με τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους. Σα άτομα των ημιαγωγών διατάσσονται από μόνα τους σε κρυσταλλικές δομές, σε πλέγματα, δηλαδή παρουσιάζουν μια σταθερή γεωμετρία η οποία επαναλαμβάνεται στο χώρο. Κάθε άτομο ημιαγωγού είναι τετρασθενές, έχει δηλαδή, στην εξωτερική του στοιβάδα τέσσερα ηλεκτρόνια. Αυτά, τα μοιράζεται με τα τέσσερα γειτονικά του άτομα, δημιουργώντας έτσι ομοιοπολικούς δεσμούς. Σο αποτέλεσμα είναι κάθε άτομο να φαίνεται σαν να έχει οχτώ ηλεκτρόνια. Δηθόλα 8: (α) 8 ειεθηξόληα ζζέλνπο. (β) Οκνηνπνιηθνί δεζκνί. (γ) δηάγξακκα ησλ δεζκώλ ελόο θξπζηάιινπ [3]. Η δομή αυτή είναι αρκετά σταθερή και έτσι τα ηλεκτρόνια των ημιαγωγών δεν έχουν την ευκολία που έχουν τα ηλεκτρόνια των μετάλλων να αποδεσμεύονται εύκολα από το υπόλοιπο άτομο και να κινούνται ελεύθερα, άρα παρουσιάζουν πολύ μικρότερη αγωγιμότητα σε σχέση με τα μέταλλα. 49

50 Τεχνολογία Υλικών Ενεργειακές ζώνες στοσς κρσστάλλοσς Δηθόλα 9: Γπλακηθό ιόγσ ηνπ ππξήλα θαη νη ελεξγεηαθέο δώλεο γηα ηνλ ππξήλα ηνπ καγλεζίνπ. Φαίλεηαη πσο ζην καγλήζην ε δώλε ζζέλνπο θαη ε δώλε αγσγηκόηεηαο αιιεινεπηθαιύπηνληαη θαη ζπλεπώο ην καγλήζην είλαη αγσγόο [3]. Τποθέτουμε ότι έχουμε ένα πλέγμα με βασική του μονάδα ένα θετικό φορτίο και θέλουμε λύνοντας την εξίσωση Erwin Schrödinger να βρούμε τις ενεργειακές στάθμες τις οποίες μπορεί να καταλάβει ένα ηλεκτρόνιο σε αυτό το σύστημα. Αυτό προσομοιώνει ακριβώς έναν πραγματικό κρύσταλλο, αφού στα πολυηλεκτρονικά άτομα, τα ηλεκτρόνια της εξωτάτης στοιβάδας χρειάζονται πολύ μικρή ενέργεια για να ιονιστούν και επομένως μέσα σε έναν κρύσταλλο που υπάρχει ένας τόσος μεγάλος αριθμός των και ασκούνται τόσες πολλές δυνάμεις, μπορούν να θεωρηθούν ασύνδετα με το άτομο. Σο ηλεκτρόνιο θα δέχεται ένα περιοδικό δυναμικό. Κοντά στο θετικό φορτίο θα αυξάνει κατά απόλυτη τιμή το δυναμικό, ενώ μακρυά του να μειώνεται. Λόγω της περιοδικότητας του πλέγματος, θα είναι περιοδικό και το δυναμικό [10], [11]. Λύνοντας την εξίσωση Erwin Schrödinger με αυτό το περιοδικό δυναμικό προκύπτει το ενεργειακό φάσμα που εμφανίζει η διάταξη έναντι των ηλεκτρονίων. Σο ενεργειακό φάσμα φαίνεται να έχει περιοχές ενεργείας (ενεργειακές ζώνες - εμφανίζονται δηλαδή πολλές ενεργειακές στάθμες πολύ κοντά) στις οποίες το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί και περιοχές στις οποίες δεν μπορεί να βρεθεί (ενεργειακά χάσματα). Επίσης παρατηρείται ότι όσο πηγαίνουμε σε υψηλότερες ενέργειες, τα ενεργειακά χάσματα μειώνονται. [8] 50

51 Τεχνολογία Υλικών Ροή ηλεκτρονίων οπών Παρόλα αυτά, η θερμοκρασία δωματίου είναι ικανή να δώσει την κατάλληλη ενέργεια ώστε να "σπάσουν" ορισμένοι ομοιοπολικοί δεσμοί. Όταν σπάει ένας ομοιοπολικός δεσμός ελευθερώνεται ένα ηλεκτρόνιο το οποίο μπορεί πια να κινηθεί ελεύθερα, αλλά όχι μόνον αυτό! Επειδή το άτομο δεν είναι πια ηλεκτρικά ουδέτερο, μπορούμε να "δούμε" στη θέση του ατόμου έναν κενό χώρο, μια οπή. Αυτή η οπή είναι έτοιμη να δεχθεί στη θέση της ένα ηλεκτρόνιο που θα ξεφύγει από ένα γειτονικό άτομο και ούτω καθεξής [6]. Λόγω ύπαρξης μερικών ελεύθερων ηλεκτρονίων, θα προκληθεί ένα μικρό ρεύμα το οποίο αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας. τη θερμοκρασία του δωματίου (περίπου 25 ο C) το ρεύμα είναι αρκετά μικρό, συγκρινόμενο με το ρεύμα που διαρρέει έναν αγωγό. Αυτός είναι ο λόγος που ένας κρύσταλλος πυριτίου λέγεται ημιαγωγός. [3], [4],[5],[8]. Δηθόλα 10: Ζ ζεξκηθή ελέξγεηα πξνθαιεί ηε δεκηνπξγία ελόο δεύγνπο νπήο ειεύζεξνπ [3]. Έτσι, όταν εφαρμοστεί μια τάση σε έναν ημιαγωγό βλέπουμε, από τη μια μεριά, ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινούνται προς το θετικό πόλο ενώ από την άλλη, οπές να κινούνται σαν να είναι "θετικά ηλεκτρόνια" προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η διπλή προέλευση του ρεύματος στους ημιαγωγούς (δηλαδή από ηλεκτρόνια και οπές) σε αντίθεση με την απλή προέλευση του ρεύματος στα μέταλλα (δηλαδή μόνο από ηλεκτρόνια) είναι μια διαφορά μεταξύ μετάλλων και ημιαγωγών. Η ύπαρξη των οπών επιτρέπει την δημιουργία εξαιρετικά χρήσιμων κυκλωματικών στοιχείων και διατάξεων 51

52 Τεχνολογία Υλικών από ημιαγωγούς, όπως των διόδων, των transistor, των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Δηθόλα 11: Γύν δξόκνη γηα ηε ξνή ηνπ ξεύκαηνο. (α) Σα ειεύζεξα ειεθηξόληα θαη ηα ειεθηξόληα ζζέλνπο θηλνύληαη πξνο ηα δεμηά. (β) Σα ειεύζεξα ειεθηξόληα θηλνύληαη πξνο ηα δεμηά θαη νη νπέο θηλνύληαη πξνο η αξηζηεξά [3] Ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά Κατανομή των ηλεκτρονίων στις ενεργειακές ζώνες Λόγω του ημιακέραιου σπιν (φερμιόνια) του ηλεκτρονίου, αυτό υπακούει στην απαγορευτική αρχή του Pauli και ακολουθεί την κατανομή κατάληψης των Υέρμι-Ντιράκ (θεώρημα σπιν-στατιστικής). Η τιμή δε του σπιν του που είναι 1/2 μας λέει ότι σε κάθε ενεργειακή στάθμη μπορούν να υπάρξουν το πολύ δύο ηλεκτρόνια με διαφορετική προβολή του σπιν (±1/2). υνεπώς κάθε ενεργειακή ζώνη μπορεί να έχει έναν συγκεκριμένο μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων. Ως εκ τούτου αν έχουμε πολλά ηλεκτρόνια θα αρχίσουν να καταλαμβάνουν τις χαμηλότερες στάθμες και θα ανεβαίνουν ενεργειακά μέχρι να τοποθετηθούν όλα. [3],[4],[5],[10],[50]. Ενεργειακές ζώνες και ηλεκτρική συμπεριφορά των κρυστάλλων Αν θέσουμε υπό τάση τα άκρα ενός κρυστάλλου, θέτουμε ουσιαστικά τον κρύσταλλο εντός ενός ηλεκτρικού πεδίου. Αυτό το πεδίο ασκεί δύναμη στα ηλεκτρόνια, όμως αν κινηθούν θα αποκτήσουν μεγαλύτερη ενέργεια και αυτό δεν είναι πάντα εφικτό, γιατί ενδεχομένως η ενέργεια που θα αποκτήσουν να είναι κατειλημμένη από άλλα ηλεκτρόνια και αυτό θα αντίκειται στην απαγορευτική αρχή του Pauli. Επομένως βλέπουμε ότι το σε ποια ενεργειακή ζώνη βρίσκονται τα υψηλότερης ενέργειας ηλεκτρόνια, το αν είναι πλήρως 52

53 Τεχνολογία Υλικών κατειλημμένη ή όχι και το πόσο μεγάλο είναι το ενεργειακό χάσμα που χωρίζει αυτή τη ζώνη (σθένους) από την επόμενη (αγωγιμότητας) παίζει καθοριστικό ρόλο στην ηλεκτρική συμπεριφορά του υλικού μας. Πιο συγκεκριμένα: Αν η ζώνη σθένους δεν είναι πλήρως συμπληρωμένη, έχουμε αγωγό, ενώ το πόσο καλό αγωγό έχουμε εξαρτάται από το ποσοστό κατάληψης. Αγωγό έχουμε επίσης αν η ζώνη σθένους είναι πλήρως κατειλημμένη, αλλά βρίσκεται σε πάρα πολύ μικρή (ενεργειακή) απόσταση η ζώνη αγωγιμότητας ή ακόμα υπάρχει και αλληλεπικάλυψη. Μονωτή έχουμε όταν η ζώνη σθένους είναι συμπληρωμένη και η ζώνη αγωγιμότητας απέχει πολύ ενεργειακά. Ημιαγωγό έχουμε όταν η ζώνη σθένους είναι συμπληρωμένη, αλλά η ζώνη αγωγιμότητας βρίσκεται κοντά (γύρω στα 2eV). Σα 2eV ενεργειακού χάσματος είναι αρκετά λίγα έτσι ώστε για δεδομένο κρύσταλλο η αύξηση της θερμοκρασίας του ή η φωτοβόλησή του να αυξήσει ραγδαία την αγωγιμότητά του, λόγω της αύξησης των ηλεκτρικών φορέων [3]. Σύποι ημιαγωγών Ένας ημιαγωγός, όπως το πυρίτιο, στην καθαρή κρυσταλλική του μορφή, είναι καλός μονωτής. Ωστόσο, όταν έστω και ένα άτομο μέσα σε εκατομμύρια αντικατασταθεί από μία πρόσμιξη (φωσφόρος ή αρσενικό) που προσθέτει ένα ηλεκτρόνιο από την κρυσταλλική δομή τότε η αγωγιμότητά τους αυξάνεται θεαματικά. Σο ίδιο συμβαίνει αν η πρόσμιξη γίνει με άτομο που αφαιρεί ηλεκτρόνιο (βόριο, αργίλιο ή γάλλιο). την πρώτη περίπτωση, προκύπτει ημιαγωγός τύπου n (n από negative καθώς έχουμε παραπάνω ηλεκτρόνια άρα και φορείς αρνητικού φορτίου) και στη δεύτερη τύπου p (p από positive καθώς έχουμε επιπλέον οπές που δηλώνουν απουσία ηλεκτρονίων άρα ύπαρξη θετικού φορτίου). Αυτός ο τρόπος πρόσμιξης ονομάζεται doping (νόθευση). [3],[4],[8],[10],[11]. 53

54 Τεχνολογία Υλικών Πυρίτιο (Silicon) Γερμάνιο (Germanium) Γενικά Σα ηλεκτρονικά κυκλώματα βασίζονταν παλαιότερα στη ροή ρεύματος ηλεκτρονίων σε στοιχεία τα οποία ονομάζονταν λυχνίες κενού. ήμερα στηρίζονται πάλι στη ροή ηλεκτρονίων, αλλά σε στοιχεία ημιαγωγών. Ο όρος στερεά κατάσταση σημαίνει την ύπαρξη ημιαγωγών κρυστάλλων και τη χρήση τους. Ο μηχανισμός της ροής ρεύματος στους ημιαγωγούς είναι διαφορετικός από αυτόν στους αγωγούς. Ένας ημιαγωγός διαθέτει δύο δρόμους τους οποίους μπορούν να κινηθούν τα ηλεκτρικά φορτία. Πρώτον, έχει το συνηθισμένο δρόμο που ακολουθούν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, στη ζώνη αγωγιμότητας. Δεύτερον, διαθέτει τον ασυνήθιστο δρόμο της ζώνης σθένους, που ακολουθούν οι οπές [31]. Οι πιο συνηθισμένοι ημιαγωγοί είναι το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge), με πιο συχνή τη χρήση του πυριτίου, το οποίο είναι και φτηνό και βρίσκεται σε αφθονία στην άμμο. Η αγωγή του ρεύματος στους ημιαγωγούς διευκολύνεται όταν αυτοί δεν χρησιμοποιούνται σε καθαρή μορφή αλλά νοθευμένοι. Ανάλογα με το είδος της πρόσμειξης που χρησιμοποιούμε για να τους ενισχύσουμε, τους διακρίνουμε σε ημιαγωγούς τύπου -N και σε ημιαγωγούς τύπου -P. Προσμείξεις με πεντασθενή στοιχεία (όπως π.χ. με αρσενικό (Αs)) δημιουργούν ημιαγωγούς τύπου -Ν, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από πληθώρα ηλεκτρονίων. Προσμείξεις με τρισθενή στοιχεία (όπως π.χ. με γάλλιο (Ga)) δημιουργούν ημιαγωγούς τύπου -P, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από πληθώρα οπών. [34],[38]. Σο βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η επίδραση ακόμη και πολύ μικρών συγκεντρώσεων προσμίξεων στη ειδική αντίσταση. την κατηγορία των ημιαγωγών ανήκει κάθε υλικό που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από μέσα του με κάποιες προϋποθέσεις, όπως είναι αύξηση της θερμοκρασίας ή η πρόσπτωση φωτός. Οι ημιαγωγοί έχουν τιμές ειδικής αντίστασης μεταξύ ενός αγωγού και ενός μονωτή. Η αγωγιμότητα τους κυμαίνεται από 10-6 έως 104 S/cm [54] και είναι μικρότερη της αγωγιμότητας των μετάλλων και μεγαλύτερη των μονωτών. Διακρίνονται στους ενδογενείς ημιαγωγούς 54

55 Τεχνολογία Υλικών (intrinsic semiconductors) και στους εξωγενείς ημιαγωγούς (extrinsic semiconductors). [34],[38]. Δηθόλα 12: Γνκή εκηαγσγνύ ηύπνπ p [21] Δηθόλα 13: Γνκή εκηαγσγνύ ηύπνπ n. [21] Πυρίτιο - Si Σο πυρίτιο είναι χημικό στοιχείο, αμέταλλο. τη φύση συναντάται με μορφή ενώσεων. Απομονώθηκε για πρώτη φορά από τον Μπερζέλιους το 1823 ως άμορφο. Σο 1854 ο Henri St-Claire Deville 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. Σο κρυσταλλικό πυρίτιο εμφανίζεται με μορφή κανονικών οκτάεδρων, είναι γκρι και παρουσιάζει μεταλλική λάμψη. Σο πυρίτιο, όπως και το γερμάνιο, είναι ημιαγωγό υλικό, αλλά όταν του αυξήσουμε την θερμοκρασία αυξάνεται και η αγωγιμότητά του. Ο πίνακας δείχνει, ότι το πυρίτιο είναι τετρασθενές με ατομικό αριθμό 14. Σα ηλεκτρόνια του ατόμου του πυριτίου βρίσκονται κατανεμημένα ως εξής: 55

56 Τεχνολογία Υλικών στη στοιβάδα Κ: 2 στη στοιβάδα L: 8 στη στοιβάδα Μ: 4, [8]. Ορισμένα προβλήματα εξευγενισμού δεν επέτρεψαν τη χρήση του πυριτίου τις πρώτες μέρες των ημιαγωγών. Αφού λύθηκαν αυτά τα προβλήματα, τα πλεονεκτήματα του πυριτίου το έκαναν αμέσως τον ημιαγωγό επιλογής. Φωρίς το πυρίτιο, τα μοντέρνα ηλεκτρονικά, οι επικοινωνίες και οι υπολογιστές δεν θα υπήρχαν [12]. Δηθόλα 14: Γνκή ηνπ Ππξηηίνπ (Si) [12] Γερμάνιο - Ge Σο γερμάνιο είναι χημικό στοιχείο. Ανακαλύφθηκε από τον Wickler το 1886 στη την Γερμανία. Αρχικά, για την παραγωγή του Γερμανίου χρησιμοποιούταν ένα ορυκτό συγγενές του αργύρου. Αργότερα, ανακαλύφθηκε στη Νότια Αμερική άλλο ορυκτό, συγγενές του αργύρου, που το ονόμασαν γερμανίτη. Ο γερμανίτης περιέχει 6% γερμάνιο. Σο καθαρό γερμάνιο είναι υλικό σκληρό, εύθραυστο και έχει αγωγιμότητα 10 φορές μικρότερη της αγωγιμότητας του χαλκού. Σο άτομο του γερμανίου, όπως φαίνεται στον πίνακα των χημικών στοιχείων, περιέχει 32 ηλεκτρόνια, τα οποία κατανέμονται στις στιβάδες: στη στοιβάδα K: 2 στη στοιβάδα L: 8 στη στοιβάδα M:18 56

57 Τεχνολογία Υλικών στη στοιβάδα N:4 Δηθόλα 15: Γνκή Γεξκαλίνπ (Ge) [12] την εξωτερική στιβάδα έχει 4 ηλεκτρόνια, τα όποια καθορίζουν το σθένος του στοιχείου. Εξαιτίας των 4 ηλεκτρόνιων της εξωτερικής στιβάδας, το γερμάνιο λέγεται τετρασθενές, όπως και το πυρίτιο, ο μόλυβδος, ο κασσίτερος και ο άνθρακας. Από τα τετρασθενή στοιχεία, ο μόλυβδος και ο κασσίτερος είναι αγωγοί, γιατί τα ηλεκτρόνια σθένους τους βρίσκονται μακριά του πυρήνα και ελευθερώνονται ακόμη και με την θερμοκρασία του περιβάλλοντος, Αντιθέτως ο άνθρακας είναι μονωτικό, γιατί τα ηλεκτρόνια σθένους είναι πιο κοντά του πυρήνα και γι αυτό, έλκονται δυνατά και δεν γίνεται να κινηθούν ελεύθερα. [12], [34], [38]. Σο γερμάνιο και το πυρίτιο δεν συγκρατούν τα ηλεκτρόνια σθένους ούτε πολύ ισχυρά ούτε πολύ χαλαρά, γι αυτό είναι και οι καλύτεροι ημιαγωγοί στην φύση. Για να χρησιμοποιηθεί το γερμάνιο στην κατασκευή των τρανζίστορ πρέπει να καθαριστεί απ όλες τις ξένες ουσίες. Η περιεκτικότητα σε ξένα άτομα δεν επιτρέπεται να είναι μεγαλύτερη τού 1 ατόμου ανά 1 τρισεκατομμύριο άτομα γερμανίου. Σο γερμάνιο παρουσιάζεται σε ορισμένες θερμοκρασίες, σαν στερεό κρυσταλλικό σώμα και θεωρείται ως ημιαγωγός στις συνηθισμένες θερμοκρασίες. Αλλά σε θερμοκρασίες πάνω από 100 ο C, ή αγωγιμότητα αυτού αυξάνει,το κρυσταλλικό πλέγμα (χημικοί δεσμοί ) 57

58 Τεχνολογία Υλικών καταστρέφεται και το γερμάνιο μετατρέπεται, σε καλό αγωγό. Γι αυτό το λόγο η υψηλή θερμοκρασία μπορεί να καταστρέψει ένα Transistor. Σα στοιχεία έχουν την τάση να συμπληρώσουν την εξωτερική στιβάδα με 8 ηλεκτρόνια. Κάθε άτομο γερμανίου παίρνει από κάθε διπλανό του άτομο ένα ηλεκτρόνιο και σχηματίζει ομοιοπολικούς δεσμούς Όταν όλα τα άτομα του γερμανίου σχηματίσουν δεσμούς τότε δημιουργείται το κρυσταλλικό του πλέγμα. O τρόπος που τακτοποιούνται τα άτομα του κρυστάλλου του γερμανίου είναι οι θετικοί πυρήνες βρίσκονται στο κέντρο και τα ηλεκτρόνια ενωμένα σε ζεύγη σχηματίζουν τους δεσμούς. Ενδογενείς ημιαγωγοί 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. Σο ενεργειακό διάγραμμα ενός ημιαγωγού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (15). ε θερμοκρασία T=0 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 [20]. ε 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. 58

