Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΟΡΟΜΠΙΛΗ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΤΟΥ ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ Αριθμός Μητρώου: 5993 Θέμα «Ετήσια απόδοση διαφορετικών τύπων φωτοβολταϊκών πλαισίων και εφαρμογή σε ενεργειακά αυτόνομη κατοικία» Επιβλέπουσα Περράκη Βασιλική, Λέκτορας Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2012

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ετήσια απόδοση διαφορετικών τύπων φωτοβολταϊκών πλαισίων και εφαρμογή σε ενεργειακά αυτόνομη κατοικία» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΟΡΟΜΠΙΛΗ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΤΟΥ ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ Αριθμός Μητρώου: 5993 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Ο Διευθυντής του Τομέα Λέκτορας Περράκη Βασιλική Καθηγητής Φακωτάκης Νικόλαος

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ετήσια απόδοση διαφορετικών τύπων φωτοβολταϊκών πλαισίων και εφαρμογή σε ενεργειακά αυτόνομη κατοικία» Φοιτητής: Κορομπίλης Δημήτριος, Επιβλέπουσα: Περράκη Βασιλική, Λέκτορας

4 Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτή τη Διπλωματική εργασία εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνεύεται ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών.

5 Περίληψη Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να μελετήσουμε τη λειτουργία και τη συμπεριφορά φωτοβολταϊκών πλαισίων κάτω από πραγματικές συνθήκες και να σχεδιάσουμε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα που θα καλύπτει πλήρως τις ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας. Γι αυτόν το σκοπό πραγματοποιήσαμε μετρήσεις στην ταράτσα του κτιρίου Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Πατρών, οι οποίες διήρκησαν από τον Οκτώβρη του 2009 μέχρι τον Σεπτέμβρη του Οι μετρήσεις γίνονταν μια φορά την εβδομάδα κάτω από διάφορες καιρικές συνθήκες και είχαν συχνότητα μία ώρα από την ανατολή μέχρι τη δύση του ηλίου. Συλλέξαμε δεδομένα για πολλές κλίσεις τοποθέτησης (0 ο,30 ο,38 ο,45 ο,60 ο, 80 ο ) ώστε να διαπιστώσουμε τη βέλτιστη κλίση για κάθε περίοδο του έτους. Καταγράφουμε την επίδραση των διαφορετικών κλίσεων στην αποδιδόμενη ενέργεια λόγω του ότι τα Φ/Β τοποθετούνται σε κτίρια όπου πολλές φορές ο χώρος δεν επιτρέπει την τοποθέτηση τους στη κλίση βέλτιστης απόδοσης. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν νότιος ώστε να πετυχαίνουμε καλύτερη αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας, αφού η Ελλάδα βρίσκεται στο βόρειο ημισφαίριο. Τα πλαίσια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν πολυκρυσταλλικού πυριτίου και δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CIS) ονομαστικής ισχύος 80Wp και 75Wp αντίστοιχα. Για την εξαγωγή των πειραματικών δεδομένων χρησιμοποιήσαμε ένα όργανο αποτύπωσης χαρακτηριστικών καμπυλών ρεύματοςτάσης PVPM 2540C ενώ επιπλέον καταγράφαμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία πλαισίου, καθώς και την αποδιδόμενη ισχύ. Στην επεξεργασία των μετρήσεων εστιάσαμε στην επίδραση ορισμένων εξωτερικών παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και η σκίαση, στην παραγόμενη ισχύ και μελετήσαμε ηλεκτρικά μεγέθη όπως το ρεύμα βραχυκύκλωσης και η τάση ανοιχτοκύκλωσης. Σχετικά με την επίδραση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας τα συμπεράσματά μας για τα δύο πλαίσια είναι κοινά. Όσο μεγαλώνει η ισχύς της ακτινοβολίας αυξάνεται ανάλογα και η παραγόμενη ισχύς τους, μέχρι τα 1000 W/m 2 όπου φτάνουν τα ονομαστικά τους μεγέθη. Όσο αφορά στην επίδραση της θερμοκρασίας των πλαισίων στη λειτουργίας τους, το πλαίσιο CIS φαίνεται να υπερτερεί, αφού οι αρνητικές επιπτώσεις των υψηλών θερμοκρασιών στην απόδοσή του είναι μικρότερες από εκείνες του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Επίσης τα περισσότερα ηλεκτρικά μεγέθη του CIS εμφανίζουν μεγαλύτερη σταθερότητα με την άνοδο της θερμοκρασίας. Ακόμα, τα αποτελέσματα που πήραμε σκιάζοντας τα δύο πλαίσια έδειξαν πως η επίδραση της οριζόντιας σκίασης είναι παρόμοια στους δύο τύπους φωτοβολταϊκών σε αντίθεση με την κάθετη σκίαση, όπου το πλαίσιο CIS αποδίδει πολύ καλύτερα.

6 Στη συνέχεια προσδιορίσαμε την βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων ανά μήνα αλλά και μία βέλτιστη σταθερή κλίση τοποθέτησης για όλο το χρόνο, η οποία βρέθηκε 30 ο. Επιπλέον, υπολογίσαμε την ετήσια παραγόμενη ενέργεια κάθε πλαισίου για σταθερή κλίση 30 ο, η οποία αντιστοιχεί σε 1668,45 kwh/kwp έτος ή 207,26 kwh/m 2 έτος για το poly-si και 1743,95 kwh/kwp έτος ή 159,5 kwh/m 2 έτος για το CIS. Σε αυτά τα μεγέθη δεν συμπεριλαμβάνονται συντελεστές απωλειών ανομοιογένειας, μεταφοράς, απώλειες στη δίοδο αντεπιστροφής και άλλες μειώσεις της τελικής παραγόμενης ενέργειας σε ένα εγκατεστημένο Φ/Β σύστημα. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας αναλύσαμε τα μέρη ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος και σχεδιάσαμε ένα τέτοιο σύστημα για την κάλυψη των αναγκών μιας κατοικίας που κατοικείται όλο το χρόνο, με 4 μέρες αυτονομίας. Το ημερήσιο φορτίο το οποίο μπορεί να καλύψει το σύστημά μας ανέρχεται σε 8,3 kwh/ημέρα. Το τελικό κόστος εγκατάστασης υπολογίστηκε ή 4550 /kwp και η οριζόντια έκταση που καταλαμβάνει 63,4 m 2. Με τη βοήθεια του προγράμματος PV*Sol επαληθεύσαμε την μελέτη κάνοντας μοντελοποίηση του αυτόνομου Φ/Β συστήματος που σχεδιάσαμε. Η διαστατοποίηση που προτείνει το πρόγραμμα, μας δίνει ένα σύστημα που έχει κοινές ηλεκτρικές διατάξεις και εγκατεστημένη ισχύ με αυτή που είχε υπολογισθεί. Προτείνοντας, τέλος, μια εναλλακτική λύση προσθέσαμε ένα επιπλέον φορτίο περίπου 7,8-9,3 kwh/ημέρα τους μήνες που έχουμε μεγάλο πλεόνασμα ηλιακής ακτινοβολίας με αποτέλεσμα την αύξηση κατά 50% του μέσου συντελεστή απόδοσης του Φ/Β συστήματος. Λέξεις κλειδιά φωτοβολταϊκά, ημιαγωγός, ηλιακό κύτταρο, πλαίσιο, συστοιχία, πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, δισεληνοϊνδιούχος χαλκός, λεπτό φιλμ, ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία, χαρακτηριστική καμπύλη i-v, ισχύς, ενέργεια, απόδοση, αυτόνομο σύστημα.

7 Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών υπό την επίβλεψη της κας. Περράκη Βασιλικής. Σκοπός της εργασίας είναι να διερευνηθεί πώς διάφοροι παράγοντες, όπως η ακτινοβολία, η θερμοκρασία, η κλίση τοποθέτησης των πλαισίων και η σκίαση επιδρούν στην ισχύ αιχμής και συνεπώς στην απόδοση φωτοβολταϊκών πλαισίων Λεπτού Φιλμ αλλά και κρυσταλλικού πυριτίου. Αυτό επιτεύχθηκε μέσα από ένα σύνολο πειραματικών μετρήσεων υπό πραγματικές συνθήκες και στη συνέχεια από την επεξεργασία των δεδομένων που συλλέχθηκαν. Θα ήθελα να ευχαριστήσω βαθύτατα την επιβλέπουσα καθηγήτριά μου, κα. Βασιλική Περράκη για την ανάθεση αυτής της διπλωματικής εργασίας και κυρίως για την συνεχή καθοδήγηση και τις συμβουλές που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια της διεξαγωγής της. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω το Εργαστήριο Ασυρμάτου Τηλεπικοινωνίας του τομέα Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας για την παροχή του απαραίτητου εργαστηριακού εξοπλισμού, και το Μετεωρολογικό Σταθμό Έξω Αγυιάς Πάτρας μέσω του οποίου είχα πρόσβαση στα πλήρη μετεωρολογικά δεδομένα της πόλης για τις ημέρες που δεν είχαν καταγραφεί. Στη συνέχεια, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συναδέλφους μου Γεώργιο Τσόλκα και Πόθο Κοταρά για τη βοήθειά τους κατά την πραγματοποίηση των πειραματικών μου μετρήσεων. Τέλος, οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ στους φίλους μου, για την θερμή υποστήριξή τους και στην οικογένειά μου για όλα όσα έχω πετύχει μέχρι σήμερα. Για το λόγο αυτό, αφιερώνω τη διπλωματική μου εργασία σε αυτούς και στη μνήμη του πατέρα μου.

8 Περιεχόμενα Περίληψη Πρόλογος Περιεχόμενα ΜΕΡΟΣ Α ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Εισαγωγή Συμβατικές και Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Ανανεώσιμες πηγές στην Ελλάδα και σε παγκόσμια κλίμακα... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Ηλιακή ενέργεια Ο Ήλιος Ηλιακή Ακτινοβολία Το Φάσμα της Ηλιακής ακτινοβολίας Ηλιακή γεωμετρία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Ιστορική Αναδρομή Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ημιαγωγοί και p-n επαφή Ορισμός Τα χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού στοιχείου Δημιουργία φωτορεύματος Μοντέλο φωτοβολταϊκού στοιχείου Χαρακτηριστική Καμπύλη Ι-V Συντελεστής απόδοσης Επίδραση παραγόντων στην απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου Μηχανισμοί απώλειας της ηλιακής ενέργειας Επίδραση της ακτινοβολίας Επίδραση της θερμοκρασίας Σκίαση Πρότυπες συνθήκες (STC) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Γενικά Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκά κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου Τεχνολογία λεπτών φιλμ (Thin Film) Τα Φωτοβολταϊκά σήμερα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Πειραματική Διάταξη Διαδικασία πειραματικών μετρήσεων Μετρήσεις υπό σταθερή ακτινοβολία Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V Ρεύμα βραχυκύκλωσης και ρεύμα σημείου μέγιστης ισχύος Τάση ανοιχτού κυκλώματος και τάση σημείου μέγιστης ισχύος Μέγιστη ισχύς και συντελεστής απόδοσης Συντελεστής πλήρωσης Μετρήσεις υπό σταθερή θερμοκρασία Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V... 70

9 5.4.2 Ρεύμα βραχυκύκλωσης και ρεύμα σημείου μέγιστης ισχύος Τάση ανοιχτού κυκλώματος και τάση σημείου μέγιστης ισχύος Μέγιστη ισχύς και συντελεστής απόδοσης Συντελεστής πλήρωσης Συνθήκες σκίασης Σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου Σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS Προσδιορισμός βέλτιστης κλίσης Χειμερινή περίοδος (Οκτώβριος Μάρτιος) Θερινή περίοδος (Απρίλιος Σεπτέμβριος) Σύγκριση των δύο περιόδων Ετήσια ενεργειακή απόδοση Παράδειγμα υπολογισμού ενεργειακής απολαβής το μήνα Μάρτιο για το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου Ετήσια αποτελέσματα Επιλογή τρόπου τοποθέτησης πλαισίων Χαρακτηριστικά μεγέθη kwh/kwp, kwh/m 2 και σύγκριση πλαισίων ΜΕΡΟΣ Β' ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Αυτόνομο Φωτοβολταϊκό Σύστημα Γενικά Συσσωρευτές Ελεγκτής φόρτισης Αντιστροφέας (inverter) Επιλογή καλωδίων Γειώσεις και αντικεραυνική προστασία Ισχύς αιχμής φωτοβολταϊκής συστοιχίας Απόσταση μεταξύ διαδοχικών φωτοβολταϊκών συστοιχιών Εφαρμογή αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος Προσομοίωση αυτόνομου συστήματος με χρήση του προγράμματος PV*SOL ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Συμπεράσματα Παράρτημα Α : Μετρήσεις Παράρτημα Β : Σχεδιασμός Φ/Β Συστήματος Βιβλιογραφία

10 1. Εισαγωγή ΜΕΡΟΣ Α 1. Εισαγωγή Απόρροια μιας καταστροφικής για το περιβάλλον κατάχρησης των φυσικών πόρων που μας δόθηκαν απλόχερα, οι κυβερνήσεις ανά τον κόσμο προσπαθούν με την προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και με την εφαρμογή Πράσινης Πολιτικής να αντιστρέψουν σιγά σιγά τις αρνητικές συνέπειες που έχουμε επιφέρει τους δύο τελευταίους αιώνες στο περιβάλλον μας. Τα τελευταία χρόνια, λοιπόν τα Αιολικά και τα Φωτοβολταϊκά Συστήματα μπαίνουν όλο και περισσότερο στη ζωή μας. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που είναι διαθέσιμα για εμπορική χρήση χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: στα πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου (crystalline silicon) και στα πλαίσια λεπτού φιλμ (thin film). Τα πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου είναι πιο γνωστά σε μας αφού έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιηθεί για πολλά χρόνια και καταλαμβάνουν το μεγαλύτερος μερίδιο της αγοράς. Παρολ αυτά η ζήτηση των πλαισίων λεπτού φιλμ, τα οποία χαρακτηρίζονται από μείωση του ημιαγώγιμου υλικού, αυξάνεται συνεχώς τα τελευταία χρόνια, καθώς έχουν μικρότερο κόστος κατασκευής. Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών άρχισε να αναπτύσσεται περίπου το 1950, κυρίως για χρήση τους σε διαστημικές εφαρμογές, και από τότε εξελίσσεται συνεχώς. Σήμερα, δίνεται μεγάλη σημασία στην κατασκευή φωτοβολταϊκών πλαισίων που θα έχουν μεγαλύτερες αποδόσεις και κατά συνέπεια θα αξιοποιούν καλύτερα την διαθέσιμη ηλιακή ενέργεια.. Τα περιεχόμενα των κεφαλαίων που ακολουθούν περιγράφονται παρακάτω : Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια αναφορά στις συμβατικές και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται η ηλιακή ενέργεια καθώς και η πηγή της, ο ήλιος, που αποτελεί την μεγαλύτερη ενεργειακή είσοδο στον πλανήτη. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μια παρουσίαση της ιστορίας του φωτοβολταϊκού φαινομένου, περιγράφεται το ίδιο το φαινόμενο και επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που έχει η χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων. Επίσης κάνουμε μια μικρή αναφορά στη φυσική των ημιαγωγών, οι οποίοι αποτελούν το βασικό υλικό κατασκευής των ηλιακών κυττάρων. Στο Κεφάλαιο 4 εστιάζουμε στις τεχνολογίες παραγωγής Φ/Β κυττάρων, αναλύουμε τα μέρη από τα οποία αποτελούνται και παραθέτουμε τα διάφορα είδη που χρησιμοποιούνται στην εποχή μας. Το Κεφάλαιο 5, αφορά την επεξεργασία των δεδομένων που καταγράψαμε από πειραματικές μετρήσεις που έγιναν σε ένα πλαίσιο poly-si και ένα CIS. Μελετάται ο τρόπος με τον οποίο η ακτινοβολία, η θερμοκρασία και η σκίαση επηρεάζουν την απόδοση των δύο πλαισίων και υπολογίζεται η ετήσια αποδιδόμενη ενέργεια καθώς και η βέλτιστη κλίση τοποθέτησης ανά εποχή. Στο Κεφάλαιο 6, περιγράφονται τα μέρη από τα οποία αποτελείται ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα και στη συνέχεια υπολογίζεται μέσω τύπων αλλά και με τη βοήθεια του προγράμματος εξωμοίωσης PV*Sol, ένα Φ/Β σύστημα για την κάλυψη των αναγκών μιας κατοικίας όλο το χρόνο. 1 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

11 1. Εισαγωγή Τα συμπεράσματα που βγήκαν απ την εκπόνηση αυτής της εργασίας παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 7, και στο Παράρτημα Α,Β παραθέτονται οι πίνακες με τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν. 1.1 Συμβατικές και Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Η ενέργεια ως μια θεμελιώδης ανάγκη για την ανάπτυξη κάθε κοινωνίας αποτέλεσε και αποτελεί τον κινητήριο μοχλό κάθε ανθρώπινης δραστηριότητας. Οι περισσότερες χώρες του κόσμου βασίζονται σε δικά τους ή εισαγόμενα καύσιμα για να ικανοποιήσουν ένα μεγάλο ποσοστό των ενεργειακών τους αναγκών. Όσον αφορά όμως τα αποθέματα ενέργειας (ενεργειακό δυναμικό), οι πηγές ενέργειας διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Τις Συμβατικές ή Μη Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ή Ήπιες Μορφές Ενέργειας ή αλλιώς και Πράσινη Ενέργεια. Οι Μη Ανανεώσιμες 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. Περιλαμβάνουν : Τα στερεά καύσιμα των γαιανθράκων, όπως λιγνίτη, ανθρακίτη, τύρφη. Τα υγρά καύσιμα που παίρνουμε με κατεργασία όπως μαζούτ, πετρέλαιο, βενζίνη, κηροζίνη κλπ Τα αέρια καύσιμα όπως το φυσικό αέριο, υγραέριο κλπ. και Την πυρηνική ενέργεια που παίρνουμε από τη σχάση ραδιενεργών υλικών. Οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι αυτές που χρησιμοποιούνται κυρίως τα τελευταία χρόνια και έχουν βοηθήσει πολύ στην ανάπτυξη της σύγχρονης κοινωνίας. Ωστόσο αυτές οι ενεργειακές πηγές έχουν περιορισμένες προοπτικές, αφού τα συμβατικά και πυρηνικά καύσιμα εξαντλούνται βαθμιαία, γεγονός που επιβαρύνθηκε τους τελευταίους δύο αιώνες με την εκρηκτική αύξηση του πληθυσμού και κατά συνέπεια την κατακόρυφη αύξηση της ενεργειακής ζήτησης. Εκτιμάται ότι τα υπάρχοντα αποθέματα των πηγών αυτών θα επαρκέσουν ακόμα για περίπου 200 χρόνια για το κάρβουνο, 60 χρόνια για το φυσικό αέριο και 50 χρόνια για το πετρέλαιο [1]. Το ενδιαφέρον για τις ήπιες μορφές ενέργειας ανακινήθηκε τη δεκαετία του 1970 (είχαν προηγηθεί σημαντικές ενέργειες στον τομέα όπως θα δούμε παρακάτω), ως αποτέλεσμα κυρίως της πετρελαϊκής κρίσης του 1973 και της συνεχόμενης αύξησης της τιμής του πετρελαίου τα επόμενα χρόνια, αλλά και της αλλοίωσης του περιβάλλοντος και της ποιότητας ζωής από την χρήση κλασικών πηγών ενέργειας. Σιγά σιγά άρχισαν να επιβεβαιώνονται επιστημονικά οι επιβαρυντικές συνέπειες της αλόγιστης χρήσης αυτών των φαινομενικά αθώων καυσίμων στο οικοσύστημα και στην ανθρώπινη υγεία, όπως η όξινη βροχή, η μεγάλη απελευθέρωση CO 2 στην ατμόσφαιρα και η συνεχής αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη με δυσοίωνες προβλέψεις για το μέλλον. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 2

12 1. Εισαγωγή Δεν ήταν όμως μόνο αυτές οι συνέπειες. Δύο πολύ σοβαρά ατυχήματα που έγιναν στους πυρηνικούς σταθμούς του Three Mile Island της Πενσυλβάνια το 1979 και του Τσέρνομπιλ της Ουκρανίας το 1986, ήρθαν να προκαλέσουν έντονες αμφιβολίες στην κοινή γνώμη για την πυρηνική ενέργεια και τις καταστροφικές συνέπειες που έχει στο περιβάλλον και στον άνθρωπο μία πιθανή διαρροή. Έτσι η παγκόσμια κοινότητα άρχισε να στρέφεται προς τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας. Ο όρος «ήπιες» αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους. Καταρχάς, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση, όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση, όπως με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας, αλλά απλώς η εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. Δεύτερον, πρόκειται για «καθαρές» μορφές ενέργειας, πολύ «φιλικές» στο περιβάλλον, που δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα, όπως οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα. Ως ανανεώσιμες χαρακτηρίζονται οι πηγές που θα συνεχίζουν να μας παρέχουν ενέργεια σε βάθος χρόνου. 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 καθώς και η ενέργεια βιομάζας Στις 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 κάποιων περιοχών. Όπως ήδη αναφέραμε αυτές οι μορφές ενέργειας είναι φιλικές με το περιβάλλον και δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. Παρ ολα αυτά όμως δεν αποτελούν παρά ένα μικρό ποσοστό της συνολικής παραγόμενης ενέργειας παγκοσμίως. Αιτία γι αυτό είναι αφενός το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που ήταν και συνεχίζει να είναι σχετικά υψηλό, αφετέρου οι πολιτικές και οικονομικές σκοπιμότητες που έχουν να κάνουν με τη διατήρηση της παρούσας κατάστασης στον ενεργειακό τομέα και εμπόδισαν την πλήρη εκμετάλλευση των ΑΠΕ. Τελευταία από την Ευρωπαϊκή Ένωση, αλλά και από πολλά μεμονωμένα κράτη, υιοθετούνται νέες πολιτικές για τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, που προάγουν τέτοιες εσωτερικές πολιτικές. Η ανάγκη για παγκόσμιο περιορισμό των αέριων ρύπων οδήγησε το καλοκαίρι του 1992 στην διάσκεψη στο Ρίο όπου οι επικεφαλής των βιομηχανικών χωρών δεσμεύτηκαν να μειώσουν μέχρι 3 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

13 1. Εισαγωγή το 2000 τις εκπομπές αερίων που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου, δέσμευση που δεν εκπληρώθηκε από πολλές χώρες όπως π.χ. οι Η.Π.Α. Στην συνέχεια ήρθε η διάσκεψη στο Κιότο της Ιαπωνίας το Δεκέμβριο του 1997, όπου υπεγράφη η πρώτη συμφωνία σε παγκόσμιο επίπεδο (Πρωτόκολλο του Κιότο) η οποία τέθηκε σε ισχύ στις 16 Φεβρουαρίου Η αναγκαιότητα της μείωσης των παραγόμενων ρύπων από την μετατροπή συμβατικών καυσίμων σε ηλεκτρική ενέργεια και κατ επέκταση της προώθησης των ΑΠΕ φαίνεται από τις εκτιμήσεις για άνοδο της θερμοκρασίας του πλανήτη τα επόμενα χρόνια (σχήμα 1.1). (a) (b) (c) Σχήμα 1.1 (a,b,c) : α) Πρόβλεψη για άνοδο της θερμοκρασίας i)χωρίς, ii)με πράσινη πολιτική β) Διάγραμμα εκτίμησης μέσης θερμοκρασιακής μεταβολής από το 1900 μέχρι το γ) Χάρτης πρόβλεψης αύξησης της θερμοκρασίας του πλανήτη από μέχρι Πηγή: [ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 4

