ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΝΟΜΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ»

Transcript

1

2 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΝΟΜΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ» STUDY OF THE PERFORMANCE OF PHOTOVOLTAIC SYSTEMS IN THE PREFECTURE OF THESSALONIKI ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ ΧΑΤΖΗΑΣΛΑΝΙΔΗΣ ΠΡΟΔΡΟΜΟΣ Α.Ε.Μ.: 4188 ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΚΟΓΙΑ ΓΡ. ΦΩΤΕΙΝΗ Καβάλα, Μάιος 2013

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η Εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μου Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μου στο Τμήμα Ηλεκτρολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε το Νοέμβριο του 2012 και ολοκληρώθηκε το Μάϊο του 2013, υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας κας Κόγια Γρ. Φωτεινής, Καθηγήτριας Εφαρμογών του Τομέα Φυσικής, του Γενικού Τμήματος Θετικών Επιστημών, της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η παρούσα εργασία, είχε ως σκοπό τη μελέτη της απόδοσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων στο Νομό Θεσσαλονίκης ο τελικός στόχος της εργασίας ήταν η συγκέντρωση στοιχείων με τη μέθοδο του ερωτηματολογίου, ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων και η διατύπωση προτάσεων για τη βελτίωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων στο Νομό Θεσσαλονίκης. Αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω θερμά την Καθηγήτρια κα. Κόγια Φωτεινή, τόσο για την ανάθεση του θέματος, όσο και για το αμείωτο ενδιαφέρον και την προθυμία της στην εξεύρεση πληροφοριών, για τις εύστοχες υποδείξεις σχετικά με τον τρόπο χειρισμού του θέματος, καθώς επίσης και για την αμέριστη βοήθεια, καθοδήγηση και συμπαράσταση που μου παρείχε όλο αυτό το διάστημα. Η συμβολή της στην πραγματοποίηση αυτής της εργασίας ήταν καθοριστική. Οφείλω επίσης να ευχαριστήσω τον κ. Τσάϊκο Μιχάλη (πωλητή φωτοβολταϊκών συστημάτων) και τον κ. Σαμαρά Χρήστο (εγκαταστάτη φωτοβολταϊκών συστημάτων) για τη βοήθεια και τις πληροφορίες που μου παρείχαν για την ολοκλήρωση της πτυχιακής μου εργασίας. Καβάλα, Μάιος 2013 iii

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΞΩΦΥΛΛΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΕΞΩΦΥΛΛΟ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT i ii iii iv viii ix ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Α.Π.Ε.) 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 Ο ΗΛΙΟΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΗΛΙΑΚΟΣ ΧΑΡΤΗΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΜΙΞΗΣ 17 iv

5 3.1.2 ΔΙΟΔΟΣ ΕΠΑΦΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ 19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 4.1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΙΣΧΥΣ ΑΙΧΜΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΤΡΟΠΟΙ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΤΟΥΣ ΙΣΧΥΣ ΑΙΧΜΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΣΚΙΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ-ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΚΑΛΩΔΙΩΣΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ v

6 5.1 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΔΙΑΤΑΞΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΕΜΒΑΔΟΝ ΟΡΙΖΟΝΤΙΑΣ ΕΚΤΑΣΗΣ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΓΕΙΩΣΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΙΩΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΣΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΛΩΔΙΩΝ ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΧΩΡΟΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΩΡΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ DC-AC ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΥΠΟI ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΕΙΣ ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ DC-AC INVERTER ΕΠΙΛΟΓΗ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΥΠΟI ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΕΡΕΥΝΑ 6.1 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ ΓΡΑΦΗΜΑΤΑ 107 vi

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 7.1 ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΓΡΑΦΗΜΑΤΩΝ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 123 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 125 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ 128 ΧΑΡΤΗΣ 133 vii

8 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη απόδοσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων στο Νομό Θεσσαλονίκης. Το 1 ο Κεφάλαιο αναφέρεται στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Το 2 ο Κεφάλαιο αναφέρεται στην ηλιακή ενέργεια και στους τρόπους αξιοποίησής της. Στο 3 ο Κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στους ημιαγωγούς και αναφορά στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Στο 4 ο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο φωτοβολταϊκό στοιχείο και στην εξέλιξή του σε φωτοβολταϊκή συστοιχία. Επίσης, γίνεται αναφορά στα φωτοβολταϊκά συστήματα και στο φωτοβολταϊκό εξοπλισμό. Το 5 ο Κεφάλαιο αναφέρεται στη διαδικασία εγκατάστασης φωτοβολταϊκού συστήματος σε στέγη και δώμα και στη διαδικασία επιλογής του φωτοβολταϊκού εξοπλισμού. Στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχουν τυπολόγια για τον αναλυτικό υπολογισμό αυτόνομου και διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος. Το 6 ο Κεφάλαιο αναφέρεται στο ερωτηματολόγιο και στα αποτελέσματα της έρευνας για την απόδοση των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο 7 ο Κεφάλαιο σχολιάζονται τα αποτελέσματα της έρευνας και στο τέλος, διατυπώνονται προτάσεις για τη βελτίωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων. viii

9 ABSTRACT The present dissertation concerns the study regarding photovoltaic panel performance at the prefecture of Thessaloniki. The first chapter refers to the renewable energy sources. The second chapter concerns the solar energy and ways of its utilization. The third chapter includes an introduction regarding the semiconductors as well as a reference regarding photovoltaic phenomenon. Chapter four concerns photovoltaic element and its evolution in photovoltaic series. There is also a reference regarding photovoltaic panel and photovoltaic equipment. The fifth chapter concerns photovoltaic panel installation process on a roof or terrace and photovoltaic equipment selection process. At the end of the chapter there is a typology regarding analytical calculations of an autonomous and interconnected photovoltaic panel. Chapter six concerns the questioner used for the current research as well as the results regarding the photovoltaic panel performance. The seventh chapter includes comments on the results of the current research and at the end of the chapter there are some formulated proposals regarding the improvement of the photovoltaic panel performance. ix

10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Α.Π.Ε.) Το σύνολο των πηγών που διαθέτει η ανθρωπότητα σήμερα για την παραγωγή ενέργειας βασίζεται σε δύο κατηγορίες καυσίμων, στα ορυκτά καύσιμα, όπως το πετρέλαιο και ο άνθρακας και στην πυρηνική ενέργεια. Τα ορυκτά καύσιμα ανήκουν στις συμβατικές ή αναλώσιμες πηγές ενέργειας αυτό σημαίνει, ότι υπάρχουν κοιτάσματα τα οποία με την πάροδο του χρόνου θα εξαντληθούν. Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται κυρίως ορυκτά καύσιμα άνθρακας ή πετρέλαιο κ.λπ. Ένα από τα προβλήματα που δημιουργούνται είναι η περιβαλλοντική καταστροφή καθώς κατά την καύση του παράγει μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) που εκπέμπεται στη ατμόσφαιρα. Στο παρελθόν κυρίως κατά την δεκαετία του 70 εξαπλώθηκε και η παραγωγή ηλεκτρισμού από πυρηνική ενέργεια, η οποία μπορεί να μην παράγει διοξείδιο του άνθρακα, αλλά οι επιπτώσεις της στο περιβάλλον από πυρηνικά ατυχήματα ήταν καταστρεπτικές. Επιπλέον, αποτελούν μεγάλο πρόβλημα τα πυρηνικά απόβλητα τα οποία έχουν υψηλά επίπεδα τοξικότητας και ραδιενέργειας. Το καύσιμο το οποίο χρησιμοποιείται για την πυρηνική σχάση είναι το U 235, το οποίο έχει πλέον περιορισμένα κοιτάσματα που έχουν ως συνέπεια την άνοδο της τιμής του, άρα και την άνοδο της τιμής της παραγόμενης ενέργειας και κατά συνέπεια τον κίνδυνο εξάρτησης μιας χώρας. Για να απεξαρτηθεί η ανθρωπότητα και να προστατέψει το περιβάλλον πρέπει να στραφεί σε άλλες μορφές ενέργειας, όπως είναι οι Α.Π.Ε. οι οποίες είναι πρακτικά ανεξάντλητες. Οι Α.Π.Ε. είναι οι πηγές που ανανεώνονται συνεχώς και έχουν σα βασική τους προέλευση τον ήλιο. Η ηλιακή ενέργεια που φτάνει στη Γη συμβάλλει στη δημιουργία και διατήρηση της ζωής, ενώ συγχρόνως παρέχει ενέργεια που αξιοποιείται με διάφορες μορφές: Θερμαίνοντας και εξατμίζοντας μεγάλες ποσότητες θαλασσινού νερού δημιουργεί τις λίμνες και τα ποτάμια (υδραυλική ενέργεια). 1

11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο H ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται από διάφορα υλικά παράγει ηλεκτρισμό, (φωτοβολταϊκό φαινόμενο) ή θερμαίνει το νερό οικιακής χρήσης (ηλιακή θερμική μετατροπή). Θερμαίνοντας το έδαφος και αυτό με την σειρά του τον αέρα, δημιουργεί τα ρεύματα αέρα (αιολική ενέργεια) και τα κύματα. Συμβάλλει στην ανάπτυξη της χλωρίδας και η καύση φυτικών προϊόντων παράγει ενέργεια (βιομάζα). Οι κυριότερες Α.Π.Ε. είναι: Ηλιακή ενέργεια Αιολική ενέργεια Υδραυλική ενέργεια Βιομάζα Γεωθερμική ενέργεια Τα πλεονεκτήματα των Α.Π.Ε., είναι τα παρακάτω: Δεν παράγουν ρύπους, άρα είναι φιλικές στο περιβάλλον Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στην απεξάρτηση της ενέργειας από τις συμβατικές πηγές ενέργειας, όπως ορυκτά καύσιμα. Συμβάλλουν στην ανάπτυξη της οικονομίας της χώρας καθώς και την ανεξαρτησία της από άλλες χώρες παραγωγούς ορυκτών καυσίμων. Αποφορτίζουν τα δίκτυα μεταφοράς ενέργειας επειδή είναι διάσπαρτες και βοηθούν τις περιφέρειες της χώρας να καλύψουν τοπικά τις ανάγκες τους σε ενέργεια. Έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος. Τα κυριότερα μειονεκτήματα των Α.Π.Ε. είναι: Υψηλό κόστος εγκατάστασης Περιορισμένη απόδοση Δυσκολία στην αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας Μία από τις εφαρμογές των Α.Π.Ε. είναι η αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων, το οποίο αποτελεί το κύριο θέμα μελέτης της πτυχιακής εργασίας. Τα φωτοβολταϊκά αποτελούν μία ταχύτατα αναπτυσσόμενη τεχνολογία, η οποία είναι προσιτή από οικονομικής πλευράς λόγω της συνεχιζόμενης μείωσης του κόστους και έχει γίνει ήδη ανταγωνιστική συγκριτικά με τις συμβατικές μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα 2

12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο των φωτοβολταϊκών είναι αδιαμφισβήτητα. Κάθε κιλοβατώρα που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά και άρα, όχι από συμβατικά καύσιμα, συνεπάγεται την αποφυγή έκλυσης ενός περίπου κιλού διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (με βάση το σημερινό ενεργειακό μείγμα στην Ελλάδα και τις μέσες απώλειες του δικτύου). Ένα κιλοβάτ παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκά αποτρέπει την έκλυση 1300 kg/ έτος διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ). Χρειάζονται 200 δέντρα σε ένα χρόνο για να απορροφήσουν αυτή την ποσότητα CO 2 δεδομένου ότι ένα δέντρο απορροφά 6 kg CO 2 / έτος. Από περιβαλλοντική άποψη, αποφεύγοντας 1300 kg CO 2 / έτος είναι σαν να κάνει ένα μέσο αυτοκίνητο 7000 km λιγότερα κάθε χρόνο. Επιπλέον, η υποκατάσταση ρυπογόνων καυσίμων από φωτοβολταϊκά συνεπάγεται λιγότερες εκπομπές άλλων επικίνδυνων ρύπων (όπως τα αιωρούμενα μικροσωματίδια, τα οξείδια του αζώτου, οι ενώσεις του θείου, κ.λπ.). Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα πυροδοτούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου και αλλάζουν το κλίμα της Γης, ενώ η ατμοσφαιρική ρύπανση έχει σοβαρές επιπτώσεις στην υγεία και στο περιβάλλον. Σχήμα Περιβαλλοντικά οφέλη φωτοβολταϊκών 3

13 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 Ο ΗΛΙΟΣ Ο Ήλιος είναι ένας αστέρας με μάζα kg, ακτίνα km, ηλικία 5 δισεκατομμύρια χρόνια και προσδόκιμο ζωής άλλα τόσα χρόνια περίπου. Η επιφανειακή του θερμοκρασία εκτιμάται στους 5800 Κ, η θερμοκρασία του πυρήνα του στους Κ και η μέση απόστασή του από τη Γη στα km. Για να διανύσει το φως αυτή την απόσταση με ταχύτητα km/s χρειάζεται 8,5 min. Η υψηλή θερμοκρασία του Ήλιου οφείλεται στις αυτοσυντηρούμενες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον πυρήνα του. Αυτές μετατρέπουν τόνους υδρογόνου σε ενέργεια κάθε δευτερόλεπτο. Υπολογίζεται ότι με τη μετατροπή 1g υδρογόνου σε ήλιο παράγεται ενέργεια ίση με 1, kwh. Η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται στο σύμπαν σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αλλά και με σωματιδιακή μορφή. Η τελευταία ωστόσο, δεν παρουσιάζει ενδιαφέρον από πλευράς ενεργειακής εκμετάλλευσης. 2.2 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Με τον όρο ακτινοβολία εννοούμε την εκπομπή και διάδοση ενέργειας υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία). Η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που εκπέμπεται από την επιφάνεια του Ήλιου είναι της τάξης των W και παράγεται από τη θερμοπυρηνική σύντηξη τεσσάρων πρωτονίων (πυρήνες υδρογόνου) σ έναν πυρήνα ηλίου. Με βάση αυτή τη διαδικασία, 657 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου μετατρέπονται σε 652,5 εκατομμύρια τόνους ηλίου κάθε δευτερόλεπτο. Από την ενέργεια των 3, W που ακτινοβολείται από την επιφάνεια του Ηλίου στο διάστημα, μόνο 1, MW, που αντιπροσωπεύουν περίπου κάτι λιγότερο από τα 2 δισεκατομμυριοστά της όλης ηλιακής ενέργειας φτάνουν στα κατώτερα όρια της γήινης ατμόσφαιρας διαμέσου της ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτό σημαίνει ότι σε ετήσια βάση, η Γη δέχεται ενέργεια ίση με 4

14 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο 5, Joules. Η ενέργεια αυτή είναι περίπου δεκαπλάσια των γνωστών αποθεμάτων σε καύσιμα (φυσικό αέριο, πετρέλαιο και κάρβουνο). 2.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Η διαμόρφωση του φάσματος του φωτός που εκπέμπει ο Ήλιος προσομοιάζεται συνήθως με την ακτινοβολία ενός μελανού σώματος θερμοκρασίας 5800 Κ. Στην επιφάνεια της Γης, το ηλιακό φως αποκτά τελικά μία πολύ ανώμαλη φασματική κατανομή που οφείλεται σε εκλεκτικές απορροφήσεις και σκεδάσεις της ατμόσφαιρας που διασχίζει. Οι διάφορες περιοχές του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας φαίνονται στo Σχήμα 2.1. Η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που αντιστοιχεί στη μέση απόσταση πλανήτη - Ηλίου ονομάζεται ηλιακή σταθερά. Στο ηλιακό μας σύστημα, η ηλιακή σταθερά είναι 1367W/ m 2. Η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μεταφέρεται με φωτόνια. Τα φωτόνια κινούνται στο κενό με την ταχύτητα του φωτός και κάθε ένα από αυτά μεταφέρει ενέργεια που δίνεται από τη σχέση 2.1: όπου: Ε: είναι η ενέργεια του φωτονίου σε ev h: σταθερά του plank 6, J s v: συχνότητα της ακτινοβολίας h v (2.1) Σχήμα Φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας 5

15 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Η απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από ένα σώμα, οφείλεται στη διέγερση των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται σε επιτρεπόμενες τροχιές γύρω από τον πυρήνα και τη μετάβασή τους σε ανώτερες ενεργειακές καταστάσεις. Η συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας δεν αλλάζει κατά τη διάδοσή του από ένα υλικό σε ένα άλλο. H τελική μορφή της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης εξαρτάται από το υψόμετρο, τη γεωγραφική θέση και τις μετεωρολογικές συνθήκες που επικρατούν. Για να υπολογίσουμε τη διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα από την ατμόσφαιρα μέχρι το επίπεδο της θάλασσας υπάρχει ένας αριθμός που ονομάζεται air mass (μάζα αέρα) ΑΜ και υπολογίζεται από τη σχέση 2.2: 1 (2.2) z όπου: ΑΜ είναι η μάζα του αέρα και z η ζενίθια γωνία. Η μάζα αέρα μας δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη είναι η διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα συγκριτικά με την κατακόρυφη διαδρομή της (Σχήμα 2.2). Σχήμα Πάχος ατμόσφαιρας H και μήκος διαδρομής ακτίνων ηλίου L μέσα σε αυτήν 2.4 ΗΛΙΑΚΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ Η θέση του Ήλιου από ένα ορισμένο σημείο της επιφάνειας της Γης, για μια δεδομένη χρονική στιγμή, διαμορφώνει την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και μπορεί να προσεγγιστεί από κάποιες βασικές γωνίες, οι οποίες περιγράφονται παρακάτω: 6

16 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Γεωγραφικό πλάτος φ: Είναι η γωνιακή απόσταση ενός τόπου από τον Ισημερινό. Σε περιοχές του βόρειου ημισφαιρίου (όπως η Ελλάδα) αντιστοιχεί θετική τιμή γεωγραφικού πλάτους. Οι τιμές που μπορεί να πάρει η συγκεκριμένη γωνία είναι - 90 φ 90. Σχήμα Γεωγραφικό πλάτος φ Κλίση επιφάνειας β: Η κλίση β μιας επιφάνειας είναι η γωνία που σχηματίζει σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο. Σχήμα Κλίση επιφάνειας β Γωνία αζιμούθιου γ: Η γωνία αζιμούθιου γ που περιγράφει την κατεύθυνση προς την οποία είναι στραμμένη μια επιφάνεια ως προς τον ορίζοντα. Στο Σχήμα 2.5 δείχνονται οι γωνίες προσδιορισμού της θέσης του Ήλιου, μια ορισμένη στιγμή, με 7

17 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο αναφορά ως προς την Ανατολή και ως προς τη Δύση. Για τοποθεσίες του Βόρειου ημισφαιρίου (όπως η Ελλάδα) ισχύουν οι παρακάτω περιπτώσεις: Για γ = 0, Νότιος προσανατολισμός Για γ > 0, Δυτικός προσανατολισμός. Για γ < 0, Ανατολικός προσανατολισμός. Σχήμα Γωνία αζιμουθίου γ Απόκλιση δ του ήλιου: Ορίζεται η γωνία ανάμεσα στην ευθεία Ήλιου-Γης και την προβολή της στο επίπεδο του ισημερινού. Η μέγιστη τιμή της, κατά το θερινό ηλιοστάσιο, είναι 23,45. Η ελάχιστη τιμή της, κατά το χειμερινό ηλιοστάσιο, είναι -23,45. Σχήμα Απόκλιση δ του ηλίου 8

18 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Ωριαία γωνιά ω: Eίναι η γωνιακή μετατόπιση του Ήλιου, Ανατολικά ή Δυτικά του τοπικού μεσημβρινού λόγω της περιστροφής της Γης στον άξονά του κατά 15 o ανά ώρα. Ωριαία γωνία Δύσης ή Ανατολής: Είναι η ωριαία γωνία όταν η γωνία αζιμούθιου είναι 90. Γωνία πρόσπτωσης θ: Είναι η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της καθέτου στο επίπεδο αναφοράς και της ευθείας που συνδέει αυτό το επίπεδο και τον Ήλιο. 2.5 ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ H ηλιακή ακτινοβολία περνώντας μέσα από την ατμόσφαιρα σκεδάζεται στους υδρατμούς, στη σκόνη και στα διάφορα αιωρούμενα σωματίδια. Ένα μέρος της φτάνει στη Γη και το υπόλοιπο ανακλάται στο διάστημα, επίσης ένα μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από ορισμένα συστατικά της ατμόσφαιρας και ένα άλλο ανακλάται στα σύννεφα και στη συνέχεια διαχέεται στο έδαφος. Σχήμα Τρόποι διάδοσης ηλιακής ακτινοβολίας Έτσι σε κάθε περιοχή της Γης φτάνει η ηλιακή ακτινοβολία με τρεις διαφορετικούς τρόπους: Απευθείας ή άμεση ακτινοβολία Διάχυτη ακτινοβολία Διάχυτη ανακλώμενη από το έδαφος 9

19 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Η απευθείας και η διάχυτη ακτινοβολία εξαρτώνται από τη γωνία πρόσπτωσης ηλιακών ακτινών, από την ημέρα κατά τη διάρκεια του έτους και από την κατάσταση της ατμόσφαιρας. Η διάχυτη ανακλώμενη ακτινοβολία εξαρτάται από την πυκνότητα των νεφών και από τη μορφολογία και το χρώμα του εδάφους. 2.6 ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Τα σπουδαιότερα όργανα για τη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι το πυρανόμετρο και η φωτοδίοδος. Εικόνα Πυρανόμετρο με πλάκες Τα πυρανόμετρα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: 10

20 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Πυρανόμετρο με πλάκες. Μετράει την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία με μήκος κύματος λ=0,3-3μm. Αποτελείται από δύο πλάκες και ένα μεγάλο αριθμό θερμοηλεκτρικών ζευγών συνδεδεμένων σε σειρά, των οποίων οι μισές επαφές είναι εκτυπωμένες στην πάνω πλάκα και οι άλλες μισές στην κάτω. Δύο ομόκεντρα κρυστάλλινα ημισφαίρια προστατεύουν την πάνω πλάκα από την υγρασία και την ψύξη λόγω αέριων ρευμάτων (Εικόνα 2.1). Πυρανόμετρο με φωτοβολταϊκό στοιχείο. Μετράει την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία με μήκος κύματος λ=0,3-3μm. Αποτελείται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μονοκρυσταλλικού πυριτίου και έχει έξοδο τάσης σε mv που είναι ανάλογη με την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Η φωτοδίοδος είναι μία δίοδος επαφής ημιαγωγών που όταν φωτιστεί στο εσωτερικό της παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο μετριέται με τη βοήθεια αμπερομέτρου. 2.7 ΗΛΙΑΚΟΣ ΧΑΡΤΗΣ Ο ηλιακός χάρτης μας δείχνει την ορθή προβολή της τροχιάς του Ήλιου στη διάρκεια ενός έτους όπως φαίνεται από τη Γη. Ο ηλιακός χάρτης (Σχήμα 2.8) μας προσδιορίζει τη θέση του Ήλιου οποιαδήποτε ώρα της ημέρας κάθε μήνα σε συγκεκριμένο πλάτος φ του τόπου. Σχήμα Ηλιακός χάρτης για Β. Γ. Π.: 32 o 11

21 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Έστω, ότι θέλουμε να προσδιορίσουμε τις γωνίες του Ήλιου για την 21 η Δεκεμβρίου και ώρα 10 π.μ. για τον υπολογισμό ακολουθούμε την παρακάτω διαδικασία: Επιλέγουμε τo χάρτη με το γεωγραφικό πλάτος για το οποίο θέλουμε να υπολογίσουμε την τροχιά του Ήλιου. Βρίσκουμε στο χάρτη την τροχιά του Ήλιου της 21 ης Δεκεμβρίου και την καμπύλη της ώρας για 10 π.μ. για την οποία θέλουμε να υπολογίσουμε την τροχιά. Από το σημείο τομής της τροχιάς του Ήλιου και της καμπύλης της ώρας χαράζουμε κάθετη ευθεία προς την τετμημένη. Προκύπτει αζιμούθιο Ήλιου 30 ο ανατολικότερα του Νότου (Σχήμα 2.9). Από το σημείο του αζιμουθίου του Ήλιου χαράζουμε οριζόντια ευθεία, κάθετη προς την τεταγμένη και προκύπτει η γωνία ύψους 20 ο (Σχήμα 2.9). Σχήμα 2.9- Ηλιακός χάρτης για Β.Γ.Π.: 40 o με χαραγμένη τη γωνία αζιμουθίου και τη γωνία του ήλιου 2.8 ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας μπορεί να εφαρμοστεί με τρεις τρόπους, με ενεργητικά ηλιακά συστήματα, με παθητικά ηλιακά συστήματα και με φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα είναι δομικά στοιχεία του κτιρίου, που αξιοποιώντας τους νόμους μεταφοράς θερμότητας, συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια, την αποθηκεύουν σε 12

22 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο μορφή θερμότητας και τη διανέμουν στο χώρο. Η συλλογή της ηλιακής ενέργειας βασίζεται στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και ειδικότερα στην είσοδο της ηλιακής ακτινοβολίας μέσω του γυαλιού ή άλλου διαφανούς υλικού και τον εγκλωβισμό της θερμότητας στο εσωτερικό του χώρου. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα συνδυάζονται και με τεχνικές φυσικού φωτισμού, καθώς και με παθητικά συστήματα και τεχνικές για το φυσικό δροσισμό των κτιρίων το καλοκαίρι. Μπορούν δε να εφαρμοστούν τόσο σε καινούργια, όσο και σε ήδη υπάρχοντα κτίρια. Σχήμα 2.10 Τρόποι αξιοποίησης ηλιακής ενέργειας Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα αποτελούν μηχανολογικά συστήματα που συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια, τη μετατρέπουν σε θερμότητα, την αποθηκεύουν και τη διανέμουν, χρησιμοποιώντας είτε κάποιο υγρό είτε αέρα ως ρευστό μεταφοράς της θερμότητας. Χρησιμοποιούνται για θέρμανση νερού οικιακής χρήσης, για τη θέρμανση και ψύξη χώρων, για βιομηχανικές διεργασίες, για αφαλάτωση, για διάφορες αγροτικές εφαρμογές, για θέρμανση του νερού σε πισίνες, κ.λπ.. Η πιο απλή και διαδεδομένη μορφή των θερμικών ηλιακών συστημάτων, όπως είναι ευρύτατα γνωστή σε όλους, εφαρμόστηκε μέσω των ηλιακών θερμοσίφωνων. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική, λύνοντας έτσι το πρόβλημα της ηλεκτροδότησης περιοχών που είναι απομονωμένες από το ηλεκτρικό δίκτυο. Επίσης, αναφέρεται ότι σε πολλές καθημερινές εφαρμογές που δεν 13

23 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο απαιτούν υψηλή ηλεκτρική ισχύς, συναντάται η χρήση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας, όπως για παράδειγμα μικροί υπολογιστές, ρολόγια, φανάρια, οδικές σημάνσεις κ.λπ. Η μέθοδος αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας με φωτοβολταϊκά αποτελεί την κύρια τεχνολογία ανάπτυξης των Α.Π.Ε. Το Σχήμα 2.10 μας δείχνει τους τρόπους εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας. 14

24 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΜΙΑΓΩΓΟΥΣ Κάθε στερεό σώμα αποτελείται από άτομα, κάθε άτομο έχει έναν πυρήνα στον οποίο είναι συγκεντρωμένο όλο το θετικό του φορτίο, γύρω από τον πυρήνα υπάρχουν τα ηλεκτρόνια τα οποία είναι διατεταγμένα σε στοιβάδες. Στα ηλεκτρόνια είναι συγκεντρωμένο το αρνητικό φορτίο του ατόμου, τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας του ατόμου ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους. Η κίνηση των ηλεκτρονίων σε ένα σώμα ονομάζεται ηλεκτρική αγωγιμότητα και καθορίζει την αγωγιμότητα τους. Τα σώματα ανάλογα με την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα χωρίζονται σε: α) αγωγούς, β) μονωτές και γ) ημιαγωγούς. Αν εξετάσουμε τα ηλεκτρόνια του ατόμου ανάλογα με την αγώγιμότητα τους τότε τα ηλεκτρόνια είναι τριών ειδών: α) Ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων, β) Ελεύθερα ηλεκτρόνια και γ) Ηλεκτρόνια σθένους. Σχήμα Σχηματική παράσταση ατόμων Ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων: Έχουν τη μικρότερη ενέργεια από τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια και δε συμμετέχουν σε μηχανισμούς αγωγιμότητας. Ελεύθερα ηλεκτρόνια: Έχουν αρκετή ενέργεια και μπορούν να αποσπαστούν από τους δεσμούς τους σώματος. 15