59 Τεχνολογία Υλικών Δηθόλα 16: Δλεξγεηαθό δηάγξακκα εκηαγσγνύ [20] Κάθε ηλεκτρόνιο που αποδεσμεύεται πλήρως από το δεσμό αφήνει μια κενή θέση με θετικό φορτίο που ονομάζεται οπή (hole). Σα αποδεσμευμένα ηλεκτρόνια (ελεύθερα 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. Τπό την επίδραση εξωτερικού πεδίου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έλκονται από το θετικό ηλεκτρόδιο ενώ οι οπές από το αρνητικό ηλεκτρόδιο (Εικόνα 16). 59

60 Τεχνολογία Υλικών Δηθόλα 17: Ρνή ειεθηξηθνύ ξεύκαηνο ζε ελδνγελή εκηαγσγό κε κεηαθίλεζε ειεθηξνλίσλ θαη νπώλ ππό ηελ επίδξαζε ειεθηξηθνύ πεδίνπ [20] Από το σχήμα φαίνεται ότι η κίνηση της οπής είναι στην πραγματικότητα κίνηση των ηλεκτρονίων σθένους. Σα ηλεκτρόνια σθένους ανταλλάσσουν θέσεις με την οπή κατά τρόπον ώστε να μετακινούνται προς το θετικό ηλεκτρόδιο. υνεπώς, κάθε φορά που μια οπή κινείται από τη μια θέση στην άλλη ένα ηλεκτρόνιο σθένους μετακινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Σα διεγερμένα ηλεκτρόνια (ελεύθερα 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 διεγερμένων ηλεκτρονίων του Si στους 300οΚ είναι τριπλάσια της ευκινησίας των οπών ενώ του Ge είναι διπλάσια. [22] Εξωγενείς Ημιαγωγοί (Extrinsic semiconductors) τους ενδογενείς ημιαγωγούς το πλήθος των ελεύθερων φορέων για δεδομένο ημιαγωγό και καθορισμένη θερμοκρασία είναι καθορισμένο. τις 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 Εξωγενείς ημιαγωγοί είναι στερεά διαλύματα υποκατάστασης που δημιουργούνται με προσθήκη πρόσμειξης στοιχείων της ΙΙΙ ή V ομάδας σε 60

61 Τεχνολογία Υλικών κρυστάλλους Si ή Ge υψηλής καθαρότητας. 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. [22] Ημιαγωγοί τύπου - n Είδαμε ότι ένας καθαρός κρύσταλλος ημιαγωγού είναι φτωχός αγωγός. ε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να γίνει καλύτερος αγωγός επειδή δημιουργούνται θερμικά ηλεκτρόνια. Για περισσότερες όμως εφαρμογές υπάρχει ένας καλύτερος τρόπος δημιουργίας αγωγιμότητας. Η νοθεία είναι μια διαδικασία πρόσθεσης άλλων υλικών σε ένα κρύσταλλο πυριτίου. Η πρόσμιξή αυτή αλλάζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Τλικά νοθείας για την δημιουργία ημιαγωγού τύπου n είναι το αρσενικό (As), το αντιμόνιο (Sb) και ο φώσφορος (P). Σο υλικό αυτό (π.χ το φώσφορο) ονομάζεται και δότης γιατί κάθε άτομο του δίνει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο στον κρύσταλλο. Σο φώσφορο διαφέρει πολύ από το πυρίτιο, η κυριότερη όμως διαφορά είναι ότι έχει πέντε ηλεκτρόνια σθένους. [12] Δηθόλα 18: Γνκή ηνπ θώζθνξνπ (P) [12] Για να φτιαχτεί λοιπόν ένας ημιαγωγός τύπου n ή αλλιώς ένας αρνητικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτίου θα πρέπει να γίνει πρόσμειξη ενός υλικού με 5e- στην εξωτερική του στοιβάδα όπως για παράδειγμα το φώσφορο (P). την εικόνα 19 βλέπουμε τη δομή του φώσφορου. 61

62 Τεχνολογία Υλικών Όταν ένα άτομο φώσφορου εισαχθεί μέσα στον κρύσταλλο πυριτίου θα έχει σαν αποτέλεσμα την εξασφάλιση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου. το σχήμα 18 φαίνεται πώς συμβαίνει αυτό. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί των γειτονικών ατόμων του πυριτίου δεσμεύουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους από το άτομο του φώσφορου, σαν να ήταν όλα άτομα πυριτίου. Σώρα όμως, έχουμε ένα άτομο φώσφορου. Σο πέμπτο ηλεκτρόνιο σθένους του φώσφορου δεν μπορεί να σχηματίσει δεσμό, έτσι μένει ελεύθερο αφού δεν συνδέεται με τίποτε στον κρύσταλλο και φυσικά είναι πάρα πολύ εύκολο να μετακινηθεί και να δώσει φορείς ρεύματος. Σο πυρίτιο με μερικά άτομα φώσφορου γίνεται ημιαγωγός και στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. [12] Δηθόλα 19: Δηζβνιή θώζθνξνπ ζε θξύζηαιιν ππξηηίνπ. [12] Σα υλικά νοθείας μειώνουν την αντίσταση του κρυσταλλικού πυριτίου. Όταν προστίθεται υλικά νοθείας με πέντε ηλεκτρόνια σθένους δημιουργούνται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Εφόσον τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, λέμε ότι το υλικό αυτό είναι ημιαγωγός τύπου - n όπου το n σημαίνει αρνητικό (negative). Ημιαγωγοί τύπου - p Η νοθεία μπορεί να γίνει και με άλλα υλικά. Σο πυρίτιο όταν εμπλουτισθεί με μια τρισθενή πρόσμειξη καλείται ημιαγωγός τύπου p ή αλλιώς θετικά φορτισμένος κρύσταλλος, διότι p σημαίνει θετικό (positive). Άτομα με τρία ηλεκτρόνια σθένους είναι το βόριο (B), το αργίλιο ή αλουμίνιο (Al), το ίνδιο (In), και το γάλλιο(ga). Όταν π.χ ένα άτομο βορίου που έχει 3e- στην 62

63 Τεχνολογία Υλικών εξωτερική του στοιβάδα (εικόνα 20) εισαχθεί σε κρύσταλλο πυριτίου, τότε ένα άλλου τύπου ρεύμα μπορεί να προκύψει. την εικόνα 21 φαίνεται ότι ένας ομοιοπολικός δεσμός με γειτονικά άτομα πυριτίου δεν μπορεί να σχηματισθεί. Δημιουργείται λοιπόν μια οπή ή έλλειψη ηλεκτρόνιου. Η οπή σημειώνεται σαν θετικό φορτίο, εφόσον είναι δυνατόν να έλξη ή να αισθανθεί ένα ηλεκτρόνιο. Σο βόριο είναι γνωστό σαν λήπτης νοθείας. Κάθε άτομο βορίου στον κρύσταλλο θα δημιουργήσει μια οπή η οποία είναι δυνατόν να έλξη ένα ηλεκτρόνιο. Δηθόλα 20: Δηζβνιή βαξίνπ ζε θξύζηαιιν ππξηηίνπ [12] Οι οπές συμπεριφέρονται σαν φορείς ρεύματος. ένα αγωγό ή Ν - τύπου ημιαγωγό οι φορείς είναι τα ηλεκτρόνια, τα οποία μπορούν να τεθούν σε κίνηση με την εφαρμογή τάσης και να μετατοπιστούν προς το θετικό ακροδέκτη. τον P τύπου ημιαγωγό οι οπές κινούνται προς τον αρνητικό ακροδέκτη της πηγής τάσης. Σο ρεύμα των οπών είναι ίσο με το ρεύμα των ηλεκτρονίων αλλά αντίθετης διεύθυνσης. την εικόνα 21 φαίνεται η διαφορά μεταξύ Ν και P τύπου ημιαγωγών. την εικόνα 21(a) οι φορείς είναι τα ηλεκτρόνια που κινούνται προς το θετικό ακροδέκτη της πηγής τάσης. την εικόνα 21(b) οι φορείς είναι οι οπές οι οποίες κινούνται προς το αρνητικό ακροδέκτη της πηγής τάσης.[12] 63

64 Τεχνολογία Υλικών Δηθόλα 21: Αγσγηκόηεηα ζε ππξίηην ηύπνπ Ν. a) Οη θνξείο είλαη ηα e- πνπ θηλνύληαη πξνο ην ζεηηθό αθξνδέθηε ηεο πεγήο. b) Οη θνξείο είλαη νη νπέο νη νπνίεο θηλνύληαη πξνο ην αξλεηηθό αθξνδέθηε ηεο πεγήο. [37] Ηλεκτρονικές Εφαρμογές Οι ημιαγωγοί αποτελούν τον θεμέλιο λίθο της μικροηλεκτρονικής και νανοηλεκτρονικής. Φρησιμοποιούνται στις ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές διατάξεις σαν δίοδοι, τρανζίστορ, ολοκληρωμένα κυκλώματα και σαν ηλεκτρολογικά υλικά. Όλες οι ημιαγωγικές διατάξεις βασίζονται στο γεγονός ότι η αγωγιμότητα του υλικού ελέγχεται με την 64

65 Τεχνολογία Υλικών συγκέντρωση των προσμίξεων ή οποία μπορεί να μεταβάλλεται σε μία μεγάλη περιοχή τιμών και να αλλάζει από περιοχή σε περιοχή πάνω στη διάταξη [13], [26]. υνδυάζοντας, με διάφορους τρόπους, υλικά τύπου n και τύπου p, δημιουργούμε τα ημιαγωγά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη ηλεκτρονική. Παρακάτω δίνεται μια σύντομη περιγραφή των κυριότερων από αυτά. Δίοδος Οι δίοδοι αποτελούν τη βασική διάταξη του σύγχρονου κόσμου της ηλεκτρονικής χάρις στην ιδιότητά τους να ρυθμίζουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος υπό την εφαρμογή μιας τάσης (πόλωσης). Οι περισσότερες σύγχρονες δίοδοι βασίζονται στον ημιαγωγό p-n επαφών. Ένα κομμάτι ημιαγωγού τύπου n είναι περίπου το ίδιο χρήσιμο με έναν αντιστάτη από άνθρακα. Σο ίδιο ισχύει και για έναν ημιαγωγό τύπου p. Αλλά όταν ένας κατασκευαστής εμπλουτίσει ένα κρύσταλλο έτσι ώστε το μισό αυτού να είναι τύπου p και το άλλο μισό τύπου n, προκύπτει κάτι νέο. Η ένωση μεταξύ τύπου p και τύπου n καλείται pn επαφή. Η pn επαφή έχει οδηγήσει σε όλων των ειδών τις ανακαλύψεις συμπεριλαμβανομένων των διόδων, των transistors, και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η κατανόηση της pn επαφής θεωρείται βασική για την κατανόηση όλων των ειδών των ημιαγωγικών διατάξεων. Η δίοδος είναι το βασικότερο ημιαγωγό στοιχείο. Επιτρέπει τη ροή των φορέων πλειονότητας προς τη μια μόνο διεύθυνση. Μ άλλα λόγια συμπεριφέρεται σαν μονόδρομος αγωγός. Γι αυτήν την ιδιότητα η δίοδος χρησιμοποιείται στα τροφοδοτικά, δηλαδή στις διατάξεις που μετατρέπουν την εναλλασσόμενη (ac τάση) τάση του δικτύου σε συνεχή τάση (dc τάση), κατάλληλη για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών συσκευών [12]. 65

66 Τεχνολογία Υλικών Δίοδος επαφής p n Όταν δυο ημιαγώγιμες ζώνες διαφορετικού τρόπου αγωγιμότητας συνορεύουν, τότε σχηματίζεται μια επαφή pn. Η δίοδος επαφής p n είναι συνήθως ένας κρύσταλλος Ge η Si με προσμίξεις τύπου p σε μία περιοχή και τύπου n σε μία άλλη περιοχή. Εξαιτίας της θερμικής κίνησης των σωματιδίων, οι αρνητικοί φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια) μεταβαίνουν από τον αγωγό Ν στον αγωγό Ρ, οι δε θετικοί φορείς φορτίου (οπές) από τον αγωγό Ρ στον αγωγό Ν. το φαινόμενο ονομάζεται διάχυση. αυτόν παρατηρούνται επανασυνδέσεις. Σα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας του οριακού στρώματος (ζώνη αγωγιμότητας) γίνονται ηλεκτρόνια σθένους και οι οπές εξαφανίζονται, (εικόνα 22). το οριακό στρώμα μεταξύ του αγωγού Ρ και του αγωγού Ν δεν υπάρχουν πλέον κινούμενοι φορείς φορτίου. [12] Δηθόλα 22: Δπαθή PN [14] την ηλεκτρονική, η δίοδος είναι ένα στοιχείο που περιορίζει τη κατευθυντήρια ροή των φορέων αγωγιμότητας (charge carriers). Ουσιαστικά, η δίοδος επιτρέπει το ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει από τη μια διεύθυνση, αλλά μπλοκάρει την κίνηση από την αντίθετη διεύθυνση. Έτσι, η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως μια ηλεκτρονική εκδοχή της βαλβίδας. Σα κυκλώματα που απαιτούν ροή προς μία μόνο κατεύθυνση περιλαμβάνουν μία ή περισσότερες διόδους στη σχεδίαση του κυκλώματος. Οι πρώτες δίοδοι περιλάμβαναν κρυστάλλους cat s whisker και λυχνίες κενού. ήμερα, οι περισσότερες δίοδοι είναι κατασκευασμένες από υλικά ημιαγωγών όπως πυρίτιο ή γερμάνιο. 66

67 Τεχνολογία Υλικών Δηθόλα 23: Κπθισκαηηθό ζύκβνιν ηεο δηόδνπ, πξαγκαηηθή δίνδνο. [12] Δίοδος Zener Η δίοδος Zener είναι μια δίοδος πυριτίου η οποία έχει κατασκευαστεί για λειτουργία στην περιοχή κατάρρευσης, στην οποία οι λοιπές δίοδοι κινδυνεύουν να καταστραφούν. Γι αυτό το λόγο ονομάζεται και δίοδος κατάρρευσης. Η κυριότερη εφαρμογή των διόδων zener είναι οι σταθεροποιητές τάσης, δηλαδή κυκλώματα που διατηρούν περίπου σταθερή την dc τάση εξόδου, ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης εισόδου ή της αντίστασης φορτίου. Φρησιμοποιούνται για την προστασία των κυκλωμάτων. Είναι κάτι σαν ασφάλεια τάσης. Πρακτικά σε ένα κύκλωμα απεικονίζεται ως εξής [12], [19] : 67

68 Τεχνολογία Υλικών Δηθόλα 24: Κπθισκαηηθό ζύκβνιν ηεο δηόδνπ Zener. [12] Δίοδος SCHOTTKY H δίοδος Schottky πήρε το όνομα της από το γερμανό φυσικό Walter H Schottky. H δίοδος Schottky προκύπτει από την επαφή μετάλλου με ημιαγωγό-n (το μέταλλο παίζει το ρόλο του ημιαγωγού-p). Παρουσιάζει παραπλήσια χαρακτηριστικά με τη δίοδο p-n, με το εξής επιπλέον πλεονέκτημα: Κατά την ορθή πόλωση της διόδου, οι πλεονάζοντες φορείς του ημιαγωγού-n (ηλεκτρόνια) εισέρχονται στο μέταλλο και μαζί με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του συντελούν στη μη συσσώρευση φορτίων στη ζώνη απογύμνωσης. Λόγω αυτής της συμπεριφοράς, η δίοδος Schottky χρειάζεται πολύ μικρότερο χρόνο (μερικά ns) από την απλή δίοδο p-n για να μεταβεί από την αγώγιμη κατάσταση (ορθή πολικότητα) στην κατάσταση αποκοπής (ανάστροφη πολικότητα). Φρησιμοποιείται σε ψηφιακά κυκλώματα που απαιτείται ταχεία μετάβαση από την αγωγιμότητα στην αποκοπή, σε παλμοτροφοδοτικά και σε εφαρμογές χαμηλής τάσης λόγω του χαμηλού δυναμικού φραγμού ( V).[24]. Μια άλλη χαρακτηριστική εφαρμογή είναι απαλλαγή-προστασία για ηλιακά κύτταρα συνδεμένος με lead-acid μπαταρίες [12], [19]. 68

69 Τεχνολογία Υλικών Δηθόλα 25: Κπθισκαηηθό ζύκβνιν ηεο δηόδνπ Schottky [12]. Δίοδος ήραγγας ή Δίοδος Esaki Η δίοδος σήραγγας (tunnel diode) ή δίοδος Esaki οφείλει την ονομασία της στο κβαντομηχανικό φαινόμενο σήραγγας, Η δίοδος σήραγγας κατασκευάζεται με τη προσθήκη μεγάλου αριθμού προσμίξεων σε μία διάταξη επαφής p-n. Η συγκέντρωση των προσμίξεων στα δύο τμήματα είναι πάρα πολύ μεγάλη π.χ. > cm 3. Αυξάνοντας η στάθμη προσμείξεων ανάστροφης διόδου, μπορούμε να έχουμε κατάρρευση που να συμβαίνει στα 0V. Επιπλέον, η μεγάλη πρόσμειξη παραμορφώνει την ορθή καμπύλη, όπως δείχνει η εικόνα 26α. τη δίοδο σήραγγας, ηλεκτρόνια διεισδύουν διαμέσου ενός στρώματος υλικού με αποτέλεσμα το ρεύμα διαμέσου της διόδου να αυξάνεται, να ελαττώνεται και να αυξάνεται εκ νέου καθώς η τάση μεγαλώνει. Αυτός ο τύπος διόδου παρουσιάζει μια ιδιότητα γνώστη σαν αρνητική αντίσταση. Αυτό σημαίνει ότι μια αύξηση στην ορθή τάση έχει σαν αποτέλεσμα μια ελάττωση στο ορθό ρεύμα, τουλάχιστο σ ένα τμήμα της καμπύλης μεταξύ των Vp και Vv. Η αρνητική αντίσταση των διόδων σήραγγας είναι χρήσιμη σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων καλούμενα ταλαντωτές. Σο σημαντικό πλεονέκτημα από τη χρήση της διόδου tunnel είναι οι χαμηλές απαιτήσεις σε τάση και ισχύ, το μεγάλο εύρος θερμοκρασίας στο οποίο λειτούργει αλλά κυρίως στο ότι η διάταξη αυτή, έχει πολύ μεγάλη ταχύτητα απόκρισης (αντίληψη) πράγμα πού την κάνει κατάλληλη για χρήση σε πολύ υψηλές συχνότητες (μέχρι πολλές δεκάδες GΗz) καθώς και για ταχύτατους διακόπτες, σε αντίθεση με τις συμβατικές διατάξεις, πού είναι πολύ βραδείς [18], [19]. 69

70 Τεχνολογία Υλικών Δηθόλα 26: Γίνδνο ζήξαγγαο (α) Ζ θαηάξξεπζε εκθαλίδεηαη ζηα 0V (β) ρεκαηηθόο ζπκβνιηζκόο ηεο δηόδνπ ζήξαγγαο. [18] Δίοδοι που εκπέμπουν ή ανιχνεύουν φως Μία δίοδος η οποία χρησιμοποιείται ως συσκευή ένδειξης, είναι η δίοδος φωτοεκπομπής (LED, Light Emitting Diode) (εικόνα 27a). Δίοδος εκπομπής φωτός αποκαλείται ένας ημιαγωγός ο οποίος εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία στενού φάσματος όταν του παρέχεται μία ηλεκτρική τάση κατά τη φορά ορθής πόλωσης (forward-biased) [19]. Δηθόλα 27: (a) Γίνδνο θσηνεθπνκπήο LED θαη (b) θσηνδίνδνο Σο χρώμα του φωτός που εκπέμπεται εξαρτάται από την χημική σύσταση του ημιαγώγιμου υλικού που χρησιμοποιείται, και μπορεί να είναι υπεριώδες, ορατό ή υπέρυθρο. Σο μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται, και, κατά συνέπεια, το χρώμα του, εξαρτάται από το χάσμα ενέργειας των υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται για την δημιουργία του περάσματος p-n, όπου: p = Τλικό νοθευμένο με αποδέκτες. n = Τλικό νοθευμένο με δότες 70

