ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΤΙΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΘΕΜΕΛΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Ι. ΤΡΥΠΑΝΑΓΝΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΠΑΤΡΑ 2008

2 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παγκόσμιο ενεργειακό πρόβλημα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ηλιακή Ενέργεια Φωτοβολταικά ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ PV KAI PV/T Σύντομη θεωρία των PV PV/T Συλλέκτες (Photovoltaic Thermal Collectors) Σύντομη αναδρομή στις εργασίες για τα PV/T Η ερευνητική προσπάθεια του Εργαστηρίου Ηλιακής Ενέργειας PV/T στο εμπόριο PV/T σε κτίρια ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ PV/T ΤΥΠΟΥ ΑΕΡΑ 3.1. Εξισώσεις θερμικού ισοζυγίου Απλό σύστημα αναφοράς Σύστημα λεπτού μεταλλικού φύλλου (TMS) Σύστημα πτερυγίων βάσης (FIN) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Παραγωγή θερμικής ενέργειας Πτώση πίεσης ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Κατασκευή προσομοιωτικών διατάξεων Πειραματική διαδικασία και διαγράμματα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΣΧΟΛΙΚΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ Προσέγγιση μιας εγκατάστασης σε σχολικό κτίριο..86 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 91 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 95

3 2

4 3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα εργασία αποτελεί την ολοκλήρωση της φοίτησης μου στο Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών στις Περιβαλλοντικές Επιστήμες της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστήμιου Πάτρας. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας του Τμήματος Φυσικής με επιβλέποντα Καθηγητή τον κ. Τρυπαναγνωστόπουλο και αποτελεί μέρος μιας συνολικής ερευνητικής προσπάθειας του εργαστηρίου με αντικείμενο την ανάπτυξη και βελτίωση των δυνατοτήτων των υβριδικών φωτοβολταικών τύπου PV/T. Η ιδέα ανήκει στον Καθηγητή κ. Τρυπαναγνωστόπουλο και συνίσταται στην διερεύνηση της δυνατότητας που προσφέρεται για εγκατάσταση φωτοβολταικών μονάδων σε κτίρια με έμφαση στα σχολικά. Οι στέγες των σχολικών κτιρίων προσφέρουν επιφάνειες που συγκεντρώνουν μια σειρά πλεονεκτήματα για μια τέτοια προοπτική αφού κατά το πλείστον έχουν καλούς προς Νότο προσανατολισμούς, είναι αρκετά μεγάλες, είναι δημόσιες και η πιθανή εγκατάσταση φωτοβολταικών συλλεκτών σ αυτές προκαλεί σχετικά μικρότερη αισθητική επιβάρυνση στον περιβάλλοντα χώρο. Για την διερεύνηση των προβλημάτων που ανακύπτουν σε μια τέτοια εγκατάσταση κυρίως ως προς την αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας των συλλεκτών και τη μείωση της απόδοσης τους, έγινε προσπάθεια στα πλαίσια της εργασίας αυτής αφ ενός να αξιοποιηθούν τα συμπεράσματα από τις προηγούμενες ερευνητικές προσπάθειες που έχουν διεξαχθεί στο Εργαστήριο, αφ ετέρου να γίνουν πειράματα πάνω σε μια νέα πειραματική κατασκευή. Οι πειραματικές μετρήσεις των παραμέτρων της κατασκευής αυτής θα αποτελέσουν ένα πρώτο βήμα για την συγκρότηση μια προσεγγιστικής εικόνας της ηλεκτρικής και θερμικής συμπεριφοράς μιας πιθανής φωτοβολταικής εγκατάστασης σε κεραμοσκεπή και θα εξετασθούν οι δυνατότητες βελτίωσης της με δημιουργία αεραγωγού κάτω από αυτήν που ενδεχομένως να ενισχύεται με την προσθήκη ενδιάμεσου λεπτού μεταλλικού φύλλου, η σειράς πτερυγίων στην βάση του. Επόμενα φυσικά βήματα θα είναι η διεξαγωγή πειραμάτων πάνω στην ίδια την κεραμοσκεπή του κτιρίου ενός πιλοτικού σχολείου και σε επόμενο στάδιο σε πιλοτικά σχολεία σε διάφορα σημεία της χώρας με διαφορετικές κλιματολογικές συνθήκες. Στην παρούσα εργασία αρχικά γίνεται μια εισαγωγή που αφορά την σημασία που έχει στις μέρες μας η ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την αντιμετώπιση των σύγχρονων ενεργειακών και περιβαλλοντικών προβλημάτων για να καταλήξει στις δυνατότητες που προσφέρει ειδικά η ηλιακή ενέργεια. Στην επόμενη ενότητα γίνεται μια σύντομη παρουσίαση της θεωρίας και τεχνολογίας των φωτοβολταικών που καταλήγει στην εξάρτηση του συντελεστή απόδοσης τους από την θερμοκρασία λειτουργίας τους. Παρουσιάζεται η ιδέα της ανάπτυξης των υβριδικών PV/T τύπου αέρα και τύπου νερού σαν προσπάθεια βελτίωσης της ηλεκτρικής τους απόδοσης και

5 4 ταυτόχρονα αποκόμισης κάποιου θερμικού κέρδους από τον φωτοβολταικό συλλέκτη. Ταυτόχρονα επισημαίνεται η δυνατότητα τους να προσφέρουν κάποιες αξιοσημείωτες λύσεις σε προβλήματα που θα ανέκυπταν σε πιθανή εγκατάσταση φωτοβολταικών συλλεκτών σε στέγες σχολικών κτιρίων. Η ενότητα αυτή κλείνει με μια σύντομη παρουσίαση των ερευνών που έχουν δημοσιευτεί σε παγκόσμιο επίπεδο για τα υβριδικά PV/T, καθώς και των δημοσιεύσεων που έχουν γίνει από το Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας του Φυσικού Τμήματος του Πανεπιστήμιου Πάτρας στον τομέα αυτό. Η επόμενη ενότητα ασχολείται με μια θεωρητική μελέτη με την μορφή διατύπωσης εξισώσεων της θερμικής συμπεριφοράς του φωτοβολταικού συλλέκτη στην περίπτωση που συνοδεύεται από αεραγωγό στην πίσω μη φωτιζόμενη πλευρά του, στον οποίο υπάρχει φυσική ροή ρευστού-αέρα. Εξετάζεται η συμβολή των μηχανισμών ανταλλαγής θερμότητας με μεταφορά, με αγωγή και με ακτινοβολία, μεταξύ επιφάνειας του συλλέκτη, ρευστού στον αεραγωγό, μονωτικού τοίχου και περιβάλλοντος. Τέλος γίνεται μια προσπάθεια μελέτης της συμβολής στις ανταλλαγές θερμότητας, πιθανής προσθήκης είτε ενός ενδιάμεσου μεταλλικού φύλλου είτε επιμηκών πτερυγίων στην βάση του αεραγωγού. Η τελευταία ενότητα αρχίζει με την παρουσίαση των κατασκευαστικών χαρακτηριστικών της προσομοιοτικής πειραματικής διάταξης πάνω στην οποία διεξήχθησαν όλες οι μετρήσεις και των οργάνων που χρησιμοποιήθηκαν για την πραγματοποίηση τους. Στη συνέχεια δίνονται εξηγήσεις για τον τρόπο και τις συνθήκες υπό τις οποίες ελήφθησαν οι μετρήσεις και παρουσιάζονται σε διαγράμματα τα αποτελέσματα τους σε κάθε κατάσταση αλλά και συγκριτικά μεταξύ των καταστάσεων (απλή κατάσταση, προσθήκη ενδιάμεσου μεταλλικού φύλλου, και πτερυγίων βάσης). Η ενότητα ολοκληρώνεται με την εξαγωγή των συμπερασμάτων που προκύπτουν ως προς την συμπεριφορά της προσομοιοτικής πειραματικής κατασκευής σε κάθε κατάσταση και συγκριτικά μεταξύ τους αλλά και συγκριτικά με την προηγούμενη προσομοιωτική κατασκευή μονού συλλέκτη. Τέλος γίνεται και μια αρχική πρώιμη ίσως προσπάθεια να προβλεφθεί η βελτίωση που θα επέφερε η προσθήκη πτερυγίων βάσης σε πιθανή πραγματική φωτοβολταική εγκατάσταση σε κεραμοσκεπή σχολικού κτιρίου. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής έγινε παρουσίαση στο συνέδριο Energy Performance and Environmental Quality of Buildings (E.P.E.Q.U.B) με τίτλο «The potential of effective PV application to schools in Greece» και συντάχθηκε η αντίστοιχη δημοσίευση (Y. Tripanagnostopoulos P. Themelis, 2007). Έχει επίσης πραγματοποιηθεί εργασία με τίτλο «Natural flow Building integrated air-cooled photovoltaics» (Y. Tripanagnostopoulos, P. Themelis, J.K. Tonui) η οποία έχει γίνει δεκτή και θα παρουσιαστεί στο 23 rd EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE (September 2008, Valencia, Spain).