25 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Ηλεκτρόνια σθένους: Είναι τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας τα οποία μπορούν να κινηθούν προς τις οπές γειτονικών δεσμών για να καλύψουν τις οπές, επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους του γειτονικού δεσμού εγκατέλειψαν τη θέση τους. Σε έναν ημιαγωγό διακρίνουμε τρεις διαφορετικές ζώνες ενέργειας: στο κάτω μέρος είναι η ζώνη των εσωτερικών ηλεκτρονίων του ατόμου, στη μέση είναι τα ηλεκτρόνια σθένους και στο πάνω μέρος είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Επειδή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να αποσπαστούν από τους δεσμούς του ατόμου είναι υπεύθυνα για την αγωγιμότητα του σώματος, γι αυτό το λόγο η ζώνη των ελεύθερων ηλεκτρονίων ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας. Η απόσταση μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας ονομάζεται ενεργειακό χάσμα Ε g. Αν συμβολίσουμε Ε c τη ζώνη αγωγιμότητας και Ε v τη ζώνη σθένους, τότε η διαφορά τους ορίζεται από τη σχέση 3.1: g Ec Ev (3.1) μας δείχνει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους, ώστε να μετατραπεί σε ελεύθερο ηλεκτρόνιο, με ταυτόχρονη δημιουργία μιας οπής. Σε έναν ημιαγωγό, τα ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να απορροφήσουν ποσότητα φωτός η οποία όμως εξαρτάται άμεσα από το ενεργειακό χάσμα Εg. Υπάρχουν τρεις περιπτώσεις: h v Eg (3.2) Η ενέργεια του φωτονίου είναι μικρότερη από αυτή του ενεργειακού χάσματος, άρα δεν μπορεί να απορροφηθεί. h v Eg (3.3) Η ενέργεια του φωτονίου είναι ίση με αυτή του ενεργειακού χάσματος, άρα η ενέργεια του φωτονίου απορροφάται από ένα ηλεκτρόνιο σθένους το οποίο ανεβαίνει στη ζώνη αγωγιμότητας και αφήνει στη ζώνη σθένους μία οπή. h v Eg (3.4) H ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη από αυτή του ενεργειακού χάσματος, το φωτόνιο απορροφάται από ένα ηλεκτρόνιο σθένους, το οποίο ανεβαίνει στην ενεργειακή ζώνη, υπάρχει όμως και περίσσευμα ενέργειας το οποίο μετατρέπεται σε κινητική και έχει ως αποτέλεσμα να αυξηθεί η θερμοκρασία του ημιαγωγού. 16

26 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΜΙΞΗΣ Έστω ότι έχουμε έναν ημιαγωγό ο οποίος απορροφά ένα φωτόνιο, το φωτόνιο θα μεταδώσει την ενέργεια του σε ένα ηλεκτρόνιο σθένους, το οποίο θα αποδεσμευτεί από τον πυρήνα του και θα δημιουργήσει μία κενή θέση που ονομάζεται οπή. Αν αποσπάσουμε το ηλεκτρόνιο από το άτομο τότε τη θέση του θα καταλάβει ένα ηλεκτρόνιο από γειτονικό άτομο και στη συνέχεια το γειτονικό άτομο για να καλύψει την οπή θα πάρει ηλεκτρόνιο από γειτονικό του άτομο κ.λπ. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούμε κίνηση ηλεκτρονίων και οπών προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η κίνηση των ηλεκτρονίων έξω από τους ημιαγωγούς γίνεται με τους ημιαγωγούς πρόσμιξης. Υπάρχουν δύο τύποι ημιαγωγών πρόσμιξης: α) ημιαγωγοί τύπου n β) ημιαγωγοί τύπου p Ημιαγωγός τύπου (n): Αν σε έναν ημιαγωγό αντικαταστήσουμε μερικά άτομα με άτομα μεγαλύτερου σθένους, τότε τα ηλεκτρόνια των ατόμων με μεγαλύτερο σθένος είναι ελεύθερα και ο ημιαγωγός έχει πλεόνασμα ηλεκτρονίων. Ημιαγωγός τύπου (p): Αν ακολουθήσουμε την ανάποδη διαδικασία, δηλαδή αντικαταστήσουμε μερικά άτομα του ημιαγωγού με άτομα μικρότερου σθένους, τότε δημιουργούμε οπές οι οποίες θα καλυφθούν με ηλεκτρόνια του ημιαγωγού (n). Ο ημιαγωγός τύπου (n) λόγω του ότι δίνει ηλεκτρόνια για να καλυφθούν οπές ονομάζεται δότης, ενώ ο ημιαγωγός τύπου (p) αποδέκτης ΔΙΟΔΟΣ ΕΠΑΦΗΣ Αν «ενώσουμε» έναν ημιαγωγό τύπου (p) και ένα τύπου (n), σύμφωνα με όσα αναφέραμε παραπάνω θα αρχίσουν οι οπές του ημιαγωγού (p) να πηγαίνουν προς τον ημιαγωγό (n) για να καλυφθούν με ηλεκτρόνια. 17

27 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Σχήμα Ημιαγωγός p-n Επειδή κάθε ηλεκτρόνιο αντιστοιχίζεται με μία οπή θα έχουμε σαν αποτέλεσμα την δημιουργία διαφοράς δυναμικού. Ενδιάμεσα στα άκρα (p) και (n) θα δημιουργηθεί μια ζώνη, η οποία ονομάζεται ζώνη φραγής. Η παραπάνω διάταξη των ημιαγωγών ονομάζεται δίοδος επαφής. Σχήμα Μετακίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών σε δίοδο επαφής Αν τη δίοδο επαφής τη συνδέσουμε κατά την ορθή φορά σε μια πηγή ρεύματος, τότε η δίοδος άγει, δηλαδή επιτρέπει την διέλευση του ρεύματος, ενώ αν συνδεθεί ανάστροφα, τότε η δίοδος αποκόπτει και δεν επιτρέπει την διέλευση του ρεύματος. 18

28 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο 3.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Όταν ένα φωτοβολταϊκό δέχεται ηλιακή ακτινοβολία σύμφωνα με τη σχέση 3.5: h v Eg (3.5) τότε κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας μπορεί να απορροφηθεί και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο συνεχίζεται η ακτινοβολία δημιουργούνται περίσσεια ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών. Όταν αυτά βρεθούν στην περιοχή της επαφής των ημιαγωγών, τότε έχουμε εκτροπή ηλεκτρονίων προς τον ημιαγωγό (n) και εκτροπή οπών προς τον ημιαγωγό (p), δημιουργείται δηλαδή μια διαφορά δυναμικού η οποία διατηρείται όσο προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία. Το ρεύμα το οποίο δημιουργείται ονομάζεται φωτόρευμα, η διάταξη που το παράγει φωτοβολταϊκό και το φαινόμενο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το φωτόρευμα είναι ανάλογο της φασματικής απόκρισης ως συνάρτηση του μήκους κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, γεγονός που αποδεικνύει την εξάρτηση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου από την ποιότητα της ηλιακής ακτινοβολίας. Δε μετατρέπεται όλη η ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Για τα φωτόνια τα οποία έχουν μικρότερη ενέργεια από το ενεργειακό χάσμα δηλαδή h v g (3.6) το φωτοβολταϊκό συμπεριφέρεται ως διαφανές σώμα δηλαδή τα ηλεκτρόνια το διαπερνούν και θερμαίνουν το μεταλλικό ηλεκτρόδιο στο πίσω μέρος του. Αν τα φωτόνια έχουν μεγαλύτερη ενέργεια από το ενεργειακό χάσμα δηλαδή h v g (3.7) τότε η ακτινοβολία που τελικά απορροφά ο ημιαγωγός είναι μόνο εκείνο το μέρος των φωτονίων των οποίων το ενεργειακό περιεχόμενο είναι ταυτόσημο με αυτό του διάκενου. Το υπόλοιπο δε χάνεται, αλλά μεταφέρεται με τη μορφή της κινητικής ενέργειας στο ηλεκτρόνιο το οποίο ελευθερώθηκε από το δεσμό και τελικά και αυτό μετατρέπεται σε θερμότητα. Όμως, η ανάπτυξη μεγάλης θερμοκρασίας στο εσωτερικό των φωτοβολταϊκών στοιχείων, οδηγεί σε μείωση της απόδοσης του συστήματος. Τα μόνα φωτόνια τα οποία απορροφούνται πλήρως είναι αυτά των οποίων η ενέργεια τους είναι ίση με το ενεργειακό χάσμα (σχέση 3.8): h v g (3.8) 19

29 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Δηλαδή η αλληλεπίδραση μεταξύ της ηλιακής ακτινοβολίας και των ηλεκτρονίων είναι η βασική αρχή λειτουργίας όλων των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Σχήμα Φωτοβολταϊκό φαινόμενο 20

30 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 4.1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ Το υλικό που χρησιμοποιείται περισσότερο στην κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι το πυρίτιο. Το πυρίτιο σήμερα αποτελεί την πρώτη ύλη για το 90% της αγοράς των φωτοβολταϊκών. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του πυριτίου είναι: Μπορεί να βρεθεί πάρα πολύ εύκολα στην φύση. Είναι το δεύτερο σε αφθονία υλικό που υπάρχει στον πλανήτη μετά το οξυγόνο. Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) (ή κοινώς, η άμμος) και ο χαλαζίτης αποτελούν το 28% του φλοιού της Γης. Είναι ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Μπορεί εύκολα να λιώσει και να μορφοποιηθεί. Επίσης, είναι σχετικά εύκολο να μετατραπεί στη μονοκρυσταλλική του μορφή. Οι ηλεκτρικές του ιδιότητες μπορούν να διατηρηθούν μέχρι και στους 125 ο C κάτι που επιτρέπει τη χρήση του πυριτίου σε ιδιαίτερα δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτός είναι και ο λόγος που τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου ανταπεξέρχονται σε ένα ιδιαίτερα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Πολύ σημαντικό στοιχείο, που συνέβαλε στη γρήγορη ανάπτυξη των φωτοβολταϊκών στοιχείων τα τελευταία χρόνια, ήταν η ήδη αναπτυγμένη τεχνολογία, στη βιομηχανία επεξεργασίας πυριτίου, στον τομέα της ηλεκτρονικής (υπολογιστές, τηλεοράσεις, κ.λπ.). Το 2007 μάλιστα ήταν η πρώτη χρονιά που υπήρχε μεγαλύτερη ζήτηση (σε τόνους κρυσταλλικού πυριτίου) στην αγορά των φωτοβολταϊκών στοιχειών σε σχέση με αυτήν των ημιαγωγών της ηλεκτρονικής. Η κατηγοριοποίηση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία θα μπορούσε να γίνει με βάση το πάχος του υλικού που χρησιμοποιείται. Ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής και τη δομή τους τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες: Φωτοβολταϊκά στοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου: Το βασικό τους υλικό είναι το μονοκρυσταλλικό. Το πάχος του υλικού είναι σχετικά μεγάλο και το χρώμα τους είναι σκούρο μπλε. Η απόδοσή τους, με τη μορφή φωτοβολταϊκού 21

31 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο στοιχείου, κυμαίνεται από 21% έως 24%, ενώ με τη μορφή φωτοβολταϊκών πλαισίων από 12% έως 19% (Eικόνα 4.1). Εικόνα Φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελούμενο από στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου Φωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου: Δυνατότητα κατασκευής μεγάλων επιφανειών. Συνήθως κόβονται σε στοιχεία τετραγωνικής μορφής. Αποτελούνται από λεπτά επιστρώματα πάχους 10 έως 50 μm, έχουν χρώμα γαλάζιο και στην επιφάνεια τους διακρίνονται οι διαφορετικές μονοκρυσταλλικές περιοχές. Σε εργαστηριακή μορφή η απόδοσή τους κυμαίνεται από 17% έως 20%, ενώ σε μορφή φωτοβολταϊκών πλαισίων 12% έως 19% (Εικόνα 4.2). Εικόνα 4.2 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελούμενο από στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου 22

32 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου: Το άμορφο πυρίτιο διαφέρει από το κρυσταλλικό πυρίτιο. Tο ενεργειακό του χάσμα κυμαίνεται από 1,2 ev έως 1,6 ev, ενώ το κρυσταλλικό πυρίτιο έχει σταθερή τιμή 1,1 ev. Το μεγάλο του πλεονέκτημα είναι ότι έχει μεγάλο συντελεστή απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας με αποτέλεσμα να μπορούν να κατασκευαστούν φωτοβολταϊκά στοιχεία με πάχος υλικού λίγων μm. Το μειονέκτημά του είναι ότι έχει μέτριες ηλεκτρικές ιδιότητες, για να τις βελτιώσουμε προσθέτουμε άτομα υδρογόνου τα οποία συμπληρώνουν τους χημικούς δεσμούς. Πίνακας 4.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών συστημάτων για διαφορετικά είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΟΝΟ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΟΛΥ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΑΜΟΡΦΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΑΠΟΔΟΣΗ [%] Μέση ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα για σύστημα με νότιο προσανατολισμό και κατάλληλη κλίση. kwh/kw p ] [kwh/m 2 ] Απαιτούμενη επιφάνεια m 2 ανά kw p Ετήσια μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα [kg CO 2 /kw p ]

33 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας: Είναι φωτοβολταϊκά τα οποία κατασκευάζονται από λεπτή ταινία πολυκρυσταλλικού πυριτίου και έχουν απόδοση 13%. Έχουν περιορισμένη χρήση λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής. 4.2 ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Σύμφωνα με όσα αναφέραμε στο κεφάλαιο 3 για το φωτοβολταϊκό φαινόμενο συμπεραίνουμε ότι μπορούμε να παραστήσουμε το απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου με μία δίοδο, επειδή το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι μία δίοδος επαφής. Για την δίοδο διακρίνουμε δύο καταστάσεις: Ανοιχτό κύκλωμα: Αν δεν έχουμε συνδεδεμένο φορτίο στα άκρα του φωτοβολταϊκού στοιχείου, τότε το ρεύμα μηδενίζεται και η τάση στα άκρα του ονομάζεται τάση ανοιχτού κυκλώματος V οc (Σχήμα 4.1). Σχήμα Δίοδος σε κατάσταση ανοιχτού κυκλώματος Βραχυκυκλωμένο κύκλωμα: Αν ενώσουμε τα άκρα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου με έναν αγωγό, τότε η τάση μηδενίζεται και το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα ονομάζεται ρεύμα βραχυκύκλωσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου I sc (Σχήμα 4.2). Σχήμα Δίοδος σε κατάσταση βραχυκύκλωσης 24

34 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Στην πραγματικότητα το ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου περιλαμβάνει και άλλες δύο αντιστάσεις: την αντίσταση Rsh (shunt resistance) και την αντίσταση σειράς Rs (series resistance) (Σχήμα 4.3). Η αντίσταση Rsh που είναι υπεύθυνη για την διαρροή του ρεύματος μεταξύ των άκρων της επαφής (p-n) και μεταξύ των σημείων που έχουν τάση ίση με την τάση στα άκρα της επαφής, δηλαδή λειτουργεί ως μικρό φορτίο και εκμηδενίζει τις τάσεις που προκαλούνται από τα ρεύματα διαρροής της επαφής (p-n). Η τιμή της είναι συνήθως μεγαλύτερη από 500 Ω. Η αντίσταση Rs εξισορροπεί τις αντιστάσεις που εμφανίζουν οι αγωγοί και οι συνδέσεις, καθώς και την αντίσταση που παρουσιάζει η επαφή (p-n). Σχήμα Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα φωτοβολταϊκού στοιχείου 4.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ H τάση των φωτοβολταϊκών στοιχείων μεταβάλλεται σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος που δίνουν στο κύκλωμα, έστω και αν παραμένει σταθερή η ηλιακή ακτινοβολία που δέχονται. Όταν το κύκλωμα είναι βραχυκυκλωμένο, η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος παίρνει τη μέγιστη τιμή I SC και η ηλεκτρική τάση μηδενίζεται (V = 0). Αντίθετα, όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, η ένταση του ρεύματος μηδενίζεται (I = 0) και η τάση παίρνει τη μέγιστη τιμή V oc. Οι μεταβολές έντασης και τάσεως φαίνονται στο διάγραμμα του Σχήματος 4.4 με μία καμπύλη γραμμή, που αποτελεί τη χαρακτηριστική καμπύλη του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Η καμπύλη αυτή ισχύει σε συνθήκες σταθερής ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και 25

35 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο για μεταβαλλόμενη αντίσταση του κυκλώματος από μηδέν (βραχυκύκλωμα) μέχρι άπειρη (ανοιχτό κύκλωμα). Είναι προφανές ότι ανάμεσα στις παραπάνω ακραίες καταστάσεις, η τάση και η ένταση του ρεύματος παίρνουν ενδιάμεσες τιμές. Σχήμα Χαρακτηριστική καμπύλη Ι-V Όπως είναι γνωστό, η ηλεκτρική ισχύς Ρ ορίζεται ως το γινόμενο της έντασης (I) επί την τάση (U) του ρεύματος (Ρ = I U). Το μέγιστο ορθογώνιο παραλληλόγραμμο μέσα στην καμπύλη I - V με πλευρές I m και V m, έχει εμβαδόν ίσο με τη μέγιστη αποδιδόμενη ισχύ P m από το φωτοβολταϊκό στοιχείο (Σχήμα 4.4). Άρα, εκτός από την τάση και την ένταση του ρεύματος, μεταβάλλεται ομαλά και η ηλεκτρική ισχύς Ρ που παράγει το φωτοβολταϊκό στοιχείο, με μέγιστη τιμή την P m για ένα ορισμένο ζεύγος τιμών έντασης I m και τάσεως V m. Το ορθογώνιο παραλληλόγραμμο με πλευρές I sc (ρεύμα βραχυκύκλωσης) και V oc (τάση ανοιχτού κυκλώματος), που βρίσκεται εξωτερικά της καμπύλης I V στο Σχήμα 4.4, περιγράφει την ιδανική συμπεριφορά του φωτοβολταϊκού στοιχείου ως πηγή σταθερού ρεύματος. Το πηλίκο των εμβαδών των δύο παραλληλογράμμων ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης FF (σχέση 4.1) του φωτοβολταϊκού στοιχείου και δίνει το μέτρο προσέγγισης της λειτουργίας ενός στοιχείου προς την ιδανική συμπεριφορά. I FF I m sc V V m oc (σχέση 4.1) Η τιμή του FF κυμαίνεται από 0 έως 1. Μια τιμή από 0,7 έως 0,9 χαρακτηρίζει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο με καλή ενεργειακή απόδοση. 26

36 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Στις ακραίες καταστάσεις του βραχυκυκλωμένου και ανοιχτού κυκλώματος, όπου V = 0 και I = 0 αντίστοιχα, η παρεχόμενη ηλεκτρική ισχύς από το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι μηδενική (Ρ = 0), άρα η μεταβολή της ισχύος με την τάση, που φαίνεται στο Σχήμα 4.5, παρουσιάζει μία μέγιστη τιμή κοντά στο σημείο όπου αρχίζει η έντονη πτώση της τιμής τoυ ρεύματος. Σχήμα Χαρακτηριστική καμπύλη Ι-V με μεταβαλλόμενη ισχύ P σε συνάρτηση της Κ.Φ. και της τάσης Συνεπώς, η αντίσταση του κυκλώματος, που τροφοδοτείται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, πρέπει να έχει κατάλληλη τιμή για να παράγεται η μεγαλύτερη δυνατή ηλεκτρική ισχύς από το φωτοβολταϊκό στοιχείο. Δηλαδή, η τάση και το ρεύμα της αντίστασης πρέπει να αντιστοιχούν στο Σημείο Μέγιστης Ισχύος (Σ.Μ.Ι.). Θεωρώντας ότι ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο τροφοδοτεί μία ωμική αντίσταση, μπορούμε να απεικονίσουμε στο διάγραμμα I-V του φωτοβολταϊκού στοιχείου την Καμπύλη Φορτίου (Κ.Φ.) της αντίστασης (ευθεία γραμμή), η οποία δείχνει τη μεταβολή του ρεύματος I που τη διαρρέει σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη στα άκρα της ηλεκτρική τάση V (Σχήμα 4.5). Το σημείο τομής της χαρακτηριστικής καμπύλης και της καμπύλης φορτίου ονομάζεται Σημείο Λειτουργίας (Σ.Λ.) του συστήματος και καθορίζει το ρεύμα και την τάση στην αντίσταση. 27

37 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Με τη χρήση ειδικών ηλεκτρονικών διατάξεων παρακολούθησης του Σ.Μ.Ι., όταν οι συνθήκες αλλάζουν και επιδιώκουμε τη συνεχή σύμπτωση του Σ.Λ. του συστήματος με το εκάστοτε Σ.Μ.Ι., ώστε να αποδίδεται η μέγιστη δυνατή ηλεκτρική ισχύς από το φωτοβολταϊκό στοιχείο. Η προσπάθεια αυτή είναι απαραίτητη γιατί η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας δεν παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια της ημέρας. Στο Σχήμα 4.6 φαίνεται η μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης I SC της τάσεως ανοιχτού κυκλώματος V OC σε συνάρτηση με την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας. Το ρεύμα I SC μεταβάλλεται ανάλογα με την προσπίπτουσα ακτινοβολία, ενώ η τάση V OC αυξάνεται απότομα στην αρχή (κατά την Ανατολή του Ηλίου) και μετά παραμένει σχεδόν σταθερή για το υπόλοιπο διάστημα μιας αίθριας ημέρας (μέχρι τη Δύση του Ηλίου). Σχήμα Διάγραμμα μεταβολής τάσεως ανοιχτού κυκλώματος σε συνάρτηση με την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας Όταν μεταβάλλεται η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας, έχουμε και μετατόπιση των χαρακτηριστικών καμπυλών I-V του φωτοβολταϊκού στοιχείου (Σχήμα 4.7). Αυτό σημαίνει ότι για σταθερή τιμή της ωμικής αντίστασης του κυκλώματος, τα Σ. Λ. απομακρύνονται από τα αντίστοιχα Σ. Μ. Ι.. 28

38 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Σχήμα Μεταβολή της καμπύλης Ι-V όταν μεταβάλλεται η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας Τέλος, η θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου αυξάνεται κατά τον φωτισμό του, γιατί ένα μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας μετατρέπεται σε θερμότητα μέσα στο στοιχείο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μικρή αύξηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης I SC τη μεγάλη ελάττωση της τάσεως ανοιχτού κυκλώματος V OC του φωτοβολταϊκού στοιχείου (Σχήμα 4.8). Είναι, λοιπόν, προφανές ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου προκαλεί μείωση της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος του P m. Η μείωση αυτή είναι περίπου 0,4% για κάθε βαθμό Κελσίου πάνω από τους 25 C. Δεδομένου ότι η μέση θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι 30 C μεγαλύτερη από τη μέση θερμοκρασία t α του αέρα, ορίζουμε τον παρακάτω συντελεστή θερμοκρασίας σ θ, ο οποίος χρησιμοποιείται στον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων (σχέση 4.2). 1 [ t 30 25] 0,004 (4.2) 29

39 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Σχήμα Μεταβολή της καμπύλης I-V με τη αύξηση της θερμοκρασίας του 4.4 ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο αποδίδει τη μέγιστη ισχύ P m και δέχεται ηλιακή ακτινοβολία P HA. Το πηλίκο της μέγιστης αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας ονομάζεται βαθμός απόδοσης (η) του φωτοβολταϊκού στοιχείου (σχέση 4.3). P I V FF V P P P m m m sc oc (4.3) HA HA HA όπου P m [W]: μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς φωτοβολταϊκού στοιχείου P HA [W]: ισχύς προσπίτουσας ηλιακής ακτινοβολίας I m [A]: ένταση ρεύματος στο σημείο μέγιστης ισχύος V m [V]: τάση ρεύματος στο σημείο μέγιστης ισχύος FF: συντελεστής πλήρωσης Ι sc [Α]: ρεύμα βραχυκύκλωσης V oc [V]: τάση ανοιχτού κυκλώματος 30

40 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο 4.5 ΙΣΧΥΣ ΑΙΧΜΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο ελέγχονται τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά: Ο βαθμός απόδοσης (η). Συντελεστής πλήρωσης (FF). Το ρεύμα βραχυκύκλωσης (Ι sc ). Την τάση ανοιχτού κυκλώματος (V oc ). Οι πρότυπες συνθήκες ελέγχου STC (standard test conditions) που έχουν καθοριστεί διεθνώς είναι οι ακόλουθες: Θερμοκρασία φωτοβολταϊκού στοιχείου ίση με 25 ο C +/- 2 ο C Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ισχύος P STC =1 kw/m 2 και φάσματος αντίστοιχο του ηλιακού με μάζα αέρα ΑΜ= 1,5 Κάθετη πρόσπτωση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Με βάση τις πρότυπες συνθήκες προσδιορίζεται και η ισχύς αιχμής του φωτοβολταϊκού στοιχείου που είναι η μέγιστη ισχύς που αποδίδει το φωτοβολταϊκό στοιχείο κάτω από τις πρότυπες συνθήκες STC. Η ισχύς αιχμής συμβολίζεται με P p και έχει μονάδα μέτρησης το W p. 4.6 ΤΡΟΠΟΙ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Όπως και στις ηλεκτρικές πηγές, έτσι και στα φωτοβολταϊκά στοιχεία υπάρχουν δύο τρόποι: Σύνδεση σε σειρά: Η σύνδεση σε σειρά Ν όμοιων φωτοβολταϊκών στοιχείων (Σχήμα 4.9) έχει ως αποτέλεσμα στην έξοδο να έχουμε τάση ανοιχτού κυκλώματος V oc πολλαπλάσια ανάλογα με τον αριθμό φωτοβολταϊκών που έχουμε V oc =N V oc, ενώ το ρεύμα παραμένει το ίδιο. Σε περίπτωση που τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι όμοια, ως προς το ρεύμα βραχυκύκλωσης Ι sc, τότε το στοιχείο με το μικρότερο ρεύμα επιβάλλει στο κύκλωμα το δικό του ρεύμα Ι sc = Ι scmin. 31

41 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Σχήμα Φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά Σύνδεση παράλληλα: Στην παράλληλη σύνδεση (Σχήμα 4.10) η τάση βραχυκύκλωσης παραμένει η ίδια ενώ το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι πολλαπλάσια ανάλογο με τον αριθμό των φωτοβολταϊκών στοιχείων Ι sc =N Ι sc. Σχήμα Φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεδεμένα παράλληλα 32

42 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο 4.7 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Η τάση και η ισχύς των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι πολύ μικρή για να ανταποκριθεί στην τροφοδότηση των συνηθισμένων ηλεκτρικών καταναλώσεων ή για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Ειδικότερα, η τάση που εκδηλώνει ένα συνηθισμένο φωτοβολταϊκό στοιχείο πυριτίου του εμπορίου, σε κανονική ηλιακή ακτινοβολία, είναι μόλις μέχρι 0,5 V περίπου και η ηλεκτρική ισχύς που παράγει είναι μόλις 0,4 W περίπου. Για αυτό το λόγο, συνδέουμε τα φωτοβολταϊκά στοιχεία σε σειρά ώστε να αποτελούν μία ενιαία μονάδα που ονομάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο (Σχήμα 4.11). Σχήμα Φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελούμενο από 36 φωτοβολταϊκά στοιχεία Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ή παράλληλα ανάλογα με τον επιδιωκόμενο στόχο. Ο συνδυασμός πολλών φωτοβολταϊκών πλαισίων καλωδιωμένων μεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα ονομάζεται φωτοβολταϊκή συστοιχία. Στο Σχήμα 4.12 παρατηρούμε ότι το φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελεί το δομικό στοιχείο του φωτοβολταϊκού πλαισίου και με τη σειρά του το πλαίσιο αποτελεί δομικό στοιχείο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. 33

43 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Σχήμα Η μετατροπή του φωτοβολταϊκού στοιχείου σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο και σε φωτοβολταϊκή συστοιχία 4.8 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ Αν και υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες διαφορετικές μεταξύ τους, η πιο συνήθης είναι αυτή του κρυσταλλικού πυριτίου. Η πρώτη ύλη για την παραγωγή αυτών των φωτοβολταϊκών είναι το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) (Εικόνα 4.3) που το παίρνουμε από χαλαζιακά πετρώματα που χρησιμοποιούνται επίσης και για την κατασκευή των chips στους υπολογιστές. Εικόνα Πυρίτιο Το πυρίτιο, αφού υποστεί ειδική επεξεργασία (καθαρισμό σε υψηλό βαθμό >99,99999%, αντίστοιχο αυτού που έχουν τα chips για τους υπολογιστές) γίνεται πολύ λεπτές φέτες φωτοβολταϊκά στοιχεία ή αλλιώς ηλιακές κυψέλες που ενώνονται ηλεκτρικά μεταξύ τους για να σχηματίσουν το φωτοβολταϊκό πλαίσιο (Εικόνα 4.4). 34

44 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Εικόνα Φωτοβολταϊκό στοιχείο Στην συνέχεια τα στοιχεία αυτά ενώνονται μεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα (Εικόνα 4.5) Εικόνα Σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων Συνήθως δηλαδή, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία περιβάλλονται από ένα λεπτό φιλμ EVA (πάχους 0,25-0,5 mm), ενώ στην πάνω πλευρά μπαίνει και ένα ενισχυμένο γυαλί (ειδικό γυαλί με αντιανακλαστική στρώση και μεγάλη αντοχή). Από κάτω μπαίνει είτε μία στρώση tedlar ή κάποιο άλλο υλικό (π.χ. γυαλί ή μέταλλο). Οι στρώσεις αυτές των υλικών συνήθως ενθυλακώνονται σε ένα πλαίσιο αλουμινίου. Στο πίσω μέρος του μπαίνει ένα πλαστικό κουτί συνδέσεων για τη σύνδεση των καλωδίων το οποίο προσκολλάται με κόλλα σιλικόνης. 35