71 Τεχνολογία Υλικών Η δίοδος φωτοεκπομπής (LED) μπορεί να κατασκευαστεί από στοιχεία όπως το γάλλιο, το αρσενικό και το φώσφορο και να εκπέμψει κόκκινο (όπως η δίοδος TIL221), πράσινο (όπως η δίοδος TIL222), κίτρινο, μπλε, πορτοκαλί και υπέρυθρο (αόρατο) φως. Επειδή μπορεί να δεχτεί μέχρι μία μέγιστη τιμή ρεύματος χωρίς να καταστραφεί, γι' αυτό συνήθως συνδέεται σε σειρά με μία αντίσταση (περιοχή λειτουργίας: Volts). ε σχέση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως, έχει χαμηλή τάση λειτουργίας, μεγάλη διάρκεια ζωής καθώς και γρήγορη διακοπτική λειτουργία (γρήγορη απόκριση) [12]. Μια δίοδος η οποία χρησιμοποιείται ως ανιχνευτής φωτός είναι η φωτοδίοδος (εικόνα 26b). Η φωτοδίοδος δουλεύει ανάστροφα πολωμένη. Όταν η ένταση του φωτός αυξάνεται τότε αυξάνεται και το ανάστροφο ρεύμα που περνά μέσα από τη φωτοδίοδο (πολύ μικρό ρεύμα, μερικά μα). Μία εφαρμογή της φωτοδιόδου σε συνδυασμό με LED μπορεί να γίνει για τη μέτρηση της ταχύτητας περιστροφής ενός τροχού: παρεμβάλλοντας τις εγκοπές του τροχού μεταξύ ενός LED (ή μιας φωτεινής πηγής) και μιας φωτοδιόδου, αναγκάζουμε τη φωτοδίοδο να ανιχνεύει ουσιαστικά παλμούς φωτός (δηλαδή, διαδοχές από σκοτάδι και φως). Οι παλμοί αυτοί μπορούν στη συνέχεια να αναλυθούν με τη βοήθεια υπολογιστή και έτσι να προκύψει, σε αναλογία με τη συχνότητά τους, η ταχύτητα περιστροφής [18]. Transistors - Κρυσταλλολυχνίες Ο Shockley διατύπωσε τη θεωρία του transistor επαφής το Σο πρώτο transistor κατασκευάστηκε το Ο Shockley πήρε αργότερα, για τη μνημειώδη του ανακάλυψη, το βραβείο Nobel. Η επίδραση του τρανζίστορ στην ηλεκτρονική υπήρξε τεράστια. Εκτός από την τεράστια βιομηχανία ημιαγωγών, το τρανζίστορ οδήγησε σε πολλές σχετικές ανακαλύψεις, όπως τα ολοκληρωμένα κυκλώματα( εικόνα 29), οι οπτοηλεκτρονικές διατάξεις και οι μικροϋπολογιστές. Οι περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές σχεδιάζονται σήμερα με ημιαγωγά στοιχεία. Από νωρίς το transistor αντικατέστησε στις 71

72 Τεχνολογία Υλικών περισσότερες εφαρμογές τη λυχνία κενού. Μας επιτρέπει να κάνουμε πράγματα που ήταν δύσκολο ή αδύνατο να γίνουν με τις λυχνίες. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές στη βιομηχανία των υπολογιστών. Οι ιστορικοί συμφωνούν ότι το transistor δεν αναμόρφωσε τη βιομηχανία των υπολογιστών, αλλά τη δημιούργησε [12], [32]. Δηθόλα 28: Γηάθνξα είδε ηξαλδίζηνξ [12] Δηθόλα 29: Οινθιεξσκέλα θπθιώκαηα [12] Διπολικά τρανζίστορ (Dipolar Junction Transistor-BJT) Σο τρανζίστορ που ονομάζεται τρανζίστορ επαφής ή και διπολικό τρανζίστορ, ήταν το πρώτο ημιαγωγικό στοιχείο που χρησιμοποιήθηκε σαν στοιχείο ενίσχυσης. Σο όνομα διπολικό οφείλεται στο ότι το ρεύμα του δημιουργείται από δύο είδη φορέων φορτίου με διαφορετικές πολικότητες, δηλ. τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Διπολικό τρανζίστορ είναι ένας κρύσταλλος 72

73 Τεχνολογία Υλικών με τρεις εμπλουτισμένες περιοχές, με άλλα λόγια, αποτελείται από τρία διαδοχικά εναλλασσόμενα στρώματα ημιαγωγού υλικού. Μπορεί να παρομοιαστεί με ένα "σάντουιτς" του οποίου το ενδιάμεσο υλικό είναι είτε τύπου -n (τρανζίστορ τύπου -pnp) ή τύπου -p (τρανζίστορ τύπου -npn) [25], [28]. Οι τρεις περιοχές του τρανζίστορ αναφέρονται ως εκπομπός (Ε), βάση (Β) και συλλέκτης (C). O εκπομπός είναι μια έντονα εμπλουτισμένη περιοχή που προορισμός της είναι να εκπέμπει τους φορείς ηλεκτρισμού (π.χ. ηλεκτρόνια, στην περίπτωση του τρανζίστορ τύπου -npn) προς τη βάση. Η βάση αποτελείται από μια πολύ λεπτή περιοχή η οποία επιτρέπει τη διέλευση των φορέων προς το συλλέκτη και είναι λιγότερο εμπλουτισμένη. Ο συλλέκτης βρίσκεται, σε επίπεδο εμπλουτισμού, μεταξύ αυτού του εκπομπού και αυτού της βάσης και αποτελεί περιοχή κατανάλωσης ισχύος, για το λόγο αυτό καλύπτει μεγαλύτερη περιοχή από τον εκπομπό [14]. Δηθόλα 30: Γνκή θαηαζθεπήο ελόο ηξαλδίζηνξ npn κε ηελ ηερλνινγία δηαρύζεσο. Γηα ηελ θαλνληθή ιεηηνπξγία ηνπ, ην ηξαλδίζηνξ πξέπεη λα πνισζεί θαηάιιεια κε εμσηεξηθέο πεγέο ηάζεο. Ζ επαθή βάζεο-ζπιιέθηε πξέπεη λα είλαη αλάζηξνθα πνισκέλε, ελώ ε επαθή βάζεο εθπνκπνύ πξέπεη λα πνισζεί νξζά. ε ηξαλδίζηνξ ηύπνπ npn ην ξεύκα νθείιεηαη θπξίσο ζε θίλεζε ειεθηξνλίσλ ελώ ζε ηξαλδίζηνξ ηύπνπ pnp νθείιεηαη θπξίσο ζηηο νπέο. [14] 73

74 Τεχνολογία Υλικών Δηθόλα 31: (a) ρεκαηηθά νη ηξείο πεξηνρέο ηνπ ηξαλδίζηνξ npn θαη ην αληίζηνηρν θπθισκαηηθό ζύκβνιν (b) ρεκαηηθά νη ηξείο πεξηνρέο ηνπ ηξαλδίζηνξ pnp θαη ην αληίζηνηρν θπθισκαηηθό ζύκβνιν. [14] Σο transistor της εικόνας 31(a) έχει δύο επαφές. Μια ανάμεσα στον εκπομπό και τη βάση και μια άλλη ανάμεσα στη βάση και το συλλέκτη. Έτσι το transistor μοιάζει με δύο διόδους, που συνδέονται πλάτη με πλάτη. Ονομάζουμε την επαφή, που βρίσκεται αριστερά, επαφή εκπομπού βάσης ή απλά επαφή εκπομπού. Η επαφή που βρίσκεται δεξιά, είναι η επαφή συλλέκτη βάσης ή η επαφή συλλέκτη. το κυκλωματικό σύμβολο του τρανζίστορ npn το βέλος που υπάρχει στον εκπομπό, δείχνει τη συμβατική φορά του ρεύματος. Μ άλλα λόγια, τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τον εκπομπό. την εικόνα 31(b) παρουσιάζεται μια άλλη δυνατότητα, το transistor pnp. Σο transistor pnp είναι το συμπληρωματικό του transistor npn επειδή οι φορείς πλειονότητας στον εκπομπό και το συλλέκτη είναι οι οπές. Αυτό σημαίνει ότι, κατά τη λειτουργία ενός transistor pnp, τα ρεύματα και οι τάσεις έχουν αντίθετες φόρες, σε σχέση με τα αντίστοιχα μεγέθη ενός transistor npn. το κυκλωματικό σύμβολο του τρανζίστορ pnp, το βέλος έχει φόρα προς τον εκπομπό και δείχνει τη συμβατική φορά του ρεύματος. Έτσι, τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τον εκπομπό [14]. 74

75 Τεχνολογία Υλικών Σρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field-Effect Transistors) Σα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (ή τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, Field Effect Transistor FET) είναι ηλεκτρονικά στοιχεία στα οποία οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι ενός είδους σε αντίθεση με τα διπολικά τρανζίστορ όπου συνεισφέρουν στο ηλεκτρικό ρεύμα τόσο οι φορείς πλειονότητας όσο και οι φορείς μειονότητας. Πρόκειται κατά βάση για μια ράβδο εμπλουτισμένου (νοθευμένου) ημιαγωγού και μια επαφή που βρίσκεται στο μέσο της ράβδου και κατά μήκος της επιφάνειάς της. Τπάρχουν δύο κυρίως FET: το τρανζίστορ επαφής επίδρασης πεδίου (junction field effect transistor-jfet) και το FET ημιαγωγού με οξείδιο μετάλλου (metal oxide semi-conductor FET-MOSFET) [14],[15],[16],[30]. JFET (junction field effect transistor) Σο τρανζίστορ επαφής επίδρασης πεδίου του σχήματος 31 αποτελείται από έναν κρύσταλλο πυριτίου τύπου n στις δύο πλευρές του οποίου έχουν σχηματιστεί p-περιοχές μεγάλης συγκέντρωσης προσμίξεων (p+). Ένα τέτοιο FET ονομάζεται n-τύπου JFET. Δηθόλα 32: ρεκαηηθά νη ηξεηο πεξηνρέο ηνπ JFET θαλαιηνύ n (απιήο πύιεο). [15] Οι δύο αυτές περιοχές βραχυκυκλώνονται μεταξύ τους και καταλήγουν σε έναν ακροδέκτη που ονομάζεται πύλη (gate). Σα δύο άκρα του κρυστάλλου υπάρχουν δύο ακροδέκτες. Σα δύο άκρα του κρυστάλλου είναι εν γένει 75

76 Τεχνολογία Υλικών ισοδύναμα μεταξύ τους (σε αντίθεση με το διπολικό τρανζίστορ όπου ο εκπομπός διαφέρει από το συλλέκτη στα επίπεδα προσμίξεων). τους ακροδέκτες του FET αποδίδεται ονομασία ανάλογα με τη συνδεσμολογία. Έτσι, το άκρο στο οποίο κατευθύνονται οι φορείς πλειονότητας ονομάζεται απαγωγός (Drain) και καταδεικνύεται με το γράμμα D ενώ το άλλο άκρο ονομάζεται πηγή (Source) και καταδεικνύεται με το γράμμα S [15],[16]. MOSFET (metal oxide semi-conductor FET) Σο MOSFET είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο τρανζίστορ. Όπως το JFET, αποτελείται και αυτό από τα ίδια στοιχεία (πηγή, απαγωγό και πύλη) όμως αντίθετα από το JFET, η πύλη είναι απομονωμένη από το κανάλι. υναντούμε δύο είδη MOSFET: τα MOSFET εκκένωσης (ή αραίωσης) και τα MOSFET ενίσχυσης (ή πύκνωσης). το σχήμα 32 φαίνεται η δομή των MOSFET: στο πρώτο, το κανάλι - Ν είναι ενιαίο (δηλαδή, το κύκλωμα μεταξύ απαγωγού - πηγής είναι κανονικά κλειστό) ενώ στο δεύτερο, το κύκλωμα μεταξύ απαγωγού και πηγής είναι κανονικά ανοιχτό. Ακόμη, η πύλη βρίσκεται απομονωμένη από το κανάλι (με μια μόνωση από διοξείδιο του πυριτίου), το οποίο βρίσκεται πάνω από ένα υπόστρωμα P. Δηθόλα 33: Γνκή MOSFET κε θαλάιη ηύπνπ-ν θαη ην θπθισκαηηθό ηνπ ζύκβνιν. (α) MOSFET εθθέλσζεο (αξαίσζεο) θαη (β) MOSFET ελίζρπζεο (πύθλσζεο). [15] Οι δύο κυρίως διαφορές των FET σε σχέση με τα BJT, είναι: α) ο έλεγχος του ρεύματος εξόδου από τάση εισόδου (ενώ στο BJT, είχαμε ρεύμα εισόδου) και β) η εφαρμογή ανάστροφης τάσης μεταξύ πύλης-πηγής (ενώ στο ΒJT είχαμε 76

77 Τεχνολογία Υλικών ορθή πόλωση μεταξύ βάσης - εκπομπού). Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί πως η ορθή πόλωση πύλης- πηγής, στις περισσότερες περιπτώσεις, σημαίνει καταστροφή του τρανζίστορ [15],[16],[17]. 77

78 Κεφάλαιο 3 ο Ηλιακά Υωτοβολταϊκά τοιχεία και Υωτοβολταϊκή Μετατροπή

79 Φωτοβολταϊκά στοιχεία 3.1 Ιστορικά Γεγονότα o Βecquerel ήταν ο πρώτος που παρατήρησε τo φωτοβολταϊκό φαινόμενο τo 1839 σε ηλεκτρολυτικές διαλύσεις. αράντα χρόνια περίπου αργότερα, τo 1877, oι Adams και Day παρατήρησαν ξανά τo φαινόμενο σε επαφές εληνίου - μετάλλου Σο πρώτο φωτοβολταϊκό στοιχείο κατασκευάστηκε το 1940 στα εργαστήρια της Bell από τον Αμερικανό μηχανικό Russell Ohl, ο οποίος ήταν ειδικευμένος στην έρευνα για τους ημιαγωγούς και τα τρανζίστορ. Η εφεύρεση αυτή ανακηρύχτηκε πατέντα με το όνομα φωτοευαίσθητη ηλεκτρική συσκευή [33], [38]. Σο φωτοβολταϊκό φαινόμενο εξηγήθηκε πρώτη φορά αρκετά χρόνια πριν, το 1877, από τους Adams και Day, όταν στο χημικό στοιχείο σελήνιο εμφανίστηκε μια πολύ μικρή ποσότητα ρεύματος. Παρ όλα αυτά, σημαντική ποσότητα ενέργειας απο μια κυψελίδα πυριτίου παράχθηκε το 1954 στα εργαστήρια της Bell από τους επιστήμονες Chapin, Fuller και Pearson. Η μεγάλη ανάπτυξη όμως ήρθε την δεκαετία του 1970, όταν λόγω της τότε πετρελαϊκής κρίσης, έγινε φανερή η ανάγκη για εξεύρεση μιας εναλλακτικής πηγής ενέργειας. Η χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς έγινε μόλις στις αρχές του 1990, όταν τα φωτοβολταϊκά συστήματα έγιναν πιο αποδοτικά. 3.2 Υωτοβολταϊκό Πλαίσιο Δομή φωτοβολταϊκού πλαισίου Ως φωτοβολταϊκό πλαίσιο (PV module) ορίζουμε το σύνολο των φωτοβολταϊκών στοιχείων (κυττάρων) που είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα και 79

80 Φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούν τη βασική δομική μονάδα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Σα φωτοβολταϊκά πλαίσια κατασκευάζονται σε μορφή σάντουιτς. Σα φωτοβολταϊκά στοιχεία, τα οποία είναι συνδεδεμένα σε σειρά ή και παράλληλα με κολλητική ουσία, στερεώνονται πάνω σε ένα φύλλο από μέταλλο. Σο φύλλο αυτό αποτελεί την πλάτη του πλαισίου. H εμπρός όψη των φωτοβολταϊκών στοιχείων καλύπτεται για λόγους προστασίας από φύλλο γυαλιού η από διαφανές πλαστικό. Σα δύο φύλλα που χρησιμοποιούνται στην εμπρός και πίσω όψη του πλαισίου, συγκρατούνται μεταξύ τους με ταινία από συνθετικό πλαστικό και στερεοποιούνται με περιμετρικό μεταλλικό περίβλημα. Η κατασκευαστική αυτή δομή εξασφαλίζει την απαιτούμενη μηχανική αντοχή, τις υποδοχές στήριξης και την απαραίτητη στεγανότητα για προστασία από την υγρασία και το νερό. Τπάρχουν διαφορετικοί τύποι πλαισίων και εξαρτώνται από το είδος των φωτοβολταϊκών στοιχείων και την επίστρωσή τους [34],[35]. Δηθόλα 34: Γνκή θσηνβνιηατθνύ πιαηζίνπ [35] 80

81 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Σο φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από τα παρακάτω στρώματα: Ειδικό γυαλί υμπυκνωμένο πολυμερές υλικό (Ethylene Vinyl Acetate (EVA) Sheet) για την ενθυλάκωση των στοιχείων Ηλιακά στοιχεία υμπυκνωμένο υλικό (EVA) Ειδικό γυαλί Κενό αέρος Ειδικό γυαλί Σα είδη των γυαλιών που χρησιμοποιούνται είναι διαφανή, χρωματισμένα και ανακλούν τη θερμότητα. Σο συμπυκνωμένο υλικό είναι συνήθως EVA, υλικό που χαρακτηρίζεται από πολύ καλή ηλεκτρική μόνωση και μεγάλη διαπερατότητα στο φως. Σα παραπάνω απεικονίζονται στην εικόνα 34. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδέονται σε σειρά, παράλληλα ή σε συνδυασμούς, έτσι ώστε να καλυφθούν οι ανάγκες σε τάση και ρεύμα. Για να επιτυγχάνεται η ομαλή λειτουργία του φωτοβολταϊκού πλαισίου, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πρέπει να είναι όμοια έτσι ώστε να εμφανίζουν όμοια ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και να επιτυγχάνεται η ομαλή λειτουργία του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Αξίζει να αναφερθεί ότι υπάρχουν περιπτώσεις που τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται επάνω σε περιστρεφόμενα στηρίγματα που ακολουθούν την τροχιά του ήλιου. Με αυτό τον τρόπο μεγιστοποιείται η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, επομένως μεγιστοποιείται και η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. 81

82 Φωτοβολταϊκά στοιχεία 3.3 Δομή Υωτοβολταϊκών τοιχείων Η βασική μονάδα ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου, είναι το φωτοβολταϊκό στοιχείο ή φωτοστοιχείο ή ηλιακό κύτταρο ή φωτοβολταϊκό κύτταρο ή κυψέλη. Σα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι δίοδοι ημιαγωγών σε μορφή δίσκου. Ο απλούστερος τύπος ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι μια p-n επαφή. Ανάλογα με το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένα και την ένταση της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτά, ένα στοιχείο μπορεί να δώσει από 0,5 έως 1,0 V και πυκνότητα ρεύματος από 20 έως 40 ma/cm 2 της επιφάνειάς του. Σο πυρίτιο είναι ημιαγωγός εμμέσου ενεργειακού διάκενου και αποτελεί το βασικότερο και κυρίαρχο υλικό στην κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων και ημιαγωγών [37]. Κατασκευαστικά και για λόγους μηχανικής αντοχής και ευχρηστίας, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν ενσωματωμένα στο περίγραμμά τους μεταλλικά ελάσματα ανοδιωμένου αλουμινίου, και για λόγους προστασίας είναι υδατοστεγώς και αεροστεγώς κλεισμένα μέσα σε ειδικό γυαλί και ειδικό μονωτικό πλαστικό [34],[36]. Δηθόλα 35: Γνκή θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ [35] Σα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από (εικόνα 35): Μεταλλική βάση 82

83 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Πυρίτιο τύπου p Πυρίτιο τύπου n Μη ανακλαστικό στρώμα επικάλυψης Μεταλλικά αγώγιμα ελάσματα Δηθόλα 36: Πιάγηα όςε θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ όπνπ (1) Γηαρσξηζκόο θνξηίνπ (2) Δπαλαζύλδεζε (3) Αρξεζηκνπνίεηε θσηεηλή ελέξγεηα (4) Αγώγηκα ειάζκαηα [1] Σο φωτοβολταϊκό στοιχείο στην εμπρός επιφάνεια του καλύπτεται από πολλά λεπτά οριζόντια ελάσματα (πλεγμα), όπως φαίνονται στο παρακάτω σχήμα (εικόνα 36) και είναι περισσότερα σε σχέση με τα κάθετα, αφού είναι αυτά τα στοιχεία που μαζεύουν τα ηλεκτρόνια που διεγείρονται και δημιουργούν το ρεύμα. τη συνέχεια τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται στα κάθετα παχιά ελάσματα που ονομάζονται ζυγοί ή busbars, όπως φαίνονται 83

84 Φωτοβολταϊκά στοιχεία στο παρακάτω σχήμα. Οι ζυγοί των στοιχείων ενώνονται μεταξύ τους και έτσι έχουμε πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεδεμένα και αποτελούν το πλαίσιο. Κάθε πλαίσιο έχει δύο ακροδέκτες, τον θετικό και τον αρνητικό πόλο [36]. 3.4 Είδη Υωτοβολταϊκών τοιχείων Σα φωτοβολταϊκά στοιχεία κατηγοριοποιούνται σε τρεις κύριες ομάδες ανάλογα με το υλικό κατασκευής, τη δομή του βασικού υλικού καθώς και τον τρόπο κατασκευής. Έτσι έχουμε την παρακάτω κατηγοριοποίηση Σύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου μεγάλου πάχους Υωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (SingleCrystalline Silicon, sc-si) Σα μονοκρυσταλλικά στοιχεία αποτελούνται από μεγάλους κρυστάλλους που το πάχος τους είναι περίπου 0,3 mm και έχουν χρώμα σκούρο μπλε. το εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως 24,7 %, ενώ σε επίπεδο φωτοβολταϊκών πλαισίων η απόδοση είναι 13-16%. Σα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχεσης απόδοσης ανά επιφάνεια ή ενεργειακής πυκνότητας. Σο μειονέκτημά τους είναι το υψηλό κόστος κατασκευής σε σύγκριση με τα πολυκρυσταλλικά. Σο χρώμα τους είναι συνήθως βαθύ μπλε έως μαύρο, όταν διαθέτουν αντανακλαστική επίστρωση (ARC) ή γκρι (χωρίς αντι-ανακλαστική επίστρωση). Βασικές τεχνολογίες παραγωγής μονοκρυσταλλικών 84