14 1. Εισαγωγή 1.2 Ανανεώσιμες πηγές στην Ελλάδα και σε παγκόσμια κλίμακα Η συνολική συνεισφορά των ΑΠΕ καταγράφει σταθερά ανοδική πορεία τα τελευταία χρόνια στην Ελλάδα. Σύμφωνα με όσα αναφέρονται σε πρόσφατη μελέτη της Hellastat Α.Ε., η εγκατεστημένη ισχύς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ (χωρίς τα μεγάλα υδροηλεκτρικά και τα αντλητικά συστήματα) στο τέλος του 2006 ανερχόταν σε 878 MW, παρουσιάζοντας μέση άνοδο ίση με 23% ετησίως την περίοδο Σταθερά αυξανόμενη εξέλιξη παρουσιάζουν τα αιολικά, τα μικρά υδροηλεκτρικά και η βιομάζα. Σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν στην 4η Εθνική Έκθεση για τις ΑΠΕ, εκτιμήθηκε ότι στο τέλος του 2007 υπήρχαν εγκαταστάσεις (εκτός των αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων) ισχύος MW (+18% από το 2006) ενώ η συνολική ισχύς, υπολογίζοντας και τα μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα, άγγιξε τα 4.060MW [2]. Αυτά επιβεβαιώνονται αν δούμε πως εξελίχθηκαν σύμφωνα με την ΔΕΣΜΗΕ οι -διασυνδεδεμένες στο δίκτυο- μονάδες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην Ελλάδα τα τελευταία χρόνια (σχήμα 1.2). Σχήμα 1.2 : Εγκατεστημένη ισχύς ΑΠΕ στο ελληνικό διασυνδεδεμένο σύστημα Πηγή: [ Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι από τα 200 MW, διασυνδεδεμένων στο σύστημα, μονάδων ΑΠΕ έχουμε φτάσει τον Σεπτέμβριο του 2011 περίπου τα 1800 MW, δηλαδή άνοδο 800% μέσα σε 8 χρόνια. Παρατηρούμε επίσης ότι στα χρόνια υπάρχει μια απότομη αύξηση της συμμετοχής των Φωτοβολταϊκών συστημάτων στις εγκατεστημένες μονάδες ΑΠΕ (327 MW το 2011 σε σχέση με μόλις 50 MW στο τέλος του 2009). 5 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

15 1. Εισαγωγή Η εξέλιξη των ανανεώσιμων πηγών σε όλο τον κόσμο ήταν επίσης αρκετά θετική, ακολουθώντας μια συνεχώς αυξανόμενη πορεία. Μάλιστα τα Φ/Β συστήματα επικρατούν των άλλων ΑΠΕ όσο αφορά το ποσοστό αύξησής τους ανά έτος, όπως θα δούμε στα επόμενα σχήματα. (a) (b) Σχήμα 1.3 (α,β): α) Παγκόσμια ετήσια ποσοστιαία αύξηση διαφόρων ΑΠΕ. β) Διάφορα στοιχεία που αφορούν τις ΑΠΕ σε όλο τον κόσμο (2008, 2009, 2010) Πηγή [ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 6

16 1. Εισαγωγή Οι στόχοι που έχει θέσει τόσο η Ευρωπαϊκή Ένωση όσο και η παγκόσμια κοινότητα για την συνεισφορά της Πράσινης Ενέργειας στο παγκόσμιο ενεργειακό ισοζύγιο είναι υλοποιήσιμοι στα προσεχή χρόνια αλλά ταυτόχρονα και αναγκαίοι για να μπορέσει να αντιστραφεί η κρίσιμη αυτή κατάσταση που οι ίδιοι έχουμε προκαλέσει στον πλανήτη. Σχήμα 1.4 : Ποσοστό συμβολής ΑΠΕ στην συνολική ενέργεια που παράγουν διάφορες χώρες και μελλοντικοί στόχοι. Σχήμα 1. 5 : Εγκατεστημένη ισχύς ανά είδος ΑΠΕ στον κόσμο, στην Ευρώπη και στις 5 χώρες με τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ σε ΑΠΕ. Πηγή [ 7 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

17 1. Εισαγωγή Αυτή τη στιγμή οι Ανανεώσιμες Πηγές έχουν φτάσει σε παγκόσμιο επίπεδο το 16% της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας και το 18% της ηλεκτρικής ενέργειας. Στις Η.Π.Α αυτό το ποσοστό πέφτει στο 8%, ενώ σε άλλες είναι αρκετά υψηλότερο (στη Σουηδία : 50%). Σχήμα 1.6 (α,β,γ) : α) Μερίδιο ΑΠΕ στην παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας, β) Μερίδιο ΑΠΕ κάποιων χωρών σε σχέση με την ολική καταναλισκόμενη ενέργεια, γ) Μερίδιο ΑΠΕ κάποιων χωρών σε σχέση με την ηλεκτρική καταναλισκόμενη ενέργεια. Πηγή [ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 8

18 2. Ηλιακή ενέργεια 2. Ηλιακή ενέργεια Εφόσον η είσοδος σε ένα Φωτοβολταϊκό σύστημα είναι η ηλιακή ενέργεια είναι απαραίτητο να εξετάσουμε πρώτα την ηλιακή ακτινοβολία ακτινοβολία και τα χαρακτηριστικά της, καθώς και την πηγή της, τον ήλιο. Στην συνέχεια μπορούμε να αναλύσουμε το ίδιο το Φ/Β φαινόμενο. 2.1 Ο Ήλιος Ο Ήλιος είναι ένα τυπικό αστέρι, με μάζα kg, ακτίνα km (109 φορές μεγαλύτερη της Γης), ηλικία χρόνια και υπολογίζεται ότι έχει μπροστά του άλλα 5 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια ζωής. Η επιφανειακή θερμοκρασία του είναι ~5.800 Κ, ενώ η εσωτερική περίπου Κ. Η υψηλή θερμοκρασία του ήλιου οφείλεται στις αυτοσυντηρούμενες πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο εσωτερικό του, κατά τις οποίες το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο. Το έλλειμμα μάζας απ αυτή τη διαδικασία μετατρέπεται σε ενέργεια, η οποία μεταφέρεται στην επιφάνειά του και στη συνέχεια διαχέεται στο διάστημα με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας [1]. Εκτός από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ο ήλιος εκπέμπει και μια ασθενή σωματιδιακή ακτινοβολία που αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια και ηλεκτρόνια, και ονομάζεται ηλιακός άνεμος. Υπολογίζεται ότι για κάθε γραμμάριο υδρογόνου (H) που μετατρέπεται σε ήλιο (Ηe) εκλύεται ενέργεια ίση με U=1, kwh. Η απόσταση γης-ήλιου μεταβάλλεται περιοδικά κατά τη διάρκεια του έτους, με μέση απόσταση km, την οποία για να διανύσει το φως με ταχύτητα ~ km/s χρειάζεται 8,5 λεπτά 2.2 Ηλιακή Ακτινοβολία Ο Ήλιος, αποτελεί μια αστείρευτη ενεργειακή πηγή του πλανήτη μας και παίζει καθοριστικό ρόλο για την ύπαρξη της ζωής στη Γη. Καθορίζει τη θερμοκρασία στην επιφάνειά της και παρέχει ουσιαστικά το σύνολο της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία όλων των φυσικών συστημάτων. Για να το διαπιστώσουμε αρκεί να σκεφτούμε ποιές είναι οι κύριες ενεργειακές είσοδοι στο σύστημα που λέγεται «Γη». Έχουμε λοιπόν [3] : i) Watts από ηλιακή ακτινοβολία ii) Watts που μεταφέρονται στην επιφάνεια από το εσωτερικό της γης. iii) Watts παλιρροιακής ενέργειας από τον συνδυασμό κινητικής και δυναμικής ενέργειας του συστήματος γη-σελήνη-ήλιος. 9 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

19 2. Ηλιακή ενέργεια Με μία καλή προσέγγιση, ο ήλιος ενεργεί ως μία τέλεια πηγή ακτινοβολίας (μέλαν σώμα) σε μία θερμοκρασία επιφάνειας που έχει ήδη αναφερθεί. Η ροή ενέργειας που προσπίπτει κατά μέσο όρο πάνω σε μία μονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από την ατμόσφαιρα της Γης, είναι γνωστή ως ηλιακή σταθερά και ισούται με S=1367 W/m 2. Γενικότερα, η ολική ισχύς από μία πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη μονάδα επιφάνειας, ονομάζεται ένταση ακτινοβολίας [1,4]. Αυτό το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας όμως δεν φτάνει ολόκληρο στο έδαφος. Κατά τη διέλευση των ηλιακών ακτίνων από την ατμόσφαιρα της Γης η ένταση τους ελαττώνεται, αφού τα φωτόνια σκεδάζονται στα μόρια της ατμόσφαιρας, στα πολύ μικρής διαμέτρου d σωματίδια και στα μεγαλύτερης διαμέτρου αιωρήματά της, όπως οι υδρατμοί, η σκόνη και ο καπνός. Ταυτόχρονα μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας. Για παράδειγμα, στην περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολία αυτή η απορρόφηση γίνεται από τους υδρατμούς και το διοξείδιο του άνθρακα, στο ορατό φάσμα από το οξυγόνο, ενώ η υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από τα μόρια του όζοντος στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας [5]. Έτσι, στην επιφάνεια της γης, φτάνουν δύο συνιστώσες του ηλιακού φωτός: α) η απευθείας ή άμεση B (Beam) και β) η σκεδαζόμενη στα μόρια του αέρα, η οποία ονομάζεται διάχυτη D (Diffuse). Η διάχυτη ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια, προέρχεται από όλο τον ουράνιο θόλο (πάνω από το φυσικό ορίζοντα). Παρόλ αυτά, η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ένα συλλέκτη περιλαμβάνει και μια τρίτη συνιστώσα. Αποτελείται λοιπόν από την i) απευθείας, ii) τη διάχυτη και iii) την ανακλώμενη (Albedo) από το έδαφος ακτινοβολία (σχήμα 2.1.β). Η συνολική αυτή ακτινοβολία περιγράφεται ως ολική ακτινοβολία και συμβολίζεται με το γράμμα G (Global Irradiation). Η ακτινοβολία λόγω ανάκλασης εξαρτάται όπως είναι φυσικό από τη μορφολογία, το χρώμα του εδάφους και την πυκνότητα των νεφών, ενώ η ολική (απευθείας και διάχυτη), εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από τους επόμενους παράγοντες: τη σύσταση - κατάσταση της ατμόσφαιρας, τη δεδομένη χρονική στιγμή (π.χ. υγρασία ή ατμοσφαιρικά αιωρήματα). την ημέρα κατά τη διάρκεια του έτους. τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στην επιφάνεια του συλλέκτη (ύψος του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας). Κατά την ανατολή του ήλιου, η ζενίθια γωνία του (δηλαδή η γωνιακή απόκλιση του ήλιου από την κατακόρυφη του τόπου) είναι θz=90 ο (σχήμα 2.1.α) συνεπώς η ολική πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας G καθορίζεται κυρίως από τη διάχυτη συνιστώσα, D. Καθώς το ύψος του ήλιου αυξάνει η άμεση ακτινοβολία μεγαλώνει, μέσα σε μια αίθρια ημέρα, μέχρι το ηλιακό μεσημέρι μετά το οποίο ελαττώνεται περίπου κατά συμμετρικό τρόπο. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 10

20 2. Ηλιακή ενέργεια Σχήμα 2.1 (α,β) : α) Το μήκος L που διανύουν οι ηλιακές ακτίνες μέσα στην ατμόσφαιρα πάχους H και η ζενίθια γωνία z. β) Συνιστώσες της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνουν στο έδαφος Όταν η ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στη Γη, κατανέμεται ανομοιόμορφα στις διάφορες περιοχές. Οι περιοχές κοντά στον Ισημερινό λαμβάνουν περισσότερη ακτινοβολία από τις υπόλοιπες. Η ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει σημαντικά ανάλογα με τις εποχές και εξαρτάται από την ώρα της ημέρας, το κλίμα (τα σύννεφα σκεδάζουν σε σημαντικό βαθμό τις ακτίνες του ήλιου) και την ατμοσφαιρική ρύπανση. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες επηρεάζουν αποφασιστικά το ποσό της ηλιακής ενέργειας που διατίθεται και προσπίπτει στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία (kw/m²) αθροίζεται στη διάρκεια ενός έτους, προκύπτει η ετήσια ηλιακή ενέργεια (συνήθως σε kwh/m²). Η τιμή αυτή παρουσιάζει σημαντικές διαφορές ανάλογα με την τοποθεσία, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2 : Παγκόσμιος χάρτης ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας Πηγή [ Planning and installing photovoltaic systems, σχήμα 1.24 ] 11 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

21 2. Ηλιακή ενέργεια Σχήμα 2.3 : Χάρτης ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας στην Ευρώπη. Πηγή[ European Communities, ] Η Ελλάδα συγκαταλέγεται μεταξύ των χωρών υψηλής ακτινοβολίας. Αυτό αποτελεί πλεονέκτημα στην εφαρμογή των φωτοβολταϊκών συστημάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από το Κέντρο Ερευνών της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχουν γίνει μελέτες για τη χώρα μας, οι οποίες παρουσιάζονται στους χάρτες του σχήματος 2.4. Οι χάρτες αυτοί απεικονίζουν την ετήσια ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας (kwh/m²) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας, άμεσης και διάχυτης, σε συλλέκτες που βρίσκονται στην επιφάνεια της Γης σε οριζόντια θέση (σχήμα 2.4α) και υπό τη βέλτιστη γωνία κλίσης (σχήμα 2.4β) και αφορούν μετρήσεις που έγιναν την περίοδο Όπως θα δούμε παρακάτω η ακτινοβολία στην περίπτωση της οριζόντιας κλίσης κυμαίνεται από W/m 2 και από W/m 2 για βέλτιστη κλίση αντίστοιχα, ποσότητες αρκετά μεγαλύτερες από πολλές Ευρωπαϊκές χώρες. Το ποσό της ενέργειας που παράγει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, δεν εξαρτάται μόνο από την διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία, αλλά επηρεάζεται σημαντικά και από την ικανότητα των ηλιακών πλαισίων να την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Για το λόγο αυτό, οι επιστήμονες εντείνουν συνεχώς τις προσπάθειές τους, ώστε να πετύχουν βελτίωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων και να γίνουν περισσότερο ανταγωνιστικά σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 12

22 2. Ηλιακή ενέργεια Σχήμα 2.4 (α,β) : α) ετήσια ηλιακή ακτινοβολία (kwh/m 2 ) που προσπίπτει σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση, (β) σε συλλέκτες υπό τη βέλτιστη γωνία κλίσης. Πηγή[ European Communities, ] 2.3 Το Φάσμα της Ηλιακής ακτινοβολίας Ένας παράγοντας που χαρακτηρίζει την επίδραση της καθαρής ατμόσφαιρας στη διαδρομή του ηλιακού φωτός, είναι η μάζα αέρος ΑΜ (Air Mass), η οποία είναι ίση προς τον λόγο του μήκους της διαδρομής των ηλιακών ακτίνων μέσα στην ατμόσφαιρα σε σχέση με το πάχος της ατμόσφαιρας (σχήμα 2.5). Το φάσμα του ηλιακού φωτός έξω από την ατμόσφαιρα χαρακτηρίζεται με τη συντετμημένη έκφραση AM0. Εκτός από το φάσμα AM0 υπάρχουν και τα AM1, AM1.5 και AM2, τα οποία αφορούν στο ηλιακό φως, όπως αυτό καταμετρείται στην επιφάνεια της γης και αφού το φως διαγράψει τροχιά μήκους μια φορά, μια και ήμισυ (περίπου) και δυο φορές αντίστοιχα, το πάχος της ατμόσφαιρας. Στη διάρκεια μίας ηλιόλουστης καλοκαιρινής ημέρας στο επίπεδο της θάλασσας, η ακτινοβολία από τον ήλιο, όταν βρίσκεται στο Ζενίθ, αντιστοιχεί σε μάζα αέρος ΑΜ1. Σε άλλες περιπτώσεις, η μάζα αέρος είναι κατά προσέγγιση ίση προς το 1/cosθz, όπου θz είναι η ζενίθια γωνία [4]. Σχήμα 2.5 : σχηματική παρουσίαση της Μάζας Αέρος (ΑΜ) 13 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

23 2. Ηλιακή ενέργεια Η πυκνότητα ισχύος της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, κάθετα στην επιφάνεια συλλογής, που αντιστοιχεί σε AM1 (Air Mass 1) έχει τυπική τιμή W/m 2 και μπορεί να μετρηθεί σε τόπους με γεωγραφικό πλάτος μεταξύ των τιμών ο και 23.5 ο, διότι μόνο σ' αυτούς, οι ηλιακές ακτίνες μπορούν να διαπεράσουν κάθετα την ατμόσφαιρα, δύο φορές μέσα στο έτος. Για ΑΜ1.5, το φάσμα της οποίας παίρνουμε σαν μέση ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης (σχήμα 2.6), έχουμε πυκνότητα ισχύος 830 W/m 2 [1,6]. Ωστόσο νέες μελέτες έχουν δείξει ότι αυτό το νούμερο κυμαίνεται μεταξύ W/m 2 [7-10]. Αν και αυτή η τιμή δεν είναι δεδομένη, αλλά εξαρτάται από την εκάστοτε πηγή, έχουμε δεχτεί σαν στάνταρ ηλιακό φως την ακτινοβολία των 1000 W/m 2, που αλλιώς ονομάζεται πλήρης ήλιος ή ένας ήλιος. Ανάλογα με τις συνθήκες συννεφιάς και την ώρα της ημέρας (γωνία ύψους του ήλιου), η άμεση και διάχυτη ακτινοβολία διαφοροποιούνται σημαντικά. Τις αίθριες ημέρες, η άμεση ακτινοβολία, είναι η μεγαλύτερη συνιστώσα της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας. Αντίθετα, σε πολύ συννεφιασμένες μέρες (κυρίως το χειμώνα), η συνολική ακτινοβολία οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη της διάχυτης συνιστώσας. Σχήμα 2.6 : Ηλιακό φάσμα για ΑΜ0 και ΑΜ1.5 σε σχέση με του μέλανος σώματος. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 14

24 2. Ηλιακή ενέργεια 2.4 Ηλιακή γεωμετρία Η αιτία της ύπαρξης των εποχών του έτους είναι ότι ο άξονας περιστροφής της Γης γύρω από τον εαυτό της δεν είναι κάθετος στο επίπεδο περιφοράς της γύρω από τον Ήλιο, αλλά σχηματίζει μία γωνία περίπου 23,45 o ενώ ταυτόχρονα ο άξονας κρατά την ίδια διεύθυνση στον χώρο (σχήμα 2.7α). Σχήμα 2.7 (α,β): α) Στάδια τροχιάς της Γης γύρω από την ήλιο, β) Σχηματική παρουσίαση της ηλιακή απόκλισης για το βόρειο ημισφαίριο ανάλογα με την εποχή του χρόνου. Αυτή λοιπόν η γωνία που σχηματίζει ο κύκλος της πορείας του ηλίου (σχήμα 2.7 β) σε σχέση με εκείνο που εκτελεί κατά την ισημερία ονομάζεται απόκλιση του ήλιου δ και μεταβάλλεται από o (χειμερινό ηλιοστάσιο μικρότερη μέρα) μέχρι o (θερινό ηλιοστάσιο μεγαλύτερη μέρα). Η ηλιακή απόκλιση για μια μέρα D του έτους υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση [3] : D , 45 sin( 360) 365 Στις συνηθισμένες περιπτώσεις, οι συλλέκτες τοποθετούνται σε σταθερή κλίση και αζιμούθια γωνία, που επιλέγονται ώστε η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας να είναι όσο το δυνατόν κοντά στο 0 (κάθετη πρόσπτωση). Στο βόρειο ημισφαίριο, η βέλτιστη κλίση τοποθέτησης ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου για τη διάρκεια ολόκληρου του έτους, είναι ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου και η αζιμούθια γωνία είναι 0 0 ως προς το νότο. Λόγω όμως της μεταβολής της απόκλισης του ήλιου στη διάρκεια του έτους (σχήμα 2.8α), η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη αλλάζει κάθε εποχή. Στο σχήμα 2.8β φαίνεται η εξάρτηση της μέσης ημερήσιας ηλιακής ενέργειας από τη γωνία κλίσης του πλαισίου κάθε μήνα του χρόνου. Όταν το φωτοβολταϊκό σύστημα, επιδιώκεται να παράγει όσο το δυνατό περισσότερη ενέργεια στη διάρκεια του καλοκαιριού, η κλίση του συλλέκτη επιλέγεται περίπου 10 ο -15 ο μικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, ενώ για το χειμώνα η κλίση επιλέγεται περίπου 10 ο -15 ο μεγαλύτερη. Σημειώνουμε ότι η βέλτιστη κλίση για την οποία επιτυγχάνεται καλύτερη απόδοση για ένα Φ/Β σύστημα είναι συγκεκριμένη κατά το χειμερινό και θερινό ηλιοστάσιο καθώς και στις ισημερίες (σχήμα 2.8 γ) [11]. 15 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

25 2. Ηλιακή ενέργεια (α,β) (γ) Σχήμα 2.8: α) Μεταβολή της απόκλισης του ηλίου κατά την διάρκεια του έτους, β) Παράδειγμα της εξάρτησης της μέσης ημερήσιας ακτινοβολίας που δέχεται μία επίπεδη επιφάνεια κατά τη διάρκεια των διαφόρων μηνών του έτους, σε συνάρτηση με την κλίση της. Το διάγραμμα αναφέρεται σε Γεωγραφικό Πλάτος 45 ο, γ) Η βέλτιστη κλίση ενός ηλιακού συλλέκτη στο θερινό (21 Ιουνίου),το χειμερινό(21 Δεκεμβρίου)ηλιοστάσιο και την εαρινή(21 Μαρτίου) και φθινοπωρινή (23 Σεπτεμβρίου) ισημερία, σε μία τοποθεσία με Γεωγραφικό Πλάτος 38 ο όπως η Πάτρα. Στην περιοχή της Πάτρας όπου πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις το γεωγραφικό πλάτος είναι ίσο με 38 ο 17. Στην συνέχεια παραθέτουμε ένα πίνακα με τις επικρατούσες βέλτιστες κλίσεις ανάλογα με την περιοχή και τις ανάγκες μας [1]. Περιοχή τιμών γεωγραφικού πλάτους (φ) του τόπου Μικρά γεωγραφικά πλάτη, γύρω από τον Ισημερινό φ 20 ο Μέσα και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, φ>20 ο Ενδεικτικές τιμές γωνίας κλίσης συλλέκτη με νότιο προσανατολισμό για το βόρειο ημισφαίριο Ουσιαστικά 0 ο. Στην πράξη συνίσταται μια μικρή γωνία κλίσης 5 ο -10 ο, ώστε η ροή του νερού πλύσης ή της βροχής να απομακρύνει τα σώματα που επικάθονται στην όψη του Φ/Β πλαισίου (σκόνη, φύλλα, περιττώματα πουλιών). Σταθερή τοποθέτηση και απαίτηση για φ - (5 ο έως 10 ο ) μέγιστη απόδοση ετησίως Σταθερή τοποθέτηση και κύρια απαίτηση φ + 10 ο την χειμερινή περίοδο Ρυθμιζόμενη κλίση δύο θέσεων ετησίως Θερινή Χειμερινή φ 15 ο φ + 15 ο Πίνακας 2.1 : Ενδεικτικές τιμές βέλτιστης κλίσης Φ/Β συλλέκτη για διάφορα γεωγραφικά πλάτη. Βέβαια, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή της κλίσης τοποθέτησης των πλαισίων σε ένα τόπο. Για παράδειγμα σε περιοχές με υγρό κλίμα, όπου τα ποσοστά της διάχυτης ακτινοβολίας είναι αρκετά μεγάλα, επιλέγουμε κλίση 10 ο -15 ο μικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος [12]. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 16

