«Προσομοίωση φωτοβολταϊκού συστήματος με ελεγχόμενους DC/DC και DC/AC μετατροπείς»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μπίρη Παναγιώτη του Νικολάου Αριθμός Μητρώου:7068 Θέμα «Προσομοίωση φωτοβολταϊκού συστήματος με ελεγχόμενους DC/DC και DC/AC μετατροπείς» Επίβλεπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλώματικής Εργασίας: Πάτρα, Απρίλιος 2015

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Προσομοίωση φωτοβολταϊκού συστήματος με ελεγχόμενους DC/DC και DC/AC μετατροπείς» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μπίρη Παναγιώτη του Νικολάου Αριθμός Μητρώου:7068 Παρουσιάστηκε δημοσία και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνογίας Υπολογιστών στις... /... /... Ο Επιβλέπων Ο Διευθύντης του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Ευχαριστίες Ευχαριστώ θερμά τον τον καθηγητή κ. Αντώνιο Θ. Αλεξανδρίδη, για την καθοδήγηση, την επίβλεψη και την εμπιστοσύνη που μου έδειξε για να εκπονηθεί η παρούσα διπλωματική εργασία. Ξεχωριστά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα, Κωνσταντίνο Κρομμύδα, για την επιστημονική βοήθεια και την υπομονή που μου έδειξε όλους αυτούς τους μήνες που χρειάστηκαν για να πραγματοποιηθεί αυτή η εργασία. Επίσης, ευχαριστώ τους φίλους μου που ήταν πάντα δίπλα μου και με υποστήριζαν. Τέλος, ευχαριστώ τους γονείς μου για την οικονομική και ηθική τους υποστήριξη, την κατανόηση και την αγάπη τους χωρίς τα οποία θα ήταν αδύνατη η ολοκλήρωση των σπουδών μου.

6

7 Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται μοντελοποίηση, ανάλυση και έλεγχος ενός φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο στο δίκτυο, που αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, ένα μετατροπέα ισχύος συνεχούς τάσης σε συνεχή που ανυψώνει την τάση και παράλληλα ανιχνεύει το σημείο μέγιστης ισχύος, ώστε να επιτυγχάνεται μέγιστη παραγόμενη ισχύς του συστήματος. Ο μετατροπέας αυτός στη συνέχεια συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός αντιστροφέα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη και ενός φίλτρου R-L. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη ενός φωτοβολταϊκού συστήματος και ο σχεδιασμός ενός κατάλληλου ελέγχου, ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας και η επιτυχής διασύνδεση με το δίκτυο. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση του συνολικού συστήματος σε περιβάλλον Matlab/Simulink, για διάφορες μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας. Μέσω των αποκρίσεων του συστήματος, εξετάζεται η αποτελεσματικότητα του εφαρμοσμένου ελέγχου και εξάγονται τα αντίστοιχα συμπεράσματα.

8

9 Abstract In this thesis, a grid-connected photovoltaic system is modeled, analyzed and controlled. The photovoltaic system consists of a photovoltaic source, a DC/DC boost converter that elevates the input voltage and also detects the maximum power point, in order to maximize the produced electric power of the system. The boost converter is connected to the grid through an inverter that converts the DC voltage into AC and a R-L filter. The purpose of this thesis is to study a photovoltaic system as well as to design and apply a proper controller so that maximum power point operation is achieved and successful grid connection is established. Simulations are carried out with Matlab/Simulink for various solar radiation changes. Through the responses of the system, the effectiveness of the applied control is examined and some conclusions are extracted.

10

11 Πίνακας Περιεχομένων 1. Ενέργεια 1.1 Εισαγωγή στην Ενέργεια Ιστορική αναδρομή Η Ενέργεια σήμερα Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Συνθήκη Κιότο Γενικά οι ΑΠΕ Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ΑΠΕ Ηλιακή ενέργεια 2.1 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας σήμερα Παγκόσμια Ευρώπη Ελλάδα Προοπτικές μέχρι το Φωτοβολταϊκά συστήματα 3.1 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Φωτοβολταϊκά κύτταρα Δομή φωτοβολταϊκου συστήματος Ισοδύναμο μοντέλο φωτοβολταϊκής γεννήτριας και I V χαρακτηριστική Βαθμός απόδοσης Φ/Β συστημάτων Κατηγορίες Φ/Β συστημάτων Αυτόνομο Φ/Β σύστημα Διασυνδεδεμένο Φ/Β σύστημα Χρήσεις Φ/Β συστημάτων Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα Φ/Β συστημάτων...45

12 4. Ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος 4.1 Γενικά οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος Ο αντιστροφέας DC/AC στα συστήματα φωτοβολταϊκών Ο μετατροπέας DC/DC στα συστήματα φωτοβολταϊκών Σημείο μέγιστης ισχύος Φ/Β MPPT Μέθοδοι εύρεσης σημείου MPP Μοντέλο φωτοβολταϊκού συστήματος και οι μαθηματικές εξισώσεις 5.1 Ηλεκτρικό κύκλωμα φωτοβολταϊκής μονάδας Μετασχηματισμός Park Εξισώσεις φωτοβολταϊκού συστήματος από την πλευρά του δικτύου Αντιστροφέας DC/AC Boost μετατροπέας DC/DC Σύνδεση αντιστροφέα DC/AC με boost μετατροπέα DC/DC Το συνολικό μοντέλο του Φ/Β συστήματος στο χώρο κατάστασης Έλεγχος Έλεγχος από την πλευρά του δικτύου Ο έλεγχος του ρεύματος του άξονα d Ο έλεγχος του ρεύματος του άξονα q Έλεγχος του λόγου κατάτμησης του DC/DC boost μετατροπέα Προσδιορισμός των κερδών των PI ελεγκτών Προσδιορισμός των κερδών των εσωτερικών PI ελεγκτών Προσδιορισμός των κερδών του εσωτερικού PI ελεγκτή Προσομοίωση 6.1 Τα χαρακτηριστικά του Φ/Β συστήματος Τα κέρδη των PI ελεγκτών Προσομοιωση του συστήματος/αποτελέσματα Προσομοιωση ελέγχου του λόγου κατάτμησης του DC/DC boost μετατροπέα.. 74

13 6.3.2 Προσομοίωση ελέγχου των ρευμάτων των dκαι qαξόνων στην έξοδο του DC/AC αντιστροφέα Συμπεράσματα και περαιτέρω έρευνα Βιβλιογραφία Παράρτημα εικόνων...86

14

15 Στους γονείς μου

16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o Ενέργεια 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ιστορική αναδρομή Η εξέλιξη της ανθρωπότητας είναι στενά συνδεδεμένη με τη χρήση ενέργειας. Δεν είναι τυχαίο ότι οι ονομασίες των ιστορικών περιόδων της ανθρωπότητας, λίθινη εποχή, εποχή του σιδήρου ή του χαλκού, προέκυψαν από τη δυνατότητα των ανθρώπων να διαχειρίζονται διαφορετικές μορφές ενέργειας. Πιθανότατα πριν από χρόνια ο άνθρωπος έμαθε να χειρίζεται τη φωτιά, ενώ τη λίθινη εποχή, περίπου χρόνια πριν, ζωγραφιές σε σπήλαια αποδεικνύουν ότι ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε τη φωτιά για μαγείρεμα αλλά και να θερμαίνει ή να φωτίζει τις σπηλιές όπου και κατοικούσε. Μεγάλη αλλαγή προέκυψε κατά την περίοδο όπου ο άνθρωπος άφησε τη νομαδική ζωή, οργανώθηκε στους πρώτους μόνιμους οικισμούς και ανάπτυξε την αγροτική καλλιέργεια. Όμως, αγροτική καλλιέργεια είναι στην πράξη η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε τροφή. Το 5000 π.χ. στον Νείλο χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά η αιολική ενέργεια για την κίνηση των πλοίων, ενώ το 4000 π.χ. μικροί νερόμυλοι στην Ελλάδα χρησίμευαν για την άλεση δημητριακών αλλά και για παροχή πόσιμου νερού σε οικισμούς. Όσον αφορά τον άνθρακα, η χρήση του αναφέρεται ήδη από το 3000 π.χ. στην Κίνα, ενώ σημαντική χρήση του για μαγείρεμα γινότανε το 100 μ.χ. στην Αγγλία. Βεβαίως, σε όλη την αρχαϊκή περίοδο, την σημαντικότερη πηγή ενέργειας αποτελούσε η ανθρώπινη μυϊκή δύναμη καθώς και η χρήση ζώων. Στα μέσα του 17ου αιώνα, ξεκίνησε εκτεταμένη εξόρυξη άνθρακα, ενώ το 1600 μ.χ. το εμπόριο άνθρακα με επίκεντρο την Αγγλία απέκτησε διεθνή διάσταση. Παρόλο που η εκτεταμένη χρήση άνθρακα στην Αγγλία πυροδότησε σημαντικά περιβαλλοντικά προβλήματα, η αναγκαιότητα χρήσης της ξυλείας για παραγωγή άνθρακα αλλά και για την κατασκευή πολεμικών πλοίων κατέστησε αδύνατη την αποσύνδεση της αγγλικής οικονομίας από τον άνθρακα. Η πρώτη ενεργειακή κρίση της παγκόσμιας ιστορίας ξεκίνησε το 1630 μ.χ. όταν ο παράγωμενος από ξυλεία άνθρακας δεν επαρκούσε για να καλύψει τις ανάγκες των καταναλωτών. Την περίοδο αυτή, τεράστιες δασικές εκτάσεις στην βόρεια Ευρώπη και ιδιαίτερα στην Αγγλία, χάθηκαν προκειμένου να καλύψουν τις ανάγκες σε ενέργεια. Ο 18ος αιώνας σημαδεύτηκε από την ανακάλυψη της πρώτης ατμομηχανής από τον Thomas Newcomen, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την άντληση νερού από τα υπόγεια ορυχεία εξόρυξης άνθρακα. Το 1765 μ.χ., ο James Watt βελτιώνει σημαντικά την ατμομηχανή, δίνοντας τη δυνατότητα χρήσης της όχι μόνον για άντληση νερού αλλά και για την κίνηση μηχανών. Το 1800 μ.χ. ο ιταλός εφευρέτης Alessandro Volta, ανακαλύπτει την πρώτη μπαταρία, δίνοντας τη δυνατότητα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας σε αδιάλειπτο χρόνο. 17

18 Σχήμα 1.1: Ατμομηχανή [1] Στις αρχές του 19ου αιώνα οι χρησιμοποιούμενες ατμομηχανές είχαν τη δυνατότητα να παρέχουν την ισχύ 200 περίπου ανδρών. Αυτό ήταν αρκετό για να εξοπλίσει τις βιομηχανίες παραγωγής αγαθών και να οδηγήσει την οικονομία της Β.Δ. Ευρώπης στη Βιομηχανική Επανάσταση. Για πρώτη φορά στην παγκόσμια ιστορία η ενέργεια μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε κάθε χώρο, κάθε ώρα και σε οποιαδήποτε ποσότητα. Παράλληλα, η χρήση της ατμομηχανής επεκτείνεται και στα μέσα μεταφοράς, το 1804 μ.χ. στο σιδηρόδρομο και το 1807 μ.χ. στη ναυτιλία. Σχήμα 1.2: Το Λονδίνο κατά τη βιομηχανική επανάσταση [2] 18

19 Στα τέλη του 19ου αιώνα η ισχύς της ατμομηχανής ξεπερνούσε την ισχύ ανδρών. Το 1880 μ.χ. λειτουργεί η πρώτη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με καύση άνθρακα. Η πρώτη εξόρυξη πετρελαίου λαμβάνει χώρα το 1859 μ.χ. στη Βόρεια Αμερική αλλά εκείνη την εποχή η χρήση του ήτανε φοβερά περιορισμένη, μέχρι την ανακάλυψη της μηχανής εσωτερικής καύσης. Η ανακάλυψη των κοιτασμάτων πετρελαίου οδήγησε τον τεχνικό κόσμο του 20ου αιώνα στην ανάγκη εφεύρεσης συστημάτων ικανών να αξιοποιήσουν το καινούργιο καύσιμο. Αρχικά ο Γάλλος μηχανικός Etienne Lenoir και στη συνέχεια ο Γερμανός Nicolaus August Otto κατασκευάζουν τις πρώτες μηχανές εσωτερικής καύσης. Το 1885 μ.χ. ο Γερμανός μηχανικός Karl Benz προσαρμόζει τη μηχανή του Otto σε αμάξωμα, τοποθετεί τρεις τροχούς και δημιουργεί το πρώτο αυτοκινούμενο όχημα. Τον επόμενο χρόνο ο Γερμανός μηχανικός Daimler κατασκευάζει το πρώτο τετράτροχο αυτοκίνητο με μηχανή εσωτερικής καύσης. Το 1942 μ.χ. ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi σχεδιάζει και θέτει σε λειτουργία τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, ενώ το 1954 το πρώτο πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τίθεται σε λειτουργία στη Ρωσία. Σχήμα 1.3: Πυρηνικό εργοστάσιο στη Γερμανία [3] Ο 20ος αιώνας χαρακτηρίζεται από τρομακτική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Προβλήματα όπως η προστασία του περιβάλλοντος και η εξάντληση των ενεργειακών πόρων δεν απασχολούσαν κανέναν. Τα πράγματα όμως άλλαξαν στις αρχές του 21ου, όπου η ασφάλεια της ενεργειακής τροφοδοσίας, η μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου και η αειφόρος ανάπτυξη αποκτούν πρωταρχική σημασία. 19

20 1.1.2 Ενέργεια σήμερα Μέσα από διάφορα στατιστικά στοιχεία που ακολουθουν, μπορουμε να κατανοήσουμε την παγκόσμια ενεργειακή κατάσταση τα τελευταία χρόνια. Στο παρακάτω πίνακα μπορούμε να δούμε την κατανάλωση ενέργειας σε απόλυτους αριθμούς αλλά και σε ποσοστό ανά περιοχή. Να αναφέρουμε ότι οι μετρήσεις γίνονται σε Mtoe (tonne of oil equivalent), δηλαδή σε τόνους ισοδύναμου πετρελαίου. Ένας Τ.Ι.Π. ισοδυναμεί με την ενέργεια που εκλύεται από την καύση ενός τόνου αργού πετρελαίου και είναι περίπου ίσος με 42 GJ. Για παράδειγμα, η συνολική παραγωγή για το 2011 ήταν Mtoe = Twh. Σχήμα 1.4: Παγκόσμια παραγωγή ενέργειας το 2011 [4] 20

21 Σχήμα 1.5: Παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας το 2013 [5] Παρατηρώντας τα παραπάνω στατιστικά μπορούμε να κατανοήσουμε την αναγκαιότητα αντιμετώπισης του «ενεργειακού προβλήματος», το οποίο έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Άνοδος στις τιμές της ενέργειας Εξάντληση των ενεργειακών πόρων Ρύπανση της ατμόσφαιρας και του περιβάλλοντος γενικότερα Συνεχόμενη αύξηση της παγκόσμιας ενεργειακής κατανάλωσης 1.2 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η συνθήκη του Κιοτο Το 1997, υπογράφτηκε μία φιλόδοξη όσο και περίπλοκη συμφωνία 141 χωρών, με δεσμευτικό χαρακτήρα, που στοχεύει στην αντιμετώπιση του φαινομένου του θερμοκηπίου και των κλιματικών αλλαγών, το πρωτόκολλο του Κιότο που πήρε το ονομά του από την παλία πρωτεύουσα της Ιαπωνίας όπου και υπογράφτηκε.το Πρωτόκολο του Κιότο τέθηκε σε ισχύ στις 7 το πρωί της 16ης Φεβρουαρίου Το βάρος πέφτει κυρίως στις βιομηχανικές χώρες, οι οποίες θα πρέπει να μειώσουν 21