85 Φωτοβολταϊκά στοιχεία φωτοβολταϊκών είναι η μέθοδος CZ (Czochralski) και η μέθοδος FZ (Float zone). Και οι δυο βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου [38],[39],[41],[42]. Δηθόλα 37: Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν κνλνθξπζηαιιηθνύ ππξηηηίνπ Υωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (PolyCrystalline Silicon, sc-si) Σο πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3 mm. Η μέθοδος παραγωγής τους κοστίζει φθηνότερα σε σχέση με αυτή των μονοκρυσταλλικών και έτσι η τιμή πώλησής τους είναι συνήθως λίγο χαμηλότερη. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση οι πολυκρυσταλλικές περιοχές, τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. ε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20%, ενώ σε συνθήκες πραγματικής λειτουργίας, τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία επιτυγχάνουν αποδόσεις από 13 έως και 15%. Σο χρώμα τους είναι συνήθως μπλε (με αντίανακλαστική επίστρωση) ή γκρι-ασημί (χωρίς αντί-ανακλαστική επίστρωση). Βασικότερες τεχνολογίες κατασκευής είναι: η μέθοδος κατευθυντικής στερεοποίησης DS (Directional Solidification), η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου (χύτευση) και ηλεκτρομαγνητική χύτευση (EMC) [38],[39],[41],[42]. 85

86 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Δηθόλα 38: Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν πνιπθξπζηαιιηθνύ ππξηηίνπ Υωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) ε αυτά τα στοιχεία εφαρμόζεται νέα τεχνολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων. Προσφέρει έως και 50% μείωση στην χρήση του πυριτίου σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής πολυκρυσταλλικών και μονοκρυσταλλικών στοιχείων πυριτίου. Η απόδοσή τους έχει φτάσει πλέον γύρω στο 12-13%, ενώ το πάχος τους είναι περίπου 0,3 mm. το εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 18% [38],[39]. Δηθόλα 39: Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν ηαηλίαο ππξηηίνπ Υωτοβολταϊκά υλικά λεπτών υμενίων - Thin Film 86

87 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CuInSe2 ή CIS ή με προσθήκη γάλλιου CIGS) Ο δισεληνοϊνδιούχος χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα όσον αφορά την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία αλλά παρ όλα αυτά η απόδοσή του κυμαίνεται στο 11%. Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση περίπου 18,8%, η οποία είναι και η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επίστρωσης. Με την πρόσμιξη γάλλιου, η απόδοσή του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο. Σο πρόβλημα που υπάρχει είναι πως το ίνδιο βρίσκεται σε περιορισμένες ποσότητες στη φύση. τα επόμενα χρόνια αναμένεται το κόστος του να είναι αρκετά χαμηλότερο [34],[37],[39]. Δηθόλα 40: Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν CIS Υωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin Silm Silicon, a-si) Αυτά τα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων, οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού (στην προκειμένη περίπτωση πυρίτιο), πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης χαμηλού κόστους, όπως είναι το γυαλί ή το αλουμίνιο. Έτσι λόγω της μικρής ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται, η τιμή τους είναι σχετικά χαμηλή. Ο χαρακτηρισμός άμορφο φωτοβολταϊκό, προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Οι επιδόσεις που 87

88 Φωτοβολταϊκά στοιχεία επιτυγχάνονται με χρήση φωτοβολταϊκών άμορφου πυριτίου, κυμαίνονται για το πλαίσιο απο 6-8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 14%. Σο σημαντικότερο πλεονέκτημα για το φωτοβολταϊκό στοιχείο a-si, είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζεται απο τις πολύ υψηλές θερμοκρασίες και ότι έχει μεγαλύτερη απόδοση σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). Σο μειονέκτημα των άμορφων πλαισίων είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα, που σημαίνει ότι για να παραχθεί η ίδια ενέργεια, χρειάζεται σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Επίσης υπάρχουν αμφιβολίες όσον αφορά τη διάρκεια ζωής τους, μιας και δεν υπάρχουν στοιχεία από παλιές εγκαταστάσεις, αφού η τεχνολογία είναι σχετικά νέα. Σο πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001 mm, ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1-3 mm. [34],[37],[38],[39],[40],[42] Δηθόλα 41: Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν CIS Σο άμορφο πυρίτιο (a-si) είναι ουσιαστικά μία αλλοτροπική μορφή του κρυσταλλικού πυριτίου (c-si), διαφέρει δηλαδή από αυτό στην μοριακή του δομή και ποιο συγκεκριμένα στους δεσμούς της. το κρυσταλλικό πυρίτιο, κάθε άτομο φτιάχνει ομοιοπολικούς δεσμούς με 4 γειτονικά του άτομα, παίρνοντας έτσι τετράεδρη κρυσταλλική δομή στο χώρο και επομένως το πλήθος των δεσμών που πραγματοποιούν με τα γειτονικά άτομα, είναι τέσσαρα. Αυτή η αυστηρή δομή δεν ισχύει για το άμορφο πυρίτιο. Τπάρχει μεν ομοιότητα στην ατομική σύνθεση, αφού τα περισσότερα άτομα πυριτίου φτιάχνουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τέσσερα γειτονικά άτομα, αλλά αυτή η 88

89 Φωτοβολταϊκά στοιχεία δομή δεν επαναλαμβάνεται σε όλο τον υλικό[49]. Οι μικρές αποκλίσεις στις γωνίες μεταξύ των δεσμών καθώς και στα μήκη τους, έχουν ως αποτέλεσμα την κατάρρευση του αυστηρού κρυσταλλικού πλέγματος. Όσο οι αποκλίσεις αυτές αυξάνονται, τόσο δημιουργούνται αδύναμοι δεσμοί που εύκολα καταστρέφονται και προκαλούν ατέλειες στο πλέγμα. το άμορφο πυρίτιο οι ατέλειες αφορούν κατά πλειοψηφία, άτομα πυριτίου που συνδέονται μόνο με τρία γειτονικά άτομα, αφήνοντας έτσι ελεύθερο ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο σχηματίζει έναν μετέωρο ή αιωρούμενο δεσμό. το καθαρό άμορφο πυρίτιο, όταν δηλαδή στο πλέγμα υπάρχουν μόνο άτομα πυριτίου,η συγκέντρωση των ατελειών (μετέωροι δεσμοί) είναι περίπου ανά. Ένα υλικό με τόσο μεγάλη συγκέντρωση ατελειών δεν μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί σε φωτοβολταϊκές εφαρμογές, αφού οι ατέλειες αυτές λειτουργούν ως κέντρα επανασύνδεσης των φωτοδιεγερμένων φορέων. Τπάρχει όμως η δυνατότητα το άμορφο πυρίτιο, να κατασκευαστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να καλυφθούν οι κενές θέσεις στα άτομα πυριτίου με τον ατελή δεσμό, εισάγοντας στο πλέγμα άτομα υδρογόνου. υμπληρώνοντας τους ατελείς δεσμούς με υδρογόνο (a- Si:H), μειώνεται η συγκέντρωση των σφαλμάτων στο - ανά, καθιστώντας το υλικό αυτό ικανό για ηλεκτρονικές εφαρμογές [49]. Μεταξύ των φωτοβολταϊκών στοιχείων c-si και a-si:h υπάρχει μία βασική διαφορά. Ένα συνηθισμένο φωτοβολταϊκό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου αποτελείται από ένα τμήμα p, πάχους 300μm έως 500μm, πάνω στο οποίο τοποθετείται ένα τμήμα n για να σχηματιστεί η δίοδος p-n. Η διέγερση των φορέων γίνεται στον όγκο του ηλεκτρικά ουδέτερου τμήματος p, απ όπου τα φωτοδιεγερμένα ηλεκτρόνια διαχέονται προς τη ζώνη εξάντλησης της διόδου και ολισθαίνουν προς το n τμήμα μέσω της επίδρασης του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. το υδρογονωμένο άμορφο πυρίτιο, τα μήκη διάχυσης των φορέων είναι πολύ μικρότερα. ε ένα ενδογενές τμήμα υδρογονωμένου άμορφου πυριτίου το μήκος διάχυσης είναι 0.1μm έως 0.3μm. τα νοθευμένα όμως τμήματα όπου η συγκέντρωση των ατελειών είναι πολύ μεγαλύτερη, το μήκος διάχυσης μειώνεται αισθητά. 89

90 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Μία δομή φωτοβολταϊκού στοιχείου βασισμένη στην διάχυση των φορέων μειονότητας στις ηλεκτρικά ουδέτερες νοθευμένες περιοχές, όπως στο κρυσταλλικό πυρίτιο, δεν θα ήταν αποδοτική. Όλοι οι φωτοδιεγερμένοι φορείς θα επανασυνδέονταν στους μετέωρους δεσμούς προτού φτάσουν στη ζώνη εξάντλησης της διόδου p-n λόγω του πολύ μικρού μήκους διάχυσης. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται η δομή p-i-n που αποτελείται από τρία τμήματα: ένα τμήμα p a-sic:h, ένα ενδογενές τμήμα a-si:h (i-layer) και ένα τμήμα n a-si:h. Σο πρώτο τμήμα (p a-sic:h) έχει συνήθως πάχος 10nm, το ενδογενές τμήμα (a-si:h) έχει πάχος nm και τέλος το πάχος του τρίτου τμήματος (n a-si:h) είναι 20nm. Σο ενδογενές τμήμα τοποθετείται ανάμεσα στα νοθευμένα τμήματα έτσι ώστε να δημιουργείται ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Σα ζεύγη των ηλεκτρονίων-οπών που δημιουργούνται εντός του i τμήματος υπό την επίδραση του πεδίου διαχωρίζονται και τα μεν ηλεκτρόνια ολισθαίνουν προς το τμήμα n ενώ οι οπές προς το τμήμα p, όπου συλλέγονται από τους εξωτερικούς ακροδέκτες. Έτσι, η βέλτιστη δομή ενός a-si:h είναι η ένωση p-i-n, η οποία έχει μια διάφανη αγώγιμη επαφή στο p τμήμα και μια ωμική επαφή στο n-τμήμα (εικόνα 42). το άμορφο πυρίτιο, το ενεργειακό διάκενο δεν έχει προκαθορισμένη σταθερή τιμή εξαιτίας της αταξίας του πλέγματος και των τεταμένων δεσμών μεταξύ των ατόμων, και η ζώνη σθένους και αγωγιμότητας επεκτείνονται με τις ζώνες ουράς εντός της απαγορευμένης ενεργειακής περιοχής. Επίσης, οι ατέλειες προκαλούν την εμφάνιση ενεργειακών καταστάσεων εντός της απαγορευμένης ενεργειακής ζώνης ανάμεσα στις ζώνες σθένους και αγωγιμότητας. Σα ηλεκτρόνια και οπές που βρίσκονται σε αυτές τις επιπλέον ενεργειακές καταστάσεις χαρακτηρίζονται από μειωμένη κινητικότητα. Έτσι στο a-si:h δεν ορίζεται το ενεργειακό διάκενο όπως στο c-si, αλλά ως η διαφορά των ενεργειακών καταστάσεων με μεγάλη διαφορά κινητικότητας φορέων. Σο ενεργειακό διάκενο κινητικότητας στο a-si:h είναι μεγαλύτερο από το ενεργειακό διάκενο του c-si και παίρνει τιμές στο εύρος 1.75eV έως 1.80eV. 90

91 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Δηθόλα 42: Γνκή ηππηθνύ Φ/Β ζηνηρείνπ άκνξθνπ ππξηηίνπ Σελουριούχο κάδμιο (CdTe) Σο τελουριούχο κάδμιο έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο 1eV το οποίο είναι πολύ κοντά στο μέγιστο του ηλιακού φάσματος, κάτι που του δίνει μεγάλα πλεονεκτήματα όπως το να απορροφά το 99 % της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8 %. το εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φτάσει στο 16 %. Μελλοντικά το κόστος του αναμένεται να πέσει αρκετά. Εμπόδιο για τη χρήση του αποτελεί το γεγονός ότι το κάδμιο, σύμφωνα με έρευνες, είναι καρκινογόνο, με αποτέλεσμα να προβληματίζει το ενδεχόμενο της εκτεταμένης χρήσης του. ημαντικότερη χρήση του είναι η ενθυλάκωσή του στο γυαλί ως δομικό υλικό, κατάλληλο για ενσωμάτωση στα κτίρια (BIPV Building integrated Photovoltaic) [34][39]. 91

92 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Δηθόλα 43: Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν CdTe Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Σο γάλλιο είναι ένα παραπροιόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων, όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και απο τον χρυσό. Σο αρσενικό δεν είναι σπάνιο αλλά έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Σο αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43 ev που είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Δηθόλα 44: Φσηνβνιηατθό ζηνηρείν Αξζεληθνύ Γάιιηνπ 92

93 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Η απόδοσή του στη μορφή πολλαπλών ενώσεων (multijunction) είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Σα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι ακόμα εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που σχεδόν επιβάλλει τη χρήση τους σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων (solar concentrators). Σα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν σε πολύ υψηλές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας και σε συνδυασμό με την υψηλή τους απόδοσης τα καθιστούν κατάλληλα για διαστημικές εφαρμογές. Σο μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs υποστρώματος [34],[36],[38] Πολυστρωματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία Μια ξεχωριστή κατηγορία φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι αυτά που αποτελούνται από στρώσεις υλικών διαφόρων τεχνολογιών HIT. Tα πιο γνωστά εμπορικά πολυστρωματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου (πάνω και κάτω), ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μια στρώση από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Σο μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου, που φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές το 17,2 %, κάτι που σημαίνει ότι χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Σα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν απόδοση 19,7 %. Άλλα πλεονεκτήματα για τα πολυστρωματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η υψηλή τους απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση όσο αφορά τη διαχεόμενη ακτινοβολία. Είναι λογικό τα φωτοβολταϊκά αυτά πλαίσια να είναι ακριβότερα σε σχέση με τα συμβατικά, αφού συγκεντρώνουν όλα τα παραπάνω πλεονεκτήματα [36],[39]. 93

94 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Δηθόλα 45: Πνιπζηξσκαηηθά θσηνβνιηατθά ζηνηρεία Ακολουθεί ένας συγκριτικός πίνακας των βασικών τεχνολογιών φωτοβολταϊκών στοιχείων [36]. Δηθόλα 46: πγθξηηηθόο πίλαθαο θσηνβνιηατθώλ ηερλνινγηώλ 94

95 Φωτοβολταϊκά στοιχεία 3.5 Υωτοβολταϊκό Υαινόμενο Με τον όρο Υωτοβολταϊκό φαινόμενο εννοούμε την άμεση μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική τάση, ή πιο κοινά ηλεκτρική ενέργεια. Για να ολοκληρωθεί το φαινόμενο αυτό, είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός ηλιακού στοιχείου ή αλλιώς διόδων ενός ημιαγωγού με τη μορφή ενός δίσκου με p-n ένωση που εκτείνεται σε όλο το πλάτος του, και φυσικά η ύπαρξη ηλιακής ακτινοβολίας [34],[37],[43],[44]. Όταν το ηλιακό φως, που αποτελείται από πακέτα ενέργειας (φωτόνια), προσπίπτει σε κάποιο ηλιακό στοιχείο, τα πακέτα με ενέργεια μεγαλύτερη ή ίση από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού που χρησιμοποιούμε, απορροφούνται σε μορφή χημικού δεσμού και ελευθερώνουν ηλεκτρόνια. Κατ αυτόν τον τρόπο και για όση ώρα διαρκεί η ηλιακή ακτινοβολία, δημιουργείται ένα περίσσευμα από ζεύγη φορέων, εκτός των συγκεντρώσεων που αντιστοιχούν σε συνθήκες ισορροπίας. Οι φορείς που δημιουργούνται, ενώ κυκλοφορούν στο στερεό, υπάρχει περίπτωση να βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n όπου και θα δεχθούν την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού της πεδίου. Ύστερα από αυτή την διαδικασία τα ηλεκτρόνια που ελευθερώθηκαν, εκτρέπονται προς το n τύπου τμήμα, ενώ οι οπές εκτρέπονται προς το p τύπου τμήμα, δημιουργώντας έτσι διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Η διαφορά δυναμικού που δημιουργήθηκε με τον παραπάνω τρόπο ανάμεσα στις δύο όψεις του ηλιακά φωτιζόμενου στοιχείου και η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Σο φαινόμενο αυτό αποτελεί ουσιαστικά μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, η οποία διαρκεί όσο διαρκεί και η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου μας. 95

96 Φωτοβολταϊκά στοιχεία την παρακάτω εικόνα (εικόνα 47) [44] απεικονίζεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο σε ένα ηλιακό στοιχείο. Σα φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται το ηλιακό στοιχείο στην n-τύπου όψη του, παράγουν τα ζεύγη φορέων (ηλεκτρόνια και οπές). Ορισμένοι από αυτούς τους φορείς διαχωρίζονται από την επίδραση που δέχονται από το υπάρχον πεδίο της διόδου που χρησιμοποιείται. Δηθόλα 47: Απεηθόληζε θσηνβνιηατθνύ θαηλνκέλνπ ζε ειηαθό ζηνηρείν Εκτρέπονται λοιπόν προς τα εμπρός όταν πρόκειται για τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, ή προς τα πίσω όταν πρόκειται για τις οπές. Η κίνηση αυτή των φορέων έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία διαφοράς δυναμικού και επομένως τη δημιουργία ρεύματος, ανάμεσα στις δυο όψεις του ηλιακού μας στοιχείου. Οι φορείς που δεν προλαβαίνουν να φτάσουν σε καμία από τις δύο όψεις, επανασυνδέονται και εξαφανίζονται. Μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας είτε ανακλάται από το ηλιακό στοιχείο, είτε διέρχεται από αυτό χωρίς να απορροφηθεί έως ότου συναντήσει το πίσω ηλεκτρόδιο. 96

97 Φωτοβολταϊκά στοιχεία 3.6 Η απορρόφηση της ακτινοβολίας στα φωτοβολταϊκά στοιχεία Όπως αναφέρθηκε στην παραπάνω παράγραφο, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν μπορούν να μετατρέψουν όλη την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνειά τους σε ηλεκτρική ενέργεια. Αρχικά ένα ποσοστό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ανακλάται στην επιφάνεια του φ/β στοιχείου και διαχέεται προς το περιβάλλον. Ακόμα και από την ακτινοβολία που θα διεισδύσει στον ημιαγωγό όμως, ένα μέρος της δεν μπορεί να απορροφηθεί. Πρόκειται για τα φωτόνια που μεταφέρουν ενέργεια μικρότερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού και για τα οποία η φ/β κυψέλη συμπεριφέρεται σαν ένα διαφανές σώμα. Η αντίστοιχη ακτινοβολία λοιπόν, θα απορροφηθεί και τελικά θα θερμάνει το μεταλλικό ηλεκτρόδιο που καλύπτει την πίσω όψη του ημιαγώγιμου υλικού του στοιχείου, αφού πρώτα το διαπεράσει άθικτη. Ακόμα όμως και από τα φωτόνια που τελικά απορροφά ο ημιαγωγός, στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου, συμβάλλει μόνο το μέρος της ενέργειας τους που ισούται με το ενεργειακό διάκενο. Σο υπόλοιπο μέρος μεταφέρεται σαν κινητική ενέργεια στο ηλεκτρόνιο που ελευθερώνεται από το δεσμό και χάνεται με την μορφή θερμικών απωλειών από την πίσω όψη του στοιχείου. Αποδεικνύεται πως η αύξηση της θερμοκρασίας σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο επιδρά με αρνητικό τρόπο στην απόδοση που τελικά θα έχει [34]. Η ενέργεια ενός φωτονίου E συνδέεται με τη συχνότητα της ακτινοβολίας v και με το μήκος κύματος, με τις σχέσεις: hv E hv (3.1) όπου h είναι η σταθερά δράσης του Planck ( h = 6, Js ) και c η ταχύτητα του φωτός ( c = m/ s). Εάν λοιπόν το ενεργειακό διάκενο 97