6 5 Στο σημείο αυτό πρέπει να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που με έχουν βοηθήσει και συνεχίζουν να με βοηθούν στην προσπάθεια μου. Τον επιβλέποντα Καθηγητή μου κ. Τρυπαναγνωστόπουλο όχι μόνο για το γεγονός ότι μου εμπιστεύτηκε την εργασία αυτή και με καθοδήγησε με την επιστημονική του πείρα αλλά και για την τιμή που μου έκανε να έχει μια γενικότερη επικοινωνία μαζί μου σε ευρύτερο πεδίο. Τον Καθηγητή κ. Γιαννούλη ο οποίος σε όλη την διάρκεια της εξέλιξης των πειραμάτων πάντα με ενδιαφέρον ρωτούσε για τα προβλήματα που ανέκυπταν και παρείχε πολύτιμες επιστημονικές συμβουλές. Τον Ερευνητή του Εργαστηρίου ρ. Μανώλη Σουλιώτη για μια σειρά από επιστημονικές συμβουλές που μου παρείχε με την εμπειρία του. Τους συμφοιτητές μου στο Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Σ. Ανδριοπούλου, Α. Ηλιοπούλου, Θ. Μακρή, Π. Γεωργοστάθη και Μ. Σαρρή για την πολύτιμη βοήθεια τους στην επίλυση μιας σειράς μικρών και μεγάλων προβλημάτων που προέκυψαν στην πορεία.

7 6

8 7 2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Παγκόσμιο ενεργειακό πρόβλημα. Υπάρχει σήμερα ένας μεγάλος αριθμός στατιστικών στοιχείων και πινάκων που δείχνουν τη ραγδαία αύξηση της καταναλισκόμενης ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο από το 1850 μέχρι τις μέρες μας, ιδίως στις αναπτυγμένες οικονομικά χώρες. Επιβεβαιώνουν ότι η οικονομική ανάπτυξη είναι στενά συνυφασμένη με τα επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας και αυτό μπορεί να διαπιστωθεί τόσο σε τοπική όσο και σε διεθνή κλίμακα. Περισσότερο εξειδικευμένα και αναλυτικά στοιχεία μας έχουν δείξει ότι η επιταχυνόμενη αύξηση των ενεργειακών αναγκών καλύφθηκε μέχρι σήμερα στο συντριπτικό της ποσοστό, με ενέργεια προερχόμενη από ορυκτά καύσιμα. Η ραγδαία αύξηση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων κατά κύριο λόγο, ενοχοποιείται σήμερα από την επιστημονική κοινότητα για την εμφάνιση και εξέλιξη σε ανησυχητική για την ανθρωπότητα κλίμακα, του φαινομένου του θερμοκηπίου. Στη διάθεση της επιστήμης υπάρχουν σήμερα αναλυτικοί πίνακες και διαγράμματα που δείχνουν όχι μόνο τις κατακόρυφες αυξήσεις στις συγκεντρώσεις των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα (CO 2, CH 4, N 2 O, και τροποσφαιρικό Όζον) αλλά ταυτόχρονα και την προέλευση τους από την χρήση ενέργειας ορυκτών καυσίμων στο συντριπτικό ποσοστό τους. Οι συγκεντρώσεις των αερίων θερμοκηπίου κατέγραψαν μέσα στη δεκαετία του 1990 αυξήσεις κατακόρυφες έτσι ώστε το κλίμα στη δεκαετία αυτή να γίνει το θερμότερο από το 1861, και το 1998 να είναι πιθανόν το θερμότερο έτος. Η μέση ετήσια επιφανειακή θερμοκρασία της γης αυξήθηκε κατά την διάρκεια του 20 ο αιώνα περίπου κατά 0.6 ± 0.2 ο C και προβλέπεται μια νέα αύξηση για τον 21 ο αιώνα που θα κυμανθεί σε τιμές ο C (Intergovernmental Panel for Climate Change, 2008), γεγονός που θα έχει συνέπειες τόσο οικολογικές όσο και κοινωνικοοικονομικές στη συνέχεια αφού η ζήτηση σε ενέργεια συνεχίζει να αυξάνεται με συνεχώς μεγαλύτερο ρυθμό. Στο προσκήνιο έρχεται όλο και πιο επιτακτικά μέρα με τη μέρα η παγκόσμια πρόκληση προς την οικονομία, για την κάλυψη των συνεχώς αυξανόμενων ενεργειακών αναγκών της από τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Βέβαια τα ορυκτά καύσιμα εξακολουθούν μέχρι τις μέρες μας να καλύπτουν το μεγαλύτερο ποσοστό των ενεργειακών αναγκών αφού η χρήση τους κρίνεται πιο συμφέρουσα λόγω της χαμηλότερης τιμής τους. Τα τελευταία 20 χρόνια όμως έρχονται στο φως της δημοσιότητας όλο και περισσότερες εκτιμήσεις που συμπεριλαμβάνουν στο κόστος χρήσης τους και τις εκπομπές CO 2 και άλλων αερίων θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα. εν πρέπει να ξεχνιέται επίσης το γεγονός ότι τα ορυκτά καύσιμα έχουν πεπερασμένα αποθέματα τα οποία συνεχώς λιγοστεύουν και σύμφωνα με υπολογισμούς της International Energy Agency θα έχουν μειωθεί δραματικά μέχρι το Παρόμοιοι υπολογισμοί για το κάρβουνο δείχνουν ότι η

9 8 παραγωγή του από τις υπάρχουσες πηγές του μπορεί να διατηρηθεί στους σημερινούς ρυθμούς για χρόνια περίπου. Η Πυρηνική ενέργεια δεν φαίνεται να προσφέρει ικανοποιητική λύση αφού μπορεί να μην συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου αλλά είναι υπεύθυνη για την δημιουργία μιας σειράς άλλων προβλημάτων. Τόσο η επεξεργασία του ορυκτού U όσο και η χρήση του σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας αντιδραστήρα απελευθερώνουν ποσότητες ραδιενεργών στοιχείων στο περιβάλλον που σε περιπτώσεις ατυχημάτων μάλιστα είναι πολύ μεγάλες. Για τα ραδιενεργά κατάλοιπα επίσης, τα περισσότερα από τα οποία έχουν μεγάλους χρόνους ημιζωής, δεν έχει μέχρι σήμερα βρεθεί ικανοποιητική λύση για την διάθεση τους. Λύση δεν έχει βρεθεί ούτε για την απομόνωση του ίδιου του αντιδραστήρα από το περιβάλλον μετά τον τέλος της λειτουργίας του. Η πρόβλεψη για την ζήτηση ενέργειας είναι ότι θα αυξηθεί με ραγδαίους ρυθμούς τόσο στις αναπτυγμένες χώρες όσο και στις αναπτυσσόμενες. Αν επομένως η ζήτηση αυτή καλυφθεί με ορυκτά καύσιμα, ο κίνδυνος ανεξέλεγκτων κλιματικών μεταβολών μεγάλης κλίμακας και περαιτέρω διατάραξης της ισορροπίας του ανθρώπου με το περιβάλλον είναι άμεσα ορατός. Η πρόκληση λοιπόν για την αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας γίνεται κάτι παραπάνω από επιτακτική. Οι Α.Π.Ε είναι φιλικές προς το περιβάλλον, βρίσκονται σε αφθονία, είναι ασφαλείς και στο βαθμό που το κόστος τους θα πέφτει και θα γίνεται ανταγωνιστικό με αυτό των ορυκτών καυσίμων θα είναι ικανές να τα αντικαταστήσουν στη ενεργειακή ζήτηση. 1.2 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας- Ηλιακή ενέργεια Μετά τη δεκαετία του 70 έγινε αντιληπτό στις κυβερνήσεις πολλών χωρών πως έπρεπε να χαράσσουν διαρκώς μια σαφή πολιτική για την ενέργεια εξ αιτίας των γνωστών προβλημάτων της εξάντλησης των ορυκτών πόρων και της επιβάρυνσης που έχει δεχτεί το περιβάλλον από την χρήση των τελευταίων. Η επιτακτική ανάγκη για στροφή προς την εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έγινε τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Η προβλεπόμενη εξάντληση των ορυκτών καυσίμων αλλά και το ιδιαίτερα υψηλό κόστος που βαθμιαία αποκτούν, οδήγησε σε ερευνητικές προσπάθειες για την εκμετάλλευση και την ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, δηλαδή εκείνων των πηγών των οποίων η ενέργεια δεν εξαντλείται καθώς υπάρχει μια συνεχής ροή της. Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ορίζονται οι ενεργειακές πηγές (π.χ. ο ήλιος, η βιομάζα, ο άνεμος), οι οποίες υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον. Είναι οι πρώτες μορφές ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος, σχεδόν αποκλειστικά, μέχρι τις αρχές του προηγούμενου αιώνα, οπότε και στράφηκε στην έντονη χρήση του άνθρακα και των, υδρογονανθράκων. Οι μορφές των ΑΠΕ είναι οι εξής:

10 9 Η Ηλιακή Ενέργεια, η οποία αξιοποιείται μέσω τεχνολογιών που εκμεταλλεύονται την ακτινοβολία του ήλιου. Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας διακρίνονται σε: α) Θερμικά Ηλιακά Συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε θερμότητα. β) Παθητικά Ηλιακά και Υβριδικά Συστήματα που αφορούν κατάλληλες αρχιτεκτονικές λύσεις και χρήση των κατάλληλων δομικών υλικών για τη μεγιστοποίηση της απευθείας εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας για θέρμανση, δροσισμό ή φωτισμό. γ) Φωτοβολταϊκά Ηλιακά Συστήματα: μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια. Η Αιολική Ενέργεια που αφορά την κινητική ενέργεια που παράγεται από τη δύναμη του ανέμου και μετατρέπεται σε απολήψιμη μηχανική ενέργεια και κυρίως σε ηλεκτρική ενέργεια. Η Γεωθερμική Ενέργεια, και συγκεκριμένα η θερμική ενέργεια που προέρχεται από εσωτερικό της γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς, σε επιφανειακά ή υπόγεια θερμά νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα. Η Υδραυλική Ενέργεια που αξιοποιεί τις υδατοπτώσεις με στόχο τιιν παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή και το μετασχηματισμό της σε απολήψιμη μηχανική. Η Βιομάζα που είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας, που μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών των φυτικών οργανισμών χερσαίας ή υδρόβιας προέλευσης. Επίσης έχουμε και τα αστικά Απορρίμματα με την αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχομένου τους. Για πολλές χώρες οι ΑΠΕ συνιστούν μια εγχώρια πηγή ενέργειας, με δυνατότητες ανάπτυξης σε εθνικό και τοπικό επίπεδο. Συνεισφέρουν σημαντικά στο ενεργειακό τους ισοζύγιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από το εισαγόμενο Κύρια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας είναι ο ήλιος, καθώς στέλνει στη γη ενέργεια ισχύος 150 * 10 9 MW. Από την ενέργεια αυτή το 30% ανακλάται στο διάστημα από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Το 46% φτάνει στην επιφάνεια της γης όπου μετατρέπεται σε θερμότητα και επανανακλάται με θερμική ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος. Από το υπόλοιπο 24% το 23% δαπανάται για την εξάτμιση του νερού των θαλασσών και το απομένον 1% για την αιολική ενέργεια, την ενέργεια των κυμάτων, καθώς και την φωτοσύνθεση. Η άμεση χρήση της ηλιακής ενέργειας με την παραγωγή και εγκατάσταση συσκευών αποτέλεσε καινοτομία στην ενεργειακή εξέλιξη του ανθρώπου. Ενώ η έμμεση ηλιακή ενέργεια επιδρά με φυσικές διαδικασίες στο νερό, στον αέρα και στην φωτοσύνθεση, η άμεση χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας απαιτεί ειδικά σχεδιασμένα και εγκατεστημένα τεχνικά συστήματα προκειμένου να απορροφούν και να μετατρέπουν την συλλεγόμενη ηλιακή ενέργεια. Τα συστήματα συλλογής και μετατροπής ηλιακής ενέργειας διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες:

11 10 α) Συστήματα απ ευθείας μετατροπής της ενέργειας σε θερμότητα. Η μετατροπή αυτή μπορεί να γίνει με ενεργητικά συστήματα όπως είναι οι ηλιακοί συλλέκτες και οι ηλιακές λίμνες, ή με παθητική συλλογή από το ίδιο το κτίριο, τα θερμοκήπια κλπ. β) Συστήματα μετατροπής με ενδιάμεσο θερμοδυναμικό μετασχηματισμό, όπως στην αφαλάτωση νερού όπου η θερμότητα χρησιμοποιείται για την εξάτμιση του νερού και την παραγωγή ηλεκτρισμού. γ) Συστήματα απευθείας μετατροπής σε ηλεκτρισμό, με πιο διαδεδομένο τα φωτοβολταϊκά κύτταρα στα οποία γίνεται η φωτοβολταϊκή μετατροπή. δ) Συστήματα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε χημική ενέργεια, όπως η παραγωγή βιομάζας μέσω της φωτοσύνθεσης, η παραγωγή Η 2 με φωτοηλεκτρόλυση κλπ. Από την ενεργειακή άποψη, τα συστήματα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό είναι εν δυνάμει ικανά να καλύπτουν ενεργειακά όλες τις μελλοντικές ανάγκες του κόσμου. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, η συνολική παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας ανέρχεται σε 56 * kwh και ισοδυναμεί στην ηλιακή ενέργεια που απορροφάται σε ένα χρόνο από μια επιφάνεια έκτασης Κm 2 γεγονός που σημαίνει η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση αντιστοιχεί στην ενέργεια που λαμβάνει το 0.005% της επιφάνειας της γης. Καταλήγουμε λοιπόν στο ότι η ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται από τη γη είναι φορές μεγαλύτερη από την παγκόσμια κατανάλωση, επειδή η γη απορροφά κάθε χρόνο kwh. Η χρήση της άμεσης ηλιακής ενέργειας πλεονεκτεί επειδή στην περίπτωση αυτή δεν επηρεάζεται το θερμικό ισοζύγιο της γης, όπως συμβαίνει με την κατανάλωση άλλων μορφών ενέργειας. Η θερμική επίδραση που σχετίζεται με την ηλιακή ακτινοβολία δεν αλλάζει όταν η ακτινοβολία πέφτει σε κάποιον ηλιακό μετατροπέα, αφού ο τελευταίος μετατρέπει μέρος της ακτινοβολίας ως χρήσιμη θερμότητα ή ηλεκτρισμό προτού απελευθερώσει μέρος της στο περιβάλλον ως θερμότητα. Έτσι δεν υπάρχει πλεόνασμα ή έλλειμμα ενέργειας όπως συμβαίνει με τα φυσικά καύσιμα ή την πυρηνική ενέργεια. 1.3 Φωτοβολταικά Η άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια επιτυγχάνεται με τη χρήση των ηλιακών κυττάρων με μια διαδικασία γνωστή ως φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η διαδικασία αυτή εξαρτάται από την θέρμανση του κυττάρου αφού η απόδοση των φωτοβολταϊκών ελαττώνεται καθώς η θερμοκρασία λειτουργίας τους αυξάνει. Τα ηλιακά κύτταρα εμφανίζουν πλεονεκτήματα στη χρήση τους αφού είναι δυνατό να εφαρμοστούν όχι μόνο σε θερμά κλίματα, αλλά και σε περιοχές όπου άλλα συστήματα ηλιακής ενέργειας δεν είναι ιδιαίτερα αποδοτικά, όπως στις περιοχές του ισημερινού και τις ζώνες που χαρακτηρίζονται από μικρή έκθεση στον ήλιο ανά μονάδα επιφάνειας. Σε περίπτωση κατά την οποία ο ουρανός

12 11 δεν είναι καθαρός αλλά επικρατεί συννεφιά, τα φωτοβολταϊκά εξακολουθούν να λειτουργούν με την ίδια απόδοση εν αντιθέσει με τις συγκεντρωτικές ηλιακές διατάξεις που χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρισμού μέσω θερμοδυναμικής μετατροπής και λειτουργούν με πολύ χαμηλές αποδόσεις. Η φωτοβολταϊκή μετατροπή επιτυγχάνεται σε όλους τους ημιαγωγούς. Προς το παρόν ο πλέον διαδεδομένος ημιαγωγός είναι το πυρίτιο, ενώ ανάλογη θέση κατέχουν το θειούχο κάδμιο (CdS) και το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs). Αναζητώντας την ιστορία των ηλιακών κυττάρων, θα δούμε πως το 1954 υπήρξε μια μεγάλη ανάπτυξη σχετικά με την τεχνολογία κυττάρων CdS μετά από συνεργασία πολλών χωρών όπως οι Η.Π.Α, η Ιαπωνία, η Γαλλία, η Μ. Βρετανία, η Γερμανία και το Ισραήλ. Η εμπορευματοποίηση των ηλιακών κυττάρων ξεκίνησε ουσιαστικά τις χρονιές με τα κύτταρα πυριτίου. Μετά το 1958 τα κύτταρα πυριτίου αποτέλεσαν την αποκλειστική πηγή ενέργειας των δορυφόρων, ενώ το 1975 η Παραγωγή των κυττάρων πυριτίου για την χρησιμοποίησή τους στο διάστημα έφτανε τα 100kW το χρόνο, κάτι που αντιστοιχούσε σε 2 εκατ. κυττάρων. Τα βασικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστημάτων που τα διακρίνουν από τις άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι: Η απ ευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μηδενικές εκπομπές ρύπων. Αθόρυβη λειτουργία. Μηδενικές απαιτήσεις συντήρησης. Μεγάλη διάρκεια ζωής. Έτσι τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να εφαρμοστούν σε περιπτώσεις που το υψηλό κόστος δεν είναι απαγορευτικό, όπως: Συστήματα Παραγωγής ενέργειας για κατοικίες και μικρούς οικισμούς που δεν είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο. α) Συστήματα σηματοδότησης οδικής κυκλοφορίας. ναυτιλίας, αεροναυτιλίας. β) Ψύξη αγροτικών προϊόντων και φαρμάκων. γ) Αφαλάτωση, άντληση και καθαρισμός νερού. Στη χώρα μας αν και οι καιρικές συνθήκες είναι άριστες τα φωτοβολταϊκά συστήματα δεν είναι τόσο διαδεδομένα όσο σι ηλιακοί θερμικοί συλλέκτες. Εν τούτοις η εγκατάσταση τους σε κτίρια με μεγάλες διαθέσιμες επιφάνειες θα μπορούσε να αποτελέσει μια σημαντική συμβολή στην παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και όχι από ορυκτά καύσιμα, όπως: ημόσια κτίρια (πανεπιστήμια, νοσοκομεία, στρατώνες, δημοτικά κτίρια). Ξενοδοχειακές μονάδες. Συγκροτήματα κατοικιών για την κάλυψη κυρίως του κοινόχρηστου ρεύματος.