22 υποχρεωτικά τους 6 βασικούς ρύπους (διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, πρωτοξείδιο του αζώτου, υδροφθοράνθρακες, υπερφθοριωμένοι υδρογονάνθρακες και εξαφθοριούχο θείο), που συνθέτουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου και κυρίως το διοξείδιο του άνθρακα κατά 5,2% ως το 2012, σε σχέση με τα επίπεδα του Όσες χώρες δεν μπορέσουν να πραγματοποιήσουν τους στόχους του Πρωτοκόλλου, έχουν τη δυνατότητα να συμμετάσχουν σ' ένα ιδιότυπο «χρηματιστήριο ρύπων». Αντί να μειώσουν τις δικές τους εκπομπές, μπορεί να χρηματοδοτήσουν προγράμματα για τη μείωση των εκπομπών σε αναπτυσσόμενες χώρες ή εάν έχουν ξεπεράσει το όριο να «πουλήσουν» το επιπλέον δικαίωμα ρύπανσης σε άλλη χώρα. Για την Ελλάδα, αντίθετα με τις βιομηχανικές χώρες, η συμφωνία προβλέπει αύξηση των ρύπων κατά 25%, ως το Όμως, η χώρα μας έχει ξεπεράσει το πλαφόν αυτό ήδη από το 2002 και σύμφωνα με μελέτη του Εθνικού Αστεροσκοπείου, η αύξηση ως 2010 θα προσεγγίσει το 39%. Αυτό σημαίνει ότι, αν δεν ληφθούν επείγοντα μέτρα, θα αντιμετωπίσει μια σειρά από κυρώσεις, όπως και οι ανεπτυγμένες χώρες που δεν θα πιάσουν τους στόχους τους. Ο μεγαλύτερος ρυπαντής στην Ελλάδα εξακολουθεί να παραμένει η ΔΕΗ. Η ενεργειακή υπερδύναμη της χώρας εξαρτά ακόμη την παραγωγή της από τα ορυκτά καύσιμα που θεωρούνται ιδιαιτέρως ρυπογόνα.το γεγονός ότι τα ορυκτά καύσιμα είναι πεπερασμένα ενώ η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας ολοένα και αυξάνεται οδήγησε πολλές κυβερνητικές υπηρεσίες και διεθνείς οργανισμούς να εκπονήσουν μελέτες προς αναζήτηση και εκμετάλλευση άλλων ενεργειακών πηγών. Πόλο έλξης αποτέλεσαν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας οι οποίες είναι «καθαρές», ανεξάντλητες και δεν χρησιμοποιούν καύσιμα. Οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας (ΑΠΕ) ή ήπιες μορφές ενέργειας, ή νέες πηγές ενέργειας, ή πράσινη ενέργεια είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχονται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεμος, η γεωθερμία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. 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. Έτσι οι ΑΠΕ θεωρούνται από πολλούς μία αφετηρία για την επίλυση των οικολογικών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η Γη. Ως «ανανεώσιμες πηγές» θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας (π.χ. του πετρελαίου ή του άνθρακα), όπως η ηλιακή και η αιολική. Ο χαρακτηρισμός «ανανεώσιμες» είναι κάπως καταχρηστικός, αφού ορισμένες από αυτές τις πηγές, όπως η γεωθερμική ενέργεια, δεν ανανεώνονται σε κλίμακα χιλιετιών. Σε κάθε περίπτωση οι ΑΠΕ έχουν μελετηθεί ως λύση στο πρόβλημα της αναμενόμενης εξάντλησης των (μη ανανεώσιμων) αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων. 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 και για τα κράτη μέλη. Οι ΑΠΕ αποτελούν τη βάση του μοντέλου οικονομικής ανάπτυξης της πράσινης οικονομίας. 22

23 1.2.2 Γενικά οι ΑΠΕ Οι βασικές ΑΠΕ είναι οι ακόλουθες: Η αιολική ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια Η γεωθερμική ενέργεια Η ενέργεια από βιομάζα Η ενέργεια από τους ωκεανούς Η υδροηλεκτρική ενέργεια Οι ήπιες μορφές ενέργειας βασίζονται κατ' ουσίαν στην ηλιακή ακτινοβολία, με εξαίρεση τη γεωθερμική ενέργεια, η οποία είναι ροή ενέργειας από το εσωτερικό του φλοιού της γης, και την ενέργεια απ' τις παλίρροιες που εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα. Οι βασιζόμενες στην ηλιακή ακτινοβολία ήπιες πηγές ενέργειας είναι ανανεώσιμες, μιας και δεν πρόκειται να εξαντληθούν όσο υπάρχει ο ήλιος, δηλαδή για μερικά ακόμα δισεκατομμύρια χρόνια. Η βιομάζα είναι ηλιακή ενέργεια δεσμευμένη στους ιστούς των φυτών μέσω της φωτοσύνθεσης, η αιολική εκμεταλλεύεται τους ανέμους που προκαλούνται απ' τη θέρμανση του αέρα, ενώ αυτές που βασίζονται στο νερό εκμεταλλεύονται τον κύκλο εξάτμισης-συμπύκνωσης του νερού και την κυκλοφορία του. Η γεωθερμική ενέργεια δεν είναι ανανεώσιμη, καθώς τα γεωθερμικά πεδία κάποια στιγμή εξαντλούνται. Οι ήπιες μορφές ενέργειας χρησιμοποιούνται είτε άμεσα (κυρίως για θέρμανση) είτε μετατρεπόμενες σε άλλες μορφές ενέργειας (κυρίως ηλεκτρισμό ή μηχανική ενέργεια). Υπολογίζεται ότι το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο ενεργειακό δυναμικό από τις ήπιες μορφές ενέργειας είναι πολλαπλάσιο της παγκόσμιας συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Η υψηλή όμως μέχρι πρόσφατα τιμή των νέων ενεργειακών εφαρμογών, τα τεχνικά προβλήματα εφαρμογής καθώς και πολιτικές και οικονομικές σκοπιμότητες που έχουν να κάνουν με τη διατήρηση του παρόντος στάτους στον ενεργειακό τομέα εμπόδισαν την εκμετάλλευση έστω και μέρους αυτού του δυναμικού. Το ενδιαφέρον για τις ήπιες μορφές ενέργειας πρωτοεμφανίστηκε τη δεκαετία του 1970, ιδιαίτερα ακριβές στην αρχή, ξεκίνησαν σαν πειραματικές εφαρμογές. Σήμερα όμως λαμβάνονται υπόψη στους επίσημους σχεδιασμούς των ανεπτυγμένων κρατών για την ενέργεια και, αν και αποτελούν πολύ μικρό ποσοστό της ενεργειακής παραγωγής, ετοιμάζονται βήματα για παραπέρα αξιοποίησή τους. Το κόστος δε των εφαρμογών ήπιων μορφών ενέργειας πέφτει συνέχεια τα τελευταία είκοσι χρόνια και ειδικά η αιολική και υδροηλεκτρική ενέργεια, αλλά και η βιομάζα, μπορούν πλέον να ανταγωνίζονται στα ίσα παραδοσιακές πηγές ενέργειας όπως ο άνθρακας και η πυρηνική ενέργεια. Ενδεικτικά, στις Η.Π.Α. ένα 6% της ενέργειας προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, ενώ στην Ευρωπαϊκή Ένωση με την οδηγία 2001/77/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου επιδιώκεται το 20% των αναγκών της σε ηλεκτρική ενέργεια να καλύπτεται από εναλλακτικές πηγές μέχρι το

24 Παρακάτω φαίνονται οι προβλέψεις της Ε.Ε για τις Α.Π.Ε μέχρι το 2020: Σχήμα 1.6: Ενεργειακές προβλέψεις της Ε.Ε μέχρι το 2020 [6] Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ΑΠΕ Από τις προηγούμενες παραγράφους έχει καταστεί σαφές ότι οι ΑΠΕ διαθέτουν ισχυρά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών πηγών. Αναλυτικότερα αυτά είναι: Είναι ανεξάντλητες. Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και προωθούν μια νέα αντίληψη για τα περιβαλλοντικά ζητήματα. Μπορούν να είναι διαθέσιμες σχεδόν στο σύνολο των χωρών του πλανήτη Έχουν χαμηλό κόστος λειτουργίας. Βοηθούν στη αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος αφού είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και καλύπτουν ανάγκες τοπικές και περιφερειακές. Αλλάζουν την οικονομική γεωγραφία και ωθούν μια περιοχή σε ανάπτυξη, αφού την καθιστούν ενεργειακά αυτάρκη, ενώ διευρύνεται η επιστημονική έρευνα και δημιουργούνται θέσεις εργασίας. Μερικά μειονεκτήματα που μπορούμε να αναφέρουμε είναι: Ο συντελεστής απόδοσης είναι σχετικά μικρός. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος για τον οποίο μέχρι σήμερα χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά στις συμβατικές πηγές. Η παροχή και η απόδοση της αιολικής, της ηλιακής και της υδροηλεκτρική ενέργειας εξαρτάται από την εποχή, από το γεωγραφικό πλάτος και από κλίμα. Δηλαδή οι πηγές τους έχουν στοχαστική συμπεριφορά. 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Ηλιακή ενέργεια 2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο ήλιος λάμπει εδώ και αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια και μέσα από τις ακτίνες του μας στέλνει μια απίστευτη ποσότητα ενέργειας. Αυτό συγκεκριμένα σημαίνει: Κάθε ώρα που λάμπει ο ήλιος φτάνει στον πλανήτη μας περισσότερη ηλιακή ενέργεια απ' ότι μπορούμε να καταναλώσουμε παγκοσμίως μέσα σε ένα χρόνο. Συνεπώς, ο ήλιος αποτελεί έναν από τους λίγους προμηθευτές ενέργειας, ο οποίος είναι σε θέση να προμηθεύσει τους πάντες με επαρκή ενέργεια. Κάθε δευτερόλεπτο, ο ήλιος μετατρέπει 500 εκατομμύρια μετρικούς τόνους υδρογόνου σε ήλιο. Στη γη, λαμβάνουμε περίπου 2x10^18 Watt(ενέργεια/ δευτερόλεπτο). Η ενέργεια που λαμβάνουμε σε ένα δευτερόλεπτο αντιστοιχεί σε αρκετή ενέργεια για την τροφοδότηση 100 κοινών λαμπτήρων φωτός για περίπου 5 εκατομμύρια έτη (περισσότερο από την ύπαρξη των ανθρώπων). Ισοδύναμα, η ενέργεια που στέλνει στη γη ο ήλιος, αντιστοιχεί στην ενέργεια που θα παρήγαγαν περισσότεροι από 150 εκατομμύρια μεγάλοι σταθμοί παραγωγής. Η χρήση της όμως περιλαμβάνει πολλές δυσκολίες λόγω της ημερήσιας ανισοκατανομής της ακτινοβολίας και της διασποράς της. Η ακτινοβολούμενη από τον ήλιο ενέργεια είναι 600 φορές μεγαλύτερη από τις εκτιμώμενες παγκόσμιες ανάγκες του 2050.Γι' αυτόν ακριβώς τον λόγο ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί μια καλή επένδυση. Όμως στην επιφάνεια της γης φτάνει ένα πολύ μικρό ποσοστό καθιστώντας αναγκαίο την κατασκευή συστημάτων χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης για την εκμετάλλευση της. 2.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Για να κατανοήσουμε την αυξητική τάση της χρήσης της ηλιακής ενέργειας πρέπει να δούμε τα βασικά συγκριτικά της πλεονεκτήματα: Ανεξάντλητη. Σε αντίθεση με τις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ( π.χ. ορυκτά καύσιμα, άνθρακα και πυρηνική ενέργεια). Θα υπάρχει για όσο διάστημα ο ήλιος είναι ζωντανός (άλλα εκατομμύρια χρόνια, σύμφωνα με τη NASA). Άφθονη.Το δυναμικό της ηλιακής ενέργειας είναι πέρα από κάθε φαντασία. Η επιφάνεια της γης δέχεται TeraWatt από την ηλιακή ακτινοβολία (ηλιακό φως), φορές περισσότερη ενέργεια από ό, τι είναι απαραίτητο για τον εφοδιασμό της σε ολόκληρο τον κόσμο. Βιώσιμη. Ικανοποιούν τις ανάγκες του παρόντος χωρίς να διακυβεύεται η ικανότητα των μελλοντικών γενεών να ικανοποιήσουν τις ανάγκες τους. Με άλλα λόγια, η ηλιακή ενέργεια είναι βιώσιμη διότι δεν υπάρχει κανένας τρόπος που μπορούμε να την υπέρ- καταναλώνουμε. Φιλική προς το περιβάλλον. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας γενικά δεν προκαλεί ρύπανση. Ωστόσο, υπάρχουν και εκπομπές που συνδέονται με την παραγωγή, τη μεταφορά και την εγκατάσταση των ηλιακών συστημάτων παραγωγής ενέργειας - σχεδόν τίποτα σε σύγκριση με τις περισσότερες συμβατικές πηγές ενέργειας. 25