98 Φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι σε μονάδες ηλεκτροβόλτ ( ev ) και το μήκος του κύματος σε μικρόμετρα (μm), τότε το μέγιστο χρησιμοποιήσιμο μήκος κύματος του ημιαγωγού με ενεργειακό διάκενο E g θα είναι: 1,238 (3.2) g E g Θεωρώντας τώρα ότι διεισδύει μια μονοχρωματική δέσμη ακτινοβολίας από όμοια φωτόνια ενέργειας hv στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού, όπου η πρώτη έχει ροή που ισούται με H μονάδες ισχύος ανά μονάδα επιφάνειας. Αυτή η ροή των φωτονίων ( ), όπου με τον όρο ροή εννοούμε το πλήθος των φωτονίων ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου, θα ισούται με: H H (3.3) hv hv Είναι προφανές από την παραπάνω εξίσωση ότι διατηρώντας σταθερή ένταση Η, η ροή Υ είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ενέργεια των φωτονίων ή αλλιώς αυξάνει γραμμικά με το λ. υμβολίζοντας με 0 την αρχική τιμή της ροής των φωτονίων στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού, με χ την απόσταση που διανύει η ακτινοβολία μέσα στον ημιαγωγό (αρχίζοντας από τη στιγμή της πρόσπτωσης στην επιφάνεά του) και με Υ(χ) την τιμή της ροής των φωτονίων (το πλήθος των φωτονίων που δεν έχουν απορροφηθεί ακόμα) στο βάθος αυτό. Σο πόσο εύκολα απορροφώνται τα φωτόνια από τον ημιαγωγό που έχει επιλεγεί για το φωτοβολταϊκό στοιχείο, ορίζεται από το ρυθμό μεταβολής της ροής φωτονίων, ως προς την αύξηση της απόστασης που έχει να διανύσει η ακτινοβολία. Ο ρυθμός αυτός έχει αρνητική τιμή αφού με την αύξηση του χ έχουμε μείωση της και είναι ανάλογος με τη συγκεκριμένη τιμή της στο βάθος χ, δηλαδή με τη ( ). Ισχύει λοιπόν: 98

99 Φωτοβολταϊκά στοιχεία d a ( x) (3.4) dx όπου α ο συντελεστής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας και δίνεται σε αντίστροφες μονάδες μήκους. Η Υ(χ) για χ=0 παίρνει την τιμή Υ (0) και η λύση της παραπάνω διαφορικής εξίσωσης που ονομάζεται και νόμος του Μπερ, είναι: ( x) (0)exp( ax) (3.5) υνδυάζοντας τις δύο παραπάνω εξισώσεις προκύπτει εύκολα ότι: d exp( ) 0 ax (3.6) dx Ερμηνεύοντας την παραπάνω εξίσωση καταλαβαίνουμε ότι ο ρυθμός απορρόφησης των φωτονίων και επομένως της δημιουργίας των φορέων από την ακτινοβολία που προσπίπτει στον ημιαγωγό, είναι μεγαλύτερος όσο πιο κοντά στην επιφάνειά του και μειώνεται με εκθετικό τρόπο όσο απομακρύνεται από αυτήν. 3.7 Υωτόρευμα Όπως αναλύθηκε παραπάνω, η απορρόφηση της ακτινοβολίας στα φωτοβολταϊκά στοιχεία γίνεται υπό κάποιες προϋποθέσεις. Μόνο τα φωτόνια που μεταφέρουν ενέργεια μεγαλύτερη ή ίση από αυτή του ενεργειακού διάκενου του ημιαγωγού θα απορροφηθούν από το υλικό παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Σο ρεύμα αυτό ονομάζεται φωτόρευμα I του στοιχείου, η 99

100 Φωτοβολταϊκά στοιχεία τιμή του είναι ανάλογη των φωτονίων που απορροφώνται από αυτό. Η πυκνότητα του φωτορεύματος ορίζεται από τη σχέση: I eg( L n Lp) (3.7) όπου e είναι το στοιχειώδες φορτίο του ηλεκτρονίου, g είναι ο ρυθμός με τον οποίο δημιουργούνται τα ζεύγη φορέων από τα φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας (δηλ. ο αριθμός των ζευγών ηλεκτρονίων - οπών ανα μονάδα χρόνου και μονάδα όγκου του ημιαγωγού) και L n, διάχυσης των ηλεκτρονίων και των οπών αντίστοιχα [34]. L p είναι τα μέσα μήκη Για να ισχύει ο ισχυρισμός πως ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι καλό και αποτελεσματικό θα πρέπει τα χαρακτηριστικά του να μεγιστοποιούν την παραπάνω σχέση. Αυτό πρακτικά σημαίνει πως η ένωση n-p βρίσκεται σε κατάλληλη απόσταση απο την όψη του στοιχείου και συγχρόνως ότι είναι αρκετά μεγάλη η μέση διάρκεια ζωής των φορέων μειονότητας στον ημιαγωγό που έχει επιλεγεί για την κατασκευή του φ/β στοιχείου. Για τον υπολογισμό του φωτορεύματος, η φασματική απόκριση S είναι ένα χρήσιμο μέγεθος και ορίζεται από το πήθος των φορέων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του φωτοβολταϊκού στοιχείου ως προς τη φωτονική ροή Υ (δηλ. το πλήθος των φωτονίων της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται το στοιχείο ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου). Επομένως για μία ακτινοβολία μήκους λ, η φασματική απόκριση S(λ) θα είναι: I S( ) (3.8) e ( ) όπου Υ(λ) είναι ο αριθμός των φωτονίων με ενέργεια που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος από έως d και επομένως το συνολικό φωτορεύμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου όταν δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία προσδιορίζεται από τη σχέση: 100

101 Φωτοβολταϊκά στοιχεία g I e S( ) ( ) d (3.9) 0 Σελικά όμως η τιμή της φασματικής απόκρισης και επομένως του φωτορεύματος ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, είναι άμεσα εξαρτώμενη από πολλά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά, όπως ο συντελεστής απορρόφησης καθώς και το πάχος του ημιαγωγού, το πλήθος των επανασυνδέσεων των φορέων κλπ. Ο παραπάνω τύπος διαφοροποιείται όταν το ποσοστό της ακτινοβολίας που ανακλάται στην επιφάνεια του στοιχείου δεν είναι αμελητέο. (3.10) 0 I e S( )[1 R( )] ( ) d 0 όπου R( ) ο συντελεστής ανάκλασης για ακτινοβολία μήκους κύματος. 3.8 Σα Ηλεκτρικά Φαρακτηριστικά των Υωτοβολταϊκών Η εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και γενικότερα της λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου θα γίνει θεωρώντας ένα πιο απλοποιημένο κύκλωμα όπως αυτό που απεικονίζεται παρακάτω. Πρόκειται ουσιαστικά για μια πηγή ρεύματος που ελέγχεται από μία δίοδο. Όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, η τάση που αναπτύσσεται ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, προκαλούν ένα αντίθετο ρεύμα που εννοείται ως φωτόρευμα [34]. Για το παραπάνω κύκλωμα που περιγράφηκε ισχύει ο παρακάτω τύπος: I ev I0 [exp( ) 1] (3.11) kt 101

102 Φωτοβολταϊκά στοιχεία από την οποία προκύπτει πως η τιμή της τάσης του στοιχείου V oc (open-circuit voltage) όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό είναι ίση με: V oc kt I ln( 1) e 0 (3.12) Δικόνα 48: Απλοποιημένο ιζοδύναμο ηλεκηρικό κύκλωμα ενός θωηοβοληαϊκού ζηοιτείοσ Κατά τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού στοιχείου, η τιμή του I είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από το I0 και επομένως η παραπάνω σχέση απλοποιείται στην παρακάτω V oc kt I ln e 0 (3.13) που δείχνει τη μεταβολη με λογαριθμικό τρόπο της τάσης του ανοιχτού κυκλώματος σε συνάρτηση με το φωτορεύμα, δηλαδή την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο. ε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, που πρόκειται για μια ακραία περίπτωση, το ρεύμα Isc(short-circuit current) θα ισούται με το παραγόμενο φωτόρευμα και επομένως: 102

103 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Isc I (3.14) Εάν όμως κλείσει το κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου με τη χρήση μιας εξωτερικής αντίστασης RL (load resistance), το ρεύμα θα πάρει μια μικρότερη τιμή IL που προσδιορίζεται από το αποτέλεσμα της εξίσωσης: ei LRL IL I I0 [exp( ) 1] (3.15) kt την περίπτωση που η αντίσταση πάρει τέτοια τιμή για την οποία το φωτοβολταϊκό στοιχείο θα παράγει μέγιστη ισχύ, η τάση V m του κυκλώματος θα πάρει την βέλτιστη τιμή που δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: I m m 1 (1 ev )exp( ev ) I kt kt (3.16) υντελεστής Πλήρωσης Ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι ο συντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) και πρόκειται για το λόγο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος Pm=ImVm ως προς το γινόμενο του ρεύματος βραχυκύκλωσης Isc και της τάσης όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό V oc. Ο συντελεστής πλήρωσης δίνεται απο τη σχέση: FF IV I V m m (3.17) sc oc 103

104 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Πρόκειται ουσιαστικά για το λόγο των εμβαδών του μέγιστου ορθογωνίου που μπορεί να εγγραφεί στη χαρακτηριστική καμπύλη I-V του στοιχείου σε συνθήκες ηλιακής ακτινοβόλησης, ως προς το εμβαδό του ορθογωνίου που ορίζεται από τις τιμές Voc και Isc [34],[47]. Δηθόλα 49: Υαξαθηεξηζηηθή θακπύιε I-V ελόο θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ Για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς και της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων και ουσιαστικά στον καθορισμό της απόδοσής τους, παίζουν μεγάλο ρόλο οι τρείς παράμετροι FF, I sc και V oc που αναφέρθηκαν παραπάνω. Μπορούμε λοιπόν πλέον να ορίσουμε τον συντελεστή απόδοσης των στοιχείων η, με χρήση της σχέσης: P I V FF I V H A H A H A m m m sc oc (3.18) όπου H είναι η ένταση (πυκνότητα ισχύος) της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού στοιχείου με εμβαδόν A. Όπως είναι προφανές για να πετύχουμε αυξημένη απόδοση, θα πρέπει οι τιμές των FF, I sc και V oc να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερες. 104

105 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Θα ισχύει λοιπόν και η σχέση: ( Eg) V E m (3.19) όπου ( ) είναι η ροή των φωτονίων με ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, Υ είναι η συνολική ροή φωτονίων στην ακτινοβολία που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό στοιχείο και Eμ είναι η μέση ενέργεια των φωτονίων της ακτινοβολίας. Εάν υπολογιστεί πρόχειρα ότι περίπου τα 2/3 των φωτονίων της προσπίπτουσας ακτινοβολίας έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του πυριτίου (1,1 ev) και ότι η Vm των φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου είναι περίπου ίσο με το 1/3 της Eμ της ηλιακής ακτινοβολίας, τότε προκύπτει η παρακάτω θεωρητική απόδοση: % (3.20) 3 3 Σέλος αξίζει να σημειωθεί ότι η σύσταση της ακτινοβολίας επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το συντελεστή απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Αποδοτική Λειτουργία των Υωτοβολταϊκών τοιχείων σε ταθερές υνθήκες Σα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι κάτι διαφορετικό από πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Παρ όλα αυτά η συμπεριφορά τους είναι ασυνήθιστη και αρκετά ιδιόμορφη σε σχέση με τις περισσότερες κοινές ηλεκτρικές πηγές, οι οποίες στην περιοχή της κανονικής τους λειτουργίας κρατούν περίπου 105

106 Φωτοβολταϊκά στοιχεία σταθερή τάση. Σα φωτοβολταϊκά στοιχεία αντίθετα μεταβάλλουν ριζικά και όχι γραμμικά την τάση τους σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος που δίνουν στο κύκλωμα, ακόμα και αν η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτά παραμένει σταθερή. Για ένα κύκλωμα φωτοβολταϊκού στοιχείου ισχύει πως όταν το πρώτο βρίσκεται σε βραχυκυκλωμένη κατάσταση και επομένως η αντίσταση είναι μηδενική, η τιμή της έντασης του ρεύματος Isc παίρνει τη μέγιστη τιμή ενώ η τάση μηδενίζεται. Όταν όμως η τιμή της αντίστασης τείνει να απειριστεί, η ένταση του ρεύματος μηδενίζεται ενώ η τάση Voc παίρνει μέγιστη τιμή. Αυτό σημαίνει πως και στις δύο καταστάσεις, τόσο στη βραχυκυκλωμένη όσο και στην ανοιχτοκυκλωμένη, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς του στοιχείου ισούται με το μηδέν. Αυτό συμβαίνει αφού εξ ορισμού η ισχύς είναι το γινόμενο μεταξύ της έντασης και της τάσης (P=I*V) και στις δύο παραπάνω περιπτώσεις μηδενίζεται είτε η τάση είτε η ένταση. Όταν οι συνθήκες της ηλιακής ακτινοβολίας παραμένουν σταθερές ενώ στο κύκλωμα μεταβάλλονται οι τιμές της αντίστασης ανάμεσα στις δύο παραπάνω ακραίες καταστάσεις, η τάση και η ένταση του κυκλώματος παίρνουν ενδιάμεσες τιμές όπως φαίνεται και στο παρακάτω διάγραμμα. Κατ επέκταση μεταβάλλεται με ομαλό τρόπο και η παραγόμενη ισχύς του στοιχείου, αγγίζοντας τη μέγιστη Pm σε ένα ορισμένο συνδυασμό τιμών για την τάση Vm και την ένταση Im. Ο συντελεστής απόδοσης όμως ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου καθορίζεται απο το παραπάνω ζεύγος τάσης και έντασης ρεύματος καθώς και από τις τιμές των Voc και Isc. Αυτό πρακτικά σημαίνει πως είναι πολύ σημαντικό, η αντίσταση του κυκλώματος που τροφοδοτεί ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, να έχει κατάλληλη τιμή, τέτοια ώστε σε συγκεκριμένες συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας, το στοιχείο να παράγει την μεγαλύτερη δυνατή ηλεκτρική ισχύ. 106

107 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Δηθόλα 50: Γξάθεκα έληαζεο, Ηζρύνο Σάζεο ελόο θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ την εικόνα 50 η καμπύλη με τους ρόμβους αναπαριστά τη μεταβολή της τάσης (V) σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος (I) που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο πυριτίου, με σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας αλλά για μεταβαλλόμενη αντίσταση για το κύκλωμα ανάμεσα στο μηδέν (με V=0) και το άπειρο (με I=0) [34],[45]. Η καμπύλη με τα τετράγωνα απεικονίζει την αντίστοιχη μεταβολή της ισχύος που παράγεται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο Αποδοτική Λειτουργία των Υωτοβολταϊκών τοιχείων σε Μεταβαλλόμενες υνθήκες Ένας παράγοντας που επιδρά σε μεγάλο βαθμό αρνητικά στην απόδοση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του [34]. Αυτό 107

108 Φωτοβολταϊκά στοιχεία συμβαίνει γιατί η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί και αντίστοιχη αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων του ημιαγωγού και αυτό έχει ως αποτέλεσμα να πραγματοποιούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων. Έτσι λοιπόν, δημιουργείται ισχυρότερο ρεύμα διαρροής διαμέσου της διόδου που συνεπάγεται άμεση μείωση της Voc και του FF. Παράλληλα, μειώνεται και η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου όπως απεικονίζεται στο εικόνα 51. Δηθόλα 51: Σππηθή θακπύιε απόδνζεο θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ άκνξθνπ ππξηηίνπ ζε ζπλάξηεζε κε ηε ζεξκνθξαζία ηνπ. Ζ απόδνζε ηνπ ζηνηρείνπ δίλεηαη ζε ζρέζε κε ηελ απόδνζή ηνπ ζηε ζπκβαηηθή Θεξκνθξαζία ησλ 20νC. Ζ θιίκαθα ηεο ζεξκνθξαζίαο ζηνλ νξηδόληην άμνλα είλαη ι Όσα περιγράφονται παραπάνω αφορούν τις περιπτώσεις που το φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται ακτινοβολία σταθερής ισχύος και θερμοκρασίας. Παρ όλα αυτά, από το παρακάτω διάγραμμα (εικόνα 52) είναι εμφανές πως όταν έχουμε μεταβολή της πυκνότητας της ισχύος, έχουμε και αντίστοιχη μεταβολή στην ανοιχτοκυκλωμένη τάση και στην βραχυκυκλωμένη ένταση του ρεύματος, που παίρνουν τιμές από το μηδέν 108

109 Φωτοβολταϊκά στοιχεία όταν πρόκειται για σκοτάδι, μέχρι τις μέγιστες δυνατές τιμές τους όταν η ηλιακή ακτινοβολία έχει τη μέγιστη ένταση. Παράλληλα όμως η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί ουσιαστική μείωση στην ανοιχτοκυκλωμένη τάση του φωτοβολταϊκού στοιχείου και έτσι γίνεται δύσκολη η διατήρηση της βέλτιστης παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος του κατά τη διάρκεια τόσο της ημέρας όσο και των εποχών του έτους. Δηθόλα 52: Γηάγξακκα αλνηρηνθπθισκέλεο ηάζεο, βξαρπθπθισκέλεο έληαζεο σο πξνο ηελ ππθλόηεηα ηεο αθηηλνβνιίαο το παραπάνω διάγραμμα είναι ορατή η μεταβολή της ανοιχτοκυκλωμένης τάσης (Voc) και της βραχυκυκλωμένης έντασης του ρεύματος (Isc) ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου σε συνάρτηση με την ισχύ της ακτινοβολίας (H) που δέχεται ανά μονάδα της επιφάνειας του [35],[48]. 109

110 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Δηθόλα 53: Κακπύιεο έληαζεο ηάζεο Από το διάγραμμα της εικόνας 53 γίνεται εμφανές ότι για διαφορετικές πυκνότητες της ακτινοβολίας, δημιουργείται ένα σύνολο μετατοπισμένων καμπυλών έντασης - τάσης [34],[46]. Σο παραπάνω γράφημα ισχύει για διαφορετικές συνθήκες ακτινοβολίας αλλά για σταθερή τιμή αντίστασης του κυκλώματος. Γίνεται εμφανές λοιπόν ότι η κατάλληλη αντίσταση του συστήματος για συγκεκριμένα Ι,V έτσι ώστε να υπάρχει μέγιστη παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από το φωτοβολταϊκό στοιχείο, είναι εντελώς ακατάλληλη για όλες τις υπόλοιπες συνθήκες ακτινοβολίας αφού η γραμμή μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος τέμνει τις καμπύλες Ι,V σε διαφορετικά μεταξύ τους σημεία. Παράλληλα η ένταση του ρεύματος που παρέχεται στο κύκλωμα από το φωτοβολταϊκό στοιχείο, είναι σχεδόν ανάλογη της ποσότητας της ακτινοβολίας που δέχεται αυτό και αυτό συμβαίνει λόγω της πολύ μικρής τιμής που έχει το ανάστροφο ρεύμα κόρου Ι0. Από τις διάφορες καμπύλες I,V βγάζουμε το συμπέρασμα ότι η μεταβολή της αντίστασης του κυκλώματος δεν επηρεάζει σχεδόν καθόλου την ένταση του ρεύματος, η οποία παραμένει περίπου σταθερή για το μεγαλύτερο τμήμα του διαγράμματος, ενώ αντίθετα μεταβάλλεται ουσιαστικά η τάση του. Σο φωτοβολταϊκό στοιχείο λοιπόν συμπεριφέρεται σε μεγάλο βαθμό σαν πηγή περίπου σταθερού ρεύματος με μόνη προϋπόθεση τη σταθερότητα της πυκνότητας ακτινοβολίας. 110

111 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Σο συμπέρασμα που μπορούμε να εξάγουμε από όλα τα παραπάνω είναι πως η λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου καθώς και η ποσότητα της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειάς του, εξαρτώνται από τρεις μεταβλητούς παράγοντες, την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, τη θερμοκρασία του στοιχείου και την αντίσταση του κυκλώματος. Είναι προφανές πως κατά το σχεδιασμό και τη λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, κύρια επιδίωξη είναι να παίρνουν οι παράγοντες αυτοί τις πιο ευνοϊκές τιμές, έτσι ώστε να γίνεται όσο το δυνατόν μεγαλύτερη παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, όσο επιτρέπει ο συντελεστής απόδοσης των στοιχείων. 111