45 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Σχήμα Τομή φωτοβολταϊκού πλαισίου Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια κατασκευάζονται σε μορφή σάντουιτς. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδέονται σε σειρά και στη συνέχεια, με κατάλληλη κολλητική ουσία στερεώνονται σε πλαστική ή μεταλλική επιφάνεια η οποία αποτελεί και την πλάτη (πίσω μέρος του πλαισίου), το επάνω μέρος των στοιχείων καλύπτεται με διαφανές υλικό συνήθως πλαστικό ή γυαλί. Η πλάτη του πλαισίου και το εμπρός του τμήμα ενώνονται μεταξύ τους με κατάλληλη κόλληση και στη συνέχεια τοποθετούνται περιμετρικά μεταλλικά πλαίσια τα οποία τα συγκρατούν μεταξύ τους και τους εξασφαλίζουν την απαιτούμενη αντοχή και την κατάλληλη στεγανότητα. Τα πρώτα χρόνια κατασκευαζόταν κυκλικά φωτοβολταϊκά πλαίσια τα οποία όμως είχαν ως αποτέλεσμα να μένει αναξιοποίητη μεγάλη επιφάνεια του πλαισίου. Σήμερα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία τα οποία χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι τετράγωνου σχήματος για να υπάρχει όσο το δυνατόν μεγαλύτερη αξιοποίηση της επιφάνειας του πλαισίου. Όσον αφορά την τάση εξόδου του πλαισίου είναι προτιμότερο να είναι 12V επειδή και η ονομαστική τάση των ηλεκτρικών συσσωρευτών είναι 12V. 4.9 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΤΟΥΣ Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν δύο σημαντικά προβλήματα: α)την υγρασία και β) το φαινόμενο θερμής κηλίδας (hot spot) το οποίο προκαλεί την υπερθέρμανση του πλαισίου. Υγρασία: Η στεγανοποίηση του φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι αρκετά δύσκολη. Αν παγιδευτεί υγρασία (Εικόνα 4.6) στο εσωτερικό του, αυτή θα μετατραπεί σε υδρατμούς και στη συνέχεια σε νερό. Για αυτό το λόγο έχει δημιουργηθεί στον 36

46 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο πίνακα συνδέσεων στο πίσω μέρος του πλαισίου μία τρύπα, η οποία έχει ως σκοπό το συνεχή αερισμό του πλαισίου. Εικόνα Υγρασία σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο Φαινόμενο θερμής κηλίδας (hot spot): Σε ένα πλαίσιο όλα τα επιμέρους φωτοβολταϊκά στοιχεία που το αποτελούν είναι ίδιων τεχνικών χαρακτηριστικών. Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο το οποίο ανήκει σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο δεν δέχεται την απαιτούμενη ηλιακή ενέργεια λόγω σκίασης, δεν παράγει ρεύμα και συμπεριφέρεται ως μία απλή δίοδος, επειδή όμως είναι συνδεδεμένο σε σειρά με τα υπόλοιπα στοιχεία του πλαισίου, τότε επιβάλλει στο πλαίσιο το δικό του ρεύμα βραχυκύκλωσης Ι sc και το ρεύμα του πλαισίου τείνει στο μηδέν. Τα υπόλοιπα στοιχεία που δέχονται κανονικά την ηλιακή ακτινοβολία συνεχίζουν να παράγουν ρεύμα, όλο το ρεύμα αθροίζεται στα άκρα του σκιασμένου στοιχείου και έχει σαν αποτέλεσμα το στοιχείο να υπερθερμανθεί και να καταστραφεί. Το φαινόμενο ονομάζεται hot spot (Εικόνα 4.7 & 4.8) και μπορεί να καταστρέψει όλο το πάνελ επειδή δεν υπάρχει η δυνατότητα να αλλαχθεί μόνο ένα στοιχείο του. 37

47 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Εικόνα Φαινόμενο hot spot όπως φαίνεται στην μπροστινή όψη του πλαισίου Εικόνα Φαινόμενο hot spot όπως φαίνεται στην πίσω πλευρά του πλαισίου 38

48 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Για να αντιμετωπιστεί το φαινόμενο hot spot τοποθετούμε διόδους παράκαμψης (bypass diodes). Μία δίοδος συνδέεται παράλληλα με μια σειρά φωτοβολταϊκών στοιχείων, την οποία θέλουμε να προστατέψουμε, αλλά με αντίθετη πόλωση (Σχήμα 4.14). Σχήμα Συνδεσμολογία διόδων by-pass Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, κάθε στοιχείο είναι ορθά πολωμένο και η δίοδος που είναι ανάστροφα πολωμένη, απλά αποτελεί ένα κομμάτι ανοιχτού ουσιαστικά κυκλώματος με αποτέλεσμα το ρεύμα να μην περάσει μέσω της διόδου. Όμως, όταν ένα στοιχείο σταματήσει να παράγει ρεύμα και πολωθεί ανάστροφα και εμφανιστεί μια διαφορά του ρεύματος βραχυκυκλώσεως μεταξύ των φωτοβολταϊκών στοιχείων της σειράς, τότε η δίοδος άγει και το ρεύμα περνάει διαμέσου της διόδου παρακάμπτοντας το στοιχείο και το προστατεύει. Σύμφωνα με τα παραπάνω, θα έπρεπε να είχαμε μία δίοδο για κάθε στοιχείο, αυτό όμως λόγω του κόστους παραγωγής είναι ανέφικτο και χρησιμοποιείται μία δίοδος κατά μήκος μιας ομάδας στοιχείων. Ο μέγιστος αριθμός φωτοβολταϊκών στοιχείων που μπορεί να καλύπτει μία δίοδος είναι περίπου 15 στοιχεία ανά δίοδο ΙΣΧΥΣ ΑΙΧΜΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ Η έννοια της ισχύς αιχμής, όπως αναφέρθηκε για το φωτοβολταϊκό στοιχείο ισχύει και στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Έτσι ισχύς αιχμής ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου ονομάζεται 39

49 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς που αποδίδει το φωτοβολταϊκό πλαίσιο κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου STC και συμβολίζεται με P pπ. Όταν λοιπόν στο τεχνικό φυλλάδιο ενός κατασκευαστή φωτοβολταϊκών πλαισίων διαβάζουμε ότι ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο έχει ισχύ αιχμής P pπ =100 Wp σημαίνει ότι το πλαίσιο αποδίδει μόνο σε συνθήκες STC. Η ισχύς αιχμής είναι το σημαντικότερο ηλεκτρικό χαρακτηριστικό ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου και με βάση αυτό το αναζητούμε στο εμπόριο προκειμένου να καλύψουμε τις ανάγκες μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ Όπως και στο φωτοβολταϊκό στοιχείο, ο βαθμός απόδοσης είναι ίσος με το πηλίκο της μέγιστης αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος ως προς την ισχύ της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (σχέση 4.4). όπου η π : βαθμός απόδοσης P P m (4.4) P mπ [W]: μέγιστη αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς φωτοβολταϊκού πλαισίου P HA [W]: ισχύς προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας HA 4.12 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ Ο βαθμός απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου μειώνεται λόγω διαφόρων παραγόντων. Αυτοί είναι: α) η γήρανση του πλαισίου, β) η ρύπανση της επιφάνειάς του, γ) η απώλειες της διόδου αντιεπιστροφής και δ) η αύξηση της θερμοκρασίας. Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου μειώνεται λόγω της γήρανσης των επιμέρους εξαρτημάτων. Για κάθε χρόνο η απόδοσή τους μειώνεται κατά 1% και εκφράζεται με το συντελεστή γήρανσης (σ κ ). H επικάθηση σκόνης στην επιφάνεια του πλαισίου, αυξάνει την ανάκλαση της ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να υπάρχει μείωση της απόδοσης του πλαισίου. Η επικάθηση 40

50 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ρύπων, όπως περιττώματα πουλιών, κλαδιά και φύλλων δημιουργούν σκίαση και έχουμε σημαντική μείωση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Η δίοδος αντιεπιστροφής εμποδίζει την εκφόρτιση του συσσωρευτή διαμέσου των φωτοβολταϊκών, όταν αυτό δεν φωτίζεται και προκαλεί απώλειες της τάξεως του 1%. Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου επηρεάζεται σημαντικά από την αύξηση της θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων πάνω από τη θερμοκρασία STC=25 o C. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε το συντελεστή θερμοκρασίας σ θ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ή παράλληλα ανάλογα με τον επιδιωκόμενο σκοπό. Ένας μικρός αριθμός φωτοβολταϊκών πλαισίων που είναι συναρμολογημένα σε ένα μεταλλικό πλαίσιο (συνήθως από αλουμίνιο) και αποτελούν κατασκευή έτοιμη για εγκατάσταση ονομάζεται φωτοβολταϊκό πανέλο. Ο αριθμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων ενός πανέλου, πρέπει να επιτρέπει την εύκολη μεταφορά του και την εγκατάσταση του και οι συνδέσεις κάθε πλαισίου θα πρέπει να καταλήγουν σε ένα ηλεκτρολογικό κιβώτιο. Ο συνδυασμός πολλών φωτοβολταϊκών πανέλων, συνδεδεμένων μεταξύ τους ονομάζεται φωτοβολταϊκή συστοιχία. Η επιφάνεια της συστοιχίας μπορεί να είναι σταθερή ή περιστρεφόμενη και οι καλωδιώσεις κάθε πανέλου να καταλήγουν σε κεντρικό ηλεκτρολογικό κιβώτιο ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ Η σωστή τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων αποτελεί βασικό παράγοντα για την αποδοτική λειτουργία του συστήματος. Ο προσανατολισμός ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου καθορίζεται από τη γωνία κλίσης και τη γωνία αζιμουθίου (Σχήμα 4.15). Γωνία κλίσης είναι η δίεδρη γωνία, που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του φωτοβολταϊκού πλαισίου και στο οριζόντιο επίπεδο και μας δείχνει πόσο «γέρνει» το πλαίσιο. Η αζιμούθια γωνία είναι η γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στην προβολή της κατακόρυφου γωνίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου και του Νότου. 41

51 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Σχήμα Γωνίες προσανατολισμού φωτοβολταϊκών πλαισίων Στο Βόρειο ημισφαίριο τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται προς το Νότο ενώ στο νότιο ημισφαίριο τοποθετούνται προς το Βορρά. Όπως είναι γνωστό, η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας είναι μέγιστη, όταν είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας (κάθετη στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου). Δεδομένου ότι ο Ήλιος μετακινείται στον ουρανό κατά τη διάρκεια της ημέρας, η προηγούμενη συνθήκη εξασφαλίζεται μόνο με περιστρεφόμενη βάση δύο αξόνων, η οποία αυξάνει σημαντικά το κόστος της εγκατάστασης. Έτσι στη συντριπτική πλειοψηφία τα φωτοβολταϊκά είναι σε σταθερές βάσεις και με σταθερή γωνία κλίσης. Σε όσες περιπτώσεις η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε ένα κτίριο δεν καθορίζεται από την κλίσης της επιφάνειας πάνω στην οποία τοποθετούνται, η βέλτιστη γωνία κλίσης για το Βόρειο ημισφαίριο είναι ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (β=φ) και την επιθυμητή περίοδο λειτουργίας του συστήματος. Ο πίνακας 4.3 μας δείχνει το γεωγραφικό πλάτος διάφορων ελληνικών πόλεων. Οι βέλτιστες γωνίες κλίσης για το Βόρειο ημισφαίριο προβάλλονται στον πίνακα

52 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Πίνακας 4.2 Βέλτιστη γωνία κλίσης β=φ Για όλη την διάρκεια του χρόνου β=φ+15 ο Για καλύτερη απόδοση το χειμώνα β=φ-15 ο Για καλύτερη απόδοση το καλοκαίρι β=φ-15 ο Σε περιοχές με υγρό κλίμα, όπου μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας διαχέεται στον ουρανό λόγω των σταγονιδίων νερού στην ατμόσφαιρα (το φωτοβολταϊκό πλαίσιο αντικρίζει περισσότερο τον ουρανό και δέχεται μεγαλύτερη διάχυτη ακτινοβολία) β=5 ο -10 ο Σε περιοχές με γεωγραφικό πλάτος φ 20 ο, δηλαδή σε περιοχές γύρω από τον ισημερινό β=0 ο Σε περιοχές με πολύ μικρή ηλιοφάνεια, για να εκμεταλλευτούμε το μέγιστο της διάχυτης ακτινοβολίας Αν η θέση του κτιρίου δεν μας επιτρέπει νότιο προσανατολισμό των φωτοβολταϊκών πλαισίων (για βόρειο ημισφαίριο), τα πλαίσια τοποθετούνται προς την Ανατολή ή προς την Δύση, αλλά ποτέ προς το Βορρά γιατί τότε θα έχουν πολύ χαμηλή απόδοση. Ο Βόρειος προσανατολισμός επιτρέπεται μόνο για οριζόντια πλαίσια (β=0 ο ). Πινακας 4.3 Γεωγραφικό πλάτος Ελληνικών πόλεων ΠΟΛΗ Σιδηρόκαστρο, Διδυμότειχο, Ορεστιάδα Φλώρινα, Έδεσσα, Γιαννιτσά, Κιλκίς, Σέρρες, Δράμα, Καβάλα, Ξάνθη, Κομοτηνή, Αλεξανδρούπολη Καστοριά, Πτολεμαΐδα, Κοζάνη, Νάουσα, Βέροια, Κατερίνη, Θεσσαλονίκη, Πολύγυρος, Σαμοθράκη Κόνιτσα, Γρεβενά, Λιτόχωρο, Κασσάνδρα, Λήμνος Κέρκυρα, Ηγουμενίτσα, Ιωάννινα, Μέτσοβο, Τρίκαλα, Καρδίτσα, Λάρισα, Βόλος Λευκάδα, Πρέβεζα, Άρτα, Καρπενήσι, Λαμία, Σκύρος, Μυτιλήνη Κεφαλληνία, Ιθάκη, Αγρίνιο, Μεσολόγγι, Πάτρα, Άμφισσα, Λειβαδιά, Θήβα, Χαλκίδα, Χίος Ζάκυνθος, Αμαλιάδα, Καλάβρυτα, Κόρινθος, Μέγαρα, Ελευσίνα, Αθήνα, Ραφήνα, Κάρυστος, Άνδρος, Ικαρία, Σάμος Πύργος, Μεγαλόπολη, Τρίπολη, Άργος, Ναύπλιο, Πόρος, Σύρος, Πάτμος Πύλος, Καλαμάτα, Σπάρτη, Πάρος, Νάξος, Κάλυμνος, Κως Γύθειο, Μήλος, Σαντορίνη, Ρόδος Κύθηρα, Καστελόριζο Χανιά, Ρέθυμνο, Ηράκλειο, Κάσος, Κάρπαθος Χώρα Σφακίων, Ιεράπετρα, Αγ. Νικόλαος Κρήτης ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΟ ΠΛΑΤΟΣ φ [ ]

53 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο 4.15 ΣΚΙΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ Η σκίαση επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων ακόμα και μία μικρή ποσότητα σκιάς μπορεί να μειώσει την απόδοση τους έως και 80%. Απαιτείται λοιπόν σχολαστική αξιολόγηση της περιοχής και προσεκτική επιλογή του τόπου εγκατάστασης προκειμένου να εξασφαλιστεί η μέγιστη απόδοση του συστήματος. Ανεπιθύμητη σκίαση μπορούμε να έχουμε από δέντρα κτίρια γειτονικά φωτοβολταϊκά πλαίσια κ.λπ. Η σκίαση αποτελεί μεγαλύτερο πρόβλημα κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών, επειδή ο ήλιος είναι σε χαμηλό ύψος και οι σκιές γίνονται μεγαλύτερες. Για τις περιοχές στο Βόρειο ημισφαίριο, οι υπολογισμοί για τη χειρότερη σκίαση γίνονται για την 21η Δεκεμβρίου που έχουμε το χειμερινό ηλιοστάσιο. Ένας πρακτικός τρόπος για να αποφύγουμε τη σκίαση των πλαισίων είναι να διασφαλίσουμε ότι η απόσταση μεταξύ των πλαισίων και του εμπόδιου είναι διπλάσια του ύψους του εμπόδιου (Σχήμα 4.16). Σχήμα Ελάχιστη απόσταση μεταξύ φωτοβολταϊκού πλαισίου και εμπόδιου Μία σωστά επιλεγμένη περιοχή εγκατάστασης θα πρέπει να μη σκιάζεται από τις 09:00 π.μ. έως τις 03:00 μ.μ. για οποιαδήποτε μέρα του χρόνου. Το χρονικό αυτό περιθώριο των έξι ωρών ονομάζεται ηλιακό παράθυρο. Η αξιολόγηση της περιοχής εγκατάστασης μπορεί να γίνει με τη βοήθεια του ηλιακού χάρτη, μιας πυξίδας και του ταχυμέτρου για τη μέτρηση του ύψους του εμπόδιου. Η διαδικασία γίνεται ως εξής: 44

54 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΒΗΜΑ 1: Στεκόμαστε στο κέντρο της προτεινόμενης θέσης εγκατάστασης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. ΒΗΜΑ 2: Χρησιμοποιούμε την πυξίδα και βρίσκουμε την Ανατολή. ΒΗΜΑ 3: Χρησιμοποιούμε το ταχύμετρο και υπολογίζουμε το ύψος του κάθε εμπόδιου που βρίσκεται στην Ανατολή σε μοίρες. ΒΗΜΑ 4: Σημειώνουμε το ύψος του κάθε εμπόδιου σε μοίρες στον ηλιακό χάρτη. ΒΗΜΑ 5: Περιστρεφόμαστε κατά 15 ο με την πλάτη προς το Βορρά και επαναλαμβάνουμε τα βήματα 3 και 4. ΒΗΜΑ 6: Επαναλαμβάνουμε τα βήματα 3, 4 και 5 μέχρι να φτάσουμε στη Δύση. ΒΗΜΑ 7: Ενώνουμε τα σημεία στον ηλιακό χάρτη και σκιάζουμε την περιοχή κάτω από τη γραμμή που σχεδιάσαμε. Μία σωστά επιλεγμένη περιοχή δε θα πρέπει να σκιάζεται μεταξύ 09:00 π.μ. και 03:00 μ.μ. (Σχήμα 4.17). Σχήμα Σχεδίαση γραμμής σκιασμού στον ηλιακό χάρτη 4.16 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τα φωτοβολταϊκά συστήματα συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και τη μετατρέπουν σε ηλεκτρισμό. Έχουν ευρύ φάσμα εφαρμογών: από εφαρμογές μικρής ισχύος, όπως 45

55 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο φωτιστικά σώματα στον κήπο, ρολόγια κ.λπ. μέχρι εφαρμογές μεγάλης ισχύος, όπως τροφοδοσία σπιτιών και βιοτεχνικών μονάδων. Τα μειονεκτήματα τους είναι: Χρειάζονται περιοδικό καθαρισμό της επιφάνειας τους για να αποφύγουμε μείωση της απόδοσης τους. Το υψηλό αρχικό κόστος εγκατάστασης, το οποίο μειώνεται συνεχώς λόγω της εξέλιξης της τεχνολογίας. Απαιτείται αποθήκευση της ενέργειας σε συσσωρευτές, οι οποίοι έχουν υψηλό κόστος αγοράς. Τα πλεονεκτήματα τους είναι: Λειτουργούν αθόρυβα, καθαρά, χωρίς κατάλοιπα, αποφεύγοντας τη μόλυνση του περιβάλλοντος. Λειτουργούν χωρίς καύσιμα, δε μολύνουν το περιβάλλον με καυσαέρια και δεν επηρεάζεται η τιμή της παραγόμενης kw/h από τις τιμές του πετρελαίου. Λειτουργούν και με νεφελώδη ουρανό (διάχυτη ακτινοβολία). Κατασκευάζονται από πυρίτιο, ένα από τα πλέον εν αφθονία στοιχεία με αποτέλεσμα χαμηλό κόστος παραγωγής. Έχουν γρήγορη απόκριση σε ξαφνικές μεταβολές της ηλιοφάνειας. Είναι κατάλληλα για εφαρμογές σε περιοχές όπου δεν υπάρχει δίκτυο της Δ.Ε.Η. ή η επέκτασή του έχει μεγάλο κόστος. Υπάρχει δυνατότητα να αποτελέσουν δομικά μέρη κτιρίου. Είναι δυνατόν να συναρμολογηθούν τυποποιημένα στοιχεία μαζικής παραγωγής ανάλογα με την αρχιτεκτονική του κτιρίου που θα τοποθετηθούν. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα, εκτός από τα φωτοβολταϊκά, περιλαμβάνουν και άλλες διατάξεις, το είδος των οποίων καθορίζεται από τον τύπο του φωτοβολταϊκού συστήματος. Έτσι, διακρίνονται οι εξής κατηγορίες: Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα: Ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα τροφοδοτεί με ηλεκτρική ενέργεια ένα κτίριο το οποίο δεν είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο της Δ.Ε.Η.. Οι επιμέρους διατάξεις ενός τέτοιου συστήματος είναι η συστοιχία συσσωρευτών που απαιτείται για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια για μεταγενέστερη χρήση (τη νύχτα ή όταν έχει συννεφιά κ.λπ.), ο ρυθμιστής φόρτισης των συσσωρευτών που 46

56 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο φροντίζει για την ομαλή εκφόρτιση τους και προστατεύει επίσης από υπερφόρτιση ή τη βαθιά εκφόρτισή τους. Ακόμη, λαμβάνεται μέριμνα για την ύπαρξη ενός αντιστροφέα, ο οποίος μετατρέπει τη συνεχή τάση των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενη με κατάλληλα χαρακτηριστικά ώστε να λειτουργούν οι συσκευές εμπορίου αλλά και να μειώνει τις απώλειες που προκύπτουν από τη μεταφορά συνεχούς ρεύματος έναντι του εναλλασσόμενου. Τέλος, τοποθετείται ένας πίνακας ελέγχου, ο οποίος περιλαμβάνει όλες τις αναγκαίες διατάξεις μετρήσεων και ελέγχου για την παρακολούθηση και σωστή λειτουργία του συστήματος. Σε αυτά τα συστήματα είναι απαραίτητο να διαστασιολογείται σωστά το σύστημα έτσι ώστε να επιλέγεται η ακριβής χωρητικότητα των συσσωρευτών για τη συνολική κάλυψη των ενεργειακών αναγκών τις μέρες κατά τις οποίες η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια δεν επαρκεί. Σχήμα Αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα Διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα: Τα διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε κτίρια τα οποία είναι συνδεδεμένα και με το δίκτυο της Δ.Ε.Η.. Σε αυτή την περίπτωση δεν απαιτείται η χρήση συσσωρευτών για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας, καθώς αυτή διοχετεύεται στο δίκτυο της Δ.Ε.Η., η οποία το αγοράζει έναντι μιας ορισμένης τιμής. 47

57 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Σε αντίθετη περίπτωση, δηλαδή όταν η παραγόμενη από τα φωτοβολταϊκά ηλεκτρική ενέργεια δεν επαρκεί, οι ανάγκες συμπληρώνονται από το δίκτυο. Στην Ελλάδα τα διασυνδεδεμένα συστήματα που έχουν εγκατασταθεί πουλάνε όλη την παραγόμενη ενέργεια στη Δ.Ε.Η. η οποία το συμψηφίζει με την κατανάλωση ρεύματος και το υπόλοιπο ποσό δίδεται στον κάτοχο του φωτοβολταϊκού. Στην εγκατάσταση ενός διασυνδεδεμένου συστήματος προστίθεται ένας ακόμη μετρητής της Δ.Ε.Η. που μετράει την παραγόμενη ενέργεια. Σχήμα Διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα Υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήματα: Επειδή η περίπτωση του αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος οδηγεί στην επιλογή μεγάλου μεγέθους συσσωρευτών για την ασφαλή κάλυψη της ενεργειακής ζήτησης και δεδομένου ότι το κόστος αγοράς και το κόστος συντήρησης των συσσωρευτών είναι μεγάλο, συχνά επιλέγεται ο συνδυασμός του ανωτέρω συστήματος με την ύπαρξη ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους ή την τοποθέτηση ανεμογεννήτριας ως βοηθητικές πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Σε αυτήν την περίπτωση, το φωτοβολταϊκό σύστημα είναι μικρότερο και λειτουργεί συμπληρωματικά με κάποιο από τα παραπάνω συστήματα όταν δεν επαρκεί η παρεχόμενη από αυτό ενέργεια. Συνεπώς, είναι ανάγκη να προστεθεί μία ακόμη διάταξη, η διάταξη ανόρθωσης, η οποία μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα 48

58 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο που προέρχεται από την εξωτερική πηγή σε συνεχές ώστε να είναι κατάλληλο για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Τέλος, υπάρχει και ένας αντιστροφέας συνεχούς ρεύματος για τη μετατροπή των χαρακτηριστικών της συνεχούς τάσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων, ώστε να εξασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία του υπόλοιπου κυκλώματος και να διατηρείται σταθερή η τάση εξόδου τους. Επίσης τα φωτοβολταϊκά συστήματα χωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα με την ισχύ τους: Μικρά συστήματα (1 mwp Wp): Χρησιμοποιούνται σε καταναλωτικά προϊόντα (φορητοί υπολογιστές, ρολόγια, παιχνίδια, ραδιόφωνα, φακοί), τροχόσπιτα, σκάφη αναψυχής, ψύξη, εξωτερικό φωτισμό κήπων κ.λπ.. Αυτόνομα συστήματα (0,1-2kWp): Χρησιμοποιούνται για ηλεκτροδότηση κατοικιών και ιερών μονών, αφαλάτωση - άντληση - καθαρισμό νερού, αγροτικές εφαρμογές (άντληση νερού, μύξη αγροτικών προϊόντων, ιχθυοκαλλιέργειες), σε συστήματα σηματοδότησης οδικής κυκλοφορίας και ναυτιλίας, συστήματα τηλεπικοινωνιών (τηλέφωνα ανάγκης σε αυτοκινητοδρόμους, ραδιοαναμεταδότες, αναμεταδότες μετεωρολογικών δεδομένων), συστήματα εξωτερικού φωτισμού δρόμων, αλσυλλίων, αρχαιολογικών χώρων, αεροδρομίων κ.λπ.. Συνδεδεμένα κατανεμημένα συστήματα (1,5-20 kwp): Αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της παγκόσμιας αγοράς και χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση κατοικιών και κτιρίων. Συνδεδεμένα κεντρικού σταθμού συστήματα (> 50 kwp): Είναι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα πρέπει να παρέχει την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια, για την ικανοποίηση της ζήτησης στις χρονικές περιόδους κατά τις οποίες δεν υπάρχει η απαιτούμενη ηλιακή ακτινοβολία. Στην περίπτωση που ένα φωτοβολταϊκό σύστημα είναι συνδεδεμένο στο ηλεκτρικό δίκτυο έχει τη δυνατότητα να αντλήσει και να διοχετεύσει προς αυτό την περίσσεια ηλεκτρική ενέργεια, όταν αυτή υπερβαίνει τις απαιτήσεις της ηλεκτρικής κατανάλωσης. Η δυνατότητα της παραπάνω ενεργειακής ανταλλαγής δεν υπάρχει στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η ανάγκη αποθήκευσης της περίσσειας 49

59 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ηλεκτρικής παραγωγής, ώστε να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί, όταν η παραγωγή δεν ανταποκρίνεται στην ζήτηση, καλύπτεται από ειδικές διατάξεις που ονομάζονται ηλεκτρικοί συσσωρευτές. Εικόνα Ηλεκτρικοί συσσωρευτές κατάλληλοι για φωτοβολταϊκά συστήματα Η ποσότητα της αποθηκευμένης ενέργειας, εξαρτάται κυρίως από τον αριθμό των ημερών συνεχιζόμενης συννεφιάς και τις αιχμές κατανάλωσης. Συνήθως απαιτείται μία αυτοδυναμία 3-10 ημερών περίπου. Ο πιο δημοφιλής συσσωρευτής και ο πιο οικονομικός για τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι ο συσσωρευτής μολύβδου/ θειικού οξέος Pb/H 2 SO 4, δηλαδή ο συσσωρευτής του οποίου τα ηλεκτρόδια είναι εμβαπτισμένα σε διάλυμα θειικού οξέος. Συχνά στα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται συσσωρευτές με δεκάδες στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά ώστε να έχουν ονομαστική τάση V. Εικόνα Συστοιχία ηλεκτρικών συσσωρευτών 50

60 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Κατά την επαφή των μολύβδινων ηλεκτροδίων με το διάλυμα του θειικού οξέος (ηλεκτρολύτης), ένα λεπτό στρώμα των ηλεκτροδίων μετατρέπεται σε θειικό μόλυβδο. Μόλις γεμίσουμε με ηλεκτρολύτη τον συσσωρευτή εμφανίζει τάση στους πόλους του. Αν φορτίσουμε το συσσωρευτή, δηλαδή συνδέσουμε πηγή συνεχούς ρεύματος στα άκρα του συσσωρευτή τότε το σύστημα διαρρέεται από ρεύμα. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης ο θειικός μόλυβδος PbSO 4 διασπάται σχηματίζοντας οξείδιο του μολύβδου. Κατά την εκφόρτιση του συσσωρευτή στα άκρα του συνδέεται φορτίο οπότε στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων του το οξείδιο του μολύβδου PbO 2 και ο μεταλλικός μόλυβδος Pb μετατρέπονται σε θειικό μόλυβδο PbSO 4. Από τα παραπάνω, συμπεραίνουμε ότι κατά την διαδικασία της φόρτισης του συσσωρευτή αυξάνεται η περιεκτικότητα του θειικού οξέος στο διάλυμα του, ενώ κατά την αντίστροφη διαδικασία της εκφόρτισης ελαττώνεται. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός συσσωρευτή είναι η ονομαστική του τάση και η ονομαστική του χωρητικότητα. Η ονομαστική τάση στους πόλους του συσσωρευτή εκφράζεται με την έννοια της Ηλεκτρεγερτικής Δύναμης (Η.Ε.Δ.) και μετριέται σε [V]. Ονομαστική χωρητικότητα C ενός συσσωρευτή είναι το ηλεκτρικό φορτίο, που μπορεί να αποθηκευτεί στο εσωτερικό του με την μορφή χημικής ενέργειας και μετριέται σε [Ah]. Οι συσσωρευτές δε θα πρέπει να υφίστανται παρατεταμένη φόρτιση ή εκφόρτιση. Στην υπερφόρτιση εκλύεται μεγάλη ποσότητα υδρογόνου, το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της στάθμης του ηλεκτρολύτη. Ο χρόνος ζωής ενός συσσωρευτή εκφράζεται σε κύκλους λειτουργίας (Ν κ ), καθένας από τους οποίους εκφράζει διαδοχικές διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης. Η χωρητικότητα C του συσσωρευτή δεν παραμένει σταθερή, μειώνεται όσο αυξάνουν οι κύκλοι λειτουργίας του. Η μείωση αυτή οφείλεται στη σταδιακή μείωση των ενεργών υλικών των ηλεκτροδίων. Η ποσότητα της αποθηκευμένης ενέργειας που προσφέρεται από κάθε συσσωρευτή σε κάθε εκφόρτιση ονομάζεται βάθος εκφόρτισης (β εκ ). Το γινόμενο του βάθους εκφόρτισης επί τους κύκλους λειτουργίας παραμένει σταθερό (σχέση 4.5). β Ν =σταθερό εκ κ (4.5) 51