26 Ευρέως διαθέσιμη. Η ηλιακή ενέργεια είναι διαθέσιμη σε όλο τον κόσμο. Δεν είναι μόνο οι χώρες που βρίσκονται πιο κοντά στον ισημερινό που μπορούν χρησιμοποιήσουν την ηλιακή ενέργεια, για παράδειγμα η Γερμανία, έχει μακράν τα υψηλότερα ποσοστά εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας στον κόσμο. Μειώνει το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας. Με την εισαγωγή του net metering και συστήματα ( FIT ) feed - in tariff, οι ιδιοκτήτες σπιτιών μπορούν τώρα να " πουλήσουν " το πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας, ή να λαμβάνουν πιστώσεις, όταν παράγουν περισσότερη ενέργεια από ό, τι πραγματικά καταναλώνουν. Αυτό σημαίνει ότι οι ιδιοκτήτες σπιτιού μπορούν να μειώσουν τις συνολικές δαπάνες τους σε ηλεκτρική ενέργεια με τη χρήση φωτοβολταϊκού συλλεκτών. Πλήθος εφαρμογών. Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολλούς διαφορετικούς σκοπούς. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μέρη που δεν διαθέτουν σύνδεση με το δίκτυο, για την απόσταξη νερού στην Αφρική, ή ακόμη και σε δορυφόρους στο διάστημα. Αθόρυβη. Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη που εμπλέκονται στις περισσότερες εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας. Δεν υπάρχει θόρυβος που σχετίζονται με τα φωτοβολταϊκά. Διαφέρει ευνοϊκά με ορισμένες άλλες πράσινες τεχνολογίες, όπως οι ανεμογεννήτριες. Οικονομική στήριξη από το κράτος. Κρατικές επιδοτήσεις είναι διαθέσιμες για την πλειοψηφία των ιδιοκτητών ακινήτων. Αυτό σημαίνει ότι το πραγματικό κόστος των ηλιακών συλλεκτών είναι πολύ λιγότερο από ό, τι ήταν στο παρελθόν. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η τιμή ενός οικιακού φωτοβολταϊκού συστήματος μπορεί να μειωθεί περισσότερο από 50 %. Ελάχιστη Συντήρηση. Η πλειοψηφία των συστημάτων ηλιακής ενέργειας δεν απαιτούν πολλή συντήρηση. Κατοικίες με ηλιακούς συλλέκτες συνήθως απαιτούν τον καθαρισμό μια-δυο φορές το χρόνο μόνο. Συνεχόμενη τεχνολογική εξέλιξη. Τεχνολογικές εξελίξεις συνεχώς γίνονται στην ηλιακή βιομηχανία ενέργειας. Η καινοτομία στον τομέα της νανοτεχνολογίας και την κβαντική φυσική έχει τη δυνατότητα να τριπλασιάσει την ηλεκτρική παραγωγή των ηλιακών συλλεκτών. Τα κυριότερα μειονεκτήματα, που μπορούμε να εντοπίσουμε είναι: Ακριβή. Το κύριο μειονέκτημα της ηλιακής ενέργειας είναι το αρχικό κόστος. Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι συγκριτικά αρκετά ακριβοί, κυρίως λόγω του κόστους υλικών και της πολυπλοκότητας του σχεδιασμού της. Αυτό μπορεί μερικές φορές, να αποδειχθεί αποτρεπτικό ειδικά στην περίπτωση της οικιακής κατανάλωσης για άτομα που σχεδιάζουν μια στροφή προς την ηλιακή ενέργεια. Διαλείπουσα. Η ηλιακή ενέργεια είναι μια διαλείπουσα πηγή ενέργειας. Η πρόσβαση στο φως του ήλιου περιορίζεται σε ορισμένες περιόδους (π.χ. πρωί και βράδυ ). Ημέρες με νεφώσεις μπορεί να επηρεάσουν την παραγόμενη ενέργεια. Ακριβή αποθήκευση ενέργειας. Συστήματα αποθήκευσης ενέργειας όπως οι μπαταρίες θα βοηθήσουν την εξομάλυνση της ζήτησης και του φορτίου, καθιστώντας την ηλιακή ενέργεια πιο σταθερή, αλλά αυτές οι τεχνολογίες είναι επίσης ακριβές. Ευτυχώς όμως υψηλότερη ενεργειακή ζήτηση υπάρχει κυρίως την ημέρα. 26

27 Που σχετίζονται με τη ρύπανση. Ενώ η ηλιακή ενέργεια είναι σίγουρα λιγότερο ρυπογόνα από τα ορυκτά καύσιμα, υπάρχουν κάποια προβλήματα. Τριφθοριούχο άζωτο και εξαφθοριούχο θείο έχει εντοπιστεί στην παραγωγή ηλιακών συλλεκτών. Αυτά είναι μερικά από τα πιο ισχυρά αέρια θερμοκηπίου και έχουν πολλαπλάσιες επιπτώσεις στην υπερθέρμανση του πλανήτη σε σύγκριση με το διοξείδιο του άνθρακα. Η μεταφορά και εγκατάσταση των ηλιακών συστημάτων παραγωγής ενέργειας μπορεί επίσης έμμεσα να προκαλέσει ρύπανση. Δεν υπάρχει τίποτα που να είναι εντελώς ακίνδυνο στον κόσμο της ενέργειας, αλλά η ηλιακή ενέργεια είναι πολύ πιο ακίνδυνη σε σύγκριση με όλες τις άλλες τεχνολογίες. Εξωτικά Υλικά. Ορισμένα ηλιακά κύτταρα κατασκευάζονται από υλικά τα οποία είναι ακριβά και σπάνια στη φύση. Συγκεκριμένα ηλιακά κύτταρα τεχνολογίας λεπτού film βασίζονται είτε σε τελλουριούχο κάδμιο ( CdTe ) ή χαλκού ινδίου γάλλιο σεληνιούχο ( CIGS). Απαιτεί χώρο. Πυκνότητα ισχύος, ή Watt ανά τετραγωνικό μέτρο ( W / m²), είναι απαραίτητη όταν κοιτάζοντας πόση ισχύς μπορεί να παράγεται από μια συγκεκριμένη επιφάνεια. Χαμηλή πυκνότητα ισχύος δείχνει ότι χρειάζεται πάρα πολύ επιφάνεια για να παρέχει την ισχύ που απαιτείται.η παγκόσμια μέση πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας είναι 170 W / m². Αυτό είναι περισσότερο από ό, τι οποιαδήποτε άλλη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, αλλά δεν μπορεί να συγκριθεί με το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και την πυρηνική ενέργεια. 2.2 Η ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Παγκόσμια Σχήμα 2.1: Παγκόσμια παραγωγή ενέργειας από φωτοβολταϊκά το 2014 [7] Η παραγωγή ενέργειας από τον ήλιο έχει αυξηθεί ραγδαία σε απάντηση στην αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης, αρχικά στην Ευρώπη, την Ιαπωνία και τις Ηνωμένες Πολιτείες. Στη συνέχεια τα ηνία στην παραγωγή πήρε η Κίνα η οποία 27

28 επέκτεινε την παραγωγική της δύναμη μαζικά για να ανταποκριθεί στην αυξανόμενη διεθνή ζήτηση σε φωτοβολταικά. Τα τελευταία χρόνια η ικανότητα παραγωγής ενέργειας επεκτάθηκε πολύ πιο γρήγορα από ό, τι η ζήτηση για φωτοβολταϊκά πάνελ. Το 2013, τα στατιστικά στοιχεία της αγοράς δείχνουν μια αναπτυσσόμενη αγορά, για πρώτη φορά μετά από δύο χρόνια σταθερότητας εξαιτίας της παγκόσμιας κρίσης. Τουλάχιστον 36,9 GW ενέργειας από φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν εγκατασταθεί παγκοσμίως και συνδεθεί με το δίκτυο το περασμένο έτος. Μερικά ενδεικτικά στοιχεία που μαρτυρούν αυτή την αυξηση παρατείθονται παρακάτω : - Η παγκόσμια αγορά φωτοβολταϊκών αυξήθηκε σε τουλάχιστον 38GW το 2013, σε σύγκριση με 29 GW τα τελευταία δύο χρόνια. -Η Ασία κατατάσσεται στην πρώτη θέση το 2013 με πάνω από 59 % της παγκόσμιας αγοράς φωτοβολταϊκών. - Η αγορά στην Ευρώπη μειώθηκε σημαντικά από 22 GW το 2011 σε 17 GW το 2012 και 10,3 GW το 2013 Για πρώτη φορά από το 2003, η Ευρώπη δεν είναι πλέον η κορυφαία PV αγορά στον κόσμο. - Οι ασιατικές αγορές παρουσίασαν την υψηλότερη αύξηση ( % ) και η Κίνα πήρε την πρώτη θέση με 11,3 GW από διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα, μπροστά από την Ιαπωνία με 6,9 GW και τις ΗΠΑ με 4,75 GW. Στην τέταρτη θέση, με 3,3 GW είναι η Γερμανία η πρώτη ευρωπαϊκή χώρα σε PV. - Στις 10 πρώτες χώρες, υπάρχουν 4 χώρες της Ασίας - Ειρηνικού ( Κίνα, Ιαπωνία, Ινδία,Αυστραλία ), 5 ευρωπαϊκές χώρες ( Γερμανία, Ιταλία, Ηνωμένο Βασίλειο, Ελλάδα και Ρουμανία ), καθώς και μια χώρα στην περιοχή της Αμερικής ( ΗΠΑ ). - Η Γερμανία, η Ιταλία και η Ελλάδα έχουν αρκετή δυναμικότητα φωτοβολταϊκής ενέργειας και παράγουν αντίστοιχα 6,2 %,7,8 % και 5,8 % της ετήσιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας τους με PV. Επίσης 15 χώρες έχουν αρκετά PV να παράγουν τουλάχιστον το 1 % της ζήτησης τους σε ηλεκτρικής ενέργειας με PV. - Τα PV αντιπροσωπεύουν το 3 % της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη και το 6 % της αιχμής της ηλεκτρικής ενέργειας ζήτηση. - Τα PV αντιπροσωπεύουν τουλάχιστον το 0,85 % της συνολικής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας ποσοστό που αναμενόταν να φθάσει το 1 % το χώρες είχαν τουλάχιστον 1 GW συσωρευτική χωρητικότητα φωτοβολταϊκών συστημάτων στο τέλος του 2013 και 9 χώρες πλησίαζαν το 1 GW το ίδιο έτος. 28

29 Σχήμα 2.2: Οι 10 πρώτες χώρες του κόσμου σε εγκατάσταση φωτοβολταϊκών το 2013 [8] Ευρώπη Σχήμα 2.3: Οι φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις στην Ευρώπη ανά χώρα το 2013[9] Το 2013 ηγερμανία εγκατέστησε 3,3 GW, μετά από 7,5 GW που εγκαθιστούσε ετησίως τα τρία προηγούμενα έτη. Αυτό συνέβη στο πλαίσιο των μειωμένων τιμολογίων τροφοδότησης,τις πιο περιοριστικές ρυθμίσεις για την χρησιμότητα κλίμακας φωτοβολταϊκών και την πολιτική βούληση για τη μείωση του κόστους των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας. Η συνολική εγκατεστημένη φωτοβολταϊκή ικανότητα αυτή τη στιγμή της Γερμανιάς είναι περισσότερο από 35,5 GW, η οποία εξακολουθεί να είναι η υψηλότερη χωρητικότητα στον κόσμο. Στην Ιταλία εγκατέστησαν το ,5 GW φωτοβολταϊκών συστημάτων, σε σύγκριση με 9,3 GW το 2011 και 3,6 GW το Η Ιταλική κυβέρνηση περιόρισε το κόστος που βαρύνει την ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές. 29

30 Αρκετές ευρωπαικές χώρες έχουν εγκαταστήσει κοντά στο 1 GW φωτοβολταϊκών συστημάτων, συγκεκριμένα το Ηνωμένο Βασίλειο εγκατέστησε τουλάχιστον 1 GW, η Ελλάδα με 1,04 GW και η Ρουμανία με 1,1 GW. Η Γαλλία εγκατέστησε 613 MW. Στην Ευρώπη, τα συστήματα net-μέτρησης επέτρεψαν στην αγορά φωτοβολταικών να αναπτυχθεί σε διάφορες χώρες. Το Βέλγιο διείσδυσε τα φωτοβολταϊκά στον οικιακό τομέα με 1 στα 13 νοικοκυριά να είναι εξοπλισμένα με φωτοβολταϊκά συστήματα. Στη Δανία, περίπου 160 MW εγκαταστάθηκαν το 2013 μετά την αλλαγή του συστήματος net - μέτρησης που δεν επέτρεπε την επανάληψη του επιπέδου των 300 MW του Το ίδιο και η Ολλανδία, με 320 MW να έχουν εγκατασταθεί. Στις αγορές των φωτοβολταικών μπήκε και η Ελβετία με 300 MW και η Αυστρία με 220 MW. Από την άλλη ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες που στο παρελθόν είχαν μπει δυναμικά έχουν πλέον σταματήσει ή εγκατέστησαν ελάχιστα PV όπως η Ισπανία με συνολικά 5,56 GW φωτοβολταϊκών συστημάτων και με λιγότερο από 150 MW νέες προσθήκες στα πλαίσια μιας δύσκολης οικονομικής κρίσης και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αγορά στο Βέλγιο ανήλθε κάτω από MW στο πλαίσιο της μείωσης των επιδοτήσεων, καθώς και των συζητήσεων για πρόσθετο κόστος του δικτύου. Η εγκατεστημένη ισχύς του Βελγίου έχει φτάσει πλέον κοντά στα 3 GW. Στην Τσεχική Δημοκρατία 88 MW είχαν εγκατασταθεί για μια συνολική χωρητικότητα πάνω από 2,16 GW. Σχήμα 2.4: Η αγορά φωτοβολταϊκών στην Ευρώπη ανά χώρα το 2013[10] 30

31 2.2.3 Ελλάδα Ενδεικτικά το 2012 η Ελλάδα, κατέλαβε την τέταρτη θέση στην Ευρώπη και την έβδομη διεθνώς σε ότι αφορά την νέα εγκατεστημένη ισχύ φωτοβολταϊκών. Συγκεκριμένα, εγκαταστάθηκαν 912 MW φωτοβολταϊκών το 2012 ή αντίστοιχα το 88% όλης της νέας ισχύος ΑΠΕ που προστέθηκε εκείνη τη χρονιά και το ,04 GW.Τα φωτοβολταϊκά κάλυψαν πάνω από το 3% των αναγκών της χώρας σε ηλεκτρική ενέργεια, παράγοντας 1,7 δισ. κιλοβατώρες (1,7 TWh) ή αλλιώς το 30% όλης της πράσινης ενέργειας το 2012.Χάρη στα φωτοβολταϊκά, το 2012 αποφεύχθηκε η έκλυση 1,12 εκατ. τόνων διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Φέτος, η Ελλάδα παρήγαγε 2,5 GW αυξάνοντας την παραγωγή της κατα 0.8 GW, καταλαμβάνοντας την δέκατη έκτη θέση διεθνώς. Σχήμα 2.5: Ετήσια παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας στην Ελλάδα [11] 31

32 Σχήμα 2.6: Χάρτης με την κατανομή της ηλιακής παραγωγής της ενέργειας ανά την ελληνική επικράτεια [12] 2.3 ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΜΕΧΡΙ ΤΟ 2018 Στο χειρότερο σενάριο, η παγκόσμια αγορά θα μπορούσε να παραμείνει μεταξύ 35 και 39 GW ετησίως για τα πέντε επόμενα χρόνια. Ο συνδυασμός της μείωσης της δυναμικότητας των ευρωπαϊκών αγορών και η δυσκολία δημιουργίας νέων σταθερών αγορών στις αναδυόμενες χώρες προκαλεί στασιμότητα στην αγοράς.σημαντικές αγορές εκτός Ευρώπης αύξησαν το 2013 την παραγωγή τους και χωρίς τα GW που χάθηκαν στην Ευρώπη, η παγκόσμια ανάπτυξη φωτοβολταϊκών στην αγορά θα μπορούσε να φτάσει πολύ πάνω από 400 GW. 32