112 Πειραματικό Μέρος Κεφάλαιο 4 ο

113 Πειραματικό Μέρος 4.1 Πειραματική Διάταξη Όλο το πειραματικό εγχείρημα αποσκοπούσε στη μελέτη της συμπεριφοράς ενός φωτοβολταικού πλαισίου άμορφου πυριτίου. Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για το σκοπό αυτό ήταν τοποθετημένη στην ταράτσα του κτηρίου του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Σεχνολογίας Τπολογιστών. Οι μετρήσεις που πάρθηκαν ήταν σε πραγματικό χρόνο και κατέγραφαν τιμές για ισχύ, τάση, ρεύμα, ηλιακή ακτινοβολία και θερμοκρασία πλαισίου υπό ορισμένη κλίση για διαφορετικές ώρες της ημέρας με διαφορές της τάξης των 5 ή 10 λεπτών ανάλογα με την περίοδο καταμέτρησης και τις απαιτήσεις των οργάνων για καλύτερη δυνατή καταγραφή. Σο ηλεκτρολογικό σχέδιο της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις παρουσιάζεται στην εικόνα 54, ενώ στις εικόνες 55 και 56 μπορούμε να δούμε φωτογραφία της πραγματικής διάταξης εν λειτουργία Εικόνα 54: Ηλεκτρολογικό ςχζδιο πειραματικήσ διάταξησ 113

114 Πειραματικό Μέρος Εικόνα 55: PVPM 2540C Εικόνα 56: Πλαίςιο άμορφου πυριτίου 114

115 Πειραματικό Μέρος Όργανα και υνδεσμολογία Για τη μέτρηση και την καταγραφή των τιμών χρησιμοποιήθηκαν τα εξής όργανα: 1. Για την ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιήθηκε φωτοβολταϊκός αισθητήρας τύπου ηλιακού κυττάρου που χρησιμοποιείται στην αναφορά για την μέτρηση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Ο αισθητήρας τοποθετήθηκε με ίδια κλίση με τη βάση του πλαισίου μας για να λαμβάνει την ίδια ένταση ακτινοβολίας με το πάνελ μας. 2. Για την μέτρηση των τιμών χρησιμοποιήθηκε η συσκευή PVPM 2540C (διακρίνεται στην εικόνα 55 αριστερά) η οποία κατέγραφε τις χαρακτηριστικές I-V του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου. Σο pvpm μπορεί να υπολογίσει ισχύ αιχμής P, την αντίσταση σειράς Rs και την παράλληλη αντίσταση Rp. τη συσκευή αυτή συνδεόταν ο φωτοβολταϊκός αισθητήρας και ένα ακόμα θερμόμετρο έτσι ώστε να μπορεί να καταγράφει και τις τιμές ακτινοβολίας και θερμοκρασίας πλαισίου σε κάθε δεδομένη στιγμή. Μετά από κάθε μέτρηση εμφανίζει όλα τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της διάταξης όπως τάση σε συνθήκες μέγιστη ισχύος Vpmax, το ρεύμα μέγιστης ισχύος Ipmax, την μέγιστη ισχύ Pmax, την τάση ανοιχτοκυκλώματος Voc, το ρεύμα βραχυκυκλώσεως Isc, τη θερμοκρασία πλαισίου Tmod και την ένταση ηλιακής ακτινοβολίας Eff. Όλα αυτά τα δεδομένα αποθηκεύονταν στον εσωτερικό σκληρό και μπορούν να μεταφερθούν σε υπολογιστή για περαιτέρω ανάλυση. 3. Διακόπτης για σύνδεση μεταξύ πλαισίου και PVPM για προστασία του πλαισίου από υπερτάσεις 4. Ένα PC για την μεταφορά των δεδομένων από το PVPM ή για την κατευθείαν αποθήκευσή τους σε αυτόν 5. Και τέλος το φωτοβολταϊκό πλαίσιο τύπου Schott Solar Gmbh ASi-F 32/12. Φαρακτηριστικά αυτού του πλαισίου φαίνονται στον πίνακα 2: 115

116 Πειραματικό Μέρος Χαρακτηριςτικά Ονομαςτικήσ Ιςχφσ Τάςη MPP Ρεφμα MPP Ρεφμα Βραχυκυκλώςεωσ Τάςη Ανοιχτοφ Κυκλώματοσ Απόδοςη Βάροσ Μζγιςτη Τάςη Συςτήματοσ φμβολο Pm Vpm Ipm Isc Voc θ Vmax Σιμή 32 W 16,8 V 1,9 A 2,5 A 22,8 V 5,3 % 6,2 Kg 600 V Πίνακασ 2: Χαρακτηριςτικά ΦΒ πλαιςίου a-si Σέλος χρησιμοποιήθηκε και το πρόγραμμα PV Sol Expert στο εργαστήριο μέσω του οποίου πήραμε μετρήσεις για τις θεωρητικές τιμές ισχύος ενός φωτοβολταικού πλαισίου με ανάλογα χαρακτηριστικά με το δικό μας για ημερομηνίες και κλίση πλαισίου ίδιες με αυτές των μετρήσεων και για καιρικές συνθήκες που επικρατούσαν στην Πάτρα κατά μέσο όρο από το 1980 έως το Διαδικασία Μετρήσεων Η μελέτη μας είχε ως κύριο σκοπό τη καταγραφή των φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών ενός πλαισίου άμορφου πυριτίου για μια διάρκεια περί των οκτώ μηνών και τη σύγκριση με θεωρητικές/αναμενόμενες τιμές που λάβαμε μέσω simulation. Οι μήνες παρακολούθησης ήταν από τον Υεβρουάριο μέχρι τον επτέμβριο του το χρονικό διάστημα αυτό μπορούμε να έχουμε ακτινοβολίες από 100W/m2 μέχρι και 1100W/m2 και θερμοκρασίες περιβάλλοντος από 5 έως 400C. Οι μετρήσεις ξεκινούσαν πρωινές ώρες περίπου από τις 8h και διαρκούσαν μέχρι το απόγευμα στις 17h ή 18h η ώρα. Σο πλαίσιο είχε τοποθετηθεί σε σταθερό στήριγμα σε γωνία 38ο, ίση δηλαδή με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Οι μετρήσεις καταγράφονταν άλλες φορές κάθε λεπτό και άλλες φορές κάθε 5 λεπτά ανάλογα την εποχή και τις καιρικές συνθήκες. ε καταστάσεις έντονης αλλαγής οι προσπάθειες ήταν οι μετρήσεις να είναι όσο 116

117 Πειραματικό Μέρος το δυνατόν πιο πυκνές. ε περιπτώσεις μερικής συννεφιάς εμφανίζονταν έντονες αυξομειώσεις στις τιμές του ρεύματος βραχυκυκλώσεως. 4.2 Μετρήσεις το κεφάλαιο αυτό, θα παραθέσουμε μετρήσεις των φωτοβολταϊκών παραμέτρων του πλαισίου μας από τον μήνα Υεβρουάριο μέχρι επτέμβριο. υγκεκριμένα θα παρουσιάσουμε αναλυτικά την μέγιστη Ισχύ P κατά τη διάρκεια της κάθε ημέρας μέτρησης με ταυτόχρονη απεικόνιση και της ακτινοβολίας, τις χαρακτηριστικές I-V του πλαισίου, τον συντελεστή πλήρωσης FF και τον συντελεστή απόδοσης η της ημέρας μαζί με τη θερμοκρασία πλαισίου ανά ημέρα μέτρησης. Σέλος θα υπολογίσουμε θεωρητικά μέσω simulation που επιτεύχθηκε με τη βοήθεια του προγράμματος PV Sol στο εργαστήριο, την ισχύ που θα παρήγαγε το αντίστοιχο φωτοβολταϊκό πλαίσιο άμορφου πυριτίου για τους ίδιους μήνες παρακολούθησης καθώς και τον συντελεστή απόδοση η και ισχύος P για ένταση ηλιακής ακτινοβολίας 300 W/m W/m W/m Φειμερινές μετρήσεις Θέλοντας να έχουμε μια ενδεικτική τιμή για χειμωνιάτικες αποκρίσεις του πλαισίου μας, αποφασίσαμε να ξεκινήσουμε να καταγράφουμε αποτελέσματα από τον Υεβρουάριο του Η πρώτη βδομάδα του Υεβρουαρίου υπήρξε μια από τις πιο βροχερές όλου του χρόνου με 117

118 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος αποτέλεσμα κάθε προσπάθεια για μέτρηση να είναι και ανώφελη και απαγορευτική. Οι επόμενες δύο εβδομάδες όμως μπορούνε να περιγραφούνε ως ανοιξιάτικες και την τρίτη βδομάδα του Υεβρουαρίου, πήραμε την πρώτη μέτρησή μας Φεβρουάριος Α) Μέγιστη Ισχύς P και Ακτινοβολία Όντας μια αρκετά ηλιόλουστη μέρα που άγγιζε και τους 20 βαθμούς κελσίου το μεσημέρι, οι μετρήσεις μας ήταν αρκετά υψηλές. Η μέγιστη καταγεγραμμένη ισχύς όπως φαίνεται στο διάγραμμα 5 είναι 24,9W στις 12h το μεσημέρι και η χαμηλότερη 3W στις 8h το πρωί ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ώρεσ ημζρασ Pmax Eeff Διάγραμμα 5: Μεταβολή τησ ιςχφοσ ςτη διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Φεβρουαρίου) τα διαγράμματα ισχύος έχει προστεθεί και η ηλιακή ακτινοβολία που επικρατούσε κατά τη διάρκεια της ημέρας ώστε να γίνει άμεση σύγκριση και 118

119 Ενταση (A) Πειραματικό Μέρος να παρατηρηθεί και πρακτικά η αναλογία που επικρατεί με την μέγιστη ισχύ που παράγει το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Ξέρουμε ότι η μέγιστη ισχύς δίνεται από τον τύπο Pm=ImVm, άρα όσο μεγαλώνει το ρεύμα τόσο μεγαλώνει και η ισχύς. Η σχέση όμως του φωτορεύματος (όπως έχει παρουσιαστεί και στο προηγούμενο κεφάλαιο) είναι g I e S( ) ( ) d όπου λ το μήκος κύματος, 0 S η φασματική απόκριση και Φ(λ) είναι το πλήθος των φωτονίων. Άρα περισσότερη ακτινοβολία συνεπάγεται περισσότερα φωτόνια που σημαίνει περισσότερο φωτόρευμα και μεγαλύτερο Im. B) Φαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) το διάγραμμα 6 παρατηρούμε ότι το ρεύμα Isc του πλαισίου κυμαίνεται από 0,23Α στις 8h το πρωί μέχρι 2,09Α στις 1h το μεσημέρι ενώ η τάση Voc έχει μικρότερη αύξηση, από 21,2V έως 22,9V. 2,5 I-V Φεβρουαρίου 2 1,5 1 0,5 I στις 8:00 Ι στις 9:00 I στις 10:00 I στις 11:00 I στις 12:00 I στις 13: Τάση (V) Διάγραμμα 6: Χαρακτηριςτική I-V διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Φεβρουαρίου) 119

120 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος Γ) υντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) Ο συντελεστής αυτός κυμαίνεται από 63% στις 8h το πρωί μέχρι 53% στις 2h το μεσημέρι. τα διαγράμματα του FF προσθέσαμε και τη μέγιστη ισχύ του πλαισίου μας γιατί όπως θα παρατηρήσουμε ξεκινώντας από το διάγραμμα 7, οι δύο αυτές καμπύλες ακολουθούνε μια αντίθετη πορεία. Η αύξηση δηλαδή της μέγιστης ισχύος επηρεάζει άμεσα τον fill factor μειώνοντας τον. 30 0, , , ,58 0,56 Pmax FF 5 0,54 0 7,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ωρεσ ημζρασ 0,52 Διάγραμμα 7: ff και Ιςχφσ ςτη διάρκεια μιασ μζρασ (μετρήςεισ Φεβρουαρίου) Δ) υντελεστής απόδοσης η και θερμοκρασία Ο συντελεστής απόδοσης, όπως παρουσιάσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, είναι ανάλογος του fill factor, της βραχυκυκλωμένης έντασης και της ανοιχτοκυκλωμένης τάσης και αντιστρόφως ανάλογος της έντασης της ακτινοβολίας στην επιφάνεια του πλαισίου και του εμβαδού του πλαισίου. Κατά τη διάρκεια του υπολογισμού της απόδοσης, η μόνη σταθερά παραμένει το εμβαδόν και όλα τα άλλα αλλάζουν. Παρατηρούμε λοιπόν στο διάγραμμα 8 ενδιαφέρουσες και συχνά μεταβαλλόμενες τιμές στην απόδοση του πλαισίου 120

121 Πειραματικό Μέρος που κυμαίνονται από 4,25% έως σχεδόν 5,5%. Μεταβολές που άλλες φορές προκαλούνται από αλλαγή στην ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της ημέρας και άλλες φορές από τις αυξομειώσεις του ρεύματος Im. Im Vm Τπενθυμίζοντας τον ορισμό απόδοσης παρατηρούμε ότι ακόμα και H A αν μεγαλώσει η τιμή I m, αυτό δεν συνεπάγεται και αυτομάτως αύξηση του η μιας και ταυτόχρονα έχουμε αύξηση και στην τιμή του Η. 0,06 0,055 0,05 0,045 0,04 7,00 12,00 17, θ1 Θερμοκραςία Διάγραμμα 8: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για διάρκεια μιασ ημζρασ (μετρήςεισ Φεβρουάριο) Ανοιξιάτικες μετρήσεις Μάρτιος Η πρώτη βδομάδα του Μάρτιου του 2011 ήταν πολύ βαριά, με πολύ κρύο και βροχή. τη συνέχεια ο καιρός άλλαξε και αν και είχαμε το μεγαλύτερο μέρος της ημέρας από αραιή μέχρι έντονη συννεφιά, υπήρχαν ώρες της ημέρας, κυρίως μεσημεριανές, με αρκετό ήλιο και ικανοποιητικές 121

122 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος θερμοκρασίες όπου πραγματοποιήσαμε αρκετές μετρήσεις στο τέλος της πρώτης βδομάδας και στο τέλος της τρίτης. Α) Μέγιστη Ισχύς P και Ακτινοβολία Φαρακτηριστικός Μάρτης με έντονες εναλλαγές ηλιοφάνειας ακόμα και κατά τη διάρκεια της ημέρας, προσέφερε μέγιστες ισχύεις από 3W το πρωί μέχρι 25W το μεσημέρι. Λόγω έντονης συννεφιάς τις πρωινές και απογευματινές ώρες, οι τιμές μέχρι τις 12h και μετά τις 3h το μεσημέρι είναι συγκριτικά αρκετά μικρότερες από το peak της ημέρας και βλέπουμε στο διάγραμμα 9 ότι δεν ξεπερνάνε το 33% του μέγιστου της ημέρας μένοντας ακόμα και κάτω από τα 10W. Είναι εμφανής και εδώ η αναλογία ισχύς με την κατάλληλη ηλιακή ακτινοβολία ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ώρεσ ημζρασ Pmax Eeff Διάγραμμα 9: Μεταβολή τησ ιςχφοσ ςτη διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Μαρτίου) 122

123 Ένταση (A) Πειραματικό Μέρος B) Φαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) Πεντακάθαρη είναι η αποτύπωση της έντονης εναλλαγής του καιρού με τον ήλιο στο μεγαλύτερο διάστημα της ημέρας να κρύβεται πίσω από αρκετή συννεφιά. Έτσι βλέπουμε στο διάγραμμα 10 ότι μόνο κατά τη διάρκεια του μεσημεριού και κυρίως στις 1 το μεσημέρι, το ρεύμα βραχυκυκλώσεως φτάνει στα 1,88A και η ανοιχτοκυκλωμένη τάση στα 22,9V. Κατά τη διάρκεια των υπολοίπων ωρών, το Isc δεν ξεπερνά το 0,5Α και το Voc είναι κάτω από τα 22V και σε κάποιες περιπτώσεις κάτω από τα 21V. 2 1,8 1,6 1,4 I-V Μαρτίου 1,2 1 0,8 0,6 0,4 I στις 8:00 I στις 9:00 I στις 10:00 I στις 11:00 I στις 12:00 I στις 13:00 0, Τάση (V) Διάγραμμα 10: Χαρακτηριςτική I-V διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Μαρτίου) Γ) υντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) 123

124 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος το διάγραμμα 11 της μεταβολής του συντελεστή πλήρωσης που εκφράζει τη μέση τιμή δύο ημερών του Μαρτίου, έχει προστεθεί και η μεταβολή της μέγιστης ισχύος για να δειχτεί η αντίθεση των δύο αυτών γραφικών. Είναι λογικό λοιπόν αφού είχαμε χαμηλές συγκριτικά τιμές στις πρωινές και τις απογευματινές ώρες της ισχύος να έχουμε υψηλές τιμές στο FF στο ίδιο χρονικό διάστημα που άγγιζαν το 64%. Σο μεσημέρι όμως βλέπουμε ένα αρκετά πεσμένο FF σε τιμές κοντά στο 54% 30 0, , ,62 0,6 0,58 0,56 Pmax FF 5 0,54 0 7,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ώρεσ ημζρασ 0,52 Διάγραμμα 11: ff και Ιςχφσ ςτη διάρκεια μιασ μζρασ (μετρήςεισ Ξαρτίου) Δ) υντελεστής απόδοσης η και θερμοκρασία Άλλη μια ενδιαφέρουσα γραφική παράσταση (διάγραμμα 8) στην οποία μπορούμε να παρατηρήσουμε έντονες εναλλαγές, είτε αύξησης, είτε μείωσης της τιμής της απόδοσης. Βλέπουμε λοιπόν περίπου τρία ελάχιστα στην απόδοση, στις 8h το πρωί, στις 1h το μεσημέρι και στις 5h το απόγευμα κοντά στο 5%. Είναι ένα πολύ καλό παράδειγμα για να κατανοήσουμε το πώς οι 124

125 Πειραματικό Μέρος τρείς μεταβλητές που ορίζουν τον συντελεστή απόδοσης (η τέταρτη είναι η επιφάνεια και είναι σταθερή), μπορούν να τον επηρεάσουν τόσο πολύ. Σο η δηλαδή, ενώ εξαρτάται αναλογικά από το Im και το Vm, είναι αντιστρόφως ανάλογο της ακτινοβολίας. Ο λόγος λοιπόν που έχει ελάχιστο στις 1h είναι γιατί η αναλογία Im/H μικραίνει αντί να μεγαλώνει σε σχέση με την ίδια της 12h. Βλέπουμε δηλαδή ότι ο αριθμητής μπορεί μέσα σε μία ώρα να 6πλασιάστηκε, ο παρανομαστής όμως 8πλασιάστηκε. Σο η λοιπόν θα μικρύνει. Σο μέγιστο για το συντελεστή απόδοσης το πετυχαίνουμε στις 10h κοντά στο 6,5%. Είναι άξιο να αναφερθεί ότι είναι ο πρώτος μήνας (από τις δύο) που ο συντελεστής αυτός ξεπερνάει το 6%. 0,065 0,06 0,055 0,05 0,045 7,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ώρεσ ημζρασ θ2 Θερμοκραςία Διάγραμμα 12: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για διάρκεια μιασ ημζρασ (μετρήςεισ Ξαρτίου)) Απρίλιος Ο Απρίλιος ήταν γενικά ένας πολύ ήπιος μετεωρολογικά μήνας που θύμιζε καλοκαίρι. Αρκετή υγρασία, υψηλές για την εποχή τιμές θερμοκρασίας, ελάχιστες συννεφιές με αποτέλεσμα τις καλές και αναμενόμενες τιμές στα μέσα και προς το τέλος του μήνα που γίνανε οι μετρήσεις. 125

126 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος Α) Μέγιστη Ισχύς P και Ακτινοβολία Λόγω απουσίας έντονης συννεφιάς κατά τη διάρκεια των μετρήσεων του Απριλίου, παρατηρείται μια αναλογία στα αποτελέσματα όλων των γραφικών παραστάσεων. το διάγραμμα 13, φαίνεται ότι το πρωί έχουμε τη μικρότερη μέγιστη ισχύ στα 22W και φτάνουμε στις 12h και για περίπου 2-3 ώρες σταθερά στα 32W ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ώρεσ ημζρασ Pmax Eeff Διάγραμμα 13: Μεταβολή τησ ιςχφοσ ςτη διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Απριλίου) B) Φαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) Mια ομαλή απεικόνιση παρουσιάζεται στο διάγραμμα 14, έχοντας τα καλυτέρα αποτελέσματα στις 12h το μεσημέρι, οπού βλέπουμε το ρεύμα βραχυκυκλώματος να ξεκινάει στα 2,48A και μια τάση ανοιχτοκυκλώματος στα 23,7V. Αντιθέτως το πρωί το αντίστοιχο ρεύμα είναι στα 0,86Α και η αντίστοιχη τάση στα 22,4V. Αυτός ο μήνας είναι και ο καλύτερος όσον αφορά στην αποδοτικότητα του πλαισίου μας. Τπάρχουν και άλλοι 2 μήνες που το πλαίσιο αποδίδει τόσο καλά και αυτό φαίνεται από το τόσο ψηλό Isc που μετρείται. 126

127 Ιςχφσ (W) Ένταση (A) Πειραματικό Μέρος 3 2,5 2 Ι στις 8:00 1,5 1 I στις 9:00 I στις 10:00 I στις 11:00 I στις 12:00 0, Τάση (V) Διάγραμμα 14: Χαρακτηριςτική I-V διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερώναπριλίου) Γ) υντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) Ο συντελεστής πλήρωσης κυμαίνεται από το 56% μέχρι το 52% το μεσημέρι με τη γνωστή αντίθεση του σε σχέση με την μέγιστη ισχύ (διάγραμμα 15). 35 0, ,56 0,555 0,55 0,545 0,54 0,535 0,53 Pmax FF 0 7,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ώρεσ ημζρασ 0,525 Διάγραμμα 15: ff και Ιςχφσ ςτη διάρκεια μιασ μζρασ (μετρήςεισ Απριλίου)) 127