13 12 Βιομηχανικά και εμπορικά κτίρια για την κάλυψη αναγκών σε φωτισμό και ψύξη Το πιο απλό φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από φ/β πλαίσια που τροφοδοτούν με ηλεκτρισμό απ ευθείας τον καταναλωτή, χωρίς να γίνεται ταυτόχρονα αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας ή ρύθμιση τάσης. Με αυτό τον τρόπο το σύστημα τροφοδοτεί τον καταναλωτή μόνο όταν τα πλαίσια φωτίζονται. Πιο σύνθετο από το παραπάνω σύστημα αποτελεί εκείνο που περιλαμβάνει και μια μπαταρία προκειμένου να αποθηκεύει την ηλεκτρική ενέργεια που περισσεύει. Στην περίπτωση αυτή απαιτείται η τακτική εξέταση της μπαταρίας επειδή υπάρχει ο κίνδυνος εκφόρτισης η υπερφόρτισης κάτι που έχει επίδραση στο χρόνο ζωής του φωτοβολταϊκού. Για να υπάρχει αυτόματη διατήρηση της τάσης της μπαταρίας και για καλύτερη λειτουργία του συστήματος απαιτείται η παρεμβολή ρυθμιστή τάσης. Στην περίπτωση που χρειάζεται εναλλασσόμενη τάση χρησιμοποιείται στο σύστημα μετατροπέας συνεχούς εναλλασσόμενου ρεύματος ανάμεσα στην μπαταρία και τον καταναλωτή. Αν υπάρχει και καταναλωτής συνεχούς τάσεως η τροφοδότησή του γίνεται απ ευθείας από την μπαταρία. Παραλλαγή του αυτοτελούς φ/β συστήματος είναι εκείνη στην οποία υπάρχει και παροχή από το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο διανομής. Έτσι σε περίπτωση που η ηλιοφάνεια είναι μικρή και το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας είναι μικρό, το ενωμένο με το σύστημα ηλεκτρικό δίκτυο δίνει στον καταναλωτή την ενέργεια που χρειάζεται. Το τμήμα του συστήματος που λειτουργεί με συνεχές ρεύμα τροφοδοτείται δια μέσω των μπαταριών που φορτίζονται με τροφοδοτικό εναλλασσόμενου-συνεχούς ρεύματος. Το τμήμα που λειτουργεί με εναλλασσόμενο τροφοδοτείται απευθείας από το δίκτυο με τη χρησιμοποίηση ενός διακόπτη που αποσυνδέει τον μετατροπέα από το σύστημα και τον συνδέει με το δίκτυο. Σε περίπτωση που η ενέργεια του φ/β δεν καλύπτει τον καταναλωτή, τότε αυτή παρέχεται από το ηλεκτρικό δίκτυο. Σε περίπτωση που τα φ/β παράγουν περισσότερη ενέργεια από την απαιτούμενη, το υπόλοιπο της ενέργειας διοχετεύεται σε άλλους καταναλωτές δια μέσω του ηλεκτρικού δικτύου.

14 13 2. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ PV KAI PV/T Σύντομη θεωρία των PV. Η φωτοβολταική κυψελίδα μπορεί να θεωρηθεί σαν μια μεγάλη επιφάνεια διόδου p-n που έχει δημιουργηθεί από ημιαγωγούς με πρόσμιξη τρισθενούς και πεντασθενούς στοιχείου αντίστοιχα στις δύο της πλευρές. Λόγω της διάχυσης που συμβαίνει στην περιοχή της επαφής μεταφέρονται ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου p και οπές στην περιοχή τύπου n με αποτέλεσμα την εμφάνιση ενός εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή της επαφής, με φορά από την περιοχή n προς την p. Συνέπεια αυτής της διάχυσης είναι στο ενεργειακό διάγραμμα της επαφής οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους της περιοχής p να μετατίθενται υψηλοτέρα από τις αντίστοιχες της περιοχής n δημιουργώντας καταυτόν τον τρόπο ένα δυναμικό επαφής. Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια επαφής, τα φωτόνια που έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα E g (διαφορά ενέργειας μεταξύ ζώνης σθένους και ζώνης αγωγιμότητας) διεγείρουν ηλεκτρόνια από την ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας αφήνοντας ελεύθερη οπή στη ζώνη σθένους. ημιουργούνται με τον τρόπο αυτό ζεύγη φορέων ηλεκτρονίων-οπών στην περιοχή της επαφής p-n. Η φορά του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργήθηκε λογά διάχυσης στην περιοχή της επαφής είναι τέτοια ώστε να οδηγεί τα μεν ηλεκτρόνια στην περιοχή τύπου n τις δε οπές στην περιοχή τύπου p. Έτσι δημιουργείται το δυναμικό του φωτοβολταικου που μπορεί να τροφοδοτήσει με συνεχές ρεύμα ένα εξωτερικό κύκλωμα. Πρέπει να επισημανθεί ότι η κίνηση του ζεύγους των ελευθέρων φορέων προς τις αντίστοιχες περιοχές στις οποίες πλεονάζουν πρέπει να συμβεί πριν προλάβει να συμβεί επανασύνδεση τους και αυτό δημιουργεί κάποιες προϋποθέσεις για το εύρος της περιοχής διάχυσης των φορέων. Σχήμα 2.1. Μηχανισμός δημιουργίας φορέων στην περιοχή επαφής p-n.

15 14 Ο κρύσταλλος έχει μια ανακλαστικότητα και ως εκ τούτου ένα μέρος μόνο των φωτονίων θα απορροφηθούν ώστε να δημιουργήσουν ζεύγη φορέων. Από τα απορροφούμενα φωτόνια όμως μόνο εκείνα που ικανοποιούν το ενεργειακό κριτήριο (hf E g ) θα μπορέσουν να δημιουργήσουν ζεύγη φορέων. Η ενέργεια των φωτονίων που δεν ικανοποιούν την συνθήκη αυτή, όπως και η πλεονάζουσα ενέργεια των φωτονίων που προκάλεσαν διέγερση ηλεκτρόνιων στη ζώνη αγωγιμότητας, μετατρέπονται σε θερμότητα. Οι παραπάνω μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή της επαφής εξηγούν και τις χαμηλές ηλεκτρικές αποδόσεις των φωτοβολταικων ( 20%) Τεχνολογία φωτοβολταικών κυψελίδων. Γενικά μπορούμε να θεωρήσουμε δυο κυρίως είδη φωτοβολταικών κυψελίδων. Τις κρυσταλλικές και τις κυψελίδες λεπτού φύλλου που στην συνέχεια θα αναφέρονται με τον όρο thin films. Η τεχνολογία του κρυσταλλικού πυριτίου (Si) εξακολουθεί να επικρατεί μέχρι σήμερα στην βιομηχανία των φωτοβολταικων αφού περίπου το 85% των φωτοβολταικων κυψελίδων έχουν κατασκευαστεί ακριβώς με την τεχνολογία αυτή. Ειδικότερα στα πλαίσια της τεχνολογίας αυτής έχουν αναπτυχτεί επί μέρους τύποι όπως: Ο τύπος ανάπτυξης μονού κρυστάλλου (μονοκρυσταλλικές κυψελίδες, mc-si) που στην αγορά εμφανίζονται με αποδόσεις μεταξύ 12% και 17% και καλύπτουν περίπου το 28.6% της αγοράς. Ο τύπος πολυκρυσταλλικού πυριτίου (pc-si) που εμφανίζονται στην αγορά με αποδόσεις μεταξύ 11% και 16%, καλύπτουν περίπου το 56% της αγοράς γιατί γίνονται όλο και πιο δημοφιλή αφού είναι λιγότερο ακριβά. Ο τύπος κυψελίδας άμορφου πυριτίου (a-si) που καταλαμβάνει το 3.9% περίπου της αγοράς και χρησιμοποιείται περισσότερο στην τεχνολογία των thin films. (IEA-PVPS, 2006). Οι κυψελίδες thin film κατασκευάζονται με υπέρθεση λεπτών στρωμάτων ημιαγωγού υλικού, τυπικού πάχους 1μm πάνω σε βάση που το υλικό της μπορεί να αποτελείται από γυαλί η από ανοξείδωτο μέταλλο η πλαστικό. Τα υλικά των thin films στο εμπόριο είναι συνήθως το άμορφο πυρίτιο (a-si) το cadmium telluride (CdTe) και το copper indium diselenide (CIS) (IEA-PVPS, 2006). Περεταίρω ερεύνα έχει γίνει για την βελτίωση της απόδοσης όλων των βασικών τύπων κυψελίδων. Έτσι έχουν αναφερθεί εργαστηριακά για τις μονοκρυσταλλικές κυψελίδες αποδόσεις που ξεπερνούν το 24.7%, για τις πολυκρυσταλλικές 19.8%, ενώ για την τεχνολογία των thin films 12.7% για a-si, 16% για CdTe και 18.2% για CIS (Green et al, 2006).