33 Σχήμα 2.7: Σενάρια για την εξέλιξη της αγοράς των φωτοβολταϊκών στον κόσμο το 2018 [13] Στο καλύτερο σενάριο, η ευρωπαϊκή αγορά των PV θα πρέπει να αυξηθεί 17 GW πέντε έτη από τώρα. Σε κάθε περίπτωση, η παγκόσμια αγορά θα μπορούσε φτάσει πάνω από 68,6 GW το Σχήμα 2.8: Εκτίμηση της αύξησης των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων στο πλανήτη μέχρι το 2018 [14] 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Φωτοβολταϊκά συστήματα Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας διαιρείται σε τρείς βασικές κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα και τέλος τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, με σκοπό τη θέρμανση νερού, τη θέρμανση χώρων και πολλές άλλες χρήσεις (οικιακές, βιομηχανικές κλπ). Τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου, με την κατασκευή φωτοβολταϊκών γεννητριών. 3.1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι η φυσική διαδικασία κατά την οποία ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Το ηλιακό φως αποτελείται από φωτόνια. Τα φωτόνια περιέχουν διάφορα ποσά ενέργειας τα οποία αντιστοιχούν στα διάφορα μήκη κύματος του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας. Όταν τα φωτόνια προσπίπτουν σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, ή θα ανακλαστούν ή θα απορροφηθούν ή θα το διαπεράσουν. Αυτά που απορροφώνται αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του φωτοβολταϊκού κυττάρου να μετακινηθούν και έτσι παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα. Τα υλικά που υπάρχουν στη φύση χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες σε σχέση με τα ηλεκτρικά τους χαραρακτηριστικά, τους αγωγούς του ηλεκτρισμού, τους μονωτές και με τους ημιαγωγούς. Από αυτές τις τρεις κατηγορίες, τα υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των προσπιπτόντων φωτονίων σε ηλεκτρική ενέργεια είναι οι ημιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται η τεράστια τεχνολογική πρόοδος που έχει συντελεστεί στον τομέα της ηλεκτρονικής,της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. Ένας ημιαγωγός έχει την ιδιότητα να μπορεί να ελεχθεί η ηλεκτρική του αγωγιμότητα είτε μόνιμα είτε δυναμικά. Το χαρακτηριστικό στοιχείο ενός ημιαγωγού που το διαφοροποιεί από τα υπόλοιπα υλικά είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων ενός ατόμου που βρίσκονται στην εξωτερική του στοιβάδα. Ο πιο γνωστός ημιαγωγός είναι το πυρίτιο (Si). Το πυρίτιο έχει ατομικό αριθμό 14 και έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 4 ηλεκτρόνια. Η εξωτερική στοιβάδα είναι συμπληρωμένη όταν έχει 8 ηλεκτρόνια. Όταν τα άτομα έχουν λιγότερα ή περισσοτερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στοιβάδα αναζητούν άλλα άτομα προκειμένου να ανταλλάξουν ή να μοιρασθούν ηλεκτρόνια ώστε να συμπληρώσουν την εξωτερική τους στοιβάδα. Σε αυτή την ιδιότητα των ατόμων οφείλεται η κρυσταλλική δομή του πυριτίου αφού όταν συνυπάρχουν πολλά άτομα μαζί διατάσσονται με τέτοιο τρόπο ώστε να συνεισφέρουν ηλεκτρόνια με όλα τα γειτονικά τους άτομα και με αυτόν τον τρόπο να αποκτούν μια συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα και κρυσταλλική δομή. Αυτή είναι η καθοριστική ιδιότητα που έχουν τα κρυσταλλικά υλικά. Στην κρυσταλλική του μορφή όμως το πυρίττιο είναι σταθερό. Δεν έχει ανάγκη ούτε να προσθέσει ούτε να διώξει ηλεκτρόνια κάτι που ουσιαστικά του δίνει ηλεκτρικά χαρακτηριστικά πολύ κοντά σε αυτά ενός μονωτή αφού δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια για την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στο εσωτερικό του. 34

35 Το πυρίτιο αποκτά τις ημιαγωγικές του ιδιότητες με τεχνικό τρόπο. Συγκεκριμένα, η πρόσμειξη με άλλα στοιχεία τα οπόια έχουν ένα ηλεκτρόνιο περισσότερο ή λιγότερο στην εξωτερική τους στοιβάδα κάνει τον κρύσταλλο δεκτικό είτε σε θετικά (υλικό τύπου p) είτε σε αρνητικά (υλικό τύπου n). Ένας ημιαγωγός τύπου p (θετικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτιόυ) δημιουργείται με την πρόσμειξη στον κρύσταλλο κάποιου υλικού όπως το βόριο που έχει 3 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα. Αντίστοιχα, ένας ημιαγωγός τύπου n (αρνητικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτίου) δημιουργείται με την πρόσμειξη ενός υλικού με 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα όπως το Αρσένιο. Εάν δύο κομμάτια πυριτίου τύπου n και τύπου p έρθουν σε επαφή το ένα απέναντι από το άλλο δημιουργείται μια δίοδος (ηλεκτρικό πεδίο) στην επαφή των δύο υλικών το οποίο επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων προς μια κατεύθυνση μόνο.τα επιπλέον ηλεκτρόνια της επαφής n έλκονται από τις οπές της επαφής p. Αυτό το ζευγάρι των δύο υλικών είναι το δομικό στοιχείο του φωτοβολταικού κελιού και η βάση της φωτοβολταικής τεχνολογίας. Σχήμα 3.1: Μία p-n επαφή πυριτίου [15] Η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει σε ένα φωτοβολταϊκό κελί με την μορφή πακέτων ενέργειας ή φωτονίων τα οποία περνούν αδιατάραχα την επαφή τύπου n και χτυπούν τα άτομα της περιοχής p. Τα ηλεκτρόνια της περιοχής τύπου p κινούνται μεταξύ των οπών ώσπου τελικά φτάνουν στη περιοχή της διόδου όπου και έλκονται από το θετικό πεδίο της περιοχής. Όταν ξεπεράσουν το ενεργειακό χασμα της περιοχής είναι αδύνατον να επιστρέψουν μετά. Σημειώνεται ότι μόνο τα φωτόνια που η ενέργεια τους είναι μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα μπορούν να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια της περιοχής τύπου p ώστε να ξεπεράσουν το ενεργειακό χάσμα. Στην επαφή nυπάρχει πλέον μια περίσσεια ηλεκτρονίων η οποία μπορεί να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. εάν μια διάταξη, για παράδειγμα ένας μεταλλικός αγωγός, τοποθετηθεί στο πάνω μέρος της επαφής n και στο κάτω της επαφής p, καθώς και ένα φορτίο ενδιάμεσα με τέτοιο τρόπο ώστε να κλείσει ένας αγώγιμος δρόμος για το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται. Αυτή είναι η γενική αρχή λειτουργίας του φωτοβολταϊκού φαινομένου. 35

36 3.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Το ηλιακό κύτταρο είναι ένας κατάλληλα επεξεργασμένος ημιαγωγός λεπτού πάχους σε επίπεδη επιφάνεια. Το σχήμα του είναι τετράγωνο, με πλευρά mm. Δύο τύποι πυριτίου χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία φωτοβολταικών στοιχείων:το άμορφο και το κρυσταλλικό πυρίτιο,ενώ το πυρίττιο διακρίνεται σε μονοκρυσταλλικό και πολυκρυσταλλικό. Εκτός από το πυρίτιο χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά για την κατασκεύη των φωτοβολταικών στοιχείων, όπως το κάδμιο- τελούριο (CdTe) και ο ινοδισεληνιούχος χαλκός. Σε αυτές τις κατασκευές, η μορφή του στοιχείου διαφέρει σημαντικά από αυτή του κρυσταλλικού πυριτίου. Τα ηλιακά κύτταρα δε χρειάζονται ποτέ επαναφόρτιση όπως χρειάζεται μια μπαταρία. Μερικά είναι σε συνεχή υπαίθρια λειτουργία στη γη ή στο διάστημα για πάνω από 30 έτη. Όταν το φως του ήλιου προσπίπτει απευθείας σε ένα ηλιακό κύτταρο, η θερμοκρασία του κυττάρου είναι περίπου o C μεγαλύτερη από την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Κατά συνέπεια, τα κύτταρα μπορούν να παράγουν την ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να λειτουργούν σε υψηλή θερμοκρασία και χωρίς κινητά μέρη. Σημειώνεται ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν επηρεάζεται από χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες, επομένως σε συνθήκες ηλιοφάνειας το χειμώνα η απόδοση είναι δυνατόν να είναι μεγαλύτερη απ ότι το καλοκαίρι. Το πυρίτιο, ένα από τα αφθονότερα υλικά στη γη, είναι ο ημιαγωγός που χρησιμοποιείται σε κρυστάλλινη μορφή στο 90% των φωτοβολταικών εφαρμογών σήμερα. είναι: Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής φωτοβολταϊκών στοιχείων σήμερα, Τεχνολογία κρυσταλλικού πυριτίου: i) Τα στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι τα πιο διαδεδομένα και κατασκευάζονται σε κυλίνδρους ανεπτυγμένου πυριτίου, με απόδοση που φτάνει το 26 % στο εργαστήριο και το 20% σε μαζική παραγωγή. ii) Τα στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευάζονται από χυτό πυρίτιο και έχουν απόδοση περίπου 15%. Τεχνολογία λεπτού υμενίου Thin film : Τα πλαίσια κατασκευάζονται με πολύ λεπτές στρώσεις φωτοευαίσθητου υλικού σε βάση από γυαλί, πλαστικό ή ανοξείδωτο χάλυβα. Έχουν χαμηλότερο κόστος παραγωγής που εξισορροπεί το χαμηλότερο βαθμό απόδοσης. Σήμερα υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι πλαισίων αυτής της τεχνολογίας: i)άμορφου πυριτίου (asi) ii) Copper Indium Diselenide (CIS) ή Copper Indium Galliumdi Selenide (CIGS) και iii) από τελουρίδιο του καδμίου (CdTe). Έχουν πάχος ελάχιστων χιλιοστών, επιτρέποντας έτσι καλύτερες εφαρμογές ενσωμάτωσης. Η μικροκρυσταλλική τεχνολογία, ιδίως ο συνδυασμός του άμορφου πυριτίου και μικροκρυστάλλων πυρίτιου (a-si/m-si), είναι μια νέα πρόταση, με ενθαρρυντικά αποτελέσματα. 36

37 Σχήμα 3.2: Φωτοβολταϊκό κύτταρο τεχνολογίας thin-film [16] Η απαιτούμενη επιφάνεια φωτοβολταϊκών πλαισίων ανά εγκατεστημένο kwp εξαρτάται από την τεχνολογία που θα επιλεγεί (μονοκρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό, λεπτού υμένα-thin film, κ.α.). Ανάλογα τον τύπο φωτοβολταϊκού που θα χρησιμοποιηθεί, απαιτείται επιφάνεια 6 έως 20m 2 για την εγκατάσταση 1 kw. Εάν επιλεγεί η τεχνολογία thin film τότε απαιτείται σχεδόν διπλάσιος χώρος. Σχήμα 3.3: Πολυκρυσταλλικό και Μονοκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό κύτταρο αντίστοιχα [17], [18] 3.3 ΔΟΜΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από τα εξής υποσυστήματα: Τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με τη μηχανική υποστήριξη και πιθανόν ένα σύστημα παρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς (ηλιοστάτης ). Τις μπαταρίες (υποσύστημα αποθήκευσης). Τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος. Τον ρυθμιστή φορτιόυ. Μια συσκευή ελέγχου για μέτρηση και παρατήρηση της ισχύος. Μια εφεδρική γεννητρία. 37

38 Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια αποτελούν τη βασική μονάδα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους και δημιουργούν τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Σχήμα 3.4: Φωτοβολταϊκή εγκατάσταση στην Ελλάδα [19] 38

39 3.4 ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΑΙ I-V ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ Τα ηλιακά κύτταρα αναπαρίστανται με ένα ηλεκτρικό ισοδύναμο μοντέλο μίας διόδου, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα: Σχήμα 3.5: Ισοδύναμο μοντέλο ηλιακού κυττάρου [20] Το μοντέλο περιέχει μία πηγή σταθερού ρεύματος I ph (φωτόρευμα), μία ιδανική δίοδο και έπειτα υπάρχει το τμήμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου με μία αντίσταση σειράς R s, που έχει τιμή από 0.1 Ω έως 0.3 Ω και αντιπροσωπεύει την εσωτερική αντίσταση του κύτταρου, που παρεμβάλλεται στην κίνηση των φορέων μέσα στον ημιαγωγό και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια. Ακόμα, το ισοδύναμο κύκλωμα περιέχει την παράλληλη αντίσταση R p, η οποία έχει τιμή μεγαλύτερη από 1000 Ω. Η εξίσωση του ρεύματος εξόδου του κυττάρου ειναι: Ι = I ph I 0 {exp [ q(v+ir s) ] 1} V+R s (3.1) ΑKT R p όπου: Ι: ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου I ph : φωτόρευμα I 0 : ρεύμα κόρου διόδου q: φορτίο ηλεκτρονίου V: τάση στην έξοδο του κυττάρου R s : σε σειρά αντίσταση του κυττάρου Α: σταθερά με τιμές μεταξύ 1 και 2 39

40 R p : παράλληλη αντίσταση Αν θεωρήσουμε την παράλληλη αντίσταση R p άπειρη τότε η παραπάνω σχέση απλοποιείται και γίνεται: όπου: Λ = Ι = I ph I 0 {e Λ(V+I)R s 1} (3.2) q ΑΚΤ (3.3) Από την παραπάνω εξίσωση μπορούμε να συμπεράνουμε ότι κατά τη διάρκεια της νύχτας, τα ηλιακά κύτταρα λειτουργούν σαν δίοδοι. Δεν παράγουν ούτε ρεύμα ούτε τάση. Ωστόσο, αν συνδεθεί με εξωτερική παροχή τάση, τότε παράγει ένα ρεύμα, που ονομάζεται ρεύμα διόδου I D. Επομένως, αφού το φωτοβολταϊκό κύτταρο προσομοιώνεται με μια δίοδο έχει και ανάλογη συμπεριφορά. Συγκεκριμένα, η τάση των φωτοβολταϊκών στοιχείων μεταβάλλεται μη γραμμικά σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος που δίνουν στο κύκλωμα, ακόμα και στην περίπτωση που η ακτινοβολία που δέχονται παραμένει σταθερή,μεταβολή που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.6: Ι-V χαρακτηριστική καμπύλη φωτοβολταϊκής συστοιχίας [21] Σκοπός επομένως του ισοδύναμου κυκλώματος είναι να περιγράψει με επαρκή ακρίβεια την καμπύλη I-Vκαι να δείξει τη λειτουργία συσκευών ελέγχου και μέτρησης που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα (π.χ. ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος, ΜPPT). Επίσης με την βοήθεια του ισοδύναμου κυκλώματος, μπορεί να καθοριστεί το σημείο μέγιστης ισχύος στο φωτοβολταϊκό, ανάλογα με τις συνθήκες θερμοκρασίας και ακτινοβολίας που επικρατούν. Για να βρούμε αυτό το σημείο αρχικά θα πρέπει να υπολογιστεί η κλίση της χαρακτηριστικής καμπύλης. Το σημείο μέγιστης ισχύος (MPP-maximum power point) βρίσκεται στην χαρακτηριστική καμπύλη στο σημείο, όπου αυτή έχει κλίση ίση με τη μονάδα. Παρατηρώντας αυτήν την χαρακτηριστική μπορούμε να καταλήξουμε στα εξής συμπεράσματα: Στην κατάσταση βραχυκυκλώματος, η ένταση του ρεύματος παίρνει τη μέγιστη τιμή I sc, ενώ η τάση θα μηδενιστεί. 40