128 Πειραματικό Μέρος Δ) υντελεστής απόδοσης η και θερμοκρασία Η απόδοση του πλαισίου μας αυτό το μήνα είναι η πιο σταθερή σε σχέση με όλους τους άλλους μήνες. Και αυτό γιατί οι συνθήκες ήταν τέτοιες που οι μεταβλητές από τις οποίες εξαρτάται ο συντελεστής αλλάζανε αναλογικά κατά τη διάρκεια της ημέρας χωρίς κάποια από αυτές να έχει απότομες αυξομειώσεις. Έτσι παρατηρήθηκε ο πιο σταθερός συντελεστής σε όλο το Η πιο χαμηλή μέτρηση αντιστοιχεί στις 1h το μεσημέρι με 51,8% και η πιο υψηλή 53,9% το πρωί όπως φαίνεται στο διάγραμμα 16. 0,055 0,0545 0,054 0,0535 0,053 0, , , ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 θ3 Θερμοκραςία Διάγραμμα 16: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για διάρκεια μιασ ημζρασ (μετρήςεισ Απρίλιοσ) Μάιος το συγκεκριμένο μήνα οι περισσότερες ημέρες είχαν αρκετή συννεφιά και κάποιες σποραδικές βροχές. Αυτό δεν μας εμπόδισε από το να πάρουμε μετρήσεις προς το τέλος του μήνα με αραιή συννεφιά, δεν μας έδωσε όμως και τις αναμενόμενα υψηλές τιμές ισχύος που κάποιος θα περίμενε. Σα 128

129 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος αποτελέσματα λοιπόν συγκριτικά με κάποιους άλλους μήνες μπορεί να είναι χαμηλά, παραμένουν όμως αρκετά ενδιαφέροντα για ανάλυση. Α) Μέγιστη Ισχύς P και Ακτινοβολία Λόγω της συννεφιάς που επικρατούσε όλο το μήνα, βλέπουμε στο διάγραμμα 17 ότι η μέγιστη ισχύς αντιστοιχούσε μεν στην αναμενόμενη ώρα της ημέρας ήταν όμως σχετικά πιο χαμηλή από την επιθυμητή για τον τελευταίο μήνα της άνοιξης. Έφτασε μέγιστο στα 12,6W και ελάχιστο στις 10h στο 1W ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ώρεσ ημζρασ Pmax Eeff Διάγραμμα 17: Μεταβολή τησ ιςχφοσ ςτη διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Μαΐου) B) Φαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) Σο αξιοσημείωτο σε αυτές τις μετρήσεις είναι ότι τις πιο χαμηλές τιμές μας τις έχει δώσει στις 10h. Για εκείνη την ώρα έχουμε ρεύμα βραχυκυκλώσεως 0,07A και τάση ανοιχτοκυκλώματος 19,7V. Σις πιο υψηλές τιμές τις έχουμε για ώρα 12h με το Isc στα 0,95A και Voc στα 22,4V. Παρατηρούμε ότι και οι υπόλοιπες 129

130 Ένταση (A) Πειραματικό Μέρος ώρες δίδουν σχετικά χαμηλές τιμές σαν συνέπεια της μειωμένης της ηλιακής ακτινοβολίας. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 I στις 9:00 I στις 10:00 I στις 11:00 I στις 12:00 I στις 14:00 0, Τάση (V) Διάγραμμα 18: Χαρακτηριςτική I-V διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Μαΐου) Γ) υντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) Κατά την ημέρα που διενεργήθηκαν οι μετρήσεις, παρατηρούμε (διάγραμμα 19) την αντίθετη συμπεριφορά του συντελεστή πληρώσεως με τη μέγιστη ισχύ. Για τις 10h το πρωί και για 1W ισχύ, έχουμε το πιο υψηλό συντελεστή που φτάνει μέχρι το 63,2%. Σο χαμηλότερο FF το έχουμε στις 2h το μεσημέρι 60% την ώρα που η μέγιστη ισχύς ήταν στα 12,6W. 130

131 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 Ώρεσ ημζρασ 0,635 0,63 0,625 0,62 0,615 0,61 0,605 0,6 0,595 0,59 0,585 Pmax FF Διάγραμμα 19: ff και Ιςχφσ ςτη διάρκεια μιασ μζρασ (μετρήςεισ Ξαΐου) Δ) υντελεστής απόδοσης η και θερμοκρασία Οι παρατηρήσεις αυτών των μετρήσεων δείχνουν ότι έχουμε συντελεστή απόδοσης που κατά τη διάρκεια της ημέρας έχει μικρή ανοδική γενικά τάση με ένα ελάχιστο στις 1h η ώρα. Σο η ξεκινάει με 5,03% όπως φαίνεται στο διάγραμμα 20 το πρωί και φτάνει μέγιστο μια φορά το μεσημέρι με 5,55% και μια το απόγευμα με 5,71%. Γενικά όμως, κρίνοντας το, θα λέγαμε ότι παραμένει σχεδόν σταθερό στις ώρες μέτρησης με διαφορά κοντά στο 0,7%. 131

132 Πειραματικό Μέρος 0,058 0,057 0,056 0,055 0,054 0,053 0,052 0,051 0,05 28, , , , ,5 θ4 Θερμοκραςία 0, ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Διάγραμμα 20: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για διάρκεια μιασ ημζρασ (μετρήςεισ Ξάιοσ) Καλοκαιρινές μετρήσεις Ιούνιος Σο 2011 είχαμε ένα κλασικό ελληνικό καλοκαίρι, με ελάχιστες συννεφιές και ζεστό καιρό. Σον Ιούνιο η θερμοκρασία άγγιξε τους βαθμούς με λίγους ανέμους και σχετικά αίθριο καιρό. Μόνη παραφωνία ήταν οι σχετικά συχνές μεσημεριανές συννεφιές στην περιοχή του Ρίου που καμιά φορά μας επηρέαζαν σε ένα μικρό βαθμό κάποια αποτελέσματα. Α) Μέγιστη Ισχύς P και Ακτινοβολία Αν και τον μήνα αυτό η μέγιστη ισχύς ξεκινάει στις 9h η ώρα από τα 10W, θα περίμενε κανείς να ξεπεράσει τα 20W κατά τη διάρκεια του μεσημεριού, στις 132

133 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος 1-2h η ώρα. Δυστυχώς, μια ισχνή αλλά σχεδόν καθημερινή μεσημεριάτικη συννεφιά, δεν άφησε τα αποτελέσματα να είναι όσο ψηλά θα θέλαμε. Είναι από τους μήνες που τάξεις μεγέθους της ισχύος των 20W και 25W ήταν αναμενόμενες. Επιβεβαιώνεται ότι άλλη η θεωρητική/αναμενόμενη τιμή και άλλο η πραγματική τιμή συγκεκριμένου μήνα και χρόνου. Βλέπουμε λοιπόν στο διάγραμμα 21 ότι το μέγιστο της ισχύος είναι στις 12h στα 12,3W και μέχρι τις 1h η ώρα περίπου, αλλά γρήγορα αυτό ελαττώνεται. Σο ελάχιστο παρουσιάζεται στις 6h το απόγευμα και φτάνει την τιμή 4,1W ,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 Ώρεσ ημζρασ Pmax Eeff Διάγραμμα 21: Μεταβολή τησ ιςχφοσ ςτη διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Ιουνίου) B) Φαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) Ξεκινώντας τις μετρήσεις μας στις 9h το πρωί, έχουμε το πιο χαμηλό διάγραμμα. Σο ρεύμα βραχυκυκλώσεως είναι 0,75Α και η τάση ανοιχτοκυκλώματος είναι στα 22,4V. Μέγιστα φτάνουμε στις 2h το μεσημέρι με το Isc στα 2,28Α και στις 10 το πρωί για το Voc στα 23,03V. Λόγω έλλειψης 133

134 Ένταση (A) Πειραματικό Μέρος ακραίων φαινομένων, οι υπόλοιπες ώρες δίδουν αναμενόμενες τιμές και μέσα σε λογικά πλαίσια σε σύγκριση με τις ακραίες τιμές (διάγραμμα 22). 2,5 2 1,5 1 0,5 I στις 9:00 I στις 10:00 I στις 11:00 I στις 12:00 I στις 13:00 I στις 14: Τάση (V) Διάγραμμα 22: Χαρακτηριςτική I-V διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Ιουνίου) Γ) υντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) Για αυτό το μήνα είχαμε μια σημαντική διάφορα στο μέγιστο και στο ελάχιστο του συντελεστή αν και όχι και την μεγαλύτερη που συναντήσαμε (διάγραμμα 23). Από τις 12h και μέχρι τις 2h το μεσημέρι είχαμε το μικρότερο συντελεστή ίσο με 56,4% ενώ το μέγιστο το είχαμε το απόγευμα στις 6 που άγγιξε το 61,8%. 134

135 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος ,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 Ώρεσ ημζρασ 0,63 0,62 0,61 0,6 0,59 0,58 0,57 0,56 Pmax FF Διάγραμμα 23: ff και Ιςχφσ ςτη διάρκεια μιασ μζρασ (μετρήςεισ Ιουνίου) Δ) υντελεστής απόδοσης η και θερμοκρασία Για το μήνα Ιούνιο, παρατηρούμε ότι η απόδοση του πλαισίου, ενώ ήταν σε λογικά και αναμενόμενα όρια μέγιστου και ελάχιστου, παραμένει πτωτική, όσο περνάει η μέρα. Ξεκινάει λοιπόν με ένα 5,8% στις 9h το πρωί και φτάνει μετά το μεσημέρι και μέχρι τις 6h το απόγευμα σε ποσοστά κάτω του 5% (διάγραμμα 24). 135

136 Πειραματικό Μέρος 0,059 0,058 0,057 0,056 0,055 0,054 0,053 0,052 0, ,05 5 0, ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 19,00 θ5 Θερμοκραςία Διάγραμμα 24: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για διάρκεια μιασ ημζρασ (μετρήςεισ Ιουνίου) Ιούλιος Ένας ζεστός αίθριος καιρός αυτό το μήνα ήταν ιδανικός για μετρήσεις των ιδιοτήτων του πλαισίου μας. Οι θερμοκρασίες κυμανθήκανε από 27 έως 34 στα μέσα του μήνα, την περίοδο δηλαδή που έγιναν και οι μετρήσεις αυτές. Α) Μέγιστη Ισχύς P και Ακτινοβολία Λόγω έλλειψης συννεφιάς αυτή την περίοδο, οι μετρήσεις είναι χωρίς στιγμιαίες αυξομειώσεις που θα μπορούσαν να επηρεάσουν το τελικό αποτέλεσμα. Για αυτό το λόγο παρατηρούμε στο διάγραμμα 25 την ελάχιστη ισχύ να είναι το πρωί στα 14,7W και η μέγιστη στις 2h το μεσημέρι στα 28,2W. Παρατηρούμε μια σταθερότητα στην ισχύ του πλαισίου από τις 1h μέχρι της 3h το μεσημέρι κοντά στα 28W. 136

137 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος ,00 10,00 12,00 14,00 16,00 Ώρεσ ημζρασ Pmax Eeff Διάγραμμα 25: Μεταβολή τησ ιςχφοσ ςτη διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Ιουλίου) B) Φαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) Ο Ιούλιος είναι ο ένας από τους τρείς μήνες που το πλαίσιο δούλεψε κοντά στο μέγιστο βαθμό του. Από το ρεύμα βραχυκυκλώσεως, παρατηρούμε στο διάγραμμα 26 ότι στις 2h το μεσημέρι η γραφική μας παράσταση ξεκινάει από 2,51Α το οποίο είναι και το μέγιστο για το μήνα αυτό με την ανοιχτοκυκλωμένη τάση στα 21,73V. Η πιο χαμηλή τιμή μετρείται το πρωί με τιμές Isc στα 1,15Α και Voc στα 21,83V. 137

138 ενταση (A) Πειραματικό Μέρος 3 2,5 2 1,5 1 I στις 9:00 I στις 10:00 I στις 11:00 I στις 12:00 I στις 13:00 I στις 14:00 0, Τάση (V) Διάγραμμα 26: Χαρακτηριςτική I-V διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Ιουλίου) Γ) υντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) Και στις μετρήσεις που έγιναν αυτό το μήνα παρατηρούμε το FF λόγω υψηλής IV m m τιμής του αριθμητή που τον ορίζει ( FF I V sc oc ) να είναι αρκετά μεγάλο τις πρωινές ώρες. Ξεκινάει με 58,4 στις 9 το πρωί και φτάνει στο ελάχιστο στο 52 από τη μία το μεσημέρι μέχρι και τις τρείς το απόγευμα. Και αυτό είναι αναμενόμενο μιας και στη διάρκεια εκείνων των ωρών οι συνθήκες παραμένουν σταθερές άρα και τα αποτελέσματα σταθερά (διάγραμμα 27). 138

139 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος 30 0, ,58 0, , ,55 0,54 0,53 0,52 Pmax FF 0 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 Ώρεσ ημζρασ 0,51 Διάγραμμα 27: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για διάρκεια μιασ ημζρασ (μετρήςεισ Ιουλίου) Δ) υντελεστής απόδοσης η και θερμοκρασία Η απόδοση όπως αποδεικνύεται από αυτές τις μετρήσεις κυμάνθηκε σε χαμηλά επίπεδα, από 4,71 στις 2h το μεσημέρι μέχρι 5,11 το πρωί (διάγραμμα 28) και αυτό κυρίως γιατί έχει επηρεαστεί (είναι αντιστρόφως ανάλογο) από τις μεγάλες τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας που επικρατούσαν εκείνες τις ημέρες και ήταν πάνω από 1KW/m

140 Απόδοςη Πειραματικό Μέρος 0, , , , , ,049 0, , , , , ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 Ώρεσ ημζρασ θ6 Θερμοκραςία Διάγραμμα 28: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για το μήνα Ιοφλιο Αύγουστος Κατά τις ημέρες πραγματοποίησης των μετρήσεων, είχαμε αρκετή ζέστη που στο αποκορύφωμα της έφτανε τους 35 ο C, μέτρια υγρασία, λίγο αεράκι και σποραδικά σύννεφα αργά το απόγευμα. Α) Μέγιστη Ισχύς P και Ακτινοβολία Αξιόλογες μεταβολές κατά τη διάρκειας της ημέρας δεν είχαμε μιας και μιλάμε για ένα μήνα με ελάχιστες καιρικές μεταβολές που θα μπορούσανε να επιφέρουν μεταπτώσεις στις μετρήσεις μας. Για αυτό το λόγο βλέπουμε στο διάγραμμα 29 ότι η μέγιστη ισχύς του πλαισίου μας ξεκινάει το πρωί από τα 140

141 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος 8,1W και φτάνει στις 2h η ώρα στα 27,1W. Παρόμοιες τιμές ισχύος βέβαια είχαμε περίπου από τη 1h η ώρα και μέχρι τις 2: ,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 19,00 Ώρεσ ημζρασ Pmax Eeff Διάγραμμα 29: Μεταβολή τησ ιςχφοσ ςτη διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Αυγοφςτου) B) Φαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) Αν και θα περίμενε κάποιος τον Αύγουστο να έχουμε τις καλύτερες δυνατές μετρήσεις μιας και η ηλιακή ακτινοβολία είναι στο μέγιστο της, οι μετρήσεις είναι υψηλές αλλά όχι οι πιο υψηλές στο διάστημα των πειραμάτων μας. Αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στην θερμοκρασία που αναπτυσσόταν μέσα στο πλαίσιο που ως γνωστόν (έχει αναλυθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο) μεγαλύτερη θερμοκρασία συνεπάγεται μικρότερη απόδοση. Εκείνες τις ημέρες η θερμοκρασία έφτανε τους 49 ο C στο πλαίσιο. Σο πιο υψηλό ρεύμα βραχυκύκλωσης το παρατηρούμε (διάγραμμα 30) στις ώρες 1h και 2h το οποίο είναι στα 2,36A με ταυτόχρονα τάση βραχυκυκλώσεως στα 21,2V. 141

142 Ένταση (A) Πειραματικό Μέρος Αναμενόμενα, βρίσκουμε την χαμηλότερη τιμή στο ρεύμα στις 9h το πρωί ίση με 0,61A. 2,5 2 1,5 1 0,5 I στις 9:00 I στις 10:00 I στις 11:00 I στις 12:00 I στις 13:00 I στις 14: Τάση (V) Διάγραμμα 30: Χαρακτηριςτική I-V διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών Αυγοφςτου) Γ) υντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) Ο συντελεστής αυτός για άλλη μια φορά μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με την μέγιστη ισχύ με ένα μικρό μέγιστο κατά τη διάρκεια του μεσημεριού. Αλλά αυτό είναι λογικό μιας και ενώ ο παρανομαστής του ορισμού του FF (σχέση 3.17) έχει παραμένει σταθερός, ο αριθμητής είναι ένα μικρό ποσοστό μεγαλύτερος. 142

143 ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος ,63 0,62 0,61 0,6 0, ,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 Ώρεσ ημζρασ 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 Pmax FF Διάγραμμα 31: ff και Ιςχφσ ςτη διάρκεια μιασ μζρασ (μετρήςεισ Αυγοφςτου) Δ) υντελεστής απόδοσης η και θερμοκρασία Απόλυτα αναμενόμενος και λογικός συντελεστής απόδοσης ο οποίος ξεκινά από το 5,76 το πρωί, πέφτει στο 4,87 το μεσημέρι και ξανανεβαίνει στο 5,3 το απόγευμα (διάγραμμα 32). Ο λόγος για άλλη μια φορά είναι η μεγάλη ηλιακή ακτινοβολία που επικρατεί κατά τη διάρκεια του μεσημεριού με αποτέλεσμα (επειδή το Η είναι στον παρανομαστή) να μας μικραίνει το συντελεστή. 143

144 Απόδοςη Πειραματικό Μέρος 0, ,06 0, ,05 0,045 0,04 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 Ώρεσ ημζρασ θ7 Θερμοκραςία Διάγραμμα 32: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για διάρκεια μιασ ημζρασ (μετρήςεισ Αφγουςτοσ) Υθινοπωρινές μετρήσεις Σεπτέμβριος Ο μήνας αυτός ήταν διαφορετικός γιατί συνδύαζε δύο πολύ βασικά χαρακτηριστικά, πρώτον είχε ηλιοφάνεια όση και το καλοκαίρι σχεδόν όλες τις μέρες (πέρα από 2-3 απογευματινές παραφωνίες), είχε πολύ πιο χαμηλές θερμοκρασίες που δεν ξεπερνούσαν τους βαθμούς κελσίου και ελαφρό αεράκι και το βασικότερο η ηλιακή ακτινοβολία ήταν πιο κάθετη στο πλαίσιο μας επιτρέποντας μεγαλύτερη απορρόφηση της και καλύτερα αποτελέσματα. Α) Μέγιστη Ισχύς P και Ακτινοβολία υνέπεια των χαρακτηριστικών του μήνα επτεμβρίου, είναι οι ανώτερες τιμές που επιτεύχθηκαν εκείνο το μήνα σχεδόν σε όλες τις παραμέτρους. Η πιο χαρακτηριστική απεικόνιση αυτής της δυναμικής είναι στο διάγραμμα

145 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος της μέγιστης ισχύος στο οποίο έχουμε το μεσημέρι τιμές που αγγίζουν τα 32W. Οι πιο χαμηλές φυσικά είναι το πρωί και το απόγευμα με τιμές 8,5W και 12,2W αντίστοιχα. Είναι αξιόλογο να παρατηρήσουμε ότι κυμαίνεται κοντά στα 30W από τη 1h το μεσημέρι μέχρι της 3h το απόγευμα ,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 Ώρεσ ημζρασ Pmax Eeff Διάγραμμα 33: Μεταβολή τησ ιςχφοσ ςτη διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών επτεμβρίου) B) Φαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) Όπως και στην μέγιστη ισχύ, έτσι και εδώ (διάγραμμα 34) αντικατοπτρίζεται η δυναμική αυτού του μήνα επιτυγχάνοντας ρεύμα βραχυκυκλώσεως στα 2,8A στις 2h το μεσημέρι και τάση ανοιχτοκυκλώματος στα 21V. Η πιο χαμηλή τιμή του Isc είναι στα 1,31A το πρωί με Voc στα 21,4V. 145