16 15 Τα τελευταία χρόνια εξελίσσεται και η τεχνολογία των συγκεντρωτικών φωτοβολταικων συστημάτων που χρησιμοποιεί ανακλαστήρες και συγκεντρωτικούς φακούς προκειμένου να συγκεντρώσει μεγαλύτερη ηλιακή ακτινοβολία σε μικρότερη επιφάνεια κυψελίδων για να αυξήσει την απόδοση τους (Whitefield,et al 1999). Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί ευρέως τους φακούς Fresnel τόσο γραμμικής όσο και σημειακής εστίασης. Οι φακοί αυτοί κατασκευάζονται από πλαστικό υλικό που μπορεί να μην είναι ακριβό αλλά να έχει καλές διαθλαστικές ιδιότητες ώστε να οδηγεί την ηλιακή ενέργεια σε μια πολύ στενή περιοχή μιας μικρού εμβαδού κυψελίδας. Οι κυψελίδες GaAs είναι οι πιο συνήθεις στα συγκεντρωτικά φωτοβολταικα συστήματα αφού μπορούν να λειτουργούν ικανοποιητικά και με αρκετά καλές αποδόσεις σε υψηλές θερμοκρασιακές συνθήκες, αλλά είναι σημαντικά πιο ακριβές. Έχουν σχεδιαστεί συγκεντρωτικά συστήματα με GaAs κυψελίδες όπου σε συνθήκες ακτινοβολίας ενός ήλιου έχουν απόδοση 25%, ενώ σε συνθήκες συγκέντρωσης ξεπερνούν το 28%. Συγκεντρωτικά συστήματα πολλαπλών επαφών με κυψελίδες GaAs έχουν ξεπεράσει σε απόδοση το 30%. Τέλος πεδίο ερευνάς αποτελεί και η τεχνολογία των οργανικών υλικών. Στον τομέα αυτό έχουν αναφερθεί εργαστηριακές αποδόσεις της τάξης του 10% (Green et al, 2006) Φωτοβολταικοί συλλέκτες. Οι συλλέκτες κρυσταλλικού πυριτίου αποτελούνται συνήθως από μια σειρά από ξεχωριστές κυψελίδες που συνδέονται ηλεκτρικά και συγκολλούνται μεταξύ τους ώστε να αποτελέσουν ένα ενιαίο πλαίσιο. Πάνω του αναπτύσσεται ένα διαφανές κάλυμα από στεγανό υλικό για προφύλαξη συνήθως από πλαστικό υλικό. Το σύστημα αυτό του συλλέκτη μοντάρεται σε ένα πλαίσιο που είναι από αλουμίνιο και η κατασκευή αυτή μπορεί να έχει εγγυημένο χρόνο ζωής πάνω από 20 χρόνια (IEA-PVPS, 2006). Αν πρόκειται για συλλέκτες thin film τότε η κατασκευή αποτελείται από μονές στρώσεις υλικού thin film με διαφανές προστατευτικό πλαστικό η γυαλί και μπορούν να δημιουργήσουν συλλέκτες σταθερούς η και εύκαμπτους. Οι ιδιότητες και η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς των συλλεκτών δοκιμάζονται τόσο για βιομηχανικές όσο και για εργαστηριακές εφαρμογές, με τεστ που γίνονται σε συγκεκριμένες συνθήκες (standard test conditions STC). Στις συνθήκες αυτές περιλαμβάνονται: ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2, με φάσμα ΑΜ 1.5 και θερμοκρασία συλλέκτη 25 ο C. Στις συνθήκες αυτές κάθε κυψελίδα κρυσταλλικού πυριτίου παράγει μια ηλεκτρική ισχύς μεταξύ W με τάση εξόδου V (Overstraeten and Mertens, 1986; Markvart (ed), 2000).Οι διατιθέμενοι στην αγορά ηλιακοί συλλέκτες έχουν ισχύς εξόδου 50 W έως και 300 W

17 16 ανάλογα με το μοντέλο. Σε μια φωτοβολταική εγκατάσταση έχουμε πολλούς ηλιακούς συλλέκτες σε σειρές που μεταξύ τους έχουν παράλληλη ηλεκτρική σύνδεση I-V χαρακτηριστικές των PV συλλεκτών Οι καμπύλες ρεύματος- τάσης (I-V) χρησιμοποιούνται για να χαρακτηρίσουν τις ιδιότητες ενός φωτιζόμενου ηλιακού συλλέκτη. Μια τέτοια τυπική χαρακτηριστική φαίνεται στο σχήμα 2.3 από την οποία μπορούμε να ορίσουμε τις τέσσερεις κύριες παραμέτρους που είναι : Η τάση ανοιχτού κυκλώματος (V oc ), το ρεύμα βραχυκύκλωσης (Ι sc ), η τάση του σημείου μεγίστης ισχύος (V mp ) και το ρεύμα σημείου μεγίστης ισχύος (I mp ). Υπάρχει ένα σημείου στην καμπύλη I-V στο οποίο το γινόμενο V mp I mp είναι μέγιστο κι έτσι το σημείου αυτό αντιστοιχεί στη μέγιστη ισχύ του συλλέκτη για τις συγκεκριμένες επικρατούσες καιρικές συνθήκες και με το συγκεκριμένο φορτίο-αντίσταση (maximum power point, MPP). Ο παράγοντας πληρότητας (FF) του συλλέκτη ορίζεται από την σχέση: Vmp I mp FF = (2.1) V I oc sc Η χαρακτηριστική I-V προκύπτει θεωρητικά αν κατασκευάσουμε το ισοδύναμο κύκλωμα του συλλέκτη όπως φαίνεται στο σχήμα 2.2. Στο ισοδύναμο κύκλωμα ο ηλιακός συλλέκτης προσομοιάζεται με μια πηγή συνεχούς ρεύματος σε παράλληλη σύνδεση με μια δίοδο που αναπαριστάνει στην επαφή p-n. Το ρεύμα εξόδου δηλαδή θα είναι η διαφορά ανάμεσα στο φωτοεπαγόμενο ρεύμα (I ph ) στο ρεύμα της διόδου (I d ). I = I ph I d (2.2) Σχήμα 2.2. Ισοδύναμο κύκλωμα για φωτοβολταικη κυψελίδα

18 17 Όπου το ρεύμα της διόδου δίνεται από την γνωστή εξίσωση: qv I d = Io exp 1 (2.3) kt Από τις παραπάνω εξισώσεις παίρνουμε τελικά: I qv = I ph Io exp 1 (2.4) kt Όπου Ι ο είναι το ρεύμα κορεσμού της διόδου και αντιστοιχεί στους ελεύθερους ηλεκτρικούς φορείς που μπορούν να κινηθούν δια μέσου του φράγματος δυναμικού με την επίδραση της θερμικής ενέργειας, q είναι το στοιχειώδες φορτίο (= C), k είναι η σταθερά Boltzmann (= JK -1 ) και Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία της κυψελίδας. Έτσι η εξίσωση (2.4) περιγράφει ποσοτικά την χαρακτηριστική I-V οποιουδήποτε φωτοβολταικου συλλέκτη. Σχήμα 2.3.Τυπική χαρακτηριστική καμπύλη φωτοβολταικής κυψελίδας Αν βραχυκυκλώσουμε τον συλλέκτη (V=0) τότε από την εξίσωση (2.4) προκύπτει το ρεύμα βραχυκύκλωσης : I sc = I ph (2.5) Αν ανοίξουμε το κύκλωμα όποτε Ι=0 τότε από την εξίσωση (2.4) έχουμε την τάση ανοιχτού κυκλώματος :

19 18 kt I ph Voc = ln + 1 (2.6) q Io Οι σχέσεις (2.5) και (2.6) δείχνουν ότι το ρεύμα βραχυκύκλωσης Ι sc είναι ευθέως ανάλογο του φωτοεπαγόμενου ρεύματος I ph, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος V oc εξαρτάται λογαριθμικά απ αυτό. Επειδή το φωτοεπαγόμενο ρεύμα I ph όμως εξαρτάται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας από τις παραπάνω σχέσεις έχουμε την εξάρτηση των παραμέτρων V oc και Ι sc από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η εξάρτηση της χαρακτηριστικής I-V τόσο από την θερμοκρασία λειτουργίας των κυψελίδων όσο και από την προσπίπτουσα ένταση ηλιακής ακτινοβολίας, φαίνεται στα διαγράμματα του σχήματος 2.4. Η απόδοση μιας ηλιακής κυψελίδας ελαττώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, περίπου κατά 2.3 mv / o C στις κυψελίδες κρυσταλλικού πυριτίου γεγονός που οφείλεται κυρίως στην μείωση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V oc (Markvart, 2000). Η αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας οδηγεί και σε οριακή αύξηση του ρεύματος ανοιχτού κυκλώματος Ι sc (περίπου κατά 6μΑ/ ο C ανά cm 2 επιφανείας) γι'αυτό και δεν της αποδίδεται ιδιαίτερη σημασία και στην σχεδίαση των PV θεωρείται αμελητέα. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το ενεργειακό χάσμα στους ημιαγωγούς ελαττώνεται με συνέπεια την μείωση και της V oc επιτρέποντας έτσι την απορρόφηση μεγαλύτερου αριθμού φωτονίων αφού περισσότερα θα έχουν την απαραίτητη ενέργεια υπέρβασης του ενεργειακού χάσματος. Έτσι αυξάνεται ο αριθμός των δημιουργουμένων ζευγών φορέων που κινούνται δια μέσου της επαφής p-n, με αποτέλεσμα να αυξάνεται και το ρεύμα Ι sc. Σχήμα 2.4. Τυπικές χαρακτηριστικές I-V σε διαφορετικές θερμοκρασίες (a) και διαφορετικές εντάσεις ηλιακής ακτινοβολίας (b).