26 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Στο κεφάλαιο αυτό θα δούμε μερικά σημαντικά γεγονότα στην εξέλιξη του φωτοβολταϊκού φαινομένου και της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας, κάποια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους και στην συνέχεια θα μελετήσουμε το ίδιο το φαινόμενο, το φωτοβολταϊκό κύτταρο (φωτοβολταϊκό στοιχείο) καθώς και τα χαρακτηριστικά του. 3.1 Ιστορική Αναδρομή Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών στοιχείων αναπτύχθηκε ραγδαία το δεύτερο μισό του 20 ου αιώνα, παρ ότι το φαινόμενο είχε παρατηρηθεί πολύ νωρίτερα από τον Alexandre-Edmond Becquerel (1839), ο οποίος κατά τη διάρκεια πειραμάτων παρατήρησε την ανάπτυξη τάσεως μεταξύ δύο ηλεκτροδίων μέσα σε ένα ηλεκτρολύτη, παρουσία ηλιακού φωτός. Το 1873 ο Willoughby Smith επιβεβαίωσε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο στο σελήνιο (Se), ενώ 3 χρόνια μετά ο Adams και ο φοιτητής του Day, παρατήρησαν ότι φωτίζοντας μια ένωση σεληνίου και πλατίνας παραγόταν μία ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος (1876). Αυτές οι δύο ανακαλύψεις αποτέλεσαν τα θεμέλια για την κατασκευή του πρώτου φωτοβολταϊκού κυττάρου από σελήνιο το 1877 [13]. Η πρώτη θεωρητική περιγραφή του φαινομένου έγινε από τον Albert Einstein στην εργασία του «photoelectric effect» το 1905, για την οποία βραβεύτηκε με το βραβείο Νόμπελ το Το 1918 ο Πολωνός Czochralski, ανακάλυψε μια μέθοδο παραγωγής μονοκρυσταλλικού πυριτίου υψηλής καθαρότητας (Si), η οποία χρησιμοποιείται βελτιστοποιημένη ακόμα και σήμερα. Το 1932 παρατηρήθηκε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο σε σεληνιούχο κάδμιο (CdS), υλικό που ακόμα και σήμερα αποτελεί σημαντικό συστατικό για την κατασκευή Φ/Β κυττάρων ικανοποιητικού συντελεστή απόδοσης. Η επόμενη σημαντική ανακάλυψη έγινε το 1949, όταν οι Mott και Schottky ανέπτυξαν τη θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Στο μεταξύ, η κβαντική θεωρία είχε ξεδιπλωθεί. Ο δρόμος πλέον για τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές είχε ανοίξει. Μετά από εντατικές εργαστηριακές έρευνες το 1951 κατασκευάστηκαν τα πρώτα κύτταρα από γερμάνιο. Το πρώτο ηλιακό κύτταρο, με σχετικά μεγάλο συντελεστή απόδοσης ήταν γεγονός στα εργαστήρια της Bell το 1954 από τους Chapin, Fuller και Pearson. Κατασκεύασαν ηλιακό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου με ικανότητα μετατροπής 6%. Το 1955 κατασκευάζεται το πρώτο ηλιακό αυτοκίνητο στο Ιλινόις του Σικάγο. To 1957 η Hoffman Electronics παρουσίασε ένα ηλιακό κύτταρο με 8% απόδοση και τον επόμενο χρόνο ένα με 9%. Τα ηλιακά ηλεκτρικά στοιχεία, δεν άργησαν να βρουν εφαρμογή. 17 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

27 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Το 1958, η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συστημάτων χρησιμοποιήθηκε σε διαστημικές εφαρμογές, όταν τοποθετήθηκε σε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα στον δορυφόρο Vanguard I, ο οποίος λειτούργησε επιτυχώς για οχτώ ολόκληρα χρόνια και ήταν ένα από τα πρώτα φωτοβολταϊκά συστήματα στο διάστημα. Από αυτό το σημείο και μετά, σχεδόν ολόκληρο το διαστημικό πρόγραμμα στηρίχθηκε στη χρησιμοποίηση ηλιακών πλαισίων πυριτίου (Si). Το 1959 η Hoffman Electronics παρουσίασε κύτταρα με 10% απόδοση που η ίδια εταιρία ανέβασε στο 14% την επόμενη χρονιά. Το 1961 πραγματοποιήθηκε το πρώτο συνέδριο των Ηνωμένων Εθνών για την ηλιακή ενέργεια στις αναπτυσσόμενες χώρες. Το Defense Studies Institute οργάνωσε το πρώτο συνέδριο φωτοβολταϊκών στην Ουάσινγκτον τον ίδιο χρόνο, ενώ το δεύτερο συνέδριο για τα φωτοβολταϊκά έγινε την επόμενη αμέσως χρονιά και πάλι στην Ουάσινγκτον. Το 1962, η μεγαλύτερη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση στον κόσμο πραγματοποιείται στην Ιαπωνία από την Sharp σε ένα φάρο, με την εγκατεστημένη ισχύ του συστήματος να φτάνει τα 242Wp. Το 1963 η Sharp Corporation παρουσίασε το πρώτο φωτοβολταϊκό πλαίσιο από κύτταρα πυριτίου που φτιάχτηκε ποτέ, ενώ την ίδια περίοδο οι Αμερικάνοι ανέπτυξαν ένα σύστημα 470 W για το διαστημικό πρόγραμμα Nimbus. Λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής, η εφαρμογή της Φ/Β τεχνολογίας ήταν δυνατή μόνο σε ειδικές περιπτώσεις αυτόνομων συστημάτων. Οι υψηλές τιμές ήταν ο σημαντικότερος λόγος που δεν υπήρχε μεγαλύτερη αποδοχή από την αγορά. Η έρευνα όμως προχωρούσε και η απόδοσή τους βελτιωνόταν συνεχώς. Διαδοχικές τεχνολογικές βελτιώσεις έφτασαν το βαθμό απόδοσης στην τάξη του 15%, ενώ η πετρελαϊκή κρίση του 1973 έδωσε τη μεγάλη ώθηση για την ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας σε περισσότερες επίγειες εφαρμογές. Στην αρχή είχαν σκοπό να καλύψουν εφαρμογές που απαιτούσαν μικρή ισχύ, αλλά σε μικρό διάστημα στράφηκαν σε εφαρμογές που απαιτούσαν μέσες ισχύεις (όπως άντληση νερού, άρδευση) ιδιαίτερα στις αναπτυσσόμενες χώρες [14]. Από το 1972 και μετά δημιουργήθηκαν οι πρώτες μεγάλες εταιρίες κατασκευής φωτοβολταϊκών συστημάτων όπως η Solar Power Corporation (1972), η Solarex Corporation (1973), η Solec International (1975) και η Solar Technology International (1975). Παράλληλα το 1973 το πανεπιστήμιο του Delaware ανέπτυξε το πρώτο φωτοβολταϊκό-θερμικό υβριδικό σύστημα για οικιακή χρήση, ενώ από το 1976 η LeRC ξεκίνησε να εγκαθιστά φωτοβολταϊκά συστήματα για εφαρμογές στη Γη. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 18

28 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Το 1976 το πρώτο κύτταρο άμορφου πυριτίου, από τους David Carlson και Christopher Wronski, ήταν γεγονός και το επόμενο έτος κατασκευάστηκε ηλιακό στοιχείο από Αρσενιούχο Γάλλιο (GaAs) με απόδοση 16%. Το τμήμα ενέργειας των Η.Π.Α. ξεκίνησε την έρευνα για τα φωτοβολταϊκά συστήματα το 1980 και μέσα στα επόμενα χρόνια πολλές ακόμα εταιρίες φωτοβολταϊκών εγκαθιστούν σημαντικά ποσά ισχύος από Φ/Β συστήματα ανά τον κόσμο. Το 1982 η παγκόσμια παραγωγή Φ/Β πλαισίων ξεπέρασε τα 9,3 MWp, ενώ το 1983 άγγιξε τα 21,5 MWp. To 1985 ερευνητές σε πανεπιστήμιο της Αυστραλίας κατασκεύασαν ηλιακό κύτταρο με απόδοση 20% και το 1986 η ARCO Solar παρουσιάζει το πρώτο εμπορικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο τεχνολογίας Thin Film. Το 1999 η εγκατεστημένη ισχύς φωτοβολταϊκών σε παγκόσμιο επίπεδο ήταν 1000 MWp. Η NASA μετά την δημιουργία τεσσάρων πρωτοτύπων αεροσκαφών που λειτουργούν με φωτοβολταϊκά, των Pathfinder, Pathfinder Plus, Centurion και Helios κατάφερε να σπάσει το ρεκόρ πτήσης με το τελευταίο το 2001, το οποίο κατάφερε να πετάξει σε ύψος 29,5 m και να μείνει εκεί για 40 λεπτά [13]. Σήμερα, οι εφαρμογές της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας έχουν εξαπλωθεί σε όλες τις ανεπτυγμένες χώρες, ενώ η περαιτέρω εξάπλωση της αγοράς των φωτοβολταϊκών, μπορεί να επιτευχθεί μέσω της μείωσης του κόστους τους και παράλληλα, της αύξησης της απόδοσής τους. Η μείωση του κόστους μπορεί να επιτευχθεί μέσω της μαζικής παραγωγής (κάτι που ακολουθεί η βιομηχανία των φωτοβολταϊκών καθώς ωριμάζει), αλλά και μέσω της έρευνας και της ανάπτυξης της τεχνολογίας (οδός που τόσο η βιομηχανία όσο και η κρατική μηχανή επιδιώκουν). Εκτιμάται ότι με την εξάπλωση της αγοράς, μπορεί να επιτευχθεί η εφαρμογή τους σε όλα τα επίπεδα, από τα απομονωμένα συστήματα έως τα μεγάλα διασυνδεδεμένα (χρήση τους σε κεντρικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας). Οι προβλέψεις για το άμεσο μέλλον όσο αφορά στην αγορά των φωτοβολταϊκών είναι ιδιαίτερα ευοίωνες, τόσο για την καθολική εξάπλωση της τεχνολογίας αυτής παγκοσμίως, όσο και για την καθοδική πορεία στις τιμές τους και την αύξηση της απόδοσής τους. Σήμερα η απόδοση των κρυσταλλικών φωτοβολταϊκών στοιχείων έχει αγγίξει το 25% για διαστημικές εφαρμογές, ενώ εκείνων που προορίζονται για επίγειες βιομηχανικές και οικιακές χρήσεις δεν ξεπερνά το 16% [1]. 19 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

29 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά 3.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την βοήθεια ανενεώσιμων πηγών ενέργειας και ειδικά των φωτοβολταϊκών συστημάτων αποκτά ολοένα και περισσότερους υποστηρικτές στην εποχή μας. Τα πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι πολλά, όπως [14] : Λειτουργούν αθόρυβα, καθαρά και χωρίς κατάλοιπα, αποφεύγοντας τη μόλυνση του περιβάλλοντος. Λειτουργούν χωρίς καύσιμα και δεν χρησιμοποιούν υγρά ή αέρια, όπως τα θερμικά συστήματα. Μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς κινητά μέρη, συνεπώς απαιτούν και ελάχιστη συντήρηση Έχουν μηδενικό κόστος λειτουργίας, αφού χρησιμοποιούν το φως του ήλιου για να παράγουν ηλεκτρισμό. Έχουν αρκετά μεγάλη διάρκεια ζωής (περίπου χρόνια) Λειτουργούν και κάτω από συνθήκες συννεφιασμένης ατμόσφαιρας λόγω της διάχυτης ακτινοβολίας (ειδικά την χειμερινή περίοδο). Έχουν γρήγορη απόκριση σε ξαφνικές μεταβολές της ηλιοφάνειας. Λειτουργούν αποδοτικά και σε χαμηλές θερμοκρασίες (για την ακρίβεια πιο αποδοτικά απ ότι σε υψηλές). Μπορούν να κατασκευαστούν από πυρίτιο, ένα από τα πιο άφθονα στοιχεία στην Γη. Είναι κατάλληλα για επιτόπιες εφαρμογές, όπου δεν υπάρχει ή δεν συμφέρει οικονομικά η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου. Έχουν σχετικά μεγάλο λόγο ισχύος/βάρος, άρα είναι κατάλληλα και για εγκατάσταση σε στέγες. Είναι ευέλικτες εφαρμογές που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσμού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής ενέργειας, αφού έχουν μεγάλες δυνατότητες σε μια ευρεία περιοχή τιμών (mw MW). Αν ένα κομμάτι του συστήματος υποστεί βλάβη, τότε το σύστημα συνεχίζει την λειτουργία του μέχρι την αντικατάσταση εκείνου του μέρους. Υπάρχει η δυνατότητα μελλοντικής επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες μας, αλλά και συνδυασμός με άλλου είδους συστήματα Α.Π.Ε. όπως με αιολικά (υβριδικό σύστημα). Δυνατότητα μαζικής παραγωγής φωτοβολταϊκών στοιχείων. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 20

30 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Απ την άλλη μεριά όμως, όπως όλοι ξέρουμε τα φωτοβολταϊκά συστήματα ακόμα και στις μέρες μας δεν παίζουν τόσο καθοριστικό ρόλο στην συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό συμβαίνει γιατί παρόλα τα θετικά που αναφέραμε παραπάνω τα Φ/Β έχουν και αρκετά μειονεκτήματα : Υψηλό κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Έχουν αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 20% ή και χαμηλότερο. Συνεπώς απαιτείται αρκετά μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια γης. Γι' αυτό το λόγο μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται σαν συμπληρωματικές πηγές ενέργειας. Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν (προς το παρόν) για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων εξαιτίας του λόγου που αναφέραμε παραπάνω. Η παροχή και απόδοση της ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους αλλά και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Η αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία απαιτείται για τις περισσότερες εφαρμογές λόγω της αστάθειας και της μεγάλης διακύμανσης της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας, είναι δαπανηρή. 3.3 Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Στη συνέχεια θα αναπτύξουμε τις βασικές αρχές του φωτοβολταϊκού φαινομένου, του φωτοβολταϊκού κυττάρου αλλά και της φυσικής των ημιαγωγών, ο ρόλος των οποίων είναι καθοριστικός τόσο στην ανάπτυξη των φωτοβολταϊκών συστημάτων, όσο και της μικροηλεκτρονικής, της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών Ημιαγωγοί και p-n επαφή Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός υλικού, τότε ένα μέρος αυτού ανακλάται, ένα άλλο τη διαπερνά, ενώ το υπόλοιπο απορροφάται από το υλικό. Η απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας, έχει ως αποτέλεσμα τη μετατροπή της σε άλλη μορφή ενέργειας, η οποία συνήθως είναι θερμότητα. Ωστόσο, υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ικανότητα να μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνειά τους σε ηλεκτρική. Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί. Από τη φύση της δεν γίνεται να απορροφηθεί όλη η ηλιακή ακτινοβολία από τον ημιαγωγό. Η ακτινοβολία με χαμηλή ενέργεια (μεγάλο μήκος κύματος) θα διαπεράσει το υλικό χωρίς να 21 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

31 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά συνεισφέρει κάπου, ενώ η ακτινοβολία με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από ένα όριο, χαρακτηριστικό του υλικού, θα προκαλέσει την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος (φωτόρευμα). Τα άτομα των ημιαγώγιμων υλικών συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς, οι οποίοι υπό την επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας ή θερμότητας μπορούν να σπάσουν, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρονίων (αρνητικοί φορείς n) και κενών θέσεων που αφήνουν αυτά πίσω, τις οπές (θετικοί φορείς p) (σχήμα 3.1). Τα ηλεκτρόνια και οι οπές όμως θα διαχωρίζονταν για ένα σύντομο χρονικό διάστημα πριν ξαναενωθούν και αποβάλουν την ενέργεια με την μορφή θερμότητας. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα να μην δημιουργηθεί τελικά ηλεκτρικό πεδίο και τάση στα άκρα του ημιαγωγού. Για να αποφύγουμε αυτή την επανένωση νοθεύουμε τον ημιαγωγό ώστε να δημιουργηθούν σταθερά θετικά και αρνητικά φορτία. Υπάρχουν δύο τύποι νοθευμένων ημιαγωγών, ο τύπου n και τύπου p. Ο ημιαγωγός τύπου-n προκύπτει από τον αντίστοιχο ημιαγωγό αν αντικατασταθούν μερικά άτομά του με άλλου υλικού που έχει ένα παραπάνω ηλεκτρόνιο σθένους. Για παράδειγμα στο κρυσταλλικό πυρίτιο αντικαθιστούμε μερικά άτομά του με άτομα Φωσφόρου. Αντίστοιχα, ο ημιαγωγός τύπου-p δημιουργείται αν μερικά άτομα του ημιαγωγού αντικατασταθούν με άτομα με ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο σθένους (π.χ. στο πυρίτιο με άτομα Βορίου). Έτσι δημιουργείται στο υλικό ένα πλεόνασμα ελεύθερων ηλεκτρονίων (n-τύπου) και οπών (p-τύπου) αντίστοιχα, με το συνολικό φορτίο του υλικού να είναι ουδέτερο φυσικά (λόγω θετικών ιόντων των υλικών της πρόσμιξης). Σχήμα 3.1 : Απελευθέρωση ηλεκτρονίων σθένους και δημιουργία οπών σε έναν ημιαγωγό. Οι σημαντικότερες ιδιότητες και εφαρμογές των ημιαγωγών, δεν προέρχονται από τη δημιουργία φορέων αλλά από τη διάχυσή τους. Βασική διάταξη για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών, είναι η ένωση p-n η οποία σχηματίζεται όταν έρθουν σε επαφή ένας ημιαγωγός τύπου-p με έναν ημιαγωγό τύπου-n. Τότε, ένα ποσοστό των οπών του τμήματος τύπου-p διαχέεται προς το τμήμα τύπου-n, όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα μέρος των ελεύθερων ηλεκτρονίων του τμήματος τύπου-n διαχέεται προς το τμήμα τύπου-p, όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι επίσης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 22

32 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά λιγότερα. Σαν αποτέλεσμα, δημιουργείται μία περιοχή στην οποία υπάρχουν λίγοι φορείς αγωγιμότητας, γνωστή ως ζώνη εξάντλησης ή περιοχή αραίωσης ή περιοχή απογύμνωσης. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα παραμένουν στη περιοχή τύπου-n και τα αρνητικά στην περιοχή τύπου-p (σχήμα 3.2). Έτσι έχουμε τη δημιουργία ενός εσωτερικού ηλεκτροστατικού πεδίου, το οποίο αντιτίθεται στην κίνηση των φορέων αγωγιμότητας, με συνέπεια η παραπάνω διάχυση να μη συνεχίζεται επ' άπειρον. Η ημιαγώγιμη διάταξη που αποτελείται από μία ένωση p-n και από μία ηλεκτρική σύνδεση στο κάθε άκρο της, ονομάζεται δίοδος. Σχήμα 3.2 : Επαφή p-n Ορισμός Η απ ευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Η μικρότερη κατασκευαστική μονάδα στην οποία είναι δυνατή η εμφάνιση του φωτοβολταϊκού φαινομένου ονομάζεται φωτοβολταϊκό κύτταρο ή φωτοβολταϊκό στοιχείο ή ηλιακό κύτταρο και δεν είναι τίποτα άλλο παρά μια δίοδος ημιαγωγικής ένωσης τύπου p-n με τη μορφή επίπεδης πλάκας. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο Eg του ημιαγωγού, μπορεί να απορροφηθεί και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο διαρκεί η πρόσπτωση της ακτινοβολίας, δημιουργείται 23 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

33 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά περίσσεια φορέων (ηλεκτρόνια οπές). Οι φορείς αυτοί, κυκλοφορούν στο στερεό και αν δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντίθετου πρόσημου δέχονται την επίδραση του ηλεκτροστατικού πεδίου της ένωσης p-n. Έτσι δημιουργείται διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες της διόδου. Αν στους ακροδέκτες συνδεθεί κατάλληλο ηλεκτρικό φορτίο, παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύματος από τη φωτοβολταϊκή διάταξη προς αυτό. Τελικά, η όλη διάταξη (σχήμα 3.3) αποτελεί μία πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, που διατηρείται όσο υπάρχει πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του κυττάρου. Η ύπαρξη της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στους δύο ακροδέκτες της παρακάτω διάταξης, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο [11]. Σχήμα 3.3 : Διατομή του φωτοβολταϊκού κυττάρου [15]. Σε αντίθεση με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, μία παρεμφερής διαδικασία την οποία ανακάλυψε τυχαία ο Hertz το 1887, ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Πολλές φορές υπάρχει παρερμηνεία αναφέροντας το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, ως φωτοηλεκτρικό. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια κβαντική διεργασία κατά την οποία απελευθερώνονται ηλεκτρόνια από μια επιφάνεια αγωγού όταν προσπίπτει σε αυτή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνότητας τέτοιας ώστε τα ηλεκτρόνια να κατορθώσουν να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικής ενέργειας που τα "εγκλωβίζει" στην επιφάνεια αυτή. Η βασική διαφορά τους είναι ότι στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο δεν χρειάζεται να υπάρχει εξωτερική πηγή τάσης, αφού μέσα στον ημιαγωγό υπάρχει ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο ενώ στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο πρέπει να έχουμε κάποιο εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο για την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος (εφόσον χρησιμοποιούμε αγωγό και όχι ημιαγωγό). Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 24

34 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά 3.4 Τα χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού στοιχείου Δημιουργία φωτορεύματος Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι μία δίοδος p-n επαφής. Αυτή λοιπόν η δίοδος χαρακτηρίζεται από ένα ρεύμα ορθής πόλωσης, το οποίο δημιουργείται όταν συνδέσουμε τον θετικό πόλο μιας εξωτερικής πηγής τάσης στην πλευρά τύπου-p της επαφής και τον αρνητικό στην πλευρά τύπου-n. Το ρεύμα αυτό δημιουργείται χωρίς την ύπαρξη φωτός και σχετίζεται με την τάση στα άκρα της διόδου με την παρακάτω εξίσωση, ακολουθώντας την καμπύλη στο σχήμα 3.4 : qv D AKBT I I ( e 1) 3.1 D O Όπου V D ( 0,7 V) η τάση στην έξοδο της διόδου, Ι ο το ρεύμα κορεσμού της διόδου (αντιπροσωπεύει το ρεύμα των φορέων μειονότητας που δημιουργούνται από θερμική διέγερση και επιταχύνονται μέσα στο πεδίο της επαφής p-n), Α σταθερά ιδανικότητας της διόδου η οποία παίρνει τιμές μεταξύ 1 και 2 (1 για ιδανική δίοδο επανασυνδέσεις στην ζώνη εξάντλησης δεν λαμβάνονται υπόψη γιατί το εύρος της περιοχής θεωρείται αμελητέο, αλλού συμβολίζεται με n), Τ απόλυτη θερμοκρασία της επαφής. Σχήμα 3.4 : Καμπύλη ρεύματος τάσης σε μία ιδανική δίοδο. Όταν όμως προσπίπτει πάνω στο κύτταρο φωτεινή ακτινοβολία, μέρος αυτής είναι ικανό να προκαλέσει την δημιουργία περίσσειας θετικών και αρνητικών φορτίων τα οποία επιταχύνονται από το εσωτερικό πεδίο της διόδου. Έτσι έχουμε παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, του φωτορεύματος, το οποίο ακολουθεί την παρακάτω εξίσωση : L g 0 [1 ] 3.2 I q S R d 25 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