41 Αντίθετα, όταν η τιμή της αντίστασης τείνει στο άπειρο, δηλαδή στην κατάσταση ανοιχτού κυκλώματος, η ένταση του ρεύματος μηδενίζεται, αλλά η τάση παίρνει την τιμή V oc, τάση ανοιχτοκύκλωσης, που αναφέρεται στην πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου, δηλαδή την τάση του κυττάρου τη νύχτα. Σημείο μέγιστης ισχύος, είναι το σημείο Α της χαρακτηριστικής στο οποίο η παραγόμενη ισχύς παίρνει τη μέγιστη τιμή της κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC), η οποία είναι P max =I max V max. (3.4) Από την I-V χαρακτηριστική προκύπτει και ο συντελεστής πληρώσεως Fill- Factor, ο οποίος ισούται με το λόγο: FF = P max V oc I sc = I max V max V oc I sc.(3.5) Αντιπροσωπεύει το λόγο του εμβαδού του μέγιστου ορθογωνίου που μπορεί να εγγραφεί στη χαρακτηριστική καμπύλη I-V του στοιχείου υπό συνθήκες ακτινοβόλησης, προς το εμβαδό που ορίζεται από τις τιμές V oc, I sc. Οι τιμές που μπορεί να πάρει είναι μεταξύ 0 και 1. Όσο πιο κοντά στην μονάδα είναι τόσο περισσότερο η λειτουργία του φωτοβολταϊκού πλαισίου πλησιάζει την ιδανική συμπεριφορά της πηγής ρεύματος στην περιοχή τάσεων 0 V oc. Τυπικές τιμές για ένα φωτοβολταϊκο με καλή ενεργειακή απόδοση είναι ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Ο βαθμός απόδοσης εκφράζει το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια στο φωτοβολταϊκό στοιχείο και ορίζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής ισχύος P mαχ που αποδίδεται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο στο σημείο μέγιστης ισχύος προς την προσπίπτουσα ισχύ ακτινοβολίας P in. η = P max = I max V max = V oc I sc FF (3.6) P in P in P in Τα πρώτα φωτοβολταικά που σχεδιάστηκαν τον 19 ο αιώνα, είχαν 1-2% απόδοση ενώ το 1954 δημιουργήθηκαν τα πρώτα φωτοβολταικά στοιχεία πυριτίου με απόδοση 6%. Ο βαθμός απόδοσης συνεχώς αυξάνεται με την πάροδο των χρόνων. Η αύξηση της απόδοσης ακόμα και κατά μια ποσοστιαία μονάδα θεωρείται επίτευγμα στην τεχνολογία των φωτοβολταικών. Σήμερα, ο τυπικός βαθμός απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου βρίσκεται στο 13-19%. Αυτή η τιμή του βαθμού απόδοσης είναι αρκετά χαμηλή εάν συκριθεί με την απόδοση άλλου συστήματος (συμβατικού, αιολικού, υδροηλεκτρικού κλπ.). Το φωτοβολταικό σύστημα καταλαμβάνει μεγάλη επιφάνεια προκειμένου να αποδώσει την επιθυμητή ηλεκτρική ισχύ. Ωστόσο, η απόδοση ενός συστήματος μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών σε ηλιοστάτη. Ο ηλιοστάτης είναι μια μηχανολογική διάταξη πάνω στη οποία τοποθετείται η φωτοβολταϊκή γεννήτρια ώστε το σύστημα να μπορεί να περιστρέφεται μέσω των ειδικών εξαρτημάτων και του λογισμικού που διαθέτει. Όταν ένα σύστημα δεν διαθέτει τη δυνατότητα μετακίνησης ώστε να παρακολουθεί την πορεία του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας, η απόδοσή του δεν είναι η βέλτιστη δυνατή. Επομένως εάν οι ανάγκες της εγκατάστασης σε ισχύ αυξηθούν, η μόνη λύση είναι η προσθήκη περισσότερων πάνελ (αύξηση της ωφέλιμης επιφάνειας). Όμώς, συκριτικά με την αγορά επιπλέον φωτοβολταικών πάνελ, η αγορά ενός ηλιοστάτη είναι στις περιπτώσεις πιο 41

42 συμφέρουσα λύση ενώ παράλληλα, γίνεται η καλύτερη δυνατή εκμέταλλευση της ηλιακής ενέργειας. Σχήμα 3.7: Φωτοβολταϊκά πανελ τοποθετημένα πάνω σε ηλιοστάτη [22] Κάθε φωτοβολταικό πλαίσιο χαρακτηρίζεται από μια καμπύλη ρεύματος-τάσης με βασικές παραμέτρους την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και τη θερμοκρασία του πλαισίου. Η μορφή των καμπυλών αυτών παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Επειδή η ηλιακή ακτινοβολία μεταβάλλεται διαρκώς κατά τη διάρκεια της ημέρας, μετακινείται και η χαρακτηριστική I-V του πλαισίου. 42

43 Σχήμα 3.8: I-V χαρακτηριστική φωτοβολταϊκού στοιχείου ανάλογα τη θερμοκρασία [23] Οποιαδήποτε καμπύλη Ι-V χαρακτηρίζεται από το σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Στο σημείο αυτό, το οποίο ανήκει στη χαρακτηριστική εξόδου, το γινόμενο των τιμών έχει τη μέγιστη δυνατή τιμή με αποτέλεσμα το φωτοβολταικό πλαίσιο να αποδίδει τη μέγιστη ισχύ για δεδομέμη ακτινοβολία και θερμοκρασία. Σχήμα 3.9: I-V χαρακτηριστική φωτοβολταϊκού στοιχείου ανάλογα την ακτινοβολία [24] 43

44 3.6 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Αυτόνομο Φωτοβολταϊκό Σύστημα Στην απλή μορφή του, το αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια που τροφοδοτεί μόνη της ένα φορτίο με συνεχές ρεύμα, όταν η φωτεινότητα έιναι επαρκής. Αυτό συναντάται κυρίως σε εφαρμογές άντλήσης. Σε άλλες περιπτώσεις, το σύστημα χρησιμοποιείται για αποθήκευση ενέργειας από τις μπαταρίες. Με τα φωτοβολταικά είναι δυνατό να τροφοδοτούνται απευθείας οι συσκευές όσο υπάρχει ηλιοφάνεια όμως αυτή η πρακτική δεν συνηθίζεται στην πράξη. Συνήθως το φωτοβολταϊκό φορτίζει μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία και οι συσκεύες λειτουργούν με ρεύμα που παίρνουν από τη μπαταρία. Το φωτοβολταϊκό φροντίζει να αναπληρώνει κάθε μέρα την κατανάλωση που έκαναν οι συσκευές. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό ένα αυτόνομο σύστημα να καλύπτει το σύνολο των ενεργειακών αναγκών μιας εγκατάστασης, για παράδειγμα ενός κτιρίου. Μερικές φορές, στο σύστημα συμπεριλαμβάνεται και μια εφεδρική γεννήτρια. Όταν υπάρχει ανάγκη για εναλλασσόμενο ρεύμα, περιλαμβάνεται και ένας αντιστροφέας Διασυνδεδεμένο Φωτοβολταϊκό Σύστημα Τα διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν ως βασικό χαρακτηριστικό το γεγονός ότι υπάρχει ένωση με το δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (ΔΕΗ για την Ελλάδα). Η σχέση μια εγκατεστημένης μονάδας με το δημόσιο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας είναι αμφίδρομη. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να απορροφά ενέργεια αλλά και διανέμει προς το δίκτυο. Συγκεκριμένα, οι πιθανές περιπτώσεις για ένα διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα είναι οι παρακάτω: i. Όταν μια εγκατάσταση έχει ως αποκλειστικό στόχο την έγχυση ενέργειας προς το δίκτυο. Σε αυτές τι περιπτώσεις στόχος είναι η μέγιστη ετήσια παραγωγή ενέργειας και η πώληση της σε κάποιον προμηθευτή (καταναλωτή). Η ισχύς σε αυτές τις περιπτώσεις μπορεί να είναι από μερικά KW έως και αρκετά MW. Στην Ελλάδα η συνηθέστερη επένδυση είναι αυτή των 100KW (συνδιάζει τα πλεονεκτήματα της υψηλής επιδότησης και της ευκολότερης αδειοδότησης του σταθμού). ii. Όταν μια εγκατάσταση χρησιμοποιεί το δίκτυο ως ενναλακτική πηγή τροφοδότησης ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση που η παραγωγή του τοπικού σταθμού δεν επαρκεί κάποιες ώρες της ημέρας για να τροφοδοτήσει τις ενεργειακές ανάγκες της εγκατάστασης. Στην περίπτωση αυτή η εγκατάσταση μπορεί να απορροφά ενέργεια απο το δίκτυο για να συμπληρώσει τις ενεργειακες της ανάγκες. Επίσης, μπορεί να συμβαίνει και το αντίστροφο. Δηλαδή, όταν η ενέργεια που παράγεται από την μονάδα είναι περισσότερη από αυτήν που καταναλώνεται, η περίσσεια της ενέργειας μπορεί να διοχετεύεται στο δίκτυο. Ένα τέτοιο σύστημα θα πρέπει να διαθέτει δύο μετρητικά 44

45 iii. συστήματα, το ένα από τα οποία θα μετρά την εξερχόμενη ενέργεια και το άλλο την εισερχόμενη. Όταν μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας έχει αποκλειστικό στόχο την απορρόφηση ενέργειας από το ηλεκτρικό δίκτυο γιατί η ποσότητα ενέργειας που παράγει εξ ορισμού γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται ότι το σύνολο της ενέργειας που παράγεται θα απορροφάται από τις ηλεκτρικές καταναλώσεις της εγκατάστασης. 3.7 ΧΡΗΣΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ -Σε οικοδομήματα (οικιακά ή βιομηχανικά) : Η τεχνολογία των ενσωματομένων σε κτίσματα φωτοβολταϊκών είναι ένας από τους ταχύτατα αναπτυσσόμενους τομείς της φωτοβολταϊκής βιομηχανίας. Συγκεκριμένα, μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ενσωματώνεται στη στέγη ή στους τοίχους ενός κτιρίου και μπορεί να αποτελέσει την κύρια ή την βοηθητική πηγή ηλεκτρικής ισχύος. Εναλλακτικά, μια συστοιχία μπορεί να τοποθετηθεί ξεχωριστά από το κτίριο και να συνδεθεί μέσω καλωδίου με την ισχύ που παρέχεται στο κτίριο. -Στις μεταφορές: Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται παραδοσιακά ως βοηθητικές πηγές ενέργειας σε δορυφόρους και διαστημόπλοια. Επιπλέον, η χρήση τους ως πηγές ενέργειας σε αυτοκίνητα και λεμβούς παρουσιάζει άνοδο τα τελευταία χρόνια. -Αυτόνομες συσκευές : Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συστημάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δώσει ενέργεια σε μια συσκεύη (για παράδειγμα, οι μικρουπολογιστές τσέπης που δεν διαθέτουν μπαταρία και λειτουργούν απλώς με την έκθεσή τους στο φως) ή για τη φόρτιση μιας μπαταρίας. Σε περιπτώσεις απομακρυσμένων συσκευών που το κόστος σύνδεσης με το δίκτυο είναι απογορευτικά ακριβό, η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας αποτελεί τη βέλτιστη λύση. Τέτοια παραδείγματα είναι η χρήση της φωτοβολταικής τεχνολογίας για ενεργειοδότηση των μετρητών σε χώρους στάθμευσης ή απομακρυσμένων τηλεφώνων εκτάκτου ανάγκης σε εθνικές οδούς. -Παροχή ηλεκτρισμού σε υπαίθριες περιοχές : Ιδιαίτερα σε αναπτυσσόμενες χώρες, όπου πολλά χωριά βρίσκονται πολύ μακριά από το ηλεκτρικό δίκτυο, οι ηλιακά τροφοδοτούμενες ενδεικτικές λυχνίες (LED) έχουν αρχίσει να αντικαθιστούν τους παραδοσιακά χρησιμοποιούμενους λαμπτήρες κηροζίνης. -Σαν επένδυση : Πολλές χώρες έχουν προγράμματα επιδότησης των επενδύσεων σε φωτοβολταϊκά των οποίων η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διανέμεται στα δημόσια δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Τα προγράμματα αυτά έχουν στόχο τη διαφοροποίηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τη σταδιακή απεξάρτηση της από το πετρέλαιο. 3.8 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ-ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Εκτός των πλεονεκτημάτων που έχουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα επειδή ανήκουν στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας διαθέτουν επιπλέον ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που τα καθιστούν μια δελεαστική εναλλακτική πρόταση για παραγωγη ηλεκτρικής ενέργειας. Τα επιπρόσθετα πλεονεκτήματα τους είναι τα εξής: 45

46 Τεχνολογία φιλική στο περιβάλλον. Δεν προκαλούνται ρύποι από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Η ηλιακή ενέργεια είναι ανεξάντλητη ενεργειακή πηγή, διατίθεται παντού και δεν στοιχίζει απολύτως τίποτα. Με την κατάλληλη γεωγραφική κατανομή, κοντά στους αντίστοιχους καταναλωτές ενέργειας, τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν χωρίς να απαιτείται ενίσχυση του δικτύου διανομής. Η λειτουργία του συστήματος είναι αθόρυβη. Έχουν σχεδόν μηδενικές απαιτήσεις συντήρησης. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής. Οι κατασκευαστές εγγυώνται τη λειτουργία των πάνελ για χρόνια. Υπάρχει πάντα η δυνατότητα μελλοντικής επέκτασης, ώστε να ανταποκρίνονται στις αυξανόμενες ανάγκες των χρηστών. Μπορούν να εγκατασταθούν πάνω σε ήδη υπάρχουσες κατασκευές, όπως είναι π.χ. η στέγη ενός σπιτιού ή η πρόσοψη ενός κτιρίου. Διαθέτουν ευελιξία στις εφαρμογές. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα λειτουργούν άριστα τόσο ως αυτόνομα συστήματα, όσο και ως αυτόνομα υβριδικά συστήματα όταν συνδυάζονται με άλλες πηγές ενέργειας (συμβατικές ή ανανεώσιμες) και συσσωρευτές για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας. Επιπλέον, ένα μεγάλο πλεονέκτημα του φωτοβολταϊκού συστήματος είναι ότι μπορεί να διασυνδεθεί με το δίκτυο καταργώντας με τον τρόπο αυτό την ανάγκη για εφεδρεία και δίνοντας επιπλέον τη δυνατότητα στον χρήστη να πουλήσει τυχόν πλεονάζουσα ενέργεια στον διαχειριστή του ηλεκτρικού δικτύο. Τα μειονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι τα ακόλουθα: Έλλειψη οικονομικής και αποδοτικής αποθήκευσης της ενέργειας. Το κόστος εγκατάστασης, παρά τις τεχνολογικές εξελίξεις παραμένει ακόμη αρκετά υψηλό. Μια γενική ενδεικτική τιμή είναι 2700 ευρώ ανά εγκατεστημένο κιλοβάτ (kw) ηλεκτρικής ισχύος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι μια τυπική οικιακή κατανάλωση απαιτεί από 1,5 έως 3,5 κιλοβάτ, είναι φανερό ότι το κόστος της εγκατάστασης είναι υψηλό. Ωστόσο, το κόστος αυτό μπορεί να αποσβεστεί σε περίπου 5-6 χρόνια και το φωτοβολταϊκό σύστημα θα συνεχίσει να παράγει δωρεάν ενέργεια για τουλάχιστον άλλα 25χρόνια. Επίσης, απαιτούνται μικρές ποσότητες σπάνιων στοιχείων όπως (In, Te, Ga), όπως και τοξικών (Cd). 46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς Ισχύος 4.1 ΓENIKA Ως ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος ορίζεται ένα σύστημα πολλαπλών εισόδων που αποτελείται από διακόπτες ημιαγωγών καθώς και άλλα στοιχεία όπως πυκνωτές, επαγωγείς και μετασχηματιστές. Η κύρια λειτουργία του είναι να διευκολύνει την ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ δύο ή περισσότερων υποσυστημάτων. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος επιτελούν τον έλεγχο σε όλες σχεδόν τις διατάξεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μέσω αυτών η παραγόμενη τάση από ΑΠΕ, μετατρέπεται είτε σε συνεχή άλλης στάθμης είτε σε εναλλασσόμενη ελεγχόμενου πλάτους και συχνότητας. Οι μετατροπείς ισχύος χωρίζονται στις εξής βασικές κατηγορίες: o Μετατροπείς AC/DC (ανορθωτές): Μετατρέπουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές, όπου η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται από ένα σύστημα εναλλασσομένου ρεύματος σε ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος. o Μετατροπείς συνεχούς ρεύματος DC/DC(chopper): Μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα ορισμένης τάσεως και πολικότητας σε συνεχές άλλης τάσεως και κατά περιπτώσεις και άλλης πολικότητας. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται από το ένα σύστημα συνεχούς στο άλλο. o Μετατροπείς εναλλασσομένου ρεύματος AC/AC(accontroller): Μετατρέπουν τοεναλλασσόμενο ορισμένης τάσεως, συχνότητας και αριθμού φάσεων σε εναλλασσόμενο άλλης τάσεως, άλλης συχνότητας και κατά περιπτώσεις άλλου αριθμού φάσεων. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται από το ένα σύστημα εναλλασσομένου στο άλλο με άλλα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. o Αντιστροφείς DC/AC (inverter) : Μετατρέπουν το συνεχές σε εναλλασσόμενο, όπου η ενέργεια μεταφέρεται από ένα σύστημα συνεχούς ρεύματος σε σύστημα εναλλασσομένου. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος αποτελούνται από συσκευές ημιαγωγών ισχύος που λειτουργούν ως διακοπτικά στοιχεία. Σήμερα σχεδόν όλες οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος βασίζονται στο πυρίτιο και κατηγοριοποιούνται ως εξής: Δίοδοι Θυρίστορ Triac Gate-off thyristor (GTO) Διπολικά τρανζίστορ επαφής (BJT ή BPT) MOSFET ισχύος Static induction transistor Διπολικά τρανζίστορ κοινής βάσης (IGBT) Mos-controlled thyristor (MCT) Intergrated gate-commutated thyristor (IGCT) Από τη στιγμή που έκαναν την εμφάνισή τους οι ημιαγωγικοί διακόπτες ισχύος και ιδιαίτερα τα S.C.R., στις αρχές του 1960, ο τομέας παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας έπαψε να είναι αποκλειστικό μονοπώλιο της κλασικής ηλεκτρολογίας. Έτσι σήμερα ηλεκτρονικοί και ηλεκτρολόγοι, απασχολούνται 47