20 PV/T Συλλέκτες (Photovoltaic/Thermal collectors) Μια ενδιαφέρουσα διάταξη φωτοβολταικών συλλεκτών είναι η διάταξη υβριδικών φωτοβολταικών θερμικών συλλεκτών (PV/T). Τα συστήματα PV/T μπορούν ταυτόχρονα να παρέχουν τόσο ηλεκτρική όσο και θερμική ενέργεια. Σκοπός τους είναι να πετύχουν ψύξη του φωτοβολταικού συλλέκτη αφενός και μεγαλύτερου ρυθμό στην μετατροπή της απορροφούμενης ηλιακής ενέργειας αφετέρου. Η γενική αρχή τους είναι η τοποθέτηση του φωτοβολταικού σαν απορροφητή θερμικού ηλιακού συλλέκτη. Με τον τροπο αυτό εκμεταλλεύονται την εξαγόμενη από το PV συλλέκτη ενέργεια για να την μεταφέρουν σε ένα ρευστό που μπορεί να είναι είτε νερό, είτε αέρας, είτε κάποιο υλικό που αλλάζει φάση (phase change materials PCM) ώστε να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί πιθανόν για θερμικές ανάγκες του κτηρίου πάνω στο οποίο υπάρχει η PV/T εγκατάσταση. υο είναι οι κύριοι τύποι συστημάτων PV/T. Ο τύπος PV/T με χρήση νερού (PV/T/WATER). Ο τύπος PV/T με χρήση αέρας (PV/T/AIR) PV/T συλλέκτες τύπου νερού. Ο συνήθης τύπος PV/T νερού (PV/T/water) αποτελείται από έναν επίπεδο θερμικού ηλιακού συλλέκτη όπου πάνω στην επιφάνεια απορρόφησης του ενσωματώνονται κατάλληλα οι φωτοβολταικες κυψελίδες. Η κόλλα που συνδέει τις κυψελίδες με την επιφάνεια απορρόφησης κατασκευάζεται από ειδικό υλικό ώστε να εξασφαλίζει υψηλή θερμικής αγωγιμότητα ώστε να εξασφαλίζει την καλή μεταφορά της θερμότητας στο νερό, αλλά ταυτόχρονα να είναι ηλεκτρικά μονωτικό ώστε να προφυλάσσει τις κυψελίδες από βραχυκύκλωσης. Στα συστήματα αυτά το νερό χρησιμοποιείται σαν ρευστό που απάγει την θερμότητα (σχήμα 2.5). Η πλειονότητα των water-type PV/T χρησιμοποιούνται επίπεδο μεταλλικό απορροφητή αλλά έχουν αναφερθεί και συστήματα που χρησιμοποίησαν απορροφητές από πολυμερή (Sandness and Rekstad, 2002). Το νερό συνήθως κυκλοφορεί μέσα σε σωλήνες που βρίσκονται σε επαφή με την πίσω πλευρά της επιφανείας απορρόφησης και απάγει την θερμότητα από τον συλλέκτη. Η πίσω πλευρά του συλλέκτη και οι σωλήνες είναι καλά μονωμένοι θερμικά ώστε να αποφεύγεται κατά το δυνατόν η απώλεια θερμότητας από τις επιφάνειες αυτές. Η χρήσιμη θερμική ενέργεια λαμβάνεται στην εξόδου των σωλήνων για να χρησιμοποιηθεί. Οι σωλήνες μπορούν να συνδυαστούν είτε σε σχηματισμό σειράς είτε παράλληλα και το νερό που ρέει μέσα σε αυτούς μπορεί να κυκλοφορεί είτε με την χρήση αντλίας (pumped system) είτε με φυσική θερμοσιφωνική ροή (thermosiphonic flow) λόγω της διαφοράς στην πυκνότητα του νερού που δημιουργείται από την αύξηση της θερμοκρασίας του.

21 20 Σχήμα 2.5. Τυπικό σύστημα PV/T τύπου νερού (PV/T-water type) PV/T συλλέκτες τύπου αέρα. Είναι ο άλλος τύπος PV/T συστήματος που χρησιμοποιεί τον αέρα (PV/T/air) σαν κυκλοφορούν ρευστό που απάγει την θερμότητα και στον τύπο αυτό επικεντρώνει η παρούσα εργασία. Ο τύπος αυτός περιλαμβάνει ένα κατάλληλα κατασκευασμένο αεραγωγό που εφαρμόζεται κάτω από το επίπεδο της επιφανείας απορρόφησης πάνω στην οποία είναι κολλημένες οι φωτοβολταικες κυψελίδες όπως φαίνεται στο σχήμα 2.6. Ο αέρας μπορεί να κυκλοφορεί είτε με εξαναγκασμένη κυκλοφορία (με χρήση αεραντλίας η ανεμιστήρα) είτε με φυσική κυκλοφορία καθορίζοντας έτσι δυο διαφορετικούς τύπους ( PV/T/air forced, PV/T/air natural flow). Η θερμότητα που απάγεται από την επιφάνεια των συλλεκτών με τον αέρα μπορεί σε μια άλλη εκδοχή να μεταφέρεται με εναλλάκτη σε άλλο μέσο π.χ. νερό. Η λειτουργίας του PV/T με αέρα εν συντομία είναι η εξής: Ένα μέρος της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας θερμαίνει την επιφάνεια των φωτοβολταικών συλλεκτών. Μέρος της θερμότητας αυτής οδηγείται στον αεραγωγό με τους μηχανισμούς της μεταφοράς (στον αέρα-ρευστό) και της ακτινοβολίας. Η ακτινοβολουμένη από την πίσω πλευρά της επιφανείας των συλλεκτών θερμότητα, μεταφέρει ενέργεια στην πίσω εσωτερική επιφάνεια του αεραγωγού (τοίχος) και αυξάνει την θερμοκρασία του. Με μηχανισμό μεταφοράς η πίσω εσωτερική επιφάνεια του αεραγωγού επαναποδίδει θερμότητα στον αέρα-ρευστό. Ένα μικρό μέρος της ενέργειας βεβαία με μηχανισμό αγωγής θα μεταφερθεί δια μέσου του μονωτικού τοίχου του αεραγωγού στο περιβάλλον. Με την διάταξη όμως αυτή τελικά ο αέρας-ρευστό τροφοδοτείται με θερμότητα τόσο από την πίσω επιφάνεια του συλλέκτη όσο και από την πίσω εσωτερική επιφάνεια του αεραγωγού κατά την διάρκεια μιας μέρας και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα κατά την εξόδου του να έχει υψηλότερη θερμοκρασία στοιχείο που αποτελεί και το θερμικό κέρδος της διάταξης αυτής.

22 21 Σχήμα 2.6. Τυπικό σύστημα PV/T τύπου αέρα (PV/T-air type) Η θερμική απόδοση αυτής της διαδικασίας εξαρτάται από τον τύπο της ροής του αέραρευστού, από το βάθος του αεραγωγού αλλά και από τον ρυθμό κίνησης του ρευστού (παροχή). Η φυσική κυκλοφορία του αέρα-ρευστού, που συνιστά μια απλή χαμηλού κόστους μέθοδο απαγωγής θερμότητας, έχει μικρότερη απόδοση. Από την άλλη, η εξαναγκασμένη κυκλοφορία του αέρα-ρευστού παρά το ότι η θερμική της απόδοση είναι μεγαλύτερη, απαιτεί πρόσθετη ηλεκτρική ενέργεια για την τροφοδοσία μιας αντλίας η ενός ανεμιστήρα γεγονός που ελαττώνει την ηλεκτρική απόδοση της εγκατάστασης. Επίσης όταν το βάθος του καναλιού είναι σχετικά μικρό και η ταχύτητα ροής του ρευστού μεγαλύτερη έχουμε αύξηση της θερμικής αποδοτικότητας αλλά στην εξαναγκασμένη ροή αυτό οδηγεί σε αύξηση της διαφοράς πίεσης. Η αυξημένη διάφορα πίεσης που δημιουργείται έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνει η αντλία η ο ανεμιστήρας και επομένως πτώση της ηλεκτρικής απόδοσης. Όλα αυτά οδηγούν στο συμπέρασμα ότι στην περίπτωση της εξαναγκασμένης ροής του αέρα-ρευστού για την σωστή εκτίμηση του καθαρού ενεργειακού κέρδους θα πρέπει να συνυπολογίζεται πάντα και η ηλεκτρική ενεργεία που καταναλώνεται για την επίτευξη της. Η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς συναρτάται από την θερμοκρασία λειτουργίας των φωτοβολταικων συλλεκτών και είναι μεγαλύτερη όταν η θερμοκρασία λειτουργίας τους είναι μικρότερη σε δοσμένες συνθήκες έντασης ηλιακής ακτινοβολίας, ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας και ταχύτητας άνεμου. Η απαίτηση για χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας των PV οδηγεί στην απαίτηση ο αέρας-ρευστό να είναι πολύ χαμηλότερης θερμοκρασίας από αυτά και για να επιτευχτεί αυτό απαιτείται μεγαλύτερη ταχύτητα ροής του. Όμως αυτό με την σειρά του έχει σαν αποτέλεσμα την ελάττωση του θερμικού κέρδους της εγκατάστασης αφού η θερμοκρασία εξόδου του ρευστού θα είναι μικρότερη. Τέτοιες εγκαταστάσεις κρίνονται καταλληλότερες για εφαρμογές που δεν απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες όπως είναι η προθέρμανση εσωτερικών χώρων, η προθέρμανση μιας πισίνας. Η λειτουργίας σε υψηλές θερμοκρασίες γίνεται χρήσιμη σε προπτώσεις που οι απαιτούμενες θερμοκρασίες είναι της τάξης των 55 ο C.