35 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Όπου S(λ) η φασματική απόκριση του στοιχείου, Φ(λ) το πλήθος των φωτονίων με ενέργεια που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος από λ μέχρι λ+dλ και R(λ) δείκτης ανάκλασης για την ακτινοβολία μήκους κύματος λ [11]. Σημειώνουμε ότι ως φασματική απόκριση ορίζεται το πλήθος των φορέων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σχέση με την φωτονική ροή Φ, δηλαδή με το πλήθος των φωτονίων της ακτινοβολίας που δέχεται το στοιχείο ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου. Είναι γνωστό ακόμα ότι το φωτόρευμα είναι ευθέως ανάλογο της πυκνότητας ηλιακής ακτινοβολίας G : IL K G 3.3 Έτσι λοιπόν, όταν το φωτοβολταϊκό κύτταρο συνδεθεί με ένα εξωτερικό φορτίο R τότε το κύκλωμα θα διαρρέεται από ρεύμα Ι ίσο με Ι= Ι L I D, δηλαδή : (όπου V = R I) qv AKBT I I I ( e 1) 3.4 L O Τάση ανοιχτού κυκλώματος, V oc Σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος το ολικό ρεύμα I είναι 0. Αυτό σημαίνει από την σχέση 3.4 ότι I L =I D,άρα λύνοντας ως προς V (εδώ ονομάζεται V oc, open circuit) έχουμε : V oc AKBT q I L ln 1 IO 3.5 Ρεύμα βραχυκυκλώσεως, I sc Σε συνθήκες βραχυκύκλωσης η τάση που βλέπει ουσιαστικά η δίοδος είναι μηδέν άρα και το ρεύμα στη δίοδο Ι D =0. Συνεπώς για το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα (short circuit) ισχύει : I sc = I L Μοντέλο φωτοβολταϊκού στοιχείου Οι εξισώσεις που παρουσιάστηκαν στην παραπάνω παράγραφο αναφέρονται σε ένα ιδανικό φωτοβολταϊκό κύτταρο. Στην πραγματικότητα ένα ηλιακό κύτταρο περιλαμβάνει μία παράλληλη και μία εν σειρά αντίσταση που οφείλονται στην τεχνολογία κατασκευής τους. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 26

36 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Η παράλληλη R sh (shunt/παράλληλη) οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν είτε στην επαφή p-n (επανασυνδέσεις), είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου (επιφανειακή διαρροή), είτε σε άλλες ανωμαλίες του κυττάρου. Η εν σειρά αντίσταση R s (series/σε σειρά) παριστάνει όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά την ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό που βρίσκεται στην πλευρά που προσπίπτει το φως (συνήθως n-τύπου), την επιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού και ωμικής επαφής. Έτσι προκύπτει το πλήρες μοντέλο του φωτοβολταϊκού στοιχείου όπως φαίνεται παρακάτω : Σχήμα 3.4 : Πλήρες μοντέλο αναπαράστασης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Με τη βοήθεια του παραπάνω ισοδύναμου κυκλώματος μπορούμε να υπολογίσουμε ξανά το ολικό ρεύμα που υπάρχει στην έξοδο του Φ/Β στοιχείου προσεγγίζοντας περισσότερο ένα πραγματικό κύτταρο. Έτσι, έχουμε την πλήρη εξίσωση ρεύματος - τάσης : q( V Rs I ) AK T V R B s I I IL IO ( e 1) 3.7 R Όπου Ι και V το ρεύμα και η τάση που δημιουργούνται λόγω του φορτίου που συνδέουμε στο φωτοβολταϊκό. Συνήθως, στα φωτοβολταϊκά στοιχεία του εμπορίου, η αντίσταση R s είναι μικρότερη των 5 Ω και η αντίσταση R sh είναι μεγαλύτερη από 500 Ω [11]. Σε καλής ποιότητας Φ/Β στοιχεία οι R s και R sh κυμαίνονται σε τιμές ~ 0,1 Ω και 1 ΚΩ αντίστοιχα [1]. Για δική μας ευκολία στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιούμε το ιδανικό μοντέλο κυττάρου θεωρώντας R s =0 και R sh =, καταλήγοντας στην σχέση 3.4. sh 27 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

37 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Χαρακτηριστική Καμπύλη Ι-V Όπως είπαμε η εξίσωση 3.4 καθορίζει τη σχέση ρεύματος-τάσης ενός ιδανικού ηλιακού κυττάρου, η οποία απεικονίζεται γραφικά στην λεγόμενη χαρακτηριστική καμπύλη I-V που φαίνεται στο σχήμα 3.5. Σχήμα 3.5 : Χαρακτηριστική καμπύλη I-V ενός ιδανικού φωτοβολταϊκού στοιχείου Στη γραφική αυτή διακρίνονται όλα τα χαρακτηριστικά της σημεία όπως η τάση ανοιχτοκύκλωσης και το ρεύμα βραχυκύκλωσης που αναλύσαμε προηγουμένως αλλά και η μέγιστη ισχύς P max που αποδίδει το φωτοβολταϊκό, όπως και η τάση και το ρεύμα που αντιστοιχούν σ αυτή την ισχύ (V mpp : Voltage at max power point, I mpp : Current at max power point). Προφανώς, υπάρχει μία τιμή της αντίστασης φορτίου R m, η οποία μεγιστοποιεί την παραγόμενη ισχύ του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Το σημείο αυτό αντιστοιχεί στο «γόνατο» της I-V χαρακτηριστικής καμπύλης, MPP (Maximum Power Point). Οι αντιστάσεις R s και R sh του πλήρους μοντέλου, που αναφέραμε στην προηγούμενη παράγραφο, διαφοροποιούν στην πραγματικότητα λίγο την μορφή της παραπάνω χαρακτηριστικής καμπύλης. Αύξηση της R s περιορίζει την περιοχή τάσεων στην οποία αντιστοιχεί σταθερό ρεύμα βραχυκύκλωσης (ελάττωση της μέγιστης ισχύος) και μείωση της R sh κάτω από 500 Ω προκαλεί έντονη κλίση του οριζόντιου τμήματος της καμπύλης, δηλαδή ελάττωση του ρεύματος καθώς πηγαίνουμε προς την V oc (χαμηλότερη τιμή του συντελεστή πλήρωσης : θα αναφερθεί στην συνέχεια) [1]. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 28

38 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Έτσι έχουμε σχηματικά τις περιπτώσεις που οι R s και R sh είναι ικανά μεγάλες ή μικρές αντίστοιχα ώστε να επηρεάζουν αισθητά την χαρακτηριστική I-V (σχήμα 3.6). Σχήμα 3.6 (α.β): Επίδραση της α) εν σειρά και β) της παράλληλης αντίστασης στην καμπύλη I-V Συντελεστής Πλήρωσης FF (συντελεστής ποιότητας) Ένα άλλο σημαντικό μέγεθος που χαρακτηρίζει την ποιότητα ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι ο συντελεστής πλήρωσης FF, ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο της μέγιστης ισχύος P max δια του γινομένου I sc V oc ή διαφορετικά τον λόγο των εμβαδών B,A. (σχήμα 3.5) P I V όb FF max mpp mpp I V I V όa sc oc sc oc 3.8 Είναι ένα μέτρο του πόσο «τετράγωνη» είναι η I-V χαρακτηριστική και η τιμή του καθορίζεται από το υλικό του Φ/Β στοιχείου καθώς και από τις εξωτερικές συνθήκες (θερμοκρασία, ακτινοβολία) και είναι μικρότερος της μονάδας. Όσο πιο κοντά είναι στην μονάδα, τόσο περισσότερο η λειτουργία του Φ/Β στοιχείου πλησιάζει την ιδανική συμπεριφορά της πηγής σταθερού ρεύματος, στην περιοχή τάσεων 0-V oc. Τυπικές τιμές κυμαίνονται από 0,6 έως 0,9 σε πολύ καλής ποιότητας Φ/Β κύτταρα. 29 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

39 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Συντελεστής απόδοσης Ο συντελεστής απόδοσης του κυττάρου ορίζεται από το πηλίκο της μέγιστης ισχύος P max που αποδίδει το Φ/Β στοιχείο κάτω από ορισμένες συνθήκες, προς την προσπίπτουσα ισχύ ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του στοιχείου, δηλαδή : P P I V P G A G A max max mpp mpp in 3.9 Όπου G η προσπίπτουσα ανά τετραγωνικό μέτρο ισχύς ηλιακής ακτινοβολίας (ή αλλιώς πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας) σε W/m 2 και Α το εμβαδό της επιφάνειας του συλλέκτη σε m 2. Αν αναφερόμαστε σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο συνήθως σαν Α χρησιμοποιούμε το ολικό εμβαδό του πλαισίου (μαζί με το μεταλλικό περίβλημα και τα κενά), που εκφράζει το σφαιρικό συντελεστή απόδοσης. Παρ όλα αυτά μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την πραγματική/ενεργή επιφάνεια του συλλέκτη και να έχουμε τον πραγματικό συντελεστή απόδοσης. Εάν εφαρμόσουμε τον τύπο 3.8 στην παραπάνω σχέση παίρνουμε μια άλλη έκφρασή της : FF Isc V G A oc 3.10 Όπως είναι γνωστό η απόδοση ενός Φ/Β στοιχείου εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως τον χρησιμοποιούμενο ημιαγωγό, την ακτινοβολία G και την θερμοκρασία. Όσο αφορά το υλικό του, υπάρχει μια σχέση που συνδέει το θεωρητικό συντελεστή απόδοσης του ημιαγωγού με το ενεργειακό διάκενο του υλικού από το οποίο είναι φτιαγμένος, σχέση 3.11 (σχήμα 3.7). TH Eg J ( ) d 0 J c 0 O O ( ) hvd όπου J 0 (λ) η επιφανειακή πυκνότητα φωτονίων ανά μονάδα χρόνου και ανά μοναδιαίο διάστημα μήκους κύματος, h η σταθερά του Plank και ν η συχνότητα των φωτονίων [6]. Μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι ο θεωρητικός συντελεστής η TH για μια δεδομένη πηγή φωτός εξαρτάται μόνο από το ενεργειακό διάκενο Eg και ακολουθεί την καμπύλη του σχήματος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 30

40 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Σχήμα 3.7: Διάγραμμα θεωρητικού συντελεστή απόδοσης η TH (%) ως συνάρτηση του ενεργειακού διάκενου Eg [16]. Όπως βλέπουμε η καμπύλη παρουσιάζει μέγιστο περίπου στο 26% για ΑΜ0 και 30% για ΑΜ1.5 για ενεργειακό διάκενο (Eg) μεταξύ 1,4 και 1,5 ev. Το πυρίτιο (Si) με Eg=1,12 ev στους 300Κ και ιδανική απόδοση κοντά στο 27% για ΑΜ1.5 είναι αρκετά κοντά στην μέγιστη τιμή, αλλά υπολείπεται αρκετών στοιχείων όπως το Γάλλιο-Αρσενικό (GaAs) με Eg=1,42 ev, το InP (indium phosphide) με Eg=1,35 και το CdTe (Τελουριούχο κάδμιο), που επίσης είναι καλύτερης απόδοσης. Παρ όλα αυτά, τα Φ/Β στοιχεία πυριτίου είναι τα επικρατέστερα τα τελευταία χρόνια επειδή χαρακτηρίζονται από χρονικά σταθερή και σχετικά υψηλή απόδοση, χαρακτηριστικά που ενισχύουν την διαχρονική τους αξιοπιστία και τα έχουν καταστήσει ευρέως διαδεδομένα. 31 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

41 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά 3.5 Επίδραση παραγόντων στην απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου Μηχανισμοί απώλειας της ηλιακής ενέργειας Η μέγιστη θεωρητική απόδοση ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου δεν ξεπερνά το 30%, ενώ το υπόλοιπο 70% χάνεται. Οι βασικοί μηχανισμοί της απώλειας αυτού του ποσοστού της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει σε ένα Φ/Β συλλέκτη αναφέρονται παρακάτω [1] : a) Λόγω ανάκλασης του φωτός πάνω στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού χάνεται το 30% της ηλιακής ακτινοβολίας. Χρησιμοποιώντας όμως αντιανακλαστική επίστρωση ή και ειδική επεξεργασία της επιφάνειας το ποσοστό αυτό πέφτει στο 3%. b) Τα μεταλλικά ηλεκτρόδια συλλογής των φορέων και ιδιαίτερα το αρνητικό που βρίσκεται συνήθως στην όψη του Φ/Β που βλέπει τον ήλιο, προκαλούν απώλεια της φωτεινής ακτινοβολίας λόγω σκίασης και κατάληψης χώρου της ενεργής επιφάνειας. Αυτές οι απώλειες με την πρόοδο της κατασκευής των φωτοβολταϊκών είναι αμελητέες (~1%). c) Οι αντιστάσεις R s και R sh που αναφέρθηκαν στην ενότητα επιδρούν στην απόδοση ενός φωτοβολταϊκού. Αν είναι αρκετά μεγάλη και μικρή αντίστοιχα, αλλοιώνουν σημαντικά την χαρακτηριστική καμπύλη I-V (παράγραφος 3.4.3). Έτσι έχουμε μείωση του συντελεστή πλήρωσης, άρα τελικά και του συντελεστή απόδοσης του κυττάρου. d) Ατελής εκμετάλλευση φωτονίων : Από την εισερχόμενη στο αρχικό ημιαγωγικό στρώμα, ακτινοβολία, ένα ποσοστό της διέρχεται χωρίς απορρόφηση στο υλικό της επαφής άρα δεν συμμετέχει στο Φ/Β φαινόμενο. Αυτό αφορά το μέρος της ακτινοβολίας με ενέργεια hv Eg ή αλλιώς με μήκος κύματος λ hc/εg. Οι απώλειες αυτές υπολογίζονται για το Si ~ 23%. Τα υπόλοιπα φωτόνια με ενέργειες hv Εg απορροφούνται στο εσωτερικό του ημιαγωγού, όμως η ενέργειά τους δεν μετατρέπεται εξ ολοκλήρου σε ηλεκτρική ενέργεια. Το μέρος της ενέργειας ΔΕ=hv-Eg, δηλαδή το επιπλέον του ενεργειακού φάσματος, παραχωρείται στα ηλεκτρόνια υπό μορφή κινητικής ενέργειας, η οποία χάνεται γρήγορα με την μορφή θερμότητας λόγω προσκρούσεων. Στο Si ~ 33% e) Τέλος, μέρος των δημιουργημένων ηλεκτρονίων-οπών επανασυνδέονται στο εσωτερικό και στην επιφάνεια της διάταξης με αποτέλεσμα να μην συμμετέχουν τελικά στο φαινόμενο. Το ποσοστό της ενέργειας που χάνεται λόγω επανασύνδεσης υπολογίζεται σε 16%. Έτσι έχουμε ένα συνολικό 75% χαμένης ενέργειας σε σχέση με την προσπίπτουσα για το Si που δικαιολογεί και τον ιδανικό συντελεστή απόδοσης του υλικού αυτού ~25% Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 32

42 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Επίδραση της ακτινοβολίας Η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας G έχει άμεση σχέση με την απόδοση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου. Όπως είδαμε σε προηγούμενη ενότητα, το φωτόρευμα I L είναι ανάλογο της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού (σχέση 3.3) και κατ επέκταση της πυκνότητας ισχύος (W/m 2 ). Δηλαδή το I sc είναι ανάλογο του G. Αντίστοιχα, η τάση ανοιχτοκύκλωσης V oc συναρτήσει της ακτινοβολίας, αρχικά αυξάνει απότομα και στην συνέχεια παραμένει σχεδόν σταθερή.συνοψίζοντας αυτά τα δύο παίρνουμε τις χαρακτηριστικές I-V του σχήματος 3.8 για διάφορες πυκνότητες ισχύος G, υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου. Σχήμα 3.8 : I-V χαρακτηριστικές καμπύλες για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας [6] Επίδραση της θερμοκρασίας Όπως είναι φυσικό, η θερμοκρασία του κυττάρου αυξάνεται κατά τον φωτισμό της εξαιτίας της μετατροπής μέρους της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμική ενέργεια (προσκρούσεις e - ). Αυτό έχει ως επακόλουθο να επηρεάζονται τόσο η τάση ανοιχτού κυκλώματος όσο και το ρεύμα βραχυκύκλωσης. Το I sc αυξάνεται ελαφρά με την θερμοκρασία. Αιτία είναι η αύξηση του μήκους διάχυσης των φωτοδημιουργούμενων φορέων μειονότητας με τη θερμοκρασία (σχέσεις 3.12, 3.13). Άρα αυξάνεται το πλήθος των φορέων που κατορθώνουν να φτάσουν στους απέναντι χώρους της διάταξης, όπου αποτελούν την πλειονότητα. L D, Lp Dp p 3.12 e e e D K T q B q q 3.13 (L e, L h: μήκη διάχυσης, τ e,τ h : χρόνοι επανασύνδεσης, D q : συντελεστές διάχυσης De-Dp) 33 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

43 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Αντίθετα η V oc μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου και μάλιστα η ποσοστιαία ελάττωσή της ανά βαθμό κελσίου είναι σχεδόν μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη της αύξησης του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Αυτή η έντονη μείωση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος οφείλεται στην ισχυρή εξάρτηση του ρεύματος κόρου Io της διόδου από την θερμοκρασία. Όπως έχουμε αναφέρει στην παράγραφο (σχέση 3.5) η τάση ανοιχτοκύκλωσης, θέτοντας σταθερά ιδανικότητας της διόδου Α=1 και ξέροντας ότι Ι L /Io >> 1, ισούται με : Επίσης ξέρουμε ότι [6] : V I o oc KBT I L ln q IO e Eg K T 3 B To I L αυξάνεται γραμμικά με την θερμοκρασία ενώ το Ι ο, κατά προσέγγιση εκθετικά. Σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες το Ι ο αυξάνεται πολύ έντονα σε σύγκριση με το I L, άρα το V oc ελαττώνεται έντονα.το αποτέλεσμα είναι η χαρακτηριστική καμπύλη I-V να παίρνει τη μορφή του σχήματος 3.9 Σχήμα 3.9 : I-V χαρακτηριστικές καμπύλες για διάφορες τιμές θερμοκρασίας του κυττάρου [6]. Γενικά, παρατηρείται μια σχεδόν σταθερή ποσοστιαία μεταβολή στο ρεύμα βραχυκύκλωσης, την τάση ανοιχτοκύκλωσης και στην μέγιστη αποδιδόμενη ισχύ συναρτήσει της θερμοκρασίας. Συμβολίζοντας με Ι sc,t V oc,t P max,t τα αντίστοιχα μεγέθη σε θερμοκρασία Τ και με I sc, Voc, P max αυτά που δίνονται από τον κατασκευαστή (υπό πρότυπες συνθήκες, παράγραφος 3.5.5) έχουμε [1] : Ι sc,t = I sc [ 1 + α Isc (Τ mod 25 o C)] όπου α Isc θερμικός συντελεστής ρεύματος βραχυκύκλωσης. V oc,t = V oc [ 1 + β Voc (Τ mod 25 o C)], όπου β Voc θερμικός συντελεστής τάσης ανοιχτού κυκλώματος. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 34

44 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά P max,t = P max [ 1 + γ mp (Τ mod 25 o C)], όπου γ mp θερμικός συντελεστής μέγιστης ισχύος. Παρομοίως για τον συντελεστή απόδοσης σε κάποια θερμοκρασία Τ θα ισχύει : η = η θ η n Όπου η θ = [ 1 + γ mp (Τ mod 25 o C)] (συντελεστής θερμικών απωλειών). Τυπικές τιμές για τα α Isc, β Voc και γ mp φαίνονται στον πίνακα 3.1 και στη συνέχεια παρουσιάζεται σχηματική αναπαράσταση μιας τυπικής εξάρτησης των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του φωτοβολταϊκού στοιχείου (σχήμα 3.10) Ηλ.Μέγεθος Θερμοκρασιακός συντελεστής (% / o C) Isc α Isc = (+) 0,01-0,1 Voc β Voc = (-) 0,3 0,5 Pmax γ mp = (-) 0,4 0,5 η γ mp = (-) 0,4 0,5 Πίνακας 3.1 : Τυπικές τιμές θερμοκρασιακών συντελεστών. Σχήμα 3.10 : Σχηματική αναπαράσταση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του Φ/Β στοιχείου Σκίαση Ένας εξωτερικός παράγοντας που επηρεάζει επίσης την ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι η σκίαση. Το φαινόμενο της σκίασης παρουσιάζεται είτε σε περιπτώσεις που συναντώνται εμπόδια στον ορίζοντα των πλαισίων όπως κοντινά κτίρια ή μεγάλα δέντρα είτε σε περιπτώσεις με περιορισμένο χώρο εγκατάστασης όπως για παράδειγμα στις στέγες κτιρίων, όπου προκαλείται σκίαση από τη μία σειρά πλαισίων στην επόμενη.ένα τυπικό Φ/Β πλαίσιο αποτελείται από στοιχεία ίδιων, κατά το δυνατόν, ηλεκτρικών χαρακτηριστικών, συνδεδεμένων σε σειρά ή/και παράλληλα. Η αλλοίωση των χαρακτηριστικών ενός και μόνο κυττάρου, λόγω σκίασής του, μπορεί να προκαλέσει απώλεια ισχύος μέχρι και να αποβεί καταστροφική για το όλο το Φ/Β πλαίσιο. Απώλεια ισχύος Σε μία σειριακή σύνδεση Φ/Β στοιχείων με ίδια χαρακτηριστικά έχουμε συνολική τάση ανοιχτού κυκλώματος V oc ίση με το άθροισμα των επιμέρους τάσεων, ενώ ρεύμα Ι sc όσο είναι το ρεύμα ενός στοιχείου. Αντίστοιχα μια παράλληλη σύνδεση οδηγεί σε μια V oc κοινή με όση έχει ένα στοιχείο (~0,6V) και ολικό ρεύμα I sc το άθροισμα των επιμέρους ρευμάτων. 35 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

