ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ TMHMA MHXANIKΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΙΤΛΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Αξιολόγηση επένδυσης και διερεύνηση εγκατάστασης Φ/Β συστημάτων μεσαίας ισχύος στο Πανεπιστήμιο Αιγαίου Ιωάννης Βλάχος ΑΜ: 231/03017 Επιβλέπων Καθηγητής: Παπαγεωργίου Κωνσταντίνος ΧΙΟΣ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2013

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Παπαγεωργίου Κωνσταντίνο για την πολύτιμη βοήθεια του στην κατανόηση του φυσικού αντικειμένου, την άριστη καθοδήγηση και την συμπαράσταση που μου προσέφερε καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας εργασίας και τις διορθώσεις του κειμένου. Στη συνέχεια, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Ανδρικόπουλο Ανδρέα για την πολύτιμη συμβολή του στη διεξαγωγή της οικονομικής ανάλυσης. Ακόμα, τον κ. Γκιάλα Ιωάννη για την αποδοχή της πρόσκλησης να αποτελέσει μέλος της τριμελούς επιτροπής και το χρόνο που διέθεσε. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω θερμά την οικογένεια μου και τους φίλους μου που με στήριξαν όλο το διάστημα της φοιτητικής μου ζωής. ii

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας διπλωματική εργασίας είναι η διερεύνηση της βιωσιμότητας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος στη στέγη του κτιρίου του τμήματος Διοίκησης Επιχειρήσεων του Πανεπιστημίου Αιγαίου στη Χίο. Ουσιαστικά, θα μελετηθεί και θα υπολογιστεί το πιθανό οικονομικό κέρδος που μπορεί να έχει το πανεπιστήμιο μέσα από την πραγματοποίηση της συγκεκριμένης φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Αρχικά, γίνεται μια εκτενής αναφορά στην ενέργεια και στις πηγές ενέργειας όπως είναι οι Α.Π.Ε. και οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Περιγράφεται ο τρόπος υπολογισμού της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μια κεκλιμένη επιφάνεια όπως είναι η επιφάνεια ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου. Παρουσιάζονται οι κατηγορίες των φ/β συστημάτων και γίνεται μια περιγραφή και ανάλυση των επιμέρους στοιχείων, που αποτελούν τόσο ένα διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα όσο και ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα. Στη συνέχεια, γίνεται μία μελέτη για τη χρήση διασυνδεδεμένου συστήματος με το δίκτυο της ΔΕΗ (grid connected). Η μελέτη αυτών των σεναρίων θα γίνει με την χρήση κατάλληλων κλιματολογικών δεδομένων από Τεχνική Οδηγία του ΤΕΕ και με τη χρήση του λογισμικού RETscreen. Ακολουθεί η διαστασιολόγηση και λεπτομερής μελέτη της διασυνδεδεμένης φ/β εγκατάστασης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη στέγη του κτηρίου βάσει της διαθέσιμης προς εκμετάλλευση επιφάνειας. Τέλος, μελετάται η βιωσιμότητα του διασυνδεδεμένου συστήματος, μέσω κριτηρίων αξιολόγησης επενδύσεων. Υπολογίζονται, δηλαδή, κάποιοι οικονομικοί δείκτες, οι οποίοι δείχνουν κατά πόσο είναι συμφέρουσα ή όχι, η πραγματοποίηση μιας τέτοιας εγκατάστασης - επένδυσης. Η οικονομική ανάλυση ολοκληρώνεται με ανάλυση ευαισθησίας της επένδυσης. iii

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 2. ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΟΡΙΣΜΟΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ) ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Α.Π.Ε.) ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ο ΉΛΙΟΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΡΧΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Φ/Β ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΠΟΔΟΣΗ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (SINGLE CRYSTALLINE SILICON, SC-SI) ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΕΛΙΑ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (MULTICRYSTALLINE SILICON, MC-SI) ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΑΙΝΙΑΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (RIBBON SILICON) ΔΙΣΕΛΗΝΟΪΝΔΙΟΥΧΟΣ ΧΑΛΚΟΣ (CUINSE2 Η CIS, ΜΕ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΓΑΛΛΙΟΥ CIGS) ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΜΟΡΦΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (AMORPHOUS Η THIN FILM SILICON, A-SI) ΤΕΛΟΥΡΙΟΥΧΟ KΑΔΜΙΟ (CDTE) ΑΡΣΕΝΙΚΟΥΧΟ ΓΑΛΛΙΟ (GAAS) ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (NC-SI) ΟΡΓΑΝΙΚΑ / ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΚΡΙΝΟΝΤΑΙ ΣΕ ΔΥΟ ΜΕΓΑΛΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ : ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 31 iv

5 4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΤΑΞΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΣΕ ΣΤΕΓΕΣ, ΤΑΡΑΤΣΕΣ, ΣΚΕΠΕΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΕΙΣ ΣΕ ΠΡΟΣΟΨΕΙΣ ΚΤΗΡΙΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΝΩ ΣΕ ΕΙΔΙΚΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΜΕΝΑ ΣΚΙΑΣΤΡΑ Η ΣΤΕΓΑΣΤΡΑ ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΗΣ ΤΟΠΟΘΕΣΙΑΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΣΚΙΑΣΜΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ Φ/Β ΣΕ ΚΤΗΡΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΓΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΚΤΗΡΙΟ ΤΟΥ ΤΔΕ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΟ RETSCREEN ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΤΑΡΑΤΣΑ ΚΤΗΡΙΩΝ ΧΩΡΟΘΕΤΗΣΗ Φ/Β ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗ ΑΠΟΔΙΔΟΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΤΟ ΔΩΜΑ ΤΟΥ ΚΤΗΡΙΟΥ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ ΕΠΙΛΟΓΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 60 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΤΟ ΧΩΡΟ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΡΓΟΥ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΟΣΤΟΥΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΣΟΔΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΥ ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ ΚΟΙΝΩΝΙΚΟ ΠΡΟΕΞΟΦΛΗΤΙΚΟ ΕΠΙΤΟΚΙΟ (ΚΠΕ) ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ ΔΕΙΚΤΩΝ 80 v

6 7.4 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 89 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 91 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 2.1:Φάσμα εκπομπής 10 Σχήμα 2.2:Φάσμα απορρόφησης 11 Σχήμα 2.3: Η τροχιά της γης γύρω από τον ήλιο 14 Σχήμα 2.4: Θέση του ήλιου σε σχέση με κάποιο σημείο στη γη 14 Σχήμα 2.3: Θέση επιφάνειας και γωνία πρόσπτωσης των ακτινών 15 Σχήμα 2.6: «Φωτοβολταϊκό φαινόμενο» 16 Σχήμα 2.7: «Φωτοβολταϊκό φαινόμενο» 18 Σχήμα 2.8: Ηλιακό Φάσμα 18 Σχήμα 3.1: Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο 22 Σχήμα 3.2: Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο 23 Σχήμα 3.3: Ταινία πυριτίου 23 Σχήμα 3.4: Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός 24 Σχήμα 3.5: Άμορφο πυρίτιο 25 Σχήμα 3.6: Τελουριούχο κάδμιο 26 Σχήμα 3.7: Αρσενικούχο Γάλλιο 26 Σχήμα 3.8: Υβριδικά 27 Σχήμα 3.9: Νανοκρυσταλλικά πυρίτιο 28 Σχήμα 3.10: Μετατροπέας (inverter) 29 Σχήμα 3.11: Ρυθμιστής Τάσης 30 Σχήμα 3.12: Συνδεδεμένο δίκτυο 30 Σχήμα 3.13: Συνδεδεμένο δίκτυο 31 Σχήμα 4.1: Φωτοβολταϊκά σε στέγες 35 Σχήμα 4.2: Δυνατότητες ενσωμάτωσης 36 Σχήμα 4.3: Παράδειγμα ενσωμάτωσης φωτοβολταϊκού σε πρόσοψη κτιρίου στον Ταύρο- Αθήνα 37 Σχήμα 4.4: Παράδειγμα φωτοβολταϊκού συστήματος ενσωματωμένο σε πρόσοψη κτιρίου στη Λ. Αλεξάνδρας 38 Σχήμα 4.5: Χρήση σκίαστρου 39 Σχήμα 4.6: «Ηλιακό Δάσος» (Solar Forest Concept) 39 Σχήμα 4.7: Γραφική απεικόνιση της κλίσης και της αζιμούθιας γωνίας ενός Φ/Β πλαισίου που βρίσκεται στο Βόρειο ημισφαίριο 40 vi

7 Σχήμα 4.8: Επίδραση της τιμής της κλίσης και του προσανατολισμού στην διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία (kwh/m2/έτος) στο επίπεδο των ηλιακών πλαισίων ενός κτηριακού Φ/Β συστήματος στην Αττική 42 Σχήμα 4.9: Επίδραση της τιμής της κλίσης και του προσανατολισμού στην ηλεκτροπαραγωγική ικανότητα ενός κτηριακού Φ/Β συστήματος (σε επί τοις εκατό ποσοστά) 42 Σχήμα 4.10: Νότιος προσανατολισμός 43 Σχήμα 4.11: Διάγραμμα τροχιάς ήλιου σε Βόρειο γεωγραφικό πλάτος Σχήμα 5.1: Πληροφορίες έργου στο RETscreen 50 Σχήμα 5.2: Κλιματολογικά δεδομένα της περιοχής από το RETscreen 51 Σχήμα 5.3: Καμπύλη του λόγου της ελεύθερης απόστασης (α) μεταξύ δύο γειτονικών σειρών Φ/Β πλαισίων προς την επικάλυψη του ύψους (υ), σε συνάρτηση µε το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ), ώστε να μην εμποδίζεται ουσιαστικά η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας 53 Σχήμα 5.4: Η έννοια των μηκών α, γ, δ και ε και της γωνίας κλίσης β για τη διάταξη των ηλιακών συλλεκτών στις φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Το διάγραμμα είναι εμπειρικό και προέρχεται από την έκδοση Stand alone PV systems της εταιρείας Morgan (1980) 54 Σχήμα 6.1: Διαστάσεις του δώματος του κτηρίου 63 Σχήμα 7.1: Διάγραμμα ΚΠΑ 82 Σχήμα 7.2: Διάγραμμα του μέσου ετήσιου ρυθμού αύξησης του κατά κεφαλήν ΑΕΠ στην Ελλάδα 84 Σχήμα 7.3: Διάγραμμα μεταβολής ΚΠΑ ανάλογα με το επιλεγόμενο ΚΠΕ 85 Σχήμα 7.4: Διάγραμμα μεταβολής ΚΠΑ ανάλογα με το επιτόκιο δανεισμού 86 Σχήμα 7.5: Διάγραμμα μεταβολής ΚΠΑ ανάλογα με το αρχικό κόστος επένδυσης. Στην περίπτωση που το αρχικό κόστος είναι ίσο με ,40 ευρώ ο ΕΒΑ ισούται με 10% 87 Σχήμα 7.6: Διάγραμμα μεταβολής ΚΠΑ ανάλογα με τον ετήσιο ρυθμό μείωσης απόδοσης του συστήματος 88 vii

8 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 6.1: Τοποθεσία έργου Πίνακας 6.2: Παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια για το 1 ο έτος Πίνακας 7.1: Πίνακας οικονομικής ανάλυσης Πίνακας 7.2: ΚΠΑ επένδυσης για ορίζοντα 25 ετών Πίνακας 7.3: Εύρος τιμών ΚΠΕ και η αντίστοιχη μεταβολή στην ΚΠΑ Πίνακας 7.4: Εύρος τιμών επιτοκίου δανεισμού και η αντίστοιχη μεταβολή στην ΚΠΑ Πίνακας 7.5: Εύρος τιμών αρχικού κόστους επένδυσης με μείωση 1% σε κάθε γραμμή του πίνακα και η αντίστοιχη μεταβολή στην ΚΠΑ Πίνακας 7.6: Εύρος τιμών για το ρυθμό ετήσιας μείωσης της απόδοσης του συστήματος viii

9 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να πραγματοποιηθεί μια τεχνοοικονομική μελέτη για την εγκατάσταση διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού σταθμού στη στέγη του κτηρίου του τμήματος Διοίκησης Επιχειρήσεων του Πανεπιστημίου Αιγαίου. Αρχικά, παρουσιάζονται διάφορα στοιχεία για τις όλες τις μορφές ενέργειας για να δούμε στη συνέχεια όλα τα πλεονεκτήματα από τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πέρα από τα περιβαλλοντικά οφέλη τα οποία είναι και πάρα πολύ σημαντικά αφού ένα φωτοβολταϊκό σύστημα 50 κιλοβάτ, αποτρέπει κάθε χρόνο την έκλυση 73 τόνων διοξειδίου του άνθρακα, όσο δηλαδή θα απορροφούσαν 16,5 στρέμματα δάσους, υπάρχουν και οικονομικά οφέλη για δύο σημαντικούς λόγους. Ο πρώτος είναι ότι η επένδυση σε φωτοβολταϊκά συστήματα είναι μια αρκετά ικανοποιητική επένδυση (ειδικά στην περίπτωση που επιδοτείται το αρχικό κόστος επένδυσης) που αποφέρει άμεσα κέρδη όπως αποδεικνύεται από τη παρούσα μελέτη. Ο δεύτερος λόγος είναι ότι η μέγιστη παραγωγή ηλιακού ηλεκτρισμού συμπίπτει χρονικά με τις ημερήσιες αιχμές της ζήτησης (ιδίως τους καλοκαιρινούς μήνες), βοηθώντας έτσι στην εξομάλυνση των αιχμών φορτίου, στην αποφυγή black-out και στη μείωση του συνολικού κόστους της ηλεκτροπαραγωγής, δεδομένου ότι η κάλυψη αυτών των αιχμών είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η ανάπτυξη των φωτοβολταϊκών συστημάτων κατά τη διάρκεια των τελευταίων χρόνων και γίνεται κατανοητός ο τρόπος με τον οποίο τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μπορούν την ηλιακή ενέργεια να την μετατρέπουν σε ηλεκτρική. Τα Φ/Β στοιχεία (solar cells) είναι συσκευές παραγωγής ηλεκτρισμού κατασκευασμένες από ημιαγωγά στοιχεία. Ως κύριος ημιαγωγός χρησιμοποιείται το πυρίτιο και προσμίξεις του με φώσφορο (N-type) και βόριο (P-type). Έτσι λοιπόν, στην παρούσα εργασία εξετάζουμε τα φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου, πολυκρυσταλλικού πυριτίου και του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Ανάλογα τον τρόπο διάθεσης του παραγόμενου ηλεκτρικού τα φωτοβολταϊκά συστήματα διακρίνονται σε αυτόνομα και διασυνδεδεμένα. Και τα δύο αυτά Σελίδα 1 από 92