146 Ένταση (A) Πειραματικό Μέρος 3 2,5 2 1,5 1 I στις 9:00 I στις 10:00 I στις 11:00 I στις 12:00 I στις 13:00 I στις 14:00 0, Τάση (V) Διάγραμμα 34: Χαρακτηριςτική I-V διάρκεια μιασ ημζρασ (ημερών επτεμβρίου) Γ) υντελεστής πλήρωσης FF (fill factor) Για μια ακόμα φορά βλέπουμε τον σχεδόν τέλειο αντικατοπτρισμό στο διάγραμμα 35 του FF με την μέγιστη ισχύ. ε αυτό το μήνα το FF κυμαίνεται από 52,8 το μεσημέρι μέχρι 61,7 το πρωί. 146

147 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος ,63 0,62 0,61 0,6 0,59 0, ,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 Ώρεσ ημζρασ 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 Pmax FF Διάγραμμα 35: ff και Ιςχφσ ςτη διάρκεια μιασ μζρασ (μετρήςεισ επτεμβρίου) Δ) υντελεστής απόδοσης η και θερμοκρασία Είναι η δεύτερη φορά που βλέπουμε, στο διάγραμμα 36, τον συντελεστή απόδοσης να ξεπερνάει το 6%. Σο μήνα αυτό κυμάνθηκε από 5,19% έως 6,05%. Και αυτό επιτεύχθηκε γιατί το πλαίσιο παρήγαμε πολύ υψηλά ρεύματα (μεγάλος αριθμητής στη σχέση ορισμού H A Pm ) με σχετικά πιο μικρή ηλιακή ακτινοβολία Η από ότι μετρήθηκε άλλους μήνες (παρανομαστής). 147

148 Απόδοςη Πειραματικό Μέρος 0, , ,059 0,057 0,055 0,053 0,051 0,049 0,047 0, θ8 Θερμοκραςία Ώρεσ ημζρασ Διάγραμμα 36: Απόδοςη και Θερμοκραςία πλαιςίου για διάρκεια μιασ ημζρασ (μετρήςεισ επτεμβρίου) 4.3 ύγκριση & χολιασμός Μετρήσεων Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάλυση των φωτοβολταϊκών παραμέτρων του άμορφου πυριτίου και συγκεκριμένα του μοντέλου Solarmodul ASI -F 32/12. Παρουσιάσαμε και σχολιάσαμε τις αναμενόμενες ή μη διακυμάνσεις από το μήνα Υεβρουάριο μέχρι το επτέμβριο για το συγκεκριμένο πλαίσιο και σε γωνία σταθερή στις 38 ο στραμμένο προς το Νότο. Οι συγκεκριμένες παράμετροι που αναλύθηκαν ήταν, η μέγιστη ισχύς που απέδωσε το πλαίσιο παρακολουθούμενο ανά λεπτά κατά τη διάρκεια μιας ημέρας και η αναλογία που παρατηρείται με την ηλιακή ακτινοβολία, οι χαρακτηριστικές ρεύματος τάσης ξεκινώντας από αυτήν με το πιο χαμηλό ρεύμα βραχυκυκλώσεως Isc που αντιστοιχούσε κυρίως στις πρωινές ώρες μέχρι την πιο υψηλή το μεσημέρι, ο συντελεστής πλήρωσης fill factor και τέλος ο συντελεστής απόδοσης η και η θερμοκρασία. 148

149 Πειραματικό Μέρος ε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε i) το γιατί παρατηρείται μια αντίστροφη αναλογία μεταξύ ff και ισχύς ii) το πως διακυμάνθηκε ο συντελεστής απόδοσης η και η μέγιστη ισχύς κατά τη διάρκεια των οκτώ αυτών μηνών για σταθερές εντάσεις ηλιακής ακτινοβολίας Η, και συγκεκριμένα W για ακτινοβολίες 300/500/800( 2 m ισχύος στην διάρκεια αυτών των μηνών. ), iii) το ποιες ήταν οι μέσες μηνιαίες τιμές i) Θα περίμενε κανείς ότι ο συντελεστής πλήρωσης ff θα μεγάλωνε κάθε φορά που η μέγιστη ισχύς ήταν πιο μεγάλη. Από τον ορισμό του συντελεστή IV m m δε, φαίνεται και η αναλογία των δύο FF I V sc oc. Άρα θα υποθέταμε σε πρώτη ματιά ότι μεγαλύτερος αριθμητής συνεπάγεται και μεγαλύτερο ff. Αυτό συμβαίνει στην περίπτωση που ο παρανομαστής παραμείνει σταθερός. Για να μεγαλώσει όμως ο αριθμητής, για να έχουμε δηλαδή μεγαλύτερο Im συνεπάγεται μεγαλύτερη ακτινοβολία. Όμως μεγαλύτερη ακτινοβολία προκαλεί και αύξηση του Isc. Όπως φαίνεται στην εικόνα 57, όσο μεγαλώνει η ακτινοβολία το ρεύμα βραχυκυκλώσεως μεγαλώνει με έντονο ρυθμό ενώ η τάση ανοιχτοκυκλώματος μεγαλώνει αλλά με πιο αργό ρυθμό. Εικόνα 57: ημεία λειτουργίασ (Ν) και ςημεία Ξζγιςτησ Ιςχφοσ(MP) ςε φωτοβολταϊκό ςτοιχείο πυριτίου για διαφορετικζσ ςυνθήκεσ ακτινοβολίασ 149

150 Πειραματικό Μέρος Επίσης βλέπουμε ότι το ρεύμα στα σημεία μέγιστης ισχύς (MP), όταν η ακτινοβολία είναι πολύ μικρή, είναι πάρα πολύ κοντά με το ρεύμα βραχυκυκλώσεως. Όσο η ακτινοβολία όμως μεγαλώνει τόσο το Im απομακρύνεται από το Isc. Η ταχύτητα αύξησης του Isc είναι δηλαδή μεγαλύτερη από την ταχύτητα αύξησης της τιμής του Im. Άρα ακόμα και αν αυξάνεται ο αριθμητής στην εξίσωση του ff όσο μεγαλώνει η ακτινοβολία, ο παρανομαστής μεγαλώνει ακόμα πιο γρήγορα προκαλώντας έτσι την μικρή κάμψη στις τιμές που απεικονίζονται στα διαγράμματα του ff με την ισχύ. Για να το εξηγήσουμε και πιο σχηματικά αρκεί να καταλάβουμε σε τι αντιστοιχεί διαγραμματικά ο συντελεστής ff. Ο συντελεστής πλήρωσης λοιπόν δεν είναι τίποτα άλλο από το λόγο των εμβαδών των δυο παραλληλογράμμων που απεικονίζονται στην εικόνα 58. Εικόνα 58: Χαρακτηριςτική καμπφλη τάςησ - ζνταςησ ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου [34] Ενώ μεγαλώνει το παραλληλόγραμμο που ορίζεται από τα σημεία (Vm,0) και (0,Im) (ο αριθμητής στην εξίσωση του ff) όσο μεγαλώνει η 150

151 Πειραματικό Μέρος ηλιακή ακτινοβολία, τόσο περισσότερο μεγαλώνει και το παραλληλόγραμμο που ορίζεται από τα σημεία (Voc,0) και (0,Isc) και δεν είναι άλλο από τον παρανομαστή του ff. Με άλλα λόγια θα μπορούσαμε να πούμε ότι όσο μεγαλώνουν οι τιμές Isc και Voc και δημιουργούν μια νέα χαρακτηριστική καμπύλη, τόσο αυτή η καμπύλη έχει την τάση να είναι πιο λεία στο σημείο καμπής (Vm,Im). ii) Ένας από τους λόγους που γίνονται αυτές οι μετρήσεις είναι για να προσδιοριστεί πρώτον ποια είναι η ισχύς και η απόδοση ενός πλαισίου σε πραγματικές συνθήκες όταν η ηλιακή ακτινοβολία παραμένει σταθερή βάση του φωτοβολταϊκού αισθητήρα και δεύτερον όταν η ακτινοβολία αυτή αλλάζει W κάθε εποχή. Ξεκινώντας για Η= =300 m 2 φαίνεται στο διάγραμμα 37 ότι η απόδοση παραμένει σχετικά σταθερή πάνω από 5,5% εξαιρουμένου μόνο του Υεβρουαρίου. Η απόδοση του Υεβρουαρίου παραμένει συγκριτικά με τους άλλους μήνες πιο χαμηλή γιατί συνδυάζει υψηλή (για μήνα Υεβρουάριο) ακτινοβολία, άρα μεγάλο παρανομαστή στον ορισμό της απόδοσης (σχέση 3.18) αλλά λόγω της κακής κλίσης της ακτινοβολίας πάνω στο πλαίσιο μας, δεν παράγεται αρκετά μεγάλη ισχύς για τη συγκεκριμένη ακτινοβολία με αποτέλεσμα ο αριθμητής του συντελεστή απόδοσης να είναι συγκριτικά μικρότερος. Αν δηλαδή είχαμε ίδια ακτινοβολία αλλά κάθετη στο πλαίσιο μας, τότε η παραγωγή ρεύματος θα ήταν πολύ μεγαλύτερη και έτσι με σταθερό παρανομαστή και πολύ μεγαλύτερο αριθμητή θα είχαμε καλύτερο η. Η μέση θερμοκρασία του πλαισίου για αυτή τη τιμή της ακτινοβολίας ήταν, Υεβρουάριος: 20,7 ο C, Μάρτιος: 16,7 ο C, Απρίλιος: 22,5 ο C, Μάιος: 22 ο C, Ιούνιος: 22,8 ο C, Ιούλιος: 30 ο C, Αύγουστος: 38 ο C και επτέμβριος: 34,6 ο C. Είναι φανερό λοιπόν ότι στην απόδοση του συγκεκριμένου πλαισίου από άμορφο πυρίτιο για την συγκεκριμένη ακτινοβολία (διάγραμμα 37), λίγη επιρροή είχε η θερμοκρασία, τόση που είναι σχεδόν αδύνατη να αξιολογηθεί. 151

152 Απόδοςη Πειραματικό Μέρος Αντιθέτως βλέπουμε ότι η ισχύς κατά τη διάρκεια του χρόνου είχε αρκετά μεγάλη μεταβολή ξεκινώντας από τα 6,9W και φτάνοντας μέχρι τα 12,6W. 0, , ,04 8 0, θ Pmax Ζτοσ (μήνεσ) 2 Διάγραμμα 37: Απόδοςη και Ιςχφσ για ηλιακή ακτινοβολία 300W/m 2 από Φεβρουάριο μζχρι επτζμβριο W Για τιμή ακτινοβολίας Η=500 m 2 βλέπουμε στο διάγραμμα 38 ότι η απόδοση ξεκίνησε το Υεβρουάριο από 4,86% και έφτασε το επτέμβριο στο μέγιστο με 5,4%. Σο μέγιστο που λάβαμε ήταν τον Απρίλιο με 5,39%. Οι θερμοκρασίες που επικρατούσαν στο πλαίσιο για αυτή την ακτινοβολία ήταν, Υεβρουάριος: 27,7 ο C, Μάρτιος: 16,4 ο C, Απρίλιος: 25,9 ο C, Μάιος: 24 ο C, Ιούνιος: 27 ο C, Ιούλιος: 35 ο C, Αύγουστος: 41 ο C, επτέμβριος: 43 ο C. Οι τιμές ισχύος εν τω μεταξύ μεταβλήθηκαν από 14,7W μέχρι 17,6W. 152

153 Απόδοςη Πειραματικό Μέρος 0, ,054 17,5 0, ,052 16,5 0, ,05 0,049 15,5 15 θ Pmax 0, Ζτοσ (μήνεσ) 14,5 Διάγραμμα 38: Απόδοςη και Ιςχφσ για ηλιακή ακτινοβολία 500W/m 2 από Φεβρουάριο μζχρι επτζμβριο W Σέλος για ηλιακή ακτινοβολία Η=800 2 m (διάγραμμα 39), η απόδοση κυμάνθηκε από 4,79% έως 5,45% και οι τιμές ισχύος από 23,4W έως 26,3W. Οι θερμοκρασίες του πλαισίου που αντιστοιχούσαν σε αυτή την ακτινοβολία ήταν, Υεβρουάριος: 35,5 ο C, Μάρτιος: 29 ο C, Απρίλιος: 37 ο C, Μάιος: 28 ο C, Ιούνιος: 43,2 ο C, Ιούλιος: 42,5 ο C, Αύγουστος: 47,3 ο C και επτέμβριος: 47 ο C. Για τη συγκεκριμένη ακτινοβολία Η βλέπουμε ότι κατά τη διάρκεια του χρόνου οι μεταπτώσεις στην απόδοση και στο η ήταν παρατεταμένες αλλά όχι μεγάλες ή ακραίες. Η διαφορά μεταξύ της μεγαλύτερης και της μικρότερης απόδοσης είναι της τάξεως του 0,66% την ώρα που η διαφορά θερμοκρασίας είναι στους ΔΤ=18 ο C. Είναι απόλυτα λογικό, σε φυσιολογικές συνθήκες περιβάλλοντος όπου τελέστηκαν οι μετρήσεις και όπου οι διαφορές θερμοκρασίας είναι μικρές, να μην μπορούμε να παρατηρήσουμε μικρές ή μεγάλες επιρροές στην απόδοση ή στην ισχύ βάση μόνο της θερμοκρασίας. 153

154 Απόδοςη Πειραματικό Μέρος Για να παρατηρηθεί χειροπιαστή διαφορά στις αποδόσεις ενός πλαισίου αν αυτές υπάρχουν, πρέπει να δημιουργηθούν συνθήκες με ΔΤ άνω των ο C μέσα σε εγκαταστάσεις εργαστηρίου. 0,055 0,054 0,053 0, , ,5 25 0,051 0,05 0,049 0,048 24, , ,5 θ Pmax 0, Ζτοσ (μήνεσ) 22 Διάγραμμα 39: Απόδοςη και Ιςχφσ για ηλιακή ακτινοβολία 800W/m 2 από Φεβρουάριο μζχρι επτζμβριο iii) Αφού μελετήσαμε την ισχύ του πλαισίου άμορφου πυριτίου μας στη διάρκεια του χρόνου, θα ήταν καλό να δούμε συγκεντρωτικά και τις μέσες τιμές ισχύος P για κάθε μήνα, διάγραμμα 40. Η απλή λογική λέει ότι όσο πλησιάζει κανείς σε εποχές με περισσότερη αναμενόμενη ηλιακή ακτινοβολία και η πρόσπτωση των ακτινών γίνεται πιο κάθετη στο σταθερό πλαίσιο, τότε η παραγόμενη ισχύς θα είναι και μεγαλύτερη. Όμως η θεωρία διαφέρει από την πράξη καθώς μια τυχαία συννεφιά, μια περίεργη σκίαση, μια μείωση της ανακλώμενης ακτινοβολίας ή μια εναλλαγή στην θερμοκρασία μπορούν να αλλάξουν την προσλαμβανόμενη ενέργεια. Βλέπουμε λοιπόν ότι ο Απρίλιος πρώτα και ο επτέμβριος δεύτερος αλλά πολύ κοντά, είναι οι μήνες που το 154

155 Ιςχφσ (W) Πειραματικό Μέρος πλαίσιο παρήγαγε την υψηλότερη ισχύ για το Έπεται ο Ιούλιος, ο Αύγουστος, ο Υεβρουάριος, ο Ιούνιος με τον Μάρτιο και τέλος ο Μάιος Φεβ Μαρ Απρ Μαιοσ Ιουν Ιουλ Αυγ επτ Ώρεσ ημζρασ Διάγραμμα 40: Ξζςη μηνιαία Ιςχφσ από το πρωί ζωσ το βράδυ για όλουσ τουσ μήνεσ παρατήρηςησ 155

156 Πειραματικό Μέρος 4.4 Παραγωγή ενέργειας Έχοντας σαν δεδομένα τα αποτελέσματα των μετρήσεων μας πάνω στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο, κάναμε μια γραφική απεικόνιση της παραγωγής ενέργειας που μπορούμε να λάβουμε από το Υεβρουάριο μέχρι το επτέμβρη για μέσες καιρικές συνθήκες οδηγώντας μας έτσι σε προσεγγιστικά αποτελέσματα. Είναι αδύνατον κανείς να υπολογίσει με ακρίβεια και επαναληψιμότητα είτε το ποσό της ενέργειας που θα παραχθεί από το πλαίσιο μέσα σε ένα μήνα ή τους μήνες που η παραγωγή ενέργειας θα είναι υψηλότερη, και αυτό γιατί είναι αδύνατη η πρόβλεψη της ηλιακής ακτινοβολίας (καθώς αυτή δεν είναι) που είναι και ο πιο άμεσος παράγοντας παραγωγής ενέργειας σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Βάση λοιπόν των στοιχείων που έχουμε μπορούμε να παρατηρήσουμε την αυξητική τάση που παρουσιάζει το διάγραμμα της ενέργειας όσο πλησιάζουμε τους καλοκαιρινούς μήνες και τη διατήρηση της σε υψηλά επίπεδα για τους μήνες με έντονη ηλιακή ακτινοβολία. Με αυτά τα αποτελέσματα (διάγραμμα 41), μπορούμε να υπολογίσουμε με κάποια απόκλιση την ενέργεια που λάβαμε στο διάστημα παρακολούθησης μας και η οποία είναι 19,5KWh για τους μήνες από Υεβρουάριο έως και επτέμβριο. 156

157 Ενζργεια (Wh) Πειραματικό Μέρος Ξήνεσ Διάγραμμα 41: Παραγωγή ενζργειασ κατά τη διάρκεια του χρόνου για πλαίςιο άμορφου πυριτίου Συντελεστής ποιότητας Αξίζει εδώ να παρουσιάσουμε ένα δείχτη ο οποίος είναι ο βασικός συντελεστής σύγκρισης ποιότητας εγκατεστημένου φωτοβολταϊκού συστήματος και είναι ο kwh. Αυτός ο συντελεστής μας δείχνει πόση ενέργεια kwp παράγει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα (στην περίπτωση μας ένα πλαίσιο) ανά εγκατεστημένο kw κάθε μήνα ή χρόνο. Αυτή τη στιγμή στην αγορά, ένα σύστημα θεωρείται αποδοτικό όταν ο δείκτης αυτός κυμαίνεται από 100kWh έως 135 kwh ανά εγκατεστημένο kw ανά μήνα. Σο δικό μας πλαίσιο και για τους μήνες και τις συνθήκες παρακολούθησής μας απέδωσε,σε διάρκεια 8 μηνών, κατά μέσο όρο 21 kwh kwp. Αναλυτικά στη διάρκεια του χρόνου, ο συντελεστής αυτός φαίνεται στο διάγραμμα

158 υντελεςτήσ ποιότητασ Πειραματικό Μέρος 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Ξήνεσ Διάγραμμα 42: υντελεςτήσ ςφγκριςησ ποιότητασ ςτη διάρκεια του χρόνου Αυτή η απόδοση που σε σύγκριση με αυτήν της αγοράς είναι 5 με 6 φορές μικρότερη. Είναι απόλυτα λογικό αν αναλογιστεί κανείς δύο θέματα: i) η αγορά χρησιμοποιεί πια φωτοβολταϊκά πλαίσια μονοκρυσταλλικού ή πολυκρυσταλλικού πυριτίου και με αποδόσεις από 14% έως 16% ii) η ενέργεια που παρήχθη από το πλαίσιο μας επετεύχθη με πλαίσιο πολύ μικρότερης αγοραστικής αξίας σε σύγκριση με αυτά της αγοράς. Μπορεί λοιπόν το πλαίσιο άμορφου πυριτίου που μελετήθηκε έχει χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, δεν πρέπει όμως να ξεχνάμε τα πλεονεκτήματα του άμορφου πυριτίου που δεν είναι άλλα από την καλύτερη απόδοση τους σε υψηλές θερμοκρασίες, καλύτερη εκμετάλλευση της διάχυτης ακτινοβολίας όπως σε περιπτώσεις σκιάσεων ή ποικίλων γωνιών ηλιακής ακτινοβολίας, και μικρό οικονομικό όφελος όταν υπάρχουν μεγάλοι διαθέσιμοι χώροι για την εγκατάσταση των πλαισίων/πάνελ. 158

159 Απόδοςη Πειραματικό Μέρος Συντελεστής ενέργειας προς επιφάνεια Σέλος θα παρουσιάσουμε τον συντελεστή παραγόμενης ενέργειας προς την kwh επιφάνεια του πλαισίου 2 m που δείχνει ποια είναι η αναμενόμενη μέση ηλεκτρική ενέργεια ανά μήνα προς την επιφάνεια που καλύπτει το πλαίσιο, στη διάρκεια του χρόνου. Αυτός ο συντελεστής βοηθάει στο να υπολογίσει κάποιος πόση ενέργεια θα λάβει με το συγκεκριμένο πλαίσιο κάθε μήνα όταν είναι δοσμένο/οριοθετημένο το μέγεθος της επιφάνεια πλαισίου Ξήνεσ Διάγραμμα 43: Απόδοςη ενζργειασ ανά m 2 ςτη διάρκεια του χρόνου Η ενέργεια λοιπόν που μπορεί να παραχθεί από το συγκεκριμένο πλαίσιο ενός τετραγωνικού μέτρου κυμαίνεται από 81Wh τον Μάρτιο έως 213Wh τον Ιούνιο. 159