61 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Η μείωση της χωρητικότητας του συσσωρευτή με την πάροδο του χρόνου ονομάζεται γήρανση του συσσωρευτή και εκφράζεται με το συντελεστή γήρανσης (σ γβ ). Η θερμοκρασία αποτελεί επίσης μια πολύ σημαντική παράμετρο για το χρόνο ζωής του. Αν ο συσσωρευτής λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες, τότε τα ιόντα του έχουν μεγαλύτερη ευκινησία και έχουν σαν αποτέλεσμα την αυτοεκφόρτιση του συσσωρευτή. Οι χαμηλές θερμοκρασίες περιορίζουν σημαντικά τη δυνατότητα του συσσωρευτή να αποθηκεύσει φορτίο. Απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες για να αποφύγουμε το πάγωμα του ηλεκτρολύτη και την καταστροφή του συσσωρευτή. Τυπικά, ισχύει ότι αν ο συσσωρευτής λειτουργεί σε 5 ο C, τότε για κάθε μήνα η χωρητικότητα του μειώνεται κατά 2%, αν λειτουργεί στους 15 ο C μειώνεται 4% ανά μήνα, ενώ αν λειτουργεί στους 25 ο C μειώνεται κατά 10% ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑÏΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η καλή λειτουργία και η απόδοση των φωτοβολταϊκών συστημάτων απαιτεί την χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων, οι οποίες βελτιώνουν τη μεταφορά της παραγόμενης ενέργειας κατά τον οικονομικότερο τρόπο, όταν έχουμε διασυνδεδεμένο σύστημα και προστατεύουν στην περίπτωση του αυτόνομου συστήματος το συσσωρευτή από την υπερφόρτιση ή υπερεκφόρτιση. Ρυθμιστής φόρτισης: Η φόρτιση των συσσωρευτών μέσω της φωτοβολταϊκής συστοιχίας απαιτεί συνεχή έλεγχο της κατάστασης φόρτισης τους, ώστε όταν αυτοί φτάσουν στην κατάσταση μέγιστης φόρτισης να διακόπτεται η διαδικασία. Με αυτό τον τρόπο, αποφεύγεται η υπερφόρτιση του συσσωρευτή, η οποία θα είχε ως συνέπεια την έκλυση μεγάλων ποσοτήτων υδρογόνου λόγω της ηλεκτρόλυσης και συνακόλουθα τη μείωση της στάθμης του διαλύματος. Επίσης, απαιτείται έλεγχος του συσσωρευτή όσο αυτός τροφοδοτεί την κατανάλωση ώστε να αποφεύγεται η υπερεκφόρτιση του. Γενικά, ο ρυθμιστής φόρτισης στην πιο απλουστευμένη του μορφή εποπτεύει τη διαδικασία φόρτισης εκφόρτισης, ώστε να απομονώνει τους συσσωρευτές από το σύστημα κατανάλωσης για να τους προστατέψει από την υπερεκφόρτιση και αφετέρου από το σύστημα παραγωγής ενέργειας για να τους προστατέψει από την 52

62 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο υπερφόρτιση. Και στις δυο περιπτώσεις, η διακοπή προκαλείται όταν η τάση του συσσωρευτή ξεπεράσει προς τα άνω και προς τα κάτω ορισμένα προρυθμισμένα επίπεδα τάσης. Σχήμα Διατάξεις ρυθμιστών φόρτισης Μία μονάδα ρυθμιστή φόρτισης περιλαμβάνει το σύνολο των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ή μικροελεγκτών, οι οποίοι επιτηρούν τη διαδικασία φόρτισης/ εκφόρτισης και οδηγούν το κύκλωμα ισχύος το οποίο μπορεί να είναι ρελέ ή ηλεκτρονικοί διακόπτες ισχύος. Σε κάθε περίπτωση, στο κύκλωμα παρεμβάλλεται μία δίοδος η οποία εμποδίζει την εκφόρτιση του συσσωρευτή μέσω της διάταξης φόρτισης ή μέσω των φωτοβολταϊκών. Στο Σχήμα 4.20 διακρίνουμε τρεις διαφορετικές διατάξεις ρυθμιστών φόρτισης. Στο Σχήμα 4.20α ο ρυθμιστής φόρτισης έχει το ελεγχόμενο στοιχείο συνδεδεμένο παράλληλα με το φωτοβολταϊκό σύστημα (shunt controller) με δυνατότητα να λειτουργεί μεταβαλλόμενο γραμμικά ανάλογα με τη μέγιστη φόρτιση είτε ως διακόπτης ON/OFF. Στο Σχήμα 4.20β ο ρυθμιστής φόρτισης ονομάζεται παράλληλος και λειτουργεί ως εξής: όταν επιτευχθεί η μέγιστη φόρτιση το ελεγχόμενο στοιχείο βραχυκυκλώνει το φωτοβολταϊκό σύστημα χωρίς να του προκαλεί βλάβη και με αυτό τον τρόπο το απομονώνει από τους συσσωρευτές. Στο Σχήμα 4.20γ ο ρυθμιστής φόρτισης βασίζεται στη χρήση δύο διακοπτών του (S 1 ) και του (S 2 ). Ο (S 1 ) διακόπτει το ρεύμα από τα φωτοβολταϊκά προς τους συσσωρευτές, όταν η τάση φτάσει στο επιθυμητό όριο, την ίδια στιγμή ενεργοποιείται ο (S 2 ), ο οποίος εισάγει 53

63 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο στην έξοδο του συστήματος ενέργειας ένα στοιχείο απόδοσης (Σ) της επιπλέον ενέργειας, η οποία δεν μπορεί να αποθηκευτεί από τους συσσωρευτές. Το στοιχείο απόδοσης (Σ) πρέπει να μπορεί να αποβάλλει την αποδιδόμενη προς αυτό ενέργεια στο περιβάλλον. Ο ρυθμιστής αυτός ονομάζεται ρυθμιστής με ελεγχόμενο το στοιχείο (S 1 ) σε σειρά και μπορεί να ελέγξει τη φόρτιση των συσσωρευτών από το φωτοβολταϊκό σύστημα. Η διάταξη φόρτισης συμπληρώνεται και από μία διάταξη ελέγχου εκφόρτισης με σκοπό την προστασία του συσσωρευτή. Σε ένα αυτόνομο υβριδικό σύστημα, ο ρυθμιστής φόρτισης μπορεί προαιρετικά να εκκινήσει τη γεννήτρια αυτόματα για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Μετατροπέας συνεχούς τάσεως σε συνεχή (DC-DC inverter): H διάταξη αυτή μετατρέπει τη συνεχή τάση σε συνεχή, μικρότερης ή μεγαλύτερης τιμής, ανάλογα με τις απαιτήσεις περιορίζοντας τις απώλειες μεταφοράς ενέργειας από το χώρο παραγωγής στο χώρο αποθήκευσης. Ο μετατροπέας DC-DC προσαρμόζει την τάση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στην τάση του ηλεκτρικού συσσωρευτή και προστατεύει από συνθήκες υπέρτασης. Στο μετατροπέα DC-DC μπορεί να προστεθεί και μια διάταξη που ονομάζεται ρυθμιστής ισχύος MPPT, η οποία επιβάλλει την προσαρμογή λειτουργίας του συστήματος στο Σ.Μ.Ι. Αντιστροφέας συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενο (DC-AC inverter): Η διάταξη αυτή χρησιμοποιείται κυρίως στα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο φωτοβολταϊκά συστήματα, μετατρέπει τη συνεχή τάση που παράγουν τα φωτοβολταϊκά σε εναλλασσόμενη. Λόγω των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων παράγει πλήθος αρμονικών συχνοτήτων, οι οποίες όμως περιορίζονται με ειδικά ηλεκτρονικά φίλτρα. Οι μετατροπείς DC-AC διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Αντιστροφείς τάσεως DC-AC με μετασχηματιστή: Ο μετασχηματιστής αυτός μπορεί να είναι υψίσυχνος (μετασχηματιστής με φερρίτη) ή χαμηλόσυχνος (μετασχηματιστής σιδήρου) και προσφέρει το πλεονέκτημα της γαλβανικής απομόνωσης από το ηλεκτρικό δίκτυο. Αντιστροφείς τάσεως DC-AC χωρίς μετασχηματιστή: Στην περίπτωση που ο μετατροπέας τάσεως δεν έχει μετασχηματιστή, οι ενδεχόμενες ασυμμετρίες του κυκλώματος μπορούν να δημιουργήσουν έγχυση συνεχούς τάσης στο δίκτυο. Οι αντιστροφείς που εγκαθίστανται σε φωτοβολταϊκά συστήματα στην Ελλάδα θα πρέπει να είναι σύμφωνοι με τις προδιαγραφές της Δ.Ε.Η. 54

64 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Υπάρχουν ακόμα αντιστροφείς DC-AC inverter που είναι για αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Ο ρόλος τους είναι η μετατροπή της συνεχούς τάσης των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενη τάση, η οποία τροφοδοτεί τις ηλεκτρικές καταναλώσεις ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Κατά τη σχεδίαση του φωτοβολταϊκού συστήματος απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στη συνεργασία μεταξύ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και του ηλεκτρονικού αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας απαιτεί στην είσοδό του ένα συγκεκριμένο εύρος για την τάση λειτουργίας, έχοντας ένα ανώτατο όριο τάσης εισόδου. Το ανώτατο όριο δεν πρέπει να υπερβαίνεται, ώστε να μην υπάρξει κίνδυνος καταστροφής του αντιστροφέα. Συνεπώς, ο αριθμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων που μπορούν να συνδεθούν εν σειρά υπολογίζεται έτσι ώστε να μην υπερβαίνονται τα όρια αυτά, σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας. Η τάση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από τη θερμοκρασία λειτουργίας του. Οι τιμές τάσης, ρεύματος και ισχύος που δίνονται από τον κατασκευαστή, αναφέρονται στις πρότυπες συνθήκες δοκιμών (S.T.C.). Σημειώνεται ότι η θερμοκρασία στην οποία διενεργήθηκαν οι μετρήσεις (του κατασκευαστή) είναι 25 ο C. Κατά συνέπεια, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών πλαισίων πρέπει να διορθωθούν (αναχθούν) στις ακραίες θερμοκρασιακές συνθήκες λειτουργίας του φωτοβολταϊκού συστήματος. Αναλυτικότερα, από την ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας των πλαισίων υπολογίζεται η μέγιστη τιμή της τάσης των κλάδων και από τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας των πλαισίων καθορίζεται η μέγιστη τιμή του ρεύματος των παράλληλων κλάδων. Ο μέγιστος αριθμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων που είναι συνδεδεμένα σε σειρά υπολογίζεται έτσι ώστε η συνολική τάση ανοικτού κυκλώματος της συστοιχίας στη μικρότερη αναμενόμενη θερμοκρασία λειτουργίας, να μην υπερβαίνει το ανώτατο όριο τάσης εισόδου του αντιστροφέα. Για τις πεδινές περιοχές της Ελλάδας ως ελάχιστη θερμοκρασία μπορεί να ληφθεί η τιμή -5 C η -10 C (θερμοκρασία λειτουργίας ενεργού υλικού του φωτοβολταϊκού πλαισίου). Συγχρόνως πρέπει να ελεγχθεί και η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου, η οποία ομοίως πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση ανοικτού κυκλώματος της συστοιχίας στη μικρότερη αναμενόμενη θερμοκρασία λειτουργίας, ώστε να μην προκύψει πρόβλημα στη μόνωση του φωτοβολταϊκού πλαισίου. 55

65 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Ο ελάχιστος αριθμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων εν σειρά ορίζεται έτσι ώστε η συνολική τάση βέλτιστης λειτουργίας της συστοιχίας στη μέγιστη αναμενόμενη θερμοκρασία λειτουργίας να υπερβαίνει την ελάχιστη τάση του εύρους εισόδου του αντιστροφέα, ώστε αυτός να ενεργοποιείται. Αν ο κατασκευαστής παρέχει μόνο την τιμή του θερμοκρασιακού συντελεστή για την τάση ανοικτού κυκλώματος (V/ C), τότε η ίδια τιμή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την τάση στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου, χωρίς σημαντικό σφάλμα. Αν από την εν σειρά σύνδεση των φωτοβολταϊκών πλαισίων δεν προκύπτει ισχύς κοντά στην ονομαστική ισχύ του αντιστροφέα, θα πρέπει να συνδεθούν περισσότεροι παράλληλοι κλάδοι ώστε η ισχύς της φωτοβολταϊκής συστοιχίας να είναι κοντά στην ονομαστική ισχύ του αντιστροφέα. Το ρεύμα λειτουργίας των παράλληλων κλάδων θα πρέπει να είναι χαμηλότερο από το μέγιστο όριο ρεύματος εισόδου του αντιστροφέα. Η συνολική ισχύς της φωτοβολταϊκής συστοιχίας μπορεί και να υπερβαίνει την ονομαστική ισχύ του μετατροπέα. Για τις συνθήκες της Ελλάδας συνιστάται η ονομαστική ισχύς της φωτοβολταϊκής συστοιχίας να μην υπερβαίνει το 110% της ονομαστικής ισχύος του αντιστροφέα ΚΑΛΩΔΙΩΣΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Οι ηλεκτρικοί αγωγοί (ηλεκτρικά καλώδια) συνδέουν όλες τις διατάξεις ενός φωτοβολταϊκού συστήματος μεταξύ τους. Σύμφωνα με το νόμο του Ohm, σε κάθε ηλεκτρικό αγωγό, η πτώση τάσεως V είναι ίση με το γινόμενο της αντίστασης του αγωγού επί την ένταση του διερχόμενου ρεύματος (σχέση 4.6). Πτώση τάσεως ηλεκτρικού αγωγού όπου: R [Ω]: αντίσταση αγωγού I [Α]: ένταση ρεύματος V R I (4.6) Η αντίσταση ενός ηλεκτρικού αγωγού υπολογίζεται από τη σχέση 4.7 R (4.7) S 56

66 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο όπου: R[Ω]: Αντίσταση ηλεκτρικού αγωγού σε Ohm ρ [Qmm /m]: ειδική αντίσταση αγωγού (ρ = 0,017 Ω mm 2 /m για το χαλκό) l[m]: μήκος αγωγού S [mm2]: διατομή αγωγού Σύμφωνα με το νόμο του Joule, όταν ένας ηλεκτρικός αγωγός διαρρέεται από ρεύμα απορροφά ηλεκτρική ενέργεια, η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα. Η θερμότητα αυτή αυξάνει τη θερμοκρασία του αγωγού και αποτελεί τις θερμικές του απώλειες Q.(σχέση 4.8) 2 Q I R V I (4.8) όπου: Q[J]: Θερμικές απώλειες αγωγού σε joule Ι [Α]: ένταση ρεύματος Τ [s]: χρονικό διάστημα ροής ρεύματος R [Ω], V [V] όπως στο προηγούμενο Γενικά ισχύει ότι: Αυξάνοντας τη διατομή του αγωγού ή/ και μειώνοντας το μήκος του, μειώνουμε την αντίσταση του αγωγού. Με τη μείωση της αντίστασης εξασφαλίζουμε μείωση της πτώσης τάσεως και των θερμικών απωλειών του αγωγού. Η υπερθέρμανση ενός αγωγού μπορεί να προκαλέσει τήξη της μόνωσης, βραχυκύκλωμα και πυρκαγιά. Όσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του διερχόμενου ρεύματος, τόσο μεγαλύτερης διατομής αγωγό χρησιμοποιούμε. 57

67 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ 5.1 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ Για εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών σε στέγη, θα πρέπει να υπάρχει μελέτη από πολιτικό μηχανικό ότι η στέγη μπορεί να αντέξει το βάρος της εγκατάστασης. Σε περίπτωση που δεν κριθεί κατάλληλη από τον πολιτικό μηχανικό, ο κάτοχος του οικήματος θα πρέπει να κάνει όλες τις απαραίτητες εργασίες ενίσχυσης ή επισκευής της στέγης σύμφωνα με τις υποδείξεις του πολιτικού μηχανικού. Οι βάσεις για στέγη δεν μας επιτρέπουν τη ρύθμιση της κλίσης των πλαισίων. Στη στέγη θα πρέπει υποχρεωτικά να αφήνεται κάτω από τα πλαίσιο κενός χώρος για την κυκλοφορία του αέρα. Στο δώμα, θα πρέπει να διασφαλιστεί η υδρομόνωσή του, τοποθετώντας κατάλληλες ρητίνες στις τρύπες που ανοίχτηκαν για την τοποθέτηση των βάσεων. Οι βάσεις για το δώμα μας επιτρέπουν να ρυθμίσουμε την κλίση των πλαισίων. Παρακάτω περιγράφεται με βήματα η διαδικασία εγκατάστασης φωτοβολταϊκού συστήματος σε στέγη ή δώμα. Η διαδικασία της εγκατάστασης διαρκεί συνήθως 2-3 ημέρες. ΒΗΜΑ 1: ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΒΑΣΕΩΝ ΣΤΗΡΙΞΗΣ: Η πρώτη φάση αποτελείται από την τοποθέτηση των βάσεων στήριξης. Είναι η μόνη φάση που διαφοροποιείται η τοποθέτηση ενός φωτοβολταϊκού σε στέγη από ότι σε ταράτσα. ΟΙΚΙΑΚΗ ΣΤΕΓΗ: Αρχικά ανακαλύπτονται οι θέσεις των δοκαριών και «ανοίγουμε» τη στέγη στα συγκεκριμένα σημεία. Στη συνέχεια, τοποθετούνται τα ειδικά ανοξείδωτα αγκύρια (Εικόνα 5.1) και επανατοποθετούνται τα κεραμίδια χωρίς να μεταβληθεί καθόλου η στεγανότητα της σκεπής (Εικόνες 5.2 & 5.3). 58

68 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Εικόνα 5.2 Αγκύρια Εικόνα Τοποθέτηση αγκυρίων, διακρίνεται ο τρόπος ευθυγράμμισής τους Εικόνα Τα αγκύρια εγκατεστημένα Πάνω στα αγκύρια συνδέονται οριζόντια προφίλ αλουμινίου, πάνω στα οποία θα τοποθετηθούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται η ρύθμιση των 59

69 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο αγκυρίων ώστε να «απορροφήσουν» τις ατέλειες της στέγης και τα οριζόντια προφίλ να είναι απολύτως ευθυγραμμισμένα. Πολλές φορές για λόγους στατικότητας ή ύψους της κατασκευής δημιουργείται πλέγμα, τοποθετώντας και κάθετα προφίλ (Εικόνα 5.4). Εικόνα 5.4- Εγκατάσταση προφίλ στήριξης φωτοβολταϊκών ΒΙΟΤΕΧΝΙΚΗ-ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΤΕΓΗ: Παρομοίως σε βιομηχανική-βιοτεχνική στέγη, τοποθετούνται τα αγκύρια τα οποία με κατάλληλες ανοιξείδωτες συνδέσεις εδράζονται στους σιδερένιους δοκούς του σκελετού του κτιρίου (Εικόνα 5.5). Εικόνα Αγκύριο κατάλληλο για μεταλλική στέγη 60

70 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Στη συνέχεια, τοποθετούνται τα οριζόντια προφίλ αλουμινίου πάνω στα οποία τοποθετούνται τα πλαίσια (Εικόνα 5.6). Εικόνα Τοποθέτηση προφίλ ΔΩΜΑ - ΤΑΡΑΤΣΑ: Στην ταράτσα, η τοποθέτηση φωτοβολταϊκού συστήματος ξεκινάει με τη χάραξη και τη διάτρηση των σημείων που θα τοποθετηθούν οι βάσεις των φωτοβολταϊκών. Στη συνέχεια, καθαρίζονται πάρα πολύ καλά οι τρύπες (Εικόνες 5.7 & 5.8). Εικόνα Καθαρισμός 61

71 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Εικόνα Καθαρισμός Έπειτα, πρέπει να μονωθούν οι οπές. Για το λόγο αυτό, εγχέουμε ειδικές ρητίνες (Εικόνα 5.9), τοποθετούμε τις μεταλλικές ντίζες (Εικόνα 5.10) και περιμένουμε η ρητίνη να στερεοποιηθεί σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή. Εικόνα Έγχυση εποξικής ρητίνης Αφού στερεοποιηθεί η ρητίνη, τοποθετούνται οι μεταλλικές βάσεις και πάνω σε αυτές τα προφίλ αλουμινίου που θα στερεωθούν τα φωτοβολταϊκά (Εικόνα 5.11). 62

72 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Εικόνα Τοποθέτηση μεταλλικών ντιζών Εικόνα 5.11 Τοποθέτηση των βάσεων και των προφίλ στήριξης των φωτοβολταϊκών ΒΗΜΑ2: ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ: Στη συνέχεια, τοποθετούνται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια πάνω στα οριζόντια προφίλ αλουμινίου με τη χρήση ειδικών συγκρατητών (Εικόνα 5.12). 63

73 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Εικόνα Τοποθέτηση και στερέωση φωτοβολταϊκών σε μεταλλική στέγη ΒΗΜΑ 3: ΚΑΛΩΔΙΩΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ: Τα πλαίσια συνδέονται κατά ομάδες σύμφωνα με τη μελέτη σκίασης, γειώνονται μεταξύ τους και με τις βάσεις στήριξης και με τη χρήση ειδικών καλωδίων για συνεχές ρεύμα και έκθεση σε εξωτερικές συνθήκες, μέσα από σωλήνες βαρέως τύπου (Εικόνα 5.13) εισάγονται στη θέση των πινάκων και του αντιστροφέα. Εικόνα Σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων. Στην εικόνα διακρίνονται και οι σωλήνες προστασίας των καλωδίων 64

74 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Τέλος, εκτελείται η καλωδίωση των πινάκων συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος (Εικόνα 5.14). Όλες οι γραμμές ασφαλίζονται από ρεύματα σφάλματος - βραχυκύκλωμα, ηλεκτροπληξία και προστατεύονται από κεραυνικά πλήγματα. Εικόνα Κατασκευή πινάκων ελέγχου και τοποθέτηση αντιστροφέων 5.2 ΔΙΑΤΑΞΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΕΜΒΑΔΟΝ ΟΡΙΖΟΝΤΙΑΣ ΕΚΤΑΣΗΣ Κατά την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών στοιχείων μιας συστοιχίας, θα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή, ώστε η μία σειρά πλαισίων να μη σκιάζει την άλλη. Ο υπολογισμός της ελάχιστης απόστασης (ε) μεταξύ δύο γειτονικών σειρών (Σχήμα 5.1) γίνεται με την παρακάτω διαδικασία: Σχήμα Διάταξη φωτοβολταϊκών πλαισίων σε παράλληλες σειρές 65

75 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΒΗΜΑ 1: Υπολογισμός της επικάλυψης της κατασκευής του ύψους στήριξης (σχέση 5.1): (5.1) όπου: υ [m]: ύψος επικάλυψης γ [m]: μήκος φωτοβολταϊκών πλαισίων β [ o ]: γωνία κλίσης φωτοβολταϊκών πλαισίων δ [m]: υψομετρική διαφορά ανάμεσα στα στηρίγματα δύο σειρών φωτοβολταϊκών πλαισίων ((δ=0) για στήριξη στο ίδιο επίπεδο) ΒΗΜΑ 2: Ο υπολογισμός της ελεύθερης απόστασης μεταξύ δύο σειρών γειτονικών φωτοβολταϊκών πλαισίων προκύπτει από τον λόγο α/υ τον οποίο τον υπολογίζουμε από το παρακάτω διάγραμμα: Σχήμα Καμπύλη του λόγου α/υ ΒΗΜΑ 3: Ο υπολογισμός της ελάχιστης απόστασης μεταξύ δύο γειτονικών σειρών πλαισίων γίνεται από τη σχέση 5.2: (5.2) 66

76 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο όπου: ε [m]: ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών πλαισίων α [m], γ [m] και β [ o ], όπως προηγουμένως Για να υπολογίσουμε το εμβαδόν οριζόντιας έκτασης που θα χρειαστεί για την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων πάνελ ή συστοιχιών, έχουμε την παρακάτω σχέση (σχέση 5.3): S S o (5.3) όπου: S o [m 2 ]: εμβαδόν οριζόντιας έκτασης όλων των φωτοβολταϊκών πλαισίων S o = S π N συνβ S ε S π [m 2 ]: εμβαδόν φωτοβολταϊκών πλαισίων N: αριθμός φωτοβολταϊκών πλαισίων ε [m]: ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο φωτοβολταϊκών πλαισίων γ [m]: μήκος φωτοβολταϊκού πλαισίου β [ ο ]: γωνία κλίσης πλαισίων 5.3 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Για την υλοποίηση της εγκατάστασης στην πλευρά του εναλλασσόμενου ρεύματος, θα πρέπει να ακολουθηθούν οι κανονισμοί που απορρέουν από τον κανονισμό ΗD384. Αντίθετα, η υλοποίηση της εγκατάστασης στην πλευρά του συνεχούς ρεύματος δεν καλύπτεται με την εφαρμογή του ΗD384. Ο λόγος είναι ότι τα φωτοβολταϊκά έχουν διαφορετικές ιδιότητες από τις συμβατικές πηγές. Οι ιδιαιτερότητες αυτές πηγάζουν από τη φύση των υλικών κατασκευής των φωτοβολταϊκών στοιχείων και πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη προκειμένου να σχεδιασθεί και να υλοποιηθεί σωστά ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Λαμβάνοντας υπόψη τη φύση των φωτοβολταϊκών στοιχείων, συμπεραίνουμε πως τα φωτοβολταϊκά πλαίσια συμπεριφέρονται σαν πηγές ρεύματος ελεγχόμενες από τάση. Μάλιστα η μέγιστη τιμή του ρεύματος ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι ελάχιστα 67

77 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο μεγαλύτερη από την τιμή του ονομαστικού ρεύματος του πλαισίου. Συνεπώς, η χρήση ασφαλειών δεν εγγυάται τη διακοπή του συστήματος σε περίπτωση σφάλματος (βραχυκύκλωμα πλαισίου). Δηλαδή ένα σφάλμα βραχυκύκλωσης στην πλευρά του συνεχούς ρεύματος μπορεί να εξακολουθεί να υφίσταται, ανεξαρτήτως της χρήσης ασφαλειών, εκτός από την περίπτωση που το φωτοβολταϊκό σύστημα απαρτίζεται από περισσότερες από τρεις παράλληλες συστοιχίες. Σε μια τέτοια δομή φωτοβολταϊκού συστήματος, οι ασφάλειες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία κάθε μίας ξεχωριστής συστοιχίας. Σε αντίθεση με τις περισσότερες ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες, όπου η παραγωγή ηλεκτρισμού μπορεί να διακοπεί με τη βοήθεια ενός γενικού μέσου απόζευξης, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια παράγουν τάση στους ακροδέκτες τους μόλις εκτεθούν στο ηλιακό φως. Συνεπώς, η εγκατάσταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος πραγματοποιείται υπό συνθήκες τάσεως προς την πλευρά των πλαισίων. Κατά την υλοποίηση της ηλεκτρικής εγκατάστασης στη μεριά του συνεχούς ρεύματος μπορούν να προκύψουν ανεπιθύμητες καταστάσεις όταν: α) Υπάρχουν κακές ή χαλαρές συνδέσεις (δημιουργία ηλεκτρικού τόξου), β) Σφάλμα ως προς τη γη (καταστροφή μόνωσης και επαφή ενεργού αγωγού με γειωμένο μεταλλικό πλαίσιο ή εξοπλισμό στήριξης αυτού) και γ) Σφάλμα βραχυκυκλώματος (σφάλμα μόνωσης και επαφή ενεργών αγωγών). Σχήμα Φωτοβολταϊκό σύστημα με σφάλμα 68