48 μαζί στις διαρκώς και περισσότερο αυξανόμενες εφαρμογές των ηλεκτρονικών ισχύος. Τέτοιες είναι όλες γενικά οι αναρίθμητες εφαρμογές της αυτοματοποίησης με ηλεκτρική ενέργεια. Ειδικότερα μπορούμε να αναφέρουμε: Την ηλεκτρική κίνηση για συστήματα ταχείας μετακίνησης, όπου αντικαταστάθηκαν οι αντιστάσεις μεγάλης ισχύος. Συστήματα περιστροφικής κίνησης μύλων (rolling mill drivers) όπου τα κλασικά συστήματα WARD-LEONARD αντικαταστάθηκαν με ζεύγη ανορθωτών και αντιστροφέων με S.C.R. Μεταλλάκτες συχνότητας δικτύου, όπου αντικαταστάθηκαν τα πολυδάπανα και ογκώδη συστήματα κινητήρα - γεννήτριας. Πολλαπλά συστήματα οδήγησης κινητήρων για την υφαντουργία, χαλυβουργία και χαρτοποιία. Έλεγχοι και ρυθμίσεις σε εργαλειομηχανές (τόρνοι, φρέζες, δράπανοι, ηλεκτροδιαβρώσεις κ.λ.π.) Κινητά συστήματα ηλεκτρικής τροφοδοσίας, αεροπλάνων, πλοίων και αυτοκινήτων. Μονάδες αδιάλειπτης τροφοδοσίας ηλεκτρικής ενέργειας (U.P.S). Συστήματα επαγωγικής και διηλεκτρικής θέρμανσης με εφαρμογές στην θερμική κατεργασία μέταλλων καθώς και στην εν θερμώ συγκόλληση πλαστικών, ξύλου κ.λ.π. Επίσης, γίνονται συνέχεια έρευνες και βελτιώσεις σε τομείς εφαρμογών όπως: Ηλεκτρική κίνηση αυτοκινήτων. Υπόγειοι σιδηρόδρομοι μεγάλης ταχύτητας. Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας DC. Μετατροπείς ήπιων μορφών ενέργειας σε ηλεκτρική κ.λ.π. Οι βασικοί τύποι μετατροπέων που εξετάζουμε στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι ο μετατροπέας dc/dc, και ο αντιστροφέας dc/ac. Πυρήνας των διατάξεων αυτών είναι τα τρανζίστορ ισχύος, τα οποία μέσω των διακοπτικών τους ιδιοτήτων αναλαμβάνουν την μετατροπή της τάσης. Διάφοροι τύποι τρανζίστορς χρησιμοποιούνται ανάλογα με τις απαιτήσεις των εφαρμογών. Οι σύγχρονες διατάξεις χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον τρανζίστορς τύπου IGBT, που αποτελούν ένα συνδυασμό των ΜΟSFET ισχύος (χαρακτηριστικό οι ταχείες μεταβάσεις από την κατάσταση αποκοπής σε κατάσταση αγωγιμότητας) και των διπολικών τρανζίστορ επαφής BJT (μικρές απώλειες κατά την αποκοπή μεγάλων τάσεων). 48

49 4.2 Ο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ DC/AC ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Για τη σύνδεση μιας συστοιχίας φωτοβολταϊκών στο δίκτυο πρέπει να μετατραπεί η DC τάση του PV σε AC με την διαμεσολάβηση των αντιστροφέων. Σχήμα 4.1: dc/ac μετατροπέας (αντιστροφέας) και φίλτρο R-L για την σύνδεση με το δίκτυο [25] Ο αντιστροφέας πέραν της μετατροπής του συνεχούς ρεύματος σε εναλασσόμενο, βοηθά στον έλεγχο της παρεχόμενης στο δίκτυο ισχύος. Επιτελεί τον διανυσματικό έλεγχο της τάσης εξόδου και συγχρονίζει την εγκατάσταση (την ac πλεύρα της) με το τοπικό δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Γενικά η απόδοση των αντιστροφέων είναι υψηλή ( ) και εξαρτάται από το ποσοστό του πλήρους φορτίου που τροφοδοτεί. Η υψηλή απόδοση αποτελεί βασική απαίτηση ακόμα και όταν το φορτίο δεν είναι πλήρες. Με ειδικά ηλεκτρονικά φίλτρα περιορίζεται η παραγωγή μεγάλου πλήθους αρμονικών υψηλών συχνοτήτων. Ο σχεδιασμός επομένως ενός διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος ξεκινάει με την επιλογή ενός κατάλληλου αντιστροφέα. Αυτός καθορίζει την τάση του συστήματος από τη dc πλευρά και η φωτοβολταϊκή γεννήτρια μπορεί τότε να διαμορφωθεί ανάλογα με τα χαρακτηριστικά εισόδου του αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας είναι το πιο σημαντικό στοιχείο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος ύστερα από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Η αρμοδιότητά του είναι να μετατρέπει το συνεχές ρεύμα που παράγεται από τα ηλιακά κύτταρα σε ένα εναλλασσόμενο ρεύμα συχνότητας 50 Hz προσαρμοσμένο στο δίκτυο. Σε αντίθεση με τους αντιστροφείς πουπροορίζονται μόνο για αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, αυτοί που προορίζονται για παράλληλη λειτουργία, για διασύνδεση με το δίκτυο δηλαδή, πρέπει να ανταποκρίνονται τόσο στα χαρακτηριστικά του δικτύου όσο και στην απόδοση της ηλιακής γεννήτριας. Καθώς το ρεύμα από τα φωτοβολταϊκά πανέλ ρέει μέσα από τον αντιστροφέα, τα χαρακτηριστικά του ουσιαστικά επηρεάζουν τη συμπεριφορά και την λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος. 49

50 Για τους αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών συστημάτων γίνεται η εξής κατηγοριοποίηση: Είναι οι λεγόμενοι αλυσίδας (string inverters), οι κεντρικοποιημένοι (centralized inverters), οι υπομονάδων (modular inverters) και οι AC-PV Module. Η επιλογή του μετατροπέα εξαρτάται από την εφαρμογή και από την ισχύ. Οι κεντρικοποιημένοι μετατροπείς είναι τριφασικοί και συνήθως χρησιμοποιούν τοπολογίες πλήρους γέφυρας (με χρήση IGBT) και μπορούν να φτάσουν σε υψηλά επίπεδα ισχύος, αλλά έχουν το μειονέκτημα ότι έχουν αρκετές απώλειες από την αστοχία των πλαισίων που απαρτίζουν τη κάθε αλυσίδα στη φωτοβολταϊκή μονάδα. Χαρακτηριστικό αυτής της τεχνοτροπίας, αποτελεί η χρήση ενός μόνου ελέγχου ανίχνευσης του σημείου λειτουργίας μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος, MPPT και η χρήση διόδων ισχύος ώστε να αποφευχθεί η λειτουργία ορισμένων εν σειρά ομάδων ως φορτία λόγω σκίασης. Οι μετατροπείς αλυσίδας αντίθετα έχουν το πλεονέκτημα ότι καθιστούν τις αλυσίδες ανεξάρτητες μεταξύ τους και επιτυγχάνεται ανίχνευση του μέγιστου σημείου λειτουργίας για την κάθε μια ξεχωριστά. Η συνήθης τοπολογία είναι και για αυτούς η πλήρους γέφυρας, μόνο που συναντούνται ως μονοφασικοί αντιστροφείς. Μια άλλη εκδοχή αυτών των μετατροπέων είναι των πολλαπλών αλυσίδων (multistring inverters). Οι μετατροπείς αυτοί έχουν πολλές εισόδους αλλά για κάθε είσοδο κάνουν και ανίχνευση του μέγιστου σημείου λειτουργίας. Μειονέκτημα αυτού του τύπου είναι ότι χρειάζεται δυο βαθμίδες μετατροπής στην ισχύ, μειώνοντας έτσι την απόδοσή τους, αφού για την ανίχνευση του μέγιστου σημείου λειτουργίας χρησιμοποιούν DC/DC μετατροπείς. Ανάλογα με το εύρος τάσεων εισόδου μπορεί ο μετατροπέας αυτός να είναι τύπου Buck (η τάση εξόδου μικρότερη από την τάση εισόδου) ή τύπου Boost (όταν η τάση εισόδου είναι μικρότερη από αυτή του δικτύου). Οι modular μετατροπείς είναι εκείνοι που είναι συνδεδεμένοι με ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, κάνοντας ανίχνευση του μέγιστου σημείου ισχύος ανά πλαίσιο (Maximum Power Point Trackers). Το μέγεθος ισχύος είναι μικρό και κατ' επέκταση και το μέγεθος του μετατροπέα. Οι μετατροπείς αυτοί χρησιμοποιούνται λιγότερο εξαιτίας του αυξημένου κόστους, της χαμηλής απόδοσης καθώς και γιατί δεν υπάρχει ισότητα ανάμεσα στον χρόνο ζωής των μετατροπέων και των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Τέλος, μια νεότερη στο χώρο των οικιακών φωτοβολταϊκών εφαρμογών είναι η τεχνολογία των AC-PV Module. Πρόκειται για φωτοβολταϊκές διατάξεις μικρής ισχύος, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη και οι οποίες συνδέονται απ ευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης των αστικών περιοχών. Η απουσία διασυνδέσεων τύπου πλέγματος ή και αλυσίδας μεταξύ φωτοβολταϊκών πλαισίων, καθώς και η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου κάθε αυτόνομης διάταξης (φωτοβολταϊκό πλαίσιο και αντιστροφέας), οδηγούν σε μεγαλύτερη αποδοτικότητα του όλου συστήματος. Ο αντιστροφέας μπορεί να είναι ενσωματωμένος είτε στο πίσω μέρος των πλαισίων, είτε στο μηχανισμό στήριξης του. 50

51 4.3 Ο ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ DC/DC ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Χρησιμοποιείται για την μετατροπή μιας μη σταθεροποιημένης συνεχούς τάσης σε μια ελεγχόμενη συνεχή τάση εξόδου. Ανάλογα με την σχέση των δύο αυτών τάσεων χωρίζονται σε: Μετατροπείς ανύψωσης τάσης Μετατροπείς υποβιβασμού τάσης Μικτοί μετατροπείς (υποβιβασμού ανύψωσης τάσης) Μετατροπείς CUK Μετατροπείς πλήρους γέφυρας Από τους τύπους αυτούς βασικοί είναι οι μετατροπείς ανύψωσης και υποβιβασμού τάσης, ενώ οι υπόλοιποι αποτελούν συνδυασμό των δύο διατάξεων. Στην παρούσα εργασία έχει χρησιμοποιηθεί μετατροπέας ανύψωσης τάσης. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα οι dc/dc μετατροπείς καθίστανται ιδιαίτερα χρήσιμοι παρέχοντας τη δυνατότητα προσαρμογής της dc τάσης ή του ρεύματος σε οποιοδήποτε σημείο του κυκλώματος και τη μετατροπή των συνεχών μεγεθών τάσεως και ρεύματος, σε συνεχή με συγκεκριμένη επιθυμητή τιμή. Οι dc/dc μετατροπείς γενικώς προτιμούνται στα ηλεκτρονικά, γιατί είναι μικρότεροι, πιο ελαφριοί, παρέχουν υψηλής ποιότητας έξοδο και είναι πιο αποδοτικοί από τα γραμμικά τροφοδοτικά. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα λοιπόν ο dc/dc μετατροπέας,ο οποίος βασίζεται στη χρήση υψίσυχνων διακοπτικών στοιχείων ώστε να διαχειριζόμαστε μεγάλη ισχύ με ελάχιστες απώλειες, χρειάζεται ώστε να ανυψώσει ή να υποβιβάζει (ανάλογα με τις απαιτήσεις) την τάση από την έξοδο του φωτοβολταϊκού πλαισίου στην επιθυμητή τιμή. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι επιθυμητό η παραγόμενη ενέργεια να γίνεται σε όσον το δυνατόν υψηλότερη τάση ώστε το συνεχές ρεύμα στην γραμμή μεταφοράς να μειώνεται, άρα και οι απώλειες που εξαρτώνται από το τετράγωνο αυτού. Η συσκευή θα πρέπει επίσης να έχει τη δυνατότητα να διατηρεί μια σταθερή και ελέγξιμη dc τάση στην έξοδο ανεξάρτητα από αλλαγές στην τάση εισόδου. Τα κυκλώματα αυτά χρησιμοποιούν ένα τουλάχιστον ημιαγωγό στοιχείο, το οποίο θα είναι πάντα είτε σε κατάσταση αγωγής είτε σε κατάσταση αποκοπής, έτσι η μέση τιμή της τάσης εξόδου θα είναι διαφορετική από την τιμή της τάσης εισόδου. Για την παροχή μιας σταθερής μέσης τιμής τάσης εξόδου θα πρέπει οι διακόπτες να λειτουργούν περιοδικά και να ελέγχονται. Σχήμα 4.2: Ισοδύναμο μοντέλο ενός DC/DC μετατροπέα [26] 51