10 φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούνται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (που όπως αναφέραμε προηγουμένως μπορεί να αποτελείται από στοιχεία άμορφου, πολυκρυσταλλικού ή μονοκρυσταλλικού πυριτίου), από τους inverters οι οποίοι μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σε εναλλασσόμενο προκειμένου να γίνει συμβατό με τη λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών. Ενώ εάν το φωτοβολταϊκό σύστημα είναι αυτόνομο, πρέπει να διαθέτει μπαταρία για την αποθήκευση του παραγόμενου ρεύματος που δεν καταναλώνεται άμεσα, καθώς επίσης και ρυθμιστή τάσης το οποίο διατηρεί την κανονική φόρτιση των μπαταριών από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Το διασυνδεδεμένο μας φωτοβολταϊκό σύστημα έχει μικρότερο κόστος αφού δεν χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν αναλώσιμα υλικά όπως είναι οι μπαταρίες. Ακολούθως, γίνεται λόγος για τις συνθήκες που επικρατούν στην Ελλάδα σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Δυστυχώς, παρά το γεγονός ότι η Ελλάδα είναι η πιο πλούσια χώρα της Ευρώπης σε ηλιοφάνεια, κατατάσσεται μεταξύ των τελευταίων στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων. Έτσι λοιπόν, για το συγκεκριμένο φωτοβολταϊκό σύστημα των 50 KW, η παραγόμενη κιλοβατώρα μπορεί να πωληθεί στην μέγιστη τιμή των 0,228 ευρώ, αφού η Χίος είναι μη διασυνδεδεμένο νησί. Επίσης, πρέπει να αναφερθεί ότι η Χίος είναι από τις πιο ευνοημένες περιοχές της Ελλάδας, αφού ανήκει στις πιο ηλιόλουστες περιοχές. Για την περιοχή της Χίου, η συνολική ετήσια απόδοση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος με εγκατεστημένη ισχύ των 50 KW είναι περίπου στις KWh. Για να διεξάγουμε την τεχνική μελέτη για την εγκατάσταση του διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού σταθμού 50 KW χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα της RETScreen 4-1 International. Η διαστασιολόγηση έγινε βάσει συγκεκριμένων τύπων όπως παρουσιάζεται αναλυτικά στο κεφάλαιο 3. Σελίδα 2 από 92

11 2. ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΟΡΙΣΜΟΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ) 2.1 Ορισμός της ενέργειας Ενέργεια είναι το φυσικό μέγεθος που συνοδεύει απαραίτητα κάθε μεταβολή στο φυσικό μας κόσμο, από την πιο απλή, όπως το ρίξιμο μιας πέτρας, μέχρι τις πιο πολύπλοκες όπως τα διάφορα βιολογικά φαινόμενα. Εν τούτοις είναι ένα μέγεθος "άγνωστο" στις αισθήσεις μας σε σχέση με άλλα, με την έννοια ότι δεν το βλέπουμε, δεν μπορούμε να το πιάσουμε, να το ακούσουμε ή να το γευθούμε. Ένας από τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης είναι η αρχή διατήρησης της ενέργειας. Η αρχή διατήρησης της ενέργειας δηλώνει απλά ότι κατά τη διάρκεια μιας αλληλεπίδρασης η ενέργεια μπορεί να μεταβάλλεται από τη μια μορφή στην άλλη, αλλά το συνολικό της ποσό παραμένει σταθερό. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Την αντιλαμβανόμαστε κυρίως από τα αποτελέσματα που επιφέρει στα διάφορα σώματα καθώς αυτά μετέχουν σε διάφορα φυσικές ή χημικές διεργασίες είτε αυθόρμητα είτε με τεχνητά.. Αν και είναι δύσκολος ο ορισμός της μπορούμε να πούμε ότι ενέργεια είναι το φυσικό μέγεθος που προκαλεί τις διάφορες μεταβολές στον υλικό κόσμο. Η σύγχρονη τεχνολογία βασίζεται στο γεγονός πως η ενέργεια μπορεί να αλλάξει μορφή, όπως σε ένα ηλεκτρικό εργοστάσιο η χημική ενέργεια από την καύση του άνθρακα μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και ένα μέρος σε πλεονάζουσα θερμότητα. Διακρίνουμε πολλές μορφές ενέργειας όπως κινητική ενέργεια, δυναμική ενέργεια, χημική ενέργεια, ηλεκτρική ενέργεια, αιολική ενέργεια, πυρηνική ενέργεια και ενέργεια ακτινοβολίας. Κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που έχει ένα σώμα εξαιτίας της κίνησής του και αναφέρεται στην ικανότητά του να παράγει έργο. Η αιολική ενέργεια είναι ένα απτό παράδειγμα κινητικής ενέργειας. Εκμεταλλευόμαστε την κίνηση του αέρα για να λειτουργήσουμε μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά το ηλεκτρικό ρεύμα είναι επίσης μια μορφή κινητικής ενέργειας καθώς πρόκειται για την συνδυασμένη κίνηση ενός πολύ Σελίδα 3 από 92

12 μεγάλου αριθμού ηλεκτρονίων που διέρχονται από την διατομή ενός αγωγού ανά μονάδα χρόνου. Η θερμότητα είναι επίσης ένα παράδειγμα κινητικής ενέργειας. Στο θερμό αέρα τα μόρια κινούνται ταχύτατα και το άθροισμα των κινητικών ενεργειών των μορίων αποτελεί το θερμικό περιεχόμενο του αέρα. Τα φωτεινά κύματα αποτελούν επίσης μια μορφή κίνησης και το ίδιο ισχύει και για τα ηχητικά κύματα, που δεν είναι παρά ωστικά κύματα που διαχέονται στην ατμόσφαιρα. Η δυναμική ενέργεια είναι η ενέργεια που κατέχει ένα σώμα εξαιτίας της θέσης ή της κατάστασης στην οποία βρίσκεται. Χημική ενέργεια είναι η ενέργεια που οφείλεται στις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των ατόμων που σχηματίζουν τα μόρια των χημικών ενώσεων. Όταν καίμε βενζίνη, πυροδοτείται μια αλληλουχία χημικών αντιδράσεων και οι ενώσεις μετατρέπονται σε θερμότητα, δηλαδή κινητική ενέργεια στα μόρια. Αντίστοιχα, και η πυρηνική ενέργεια αποτελεί μια μορφή δυναμικής ενέργειας που εκλύεται κατά τις αντιδράσεις σχάσης ή σύντηξης των πυρήνων διαφόρων στοιχείων. 2.2 Πηγές Ενέργειας Πηγή ενέργειας ή ενεργειακή πηγή ονομάζουμε κάθε φυσικό πόρο που μπορεί να μας δώσει ενέργεια. Οι Πηγές Ενέργειας διακρίνονται ανάλογα με το αν έχουν δημιουργηθεί μόνες τους ή τις έχει παραγάγει τεχνητά ο άνθρωπος, σε αυτογενείς (πυρήνες ατόμων, ήλιος, γαιάνθρακες ή πετρέλαιο) και τεχνητές (ταμιευτήρες, ηλεκτρικοί συσσωρευτές) αντίστοιχα. Επίσης διακρίνονται σε πρωτογενείς πηγές που περιλαμβάνουν τη δυναμική ενέργεια των πυρήνων και δευτερογενείς που είναι όλες οι άλλες μορφές / πηγές ενέργειας. Όσον αφορά όμως τα αποθέματα ενέργειας (ενεργειακό δυναμικό), οι πηγές ενέργειας διακρίνονται σε συμβατικές ή μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι αυτογενείς ή πρωταρχικές πηγές ενέργειας είναι αποθηκευμένες ή υπάρχουν στη φύση. Ο ήλιος είναι η πρωταρχική και η βασική πηγή ενέργειας της γης. Η ενέργειά του είναι αποθηκευμένη και σε άλλες πρωταρχικές πηγές, όπως στο κάρβουνο, στο πετρέλαιο, στο φυσικό αέριο στη βιομάζα και προκαλεί τον υδρολογικό κύκλο και Σελίδα 4 από 92

13 την ενέργεια του ανέμου. Άλλες πρωταρχικές πηγές ενέργειας που υπάρχουν στη γη είναι η πυρηνική ενέργεια των ραδιενεργών στοιχείων, η θερμική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο εσωτερικό της γης και βέβαια η δυναμική ενέργεια. Για να είναι χρήσιμη μια πηγή ενέργειας είναι αναγκαίες ορισμένες προϋποθέσεις: Η ενέργεια αυτή να είναι άφθονη και η πρόσβαση στην ενεργειακή πηγή εύκολη Να μετατρέπεται χωρίς δυσκολία σε μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα σύγχρονα μηχανήματα Να μεταφέρεται εύκολα Να αποθηκεύεται εύκολα Μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Μη Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας είναι κυρίως τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, και άνθρακας) που αποτελούν, μαζί με τα προϊόντα τους (π.χ. βενζίνη, υγραέριο κλπ.), από το τέλος του 19 ου αιώνα και όλο τον 20 ο αιώνα την κύρια πηγή ενέργειας του ανθρώπου και δυστυχώς την πιο ρυπογόνα. Τα αποθέματα των πηγών αυτών εξαντλούνται με τη χρήση και δεν υπάρχει η δυνατότητα ανανέωσης τους μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα. Το πετρέλαιο, οι γαιάνθρακες (κάρβουνο) και το φυσικό αέριο είναι ορυκτά καύσιμα, που προέρχονται από την αποσύνθεση φυτικής και ζωικής ύλης και χρειάσθηκαν εκατομμύρια χρόνια για να δημιουργηθούν. Όταν εξαντληθούν τα κοιτάσματά τους η ανθρωπότητα θα βρεθεί σε δύσκολη θέση γιατί το μεγαλύτερο μέρος της σημερινής κατανάλωσης ενέργειας προέρχεται από αυτά, και συνεπώς θα πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί με την χρήση τους. Η καύση των ορυκτών καυσίμων προκαλεί έντονα περιβαλλοντικά προβλήματα αέριας κυρίως ρύπανσης, ενώ το παραγόμενο διοξείδιο του άνθρακα έχει συμβάλλει στην αύξηση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Όμως αναπτύσσονται συνεχώς νέες τεχνολογίες καύσης, πιο αποδοτικές, με μικρότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, ενώ βελτιώνονται και οι τεχνολογίες καθαρισμού των καυσαερίων Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.) Εξ ορισμού ανανεώσιμη πηγή ενέργειας σημαίνει ανεξάντλητη πηγή ενέργειας σε αντίθεση με το σύνολο των συμβατικών καυσίμων, των οποίων τα βεβαιωμένα Σελίδα 5 από 92

14 αποθέματα του πλανήτη μας αναμένεται να εξαντληθούν σε σύντομο χρονικό διάστημα. [1] Τέτοιες είναι ο ήλιος (ηλιακή ενέργεια), ο άνεμος (αιολική ενέργεια), η βιομάζα (φυτά, απορρίμματα, αγροτικά παραπροϊόντα), το κινούμενο νερό (υδραυλική ενέργεια), οι ενέργειες της θάλασσας (κύματα, παλίρροια, θερμοκρασιακή διαφορά) και η γεωθερμία (γεωθερμική ενέργεια). Η χρήση και η εφαρμογή τους από τον άνθρωπο αναμφισβήτητα έχει και θετικά αλλά και αρνητικά αποτελέσματα. Στα θετικά μπορούμε να αναφέρουμε: Ότι αποτελούν μια καθαρή μορφή ενέργειας, ήπια προς το περιβάλλον Η χρήση τους δεν επιβαρύνει τα οικοσυστήματα των περιοχών εγκατάστασης Αντικαθιστά ρυπογόνους πηγές ενέργειας, όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο και την πυρηνική ενέργεια. Τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα των περισσοτέρων ανεπτυγμένων χωρών καθιστούν τις Α.Π.Ε. ιδιαίτερα ελκυστικές σε σχέση με την προστασία του περιβάλλοντος. Αποδίδονται όμως και μειονεκτήματα στις Α.Π.Ε. όπως: η χαμηλή ροή αξιοποιήσιμης κινητικής ενέργειας του ανέμου, στην περίπτωση της αιολικής ενέργειας. η αδυναμία ακριβούς πρόβλεψης της κατάστασης της ατμόσφαιρας, της ακτινοβολίας, καθώς και της ταχύτητας και της διεύθυνσης των ανέμων. Το γεγονός αυτό μας υποχρεώνει να χρησιμοποιούμε τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας κυρίως σαν εφεδρικές πηγές ενέργειας σε συνδυασμό πάντοτε με κάποια άλλη πηγή ενέργειας. η απαίτηση εκπλήρωσης συγκεκριμένων τεχνικών προδιαγραφών στην περίπτωση διασύνδεσης με το ηλεκτρικό δίκτυο γεγονός που καθιστά απαραίτητη την τοποθέτηση αυτοματισμών ελέγχου, μηχανημάτων ρυθμίσεως τάσεως και συχνότητας, καθώς και ελέγχου της άεργης ισχύος. η ανάγκη ύπαρξης συστημάτων αποθήκευσης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας σε περιπτώσεις αυτόνομων μονάδων σε μια προσπάθεια να έχουμε συγχρονισμό της ζήτησης και της διαθέσιμης ενέργειας. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται αυξημένο αρχικό κόστος (λόγω της προσθήκης του συστήματος Σελίδα 6 από 92