78 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Στο Σχήμα 5.3, παραπάνω σχήμα, ο αρνητικός πόλος των φωτοβολταϊκών γειώνεται. Έστω ότι δημιουργείται σφάλμα και ένας αγωγός γειώνεται, τότε το ρεύμα των τριών σειρών αθροίζεται και περνάει μέσα από τη σειρά των φωτοβολταϊκών που υπάρχει το σφάλμα και δημιουργεί ανάστροφο ρεύμα. Παρόμοια κατάσταση προκύπτει και όταν δημιουργηθεί σφάλμα βραχυκύκλωσης στον παράλληλο κλάδο, ή όταν ο αρνητικός πόλος γειώνεται ακούσια, από ένα πρώτο σφάλμα ως προς τη γη που έχει προκύψει και ακολουθεί το δεύτερο σφάλμα ως προς τη γη. Το ρεύμα του σφάλματος τροφοδοτείται από τα φωτοβολταϊκά και μπορεί να παραμείνει ακόμα και αν η φωτοβολταϊκή συστοιχία απομονωθεί από το μετατροπέα, χωρίς αυτό να διακόψει το βρόγχο του ρεύματος σφάλματος. Για τους παραπάνω λόγους, θα πρέπει κατά το σχεδιασμό ενός φωτοβολταϊκού συστήματος να λαμβάνουμε υπόψη τα παρακάτω: Οι αγωγοί ρεύματος κάθε παράλληλου κλάδου υπολογίζονται έτσι ώστε να αντέχουν το ρεύμα των Ν-1 παράλληλων κλάδων, με την προϋπόθεση ότι το ρεύμα αυτό είναι χαμηλότερο του μέγιστου επιτρεπόμενου ανάστροφου ρεύματος του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Για το σύνολο των εμπορικών φωτοβολταϊκών πλαισίων, ως μέγιστο επιτρεπόμενο ανάστροφο ρεύμα μπορεί να θεωρηθεί η τιμή ρεύματος τουλάχιστον ίση με τρεις φορές την τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Με την τοποθέτηση ασφαλειών σε κάθε πλευρά (θετική ή και αρνητική ταυτόχρονα ανάλογα με την τοπολογία του αντιστροφέα) του εκάστου παράλληλου κλάδου. Η χρήση διόδων αντεπιστροφής επιλύει μεν το προαναφερθέν πρόβλημα, επιβαρύνει δε την ενεργειακή απόδοση της ηλεκτροπαραγωγικής μονάδας εξαιτίας των απωλειών ισχύος που τις διέπουν. Για τα θέματα προστασίας, η μέθοδος της αυτόματης διακοπής της τροφοδότησης δεν είναι δυνατή λόγω των ιδιαιτεροτήτων των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα χαρακτηρίζεται σαν σύστημα πολύ χαμηλής τάσης, όταν η τάση ανοικτού κυκλώματος σε πρότυπες συνθήκες δοκιμών δεν υπερβαίνει τα 120V DC. Η περίπτωση αυτή ωστόσο είναι ειδική και περιορισμένου ενδιαφέροντος, καθώς τα περισσότερα προϊόντα της αγοράς λειτουργούν με μεγαλύτερες τάσεις. Δεδομένου ότι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που χρησιμοποιούνται πρέπει να είναι Class ΙΙ, όσον αφορά τη μόνωση (κατά το πρότυπο EN 61730, στην κατηγορία εφαρμογών (Application Class A) με συνεχή τάση λειτουργίας του συστήματος πάνω από 120 V), είναι απαίτηση η μόνωση Class II για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια αυτής της κατηγορίας. Η 69

79 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο συνιστώμενη πρακτική για προστασία έναντι έμμεσης επαφής είναι η ελαχιστοποίηση της πιθανότητας εμφάνισης σφαλμάτων, πέρα από τη χρήση φωτοβολταϊκών πλαισίων Class ΙΙ και με υλικά και πρακτικές εγκατάστασης που εξασφαλίζουν προστασία Class ΙΙ ή ισοδύναμη. Η προστασία με υλικό κλάσης ΙΙ, με ενισχυμένη μόνωση, βασίζεται στο ότι η μόνωση είναι τόσο ισχυρή ώστε να αποκλείεται πρακτικά η καταστροφή της. Το πρότυπο IEC EN αποτελείται από δύο μέρη: Το πρώτο αφορά στις ελάχιστες προδιαγραφές καλής κατασκευής του φωτοβολταϊκού πλαισίου, εμπεριεχόμενης και της ηλεκτρικής μόνωσης, για εγκαταστάσεις όπου η μέγιστη τάση συνεχούς μπορεί να φθάσει τα 1000V. Όσον αφορά τη μόνωση, πρέπει να καλύπτονται οι απαιτήσεις Class ΙΙ. Το δεύτερο μέρος του προτύπου IEC EN αναφέρει τις απαιτήσεις δοκιμών για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. 5.4 ΓΕΙΩΣΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Το δυναμικό της γης θεωρείται συμβατικά μηδέν. Έτσι, κάθε αγωγός που συνδέει κάποιο σημείο ενός κυκλώματος ή ένα μεταλλικό αντικείμενο με το έδαφος ονομάζεται γειωμένος και το σημείο ή το αντικείμενο αποκτούν το ίδιο δυναμικό με τη γη. Η αγώγιμη σύνδεση του σημείου ή του αντικειμένου με το έδαφος ονομάζεται γείωση και ο αγωγός που τοποθετείται μέσα στο έδαφος και στο επάνω μέρος του συνδέεται με το γειωμένο αγωγό, λέγεται γειωτής. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα πρέπει να γειώνονται για τους παρακάτω λόγους: α) Αποφυγή ζημιών που μπορεί να υποστεί ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός λόγω κρουστικών υπερτάσεων, δηλαδή λόγω απότομων αυξήσεων της απόλυτης τιμής του δυναμικού από μερικά Volt μέχρι χιλιάδες Volt, των οποίων η διάρκεια κυμαίνεται από (10 6 s) έως (10 3 s). Οι κρουστικές υπερτάσεις δημιουργούνται από κεραυνούς, αστραπές, χειρισμούς διακοπτών, βραχυκυκλώματα κ.λπ. και β) Ασφάλεια του προσωπικού συντήρησης από ηλεκτροπληξία λόγω διαρροής ρευμάτων. Γείωση λειτουργίας: Είναι η γείωση του καλωδίου παροχής της Δ.Ε.Η. Γείωση προστασίας μεταλλικών μερών: Είναι η γείωση όλων των μεταλλικών μερών της εγκατάστασης και μπορεί να συνδέεται με τη γείωση λειτουργίας. 70

80 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Γείωση αντικεραυνικής προστασίας κυκλώματος συνεχούς ρεύματος: Είναι η γείωση που συγκεντρώνει όλους τους πιθανούς διαύλους διαφυγής του κεραυνικού πλήγματος στη φωτοβολταϊκή συστοιχία και πρέπει να συνδέεται απευθείας με τη θεμελιακή γείωση της εγκατάστασης. Γείωση αντικεραυνικής προστασίας κυκλώματος εναλλασσόμενου ρεύματος: Είναι η γείωση που προστατεύει το μετατροπέα τάσεως DC-AC από επιστροφή κεραυνικών κρουστικών υπερτάσεων μέσω της γείωσης λειτουργίας ή των τριών φάσεων της Δ.Ε.Η. και πρέπει να συνδέεται απευθείας με τη θεμελιακή γείωση της εγκατάστασης. Γείωση αντικεραυνικής προστασίας κτιρίου ή γηπέδου: Είναι η γείωση της διατάξεως αντικεραυνικής προστασίας του κτιρίου ή του γηπέδου και πρέπει να συνδέεται απευθείας με τη θεμελιακή γείωση της εγκατάστασης. Γείωση ασθενών ρευμάτων: Είναι η γείωση που συνδέει τις διατάξεις αντικεραυνικής προστασίας των συστημάτων αυτοματισμού και τηλεπικοινωνιών και πρέπει να συνδέεται απευθείας με τη θεμελιακή γείωση της εγκατάστασης. Γείωση ουδετέρου κόμβου μετασχηματιστή μέσης τάσεως: Είναι η γείωση του τέταρτου πόλου του μετασχηματιστή Μέσης Τάσεως και γίνεται με ειδικό μονωμένο καλώδιο σε ανεξάρτητο τρίγωνο γείωσης. Εφόσον η αντίσταση της θεμελιακής γείωσης είναι μικρότερη από 1 Ω, η γείωση του ουδέτερου κόμβου μπορεί να συνδεθεί με τη γείωση προστασίας μεταλλικών μερών του μετασχηματιστή ή απευθείας με τη θεμελιακή γείωση της εγκατάστασης ΓΕΙΩΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΣΕ ΔΙΑΝΣΥΔΕΔΕΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Η γείωση (άμεση ή ουδετέρωση, ανάλογα με την περιοχή) αποσκοπεί κυρίως στην προστασία των εγκαταστάσεων παραγωγής και την ασφάλεια των προσώπων και θα πρέπει να γίνεται σύμφωνα με τους αντίστοιχους κανονισμούς (HD384). Παρακάτω, αναλύονται οι δυνατοί τρόποι γείωσης των αντιστροφέων σε διασυνδεδεμένα κτιριακά φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο σημείο αυτό, αξίζει να σημειωθεί ότι η γείωση ενός εκ των ακροδεκτών του αντιστροφέα στην πλευρά συνεχούς ρεύματος δεν είναι υποχρεωτική στις Ευρωπαϊκές χώρες, σε αντιδιαστολή με τις Η.Π.Α. 71

81 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Τονίζεται ότι η γείωση ή μη της πλευράς του συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.) εξαρτάται από την τεχνολογία των φωτοβολταϊκών πλαισίων και την τοπολογία του αντιστροφέα. Οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες που διαμορφώνονται από συγκεκριμένα είδη πλαισίων (λεπτών επιστρώσεων) γειώνονται με υπόδειξη του κατασκευαστή, προκειμένου να διασφαλίζεται η απρόσκοπτη λειτουργία τους, αλλά και η βελτιστοποίηση της απόδοσής τους. Ειδικότερα, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια λεπτών επιστρώσεων (thin film) λόγω της τεχνολογίας κατασκευής τους παρουσιάζουν συνήθως υψηλό κίνδυνο διάβρωσης του στρώματος TCO, γεγονός που επιφέρει καταστρεπτικά για τα πλαίσια αποτελέσματα. Για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο, γειώνεται ο αρνητικός ακροδέκτης της φωτοβολταϊκής πηγής. Το φαινόμενο αυτό δεν εμφανίζεται, βάσει των υφιστάμενων μελετών, σε φωτοβολταϊκά πλαίσια thin film συγκεκριμένων υλικών. Σε συστήματα με φωτοβολταϊκά πλαίσια τεχνολογίας back contact, επιβάλλεται (από τον κατασκευαστή) η γείωση του θετικού ακροδέκτη στην πλευρά του συνεχούς ρεύματος για βελτιστοποίηση της απόδοσης. Η γείωση σε αυτήν την περίπτωση μπορεί να γίνει μέσω μεγάλης αντίστασης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, επιβάλλεται η χρήση αντιστροφέα με μετασχηματιστή απομόνωσης, εκτός αν πιστοποιείται από τον κατασκευαστή ότι ο επιλεγμένος τύπος αντιστροφέα (χωρίς μετασχηματιστή) είναι κατάλληλος για χρήση με τα πλαίσια που έχουμε επιλέξει. Όσον αφορά στα συνήθη κρυσταλλικά πλαίσια, δεν έχουν τεθεί ιδιαίτερες απαιτήσεις από τους κατασκευαστές ως προς τη γείωση ή μη των ακροδεκτών της πλευράς συνεχούς ρεύματος. Σε αυτές τις περιπτώσεις, εφόσον δε γειώνονται ενεργά μέρη στην πλευρά συνεχούς ρεύματος, είναι δυνατή η χρήση αντιστροφέα χωρίς μετασχηματιστή απομόνωσης. Σε κάθε περίπτωση, ο μελετητής του συστήματος ακολουθεί τις οδηγίες του κατασκευαστή για τις ειδικές απαιτήσεις που προκύπτουν ανάλογα με την τεχνολογία των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Συνήθως οι κατασκευαστές αντιστροφέων, λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, προτείνουν τον κατάλληλο εξοπλισμό ανάλογα με τον τύπο του πλαισίου. Τονίζεται ότι, αν ο αντιστροφέας δεν περιλαμβάνει μετασχηματιστή απομόνωσης, η πλευρά συνεχούς ρεύματος δε γειώνεται, αντίθετα όλα τα εκτεθειμένα μεταλλικά μέρη του φωτοβολταϊκού εξοπλισμού (π.χ. βάσεις στήριξης και μεταλλικά μέρη των φωτοβολταϊκών πλαισίων) γειώνονται υποχρεωτικά. Στις παραγράφους που ακολουθούν, αναλύονται ορισμένα θέματα τα οποία χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής ανάλογα με τον τρόπο γείωσης του αντιστροφέα. 72

82 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Σχήμα Γείωση αντιστροφέα, μόνο της πλευράς της εναλλασσόμενης τάσης Στο Σχήμα 5.4 παρουσιάζεται η περίπτωση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος στο οποίο χρησιμοποιείται ένας αντιστροφέας με μετασχηματιστή και η γείωση είναι μόνο στη μεριά της εναλλασσόμενης τάσης. Σε ένα τέτοιο σύστημα, η δημιουργία σφάλματος μεταξύ ενός εκ των δύο αγωγών συνεχούς ρεύματος και της γης δεν οδηγεί στη ροή ρευμάτων. Το ίδιο γενικά ισχύει και όταν ένας άνθρωπος (ο οποίος έρχεται σε επαφή με τη γη) ακουμπήσει έναν εκ των ενεργών αγωγών του συνεχούς ρεύματος. Βέβαια, εάν τα πλαίσια είναι γειωμένα και δε διαθέτουν κατάλληλη μόνωση, μπορεί να προκληθεί εκφόρτιση της παρασιτικής χωρητικότητας των πλαισίων μέσω του ανθρώπου προς τη γη (ρεύμα διαρροής). Γι αυτό είναι απαραίτητο να χρησιμοποιούνται πλαίσια με κατηγορία μόνωσης Class II σύμφωνα με το πρότυπο IEC EN Τέλος, στα εν λόγω συστήματα απαιτείται η χρήση ειδικών συστημάτων επιτήρησης σφαλμάτων ως προς τη γη και συστημάτων αποσύνδεσης του αντιστροφέα (στη μεριά συνεχούς ρεύματος), προκειμένου να αποφευχθούν ατυχήματα λόγω ηθελημένης ή μη γείωσης της μεριάς συνεχούς ρεύματος. Σχήμα Γείωση αντιστροφέα στην εναλλασσόμενη, αλλά και στη συνεχή τάση 73

83 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Στο Σχήμα 5.5 παρουσιάζεται η περίπτωση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος στο οποίο χρησιμοποιείται ένας αντιστροφέας με μετασχηματιστή και γείωση αυτού τόσο στη μεριά του συνεχούς ρεύματος, όσο και στη μεριά εναλλασσόμενου. Σε αντιδιαστολή με την προηγούμενη περίπτωση, η δημιουργία ενός σφάλματος μεταξύ του αγείωτου αγωγού συνεχούς ρεύματος και της γης οδηγεί στη ροή ρευμάτων, όπως επίσης και η επαφή ενός ανθρώπου (ο οποίος έρχεται σε επαφή με τη γη) με τον αγείωτο αγωγό συνεχούς ρεύματος. Ο μοναδικός τρόπος να διακοπεί η ροή ρευμάτων ως προς τη γη (περίπτωση σφάλματος), είναι η αποσύνδεση της μεριάς συνεχούς ρεύματος από αυτή. Για την ασφάλεια των ανθρώπων απαιτείται η χρήση διάταξης ανίχνευσης του ρεύματος που ρέει προς τη γη από τον ηθελημένα γειωμένο αγωγό, ενώ τέλος τα ρεύματα διαρροής λόγω της παρασιτικής χωρητικότητας των πλαισίων ενδέχεται να επηρεάσουν αρνητικά την αξιοπιστία της προαναφερθείσας διάταξης. Σχήμα Αντιστροφέας χωρίς μετασχηματιστή και γειωμένη μόνο την πλευρά εναλλασσόμενης τάσης Στο Σχήμα 5.6 παρουσιάζεται η περίπτωση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος στο οποίο χρησιμοποιείται ένας αντιστροφέας χωρίς μετασχηματιστή και γείωση μόνο στη μεριά εναλλασσόμενου ρεύματος. Μολονότι η πλευρά συνεχούς ρεύματος δε γειώνεται άμεσα, σε ορισμένες περιπτώσεις (ανάλογα με την τοπολογία του αντιστροφέα) η γείωση στη μεριά του εναλλασσόμενου ρεύματος γίνεται «ορατή» και στη μεριά του συνεχούς ρεύματος. Στην περίπτωση που είτε τα πλαίσια είναι γειωμένα και δε διαθέτουν κατάλληλη μόνωση, είτε προκληθεί λόγω σφάλματος μη θελημένη γείωση αυτών προκαλείται εκφόρτιση της παρασιτικής χωρητικότητας των πλαισίων μέσω του αντιστροφέα προς τη γη (ρεύμα διαρροής). Για την ασφάλεια των ανθρώπων απαιτείται η χρήση διάταξης ανίχνευσης των ρευμάτων διαρροής. Βέβαια, η ρύθμιση του ορίου ενεργοποίησης της παραπάνω διάταξης 74

84 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή (καθορισμός ανώτατου και κατώτατου ορίου, απότομες μεταβολές). Λαμβάνοντας υπόψη ότι σε όλες τις περιπτώσεις η τάση στα άκρα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας δύναται να είναι αρκετά υψηλή (ώστε σύμφωνα με τα πρότυπο IEC να υφίσταται ανάγκη λήψης μέτρων για την προστασία του κοινού), αλλά και η έξοδος του αντιστροφέα συνδέεται στο ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης, συμπεραίνουμε ότι, η τάση σε ορισμένα εξαρτήματα του αντιστροφέα μπορεί να είναι δύο ή και τρεις φορές μεγαλύτερη από την ονομαστική τάση του δικτύου. Συνεπώς, σηματοδοτείται η ανάγκη γειώσεως του μεταλλικού περιβλήματος του μετατροπέα προκειμένου να αποφεύγεται ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας. Επιπλέον, με αυτό τον τρόπο μειώνεται και η ενδεχόμενη ηλεκτρομαγνητική παρενόχληση που μπορεί να προκληθεί από τη διακοπτική λειτουργία του κυκλώματος ισχύος σε παρακείμενες ηλεκτρικές συσκευές. Τονίζεται τέλος, ότι η γείωση του φωτοβολταϊκού εξοπλισμού μπορεί να επιφέρει σοβαρά προβλήματα στην περίπτωση που η μόνωση των πλαισίων δεν είναι κατάλληλης τάξης. Από την άλλη πλευρά, παρόλο που η χρήση αγείωτων φωτοβολταϊκών πλαισίων περιορίζει τον παραπάνω κίνδυνο, αυξάνει τον κίνδυνο καταστροφής των πλαισίων σε ένα ενδεχόμενο κεραυνικό πλήγμα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η γείωση των πλαισίων είναι επιβεβλημένη από τον κατασκευαστή. 5.5 ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Η προστασία των κτιριακών φωτοβολταϊκών συστημάτων από υπερτάσεις και κεραυνούς είναι ένα θέμα το οποίο αποσκοπεί στην προστασία των εγκαταστάσεων παραγωγής, αλλά κυρίως στην ασφάλεια των ανθρώπων και θα πρέπει να υλοποιείται μόνο σύμφωνα με τα ισχύοντα εθνικά (ΕΛΟΤ), ευρωπαϊκά (ΕΝ) και διεθνή (IEC) πρότυπα αλλά και την ισχύουσα νομοθεσία. Σύμφωνα με το ΦΕΚ470 (5 Μαρτίου 2004), άρθρα 3 έως και 6, τα φαινόμενα εκδήλωσης υπερτάσεων, εφόσον πρόκειται για αρχικό έλεγχο (νέα ηλεκτρική εγκατάσταση ή σοβαρή τροποποίηση παλαιάς), θα πρέπει να αντιμετωπιστούν σύμφωνα με τα ισχύοντα εθνικά και ευρωπαϊκά πρότυπα, τα οποία είναι τα πρότυπα σειράς ΕΛΟΤ ΕΝ Επομένως, η αναγκαιότητα εφαρμογής προστασίας από υπερτάσεις είναι πλέον απαραίτητη 75

85 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ανεξάρτητα με το εάν υπάρχει ή εάν προβλέπεται να υπάρξει σύστημα εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας. Με κάθε επιφύλαξη, στηριζόμενοι στην υπάρχουσα εμπειρία εκατοντάδων χιλιάδων φωτοβολταϊκών συστημάτων μικρότερων των 10 kwp που εγκαταστάθηκαν σε ευρωπαϊκές χώρες και δεν εξέχουν σημαντικά από το περίγραμμα του κτιρίου, όπως προβλέπεται στις Υπουργικές Αποφάσεις, θεωρείται ότι ο κίνδυνος από άμεσο κεραυνικό πλήγμα δεν αυξάνεται. Εντούτοις, για την ασφάλεια των ανθρώπων και την προστασία των κτιριακών ηλεκτρικών εγκαταστάσεων και συσκευών συνιστάται η εκτίμηση των κινδύνων από τους κεραυνούς και τις υπερτάσεις που προκαλούν. Σχήμα Τυπική μορφή εγκατάστασης με προστασία από τις υπερτάσεις Στο Σχήμα 5.7 παρουσιάζεται μια ενδεικτική μορφή εγκατάστασης των διατάξεων προστασίας από υπερτάσεις για την προστασία μόνο του φωτοβολταϊκού συστήματος, η οποία και συνιστάται. Παράλληλα θα πρέπει να προβλεφθεί και προστασία των υφιστάμενων ηλεκτρικών εγκαταστάσεων του κτιρίου (π.χ. προστασία γενικού πίνακα και υποπινάκων). Τα Πρότυπα αντικεραυνικής προστασίας που ισχύουν και εφαρμόζονται είναι της σειράς ΕΛΟΤ ΕΝ 62305, καθώς επίσης και της σειράς ΕΛΟΤ ΕΝ Τα Πρότυπα ΕΛΟΤ ΕΝ περιγράφουν τις απαιτήσεις σχεδιασμού ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας, ενώ τα Πρότυπα ΕΛΟΤ ΕΝ περιγράφουν τις απαιτήσεις δοκιμών των εξαρτημάτων αντικεραυνικής προστασίας. Επίσης, για την προστασία από υπερτάσεις τα αντίστοιχα Πρότυπα είναι της σειράς ΕΛΟΤ ΕΝ 61643, τα οποία περιγράφουν τις απαιτήσεις δοκιμών και εγκατάστασης των διατάξεων προστασίας από υπερτάσεις τόσο για τα ενεργειακά, όσο και για τα τηλεπικοινωνιακά κυκλώματα. 76

86 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Η αναγκαιότητα εγκατάστασης ενός συστήματος εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας μπορεί να εξετασθεί με την εφαρμογή του Προτύπου ΕΛΟΤ ΕΝ Το Πρότυπο εξετάζει, ανεξάρτητα με το εάν υπάρχει φωτοβολταϊκή εγκατάσταση, τον κίνδυνο που μπορεί να έχει το υφιστάμενο κτίριο σε ένα άμεσο ή έμμεσο κεραυνικό πλήγμα. Εάν η εγκατάσταση ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας κριθεί απαραίτητη, ο σχεδιασμός του συστήματος θα πρέπει να υλοποιηθεί με βάση το Πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ Σε περίπτωση που το κτίριο διαθέτει σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, θα πρέπει να μελετηθεί εάν ικανοποιεί τις απαιτήσεις του Προτύπου και εάν καλύπτει τις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις. Σε διαφορετική περίπτωση, θα πρέπει να γίνουν όλες οι απαραίτητες συμπληρωματικές ενέργειες, ώστε το υφιστάμενο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας να προσαρμοστεί στις νέες απαιτήσεις (π.χ. εγκατάσταση επιπρόσθετων ακίδων, συλλεκτήριων αγωγών, αγωγών καθόδου, εφαρμογή ισοδυναμικών συνδέσεων, ηλεκτροδίων γείωσης κ.λπ.). Η προστασία του ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού, όπως και των ανθρώπων που έρχονται σε επαφή με αυτά σύμφωνα με το ΕΛΟΤ ΕΝ , επιβάλλεται εφόσον εφαρμόζεται ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας. Η επιλογή και η εγκατάσταση των διατάξεων προστασίας θα πρέπει να πραγματοποιείται σύμφωνα με το ΕΛΟΤ ΕΝ Σχήμα Ενδεικτικό σχήμα τάσης που επάγεται σε βρόχο επιφάνειας 1m 2 συναρτήσει της απόστασης του κεραυνικού πλήγματος 77

87 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Οι εγκαταστάτες καλό είναι να αποφεύγουν τη δημιουργία μεγάλων βρόγχων ρεύματος, διότι ένα ενδεχόμενο κεραυνικό πλήγμα θα οδηγήσει στην εμφάνιση υψηλών τάσεων εξ επαγωγής, όπως ενδεικτικά παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.8. Στην περίπτωση που το φωτοβολταϊκό σύστημα εγκαθίσταται σε κτίριο που διαθέτει υφιστάμενο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας και μπορεί να διατηρηθεί απόσταση ασφαλείας (0.5-1 m) μεταξύ του φωτοβολταϊκού συστήματος και των αγωγών συλλογής και καθόδου του κεραυνικού ρεύματος, το φωτοβολταϊκό σύστημα θεωρείται ότι βρίσκεται μέσα στην περιοχή προστασίας του αλεξικέραυνου και δεν πρέπει να συνδέεται αγώγιμα με το σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (εφόσον πρόκειται για ενσωμάτωση σε υφιστάμενα κτίρια). Αν δεν μπορεί να διατηρηθεί η απόσταση αυτή, θα πρέπει να πραγματοποιείται αγώγιμη σύνδεση με τους αγωγούς του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. 5.6 ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΛΩΔΙΩΝ ΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η ηλεκτρολογική εγκατάσταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος απαιτεί τη χρήση καλωδίων (DC) και (AC). Καλώδια (DC) χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση των πάνελ μεταξύ τους και για τη σύνδεση των συστοιχιών με τις εισόδους του αντιστροφέα, ενώ (AC) καλώδια ισχύος, συμβατικού τύπου, χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των αντιστροφέων σε τριφασικό σύστημα και την τελική σύνδεση με τη Δ.Ε.Η. Τα καλώδια που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση εν σειρά των φωτοβολταϊκών πάνελ είναι συνήθως κατασκευασμένα για χρήση στον εξωτερικό χώρο. Η διατομή τους είναι συνήθως 4 mm 2 για πάνελ κρυσταλλικού πυριτίου και ακόμη μικρότερη (της τάξης του 1,5 mm 2 ) για πάνελ άμορφου πυριτίου, λόγω του σημαντικά μικρότερου ρεύματός τους. Τα καλώδια αυτά είναι συνήθως μονοπολικά και με διπλή μόνωση, ώστε να αποφεύγονται σφάλματα μεταξύ του θετικού και του αρνητικού πόλου των φωτοβολταϊκών πάνελ ή σφάλματα γης. Κατασκευάζονται επίσης πολύκλωνα, ώστε να διαθέτουν την απαραίτητη ευελιξία για τη σύνδεσή τους, ενώ το μήκος τους κυμαίνεται γύρω στο (1 m). Το συχνά χρησιμοποιούμενο καλώδιο με μόνωση λάστιχο και μανδύα από νεοπρένιο τύπου H07RN-F, στην τυπική (standard) έκδοσή του επιτρέπεται σε θερμοκρασίες έως 60 o C και έτσι είναι κατάλληλο για χρήση σε φωτοβολταϊκά συστήματα σε περιορισμένο εύρος. Γι αυτό το σκοπό, οι κατασκευαστές προχώρησαν στη δημιουργία ειδικών καλωδίων για φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους είναι: ότι είναι ανθεκτικά 78

88 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο στις καιρικές συνθήκες και σε υπεριώδη (UV) ακτινοβολία με μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιών (της τάξης από -55 o C έως 125 o C). Επιπλέον, κάποιοι κατασκευαστές προσφέρουν καλώδια με μεταλλικό πλέγμα για μεγαλύτερη προστασία από τα τρωκτικά και καλύτερη προστασία από υπερτάσεις. Εικόνα Καλώδιο HO7RN-F Οι διατομές των (DC) καλωδίων που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των φωτοβολταϊκών πάνελ με τους αντιστροφείς κυμαίνονται συνήθως από 4-16mm 2. O ακριβής προσδιορισμός της διατομής εξαρτάται κυρίως από τις απώλειες του καλωδίου και όχι ιδιαίτερα από τη θερμική φόρτιση η οποία είναι μικρή, λόγω του μικρού σχετικά ρεύματος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πάνελ. Έτσι, με δεδομένη τη γραμμική αύξηση των απωλειών με το μήκος των καλωδίων, επιβάλλεται ο κάθε μελετητής να προβαίνει σε υπολογισμούς απωλειών, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις αποστάσεων αρκετών δεκάδων μέτρων, λαμβάνοντας υπόψη και την αντίσταση των καλωδίων. Είναι σκόπιμο να χρησιμοποιούνται 79

89 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο διαφορετικοί χρωματισμοί καλωδίων για το θετικό και το αρνητικό, συνήθως επιλέγονται το κόκκινο και το μαύρο. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν και μεγαλύτερες διατομές (DC) καλωδίων της τάξης των mm 2, σε περιπτώσεις που δεν επαρκεί ο αριθμός των εισόδων ενός αντιστροφέα για την απευθείας σύνδεση όλων των επιμέρους (DC) καλωδίων των κλάδων. Η περίπτωση αυτή είναι αρκετά συνηθισμένη κυρίως σε κεντρικούς αντιστροφείς (της τάξης ονομαστικής ισχύος των 100 kw και άνω). Στην περίπτωση αυτή, χρησιμοποιούνται κατάλληλα κιτία τα οποία ομαδοποιούν πολλά ζεύγη καλωδίων κλάδων σε ένα ζεύγος. Στις περιπτώσεις αυτές, τα κιτία αυτά είναι επίσης, συνήθως εφοδιασμένα με απαγωγείς υπερτάσεων και (DC) διακόπτες φορτίου. Επιπλέον, σε κάποιες περιπτώσεις διαθέτουν και διατάξεις επιτήρησης κλάδων ώστε να δίνεται πληροφορία στον αντιστροφέα και το σύστημα εποπτείας για τη δυσλειτουργία ενός κλάδου. Στις περιπτώσεις αυτές, ο μελετητής μηχανικός θα πρέπει να λαμβάνει επίσης υπόψη του για τον υπολογισμό της διατομής, πέραν των απωλειών, και το θερμικό φορτίο, λόγω του παραλληλισμού σημαντικού αριθμού κλάδων. Επιπλέον, κατά τη φάση κατασκευής του έργου, θα πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα για την προσεκτική όδευση των καλωδίων κατά τις συνήθεις πρακτικές της ηλεκτροτεχνίας, λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες όπως η γειτνίαση των καλωδίων, η χρήση σωλήνων και η ανάγκη προστασίας από τα τρωκτικά. Ιδιαίτερη μέριμνα πρέπει να λαμβάνεται για τη σωστή διασύνδεση των καλωδίων τόσο μεταξύ των πάνελ (δηλαδή από το (+) ενός πάνελ στο (-) του επόμενου κ.λπ.) όσο και μεταξύ των κλάδων των πάνελ και των εισόδων του αντιστροφέα. Σε περίπτωση χαλαρής σύνδεσης είναι πιθανόν να εμφανιστεί τόξο αυξάνοντας τον κίνδυνο πυρκαγιάς. Επιπλέον, η ύπαρξη υψηλής σχετικά DC τάσης επιβάλλει να πραγματοποιείται η σύνδεση των καλωδίων από εξειδικευμένο προσωπικό με τη δέουσα προσοχή. Οι παραπάνω απαιτήσεις οδήγησαν στην επικράτηση στην αγορά λύσεων τύπου plug and play με συνδέσμους καλωδίων που εξασφαλίζουν την απουσία επαφής με γυμνό αγωγό και τη μικρή ωμική αντίσταση της τάξης των 5mΩ και μικρότερη (Εικόνα 5.16) 80