45 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Στην περίπτωση όμως που τα χαρακτηριστικά των στοιχείων δεν είναι ακριβώς τα ίδια, στη σύνδεση σε σειρά, το στοιχείο με το μικρότερο ρεύμα βραχυκύκλωσης επιβάλλει στο κύκλωμα το δικό του ρεύμα. Στην ακραία περίπτωση που ένα κύτταρο σκιάζεται πλήρως, τότε το ολικό ρεύμα ενός σειριακού κλάδου είναι 0. Για να αποφύγουμε τέτοιες απώλειες ισχύος προσθέτουμε πλεονάζουσες ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των ηλιακών κυττάρων [14]. Φαινόμενο θερμής κηλίδας (Hot-Spot) Ένα σκιασμένο κύτταρο συμπεριφέρεται όπως η απλή δίοδος p-n, η οποία όταν το κύκλωμα είναι κλειστό δέχεται από τα υπόλοιπα στοιχεία που φωτίζονται μια υψηλή ανάστροφη τάση. Αν λοιπόν αυτά τα υγιή κύτταρα είναι πολλά, η ανάστροφη αυτή τάση μπορεί να φτάσει την τάση διάσπασης της σκιασμένης διόδου, προκαλώντας την καταστροφή της. Στην πράξη η σκιασμένη κυψελίδα λειτουργεί ως μια μεγάλη αντίσταση, όπου αποδίδεται η ενέργεια που προσφέρουν οι υπόλοιπες. Παρατεταμένος σκιασμός της σε συνδυασμό με έντονο φωτισμό των υπολοίπων κυττάρων, μπορεί να οδηγήσει σε τοπική υπερθέρμανση και τελικά σε σπάσιμο του γυαλιού ή λιώσιμο των κολλήσεων ή ακόμα και καταστροφή του στοιχείου αυτού και κατά συνέπεια στην αχρήστευση όλου του πλαισίου, επειδή δεν υπάρχει δυνατότητα αντικατάστασης ενός κατεστραμμένου στοιχείου του. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο θερμής κηλίδας ή Hot Spot και για να αποτραπεί χρησιμοποιούμε τις λεγόμενες διόδους παράκαμψης (κεφάλαιο 4). Παρακάτω φαίνονται τα αποτελέσματα του φαινομένου Hot Spot σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Σχήμα 3.11 : Ραγισμένο πλαίσιο εξαιτίας του φαινομένου θερμής κηλίδας. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 36

46 3. Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά Πρότυπες συνθήκες (STC) Τα βασικά χαρακτηριστικά του Φ/Β στοιχείου, όπως ο συντελεστής απόδοσης η, ο παράγων πλήρωσης ff, το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc και η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc ελέγχονται σε ένα κύτταρο παρασκευασμένο στο εργαστήριο καθώς επίσης και στο τελικά διατιθέμενο βιομηχανικό προϊόν, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Η γνώση των χαρακτηριστικών αυτών μεγεθών επιτρέπει τον έλεγχο της αποδοτικότητας του Φ/Β στοιχείου κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Έτσι για λόγους σύγκρισης των ιδιοτήτων που παρουσιάζουν έχουν καθοριστεί κάποιες συνθήκες αναφοράς (Standard Test Conditions, STC) υπό τις οποίες δίνονται οι χαρακτηριστικές παράμετροι τους. Στα ειδικά εργαστήρια ελέγχου και πιστοποίησης των ιδιοτήτων των Φ/Β στοιχείων, ο χώρος ελέγχου βρίσκεται στην προκαθορισμένη θερμοκρασία των 25 o C. Το φάσμα εκπομπής της χρησιμοποιούμενης πηγής φωτισμού προσομοιάζει το ηλιακό φάσμα στην Γη με πυκνότητα ισχύος 1000 W/m 2 και ΑΜ1.5. Ακόμα η πηγή αυτή λειτουργεί στιγμιαία, ώστε η θερμοκρασία του υλικού του φωτοβολταϊκού στοιχείου να παραμείνει στα προκαθορισμένα όρια των πρότυπων συνθηκών. Επιπλέον, η ακτινοβολία από την τεχνητή πηγή προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια του στοιχείου. Συνοψίζοντας τα παραπάνω: Πρότυπες συνθήκες ελέγχου : i) Κάθετη πρόσπτωση φωτεινής ακτινοβολίας ii) Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ισχύος 1000 W/m 2 και φάσματος αντίστοιχου του ηλιακού με ΑΜ 1.5 iii) Θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου ίση με 25 ο C ±2 ο C Ο ονομαστικός συντελεστής απόδοσης που δίνεται από τον κατασκευαστή, όπως και τα υπόλοιπα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πλαισίου ισχύουν πάντα υπό πρότυπες συνθήκες: Pmax, STC ( Wp) n ( W / m ) A( m ) Με βάση τις πρότυπες συνθήκες εισάγεται η έννοια της ισχύος αιχμής P max,stc (ή P p,peak power), ως χαρακτηριστικό του Φ/Β πλαισίου, με μονάδα στο SI το Wp (peak watt). 37 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

47 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων 4.1 Γενικά Όπως ειπώθηκε ήδη στο κεφάλαιο 3, το φωτοβολταϊκό κύτταρο αποτελεί το βασικό δομικό στοιχείο εκμετάλλευσης του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Για την αύξηση όμως της παραγόμενης ισχύος τα ηλιακά κύτταρα συνενώνονται ηλεκτρικά μεταξύ τους, είτε σε σειρά είτε παράλληλα, διαμορφώνοντας την μικρότερη εμπορικά αξιοποιήσιμη αυτόνομη μονάδα, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Το Φ/Β πλαίσιο αποτελεί τη βασική μονάδα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Η αμέσως μεγαλύτερη κατασκευή ονομάζεται πάνελ. Αποτελείται συνήθως από 2-3 πλαίσια το ένα δίπλα στο άλλο σε κοινή βάση στήριξης και με κοινή ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους. Ο αριθμός των πλαισίων ενός πάνελ είναι σχετικά μικρός, ώστε οι διαστάσεις και το βάρος του να μην αποτελούν πρόβλημα στη μεταφορά και την τοποθέτησή του σε μία φωτοβολταϊκή εγκατάσταση. Τέλος τα πλαίσια (ή τα πάνελ) μπορούν να συνδυαστούν σε ακόμα μεγαλύτερες μονάδες, που ονομάζονται συστοιχίες (σχήμα 4.1). Με τον τρόπο αυτό, είναι δυνατόν να καλύπτουμε ένα ευρή φάσμα εφαρμογών με διάφορες ενεργειακές απαιτήσεις. Σχήμα 4.1 : Από το φωτοβολταϊκό κύτταρο στην Φ/Β συστοιχία Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία διατίθενται στο εμπόριο σε διάφορα σχήματα και χρώματα (σχήμα 4.2 α,β) τα οποία έχουν στόχο τη μέγιστη αξιοποίηση του διαθέσιμου χώρου και την αισθητική του κτιρίου αντίστοιχα. Κατασκευαστικά επιδιώκεται τα φωτοβολταϊκά στοιχεία να καταλαμβάνουν τη μεγαλύτερη κατά το δυνατόν επιφάνεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου και για το λόγο αυτό διαμορφώνονται κατάλληλα. Ο λόγος της συνολικής ενεργούς επιφάνειας των φωτοβολταϊκών στοιχείων προς την συνολική επιφάνεια του πλαισίου, ονομάζεται συντελεστής κάλυψης. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 38

48 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Σχήμα 4.2(α,β) : α) Σχήματα φωτοβολταϊκών κυττάρων, β) χρωματισμοί [15]. 4.2 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Τα βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα υλικό για να αποτελέσει πρώτη ύλη για την κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι τα εξής : i. Μεγάλος συντελεστής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. ii. Χαμηλό κόστος παραγωγής. iii. Σταθερότητα σε αλλαγές των περιβαλλοντικών συνθηκών. iv. Αξιοπιστία στον χρόνο. v. Αφθονία των πρώτων υλών. vi. Φιλικό προς το περιβάλλον. Τα βήματα που ακολουθούνται για την μετατροπή του ακατέργαστου υλικού σε λεπτές πλάκες (wafers) και τελικά σε ηλιακά κύτταρα και πλαίσια διαφέρουν ανάλογα με την τεχνολογία και το υλικό του που χρησιμοποιείται. Υπάρχουν όμως κάποιες στάνταρ διεργασίες που υλοποιούνται. Οι κατασκευαστές φωτοβολταϊκών συνήθως αγοράζουν έτοιμο (επεξεργασμένο) υλικό σε πλάκες (wafers) από την βιομηχανία της μικροηλεκτρονικής και προσπερνούν την διαδικασία του καθαρισμού του υλικού. Τις καθαρίζουν με χημικά και λειαίνουν τις επιφάνειές τους αφαιρώντας πιθανές ζημιές που προκλήθηκαν κατά την διάρκεια της κοπής. Στη συνέχεια γίνεται η νόθευση, μέσω επίταξης, διάχυσης ή εμφύτευσης για την δημιουργία της p-n επαφής. Το επόμενο βήμα είναι η εφαρμογή στο κύτταρο μιας αντιανακλαστικής επίστρωσης, η οποία αποτελείται από κάποιο διαφανές οξείδιο με δείκτη διάθλασης και πάχος τέτοια ώστε να ελαττώνεται η ανακλώμενη ακτινοβολία για ένα μέσο μήκος κύματος. Συνήθως χρησιμοποιείται διοξείδιο του τιτανίου (ΤiO 2 ). 39 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

49 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Με την παραπάνω διαδικασία πετυχαίνουμε συντελεστή ανάκλασης έως 7%. Περαιτέρω ελάττωση του συντελεστή ανάκλασης πραγματοποιείται με τη διαδικασία της κρυσταλλογραφικής ύφανσης (crystallographic texturing) κατά την οποία η επιφάνεια του κυττάρου αποκτά ανάγλυφο πυραμίδων εύρους 3-15μm. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται με το πέρασμα της επιφάνειας του υλικού με ένα διάλυμα ανθρακικής σόδας και ο συντελεστής ανάκλασης φτάνει το 3%. Σειρά έχει η συγκόλληση των ηλεκτροδίων στην εμπρός και πίσω όψη του δίσκου. Το πλέγμα που τοποθετείται στην όψη του φωτοβολταϊκού στοιχείου, όπου προσπίπτει το φως, πρέπει να έχει σχήμα αραιής μεταλλικής σχάρας, με μορφή χτενιού. Η κατάλληλη διαμόρφωση του πλέγματος έχει ως αποτέλεσμα, αφενός την αποτελεσματικότερη συλλογή των φωτορευμάτων απ' όλη την επιφάνεια του κυττάρου, αφετέρου την ελαχιστοποίηση του αποκοπτόμενου απ' αυτό ποσοστού του προσπίπτοντος φωτός. Ο άργυρος είναι το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο μέταλλο για τη δημιουργία των επαφών, χάρη στην ικανότητά του για ηλεκτροκόλληση. Τυπώνεται με τη μορφή πάστας στην μπροστινή και την πίσω πλευρά, τις περισσότερες φορές όμως το ηλεκτρόδιο του πίσω τμήματος αποτελείται από ένα λεπτό φύλλο αλουμινίου, σε όλη την επιφάνεια του στοιχείου. Έτσι έχουμε ένα έτοιμο Φ/Β κύτταρο (σχήμα 4.3α). Η δημιουργία ενός πρόσθετου πεδίου πίσω επιφάνειας (Back Surface Field, BSF) είναι συχνά αναγκαία για την κατασκευή ηλιακών κυττάρων υψηλής απόδοσης. Η απαιτούμενη νόθευση τύπου p + επιτυγχάνεται δια διάχυσης βορίου ή εναπόθεσης αλουμινίου που βρίσκεται στου 800 ο C, σε βιομηχανικές εφαρμογές. Αυτό το έντονα νοθευμένο μέρος εξασφαλίζει την μείωση της πιθανότητας επανασύνδεσης των φορέων στην πίσω επιφάνεια του στοιχείου, άρα και την αύξηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης και της απόδοσης του κυττάρου. Ένα σύνολο Φ/Β κυττάρων συνδεδεμένων σε σειρά (συνήθως 36) τοποθετούνται σε μεταλλικό πλαίσιο υψηλής αντοχής, συνήθως από ανοδιομένο αλουμίνιο, με επίπεδη γυάλινη πλάκα υψηλής διαφάνειας προσαρμοσμένη σε αυτό. Το πίσω μέρος καλύπτεται επίσης από ειδικό πλαστικό υλικό για προστασία από την υγρασία. Η τελική κατασκευή πληροί ειδικές προδιαγραφές, ώστε να διαθέτει την απαραίτητη μηχανική αντοχή, τις κατάλληλες υποδοχές στήριξης και επιπλέον την αυξημένη στεγανότητα για προστασία από την υγρασία και τη βροχή. Στην πίσω επιφάνεια βρίσκεται επίσης ένα στεγανό κιβώτιο συνδέσεων με τα καλώδια των απολήξεων και την δίοδο παράκαμψης. Αυτή η διάταξη είναι η τυπική εμπορική μονάδα, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο (σχήμα 4.3β). Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 40

50 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Σχήμα 4.3(α,β) : α) Μέρη του Φ/Β κυττάρου β) του Φ/Β πλαισίου Δίοδος Παράκαμψης Όπως αναφέραμε ήδη ένα επιπλέον στοιχείο που προσθέτουμε για την ασφάλεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι η δίοδος παράκαμψης (bypass diode). Για να αποτρέψουμε τις συνέπειες του φαινομένου θερμής κηλίδας συνδέουμε διόδους παράλληλα σε ηλιακά κύτταρα ή κατά κύριο λόγο σε σειρές από κύτταρα, ώστε όταν όλα τα στοιχεία φωτίζονται οι δίοδοι να είναι ανάστροφα πολωμένες, ενώ όταν κάποια κύτταρα σκιάζονται πλήρως ή για οποιοδήποτε λόγο ανοιχτοκυκλώνονται, οι δίοδοι παράκαμψης πολώνονται ορθά και επιτρέπουν την ροή ρεύματος από τους υπόλοιπους κλάδους παρακάμπτοντας τον κλάδο με το σκιασμένο κύτταρο. Η σχέση που δίνεται για τον υπολογισμό του μέγιστου αριθμού Φ/Β στοιχείων που μπορεί να προστατέψει μια τέτοια δίοδος με ένα σκιασμένο κύτταρο ανά κλάδο είναι: V R = (N-1)V oc + V d όπου V R η τάση διάσπασης του Φ/Β στοιχείου, V oc η τάση ανοιχτού κυκλώματος του στοιχείου, V d η τάση στην δίοδο παράκαμψης και Ν αριθμός των εν σειρά κυττάρων στον κλάδο. Οι δίοδοι παράκαμψης τοποθετούνται συνήθως στο πίσω μέρος του πλαισίου στο κιβώτιο των συνδέσεων. Σχήμα 4.4 : Δίοδος παράκαμψης σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο [15]. 41 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

51 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Δίοδος Αντεπιστροφής Σε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα τα πλαίσια της Φ/Β συστοιχίας συνδέονται σε παράλληλους κλάδους που καταλήγουν μέσω ενός φορτιστή στις μπαταρίες οι οποίες μας παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια κατά τις ώρες που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία. Προκειμένου να αποκλειστεί η πιθανή εκφόρτιση του συσσωρευτή κατά την διάρκεια της νύχτας, αλλά και η κυκλοφορία ρευμάτων που επιβάλλουν ένας ή περισσότεροι κλάδοι στους υπόλοιπους, κάθε κλάδος εφοδιάζεται με μία δίοδο αντεπιστροφής ή απομόνωσης (blocking diode) τοποθετημένη στο αντίστοιχο κιβώτιο συνδέσεων του κλάδου. Αν οι γραμμές μεταφοράς από κάθε κλάδο καταλήγουν σε κεντρικό κιβώτιο, τότε σ αυτό τοποθετούνται και οι δίοδοι αντεπιστροφής. Σε μικρά Φ/Β συστήματα προτιμώνται οι δίοδοι Schottky, οι οποίες χαρακτηρίζονται από μικρότερη τάση λειτουργίας σε ορθή πόλωση (~0,3 V) σε σχέση με τις κοινές διόδους πυριτίου (~0,7 V) ώστε να μειωθούν οι απώλειες λόγω πτώσης τάσης πάνω στην δίοδο. 4.3 Φωτοβολταϊκά κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου Περίπου το 85-90% των φωτοβολταϊκών που κυκλοφορούν στην αγορά αποτελούνται από κρυσταλλικό πυρίτιο. Το πυρίτιο είναι ημιαγωγός έμμεσου ενεργειακού διακένου 1,12 ev. Αποτέλεσε το βασικό υλικό κατασκευής από την πρώτη κατασκευή κυττάρων με ικανοποιητικό συντελεστή απόδοσης και έχει επικρατήσει μεταξύ των υλικών που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία φωτοβολταϊκών κυρίως διότι είναι άφθονο στη φύση. Ως στοιχείο, το πυρίτιο σπάνια απαντά ελεύθερο στη φύση. Τα διάφορα ορυκτά και πετρώματα του πυριτίου αποτελούν το 87% του φλοιού της Γης, ενώ είναι το δεύτερο σε αφθονία χημικό στοιχείο στη γήινη φύση μετά το οξυγόνο, με ποσοστό 27,7% και το 8 ο πιο άφθονο στοιχείο στο Σύμπαν [17]. Επίσης αποτελεί ένα στοιχειώδη ημιαγωγό με πολύ καλές ηλεκτρονικές, φυσικές και χημικές ιδιότητες και η χρησιμοποίησή του στην μικροηλεκτρονική είχε δημιουργήσει μια τεράστια βιομηχανία, η οποία συνδέθηκε άμεσα με την μικρότερη βιομηχανία των φωτοβολταϊκών. Το πυρίτιο που παίρνουμε από μεταλλουργική κλίμακα (MG-Si) έχει 97-98% καθαρότητα, η οποία δεν είναι αρκετή για φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Γι αυτό το λόγο πρέπει πρώτα να υποστεί κάποιες διεργασίες για να μπορέσουμε να το χρησιμοποιήσουμε σε ηλιακά κύτταρα. Συνήθως χρησιμοποιούμε την μέθοδο της κλασματικής απόσταξης ώστε να πάρουμε πυρίτιο καθαρότητας έως και 99,9999% (SG-Si). Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 42

52 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (mono-si) Στα πρώτα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιήθηκε το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο ή sc-si ή mono-si. Τα ηλιακά κύτταρα μονοκρυσταλλικού πυριτίου απαιτούν πρώτη ύλη πολύ υψηλής καθαρότητας και έχουν την υψηλότερη απόδοση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ανάμεσα στα στοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου, έχουν όμως και την υψηλότερη τιμή αγοράς. Το πάχος τους είναι γύρω στα 0,3 χιλιοστά. Η απόδοση τους στην βιομηχανία κυμαίνεται από 15-18% για το πλαίσιο. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7% [18]. Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέση απόδοσης/επιφάνειας ή "ενεργειακής πυκνότητας". Βασικές τεχνολογίες παραγωγής μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών είναι η μέθοδος Czochralski (CZ) και η μέθοδος Float zone (FZ). Αμφότερες βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου. Στην μέθοδο του Czochralski (παρ.3.1) καθαρά κομμάτια πυριτίου λιώνουν σε ένα χωνευτήριο χαλαζία μαζί με μικρά κομμάτια πυριτίου νοθευμένα με βόριο. Με αυτόν τον τρόπο εξάγουμε μια κρυσταλλική ράβδο που αποτελείται από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Συνήθως οι ράβδοι έχουν διάμετρο cm και μήκος 1-2 m, ενώ ζυγίζουν kg. Αφού δώσουμε στη ράβδο τετραγωνικό σχήμα αφαιρώντας κάποια πλαϊνά τμήματα, που θα ξαναεπεξεργαστούμε με την ίδια μέθοδο, κόβουμε την ράβδο σε φέτες και παίρνουμε τα λεγόμενα wafers τα οποία θα καταλήξουν αργότερα σε ηλιακά κύτταρα (σχήμα 4.7). Η διαδικασία της δεύτερης μεθόδου (FΖ) είναι παρόμοια με αυτήν που αναφέραμε παραπάνω, μόνο που εξελίσσεται κατά αντίθετη κατεύθυνση (από πάνω προς τα κάτω) και δεν υπάρχει δοχείο τήξεως (crucible) του πυριτίου. Το τελικό προϊόν είναι υψηλότερης καθαρότητας σε σχέση μ αυτό της μεθόδου CZ, άρα και το Φ/Β κύτταρο υψηλότερης απόδοσης. Αντιθέτως όμως η μέθοδος CZ αποδεικνύεται οικονομικότερη και δίνει μεγαλύτερης διαμέτρου κυλίνδρους. Το χρώμα των κυττάρων mono-si είναι συνήθως σκούρο μαύρο ή μπλε (σχήμα 4.5). Σχήμα 4.5(α,β): α) Φ/β κύτταρο μονοκρυσταλλικού πυριτίου, β) Πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου. 43 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

53 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (poly-si) Όπως αναφέρθηκε παραπάνω το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι ημιαγωγός ηλεκτρονικής ποιότητας με υψηλή απόδοση μετατροπής αλλά και μεγάλο κόστος, πράγμα που το καθιστά ασύμφορο. Η προσπάθεια για την κατασκευή ηλιακών στοιχείων χαμηλότερου κόστους οδήγησε στη διαπίστωση ότι σε αντίθεση με άλλες ηλεκτρονικές εφαρμογές για την κατασκευή καλών ηλιακών κυττάρων δεν απαιτείται να είναι το πυρίτιο μονοκρυσταλλικό. Ικανοποιητικές αποδόσεις δίνουν και τα ηλιακά στοιχεία από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο ή mc-si ή poly-si. Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο αποτελείται από συνενώσεις διαφόρων διαστάσεων κόκκων μονοκρυσταλλικού πυριτίου, αλλά δεν έχει την ομοιόμορφη κρυσταλλική δομή του τελευταίου. Η κρυσταλλική δομή δεν είναι η ίδια σε όλο το στερεό, αλλά παίρνει διαφορετικό προσανατολισμό σε διάφορες περιοχές του στερεού που χωρίζονται μεταξύ τους με συγκεκριμένες νοητές γραμμές. Στις διαχωριστικές επιφάνειες (grain boundaries) ανάμεσα στις μονοκρυσταλλικές περιοχές η δομή είναι ακανόνιστη. Αυτό όμως προκαλεί μείωση της απόδοσης του ηλιακού στοιχείου γιατί οι διαχωριστικές επιφάνειες εμποδίζουν την ροή των φορέων και επιτρέπουν την ύπαρξη επιπλέον ενεργειακών στοιβάδων στην απαγορευμένη ζώνη με αποτέλεσμα οι επανασυνδέσεις των φορέων να είναι πιο συχνές. Για να μειωθούν οι απώλειες επανασύνδεσης στις διαχωριστικές περιοχές πρέπει το μέγεθος των κόκκων να είναι μεγάλο (μερικά mm). Η παραγωγή του πολυκρυσταλλικού πυριτίου διαφέρει από την διαδικασία παραγωγής του μονοκρυσταλλικού πυριτίου στο γεγονός ότι αντί της μεθόδου για την επίτευξη της τέλειας κρυσταλλικής δομής, το υψηλής καθαρότητας πυρίτιο απλά τήκεται σε μεγάλες κεραμικές καμίνους και τοποθετείται σε ένα δοχείο με τετραγωνική βάση, όπου και αφήνεται να στερεοποιηθεί. Εναλλακτικά χρησιμοποιείται μια μέθοδος όπου το πυρίτιο τήκεται σε ένα δοχείο και έπειτα μεταφέρεται σε ένα δεύτερο όπου και στερεοποιείται. Το στερεό πλέον πυρίτιο που έχει την μορφή πλινθώματος (ingot) έχει πολυκρυσταλλική δομή. Ακολουθεί η κοπή και η διαδικασία ολοκληρώνεται με τον ίδιο τρόπο όπως στο μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (σχήμα 4.7). Η διαδικασία παραγωγής πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι φθηνότερη από αυτή του μονοκρυσταλλικού αλλά αυτό έχει επίπτωση στην απόδοση του Φ/Β στοιχείου. Επιπλέον οι τετραγωνικές πλάκες που προκύπτουν από την κοπή πλεονεκτούν στο γεγονός ότι μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή τετραγωνικών Φ/Β στοιχείων σε αντίθεση με τους δίσκους που είναι κυκλικοί. Αυτό έχει σαν συνέπεια τον μεγαλύτερο συντελεστή κάλυψης του Φ/Β πλαισίου. Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3 χιλιοστά. Οπτικά, μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές, οι οποίες όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση των πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών κυττάρων (σχήμα 4.6). Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 44

