ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ. Δρ Αποστολίδου Ελένη Καθηγήτρια Βυθούλκας Γεώργιος ΕΤΕΠ

Transcript

1 ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Δρ Αποστολίδου Ελένη Καθηγήτρια Βυθούλκας Γεώργιος ΕΤΕΠ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ 1.1 Εισαγωγή στις ανεμομηχανές Γενικά Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα των ανεμογεννητριών Ανεμομηχανή με οριζόντιο άξονα Ανεμομηχανή με κατακόρυφο άξονα Εφαρμογές των ανεμογεννητριών Εξοικονόμηση ενέργειας με ανεμογεννήτριες Παρατηρήσεις Ηλεκτρικές γεννήτριες αιολικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Γενικά Αιολικός σταθμός με ασύγχρονη γεννήτρια με δρομέα τύπου κλωβού Αιολικός σταθμός με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα Αιολικός σταθμός με σύγχρονη γεννήτρια Αιολικός σταθμός με γεννήτριες συνεχούς ρεύματος Παρατηρήσεις Η συσκευή του εργαστηρίου Διαδικασία του πειράματος Τυπολόγιο 22 Παράρτημα 23 2

3 2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 2 Θεωρία Οι ημιαγωγοί και η δίοδος p-n Οι ενεργειακές ζώνες στους ημιαγωγούς Η ένωση p-n και η δίοδος των ημιαγωγών Χαρακτηριστικά μεγέθη Τα υλικά κατασκευής των Φ/Β στοιχείων Φωτοβολταϊκή ορολογία Πειράματα Σχεδίαση χαρακτηριστικής καμπύλης (U-I) Φ/Β Σύνδεση σε σειρά Παράλληλη σύνδεση Ασκήσεις συνδεσμολογίας Φ/Β πλαισίων & συστοιχιών συσσωρευτών Αυτόνομο Φ/Β σύστημα 40 Παράρτημα 41 3

4 1. Ανεμογεννήτριες 4

5 1.1. Εισαγωγή στις Ανεμομηχανές Γενικά Η άνιση θερμοκρασία στις διάφορες περιοχές της γης που προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία, έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ανέμων. Έχει υπολογιστεί ότι μόνο το 2% της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται η γη μετατρέπεται σε αιολική. Ο αέρας θερμαίνεται με διαφορετικό ρυθμό στην επιφάνεια των θαλασσών & λιμνών από ότι στη στεριά. Το υδάτινο στοιχείο απορροφά μεγαλύτερα ποσά ενέργειας και μέρος αυτού εξατμίζεται. Ο αέρας παραμένει ψυχρός, επειδή η ενέργεια του ηλίου έχει απορροφηθεί και διασκορπιστεί στο νερό. Ο αέρας στη στεριά θερμαίνεται γρηγορότερα, διαστέλλεται, γίνεται ελαφρύτερος και κινείται προς τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Το κενό που δημιουργείται τείνουν να το καλύψουν αέριες μάζες από την επιφάνεια της θάλασσας, που κινούνται προς τη στεριά. Η μάζα αέρα που ανήλθε στην ατμόσφαιρα, ψύχεται, βαραίνει και κατέρχεται. Έτσι δημιουργείται μια ατέρμονη ροή αέριων μαζών, η οποία αλλάζει κατεύθυνση κατά τη διάρκεια της νύχτας. Το αιολικό δυναμικό αυτό είναι ικανό να καλύψει κατά αρκετές εκατοντάδες φορές τις ενεργειακές ανάγκες του πλανήτη. Σε πλήρη εκμετάλλευση η ενέργεια αυτή μπορεί να δώσει πάνω από 100 GWh, (γιγαβατώρες) το χρόνο. Από παρατηρήσεις και μετρήσεις που έχουν γίνει, έχει διαπιστωθεί, ότι τη μεγαλύτερη ταχύτητα και διάρκεια την έχει ο άνεμος σε παραλιακές περιοχές και σε οροπέδια ή λόφους. Η ιδανικότερη πάντως τοποθεσία είναι κοντά στη θάλασσα ή ακόμη ανοιχτά στο πέλαγος. Γι αυτό και οι πρώτοι ανεμόμυλοι εμφανίστηκαν στα νησιά. Το 35% της αιολικής ενέργειας διαχέεται σε ένα στρώμα της ατμόσφαιρας ύψους 4 χλμ. πάνω από το έδαφος. Με βάση την εκτίμηση, ότι ανεξάρτητα με την τεχνολογική εξέλιξη δεν είναι δυνατόν να εκμεταλλευτούμε περισσότερο από το 10% της διαθέσιμης αυτής ενέργειας στο επίπεδο του εδάφους, υπολογίζεται ότι η διαθέσιμη ενέργεια για όλο τον πλανήτη είναι είκοσι φορές περισσότερη από τη σύγχρονη παγκόσμια κατανάλωση. Παρ όλα αυτά η αιολική ενέργεια κατέχει μια σημαντική θέση στον πίνακα των ήπιων μορφών ενέργειας ανάμεσα στις άλλες πηγές, και για πολλούς θεωρείται 5

6 ως η πλέον αποδοτική, συμφέρουσα πηγή, με μηχανικό εξοπλισμό προσιτό, κατασκευαστική ευελιξία και δυνατότητα εύκολης επιδιόρθωσης. Πολλές χώρες με προηγμένη τεχνολογία κατασκευάζουν μεγάλες αιολικές μηχανές, με δυνατότητα παραγωγής αρκετών MW. Πρόσφατα, σε ερευνητικό πρόγραμμα στη Γαλλία, υπολογίσθηκε ότι δύο χιλιάδες τέτοιες μηχανές θα μπορούσαν να προμηθεύσουν το 10% του καταναλισκόμενου ρεύματος της χώρας. Η Αιολική ενέργεια είναι η παλαιότερη μορφή ενέργειας, που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε στη κίνηση των ιστιοφόρων πλοίων, στην άντληση νερού και το άλεσμα των δημητριακών με τους γνωστούς ανεμόμυλους, στους ανεμοκινητήρες και σήμερα στις ανεμογεννήτριες. Είναι γνωστό ότι η παραγωγή ενέργειας με τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους αποτελεί το σημαντικότερο παράγοντα μόλυνσης αέρα, υδάτων και εδάφους. Ρύποι όπως το διοξείδιο του άνθρακα, του θείου και του αζώτου, (CO 2, SO 2 και NO 2 ) παράγονται καθημερινά σε μεγάλες ποσότητες από την καύση υγρών και στερεών καυσίμων, απειλώντας τη ζωή στον πλανήτη. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα και η καταστροφή του όζοντος είναι δύο μόνιμες συνέπειες των ρύπων αυτών που δύσκολα μπορούν να εξαφανιστούν από την ατμόσφαιρα. Η ανάπτυξη, βελτίωση και επέκταση των κινητήρων με συμβατικά καύσιμα όπως και των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, ατόνησαν το ενδιαφέρον του ανθρώπου για την εκμετάλλευση της Αιολικής ενέργειας. Όμως η ενεργειακή κρίση σε συνδυασμό με την ανάγκη για διατήρηση καθαρού περιβάλλοντος, έστρεψαν ξανά το ενδιαφέρον στην χρήση της. Μόλις, στα μέσα του 70 άρχισε να στρέφεται το ενδιαφέρον των μηχανικών στην εφαρμογή της αιολικής ενέργειας για ηλεκτρισμό. Η έρευνα, κυρίως σε θέματα αεροπλοΐας, καθώς και τεχνολογική εξέλιξη είχαν ως αποτέλεσμα τη κατασκευή σύγχρονων ανεμομηχανών, που ελάχιστα θυμίζουν πια τους παραδοσιακούς ανεμόμυλους. Σήμερα παγκοσμίως υπάρχουν εγκατεστημένες ανεμογεννήτριες που παράγουν πάνω από MW. Από αυτά περίπου τα MW βρίσκονται στις ΗΠΑ, κυρίως στην Καλιφόρνια. Οι ανεμογεννήτριες της Καλιφόρνια έχουν τη δυνατότητα να καλύψουν τις ηλεκτρικές ανάγκες μιας πόλης κατοίκων, 6