90 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Εικόνα Σύνδεσμοι καλωδίων φωτοβολταϊκών Αναφορικά με τα καλώδια του εναλλασσομένου ρεύματος (AC) χρησιμοποιούνται οι συμβατικοί τύπου καλωδίων εφαρμόζοντας τις συνήθεις πρακτικές της ηλεκτροτεχνίας σύμφωνα με τον HD384 αναφορικά με τον υπολογισμό της διατομής τους, τον τρόπο τοποθέτησης και την προστασία τους. 5.7 ΧΩΡΟΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΩΝ Ένα από τα ζητήματα που χρήζουν προσοχής κατά το σχεδιασμό ενός κτιριακού φωτοβολταϊκού συστήματος, είναι η επιλογή του χώρου τοποθέτησης των ηλεκτρονικών αντιστροφέων. Συνήθως, οι αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών συστημάτων τοποθετούνται είτε στο εσωτερικό των κτιρίων που εγκαθίστανται, είτε σε ειδικά διαμορφωμένο κλειστό χώρο, ο οποίος μπορεί να βρίσκεται πλησίον του φωτοβολταϊκού εξοπλισμού. Στη δεύτερη περίπτωση μειώνεται σημαντικά το μήκος των ηλεκτρικών αγωγών συνεχούς ρεύματος με άμεσο αποτέλεσμα τον περιορισμό των ηλεκτρικών απωλειών, της πτώσης τάσης, αλλά και του κόστους καλωδίωσης. Υπάρχουν και αντιστροφείς οι οποίοι σύμφωνα με τα τεχνικά φυλλάδια του κατασκευαστή μπορούν να εγκατασταθούν είτε κάτω από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (Εικόνα 5.17), είτε στο μηχανισμό στήριξης αυτών, εφόσον υπάρχει αρκετός χώρος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η συγκεκριμένη τοποθέτηση έχει ως αποτέλεσμα την άμεση έκθεση του αντιστροφέα σε υψηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών, αλλά και 81

91 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο κατά τη διάρκεια του χειμώνα σε ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες, εφαρμόζεται μόνο στις περιπτώσεις που το προβλέπει ο κατασκευαστής. προτείνεται να Εικόνα 5.17 Τοποθέτηση αντιστροφέα κάτω από τα φωτοβολταϊκά πάνελ Συγκεκριμένα, στο φυλλάδιο του κατασκευαστή θα πρέπει να αναζητηθεί ο δείκτης προστασίας (IP) του αντιστροφέα από σωματίδια σκόνης και νερού, καθώς και τα όρια των θερμοκρασιών μέσα στα οποία δεν επηρεάζεται η ασφαλής και χωρίς προβλήματα λειτουργία του. Σε αντίθετη περίπτωση, η υιοθέτηση του προαναφερθέντος τρόπου τοποθέτησης μπορεί να επιφέρει μείωση της διάρκειας ζωής του μετατροπέα. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ψύξη του ηλεκτρονικού μετατροπέα επηρεάζεται σημαντικά από τις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής στην οποία είναι εγκατεστημένο το φωτοβολταϊκό σύστημα (θερμοκρασία περιβάλλοντος, συνθήκες ηλιοφάνειας, υγρασία και αέρας), γίνεται κατανοητό ότι στις περιπτώσεις που ο αντιστροφέας τοποθετείται σε κλειστό χώρο πλησίον του φωτοβολταϊκού εξοπλισμού, ίσως είναι απαραίτητη η τοποθέτηση μηχανισμού εξαναγκασμένης ψύξης (ανεμιστήρες). 82

92 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο 5.8 ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΩΡΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σύμφωνα με την ισχύουσα νομοθεσία (ΚΥΑ 12323/ΓΓ175/2009 και Φ1/18513/2010), η εγκατάσταση ενός διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος σε ένα κτίριο ή οίκημα θα πρέπει να πληροί τους παρακάτω όρους: Δε θα πρέπει να γίνεται εγκατάσταση πάνω από το φρεάτιο του ανελκυστήρα. Από την εγκατάσταση δε θα πρέπει να δημιουργούνται χώροι κύριοι ή βοηθητικής χρήσης ή ημιυπαίθριοι. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που τοποθετούνται σε στέγη θα πρέπει να απέχουν 0,5 m από το περίγραμμα της και στο δώμα να οριοθετούνται με περιμετρικό συμπαγές στηθαίο και να απέχουν 0,5 m από αυτό. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που τοποθετούνται στη στέγη θα πρέπει ακολουθούν την κλίση της και να βρίσκονται εντός του όγκου της ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ DC-AC ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Για την επιλογή του αντιστροφέα τάσεως (DC) σε εναλλασσόμενη τάση (AC) λαμβάνουμε υπόψη τις παρακάτω παραμέτρους: Αριθμός εισόδων: Ανάλογα με τις πόσες φωτοβολταϊκές συστοιχίες έχουμε πρέπει να έχουμε και τον ανάλογο αριθμό εισόδων. Δεν πρέπει να έχουμε σε μία είσοδο φωτοβολταϊκές συστοιχίες με διαφορετικό προσανατολισμό. Μονοφασικός ή τριφασικός: Ανάλογα με την ισχύ της εγκατάστασης μας χρησιμοποιούμε και τον ανάλογο αριθμό αντιστροφέων. Για εγκαταστάσεις έως 10kW p χρησιμοποιούμε από έναν έως τρεις μονοφασικούς αντιστροφείς και για εγκαταστάσεις από 10kW p έως 20kW p χρησιμοποιούμε τριφασικούς αντιστροφείς, για εγκαταστάσεις από 20 kw p έως 100kW p χρησιμοποιούμε από έναν έως δέκα τριφασικούς αντιστροφείς και για εγκαταστάσεις από 100 kw p έως 500 kw p έχουμε από έναν έως 5 τριφασικούς. Στην περίπτωση που έχουμε ανεξάρτητους μονοφασικούς αντιστροφείς ανά ομάδα φωτοβολταϊκών στοιχείων, έχουμε το 83

93 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο πλεονέκτημα ότι σε περίπτωση βλάβης της μίας ομάδας δε σταματάει όλο το σύστημα και ότι είναι εύκολη η επέκταση του συστήματος προσθέτοντας επιπλέον μονοφασικούς αντιστροφείς. Τάση εισόδου: Είναι τάση που παρέχει το σύστημά μας στον αντιστροφέα και θα πρέπει να είναι σύμφωνη με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κατασκευαστή. Προδιαγραφές: Ο αντιστροφέας θα πρέπει να είναι σύμφωνος με τις τιμές των παραμέτρων που θέτει η Δ.Ε.Η. (πίνακας 5.1) για την απομόνωσή του και την επανασύνδεσή του στο δίκτυο. Επιπλέον, θα πρέπει να φέρει και τις κατάλληλες προδιαγραφές ασφαλείας. Πίνακας 5.1- Προδιαγραφές της Δ.Ε.Η. για τους αντιστροφείς DC-AC Παράμετρος Απαίτηση Τάση Η τιμή της εναλλασσόμενης τάσης στα άκρα του ηλεκτρονικού αντιστροφέα δεν πρέπει να υπερβαίνει το -20% (184 V) ή το +15% (264,5 V) της ονομαστικής τιμής της τάσης του δικτύου. Σε περίπτωση υπέρβασης των παραπάνω ορίων, η απόζευξη θα πρέπει να πραγματοποιείται εντός 0.5 s. Συχνότητα Η συχνότητα των ηλεκτρικών μεγεθών εξόδου του αντιστροφέα δεν πρέπει να υπερβαίνει περισσότερο από ±0.5Hz την ονομαστική τιμή της συχνότητας του δικτύου. Σε περίπτωση υπέρβασης των παραπάνω ορίων, η απόζευξη θα πρέπει να πραγματοποιείται εντός 0.5 s. Αυτόματη επανάζευξη Η επανάζευξη θα πρέπει να πραγματοποιείται μετά από τουλάχιστον 3 λεπτά. Αρμονικές Η ολική αρμονική παραμόρφωση του ρεύματος εξόδου δε θα πρέπει να υπερβαίνει το 5%. Έγχυση συνεχούς Η μέγιστη τιμή εγχεόμενου συνεχούς ρεύματος θα ρεύματος πρέπει να είναι το πολύ ίση με το 0.5% του ονομαστικού ρεύματος της εγκατάστασης. 84

94 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Στο διασυνδεδεμένο σύστημα απαιτούνται δύο ηλεκτρολογικοί πίνακες για την λειτουργία του, ο ένας είναι ο πίνακας του συνεχούς ρεύματος DC και ο άλλος του εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Ο πίνακας συνεχούς ρεύματος (DC) (Εικόνα 5.17) πρέπει να περιλαμβάνει τα παρακάτω: Μικροαυτόματους διακόπτες (DC): Προστατεύουν μία ηλεκτρική εγκατάσταση από υπερφόρτιση, βραχυκύκλωμα ή ανάστροφα ρεύματα. Στο κύκλωμα συνεχούς τάσης του φωτοβολταϊκού συστήματος, οι μικροαυτόματοι προστατεύουν κάθε στοιχειοσειρά φωτοβολταϊκών πλαισίων από ρεύματα ανάστροφης φοράς. Επίσης, προστατεύουν από την τροφοδοσία του κυκλώματος συνεχούς τάσης με εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) σε πιθανή βλάβη του αντιστροφέα. Κάθε συστοιχία φωτοβολταϊκών πρέπει να προστατεύεται ξεχωριστά, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται περιορισμός του σφάλματος στη συστοιχία που αντιμετωπίζει πρόβλημα επιτρέποντας την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την υπόλοιπη εγκατάσταση. Μετά τη διόρθωση του σφάλματος είναι εφικτή η επαναλειτουργία της συστοιχίας, είτε χειροκίνητα είτε με τηλεχειρισμό. Η ευκολία με την οποία κάποιο μέρος του συστήματος μπορεί να απομονωθεί ηλεκτρικά, από το υπόλοιπο, για λόγους συντήρησης ή επέκτασης, αποτελεί ακόμη ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Απαγωγούς υπερτάσεων ή αντικεραυνικά: Οι ηλιακοί συλλέκτες και οι αντιστροφείς είναι πολύ ευαίσθητοι σε μεταβατικές υπερτάσεις και κρουστικά ρεύματα που προκαλούνται από κεραυνούς ή χειρισμούς μεγάλων διακοπτών. Οι απαγωγοί υπέρτασης (αντικεραυνικά) για κυκλώματα συνεχούς τάσης τις περιορίζουν αυτές τις υπερτάσεις προστατεύοντας τον εξοπλισμό και αποτρέποντας περαιτέρω ζημιές στην εγκατάσταση. Για το λόγο αυτό θα πρέπει, κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού μιας τέτοιας επένδυσης, να λαμβάνεται πάντα υπόψη ο κίνδυνος οικονομικών απωλειών λόγω ανεπαρκούς προστασίας. Διακόπτες φορτίου κυκλωμάτων συνεχούς τάσης: Οι διακόπτες φορτίου κυκλωμάτων συνεχούς τάσης χρησιμοποιούνται για τη ζεύξη ή απόζευξη ενός κυκλώματος υπό φορτίο με ονομαστική τάση λειτουργίας έως και 1200 VDC 85

95 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο σύμφωνα με τα Πρότυπα IEC και IEC για φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις. Εικόνα Συναρμολογημένος πίνακας DC Ο πίνακας εναλλασσόμενου ρεύματος ΑC (Εικόνα 5.18) πρέπει να περιλαμβάνει: Διακόπτες φορτίου κυκλωμάτων εναλλασσόμενης τάσης: Όμοια με τους διακόπτες κυκλωμάτων συνεχούς τάσης και οι διακόπτες φορτίου κυκλωμάτων εναλλασσόμενης τάσης χρησιμοποιούνται για τη ζεύξη ή απόζευξη ενός κυκλώματος υπό φορτίο. Ο εύκολος χειρισμός τους διευκολύνει τις εργασίες συντήρησης ή επέκτασης ενός κυκλώματος εναλλασσόμενης τάσης. Διακόπτες διαρροής: Οι διακόπτες διαρροής προστατεύουν το προσωπικό μιας εγκατάστασης από ηλεκτροπληξία και τον εξοπλισμό της έναντι πυρκαγιάς. Η ύπαρξη των διακοπτών διαρροής στους πίνακες διανομής μιας εγκατάστασης είναι επιβεβλημένη. Οι διακόπτες διαρροής προσφέρουν προστασία από παλμικά ρεύματα με συνεχείς συνιστώσες σε εξαιρετικά μικρούς χρόνους αντίδρασης σύμφωνα με το Πρότυπο IEC 62423, καθιστώντας τους ιδανικούς για εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών συστημάτων. 86

96 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Απαγωγούς υπερτάσεων ή αντικεραυνικά: Προστατεύει την εγκατάσταση του εναλλασσόμενου ρεύματος από υπερτάσεις που προκαλούνται από κεραυνούς ή από κρουστικές τάσεις μεγάλων διακοπτών. Προστατεύει τον αναστροφέα σε περίπτωση κεραυνού ή υπέρτασης. Οι πίνακες χρησιμοποιούνται τόσο στο κύκλωμα συνεχούς όσο και στο κύκλωμα εναλλασσόμενης τάσης. Συνιστάται να είναι κλάσης (ΙΙ) και να διαθέτουν βαθμό προστασίας έναντι εισερχομένων σωματιδίων και υγρασίας (ΙΡ65), όταν τοποθετούνται σε εξωτερικούς χώρους. Ο εξοπλισμός εγκαθίσταται στο εσωτερικό τους είτε σε ράγες (DIN), είτε σε μεταλλικές βάσεις στήριξης. Εικόνα Συναρμολογημένος πίνακας AC Μαζί με το μετρητή της Δ.Ε.Η. για την καταγραφή της παραγόμενης ενέργειας θα πρέπει να υπάρχουν υποχρεωτικά διακόπτες για τη χειροκίνητη αποσύνδεση του συστήματος από το δίκτυο. Μερικοί εγκαταστάτες δε βάζουν αντικεραυνική προστασία στην πλευρά στον πίνακα του εναλλασσόμενου ρεύματος και βασίζονται μόνο στην αντικεραυνική προστασία του 87

97 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο πίνακα συνεχούς ρεύματος (DC) αγνοώντας τον κίνδυνο καταστροφής του αντιστροφέα σε περίπτωση κεραυνού στο δίκτυο της Δ.Ε.Η ΤΥΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ συστήματος: Παρακάτω περιγράφεται βήμα-βήμα ο υπολογισμός ενός διασυνδεδεμένου ΒΗΜΑ 1: Καθορισμός ισχύος αιχμής (εγκατεστημένης ισχύος) Ρ pσ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και επιλογή γωνίας κλίσης β των φωτοβολταϊκών πλαισίων. ΒΗΜΑ 2: Υπολογισμός αριθμού πλαισίων Αριθμός πλαισίων pσ Ν= Ρ Ρ pπ (5.4) όπου: Ρ pσ [W p ]: ισχύς αιχμής φωτοβολταϊκής συστοιχίας Ρ pπ [W p ]: ισχύς αιχμής πλαισίου (από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κατασκευαστή). ΒΗΜΑ 3: Καθορισμός συνδεσμολογίας φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Αριθμός πλαισίων συνδεδεμένων σε σειρά: Αριθμός παράλληλων κλάδων: όπου: V m (5.5) Vm N Nπ= N (5.6) V mσ [V]: μέγιστη τάση ρεύματος φωτοβολταϊκής συστοιχίας (επιλέγεται) V mσ : V για συστήματα έως 3 kw p V για συστήματα 3-10 kw p V για μεγαλύτερα συστήματα 88

98 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο V mπ [V]: μέγιστη τάση ρεύματος πλαισίου (σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κατασκευαστή) Ν: αριθμός πλαισίων ΒΗΜΑ 4: Επιλογή αντιστροφέα τάσεως DC-AC (inverter). Για την επιλογή του αντιστροφέα τάσεως DC-AC λαμβάνουμε υπόψη μας τέσσερις παράγοντες: Τάση εισόδου: Η τάση στην είσοδο του μετατροπέα V INV πρέπει να είναι ίση με τη μέγιστη τάση ρεύματος V mσ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας (V INV = V mσ ). Τάση εξόδου: Η τάση στην έξοδο του αντιστροφέα πρέπει να είναι ίση με την φασική τάση (V φ = 220 V) αν ο αντιστροφέας είναι μονοφασικός, ή με την πολική τάση (V π =380 V) αν είναι τριφασικός. Τάση ανοιχτού κυκλώματος: Η τάση ανοιχτού κυκλώματος του αντιστροφέα V OCINV πρέπει να είναι μεγαλύτερη της τάσεως ανοιχτού κυκλώματος της συστοιχίας V OCΣ κατά ένα συντελεστή k. V OCINV [V] (5.7) k VOC V V [V] (5.8) OC OC όπου: Ν σ : αριθμός πλαισίων συνδεδεμένων σε σειρά V OCΠ [V]: τάση ανοιχτού κυκλώματος πλαισίου (σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κατασκευαστή) k: συντελεστής k = 1,15 για εγκατάσταση σε υψόμετρο < 800 m k = 1,20 για εγκατάσταση σε υψόμετρο m k = 1,25 για εγκατάσταση σε υψόμετρο > 1500 m Ισχύς εξόδου: Η ισχύς στην έξοδο του αντιστροφέα Ρ INV υπολογίζεται από τη σχέση

99 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο P p INV [kw p ] (5.9) 1.3 όπου: P pσ [kw p ]: ισχύς αιχμής φωτοβολταϊκής συστοιχίας Ο αντιστροφέας τάσεως πρέπει να έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Nα έχει τη δυνατότητα να διακοπεί η λειτουργία του αν υπάρχει πρόβλημα στο ηλεκτρικό δίκτυο Nα διαθέτει κατάλληλη ηλεκτρονική διάταξη, που ονομάζεται ρυθμιστής ισχύος ΜΡΡΤ (Maximum Power Point Tracking), η οποία επιβάλλει την προσαρμογή του σημείου λειτουργίας του συστήματος στο Σ.Μ.Ι.. Σε εγκαταστάσεις έως 10kW p χρησιμοποιούνται συνήθως έως τρεις μονοφασικοί αντιστροφείς τάσεως DC AC. Στην περίπτωση των τριών μονοφασικών αντιστροφέων έχουμε τρεις ομάδες φωτοβολταϊκών πλαισίων μονοφασικού αντιστροφέα τάσεως, οι οποίες συνδέονται παράλληλα στο δίκτυο και είναι μεταξύ τους ηλεκτρικά ανεξάρτητες. Η διάταξη αυτή έχει δύο πλεονεκτήματα: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την εγκατάσταση ακόμη και αν μία ομάδα τεθεί εκτός λειτουργίας. Εύκολη επέκταση της εγκατάστασης με σκοπό την αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος. ΒΗΜΑ 5: Υπολογισμός ελάχιστης απόστασης μεταξύ δύο σειρών φωτοβολταϊκών πλαισίων. Ο υπολογισμός της ελάχιστης απόστασης ε μεταξύ δύο γειτονικών σειρών γίνεται σύμφωνα με τα όσα αναπτύξαμε στην παράγραφο 5.2. ΒΗΜΑ 6: Υπολογισμός εμβαδού οριζόντιας έκτασης. Ο υπολογισμός του εμβαδού της οριζόντιας έκτασης S Ε γίνεται σύμφωνα με τα όσα αναπτύξαμε στην παράγραφο 5.2. ΒΗΜΑ 7: Υπολογισμός διατομής της καλωδίωσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Διατομή των καλωδίων σύνδεσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων του κλάδου: 90

100 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο S 2p I ( V / V ) V m [mm 2 ] (5.10) m όπου: ρ [Ω-mm 2 / m]: ειδική αντίσταση ηλεκτρικού αγωγού (0,017 Ω. mm 2 / m για το χαλκό) [m]: μήκος ηλεκτρικού αγωγού σύνδεσης I mπ [Α]: μέγιστη ένταση ρεύματος πλαισίου (σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κατασκευαστή) ΔV/V: επιτρεπόμενη πτώση τάσεως (ΔV/V = 1% = 0,01) V mπ [V]: Μέγιστη τάση ρεύματος πλαισίου σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κατασκευαστή. Διατομή των καλωδίων σύνδεσης των κλάδων της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με το μετατροπέα τάσεως DC-AC: S 2 I ( V / V) V m [mm 2 ] (5.11) όπου: ρ [Ω.mm 2 /m], l[m], ΔV/V: όπως προηγουμένως I mσ [Α]: μέγιστη ένταση ρεύματος φωτοβολταϊκής συστοιχίας, δηλαδή ρεύμα εισόδου στο μετατροπέα τάσεως V mσ [V]: μέγιστη τάση ρεύματος φωτοβολταϊκής συστοιχίας (επιλέγεται στο Βήμα 3) m Διατομή των καλωδίων σύνδεσης μονοφασικού μετατροπέα τάσεως DC AC με το ηλεκτρικό δίκτυο: 2 p S V / V V 2 (5.12) όπου: l [m]: μήκος ηλεκτρικού αγωγού σύνδεσης Ρ pσ [W]: ισχύς αιχμής φωτοβολταϊκής συστοιχίας ΔV/V: επιτρεπόμενη πτώση τάσεως (ΔV/V = 1% = 0,01) κ [m/q mm 2 ]: αγωγιμότητα ηλεκτρικού αγωγού (καλωδίου) στη θερμοκρασία λειτουργίας (θ= C) και κ = 56[1-0,004(θ-20)] V φ [V]: φασική τάση (V φ = 220V) 91

101 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Διατομή των καλωδίων σύνδεσης τριφασικού μετατροπέα τάσεως DC - AC με το ηλεκτρικό δίκτυο: p S ( V / V) V 2 όπου: l[m], Ρ pσ [W], κ [m/q mm 2 ] όπως προηγουμένως ΔV/V: επιτρεπόμενη πτώση τάσεως (ΔV/V = 2% = 0,02) V π [V]: πολική τάση (V π = 380V) (5.13) Παρατήρηση: Ο υπολογισμός της διατομής των καλωδίων σύνδεσης μονοφασικού ή τριφασικού αντιστροφέα τάσεως DC-AC με το ηλεκτρικό δίκτυο, γίνεται με την ισχύ αιχμής Ρ pσ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και όχι με την ισχύ στην έξοδο του μετατροπέα Ρ inv για λόγους ασφαλείας. ΒΗΜΑ 8: Υπολογισμός ετήσιας παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια: όπου:.. S. m HA (5.14) Ε HA [kwh/m 2 έτος]: ετήσια ενέργεια προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σύμφωνα με τον πίνακα 5.2. Ν: αριθμός πλαισίων S Π [m 2 ]: επιφάνεια πλαισίου (σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κατασκευαστή) η Π : βαθμός απόδοσης πλαισίου (η Π = η STC σ γ σ ρ. σ θ σ δ ) η Σ : βαθμός απόδοσης πλαισίου σε πρότυπες συνθήκες ελέγχου STC σ γ : συντελεστής γήρανσης (σ γ = 0,99 για το πρώτο έτος, σ γ = 0,98 για το δεύτερο έτος, σ γ = 0,97 για το τρίτο έτος κ.λπ., δηλαδή η μείωση της απόδοσης είναι 1% για κάθε έτος λειτουργίας) σ ρ : συντελεστής ρύπανσης (σ ρ =0,90 για πλαίσια ελαφρώς σκονισμένα) σ θ : συντελεστής θερμοκρασίας σ δ : συντελεστής απωλειών διόδου (σ δ = 0,99) σ α : συντελεστής ανομοιογένειας (σ α = 0,98) 92

102 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο σ κ : συντελεστής καλωδιώσεων (σ κ = 0,98) σ μ : συντελεστής απωλειών μεταφοράς ενέργειας (σ μ = 0,96-0,98) Πίνακας Μηνιαία ενέργεια προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε επίπεδο με γωνία κλίσης β=30 ο νοτίου προσανατολισμού σε διάφορες πόλεις της Ελλάδας ΠΟΛΗ ΙΑΝ. ΦΕΒ. MAP. ΑΠΡ. ΜΑΪΟΣ ΙΟΥΝ. ΙΟΥΛ. ΑΥΓ. ΣΕΠ. ΟΚΤ. ΝΟΕΜ. ΔΕΚ. ΜΕΣΟΣ ΟΡΟΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ [kwh/m 2 -μήνα] ΕΤΗΣΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ [kwh/m 2 -έτος] Αθήνα Αλίαρτος Άραξος Αργοστόλι Άρτα Ηράκλειο Θεσσαλονίκη Ιεράπετρα Ιωάννινα Καλαμάτα Κέρκυρα Κομοτηνή Κόνιτσα Κόρινθος Κύθηρα Λαμία Λάρισα Λήμνος Μεθώνη Μήλος Μυτιλήνη ' Νάξος Πάρος Πάτρα Πύργος Ρέθυμνο Ρόδος Σάμος Σέρρες Σητεία Σκύρος Σούδα Κρήτης Σύρος Τυμπάκι Χανιά Χίος ΒΗΜΑ 9: Σχεδιασμός του διαγράμματος σύνδεσης του φωτοβολταϊκού συστήματος με το δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Ο τρόπος σύνδεσης με το δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από την ισχύ αιχμής Ρ pσ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας: Για Ρ pσ <100 kwp η σύνδεση γίνεται με το δίκτυο Χαμηλής Τάσεως, ενώ στην αντίθετη περίπτωση (ΡpΣ > 100 kwp) έχουμε σύνδεση με το δίκτυο Μέσης Τάσεως. 93

103 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο 5.9 ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΕΙΣ Κατά τη σχεδίαση ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος πρέπει να λαμβάνονται υπόψη, οι ηλεκτρικές καταναλώσεις τις οποίες θα τροφοδοτήσουμε με το φωτοβολταϊκό σύστημα. Όταν θέλουμε να σχεδιάσουμε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα για μία κατοικία θα πρέπει να γνωρίζουμε την ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας της κατοικίας, καθώς και τη χρονική περίοδο που θα υπάρχουν οι καταναλώσεις (χειμώνας - καλοκαίρι). Για να υπολογίσουμε την ηλεκτρική ενέργεια σε μία κατοικία ακολουθούμε την παρακάτω διαδικασία: Καταγραφή όλων των ηλεκτρικών συσκευών και της ισχύος τους, καθώς και του πιθανού χρόνου λειτουργίας τους στη διάρκεια ενός 24ώρου. Υπολογισμός της ημερήσιας ηλεκτρικής ενέργειας κατανάλωσης σύμφωνα με τον τύπο: ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (kw) ΩΡΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (h) = ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ Ε Κ (kwh/d) Δηλαδή αν μία συσκευή έχει κατανάλωση 0,7 kw και λειτουργεί κάθε μέρα 6 ώρες, τότε η συνολική ημερήσια ενέργεια που δαπανά είναι 4,2 kwh/d. Εκτίμηση της μέγιστης ισχύος στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή καταγράφονται όλες οι συσκευές που υπάρχει το ενδεχόμενο να λειτουργήσουν ταυτόχρονα επίσης, καταγράφεται και η μέγιστη απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύς που έχουν. Γίνεται ιεράρχηση στην ικανοποίηση καταναλώσεων για την αποφυγή μεγάλων καταναλώσεων (μεγάλη ζήτηση ισχύος). Καθορίζουμε τα φορτία τα οποία θα τροφοδοτηθούν απευθείας από την φωτοβολταϊκή συστοιχία και εκείνα τα οποία καλύπτονται από τον ηλεκτρικό συσσωρευτή κατά τη διάρκεια του 24ώρου. Το πηλίκο της ηλεκτρικής ενέργειας που καλύπτεται από το συσσωρευτή (έμμεση τροφοδοσία) προς την ηλεκτρική ενέργεια 94

104 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο κατανάλωσης Ε κ μας δίνει το ποσοστό των φορτίων έμμεσης τροφοδοσίας (σχέση 5.15): b (5.15) Είναι από κάθε άποψη αντιοικονομικό, να επιδιώκεται η χρήση ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος για την τροφοδότηση ενεργοβόρων ηλεκτρικών συσκευών, όπως ηλεκτρικές κουζίνες, αερόθερμα κ.λπ. Οι ανάγκες αυτές θα πρέπει να καλύπτονται με κουζίνες υγραερίου, θερμάστρες υγραερίου κ.λπ. Επίσης, προτείνεται όλες οι συσκευές μας να είναι Α ενεργειακής κλάσης. Είναι οικονομικότερο τις περισσότερες φορές να συνδυάζουμε το αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα με ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος (Η/Ζ) για την κάλυψη των αιχμών ζήτησης. Επίσης, το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος μας βοηθάει να μειώσουμε τη χωρητικότητα των μπαταριών και την ισχύ των φωτοβολταϊκών συστοιχιών, άρα και το συνολικό κόστος του συστήματος ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ DC-AC INVERTER Για την επιλογή ενός αντιστροφέα DC-AC (inverter) λαμβάνουμε υπόψη τις παρακάτω παραμέτρους: Ονομαστική τάση: Πρέπει να έχει την ίδια ονομαστική τάση με αυτή του ηλεκτρικού συσσωρευτή. Ισχύς εξόδου: Η ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα πρέπει να είναι ίση με τη μέγιστη ισχύ των φορτίων κατανάλωσης που λειτουργούν ταυτόχρονα. Ισχύς αιχμής: Η ισχύς αιχμής θα πρέπει να είναι τριπλάσια της μέγιστης ισχύος των φορτίων κατανάλωσης που λειτουργούν ταυτόχρονα. Τάση εισόδου: Η τάση στην είσοδο του μετατροπέα πρέπει να είναι ίση με την τάση των φορτίων κατανάλωσης ΕΠΙΛΟΓΗ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ παραμέτρους: Για την επιλογή του ρυθμιστή φόρτισης λαμβάνουμε υπ όψιν τις παρακάτω 95