54 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Σε εργαστηριακές εφαρμογές, έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20%, ενώ στο εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά πλαίσια διατίθενται με αποδόσεις από 13 έως 15%. Βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι η μέθοδος απευθείας στερεοποίησης ή directional solidification (DS), η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου (χύτευση) και η ηλεκτρομαγνητική χύτευση EMC [18]. Τα πολυκρυσταλλικά κύτταρα χαρακτηρίζονται από σχετικά υψηλή χρονική σταθερότητα. Κύριο μειονέκτημα ήταν μέχρι πρότινος η μεγαλύτερη απαιτούμενη επιφάνεια για την ίδια ισχύ με το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Σήμερα όμως με την ανάπτυξη της τεχνολογίας η απόδοση του πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχει φθάσει σχεδόν την απόδοση του μονοκρυσταλλικού. Σχήμα 4.6(α,β): α) Φ/β κύτταρο πολυκρυσταλλικού πυριτίου, β) Πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Σχήμα 4.7 : Διαδικασία παραγωγής μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών Φ/Β κυττάρων. 45 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

55 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Ταινία πυριτίου (Ribbon Silicon) Είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων ή οποία επιτυγχάνει έως και 50% μείωση στην χρήση του πυριτίου σε σχέση με τις "παραδοσιακές τεχνικές" κατασκευής μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών κυττάρων πυριτίου. Πρόκειται για τη δημιουργία λεπτής ταινίας από τηγμένο υλικό πολυκρυσταλλικού πυριτίου πάχους περίπου 0,3 χιλιοστά (σχήμα 4.8). Η απόδοση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αυτής της κατηγορίας έχει φτάσει πλέον γύρω στο 12-13%, ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις της τάξης του 18%. Η μέθοδος παρασκευής είναι υψηλού κόστους και προς το παρόν η βιομηχανική παραγωγή είναι περιορισμένη. Σχήμα 4.8 : Φωτοβολταϊκό κύτταρο ταινίας πυριτίου. 4.4 Τεχνολογία λεπτών φιλμ (Thin Film) Το μεγαλύτερο μέρος της αγοράς συνδέεται με την τεχνολογία φωτοβολταϊκών κυττάρων κρυσταλλικού πυριτίου (c-si) λόγω της φυσικής αφθονίας του υλικού και της χαμηλή του τοξικότητας. Η φωτοβολταϊκή τεχνολογία κρυσταλλικού πυριτίου όμως είναι εξαρτώμενη από το υλικό, καθώς χρησιμοποιεί σχετικά παχιές (~250 μm) πλάκες (wafers) ακριβού πυριτίου (SG-Si). Χαρακτηριστικό είναι ότι το μισό κόστος ενός Φ/Β πλαισίου από κρυσταλλικό πυρίτιο οφείλεται στο ίδιο το υλικό του πυριτίου, ενώ το μεγαλύτερο ποσοστό του δρα σαν μηχανική υποστήριξη για τα ηλιακά κύτταρα, αφού το μεγαλύτερο μέρος της απορρόφησης της φωτεινής ακτινοβολίας λαμβάνει χώρα στα ανώτερα μm [19]. Γι αυτό υπάρχει η τάση να μειωθεί το κόστος των υλικών με τη χρήση λεπτών υμενίων (φιλμ) και φθηνότερων αλλά και χαμηλότερης απόδοσης πρώτων υλών. Ένα πολύ σημαντικό κριτήριο στην εκλογή του υλικού του ημιαγωγού είναι το είδος του ενεργειακού του διακένου, δηλαδή αν είναι άμεσο ή έμμεσο. Τα φωτόνια απορροφούνται ευκολότερα στους ημιαγωγούς άμεσου ενεργειακού διακένου και έτσι δεν χρειάζεται να έχουν μεγάλο πάχος. Όλοι οι γνωστοί ημιαγωγοί αυτής της κατηγορίας (υλικά III-V,II-IV) με εξαίρεση το άμορφο πυρίτιο είναι άμεσου ενεργειακού διακένου και αρκούν λίγα μm για την μετατροπή του ηλιακού φωτός. Λεπτό υμένιο ονομάζουμε την μικροδομή που δημιουργείται από τα ατομικά στρώματα ενός υλικού-εναποθέτη πάνω στην επιφάνεια ενός στερεού (bulk) υλικού [20]. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 46

56 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Ως βάση της τεχνολογίας αυτής θεωρείται η διαδικασία και ο μηχανισμός της εναπόθεσης των ατόμων ή μορίων από την αέρια φάση στην επιφάνεια του στερεού υλικού σε θερμοκρασίες πολύ μικρότερες από το μισό της θερμοκρασίας τήξης του αντίστοιχου bulk υλικού. Η παρασκευή τους μπορεί να γίνει εφαρμόζοντας ειδικές τεχνικές των λεπτών φιλμ που συνδυάζουν τις χαμηλές θερμοκρασίες και την κάλυψη μεγάλων επιφανειών, όπως i) εξάτμιση και ψεκασμός υπό κενό, ii) μέθοδος φωτεινής εκκένωσης (Glow Discharge ή GD) και iii) χημική διάσπαση αερίου ενώσεως και εναπόθεση των ατόμων του υλικού (Chemical Vapor Deposition ή CVD). Αρκετές έρευνες επιβεβαιώνουν ότι τα φωτοβολταϊκά λεπτού φιλμ αποδίδουν καλύτερα σε συνθήκες χαμηλής ακτινοβολίας και υψηλών θερμοκρασιών [21]. Η εύκαμπτη δομή των thin film προσφέρει την δυνατότητα ενσωμάτωσής τους σε καμπύλες επιφάνειες κτιρίων και το γεγονός ότι το 90% των υλικών από τα οποία κατασκευάζονται είναι ανακυκλώσιμα τα κάνει απολύτως φιλικά προς το περιβάλλον. Παρακάτω παρουσιάζονται τα πιο διαδεδομένα Φ/Β στοιχεία τεχνολογίας thin film που έχουν επικρατήσει μέχρι και σήμερα. Άμορφο πυρίτιο (a-si) Ο χαρακτηρισμός «άμορφο» προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου και το γεγονός ότι σε μικροεπίπεδο δεν υπάρχει κρυσταλλική συμμετρία. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση πυριτίου πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης χαμηλού κόστους, όπως γυαλί ή αλουμίνιο. To ενεργειακό διάκενο του άμορφου πυριτίου (a-si) δεν έχει σταθερή τιμή, αλλά κυμαίνεται από 1,2 1,6 ev ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής του. Το χαρακτηριστικό του είναι ότι έχει μεγάλο συντελεστή απορρόφησης με αποτέλεσμα να συμπεριφέρεται σαν ημιαγωγός άμεσου διακένου και να απαιτείται ένα λεπτό στρώμα υλικού (~1 μm) για την αξιοποίηση του μεγαλύτερου μέρους της ηλιακής ενέργειας που δέχεται. Έτσι λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται η τιμή των Φ/Β που κατασκευάζονται από αυτό το υλικό είναι αρκετά χαμηλή. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων αυτών μειώνεται έντονα στα αρχικά στάδια φωτισμού τους. Οι αποδόσεις που επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά a-si είναι αισθητά χαμηλότερες από αυτές του κρυσταλλικού πυριτίου και κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14%. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της κατηγορίας ηλιακών κυττάρων είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζονται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτούν στην αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας σε σχέση με τα κρυσταλλικά Φ/Β, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). Πολύ σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του a-si γίνεται με την προσθήκη ατόμων υδρογόνου. Το υδρογονούχο a-si (a-si:h) περιέχει 47 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

57 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων συνήθως 5-20% υδρογόνο και παρουσιάζει βελτιωμένα χαρακτηριστικά κυρίως στο εύρος της απαγορευμένης ζώνης (1,6-1,9 ev) και στον συντελεστή απορρόφησης (10 4 /cm) [22]. Ανάλογα, και ίσως καλύτερα αποτελέσματα έχει η προσθήκη ατόμων φθορίου αντί για υδρογόνου(a-si:f). Το μειονέκτημα των άμορφων πλαισίων είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα κάτι που σημαίνει ότι για να παράγουμε την ίδια ενέργεια χρειαζόμαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα πλαίσια από κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Άρα, όταν έχουμε περιορισμούς στο χώρο προτιμούνται τα πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου. Σε αντίθεση με τα τελευταία (c-si), τα κύτταρα άμορφου πυριτίου ενσωματώνονται σε πολυμερή και έτσι χαρακτηρίζονται από μικρό βάρος. Σαν αποτέλεσμα, οι επιφάνειες των λεπτών φιλμ άμορφου πυριτίου δε χρειάζονται ειδικές βάσεις για την εγκατάσταση σε κτίρια, ούτε φορτώνουν τις κατασκευές με επιπρόσθετο βάρος, ώστε να χρειάζονται επιπλέον ενίσχυση. Επειδή δεν περιέχουν γυαλί είναι αρκετά εύκαμπτα, γεγονός που τους επιτρέπει να εναρμονιστούν ομοιόμορφα στα κτίρια και να προσδώσουν ομορφιά ή να δημιουργήσουν αρχιτεκτονικές επιφάνειες. Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001 mm ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3 mm. Σήμερα, η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται για την παρασκευή σύνθετων φωτοβολταϊκών στοιχείων, με διαδοχικές ενώσεις δύο ή τριών στρωμάτων με διαφορετικό ενεργειακό χάσμα, με σκοπό την αύξηση του αξιοποιήσιμου τμήματος του ηλιακού φάσματος (a-sige, a-sic). Σχήμα 4.9(α,β): α) Φ/Β κύτταρο άμορφου πυριτίου, β) Πλαίσιο άμορφου πυριτίου. Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CIS) Ο Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός ή CuInSe 2 ή CIS (σχήμα 4.10β) είναι ένα ημιαγώγιμο υλικό το οποίο μελετήθηκε για πρώτη φορά το 1978 και αποτελείται από χαλκό (Cu), σελήνιο (Se 2 ) και ίνδιο (In), των οποίων η κρυσταλλική δομή μοιάζει μ αυτή του χαλκοπυρίτη [23]. Το υλικό αυτό έχει ενεργειακό διάκενο 1,04 ev και είναι ένα από τα περισσότερο απορροφητικά υλικά όσο αφορά την ηλιακή ακτινοβολία. Παρ όλα αυτά, η απόδοση του με τις σύγχρονες τεχνικές κυμαίνεται στο 11% για το πλαίσιο, ενώ εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8% [18]. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 48

58 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Ένα κύτταρο CIS αποτελείται συνήθως από ένα στρώμα μολυβδαίνιου (Mo) πάχους 1 μm τοποθετημένο επάνω σε ένα υπόστρωμα γυαλιού πάχους 2 4 mm, το οποίο έχει πλέον αντικατασταθεί από γυαλί με νάτριο (soda lime). Το νάτριο διαχέεται από το γυαλί μέσω του μολυβδαινίου στο υπόστρωμα CIS και αυξάνει την αγωγιμότητά του. Το στρώμα μολυβδαίνιου χρησιμεύει και σαν πίσω επαφή για το ηλιακό κύτταρο. Το CIS τοποθετείται πάνω από το μολυβδαίνιο και έχει πάχος 1-2μm. Η ετεροεπαφή ολοκληρώνεται με την εναπόθεση ενός στρώματος CdS πάχους 50nm, ενώ στη συνέχεια τοποθετούμε ένα στρώμα ZnO πάχους 50-70nm υψηλής νόθευσης με ενεργειακό διάκενο 3,2 ev. Επειδή αυτό το διάκενο δεν επηρεάζει το κυρίως φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας, χρησιμεύει σαν στρώμα παράθυρο για το Φ/Β κύτταρο (σχήμα 4.10α). Το ενεργό στρώμα CuInSe 2 είναι πολυκρυσταλλικό, που σημαίνει ότι έχει μία κανονική δομή κρυστάλλου μέσα σε πολύ μικρές περιοχές, οι οποίες είναι τυχαία προσανατολισμένες και έτσι δεν υπάρχει κανένα κανονικό πλέγμα κρυστάλλου που να καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος του υλικού. Έτσι τα φαινόμενα που σχετίζονται με τα όρια των κόκκων και τις επιπλέον ενεργειακές καταστάσεις που προκύπτουν, επηρεάζουν σημαντικά τα χαρακτηριστικά του φωτορεύματος και της τάσης ανοιχτοκυκλώματος. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των λεπτών φιλμ τύπου CIS εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την αναλογία χαλκού/ινδίου. Για το λόγο αυτό απαιτείται πολύ καλή στοιχειομετρία της ένωσης. Το πρόβλημα που υπάρχει, είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στη φύση, οπότε το κόστος του είναι σχετικά υψηλό αλλά όχι απαγορευτικό για επίγειες εφαρμογές. Η μερική αντικατάσταση του ίνδιου (In) με γάλλιο (Ga) οδήγησε σε περεταίρω βελτίωση της απόδοσης αυτών των κυττάρων, που αποτελούν τα συμβολιζόμενα CuInGaSe 2 ή CIGS, με σημερινές αποδόσεις της τάξης του 15% για το πλαίσιο και 20% για το κύτταρο [24]. Το ενεργειακό διάκενο του υλικού αυξάνει συνεχώς με την αύξηση της συγκέντρωσης του Ga πηγαίνοντας προς ιδανικότερες τιμές για ακτινοβολία φάσματος ΑΜ1.5 (σχήμα 3.7). Εάν το Ίνδιο αντικατασταθεί πλήρως προκύπτει το ημιαγωγικό στοιχείο CuGaSe2, του οποίου το ενεργειακό διάκενο είναι περίπου 1.7 ev. Αυτή η βελτίωση (20-30%) δεν οφείλεται μόνο στην αύξηση του διακένου, αλλά και στις καλύτερες ιδιότητες της καινούργιας ετεροένωσης. Βέβαια το Γάλλιο είναι ακόμη πιο σπάνιο από το ίνδιο και κατά συνέπεια το κόστος ανεβαίνει ακόμα πιο πολύ. Σχήμα 4.10(α,β): α) εσωτερική δομή Φ/Β κυττάρου CIS, β) Φ/Β πλαίσιο CIS. 49 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

59 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Αρσενιούχο Γάλλιο (GaAs) Το Γάλλιο είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος και είναι πιο σπάνιο ακόμα και από τον χρυσό. Το Αρσενικό, απ την άλλη μεριά, δεν είναι σπάνιο άλλα έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες για τον άνθρωπο. Το αρσενιούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43eV που είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι ημιαγωγός άμεσου ενεργειακού διακένου και έχει συντελεστή απορρόφησης περίπου 90%. Η απόδοση του σε εργαστηριακό επίπεδο έχει φτάσει το 25,5%, στη δε μορφή πολλαπλών συνενώσεων (multijunction) είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες γεγονός που επιβάλλει σχεδόν την χρήση τους σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων (solar concentrators) [18]. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτημα ότι έχουν μεγάλη αντοχή στην κοσμική ακτινοβολία, για αυτό αλλά και λόγω της πολύ υψηλής απόδοσής τους ενδείκνυνται για διαστημικές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του μονοκρυσταλλικού υποστρώματος GaAs. Σχήμα 4.11 : Φωτοβολταϊκό κύτταρο αρσενιούχου γαλλίου. Τελουριούχο Κάδμιο (CdTe) Το τελουριούχο κάδμιο έχει ενεργειακό διάκενο στο 1,44 ev [21] και έχει τη δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως, μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου τελουριούχου καδμίου γύρω στο 6-8%. Στο εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φτάσει το 16% [18]. Μελλοντικά αναμένεται το κόστος τους να πέσει αρκετά. Τροχοπέδη για τη χρήση του, αποτελεί το γεγονός ότι το κάδμιο σύμφωνα με κάποιες έρευνες είναι καρκινογόνο με αποτέλεσμα να προβληματίζει το ενδεχόμενο της εκτεταμένης χρήσης του. Ήδη η Greenpeace έχει εναντιωθεί στη χρήση του. Επίσης πρόβλημα είναι και η έλλειψη του τελουρίου. Σημαντικότερη χρήση του είναι η ενσωμάτωση του στο γυαλί ως δομικό υλικό για την εφαρμογή του σε κτίρια (Building Intergrated Photovoltaic, BIPV). Σχήμα 4.12 : Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Τελουριούχου καδμίου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 50

60 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Ετεροεπαφή Cu 2 S/CdS Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο ετεροεπαφής HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) που αποτελείται από στρώσεις διαφόρων υλικών, συνιστά η ετεροεπαφή Cu 2 S/CdS η οποία είναι γνωστή από το Αν και το στρώμα CdS δεν παίζει σημαντικό ρόλο συγκρινόμενο με εκείνο του Cu 2 S (πραγματικός τύπος Cu x S, x=1,69-1,99) αυτά τα ηλιακά κύτταρα αναφέρονται σαν CdS. Το κύτταρο αυτό αποτελείται από ένα στρώμα πολυκρυσταλλικού CdS πάχους μm και ένα στρώμα Cu 2 S πάχους 0,1-0,3 μm [22]. Το πρώτο παίζει το ρόλο του παραθύρου του Φ/Β κυττάρου, διότι το φως απορροφάται σχεδόν εξ ολοκλήρου στο στρώμα Cu 2 S. Το πλεονέκτημά τους είναι το μικρό κόστος κατασκευής (φθηνά υλικά και απλές μέθοδοι), όμως η απόδοσή τους κυμαίνεται μόλις στο 10% και δεν είναι σταθερή (ιδίως κάτω από την επίδραση της υγρασίας). Άλλες Τεχνολογίες Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών εξελίσσεται με ραγδαίους ρυθμούς και διάφορα εργαστήρια στον κόσμο παρουσιάζουν νέες πατέντες. Κάποιες από τις τεχνολογίες στα φωτοβολταϊκά στοιχεία που φαίνεται να ξεχωρίζουν και μελλοντικά πιθανώς να γίνει ευρεία η χρήση τους είναι : Φωτοβολταϊκά πλαίσια εύκαμπτης βάσης (spheral solar) Μία τελείως νέα τεχνολογία, αποτελεί το πρωτοποριακό προϊόν spheral solar, το οποίο βασίζεται σε υλικό που αντίθετα με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά κύτταρα δεν τοποθετείται σε άκαμπτη βάση πυριτίου αλλά είναι φτιαγμένο από χιλιάδες πάμφθηνα σφαιρίδια πυριτίου, εγκλωβισμένα ανάμεσα σε δύο φύλλα αλουμινίου. Τα σφαιρίδια αυτά κατασκευάζονται από υπολείμματα πυριτίου που προκύπτουν από τη βιομηχανία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων των Η/Υ. Κάθε σφαιρίδιο, λειτουργεί ως ανεξάρτητο μικροσκοπικό φωτοβολταϊκό κύτταρο, απορροφώντας την ηλιακή ακτινοβολία και μετατρέποντάς τη σε ηλεκτρική. Τα φύλλα αλουμινίου εξασφαλίζουν στο υλικό τη φυσική αντοχή που χρειάζεται, του επιτρέπουν να είναι εύκαμπτο αλλά και ελαφρύ, ενώ ταυτόχρονα παίζουν το ρόλο ηλεκτρικής επαφής. Η γεμάτη φυσαλίδες επιφάνεια που δημιουργούν τα σφαιρίδια επιτρέπει πολύ μεγαλύτερη απορρόφηση ηλιακού φωτός, εξασφαλίζοντας στο υλικό αποδόσεις της τάξης του 11% [25]. Μπορεί να καλύψει επιφάνειες οποιουδήποτε σχήματος, αυξάνοντας κατά πολύ την επιφάνεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και δίνοντας στους αρχιτέκτονες τη δυνατότητα να σχεδιάσουν κτίρια με καμπύλες που 51 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

61 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων θα μπορούν να είναι εξοπλισμένα με φωτοβολταϊκά, χωρίς μάλιστα να απαιτούνται ενισχυμένες κατασκευές για τη στήριξή τους. Ένα παράδειγμα κυττάρου της κατηγορίας spheral solar παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 4.13 : Φ/Β κύτταρο εύκαμπτης βάσης Νανοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου (nc-si) Τα νανοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα βασίζονται σε ένα υπόστρωμα με επίστρωση νανοκρυστάλλων. Η βασική τους πρώτη ύλη είναι συνήθως το πυρίτιο, το CdTe ή ο CIGS και τα υποστρώματα είναι γενικά πυριτίου ή διάφοροι οργανικοί αγωγοί. Τα ηλιακά κύτταρα κβαντικών τελειών είναι μια παραλλαγή αυτής της προσέγγισης. Στο μέλλον τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κβαντικών τελείων θα μπορούν να προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα όπως ευκαμψία, χαμηλό κόστος και απόδοση έως και 65% [26]. Οργανικά/Πολυμερή στοιχεία Στα λεγόμενα οργανικά ή ηλεκτροχημικά στοιχεία, τα οποία βρίσκονται ακόμα σε ερευνητικό στάδιο, η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική πραγματοποιείται σε οργανικά συστήματα. Η αρχική τους μορφή ήταν υγρή και στην πορεία εξελίχθηκε σε πηκτή, παχύρρευστη. Λόγω της ρευστότητας της πρώτης ύλης, τα οργανικά φωτοβολταϊκά παρουσιάζουν ευκαμψία και επιπλέον χαρακτηρίζονται από πολυχρωμία λόγω των χρωστικών ουσιών στο διάλυμα. Αυτά τα στοιχεία είναι ιδιαίτερα ευπαθή στο φως (λόγω των έγχρωμων ουσιών) και ακολούθως παρουσιάζουν ταχεία γήρανση. Για να παρακαμφθεί αυτό το μειονέκτημα προτάθηκαν λύσεις όπως τα πολυμερή ηλιακά κύτταρα (πλαστικά) τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των οργανικών Φ/Β στοιχείων. Σήμερα η απόδοση των πολυμερών οργανικών κυττάρων έχει φτάσει περίπου το 5%. Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το εξαιρετικά χαμηλό κόστος παρασκευής τους το οποίο αντισταθμίζει τον πολύ μικρό χρόνο ζωής τους, σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά στοιχεία [1]. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 52