52 Ένας πιο πρακτικός dc/dc μετατροπέας είναι ο boost μετατροπέας που είναι σχεδιασμένος να αυξάνει την τάση εισόδου. O διακόπτης είναι ένα τρανζίστορ που λειτουργεί είτε σε κατάσταση αγωγής είτε σε κατάσταση αποκοπής. 4.4 ΣΗΜΕΙΟ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΜΡΡΤ Η παρακολούθηση του σημείου μέγιστης ισχύος γνωστή και ως ΜΡΡΤ (Maximum Power Point Tracking) αναφέρεται στην τεχνική που χρησιμοποιείται ώστε να μεταβάλλεται το σημείο λειτουργίας (τάση-ρεύμα) φωτοβολταϊκού πάνελ ώστε να ανταποκρίνεται κάθε φορά στο σημείο που αντιστοιχεί στη μέγιστη ισχύ. Η ισχύς ενός φωτοβολταϊκού πάνελ, η οποία προκύπτει από το γινόμενο της τάσης με την ένταση ρεύματος, δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται σε σχέση με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ( irradiance, G) και της θερμοκρασίας. Οι κατασκευαστές των πάνελ δίνουν στα τεχνικά φυλλάδια τη μέγιστη ισχύ (Maximum Power Point, MPP) στις πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC) οι οποίες αντιστοιχούν σε ένταση ηλιακής ακτινοβολίας ίση προς G=1000W/m 2 και θερμοκρασία πάνελ ίση προς 25 βαθμούς Κελσίου. Σε οποιαδήποτε άλλες συνθήκες, η μέγιστη ισχύς μεταβάλλεται και μειώνεται με τη μείωση της ακτινοβολίας και την αύξηση της θερμοκρασίας. Κατά συνέπεια είναι απαραίτητο κάθε μετατροπέας να διαθέτει διατάξεις οι οποίες παρακολουθούν συνεχώς το σημείο λειτουργίας των πάνελ και το μεταβάλλουν, ώστε να αντιστοιχεί κάθε φορά στο σημείο της μέγιστης ισχύος. Οι dc/dc μετατροπείς χρησιμοποιούνται ώστε να αναγκάζουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια να παράγουν τη μεγίστη δυνατή ισχύ και τότε ονομάζονται ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος (maximum power point tracker- MPPT ) ώστε να αυξάνεται και η οικονομική απόδοση της εγκατάστασης. Αν δεν υπήρχε ο dc/dc μετατροπέας, μια μεγάλη ποσότητα από την ηλεκτρική ισχύ θα χανόταν με τη μορφή της θερμικής ενεργείας. Οι MPPTs μπορεί να χρησιμοποιούνται μαζί ή χωρίς μπαταρίες, αλλά γενικώς χρησιμοποιούνται σε συστήματα που συνδέονται με το δίκτυο και δεν έχουν μπαταρίες. Σε αυτούς τους dc/dc μετατροπείς, η σύνθετη αντίσταση εισόδου παίρνει την κατάλληλη τιμή ώστε να οδηγεί το σύστημα να δουλεύει στο σημείο μέγιστης ισχύος. Ωστόσο επειδή κάθε στιγμή η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο στοιχείο δεν είναι σταθερή, ομοίως δεν είναι σταθερή και η τάση εξόδου του. Είναι λοιπόν επιθυμητό για κάθε στιγμή το φωτοβολταϊκό στοιχείο να μην παράγει την τάση και την ένταση όπως αυτά καθορίζονται από την αντίσταση του κυκλώματος που υπάρχει στα άκρα του, αλλά να δίνει στην έξοδο αυτό το ζεύγος τάσης έντασης που μεγιστοποιεί την ισχύ του: V max I max Όταν η λειτουργία του στοιχείου μετατοπιστεί σε διαφορετικό σημείο της καμπύλης I V λόγω μεταβολής στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία ή μεταβολή του φορτίου, τότε η τάση μεταβάλλεται κατά dv και η ένταση κατά di. Τότε η ισχύς είναι: P = P + dp = V I = (V + dv) (I + di) (4.1) Και αν παραλείψουμε τους όρους δεύτερης τάξης τότε έχουμε: dp = dv I + di V P = V I Όπως είναι φανερό απ την καμπύλη ισχύος του φωτοβολταϊκού, ο όρος dp (η κλίση δηλαδή της καμπύλης ισχύος) είναι μηδέν στο σημείο μέγιστης ισχύος. Στο σημείο αυτό (maximum power point) λοιπόν η παραπάνω εξίσωση γίνεται: 52

53 0 = dv I + di V dv = V di I (4.2) Άρα ένα φορτίο λαμβάνει την μέγιστη ισχύ από το φωτοβολταϊκό όταν έχει αντίσταση R = V I.Η αντίσταση αυτή εξαρτάται από το επίπεδο της ακτινοβολίας, από την θερμοκρασία και την ηλικία του πλαισίου. Αν η τιμή του φορτίου είναι διαφορετική από αυτή την τιμή τότε λαμβάνει μικρότερη ισχύ και η αποδοτικότητα του φωτοβολταϊκού δεν είναι καλή Μέθοδοι Εύρεσης Σημείου MPP Η εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος (MPP) μιας φωτοβολταϊκήςσυστοιχίας αποτελεί σημαντικό κομμάτι της μελέτης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Ως εκ τούτου, έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί πολλές μέθοδοι παρακολούθησης. Οι μέθοδοι αυτές ποικίλουν σε πολυπλοκότητα,στους αισθητήρες που απαιτούνται,στην ταχύτητα σύγκλισης, το κόστος, το εύρος αποτελεσματικότητας,στο τρόπο υλοποίησης τους, δημοτικότητα, καθώς και σε άλλα. Στόχος των μεθόδων αυτων είναι η αυτόματη εύρεση της V MPP ή του Ι MPP στην οποία θα πρέπει να λειτουργεί το PV σύστημα για να επιτύχει τη μέγιστη ισχύ εξόδου P MPP κάτω από συσγκεκριμένη θερμοκρασία και ακτινοβολία.σημειώνεται ότι υπό συνθήκες μερικής σκίασης, σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατόν να έχουμε πολλαπλά τοπικά μέγιστα, έχοντας όμως και πάλι ένα MPP. Οι περισσότερες μέθοδοι ανταποκρίνονται σε ταυτόχρονες αλλαγές της θερμοκρασίας και της ακτινοβολίας, ενώ κάποιες λειτουργούν καλύτερα όταν η θερμοκρασία είναι σταθερή. Παρακάτω γίνεται αναφορά σε κάποιες από αυτες τις μεθόδους. Hill Climbing/P&O: Η μέθοδος Hill Climbing περιλαμβάνει μια διαταραχή του λόγου λειτουργίας του μετατροπέα ισχύος, και η P & O μια διαταραχή στη τάση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Στην περίπτωση μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας που συνδέεται με ένα μετατροπέα ισχύος, διαταράσσοντας το λόγο λειτουργίας του μετατροπέα διαταράσσεται και το ρεύμα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας και κατά συνέπεια διαταράσσεται και η τάση της γεννήτριας. Incremental Conductance (αυξητική αγωγιμότητα): Η IncCond μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι η κλίση της καμπύλης ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας είναι μηδέν στο MPP, θετική στα αριστερά του MPP, και αρνητική στα δεξιά του, όπως δίνεται και από το παρακάτω σχήμα. Σχήμα 4.3: Καμπύλη ισχύος φωτοβολταϊκής συστοιχίας [27] Το MPP μπορεί να βρεθεί συγκρίνοντας τη στιγμιαίααγωγιμότητα I / V προς την αυξητική αγωγιμότητα ΔI / ΔV. Η Vrefείναι η τάση αναφοράς κατά την οποία η φωτοβολταϊκή γεννήτρια είναι αναγκασμένη να λειτουργεί. Στο MPP, 53

54 Vref ισούται με Vmpp. Μόλις επιτευχθεί η MPP, η λειτουργία της φωτοβολταϊκής συστοιχίας διατηρείται σε αυτό το σημείο, εκτός αν μια αλλαγή στον ΔI είναι σημαντική, υποδεικνύοντας μια αλλαγή στις ατμοσφαιρικές συνθήκες και το MPP. Οι μειώσεις ή προσαυξήσεις της Vref γίνονται για να παρακολουθείτε το νέο MPP. Το μέγεθος της αύξησης καθορίζει πόσο γρήγορα η MPP παρακολουθείται. Γρήγορη παρακολούθηση μπορεί να επιτευχθεί με μεγαλύτερες αυξομειώσεις, αλλά το σύστημα δεν μπορεί να λειτουργήσει ακριβώς στο MPP και ταλαντεύεται γύρω από αυτό. Η IncCond μέθοδος αρχικά φέρνει το σημείο λειτουργίας της φωτοβολταϊκής γεννήτριας κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος και στη συνέχεια παρακολουθεί το MPP. Με κατάλληλο έλεγχο του μετατροπέα ισχύος, το αρχικό σημείο λειτουργίας έχει ρυθμιστεί να ταιριάζει με την αντίσταση φορτίου ανάλογα με το λόγο της τάσης ανοικτού κυκλώματος Voc και του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Διασφαλίζεται έτσι ότι το MPP παρακολουθείται στην περίπτωση πολλαπλών τοπικών μεγίστων. dp/dv or dp/di Feedback Control : Έχοντας έναν DSP που είναι σε θέση να χειριστεί πολύπλοκους υπολογισμούς, ένας τρόπος εκτέλεσης του ΜΡΡΤ είναι υπολογίζοντας την κλίση dp / dv ή dp / di της καμπύλης της φωτοβολταϊκής ενέργειας και ανατροφοδοτώντας το μετατροπέα ισχύος με κάποιο έλεγχο οδηγώντας τον στο μηδέν.υπολογίζεται η κλίση dp / dv και το πρόσημό της αποθηκεύεται για κάποιες περιόδους. Ανάλογα με το πρόσημο της κλίσης, ο λόγος λειτουργίας του μετατροπέα ισχύος είτε αυξάνεται είτε μειώνεται για να φθάσει το MPP. Ένα δυναμικού μεγέθους βήμα χρησιμοποιείται για να βελτιώσει την παροδική απόκριση του συστήματος. Με μία μέθοδο γραμμικοποίησης υπολογίζεται το dp και το dv και στη συνέχεια γίνεται η διαίρεση της ισχύς με την τάση και υπολογίζεται το dp / dv. Μετά το dp / dι πολλαπλασιάζεται με ένα προσαρμοστικό κέρδος για να βελτιωθεί η παροδική απόκριση. Η τάση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας αυξάνεται ή μειώνεται περιοδικά και το dρ / dv συγκρίνεται με μια οριακή απόκλιση μέχρι να φτάσει στο MPP. Perturb and observe: Παρακολουθώντας συνεχώς τις τιμές τάσης εξόδου των φωτοβολταϊκών γεννητριών, βλέπουμε ότι προκαλείται ανά τακτά χρονικά διαστήματα μια διαταραχή της τάσης εξόδου. Αν διαπιστωθεί ότι με την ανύψωση της τάσης, αυξάνεται και η ισχύς που παρέχει η γεννήτρια, δηλαδή ισχύει η συνθήκη dp/dv > 0 οπότε με βάση την χαρακτηριστική, είναι αριστερά του σημείου μέγιστης ισχύος, τότε αυξάνει την τάση προς τα πάνω ώσπου να έρθει μια ισορροπία. Αυτό είναι και το σημείο μέγιστης λειτουργίας. Αν αντίστοιχα, διαπιστωθεί πως με την ανύψωση της τάσης, η ισχύς μειώνεται, και ισχύει η συνθήκη dp/dv < 0, βρίσκεται δεξιά του σημείου μέγιστης ισχύος, και επομένως μειώνει την τάση για να έρθει σε ισορροπία. Η τάση σταθεροποιείται όταν μηδενίζεται σχεδόν αυτός ο ρυθμός μεταβολής. Είναι η πιο κοινά χρησιμοποιούμενη μέθοδος λόγω της ευκολίας της εφαρμογής της, παρότι μπορεί να καταλήξει σε ταλαντώσεις της ισχύος εξόδου. Fractional Open-Circuit Voltage: Η σχεδόν γραμμική σχέση μεταξύ Vmpp και Voc της φωτοβολταϊκής γεννήτριας, υπό συγκεκριμένη ακτινοβολία και θερμοκρασία, οδηγεί στην παρακάτω σχέση: V MPP k 1 Voc όπου k 1 είναι μια σταθερά αναλογικότητας, είναι μεταξύ 0,71 και 0,78 και υπολογίζεται εμπειρικά από την Vmpp και την Voc της φωτοβολταϊκής γεννήτριας σε διάφορα επίπεδα ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Γνωρίζοντας το k 1, η Vmpp μπορεί να υπολογιστεί από V MPP k 1 Voc, με τη Voc να μετράται περιοδικά από τη στιγμιαία διακοπή του ρεύματος του μετατροπέα. Ωστόσο, αυτό 54