105 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Ονομαστική τάση: Ο ρυθμιστής φόρτισης θα πρέπει να έχει ονομαστική τάση ίδια με αυτή του ηλεκτρικού συσσωρευτή. Ρεύμα εισόδου: Πρέπει να έχει τη δυνατότητα ο ρυθμιστής να δεχτεί το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να παραχθεί από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία. 1.5 SC για παράλληλο ρυθμιστή φόρτισης 1.5 m για ρυθμιστή φόρτισης σειράς όπου: Ι SCΣ : ρεύμα βραχυκύκλωσης φωτοβολταϊκής συστοιχίας Ι mσ : ένταση ρεύματος φωτοβολταϊκής συστοιχίας στο σημείο μέγιστης ισχύος (Σ. Μ. Ι.) Ρεύμα εξόδου: Πρέπει να έχει τη δυνατότητα να δώσει το μέγιστο ρεύμα στα φορτία κατανάλωσης που λειτουργούν ταυτόχρονα. Σε περίπτωση που έχουμε υβριδικό σύστημα με ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος προτείνεται η επιλογή ρυθμιστή φόρτισης που θα μπορεί να κάνει τη διαχείριση του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η εγκατάσταση ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος δε διαφέρει με αυτή του διασυνδεδεμένου, όσον αφορά την τοποθέτηση και τη στερέωση των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και του πίνακα ελέγχου συνεχούς ρεύματος DC. Ο πίνακας εναλλασσομένου ρεύματος είναι ο ηλεκτρολογικός πίνακας της κατοικίας ο οποίος κατασκευάζεται σύμφωνα με τον κανονισμό HD384. Η τοποθέτηση των ηλεκτρικών συσσωρευτών θα πρέπει να γίνεται σε χώρο που θα έχει καλό αερισμό ειδικά, σε μπαταρίες που δεν είναι κλειστού τύπου καθώς δημιουργείται υδρογόνο κατά την εκφόρτιση τους. Ο αερισμός του χώρου συμβάλλει στην αποφυγή υπερθέρμανσης των μπαταριών. Θα πρέπει να υπάρχουν στο χώρο δύο οπές εξαερισμού η μία στη βάση των μπαταριών για να εισέρχεται στο χώρο καθαρός ατμοσφαιρικός αέρας και μία οπή πάνω από τις μπαταρίες για να διαχέονται στο περιβάλλον τα διάφορα αέρια τα 96

106 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο οποία παράγονται κατά τη φόρτιση και την εκφόρτισή τους. Σύμφωνα με διεθνείς κανονισμούς, στο χώρο που είναι οι μπαταρίες δε θα πρέπει να έχουν πρόσβαση σε αυτές μη ειδικευμένα άτομα. Θα πρέπει να μη δύνανται να έρθουν σε επαφή με οποιοδήποτε αντικείμενο οι πόλοι της μπαταρίας ή οι μπάρες που συνδέουν τους πόλους της συστοιχίας. Προαιρετικά, θα πρέπει να υπάρχει αισθητήριο θερμοκρασίας, το οποίο θα ενημερώνει το χρήστη σχετικά με τη θερμοκρασία των μπαταριών. Ανά συστοιχία ή ανά μπαταρία θα πρέπει να υπάρχουν ασφάλειες για να απομονώνουν την μπαταρία σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. Δε θα πρέπει να τοποθετούνται ηλεκτρονικά συστήματα ή καλώδια δίπλα ή πάνω από τις μπαταρίες, καθώς τα αέρια που εκλύονται από τις μπαταρίες είναι διαβρωτικά ΤΥΠΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ συστήματος: Παρακάτω περιγράφεται βήμα προς βήμα ο υπολογισμός ενός διασυνδεδεμένου ΒΗΜΑ 1: Υπολογισμός της ημερήσιας ηλεκτρικής ενέργειας κατανάλωσης σύμφωνα με τύπο: ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΙΣΧΥΣ (kw) ΩΡΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (H) = ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ Ε Κ (kwh/d) Δηλαδή αν μία συσκευή έχει κατανάλωση 0,7 kw και λειτουργεί κάθε μέρα 6 ώρες, τότε η συνολική ημερήσια ενέργεια που δαπανά είναι 4,2 kwh/ ημέρα. ΒΗΜΑ 2: Υπολογίζουμε την άμεση τροφοδοσία και την έμμεση τροφοδοσία. Άμεση τροφοδοσία είναι όταν τροφοδοτούνται τα φορτία μέσω της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και έμμεση όταν τροφοδοτούνται μέσω των μπαταριών. Η άμεση τροφοδοσία υπολογίζεται από τον τύπο: % (5.16) 97

107 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο όπου: Η έμμεση τροφοδοσία υπολογίζεται από τον τύπο: Ε Κ : Ημερήσια ηλεκτρική ενέργεια κατανάλωσης % (5.17) Χ %: Ποσοστό επί τοις εκατό των φορτίων που θέλουμε να τροφοδοτήσουμε Ε κε [kwh/ημ]: Έμμεση τροφοδοσία Ε κα [kwh/ημ]: Άμεση τροφοδοσία Το ποσοστό της άμεσης και της έμμεσης τροφοδοσίας καθορίζεται από το σχεδιαστή του συστήματος ανάλογα με τις απαιτήσεις του πελάτη. Η έμμεση τροφοδοσία μέσω συσσωρευτών καθορίζει και τον αριθμό των συσσωρευτών που θα τοποθετηθούν προσδιορίζοντας και το κόστος των συσσωρευτών, το οποίο στα αυτόνομα συστήματα είναι αρκετά υψηλό. ΒΗΜΑ 3: Υπολογίζουμε την κλίση των φωτοβολταϊκών για όλη τη διάρκεια του χρόνου για την Ελλάδα. Ισχύει β = φ, όπου φ το γεωγραφικό πλάτος του τόπου και β η κλίση των φωτοβολταϊκών σε μοίρες. ΒΗΜΑ 4: Υπολογισμός της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας σε kwh/m 2. Ανάλογα με το ποια εποχή του χρόνου θέλουμε να λειτουργεί το σύστημα μας υπολογίζουμε από τον πίνακα και την ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας. Αν θέλουμε να λειτουργεί όλο το χρόνο, παίρνουμε την ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας το μήνα Δεκέμβριο που είναι ελάχιστη συγκριτικά με τους υπόλοιπους μήνες του χρόνου. ΒΗΜΑ 5: Υπολογίζουμε την ισχύ αιχμής ανάλογα με τις ημέρες αυτονομίας που θέλουμε: P p PSTC m N N n (5.18) όπου: P pσ [kw P ]: ισχύς αιχμής φωτοβολταϊκής συστοιχίας Ε Κ [kwh/ημ]: συνολική ημερήσια ηλεκτρική ενέργεια κατανάλωσης P STC [kw/m 2 ]: ισχύς προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε συνθήκες ελέγχου STC P STC : 1 kw/m 2 98

108 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο m: συντελεστής περιθωρίου ενεργειακών καταναλώσεων αφορά στην εκτίμηση των ημερήσιων ενεργειακών αναγκών. Προκειμένου να καλύψουμε μία πιθανή υποτίμηση των αναγκών της κατανάλωσης λαμβάνουμε ένα ποσοστό 20% (m= 1,2) επιπλέον των καταγραφέντων φορτίων. σ μ : συντελεστής απωλειών μεταφοράς ενέργειας της εγκατάστασης, η οποία περιλαμβάνει ηλεκτρικό συσσωρευτή ελεγκτή φόρτισης και μετατροπέα τάσεως DC- AC. σ ΑΣ : συντελεστής απωλειών συστοιχίας για πλαίσια ελαφρώς σκονισμένα (σ ΑΣ = 0,77 σ θ ) Ε ΗΑ [kwh/m 2 ]: ημερήσια ενέργεια προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας Ν: χρονική περίοδος αναφοράς n: αριθμός ημερών αυτονομίας Για να υπολογίσουμε το συντελεστή σ ΑΣ, πρέπει πρώτα να υπολογίσουμε το συντελεστή θερμοκρασίας σ θ : όπου: t α [ O C]: μέση μηναία θερμοκρασία αέρα 1 [( t 30) 25] 0,004 (5.19) ΒΗΜΑ 6: Η μέγιστη τάση V mσ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας πρέπει να είναι: όπου: V B : η ονομαστική τάση του ηλεκτρικού συσσωρευτή V m 1,2V (5.20) B ΒΗΜΑ 7: Υπολογισμός αριθμού πλαισίων της φωτοβολταϊκής συστοιχίας: P N (5.21) p P p όπου: Ρ pσ [W p ]: ισχύς αιχμής φωτοβολταϊκής συστοιχίας Ρ pπ [W p ]: ισχύς αιχμής πλαισίου (από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του κατασκευαστή). ΒΗΜΑ 8: Υπολογισμός αριθμού πλαισίων που είναι συνδεδεμένα σε σειρά ή παράλληλα. 99

109 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Για πλαίσια συνδεδεμένα σε σειρά: όπου: (5.22) m = V V m V mσ [V]: μέγιστη τάση ρεύματος φωτοβολταϊκής συστοιχίας V mπ [V]: μέγιστη τάση ρεύματος πλαισίου Για πλαίσια συνδεδεμένα παράλληλα: = N (5.23) ΒΗΜΑ 9: Υπολογισμός ονομαστικής χωρητικότητας συσσωρευτή: (n b) m C V (5.24) όπου: n,b,m,v B : όπως προηγουμένως σ γβ : συντελεστής γήρανσης συσσωρευτή σ εκ : συντελεστής απωλειών μεταφοράς ενέργειας στο κύκλωμα εκφόρτισης V Β β εκ : βάθος εκφόρτισης ανάλογα με τις μέρες αυτονομίας Η τιμή του C μας δείχνει τη συνολική χωρητικότητα των συσσωρευτών που πρέπει να χρησιμοποιήσουμε. Η τάση του συσσωρευτή υπολογίζεται από τον πίνακα 5.3. Πίνακας 5.3 Προτεινόμενες ηλεκτρικές τάσεις συσσωρευτών φωτοβολταϊκών συστημάτων ΙΣΧΥΣ ΑΙΧΜΗΣ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ V B [V] ΣΥΣΤΟΙΧIΑΣ P pσ [KW P ] 0-0,5 12 0, >10 >48 100

110 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΒΗΜΑ 10: Η επιλογή του ρυθμιστή φόρτισης γίνεται σύμφωνα με τα παρακάτω: Ονομαστική τάση: Η ονομαστική τάση του ρυθμιστή φόρτισης θα πρέπει να είναι ίση με την ονομαστική τάση του συσσωρευτή. Ρεύμα εισόδου: Μέγιστο ρεύμα εισόδου 1,5 Ι mσ Μέγιστη ένταση ρεύματος φωτοβολταϊκής συστοιχίας: Ι mσ =Ι mπ Ν Π Ρεύμα εξόδου: Ανάλογα με τις συσκευές που θέλουμε να λειτουργούν ταυτόχρονα υπολογίζουμε και το ρεύμα εξόδου. Ο υπολογισμός του ρεύματος γίνεται σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο: όπου: P κ [W]: Ισχύς κατανάλωσης V κ [V]: Τάση κατανάλωσης Ρεύμα εξόδου= P V (5.25) ΒΗΜΑ 11: Για να επιλέξουμε μετατροπέα DC-AC (inverter) ακολουθούμε τα παρακάτω: Ισχύς αιχμής: Η ισχύς αιχμής πρέπει να είναι η τριπλάσια της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος των φορτίων κατανάλωσης που λειτουργούν ταυτόχρονα. Τάση εξόδου: Η τάση εξόδου θα πρέπει να είναι ίση με την τάση των φορτίων κατανάλωσης. ΒΗΜΑ 12: Σχεδιάζουμε την ηλεκτρική εγκατάσταση. Ο σχεδιασμός πρέπει να δείχνει την ακριβή θέση όλων των διατάξεων του φωτοβολταϊκού συστήματος, προκειμένου να υπολογίσουμε το μήκος των αγωγών μεταξύ φωτοβολταϊκής συστοιχίας - ελεγκτή φόρτισης, ελεγκτή φόρτισης - συσσωρευτή, συσσωρευτή - φορτίων κατανάλωσης. Να σημειωθεί ότι για να έχουμε σωστή μέτρηση της τάσεως του συσσωρευτή από τον ελεγκτή φόρτισης, αυτές οι διατάξεις πρέπει να βρίσκονται στη μικρότερη δυνατή απόσταση (1-2 m). ΒΗΜΑ 13: Υπολογισμός έντασης ρεύματος στους αγωγούς. Αγωγός φωτοβολταϊκής συστοιχίας - ελεγκτή φόρτισης Ι = 1,25 Ι scσ όπου: Ι scσ [Α] = ρεύμα βραχυκύκλωσης φωτοβολταϊκής συστοιχίας. 101

111 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο Αγωγός ελεγκτή φόρτισης - συσσωρευτή I = 1,25 Ι scσ Αγωγός συσσωρευτή - φορτίων κατανάλωσης Σύμφωνα με τα προηγούμενα, έχουμε: όπου: P κ [W]: Ισχύς κατανάλωσης V κ [V]: Τάση κατανάλωσης Ρεύμα εξόδου= P V (5.26) Σχήμα Νομογράφημα για τον υπολογισμό διατομής του αγωγού ΒΗΜΑ 14: Για να υπολογίσουμε τη διατομή των καλωδίων χρησιμοποιούμε το παραπάνω νομογράφημα του σχήματος 5.9. Στη δεξιά ευθεία σημειώνουμε την ένταση I του ρεύματος και στην αριστερή την απόσταση l που πρέπει να διανύσει ο αγωγός. Ενώνουμε τα δύο σημεία με μία ευθεία. Η τομή της ευθείας αυτής με την κεντρική ευθεία του νομογραφήματος μας δίνει την ελάχιστη απαιτούμενη διατομή του αγωγού. Η δεξιά ευθεία έχει δύο στήλες για την ένταση του ρεύματος. Επιλέγουμε εκείνη που αντιστοιχεί στην ονομαστική τάση του συστήματος (12 V ή 24 V). 102

112 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο BHΜΑ 15: Για να υπολογίσουμε τη συνολική πτώση τάσεως στους αγωγούς, αθροίζουμε τις επιμέρους πτώσεις τάσεως. Άρα, ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΠΤΩΣΗ ΤΑΣΕΩΣ = (ΠΤΩΣΗ ΤΑΣΕΩΣ ΣΤΟΝ ΕΛΕΓΚΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ) + (ΠΤΩΣΗ ΤΑΣΕΩΣ ΑΓΩΓΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ) +( ΠΤΩΣΗ ΤΑΣΕΩΣ ΔΙΟΔΩΝ ΑΝΤΙΕΠΙΣΤΡΟΦΗΣ) +( ΠΤΩΣΗ ΤΑΣΕΩΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΛΟΓΩ ΑΥΞΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΑΝΩ ΤΩΝ 25 Ο C) Πτώση τάσεως ελεγκτή φόρτισης = 0,24 V για τάση 12 V 0,44 V για τάση 24 V Πτώση τάσεως διόδων αντεπιστροφής = 0,5 V Πτώση τάσεως φωτοβολταϊκής συστοιχίας λόγω αύξησης θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων άνω των 25 C: V m 4% / C (5.27) όπου: V mσ [V], μέγιστη τάση φωτοβολταϊκής συστοιχίας ΒΗΜΑ 16: Για τον έλεγχο της μέγιστης τάσης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας ισχύει ο κανόνας: Η μέγιστη τάση V mσ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση του αθροίσματος της ονομαστικής τάσεως V Β του ηλεκτρικού συσσωρευτή και της συνολικής πτώσης τάσεως ΔV μεταξύ συστοιχίας και συσσωρευτή: Προτεινόμενες τιμές: Σε μεσογειακές και νότιες χώρες V mσ =17-18 V, για V Β = 12 V V V V (5.28) m 103

113 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο και V, για V Β = 24 V Σε Βόρειες χώρες V mσ =15-16 V, για V Β = 12 V και V, για V Β = 24 V Τα παρακάτω βήματα είναι για την επιλογή ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους στην περίπτωση που το σύστημα μας είναι υβριδικό: Χρόνος φόρτισης συσσωρευτή από το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος: t C (5.29) q όπου: t φ [h]: χρόνος φόρτισης β εκ : βάθος εκφόρτισης συσσωρευτή η q : βαθμός απόδοσης φορτίου, δηλαδή ο λόγος του φορτίου κατά την εκφόρτιση προς το φορτίο κατά τη φόρτιση Ι φ [A]: ρεύμα φόρτισης Ηλεκτρική ισχύς ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους για την φόρτιση του συσσωρευτή: όπου: P V (5.30) P φ [W]: ισχύς για τη φόρτιση του συσσωρευτή Ι φ : ρεύμα φόρτισης V ΗΖ : τάση εξόδου του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους προς το συσσωρευτή V 1,25 V (5.31) Απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύς ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους: όπου: P P P (5.32) HZ 104

114 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΓΗ-ΔΩΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο P HZ [W]: ηλεκτρική ισχύς ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους P κ [W]: συνολική ηλεκτρική ισχύς κατανάλωσης P φ [W]: ηλεκτρική ισχύς για τη φόρτιση του συσσωρευτή 105

115 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΕΡΕΥΝΑ 6.1 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ Για την έρευνα ακολουθήσαμε τη μέθοδο του ερωτηματολόγιου. Το ερωτηματολόγιο της έρευνάς μας αποτελείται από τρεις ομάδες ερωτήσεων. Πριν από την Α Ομάδα υπάρχουν γενικές ερωτήσεις, όπως σε ποια περιοχή είναι εγκατεστημένο το φωτοβολταϊκό σύστημα, την ισχύ κ.λπ. Στην Α Ομάδα είναι οι ερωτήσεις για τα κριτήρια επιλογής φωτοβολταϊκού συστήματος, όπως για ποιους λόγους εγκατέστησαν φωτοβολταϊκό σύστημα, ποιον συμβουλεύτηκαν κ.λπ., στην Β Ομάδα είναι ερωτήσεις που αφορούν τα οικονομικά στοιχεία της επένδυσης, όπως το συνολικό κόστος, την τιμή πώλησης της κιλοβατώρας στην Δ.Ε.Η. κ.λπ., αλλά και οι ερωτήσεις που αφορούν την απόσβεσή της και την απόδοσή της και τέλος, στη Γ Ομάδα είναι οι συμπληρωματικές ερωτήσεις της έρευνάς μας, οι οποίες προσδιορίζουν τη μελλοντική συμπεριφορά του ήδη εγκατεστημένου φωτοβολταϊκού συστήματος, αλλά και οι ερωτήσεις 14, 15 και 16, που μας δείχνουν τις προθέσεις του ήδη κατόχου φωτοβολταϊκού συστήματος για μια επένδυση στο μέλλον πάλι με φωτοβολταϊκά. Καταφέραμε να συγκεντρώσουμε ερωτηματολόγια μόνο από 15 κατόχους φωτοβολταϊκών συστημάτων από τα οποία μόνο το ένα ήταν αυτόνομο και τα υπόλοιπα διασυνδεδεμένα. Τα αυτόνομα στο Νομό Θεσσαλονίκης βρίσκονται σε δυσπρόσιτες περιοχές που δεν έχει επεκταθεί ακόμα το δίκτυο της Δ.Ε.Η. Η περιοχή για την έρευνά μας ήταν ο Νομός Θεσσαλονίκης. Δεν καταφέραμε να βρούμε φωτοβολταϊκά συστήματα μέσα στην πόλη της Θεσσαλονίκης, αλλά και στη δυτική πλευρά του νομού. Στo παράρτημα είναι ο χάρτης ο οποίος δείχνει σε ποιες περιοχές είναι τα φωτοβολταϊκά συστήματα που συμμετείχαν στην έρευνά μας. 106

116 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 6.2 ΓΡΑΦΗΜΑΤΑ ΤΥΠΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ διασυνδεδεμένο αυτόνομο άλλο 7% 0% 93% Γράφημα 1 - Το 93% των ερωτηθέντων έχει εγκαταστήσει διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα και το 7% αυτόνομο, ενώ κανένας (0%) δεν έχει φωτοβολταϊκό σύστημα άλλου τύπου ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ Νότιος Νότιος-Ανατολικός Νότιος-Δυτικός Νότιος-Ανατολικός-Δυτικός Ανατολικός-Δυτικός 7% 27% 39% 7% 20% Γράφημα 2 - Το 39% των φωτοβολταϊκών συστημάτων είχε Νότιο προσανατολισμό, το 27% Ανατολικό-Νότιο και Δυτικό, το 20% Νότιο και Ανατολικό, το 7% Νότιο και Δυτικό,7% Νότιο και Δυτικό και το άλλο 7% Ανατολικό και Δυτικό 107

117 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ δγ/δα από kwh έως και kwh από kwh έως και kwh μικρότερη από kwh από kwh έως και kwh 7% 13% 40% 27% 13% Γράφημα 3 - Το 40% δεν γνώριζε την ετήσια παραγόμενη ενέργεια, το 27% είχε παραγόμενη ενέργεια από kwh έως και kwh, 13% των ερωτηθέντων είχαν από kwh έως και kwh και μικρότερη από kwh και το 7% είχε από kwh έως και kwh. ΧΩΡΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ στέγη δώμα 13% 87% Γράφημα 4 - Το 87% έχει εγκαταστήσει το φωτοβολταϊκό σύστημα σε στέγη, ενώ το 13% σε δώμα 108

118 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΙΣΧΥΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ έως και 5 kw από 5 kw έως και 6 kw από 6 kw έως και 7 kw από 7 kw έως και 8 kw από 8 kw έως και 9 kw από 9 kw έως και 10 kw 13% 0% 0% 13% 67% 7% Γράφημα 5 - Το 67% των ερωτηθέντων απάντησε ότι το φωτοβολταϊκό του σύστημα έχει ισχύαπό 9 kw έως και 10 kw, το 13% έχει ισχύ από 8 kw έως και 9 kw, επίσης, 13% έχει ισχύ έως και 5 kw και το 7% έχει ισχύ από 8 kw έως και 9 kw 1) ΓΙΑ ΠΟΙΟΥΣ ΛΟΓΟΥΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΑΤΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ; για οικονομικούς λόγους για οικονομικούς και οικολογικούς λόγους για οικολογικούς λόγους για ανεξαρτησία από την Δ.Ε.Η. 7% 13% 0% 80% Γράφημα 6 - Το 80% των ερωτηθέντων τοποθέτησε το φωτοβολταϊκό σύστημα για οικονομικούς και οικολογικούς, το 13% για οικονομικούς, ενώ το 7% για ανεξαρτησία από την ΔΕΗ και κανένας (0%) για οικολογικούς λόγους 109

119 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 2) ΤΙ ΤΥΠΟΥ ΠΑΝΕΛ ΕΧΕΤΕ ΕΓΚΑΤΑΣΤΗΣΕΙ; μονοκρυσταλλικά πολυκρυσταλλικά άμορφου πυρίτιου άλλων υλικών δγ/δα 7% 33% 60% 0% 0% Γράφημα 7 - Το 60% δεν ήξερε τις τύπου πάνελ έχει τοποθετήσει, το 33% απάντησε ότι έχει τοποθετήσει πολυκρυσταλλικά, το 7% μονοκρυσταλλικά, ενώ δεν έιχε κανένας (0%)άμορφου πυριτίου ή πάνελ άλλων υλικών Στην ερώτηση 3, όλοι απάντησαν ότι επιλέξανε τον τύπο των πάνελ από σύμβουλο εταιρείας φωτοβολταϊκών. 110

120 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 4) ΠΟΙΑ Η ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΔΑΠΑΝΗ ΤΗΣ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ (ΜΕΛΕΤΗ- ΑΓΟΡΑ-ΕΚΔΟΣΗ ΑΔΕΙΩΝ); λιγότερο από έως έως έως έως και άνω 7% 7% 0% 7% 40% 39% Γράφημα 8 - Περισσότερο από επένδυσε το 7%, το 40% επένδυσε έως 40000, το 39% έως 30000, το 7% έως και λιγότερο από το 7%, κανένας δεν έχει επενδύσει μεταξύ και ) ΠΟΙΑ ΕΙΝΑΙ Η ΤΙΜΗ ΠΩΛΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗ ΔΕΗ; 0,55 /kwh 0,49 /kwh 0,47 /kwh 0,25 /kwh 0,23 /kwh 0 /kwh (αυτόνομο) 0% 0% 0% 7% 27% 66% Γράφημα 9 - Το 67% πουλάει την ενέργεια του φωτοβολταϊκού συστήματος στη Δ.Ε.Η. με τιμή 0,55 /kwh και το 27% με 0,49 /kwh, ενώ κανένας δεν πουλάει την παραγόμενη ενέργεια με τιμή μικρότερη από 0,49 /kwh, το 7% επειδή έχει αυτόνομο σύστημα δεν πουλά την παραγόμενη ενέργεια 111

121 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο Στην ερώτηση 6, όλοι απάντησαν ότι δεν επιβαρύνονται με κάποιο κόστος συντήρησης του φωτοβολταϊκού συστήματος. Στην ερώτηση 7, όλοι δήλωσαν ότι είναι ικανοποιημένοι από την απόδοση της επένδυσης τους. 8) ΕΧΕΤΕ ΥΠΟΛΟΓΙΣΕΙ ΣΕ ΠΟΣΑ ΧΡΟΝΙΑ ΘΑ ΚΑΝΕΤΕ ΑΠΟΣΒΕΣΗ ΤΗΣ ΕΠΕΝΔΥΣΗ ΣΑΣ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ ΤΙΣ ΥΠΑΡΧΟΥΣΕΣ ΤΙΜΕΣ; ναι όχι 13% 87% Γράφημα 10 - Το 87% απάντησε ότι έχει υπολογίσει σε πόσα χρόνια θα κάνει απόσβεση της επένδυσης του, ενώ το 13% απάντησε πως δεν έχει υπολογίσει πότε θα κάνει απόσβεση 112

122 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 8β) ΕΤΗ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ ΤΗΣ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ: ΕΤΗ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ % 5% 10% 15% 20% 25% Γράφημα 11 - Έτη απόσβεσης της επένδυσης 9) ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΑΤΕ ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ (ΔΑΝΕΙΟ) ΓΙΑ ΝΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΗΣΕΤΕ ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ; ναι όχι 27% 73% Γράφημα 12 - Το 73% των ερωτηθέντων έχει χρησιμοποιήσει δάνειο για να εγκαταστήσει φωτοβολταϊκό σύστημα, ενώ το 27% δεν έχει κάνει χρήση δανείου 113

123 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 10) ΕΧΕΤΕ ΕΓΓΥΗΣΗ ΚΑΛΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΠΟΣΑ ΕΤΗ; ναι όχι 7% 93% Γράφημα 13 - Το 93% των ερωτηθέντων έχει εγγύηση καλής απόδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος, ενώ το 7% δήλωσε ότι δεν έχει 10β) ΕΤΗ ΕΓΓΥΗΣΗΣ ΚΑΛΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ: 15 έτη 20 έτη 25 έτη δγ/δα 21% 7% 29% 43% Γράφημα 14 - Το 43% των ερωτηθέντων δήλωσε ότι έχει εγγύηση 25 έτη, το 29% ότι έχει 20 έτη, το 7% ότι έχει 15 έτη, ενώ το 21% δεν γνώριζε πόσα χρόνια έχει εγγύηση 114

124 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 11) ΕΧΕΤΕ ΕΓΓΥΗΣΗ ΚΑΛΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ; ναι όχι 7% 93% Γράφημα 15 - Το 93% των ερωτηθέντων έχει εγγύηση καλής λειτουργίας του συστήματος, ενώ το 7% δεν έχει 11β) ΕΤΗ ΕΓΓΥΗΣΗΣ ΚΑΛΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ: 7 έτη 8 έτη 10 έτη δγ/δα 7% 14% 50% 29% Γράφημα 16 - Το 50% των ερωτηθέντων δε γνωρίζει πόσα χρόνια έχει εγγύηση καλής λειτουργίας, το 29% έχει 10 έτη, το 14% έχει 8 έτη, ενώ το 7% έχει 7 έτη 115

125 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 12) ΕΝΔΙΑΦΕΡΕΣΤΕ ΝΑ ΕΙΝΑΙ ΚΑΘΑΡΗ Η ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΩΝ ΠΑΝΕΛ ΓΙΑ ΝΑ ΜΗ ΜΕΙΩΘΕΙ Η ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ; ναι όχι 47% 53% Γράφημα 17 - Το 53% των ερωτηθέντων ενδιαφέρεται να είναι καθαρή η επιφάνεια των πάνελ, ενώ το 47% δεν ενδιαφέρεται 13) ΠΟΣΑ ΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙ Η ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ; λιγότερο από 1 έτος 1 έως 2 έτη 3 έτη 7% 40% 53% Γράφημα 18 - Το 53% των ερωτηθέντων απάντησε ότι το φωτοβολταϊκό του σύστημα λειτουργεί από 1 έώς 2 έτη, το 40% λιγότερο από 1 έτος και το 7% 3 έτη 116