23 Σύντομη ανάδρομη στις εργασίες για τα PV/T. Η Ιδέα για τα PV/T δεν είναι καινούργια αφού βρίσκεται στο προσκήνιο εδώ και τριάντα περίπου χρόνια. Η έρευνα πάνω σ αυτά ξεκινά περίπου από τα τέλη της δεκαετίας του 1970 με αρχές της δεκαετίας του 1980, όταν και πρωτοανακινήθηκε η ιδέα για τα συγκεντρωτικά φωτοβολήθηκα συστήματα σαν τρόπος ελάττωσης του κόστους των PV συστημάτων. Το κόστος ανά μονάδα επιφανείας PV είναι αρκετά υψηλό και τα συγκεντρωτικά PV στηρίζονται στην ιδέα ότι η συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μικρότερη επιφάνεια με συγκεντρωτικούς φακούς, μειώνει την απαιτουμένη επιφάνεια σε PV αντικαθιστώντας της με απαιτουμένη επιφάνεια φακού που είναι σημαντικά φθηνότερος. Η συγκέντρωση όμως της ηλιακής ακτινοβολίας οδηγεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας των PV και εμποδίζει την πλήρη εκμετάλλευση της ενέργειας στην τεχνική αυτή (Florschuetz, 1979). Για να προκύψουν ποσά ενέργειας που να βρίσκονται σε αποδεκτά επίπεδα, θα έπρεπε να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία λειτουργίας τους σε χαμηλά επίπεδα και αυτό οδηγούσε στην ανάγκη ψύξης τους. Η ψύξη των συγκεντρωτικών συστημάτων έφερε την ιδέα, μαζί με την ηλεκτρική ενεργεία να αξιοποιηθεί ταυτόχρονα για χρήσιμες εφαρμογές η παραγόμενη από αυτήν θερμική ενέργεια οδηγώντας έτσι στην δημιουργία των PV/T συστημάτων. Μέχρι σήμερα έχουν μελετηθεί αρκετά υβριδικά φωτοβολείται/θερμικά συστήματα (PV/T ή φβ/θ) για νερό και αέρα. Το 1978 δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά μελέτη στα υβριδικά φωτοβολταικά/θερμικά συστήματα από τους Kern και Russell με την σχεδίαση και κατασκευή ενός υβριδικού συστήματος συμπαραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Στο 13 the ΙΕ photovoltaic specialists (1978) παρουσιάστηκε η σχεδίαση και κατασκευή ενός φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος, το οποίο περιλαμβάνει ψύξη νερού και αέρα και οι συγγραφείς παρουσίασαν τα αποτελέσματα της ηλεκτρικής και θερμικής απόδοσης του υβριδικού αυτού συστήματος. Αναφέρθηκαν σε πέντε ηλιακά, θερμικά και ψυκτικά συστήματα, η αξία των οποίων αξιολογήθηκε για τέσσερις διαφορετικές κλιματικές ζώνες. Η μελέτη τους ολοκληρώθηκε με την προσθήκη ενός προγράμματος στα πλαίσια του οποίου, υπολογίζεται το ποσοστό της βοηθητικής ενέργειας που απαιτείται για ένα ηλιακό /θερμαντικό /ψυκτικό σύστημα για τις ενεργειακές ανάγκες ενός κτηρίου. Παράλληλα, ο Florschuetz (1978) ανάλυσε τον συνδυασμό φωτοβολταϊκού θερμικής μονάδας με βάση το μοντέλο Hottel-Whiller. Παρουσίασε και ανάλυσε παραδείγματα θερμικής και ηλεκτρικής συμπεριφοράς ως προς τις παραμέτρους σχεδίασης του λαμβάνοντας υπ όψιν την φθίνουσα γραμμική σχέση της ηλεκτρικής απόδοσης. Την επόμενη χρονιά (1979) η S.D. Hendrie μελετώντας υβριδικά φωτοβολταικά/θερμικά συστήματα έβγαλε το συμπέρασμα ύστερα από μετρήσεις, πως επιτυγχάνονται μέγιστες θερμικές αποδόσεις 45.2% και 40% για τον αέρα και το νερό χωρίς την παραγωγή

24 23 ηλεκτρικής ενέργειας. Όταν ταυτόχρονα παράγεται ηλεκτρική ενέργεια, οι αποδόσεις αυτές ελαττώνονται στο 32.9% και 40.4%. Η μέγιστη ηλεκτρική απόδοση που παρατηρήθηκε ήταν 6.8%. Το 1981 ο Raghuraman δημοσίευσε μια έρευνα που παρουσιάζει μια αριθμητική μέθοδο υπολογισμού των θερμικών και ηλεκτρικών αποδόσεων δύο κοινών συστημάτων PV/T ενός με αέρα και ενός με νερό. Το αναλυτικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε ακολουθεί το θερμικό μοντέλο του Hottel. Την ίδια χρονολογία, η S.D. Hendrie σχεδίασε και εξομοίωσε ένα θερμικό φωτοβολταϊκό συλλέκτη με χρήση αέρα. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι έχει σημαντική βελτίωση στην απόδοση (66%-55% θερμική, 11% ηλεκτρική) σε σχέση με προηγούμενα συστήματα. Μετά την ολοκλήρωση της πειραματικής μελέτης αναμένεται η επαλήθευση των αποτελεσμάτων εξομοίωσης. Επιπλέον, ο A.K. Bhargava et al το 1991 χρησιμοποίησαν ένα μαθηματικό μοντέλο για να προσδιορίσουν τη συμπεριφορά ενός υβριδικού φωτοβολταϊκού συστήματος με συλλέκτη αέρα. Στηριγμένοι πάνω στη γραμμική σχέση που συνδέει την απόδοση του φωτοβολταϊκού με τη θερμοκρασία λειτουργίας του, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι μόνο για συγκεκριμένες σχεδιαστικές παραμέτρους, οι οποίες έχουν σχέση με το μήκος του συλλέκτη, το βάθος του αεραγωγού και τη ροή του αέρα στον αγωγό, το υβριδικό σύστημα καλύπτει τις ανάγκες λειτουργίας του. Επιπρόσθετα, ο Jai Prakash (1994) παρουσιάζει μια θεωρητική μελέτη ενός υβριδικού φωτοβολταϊκού/θερμικού ηλιακού συστήματος για λειτουργία όλη τη διάρκεια της ημέρας. Το μαθηματικό μοντέλο υπολογίζει την απόδοση του συστήματος και βασίζεται στο ενεργειακό ισοζύγιο. Σε σύγκριση με το κοινό φωτοβολταϊκό χωρίς την προσθήκη θερμικής μονάδας, παρατηρήθηκε βελτίωση της ηλεκτρικής απόδοσης που κυμαίνεται από 50%-70% για το νερό και 17%-51% για τον αέρα. Παράλληλα (1994) οι A. Ricaud και P.Roubeau, παρουσίασαν υβριδικό ηλιακό μοντέλο που χρησιμοποιεί τον αέρα ως ρευστό απολαβής της θερμότητας το Capthel με απόδοση 66% και ένα μοντέλο συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμού αέρα το Ecothel. Την ίδια χρονιά, ο M. Posnansky et al παρουσίασαν μελέτη για την κτιριακή τοποθέτηση υβριδικού συστήματος φωτοβολταϊκού/ θερμικού συλλέκτη. Μετρήσεις έδειξαν πως τέτοια συστήματα φθάνουν σε θερμικές αποδόσεις μεταξύ 30 και 45% ανάλογα με τον τρόπο συλλογής. Το αποτέλεσμα της εργασίας ήταν πως η συνολική ηλεκτρική και θερμική απόδοση του υβριδικού φτάνει το 40% με 55%. Ο H.X. Yang et al τον Απρίλιο του 1994 παρουσίασαν μία πειραματική μελέτη για την θερμική μεταβολή όταν ενσωματώνονται φωτοβολταίκά στις στέγες των κτιρίων. Οι I-V καμπύλες των φωτοβολταϊκών τα οποία χρησιμοποιούνται σε στέγη μετρήθηκαν ξεχωριστά ώστε να καθοριστούν τα αποτελέσματα για διαφορετικές θερμοκρασίες και επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας. Με έναν καλά σχεδιασμένο, αεριζόμενο αεραγωγό πίσω από τα φωτοβολταϊκά

25 24 μπορούμε να πετύχουμε αύξηση της ισχύος κατά 8.3% στους 80 C. Ο H.A. Ossenbrink et al το 1994 δημοσίευσαν μελέτη για μια μεγάλη φωτοβολταϊκή πρόσοψη που τοποθετήθηκε σε ένα βιομηχανικό κτήριο. Η τεχνολογία άμορφου πυριτίου χρησιμοποιήθηκε για να καλύψει τη μέγιστη πιθανή περιοχή με το ελάχιστο κόστος. Τα υποστρώματα α-sί είναι τοποθετημένα σε στρώματα μέσα σε μια συνολική περιοχή 770 m 2, πιθανόν τη μεγαλύτερη πρόσοψη φωτοβολταϊκού ως τότε. Η παραγόμενη ισχύς είναι περίπου 25 kwp και η διάταξη επιμελήθηκε κατάλληλα με έμφαση στην αρχιτεκτονική σχεδίαση ώστε να είναι αισθητικά ελκυστική. Στο 13 0 Ευρωπαϊκό Συνέδριο Φωτοβολταϊκής Ηλιακής Ενέργειας (23-27 Οκτ.1995, Νίκαια, Γαλλία) ο W.Freiesleben et al παρουσίασαν εργασία για υβριδικά φωτοβολταϊκά/ θερμικά συστήματα τα οποία κάνουν χρήση της ηλεκτρικής, αλλά και της θερμικής παραγόμενης ενέργειας, και βελτιώνουν αισθητά το κόστος χρήσης των φωτοβολταϊκών. ημιουργήθηκε ένα μοντέλο με βάση το πρόγραμμα ESP-r και πειραματικές μελέτες έγιναν στο κτίριο ELSA στο Ευρωπαϊκό Κέντρο ECOCENTRE στην Ιταλία. Το θεωρητικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για ακριβή ανάλυση, ώστε να γίνει σωστή ρύθμιση της πειραματικής διάταξης. Το ESP-r έδωσε τη δυνατότητα να μελετηθεί και η θερμική απόδοση των εγκατεστημένων φωτοβολταϊκών, καθώς επίσης έγινε δυνατή και η μελέτη μέσω του συγκεκριμένου προγράμματος νέων κτηριακών προσόψεων φωτοχρωμικών, θερμοχρωμικών και ηλεκτροχρωμικών υλικών για τις οποίες υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον. Στο ίδιο Συνέδριο. λόγω του μεγάλου ενδιαφέροντος για εγκατεστημένα φωτοβολταϊκά σε στέγες κτιρίων ή προσόψεις κτιρίων, πραγματοποιήθηκε μελέτη της ηλεκτρικής απόδοσης, της βελτιστοποίησης της παραμέτρου της αποθήκευσης θερμότητας και προς τη χρήση αέρα μεταξύ του φωτοβολταϊκού και του τοίχου στο οποίο είναι τοποθετημένα τα φωτοβολταϊκά στο κτίριο ELSA στην Ιταλία. Την ίδια χρονιά (1995), ο Β. Moshfegh et al δημοσίευσαν στο περιοδικό Solar Energy την ανάλυση ροής υγρού και μεταφοράς θερμότητας μέσα σε φωτοβολταϊκή πρόσοψη. Γίνεται ανάλυση της ροής αέρα στο διάκενο αέρος πίσω από τα πάνελ των φωτοβολταϊκού σε μία υβριδική πρόσοψη. Οι απώλειες εξόδου είναι σημαντικές και για να επιτευχθεί μέγιστη ψύξη πρέπει να ληφθούν υπόψη στη σχεδίαση των φωτοβολταϊκών προσόψεων και στεγών. Για τη ροή γενικά ο λόγος μεταξύ μήκους και πλάτους του κενού είναι καθοριστικό. Ο Α. Dloret και μία μεγάλη ομάδα επιστημόνων το 1995, μελέτησαν ένα ηλιακό θερμικό σύστημα που χρησιμοποιεί το θερμαινόμενο αέρα που προέρχεται από τις αεριζόμενες συστοιχίες φωτοβολταϊκών, στο σύστημα θέρμανσης και στη θερμική απομόνωση του κτηρίου. Οι πολυσύνθετες συστοιχίες παράγουν την ηλεκτρική και θερμική ηλιακή ενέργεια και επιτρέπουν την οικοδόμηση των σύγχρονων κτηρίων. Η ηλιακή και θερμική ενέργεια που παράγεται από τις συστοιχίες φωτοβολταϊκών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για λόγους θέρμανσης ή να εφαρμοστεί απλά για τον εξαερισμό των αιθουσών. Η τεχνολογία

26 25 χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή της δημόσιας βιβλιοθήκης στη Βαρκελώνης στην Ισπανία. Αυτό το κτήριο που τοποθετείται στο πολιτισμικό κέντρο Ματάρο έχει 603m 2 των αεριζόμενων φωτοβολταϊκών συστημάτων. Το 15% της πρόσοψης έγινε με πολυκρυσταλλικά διαφανή κύτταρα και είχε ισχύ 53 kwp. Το Νοέμβριο του 1996 οι K. Sopian et al παρουσίασαν μελέτη για την λειτουργία ενός υβριδικού συστήματος τριών τύπων. Ένα παθητικής ψύξης, ένα ενεργητικής ψύξης μονής διόδου αέρα, και ένα διπλής διόδου αέρα. Για κανονική ροή αέρα το μαθηματικό μοντέλο έδειξε πως ο συντελεστής διπλής διόδου έχει καλύτερη συμπεριφορά σε σχέση με της μονής διόδου. Μπορούμε να πετύχουμε καλύτερη ηλεκτρική απόδοση για το συλλέκτη διπλής διόδου με μικρή αύξηση του αρχικού κόστους. Επίσης, οι Κ. Sopian et al το 1996, δημοσίευσαν μια εργασία, για την ανάλυση της απόδοσης των θερμικών φωτοβολταϊκών με ροή αέρα. Μελετήθηκαν δύο μοντέλα, ένα με μονή ροή αέρα και ένα με διπλή ροή αέρα και βρέθηκαν λύσεις των διαφορικών εξισώσεων και για τους δύο τύπους. Η σύγκριση έδειξε πως το μοντέλο με διπλή ροή αέρα είναι αποδοτικότερο από το μονό και με μικρότερο κόστος λειτουργίας. Οι Η.Χ. Yang et al το 1996 δημοσίευσαν ένα πρότυπο προσομοίωσης για σύστημα φωτοβολταϊκό-τοίχος έτσι ώστε η θερμική και ηλεκτρική συμπεριφορά του να μπορεί να προβλεφτεί και να αναλυθεί. Οι δοκιμές επιβεβαίωσης και οι υπολογισμοί CFD δείχνουν ότι το πρότυπο προσομοίωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει τη θερμική συμπεριφορά του φωτοβολταϊκού-τοίχου και των φωτοβολταϊκών κυττάρων. Με βάση το πρότυπο αυτό, μπορεί να επιτευχθεί μια πτώση θερμοκρασίας 15 O C 20 O C για την καλά αεριζόμενη κατασκευή «φωτοβολταικό-τοίχος». Επίσης η παραγόμενη ισχύς του φωτοβολταίκού μπορεί να αυξηθεί μέχρι 8,6% για τις πολυκρυσταλλικές μονάδες πυριτίου του φωτοβολταϊκού. Ο αεραγωγός δε, πρέπει να είναι σχεδιασμένος όσο το δυνατόν μικρότερος για να αποφευχθεί η διαρροή αέρα. Επίσης το 1996, ο C. Choudhury και ο H.P. Garg ασχολήθηκαν με την απόδοση θερμικού φωτοβολταϊκού με διπλή ροή αέρα και μονού καλύμματος, στο οποίο οι ηλιακές κυψέλες έχουν διάμετρο 10cm και είναι επικολλημένες στον απορροφητή. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που έγινε, δείχνουν σημαντική αύξηση της θερμικής και ηλεκτρικής απόδοσης η οποία εξαρτάται από την συγκέντρωση κυττάρων στον απορροφητή. Η απόδοση του συστήματος ελαττώνεται όταν αυξάνεται το βάθος του αεραγωγού, αλλά αυξάνεται ανάλογα με το μήκος του αεραγωγού και τη μάζα του ρέοντος αέρα. Το 1996 στο 4 th EUROPEAN CONFERENCE OF SOLAR ARCHITECTURE στο Βερολίνο έγινε για πρώτη φορά παρουσίαση από το Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Φυσικού Τμήματος του Πανεπιστήμιου Πάτρας (Y. Tripanagnostopoulos, P. Yianoulis, D. Patrikios), εργασίας επί των υβριδικών φωτοβολταικών/θερμικών ηλιακών συλλεκτών, με τα πρώτα