7 όπως το Σαν Φρανσίσκο και εξοικονομούν 3.5 εκατομμύρια βαρέλια πετρέλαιο το χρόνο, ποσότητα που θα απαιτείτο για την ηλεκτροδότηση, αν χρησιμοποιούνταν οι συμβατικές εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σύγχρονες ανεμομηχανές διακρίνονται γενικά σε ανεμομηχανές οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα, αντιπροσωπευτικοί τύποι των οποίων παρουσιάζονται στα σχ. 3.1 και 3.2 αντίστοιχα Οι σύγχρονες ανεμομηχανές είναι συνήθως οριζοντίου άξονα με δρομέα δύο ή τριών πτερυγίων. Οι δρομείς με δύο πτερύγια προτιμούνται περισσότερο, γιατί είναι πιο οικονομικοί από τους άλλους με τρία. Αντίθετα ο βαθμός απόδοσης των ανεμομηχανών με τρία πτερύγια είναι μεγαλύτερος. Η προσπάθεια σήμερα στρέφεται στην κατασκευή πτερυγίων από λεπτά και ανθεκτικά κράματα μετάλλων ή ενισχυμένο πλαστικό, ώστε να μειωθεί το συνολικό κόστος. Οι επικρατέστεροι τύποι ανεμομηχανών οριζοντίου άξονα είναι: - Με ένα πτερύγιο, κατασκευαστικά χωρίς νόημα, καθώς πρέπει να αντισταθμιστεί η έκκεντρη περιστροφή του ενός πτερυγίου με κάποιο αντίβαρο. - Με δύο πτερύγια, κυριάρχησε στην αγορά των αμενογεννητριών για αρκετά χρόνια έως ότου αντικατασταθεί από τις τρίπτερες φτερωτές, οι οποίες είναι πιο αποδοτικές - Με τρία πτερύγια, κυριαρχούν τις τελευταίες δεκαετίες με αυξανόμενη τάση όσον αφορά το μήκος των πτερυγίων και την ονομαστική ισχύ των γεννητριών που κινούν. Η συνεχείς τεχνολογικές εξελίξεις καθιστούν την κατασκευή μεγαλύτερων και αποδοτικότερων πτερυγίων - Με πολλά πτερύγια τύπου γεωργικών εφαρμογών, για άντληση νερών από γεωτρήσεις κλπ - Ανάντη - Κατάντη - Darrieus - Savonius 7

8 Σχ.1.1: Αντιπροσωπευτικοί τύποι ανεμομηχανών με οριζόντιο άξονα. (1): Με ένα πτερύγιο, (2): Με δύο πτερύγια, (3): Με τρία πτερύγια, (4): Πολλών πτερυγίων για γεωργικές εφαρμογές, (5): Πολλών πτερυγίων τύπου ποδηλάτου, (6): Ανάντη, (7): Κατάντη, (8): Πολλών πτερυγίων Σχ.1.2: Αντιπροσωπευτικοί τύποι ανεμομηχανών κατακόρυφου άξονα. (1): Τύπου Savonius με δύο πτερύγια, (2): Τύπου Savonius με τέσσερα πτερύγια, (3): Τύπου κυψελών, (4): Τύπου Darrieus (τύπου Ω), (5): Τύπου Darrieus (τύπου Λ), (6): Τύπου στροβίλου. 8

9 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα των ανεμογεννητριών Πλεονεκτήματα Δεν απαιτούν για τη λειτουργία τους συμβατικά καύσιμα Δε μολύνουν το περιβάλλον Η λειτουργία τους είναι σχετικά ακίνδυνη Δεν παρουσιάζουν ιδιαίτερα τεχνολογικά προβλήματα Μειονεκτήματα Η ισχύς που αποδίδεται εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου Απαιτούνται πολλές ανεμογεννήτριες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλων καταναλωτών Ενέργεια διατίθεται μόνο, όταν υπάρχουν άνεμοι Πρόσθετες δαπάνες για την αποταμίευση της ενέργειας που περισσεύει Ανεμομηχανή με οριζόντιο άξονα Οι μηχανές αυτές μπορούν να φέρουν από ένα μέχρι 50 πτερύγια ή και περισσότερα. Τα βασικά μέρη μίας τέτοιας μηχανής φαίνονται στο σχ Με διάφορα συστήματα στις ανεμομηχανές με οριζόντιο άξονα ελέγχεται η ταχύτητα της έλικας στις υψηλές ανεπιθύμητες ταχύτητες του ανέμου. Επίσης κατάλληλοι μηχανισμοί επιτρέπουν στην φτερωτή να παρακολουθήσει τη ροή του ανέμου. Η κίνηση της φτερωτής μεταφέρεται στη γεννήτρια με τη βοήθεια συστήματος οδοντωτών τροχών Ανεμομηχανή με κατακόρυφο άξονα Οι ανεμονηχανές αυτού του τύπου συγκριτικά με τις αντίστοιχες οριζοντίου άξονα, δεν επηρεάζονται από την αλλαγή κατεύθυνσης του ανέμου και συνεπώς είναι σχετικά απλούστερες. Υπάρχουν διάφοροι τύποι τέτοιων ανεμογεννητριών που εικονίζονται στο σχ. 1.2 με κυριότερους τους 9

10 1. Οι μηχανές τύπου Savonius κάθετου άξονα. Παρουσιάζουν σχετικά μεγάλη ροποή αλλά μικρή ταχύτητα σχετικά με τον άνεμο και μικρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας συγκριτικά με το μέγεθος, το βάρος και το κόστος της συσκευής. 2. Οι μηχανές τύπου Darrieus, που θεωρούνται και ο επικρατέστερος τύπος στις ανεμονηχανές με κατακόρυφο άξονα. Χαρακτηριστικό τους γνώρισμα είναι τα καμπύλα πτερύγια, που παρουσιάζουν αρχικά χαμηλές ρόπες και υψηλές ταχύτητες σε σχέση με τον άνεμο. Επιτυγχάνεται έτσι ικανοποιητική παραγωγή ενέργειας για το μέγεθος, το βάρος και το κόστος της συσκευής. Εκτός αυτών οι μηχανές του τύπου αυτού πλεονεκτούν γιατί Έχουν μικρό βάρος Είναι απλές και οικονομικές στην κατασκευή τους Δεν απαιτούν για την εγκατάσταση τους μεγάλο πύργο Οι μηχανισμοί τοποθετούνται στο έδαφος Δεν απαιτείται σύστημα προσανατολισμού σχετικά με τον άνεμο Δεν απαιτείται σύστημα ελέγχου των στροφών του δρομέα στην περίπτωση υψηλών ταχυτήτων του ανέμου 1: Έδραση άξονα 2: Πολλαπλασιαστής στροφών 3: Γεννήτρια 4: Άνεμος 5: Μηχανισμός περιστροφής 6: Πύργος με ύψος που κυμαίνεται από λίγα μέτρα ως και 90 μέτρα συνήθως 7: Έλικα D: Η διάμετρος της φτερωτής (δρομέα) H: Ύψος 10 Σχ. 3.3.Ανεμομηχανή οριζοντίου άξονα