126 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 14) ΣΑΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΙΖΕΙ Η ΑΣΤΑΘΕΙΑ ΣΤΗΝ ΤΙΜΗ ΤΗΣ ΚΙΛΟΒΑΤΩΡΑΣ; ναι όχι όχι (αυτόνομο) 6% 32% 62% Γράφημα 19 - Το 62% των ερωτηθέντων προβληματίζεται από την αστάθεια στην τιμή της κιλοβατώρας, το 32% δεν προβληματίζεται και το 6% δεν προβληματίζεται επειδή έχει αυτόνομο σύστημα και δεν πουλά την παραγόμενη ενέργεια 15) ΑΝΗΣΥΧΕΙΤΕ ΟΤΙ ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΘΑ ΥΠΑΡΞΕΙ ΦΟΡΟΛΟΓΙΑ ΣΤΑ ΕΣΟΔΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ; ναι όχι όχι (αυτόνομο) 7% 27% 66% Γράφημα 20 - Το 66% των ερωτηθέντων ανησυχεί ότι θα υπάρξει φορολογία στα έσοδα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, το 27% δεν ανησυχεί και το 7% δεν ανησυχεί, επειδή έχει αυτόνομο σύστημα 117

127 ΕΡΕΥΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο 16) ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΘΑ ΕΠΕΝΔΥΑΤΕ ΞΑΝΑ ΣΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ; ναι όχι 27% 73% Γράφημα 21 - Το 27% των ερωτηθέντων θα επένδυε στο μέλλον ξανά σε φωτοβολταϊκά, ενώ το 73% δεν θα επένδυε 17) ΘΕΩΡΕΙΤΑΙ ΟΤΙ ΣΥΜΜΕΤΕΧΕΤΕ ΣΤΗΝ ΠΡΑΣΙΝΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ; ναι όχι 20% 80% Γράφημα 22 - Το 80% των ερωτηθέντων θεωρεί ότι συμμετέχει στην πράσινη ανάπτυξη, ενώ το 20% θεωρεί ότι δεν συμμετέχει 118

128 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 7.1 ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΓΡΑΦΗΜΑΤΩΝ Σχολιάζοντας τα γραφήματα που δημιουργήθηκαν από τις απαντήσεις των ερωτήσεων για την απόδοση των φωτοβολταϊκών συστημάτων στο Νομό Θεσσαλονίκης παρατηρούμε τα παρακάτω. Το 93% των ερωτηθέντων έχουν εγκαταστήσει διασυνδεδεμένο σύστημα και το υπόλοιπο 7% έχει εγκαταστήσει αυτόνομο σύστημα και κανένας από τους ερωτηθέντες δεν έχει φωτοβολταϊκό σύστημα άλλου τύπου. Από την πλειοψηφία των εγκατεστημένων διασυνδεδεμένων συστημάτων μπορούμε να συμπεράνουμε ότι στο Νομό Θεσσαλονίκης, η εγκατάσταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος αντιμετωπίζεται ως μορφή επένδυσης από τους κατόχους τους. Αν δεν ήταν τόσο ισχυρός ο παράγοντας της επένδυσης, θα συναντούσαμε και φωτοβολταϊκά συστήματα άλλου τύπου, καθώς και περισσότερα αυτόνομα συστήματα. Το 39% των εγκατεστημένων φωτοβολταϊκών συστημάτων στο Νομό Θεσσαλονίκης παρουσιάζουν Νότιο προσανατολισμό που είναι και ο ιδανικότερος για μέγιστη απόδοση. Το 27% έχουν Νότιο-Ανατολικό προσανατολισμό, το 20% Δυτικό και το 7% Νότιο-Δυτικό. Ο προσανατολισμός καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη μορφή και το εμβαδόν της στέγης ή του δώματος. Η επιφάνεια της Νότιας πλευράς συνήθως δεν επαρκεί για την εγκατάσταση του φωτοβολταϊκού συστήματος ισχύος μέχρι 10 kw, οπότε αναγκαστικά τοποθετείται ένα μέρος των πάνελ με διαφορετικό προσανατολισμό με μικρότερο βαθμό απόδοσης. Στην ερώτηση για τη συνολική ετήσια παραγόμενη ενέργεια του συστήματός τους, το 27% απάντησε ότι είχε παραγόμενη ενέργεια από kwh έως και kwh, το 13% των ερωτηθέντων είχε από kwh έως και kwh και μικρότερη από kwh, το 7% είχε από kwh έως και kwh και το 40% δε γνώριζε την παραγόμενη ενέργεια. Οι απαντήσεις που έλαβα από όλους ανεξαιρέτως ήταν ότι όλη η παραγόμενη ενέργεια ανά έτος ανταποκρινότανε στη μελέτη της εταιρίας πώλησης - εγκατάστασης του φωτοβολταϊκού. 119

129 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο Το 87% των φωτοβολταϊκών συστημάτων της έρευνάς μου ήταν εγκατεστημένα σε στέγη και το 13% σε δώμα. Τα αποτελέσματα της ερώτησης ήταν αναμενόμενα, καθώς τα περισσότερα φωτοβολταϊκά συστήματα ήταν σε περιοχές που είναι αραιοκατοικημένες και έχουν μονοκατοικίες. Εντός της πόλης της Θεσσαλονίκης εντόπισα μόνο ένα, το οποίο ήταν στην Κρήνη (Καλαμαριά). Η στέγη έχει το μειονέκτημα ως χώρος εγκατάστασης φωτοβολταϊκού, ότι οι βάσεις που τοποθετούνται σε στέγη ακολουθούν αναγκαστικά την κλίση της στέγης με συνέπεια και τα φωτοβολταϊκά πάνελ που εγκαθίστανται να ακολουθούν και αυτά την κλίση της, η οποία είναι μικρότερη από 25 ο που είναι η βέλτιστη απόδοση. Μπορούμε λοιπόν να συμπεράνουμε ότι το 87% δεν έχει τη βέλτιστη απόδοση, ενώ το υπόλοιπο 13%, που είναι σε δώμα, μας επιτρέπει τη ρύθμιση της γωνίας κλίσης. Από την έρευνά μου διαπιστώθηκε ότι η πλειοψηφία των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι άνω των 5 kw με μοναδική εξαίρεση ένα διασυνδεδεμένο ισχύος 5 kw και ένα αυτόνομο ισχύος 3,5 kw. Στην Α Ομάδα (σχετικά με τα κριτήρια επιλογής φωτοβολταϊκού συστήματος), στην ερώτηση, για ποιους λόγους τοποθέτησαν φωτοβολταϊκό σύστημα, η συντριπτική πλειοψηφία σε ποσοστό 80% απάντησε ότι το τοποθέτησε για οικονομικούς και οικολογικούς λόγους, το 13% μόνο για οικονομικούς λόγους και το 7% που ήταν τα αυτόνομα για ανεξαρτησία από τη Δ.Ε.Η. Δηλαδή αν δεν υπήρχε οικονομικό όφελος από την πώληση της παραγόμενης ενέργειας στη Δ.Ε.Η., το 80% δε θα τοποθετούσε φωτοβολταϊκό σύστημα. Παρατηρούμε ότι μόνο για οικολογικούς λόγους δεν απάντησε θετικά κανένας (0%), άρα επιβεβαιώνεται αυτό που αναφέραμε παραπάνω ότι ο παράγοντας που επηρεάζει για την τοποθέτηση φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι ο οικονομικός και είναι λογικό, αν σκεφτούμε ότι μέχρι και πριν από ένα έτος αποτελούσε καλύτερη επένδυση συγκριτικά με το να έχεις το κεφάλαιο σου σε τράπεζα, η οποία έδινε χαμηλότερο επιτόκιο άρα και μικρότερο ετήσιο όφελος. Στην ερώτηση 2, για το τι τύπου πάνελ έχετε εγκαταστήσει ένα πολύ μεγάλο ποσοστό 60% δεν γνώριζε, το 33% είχε πολυκρυσταλλικά, το 7% μονοκρυσταλλικά και κανένας δεν είχε άμορφου πυριτίου και άλλων υλικών. Στην ερώτηση 3, σχετικά για το πώς επιλέξανε τον τύπο των πάνελ όλοι (100%) απάντησαν ότι συμβουλεύτηκαν τεχνικό εταιρίας φωτοβολταϊκών. Αν συνδυάσουμε τα αποτελέσματα των ερωτήσεων καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχει επαρκής ενημέρωση των εταιριών προς τον ενδιαφερόμενο για το τι τύπου πάνελ θα εγκαταστήσει και κατ επέκταση ούτε επαρκής ανάλυση για τα 120

130 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο πλεονεκτήματά τους ή τα μειονεκτήματά τους. Άλλωστε, οι ίδιες οι εταιρίες πώλησης φωτοβολταϊκών συστημάτων επικεντρώνονται κυρίως στο θέμα της επένδυσης και στο όφελός της. Στη Β Ομάδα των ερωτήσεων (σχετικά με τα οικονομικά στοιχεία της επένδυσης), στην 4η ερώτηση σχετικά με το συνολικό κόστος της επένδυσης, το 7% απάντησε ότι επένδυσε περισσότερο από 40000, το 40% επένδυσε έως 40000,το 39% έως 30000, το 7% έως και λιγότερο από το 7% και κανένας δεν έχει επενδύσει μεταξύ και Αξίζει να σημειωθεί, ότι οι τιμές των φωτοβολταϊκών πάνελ και του υπόλοιπου φωτοβολταϊκού εξοπλισμού στην Ελλάδα είναι άμεσα εξαρτόμενες από την τιμή πώλησης της κιλοβατώρας στη Δ.Ε.Η., δηλαδή όταν μειώνεται η τιμή της κιλοβατώρας ταυτόχρονα μειώνεται και η τιμή εγκατάστασης του φωτοβολταϊκού συστήματος. Η σύνδεση της τιμής πώλησης και της τιμής αγοράς αποδεικνύεται ιδιαιτέρως αποθαρρυντική για κάποιον που θέλει να τοποθετήσει ένα αυτόνομο σύστημα, επειδή τον αναγκάζει να αγοράσει ακριβά τα πάνελ και τον υπόλοιπο εξοπλισμό και να κάνει πιο μακρόχρονη την απόσβεση της επένδυσής του, καθώς δεν πουλάει την ενέργεια που παράγει στη Δ.Ε.Η. Επειδή η έρευνά μου έγινε το Φεβρουάριο και το Μάρτιο του 2013 δεν είχα δείγμα το οποίο υπέγραψε σύμβαση συμψηφισμού με 0,23 /kwh για αυτό και έχουμε μεγάλα ποσοστά με συνολικό κόστος και έως Στις ερωτήσεις για το αν επιβαρύνονται με κάποιο κόστος καλής λειτουργίας και συντήρησης, όλοι οι ερωτηθέντες απάντησαν ότι δεν επιβαρύνονται. Επίσης και στην ερώτηση για το αν είναι ευχαριστημένοι από την απόδοση της επένδυσής τους, όλοι δήλωσαν ικανοποιημένοι. Δεν μπορούμε να έχουμε σαφή εικόνα για το κόστος συντήρησης, επειδή όλα τα φωτοβολταϊκά συστήματα στην Ελλάδα είναι λίγων ετών και ακόμη ισχύουν οι εγγυήσεις των εταιριών με αποτέλεσμα σε περίπτωση βλάβης να μην επιβαρύνεται ο κάτοχος. Το 87% των ερωτηθέντων έχει υπολογίσει σε πόσα χρόνια θα κάνει απόσβεση την επένδυση του και μόνο το 13% δεν έχει υπολογίσει. Επίσης, στο γράφημα 9 φαίνονται τα έτη απόσβεσης της επένδυσης. Το 73% έχει κάνει χρήση δανείου για να εγκαταστήσει φωτοβολταϊκό σύστημα, ενώ το 27% δεν έχει κάνει χρήση κάποιου δανείου. 121

131 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο Στη Γ Ομάδα, στην ερώτηση για το αν έχουν εγγύηση καλής απόδοσης του φωτοβολταϊκού τους συστήματος, το 93% απάντησε πως έχει και το 7% απάντησε ότι δεν έχει και στην ερώτηση για τα πόσα χρόνια το 43% των ερωτηθέντων δήλωσε ότι έχει εγγύηση 25 έτη, το 29% ότι έχει 20 έτη, το 7% ότι έχει 15 έτη ενώ το 21% δεν γνώριζε πόσα χρόνια έχει εγγύηση. Στην ερώτηση για την εγγύηση καλής λειτουργίας έχουμε το ίδιο ποσοστό δηλαδή το 93% έχει και μόνο το 7% δεν έχει. Στα έτη εγγύησης το 50% των ερωτηθέντων δε γνωρίζει πόσα χρόνια έχει εγγύηση καλής λειτουργίας, το 29% έχει 10 έτη, το 14% έχει 8 έτη, ενώ το 7% έχει 7 έτη. Συμπεραίνουμε ότι έχουν δώσει μεγαλύτερη βαρύτητα στην εγγύηση καλής απόδοσης που τους διασφαλίζει τις κιλοβατώρες που θα παράγει το σύστημα τους ετησίως και δεν ενδιαφέρονται για την εγγύηση καλής λειτουργίας που είναι εξίσου σημαντική, διότι αν το φωτοβολταϊκό σύστημα είναι εγκατεστημένο λάθος, δε θα αποδίδει τη μέγιστη ισχύ που είναι σημαντικός παράγοντας. Διαπιστώνουμε ότι όλη η ενημέρωση της εταιρίας προς τον πελάτη είναι μόνο για την οικονομική απόδοση του φωτοβολταϊκού. Στην ερώτηση για το αν ενδιαφέρονται να είναι καθαρή η επιφάνεια των πάνελ, μόνο το 53% δείχνει ενδιαφέρον να είναι καθαρή η επιφάνεια των πάνελ για να μην μειωθεί η απόδοση του συστήματος, ενώ το 47% δεν ενδιαφέρεται. Αυτό σημαίνει ότι το 47% με την πάροδο του χρόνου και την επικάθηση διαφόρων ρύπων στην επιφάνεια του πάνελ, θα έχει μείωση στην απόδοση του, άρα και της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας. Όλα τα φωτοβολταϊκά συστήματα της έρευνάς μας λειτουργούν λίγα έτη, το 53% των ερωτηθέντων απάντησε ότι το φωτοβολταϊκό του σύστημα λειτουργεί από 1 έως 2 έτη, το 40% λιγότερο από 1 έτος και το 7% 3 έτη για αυτό και έχουμε υψηλό κόστος εγκατάστασης και για αυτό το λόγο έχουμε τιμές πώλησης της κιλοβατώρας 0,55 /kwh και 0,49 /kwh. Το 62% των ερωτηθέντων είναι προβληματισμένο για την αστάθεια στην τιμή της κιλοβατώρας, το 32% δεν είναι και το 6% δεν είναι επειδή δεν πουλά την ενέργεια στη Δ.Ε.Η. Το 62% είναι αρκετά μεγάλο ποσοστό, το οποίο αν και έχει υπογράψει συμβάσεις συμψηφισμού που ισχύουν για 25 έτη, δεν αισθάνεται σίγουρο ότι δεν μπορεί να αλλάξει η τιμή της κιλοβατώρας. Η αβεβαιότητα οφείλεται στη συνεχή μείωση στην τιμή πώλησης της κιλοβατώρας. Τα ίδια είναι περίπου και τα αποτελέσματα στην ερώτηση, αν ανησυχούν ότι στο μέλλον θα φορολογηθούν τα έσοδα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, το 66% απάντησε ότι ανησυχεί, το 27% ότι δεν ανησυχεί και το 7% δεν ανησυχεί επειδή έχει αυτόνομο σύστημα, 122

132 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο (το 66% επηρεάστηκε αρκετά από την φορολογία των φωτοβολταϊκών πάρκων από την 1/1/2013). Τα προηγούμενα αποτελέσματα διαμόρφωσαν και τα τελικά ποσοστά στην ερώτηση για το αν θα επενδύανε μελλοντικά πάλι σε φωτοβολταϊκά. Το 73% δε θα επένδυε και το 27% θα επένδυε. Το αρνητικό ποσοστό οφείλεται στη μεγάλη πτώση πώλησης της κιλοβατώρας και στην αβεβαιότητα, όπως είδαμε παραπάνω, για τη φορολογία των εσόδων από τα φωτοβολταϊκά. Όσο μεγαλώνει η αβεβαιότητα με ταυτόχρονη μείωση στην τιμή της κιλοβατώρας, η οποία είναι ήδη αρκετά χαμηλή, συγκριτικά με το 2009 (0,55 /kwh) που ξεκινούσε το πρόγραμμα, το ποσοστό του 73% θα αυξάνεται συνεχώς και ταυτόχρονα οι επενδύσεις για νέα φωτοβολταϊκά όλο και θα λιγοστεύουν. Η τελευταία ερώτηση του ερωτηματολογίου αφορά την πράσινη ανάπτυξη και κατά πόσο θεωρούν ότι συμμετέχουν οι ήδη κάτοχοι φωτοβολταϊκών συστημάτων. Το 80% θεωρεί ότι συμμετέχει, ενώ το 20% ότι δε συμμετέχει. To 20% που απάντησε ότι δε συμμετέχει, θεωρεί το φωτοβολταϊκό του σύστημα πολύ μικρή «ποσότητα» για να συμβάλλει καθοριστικά στην πράσινη ανάπτυξη. 7.2 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ Από την έρευνα που έκανα για την πτυχιακή μου εργασία διαπιστώνω ότι για να έχουμε ανάπτυξη στις Α.Π.Ε. θα πρέπει να υπάρχει συγχρόνως και το οικονομικό όφελος, δηλαδή είμαστε οικολόγοι, αλλά πρώτα θέλουμε το κέρδος. Το οικονομικό όφελος στα φωτοβολταϊκά εξαρτάται από την τιμή πώλησης της κιλοβατώρας στη Δ.Ε.Η. και αποτελεί το κίνητρο για νέες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις. Η υψηλή τιμή της κιλοβατώρας είχε ως αποτέλεσμα τη μεγάλη ανταπόκριση των ενδιαφερόμενων και τη μαζική εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την επιβάρυνση της Δ.Ε.Η. από το κόστος των επιδοτήσεων για τους κατόχους φωτοβολταϊκών συστημάτων, που οδήγησε στην επιβάρυνση των καταναλωτών ηλεκτρικού ρεύματος. Από τη 1/1/2012 μέχρι και το 2019 που θα ίσχυε το πρόγραμμα είχε προβλεφθεί να υπάρχει μείωση κατά 5% στην τιμή της κιλοβατώρας ετησίως, αλλά το Υ.ΠΕ.ΚΑ. με απόφαση του μείωσε την τιμή της κιλοβατώρας σε 0,23 /kwh. Συνεπώς, μελλοντικά θα έχουμε μεγάλη πτώση της επένδυσης για νέες εγκαταστάσεις σε φωτοβολταϊκά συστήματα, 123

133 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο καθώς από ότι συμπεραίνω από την έρευνά μου, όλοι τα εγκατέστησαν με γνώμονα το κέρδος και από τη στιγμή που το κέρδος μειώνεται, θα μειώνεται ταυτόχρονα και η ζήτηση για επένδυση σε φωτοβολταϊκά. Επίσης, η μείωση της τιμής της κιλοβατώρας αυξάνει την περίοδο απόσβεσης του κεφαλαίου της επένδυσης και την κάνει πιο ασταθή (με μεγαλύτερο ρίσκο). Η λύση είναι η «στροφή» των ενδιαφερόμενων σε άλλης μορφής φωτοβολταϊκά συστήματα, τα οποία θα τους αποδίδουν οικονομικά οφέλη και δε θα εξαρτώνται από τη Δ.Ε.Η. Θα μπορούσαν όλοι οι κάτοχοι διασυνδεδεμένων φωτοβολταϊκών συστημάτων να εγκαταστήσουν ηλεκτρικούς συσσωρευτές και να αποθηκεύουν ένα μέρος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας για ίδια κατανάλωση και το υπόλοιπο να το πουλάνε στη Δ.Ε.Η. και να έχουν πάλι οικονομικό όφελος, το οποίο αν και μειωμένο θα αντισταθμίζεται από τους μειωμένους λογαριασμούς της Δ.Ε.Η. Επίσης, θα πρέπει να επανεξετάσουμε την εγκατάσταση αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων σε περιοχές που είναι απομακρυσμένες από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και σε κατοικίες οι οποίες μπορεί να είναι κοντά στο δίκτυο της Δ.Ε.Η., αλλά κατοικούνται μόνο συγκεκριμένους μήνες του χρόνου (π.χ. εξοχικές κατοικίες). Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορεί να έχουν υψηλό κόστος εγκατάστασης λόγω των συσσωρευτών, αλλά στο μέλλον υπάρχει η πρόβλεψη ότι λόγω της συνεχούς ανάπτυξης της τεχνολογίας στο χώρο των ηλεκτρικών συσσωρευτών θα υπάρξουν πιο φθηνοί που θα έχουν και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Θα πρέπει να αποσυνδεθεί η τιμή πώλησης των πάνελ και του φωτοβολταϊκού εξοπλισμού με την τιμή πώλησης της κιλοβατώρας. Αν μειωθεί σημαντικά το κόστος εγκατάστασης, μπορεί να υπάρξει ενδιαφέρον έστω και με μειωμένη τιμή κιλοβατώρας. Από όλα τα παραπάνω, συμπεραίνουμε ότι δεν αρκεί να υπάρξει αλλαγή μόνο της οικονομικής πολιτικής για την επένδυση σε φωτοβολταϊκά συστήματα, αλλά και αλλαγή του τρόπου σκέψης των υποψήφιων επενδυτών φωτοβολταϊκών συστημάτων. Δηλαδή να συνειδητοποιήσουν οι ήδη κάτοχοι, αλλά και οι μελλοντικοί ενδιαφερόμενοι ότι τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να μας αποφέρουν και άλλες μορφές οφελών (όπως η μερική ή η ολική απεξάρτηση από τη Δ.Ε.Η.) και όχι μόνο καθαρά οικονομικά οφέλη μέσω της Δ.Ε.Η. 124

134 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Πέρδιος, Σ. (2011). Φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις. Εκδόσεις Τεκδοτική. Φραγκιαδάκης, Ι. (2007). Φωτοβολταϊκά συστήματα. Εκδόσεις Ζήτη ΣΕΛΙΔΕΣ ΣΤΟ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ Εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων σε στέγη-δώμα CE%B1%CF%83%CF%84%CE%B1%CF%83%CE%B7- %CF%86%CF%89%CF%84%CE%BF%CE%B2%CE%BF%CE%BB%CF%84%CE %B1%CE%B9%CE%BA%CF%89%CE%BD.html ΠΗΓΕΣ ΣΤΟ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ ABB b0f0039e294/$file/Price%20List%202013_ pdf Υλικά Φωτοβολταϊκών Συστημάτων, Ιανουάριος 2013 Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας «Οδηγός για την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων σε κτηριακές εγκαταστάσεις» (Αύγουστος 2009) Σύνδεσμος Εταιριών Φωτοβολταϊκών «Ηλιακές Στέγες Εγκατάσταση φωτοβολταϊκών στον οικιακό κτιριακό τομέα» (Σεπτέμβριος 2010) Σύνδεσμος Εταιριών Φωτοβολταϊκών 125

135 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ «Ένας πρακτικός τεχνικός οδηγός» (Ιανουάριος 2011) ΤΕΕ Δυτικής Ελλάδας «Σεμινάριο για μηχανικόυς: Φωτοβολταϊκά συστήματα 1) Διασυνδεδεμένα με το δίκτυο 2) Αυτόνομα Εισηγητής Λαζάρου Στάυρος» (Φεβρουάριος 2009) Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδος IAS/fwtovoltaika_ergwn.pdf «Οδηγός μελέτης και υλοποίησης φωτοβολταϊκών έργων» (Απρίλιος 2011) ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΕΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο «Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και μηχανικών υπολογιστών» «Τομέας Συστημάτων Μετάδοσης πληροφορίας και Τεχνολογίας Υλικών» Διπλωματική Εργασία «Φωτοβολταϊκές Εγκαταστάσεις σε Κτίρια» (Κωνσταντίνα Α. Μπαμπαλή) (Επιβλέπων Καθηγητής : Κωνσταντίνος Δέρβος) Αθήνα Ιούνιος 2011 Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Πολυτεχνική Σχολή «Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκισης» Διπλωματική Εργασία «Προσομοίωση λειτουργίας φωτοβολταϊκού πλαισίου και έλεγχος απόδοσης του» (Μπινώλη Μαρία) (Επιβλέπων Καθηγητής: Παντελής Ν. Μπότσαρης) Ξάνθη Οκτώβριος Πολυτεχνική σχολή Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης «Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών» AF%CE%B1%CF%83%CE%B7_%CE%B1%CF%85%CF%84%CF%8C%CE%BD 126

136 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ %CE%BF%CE%BC%CE%BF%CF%85_%CF%85%CE%B2%CF%81%CE%B9%C E%B4%CE%B9%CE%BA%CE%BF%CF%8D_%CF%86%CF%89%CF%84%CE% BF%CE%B2%CE%BF%CE%BB%CF%84%CE%B1%CF%8A%CE%BA%CE%BF %CF%8D_%CF%83%CF%85%CF%83%CF%84%CE%AE%CE%BC%CE%B1%C F%84%CE%BF%CF%82_%CE%B3%CE%B9%CE%B1_%CF%84%CF%81%CE% BF%CF%86%CE%BF%CE%B4%CF%8C%CF%84%CE%B7%CF%83%CE%B7_ %CE%BA%CE%B1%CF%84%CE%BF%CE%B9%CE%BA%CE%AF%CE%B1% CF%82.pdf Διπλωματική εργασία «Σχεδίαση αυτόνομου υβριδικού φωτοβολταϊκού συστήματος για τροφοδότηση κατοικίας»( Παγγέλα Άννα, Τσακνάκη Σεβαστή) (Επιβλέπων Καθηγητής: Δημουλιάς Χαράλαμπος) Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2012 ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΕΣ ΠΗΓΕΣ ΣΤΟ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ Handbook for Solar photovoltaic (pv) systems Photovoltaics in buildings Guide to the installation of PV systems 2 nd edition 2nd_Edition.pdf Substainable Energy Science and Engineering Center «Photovoltaic Effect: An Introduction to Solar Cells Solar Electric Systems University of Delaware, ECE Spring 2009 S. Bremner The physics of solar cells

137 ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΕΡΕΥΝΑ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Ν. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ ΠΕΡΙΟΧΗ: ΤΥΠΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ: α) Διασυνδεδεμένο β) Αυτόνομο γ)άλλος ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ: ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΧΩΡΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ: ΙΣΧΥΣ: Α ΟΜΑΔΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 1) Για ποιους λόγους τοποθετήσατε φωτοβολταϊκό σύστημα; α) Για οικονομικούς λόγους β) Για οικολογικούς λόγους γ) Για οικονομικούς και οικολογικούς λόγους δ) Για ανεξαρτησία από τη ΔΕΗ 128

138 ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2) Τι τύπου πάνελ έχετε εγκαταστήσει; α) Μονοκρυσταλλικά β) Πολυκρυσταλλικά γ) Άμορφου πυριτίου δ) Άλλων υλικών 3) Πως επιλέξατε τον τύπο των πάνελ; α) Από προσωπική έρευνα β) Από τεχνικό σύμβουλο εταιρίας φωτοβολταϊκών γ) Από άλλες πηγές Β ΟΜΑΔΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ 4) Ποια η συνολική δαπάνη της επένδυσης (μελέτη-αγορά-εγκατάσταση-έκδοση αδειών); α) Λιγότερο από β) έως γ) έως δ) έως ε) έως ζ) και άνω 5) Ποια είναι η τιμή πώλησης της παραγόμενης ενέργειας στη ΔΕΗ; /kwh 129

139 ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 6) Επιβαρύνεστε με ετήσιο κόστος συντήρησης και καλής λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πάνελ για καλή απόδοση; α) ΝΑΙ κόστος β) ΟΧΙ 7) Είστε ικανοποιημένοι από την απόδοση της επένδυσής σας; α) ΝΑΙ β) ΟΧΙ 8)Έχετε υπολογίσει σε πόσα έτη θα κάνετε απόσβεση της επένδυσής σας σύμφωνα με τις υπάρχουσες τιμές; α) ΝΑΙ έτη β) ΟΧΙ 9) Χρησιμοποιήσατε χρηματοδότηση (δάνειο) για να εγκαταστήσετε τα φωτοβολταϊκά συστήματα; α) ΝΑΙ β) ΟΧΙ Γ ΟΜΑΔΑ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΕΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 10) Έχετε εγγύηση καλής απόδοσης του συστήματος και πόσα έτη; α) ΝΑΙ έτη. β) ΟΧΙ 130

140 ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 11) Έχετε εγγύηση καλής λειτουργίας του συστήματος; α) ΝΑΙ έτη. β) ΟΧΙ 12) Ενδιαφέρεστε να είναι καθαρή η επιφάνεια των πάνελ για να μη μειωθεί η απόδοση του συστήματος; α) ΝΑΙ β) ΟΧΙ 13) Πόσα έτη λειτουργεί η εγκατάσταση; ΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 14) Σας προβληματίζει η αστάθεια στην τιμή της κιλοβατώρας; α) ΝΑΙ β) ΟΧΙ 15) Ανησυχείτε ότι στο μέλλον θα υπάρξει φορολογία στα έσοδα των φωτοβολταϊκών συστημάτων; α) ΝΑΙ β) ΟΧΙ 16) Στο μέλλον θα επενδύατε ξανά στα φωτοβολταϊκά; α) ΝΑΙ β) ΟΧΙ 131

141 ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 17) Θεωρείτε ότι συμμετέχετε στην Πράσινη Ανάπτυξη; α) ΝΑΙ β) ΟΧΙ 132

142 ΧΑΡΤΗΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