15 αποθήκευσης ενέργειας) και βέβαια επιπλέον απώλειες ενέργειας κατά τις φάσεις μετατροπής και αποθήκευσης καθώς και αυξημένες υποχρεώσεις συντήρησης και εξασφάλισης της ομαλής λειτουργίας. το υψηλό κόστος της αρχικής επένδυσης για την εγκατάσταση μιας μονάδας παραγωγής ενέργειας από Α.Π.Ε. Βέβαια τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια συμπίεση των τιμών λόγω του ανταγωνισμού των εταιριών αλλά και της συνεχούς εξέλιξης της τεχνολογίας. Εξάλλου δεν πρέπει να μας διαφεύγει η ποικιλομορφία των εφαρμογών των Α.Π.Ε. Οι περιφερειακές καιρικές αλλά και γεωπολιτικές διακυμάνσεις που παρατηρούνται από περιοχή σε περιοχή «τείνουν να διαφοροποιούν γεωγραφικά τις δυνατότητες των Α.Π.Ε. Έτσι για παράδειγμα η ηλιακή ενέργεια ποικίλλει σημαντικά όσον αφορά την τιμή της ετήσιας μέσης ηλιακής ακτινοβολίας. Σε τροπικές περιοχές, η τιμή της είναι 3 φορές μεγαλύτερη από εκείνης των εύκρατων περιοχών. 2.3 Ηλιακή Ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια προέρχεται από την ενέργεια της ακτινοβολίας του ήλιου και μπορεί να αξιοποιηθεί μέσω των ενεργητικών ηλιακών συστημάτων (για θέρμανση νερού), των παθητικών ηλιακών συστημάτων (για φυσική θέρμανση και δροσισμό), των ηλιοθερμικών συστημάτων καθώς και των φωτοβολταϊκών συστημάτων (για παραγωγή ηλεκτρισμού). Κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών έχει αρχίσει μια πιο αποδοτική χρησιμοποίηση της ηλιακής ενέργειας και αυτή η διαδικασία αναμένεται να συνεχιστεί και να επιταχυνθεί. Η ηλιακή ενέργεια είναι πρακτικά μια ανεξάντλητη ενεργειακή πηγή και αυτό είναι το βασικό πλεονέκτημά της. Ταυτόχρονα δεν ρυπαίνει και δεν απαιτεί δύσκολες και δαπανηρές εγκαταστάσεις για την χρήση της, τουλάχιστον για τις απλές εφαρμογές. Το βασικό μειονέκτημα είναι ότι ο η ακτινοβολία του ήλιου δεν φθάνει στη Γη καθόλη την διάρκεια του εικοσιτετραώρου και η απαίτηση για ενέργεια θέρμανσης και φωτισμού είναι ιδιαίτερα επιτακτική ακριβώς τις ώρες που έχουμε σκοτάδι και κρύο. Σελίδα 7 από 92

16 Η ηλιακή ενέργεια είναι μια ασθενής ενεργειακή πηγή, με μικρή πυκνότητα στον χρόνο και στον χώρο. Όλη η επιφάνεια της Γης δέχεται 5.6x1018 MJ ηλιακής ακτινοβολίας κάθε χρόνο [16], αλλά για να μπορέσουμε να την αξιοποιήσουμε θα πρέπει να εξασφαλίσουμε την συλλογή της για μακρύ χρονικό διάστημα κατά την διάρκεια της ημέρας, ενώ αυτό απαιτεί και μεγάλες επιφάνειες. Για τις απαιτήσεις της σύγχρονης βιομηχανικής κοινωνίας θα πρέπει αυτή η ηλιακή ενέργεια να συγκεντρωθεί με ειδικά συστήματα ώστε να γίνει ανταγωνιστική σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα. Με ελαφριές κατασκευές μπορούμε να θερμάνουμε με ηλιακή ενέργεια τα σπίτια μας και το ζεστό νερό χρήσης, αυτό όμως παρόλο που βοηθάει για να μειωθεί η κατανάλωση των συμβατικών καυσίμων, δεν είναι αρκετό για να τα υποκαταστήσει πλήρως στις καθημερινές μας ανάγκες. Η πλέον αξιόλογη χρήση της ηλιακής ενέργειας είναι με την μετατροπή της σε άλλη μορφή ενέργειας και μάλιστα η απευθείας μετατροπή σε ηλεκτρισμό με την βοήθεια φωτοβολταϊκών κυττάρων Ο Ήλιος O Ήλιος συνίσταται από διάπυρα αέρια που αποτελούν την ύλη του και που βρίσκεται διατεταγμένη σε ομόκεντρες περιοχές των οποίων η πυκνότητα ελαττώνεται από του κέντρου προς την επιφάνειά του. Οι περιοχές αυτές είναι ο πυρήνας, η ζώνη ακτινοβολίας, η ζώνη μεταφοράς, η φωτόσφαιρα και η ατμόσφαιρα (που περιλαμβάνει την χρωμόσφαιρα και το στέμμα). Πυρήνας Ηλίου O πυρήνας βρίσκεται στο κέντρο της ηλιακής σφαίρας και έχει διάμετρο περίπου χλμ. (0,25 ηλιακές ακτίνες). Υπολογίζεται ότι στη περιοχή του κέντρου του η πυκνότητα της ηλιακής ύλης είναι 70 φορές μεγαλύτερη του ύδατος ενώ η πίεση φθάνει τις 2 Χ ατμόσφαιρες (atm). Κάτω από τέτοιες συνθήκες και με θερμοκρασία 14 Χ 10 6 βαθμούς, τα άτομα των στοιχείων βρίσκονται σε ιονισμένη κατάσταση και τόσο συμπιεσμένα, ώστε η ύλη του ηλιακού πυρήνα αν και αεριώδης είναι περισσότερο συνεκτική και από τα στερεά. Φυσικό επόμενο λοιπόν και η ακτινοβολία των εσωτερικών στρωμάτων του πυρήνα να προκαλεί πίεση στα υπερκείμενα στρώματα. Σελίδα 8 από 92

17 Φωτόσφαιρα Πάνω ακριβώς από τον ηλιακό πυρήνα υπάρχει στοιβάδα πάχους 400 χλμ. (km) η οποία και φθάνει μέχρι την επιφάνεια. Η στοιβάδα αυτή της Ηλιακής σφαίρας από την οποία και προέρχεται όλη η ακτινοβολούμενη ηλιακή ενέργεια, δηλαδή η θερμότητα και το φως ονομάσθηκαν φωτόσφαιρα. Συνεπώς ο παρατηρούμενος κάθε φορά δίσκος του Ηλίου αντιστοιχεί στη φωτόσφαιρα. Ατμόσφαιρα Ηλίου Πάνω από την φωτόσφαιρα εξακριβώνεται ότι υπάρχει ηλιακή ύλη και μάλιστα σε στρώμα μεγάλου πάχους. Αυτό ονομάζεται ηλιακή ατμόσφαιρα ή ατμόσφαιρα Ηλίου. Η Ατμόσφαιρα του Ηλίου δεν είναι ορατή, διότι η θερμοκρασία της και κατ επέκταση η λαμπρότητά της είναι μικρότερη από της φωτόσφαιρας, και τόσο που να αποκρύπτεται από το έντονο διάχυτο φως της ημέρας, όπως ακριβώς αποκρύπτονται και οι αστέρες. Γίνεται όμως ορατή στις ολικές εκλείψεις του Ηλίου ως λαμπρός φωτοστέφανος που περιβάλλει τον δίσκο του Ηλίου. Η Ηλιακή ατμόσφαιρα διακρίνεται σε δύο επιμέρους στοιβάδες. Η πρώτη εξ αυτών που βρίσκεται αμέσως πάνω από την φωτόσφαιρα καλείται χρωμόσφαιρα. Το ύψος της φθάνει περί τα χλμ. (km), η δε θερμοκρασία της ανέρχεται στους Κ. Παρουσιάζει έντονο ρόδινο χρώμα, εξ ου και έλαβε το όνομα χρωμόσφαιρα. Πάνω από την χρωμόσφαιρα βρίσκεται το στέμμα ή ηλιακό στέμμα ή στέμμα Ηλίου του οποίου τα όρια φθάνουν σε απόσταση πέντε ηλιακών ακτινών. Η θερμοκρασία του στέμματος ανέρχεται περίπου στους 1,5 Χ 10 6 βαθμούς. Το ηλιακό φάσμα εμφανίζεται με τα χαρακτηριστικά ενός σώματος που έχει θερμοκρασία 5530 βαθμών Κελσίου ενώ το τμήμα του φάσματος που είναι ορατό στο ανθρώπινο μάτι αποτελείται από το συνεχές των χρωμάτων μοβ - μπλε - πράσινο - κίτρινο - κόκκινο, με εύρος μήκους κύματος από ( ) nm (1nm = 10-9 cm) και ονομάζεται λευκό φως. Ο ήλιος εκπέμπει ακτινοβολία σε μικρότερα (υπεριώδεις ακτίνες-χ) και μεγαλύτερα (υπέρυθρες) μήκη κύματος. Προσεκτική εξέταση του ηλιακού φάσματος αποκαλύπτει ότι υπάρχουν στενές, σκοτεινές περιοχές όπου η ένταση του ηλιακού φωτός υφίσταται σημαντική μείωση. Σελίδα 9 από 92

18 Αυτές ονομάζονται φασματικές γραμμές και σχετίζονται με μεταπηδήσεις ηλεκτρονίων σε άτομα που υπάρχουν μέσα στην ηλιακή ατμόσφαιρα. Το ηλιακό φως καθώς διαπερνάει την ατμόσφαιρα, απορροφάται και διαχέεται επιλεκτικά μακριά από την γραμμή οράσεως σε αυτά μήκη κύματος, πράγμα που οδηγεί σε μειωμένες εντάσεις στο υπόλοιπο (καθαρό) φάσμα που εξέρχεται. Σχήμα 2.1:Φάσμα εκπομπής Ωστόσο υπάρχει και ένας άλλος τρόπος με τον οποίο τα στοιχεία σχηματίζουν φάσμα. Υποθέτουμε ότι αντί για ένα θερμό δείγμα κάποιου στοιχείου, εξετάζουμε το στοιχείο σε δροσερή αέρια μορφή. Αν ενεργοποιήσουμε μια πηγή λευκού φωτός που περιέχει όλα τα ορατά μήκη κύματος να φωτίζει πίσω από το αέριο, καθώς τα φωτόνια της φωτεινής πηγής διέρχονται μέσα από το αέριο, μερικά από αυτά θα συγκρουστούν με τα άτομα υπό την προϋπόθεση οτι θα έχουν ακριβώς τη σωστή συχνότητα για να ανυψώσουν ένα ηλεκτρόνιο αυτού του στοιχείου σε υψηλότερο ενεργειακά επίπεδο. Έτσι, τα φωτόνια αυτών των συγκεκριμένων συχνοτήτων απορροφώνται από το αέριο. Τα άτομα του αερίου είναι «διαφανή» στα φωτόνια των άλλων συχνοτήτων κι έτσι όλες οι άλλες συχνότητες θα περάσουν φυσιολογικά. Τέλος, το φάσμα του φωτός που πέρασε μέσα από το αέριο, θα έχει μερικά κενά, στις συχνότητες που απορροφήθηκαν. Το φάσμα με τις συχνότητες που λείπουν ονομάζεται φάσμα απορρόφησης. Σημειώνεται ότι οι σκοτεινές γραμμές του φάσματος απορρόφησης εμφανίζονται ακριβώς στις ίδιες συχνότητες όπως οι φωτεινές γραμμές στο αντίστοιχο φάσμα εκπομπής. Με πολύ προσεκτική παρατήρηση το «συνεχές» φάσμα του ηλιακού φωτός αποδεικνύεται ότι είναι φάσμα απορρόφησης. Προκειμένου να φθάσει στη γη, το ηλιακό φως θα περάσει μέσα από την ατμόσφαιρα του ήλιου, η οποία έχει σημαντικά χαμηλότερη όπως αναφέραμε θερμοκρασία σε σχέση με το μέρος του ήλιου από όπου εκπέμπεται το φως. Τα αέρια της ηλιακής ατμόσφαιρας Σελίδα 10 από 92