11 1: Άνω έδρανο με συρματόσχοινο 2: Πτερύγιο 3: Κάτω έδρανο 4: Βάση 5: Κιβώτιο ταχυτήτων 6: Γεννήτρια 7: Πύργος Η δ : Ύψος δρομέα Η β : Ύψος βάσης D: Διάμετρος δρομέα Σχ. 1.4 Ανεμομηχανή κατακορύφου άξονα Darrieus Τα σπουδαιότερα μειονεκτήματα των μηχανών αυτού του τύπου είναι: Η χαμηλή απόδοση συγκριτικά με τις μηχανές τύπου έλικας, και Η έλλειψη ροπής εκκίνησης. Ο δρομέας της μηχανής Darrieus δεν λαμβάνει εκκίνηση από μόνος του, γι αυτό χρησιμοποιείται ένας άλλος βοηθητικός δρομέας. Τα χαρακτηριστικά μιας συσκευής Darrieus που μπορεί να φέρει 2,3,4 ή και περισσότερα πτερύγια, φαίνονται στο σχ Γενικότερα σε ένα Αιολικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η Αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική με τη βοήθεια φτερωτής και στην συνέχεια σε ηλεκτρική με τη βοήθεια κατάλληλης ηλεκτρικής γεννήτριας. Τα κυριότερα μέρη ενός τέτοιου σταθμού παρουσιάζονται στο σχ Βασικά υπάρχουν περισσότεροι από 25 τύποι ανεμογεννητριών αλλά στην παραγωγή έχουν επικρατήσει οι συσκευές με οριζόντιο κατακόρυφο άξονα. Η ισχύς ενός Αιολικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ανεμοκινητήρες οριζοντίου άξονα ποικίλει από μερικές εκατοντάδες Watts μέχρι 7 MW, ενώ τα αντίστοιχα όρια για συσκευές με κατακόρυφο άξονα κυμαίνονται από μερικές εκατοντάδες Watts μέχρι 500 KW. 11

12 Στις ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα η φτερωτή, μπορεί να έχει πτερύγια, η δε ταχύτητα περιστροφής της έλικας και η παραγώμενη ηλεκτρική ισχύς, ρυθμίζονται κατάλληλα με μηχανισμό για αλλαγή κλίσης των πτερυγίων. Ειδικά αν η ανεμογεννήτρια (Α/Γ) λειτουργεί με ένα πτερύγιο, χρησιμοποιείται αντιδιαμετρικά κατάλληλο αντίβαρο για την αλλαγή της κλίσης του. Σχ. 1.5 Η βασική δομή ενός αιολικού σταθμού για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 1: Προπέλα ή φτερωτή ή δρομέας ή ανεμοστρόβιλος, 2: Σύστημα οδοντωτών τροχών, 3: Ηλεκτρική γεννήτρια, 4: Σύστημα ελέγχου της όλης λειτουργίας του σταθμού, Μ/Σ= Μετασχηματιστής, Α= Ασφάλεια, Δ= Διακόπτης, Γ.Μ.= Γραμμή μεταφοράς, Φ= Ηλεκτρικά φορτία, ω= Γωνιακή ταχύτητα. Οι Α/Γ τριών πτερυγίων έχουν μεγαλύτερη απόδοση, αλλά παρουσιάζουν υψηλό κόστος. Έτσι μεγάλη εφαρμογή βρίσκουν οι Α/Γ με δύο πτερύγια, όπου το μήκος ποικίλει από 1,5m μέχρι 60m.Ο μηχανισμός αλλαγής της κλίσης των πτερυγίων επενεργεί κατά την εκκίνηση, την κανονική λειτουργία και τη παύη της. Τα σήματα διέγερσης του μηχανισμού αυτού είναι, η ταχύτητα του ανέμου και το μηχανικό φορτίο στον άξονα της γεννήτριας Εφαρμογές των ανεμογεννητριών Η πρώτη μορφή ενέργειας που παίρνουμε από τον άνεμο είναι η μηχανική. Η μηχανική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική με τη βοήθεια μιας Α/Γ. Έτσι η Αιολική ενέργεια μπορεί να βρει εφαρμογή ως ηλεκτρική ή μηχανική μορφή ενέργειας. Διακρίνουμε Α/Γ μικρού μεγέθους μέχρι 20 KW-300KW και μεγάλου μεγέθους από 300KW και πάνω. 12

13 Οι μικρής ισχύος ανεμογεννήτριες μπορούν αυτόνομα να χρησιμοποιηθούν σε αγροτικές εγκαταστάσεις για την άντληση και θέρμανση νερού, για θέρμανση κατοικιών, για φωτισμό, κλπ. Στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιείται γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ενώ το όλο σύστημα θα πρέπει να είναι εφοδιασμένο με συστοιχία συσσωρευτών για τη περίπτωση που επικρατεί άπνοια. Εκτός όμως από τις περιπτώσεις αυτές, οι ανεμογεννήτριες γενικότερα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για: - Αφαλάτωση νερού - Αποθήκευση νερού - Αποθήκευση συμπιεσμένου αέρα - Αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας - Φωτισμό φάρων κλπ Κατηγορία Ισχύς (kw) Διάμετρος (m) Περίοδος (S) Μικρές 10 6,4 0, ,4 Μεσαίες ,6 0,9 1,1 Μεγάλες Πολύ μεγάλες ,4 2,1 3,1 3,9 4,8 5,7 Πίνακας 1.1 Ενδεικτικά στοιχεία κατηγοριών ανεμογεννητριών 13

14 1.1.6 Εξοικονόμηση ενέργειας με ανεμογεννήτριες Σχ Γενική διάταξη Α/Γ που λειτουργεί παράλληλα με αυτόνομο εφεδρικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι Α/Γ χρησιμοποιούνται μαζί με μικρούς αυτόνομους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, συμβάλλοντας έτσι στην εξοικονόμηση ενέργειας. Η ισχύς του όλου συστήματος επειδή η ροπή αδράνειας του δρομέα της ανεμογεννήτριας είναι μικρή, οι μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου δημιουργούν σημαντικές διακυμάνσεις στην παρεχόμενη ισχύ. Οι διακυμάνσεις αυτές προκαλούν προβλήματα στο όλο δίκτυο και για την αποφυγή τους βάζουμε ένα όριο σε σχέση με την όλη ισχύ του σταθμού παραγωγής. Το σχ παρουσιάζει μία γενική διάταξη λειτουργίας ανεμογεννήτριας, που λειτουργεί παράλληλα με ένα συμβατικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως φαίνεται από το σχήμα, η ανεμογεννήτρια μπορεί να τροφοδοτεί τους καταναλωτές με ή χωρίς αποθήκευση της ενέργειας αυτής Παρατηρήσεις - Κατά τη μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε χρήσιμη μηχανική, μόνο ένα ποσοστό αυτής αξιοποιείται. - Η μέγιστη ταχύτητα περιστροφής της προπέλας περιορίζεται από το σύστημα ασφαλούς λειτουργίας αυτής. 14

15 - Σχετικά με τη ταχύτητα του ανέμου διακρίνουμε: Περιοχές με αρκετά σταθερές ταχύτητες Περιοχές με αισθητή ανεμική διακύμανση και μέση ανεμική ταχύτητα, που μεταβάλλεται σημαντικά από μέρα σε μέρα. - Ο πύργος στήριξης εργάζεται ως δικτυωτός φορέας και είναι μεταλλικός για τις μικρές μονάδες και από προεντεταμένο σκυρόδεμα για μεγάλες μονάδες. - Το πλήθος των πτερυγίων επιδρά στην τιμή της σταθεράς ισχύος μίας ανεμομηχανής, όπως φαίνεται και από το διάγραμμα του σχ : Ιδανική περίπτωση 2: Φτερωτή με 3 πτερύγια 3: Φτερωτή με 2 πτερύγια 4: Φτερωτή με 1 πτερύγιο Σχ Επίδραση του αριθμού των πτερυγίων στη σταθερά ισχύος C p - Οι βλάβες που μπορούν να υποστούν οι Α/Γ στα Αιολικά πάρκα είναι συνήθως Μηχανικές βλάβες, δηλαδή Βλάβες στα πτερύγια Βλάβες στην άτρακτο Βλάβες στο υδραυλικό σύστημα αυτόματης ρύθμισης της γωνίας κλίσης των πτερυγίων Ηλεκτρικές βλάβες που προκαλούνται από βραχυκυκλώματα Ηλεκτρονικές βλάβες 15

16 1.2 Ηλεκτρικές γεννήτριες Αιολικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Γενικά Ένα από τα βασικότερα μέρη ενός Αιολικού σταθμού είναι η ηλεκτρική γεννήτρια του. Ο τύπος της γεννήτριας που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται κυρίως από την ισχύ του σταθμού, τη κατανομή της συχνότητας της ταχύτητας του ανέμου όπως και τη διακύμανση αυτής. Στις ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται συνήθως οι παρακάτω γεννήτριες - Ασύγχρονες γεννήτριες με δρομέα τύπου κλωβού - Ασύγχρονες γεννήτριες με τυλιγμένο δρομέα - Γεννήτριες συνεχούς ρεύματος - Σύγχρονες γεννήτριες Αιολικός σταθμός με ασύγχρονη γεννήτρια με δρομέα τύπου κλωβού Η γεννήτρια αυτή είναι κατάλληλη για ανεμογεννήτριες που πρόκειται να εγκατασταθούν σε περιοχές, όπου ο άνεμος παρουσιάζει μέση στιγμιαία ταχύτητα περίπου σταθερή. Στο σχ φαίνεται η γενική διάταξη ενός Αιολικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ασύγχρονη γεννήτρια τύπου κλωβού. Οι ασύγχρονες γεννήτριες έχουν διέγερση άεργου ισχύος, οπότε για να μειωθεί η άεργος ισχύς που απορροφά η γεννήτρια από το δίκτυο, επιβάλλεται η σύνδεση πυκνωτών αντιστάθμισης. Οι γεννήτριες του τύπου αυτού παρουσιάζουν τα πλεονεκτήματα της στερεότητας, της μικρής συντήρησης και της μεγάλης διάρκειας ζωής. Παρουσιάζουν όμως το μειονέκτημα της μη ρύθμισης του συντελεστή ισχύος C p ενώ είναι απαραίτητες οι ρυθμιστικές διατάξεις υπερφόρτισης των γεννητριών ή υπέρβασης της οριακής επιτρεπόμενης ταχύτητας του ανέμου. 16

17 Σχ.1.8.Γενική διάταξη αιολικού σταθμού με ασύγχρονη γεννήτρια τύπου κλωβού Αιολικός σταθμός με ασύγχρονή γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα Η ισχύς που λαμβάνεται στην έξοδο μίας ασύγχρονης γεννήτριας τυλιγμένου δρομέα, παρουσιάζει ομαλές μεταβολές συγκριτικά με αυτές της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι σε μικρά δίκτυα η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται απ ευθείας σε αυτά ενώ ένα μέρος της ενέργειας δαπανάται στις βοηθητικές εγκαταστάσεις της Αιολικής μονάδας. Σχ.1.9. Γενική διάταξη αιολικού σταθμού με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα Αντίστοιχα σε μεγάλα συστήματα η ενέργεια παρέχεται σε αυτά με τη βοήθεια ηλεκτρονικού μετατροπέα, οπότε βελτιωμένες μορφές μετατροπέων μπορούν να δώσουν καλύτερα αποτελέσματα σχετικά με την απόδοση της ανεμογεννήτριας. 17

18 Στο σχ.3.9 απεικονίζεται η διάταξη ενός Αιολικού σταθμού με ασύγχρονη γεννήτρια τυλιγμένου δρομέα. Οι παραπάνω ανεμογεννήτριες είναι δαπανηρές. Παρουσιάζουν όμως το πλεονέκτημα της αυτόνομης λειτουργίας ή της διασυνδεδεμένης με σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Χαρακτηριστική περίπτωση τέτοιας ανεμογεννήτριας είναι η Α/Γ τύπου Growian 100, που κατασκευάστηκε στη Γερμανία το 1983 και έχει ισχύ 3 MW και διάμετρο φτερωτής 100m περίπου Αιολικός σταθμός με σύγχρονη γεννήτρια Ένας Αιολικός σταθμός με σύγχρονη γεννήτρια δεν απαιτεί εξωτερική ισχύ για τη διέγερση αυτής. Η διέγερση της γεννήτριας είναι συνεχούς ρεύματος. Οι ριπές του ανέμου δημιουργούν διακυμάνσεις στην ισχύ, που μεταφέρονται στο δίκτυο και δεν είναι εύκολο να εκμηδενιστούν με μία γρήγορη μεταβολή της γωνίας κλίσης των πτερυγίων, ενώ μπορεί να ρυθμιστεί ο συντελεστής ισχύος. Ένα σοβαρό επίσης πρόβλημα είναι ο παραλληλισμός της γεννήτριας με το δίκτυο, διότι η ταχύτητα δεν μπορεί να παραμείνει απόλυτα στη σύγχρονη τιμή της. Σχ Αιολικός σταθμός με σύγχρονη τριφασική γεννήτρια 18

19 Αιολικός σταθμός με γεννήτριες συνεχούς ρεύματος Οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος βρίσκουν εφαρμογή στα Αιολικά συστήματα κυρίως όταν πρόκειται για φόρτιση συσσωρευτών. Η χρήση ανεμογεννητριών συνεχούς ρεύματος για την εξυπηρέτηση καταναλωτών εναλλασσόμενου ρεύματος δεν είναι συνηθισμένη. Στο σχ.1.11 παρουσιάζεται ένας Αιολικός σταθμός με γεννήτρια συνεχούς ρεύματος συνδεδεμένος στο δίκτυο, όπου η ισχύς που αποδίδεται παραμένει σταθερή για ταχύτητες ανέμου μεταξύ 13m/s και 17m/s. Τέτοιοι σταθμοί υπάρχουν κυρίως στην Ολλανδία. Σχ Αιολικός σταθμός με γεννήτρια Σ.Ρ Παρατηρήσεις Στα διαγράμματα του σχ.1.12 απεικονίζεται η λειτουργική συμπεριφορά διαφόρων μεγάλων ανεμογεννητριών συνδεδεμένων σε δίκτυο. Ειδικότερα από τις καμπύλες του πρώτου σχήματος φαίνεται, ότι η ασύγχρονη γεννήτρια τύπου κλωβού και η σύγχρονη συμπεριφέρονται λειτουργικά κατά τον ίδιο τρόπο. Σχ.1.12 Διαγράμματα ισχύος, στροφών και της ταχύτητας του ανέμου αιολικών γεννητριών. 19

20 1.3 Η συσκευή του εργαστηρίου Ο κινητήρας της Α/Γ είναι μία τροποποιημένη εκδοχή μίας μικρής (Α/Γ), που κατασκευάζεται από τη Marlec Eng. Co. Ltd. Η φτερωτή αποτελείται από έξη πλαστικά με διάμετρο 0,91 m, τα οποία είναι προσαρμοσμένα σε ένα κοίλο και κενό σώμα (Σ), που περιέχει ένα σύνολο από μαγνήτες. Στο εσωτερικό αυτού υπάρχει επίσης ένας πλαστικός δίσκος που περιλαμβάνει ένα πηνίο. Καθώς λοιπόν το σώμα και οι μαγνήτες περιστρέφονται το μαγνητικό πεδίο περνά μέσα από τους βρόγχους και γεννά μία εναλλασσόμενη τάση σε αυτά. Έτσι προκύπτει ότι τόσον η τάση όσο και η συχνότητα στην ηλεκτρική έξοδο είναι ανάλογες προς τη ταχύτητα του σώματος (Σ). Το στέλεχος που συγκρατεί το δίσκο ακουμπά σε στηρίγματα κατά τρόπο, που η ροπή που μεταδίδεται από την (Α/Γ) να μπορεί να μετρηθεί. Αυτό επιτυγχάνεται με τη συγκράτηση του στελέχους από ένα μπρούντζινο πρόβολο, εφοδιασμένο με ένα φωσφορούχο δείκτη τάσεων. Η ηλεκτρική έξοδος από τον εναλλάκτη οδηγείται σε μια μεταβλητή αντίσταση φορτίου κατά μήκος της οποίας μετράται η τάση σε μία κλίμακα μέχρι 50 V. Επιλέγοντας λοιπόν τις τιμές της αντίστασης, η ηλεκτρική ισχύς υπολογίζεται από τη σχέση V 2 /R και έτσι αποφεύγονται οι επιπτώσεις από τη μεταβολή της συχνότητας. Ο δείκτης τάσεων στην έξοδο του ενισχυτή μπορεί επίσης να γίνει μία άλλη είσοδος η οποία κατά τον τρόπο αυτό δείχνει τη ροπή σε Nm, σε μια κλίμακα μέχρι 50x0.1, ενώ ένα ψηφιακό όργανο παρέχει τη ταχύτητα της (Α/Γ) σε στρ/λεπτ. Με τις δύο αυτές αναγνώσεις είναι δυνατός ο υπολογισμός της μηχανικής ισχύος. Τα έξι πτερύγια της (Α/Γ) προσαρμόζονται σε ρυθμιζόμενες βάσεις ώστε να τους δίνεται η δυνατότητα να παίρνουν διαφορετικές γωνίες ως προς το επίπεδο του κινητήρα ή και να αφαιρούνται απ αυτόν. Η (Α/Γ) τοποθετείται επάνω σε βάθρο που περιλαμβάνει επίσης μία βάση για τις συσκευές των μετρήσεων, ενώ ο άνεμος που πνέει βοηθά στη ψύξη του ηλεκτρικού φορτίου. Ουσιαστικό στοιχείο για τη μελέτη της λειτουργίας αυτής της (Α/Γ) είναι μία ελεγχόμενη ως προς τη ταχύτητα του ανέμου πηγή αέρα. Θα πρέπει επίσης να 20

21 ληφθεί πρόνοια για την ύπαρξη ενός διαγράμματος της σχέσης ανάμεσα στη μέση ταχύτητα του ανέμου και τη θέση της συσκευής ελέγχου. Η πηγή αέρα είναι μια αεροσύραγγα μεταβλητών στροφών, η οποία μας παρέχει τη δυνατότητα να ρυθμίζουμε τη ροή του. Οι ταχύτητες που μπορούμε να πετύχουμε είναι μέχρι 7,5 m/sec. Στο πείραμα οι ταχύτητες στις οποίες παίρνουμε μετρήσεις είναι: 3.5, 4.5, 5.5 και 6.5 m/sec Η ταχύτητα του αέρα μετριέται στο ανεμόμετρο στην έξοδο της αεροσύραγγας και η αντίστοιχη ένδειξη διαβάζεται στο πολυόργανο, που βρίσκεται στο πλάι. 1.4 Διαδικασία του πειράματος Στην πειραματική διαδικασία θα πάρουμε διαδοχικές μετρήσεις για τάση εξόδου και στροφές κινητήρα για φορτία R=4.4Ω, 13.2Ω και 26.4Ω και ταχύτητες αέρα U=3.5, 4.5, 5.5 και 6.5 m/s. Τα βήματα που θα ακολουθήσουμε για τις μετρήσεις είναι τα ακόλουθα: 1. Ρυθμίζουμε το φορτίο στη γεννήτρια στα 4.4 Ω 2. Ξεκινάμε τη ροή του αέρα και σταθεροποιούμε την ταχύτητά του στα 3.5 m/sec 3. Περιμένουμε να σταθεροποιηθούν οι στροφές στη φτερωτή, (μικρές διακυμάνσεις θα υπάρχουν πάντα) 4. Σημειώνουμε στον πίνακα των ασκήσεων τις ενδείξεις της τάσης εξόδου και των στροφών του κινητήρα, όσο το δυνατόν ταυτόχρονα για να πετύχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια. 5. Αυξάνουμε την ταχύτητα του αέρα διαδοχικά στα 4.5, 5.5 και 6.5 m/sec και σημειώνουμε τις επόμενες ενδείξεις της τάσης εξόδου και των στροφών του κινητήρα. 6. Αφού τελειώσουμε με το φορτίο των 4.4Ω σταματάμε τη ροή του αέρα, αλλάζουμε σε 13.2Ω και επαναλαμβάνουμε τη διαδικασία. Τέλος επαναλαμβάνουμε και για φορτίο 26.4Ω 21

22 1.5 Τυπολόγιο Οι μαθηματικές σχέσεις που χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς είναι οι παρακάτω: Ηλεκτρική ισχύς : P H = R V 2 Μηχανική ισχύς : 2π* Ν* Τ P M = 60 Φορτίο ρεύματος : V Ι = R Ισχύς του ανέμου : P A = 3 ρ* Α* υ 2 Πυκνότητα αέρος : ρ = 1.23 kg/m 3 Επιφάνεια που σαρώνεται : Α = π * /4 = m 2 Ηλεκτρική απόδοση : ισχύς εξόδου γ Η = = ισχύς αέρα στην είσοδο P P H A Μηχανική απόδοση : γ M ισχύς εξόδου = = ισχύς αέρα στην είσοδο P P M A Λόγος ταχυτήτων : β = ταχύτητητα στο άκρο του πτερυγίου ταχύτητα του ανέμου π* 0.91* Ν = υ 60 * 22

23 Παράρτημα Επιλογή της θέσης για την εγκατάσταση ανεμογεννητριών Η ταχύτητα του ανέμου που πνέει και η ενέργεια που μπορεί να δώσει, είναι οι δύο παράγοντες που επηρεάζουν ζωτικά την επιλογή της κατάλληλης θέσης για την εγκατάσταση μίας ανεμογεννήτριας. Συνοπτικά την όλη διαδικασία επιλογής, μπορούμε να τη χωρίσουμε στα τέσσερα παρακάτω βήματα. 1. Επιλογή διαφόρων θέσεων 2. Αιολικές μετρήσεις στις υποψήφιες θέσεις 3. Επεξεργασία των δεδομένων της κάθε θέσης και οικονομοτεχνική ανάλυση 4. Επιλογή της οριστικής θέσης με βάση τη βέλτιστη λύση του 3 ου βήματος. Επιλογή πιθανών θέσεων Μελέτη κάθε προεπιλεγμένης θέσης Καθορισμός συγκεκριμένης ενδιαφέρουσας περιοχής Μελέτη των αιολικών δεδομένων Επιλογή τύπου ανεμογεννήτριας Μελέτη των επιπτώσεων στο περιβάλλοντα χώρο Κόστος εγκατάστασης Κόστος λειτουργίας Ταξινόμηση των διαφόρων θέσεων Σύγκριση πλεονεκτημάτων μειονεκτημάτων αυτών Επιλογή τελικής θέσης 23

24 Η ΑΝΕΜΟΜΕΤΡΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ BEAUFORT Η ταξινόμηση της ταχύτητας και της έντασης του ανέμου γίνεται από τις Μετεωρολογικές Υπηρεσίες σύμφωνα με την κλίμακα Beaufort (Μποφόρ). Πρόκειται για μία κλίμακα μέτρησης που βασίζεται σε φαινόμενα που μπορούν να παρατηρηθούν εύκολα τόσο στη ξηρά όσο και στην επιφάνεια της θάλασσας. Στον παρακάτω Πίνακα αναφέρονται οι αντιστοιχίες ανάμεσα στις βαθμίδες της κλίμακας Beaufort και τις ταχύτητες του ανέμου σε (m/s) και σε (km/h). ΠΙΝΑΚΑΣ : Η ΑΝΕΜΟΜΕΤΡΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ BEAUFORT ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΜΠΟΦΟΡ m/sec Km / h > 34.0 >

25 Τεχνικά χαρακτηριστικά ανεμογεννήτριας Vestas Offsore τύπου V MWatt 1. Αισθητήρες αέρα και αλεξικέραυνο 2. Σύστημα ψύξης κιβωτίου μετάδοσης, γεννήτριας και υδραυλικών 3. Σύστημα ψύξης converter 4. Πλατφόρμα εγκατάστασης 5. Ενδεικτική λυχνία 6. Converter και σύστημα ελέγχου 7. Γεννήτρια 8. Σύνθετος συμπλέκτης 9. Γερανός επισκευών 10. Μηχανικό δισκόφρενο 11. Κιβώτιο ταχυτήτων 12. Φέρον οργανισμός 13. Κύριος άξονας 14. Κιβώτιο Παρέκκλισης 15. Κύριο Ρουλεμάν 16. Ρουλεμάν πτερυγίου 17. Υποδοχέας πτερυγίων 18. Ελεγκτής υποδοχέα 19. Κύλινδρος πτερυγίου 20. Πτερύγιο 25

26 2. Φωτοβολταϊκά στοιχεία 26

27 2. Θεωρία 2.1. Οι ημιαγωγοί και η δίοδος p - n Τα Φ/Β στοιχεία κατασκευάζονται από ημιαγωγούς, που είναι σώματα με ενδιάμεση ηλεκτρική αγωγιμότητα ανάμεσα στους αγωγούς και στους μονωτές. Οι κυριότεροι ημιαγωγοί είναι 4-σθενή στοιχεία όπως το Si και το Ge (Γερμάνιο) ή χημικές ενώσεις που περιέχουν 4-σθενή στοιχεία. Για να γίνουν τα πράγματα σαφέστερα ας πάρουμε για παράδειγμα το πυρίτιο (Si). Στο σχ.2.1 κάθε άτομο πυριτίου (Si) είναι ενωμένο με 4 γειτονικά άτομα και ο κάθε χημικός δεσμός αποτελείται από 2 ηλεκτρόνια. Η εικόνα αυτή ισχύει μόνο στην υποθετική περίπτωση που ο ημιαγωγός βρίσκεται στην Θεμελιώδη Ενεργειακή του κατάσταση, δηλαδή είναι εντελώς υποβαθμισμένος ενεργειακά όπως π.χ. στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, όπου πράγματι οι αγωγοί μετατρέπονται σε μονωτές. Στη περίπτωση αυτή δεν έχουμε ηλεκτρική αγωγιμότητα επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων είναι απασχολημένα στους δεσμούς με αποτέλεσμα να μην υπάρχουν ελεύθεροι φορείς. Όταν οι ημιαγωγοί απορροφήσουν κάποια αξιόλογη ενέργεια π.χ. με μορφή θερμότητας ή ακτινοβολίας, πραγματοποιείται μία ριζική μεταβολή (σχ.2.2). Η θερμική ενέργεια που παράγεται στο σώμα και κατανέμεται στα άτομα του, προκαλεί την ελευθέρωση πολλών ηλεκτρονίων από τους δεσμούς. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια γίνονται ευκίνητοι φορείς ηλεκτρισμού, δίνοντας στους ημιαγωγούς μια αξιόλογη ηλεκτρική αγωγιμότητα γι αυτό τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ονομάζονται επίσης ηλεκτρόνια αγωγιμότητας. Οι κενές ηλεκτρονικές θέσεις των χημικών δεσμών δρουν που δρουν σαν παγίδες δέσμευσης για όσα ελεύθερα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν σχετικά μειωμένη ενέργεια, ονομάζονται οπές. Στους ημιαγωγούς λοιπόν εκδηλώνονται δύο ανταγωνιστικοί μηχανισμοί. Ο ένας είναι η απελευθέρωση ηλεκτρονίων από τους δεσμούς με ταυτόχρονη δημιουργία οπών, και ο άλλος είναι η παγίδευση ελευθέρων ηλεκτρονίων με μειωμένη ενέργεια στις οπές.. 27

28 Σχ.2.1. Απλοποιημένη απεικόνιση, σε δύο διαστάσεις του πλέγματος του πυριτίου με τα ηλεκτρόνια σθένους εντοπισμένα στους δεσμούς. Στη πραγματικότητα τα ηλεκτρόνια εναλλάσσουν συνεχώς θέσεις μεταξύ τους στους γειτονικούς δεσμούς του στερεού. Σχ.2.2. Επίδραση της θερμικής διέγερσης στο Πυρίτιο. Επάνω δεξιά : ελευθέρωση ενός ηλεκτρονίου από ένα δεσμό. Κάτω από δεξιά προς τα αριστερά: διαδοχική μετατόπιση μίας οπής, ως αποτέλεσμα μίας σειράς αντίθετων μετακινήσεων ηλεκτρονίων σθένους κάθε φορά προς τη κενή θέση ενός γειτονικού δεσμού. 28

29 2.2 Οι ενεργειακές ζώνες στους ημιαγωγούς Από την άποψη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς μπορούμε να θεωρήσουμε τα ηλεκτρόνια των σωμάτων ως να ανήκουν σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες Ζώνη αγωγιμότητας E c Ε E g Απαγορευμένη ζώνη E v Ζώνη σθένους Εσωτερικές ενεργειακές ζώνες Σχ.2.3. Το διάγραμμα των ενεργειακών ζωνών στους ημιαγωγούς Η μία είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που διαθέτουν αρκετή ενέργεια ώστε να έχουν αποσπασθεί από τους δεσμούς του σώματος. Η δεύτερη κατηγορία είναι τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων που σχηματίζουν τους δεσμούς και τα οποία μπορούν να κινηθούν μόνο προς τις γειτονικές οπές ή να ανταλλάξουν θέσεις με άλλα ηλεκτρόνια. Τέλος είναι τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων των ατόμων που είναι τα λιγότερο ενεργά και δεν θα μας απασχολήσουν. Στο σχ.2.3 φαίνονται οι ενεργειακές ζώνες. Τα ηλεκτρόνια σθένους σχηματίζουν μία ενεργειακή ζώνη τη ζώνη σθένους, ενώ τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σχηματίζουν τη ζώνη αγωγιμότητας. Η απόσταση ανάμεσα στις δύο ζώνες ονομάζεται ενεργειακό διάκενο. 2.3 Η ένωση p - n και η δίοδος των ημιαγωγών Οι σημαντικότερες ιδιότητες και εφαρμογές των διατάξεων ημιαγωγών οφείλονται στην διάχυση των φορέων τους. 29

30 Ημιαγωγός τύπου p h e h h h h _ h _ h _ e e + e Ημιαγωγός τύπου n e e e + πίσω ηλεκτρόδιο εμπρός ηλεκτρόδιο Σχ.2.4. Ο μηχανισμός της εκδήλωσης του φωτοβολταϊκού φαινομένου σε ένα ηλιακό στοιχείο Βασικό στοιχείο για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών είναι η ένωση p-n, που μπορούμε να πούμε ότι σχηματίζεται όταν έρθουν σε στενή επαφή ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου p με ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου n. Ειδικότερα οι ημιαγωγοί προσμίξεων στους οποίους επικρατούν δότες και επομένως οι κύριοι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (ελεύθερα), ονομάζονται τύπου n. Αντίστοιχα όταν επικρατούν οι αποδέκτες ονομάζονται τύπου p Kατόπιν αυτού μπορούμε να μιλήσουμε για την εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου, (σχ. 2.4) Τα φωτόνια της ακτινοβολίας που δέχεται το στοιχείο στην εμπρός όψη, τύπου n στο παράδειγμα του σχήματος, παράγουν ζεύγη φορέων (ηλεκτρόνια ή οπές). Ένα μέρος από τους φορείς αυτούς διαχωρίζεται με την επίδραση της ακτινοβολίας και εκτρέπεται προς τα εμπρός, (ελεύθερα ηλεκτρόνια e ) και ένα μέρος εκτρέπεται προς τα πίσω (οπές h + ) δημιουργώντας μία διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου. Ένα μέρος της ακτινοβολίας 30

31 ανακλάται στην επιφάνεια του στοιχείου ενώ ένα άλλο μέρος της διέρχεται από το στοιχείο χωρίς να απορροφηθεί, μέχρι να συναντήσει το πίσω ηλεκτρόδιο. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση (ο αρνητικός πόλος της πηγής να συνδεθεί με τμήμα τύπου n και ο θετικός με το τμήμα τύπου p) της διόδου, αποτελεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συνόλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται στην επιφάνεια τους. Ένα μέρος από την ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διαχέεται πάλι προς το περιβάλλον. Στην συνέχεια από την ακτινοβολία που διεισδύει στον ημιαγωγό προφανώς δεν μπορεί να απορροφηθεί το μέρος εκείνο που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από το ενεργειακό διάκενο που αναφέραμε στις ενεργειακές ζώνες του ημιαγωγού. Για τα φωτόνια αυτά ο ημιαγωγούς συμπεριφέρεται σαν διαφανές σώμα, με αποτέλεσμα η αντίστοιχη ακτινοβολία να διαπερνά άθικτη το ημιαγώγιμο υλικό. Αλλά και από τα φωτόνια που απορροφά ο ημιαγωγός μόνο το μέρος εκείνο της ενέργειας τους που ισούται με το ενεργειακό διάκενο, συμβάλλει στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Στο σχ. 2.5 έχουμε σχηματική απεικόνιση της τομής ενός συσκευασμένου ηλιακού φωτοβολταϊκού στοιχείου πυριτίου (Si) τύπου n - p. Για να έχει το πυρίτιο όπως και κάθε άλλος κρυσταλλικός ημιαγωγός ικανοποιητικές ιδιότητες για φωτοβολταϊκές μετατροπές αλλά και γενικότερα για ηλεκτρικές εφαρμογές, θα πρέπει να είναι πολύ μεγάλης καθαρότητας και το κρυσταλλικό πλέγμα να μην έχει αταξίες δομής με διάφορες χημικές διεργασίες καταλήγουμε να πάρουμε το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο*. Αυτής της μορφής το πυρίτιο χρησιμοποιούμε για την κατασκευή κυψελών, με κυλινδρικό σχήμα διαμέτρου περίπου 10 cm. Aπό τον κύλινδρο κόβονται δίσκοι πάχους περίπου 0.5 mm οι οποίοι λειαίνονται και στη συνέχεια διαμορφώνονται σε διόδους p-n. Το τελικό στάδιο είναι η συγκόλληση των * για περισσότερες λεπτομέρειες δείτε στις σημειώσεις της θεωρίας 31

32 Υλικό περιμετρικής στεγανής συσκευασίας Αντιανακλαστικό επίστρωμα Πίσω ηλεκτρόδιο Μεταλλική σχάρα του εμπρός ηλεκτροδίου Si τύπου n Περιοχή της ένωσης p - n Si τύπου p Σχ Σχηματική απεικόνιση της τομής ενός συσκευασμένου ηλιακού Φ/Β στοιχείου από πυρίτιο τύπου n - p. ηλεκτροδίων στην εμπρός και την πίσω όψη του δίσκου. Η αλληλοσύνδεση των ετοίμων πια στοιχείων, η κάλυψη της εμπρός επιφάνειας τους με ένα αντιανακλαστικό επίστρωμα για την μείωση της ανάκλασης του φωτός και η στεγανή συσκευασία σε πλαίσια φαίνονται στο σχ Το ηλεκτρόδιο της εμπρός όψης του ηλιακού στοιχείου αποτελείται από ένα μεταλλικό δικτυωτό πλέγμα σε σχήμα σχάρας, ώστε να αφήνει ελεύθερο το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας για να δέχεται το φως. Το πλέγμα είναι συνήθως από κράμα αργύρου και καλύπτει περίπου 15% της επιφάνειας του στοιχείου. Το ηλεκτρόδιο του πίσω τμήματος του δίσκου αποτελείται από ένα λεπτό φύλλο αλουμινίου. Περίπου 30% της ηλιακής ακτινοβολίας που πέφτει σε μία επιφάνεια πυριτίου, ανακλάται πάλι προς το περιβάλλον. Η επίδραση της υγρασίας του περιβάλλοντος μπορεί να προκαλέσει πρόωρη φθορά στα ηλιακά στοιχεία και κυρίως στις ηλεκτρικές συνδέσεις. Για αυτό τα συναρμολογημένα στοιχεία καλύπτονται συνήθως με ένα λεπτό γυαλί και στεγανοποιούνται με μία περιμετρική ελαστική ταινία. Στο σχ.2.6 παρουσιάζεται το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός Φ/Β στοιχείου. Σε μία πρώτη εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και της 32

33 λειτουργίας του Φ/Β στοιχείου, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι αποτελεί πηγή ρεύματος που ελέγχεται από μία δίοδο όπως φαίνεται στο σχ 2.6. I ö V R t Σχ Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός Φ/Β στοιχείου Ως πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας το Φ/Β στοιχείο έχει ασυνήθιστη συμπεριφορά έτσι η τάση του Φ/Β στοιχείου μεταβάλλεται ριζικά σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος, έστω και αν η ακτινοβολία παραμένει σταθερή. Στο πρώτο πείραμα των εργαστηριακών ασκήσεων, θα εξετάσουμε τη συμπεριφορά του Φ/Β στοιχείου όταν οι πόλοι του συνδεθούν με ένα κύκλωμα που περιέχει μεταβλητή αντίσταση για το σκοπό αυτό η αντίσταση R L αντικαθίσταται από δύο μεταβλητές αντιστάσεις 50 Ω και 500 Ω, συνδεδεμένες σε σειρά. Στη περίπτωση αυτή θα δούμε ότι όταν η τιμή της αντίστασης είναι μηδέν, δηλαδή έχουμε βραχυκυκλωμένη κατάσταση, η ένταση του ρεύματος παίρνει τη μέγιστη τιμή Isc ενώ η τάση θα μηδενιστεί. Αντίθετα όταν η τιμή της αντίστασης τείνει στο άπειρο, δηλαδή έχουμε ανοικτοκυκλωμένη κατάσταση, μηδενίζεται η ένταση του ρεύματος αλλά η τάση παίρνει τη μέγιστη τιμή Voc. Επομένως στην ανοικτοκυκλωμένη και τη βραχυκυκλωμένη κατάσταση, η ηλεκτρική ισχύς που παράγει το στοιχείο ( P = I V) είναι μηδενική. Στο πείραμα του εργαστηρίου θα δούμε πως για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας αλλά μεταβαλλόμενες τιμές της αντίστασης του κυκλώματος 33

34 ανάμεσα στις παραπάνω ακραίες καταστάσεις, η τάση και η ένταση του ρεύματος παίρνουν ενδιάμεσες τιμές. Παράλληλα μεταβάλλεται ομαλά και η ισχύς που παράγει το στοιχείο, με μέγιστη τιμή σε ένα ορισμένο ζεύγος τιμών τάσης - έντασης. Η ΜΕΤΑΒΛΗΤΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΜΑΣ ΔΙΝΕΙ ΤΗΝ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΣΕ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΝΑ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ Η ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ ΔΥΝΑΤΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Χαρακτηριστικά μεγέθη Ως κριτήρια για την αξιολόγηση των Φ/Β στοιχείων λαμβάνονται η απόδοση, (η) και το κόστος. Ως απόδοση ενός Φ/Β στοιχείου ορίζεται ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το στοιχείο προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται στην επιφάνεια του. Για την εκτίμηση του κόστους των ηλιακών στοιχείων χρησιμοποιείται συμβατικά ο όρος Watt αιχμής W p, που είναι η απαιτούμενη επιφάνεια του στοιχείου για τη παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος 1 Watt όταν δέχεται κάθετα ηλιακή ακτινοβολία με πυκνότητα ισχύος 1.000W/m 2. Αναφερόμενοι στο σχ.2.6, για την εκτίμηση της απόδοσης χρησιμοποιούνται οι παρακάτω ποσότητες: Η τάση ανοικτού κυκλώματος V 0 Η ένταση του ρεύματος βραχυκύκλωσης I O, και Ο συντελεστής πλήρωσης FF που δίνεται από τη σχέση FF V I OPT = V I O OPT O ( 2.1 ) όπου V OPT και I OPT είναι η τάση και η ένταση αντίστοιχα στο σημείο της μέγιστης ισχύος του ρεύματος ( P I V ) max = OPT OPT. Με τη βοήθεια των μεγεθών αυτών καθορίζουμε την απόδοση ενός Φ/Β στοιχείου από τη σχέση 34

35 η = FF VO I P S inc O ( 2.2 ) όπου P inc είναι η πυκνότητα της ισχύος της ακτινοβολίας που δέχεται η επιφάνεια του Φ/Β στοιχείου σε (W / m2) και S το εμβαδόν της επιφάνειας σε (m2). Αντικαθιστώντας το συντελεστή πλήρωσης FF από τη σχέση (2.1), προκύπτει τελικά η = P P S inc ( ) max 2.3 Στα παρακάτω σχήματα φαίνεται η επίδραση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας στην απόδοση του Φ/Β στοιχείου. Σχ Τυπικές χαρακτηριστικές I - V για ένα Φ/Β στοιχείο με διαστάσεις 1 x 2 cm, με παράμετρο την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, θεωρώντας ως κάθετη τη πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας, σταθερή τη φασματική κατανομή και σταθερή τη θερμοκρασία του Φ/Β στοιχείου. 35

36 Σχ Τυπικές χαρακτηριστικές ρεύματος - τάσης για ένα Φ/Β στοιχείο σε σχέση με τη θερμοκρασία του Φ/Β στοιχείου 2.5. Τα υλικά κατασκευής των ηλιακών Φ/Β στοιχείων Τα Φ/Β στοιχεία που υπάρχουν κατασκευάζονται από: Μονοκρυσταλλικό Πυρίτιο Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο Θειούχο Κάδμιο Αρσενικούχο Γάλλιο Τα πειράματα στο εργαστήριο γίνονται με Φ/Β στοιχείο Μονοκρυσταλλικού Πυριτίου. 36

37 2.6. Φωτοβολταϊκή ορολογία Το βασικό χαρακτηριστικό συστατικό κάθε φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι η φωτοβολταΐκή γεννήτρια, η οποία παράγει συνεχές ρεύμα και αποτελείται από τους ηλιακούς συλλέκτες με τα φωτοβολταϊκά ηλιακά στοιχεία. Φωτοβολταϊκή συστοιχία: Μία ομάδα από φωτοβολταϊκά πλαίσια ή πάνελ συνδεδεμένα ηλεκτρικά μεταξύ τους και τοποθετημένα σε κοινή βάση στήριξης. Φωτοβολταϊκό πάνελ: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο: Φωτοβολταϊκό στοιχείο: Φωτοβολταϊκός σταθμός: Φωτόρευμα: Watt αιχμής: Ένα η περισσότερα φωτοβολταϊκά πλαίσια που έχουν προκατασκευασθεί και συναρμολογηθεί σε ενιαία κατασκευή, έτοιμη για να τοποθετηθεί σε Φ/Β εγκατάσταση ονομάζεται επίσης και φωτοβολταϊκό πάνελ Ένα σύνολο ηλιακών στοιχείων που είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα και συσκευασμένα σε στεγανή κατασκευή με κοινή ηλεκτρική έξοδο. Αποτελεί την βασική μονάδα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας και ονομάζεται και φωτοβολταΐκός πίνακας. Η ηλεκτρονική διάταξη που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν δέχεται ακτινοβολία ονομάζεται επίσης φωτοβολταϊκό κύτταρο ή κυψέλη. Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια μαζί με το σύστημα ρύθμισης προστασίας, ελέγχου κ.α., για την παραγωγή τάσης κατάλληλης για την τροφοδοσία ηλεκτρικού δικτύου. Το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, όταν διεγείρεται από μία ακτινοβολία. Η μονάδα της ισχύος αιχμής αντιστοιχεί στην μέγιστη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ, όταν το φωτοβολταϊκό πλαίσιο δεχθεί ηλιακή ακτινοβολία με πυκνότητα ισχύος 1Kw/m 2. 37

38 2.7. Πειράματα Σχεδιασμός χαρακτηριστικής καμπύλης Φ/Β διάγραμμα, V - I Στο εργαστήριο αυτό θα λάβουμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες V - I, μεταβάλλοντας το εισαγόμενο φορτίο σε σχέση με μια δεδομένη τιμή φωτισμού. A Για τη διεξαγωγή του πειράματος κάνουμε τις K V εξής εργασίες: 1. Αφού κάνουμε τη σύνδεση όπως φαίνεται στο σχ.2.9 ανάβουμε τη λάμπα και βάζουμε τα ποτενσιόμετρα στις μεγαλύτερες τιμές τους. Με αυτή τη διάταξη, που αντιστοιχεί σε ανοικτό κύκλωμα, το αμπερόμετρο δείχνει μηδενικό ρεύμα και το βολτόμετρο δείχνει μια τάση V Ελαττώνουμε την αντίσταση των ποτενσιομέτρων σιγά - σιγά, και σημειώνουμε τις τιμές της τάσης κ ι α την έντασης. Μέχρι να διαπιστώσουμε ότι το μετρούμενο μένει σχεδόν σταθερό. Πρέπει να πάρετε περί τις 20 μετρήσεις. 3. Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων V - I, έχει σημασία να δουλεύουμε με μικρά βήματα τα ποτενσιόμετρα, ώστε να έχουν κάποια συνέχεια οι μετρούμενες τιμές. 4. Όταν τα ποτενσιόμετρα είναι στη χαμηλότερη τιμή τους (R=0), η τάση θα πρέπει να είναι και αυτή μηδέν και η ένταση μέγιστη Σχ.2.9. Το κύκλωμα για τη διεξαγωγή του πειράματος Ζητούνται A. Να γίνουν οι μετρήσεις V - I για το μονοκρυσταλλικό και το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. 38

39 Β. Να υπολογιστεί η επιφάνεια κάθε κυψέλης. Γ. Να σχεδιαστούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες V - I. Δ. Να Συγκριθούν τα αποτελέσματα και να εξαχθούν συμπεράσματα Σύνδεση σε σειρά Στο εργαστήριο αυτό θα υπολογίσουμε το βαθμό απόδοσης δύο όμοιων Φ/Β συνδεδεμένων σε σειρά. Η σύνδεση και οι υπολογισμοί θα γίνουν σύμφωνα με το φυλλάδιο των ασκήσεων και ο τρόπος λήψης μετρήσεων θα είναι όπως στο προηγούμενο πείραμα, (παρ ) Ζητούνται Α. Να γίνουν οι μετρήσεις V - I για τη μονοκρυσταλλική και την πολυκρυσταλλική συστοιχία. Β. Να σχεδιαστούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες V - I. Γ. Να συγκριθούν τα αποτελέσματα με αυτά του μεμονωμένου πλαισίου και να εξαχθούν συμπεράσματα Παράλληλη σύνδεση Στο εργαστήριο αυτό θα υπολογίσουμε το βαθμό απόδοσης δύο όμοιων Φ/Β σε παράλληλη σύνδεση. Η σύνδεση και οι υπολογισμοί θα γίνουν σύμφωνα με το φυλλάδιο των ασκήσεων και ο τρόπος λήψης μετρήσεων θα είναι όπως στο πρώτο πείραμα, (παρ ) Ζητούνται Α. Να γίνουν οι μετρήσεις V - I για τη μονοκρυσταλλική και την πολυκρυσταλλική συστοιχία. Β. Να σχεδιαστούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες V - I. 39

40 Γ. Να συγκριθούν τα αποτελέσματα με αυτά του μεμονωμένου πλαισίου και να εξαχθούν συμπεράσματα Ασκήσεις συνδεσμολογίας Φ/Β πλαισίων & συστοιχιών συσσωρευτών Αυτόνομο Φ/Β σύστημα Στη συνέχεια θα πραγματοποιηθούν μετρήσεις με όλων των τύπων τα Φ/Β πλαίσια παραγωγής και θα ληφθούν μετρήσεις με διαφορετικές συνθήκες φυσικού φωτισμού και γωνίας πρόσπτωσης. Σκοπός του εργαστηρίου είναι να βρεθεί πειραματικά η κατάλληλη γωνία τοποθέτησης των πλαισίων την ημέρα και ώρα διεξαγωγής των πειραμάτων και να γίνει σύγκριση με τη θεωρητική εκδοχή. Οι συστοιχίες Φ/Β, οι οποίες θα παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα θα πρέπει να το αποθηκεύσουν σε μπαταρίες για τη δημιουργία ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος. Ανάλογα με την παραγωγή θα υπολογίσουμε τις συστοιχίες συσσωρευτών και θα τις συνδέσουμε είτε σε σειρά είτε παράλληλα, είτε μεικτά και θα πραγματοποιήσουμε υπολογισμούς με διάφορα παραδείγματα. 40

41 Παράρτημα Ασκήσεις συνδεσμολογίας Φ/Β 36V, 200W 41

42 42