55 συνεπάγει ορισμένα μειονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένου την προσωρινή απώλεια ισχύος. Για να αποφευχθεί αυτό, χρησιμοποιούνται ηλιακά κύτταρα από τα οποία προκύπτει η Voc, η επιλογή των οποίων γινεται ετσι ώστε τα χαρακτηριστικά τους να ταιριάζουν με αυτά της γεννήτριας. Ενδεικτικά η τάση που παράγεται από τις pn επαφές ειναι περίπου το 75 % της Voc, οπότε δεν χρειάζεται περαιτέρω μέτρηση των Voc και Vmpp. Μόλις υπολογιστούν οι Voc και Vmpp, ένας ελεγκτής κλειστού βρόχου ενεργοποιείται και οδηγεί ασυμπτωτικά στη επιθυμητή τάση. Fractional Short-Circuit Current: Υπό διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες, το Ι ΜΡΡ είναι σχεδόν γραμμικό με την Ι SC της φωτοβολταϊκής γεννήτριας,όπως φαίνεται και στην επόμενη σχέση: Ι ΜΡΡ k 2 Ι SC όπου k 2 είναι μια σταθερά αναλογικότητας, βρίσκεται μεταξύ 0.78 και 0.92 και ακριβώς όπως στην περίπτωση της κλασματικής Voc τεχνικής καθορίζεται από την PV συστοιχία. Η μέτρηση της Ι SC κατά τη λειτουργία είναι δύσκολη. Γι αυτό συνήθως προστίθεται ένας διακόπτης στο μετατροπέα ισχύος έτσι ώστε η Ι SC να μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα αισθητήρα ρεύματος. Βρίσκοντας την Ι SC και εξαιτίας της παραπάνω σχέσης η ισχύς εξόδου μειώνεται καθώς το MPP δεν ταιρίαζει απόλυτα. Για να εξασφαλιστεί η ορθή MPPT υπό την παρουσία πολλαπλών τοπικών μέγιστων, σαρώνει περιοδικά την τάση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας απόανοικτού κυκλώματος σε βραχυκύκλωματος για να υπολογίσει το k 2. RCC: Όταν μια φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι συνδεδεμένη με ένα μετατροπέα ισχύος, η διακοπτική λειτουργεία του μετατροπέα επιβάλλει τη κυμμάτωση της τάσης και του ρεύματος της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Κατά συνέπεια, και η ισχύς της γεννήτριας θα έχει κυμματική μορφή. Έχουμε δηλαδή κυμματικό ελεγχο συσχέτισης (Ripple correlation control- RCC ) για την εύρεση του MPPT. Η RCC μέθοδος συσχετίζει τη παράγωγο της ισχύς της φωτοβολταϊκής γεννήτριας p με τη παράγωγο του ρεύματος i ή της τάσης u, ώστε να οδηγηθεί η κλίση της ισχύς στο 0, φθάνοντας έτσι στο MPP. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.3, αν τα i ή u αυξάνονται (i > 0 ή u > 0), αυξάνεται και το p (p > 0 ), τότε το σημείο λειτουργίας είναι κάτω από το MPP (I < Ι MPP ή V < V mpp ). Από την άλλη, αν τα i ή u αυξάνονται και μειώνεται η p (p < 0 ), τότε το λειτουργικό σημείο είναι πάνω από το σημείο μέγιστης ισχύος (I > Ι MPP ή V > V mpp ). Συμπεραίνουμε λοιπόν πως p i και p u είναι θετικά αριστερά του MPP, αρνητικά δεξιά του MPP, και μηδέν στο MPP. Όταν ο μετατροπέας ισχύος είναι ένας μετατροπέας boost, αύξηση του λόγου κατάτμησης, αυξάνει το ρεύμα του πηνίου, το οποίο είναι το ίδιο με το ρεύμα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, μειώνοντας όμως την τάση της συστοιχίας. Ως εκ τούτου, ο έλεγχος του λόγου λειτουργίας είναι: d(t) = k 3 p i dt ή d(t) = k 3 p u dt όπου k 3 μια θετική σταθερά. Ελέγχοντας το λόγο κατάτμησης παρακολουθείται συνεχώς το ΜPP, καθιστώντας την RCC μέθοδο τον καλύτερο ανιχνευτή του MPP, λόγος και για τον οποίο χρησιμοποιήθηκε και στη παρούσα διπλωματική εργασία ως μέθοδος ανίχνευσης του MPP. 55

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Μοντέλο Φωτοβολταϊκού συστήματος και οι Εξισώσεις Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, το οποίο αποτελείται από έναν συγκεκριμένο αριθμό φωτοβολταϊκών μονάδων, συνδεδεμένο με το δίκτυο μπορεί να παραστεί όπως στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 5.1: Ισοδύναμο μοντέλο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο με το δίκτυο [28] 5.1 Ηλεκτρικό Κύκλωμα Φωτοβολταϊκής μονάδας Σχήμα 5.2: Ηλεκτρικό κύκλωμα φωτοβολταϊκής μονάδας [29] Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα μία φωτοβολταϊκή μονάδα αποτελείται από μία πηγή ρεύματος I sc που προσφέρει ένα ρεύμα ανάλογο με την ηλιακή ακτινοβολία. Η πηγή ρεύματος είναι παράλληλη με μια δίοδο D και μια αντίσταση R P και ο συνδιασμός των τριων βρίσκεται σε σειρά με μια αντίσταση R S. Το ρεύμα και η τάση εξόδου της φωτοβολταικής μονάδας δίνονται από τις παρακάτω εξισώσεις: Ι PV,mod = Ι SC Ι D V D R P (5.1) όπου Ι D = Ι 0 (e V D V T 1) (5.2) και V PV,mod = V D R S I PV,mod (5.3) 56

57 Επίσης n φωτοβολταϊκές μονάδες σε σειρά δημιουργούν μια φωτοβολταϊκή συστοιχια που αποτελεί τη PV πηγή του κυκλώματος. Έτσι το ρεύμα και η τάση εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας θα είναι: I PV = ni PV,mod (5.4) και V PV = nv PV,mod (5.5) Στη συνέχεια θα προσπαθήσουμε να αναλύσουμε το μαθηματικό μοντέλο του φωτοβολταϊκού συστήματος εξετάζοντας πρώτα τη σύνδεση του αντιστροφέα dc/ac με το δίκτυο, ύστερα τη σύνδεση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τον boost μετατροπέα και τέλος με τη σύνδεση των υποσυστημάτων μεταξύ τους. Αρχικά όμως θα γίνει αναφορά στη τεχνική με τη βοηθεια της οποιας βγαίνουν οι μαθηματικές εξισώσεις του PV συστήματος, τον μετασχηματισμό Park. 5.2 Μετασχηματισμός Park Ο μετασχηματισμός Park είναι μια τεχνική μέσω της οποίας μπορούμε να απλοποιήσουμε σημαντικά τις εξισώσεις του συστήματος και σε μερικές περιπτώσεις να τις καταστήσουμεγραμμικές με σταθερούς συντελεστές. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική, μπορούμε να μετατρέψουμε ένα στρεφόμενο διάνυσμα από το τριφασικό σύστημα a b c, στο σύστημα καθέτων αξόνων d q. Το σύστημα αυτό των καθέτων αξόνων έχει τον κάθετο άξονα q μπροστά από τον ευθύ άξονα d κατά 90 ο και περιστρέφεται με γωνιακή συχνότητα ω s. Η μηδενική συνιστώσα υπάρχει μόνο σε περίπτωση ασυμμετρίας του συστήματος, οπότε αφού εδώ γίνεται μετατροπή του τριφασικού συστήματος abc αυτή παραλείπεται. Ο μετασχηματισμός Park μπορεί μα εφαρμοστεί κάθε χρονική στιγμή σε τριφασικάσυστήματα που εξαρτώνται από το χρόνο. Έτσι μπορεί να συμπεριλάβει είτε τημόνιμη είτε τημεταβατικήκατάστασηλειτουργίας. Ο μετασχηματισμός Park συμβολίζεται με Τ dq0 και μεταφέρει ένα σύνολο μεταβλητών (ή σημάτων) από το τριφασικό σύστημα (a-b-c) στο σύστημα κάθετων d-q αξόνων, σύμφωνα με τη σχέση: [x dq0 ] = [T dq0 (θ)] [x abc ] (5.6) όπου: x d [x dq0 ] = [ x q ] x 0 x a [x abc ] = [ x b ] x c (5.7) (5.8) 57

58 Η μήτρα του μετασχηματισμού δίνεται από την ακόλουθη σχέση: [T dq0 ] = 2 3 [ cos θ cos(θ 2π ) cos(θ + 2π ) 3 3 sin θ sin(θ 2π ) sin(θ + 2π ) ] (5.9) ενώ ο αντίστροφος μετασχηματισμός Park δίνεται από την σχέση: cosθ sinθ [Τ dq0 ] 1 = [ cos (θ 2π ) sin (θ 2π ) ] (5.10) cos (θ + 2π ) sin (θ + 2π ) όπου θ = ω s t + θ 0, με ω s μία αυθαίρετη γωνιακή ταχύτητα, t ο χρόνος και θ 0 μία αρχική γωνία. Έτσι ο αντίστροφος μετασχηματισμός Park γίνεται: cos ω s t sin ω s t [Τ dq0 ] 1 = cos (ω s t 2π ) sin (ω 3 s t 2π ) (5.11) [ cos (ω s t + 2π ) sin (ω 3 s t + 2π ) 1 3 ] 58

59 Σχήμα 5.2: Παράσταση των a-b-c και d-q πλαισίων αναφοράς [30] Ο θετικός άξονας q καθορίζεται να προηγείται του θετικού άξονα d κατά π 2. Για την μετατροπή των διαφορικών εξισώσεων του συστήματος απαραίτητος είναι και ο ορισμός του μετασχηματισμού της παραγώγου μιας μεταβλητής στο d-q πλαίσιο και δίνεται από τον παρακάτω τύπο: d dt [x abc] = d dt ([T dq0(θ)] 1 /[x dqo ]) (5.12) Στον μετασχηματισμό Park στηρίζεται και ο διανυσματικός έλεγχος που θα εφαρμόσουμε στη συνέχεια για να πετύχουμε γραμμικό, αποσυζευγμένο έλεγχο και ανεξάρτητη ρύθμιση πραγματικής και αέργου ισχύος της μηχανής. Έτσι, ρυθμίζοντας κατάλληλα το ρεύμα του q άξονα μπορούμε να ρυθμίσουμε την ενεργό ισχύ, ενώ ρυθμίζοντας το ρεύμα του d άξονα την άεργο. 59

60 5.3 Εξισώσεις Φωτοβολταϊκού συστήματος από την πλευρά του δικτύου Αντιστροφέας DC/AC Σχήμα 5.3: Κύκλωμα μετατροπέα από τη πλευρά του δικτύου Από τη πλευρά του δικτύου στο σημείο σύνδεσης του μετατροπέα με το δίκτυο, υπάρχει ένα RL φίλτρο. Το φίλτρο αυτό χρησιμοποιείται για να μειώνει τις αρμονικές που φτάνουν στο δίκτυο από τον μετατροπέα και να επιτρέπει τον έλεγχο της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα. Οι εξισώσεις που περιγράφουν την συμπεριφορά του φίλτρου στο a b c σύστημα είναι: όπου : u af [ u bf ] = R f [ u cf i af i bf i af i bf v af ]+L f d [ ] + [ v bf ] (5.13) dt i cf i cf v cf u af, u bf, u cf : η στιγμιαία τιμή της τάσεως του δικτύου στη φάση a, b και c i af, i bf, i cf :η στιγμιαία τιμή του ρεύματος του φίλτρου σε κάθε φάση v af, v bf, v cf : η στιγμιαία τιμή της τάσεως στην έξοδο του μετατροπέα στη φάση a, b και c αντίστοιχα R f L f : η αντίσταση του φίλτρου : η αυτεπαγωγή του φίλτρου Μετασχηματίζοντας τις παραπάνω εξισώσεις με τη βοήθεια του Park στο d-q σύστημα παίρνουμε: [ U df ] = R U f [ I df ] + L qf I f [ I df 0 1 ] + ω s L f [ qf 1 0 ] [I df ] + [ V df I qf I qf V qf ] (5.14) 60

61 όπου: U df, U qf : η τάση του δικτύου στο d και q άξονα αντίστοιχα I df, I qf : το ρεύμα του φίλτρου στο d και q άξονα αντίστοιχα V df, V qf : η τάση στην έξοδο του μετατροπέα στο d και q άξονα ω s : η κυκλική συχνότητα του μετασχηματισμού Εάν προσανατολίσουμε τον άξονα q του πλαισίου αναφοράς με το διάνυσμα της τάσης του δικτύου και με τάση δικτύου 220 V rms τιμή τότε θα προκύψει: U df = U dgrid = 0 V (5.15) U qf = U qgrid = 2 220V (5.16) Επίσης, επειδή το πλαίσιο προσανατολίζεται στην τάση του δικτύου, θα στρέφεται με την γωνιακή ταχύτητα της τάσεως του δικτύου. Άρα ισχύει: ω s = ω f (5.17) Έτσι η σχέση (5.14) από τις σχέσεις (5.15), (5.16) και (5.17) θα γίνει: I df = 1 [R L f I df ω s I qf V df ] (5.18) f I qf = 1 [R L f I qf ω s I df V qf + U qf ] (5.19) f Η ενεργός και άεργος ισχύς του δικτύου δίνεται από τις σχέσεις: P grid = 3 2 (U dgrid I dgrid + U qgrid I qgrid ) = 3 2 U qgrid I qgrid (5.20) Q grid = 3 2 (U dgrid I qgrid U qgrid I dgrid ) = 3 2 U qgrid I dgrid (5.21) Ενώ, η ενεργός και άεργος ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου δίνεται από τις σχέσεις: P f = 3 2 (V df I df + V qf I qf ) (5.22) Q f = 3 2 (V df I qf V qf I df ) (5.23) Ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα στον d και q άξονα δίνεται από τις σχέσεις: m df = V df V dc m qf = V qf V dc (5.24) (5.25) 61

62 Οπότε οι σχέσεις (5.18) και (5.19)από τις (5.24) και (5.25) γίνονται : I df = 1 [R L f I df ω s I qf m df V dc ] (5.26) f I qf = 1 [R L f I qf ω s I df m qf V dc + U qf ] (5.27) f Ομοίως, οι σχέσεις (5.22) και (5.23) θα γίνουν: P f = 3 2 (m df V dc I df + m df V dc I qf ) (5.28) Q f = 3 2 (m df V dc I qf m df V dc I df ) (5.29) Θεωρώντας ιδανικούς μετατροπείς και σύμφωνα με την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας στον μετατροπέα της πλευράς του δικτύου προκύπτει η σχέση: P f = P dc = P s + P c (5.30) όπου: P f : η ενεργός ισχύς που φτάνει στο δίκτυο P dc :η ενεργός ισχύς που περνά από τη μηχανή στο δίκτυο διαμέσου της διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος P s : η ενεργός ισχύς της πηγής ρεύματος I s P c : η ισχύς του πυκνωτή Έτσι, προκύπτει: 3 2 (V df I df + V qf I qf ) = I s V dc + I c V dc 3 2 (m df V dc I df + m df V dc I qf ) = I s V dc + I c CV dc CV dc = 3 (m 2 df I df + m df I qf ) I s (5.31) όπου: C : η χωρητικότητα του πυκνωτή στην διασύνδεση συνεχούς ρεύματος V dc : η dc τάση του πυκνωτή στη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος 62

63 5.3.2 Boost μετατροπέας DC/DC Για την φωτοβολταϊκή διάταξη χρησιμοποιήσαμε έναν DC to DC Boost μετατροπέα σε συνδιασμό με έναν DC/AC αντιστροφέα. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα ενός DC/DC Boost μετατροπέα με ιδανικό διακόπτη. Στην ουσία η φωτοβολταϊκή διάταξη είναι μια πηγή συνεχούς τάσης Ε και ως τέτοια αντιμετωπίζεται για την εξαγωγή των μαθηματικών εξισώσεων του μοντέλου. Σχήμα 5.4: DC/DC Boost μετατροπέας με ιδανικό διακόπτη[31] Για να εξάγουμε τις δυναμικές εξισώσεις του Boost μετατροπέα θα εφαρμόσουμε τους νόμους του Kirchoff για κάθε μία από τις δύο τοπολογίες, όταν δηλαδή μ = 1 και όταν μ = 0. Οι δύο τοπολογίες φαίνονται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 5.5: Ο DC/DC Boost μετατροπέας όταν ο διακόπτης είναι στη θέση μ=1(δεξιά) και όταν είναι στη θέση μ=0 αντίστοιχα (αριστερά) [32] Όταν ο διακόπτης είναι στη θέση μ = 1 (Σχήμα 5.5 (δεξιά)) χρησιμοποιώντας τους νόμους τάσεων και ρευμάτων του Kirchoff παίρνουμε τις παρακάτω εξισώσεις: για το ρεύμα: Ε = V L E = L di PV dt I PV = E L (5.32) για την τάση: I R = I c V dc R = C dv dc dt V dc = V dc RC (5.33) Όταν ο διακόπτης βρίσκεται στη θέση μ = 0 πάλι από τους νόμους του Kirchoff παίρνουμε: για το ρεύμα: Ε = V L + V C E = L di PV dt + V dc I PV = 1 L (E V dc) (5.34) 63