62 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων 4.5 Τα Φωτοβολταϊκά σήμερα Τα φωτοβολταϊκά είναι ίσως ο κλάδος της ενέργειας που παρουσιάζει την μεγαλύτερη ανάπτυξη στην εποχή μας. Η συνολική εγκατεστημένη φωτοβολταϊκή ισχύς το 2010 αυξήθηκε κατά 73% σε σχέση με αυτή του 2009 (σχήμα 4.14), με μέση ετήσια άνοδο από το 2005 έως το 2010 η οποία ξεπερνά το 49%, ενώ για τα διασυνδεδεμένα συστήματα τα αντίστοιχα ποσοστά ήταν 81% και 60%. Η αγορά των φωτοβολταϊκών χαρακτηρίζεται από ολοένα και χαμηλότερες τιμές, νέες εφαρμογές, μεγάλο επενδυτικό ενδιαφέρον, και ισχυρές ενεργειακές πολιτικές. Σχήμα 4.14 : Εξέλιξη συνολικής εγκατεστημένης φωτοβολταϊκής ισχύος τα χρόνια Πηγή [ Η Ευρωπαϊκή Ένωση κυριάρχησε στην παγκόσμια αγορά φωτοβολταϊκών και για πρώτη φορά, το 2010, προσθέτει περισσότερη Φ/Β ισχύ από αιολική με πρωτοπόρους τη Γερμανία και μετά την Ιταλία. Το 2010 η Γερμανία πρόσθεσε περισσότερη ισχύ σε φωτοβολταϊκά συστήματα (7,4 GW) απ ότι όλες οι χώρες μαζί την προηγούμενη χρονιά, έχοντας στο τέλος του έτους συνολική εγκατεστημένη ισχύ 17,3 GW και κατέχοντας το εκπληκτικό ποσοστό του 44% της παγκόσμιας Φ/Β ισχύος (σχήμα 4.15). Η Ιταλία πρόσθεσε κατά προσέγγιση 2,3 GW φωτοβολταϊκής ισχύος, κυρίως από διασυνδεδεμένα συστήματα μέχρι το τέλος του 2010, φτάνοντας συνολικά τα 3,5 GW. Άλλα κράτη της Ε.Ε. που συμμετείχαν ενεργά στην εγκατάσταση Φ/Β συστημάτων το 2010 ήταν η Γαλλία, η οποία πρόσθεσε 0.7 GW και έτσι τριπλασίασε τις προσθήκες του 2009, ακολουθούμενη από το Βέλγιο (0,4 GW) και την Ελλάδα (με περίπου 0,2 GW), που υπερτετραπλασίασε την ισχύ που πρόσθεσε το Εκτός της Ευρώπης οι μεγαλύτερες αγορές στα Φ/Β συστήματα είναι η Ιαπωνία με 1 GW, οι Η.Π.Α με 0,9 GW και η Κίνα με 0,6 GW, αύξηση της Φ/Β εγκατεστημένης ισχύος κατά το Έτσι η πρώτη κατάφερε να φτάσει τα 3,6 GW, ενώ η δεύτερη τα 2,5 GW. Παρόλ αυτά η Ευρωπαϊκή Ένωση διατηρεί τα ηνία έχοντας το 84% της εγκατεστημένης ισχύος 53 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

63 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων παγκοσμίως [27]. Όσο αφορά στην παραγωγή ενέργειας από φωτοβολταϊκά αρκεί να αναφέρουμε πως το 2010 περισσότερες από 100 χώρες χρησιμοποιούσαν ηλεκτρική ενέργεια από Φ/Β συστήματα. Η παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων αυξάνεται συνεχώς με ρυθμό 20% ετησίως από το 2002, αποτελώντας τη γρηγορότερα αναπτυσσόμενη ενεργειακή τεχνολογία στον κόσμο. Στην παραγωγή Φ/Β πλαισίων η Ιαπωνία βρίσκεται στην κορυφή καλύπτοντας σχεδόν το 50% της διεθνούς αγοράς. Αξίζει να σημειωθεί ότι από τις πέντε μεγαλύτερες εταιρίες, οι τέσσερις είναι Ιαπωνικές (με πρώτη τη Sharp) και η μία Γερμανική [31]. Στον πίνακα 4.1 και στο σχήμα 4.15 παρουσιάζονται οι επικρατέστερες χώρες σε σχέση με την εγκατάσταση φωτοβολταϊκής ισχύος τα τελευταία χρόνια : Πίνακας 4.1 : Συνολική και προστιθέμενη εγκατεστημένη Φ/Β ισχύς από το 2006 έως το Σχήμα 4.15 : Ποσοστό συμμετοχής των κυρίαρχων χωρών στην εγκατεστημένη Φ/Β ισχύ. Πηγή [ Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 54

64 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Στην Ελλάδα η εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων έχει αναπτυχθεί αισθητά μόλις τα τελευταία 5-6 χρόνια. Με την προώθηση «πράσινης πολιτικής» έχει διαμορφωθεί ένα νέο νομοθετικό περιβάλλον που αφορά τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και γενικότερα την αγορά της ενέργειας το οποίο σε γενικές γραμμές είναι εναρμονισμένο με το αντίστοιχο της Ε.Ε. Ο νόμος που άλλαξε το σκηνικό της αγοράς των Α.Π.Ε. στην Ελλάδα ήταν ο Ν.3468/2006. Σκοπός αυτού του νόμου ήταν η εναρμόνιση ουσιαστικά της Ελληνικής νομοθεσίας με την οδηγία της ευρωπαϊκής κοινότητας 2001/77/ΕΚ. Με αυτόν θεσπίζονται σοβαρά κίνητρα στους ιδιώτες για την εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας κυρίως με σκοπό την οικονομική επένδυση. Το κυριότερό του σημείο είναι η κρατική δέσμευση για αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές και η έκδοση σχετικού τιμοκαταλόγου με τον οποίο καθορίζονται οι τιμές πώλησης της ενέργειας για κάθε πιθανή δραστηριότητα στο χώρο των ΑΠΕ [18]. Στη συνέχεια, το 2009 ήρθε ο νόμος Ν.3734/2009, τα σημαντικότερα σημεία του οποίου είναι η επίσπευση των διαδικασιών αδειοδότησης καθώς και οι αλλαγές στην τιμολόγηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκούς σταθμούς. Ταυτόχρονα με κοινή υπουργική απόφαση (ΚΥΑ) ενεργοποιείται το Ειδικό Πρόγραμμα Ανάπτυξης Φωτοβολταϊκών Συστημάτων έως 10 kw σε κτιριακές εγκαταστάσεις κατοικιών και πολύ μικρών επιχειρήσεων στο δώμα, τη στέγη ή στα στέγαστρα μπαλκονιών. Η ΚΥΑ αυτή δίνει τη δυνατότητα σε κάθε πολίτη να αξιοποιήσει την «πράσινη ενέργεια» τοποθετώντας φωτοβολταϊκά πλαίσια στη στέγη του κτιρίου του για παραγωγή ηλεκτρισμού, με ευνοϊκά κίνητρα [18] και απλές διαδικασίες, ως εξής : i. Παρέχεται σταθερή τιμή της παραγόμενης ενέργειας 0,55 /kwh για 25ετια ανά ii. iii. iv. εγκατάσταση, αναπροσαρμοζόμενη στο 25% του ΔΤΚ (δείκτη τιμών καταναλωτή) ή στο 140% της μέσης ΟΤΣ (οριακής τιμής συστήματος). Από το 2012 προβλέπεται μείωση της τιμής για τις νέες εγκαταστάσεις, σταθερής επίσης για μία 25ετία. Οι διαδικασίες για τον πολίτη παραγωγό καταναλωτή είναι απλές και γρήγορες μέσω των τοπικών υπηρεσιών ΔΕΗ και του λογαριασμού ΗΕ. Δεν απαιτείται καμία αδειοδότηση ΥΠΑΝ ΥΠΕΧΩΔΕ, παρά μόνο έγκριση εργασιών μικρής κλίμακας. Δεν υπάρχει καμία φορολογική ή ασφαλιστική υποχρέωση όπως άνοιγμα βιβλίων έναρξης εργασιών, έκδοση τιμολογίων, ασφάλιση, κώδικα βιβλίων και στοιχείων (ΚΒΣ), ΦΠΑ, φορολογία εισοδήματος. v. Για την ένταξη στο πρόγραμμα ικανή και αναγκαία συνθήκη είναι η ιδιοκτησία του χώρου όπου γίνεται η εγκατάσταση και η σύνδεση με τη ΔΕΗ στο όνομα του ιδιοκτήτη για το συγκεκριμένο ακίνητο. 55 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

65 4. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Τέλος, ο νόμος Ν.3851/2010 φαίνεται πραγματικά να επιβεβαιώνει τον τίτλο του "Επιτάχυνση της ανάπτυξης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας για την αντιμετώπιση της Κλιματικής Αλλαγής και άλλες διατάξεις". Οι σημαντικότερες αλλαγές [18] που επιφέρει είναι : i. Απελευθέρωση των αδειών και απλοποίηση του τρόπου αδειοδότησης ιδιαίτερα για επενδύσεις φωτοβολταϊκών μικρού και μεσαίου μεγέθους (1kWp έως 1MWp) - έμμεση προσπάθεια κατάργησης του παραεμπορίου αδειών παραγωγής ενέργειας. ii. Διατήρηση της υψηλής τιμής της επιδότησης της κιλοβατώρας (που έμμεσα όμως για τις νέες επενδύσεις θα είναι μειωμένη λόγω της καθυστέρησης στην εφαρμογή του Νόμου). iii. Προσπάθεια για την προώθηση αγροτικών επενδύσεων στον τομέα των ΑΠΕ. iv. Μερική κατάργηση των εμποδίων που προέκυπταν κατά την αδειοδοτική διαδικασία με τις γαίες υψηλής παραγωγικότητας. v. Άμεση προώθηση των φωτοβολταϊκών επενδύσεων σε βιομηχανικές - βιοτεχνικές στέγες. Τελευταίες εξελίξεις : Σε αυτό το σημείο παρουσιάζουμε κάποια από τα σημαντικότερα σημεία του τελευταίου (26 ου ) ευρωπαϊκού συνέδριου φωτοβολταϊκών που έγινε στο Αμβούργο της Γερμανίας [28] : Το πρόγραμμα Helios που αφορά την επένδυση της Γερμανίας σε εγκατάσταση Φ/Β συστημάτων στην Ελλάδα, υπολογίζεται σε 3 10 GW μέχρι το Η Ε.Ε. θέτει νέο στόχο για το NREAP (National Renewable Energy Action Plans) όσο αφορά τα φωτοβολταϊκά, 85 GW μέχρι το Η Κίνα εισέρχεται και αυτή δυναμικά στην αγορά θέτοντας στόχο 10 GW έως το Νέες επιδόσεις επιτυγχάνονται στα συγκεντρωτικά φωτοβολταϊκά κύτταρα/πλαίσια : - Απόδοση κυττάρου εργαστηρίου: ~ 43,5% μαζικής παραγωγής: 39,2% - Απόδοση πλαισίου: ~25 31% - Απόδοση συστήματος: ~23 27% Στα οργανικά Φ/Β ανακοινώθηκε απόδοση ρεκόρ 9,2% από την Mitsubishi. Στα κύτταρα ετεροεπαφής πυριτίου η Sanyo παρουσίασε wafer με απόδοση 23,7%. Η παραγωγή φωτοβολταϊκών τεχνολογίας λεπτού φιλμ το 2010 είχε ως εξής : - Συνολική παραγωγή: 3,4 GW - Thin-film silicon : 1.58 GW - CdTe : 1.47 GW - CIGSSe : 0.36 GW Αποδόσεις ρεκόρ που αφορούν τα φωτοβολταϊκά thin film ήταν : o CIGS: πλαίσιο 14% (ZSW/Manz) o CdTe: κύτταρο 17.3%, πλαίσιο 13.5% (First Solar, July 2011) o Νανοκρυσταλλικό πυρίτιο: 12% (large-area encapsulated cell, UniSolar, 12/2010) o Dye cells: ~11% (Sharp) Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 56

66 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει η περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας, των χρησιμοποιημένων οργάνων και φωτοβολταϊκών πλαισίων, της επίδρασης κάποιων περιβαλλοντικών παραγόντων στην λειτουργία τους καθώς και της ενεργειακής απόδοσης που παρουσιάζουν αυτά σε ένα έτος. 5.1 Πειραματική Διάταξη Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, έγιναν στο χώρο της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών και συγκεκριμένα στην ταράτσα ενός κτιρίου του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Η/Υ και είχαν διάρκεια ενός έτους. Η κάθε μέτρηση γινόταν σε σύντομο χρονικό διάστημα (περίπου 1 λεπτό) με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια ώστε να έχουμε καλύτερα αποτελέσματα. Στις φωτογραφίες του σχήματος 5.1(α,β) απεικονίζεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήσαμε για τη μελέτη των πλαισίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου και CIS αντίστοιχα. Σχήμα 5.1(α,β): Πραγματικές φωτογραφίες της πειραματικής διάταξης και του χώρου διεξαγωγής των πειραμάτων καθώς και των πλαισίων α) πολυκρυσταλλικού πυριτίου και β) CIS αντίστοιχα. Πιο αναλυτικά τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για την πραγματοποίηση των μετρήσεων είναι τα παρακάτω : Κινητή βάση στήριξης Φ/Β πλαισίου με προσαρμοζόμενη κλίση (0 ο -80 ο ), προσανατολισμό και διαστάσεις για διαφορετικά πλαίσια. Φωτοβολταϊκά πλαίσια πολυκρυσταλλικού πυριτίου (poly-si) και CIS Η συσκευή PVPM 2540C (Peak Power Measuring Device and Curve Tracer for Photovoltaic Modules) με ενσωματωμένο αισθητήρα θερμοκρασίας. Ένας εξωτερικός διακόπτης ασφαλείας 1000V/25A (δεξιά της συσκευής PVPM 2540 C ) Ένα πυρανόμετρο 57 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

67 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Η συσκευή PVPM 2540 C Η συσκευή αυτή έχει τη δυνατότητα, με τη χρήση όλων των απαραίτητων διατάξεων, να απεικονίζει την χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης (I-V) σε χρόνο περίπου 1 δευτερολέπτου παίρνοντας γύρω στις 100 τιμές. Επιπλέον, στη συσκευή αυτή ενσωματώνεται ένας αισθητήρας μέτρησης της θερμοκρασίας του πλαισίου, ενώ συνδέεται ακόμη ένας ο οποίος λειτουργεί σαν πυρανόμετρο και μετράει την ισχύ της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (είναι τύπου φωτοβολταϊκού κυττάρου). Θα πρέπει να τονίσουμε σ αυτό το σημείο ότι ο αισθητήρας της θερμοκρασίας δεν συλλέγει δεδομένα για τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ακόμα, η συσκευή έχει τη δυνατότητα μέτρησης χαρακτηριστικών ηλεκτρικών μεγεθών όπως η μέγιστη ισχύς P max, η τάση ανοιχτού κυκλώματος V oc, το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc, ο παράγων πλήρωσης FF καθώς και υπολογισμού των εσωτερικών αντιστάσεων του πλαισίου. Τέλος, υπάρχει ενσωματωμένη μπαταρία, η οποία φορτίζεται και μας δίνει την δυνατότητα να πάρουμε μετρήσεις μακριά από το ηλεκτρικό δίκτυο. Σχήμα 5.2: Το όργανο μέτρησης PVPM 2540C. Eξωτερικός διακόπτης Ο εξωτερικός διακόπτης ασφαλείας 1000V/25A παρεμβάλλεται μεταξύ της συσκευής PVPM και του φωτοβολταϊκού πλαισίου με σκοπό την προστασία του χειριστή της συσκευής, αλλά και της ίδιας της συσκευής. Η σύνδεση με τη συσκευή μέτρησης πραγματοποιείται με τέσσερα καλώδια, δύο για τον θετικό και δύο για τον αρνητικό ακροδέκτη ενώ ο διακόπτης συνδέεται με το φωτοβολταϊκό πλαίσιο με δύο καλώδια, ένα για κάθε ακροδέκτη. Σχήμα 5.3: Ο διακόπτης ασφαλείας. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 58

68 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Πυρανόμετρο Δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας αισθητήρας μέτρησης της πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας, δηλαδή της ισχύος που προσπίπτει σε ένα συλλέκτη υπό ορισμένη κλίση ανά μονάδα επιφάνειας (W/m 2 ). Είναι περισσότερο ένας αισθητήρας τύπου φωτοβολταϊκού κυττάρου παρά πυρανόμετρο. Σχήμα 5.4: Πρότυπο κύτταρο μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας. Τα πλαίσια πολυκρυσταλλικού πυριτίου (poly-si) και CIS Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τεχνολογίας πολυκρυσταλλικού πυριτίου και λεπτού φιλμ, CIS. Το πλαίσιο κρυσταλλικού πυριτίου ήταν το μοντέλο NE-80E2EA της Sharp, ενώ το πλαίσιο CIS ήταν το PowerMax Eclipse 75-C της Shell Solar. Στον πίνακα 5.1 φαίνονται τα ονομαστικά στοιχεία των δυο τύπων πλαισίων υπό πρότυπες συνθήκες (STC), που υπάρχουν και στα φυλλάδια των κατασκευαστών. Μοντέλο πλαισίου Sharp NE-80E2EA Shell PowerMax Eclipse 75-C Τεχνολογία πλαισίου Poly-Si CIS Isc 5,15 Α 2,85 Α Impp 4,63 Α 2,4 Α Voc 21,6 V 44,1 V Vmpp 17,3 V 31,3 V Pp 80 W (± 5-10 %) 75 W (± 10%) Συντελεστής απόδοσης πλαισίου 12,4 % 9,2 % Συντελεστής πλήρωσης FF 72 % 59,8 % Διαστάσεις 1200 x 537 x 46 mm 1263 x 650 x 48 mm Βάρος 8.5 Kg 14 Kg Πίνακας 5.1 : Ονομαστικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων από τον κατασκευαστή. 59 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

69 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS 5.2 Διαδικασία πειραματικών μετρήσεων Σε αυτό το σημείο θα αναπτύξουμε με λίγα λόγια τη διαδικασία και τη λογική με την οποία έγιναν οι μετρήσεις αυτής της διπλωματικής, με βάση τις οποίες εξήχθησαν τα αποτελέσματα και οι παρατηρήσεις που θα δούμε παρακάτω. Το προς μελέτη φωτοβολταϊκό πλαίσιο ήταν κάθε φορά τοποθετημένο στη μεταλλική βάση (σχήμα 5.1) με κατεύθυνση προς το Νότο και υπήρχε η δυνατότητα αλλαγής της κλίσης του μέσω χειροκίνητου μηχανισμού. Οι γωνίες της κλίσης των πλαισίων για τις οποίες πήραμε μετρήσεις ήταν 0 ο, 30 ο, 38 ο, 45 ο, 60 ο και 80 ο. Η διαδικασία διαρκούσε από την ανατολή ως τη δύση του ηλίου και ανά μία ώρα καταγράφαμε δεδομένα για όλες τις παραπάνω κλίσεις και για τα δυο πλαίσια. Ο αισθητήρας της συσκευής PVPM 2540C, που εκτελεί χρέη πυρανόμετρου, ήταν τοποθετημένος πάνω στη βάση στήριξης στο ίδιο επίπεδο με το μετρούμενο πλαίσιο (σχήμα 5.1), ώστε κάθε φορά που αλλάζει η κλίση του πλαισίου να αλλάζει και η δική του κλίση και να έχουμε όσο το δυνατό μεγαλύτερη ακρίβεια στην μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι ημερήσιες μετρήσεις γίνονταν σε εβδομαδιαία βάση για ένα ολόκληρο έτος (Οκτώβριος 2009 Σεπτέμβριος 2010) και οι μέρες που επιλέχθηκαν ήταν τέτοιες ώστε να καλύψουμε τόσο μια τυπική μέρα ηλιοφάνειας, όσο και συννεφιάς κάθε μήνα. Ένα πρόβλημα το οποίο δεν μπορούσαμε να αποφύγουμε ήταν το γεγονός ότι κάθε μέτρηση μαζί με την αλλαγή της κλίσης της βάσης απαιτεί κάποιο χρόνο (περίπου 30 δευτερόλεπτα). Έτσι ανάμεσα σε δύο συνεχόμενες μετρήσεις διαφορετικής κλίσης του ίδιου πλαισίου ήταν δυνατόν οι καιρικές συνθήκες (ηλιοφάνεια, άνεμος) να έχουν αλλάξει ελαφρώς (ειδικά σε άστατες ημέρες) με συνέπεια τα αποτελέσματα να είναι αλλοιωμένα και όχι 100% αντικειμενικά. Βέβαια αυτή η μικρή απόκλιση είναι αποδεκτή στα πλαίσια του πειραματικού σφάλματος και δεν θα επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τα γενικά μας συμπεράσματα. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η επίδραση διαφόρων εξωτερικών παραγόντων, όπως της θερμοκρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας και της σκίασης στη λειτουργία και στις χαρακτηριστικές παραμέτρους των δύο φωτοβολταϊκών πλαισίων που μελετούμε. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 60

70 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS 5.3 Μετρήσεις υπό σταθερή ακτινοβολία Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V Στα σχήματα 5.5 και 5.6 παρουσιάζονται οι I-V και P-V χαρακτηριστικές καμπύλες του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου για ακτινοβολία 1000W/m 2 και μεταβαλλόμενη θερμοκρασία πλαισίου Α) Poly-Si Σχήμα 5.5: I-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου poly-si για διαφορετικές θερμοκρασίες κυττάρου T, υπό ηλιακή ακτινοβολία ~1000 W/m2. Η I-V για Τ=24,3 ο C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 19 Ιανουαρίου, ώρα 13:27 και για γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. Η I-V για Τ=37,6 ο C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 2 Μαρτίου, ώρα 12:04 και για γωνία κλίσης 38 ο. Η I-V για Τ=43,9 ο C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 21 Απριλίου, ώρα 13:05 και για γωνία κλίσης 45 ο. Η I-V για Τ=54,1 ο C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 26 Μαϊου, ώρα 13:14 και για γωνία κλίσης 30 ο. Σχήμα 5.6 : P-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου poly-si για διαφορετικές θερμοκρασίες κυττάρου T, υπό ηλιακή ακτινοβολία ~1000 W/m 2. Επιλεγμένες μετρήσεις ίδιες με του σχήματος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

71 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Ομοίως για το πλαίσιο δισεληνοϊνδιούχου χαλκού έχουμε : B) CIS Σχήμα 5.7: I-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές θερμοκρασίες κυττάρου T, υπό ηλιακή ακτινοβολία ~1000 W/m 2. Η I-V για Τ=22,7 ο C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 12 Νοεμβρίου, ώρα 11:31 και για γωνία κλίσης πλαισίου 45 ο. Η I-V για Τ=32,8 ο C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 12 Νοεμβρίου, ώρα 12:18 και για γωνία κλίσης 45 ο. Η I-V για Τ=45,3 ο C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 27 Απριλίου, ώρα 14:17 και για γωνία κλίσης 30 ο. Η I-V για Τ=54,3 ο C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 26 Μαϊου, ώρα 13:20 και για γωνία κλίσης 30 ο Σχήμα 5.8 : P-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές θερμοκρασίες κυττάρου T, υπό ηλιακή ακτινοβολία ~1000 W/m 2. Επιλεγμένες μετρήσεις ίδιες με του σχήματος 5.7. Για να φανεί ξεκάθαρα η επίδραση της θερμοκρασίας στην απόδοση του κάθε πλαισίου θα μελετήσουμε τη μεταβολή των ηλεκτρικών μεγεθών του συναρτήσει της θερμοκρασίας πλαισίου. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 62

72 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Ρεύμα βραχυκύκλωσης και ρεύμα σημείου μέγιστης ισχύος Στα σχήματα 5.9 και 5.10 παρουσιάζεται η μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης και του ρεύματος του σημείου μέγιστης ισχύος με την αύξηση της θερμοκρασίας στα πλαίσια που μελετάμε Α) Poly-Si Σχήμα 5.9 : Μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc και σημείου μέγιστης ισχύος I mpp ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. B) CIS Σχήμα 5.10 : Μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc και σημείου μέγιστης ισχύος I mpp ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο CIS. 63 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