19 απορροφούν ορισμένες συχνότητες κι έτσι προκύπτουν περισσότερες από 600 σκοτεινές γραμμές, όπως παρατήρησε ο Fraunhofer. Σχήμα 2.2:Φάσμα απορρόφησης Καθώς κάθε χημικό είδος χαρακτηρίζεται από ένα διαφορετικό σύνολο επιτρεπόμενων ηλεκτρονικών μεταπηδήσεων, ο προσδιορισμός των φασματικών γραμμών απορρόφησης στο ηλιακό φάσμα επιτρέπει τον καθορισμό της χημικής σύστασης της ατμόσφαιρας του ήλιου. Η ακτινοβολία από τον ήλιο εκπέμπεται με μια ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός δηλαδή χιλιόμετρα ανά ώρα. Με αυτή την ταχύτητα χρειάζονται περίπου 8 λεπτά της ώρας για να φθάσει η ηλιακή ακτινοβολία στην Γη που είδαμε ότι απέχει 149,600,000 km Ηλιακή Ακτινοβολία Η ποσότητα ηλιακής ενέργειας που φθάνει σε κάποιο μέρος στην επιφάνεια της Γης κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή ονομάζεται ηλιακή ακτινοβολία και η τιμή της εξαρτάται από ορισμένους παράγοντες. Αν ο ήλιος βρίσκεται κατευθείαν πάνω μας και ο ουρανός είναι καθαρός, η ακτινοβολία σε μια οριζόντια επιφάνεια είναι περίπου 1000 W/m2. Αυτή είναι περίπου η υψηλότερη τιμή που μπορεί να έχει η ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης, χωρίς τη χρησιμοποίηση συγκεντρωτικών φακών ή καθρεπτών. Η ακτινοβολία αυτή υφίσταται μια μείωση από την διαδρομή της μέσα στην ατμόσφαιρα καθώς μέρος της απορροφάται από τα διάφορα στρώματα της ατμόσφαιρας. Στην περίπτωση που υπάρχουν σύννεφα αυτά ανακλούν μέρος αυτής της ενέργειας προς το διάστημα ενώ ένα άλλο μέρος της διαχέεται προς την επιφάνεια της Γης. Η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στη Γη είναι συνεπώς αποτέλεσμα των Σελίδα 11 από 92

20 εξής συνιστωσών: αυτής που προέρχεται κατευθείαν από τον ήλιο και ονομάζεται άμεση ηλιακή ακτινοβολία και αυτής που προέρχεται από τα σύννεφα και την ατμόσφαιρα και ονομάζεται διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία. Όταν γύρω μας υπάρχουν λόφοι, κτήρια κλπ. που αντανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία, υπάρχει και μια τρίτη ποσότητα ενέργειας που ονομάζεται ανακλώμενη από το έδαφος ηλιακή ακτινοβολία. Η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της μια φορά κάθε 24 ώρες και γυρίζει σε μια ελλειπτική τροχιά γύρω από τον ήλιο μια φορά κάθε 365 μέρες (περίπου). Ο άξονας περιστροφής της Γης έχει μια κλίση περίπου 23.5 μοίρες από την κατακόρυφο, προς τον ήλιο στην μια άκρη της τροχιάς της και μακριά από αυτόν στην άλλη άκρη. Κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, λόγω ακριβώς της κλίσεως του άξονα περιστροφής της Γης, ο ήλιος ακολουθεί μια διαδρομή ψηλά στον ουρανό μεταξύ Ανατολής και Δύσης. Τον χειμώνα η διαδρομή του ήλιου είναι σε χαμηλότερο επίπεδο. Αυτό έχει μεγάλη σημασία για την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας στις διάφορες εποχές και το εκμεταλλευόμαστε στον σχεδιασμό των κτιρίων, των θερμοκηπίων, την κλίση των ηλιακών συλλεκτών κλπ. Μια επιφάνεια που είναι κάθετη στην διεύθυνση των ακτινών του ήλιου δέχεται περισσότερη ακτινοβολία από μια άλλη που βρίσκεται σε κλίση Μέτρηση Ηλιακής Ακτινοβολίας Για την πληρέστερη κατανόηση του φαινομένου της ηλιακής ακτινοβολίας είναι αναγκαίο να αναφερθούν επιγραμματικά οι ορισμοί που αφορούν το φαινόμενο αυτό. Άμεση ηλιακή ακτινοβολία (beam solar radiation): Ορίζουμε την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της Γης με ελάχιστη ή χωρίς σκέδαση στην ατμόσφαιρα [3]. Η άμεση ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε μία επιφάνεια εξαρτάται από: Την απορρόφηση και διάχυση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα Το ύψος του ήλιου Το γεωγραφικό πλάτος του τόπου Το υψόμετρο του τόπου Την κλίση της επιφάνειας Σελίδα 12 από 92

21 Την απόσταση ήλιου Γης Την απόκλιση του ήλιου Διάχυτη ακτινοβολία (diffuse solar radiation): Ορίζουμε την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της Γης αφού έχει αλλάξει η διεύθυνσή της από ανάκλαση ή σκέδαση στην ατμόσφαιρα, και από ανάκλαση στην επιφάνεια της Γης. Η διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία εξαρτάται από: Το ύψος του ήλιου Το υψόμετρο του τόπου To συντελεστή ανάκλασης της επιφάνειας του εδάφους Το ποσό και το είδος των νεφών Το ποσό και το είδος των σωματιδίων και των αερίων της ατμόσφαιρας Ολική ακτινοβολία (total solar radiation): Ορίζουμε το άθροισμα της άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Ένταση ακτινοβολίας (irradiance): Ορίζεται ως ο ρυθμός πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας σε κάποια επιφάνεια ανά μονάδα (W/m²). Η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας η οποία είναι διαθέσιμη σε έναν τόπο κάποια χρονική στιγμή εξαρτάται κυρίως από την γεωμετρία της θέσης του τόπου σχετικά με τον ήλιο, όπως επίσης και από ατμοσφαιρικούς παράγοντες που έχουν σαν αποτέλεσμα την εξασθένιση της ηλιακής ακτινοβολίας πριν αυτή φτάσει στο έδαφος (π.χ. σύννεφα, αιωρήματα, αέρια και συστατικά). Η γεωμετρία καθορίζει ουσιαστικά την γωνία με την οποία οι ηλιακές ακτίνες διαπερνούν την ατμόσφαιρα και φτάνουν στο έδαφος. Η γη περιστρέφεται μια φορά την ημέρα γύρω απ τον άξονα της, ο οποίος περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο διατηρώντας μια σταθερή γωνία, 23,45. Αυτή η γωνία είναι υπεύθυνη για το ότι ο ήλιος φαίνεται ψηλότερα στον ουρανό το καλοκαίρι απ ότι το χειμώνα. Επίσης εξαιτίας της γωνίας αυτής είναι μεγαλύτερη η διάρκεια της ημέρας το καλοκαίρι. Σελίδα 13 από 92

22 Σχήμα 2.3: Η τροχιά της γης γύρω από τον ήλιο Στην περιοχή όπου θα γίνει μέτρηση, πρέπει να οριστεί η θέση του ήλιου χρησιμοποιώντας δυο γωνίες που αναφέρονται η μία στο οριζόντιο και η άλλη στο κάθετο επίπεδο. Σχήμα 2.4: Θέση του ήλιου σε σχέση με κάποιο σημείο στη γη Σελίδα 14 από 92

23 Σχήμα 2.5: Θέση επιφάνειας και γωνία πρόσπτωσης των ακτινών Η ηλιακή γωνία ζενίθ είναι η γωνία μεταξύ του κάθετου άξονα και της κατεύθυνσης της ακτινοβολίας του ηλίου. Και η γωνία ηλιακού αζιμούθιου είναι αυτή μεταξύ της νότιας διεύθυνσης και της προβολής της ακτινοβολίας του ήλιου στο οριζόντιο επίπεδο. Η συμπληρωματική γωνία της γωνίας ζενίθ ονομάζεται ηλιακό ύψος. 2.4 Αρχές παραγωγής Φ/Β ενέργειας Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το πυρίτιο έχει ατομικό αριθμό 14 και έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 4 ηλεκτρόνια. Τα άτομα με λιγότερα ή περισσότερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα, ψάχνουν άλλα άτομα, με σκοπό να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια για να αποκτήσουν συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα σθένους. Ο λόγος που το πυρίτιο έχει κρυσταλλική δομή είναι η συνύπαρξη πολλών ατόμων μαζί, με σκοπό να συνεισφέρουν ηλεκτρόνια στα γειτονικά άτομα για να αποκτήσουν συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα. Όταν το πυρίτιο βρίσκεται στη κρυσταλλική μορφή του είναι σταθερό, αφού δεν έχει ανάγκη ούτε να αυξήσει ούτε να μειώσει τα ηλεκτρόνια του, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρικά του χαρακτηριστικά να είναι όμοια με αυτά ενός μονωτή. Τις ημιαγωγές ιδιότητες του το πυρίτιο τις αποκτά με την πρόσμειξη του με άλλα στοιχεία με μεγαλύτερη ή μικρότερη σε αριθμό στοιβάδα σθένους. Η πρόσμειξη αυτή έχει ως αποτέλεσμα ο κρύσταλλος να είναι δεκτικός είτε σε θετικά φορτία (τύπου p) είτε σε αρνητικά (τύπου n). Όταν δύο κομμάτια πυριτίου τύπου n και τύπου p έρθουν σε επαφή, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο στην επαφή των δύο υλικών το οποίο επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων προς μόνο μια κατεύθυνση. Η έλξη που πραγματοποιείται από τα ηλεκτρόνια της επαφής n με τις «οπές» της επαφής p αποτελεί το δομικό στοιχείο των φωτοβολταϊκών κελιών και τη βάση της φωτοβολταϊκής ακτινοβολίας. Σελίδα 15 από 92

24 Σχήμα 2.5: Δημιουργία φωτοβολταϊκού στοιχείου Σήμερα το πυρίτιο, λόγο των ιδιοτήτων του, αποτελεί τη βασική πρώτη ύλη για την παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων που χρησιμοποιούν το ηλιακό φως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 2.6: «Φωτοβολταϊκό φαινόμενο» Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες που αποτελούνται από υλικό: 1. Κρυσταλλικού Πυριτίου a) Μονοκρυσταλλικού πυριτίου, με ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 14,5% έως 21% b) Πολυκρυσταλλικού πυριτίου, με ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 13% έως 14,5% 2. Λεπτών Μεμβρανών a) Άμορφο Πυριτίου, ονομαστικής απόδοσης ~7% Σελίδα 16 από 92

25 b) Χαλκοπυριτών CIS / CIGS, ονομαστικής απόδοσης από 7% έως 11% Το πυρίτιο (Si) αποτελεί τη βάση για το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής φωτοβολταϊκών συστημάτων. Η κυριαρχία αυτή οφείλεται στην παγκόσμια επιστημονική και τεχνική υποδομή για το υλικό αυτό από τη δεκαετία του 60. Η επιστημονική γνώση που προέκυψε για το πυρίτιο, τα χαρακτηριστικά του και η αφθονία του στη γη, το κατέστησαν κυρίαρχο υλικό για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Μειονέκτημα των λεπτών πλαισίων αποτελεί η χαμηλότερη ως τώρα απόδοσή τους, η οποία περιορίζεται στο 5-10%, ανάλογα με το υλικό. Πάντως η τεχνολογία λεπτού στρώματος (thin film) βρίσκεται σε φάση ανάπτυξης, αφού με διάφορες μεθόδους επεξεργασίας και χρήση διαφορετικών υλικών αναμένεται αύξηση της απόδοσης, σταθεροποίηση των χαρακτηριστικών τους και αύξηση της διείσδυσης στην αγορά. Σήμερα η τιμή τους αποτελεί την πιο φθηνή στην αγορά. Μειονέκτημα αποτελεί, όπως αναφέρθηκε η χαμηλή απόδοση τους, με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγαλύτερη επιφάνεια για μία εγκατάσταση Αρχή λειτουργίας φωτοβολταϊκών συστημάτων Η ηλιακή ακτινοβολία φθάνει στη Γη με τη μορφή διακριτών πακέτων ενέργειας ή φωτονίων. Τα φωτόνια όταν προσπίπτουν σε μια διάταξη φωτοβολταϊκού κελιού περνούν την επαφή τύπου n και χτυπούν τα άτομα της περιοχής τύπου p. Τα ηλεκτρόνια της περιοχής τύπου p αρχίζουν και κινούνται μεταξύ των οπών ώσπου να φτάσουν στην περιοχή της διόδου. Στο σημείο αυτό έλκονται πλέον από το θετικό πεδίο της εκεί περιοχής, με αποτέλεσμα να υπερπηδήσουν το ενεργειακό χάσμα και να είναι αδύνατον να επιστρέψουν. Αποτέλεσμα της όλης διαδικασίας είναι η επαφή n να έχει πλέον περίσσεια ηλεκτρονίων η οποία με κατάλληλο προσανατολισμό μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρικό ρεύμα. Για να συμβεί αυτό πρέπει να τοποθετηθεί μία διάταξη (π.χ. ένας μεταλλικός αγωγός) στο πάνω μέρος της επαφής n και στο κάτω μέρος της επαφής p, καθώς και ένα φορτίο ενδιάμεσα ώστε να κλείσει ο αγώγιμος δρόμος για το φορτίο που παράγεται. Σελίδα 17 από 92

26 Σχήμα 2.7: «Φωτοβολταϊκό φαινόμενο» Το κάθε ημιαγωγό υλικό αποκρίνεται σε διαφορετικά μήκη κύματος της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια του, με αποτέλεσμα κάποια υλικά να έχουν ευρύτερα φάσματα ακτινοβολίας, από κάποια άλλα.. Σχήμα 2.8: Ηλιακό Φάσμα Σελίδα 18 από 92

27 Ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Περιοχή του φάσματος Περιοχή συχνοτήτων Ενέργεια φωτονίων Ραδιοκύματα MHz ev Μικροκύματα 300 MHz- 300 GHz ev Υπέρυθρη ακτινοβολία 300 GHz THz ,6 ev Ορατή ακτινοβολία THz 1,6-3,2 ev Υπεριώδης ακτινοβολία 800 THz Hz 3eV ev Ακτίνες Χ Hz Hz 1200 ev - 2, ev Ακτίνες γ Hz Hz 10 5eV eV Κοσμικές ακτίνες Hz eV - Ο συντελεστής απόδοσης του υλικού συμβολίζει το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται σε σχέση με την προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια. Οι βασικοί παράγοντες για την απόδοση ενός υλικού είναι το ενεργειακό χάσμα του υλικού και ο συντελεστής μετατροπής Απόδοση Φ/Β στοιχείων Το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει ένα Φ/Β στοιχείο είναι το 25% της ενέργειας που δέχεται, όμως συνήθως το ποσοστό είναι λιγότερο από 15%. Το παραπάνω συμβαίνει διότι το ηλιακό φως που πέφτει στο στοιχείο μεταφέρει διαφορετικά επίπεδα ενέργειας και κάποια από αυτά δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να μπορέσουν να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια. Η συνήθης ηλεκτρική τάση που εμφανίζουν τα Φ/Β στοιχεία είναι 0,5 με 0,6 V συνεχούς ρεύματος σε ανοικτό κύκλωμα. Η ισχύς που παράγεται εξαρτάται από τον βαθμό απόδοσης, το μέγεθος της επιφάνειας του στοιχείου και την ένταση του ηλιακού φωτός που προσπίπτει στην παραπάνω επιφάνεια. Για ένα τυπικό Φ/Β Σελίδα 19 από 92

28 στοιχείο επιφάνειας 160 cm 2, υπό συνθήκες πλήρους και μέγιστης έντασης ηλιοφάνειας, η αναμενόμενη ισχύς αγγίζει τα 2 Wp. Για να αυξηθεί η συνολική παραγόμενη ισχύς τα Φ/Β στοιχεία ενώνονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν Φ/Β πλαίσια (modules) και τα πλαίσια με τη σειρά τους ενώνονται για τη δημιουργία Φ/Β συστοιχιών (arrays). Σχήμα 2.9: Φωτοβολταϊκές συστοιχίες Το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα, με την μετατροπή του από συνεχές σε εναλλασσόμενο (μέσω inverter), μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε οποιαδήποτε συσκευή. Εναλλακτικά η παραγόμενη ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί σε μπαταρίες ή να διοχετευθεί στο δίκτυο διανομής ρεύματος. Ανάλογα με τον τρόπο διάθεσης του παραγόμενου ρεύματος επομένως τα Φ/Β συστήματα διακρίνονται σε αυτόνομα (off grid systems) και σε διασυνδεδεμένα (on grid systems) αντίστοιχα. Σελίδα 20 από 92

29 3. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 3.1 Κατηγορίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Το υλικό που χρησιμοποιείται κατά κόρον στη βιομηχανία κατασκευής φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι το πυρίτιο. Οι κυριότεροι λόγοι που οδηγούν στην επιλογή του και του δίνουν πλεονέκτημα έναντι άλλων υλικών συνοψίζονται παρακάτω: Υπάρχει σε αφθονία στη φύση, πιο συγκεκριμένα είναι το δεύτερο στοιχείο σε ποσότητα μετά το οξυγόνο. Επίσης η εύρεση του είναι ιδιαίτερα εύκολη υπόθεση και για να γίνει κατανοητό αυτό, αρκεί να αναλογιστεί κανείς ότι το οξείδιο του πυριτίου (άμμος) και ο χαλαζίτης αποτελούν το 28% του φλοιού της γης. Επιπλέον χαρακτηρίζεται ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Μορφοποιείται και επεξεργάζεται με αρκετά εύκολο τρόπο, πράγμα στο οποίο συντελεί η διαδικασία της καύσης του. Έπειτα από απλή επεξεργασία επέρχεται στη μονοκρυσταλλική μορφή. Είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό σε αντίξοες περιβαλλοντικές συνθήκες, πράγμα που αποδεικνύεται από τη διατήρηση των ηλεκτρικών του ιδιοτήτων μέχρι θερμοκρασίες 125 C Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Single Crystalline Silicon, sc-si) Το πάχος τους είναι γύρω στα 3 mm. Η απόδοση τους στην βιομηχανία κυμαίνεται από 15-18% για το πλαίσιο. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7%. Το μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέση απόδοσης/επιφάνειας ή "ενεργειακής πυκνότητας". Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι το υψηλό κόστος κατασκευής σε σχέση με τα πολυκρυσταλλικά. Βασικές τεχνολογίες παραγωγής μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών είναι η μέθοδος CZ (Czochralski) και η μέθοδος FZ (float zone). Αμφότερες βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου. Σελίδα 21 από 92

30 Το μονοκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό με την υψηλότερη απόδοση στο εμπόριο σήμερα, είναι της SunPower με απόδοση πλαισίου 18,5%. Είναι μάλιστα το μοναδικό που έχει τις μεταλλικές επαφές στο πίσω μέρος του πάνελ αποκομίζοντας έτσι μεγαλύτερη επιφάνεια αλληλεπίδρασης με την ηλιακή ακτινοβολία. Σχήμα 3.1: Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο Φωτοβολταϊκά κελιά πολυκρυσταλλικού πυριτίου (MultiCrystalline Silicon, mc-si) Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3 χιλιοστά. Η μέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από αυτήν των μονοκρυσταλλικών γι' αυτό και η τιμή τους είναι συνήθως λίγο χαμηλότερη. Βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι: η μέθοδος απ' ευθείας στερεοποίησης DS (directional solidification), η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου ("χύτευση"), και η ηλεκτρομαγνητική χύτευση EMC. Οπτικά μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση οι μονοκρυσταλλικές περιοχές τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κελιά. Σε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ στο εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13 έως και 15% για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (πάνελ). Σελίδα 22 από 92

31 Σχήμα 3.2: Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Πρόκειται για μια σχετικά νέα τεχνολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων. Προσφέρει έως και 50% μείωση στην χρήση του πυριτίου σε σχέση με τις "παραδοσιακές τεχνικές" κατασκευής μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών κυψελών πυριτίου. Η απόδοση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία του έχει φτάσει πλέον γύρω στο 12-13% ενώ το πάχος του είναι περίπου 0,3 χιλιοστά. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις της τάξης του 18%. Σχήμα 3.3: Ταινία πυριτίου Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CuInSe2 ή CIS, με προσθήκη γάλλιου CIGS) Ο Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτων φως αλλά παρόλα αυτά η απόδοση του με τις σύγχρονες τεχνικές κυμαίνεται στο 11% (πλαίσιο). Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8% η οποία είναι και η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής Σελίδα 23 από 92

32 επιστρώσεως. Με την πρόσμιξη γάλλιου η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο CIGS. Το πρόβλημα που υπάρχει είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στην φύση. Στα επόμενα χρόνια πάντως αναμένεται το κόστος του να είναι αρκετά χαμηλότερο. Σχήμα 3.4: Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon, a-si) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αυτά, έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού (πυρίτιο στην περίπτωση μας) πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης, χαμηλού κόστους όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Έτσι και λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται η τιμή τους είναι γενικότερα αρκετά χαμηλότερη. Ο χαρακτηρισμός άμορφο φωτοβολταϊκό προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Οι επιδόσεις που επιτυγχάνονται με χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά thin films πυριτίου κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14%. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα για το φωτοβολταϊκό στοιχείο a-si είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζεται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης του σε σχέση με τα κρυσταλλικά ΦΒ, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). 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 κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Επίσης Σελίδα 24 από 92

33 υπάρχουν αμφιβολίες όσων αφορά την διάρκεια ζωής των άμορφων πλαισίων μιας και δεν υπάρχουν στοιχεία από παλιές εγκαταστάσεις αφού η τεχνολογία είναι σχετικά καινούρια. Παρόλα αυτά οι κατασκευαστές πλέον δίνουν εγγυήσεις απόδοσης 20 ετών. Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001 χιλιοστά ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3 χιλιοστά. Σχήμα 3.5: Άμορφο πυρίτιο Τελουριούχο Kάδμιο (CdTe) Το Τελουριούχο Κάδμιο έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο 1eV το οποίο είναι πολύ κοντά στο ηλιακό φάσμα κάτι που του δίνει σοβαρά πλεονεκτήματα όπως την δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8%. Στο εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φθάσει το 16%. Μελλοντικά αναμένεται το κόστος του να πέσει αρκετά. Τροχοπέδη για την 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 στην χρήση του. Επίσης προβληματίζει ή έλλειψη του Τελλουρίου. Σημαντικότερη χρήση του είναι ή ενθυλάκωση του στο γυαλί ως δομικό υλικό (BIPV Building Integrated Photovoltaic). Σελίδα 25 από 92

34 Σχήμα 3.6: Τελουριούχο κάδμιο Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Το Γάλλιο είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και από τον χρυσό. Το Αρσενικό δεν είναι σπάνιο άλλα έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Το αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43eV που είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στην 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). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν σε πολύ υψηλές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας, για αυτό αλλά και λόγω της πολύ υψηλής απόδοσης του ενδείκνυται για διαστημικές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs υποστρώματος. Σχήμα 3.7: Αρσενικούχο Γάλλιο Σελίδα 26 από 92

35 3.1.8 Υβριδικά Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Ένα υβριδικό φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται από στρώσεις υλικών διαφόρων τεχνολογιών. - HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer). Τα πιο γνωστά εμπορικά υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου (πάνω και κάτω) ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μια στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου που φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές στο 17,2% και το οποίο σημαίνει ότι χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν απόδοση 19,7%. Άλλα πλεονεκτήματα για τα υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η υψηλή τους απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση στην διαχεόμενη ακτινοβολία. Φυσικά, αφού προσφέρει τόσα πολλά, το υβριδικό φωτοβολταϊκό είναι και κάπως ακριβότερο σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πλαίσια. Σχήμα 3.8: Υβριδικά Νανοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου (nc-si) Τα νανοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα βασίζονται σε ένα υπόστρωμα με επίστρωση νανοκρυστάλλων. Η βασική τους πρώτη ύλη είναι 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 τελειών θα μπορούν να προσφέρουν πληθώρα πλεονεκτημάτων όπως ευκαμψία, χαμηλό κόστος αλλά και υψηλή απόδοση που θα αγγίζει το 65%. Σελίδα 27 από 92

36 Σχήμα 3.9: Νανοκρυσταλλικά πυρίτιο 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. 3.1 Κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων Τα φωτοβολταϊκά συστήματα διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες : α) Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο (grid connected pv systems) Κεντρικού σταθμού Κατανεμημένα β) Τα απομονωμένα συστήματα (off-grid pv systems) Αυτόνομα συστήματα Υβριδικά συστήματα Σελίδα 28 από 92

37 3.1.1 Συνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα Είναι φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία συνδέονται και λειτουργούν παράλληλα με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. Δεν διαθέτουν σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (μπαταρίες), οπότε δεν έχουν και αναλώσιμα υλικά. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν πωλείται στο δίκτυο και λογιστικά πιστώνεται η τυχόν διαφορά. Χρησιμοποιούνται για εξοικονόμηση ενέργειας ή παραγωγή και πώληση της ενέργειας στο δίκτυο. Για τα διασυνδεδεμένα συστήματα (on grid), δεν απαιτείται η χρήση μπαταριών, ενώ για τον έλεγχο της προσφερόμενης ενέργειας στο σύστημα τοποθετείται ένας μετρητής που καταγράφει τις παραγόμενες kwh. Συνοπτικά στη συνέχεια θα αναλυθούν μερικά στοιχεία για τα βασικά μέρη ενός τυπικού Φ/Β συστήματος: 1. Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Είναι βασική μονάδα παραγωγής ρεύματος που αποτελείται από ορισμένο αριθμό Φ/Β στοιχείων, 10 έως 50 συνήθως, ενωμένων με κατάλληλες μεταλλικές επαφές και προστατευμένων εξωτερικά μέσω αντι-ανακλαστικής μεμβράνης και επικάλυψης γυαλιού. Οι διάφοροι τύποι στοιχείων για τα πλαίσια έχουν αναλυθεί στο προηγούμενο μέρος του παρόντος κεφαλαίου. 2. Μετατροπέας (inverter) Μετατρέπει το συνεχές ρεύμα που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σε εναλλασσόμενο προκειμένου να γίνει συμβατό με τη λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών. Η μετατροπή του ρεύματος από συνεχές σε εναλλασσόμενο όμως, αποφέρει απώλειες, κυρίως λόγω ύπαρξης αρμονικών συνιστωσών. Αυτό θα μπορούσε να αποφευχθεί εάν οι ηλεκτρικές συσκευές είχαν τη δυνατότητα να λειτουργήσουν με συνεχές ρεύμα. Σχήμα 3.10: Μετατροπέας (inverter) Σελίδα 29 από 92

38 3. Ρυθμιστής τάσης Ρυθμίζει και διατηρεί τη κανονική φόρτιση των μπαταριών από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Όταν η μπαταρία φτάνει στο στάδιο της υπερφόρτισης τότε ελαττώνεται ο χρόνος ζωής της, καθώς οποιοδήποτε επιπλέον προσφερόμενη ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα. Για το λόγο αυτό ο ρυθμιστής τάσης ελαττώνει το ρεύμα που προσφέρουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια προς τη μπαταρία. Σχήμα 3.11: Ρυθμιστής Τάσης Φωτοβολταϊκά συστήματα κεντρικού σταθμού Τα συστήματα κεντρικού σταθμού συνιστούν κεντρικούς Φ/Β σταθμούς μεγάλης ισχύος, των οποίων η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται στο κεντρικό δίκτυο. Σχήμα 3.12: Συνδεδεμένο δίκτυο Κατανεμημένα φωτοβολταϊκά συστήματα Τα κατανεμημένα συστήματα, τα οποία αποτελούν το 90% των συνδεδεμένων στο δίκτυο συστημάτων, χωρίζονται σε αυτά που χρησιμοποιούν το δίκτυο ως βοηθητική πηγή ενέργειας (Grid back-up) και σε εκείνα που λειτουργούν σε συνεχή Σελίδα 30 από 92

39 αλληλεπίδραση με το δίκτυο, διοχετεύοντας την επιπλέον παραγόμενη ενέργεια σε αυτό (Grid interactive). Σχήμα 3.13: Συνδεδεμένο δίκτυο Απομονωμένα φωτοβολταϊκά συστήματα Οι αυτόνομες ηλεκτρικές εγκαταστάσεις αποτελούν ίσως τις πληρέστερες εφαρμογές της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Είναι εγκαταστάσεις που λειτουργούν ανεξάρτητα από το δίκτυο παροχής ρεύματος της ΔΕΗ και είναι γενικά κατασκευασμένες ώστε να τροφοδοτούν φορτία συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος, χωρίς να συνδέονται με μεγάλα κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανομής, από τα οποία θα μπορούσαν να αντλούν συμπληρωματική ενέργεια ή να στέλνουν την περίσσεια της παραγόμενης. Αποτελούν την ιδανικότερη λύση για αγροτικές περιοχές ή για περιοχές που βρίσκονται μακριά από το κεντρικό δίκτυο και στις οποίες η διασύνδεσή τους με αυτό θα απαιτούσε τεράστια οικονομικά κεφάλαια. Ειδικότερα για τον ελλαδικό χώρο, ο οποίος έχει πολυάριθμα μικρά νησιά και μικρούς οικισμούς, τα αυτόνομα φ/β συστήματα έχουν βρει πολλές εφαρμογές, ενώ υπάρχουν ακόμα πολλές δυνατότητες ανάπτυξης. Αποτελείται καταρχήν από τη φ/β γεννήτρια, η οποία είναι και το βασικότερο συστατικό του συστήματος, αφού εκεί γίνεται η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Έπειτα περιλαμβάνει συσσωρευτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, σε περιόδους που η παραγόμενη ενέργεια εμφανίζει περίσσεια και για την χρησιμοποίησή της, όταν η παραγωγή είναι ανεπαρκής. Όπως είναι κατανοητό η χωρητικότητα των μπαταριών είναι δεδομένη και υπάρχει το ενδεχόμενο να μην καλύπτουν τις ανάγκες του φορτίου σε παρατεταμένες περιόδους συννεφιάς ή Σελίδα 31 από 92

40 κάποιας βλάβης του συστήματος. Από την άλλη η επιλογή συσσωρευτών πολύ μεγάλης χωρητικότητας κρίνεται οικονομικά ασύμφορη. Η ιδανικότερη λύση είναι μια βοηθητική γεννήτρια (συνήθως ντιζελογεννήτρια), η οποία τίθεται σε λειτουργία όταν είναι αναγκαίο. Συχνά τα συστήματα αυτά καλούνται υβριδικά φ/β συστήματα και μπορεί να περιέχουν και άλλες εναλλακτικές βοηθητικές πηγές ενέργειας (π.χ. ανεμογεννήτρια). Τέλος αναπόσπαστα συστατικά ενός αυτόνομου συστήματος είναι οι διατάξεις για την μετατροπή της παραγόμενης ενέργειας από τα φ/β στοιχεία σε μορφή κατάλληλη για την τροφοδότηση των φορτίων, οι οποίες περιέχουν έναν DC/DC μετατροπέα σε συνδυασμό με έναν ανιχνευτή μέγιστης ισχύος (ΜΡΡΤ) και έναν DC/AC αντιστροφέα Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα Ο πιο απλός τύπος ανεξάρτητου συστήματος είναι τα συστήματα άμεσης ζεύξης, όπου το συνεχές ρεύμα της εξόδου του φωτοβολταϊκού οδηγείται απευθείας σε ένα φορτίο συνεχούς ρεύματος. Επειδή δεν υπάρχει αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας στα συστήματα αυτά, το φορτίο λειτουργεί μόνο κατά τη διάρκεια της ηλιοφάνειας, κάνοντας το σύστημα αυτό ιδανικό για εφαρμογές όπως ανεμιστήρες εξαερισμού, αντλίες νερού, και μικρούς κυκλοφορητές για ηλιακούς θερμοσίφωνες. Το ακριβές ταίριασμα της ωμικής αντίστασης του ηλεκτρικού φορτίου με την μέγιστη ισχύ εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας είναι ένα κρίσιμο βήμα στο σχεδιασμό συστημάτων άμεσης ζεύξης με ικανοποιητική απόδοση. Σε πολλά ανεξάρτητα φωτοβολταϊκά συστήματα, χρησιμοποιούνται μπαταρίες για αποθήκευση ενέργειας. Σελίδα 32 από 92

41 Σχήμα 3.13: Αυτόνομο σύστημα Υβριδικά συστήματα Ένα υβριδικό σύστημα είναι ένα δυναμικό σύστημα ισχύος το οποίο χρησιμοποιεί πάνω από μία μεθόδους παραγωγής ενέργειας για να καλύπτει την απαιτούμενη ενέργεια. Συνήθως, εκτός από τα φωτοβολταϊκά, συνδυάζονται και άλλες πηγές ενέργειας, όπως ανεμογεννήτριες, μικροϋδροηλεκτρική ισχύ, υδροηλεκτρική ισχύ ποταμών, βιομάζα. Γενικά τα υβριδικά συστήματα συνδυάζουν τις μορφές ενέργειας για να τροφοδοτούν το σύστημα συνεχώς με σταθερή τάση, ελαχιστοποιώντας τους κινδύνους διακοπής της τροφοδοσίας. Χαρακτηρίζονται ως δυναμικά συστήματα, καθώς είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να εναλλάσσονται ανάμεσα στις διαθέσιμες πηγές ενέργειας ή και να τις συνδυάζουν ταυτόχρονα με αποτέλεσμα να μην εξαρτώνται από τις μεταβολές των εξωγενών παραγόντων, όπως το τοπικό δίκτυο, η ηλιοφάνεια, η ένταση του ανέμου, η ροή του νερού κ.τ.λ. Σχήμα 3.13: Υβριδικό σύστημα Σελίδα 33 από 92

42 4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΚΤΗΡΙΑ Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα θεωρείται ενσωματωμένο σε κτήριο όταν είναι ενταγμένο στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και αποτελεί μέρος της κατασκευής του οικοδομήματος. Τα ενταγμένα στο κτήριο Φ/Β πέραν του ξεκάθαρου ρόλου της παραγωγής πράσινης και καθαρής ενέργειας προς όφελος των ενοίκων του κτηρίου και του περιβάλλοντος αποτελούν στις μέρες μας και δομικά υλικά του κελύφους του κτηρίου. Συμβάλλουν με λίγα λόγια σε εξοικονόμηση κόστους τόσο των υλικών όσο και της ενέργειας. Αποτελούν ιδανικά οικοδομικά στοιχεία με πολλαπλούς ρόλους και πλεονεκτήματα. Μετέχουν σε λειτουργίες μόνωσης και στεγανοποίησης καθώς και σε εφαρμογές σκίασης αναδεικνύοντας αισθητικά και αρχιτεκτονικά το κτήριο. Οι πολλές εναλλακτικές λύσεις μεταξύ των εμπορευμάτων που έχουν κατακλύσει την αγορά επιτρέπουν μεγάλη ευελιξία τόσο στο σχεδιασμό όσο και στην υλοποίηση και θα περίμενε κανείς την εδραίωση τους ως βασικό δομικό συστατικό στα περισσότερα κτήρια. Ωστόσο το για την ώρα- υψηλό κόστος αγοράς και εγκατάσταση τους όπως επίσης και η ελλιπής πληροφόρηση και τεχνογνωσία όσον αφορά τα πλεονεκτήματα τους καθιστούν την απορρόφηση τους από το αγοραστικό κοινό φτωχή. 4.1 Υλοποίηση ένταξης φωτοβολταϊκών σε κτήρια Η σύγχρονη τεχνολογία των Φ/Β και ο ανταγωνισμός μεταξύ των εταιριών έχει φέρει στην αγορά Φ/Β συστήματα μεγάλης ενεργειακής αποδοτικότητας ικανά παράλληλα να ικανοποιήσουν εφαρμογές ενσωμάτωσης σε κτήρια. Αισθητικές παράμετροι έχουν πλέον ξεπεραστεί με μοντέρνα και καλαίσθητα σχέδια. Πλέον εύχρηστα Φ/Β συστήματα πληρούν τις προϋποθέσεις και για απαιτητικές εφαρμογές στεγανοποίησης κ.λπ. Οι πλέον συνηθισμένοι τρόποι ένταξης Φ/Β αφορούν: Σελίδα 34 από 92

43 4.1.1 Εγκαταστάσεις σε στέγες, ταράτσες, σκεπές Υπάρχουν διάφορες τεχνικές ώστε να τοποθετηθούν Φ/Β στην στέγη ενός κτηρίου. Ο επικρατέστερος τρόπος δεν είναι η ενσωμάτωση στο ίδιο το κτήριο αλλά η τοποθέτηση των Φ/Β πάνω στην επιφάνεια της στέγης με ειδική προεργασία πάνω στην επιφάνεια. Αυτός ο τρόπος είναι ο οικονομικότερος και ο πιο εύκολος από τεχνικής άποψης για να υλοποιηθεί. Σχήμα 4.1: Φωτοβολταϊκά σε στέγες Το μεγαλύτερο δε πλεονέκτημα είναι ότι έτσι μπορούμε να τοποθετήσουμε Φ/Β και σε παλαιότερα κτήρια για τα οποία δεν είχε προβλεφθεί κάτι τέτοιο. Πέραν αυτής της μεθόδου υπάρχει η μέθοδος της απευθείας ενσωμάτωσης των Φ/Β στη στέγη ή σε κάποιο τμήμα αυτής. Τέλος νέες τεχνολογίες και υλικά μας δίνουν την δυνατότητα της πλήρους ενσωμάτωσης Φ/Β στη στέγη υποκαθιστώντας τα αντίστοιχα οικοδομικά υλικά που χρησιμοποιούνταν για χρόνια όπως κεραμίδια και ξύλινες επιφάνειες. Σελίδα 35 από 92

44 4.1.2 Τοποθετήσεις σε προσόψεις κτηρίων Οι φιλικές προς το περιβάλλον λύσεις σπάνια έχουν τόσο καλό αισθητικό αποτελέσματα, όσο αυτό της ενσωμάτωσης των φωτοβολταϊκών στα κτίρια: το σχήμα και το χρώμα των στοιχείων που θα ενσωματωθούν στη πρόσοψη μπορούν να κατασκευαστούν έτσι ώστε να προσαρμόζονται τέλεια στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό του κτιρίου. Λόγω του σχεδιασμού, όπου οι ηλιακές κυψέλες είναι μέσα σε χητή ρητίνη μεταξύ των δυο υαλοπινάκων, τα ηλιακά στοιχεία μπορεί να είναι σημαντικά μεγαλύτερα από τα συμβατικά συστήματα. Αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα για τον σχεδιασμό και την εγκατάσταση των φ/β. Το ευρύ φάσμα των διαφορετικών αισθητικά δυνατοτήτων σε φωτοβολταϊκά πλαίσια παρέχει μεγάλη ευελιξία στην αρχιτεκτονική σχεδίαση. Στα εγκατεστημένα φωτοβολταϊκά σε προσόψεις υπάρχει περιορισμός στη βέλτιστη γωνία κλίσης της ακτινοβολίας του ηλίου και στον προσανατολισμό. Όμως μια σύγχρονη πρόσοψη με φ/β μπορεί να παρέχει διαφορετικές λειτουργίες σε ένα κτίριο π.χ.: Θερμική προστασία Μόνωση Προστασία από τον ήλιο Προστασία από το θόρυβο Υπάρχουν τρεις δυνατότητες για την ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών στη πρόσοψη ενός κτιρίου: 1. Τοποθέτηση μπροστά στην πρόσοψη 2. Ενσωμάτωση πάνω στην πρόσοψη 3. Πλήρης ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών στην πρόσοψη, όπου τα φωτοβολταϊκά παίζουν το ρόλο του οικοδομικού υλικού. Σχήμα 4.2: Δυνατότητες ενσωμάτωσης Σελίδα 36 από 92

45 Τα φωτοβολταϊκά μπορούν πολύ εύκολα να τοποθετηθούν σε υπάρχουσες προσόψεις και αποτελούν αισθητική λύση για μεγάλες επιφάνειες σε κτίρια χωρίς παράθυρα. Εάν δεν υπάρχουν ειδικές απαιτήσεις για το σχήμα και το μέγεθος των πάνελ, τότε προσφέρονται τυποποιημένα πάνελ των οποίων η τοποθέτηση είναι εύκολή αφού δεν χρειάζεται να παρέχουν αδιάβροχη προστασία. Παράδειγμα ενσωμάτωσης φωτοβολταϊκού σε πρόσοψη κτιρίου αποτελεί η ανάπλαση της εργατικής πολυκατοικίας στο Ταύρο Αθήνα το οποίο απεικονίζεται παρακάτω. Στο συγκεκριμένο έργο έχουν χρησιμοποιηθεί και συνδεθεί μεταξύ τους φωτοβολταϊκές γεννήτριες με διαφορετικές διαστάσεις, διαφορετική τάση και ισχύ, δίνοντας έτσι μεγάλη ευκολία στον σχεδιασμό. Το ενσωματωμένο διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα στην πολυκατοικία στο Ταύρο είναι ισχύος 11,9 kwp και αποτελείται από 82 φωτοβολταϊκές γεννήτριες ισχύος 100W (24V ανά γεννήτρια) και από 74 φωτοβολταϊκές γεννήτριες ισχύος 50W, των 12V. Οι γεννήτριες είναι της εταιρείας Naps Systems Oy και η διασύνδεση με το δίκτυο έγινε με διασυνδεδεμένους αντιστροφείς της εταιρείας SMA. Σχήμα 4.3: Παράδειγμα ενσωμάτωσης φωτοβολταϊκού σε πρόσοψη κτιρίου στον Ταύρο- Αθήνα Άλλο ένα παράδειγμα φωτοβολταϊκού συστήματος ενσωματωμένο σε πρόσοψη κτιρίου είναι της εταιρείας ΑΝΚΟΤ, στη Λ. Αλεξάνδρας στο κέντρο της Αθήνας, που ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο του Το φωτοβολταϊκό σύστημα ονομαστικής ισχύος 19,80 kwp και αναμένεται να παράγει τουλάχιστον 27 ΜWh το χρόνο, αποτρέποντας με αυτόν τον τρόπο την εκπομπή περισσότερων από 26 τόνων διοξειδίου του Σελίδα 37 από 92

46 άνθρακα. Η φωτοβολταϊκή εγκατάσταση αποτελείται από 30 φωτοβολταϊκά πλαίσια, 220 Wp έκαστο, της εταιρείας Conergy (PP220P), 60 φωτοβολταϊκά πλαίσια κρυσταλλικού τύπου, 220 Wp έκαστο, της εταιρείας SunPower (220-BLK) και 2 φωτοβολταϊκά πλαίσια SunPower 220-BLK dummies, τα οποία εγκαταστάθηκαν για λόγους ενιαίας αισθητικής και δεν συνδέθηκαν στο σύστημα. Στο σύστημα εγκαταστάθηκαν 3 μετατροπείς Sunny Mini Central 7000HV της SMA καθώς και σύστημα τηλεμετρίας SMA. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια Conergy PP220P στηρίχθηκαν επί της στέγης του κτιρίου με το σύστημα στήριξης Conergy Sun Top ΙΙΙ, ενώ τα πλαίσια SunPower 220-BLK, τοποθετήθηκαν στην πρόσοψη του κτιρίου, στηριζόμενα απευθείας πάνω σε ειδική μεταλλική κατασκευή από ανοξείδωτο χάλυβα. Σχήμα 4.4: Παράδειγμα φωτοβολταϊκού συστήματος ενσωματωμένο σε πρόσοψη κτιρίου στη Λ. Αλεξάνδρας Εφαρμογές πάνω σε ειδικά διαμορφωμένα σκίαστρα ή στέγαστρα Η χρήση φωτοβολταϊκών για λόγους σκίασης είναι από τις πλέον ελκυστικές και παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα. Καταρχάς εξοικονομούνται τα χρήματα από την αγορά των συμβατικών σκίαστρων τα οποία επενδύονται στα ειδικά διαμορφωμένα για Φ/Β μέσω των οποίων μπορεί να γίνει απόσβεση. Με τη χρήση των ημιπερατών πλαισίων επιτρέπεται ο προσδιορισμός του βαθμού διαφάνειας ανάλογα με το βαθμό σκίασης που απαιτείται. Επιπλέον γίνεται και σε αυτή την περίπτωση μια επένδυση σε καθαρή ηλεκτρική ενέργεια. Σελίδα 38 από 92

47 Σχήμα 4.5: Χρήση σκίαστρου Τελικά όμως το συγκριτικό πλεονέκτημα στην περίπτωση των σκίαστρων έναντι των άλλων επιλογών είναι ότι με κατάλληλης τεχνολογίας σκίαστρα μπορούν να επιτευχθούν ιδανικές κλίσεις ικανές να βελτιστοποιήσουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Λαμβάνοντας υπ όψιν τις ρυθμίσεις και αναλογιζόμενοι την περιοχή, την ηλιοφάνεια, την εποχή καθώς και τις απαιτήσεις σκίασης μπορούμε να επιτύχουμε τη βέλτιστη λύση. Σχήμα 4.6: «Ηλιακό Δάσος» (Solar Forest Concept) 4.2 Επιλογή της τοποθεσίας εγκατάστασης του φ/β συστήματος Στην περίπτωση των κτηριακών Φ/Β συστημάτων, η Φ/Β συστοιχία εγκαθίσταται στο δώμα ή τη στέγη του κτηρίου, σύμφωνα με την ΚΥΑ, ΦΕΚ Β 1079, 4/6/2009. Επίσης, ως δυνατές επιφάνειες εγκατάστασης ορίζονται και τα στέγαστρα των βεραντών Προσανατολισμός των Φ/Β Πλαισίων Για να είναι εφικτή η μεγιστοποίηση της ενεργειακής παραγωγικότητας των Φ/Β πλαισίων, θα πρέπει να επιτυγχάνεται βέλτιστη εκμετάλλευση της προσπίπτουσας Σελίδα 39 από 92

48 ηλιακής ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, εφόσον η πορεία του ήλιου αλλάζει τόσο με την ώρα της ημέρας όσο και με τη μέρα του έτους, τεκμαίρεται πως για να παράγει ένα πλαίσιο τη μέγιστη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να είναι σε θέση να περιστρέφεται ώστε να μπορεί να ακολουθεί την τροχιά του ήλιου και να είναι συνεχώς κάθετο στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας. Πρακτικά, η μηχανική πολυπλοκότητα και το κόστος ενός μηχανισμού που θα επέτρεπε την κίνηση των πλαισίων σύμφωνα με τον παραπάνω τρόπο, καθιστά εξαιρετικά δύσκολη και δαπανηρή την εφαρμογή του σε κτιριακά Φ/Β συστήματα, σε σύγκριση με κέρδος που θα είχαμε από την αύξηση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. [9] Έτσι στη πλειονότητα των κτηριακών Φ/Β συστημάτων επιλέγεται σταθερός προσανατολισμός των πλαισίων, ώστε να επιτυγχάνεται μέση ετήσια γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας όσο το δυνατό πιο κοντά στις 90 ο. Η επίτευξη αυτού του στόχου έγκειται στην σωστή επιλογή της κλίσης και της αζιμούθιας γωνίας του πλαισίου. Η κλίση του πλαισίου εκφράζεται με τη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο της επιφάνειας του Φ/Β πλαισίου και το οριζόντιο επίπεδο, ενώ η αζιμούθια γωνία σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κεκλιμένης πλευράς του πλαισίου και τον τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου, όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα 4.7: Γραφική απεικόνιση της κλίσης και της αζιμούθιας γωνίας ενός Φ/Β πλαισίου που βρίσκεται στο Βόρειο ημισφαίριο Σελίδα 40 από 92

49 Για το βόρειο ημισφαίριο η βέλτιστη κλίση του Φ/Β πλαισίου για τη μέγιστη παραγωγή καθ όλη τη διάρκεια του έτους είναι ίση με τη γεωγραφική παράλληλο του τόπου και η αζιμούθια γωνία είναι περίπου 0 (κατεύθυνση προς νότο). Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι στην Ελλάδα η μεγιστοποίηση της συνολικής ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε επιφάνεια σταθερής κλίσης, επιτυγχάνεται για Νότιο προσανατολισμό και κλίση περίπου 30 ο. Δεδομένου ότι στην περίπτωση των κτηριακών Φ/Β εγκαταστάσεων οι βέλτιστες τιμές κλίσης και προσανατολισμού της Φ/Β συστοιχίας μπορεί να είναι ανέφικτες (λόγω των περιορισμών που προκύπτουν από τις δεδομένες διαθέσιμες επιφάνειες του κτηρίου), θα πρέπει να γίνει εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια στην οποία πρόκειται να εγκατασταθεί η Φ/Β συστοιχία. Η μείωση της ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας (στην επιφάνεια της Φ/Β συστοιχίας) συγκριτικά με τη μέγιστη θεωρητική της τιμή (βέλτιστες τιμές κλίσης και προσανατολισμού) συνιστάται να μην υπερβαίνει το 10% προκειμένου να μεγιστοποιούνται τα οικονομικά οφέλη του ανεξάρτητου παραγωγού. Λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς που προκύπτουν από τις διαθέσιμες επιφάνειες των κτηρίων, προτιμώνται γενικά επιφάνειες νότιου προσανατολισμού με απόκλιση έως 70 ο από την κατεύθυνση του Νότου, και κλίσης στο εύρος 0 ο -50 ο. Σημειώνεται ότι η χρήση γωνιών κλίσης άνω των 10 ο -15 ο διευκολύνει τον αυτοκαθαρισμό των πλαισίων από σωματίδια σκόνης και άλλους ρύπους μέσω της βροχής. Στα σχήματα 4.2.α και 4.2.β παρατίθενται ενδεικτικά η επίδραση της τιμής της κλίσης και του προσανατολισμού στην ηλεκτροπαραγωγική ικανότητα ενός κτηριακού Φ/Β συστήματος σε απόλυτες τιμές και σε επί τοις εκατό ποσοστά αντίστοιχα. Σε όλες τις περιπτώσεις έχει υποτεθεί ότι δεν υπάρχουν σκιασμοί. [9] Σελίδα 41 από 92

50 Σχήμα 4.8: Επίδραση της τιμής της κλίσης και του προσανατολισμού στην διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία (kwh/m2/έτος) στο επίπεδο των ηλιακών πλαισίων ενός κτηριακού Φ/Β συστήματος στην Αττική Σχήμα 4.9: Επίδραση της τιμής της κλίσης και του προσανατολισμού στην ηλεκτροπαραγωγική ικανότητα ενός κτηριακού Φ/Β συστήματος (σε επί τοις εκατό ποσοστά) Σελίδα 42 από 92

51 Σχήμα 4.10: Νότιος προσανατολισμός Προβλήματα σκιασμών Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας ο οποίος επιδρά καθοριστικά στην ενεργειακή αποδοτικότητα ενός κτηριακού Φ/Β συστήματος είναι η ύπαρξη σκιασμών. Λαμβάνοντας υπόψη ότι σε ένα Φ/Β πλαίσιο τόσο τα Φ/Β στοιχεία (ή μέρος αυτών) όσο και τα Φ/Β πλαίσια μιας στοιχειοσειράς συνδέονται μεταξύ τους εν σειρά, γίνεται κατανοητό ότι ακόμα κι ο σκιασμός ενός μέρους της Φ/Β συστοιχίας μπορεί να προκαλέσει σημαντική μείωση της παραγόμενης ισχύος συγκριτικά με την αναμενόμενη τιμή αυτής. Αναλυτικότερα, το συνολικό ρεύμα μιας στοιχειοσειράς Φ/Β πλαισίων καθορίζεται από το μειωμένο ρεύμα του σκιασμένου τμήματος της Φ/Β συστοιχίας. Βέβαια στην περίπτωση που ο σκιασμός περιορίσει την τάση του (των) σκιασμένου(ων) πλαισίου(ων) σε αρκετά χαμηλά επίπεδα, τίθεται σε αγωγή η δίοδος παράκαμψης και το πλαίσιο αυτό εξαιρείται της ηλεκτροπαραγωγής. Συνεπώς είναι σημαντικό να αποφεύγονται σκιασμοί, έστω και από αντικείμενα μικρού όγκου όπως κολώνες, κεραίες ή ηλεκτρικά καλώδια ή, ακόμη περισσότερο, από δένδρα, παρακείμενα κτήρια κλπ. Η επιλογή της θέσης έδρασης της Φ/Β συστοιχίας θα πρέπει να γίνεται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται ότι δεν θα υπάρξουν σκιασμοί καθ όλο το έτος και Σελίδα 43 από 92

52 ειδικά τις ώρες υψηλής ηλιακής ακτινοβολίας. Εάν στην τοποθεσία έδρασης του Φ/Β εξοπλισμού υπάρχουν μόνιμοι ή επαναλαμβανόμενοι σκιασμοί (π.χ. σκίαση από παρακείμενα κτήρια, κολώνες, στηθαίο, κλπ.) για μεγάλο χρονικό διάστημα γύρω από το ηλιακό μεσημέρι (από 09:00 έως 15:00), τότε η θέση εγκατάστασης θεωρείται ακατάλληλη. Τέλος, για τη διασφάλιση της μακροχρόνιας απρόσκοπτης λειτουργίας του Φ/Β συστήματος θα πρέπει να εξετάζεται το ενδεχόμενο εμφάνισης μελλοντικών σκιασμών λόγω ανοικοδόμησης παρακείμενων κτηρίων. Εν κατακλείδι μπορούμε να πούμε ότι ο γενικός κανόνας ορθής τοποθεσίας έδρασης του Φ/Β εξοπλισμού είναι ο ορίζοντας προς Νότο να είναι ελεύθερος και χωρίς εμπόδια. Για τον έλεγχο πιθανών σκιασμών όλο το έτος καλό είναι να χρησιμοποιηθεί ένα διάγραμμα τροχιάς του ήλιου, όπως αυτό που παρατίθεται στο σχήμα παραπάνω. Στο εν λόγω διάγραμμα σχεδιάζεται η θέση του ήλιου σε γωνιακές συντεταγμένες, για γεωγραφικό πλάτος 38 ο. Για διαφορετικό γεωγραφικό πλάτος στην Ελλάδα προκύπτει ελαφρά διαφορετικό διάγραμμα. Ο οριζόντιος άξονας στο σχήματος παραπάνω. αντιστοιχεί στην αζιμούθια γωνία του ήλιου, ήτοι την γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κατεύθυνσης του ήλιου και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου (γωνιακή απόσταση του ηλίου από τη διεύθυνση του Νότου), ενώ ο κατακόρυφος άξονας αντιστοιχεί στη γωνία του ύψους του ήλιου, δηλαδή ανάμεσα στην κατεύθυνση του ήλιου και της προβολής της στο οριζόντιο επίπεδο. Σελίδα 44 από 92

53 Σχήμα 4.11: Διάγραμμα τροχιάς ήλιου σε Βόρειο γεωγραφικό πλάτος 38 Στο διάγραμμα 4.11 έχουν σχεδιασθεί ενδεικτικά η 21η Δεκεμβρίου, η 21 Μαρτίου και η 21η Ιουνίου, ενώ επίσης σημειώνονται οι τροχιές και οι θέσεις του ήλιου για κάθε ώρα της ημέρας (σε τοπική ηλιακή ώρα). Με βάση το διάγραμμα του παραπάνω σχήματος. θα πρέπει να συγκριθούν τα περιγράμματα των εμποδίων (σε γωνιακές συντεταγμένες στο ίδιο σύστημα αξόνων) όπως φαίνονται από το δυσμενέστερο σημείο της Φ/Β συστοιχίας. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να ελέγξουμε αν τα εμπόδια σκιάζουν την Φ/Β συστοιχία, δηλαδή αν η γωνία ύψους των εμποδίων είναι μεγαλύτερη από τη γωνία ύψους του ήλιου για την αντίστοιχη αζιμούθια γωνία Μηχανισμοί εγκατάστασης Φ/Β πλαισίων σε κτήρια Από τη στιγμή που θα αποφασιστεί η εγκατάσταση Φ/Β σε ένα κτήριο θα πρέπει να βρεθεί και ένας ασφαλής και αποδοτικός τρόπος ενσωμάτωσης τους. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως θα πρέπει να εγκατασταθεί κάποιο ειδικό σύστημα πάνω στο οποίο θα «κάτσουν» τα φωτοβολταϊκά μιας και δε γίνεται να «καρφωθούν» απευθείας στο φλοιό του κτηρίου. Σε κάποιες περιπτώσεις φυσικά γίνεται πρόβλεψη Σελίδα 45 από 92

54 πριν κτιστεί ακόμη το κτήριο και τα Φ/Β αποτελούν δομικό τμήμα αυτών. Σε κάθε περίπτωση πάντως ένα σύστημα εγκατάστασης θα πρέπει να διασφαλίζει: Μηχανική αντοχή για το σύνολο του βάρους της εγκατάστασης λαμβάνοντας φυσικά υπόψη πιθανό επιπρόσθετο βάρος (π.χ. χιόνι) και ακραίες καιρικές συνθήκες. Εύκολες συνθήκες συντήρησης και επισκευής η ακόμη και εξαγωγής - αντικατάστασης κάποιου πλαισίου. Την ελάχιστη δυνατή επιπλέον επιβάρυνση σε κατειλημμένο χώρο μιας και σε ένα κτήριο είναι ιδιαίτερα περιορισμένη. Ομοιομορφία στην επιφάνεια εγκατάστασης γιατί έτσι επιτυγχάνεται ομοιόμορφη παραγωγή από όλα τα πλαίσια οπότε και ισομερής καταπόνηση και φθορά του. Κατάλληλες συνθήκες αερισμού μεταξύ του φλοιού του κτηρίου και των ίδιων των Φ/Β πλαισίων, ζήτημα πολύ σημαντικό για τον υψηλό βαθμό απόδοσης της εγκατάστασης Προβλήματα σε εφαρμογές ενσωμάτωσης Φ/β σε κτήρια Πέραν όλων των θετικών και των πλεονεκτημάτων σε μια εγκατάσταση Φ/Β σε κάποιο κτήριο εμφανίζονται και κάποιες δυσκολίες που επιδρούν αρνητικά στην όλη εφαρμογή. Βασικότερα εμπόδια στην αποδοτική λειτουργία μιας τέτοιας εγκατάστασης είναι η χωροταξία του κτηρίου και η μορφή του δικτύου. Στην πρώτη κατηγορία εντάσσονται ζητήματα στα οποία ήδη αναφερθήκαμε όπως σκιάσεις από γειτονικούς όγκους, μη ευνοϊκός προσανατολισμός αλλά και δυσκολίες στην πρόσβαση σε τμήματα της εγκατάστασης. Στην δεύτερη κατηγορία εντάσσονται θέματα της μεταβολής της τάσης και της συχνότητας όπως και το πρόβλημα της νησιδοποίησης. Τα ζητήματα σκιάσεων και προσανατολισμών είναι από τα πλέον σημαντικά στην αποδοτικότητα μιας τέτοιας εφαρμογής, για αυτό το λόγο πριν την εγκατάσταση πρέπει να προηγηθεί εκτενής μελέτη της χωροθέτησης των panels. Τα παραπάνω προκαλούν διαφοροποίηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στις συστοιχίες των πλαισίων κάτι που σημαίνει εμφάνιση ανεπιθύμητων απωλειών. Ο λόγος εμφάνισης αυτών των απωλειών είναι η αδυναμία των πλαισίων να λειτουργήσουν στο σημείο μέγιστης ισχύος τους. Αυτό Σελίδα 46 από 92

55 έχει ως αποτέλεσμα η συνολική τους ισχύς να είναι μικρότερη από το άθροισμα όλων των επιμέρους θεωρητικών ισχύων κάθε πλαισίου. Έγινε αναφορά και πριν στην ανάγκη ύπαρξης εύκολης πρόσβασης προς όλα τα panels προκειμένου να γίνονται εργασίες συντήρησης ή και αντικατάστασης σε περιπτώσεις κάποιας βλάβης. Σε περίπτωση βλάβης ενός πλαισίου είναι επιτακτική η άμεση αντικατάσταση του γιατί αλλιώς μπορεί να τεθεί σε κίνδυνο το σύνολο της εγκατάστασης. Οι επιπτώσεις αυτής της μορφής είναι άμεσα συνδεδεμένες με την κυκλωματική μορφή του Φ/Β συστήματος και το αν υπάρχουν τρόποι να παρακαμφθεί μια τέτοια βλάβη χωρίς να χρειάζεται να βγει εκτός όλο το σύστημα. Γενικά η βέλτιστη λύση για να αποφύγουμε τα προαναφερθέντα προβλήματα είναι η χρήση όσο το δυνατόν μικρότερων κυκλωμάτων. Επειδή όπως είναι φυσικό το μικρότερο δυνατό σειριακό κύκλωμα είναι αυτό που αποτελείται από ένα και μόνο Φ/Β πλαίσιο μια τέτοια εγκατάσταση κρίνεται ασύμφορη οικονομικά και πολύ δύσκολα αποσβέσιμη. Η «νησιδοποίηση» τέλος είναι ένα ακόμη πρόβλημα. Με τον όρο νησιδοποίηση εννοούμε την μη επιθυμητή τροφοδοσία του δικτύου σε χρονική στιγμή κάποιας βλάβης ή κάποιου ανοίγματος διακόπτη. Για τέτοιες περιπτώσεις έχουν αναπτυχθεί συστήματα και συσκευές που αποτρέπουν δυσάρεστες συνέπειες ενώ παράλληλα φροντίζουν μέσω ειδικών διατάξεων στην προστασία του συστήματος από μεταβολές της τάσης ή της συχνότητας του δικτύου. Σελίδα 47 από 92

56 5. ΜΕΛΕΤΗ ΓΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΚΤΗΡΙΟ ΤΟΥ ΤΔΕ Στις επόμενες παραγράφους θα αναφερθούμε λεπτομερώς στη διαδικασία διερεύνησης, του κατά πόσο το υπό μελέτη κτήριο μπορεί να θεωρηθεί ότι πληροί τις προϋποθέσεις για την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων. Αναλυτικότερα γίνεται μία μελέτη για την εύρεση της επιφάνειας που προσφέρεται, για την τοποθέτηση και λειτουργία ενός φ/β συστήματος, παίρνοντας υπ όψιν τόσο τον προσανατολισμό της ταράτσας του κτηρίου όσο την τυχόν σκίαση των επιμέρους επιφανειών της και με γνώμονα πάντα τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής. Στη συνέχεια υπολογίζουμε με ακρίβεια, τη χωροθέτηση των φ/β συλλεκτών ανάλογα με το είδος και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των συλλεκτών που θα επιλέξουμε, την κλίση τους και το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής που θα τους τοποθετήσουμε. Ακολούθως, υπολογίζουμε την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια του φ/β συστήματος, λαμβάνοντας υπ όψιν όλους τους παράγοντες που συντελούν στην μείωση της απόδοσης των φ/β με το χρόνο και τα μετεωρολογικά στοιχεία για την ηλιοφάνεια στη δεδομένη περιοχή. 5.1 Μετεωρολογικά Δεδομένα Η γνώση των μετεωρολογικών στοιχείων της περιοχής που θα γίνει η εγκατάσταση του συστήματος είναι πάρα πολύ σημαντική, διότι η ηλιοφάνεια, η μέση ημερήσια θερμοκρασία και η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι σημαντικοί παράγοντες, οι οποίοι καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση του Φ/Β συστήματος. Φυσικά, λόγω της μεγάλης εξάπλωσης των πληροφοριών, υπάρχουν πολλές διαφορετικές πηγές μετεωρολογικών δεδομένων, οι οποίες παρουσιάζουν μια μικρή απόκλιση μεταξύ τους. Σελίδα 48 από 92

57 5.1.1 Μετεωρολογικά στοιχεία της περιοχής Για την συγκεκριμένη μελέτη, προτιμήθηκε να χρησιμοποιηθούν τα μετεωρολογικά δεδομένα από δημοσίευση Τεχνικής Οδηγίας του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδος Τ.Ο.Τ.Ε.Ε. (2010_3, 06/2010). Στην παρούσα εργασία, η περιοχή εγκατάστασης είναι η πόλη της Χίου, η οποία βρίσκεται στο γεωγραφικό διαμέρισμα της Βόρειο-ανατολικής Ελλάδας. Από το PVGIS εξάγονται τα εξής στοιχεία για την περιοχή (mouseiou 4-6, chios): Γεωγραφικό πλάτος: 38 21' 59" Βόρεια Γεωγραφικό μήκος: 26 8' 19" Ανατολικά Υψόμετρο: 15 μέτρα Τα συγκεκριμένα στοιχεία δίνουν κάποιες συγκεκριμένες πληροφορίες για την περιοχή, όπως ότι βρίσκεται στο βόρειο ημισφαίριο και ανατολικά από τον μεσημβρινό του Greenwich. Επίσης, σύμφωνα με τα παραπάνω στοιχεία, το PVGIS προτείνει πως η βέλτιστη γωνία κλίσης των Φ/Β πάνελ για την περιοχή της Χίου είναι 32. Όπως αναλύεται και σε προηγούμενη παράγραφο, κλίση μιας επιφάνειας είναι η γωνία μεταξύ της επιφάνειας και του οριζόντιου επιπέδου (0ο κλίση 180ο). Η ηλιακή ακτινοβολία που δέχεται μια επιφάνεια με κλίση εξαρτάται από το γεωγραφικό της πλάτος, τη γωνία κλίσης και τη χρονική περίοδο. Η βέλτιστη γωνία κλίσης, είναι η γωνία εκείνη με την οποία τοποθετούνται τα φωτοβολταϊκά πάνελ ως προς το οριζόντιο επίπεδο, προκειμένου να δέχονται το μέγιστο της ηλιακής ακτινοβολίας και συνεπώς να έχουν την μέγιστη δυνατή απόδοση, για συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Στην συγκεκριμένη εργασία, σαν χρονική περίοδος ορίζεται ολόκληρο το έτος Εισαγωγή μετεωρολογικών στοιχείων στο RETscreen Όπως έχει ήδη αναφερθεί, θα γίνει ανάλυση με την χρήση του λογισμικού RETscreen. [7]Επιλέχθηκε το συγκεκριμένο λογισμικό εφόσον είναι ελεύθερο και ένα από τα πιο αξιόπιστα και διεθνώς αναγνωρισμένα λογισμικά για οικονομοτεχνικές μελέτες έργων παραγωγής ενέργειας. Το RETscreen είναι ένα λογισμικό, το οποίο επιτρέπει την ανάλυση έργων καθαρής ενέργειας. Τα αρχικά εξ άλλου του προγράμματος (RETs) υποδηλώνουν τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Σελίδα 49 από 92

58 (ΑΠΕ). Όπως αναφέραμε είναι απαραίτητη η γνώση των μετεωρολογικών στοιχείων της περιοχής που πρόκειται να γίνει η εγκατάσταση του εκάστοτε συστήματος. Το RETscreen μας δίνει την επιλογή να εισάγουμε εμείς τα δεδομένα που θέλουμε για την πόλη της. Οι κυριότεροι μετεωρολογικοί παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη είναι οι θερμοκρασίες σχεδίασης θέρμανσης και ψύξης, η θερμοκρασία αέρα και εδάφους, η σχετική υγρασία, η ατμοσφαιρική πίεση μαζί με τις βαθμοημέρες θέρμανσης και ψύξης. Τα δεδομένα έχουν αντληθεί από δημοσίευση Τεχνικής Οδηγίας του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδος Τ.Ο.Τ.Ε.Ε. (2010_3, 06/2010). Το εργαλείο λαμβάνει επίσης τα μετεωρολογικά του δεδομένα από δορυφορικές παρατηρήσεις σταθμών της NASA και άλλων τοπικών επίγειων μετεωρολογικών σταθμών που καλύπτουν ένα ευρύτατο φάσμα παγκοσμίως, όπως απεικονίζεται και στην εικόνα παρακάτω. Σχήμα 5.1: Πληροφορίες έργου στο RETscreen Σελίδα 50 από 92

59 Σχήμα 5.2: Κλιματολογικά δεδομένα της περιοχής από το RETscreen Σελίδα 51 από 92