73 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Για την εξαγωγή των παραπάνω διαγραμμάτων επιλέχθηκαν μετρήσεις, οι οποίες έγιναν υπό σταθερή ακτινοβολία κοντά στις πρότυπες συνθήκες G=1000 ±20 W/m 2, για θερμοκρασίες πλαισίου από 22 μέχρι 55 ο C περίπου. Όπως αναμέναμε από τη θεωρία (παράγραφος 3.5.3) το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc στο πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχει μια πολύ μικρή άνοδο με την αύξηση της θερμοκρασίας του πλαισίου της τάξης του 0,1%/ ο C, ενώ το ρεύμα στο σημείο μέγιστης ισχύος I mpp έχει μια ανεπαίσθητη πτώση (σχεδόν σταθερό), περίπου -0,07%/ ο C. Στο πλαίσιο CIS βλέπουμε ότι το ρεύμα I sc αυξάνεται επίσης αναλογικά με την θερμοκρασία, αλλά εδώ με ακόμα μικρότερο ρυθμό, μόλις 0,07%/ ο C, απ ότι στο πλαίσιο poly-si ενώ το ρεύμα I mpp είναι σταθερό. Έτσι είναι φανερό ότι τα χαρακτηριστικά ρεύματα στο CIS παρουσιάζουν μεγαλύτερη σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες από αυτά του poly-si Τάση ανοιχτού κυκλώματος και τάση σημείου μέγιστης ισχύος Σε αντιστοιχία με την προηγούμενη ενότητα, εδώ θα παρουσιάσουμε πως μεταβάλλονται οι τάσεις ανοιχτού κυκλώματος και του σημείου μέγιστης ισχύος συναρτήσει της θερμοκρασίας πλαισίου. Τα σημεία αντιπροσωπεύουν μετρήσεις υπό σταθερή ακτινοβολία ~1000 W/m 2. Α) Poly-Si Σχήμα 5.11 : Μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V oc και σημείου μέγιστης ισχύος V mpp ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 64

74 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS B) CIS Σχήμα 5.12 : Μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V oc και σημείου μέγιστης ισχύος V mpp ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο CIS. Αντίθετα με τα ρεύματα, οι τάσεις ανοιχτού κυκλώματος V oc και του σημείου μέγιστης ισχύος V mpp παρουσιάζουν μια σχεδόν γραμμική πτώση όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του πλαισίου. Ο ρυθμός με τον οποίο μειώνονται οι δύο χαρακτηριστικές τάσεις στο πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι -0,34%/ ο C για την V oc και -0,47%/ ο C για την V mpp, προσεγγίζοντας πολύ τις αντίστοιχες τιμές του κατασκευαστή. Η ποσοστιαία πτώση των τάσεων V oc και V mpp στο CIS είναι λίγο μεγαλύτερη απ ότι στο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, αγγίζοντας το -0,41%/ ο C και -0,53%/ ο C αντίστοιχα. Όπως μπορούμε να αντιληφθούμε λοιπόν, η επίδραση των υψηλών θερμοκρασιών στις χαρακτηριστικές τάσεις των δύο πλαισίων είναι αρνητική και μάλιστα αρκετά μεγαλύτερη από τις θετικές επιπτώσεις που έχουν στα αντίστοιχα ρεύματα. 65 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

75 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Μέγιστη ισχύς και συντελεστής απόδοσης Όσο αφορά στη μέγιστη αποδιδόμενη ισχύ και τον συντελεστή απόδοσης των πλαισίων για προσπίπτουσα ακτινοβολία ~1000 W/m 2 παραθέτουμε τα επόμενα διαγράμματα : Α) Poly-Si Σχήμα 5.13 : Μεταβολή της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος Ρ max ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου Όπως φαίνεται παραπάνω, η ισχύς παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά με τις χαρακτηριστικές τάσεις, ακολουθώντας μια περίπου γραμμική πτώση με την αύξηση της θερμοκρασίας του πλαισίου της τάξης το -0,65%/ ο C, που είναι λίγο παραπάνω από τα θεωρητικά όρια (παρ.3.5.3) πιθανώς λόγω σκονισμένης επιφάνειας, γήρανσης του πλαισίου ή μη απόλυτα σταθερής ακτινοβολίας. Σχήμα 5.14 : Μεταβολή του συντελεστή απόδοσης (η) ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 66

76 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Ίδια συμπεριφορά, όπως είναι αναμενόμενο, παρουσιάζει και ο συντελεστής απόδοσης του πλαισίου ο οποίος μειώνεται με ρυθμό -0,64%/ ο C. Αντίστοιχα για το πλαίσιο CIS παίρνουμε τα εξής σχήματα : B) CIS Σχήμα 5.15 : Μεταβολή της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος Ρ max ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο CIS Σχήμα 5.16 :Μεταβολή του συντελεστή απόδοσης (η) ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο CIS Στο πλαίσιο CIS η μέγιστη ισχύς χαρακτηρίζεται από ελαφρώς καλύτερη συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες έχοντας πτώση -0,6%/ ο C, ενώ ο βαθμός απόδοσης -0,65%/ ο C. 67 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

77 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Συντελεστής πλήρωσης Τέλος θα δείξουμε πως μεταβάλλεται ο συντελεστής πλήρωσης FF με την άνοδο της θερμοκρασίας. Α) Poly-Si Σχήμα 5.17 : Μεταβολή του συντελεστή πλήρωσης FF ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου B) CIS Σχήμα 5.18 : Μεταβολή του συντελεστή πλήρωσης FF ως προς τη θερμοκρασία Τ για το πλαίσιο CIS Όπως είναι εμφανές από τα παραπάνω σχήματα ο παράγοντας πλήρωσης είναι επίσης αντιστρόφως ανάλογος της θερμοκρασίας του πλαισίου έχοντας πτώση -0,36%/ ο C και -0,19%/ ο C για το poly-si και το CIS αντίστοιχα. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 68

78 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Συνοψίζοντας τα σχήματα της παραγράφου 5.3 μπορούμε να βγάλουμε τα εξής συμπεράσματα : Από τα διαγράμματα I-V βλέπουμε ότι οι αντίστοιχες παράμετροι μεταβάλλονται ακριβώς όπως αναμενόταν από την θεωρία (σχήμα 3.9), με την εξάρτηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης απ τη θερμοκρασία να είναι θετική αλλά πολύ μικρότερη (οριακά διακριτή στο διάγραμμα) της αντίστοιχης πτώσης που παρουσιάζει η τάση ανοιχτού κυκλώματος. Πιο αναλυτικά, το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc των πλαισίων παρουσιάζει μια πολύ μικρή άνοδο της τάξης του 0,1% ανά βαθμό κελσίου ενώ το I mpp παραμένει σχεδόν σταθερό. Μια παρατήρηση που μπορούμε να κάνουμε είναι ότι στο πολύκρυσταλλικό πυρίτιο για θερμοκρασία 25 ο C η τιμή του I sc είναι ακριβώς ίδια με αυτή που δίνει ο κατασκευαστής. Επίσης οι τάσεις V oc και V mpp των 2 πλαισίων παρουσιάζουν πιο αισθητή μεταβολή με την θερμοκρασία, έχοντας πτώση περίπου -0,4%/ ο C για την V oc και -0,5%/ ο C για την V mpp (λίγο μεγαλύτερη μείωση από την αναμενόμενη). Πηγαίνοντας σε άλλα μεγέθη όπως η μέγιστη ισχύς που αποδίδει το κάθε πλαίσιο, βλέπουμε ότι υπάρχει ακόμα μεγαλύτερη πτώση σε σχέση με τις χαρακτηριστικές τάσεις, της τάξης του -0,6%/ ο C, με το CIS να παρουσιάζει λίγο πιο σταθερή συμπεριφορά με την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο συντελεστής απόδοσης κυμαίνεται στα -0,65%/ ο C. Σε αυτό το σημείο είναι ενδιαφέρον να σημειώσουμε ότι σε θερμοκρασίες κοντά στις πρότυπες (STC) τόσο η αποδιδόμενη ισχύς όσο και ο βαθμός απόδοσης του CIS ξεπερνούν ακόμα και τα ονομαστικά στοιχεία που δίνει ο κατασκευαστής (P max > 75W και η > 9.2%), ενώ στο πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι μικρότερα από αυτά. Τέλος ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα μπορεί να εξαχθεί από τα σχήματα 5.17 και Όπως εύκολα μπορούμε να διακρίνουμε ο παράγων πλήρωσης στο πλαίσιο CIS έιναι κατά πολύ σταθερότερος σε σχέση με αυτόν του poly-si καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του, αφού στο πρώτο πλαίσιο η ποσοστιαία πτώση του FF είναι η μισή απ αυτή στο δεύτερο. Ενδεικτικά, σε μεταβολή θερμοκρασίας 30 ο C ο FF του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου παρουσιάζει πτώση 8 ποσοστιαίων μονάδων ενώ του CIS μόλις 3,5. 69 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

79 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS 5.4 Μετρήσεις υπό σταθερή θερμοκρασία Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V Παρακάτω παρουσιάζουμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες I-V,P-V του πλαισίου poly-si για σταθερή θερμοκρασία πλαισίου ~25 ο C και μεταβαλλόμενη πυκνότητα ισχύος G της ηλιακής ακτινοβολίας Α) Poly-Si Σχήμα 5.19: I-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου poly-si για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας G, με θερμοκρασία κυττάρου ~25 ο C. Η I-V για G=207 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 12 Απριλίου, ώρα 18:13 για γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο.για G=363 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 18 Νοεμβρίου, ώρα 16:07 για γωνία κλίσης 45 ο.για G=442 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 27 Απριλίου, ώρα 09:32 για γωνία κλίσης 45 ο.για G=674 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 21 Δεκεμβρίου, ώρα 14:33 για γωνία κλίσης 30 ο.για G=790 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 21 Δεκεμβρίου, ώρα 14:32 για γωνία κλίσης 45 ο και για G=1017 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 19 Ιανουαρίου, ώρα 13:27 για γωνία κλίσης 30 ο. Σχήμα 5.20: P-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου poly-si για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας G,με θερμοκρασία κυττάρου ~25 ο C. Επιλεγμένες μετρήσεις κοινές με του σχήματος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 70

80 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Ομοίως παραθέτουμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες που μας έδωσε το PVPM για το πλαίσιο CIS. B) CIS Σχήμα 5.21 : I-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας G, με θερμοκρασία κυττάρου ~25 ο C. Η I-V για G=210 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 23 Φεβρουαρίου, ώρα 10:17 για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο.για G=393 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 21 Δεκεμβρίου, ώρα 14:36 για γωνία κλίσης 0 ο.για G=546 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 27 Απριλίου, ώρα 10:31 για γωνία κλίσης 38 ο.για G=624 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 12 Νοεμβρίου, ώρα 11:33 για γωνία κλίσης 0 ο.για G=832 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 21 Δεκεμβρίου, ώρα 14:35 για γωνία κλίσης 60 ο και για G=1048 W/m 2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 19 Ιανουαρίου, ώρα 13:29 για γωνία κλίσης 80 ο. Σχήμα 5.22: P-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας G, με θερμοκρασία κυττάρου ~25 ο C. Επιλεγμένες μετρήσεις κοινές με του σχήματος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

81 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Ρεύμα βραχυκύκλωσης και ρεύμα σημείου μέγιστης ισχύος Σε αντιστοιχία με την προηγούμενη παράγραφο θα αναλύσουμε τη μεταβολή των ηλεκτρικών μεγεθών των πλαισίων με την άνοδο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ξεκινώντας από τα χαρακτηριστικά τους ρεύματα. Για τον λόγο αυτό στα παρακάτω διαγράμματα συγκεντρώνονται μετρήσεις διάφορων ημερών που έχουν σταθερή θερμοκρασία T ~ 25±0,7 ο C αλλά μεταβαλλόμενη πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας G. Α) Poly-Si Σχήμα 5.23 : Μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G στο πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου Σχήμα 5.24 : Μεταβολή του ρεύματος I mpp ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G στο πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 72

82 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS B) CIS Σχήμα 5.25 : Μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G στο πλαίσιο CIS. Σχήμα 5.26: Μεταβολή του ρεύματος I mpp ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G στο πλαίσιο CIS Όπως βλέπουμε οι τιμές του I sc βρίσκονται όλες πάνω σε μία ευθεία που περνάει από την αρχή των αξόνων για G=0 W/m 2 και καταλήγει στο ονομαστικό ρεύμα για G=1000 W/m 2, γεγονός που επιβεβαιώνει και την σχέση 3.3. Ίδια συμπεριφορά παρουσιάζει και το ρεύμα του σημείου μέγιστης ισχύος I mpp στο σχήμα Αντίστοιχα ακριβώς συμπεράσματα με το poly-si μπορούμε να βγάλουμε από τα σχήματα 5.25, 5.26 για το πλαίσιο δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CIS). Ο λόγος που χρησιμοποιούμε 2 διαφορετικά σχήματα για τα ρεύματα I sc και I mpp είναι ότι οι τιμές τους είναι πολύ κοντά και σε πολλά τμήματα του γραφήματος τα σημεία θα έπεφταν το ένα πάνω στο άλλο. 73 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

83 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Τάση ανοιχτού κυκλώματος και τάση σημείου μέγιστης ισχύος Στα σχήματα 5.27, 5.28 παρουσιάζουμε τη συμπεριφορά των τάσεων ως προς την ακτινοβολία G. Α) Poly-Si Σχήμα 5.27 : Μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V oc και σημείου μέγιστης ισχύος V mpp ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G για το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. B) CIS Σχήμα 5.28 : Μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V oc και σημείου μέγιστης ισχύος V mpp ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G του πλαισίου CIS. Οι χαρακτηριστικές τάσεις των πλαισίων εμφανίζουν διαφορετική μεταβολή με την άνοδο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε σχέση με αυτή που είδαμε στα ρεύματα. Για τιμές του G < 200 W/m 2 αυξάνονται απότομα (σχεδόν εκθετικά) καθώς αυξάνεται η ακτινοβολία, ενώ για G > 200 W/m 2 η τάση V mpp των πλαισίων είναι σχεδόν σταθερή κοντά στην ονομαστική τιμή του κατασκευαστή, και η V oc έχει μια ελάχιστη θετική κλίση. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 74

84 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Μέγιστη ισχύς και συντελεστής απόδοσης Παρακάτω παραθέτουμε τη μεταβολή τόσο της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος των πλαισίων που μελετάμε, όσο και του συντελεστή απόδοσης τους με την αύξηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Α) Poly-Si Σχήμα 5.29 : Μεταβολή της μέγιστης ισχύος P max ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G στο πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Σχήμα 5.30 : Μεταβολή του συντελεστή απόδοσης (η) ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G στο πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. 75 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

85 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS B) CIS Σχήμα 5.31 : Μεταβολή της μέγιστης ισχύος P max ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G στο πλαίσιο CIS. Σχήμα 5.32 : Μεταβολή του συντελεστή απόδοσης (η) ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G στο πλαίσιο CIS. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 76

86 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Από τα σχήματα μπορούμε να διακρίνουμε πως η μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς κάθε πλαισίου είναι γραμμική συνάρτηση της πυκνότητας ακτινοβολίας και περνάει από την αρχή των αξόνων για G=0 W/m 2,, όπως ακριβώς συμβαίνει και με τα ρεύματα. Επίσης ο συντελεστής απόδοσης η, ακολουθεί ίδια μεταβολή με τις τάσεις V oc και V mpp που είδαμε παραπάνω Συντελεστής πλήρωσης Α) Poly-Si Σχήμα 5.33 : Μεταβολή του συντελεστή πλήρωσης FF ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G για το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. B) CIS Σχήμα 5.34: Μεταβολή του συντελεστή πλήρωσης FF ως προς την πυκνότητα ακτινοβολίας G για το πλαίσιο CIS. 77 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

87 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Συνοψίζοντας τις πληροφορίες που έχουμε από τα σχήματα της παραγράφου 5.4 μπορούμε να βγάλουμε τα εξής συμπεράσματα : Αρχικά, διακρίνουμε ότι η καμπύλη I-V στο πολυκρυσταλλικό είναι αρκετά πιο ορθογώνια από την αντίστοιχη του CIS, πράγμα απόλυτα λογικό αφού FF poly-si = 72%, FF CIS = 59.8%. Η εξάρτηση του ρεύματος από την ηλιακή ακτινοβολία, είναι αρκετά μεγαλύτερη σε σχέση με αυτήν της τάσης με αποτέλεσμα η παραγωγή ισχύος να επηρεάζεται κυρίως από την τιμή του ρεύματος. Αυτή η διαφορά άλλωστε φαίνεται και στις χαρακτηριστικές I-V των σχημάτων 5.19, 5.21 όπου για μεγάλες μεταβολές της ακτινοβολίας η τάση V oc μεταβάλλεται λίγο (40-45V) ενώ το ρεύμα I sc πολύ περισσότερο (0,5-2,8 Α) [θεωρία σχήμα 3.8] Παρατηρείται και εδώ το φαινόμενο που είδαμε στην προηγουμενη παράγραφο, όπου το CIS ξεπερνά ακόμα και τις ονομαστικές του τιμές. Αυτό είναι φανερό στα σχήματα 5.28, 5.31, 5.32 αλλά και 5.34 όπου οι τιμές V oc, P max, η και FF είναι μεγαλύτερες από αυτές του κατασκευαστή για ακτινοβολίες κοντά στα 1000 W/m 2, ενώ στο poly-si τις προσεγγίζουν οριακά. Επίσης διακρίνεται εύκολα οτι ο συντελεστής απόδοσης του CIS έχει αρκετά καλύτερη συμπεριφορά με την άνοδο της πυκνότητας της ακτινοβολίας, αφού έχει συνεχώς θετική κλίση, ενώ στο πολυκρυσταλλικό είναι σχεδόν σταθερός για G > 500 W/m 2. Παρόμοιο συμπέρασμα μπορούμε να βγάλουμε και για τον συντελεστή πλήρωσης FF, ο οποίος στο πλαίσιο CIS εμφανίζει μια εξαιρετική σταθερότητα για ακτινοβολίες G > 400 W/m 2. Αντιθέτως στο πλαίσιο poly-si όχι μόνο δεν είναι σταθερός, αλλά έχει και μια μικρή πτώση. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 78

88 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS 5.5 Συνθήκες σκίασης Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τις ενεργειακές απολαβές σε ένα πραγματικό φωτοβολταϊκό σύστημα είναι η σκίαση. Η σκίαση στα πλαίσια μιας συστοιχίας μπορεί να οφείλεται σε παρακείμενα κτίρια, σε κοντινά μεγάλα δέντρα, σε εμπόδια που υπάρχουν στην ταράτσα (κλιμακοστάσιο κτλ) είτε ακόμα και σε σκίαση από τα πλαίσια της μπροστινής σειράς εξαιτίας κακής μελέτης της εγκατάστασης σε περιορισμένο χώρο (συνήθως ταράτσα με μικρή επιφάνεια). Γι αυτόν τον λόγο είναι σκόπιμο να εξάγουμε κάποια αποτελέσματα για τα ηλεκτρικά μεγέθη των πλαισίων που μελετούμε υπό συνθήκες σκίασης. Έτσι θα προσεγγίσουμε το φαινόμενο αυτό προκαλώντας τεχνητή σκίαση και στα δύο πλαίσια, τόσο κάθετα προς τη μεγάλη πλευρά του πλαισίου, όσο και παράλληλα μ αυτή. Οι μετρήσεις που αφορούν τα σχήματα που παρουσιάζονται παρακάτω έγιναν στις 12 Απριλίου, ώρα 12:30, με πυκνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας περίπου 1000 W/m 2 και με θερμοκρασίες πλαισίων 48,5 o C για το poly-si και 52 o C για το CIS Σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου Α) Κάθετη σκίαση Η κάθετη σκίαση του πλαισίου έγινε καλύπτοντας αρχικά το 1/3 της επιφάνειάς του και στη συνέχεια τα 2/3, κατά τη μικρή διάσταση όπως ακριβώς φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 5.35(α,β) : Κάθετη σκίαση του πλαισίου poly-si α) κατά το 1/3 και β) τα 2/3 της επιφάνειάς του. Μετρώντας πρώτα τα χαρακτηριστικά μεγέθη ακριβώς πριν σκιάσουμε το πλαίσιο (ίδιες συνθήκες) και στη συνέχεια για τις 2 περιπτώσεις του παραπάνω σχήματος έχουμε : Τάση Voc Ρεύμα Isc Μέγιστη ισχύς Pmax Μη-σκιασμένο πλαίσιο 19,8 V 5,14 A 63,2 W Σκιασμένο κατά 1/3 της επιφάνειας 18,62 V 0,35 A 2,71 W Σκιασμένο κατά 2/3 της επιφάνειας 17,34 V 0,29 A 2,19 W Πίνακας 5.2 : Χαρακτηριστικά μεγέθη πλαισίου poly-si υπό συνθήκες κάθετης σκίασης. 79 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

89 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Για καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς του πλαισίου υπό σκίαση σχεδιάζουμε και τις χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V που μας δίνει το PVPM στα σχήματα 5.36 και Σχήμα 5.36 : Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V για την περίπτωση κάθετης σκίασης του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Σχήμα 5.37 : Χαρακτηριστικές καμπύλες P-V για την περίπτωση κάθετης σκίασης του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Τα σχήματα που παίρνουμε είναι απολύτως αναμενόμενα αφού όπως φαίνεται από την εσωτερική δομή του Φ/Β πλαισίου (σχήμα 5.35) όλα τα κύτταρα είναι συνδεδεμένα σε σειρά με δύο διόδους παράκαμψης παράλληλα συνδεδεμένες (κάθε μία καλύπτει τα μισά στοιχεία). Έτσι σκιάζοντας πλήρως έστω και ένα κύτταρο και στις δύο ομάδες (των διόδων) έχουμε αποκοπή ουσιαστικά ολόκληρου του πλαισίου. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 80

90 5. Μελέτη απόδοσης Φ/Β πλαισίων poly-si και CIS Β) Οριζόντια σκίαση Αντιστοίχως έγινε η οριζόντια σκίαση του πλαισίου καλύπτοντας πάλι το 1/3 της επιφάνειας του πλαισίου και στη συνέχεια τα 2/3, κατά τη μεγάλη διάσταση όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 5.38(α,β):Οριζόντια σκίαση του πλαισίου poly-si α)κατά το 1/3 και β)τα 2/3 της επιφάνειάς του. Τα ηλεκτρικά μεγέθη τόσο σε συνθήκες μη-σκίασης όσο και στις 2 περιπτώσεις του σχήματος 5.38 παρουσιάζονται παρακάτω : Τάση Voc Ρεύμα Isc Μέγιστη ισχύς Pmax Μη-σκιασμένο πλαίσιο 19,8 V 5,14 A 63,2 W Σκιασμένο κατά 1/3 της επιφάνειας 17,35 V 4,92 A 25,5 W Σκιασμένο κατά 2/3 της επιφάνειας 14,62 V 1,16 A 7,56 W Πίνακας 5.3 : Χαρακτηριστικά μεγέθη πλαισίου poly-si υπό συνθήκες οριζόντιας σκίασης. Σχήμα 5.39 : Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V για την περίπτωση οριζόντιας σκίασης του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου. 81 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών