Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1

2 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Παντελάκος Α. Αλέξανδρος Σπουδαστές Ταλαδιανός Δ. Γεώργιος Επιβλέπουσες Καθηγήτριες Κόγια Γρ. Φωτεινή Παπαδοπούλου Δ. Παναγιώτα Καβάλα, Μάϊος 2009

3 ΠΑΝΤΕΛΑΚΟΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ Αφιερώνεται σε όσους μ αγαπούν και είναι δίπλα μου όταν τους χρειάζομαι ΤΑΛΑΔΙΑΝΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Αφιερώνεται στους πολυαγαπημένους μου γονείς, γιαγιά και αδελφή που με στήριξαν και με βοήθησαν να φτάσω ως εδώ

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η Εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μας Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μας στο Τμήμα Ηλεκτρολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε τον Αύγουστο του 2008 και ολοκληρώθηκε το Μάιο του 2009, υπό την επίβλεψη της κας Κόγια Γρ. Φωτεινής και της κας Παπαδοπούλου Δ. Παναγιώτας, οι οποίες είναι Καθηγήτριες 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 των Φωτοβολταϊκών Συστημάτων. Ο τελικός στόχος αυτής ήταν η συγκέντρωση στοιχείων, η διατύπωση παρατηρήσεων και η εξαγωγή συμπερασμάτων τα οποία πιθανό να φανούν χρήσιμα στη μελλοντική ευρεία χρήση των Φωτοβολταϊκών Συστημάτων. Αισθανόμαστε την υποχρέωση να ευχαριστήσουμε θερμά τις Καθηγήτριες κα Κόγια Φωτεινή και την κα Παπαδοπούλου Παναγιώτα τόσο για την ανάθεση του θέματος, όσο και για το αμείωτο ενδιαφέρον και την προθυμία τους 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 μας παρείχαν όλο αυτό το διάστημα. Η συμβολή τους στην πραγματοποίηση αυτής της Eργασίας ήταν καθοριστική. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μας για την εμπιστοσύνη τους στις δυνάμεις μας, για τη συνεχή συμπαράσταση και υποστήριξη που είχαμε από μέρους τους, καθώς και για την υπομονή και κατανόηση που μας έδειξαν ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των σπουδών μας. Τελειώνοντας, θα ήταν παράλειψή μας να μην αναφερθούμε στους καθηγητές και στους συμφοιτητές μας, για την προθυμία με την οποία μας παρείχαν τη βοήθειά τους, όποτε τη χρειαστήκαμε, καθώς επίσης και σε όλους αυτούς που ανήκουν στο φιλικό μας περιβάλλον, οι οποίοι μας συμπαραστάθηκαν και μας ενθάρρυναν κατά την προσπάθεια πραγματοποίησης των στόχων μας. Καβάλα, Μάϊος 2009

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΑΠΟΔΟΣΗ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΤΗΝ 12 ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ Φ/Β 12 ΠΛΑΙΣΙΩΝ 2.4 ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ (STANDART TEST CONDITIONS, 15 STC) ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ. Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΑΙΧΜΗΣ 2.5 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑ-ΣΙΑΣ ΣΕ 16 ΑΥΤΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ 16 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΟΥ 18 ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΑΠΟ ΤΗΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΚΥΨΕΛΙΔΑΣ. 2.6 Η ΚΑΜΠΥΛΗ I-V ΧΑΡΑΤΚΗΡΙΣΤΙΚΗ Ι - V ΤΑΣΗ ΑΝΟΙΧΤΟΚΥΚΛΩΣΗΣ ΚΑΙ ΡΕΥΜΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΣΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ I - V ΚΑΙ P - V ΠΑΡΑΓΩΝΤΑΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣ (FF) ΒΑΣΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 26 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ. 2.8 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΕΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ. 27

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 3.1 ΤΥΠΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (MULTICRYSTALLINE SI-LICON MC-Si) ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ (SINGLE - CRYSTAL 32 SILICON) Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΑΙΝΙΑΣ (RIBBON SILICON) Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΆΜΟΡΦΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (AMORPHOUS SILICON) ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΗΛΙΟΦΑΝΕΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 3.3 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΑΝΕΛ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (INVERTERS) ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΛΟΙΠΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΠΤΥΞΕΩΣ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥ Η ΜΕΘΟΔΟΣ CZOCHRALSKI ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΗΣ ΕΠΙΠΛΕΟΥΣΑΣ ΖΩΝΗΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΡΑΜΑΤΟΣ ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΕΜΦΥΤΕΥΣΗΣ ΙΟΝΤΩΝ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ Φ/Β 54

7 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Φ/Β ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Φ/Β ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 4.1 ΣΑΝ ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΘΕΩΡΗΘΟΥΝ ΟΙ ΕΞΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΙΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ (0, W P ) ΑΥΤΟΝΟΜΑ Η ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (100W P 200 kw P ) ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ( 200 kw P - ΑΡΚΕΤΑ ΜW P ) ΑΥΤΟΔΥΝΑΜΑ Η ΑΥΤΟΝΟΜΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (OFF-GRID SYSTEMS/INSELANLAGEN) ΔΙΑΣΥΝΔΕΜΕΝΑ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (GRID-CONNECTED SYSTEMS/NETZGEKOPPELTE ANLAGE) ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ 100 kw ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚOY ΣΤΑΘΜΟΥ 100 kw ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Φ/Β ΠΑΡΚΟΥ ΙΣΧΥΟΣ 100kWp ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑ ΧΩΡΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΣΕ ΟΡΟΦΗ Η ΣΤΕΓΗ Φ/Β ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑ ΩΣ ΔΙΑΚΟΣΜΗΤΙΚΑ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Φ/Β ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΑ ΥΠΕΡΘΕΡΜΑΝΣΗ ΤΩΝ Φ/Β Η ΣΥΛΛΟΓΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΟΙ ΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΕΝΟΣ ΤΟΠΟΥ 79 60

8 4.5.3 Ο ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΑΛΗΘΗ ΝΟΤΟ ΤΡΟΠΟΙ ΣΤΗΡΙΞΗΣ & ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΣΤΗΡΙΞΗ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΗ ΓΩΝΙΑ ΚΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΣΤΗΡΙΞΗ ΜΕ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΚΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΗΜΕΡΗΣΙΑΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ, ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΑ (TRACKERS) ΣΤΡΟΦΗ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΕΝΑΝ ΑΞΟΝΑ ΑΖΙΜΟΥΘΙΚΟ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΟ ΠΟΛΙΚΟ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΟ (POLAR TRACKER) ΕΛΕΓΧΟΣ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΩΝ ΕΝΟΣ ΆΞΟΝΑ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΟ ΔΥΟ ΑΞΟΝΩΝ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΑ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΕΠΙΛΟΓΗ HΛΙΟΤΡΟΠΙΟΥ ΛΕΠΤΟΜΕΡΕΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΗΝ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΤΩΝ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ 5.1 ΟΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΥΣΩΡΕΥΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ ΜΟΛΥΒΔΟΥ - ΘΕΙΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ (PB/H 2 S0 4 ) ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ 101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ

9 6.1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΛΕΠΤΑ ΥΜΕΝΙΑ ΛΕΠΤΑ ΥΜΕΝΙΑ ΑΜΟΡΦΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΛΛΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Φ/Β ΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΡΑ ΔΙΣΕΛΙΝΙΟΥΧΟΥ ΧΑΛΚΟΥ ΗΛΙΑΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΚΑΔΜΙΟΥ-ΤΕΛΛΟΥΡΙΟΥΧΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΤΙ -ΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕ ΤΗ ΧΡΉΣΗ ΧΡΩΣΤΙΚΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕ ΥΛΨΗΛΕΣ ΑΠΟΔΟΣΕΙΣ ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 120 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 124

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στις αρχές της δεκαετίας του '50 έκανε δειλά την εμφάνισή του, με μορφή φιλοσοφικού στοχασμού, το Ενεργειακό Πρόβλημα. Παρά το γεγονός ότι το 1950 τα εκτιμώμενα εκμεταλλεύσιμα αποθέματα είχαν επάρκεια είκοσι (20) χρόνων, επικρατούσε κάποια νηφαλιότητα σε σχέση με την Ενεργειακή Τροφοδότηση. Με την εμφάνιση της Ενεργειακής Κρίσης του 1973, άρχισε και η συνειδητοποίηση του Ενεργειακού Προβλήματος. Σχήμα 1.1 Ο Πλανήτης Γη Μέχρι το τέλος του 20 ου αιώνα, τα Ευρωπαϊκά και τα άλλα Βιομηχανικά Κράτη απολάμβαναν φθηνό και άφθονο Ενεργειακό Εφοδιασμό. Οι εύκολα διαθέσιμοι Σελίδα 1

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» Ενεργειακοί Πόροι, η ανυπαρξία περιορισμών για το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και οι πιέσεις των δυνάμεων της αγοράς, κατέστησαν τα Βιομηχανικά Κράτη εξαρτημένα από τα ορυκτά καύσιμα και υποβάθμισαν το ενδιαφέρον για καινοτομία και επενδύσεις σε νέες Ενεργειακές Τεχνολογίες. Ο Δυτικός κόσμος με την ολοένα αυξανόμενη απαίτηση για Ενέργεια, «αποστραγγίζει» σταδιακά τον Πλανήτη και το μέλλον δυστυχώς, δε φαίνεται ρόδινο. Οι μεγάλες Ενεργειακές Απαιτήσεις της Βιομηχανικής μας εποχής οδήγησαν τον άνθρωπο στην αλόγιστη και σπάταλη εκμετάλλευση των συμβατικών καυσίμων. Με το ρυθμό της ολοένα και αυξανόμενης κατανάλωσης Ενέργειας στον Πλανήτη, οι πόροι, όπως οι ορυκτές καύσιμες ύλες, από τις οποίες χρησιμοποιούμε το μεγαλύτερο μέρος της Ενέργειας, έχουν αρχίσει να εξαντλούνται, γεγονός το οποίο οδηγεί αναπόφευκτα, σε αύξηση των τιμών και προβλήματα τα οποία δύσκολα επιλύονται. Η συνεχής αύξηση της κατά κεφαλήν κατανάλωσης Ενέργειας, σε συνδυασμό με την έντονη ανομοιομορφία της Ενεργειακής Ζήτησης στις διάφορες περιοχές του Πλανήτη, εγγυώνται τη διατήρηση υψηλών ρυθμών κατανάλωσης Ενέργειας και κατά τα επόμενα χρόνια. Ένα χαρακτηριστικό αριθμητικό παράδειγμα το οποίο αποδεικνύει την κατασπατάληση της Ενέργειας, η οποία συντελείται από το σύγχρονο άνθρωπο, προκύπτει εάν αναλογιστούμε ότι, ενώ απαιτούνται κατά μέσο όρο 2500 kcal ημερησίως για τη διατροφή ενός ενήλικα ανθρώπου, η κατά κεφαλήν κατανάλωση Ενέργειας από το μέσο κάτοικο των Η.Π.Α. υπερβαίνει τις kcal την ημέρα. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη τις Τεχνολογικά αναπόφευκτες απώλειες Ενέργειας στα συστήματα παραγωγής και μεταφοράς, καθώς και τη μη ορθολογική χρήση της Ενέργειας, όπως και την αδιαφορία και έλλειψη ενημέρωσης των πολιτών, για την αναμενόμενη εξάντληση των βεβαιωμένων Ενεργειακών Αποθεμάτων, αρκετοί επιστήμονες πιστεύουν ότι η άφιξη του «Ενεργειακού Χειμώνα» στον Πλανήτη μας καθίσταται σχεδόν αναπόφευκτη. Τέλος οι τέσσερις πληγές του ανθρώπινου είδους είναι η μείωση των Ενεργειακών Αποθεμάτων, η Ρύπανση του Περιβάλλοντος, ο Υπερπληθυσμός και η Εξάντληση των Φυσικών Πόρων. Σχετικά ακριβείς αναλύσεις εκτιμούν την Παγκόσμια Ενεργειακή κατανάλωση το έτος 1990 στα 0,42 Q με συνεχείς αυξητικούς ρυθμούς, τη στιγμή που το σύνολο των απολύτως βεβαιωμένων αποθεμάτων συμβατικών καυσίμων (άνθρακας, λιγνίτης, τύρφη, πετρέλαιο, φυσικό αέριο, σχάσιμα υλικά), δεν ξεπερνούν τα 250 Q, ενώ τα πιθανά ενεργειακά αποθέματα βρίσκονται κοντά στα 2500 Q (1 Q=1018 btu= kwh=26, tn πετρελαίου). Επίσης πρέπει να τονισθεί ότι τα συμβατικά καύσιμα Σελίδα 2

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» αποκαλούνται και μη ανανεώσιμα γιατί η χρονική περίοδος επαναδημιουργίας τους υπερβαίνει το ένα εκατομμύριο έτη, ενώ απαιτούνται ειδικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Με σταθερούς τους σημερινούς ρυθμούς αύξησης της κατανάλωσης Ενέργειας, τα συνολικά αποθέματα συμβατικών καυσίμων δεν επαρκούν για περισσότερο από τριακόσια χρόνια. Σε μια προσπάθεια να συνειδητοποιήσουμε το μέγεθος της κατασπατάλησης των διαθέσιμων Ενεργειακών Πόρων του Πλανήτη μας, αξίζει να σημειώσουμε ότι η ανθρωπότητα έχει δαπανήσει τα τελευταία εκατό χρόνια, όλα τα αποθέματα πρώτων υλών και πηγών Ενέργειας, τα οποία αποταμιεύθηκαν κατά τη διάρκεια συνολικά της ζωής του Πλανήτη μας μέχρι σήμερα. Τέλος, η διαδικασία παραγωγής Ενέργειας με τη χρήση συμβατικών καυσίμων, επιβαρύνει έντονα το περιβάλλον (όξινη βροχή, φαινόμενο θερμοκηπίου, ραδιενεργά απόβλητα, αλλοίωση τοπίου). Συνεπώς, η μόνη απάντηση στην εξάντληση των συμβατικών καυσίμων και στη διαρκή επιβάρυνση του περιβάλλοντος από τη λειτουργία συμβατικών σταθμών παραγωγής, είναι η στροφή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, Υδροηλεκτρική, Αιολική, Ηλιακή, Βιομάζα, Ενέργεια της Θάλασσας και Γεωθερμική, οι οποίες δεν εξαντλούνται και δε ρυπαίνουν το περιβάλλον. Οι πράσινες αυτές πηγές Ενέργειας, ακόμα και τώρα, παραμένουν σε μεγάλο ποσοστό ανεκμετάλλευτες, αν και η Τεχνολογία γύρω από αυτές τα τελευταία χρόνια έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο και μάλιστα προς πηγές Ενέργειας τις οποίες δεν είχαμε ιδέα πως να εκμεταλλευτούμε παλαιότερα. Φυσικά, οι Ανανεώσιμες Πηγές δεν είναι δυνατό να επιλύσουν το συνολικό Ενεργειακό Πρόβλημα της ανθρωπότητας, τουλάχιστον με τα σημερινά Οικονομικά και Τεχνολογικά Δεδομένα. Εάν όμως η αξιοποίησή τους συνδεθεί με την προσπάθεια εξοικονόμησης των συμβατικών πηγών Ενέργειας και με την ορθολογική διαχείριση των υφιστάμενων Ενεργειακών Πόρων, είναι δυνατή η σταδιακή απομάκρυνση του εφιάλτη της ανθρωπότητας, δηλαδή του επερχόμενου Ενεργειακού Χειμώνα. Είναι φανερό ότι για την επίλυση του Ενεργειακού προβλήματος είναι απαραίτητο να ελαχιστοποιηθεί η χρήση ορυκτών καυσίμων. Οποιαδήποτε όμως λύση θα πρέπει να εξασφαλίζει τις αξίες, τις παραδόσεις, την ευημερία και τις ελευθερίες του κοινωνικού συνόλου. Προς την κατεύθυνση αυτή, έχει γίνει ευρύτερα αποδεκτή η ανάγκη υλοποίησης τριών στρατηγικών με διαδοχικές (και μερικώς καλυπτόμενες) χρονικές περιόδους. Συγκεκριμένα: Σελίδα 3

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» Η στρατηγική ορθολογικής διαχείρισης γνωστή και ως στρατηγική εξοικονόμησης Ενέργειας. Η στρατηγική υποκατάστασης των συμβατικών Ενεργειακών Πηγών με Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Η στρατηγική έλευσης στο Ενεργειακό Σύστημα του υδρογόνου ως Ενεργειακού Φορέα. Η στρατηγική ορθολογικής διαχείρισης ή στρατηγική εξοικονόμησης Ενέργειας που διασφαλίζει χαμηλή κατανάλωση Ενεργειακών Πόρων, παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματά της δεν έχει εφαρμοστεί στον αναμενόμενο βαθμό. Μια τέτοια στρατηγική δε δημιουργεί συνθήκες Ενεργειακής Στέρησης στην κοινωνία, αφού βασίζεται απλά στην αποδοτικότερη χρήση της. Η αύξηση της αποδοτικότητας σε όλες τις φάσεις της Ενεργειακής Ροής έχει ως συνέπεια την περιστολή της αλόγιστης σπατάλης Ενεργειακών Πόρων. Είναι φανερό ότι η εξοικονόμηση Ενέργειας αποτελεί τη φιλικότερη μορφή Ενέργειας για το περιβάλλον, αφού είναι το απόλυτα καθαρό καύσιμο με την έννοια ότι η εξοικονομούμενη ποσότητα καυσίμου δε χρησιμοποιείται. Η ιδιότητα αυτή την καθιστά ταυτόχρονα ανεξάντλητη πηγή Ενέργειας. Εικόνα 1.2 Πάρκο Φωτοβολταϊκών Η στρατηγική για τη δεύτερη περίοδο, της υποκατάστασης των συμβατικών καυσίμων με Α.Π.Ε. είναι άμεσα συνδεδεμένη με εκείνη της εξοικονόμησης Ενέργειας. Μόνο στην περίπτωση που για την πρώτη περίοδο, αποκατασταθούν συνθήκες Σελίδα 4

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» οικονομικής ανάπτυξης και γεωπολιτικής σταθερότητας, είναι δυνατό να εξασφαλιστούν οι προϋποθέσεις μιας μακροχρόνιας στρατηγικής επιτυχούς εκμετάλλευσης των Α.Π.Ε. Παρά τη βεβαιότητα που επικρατεί, οι Α.Π.Ε. δεν είναι «αθώες» ως προς τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον. Για το λόγο αυτό στο μελλοντικό Ενεργειακό Σύστημα Α.Π.Ε., είναι σκόπιμο, για την αριστοποίηση της λειτουργίας του, να λαμβάνονται υπόψη και περιβαλλοντικά κριτήρια. Η αποτελεσματικότητα της στρατηγικής έλευσης του υδρογόνου εξαρτάται, εκτός των παραγόντων που προσδιορίζουν την κοινωνική και οικονομική αποδοχή του και από δύο βασικές Τεχνολογικές Προϋποθέσεις: Για την παραγωγή του θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη το νερό και όχι άλλες ενώσεις που περιέχουν υδρογόνο (π.χ. προϊόντα ορυκτών καυσίμων). Η απαιτούμενη Ενέργεια για την παραγωγή του υδρογόνου επιβάλλεται να προέρχεται από Α.Π.Ε. Μόνο με τις προϋποθέσεις αυτές το Ενεργειακό Σύστημα του υδρογόνου θα αναδείξει την υπεροχή του ως προς τη βιωσιμότητά του και τη φιλικότητά του προς το περιβάλλον. Σήμερα το 80% της Ενέργειας προέρχεται από ορυκτά καύσιμα, το 14% από Α.Π.Ε. και το 6% από Πυρηνικούς Σταθμούς. Η χώρα μας δε θεωρείται ευνοημένη από πλευράς ύπαρξης αποθεμάτων συμβατικών καυσίμων, γεγονός που την υποχρεώνει σε έντονη εξάρτηση από εισαγόμενα καύσιμα και σχετικά μικρό συντελεστή Ενεργειακής Αυτάρκειας. Αναπόφευκτα και στη χώρα μας ακολουθούνται οι πολιτικές της Ε.Ε. με καθυστέρηση και χωρίς προσαρμογή στα δεδομένα της χώρας. Έτσι, μέχρι τώρα έχουν υλοποιηθεί προγράμματα: εξοικονόμησης Ενέργειας, εισαγωγής Α.Π.Ε., παραγωγής βιοκαυσίμων κ.ά., τα οποία δεν είχαν το απαιτούμενο μέγεθος παρέμβασης, αλλά ταυτόχρονα δε συνοδεύονταν από ευκρινείς και ποσοτικοποιημένους στόχους, με συνέπεια τα αποτελέσματα να επιφέρουν ασήμαντες μεταβολές στο Ενεργειακό Ισοζύγιο της χώρας. Είναι κοινότοπη αναφορά το γεγονός ότι η Ελλάδα διαθέτει σημαντικό δυναμικό Α.Π.Ε. (Ηλιακό, Αιολικό), το οποίο άμεσα είναι απαραίτητο να αξιοποιηθεί σε συνδυασμό με πολλαπλές δράσεις εξοικονόμησης Ενέργειας, ώστε να προετοιμασθεί το έδαφος για την έλευση του υδρογόνου. Η σταδιακή αλλαγή του Ενεργειακού Συστήματος από την εξοικονόμηση και τις Α.Π.Ε., μέχρι το υδρογόνο, δεν είναι μόνο αποτελεσματική αλλά και αναγκαία για τη συνολική αντιμετώπιση του Ενεργειακού Προβλήματος. Έτσι, τα φαινομενικά ετερόκλητα Σελίδα 5

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» και ασύνδετα μεταξύ τους προβλήματα, όπως η ρύπανση του περιβάλλοντος, η ανεπάρκεια του νερού, οι πληθωριστικές πιέσεις, οι χαμηλοί ρυθμοί ανάπτυξης, η σπατάλη φυσικών πόρων κ.ά., θα υποχωρούν ανάλογα με το βαθμό αλλαγής του Ενεργειακού Συστήματος. Ας ελπίσουμε ότι τα ανωτέρω θα τα συνειδητοποιήσουν υπευθύνως οι υπεύθυνοι. Σελίδα 6

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Το Φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο, δηλαδή η άμεση μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια, όταν αυτό προσπέσει πάνω σε ορισμένου είδους υλικά, ανακαλύφθηκε ήδη από το 1839 από τον Γάλλο φυσικό A. E. Becquerel. Μετά ξεχάστηκε και επανήλθε στη «μόδα» μετά την ανακάλυψη του transistor το 1949, με αποτέλεσμα την κατασκευή της πρώτης Φ/Β κυψέλης (κυττάρου) στις ΗΠΑ το Ένα Φ/Β κύτταρο αποτελείται από δύο στρώματα πολύ καθαρού πυριτίου (Si),το οποίο με επιλεκτική πρόσμειξη αποκτά ιδιότητες ημιαγωγού (πυρίτιο τύπου p, πυρίτιο τύπου n). Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός Φ/Β στοιχείου αναπτύσσεται μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην πάνω και κάτω επιφάνεια του στοιχείου. Αν τώρα ενωθούν οι δύο πλευρές μεταξύ τους, ρέει ηλεκτρικό ρεύμα και το στοιχείο παράγει ηλεκτρική ισχύ. Η τάση που παράγεται κυμαίνεται από 0,5-1,2 V, ανάλογα με τον τύπο του Φ/Β στοιχείου. Τα Φ/Β στοιχεία είναι πολύ λεπτά (~0,3 mm) άρα και πολύ ευαίσθητα, γι αυτό πρέπει να προστατεύονται από τις εξωτερικές επιδράσεις. Τοποθετούνται λοιπόν μέσα σε πλαίσια, που αποτελούνται από σκληρυμένο γυαλί κάτω από το οποίο απλώνονται τα Φ/Β στοιχεία και συνδέονται ηλεκτρονικά μεταξύ τους. Τα Φ/Β στοιχεία παράγουν συνεχή τάση (DC). Όταν ηλιακή ακτινοβολία προσπέσει σε ένα Φ/Β στοιχείο, ανάλογα με το υλικό και τον τρόπο κατασκευής του, μετατρέπεται ένα 5-16 % αυτής σε ηλεκτρική ενέργεια (με τη σημερινή τεχνολογία ήδη υπάρχουν βάσιμες ελπίδες σε νέες έρευνες που γίνονται, ότι σύντομα θα φτάσει το 40 %), ενώ το υπόλοιπο μετατρέπεται σε θερμότητα. Το ποσοστό εξαρτάται από την χρησιμοποιούμενη τεχνολογία, η οποία σήμερα είναι κυρίως τεσσάρων ειδών: α) Μονοκρυσταλλικά β) Πολυκρυσταλλικά Σελίδα7

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» γ) Άμορφα δ) Ταινίας Εικόνα 2.1 Φ/Β πάνελ Στις μέρες μας η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό της στους μεγάλους θερμοηλεκτρικούς και υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Οι παραπάνω μορφές παραγωγής ενέργειας καταναλώνουν πετρέλαιο, φυσικό αέριο, κάρβουνο ή ουράνιο και άλλα σχάσιμα υλικά ή χρησιμοποιούν υδατοπτώσεις. Όλες όμως αυτές οι ενεργειακές πηγές έχουν σχετικά περιορισμένες προοπτικές αφού τα αέρια, υγρά ή στερεά και γενικά συμβατικά καύσιμα, άλλα και τα πυρηνικά καύσιμα, εξαντλούνται βαθμιαία, ενώ και η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι ποσοτικά καθορισμένη και γεωγραφικά περιορισμένη. Επιπλέον, γνωστές είναι και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις των παραπάνω μορφών παραγωγής ενέργειας, καθιστώντας απαραίτητη την ανάπτυξη και χρήση τεχνολογιών για την εκμετάλλευση ήπιών μορφών ενέργειας. Το ενδιαφέρον για την ηλιακή ενέργεια εντάθηκε όταν χάρη στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, διαπιστώθηκε η πρακτική δυνατότητα της εύκολης, άμεσης και αποδοτικής μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια με την κατασκευή φωτοβολταϊκών γεννητριών. Η φωτοβολταϊκή μέθοδος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια έχει Σελίδα8

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» κυρίως πλεονεκτήματα, αν εξαιρεθούν το σχετικά υψηλό κόστος για τις περισσότερες εφαρμογές, η αδυναμία της φωτοβολταϊκής γεννήτριας να παράγει συνεχώς ηλεκτρική ενέργεια λόγω των διακυμάνσεων της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια του 24ώρου και η απαίτηση της χρησιμοποίησης μεγάλων σχετικά επιφανειών λόγω της μικρής ποιότητας της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα πλεονεκτήματα της φωτοβολταϊκής μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι τα ακόλουθα: Η φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι ανανεώσιμη και ελεύθερα διαθέσιμη ενεργειακή πηγή. Έχει ικανοποιητική απόδοση μετατροπής. Η μέθοδος κατασκευής των ηλιακών κυττάρων από πρώτες ύλες είναι σχετικά εύκολη. Τα ηλιακά στοιχεία έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής (τουλάχιστον 25 χρόνια). Τα ηλιακά στοιχεία δεν έχουν κινούμενα μέρη και είναι σχεδόν απαλλαγμένα από την ανάγκη επίβλεψης και συντήρησης. Ακόμα και σε περίπτωση βλάβης, η αποκατάσταση της λειτουργίας γίνεται εύκολα λόγω της σπονδυλωτής μορφής της φωτοβολταϊκής διάταξης. Η φωτοβολταϊκή μετατροπή δεν προκαλεί ρύπανση στο περιβάλλον, ούτε θόρυβο ή άλλη ενόχληση και δε δημιουργεί απόβλητα ή άχρηστα παραπροϊόντα. Η φωτοβολταϊκή μετατροπή δίνει τη δυνατότητα ανεξαρτησίας από κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανομής, καθιστώντας τη μια λογικού κόστους παροχή ενέργειας σε εγκαταστάσεις απομακρυσμένες από το κυρίως δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί μπορούν να λειτουργούν με όσο μικρή ισχύ ζητηθεί. Η αναλογία της παραγόμενης ισχύος προς το βάρος της διάταξης είναι αρκετά μεγάλη, περίπου 100 W/kg, που είναι σημαντική ιδιότητα για τις διαστημικές εφαρμογές. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των ημιαγώγιμων υλικών και η συνεχής μείωση του κόστους παραγωγής τους, οδηγούν σε σταδιακή μείωση και του κόστους των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Ένα βασικό μειονέκτημα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι ότι, σε αντίθεση με πολλά άλλα συστήματα μετατροπής, η τροφοδοσία του (ηλιακή ακτινοβολία) δεν είναι καθόλου σταθερή αλλά αυξομειώνεται μεταξύ μιας μέγιστης και της μηδενικής τιμής, Σελίδα9

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» ακολουθώντας συχνά απότομες και απρόβλεπτες διακυμάνσεις. Το ποσό της ενέργειας που περιέχεται στο φως του Ήλιου, ονομάζεται ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και με μία πιο αυστηρή ορολογία, ροή ακτινοβολίας που ορίζεται ως το ποσό της ενέργειας της ακτινοβολίας που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη μονάδα εμβαδού μιας επιφάνειας τοποθετημένης κάθετα στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας και εκφράζεται συνήθως σε kw/m². Επίσης στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συνόλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται στην επιφάνειά τους. Ένα μέρος από την προσπίπτουσα ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διαχέεται πάλι προς το περιβάλλον, ενώ από την ακτινοβολία που διεισδύει, ένα μέρος πάλι συμβάλει στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. 2.2 ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ Το Φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ένα σύστημα δύο υλικών σε επαφή, το οποίο όταν φωτίζεται εμφανίζει στα άκρα του συνεχή ηλεκτρική τάση. Τα Φωτοβολταϊκά στοιχεία σήμερα είναι στην ουσία δύο ημιαγώγιμα στρώματα σε επαφή, τα οποία είναι τύπου p και τύπου n και εξωτερικά αυτών τοποθετούνται ηλεκτρόδια. Τα Φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν συνήθως τετραγωνική μορφή, ώστε η εσωτερική επαφή των ημιαγωγών να καταλαμβάνει την όλη την επιφάνεια του πλακιδίου. Για να έχουμε μια συνολική τάση ανοικτού κυκλώματος (V oc ) 17 V με 22 V συνδέουμε πολλά Φωτοβολταϊκά στοιχεία μεταξύ τους σε σειρά και έτσι δημιουργούμε μια Φωτοβολταϊκή διάταξη, το Φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Ο αριθμός των Φωτοβολταϊκών στοιχείων επιλέγεται ώστε να ταιριάζει με την τάση φόρτισης ενός συσσωρευτή (Pb/H 2 SO 4 ) με ονομαστική τάση 12V. Τα Φωτοβολταϊκά πλαίσια προσφέρουν την ανανεώσιμη ενέργεια από μια απεριόριστη πηγή ενέργειας, τον ίδιο τον ήλιο. Μία ερώτηση στη Φωτοβολταϊκή βιομηχανία είναι πώς να επιτευχθούν χαμηλότερες δαπάνες χωρίς να επηρεαστεί η απόδοση των Φωτοβολταϊκών πλαισίων η οποία καθορίζει την ισχύ που δίνουν τα ΦΒ πλαίσια. Οι κατασκευαστικές εταιρίες για να αντιμετωπίσουν το προηγούμενο πρόβλημα αναπτύσσουν συνέχεια την τεχνολογία των Φωτοβολταϊκών κυψελών. Πριν όμως ένα καινούργιο Φ/Β πλαίσιο εισαχθεί στην αγορά είναι σημαντικό από τους κατασκευαστές να μάθουν πόση ενέργεια παράγουν τα καινούργια πλαίσια σε Σελίδα10

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» διαφορικές περιβαλλοντολογικές συνθήκες και πώς διατηρούν την απόδοσή τους κατά την διάρκεια μεγάλων χρονικών περιόδων. Σχήμα 2.1 Η επαφή pn όταν φωτιστεί Η θερμοκρασία είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση ενός Φωτοβολταϊκού πλαισίου, η οποία εξαρτάται από την εισερχόμενη ακτινοβολία, από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος καθώς και από άλλους παράγοντες οι οποίοι αναλύονται στη συνέχεια. Οι κατασκευαστές Φωτοβολταϊκών πλαισίων παρέχουν τις χαρακτηριστικές ποσότητες των πλαισίων (I sc, V oc, n, Ip max, Vp max, P max ) σε συγκεκριμένες συνθήκες (Standard Test Conditions) που για τη θερμοκρασία είναι οι 25 ο C. Σε πραγματικές συνθήκες είναι λογικό ότι η θερμοκρασία θα διαφέρει σημαντικά από τη θερμοκρασία αναφοράς, π.χ. σε μια καλοκαιρινή ημέρα η θερμοκρασία του Φωτοβολταϊκού πλαισίου μπορεί να φτάσει στους 50 ο C και άνω, ανάλογα με τη στήριξη του Φωτοβολταϊκού πλαισίου. Η εξάρτηση της παραγόμενης ενέργειας από την εισερχόμενη ηλιακή ενέργεια, τη γωνία πρόσπτωσης της απευθείας ακτινοβολίας, τη σκόνη και τη θερμοκρασία του πλαισίου, είναι κάποια θέματα τα οποία μελετήθηκαν. Επίσης μελετήθηκαν και χαρακτηριστικές ποσότητες όπως η τάση ανοικτού κυκλώματος (V oc ), το ρεύμα βραχυκύκλωσης (I sc ), για να καθοριστεί πειραματικά η εξάρτησή τους από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και να συγκριθούν με τις αντίστοιχες του κατασκευαστή. Σελίδα11

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» 2.3 ΑΠΟΔΟΣΗ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΤΗΝ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Ο συντελεστής απόδοσης ενός Φ/Β πλαισίου είναι το πηλίκο της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα στο πλαίσιο, ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας G. S. n m Pm (2.1) G S όπου P m είναι η αποδιδόμενη μέγιστη ηλεκτρική ισχύς. G είναι η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του Φ/Β πλαισίου. S είναι το εμβαδόν του πλαισίου. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής τους, τη θερμοκρασία των κυψελίδων και την πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Άλλος παράγοντας είναι το φαινόμενο της θερμής κηλίδας σύμφωνα με το οποίο όταν μία κυψελίδα υποστεί βλάβη επιφέρει ολική αχρήστευση του φωτοβολταϊκού πλαισίου διότι η σκιασμένη κυψελίδα λειτουργεί όπως η απλή δίοδος p-n, η οποία όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, δέχεται από τις άλλες μια υψηλή ανάστροφη τάση με αποτέλεσμα την καταστροφή της. Άλλοι παράγοντες είναι η εισχώρηση υγρασίας στο εσωτερικό των Φ/Β πλαισίων και οι συνακόλουθες αλλοιώσεις δομής της Φ/Β κυψελίδας, οι σκόνες και άλλα σώματα στην επιφάνεια όψης των πλαισίων ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ α) Παράγοντας γήρανσης Φ/Β πλαισίου Προσδιορίζει την ελάττωση της απόδοσης Φ/Β πλαισίου λόγω της γενικότερης αλλοίωσης της Φ/Β κυψελίδας η οποία οφείλετε κυρίως στην υπερθέρμανση κάποιων Φ/Β στοιχείων ή τμημάτων του πλαισίου. Η απόδοση του Φ/Β πλαισίου μειώνεται τυπικά 1% Σελίδα12

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» το χρόνο λόγω της γήρανσης του υλικού και για αυτό το λόγο οι εταιρίες δίνουν εγγύηση 25 χρόνων. β) Οπτικές ενεργειακές απώλειες Αυτές καθορίζονται από την απόκλιση της απόδοσης σε σχέση με αυτή των πρότυπων συνθηκών, λόγω των επόμενων αιτιών: Διαφοροποίηση ανακλαστικότητας Φ/Β πλαισίου σε σχέση με την αντίστοιχη σε STC. Δηλαδή η αύξηση της ανακλαστικότητας του Φωτοβολταϊκού πλαισίου εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτινών στην επιφάνειά του. Σε γωνίες πρόσπτωσης πάνω από τις 60 ο έχουμε αυξημένη ανακλαστικότητα ενώ για μικρότερες γωνίες η μεταβολή είναι ασήμαντη. Επίδραση διαφοροποίησης φάσματος ακτινοβολίας σε σχέση με το ΑΜ 1,5 Αφορούν στην επίδραση της διαφοροποίησης του φάσματος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια της ημέρας. Απώλειες διαφοροποίησης της πόλωσης. Διαφοροποίηση της πόλωσης της προσπίπτουσας - διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια της ημέρας. Απώλειες χαμηλών τιμών πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Σε χαμηλές τιμές ηλιακής ακτινοβολίας μειώνεται η απόδοση της Φωτοβολταϊκής κυψελίδας και κυρίως σε ηλιακή ακτινοβολία κάτω της τιμής των 200W/m 2. Οι συγκεκριμένες απώλειες υπολογίζονται σε 3% κατά μέσο όρο το έτος. Καθαρότητα όψεως του Φ/Β πλαισίου. Η καθαρότητα της γυάλινης επιφάνειας του Φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι σημαντική διότι η επικάθιση σκόνης και λοιπών άλλων σωματιδίων προκαλεί μείωση της απόδοσης του Φωτοβολταϊκού πλαισίου. γ) Επίδραση θερμοκρασίας Φ/Β κυψελίδας Περιγράφει τη διαφοροποίηση της απόδοσης του πλαισίου, λόγω της διαφοράς μεταξύ της θερμοκρασίας λειτουργίας της κυψελίδας και της θερμοκρασίας της σε Σελίδα13

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» πρότυπες συνθήκες (STC). Ο παράγων θερμοκρασίας της φωτοβολταϊκής κυψελίδας περιγράφεται από την ακόλουθη έκφραση: n 1 ( ) (2.2) T P C STC m Όπου θ C είναι η θερμοκρασία κυψελίδας, γ Pm είναι ο θερμικός συντελεστής της απόδοσης. Για το πυρίτιο ο θερμικός συντελεστής είναι περίπου -0,0045 /Κ στην περιοχή θερμοκρασιών κυψελίδας ο C. Αυτή η εξάρτηση της θερμοκρασίας της Φωτοβολταϊκής κυψελίδας από τις συνθήκες περιβάλλοντος του φωτοβολταϊκού πλαισίου, μπορεί να δοθεί με μια πιο αναλυτική έκφραση η οποία είναι: G t B ws C ( T1 e T2 ) (2.3) GSTC Όπου θ α είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντα αέρα G t είναι η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του φωτοβολταϊκού πλαισίου, Β είναι ο εμπειρικός συντελεστής ws είναι η ταχύτητα ανέμου, Τ 1 και Τ 2 είναι οι εμπειρικοί συντελεστές που προσδιορίζονται με βάση τις οριακές τιμές της θερμοκρασίας κυψελίδας σε χαμηλές και υψηλές ταχύτητες ανέμου, Δθ είναι η διαφορά θερμοκρασιών της κυψελίδας και της πίσω επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου. δ)συντελεστής απωλειών στη δίοδο αντεπιστροφής N D. Είναι ένας συντελεστής ο οποίος εκφράζει τις απώλειες ενέργειας στη δίοδο αντεπιστροφής οι οποίες εκτιμώνται σε ~1% άρα ο συντελεστής απωλειών είναι n D =0,99. Σελίδα14

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» 2.4 ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ (STANDART TEST CONDITIONS, STC) ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ. Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΑΙΧΜΗΣ. Τα βασικά χαρακτηριστικά, τα οποία ελέγχονται σε ένα εργαστηριακά παρασκευασμένο ΦΒ στοιχείο καθώς επίσης και στο τελικά διατιθέμενο Βιομηχανικό προϊόν (Φωτοβολταϊκό πλαίσιο), είναι: 1. η ενεργειακή απόδοση n, 2. ο παράγων πλήρωσης FF, 3. το ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC, 4. και η τάση ανοικτού κυκλώματος V OC, σε συγκεκριμένες συνθήκες φωτισμού (πυκνότητα ισχύος και φάσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας) και θερμοκρασίας του στοιχείο. Η γνώση των χαρακτηριστικών αυτών μεγεθών επιτρέπει τον έλεγχο της αποδοτικότητας του Φωτοβολταϊκού στοιχείου κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, που να αντιπροσωπεύουν τυπικές καταστάσεις εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Για το σκοπό αυτό, καθορίστηκαν διεθνώς, οι ακόλουθες πρότυπες συνθήκες ελέγχου (Standard Test Conditions, STC) των χαρακτηριστικών ενός Φωτοβολταϊκού στοιχείου ή πλαισίου. Πίνακας 2.1 ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1 kw/m² Ηλιακό φάσμα ΑΜ1.5 Θερμοκρασία Φ/Β στοιχείου 25 C ± 2 C Στα ειδικά εργαστήρια ελέγχου και πιστοποίησης των χαρακτηριστικών των Φωτοβολταϊκών στοιχείων, ο χώρος ελέγχου βρίσκεται στην προκαθορισμένη θερμοκρασία των 25 ο C. Το φάσμα εκπομπής της χρησιμοποιούμενης πηγής φωτισμού, προσομοιάζει προς το ηλιακό, του συγκεκριμένου φάσματος (ΑΜ1.5). Η πηγή αυτή λειτουργεί στιγμιαία, ώστε η θερμοκρασία του υλικού του Φ/Β στοιχείου να παραμένει στα προκαθορισμένα όρια των προτύπων συνθηκών. Επιπλέον, η ακτινοβολία από την τεχνητή πηγή προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια του Φωτοβολταϊκού πλαισίου. Στην πράξη, τα Φωτοβολταϊκά στοιχεία, ενσωματωμένα στη μονάδα που ονομάζεται Φωτοβολταϊκό πλαίσιο, λειτουργούν κάτω από φυσικό ηλιακό φως, του οποίου τα Σελίδα15

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» χαρακτηριστικά μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της ημέρας καθ όλο το έτος και η αποδιδόμενη ηλεκτρική ενέργεια εξαρτάται από το Γεωγραφικό Πλάτος και από τις ιδιαίτερες κλιματικές συνθήκες του τόπου εγκατάστασης. Σε μερικά εργαστήρια, πραγματοποιούνται μετρήσεις χαρακτηριστικών των Φωτοβολταϊκών στοιχείων πλαισίων χρησιμοποιώντας φυσικό ηλιακό φως με τα χαρακτηριστικά των πρότυπων συνθηκών. Με βάση τις πρότυπες συνθήκες, εισάγεται η έννοια της ισχύος αιχμής (P P ), ως χαρακτηριστικό του Φωτοβολταϊκού στοιχείου, η δε μονάδα της στο SI είναι W P. Ισχύς αιχμής ενός Φωτοβολταϊκού στοιχείου, είναι η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς, που μπορεί να αποδώσει, κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC). Η έννοια αυτή χρησιμοποιείται ομοίως, για το χαρακτηρισμό ενός Φωτοβολταϊκού πλαισίου ή μιας Φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Αποτελεί το χαρακτηριστικό στοιχείο με βάση το οποίο προσδιορίζεται το μέγεθος της Φωτοβολταϊκής συστοιχίας ενός Φωτοβολταϊκού συστήματος. 2.5 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑ- ΣΙΑΣ ΣΕ ΑΥΤΑ Τα ηλεκτρικά στοιχεία που θα τεθούν υπό σύγκριση είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης Ι sc, η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc, η τιμή του ρεύματος του πλαισίου Ι m, η τάση V m στο σημείο μέγιστης ισχύος και η μέγιστη ισχύς του, P m. Τα ηλεκτρικά στοιχεία αυτά θα συγκριθούν με τα αντίστοιχα που δίνει ο κατασκευαστής σε πρότυπες συνθήκες (STC) ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙ- ΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ Η ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια στην κυψελίδα και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας της. Σε συνθήκες χρήσης στο ύπαιθρο, όπου το Φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ενσωματωμένο σε Φ/Β πλαίσιο, η διαφορά θερμοκρασιών λειτουργίας της κυψελίδας και της θερμοκρασίας του περιβάλλοντα αέρα αυξάνεται γραμμικά, ως συνάρτηση της πυκνότητας της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, δηλαδή: Σελίδα16

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Όπου C a o kw 30 C / 2 G m θ C είναι η θερμοκρασία λειτουργίας κυψελίδας θ α είναι θερμοκρασία περιβάλλοντα αέρα G είναι πυκνότητα ολικής ηλιακής ακτινοβολίας (2.4) Εφόσον μεταβάλλεται λοιπόν αυτή η διαφορά, μεταβάλλονται το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc και η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc. Γενικά παρατηρείται μια σταθερή ποσοστιαία αύξηση του I sc από τους -10 ο C έως τους 60 ο C της θερμοκρασίας της Φωτοβολταϊκής κυψελίδας. Αυτή η αύξηση αποδίδεται ως εξής: Όπου a ISC I di I dt E I (2.5) sc sc, STC 1 I sc C STC ESTC SC είναι ο θερμικός συντελεστής του ρεύματος βραχυκύκλωσης του SC φωτοβολταϊκού στοιχείου, I sc,stc είναι η τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης σε STC, E είναι η πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας, Ε STC είναι 1000 W/m 2 T = θ. Από τον προηγούμενο τύπο βλέπουμε ότι έχουμε αναλογική εξάρτηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης από την πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας. Ο συντελεστής α Ιsc έχει τιμές στο διάστημα K 1, με τιμή αναφοράς ai SC τάση ανοικτού κυκλώματος μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας της κυψελίδας. Αυτή την εξάρτηση τη βλέπουμε αναλυτικά στην παρακάτω έκφραση: 1 K. Η Όπου V E V, 1 1 ln OC E oc oc STC V c STC c V oc, STC είναι η τάση ανοικτού κυκλώματος σε STC, C είναι ο διορθωτικός παράγοντας της εξάρτησης της V OC από την Ε, STC (2.6) Σελίδα17

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» dv OC VOC VOCdT είναι ο θερμικός συντελεστής τάσης ανοικτού κυκλώματος του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Το V OC έχει τιμές στο διάστημα K 1 με τιμή αναφοράς V 0.004K OC 1. Αυτή η ελάττωση οφείλεται στην εξάρτηση του ρεύματος κόρου της διόδου από τη θερμοκρασία. Η ηλεκτρική ισχύς που αποδίδεται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο, όταν αυτό λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος, περιγράφεται από τον παρακάτω τύπο: Όπου στοιχείου, m E Pm Vm Im P 1 P m C STC (2.7) E STC dp P m είναι ο θερμικός συντελεστής μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού P dt P V I είναι η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς σε πρότυπες συνθήκες. P m, STC m, STC Ο θερμικός συντελεστής μέγιστης ισχύος είναι προσεγγιστικά ίσος με : P K για το c-si. m Επομένως, ο παράγων θερμότητας που καθορίζει την επίδραση της θερμοκρασίας στην τιμή της ισχύος αιχμής και στο συντελεστή απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου, δίνεται ως εξής: n 1 (2.8) T Pm C STC Όπως βλέπουμε από τον παραπάνω τύπο η ισχύς αιχμής και η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου εμφανίζουν γραμμική εξάρτηση από τη θερμοκρασία ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΑΠΟ ΤΗΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΚΥΨΕΛΙΔΑΣ Οι σχέσεις των Ι SC και V OC που προαναφέρθηκαν, οι οποίες περιγράφουν την εξάρτηση αυτών των στοιχείων από τη θερμοκρασία της Φωτοβολταϊκής κυψελίδας, ισχύουν και στην περίπτωση του Φωτοβολταϊκού πλαισίου, με τη διαφορά όμως ότι η V oc προκύπτει από το άθροισμα των επιμέρους τάσεων των στοιχείων που βρίσκονται συνδεδεμένα σε σειρά. Σελίδα18

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Οι σχέσεις που περιγράφουν την εξάρτηση του ρεύματος και της τάσεως του Φωτοβολταϊκού πλαισίου όταν αυτό λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος του είναι οι εξής: Όπου ai m λειτουργίας, δεδομένα. E I E I a C, 1 m C m, STC m C STC 0 ESTC E E Vm Vm, STC 1 V 1 ln 2 ln m C STC C C E STC E STC 2 (2.9) είναι ο θερμικός συντελεστής ρεύματος στην κατάσταση του σημείου V m είναι ο θερμικός συντελεστής τάσης στην κατάσταση του σημείου λειτουργίας, I m, STC είναι το ρεύμα σε πρότυπες συνθήκες, V m, STC είναι η τάση σε πρότυπες συνθήκες, C0, C1, C 2 είναι οι εμπειρικοί συντελεστές προσαρμογής στα πειραματικά Οι θερμικοί συντελεστές της τάσης και του ρεύματος εξαρτώνται από το υλικό των Φωτοβολταϊκών στοιχείων, από τη θερμοκρασία και από την πυκνότητα ισχύος. Η αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς από το Φωτοβολταϊκό πλαίσιο υπολογίζεται σύμφωνα με τις παραπάνω εξισώσεις ως εξής: σχέση:,,, P E I E V E (2.10) m C m C m C Η ισχύς αυτή στην περίπτωση του c-si (κρυσταλλικό πυρίτιο) περιγράφεται από τη Όπου P m E Pm ( C, E) P 1 P m C STC (2.11) E STC είναι ο θερμικός συντελεστής μέγιστης ισχύος ο οποίος εξαρτάται από τη θερμοκρασία της Φωτοβολταϊκής κυψελίδας, το υλικό της και την πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Σελίδα19

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» 2.6 Η ΚΑΜΠΥΛΗ I - V ΧΑΡΑΤΚΗΡΙΣΤΙΚΗ Ι-V Η εξίσωση ρεύματος μιας απλής διόδου p-n σε κατάσταση σκότους και κατ επέκταση και ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι η πιο κάτω : qv/kbt I = I 0(e - 1), (2.12) Όπου I είναι το ρεύμα της διόδου I 0 είναι το ρεύμα κορεσμού q είναι to στοιχειώδες φορτίο V είναι η τάση της διόδου T είναι η θερμοκρασία. Σε φωτεινή κατάσταση η εξίσωση αυτή τροποποιείται ως εξής: Όπου IL το φωτόρευμα. qv/kbt I = I 0(e - 1) - I L, (2.13) Η παραπάνω εξίσωση καθορίζει τη σχέση ρεύματος - τάσης μιας ιδανικής φωτοβολταϊκής κυψελίδας με σειριακή αντίσταση (Series resistance) RS 0 και RSH (Shunt resistance). Τις χαρακτηριστικές I - V που αντιστοιχούν στις εξισώσεις (2.12) και (2.13) τις βλέπουμε στο σχήμα 2.2 που ακολουθεί : Σχήμα 2.2 Η χαρακτηριστική I-V ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου σε κατάσταση σκότους και σε φωτεινή κατάσταση. Σελίδα20

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» ΤΑΣΗ ΑΝΟΙΧΤΟΚΥΚΛΩΣΗΣ ΚΑΙ ΡΕΥΜΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΣΗΣ Οι δυο σημαντικότερες παράμετροι περιγραφής της ηλεκτρικής απόδοσης της κυψέλης όπως προαναφέρθηκε είναι η τάση ανοιχτοκύκλωσης V oc και το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc. Ένα απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα του Φωτοβολταϊκού στοιχείου φαίνεται στο σχήμα 2.3. Σχήμα 2.3. Ισοδύναμο κύκλωμα φωτιζόμενου ηλιακού στοιχείου Το ρεύμα βραχυκύκλωσης μετριέται βραχυκυκλώνοντας την έξοδο και μετρώντας το τελικό ρεύμα υπό πλήρη ακτινοβόλιση. Αγνοώντας τη μικρή δίοδο και το ρεύμα γείωσης που διαφεύγει υπό μηδενική τάση, το ρεύμα βραχυκύκλωσης υπό αυτές τις συνθήκες είναι το φωτόρευμα ΙL που είναι ανάλογο προς τα φωτόνια που απορροφά το ηλιακό στοιχείο, δηλαδή I sc = ΙL. Η μέγιστη φωτοτάση παράγεται υπό συνθήκες τάσης ανοιχτοκύκλωσης. Πάλι, αγνοώντας το ρεύμα γείωσης που διαφεύγει και θέτοντας I L =0 στην εξίσωση QV OC KT IL I I0 e 1 παίρνουμε την τάση ανοιχτοκύκλωσης : (2.14) V OC KT I ln 1 Q I0 (2.15) Σελίδα21

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Όπου Ι0 είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου της διόδου Q είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου ίσο με 1,602x10-19 Coulomb Κ είναι η σταθερά Boltzmann ίση με 1,38x10-23 Joules/Kelvin Τ α είναι η απόλυτη θερμοκρασία σε Kelvin V L είναι η τάση στα άκρα της διόδου από την πρόσπτωση του φωτός. Η σταθερά KT/Q είναι η απόλυτη θερμοκρασία εκφρασμένη σε τάση 300 Κ=0,026 Volt. Στην πραγματικότητα, το φωτόρευμα είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το ανάστροφο ρεύμα κόρου. Για το λόγο αυτό, η τάση ανοιχτοκύκλωσης είναι πολλαπλάσιο της ποσότητας KT/Q. Υπό συνθήκες συνεχούς ακτινοβολίας, ο λόγος IΦ/ID αποτελεί έναν επαρκή δείκτη για τη λειτουργία και για τη θερμοκρασία της κυψέλης. Η ηλιακή κυψέλη συνήθως εμφανίζει έναν αρνητικό θερμοκρασιακό συντελεστή στην τάση ανοιχτοκύκλωσης ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ I - V ΚΑΙ P V Στο σχήμα 2.4 φαίνεται η καμπύλη I-V αντιστραμμένη ως προς τον άξονα της τάσης και κομμένη και στους δύο άξονες, έτσι ώστε και το ρεύμα και η τάση να έχουν μόνο θετικές τιμές. Στη δεξιά γραμμοσκιασμένη περιοχή, η ένταση μειώνεται απότομα με μια μικρή άνοδο της τάσης. Σε αυτή τη περιοχή η κυψέλη λειτουργεί σαν μια συνεχή πηγή τάσης με εσωτερική αντίσταση. Κάπου μεταξύ των δυο γραμμοσκιασμένων περιοχών υπάρχει το σημείο γονάτου. Εάν η τάση επιβάλλεται εξωτερικώς με αντίθετη κατεύθυνση, το ρεύμα διατηρείται σταθερό και απορροφάται ισχύς από τη κυψέλη. Παρόλα αυτά, πέρα από μια συγκεκριμένη αρνητική τάση, η επαφή οδηγείται σε διάτρηση όπως σε μια δίοδο, και η ένταση φθάνει μια υψηλή τιμή. Στο σκοτάδι, το ρεύμα είναι μηδέν για τάση μεγαλύτερη της τάσης διάτρησης η οποία είναι η ίδια όπως και στην περίπτωση με φως. Η ισχύς εξόδου του ΦΒ πάνελ είναι το γινόμενο της τάσης και της έντασης εξόδου και γίνεται μέγιστη για τάση και ένταση που αντιστοιχούν στο σημείο γονάτου. Pm Im Vm (2.16) Σελίδα22

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Σχήμα 2.4.Χαρακτηριστική καμπύλη I-V ενός Φωτοβολταϊκού σε κατάσταση σκότους και σε κατάσταση φωτισμού Στο σχήμα 2.5 παριστάνεται η ισχύς συναρτήσει της τάσης. Παρατηρούμε ότι η κυψέλη παράγει μηδενική ισχύ για μηδενική τάση και ένταση, ενώ παράγει μέγιστη ισχύ για τάση που αντιστοιχεί στο σημείο γονάτου της Ι-V χαρακτηριστικής. Για το λόγο αυτό τα Φωτοβολταϊκά συστήματα σχεδιάζονται να λειτουργούν κοντά στο σημείο γονάτου, ελαφρώς προς την αριστερή πλευρά. Τα Φωτοβολταϊκά πάνελ μοντελοποιούνται ως μια συνεχή πηγή ρεύματος. Σχήμα 2.5. Χαρακτηριστική P-V, Φωτοβολταϊκού στοιχείου που ακτινοβολείται. Σελίδα23

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Το παρακάτω σχήμα 2.6 παριστάνει τη χαρακτηριστική ενός 22 - Watt πανέλου υπό δυο διαφορετικές πυκνότητες ακτινοβολίας, 1000 Watt/m² και 500 Watt/m². Οι Σχήμα 2.6 Χαρακτηριστική I - V για διαφορετικής έντασης ακτινοβολία καμπύλες αυτές είναι σε ΑΜ1.5 (air mass). Η μηδενική αέρια μάζα (ΑΜ0) αντιπροσωπεύει συνθήκες στο διάστημα όπου η ηλιακή ακτινοβολία είναι 1350 Watt/m². Η μοναδιαία αέρια μάζα (ΑΜ1) αντιπροσωπεύει τις ιδανικές συνθήκες στη Γη σε καθαρό αέρα με ξηρό μεσημέρι όταν η ηλιακή ακτινοβολία φθάνει στη Γη με τη μικρότερη αντίσταση. Ο αέρας μιας τυπικής ημέρας με υγρασία και μόλυνση είναι ΑΜ1.5, το οποίο λαμβάνεται ως τιμή αναφοράς. Η προσπίπτουσα ισχύς σε μια φυσιολογική επιφάνεια μια ηλιόλουστη μέρα με ΑΜ1.5 είναι περίπου 1000 Watt/m². Μια συννεφιασμένη ημέρα θα είναι χαμηλή. Η ηλιακή πυκνότητα των 500 Watt/m² αποτελεί μια διαφορετική κατάσταση αναφοράς για την αναπαράσταση της Ι - V χαρακτηριστικής. Η απόδοση της Φωτομετατροπής μιας Φωτοβολταϊκής κυψέλης ορίζεται ως ακολούθως: η είναι η ηλεκτρική ισχύς εξόδου/ προσπίπτουσα φωτεινή ισχύς στην κυψέλη Pm Im Vm n (2.15) H A H A Όπου Η είναι η ένταση της ακτινοβολίας στην επιφάνεια του Φ/Β στοιχείου Σελίδα24

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Α είναι το εμβαδόν της επιφάνειας του Φ/Β στοιχείου Προφανώς όσο υψηλότερη είναι η απόδοση τόσο μεγαλύτερη ισχύ εξόδου παίρνουμε υπό δεδομένες συνθήκες φωτισμού ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣ (FF) Η καμπύλη I - V, σε ένα κανονικό φωτοβολταϊκό στοιχείο με διακλάδωσης R Μεγάλες τιμές SH R S και αντιστάσεις, μετατοπίζεται πιο κοντά στους άξονες του ρεύματος και της τάσης. R S προκαλούν μείωση του ρεύματος, ενώ οι μικρές τιμές την τάση όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 2.7. R SH μειώνουν Μηχανισμοί απωλειών είναι επίσης υπεύθυνοι που η καμπύλη I-V γίνεται πιο επίπεδη, και ο αποκαλούμενος παράγων πλήρωσης FF είναι ένα μέτρο προσέγγισης αυτής. Ορίζεται ως: V FF V MPP OC I I MPP SC (1.16) Σχήμα 2.7 Καμπύλες I - V με διαφορετικές αντιστάσεις φορτιού Ο παράγων πλήρωσης αντιστοιχεί στην αναλογία μεταξύ της παραχθείσας ισχύος και της ισχύος σε μια ιδανική περίπτωση όπου η καμπύλη I - V έχει ορθογώνια μορφή χωρίς απώλειες. Ο παράγων πλήρωσης, η απόδοση και οι παράμετροι της καμπύλης I - V είναι πολύ σημαντικοί στη μελέτη των φωτοβολταϊκών, διότι οι τιμές τους μας αποκαλύπτουν το πόσο καλά λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο. Σελίδα25

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Η καμπύλη I-V ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι όμοια με αυτήν ενός μόνο ΦΒ στοιχείου, αλλά συνήθως είναι πιο επίπεδη λόγω απωλειών. Το σημείο της καμπύλης I - V που πρέπει να λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος MPP. Σε πρακτικές εφαρμογές, το σημείο λειτουργίας καθορίζεται από το φορτίο στο κύκλωμα, παραδείγματος χάριν από τη μπαταρία που φορτίζεται. 2.7 ΒΑΣΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 1) Σκίαση Πρέπει να υπάρχει επαρκής ελεύθερος και ασκίαστος χώρος. Απαιτούνται 8 m 2 /kw για μονοκρυσταλλικά Φ/Β, 10m 2 για πολυκρυσταλλικά και περίπου το διπλάσιο για τα άμορφα. 2) Προσανατολισμός Τα Φ/Β πρέπει να έχουν Νότιο προσανατολισμό. Αν τοποθετηθούν σε κάθετη επιφάνεια, ο προσανατολισμός είναι καλύτερα να είναι Νοτιοανατολικός ή Νοτιοδυτικός. Αν είναι κεκλιμένα, μια μεγαλύτερη ποικιλία προσανατολισμών θα δίνει ανεκτά ενεργειακά αποτελέσματα. Ο Βόρειος προσανατολισμός πρέπει οπωσδήποτε να αποφεύγεται. 3) Κλίση Μια κεκλιμένη Φ/Β μονάδα θα δέχεται περισσότερο φως από μία κατακόρυφη. Κάθε γωνία μεταξύ της ορθής και αυτής των 15 ο μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Οι 15 ο προτείνονται για να επιτρέπουν στη βροχή να ξεπλένει τη σκόνη. Η βέλτιστη γωνία είναι ο για ένα Φ/Β που βλέπει Νότια. Κανονικά πρέπει να είναι ίση με το Γεωγραφικό Πλάτος του τόπου στον οποίο εγκαθίσταται. 4) Ύπαρξη κατάλληλου χώρου για τα ηλεκτρικά συστήματα και τις μπαταρίες 5) Βάρος (αν τοποθετηθεί σε στέγη) Σελίδα26

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Ένα πλήρες Φ/Β ζυγίζει kg/m 2. Αυτό δεν αποτελεί κάποιο ιδιαίτερο πρόβλημα, αλλά καλό είναι να το γνωρίζουμε και να ληφθεί υπ όψη. 6)Αερισμός Η αύξηση της θερμοκρασίας ελαττώνει την απόδοση, γι αυτό η πίσω μεριά του Φ/Β πρέπει να αερίζεται επαρκώς. 2.8 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΕΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ Συνήθως τα ηλιακά στοιχεία σε μια βασική μονάδα συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά. Αυτό οφείλεται στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κάθε ηλιακού στοιχείου. Ένα τυπικό (διαμέτρου 4 ιντσών) ηλιακό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου ή ένα (10 cm * 10 cm) πολυκρυσταλλικό στοιχείο θα παρέχουν κάτω από κανονικές συνθήκες ισχύ μεταξύ 1 και 1,5 Watt, εξαρτώμενη από την απόδοση του ηλιακού στοιχείου. Αυτή η ισχύς παρέχεται συνήθως υπό τάση 0,5 ή 0,6 V. Από τη στιγμή που υπάρχουν πολύ λίγες εφαρμογές, οι οποίες εκτελούνται σε αυτή την τάση, η άμεση λύση είναι να συνδεθούν τα ηλιακά στοιχεία σε σειρά. Ο αριθμός των ηλεκτρικών στοιχείων μέσα σε μια βασική μονάδα ρυθμίζεται από την τάση της βασικής μονάδας. Η ονομαστική τάση λειτουργίας του συστήματος συνήθως πρέπει να ταιριάζει με την ονομαστική τάση του υποσυστήματος αποθήκευσης. Οι περισσότερες εκ των Φωτοβολταϊκών βασικών μονάδων, που κατασκευάζονται βιομηχανικά έχουν, επομένως, σταθερές διατάξεις, οι οποίες μπορούν να συνεργασθούν ακόμη και με μπαταρίες των 12 Volt. Προνοώντας για κάποια υπέρταση προκειμένου να φορτισθεί η μπαταρία και να αντισταθμιστεί χαμηλότερη έξοδος, κάτω από συνθήκες χαμηλότερες των κανονικών, έχει βρεθεί ότι μια ομάδα των 33 έως 36 ηλιακών στοιχείων σε σειρά, συνήθως εξασφαλίζουν αξιόπιστη λειτουργία. Έτσι η ισχύς των βασικών μονάδων πυριτίου συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 40 και 60 W. Οι παράμετροι της βασικής μονάδας καθορίζονται από τον κατασκευαστή κάτω από τις ακόλουθες κανονικές συνθήκες: Ακτινοβολία 1 kw/m 2 Φασματική κατανομή ΑΜ 1,5 Θερμοκρασία ηλιακού στοιχείου 25 C Σελίδα27

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο «ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ» Πράγματι, αυτές είναι οι ίδιες συνθήκες με αυτές που χρησιμοποιούνται για να χαρακτηρισθούν τα ηλιακά στοιχεία. Η ονομαστική έξοδος συνήθως ονομάζεται ισχύς κορυφής μιας βασικής μονάδας και εκφράζεται σε Watt κορυφής (W). Τα τρία περισσότερο σημαντικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μιας βασικής μονάδας είναι το ρεύμα βραχυκυκλώματος, η τάση ανοικτού κυκλώματος και το σημείο μέγιστης ισχύος σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και την ακτινοβολία. Αυτές οι χαρακτηριστικές μοιάζουν με τη χαρακτηριστική Ι - V ενός ηλιακού στοιχείου ωστόσο μερικές συγκεκριμένες ιδιομορφίες χρειάζεται να διασαφηνιστούν. Σελίδα28

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 3.1 ΤΥΠΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Σήμερα οι Βιομηχανίες που παράγουν Φωτοβολταϊκά πλαίσια χρησιμοποιούν το πυρίτιο ως υλικό κατασκευής Φωτοβολταϊκών κυψελών. Το πυρίτιο προέρχεται από την άμμο η οποία όταν υποστεί την κατάλληλη επεξεργασία, παράγεται το πυρίτιο που στην τελική του μορφή χαρακτηρίζεται από την υψηλή του καθαρότητα (99,99999 %). Τα Φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου χωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες (τύπους): 1) Πολυκρυσταλλικά (polycrystalline Silicon) 2) Μονοκρυσταλλικά (single-crystal Silicon) 3) Ταινίας (Ribbon Silicon) και τα 4) Άμορφα (amorphous or thin film Silicon) ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (MULTICRYSTALLINE SI- LICON MC - Si) Αυτού του είδους τα στοιχεία αποτελούνται από λεπτά επιστρώματα, πάχους 10 μm έως 50 μm. Στην επιφάνεια της πολυκρυσταλλικής κυψελίδας, διακρίνονται οι διαφορετικές μονοκρυσταλλικές περιοχές στις οποίες τα όριά τους αποτελούν θέσεις παγίδευσης των φορέων, οπότε όσο μικρότερο είναι το συνολικό μήκος αυτών των ορίων, τόσο καλύτερη θα είναι η αγωγιμότητά τους. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι το ορθογώνιο ή τετραγωνικό σχήμα που έχουν οι μονοκρυσταλλικές περιοχές έτσι ώστε να έχουμε καλύτερη χρησιμοποίηση της περιοχής ενότητας σε σύγκριση με τις στρογγυλές μονοκρυσταλλικές περιοχές. Με αυτά τα στοιχεία έχουμε τη δυνατότητα να κατασκευάσουμε μεγάλες επιφάνειες φωτοβολταϊκών πλαισίων. Τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία κόβονται συνήθως σε μικρά τετράγωνα τα οποία συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους στο εσωτερικό του φωτοβολταϊκού (Φ/Β) πλαισίου. Σελίδα 30

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 3.1 Πολυκρυσταλλικό στοιχείο Από τα προηγούμενα συμπεραίνουμε ότι όσο μεγαλύτερες είναι οι διαστάσεις των μονοκρυσταλλικών περιοχών του πολυκρυσταλλικού Φ/Β στοιχείου, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοσή του. Σε εργαστηριακής μορφής κυψελίδα η απόδοση κυμαίνεται από 17% έως περίπου 20% ενώ σε βιομηχανικής μορφής Φ/Β πλαισίου από 10% έως και 14%. Τα πολυκρυσταλλικά Φ/Β πλαίσια χαρακτηρίζονται από την υψηλή χρονική σταθερότητα που έχουν, το χαμηλό κόστος παραγωγής τους (χαμηλότερο από το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο) και από το χρώμα τους το οποίο είναι γαλάζιο. Εικόνα3.2 Πολυκρυσταλλικά Φ/Β σε διάφορους χρωματισμούς Σελίδα 31

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ (SINGLE - CRYSTAL SILICON) Το βασικό υλικό αυτών των στοιχείων είναι μονοκρυσταλλικό πυρίτιο του οποίου το πάχος είναι περίπου 300 μm. Η απόδοσή τους κυμαίνεται από περίπου 21% έως περίπου 24% όταν έχουν μορφή κυψελίδας ενώ όταν δεν έχουν μορφή κυψελίδων η απόδοσή τους κυμαίνεται από 13% έως 16%. Εικόνα3.3Μονοκρυσταλλικό στοιχείο Τo Φ/Β στοιχείο μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι το καταλληλότερο για Φ/Β εγκαταστάσεις. Παρασκευάζεται με τη μέθοδο Czochralski και τη μέθοδο επιπλέουσας ζώνης και τεμαχίζεται σε πλακίδια (Wafers). Έχει ομοιόμορφη κρυσταλλική δομή, κάτι που του δίνει ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα σε σχέση με το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Παρουσιάζει υψηλή αξιοπιστία και σταθερότητα και είναι κατάλληλο για οικιακές εφαρμογές και σε Φ/Β εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Παρουσιάζει υψηλότερο κόστος κατασκευής, καθώς απαιτείται κρύσταλλος πολύ υψηλής καθαρότητας και μεγαλύτερη ποσότητα υλικού, λόγω του πάχους του στοιχείου. Το πάχος του πλακιδίου δε μπορεί να είναι λιγότερο από 200 μm, καθώς υπάρχει κίνδυνος θραύσης κατά Σελίδα 32

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» την κοπή και την επεξεργασία. Ο κρύσταλλος έχει χρώμα σκούρο μπλε και ομοιόμορφο σχηματισμό Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΑΙΝΙΑΣ (RIBBON SILICON) Τα Φ/Β στοιχεία ταινίας είναι στην ουσία μια λεπτή ταινία από τηγμένο υλικό το οποίο είναι πολυκρυσταλλικό πυρίτιο με απόδοση 13%. Προς το παρόν το συγκεκριμένο είδος φωτοβολταϊκού στοιχείου έχει πολύ υψηλό κόστος κατασκευής και για το λόγο αυτό είναι περιορισμένης βιομηχανικής παραγωγής Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΆΜΟΡΦΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (AMORPHOUS SILICON) Πιο συγκεκριμένα για την δημιουργία αυτών των στοιχείων χρησιμοποιείται μία τεχνολογία λεπτών επιστρώσεων η οποία έχει πολύ χαμηλό κόστος παραγωγής λόγω της μικρής χρησιμοποιούμενης μάζας υλικού. Το λεπτό επίστρωμα σχηματίζεται πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης, χαμηλού κόστους. Στα αρχικά στάδια φωτισμού του συγκεκριμένου είδους φωτοβολταϊκών στοιχείων η απόδοσή τους μειώνεται πάρα πολύ από 6% έως 8%. Η απόδοσή τους πέφτει το χειμώνα και ανακτάται κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Το ενεργειακό χάσμα του άμορφου πυριτίου ταιριάζει καλύτερα στο ηλιακό φάσμα απ ότι το ενεργειακό χάσμα του κρυσταλλικού πυριτίου. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν είναι το χαμηλό κόστος κατασκευής και η υψηλή απορρόφηση. Εικόνα3.4 Στοιχείο άμορφου πυριτίου Σελίδα 33

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» O συντελεστής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας ξεπερνά το 104 cm -1, είναι δηλαδή πολύ μεγαλύτερος από του κρυσταλλικού πυριτίου. Χαρακτηριστικό τους είναι η ομοιόμορφη εμφάνισή τους. Παρουσιάζουν σημαντικά μειονεκτήματα, όπως η πολύ χαμηλή απόδοση και η μεγάλη επιφάνεια που καταλαμβάνουν σε σχέση με άλλους τύπους (για την ίδια εγκατεστημένη ισχύ). Για την εγκατάσταση 1 kw p φωτοβολταϊκού συστήματος χρειάζεται επιφάνεια m 2, ενώ παράγει kwh/m 2. Η εγγύηση των κατασκευαστών είναι συνήθως για 10 έτη. Για αυτούς τους λόγους δεν επιλέγονται σε μεγάλες εφαρμογές όπου η έκταση και η απόσβεση του αρχικού κόστους είναι σημαντική. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε ηλιακά ρολόγια και σε αριθμητικούς υπολογιστές. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η χρήση της τεχνολογίας άμορφου πυριτίου σε μεγάλα κτίρια, γνωστά και ως Κτιριακά Ολοκληρωμένα φ/β στοιχεία (BIPVs - Building Integrated Photovoltaics), όπου αντικαθιστούν τα τζάμια (μετά από επεξεργασία για την αύξηση της διαφάνειας τους) συμβάλλοντας έτσι στην τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας στο κτίριο. Το α-si παρασκευάζεται με σχετικά ανέξοδες μεθόδους, σε σύγκριση με το κρυσταλλικό Si, π.χ. με συμπύκνωση των προϊόντων θερμικής διάσπασης αέριων πυριτιούχων ενώσεων. Η άμορφη όμως κατασκευή του, έχει σαν αποτέλεσμα πολλοί από τους χημικούς δεσμούς στο α-si να είναι ατελείς ή στρεβλωμένοι, που συνεπάγεται μειονεκτικές ηλεκτρικές ιδιότητες για το υλικό. Π.χ. οι φορείς του α-si έχουν μικρή κινητικότητα και μικρό μήκος διάχυσης. Πολύ σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του a-si γίνεται με την προσθήκη ατόμων υδρογόνου, που αποτελούν τέρματα για τους ατελείς δεσμούς και χαλαρώνουν τον ιστό του σώματος. Το υδρογονούχο a-si περιέχει συνήθως 10-40% υδρογόνο, σε ατομική αναλογία και με τη γενική έννοια, ένα άμορφο κράμα πυριτίου και υδρογόνου. Συμβολίζεται ως a-si:η. Ανάλογα, και ίσως καλύτερα αποτελέσματα, έχει η προσθήκη ατόμων φθορίου αντί για άτομα υδρογόνου. Η εμπορική παραγωγή φωτοβολταϊκών στοιχείων από a-si:η έχει ήδη αρχίσει από το 1983, κυρίως στην Ιαπωνία, σε μορφή διόδων Schottky με απόθεση του πυριτίου πάνω σε λεπτά φύλλα ανοξείδωτου χάλυβα. Παράλληλα, εδώ και αρκετό καιρό εξετάζεται ερευνητικά η δυνατότητα κατασκευής φθηνών φωτοβολταϊκών στοιχείων κρυσταλλικού ή άμορφου πυριτίου με διάφορες νέες τεχνολογίες, όπως ο σχηματισμός του πυριτίου σε μορφή μεμβράνης που επιπλέει η τραβιέται κατευθείαν από το τήγμα, η απόθεση πάνω σε κεραμικά υποστρώματα ή σε γραφίτη κλπ. Σήμερα η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται για την παρασκευή σύνθετων φωτοβολταϊκών στοιχείων με σκοπό την αύξηση του αξιοποιήσιμου τμήματος του ηλιακού Σελίδα 34

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 3.5 Εύκαμπτο Φ/Β Εικόνα 3.6 Φ/Β Πάνελ φάσματος. Με σταθεροποιημένη απόδοση σε εργαστηριακές συνθήκες φτάνει στα 13%. Ένα χαρακτηριστικό τους είναι η δημιουργία διαδοχικών Φ/Β στοιχείων σε μεγάλες επιφάνειες Φ/Β πλαισίων οπότε τα καθιστά θελκτικά για εφαρμογές προσόψεων. Όπως φαίνεται και από τον παραπάνω πίνακα, η τεχνολογία μονοκρυσταλλικού πυριτίου αποτελεί τη βέλτιστη επιλογή για Φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής και διάθεσης ηλεκτρικής ενέργειας. Σελίδα 35

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Πίνακας 3.1 Συγκριτικός Πίνακας φωτοβολταϊκών τεχνολογιών Τύπος Thin Film Πολυκρυσταλικά Μονοκρυσταλικά Υβριδικά Εμφάνιση Απόδοση Άμορφα: 5~7% CIS: 7~10% CdTe: 8~9% 11~14% 13~16% 16~17% Απαιτούμενη επιφάνεια ανά 10~20 m 2 8~10 m 2 7~8 m 2 6~7 m 2 kw p Μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας (kwh ανά kw p ) Mέση ετήσια παραγωγή ενέργειας (kwh ανά m 2 ) Ετήσια μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (kg CO 2 ανά kw p ) 1300~ ~ ~ ~ ~ ~ Με τα πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω έρχεται πρώτο στις επιλογές των κατασκευαστών μεγάλων Φ/Β συστημάτων σε όλο τον κόσμο. Μπορεί η τιμή του να είναι υψηλότερη, από τις δυο άλλες τεχνολογίες, τα πλεονεκτήματα του όμως μειώνουν τον χρόνο απόσβεσης του κεφαλαίου εγκατάστασης και το ποσό της ενέργειας που παράγεται κατά την λειτουργία του συστήματος (π.χ. 25 έτη) είναι σημαντικά μεγαλύτερο. Σελίδα 36

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 3.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Το βασικό μέρος ενός Φωτοβολταϊκού συστήματος είναι φυσικά τα Φωτοβολταϊκά. Αποτελούνται από ένα πλαίσιο (πάνελ) μέσα στο οποίο βρίσκονται τα Φωτοβολταικα στοιχεία (ή κυψέλες). Το χαρακτηριστικό των Φωτοβολταικων στοιχείων είναι ότι μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρικό ρεύμα. Από την πίσω πλευρά του Φωτοβολταϊκού πάνελ εξέρχονται δύο καλώδια (θετικό + και αρνητικό -) από όπου παίρνουμε το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα κύρια συστατικά των Φωτοβολταϊκών γεννητριών και η καρδιά κάθε Φωτοβολταϊκού συστήματος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι τα Φωτοβολταϊκά στοιχεία ή ηλιακά κύτταρα ή κυψελίδες. Αυτά είναι δίοδοι ημιαγωγών σε μορφή δίσκου, που καθώς δέχονται στην επιφάνεια τους την ηλιακή ακτινοβολία, εκδηλώνουν μία διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην εμπρός και στην πίσω όψη τους. Ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους και την ένταση ακτινοβολίας που δέχονται, ένα Φωτοβολταϊκό στοιχείο μπορεί να δώσει μέχρι 0,5-1,0 V και πυκνότητα ρεύματος μέχρι ma ανά cm 2 της επιφανείας του. Το είδος του ημιαγωγού που επιλέγεται ως υλικό κατασκευής Φωτοβολταϊκών στοιχείων, καθορίζεται, με κυριότερο κριτήριο όπως φαίνεται και στη συνέχεια, από την τιμή του ενεργειακού διακένου του η οποία καθορίζει και την απόδοση του στοιχείου. Ως συντελεστής απόδοσης ή απλούστερα ως απόδοση ενός Φωτοβολταϊκού στοιχείου ορίζεται ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το στοιχείο προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται στην επιφάνεια του. Το πυρίτιο (Si) αποτελεί το βασικότερο υλικό για την κατασκευή Φωτοβολταϊκών κυττάρων από τη στιγμή που αποτελεί το κυρίαρχο υλικό στην κατασκευή ημιαγωγών. Τα Φωτοβολταϊκά στοιχεία από πυρίτιο κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας είτε μονοκρυσταλλικά ή πολυκρυσταλλικά πλακίδια (wafer), είτε λεπτά υμένια (films) πυριτίου (άμορφο). Με τη συνεχή αύξηση της παραγωγής ημιαγώγιμων υλικών και τη βελτίωση της τεχνολογίας πυριτίου, η απόδοση των Φ/Β στοιχείων παρουσιάζει μια συνεχή αύξηση πλησιάζοντας τη μέγιστη θεωρητική τιμή τους και με παράλληλη ραγδαία μείωση στο κόστος τους. Για την εκτίμηση του κόστους των Φωτοβολταϊκών στοιχείων χρησιμοποιείται ο συμβατικός όρος Watt αιχμής (W p, peak Watt) που είναι η ελάχιστη απαιτούμενη επιφάνεια του στοιχείου για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος 1W όταν δέχεται ηλιακή ακτινοβολία με πυκνότητα ισχύος 1kW/m 2. Σελίδα 37

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Π.χ. κόστος ηλιακού στοιχείου 10 /W p σημαίνει ότι το κόστος ενός ή περισσοτέρων Φωτοβολταϊκών στοιχείων με τόση συνολική επιφάνεια ώστε να παράγουν ηλεκτρική ισχύ 1 W, όταν εκτεθούν σε ακτινοβολία πυκνότητας 1 kw/m 2, είναι 10. Δηλαδή το W p εκφράζει το συνδυασμό του κόστους κατασκευής και της απόδοσης του ηλιακού στοιχείου ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Τα Φωτοβολταϊκά πάνελ μετατρέπουν μόνο ένα ποσοστό της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό. Το πόσο μεγάλο είναι αυτό το ποσοστό εξαρτάται από τον τύπο των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Ο ήλιος παρέχει πάνω από 1000 Watt ανά τετραγωνικό μέτρο. Έτσι, ένα φωτοβολταικό με διαστάσεις ένα μέτρο πλάτος και ένα μέτρο ύψος (δηλαδή ένα τετραγωνικό μέτρο) θα παράγει περίπου 160 Watt την ώρα αν αποτελείται από μονοκρυσταλλικά φωτοβολταικά στοιχεία, περίπου 140 Watt την ώρα αν αποτελείται από πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία και περίπου 80 Watt την ώρα αν είναι για παράδειγμα άμορφου πυριτίου. Ένα Φωτοβολταϊκό με ονομαστική μέγιστη ισχύ 100 W p βγάζει έξοδο περίπου 20 Volt και 5 Ampere (20x5=100). Μπορούμε να συνδέσουμε όσα Φωτοβολταικα πάνελ θέλουμε σε σειρά ή και παράλληλα, για να πετύχουμε το συνδυασμό τάσης ρεύματος (Volt), έντασης ρεύματος (Ampere) και φυσικά την συνολική ισχύ (Watt) που θέλουμε να έχει το σύστημά μας ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Αν έχουμε 10 Φωτοβολταϊκά πάνελ ισχύος 100 W p το κάθε ένα, συνδεδεμένα σε σειρά θα έχουν συνολική τάση περίπου 200 V και ένταση 5 Α. Συνδεδεμένα παράλληλα θα έχουν συνολική τάση περίπου 20 V και ένταση 50 Α. Και στις δύο περιπτώσεις, η συνολική ισχύς θα είναι 1000 W p. Δηλαδή, με 5 ώρες έντονης ηλιοφάνειας την ημέρα, θα αποδίδουν 5000 Wh κάθε μέρα, ή αλλιώς 5 kwh. Φωτοβολταϊκά συνδεδεμένα σε σειρά εννοούμε όταν τα έχουμε συνδέσει μεταξύ τους, ενώνοντας το θετικό καλώδιο εξόδου του ενός πάνελ με το αρνητικό του άλλου, δηλαδή εναλλάξ το + με το - κ.ο.κ. Συνδεδεμένα παράλληλα είναι όταν συνδέουμε το θετικό καλώδιο εξόδου του ενός πάνελ με το θετικό του επόμενου και το αρνητικό καλώδιο εξόδου με το αρνητικό του Σελίδα 38

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» επόμενου. Σε σειρά αθροίζεται μόνο η τάση (τα Volt), ενώ παράλληλα αθροίζεται μόνο η ένταση (τα Ampere). Τα Φωτοβολταϊκά πάνελ τα συνδέουμε συνήθως σε σειρά για μεγαλύτερη τάση (Volt) όταν πρόκειται να συνδεθούν με το δίκτυο της ΔΕΗ. Αν προορίζονται για αυτόνομο σύστημα με συσσωρευτές (μπαταρίες), τότε η απαιτούμενη τάση εξαρτάται από αυτή των συσσωρευτών. Αν η τάση των συσσωρευτών είναι 12 V, τότε συνδέουμε τα Φωτοβολταικά παράλληλα (η τάση μένει σταθερή και πολλαπλασιάζουμε τα Ampere) ΗΛΙΟΦΑΝΕΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Ένα Φωτοβολταϊκό σύστημα ονομαστικής ισχύος 1 kw p (για παράδειγμα 10 Φωτοβολταϊκά πάνελ των 100 W p το κάθε ένα) αποδίδει στην Ελλάδα από περίπου 1150 kwh (Bόρεια Ελλάδα) έως 1450 kwh (Nότια Ελλάδα) το έτος. Στην Αττική, τις Κυκλάδες και τα Δωδεκάνησα κυμαίνεται γύρω στις kwh. Σχήμα 3.1 Ηλιακό δυναμικό της Ελλάδας. Για να βρούμε τη μέση ημερήσια παραγωγή ενός Φωτοβολταϊκού πάνελ, συνηθίζουμε να πολλαπλασιάζουμε την ονομαστική του ισχύ επί 5. Έτσι, ένα Φωτοβολταϊκό πάνελ ονομαστικής ισχύος 100W p, κατ' εκτίμηση παράγει ημερησίως 500 Wh (0,5 kwh) κατά μέσο όρο. Είναι προφανές ότι το καλοκαίρι η μέση Σελίδα 39

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» παραγωγή θα είναι μεγαλύτερη από τη μέση παραγωγή το χειμώνα (τον Ιούλιο ή τον Αύγουστο είναι σχεδόν διπλάσια σε σχέση με το Δεκέμβριο ή τον Ιανουάριο) ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Τα Φωτοβολταϊκά στοιχεία όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, κατασκευάζονται κυρίως από ημιαγωγούς που είναι στοιχεία τετρασθενή με τετραεδρική κρυσταλλική δομή όπως το πυρίτιο (Si). Στα στοιχεία αυτά δεν υπάρχουν ελεύθεροι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος και δε διαθέτουν ηλεκτρική αγωγιμότητα στην υποθετική περίπτωση που ο ημιαγωγός βρίσκεται στη θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση, δηλαδή είναι εντελώς υποβαθμισμένος ενεργειακά. Όταν όμως απορροφήσουν κάποια αξιόλογη ενέργεια, π.χ. με τη μορφή θερμότητας ή ακτινοβολίας, η ενέργεια που παρέχεται στο σώμα και κατανέμεται στα άτομά του, προκαλεί την ελευθέρωση πολλών ηλεκτρονίων από τους δεσμούς. Τα ηλεκτρόνια αυτά απομακρύνονται από την περιοχή του δεσμού τους στο κρυσταλλικό πλέγμα, χάρη στην κινητική ενέργεια που απόκτησαν και γίνονται ευκίνητοι φορείς του ηλεκτρισμού, δίνοντας στον ημιαγωγό μια αξιόλογη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Είναι φανερό ότι το ενεργειακό διάκενο ανάμεσα στη ζώνη σθένους και στη ζώνη αγωγιμότητας εκφράζει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους, ώστε να μετατραπεί σε ελεύθερο ηλεκτρόνιο, με ταυτόχρονη δημιουργία μιας οπής. Αν στα ηλεκτρόνια των δεσμών του κρυστάλλου προσφερθεί μια ποσότητα ενέργειας π.χ. αν δεχθούν μια δέσμη ακτινοβολίας που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια hv μικρότερη από το ενεργειακό διάκενο (Εg>hν), δε μπορούν να την απορροφήσουν και μένουν στη ζώνη σθένους. Αν όμως τα ενεργειακά κβάντα που προσφέρονται είναι ίσα ή μεγαλύτερα από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού (Εg<hv), τότε κάθε κβάντο μπορεί να απορροφηθεί από ένα ηλεκτρόνιο σθένους και να διεγερθεί προς τη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας στη ζώνη σθένους μία οπή. Ο παραπάνω μηχανισμός διέγερσης εξαρτάται και από το αν ο ημιαγωγός έχει άμεσο ή έμμεσο ενεργειακό χάσμα. Αν τώρα ο τετρασθενής ημιαγωγός Si, νοθευτεί (ντοπαριστεί) με κάποιο πεντασθενές στοιχείο (φώσφορος, Ρ) ή με κάποιο τρισθενές στοιχείο (βόριο, Β), τότε παράγεται ημιαγωγός προσμίξεως τύπου-n και τύπου-p αντίστοιχα. Τέσσερα από τα πέντε ηλεκτρόνια σθένους κάθε ατόμου Ρ, θα ενωθούν με ηλεκτρόνια σθένους των γειτονικών ατόμων Si και θα σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο (φορέας πλειονότητας) θα συγκρατείται πολύ χαλαρά από Σελίδα 40

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» το θετικό πυρηνικό φορτίο του Ρ και με λίγη ενέργεια μπορεί να αποσπασθεί και να κινηθεί σαν ελεύθερο ηλεκτρόνιο, αφήνοντας ένα ανιόν (Ρ + ) που μένει ακίνητο στο πλέγμα. Δηλαδή το πεντασθενές άτομο συμπεριφέρεται στο πλέγμα σα δότης ηλεκτρονίων (n-τύπου ημιαγωγός). Αντίστοιχα, με την πρόσμιξη τρισθενών ατόμων Β σε πλεγματικές θέσεις του Si, δημιουργούνται κενές θέσεις ηλεκτρονίων στους δεσμούς. Με την απορρόφηση ενός μικρού ποσού ενέργειας, ένα ηλεκτρόνιο από ένα γειτονικό πλήρη δεσμό μπορεί να καλύψει την κενή θέση, αφήνοντας παράλληλα στην προηγούμενη θέση του μια οπή και μετατρέποντας το άτομο Β σε κατιόν (Β - ). Δηλαδή το τρισθενές άτομο συμπεριφέρεται σαν αποδέκτης ηλεκτρονίων (φορείς μειονότητας) ή δότης οπών (p - τύπου ημιαγωγός). Όταν σε μια περιοχή του ημιαγωγού υπάρχει δημιουργία ή έκχυση φορέων σε περίσσεια, αυτοί διαχέονται προς τις άλλες περιοχές του ημιαγωγού όπου η συγκέντρωση των αντίστοιχων φορέων είναι μικρότερη. Επίσης όταν ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου p έλθει σε στενή επαφή με ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου n, δηλαδή σχηματιστεί μια επαφή p-n (διάταξη διόδου ημιαγωγού), τότε ένα μέρος από τις οπές του τεμαχίου τύπου p διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου n όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα μέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τεμαχίου τύπου n διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου p όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι πολύ λιγότερα. Η ανάμιξη αυτή των φορέων και η αύξηση της συγκέντρωσης των φορέων μειονότητας στις περιοχές κοντά στη διαχωριστική επιφάνεια (περιοχή κένωσης) των τεμαχίων τύπου p και n, ανατρέπουν την ισορροπία που υπήρχε πριν. Η αποκατάσταση των συνθηκών ισορροπίας γίνεται με επανασυνδέσεις των φορέων, μέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιμές που να ικανοποιούν τον νόμο δράσης των μαζών. Η συγκέντρωση των κατιόντων στα οποία μετατράπηκαν οι αποδέκτες στο τμήμα τύπου p και n, παραμένουν αμετάβλητες αφού τα ιόντα, όπως συνήθως όλα τα άτομα στα στερεά, μένουν ακίνητα στο σώμα. Έτσι το υλικό χάνει τοπικά την ηλεκτρική ουδετερότητα και οι δύο πλευρές της ένωσης p-n φορτίζονται με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία. Δημιουργείται λοιπόν μια διαφορά δυναμικού, που η τιμή της είναι σχετικά μικρή, αλλά το ενσωματωμένο αυτό ηλεκτροστατικό πεδίο εμποδίζει την παραπέρα διάχυση των φορέων πλειονότητας προς το απέναντι τμήμα της ένωσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι η δίοδος που περιέχει την ένωση p-n, παρουσιάζει εντελώς διαφορετική συμπεριφορά στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, ανάλογα με την φορά του. Σελίδα 41

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 3.4.ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Η μεγάλη φωτοαγωγιμότητα που παρουσιάζει ένας ημιαγωγός, είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την δημιουργία του Φωτοβολταϊκού φαινομένου, όμως μόνο αυτό δεν αρκεί. Οι ελεύθεροι φορείς που δημιουργούνται πρέπει να τεθούν σε κίνηση με κάποιο μηχανισμό ο οποίος δεν θα απαιτεί εξωτερική ηλεκτρική πηγή. Αυτή η πηγή βρίσκεται μέσα στην ίδια ημιαγώγιμη διάταξη. Είναι η επαφή p-n. Το πεδίο που δημιουργείται με την επαφή δυο ημιαγωγικών υλικών είναι σε θέση να κινήσει τους ελεύθερους ηλεκτρικούς φορείς τους οποίους δημιούργησε το φως. Για να υφίσταται το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο, είναι απαραίτητη η δημιουργία επαφής δυο φωτοαγώγιμων ημιαγωγικών υλικών. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων - οπών, δημιουργούνται σε όλο το χώρο των ημιαγωγών με τον οποίο έρχονται σε επαφή με δυο τρόπους: - Θερμικά, καθώς ο ημιαγωγός βρίσκεται σε κάποια θερμοκρασία. - Με τη επίδραση φωτισμού, κατάλληλου μήκους κύματος. Ζεύγη ηλεκτρονίων - οπών δημιουργούνται μέσα στην περιοχή επαφής, όπου υπάρχει το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, αλλά και έξω από αυτή την περιοχή, κοντά στις περιοχές n και p. Μερικοί από αυτούς τους φορείς, είναι πολύ πιθανό να φτάσουν στις περιοχές που υπερτερούν όμοιοι με αυτούς φορείς (φορείς πλειονότητας). Εκεί μπορούν να παραμείνουν ως ελεύθεροι ηλεκτρικοί φορείς καθώς είναι πολύ μικρή η πιθανότητα να συναντήσουν φορέα μειονότητας και να επανασυνδεθούν Οι υπόλοιποι θα συναντήσουν αντίθετο φορέα, με τον οποίο θα γίνει επανασύνδεση χωρίς να συμμετέχουν στην δημιουργία ρεύματος. Ατέλειες στην δομή του ημιαγωγού αυξάνουν την πιθανότητα επανασύνδεσης. Γι αυτό το ημιαγωγικό υλικό παρασκευής χαρακτηρίζεται από τον πολύ υψηλό βαθμό καθαρότητας. Όπως αναφέραμε προηγουμένως η περιοχή τύπου n έχει ως φορείς πλειονότητας τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, και αντίστοιχα η περιοχή τύπου p έχει τις οπές όπου γίνεται θετικότερο. Κίνηση των φωτοδημιουργούμενων φορέων και υπό την επίδραση του ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου, της επαφής, αποτελεί ρεύμα, με φορά αυτή του πεδίου. Το ρεύμα αυτό ονομάζεται φωτόρευμα I L. Η τιμή του δημιουργούμενου φωτορεύματος είναι ανάλογη του πλήθους των φωτονίων που απορροφά η ημιαγωγική διάταξη, και το οποίο είναι ανάλογο με το πλήθος των φωτονίων που προσπίπτουν στην επιφάνεια της διάταξης. Η συνολική ενέργεια, των φωτονίων, ανά μονάδα χρόνου και επιφανείας, είναι η πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Άρα η τιμή του φωτορεύματος I L είναι ευθέως ανάλογο της Σελίδα 42

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» πυκνότητας ισχύος Ε (W/m 2 ), της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της διάταξης και του εμβαδού της επαφής των δυο ημιαγωγών. Σχήμαα 3.2. Η ημιαγωγική διάταξη και η δημιουργία φωτορεύματος. 3.5 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Ένα σύνολο Φ/Β στοιχείων που είναι ηλεκτρονικά συνδεδεμένα. Μετά την παρασκευή της βασικής δομής του Φ/Β στοιχείου, ακολουθεί η κοπή του στο επιθυµητό σχήμα, συνήθως τετραγωνικό, ώστε κατά τη σύνθεσή τους σε µεγαλύτερη µονάδα, να αφήνουν µμεταξύ τους την ελάχιστη µη εκµεταλλεύσιµη επιφάνεια. Ένα σύνολο Φ/Β στοιχείων συνδέονται σε σειρά, ώστε να αποτελούν εύχρηστη σε µμέγεθος µμονάδα, µε τα επιθυμητά ηλεκτρικά και µμορφολογικά χαρακτηριστικά. Τα βασικά κριτήρια των χαρακτηριστικών αυτών είναι: Η δυνατότητα συνδυασμού της µμονάδας αυτής µε συσσωρευτή τυπικής ονομαστικής τάσης 12 V, για την αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Σελίδα 43

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Η ευκολία κατασκευής, µμεταφοράς και ενσωµάτωσής τους σε σύνολα (συστοιχίες) καθώς και το μειωμένο κόστος αντικατάστασής της, στην περίπτωση βλάβης ή καταστροφής της. Σχήμαα 3.3 Τομή Φ/Β πλαισίου Στην πράξη, ένα σύνολο Φ/Β στοιχείων συνδεμένων σε σειρά ώστε να εμφανίζουν συγκεκριμένη τάση ανοικτού κυκλώματος (η σύνδεση 36 Φ/Β στοιχείων πυριτίου, δίνει τάση ανοικτού κυκλώματος, σε θερμοκρασία κυψελίδας θ C =25 C, V oc =36x0,6 V=21,6 V), τοποθετούνται, σε επίπεδη γυάλινη πλάκα, υψηλής διαφάνειας, προσαρµοσµένης σε µεταλλικό πλαίσιο, υψηλής αντοχής, συνήθως από ανοδιοµένο αλουμίνιο. Το πίσω µέρος καλύπτεται από ειδικό πλαστικό υλικό, για προστασία από την υγρασία. Η τελική κατασκευή πληροί ειδικές προδιαγραφές, ώστε να διαθέτει την απαραίτητη µηχανική αντοχή, τις κατάλληλες υποδοχές στήριξης και επιπλέον την αυξηµένη στεγανότητα για προστασία από την υγρασία. Η διάταξη αυτή αποτελεί την τυπική Βιομηχανική µονάδα (module) και ονοµάζεται Φωτοβολταϊκό πλαίσιο (Photovoltaic module). Αποτελεί τη βασική δοµική µονάδα κάθε µεγαλύτερης εγκατάστασης παραγωγής Φ/Β ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή, της Φωτοβολταϊκής συστοιχίας (array). Τυπικές τιµές ισχύος αιχµής ενός Φ/Β πλαισίου εµπορίου: από µερικά W p έως τα 220 W p. Διατίθενται επίσης σε µεγαλύτερες διαστάσεις, µε περισσότερα Φ/Β στοιχεία, σε σειρά και παράλληλη εσωτερική σύνδεση, µε τη µορφή σύνθετων διατάξεων, που χαρακτηρίζονται από υψηλή ισχύ αιχµής και συνήθως υψηλή τάση ανοικτού κυκλώµατος, κατάλληλες για ειδικές εφαρµογές. Σελίδα 44

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Η αρχική µορφή των Φ/Β στοιχείων στο πλαίσιο ήταν η κυκλική (Κυκλικά wafers από το κυλινδρικό ingot της µεθόδου Czochralski), µε αποτέλεσµα να µένει αρκετή µη ενεργός επιφάνεια του πλαισίου. Σήµερα, τα Φ/Β στοιχεία που χρησιμοποιούνται στα Φ/Β πλαίσια, έχουν τετραγωνικό σχήµα (mc-si) ή τετραγωνικό µε κοµµένες τις γωνίες (κυψελίδες c-si), ώστε να ελαχιστοποιείται η µη αξιοποιήσιµη επιφάνεια του Φ/Β πλαισίου. Όσον αφορά στην επιλογή του αριθµού των Φ/Β στοιχείων απ' τα οποία θα κατασκευαστεί το Φ/Β πλαίσιο έχει άµεση σχέση µε την ονοµαστική ηλεκτρική τάση 12 V στους πόλους των ηλεκτρικών συσσωρευτών Pb/H 2 SO 4, οι οποίοι κατέχουν την πρώτη θέση στην Παγκόσμια αγορά. Ο λόγος είναι ο εξής: Η Φ/Β συστοιχία αποδίδει την ενέργειά της µε τη µέγιστη ισχύ, όταν φωτίζεται µε ένα ήλιο (1 sun 1 kw/m 2 ) και λειτουργεί στο λεγόµενο σηµείο µέγιστης ισχύος (ΣΜΙ). Το σηµείο αυτό, στην περίπτωση ενός Φ/Β πλαισίου, φροντίζουµε να αντιστοιχεί σε τάση που να καλύπτει τη φόρτιση του τυπικού ηλεκτρικού συσσωρευτή. Συγκεκριµένα, για τη φόρτιση του συσσωρευτού µολύβδου - θειικού οξέως (Pb/H 2 SO 4 ), ονοµαστικής τάσης 12 V, απαιτείται τάση περίπου 14,2-14,4 V. Στο σύστηµα αυτό είναι απαραίτητη η παρεµβολή µιας απλής ηλεκτρονικής διάταξης, για τον έλεγχο των ορίων τάσης φόρτισης και εκφόρτισης του συσσωρευτή καθώς και µιας διόδου αντεπιστροφής, ώστε να αποτρέπεται η εκφόρτιση του ηλεκτρικού συσσωρευτού διαµέσου της Φ/Β συστοιχίας, όταν αυτή δεν φωτίζεται. Αυτά τα πρόσθετα ηλεκτρονικά και οι γραµµές μεταφοράς, απαιτούν µια επιπλέον τάση 1-2 V. Άρα το ΣΜΙ της πιο απλής Φ/Β συστοιχίας, δηλαδή, ενός Φ/Β πλαισίου, σε ένα ήλιο, πρέπει να καλύπτει τουλάχιστον την τάση των 15 έως 17 V. Η απαίτηση αυτή, σε συνδυασμό µε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των Φ/Β στοιχείων, οδηγεί στην επιλογή των συγκεκριµένων ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των Φ/Β πλαισίων. Η αντίστοιχη τάση ανοικτού κυκλώµατος είναι στην περιοχή 19 V 22 V. Αυτό δικαιολογεί το πλήθος των Φ/Β στοιχείων που χρησιμοποιούνται σ' ένα Φ/Β πλαίσιο. Με στόχο τα Φ/Β πλαίσια να προσαρµοστούν περισσότερο στην αρχιτεκτονική µορφή του κτιρίου, οι εταιρείες κατασκευής τους προτείνουν λύσεις που ταιριάζουν µε τις απαιτήσεις της πρακτικότητας και της αισθητικής. Παραδείγµατος χάριν, για τις στέγες των κτιρίων παραδοσιακής µορφής, προτείνεται η χρήση Φ/Β πλαισίων µε τη µορφή κεραµιδιών. Στις πλευρές του κτιρίου, µπορούν να τοποθετηθούν Φ/Β πλαίσια - ζωγραφικοί πίνακες. Φ/Β πλαίσια ηµιπερατά στο ηλιακό φως µπορούν να τοποθετηθούν σε διαδρόµους µεγάλων κτιριακών συγκροτηµάτων, συνδυάζοντας τη δυνατότητα Σελίδα 45

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» φυσικού ηµερήσιου φωτισµού του διαδρόµου µε τη δυνατότητα τεχνητού φωτισµού, από αποθηκευµένη Φ/Β ηλεκτρική ενέργεια, κατά τη διάρκεια της νύκτας ή των συwεφιασµένων ηµερών. Ειδικής χρήσης Φ/Β πλαίσια, είναι κατασκευασµένα από εύκαµπτο υλικό και σε µερικές περιπτώσεις, µε τέτοιο τρόπο, ώστε να διπλώνονται, καταλαµβάνοντας µικρό χώρο. Η πιο απλή και ευρέως διαδεδοµένη εφαρµογή των Φ/Β στοιχείων αφορά στην ηλεκτρική τροφοδοσία των φορητών υπολογιστών αριθµητικών πράξεων (Calculators). 3.6.ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΑΝΕΛ Ένα ή περισσότερα Φ/Β πλαίσια, που έχουν προκατασκευαστεί και συναρμολογηθεί σε ενιαία κατασκευή, έτοιμη για να εγκατασταθεί σε Φ/Β εγκατάσταση (ΡV panel). Σχήμα 3.4 Αναπαράσταση διάταξης Φ/Β συστήματος 3.7.ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ Μια ομάδα από Φ/Β πλαίσια ή πανέλα με ηλεκτρική αλληλοσύνδεση, είναι τοποθετημένα συνήθως σε κοινή κατασκευή στήριξης (ΡV array). Σελίδα 46

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 3.7 Φ/Β συστοιχία Φωτοβολταϊκή γεννήτρια: Το τμήμα μιας Φ/Β εγκατάστασης που περιέχει Φ/Β στοιχεία και παράγει συνεχές ρεύμα (ΡV generator). 3.8.ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΤΗΡΙΞΗΣ Τα Φ/Β πλαίσια προκειμένου να τοποθετηθούν / προσαρμοστούν στο σημείο εγκατάστασής τους εφοδιάζονται με ειδικές κατασκευές. Οι κατασκευές αυτές στήριξης πρέπει να πληρούν συγκεκριμένα κριτήρια, όπως αντοχή στα φορτία που προέρχονται από το βάρος των πλαισίων και τους τοπικούς ανέμους, να μην προκαλούν σκιασμό στα πλαίσια, να επιτρέπουν την προσέγγιση στα πλαίσια, αλλά ταυτόχρονα να διασφαλίζουν την ασφάλειά τους. 3.9.ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Τα Φ/Β πλαίσια από (συνήθως 30 έως 36) ερμητικά σφραγισμένα Φ/Β στοιχεία μέσα σε ειδική διαφανή πλαστική ύλη, των οποίων η μπροστινή όψη προστατεύεται από ανθεκτικό γυαλί. Η κατασκευή αυτή που δεν ξεπερνά σε πάχος τα 4 με 5 χιλιοστά, τοποθετείται συνήθως σε πλαίσιο αλουμινίου. Τα στοιχεία εσωτερικά είναι συνδεδεμένα σε σειρά ή παράλληλα ανάλογα με την εφαρμογή. Σελίδα 47

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 3.10.ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (INVERTERS) Τα Φ/Β πλαίσια παράγουν συνεχές ρεύμα ενώ τα φορτία καταναλώνουν εναλλασσόμενο ρεύμα. Για την μετατροπή της ισχύος στα Φ/Β συστήματα χρησιμοποιούνται αντιστροφείς (Iinverters) συνεχούς σε εναλλασσόμενο (DC/AC). Σκοπός των συστημάτων μετατροπής ισχύος είναι η κατάλληλη ρύθμιση των χαρακτηριστικών του παραγόμενου ρεύματος, ώστε να καταστεί δυνατή η τροφοδοσία των διάφορων καταναλώσεων. Τα σημαντικότερα κριτήρια για την επιλογή του αντιστροφέα είναι: 1. αξιοπιστία 2. ενεργειακή απόδοση 3. οι αρμονικές παραμορφώσεις 4. το κόστος 5. η συμβατότητα με τις τεχνικές απαιτήσεις της ΔΕΗ Σε ένα τυπικό Φ/Β σύστημα ο αντιστροφέας (ή αντιστροφείς) τοποθετείται σε απόσταση από τα Φ/Β πλαίσια σε στεγασμένο χώρο. Στις περιπτώσεις αυτές οι καλωδιώσεις είναι συνεχούς ρεύματος. Σχήμα 3.5 Σύστημα μετατροπής ισχύος (Inverter) Σελίδα 48

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 3.11.ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΛΟΙΠΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Σχήμα 3.6 Διάταξη ηλεκτρονικών συστημάτων Το Φ/Β σύστημα συμπληρώνουν οι ηλεκτρονικές διατάξεις ελέγχου, η γείωση, οι καλωδιώσεις (συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος) και σχετικό ηλεκτρολογικό υλικό, οι διατάξεις ασφαλείας, ο μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας και σύστημα παρακολούθησης της λειτουργίας του Φ/Β συστήματος. Η ΔΕΗ απαιτεί την ύπαρξη προστασίας απόζευξης του σταθμού μέσω διατάξεων του αντιστροφέα, ώστε ο σταθμός να αποσυνδέεται τόσο σε περίπτωση έλλειψης τάσης από το δίκτυο της ΔΕΗ, (προς αποφυγή του φαινομένου της νησιοδότησης) όσο και στην περίπτωση που η τάση και η συχνότητα αποκλίνουν των ακολούθων ορίων: Τάση: από + 15 % έως - 20 % επί της ονομαστικής (230 V). Συχνότητα: ± 0,5Hz της ονομαστικής (50 Hz). Σε περίπτωση υπέρβασης των πιο πάνω ορίων ο αντιστροφέας θα τίθεται εκτός (αυτόματη απόζευξη) με τις ακόλουθες χρονικές ρυθμίσεις: - Θέση εκτός του αντιστροφέα σε 0,5 sec Σελίδα 49

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» - Επανάζευξη του αντιστροφέα μετά από 3min Εάν κατά την λειτουργία του Φ/Β σταθμού διαπιστωθούν προβλήματα αρμονικών, έγχυσης συνεχούς τάσεως στο δίκτυο κλπ, θα πρέπει ο παραγωγός να λάβει τα κατάλληλα μέτρα που θα του υποδείξει η ΔΕΗ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΥΛΙΚΩΝ Για τη δημιουργία μιας επαφής p-n, παρασκευάζεται αρχικά το βασικό υλικό, δηλαδή ο καθαρός (ενδογενής) ημιαγωγός, όπου κυρίως είναι το πυρίτιο, γερμάνιο. Στη συνέχεια δημιουργούνται οι περιοχές τύπου n και p, προσθετικά, με κατάλληλες μεθόδους. Ως δότες χρησιμοποιούνται, συνήθως, το Λίθιο (Li) και ο Φωσφόρος (Ρ), ενώ ως αποδέκτες το Βόριο (Β), το Αλουμίνιο (Αl) και το Ίνδιο (In). Το Πυρίτιο είναι από τα πλέον διαδεδομένα στοιχεία, στη φύση, ευρισκόμενο με τη μορφή διαφόρων ενώσεων. Το οξείδιο του Πυριτίου, αποτελεί το κύριο συστατικό της άμμου. Το επόμενο σχήμα δείχνει τα βασικά στάδια παραγωγής καθαρού πυριτίου, με πρώτη ύλη, την άμμο. Οι πέντε βασικότερες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή ενός καθαρού ημιαγωγού και την εισαγωγή των διαφόρων προσμίξεων είναι οι ακόλουθες: 1. Μέθοδος ανάπτυξης μονοκρυστάλλου ή μέθοδος Czochralski 2. Μέθοδος της Επιπλέουσας Ζώνης 3. Μέθοδος κράματος Σχήμα 3.7: Διάγραμμα ροής εργασιών παραγωγής ηλεκτρονικά καθαρού πυριτίου με την μορφή κυλίνδρου, με πρώτη ύλη από άμμο. Σελίδα 50

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 4. Τεχνική της διάχυσης 5. Τεχνική της εμφύτευσης ιόντων ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΠΤΥΞΕΩΣ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥ Η ΜΕΘΟΔΟΣ CZOCHRALSKI Μικρό τμήμα του κρυσταλλικού υλικού χρησιμοποιείται ως φύτρο κρυστάλλωσης, τιθέμενο σε επαφή με την επιφάνεια τήγματος (θερμοκρασία τήγματος 1417 ο C) του ίδιου του κρυσταλλικού υλικού και στη συνέχεια ανασύρεται περιστρεφόμενο πολύ αργά, με ταχύτητα μερικών mm/min. Κρύσταλλοι από το τήγμα προσκολλώνται στο φύτρο και έτσι σχηματίζεται σταδιακά, ένας μονοκρύσταλλος, σε κυλινδρική μορφή διαμέτρου ~6 in και μήκους 1m. Στη συνέχεια ο κύλινδρος κόβεται σε πλακίδια κατάλληλου πάχους (Wafers). Ανάλογα με το τύπο του υλικού που απαιτείται, προσθέτονται στο τήγμα κατάλληλες, σε κάθε περίπτωση, προσμείξεις. Εφόσον κοπεί σε φέτες και γίνει κατάλληλη επεξεργασία για την δημιουργία των n και p περιοχών, τοποθετούνται τα ηλεκτρόδια σε μορφή σχάρας. Τα φωτοβολταϊκά που παρασκευάζονται με αυτή τη μέθοδο έχουν απόδοση 13-14%. Είναι οικονομική μέθοδος και δίνει κυλίνδρους μεγάλης διαμέτρου. Σχήμα 3.8 Πλακίδια πυριτίου (wafers) Σελίδα 51

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Σχήμα 3.9 Δοχείο σχηματισμού κρυστάλλου πυριτίου ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΗΣ ΕΠΙΠΛΕΟΥΣΑΣ ΖΩΝΗΣ Παρόμοια μέθοδος με την μέθοδο Czochralski αλλά εξελίσσεται κατά την αντίθετη κατεύθυνση (από πάνω προς τα κάτω), χωρίς δοχείο τήξεως του πολυκρυσταλλικού πυριτίου (p-si). Το p-si σε μορφή ράβδου, τοποθετείται με τον άξονά του κατακόρυφο, σε σύστημα που του επιτρέπει την αργή κατακόρυφη κίνηση. Φύτρο από καθαρό κρυσταλλικό πυρίτιο τοποθετείται κάτω από τον κύλινδρο, ο οποίος κατερχόμενος διέρχεται από χώρο θέρμανσης, με συσκευή υψηλής συχνότητας. Το αντίστοιχο τμήμα (Ζώνη) λιώνει, ανακρυσταλλόμενο στο κρυσταλλικό φύτρο, το οποίο κατέρχεται περιστρεφόμενο. Το λιωμένο πυρίτιο στερεοποιείται δημιουργώντας κατακόρυφο κρύσταλλο υψηλότερης καθαρότητας από την μέθοδο Czochralski. Είναι η πιο ακριβή μέθοδος, όμως τα φωτοβολταϊκά που παράγονται έχουν υψηλότερη απόδοση (17-18%). Σελίδα 52

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Σχήμα 3.10 Μέθοδος της επιπλέουσας ζώνης ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΡΑΜΑΤΟΣ Στην επιφάνεια λεπτού πλακιδίου ημιαγωγού τύπου n, τοποθετείται ποσότητα άλλης ουσίας, που συμπεριφέρεται ως αποδέκτης, για τον ημιαγωγό του πλακιδίου. Για παράδειγμα, πάνω σε πλακίδιο Ge, τύπου n, τοποθετείται ποσότητα In, το οποίο είναι εύτηκτο. Το σύστημα θερμαίνεται μέχρι να λιώσει το In. Η διείσδυση του στο Ge, δημιουργεί μια περιοχή ευτήκτου κράματος, όπου οι προσμείξεις p υπερτερούν των n. Το τμήμα του In που απομένει αποτελεί τη μεταλλική επαφή της πλευράς αυτής. Παρουσιάζει το μειονέκτημα της αδυναμίας ακριβή καθορισμού των διαφόρων στρωμάτων και μάλιστα με επαναλήψιμο τρόπο ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ Το υπόστρωμα (ημιαγωγός ορισμένου τύπου πρόσμιξης) τοποθετείται σε κατάλληλο θάλαμο, στον οποίο εισάγεται νέα πρόσμειξη, με τη μορφή ατμών υψηλής θερμοκρασίας, αντίθετου τύπου του υποστρώματος. Το τμήμα αυτό σε στενή επαφή με το υπόλοιπο, που περιέχει την αρχική πρόσμειξη, αποτελούν την επαφή p-n. Σελίδα 53

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΕΜΦΥΤΕΥΣΗΣ ΙΟΝΤΩΝ Τα άτομα ενός τύπου ημιαγωγού ιονίζονται και στη συνέχεια αφού επιταχυνθούν σε ηλεκτρικό πεδίο υψηλής τάσης ( kv), εμφυτεύονται σε υπόστρωμα ημιαγωγού προσμείξεων αντίθετου τύπου. Ιδιαίτερη κατηγορία αποτελεί η τεχνολογία των ημιαγωγικών διατάξεων με τη μορφή λεπτών υμενίων (films), που έχουν μεγάλη εφαρμογή στην ανάπτυξη Φωτοβολταϊκών στοιχείων άμορφου πυριτίου ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ Φ/Β ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Φ/Β 1. Παράγουν «δωρεάν» ηλεκτρική ενέργεια από τον ήλιο. 2. Δεν έχουν κινούμενα μέρη και λειτουργούν αθόρυβα. 3. Όχι μόνο δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον με αέρια ή άλλα κατάλοιπα, αλλά αποτρέπουν κατά μέσο όρο την έκλυση 1,5 tn CO 2 κατ έτος, όσο δηλ. θα απορροφούσαν περίπου δύο στρέμματα δάσους. 4. Μπορούν να λειτουργήσουν αυτόνομα και αξιόπιστα, χωρίς την παρουσία χειριστή. 5. Μπορούν να εγκατασταθούν και να λειτουργήσουν σε απομονωμένες περιοχές. 6. Δεν καταναλώνουν κάποιο είδος καυσίμου. 7. Μπορούν να λειτουργήσουν παράλληλα με άλλα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 8. Λειτουργούν χωρίς προβλήματα κάτω από όλες τις καιρικές συνθήκες. 9. Χρειάζονται ελάχιστη συντήρηση. 10. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής (που φθάνει τα 30 έτη). 11. Είναι λειτουργικά, καθώς προσφέρουν επεκτασιμότητα ανάλογα με τις ανάγκες σε φορτίο και δυνατότητα αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας (σε δίκτυο ή συσσωρευτές). 12. Δεν ελέγχονται από κανένα (ή καμία εταιρεία) και αποτελεί ανεξάντλητο εγχώριο ενεργειακό πόρο που δίνει ανεξαρτησία, προβλεψιμότητα και ασφάλεια στην ενεργειακή τροφοδοσία. Σελίδα 54

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 13. Βοηθούν στην ορθολογική χρήση και εξοικονόμηση ενέργειας, κάνοντας τον καταναλωτή που διαθέτει φωτοβολταϊκά πιο προσεκτικό και ενήμερο στον τρόπο που καταναλώνει την ενέργεια, αλλά και στα στοιχεία που αφορούν την παραγόμενη και καταναλισκόμενη ενέργεια. 14. Βοηθούν στην αποκέντρωση της ενέργειας σε μικρές τοπικές μονάδες που δεν έχουν τις μεγάλες ενεργειακές απώλειες που αντιμετωπίζει το κυρίως ηλεκτρικό δίκτυο (~ 12 % στην Ελλάδα). Η εφαρμογή τους σε νησιά με αδύναμα δίκτυα είναι ιδιαίτερα σημαντική. 15. Βοηθούν στην αποφυγή black out, εφ όσον η μέγιστη παραγωγή γίνεται καλοκαίρι και μεσημέρι, ώρες δηλ. που έχουμε τις ημερήσιες αιχμές ζώνης, βοηθώντας στην εξομάλυνση των αιχμών φορτίου (μέχρι και 20%) και τη μείωση του συνολικού κόστους ηλεκτροπαραγωγής από την ΔΕΗ, δεδομένου ότι η κάλυψη των αιχμών είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. 16. Δίνουν κύρος στον χρήστη τους (τουλάχιστον στις προηγμένες χώρες!) και βελτιώνουν το «πρόσωπο» των επιχειρήσεων που τα χρησιμοποιούν. Στις πιο ανεπτυγμένες αγορές η εγκατάσταση Φ/Β αποτελεί πλέον τον κανόνα σε κάθε νέα κτιριακή εφαρμογή. 17. Δημιουργούν σήμερα περισσότερες θέσεις εργασίας ανά MW ή / και ανά επενδυμένο από οποιαδήποτε άλλη ενεργειακή τεχνολογία. Η εγχώρια παραγωγή Φ/Β συνεπάγεται εκατοντάδες θέσεις εργασίας. 18. Αποτελούν μέσο εισόδου ξένων επενδύσεων στην Ελλάδα. 19. Συμβάλουν στην Περιφερειακή Ανάπτυξη και την τοπική απασχόληση, λόγω του αποκεντρωμένου χαρακτήρα της ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Φ/Β 1. Έχουν ακόμα υψηλό αρχικό κόστος επένδυσης(που επιδεινώνεται με την έλλειψη επιδοτήσεων-αυτό για την Ελλάδα!) 2. Απαιτούν σχετικά μεγάλες επιφάνειες εγκατάστασης. 3. Έχουν ακόμη (σήμερα) σχετικά μικρό βαθμό απόδοσης. Σελίδα 55

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 3.14.ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ Το κόστος αγοράς των Φ/Β πλαισίων καθορίζεται από αρκετούς παράγοντες, οι οποίοι με τη σειρά τους καθορίζονται από τα φυσικά και τα δομικά χαρακτηριστικά του πλαισίου. Φυσικά χαρακτηριστικά του πλαισίου είναι η γεωμετρία, το βάρος και τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του. Ο σχεδιαστής του πλαισίου πρέπει να δώσει ιδιαίτερη σημασία στις διαστάσεις του πλαισίου, ώστε να υπάρχει η βέλτιστη τοποθέτηση (παράγοντας κάλυψης-packing factor) των Φ/Β στοιχείων και εξοικονόμηση της διαθέσιμης επιφάνειας, χωρίς να παρουσιαστεί πρόβλημα υπερθέρμανσης των στοιχείων και ηλεκτρικής επαφής μεταξύ τους. Τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πρέπει να παρουσιάζουν υψηλή αντοχή στις καιρικές συνθήκες, μικρό βάρος και καλή απαγωγή της θερμότητας. Αναλυτικότερα ο υαλοπίνακας του πλαισίου πρέπει να παρουσιάζει μικρή ανακλαστικότητα, μικρό δείκτη διάθλασης, μεγάλη αντοχή στο χαλάζι, αργή γήρανση και μικρό βάρος. Η πίσω επιφάνεια του πλαισίου κατασκευάζεται από πλαστική ύλη. Πρέπει να έχει την δυνατότητα αποβολής της παραγόμενης θερμότητας και να μην επηρεάζεται από τις καιρικές συνθήκες, την υπεριώδη ακτινοβολία και να έχει μικρό βάρος. Όλη η κατασκευή συνδέεται με μεταλλικό πλαίσιο (συνήθως από ανοδιομένο αλουμίνιο). Επιπλέον τα Φ/Β πλαίσια πρέπει να πληρούν τις προδιαγραφές της Ε.Ε, έχοντας υποβληθεί στις παρακάτω δοκιμασίες: Θερμικών κύκλων. Θερμικού σοκ. Ψύξης-υγρασίας. Ηλεκτρικής μόνωσης. Κρούσεων χαλαζόπτωσης. Μηχανικής αντοχής και στρέψης. Περιβάλλοντος άλμης. Ακτινοβολιών και έκθεσης στο νερό. Πεδίου. Οι παραπάνω παράμετροι καθορίζουν την ποιότητα και τη διάρκεια ζωής του πλαισίου. Έτσι το κόστος παραγωγής του πλαισίου αυξάνεται με την ποιότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται. Η δομή των υλικών, που χρησιμοποιούνται, αναφέρεται στην τεχνολογία παρασκευής του Φ/Β στοιχείου. Το μεγαλύτερο ποσοστό του κόστους Σελίδα 56

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» κατασκευής ενός πλαισίου το καταλαμβάνει ο ημιαγωγός. Η τιμή του εξαρτάται από το τύπο του ημιαγωγικού στοιχείου. Το άμορφο πυρίτιο είναι το πιο φθηνό υλικό που υπάρχει αυτή τη στιγμή σε βιομηχανική παραγωγή. Τα χαρακτηριστικά του όμως δεν επιτρέπουν την εφαρμογή του σε μεγάλες εγκαταστάσεις. Έτσι λοιπόν η χρήση του περιορίζεται εκεί όπου οι ενεργειακές ανάγκες είναι μικρές. Βρίσκει βέβαια πολλές εφαρμογές την ενσωμάτωση των Φ/Β πλαισίων σε κτίρια (κατασκευάζονται έως και κεραμίδια από άμορφο πυρίτιο). Οι τιμές των πλαισίων από άμορφο πυρίτιο κυμαίνονται από 3 /W p έως 4,7 /W p. Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο καταλαμβάνει αρκετό μέρος της αγοράς καθώς παρουσιάζει σχετικά καλά χαρακτηριστικά. Εφαρμόζεται συνήθως σε οικιακές και εφαρμογές μεσαίου μεγέθους, όπου οι απαιτήσεις σε ενέργεια δεν είναι πολύ μεγάλες και το κόστος παίζει σημαντικό ρόλο. Η τιμή του κυμαίνεται από 4 /W p έως 5,5 /W p. Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι ότι καλύτερο υπάρχει αυτή τη στιγμή στην αγορά, σε μορφή πλαισίου, από άποψη απόδοσης και απόσβεσης κεφαλαίου. Με την τιμή του να μειώνεται και η απόδοσή του να αυξάνεται φτάνοντας τα επίπεδα του πολυκρυσταλλικού, τείνει να καταλάβει την αγορά. Η τιμή του κυμαίνεται από 4 /W p έως 6,5 /W p. Τα πολύ καλά χαρακτηριστικά του το κάνουν ιδανικό για εγκαταστάσεις με μεγάλες απαιτήσεις ενέργειας, όπως Φ/Β πάρκα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και οικίες. Προτιμάται σε μεγάλα πάρκα καθώς έχει μεγάλη απόδοση, καταλαμβάνει μικρότερη έκταση και παράγει περισσότερη ενέργεια ανά m 2, κάτι που σημαίνει ταχύτερη απόσβεση κεφαλαίου και μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Η μείωση του διοξειδίου του άνθρακα συμβάλει όχι μόνο στην αντιμετώπιση του φαινομένου του θερμοκηπίου και τις συνέπειες αυτού, αλλά και στους εθνικούς στόχους που έχουν τεθεί στις χώρες που υπέγραψαν το πρωτόκολλο του Κιότο. Με τα πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω έρχεται πρώτο στις επιλογές των κατασκευαστών μεγάλων Φ/Β συστημάτων σε όλο τον κόσμο. Μπορεί η τιμή του να είναι υψηλότερη, από τις δυο άλλες τεχνολογίες, τα πλεονεκτήματα του όμως μειώνουν τον χρόνο απόσβεσης του κεφαλαίου εγκατάστασης και το ποσό της ενέργειας που παράγεται κατά την λειτουργία του συστήματος (π.χ. 25 έτη) είναι σημαντικά μεγαλύτερο. Σελίδα 57

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 4.1 ΣΑΝ ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΘΕΩΡΗΘΟΥΝ ΟΙ ΕΞΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΙΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ (0, W P ) Τα συστήματα της κατηγορίας αυτής χρησιμοποιούνται σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες με το δίκτυο ή σε τροχόσπιτα, σκάφη αναψυχής, κλπ., για την εξυπηρέτηση αναγκών φωτισμού και ψύξης και για προϊόντα όπως ηλεκτρονικοί υπολογιστές, φανοί κ.ά ΑΥΤΟΝΟΜΑ Η ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (100 W P 200 kw P ) Στην κατηγορία αυτή συγκαταλέγονται συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για κατοικίες και μικρούς οικισμούς που δεν είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο. Ακόμη χρησιμοποιούνται για : αφαλάτωση / άντληση / καθαρισμό νερού φωτισμό (δρόμων, πάρκων, αεροδρομίων) συστήματα τηλεπικοινωνιών, τηλεμετρήσεων και συναγερμού συστήματα σηματοδότησης (οδικής κυκλοφορίας, ναυτιλίας, αεροναυτιλίας) ψύξη (αγροτικών προϊόντων, φαρμάκων κ.λπ.) ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ (200 kw P - ΑΡΚΕΤΑ mw P ) Στην κατηγορία αυτή, που σύμφωνα με τις συμβατικές θεωρήσεις προς το παρόν δεν αξιολογείται σαν οικονομικά βιώσιμη, διακρίνονται δύο κατηγορίες συστημάτων: Σελίδα 59

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Φ/Β συστήματα μεγέθους έως μερικών εκατοντάδων kw p που τροφοδοτούν κατοικίες, συγκροτήματα κατοικιών ή άλλα κτίρια και όπου η τυχόν πλεονάζουσα ενέργεια τροφοδοτείται (πωλείται) προς το δίκτυο. Φ/Β σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπου η παραγόμενη ενέργεια διοχετεύεται απευθείας στο δίκτυο. Για τα Φ/Β συστήματα που αναρτώνται σε κτίρια (σε προσόψεις, οροφές, κλπ.), σε σύνδεση με το δίκτυο, τελευταία έχει εκδηλωθεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Τα οφέλη που προκύπτουν είναι: συγχρονισμός Ψυκτικών φορτίων κτιρίων με μέγιστη παραγόμενη ισχύ από Φ/Β. αποφυγή χρήσης γης. αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, γίνεται προσπάθεια για χρήση των Φ/Β και ως δομικών στοιχείων στα κτίρια, αυξάνοντας έτσι τα οικονομικά οφέλη, εκτός από αυτά που ήδη αναφέρθηκαν. Υπάρχουν δυο κύριες κατηγορίες συστημάτων, το διασυνδεδεμένο με το δίκτυο και το αυτόνομο. Η απλούστερη μορφή του δεύτερου εκ των δυο αποτελείται απλώς από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία μόνη της τροφοδοτεί με συνεχές ρεύμα ένα φορτίο οποτεδήποτε υπάρχει επαρκής φωτεινότητα. Αυτού του τύπου το σύστημα είναι κοινό σε εφαρμογές άντλησης. Σε άλλες περιπτώσεις το σύστημα περιέχει συνήθως μια φροντίδα για αποθήκευση ενέργειας από τις μπαταρίες. Συχνά συμπεριλαμβάνεται κάποια μορφή ρύθμισης της ισχύος, όπως στην περίπτωση που απαιτείται εναλλασσόμενο ρεύμα να εξέρχεται από το σύστημα. Σε μερικές περιπτώσεις το σύστημα περιέχει μια εφεδρική γεννήτρια. Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα μπορούν να υποδιαιρεθούν σ εκείνα στα οποία το δίκτυο ενεργεί απλώς ως μια βοηθητική τροφοδοσία (εφεδρικό δίκτυο) και εκείνα τα οποία ίσως λάβουν επίσης πρόσθετη ισχύ από τη Φ/Β γεννήτρια (αλληλοεπιδρώμενο δίκτυο). Μέσα στους Φ/Β σταθμούς όλη η παραγόμενη ισχύς τροφοδοτείται στο δίκτυο ΑΥΤΟΔΥΝΑΜΑ Η ΑΥΤΟΝΟΜΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (OFF-GRID SYSTEMS/INSELANLAGEN) Είναι ιδανικά για απομακρυσμένες περιοχές όπου δεν υπάρχει τρόπος σύνδεσης με το δίκτυο και όπου είναι δύσκολη η μεταφορά καυσίμου σε περίπτωση χρήσης γεννήτριας Σελίδα 60

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» diesel. Το σύστημα απαιτεί και την ύπαρξη μονάδας αποθήκευσης (μπαταρίας)για την συνεχή λειτουργία του κατά τις νυκτερινές ώρες ή ώρες συννεφιάς Ένας ειδικός ρυθμιστής φόρτισης ρυθμίζει την ενέργεια των Φ/Β για να εξασφαλίσει την άριστη φόρτιση των μπαταριών. Σε απλές εγκαταστάσεις, η ενέργεια απορροφάται κατ ευθείαν από τις μπαταρίες από DC καταναλωτές, ενώ σε εγκαταστάσεις με συνήθεις AC καταναλωτές, το ρεύμα της μπαταρίας μετατρέπεται από συνεχές σε εναλλασσόμενο με αντιστροφέα (Inverter). Τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται σήμερα: Σε αναμεταδότες (ραδιοφώνου ή TV), σε συστήματα επιτήρησης, σε τηλεφωνικούς θαλάμους, σε κεραίες κινητής τηλεφωνίας, σε φάρους, σε διαφημιστικές πινακίδες, στάσεις συγκοινωνίας και σε φωτισμό δρόμων και εθνικών οδών. Επίσης σε βάρκες και τροχόσπιτα, σε αρδεύσεις, γεωτρήσεις και σε σιντριβάνια. Όλες αυτές οι εφαρμογές χρησιμοποιούν μπαταρίες για αποθήκευση, αλλά αν απαιτούνται μεγαλύτερα ποσά ενέργειας, μπορούν να συνδυαστούν με γεννήτριες βιομάζας, με ανεμογεννήτριες ή με γεννήτριες diesel, ώστε να έχουμε ένα υβριδικό σύστημα τροφοδότησης ενέργειας ΔΙΑΣΥΝΔΕΜΕΝΑ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (GRID- CONNECTED SYSTEMS/NETZGEKOPPELTE ANLAGE) Θα αποτελέσουν την κύρια περιοχή ενδιαφέροντος για τα επόμενα χρόνια, όταν επιτέλους αλλάξει η ελληνική νομοθεσία και δώσει κίνητρα, όπως σε όλες τις προηγμένες χώρες, και στις μικρές οικιακές Φ/Β εγκαταστάσεις (< 5 kw). Αυτά τα συστήματα συνδέονται με το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο. Αυτό σημαίνει ότι κατά την διάρκεια της ημέρας ο ηλεκτρισμός που παράγεται από ένα Φ/Β σύστημα μπορεί ή να χρησιμοποιηθεί άμεσα(κάτι που είναι σύνηθες για συστήματα που εγκαθίστανται σε κτίρια γραφείων και άλλων εμπορικών χρήσεων) ή μπορεί να πωληθεί στη ΔΕΗ (κάτι που είναι σύνηθες για οικιακά συστήματα που ο ιδιοκτήτης μπορεί να λείπει κατά τη διάρκεια της ημέρας). Τη νύχτα, όταν το Φ/Β δεν μπορεί πια να παράγει ενέργεια, μπορεί να αγοραστεί πλέον ενέργεια από τη ΔΕΗ. Στην πράξη δηλ. η ΔΕΗ λειτουργεί σα μια αποθήκη ενέργειας, γι αυτό αυτά τα συστήματα δεν χρειάζονται μπαταρίες για αποθήκευση. Μπορούμε όμως, αν θέλουμε, να τοποθετήσουμε μπαταρίες, οπότε πλέον το Φ/Β μας σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σα σύστημα Αδιάλειπτης Παροχής Ενέργειας (UPS), σε περίπτωση διακοπής ρεύματος. Σελίδα 61

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Υπάρχουν διάφοροι τρόποι στην αντιμετώπιση από την ηλεκτρική εταιρεία ενός διασυνδεμένου συστήματος Φ/Β. Τέτοια διασυνδεμένα συστήματα με τα εξαρτήματα τους (με ένα ή δύο μετρητές) φαίνονται στα παρακάτω σχήματα. Εικόνα4.1Εγκατάσταση Φ/Β σε οικία 1. Φ/Β γεννήτρια 5. Μετρητής παραγωγής 2. Ηλ. Πίνακας 6. Υφιστάμενος μετρητής 3. Αντιστροφέας (Ιnverter) 7. Δίκτυο ΔΕΗ 4. Κιβώτιο ασφαλειών 8. Εσωτερικοί καταναλωτές 4.2ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ 100 kw ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚOY ΣΤΑΘΜΟΥ 100 kw Η διαδικασία εγκατάστασης Φωτοβολταϊκού σταθμού περιλαμβάνει τα παρακάτω βασικά βήματα: 1. Μελέτη: Βελτιστοποίηση συνδυασμού Φ/Β γεννητριών και μετατροπέων δικτύου για το συγκεκριμένο χώρο επένδυσης. Χωροταξική τοποθέτηση του υλικού για τη βελτιστοποίηση της κάλυψης και την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Ενεργειακή μελέτη απόδοσης του Φ/Β πάρκου. Σχέδια εγκατάστασης. Σελίδα 62

70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 4.2 Φωτοβολταϊκός σταθμός 2. Υλοποίηση κατασκευής βάσεως (συναρμολόγηση). 3. Στήριξη Φ/Β γεννητριών επί των βάσεων. 4. Υλοποίηση καλωδίωσης (υλικό και εργασία τοποθέτησης) μεταξύ των Φ/Β και των μετατροπέων ισχύος. Επίσης διασύνδεση των μεταλλικών στηρίξεων με την γείωση του πάρκου. 5. Διατάξεις ζεύξης/απόζευξης Φ/Β (υλικό και εργασία τοποθέτησης). 6. Πίνακες συνδέσεων των Φ/Β (υλικό και εργασία τοποθέτησης). 7. Υλοποίηση καλωδίωσης (υλικό και εργασία) μεταξύ μετατροπέων ισχύος με κεντρικό πίνακα AC. 8. Κεντρικός πίνακας AC (υλικό και εργασία τοποθέτησης). Σε περίπτωση όπου το Φ/Β πάρκο είναι ισχύος μεγαλύτερη των 100 kw p η εγκατάστασης συμπεριλαμβάνει και τις διατάξεις ανύψωσης (Μ/Σ μέσης τάσης απόδοσης περίπου 90% με τους ανάλογους διακόπτες Χ.Τ. και Μ.Τ. εγκατεστημένους εντός οικίσκου) Επιπλέον Κόστη: Για την υλοποίηση ενός Φ/Β πάρκου υπάρχουν επιπλέον πηγές κόστους οι οποίες δεν είναι αναγνωρίσιμες άμεσα αλλά επηρεάζουν σε μικρό ή μεγάλο βαθμό την τελική κοστολόγηση. Οι παράγοντες αυτοί είναι: Σελίδα 63

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 1. Άδειες και προετοιμασία χαρτιών και φακέλων. Για την ολοκλήρωση των διαδικασιών ίσως απαιτηθούν κάποιες άδειες και πιθανά κάποιες μελέτες. Ειδικότερα εάν γίνει προσπάθεια ένταξης στον αναπτυξιακό νόμο τότε θα υπάρχει και κάποιο κόστος προετοιμασίας φακέλου. Συνήθως η πληρωμή του είναι εφόσον ενταχθεί το έργο στον αναπτυξιακό. 2. Διαμόρφωση οικοπέδου. Χωματουργικές εργασίες καθώς και εργασίες υποδομής (βάσεις μπετού, σωληνώσεις για τις καλωδιώσεις, περιφράξεις, φρεάτια, πιθανά οικίσκος κ.α.). 3. Γείωση. Το θέμα της γείωσης είναι σοβαρός παράγοντας κοστολογίου καθώς είναι άμεσα συνδεδεμένο με την ποιότητα εδάφους οπότε και δεν υπάρχει εξ αρχής κάποια ένδειξη κόστους. 4. Αντικεραυνική προστασία. Όπως και με τη γείωση η επιλογή της κατάλληλης αντικεραυνικής προστασίας επηρεάζεται άμεσα από το έδαφος (ποιότητα γείωσης) καθώς και από το συνολικό ποσό που διατίθεται ο εκάστοτε επενδυτής να διαθέσει για αυτό το σκοπό. Δεν υπάρχει παγιωμένο κοστολόγιο. 5. Φύλαξη και επιτήρηση του χώρου. Με δεδομένο ότι το συνολικό κόστος επένδυσης είναι σε υψηλά επίπεδα θα πρέπει να γίνει μέριμνα από τον τελικό επενδυτή συστήματος φύλαξης και επιτήρησης της περιουσίας του. 6. Σύνδεση με ΔΕΗ. Πλέον του σταθερού τιμολογίου που αφορά τους μετρητές. Η ΔΕΗ έχει την επιλογή και τη δυνατότητα κοστολόγησης καθώς είναι ο μόνος υπεύθυνος να αποφανθεί για τη διαδικασία και το κόστος που πηγάζει από αυτήν ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Φ/Β ΠΑΡΚΟΥ ΙΣΧΥΟΣ 100 kw p Το Φ/Β πάρκο ισχύος 100 kw p υλοποιείται με χρήση συνολικά 570 Φ/Β γεννητριών ονομαστικής μέγιστης ισχύος 175 W p τεχνολογίας μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Η ονομαστική μέγιστη ισχύς του πάρκου είναι 99,75 kw p. Τα Φ/Β πλαίσια θα τοποθετηθούν επί μεταλλικής κατασκευής. Η εν λόγω μεταλλική κατασκευή είναι ειδικά σχεδιασμένη για Φ/Β πάρκα ανάλογης κλίμακας και δοκιμασμένη σε αρκετά Φ/Β έργα στην Ελλάδα και την Ευρώπη. Οι έξοδοι των μετατροπέων δικτύου θα ομαδοποιηθούν κατάλληλα και βάση του τελικού χώρου τοποθέτησης, που θα επιλεγεί κατάλληλα για την ελαχιστοποίηση των Σελίδα 64

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» απωλειών, θα οδηγηθούν προς τον κεντρικό πίνακα του πάρκου προς τον μετρητή ενέργεια και τελικά στο δίκτυο. Η σύνδεση στο δίκτυο θα γίνει σε χαμηλή τάση (400 V AC). Η εγκατάσταση θα φέρει τις απαιτούμενες από τη ΔΕΗ διατάξεις ασφάλειας και προστασίας και θα εναρμονίζεται με τους Ελληνικούς και Διεθνείς κανονισμούς που απαιτούνται. Εικόνα 4.3 Φ/Β πάνελ Ο χώρος που απαιτείται για την υλοποίηση του ανωτέρου Φ/Β πάρκου ανέρχεται περίπου σε 1450 m 2. Σε αυτή την έκταση έχει γίνει η κατάλληλη πρόβλεψη για την αποφυγή του φαινομένου σκίασης των Φ/Β καθώς και των ανάλογων διαδρόμων για την επίσκεψη στα διάφορα τμήματα του πάρκου. Η απαιτούμενη έκταση μπορεί να μεταβληθεί για αποφυγή φαινομένων σκίασης λόγω φυσικών ή τεχνητών εμποδίων στην περιοχή (π.χ. κτίσματα σε όμορες περιοχές, δένδρα κ.α.). 4.3.ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑ Τα Φ/Β μπορούν να τοποθετηθούν σε οικόπεδα, στέγες (επίπεδες ή κεκλιμένες) ή και σε προσόψεις κτιρίων. Παρέχονται σε διάφορα μεγέθη και μπορούν π.χ. να υποκαταστήσουν τμήμα μιας κεραμοσκεπής (μειώνοντας αντίστοιχα και το κόστος) ή τα υαλοστάσια σε μια πρόσοψη ή να χρησιμοποιηθούν σαν φωταγωγοί (skylights). Ήδη Σελίδα 65

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» παράγονται και Φ/Β κεραμίδια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη θέση των κανονικών κεραμιδιών. Τα Φ/Β μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως σκίαστρα πάνω από παράθυρα(βοηθώντας έτσι και στη μείωση των εξόδων κλιματισμού). Επίσης σε πέργκολες και στέγαστρα χώρων στάθμευσης. Παρέχονται σε διάφορα χρώματα (κατόπιν παραγγελίας) και σε διάφορα πάχη διαφάνειας για ειδικές αρχιτεκτονικές εφαρμογές. Διατίθενται επίσης σήμερα διαφανή Φ/Β, για προσόψεις εμπορικών κτιρίων, με θερμομονωτικές ιδιότητες αντίστοιχες με αυτές των υαλοστασίων χαμηλής εκπεμψιμότητας (low-e) που επιτυγχάνουν πέραν της ηλεκτροπαραγωγής και εξοικονόμηση ενέργειας % σε σχέση με κτίριο με συμβατικά υαλοστάσια. Για την τοποθέτηση των Φ/Β πλαισίων σε ένα κτίριο, υπάρχουν 4 βασικοί τρόποι: α) Τοποθέτηση σε κεκλιμένα στηρίγματα. β) Τοποθέτηση σε ειδική βάση προσαρμοζόμενη στο εξωτερικό του κελύφους. γ) Απ ευθείας τοποθέτηση και δ) Ενσωμάτωση των Φ/Β στο κέλυφος του κτιρίου. Τα Φ/Β μπορεί να είναι με ή χωρίς πλαίσιο (συνήθως από αλουμίνιο). Τα πρώτα χρησιμοποιούνται σε κεκλιμένες στέγες (ενσωματωμένα ή πρόσθετα) ή σε επίπεδες οροφές, ενώ τα δεύτερα σε προσόψεις (σαν κοινός υαλοπίνακας) ή τοιχώματα ΧΩΡΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Υπάρχει δυνατότητα να εγκατασταθούν φωτοβολταϊκά σε κτίρια για τα οποία δεν έχει προβλεφθεί η τοποθέτηση τους. Λόγω των φυσικών χαρακτηριστικών των Φ/Β (αθόρυβα, ελαφριά κ.λ.π.) μπορούν να τοποθετηθούν σε οικιστικά σύνολα, σε αθλητικές εγκαταστάσεις, σε δημόσια κτίρια, σε βιομηχανικούς χώρους κ.α. Η εγκατάσταση τους γίνεται ύστερα από κατάλληλη αυτοψία του χώρου, πολλές φορές χωρίς να είναι απαραίτητες οι αλλαγές στη δομή του κτιρίου. Τα Φ/Β πλαίσια συνήθως είναι όπως και τα πλαίσια που χρησιμοποιούνται στις απλές εφαρμογές (από άμορφο, πολυκρυσταλλικό ή μονοκρυσταλλικό πυρίτιο), Βέβαια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πλαίσια που να προσαρμόζονται στην αρχιτεκτονική και στην αισθητική του κτιρίου (οι εταιρίες Φ/Β, ύστερα από παραγγελία, κατασκευάζουν πλαίσια σε διάφορα χρώματα και σχέδια). Σελίδα 66

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 4.4 Τοποθέτηση Φ/Β σε στέγη παλαιού σπιτιού Οι τρόποι τοποθέτησης διαφέρουν ανάλογα με τον τόπο εγκατάστασης. Μπορούν να τοποθετηθούν οριζόντια, κάθετα ή κεκλιμένα και με Νότιο, κατά προτίμηση, προσανατολισμό, για μέγιστη απόδοση. Δεν αποκλείεται και διαφορετικός προσανατολισμός, με μειονέκτημα την απόδοση του συστήματος Εικόνα 4.5.Φ/Β σε οροφή τοποθετημένα με κλίση Σελίδα 67

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 4.6 Εξαρτήματα στήριξης Εικόνα 4.7Αποστάτης στήριξης βάσεων ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΣΕ ΟΡΟΦΗ Η ΣΤΕΓΗ Τα Φ/Β τοποθετούνται στην οροφή ή τη στέγη του κτιρίου σε μεταλλικές βάσεις στήριξης όπως και στο έδαφος. Οι βάσεις στηρίζονται με κατάλληλους αποστάτες στην οροφή χωρίς να δημιουργούνται προβλήματα στεγανότητας. Σελίδα 68

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Είναι κατάλληλα κατασκευασμένοι από ανοξείδωτο χάλυβα και αλουμίνιο, με τις απαραίτητες προδιαγραφές, για τέτοιες εφαρμογές. Εικόνα 4.8 Φ/Β σε οροφή με διαφορετικούς προσανατολισμούς Στην αγορά κυκλοφορούν ευλύγιστα Φ/Β από άμορφο πυρίτιο. Είναι σε μορφή ταινίας και απλώνονται στην οροφή ή τη στέγη του κτιρίου. Είναι πολύ εύκολα, γρήγορα και οικονομικά στην εγκατάσταση καθώς είναι πολύ ελαφριά, εύκαμπτα και δεν απαιτείται βάση στήριξης, αρκεί να εξασφαλίζεται ο σωστός αερισμός τους. Εικόνα 4.9 Τοποθέτηση ευλύγιστων Φ/Β σε στέγη Σελίδα 69

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 4.10 Τοποθέτηση εύκαμπτων Φ/Β σε στέγη Μπορεί να γίνει εφαρμογή σε ιστορικά και παραδοσιακά κτίρια χωρίς να επηρεάζεται η εμφάνιση τους. Παρουσιάζουν όμως τα μειονεκτήματα του άμορφου πυριτίου, δηλαδή μειωμένη απόδοση και απαιτείται σχεδόν διπλάσια επιφάνεια Φ/Β. Ένα άλλο προϊόν είναι Φ/Β άμορφου πυριτίου ενσωματωμένα σε υγρομονωτική (στεγανωτική) μεμβράνη. Κατά την τοποθέτηση στην οροφή, τα στεγνωτικά φύλλα κολλιούνται με θερμοκόλληση δημιουργώντας μια ενιαία υδατοστεγανή επιφάνεια. Έτσι εξυπηρετεί δυο σκοπούς: την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και την υγρομόνωση Φ/Β ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΕ ΚΤΙΡΙΑ ΩΣ ΔΙΑΚΟΣΜΗΤΙΚΑ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Φωτοβολταϊκά μπορούν να τοποθετηθούν κατάλληλα ώστε να αποτελούν στοιχεία του κτιρίου. Τοποθετούνται σε κτίρια μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής, εφόσον δεν έχει γίνει πρόβλεψη, ή κατά την κατασκευή ως δομικό στοιχείο του κτιρίου εξοικονομώντας χρήματα από δομικά υλικά (κεραμίδια, υαλοπετάσματα κ.λ.π.). Στο εμπόριο κυκλοφορούν Φ/Β (άμορφα, πολυκρυσταλλικά και μονοκρυσταλλικά) σε σχήμα και διαστάσεις όμοια με τα κεραμίδια, αντικαθιστώντας τα παραδοσιακά κεραμίδια. Τοποθετούνται από την νότια πλευρά του κτιρίου από τον τεχνικό που τοποθετεί και τα απλά κεραμίδια, έχοντας προβλεφθεί οι κατάλληλες ηλεκτρικές συνδέσεις. Βεβαίως μπορούν να αντικαταστήσουν και ήδη τοποθετημένα κεραμίδια. Σελίδα 70

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 4.11 Φ/Β με μορφή κεραμιδιού Φ/Β ΥΑΛΟΠΕΤΑΣΜΑΤΑ Τα τελευταία χρόνια έχουν εμφανιστεί διαφανή Φ/Β. Δηλαδή το πλαίσιο που βρίσκονται τα Φ/Β στοιχεία είναι κατασκευασμένα ώστε να επιτρέπουν ένα μέρος από το φως να περνάει στην πίσω πλευρά του. Τοποθετούνται σε οροφές κτιρίων και σε παράθυρα, αντικαθιστώντας τμήματα της οροφής, επικάλυψη της πρόσοψης, αντικατάσταση των κλασικών υαλοπετασμάτων ή υαλοπινάκων και ως σκίαστρα. Έτσι γίνεται εξοικονόμηση χρημάτων από δομικά υλικά και παράλληλα υπάρχει παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, φωτισμός και θέρμανση για το κτίριο. Επίσης δίνεται η ευκαιρία σε αρχιτέκτονες να σχεδιάσουν κτίρια νέας τεχνολογίας με μοντέρνο σχεδιασμό και πρωτοποριακές λύσεις (πράσινα σπίτια - green houses). Οι Φ/Β υαλοπίνακες μπορούν να αντικαταστήσουν τους κλασσικούς υαλοπίνακες στα παράθυρα και στις προσόψεις των γυάλινων κτιρίων δίνοντας ένα εντυπωσιακό αισθητικό αποτέλεσμα. Μέρη γυάλινης οροφής μπορούν να αντικατασταθούν με Φ/Β υαλοπίνακες δίνοντας τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας για το κτίριο. Είναι μια μέθοδος που εφαρμόζεται συχνά σε κτίρια με μεγάλες προσόψεις και με νότιο προσανατολισμό. Δημιουργείται ένας τύπος θερμοκηπίου το οποίο θερμαίνει τον εσωτερικό αέρα του κτιρίου μειώνοντας σημαντικά τις ανάγκες θέρμανσης του κτιρίου. Ο Σελίδα 71

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» σχεδιασμός του κτιρίου πρέπει να είναι τέτοιος ώστε κατά τους θερινούς μήνες να υπάρχει ο κατάλληλος αερισμός ώστε η ανάγκη κλιματισμού να γίνεται ελάχιστη. Εικόνα 4.12 Φ/Β σε προσόψεις κτιρίων Εικόνα 4.13 Φ/Β υαλοπίνακες σε οροφές κτιρίων Σελίδα 72

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 4.14Φ/Β υαλοπίνακες σε οροφές κτιρίων Μπορούν να αντικαταστήσουν σκίαστρα σε θέσεις στάθμευσης, σε κτίρια, σε βιομηχανικούς χώρους, σε γήπεδα, σε πρατήρια υγρών καυσίμων και όπου είναι αναγκαία η σκίαση κάποιου χώρου. Έτσι η επιφάνεια που θα καταλάμβανε ένα απλό σκιάστρο, μετατρέπεται εκμεταλλεύσιμη μέσω της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και της ταυτόχρονης δημιουργίας της απαραίτητης σκιάς. Εικόνα 4.15 Φ/Β σκιάστρα σε αθλητικές εγκαταστάσεις Σελίδα 73

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Εικόνα 4.16Φ/Β σκιάστρα σε χώρο στάθμευσης Σε μεγάλους αυτοκινητόδρομους, που διέρχονται μέσα από κατοικημένες περιοχές, δημιουργείται σημαντική ηχορύπανση. Η αντιμετώπιση της γίνεται με ηχοφράκτες. Οι ηχοφράκτες είναι πετάσματα τοποθετημένα κάθετα, κατασκευασμένα από διαφανή πλαστική ύλη καταλαμβάνοντας σημαντική επιφάνεια. Εικόνα 4.17 Φ/Β τοποθετημένα σε τοιχοπετάσματα δρόμων. Η επιφάνεια γίνεται εκμεταλλεύσιμη τοποθετώντας Φ/Β υαλοπίνακες στην θέση της πλαστικής ύλης. Τοποθετούνται επίσης πάνω στη διαχωριστική νησίδα των δρόμων. Σελίδα 74

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Τα Φ/Β υαλοπετάσματα δεν είναι τίποτα άλλο από ένα απλό υαλοπέτασμα στο οποίο έχουν ενσωματωθεί Φ/Β στοιχεία. Το διαφανές υλικό είναι ρητίνη με χαρακτηριστικά αντίστοιχα των κλασικών πλαισίων. Παρουσιάζουν υψηλή αντοχή στα καιρικά φαινόμενα. Στο κάτω μέρος του πλαισίου βρίσκεται το κουτί των ηλεκτρικών συνδέσεων. Με κατάλληλο αρχικό σχεδιασμό του κτιρίου είναι εφικτό να επιτευχθούν αποδόσεις ίδιες με αυτές της σταθερής κλίσης. Δεν αποκλείεται βέβαια και η τοποθέτηση με διαφορετική κλίση και προσανατολισμό, με επίπτωση στην απόδοση του συστήματος. Εικόνα 4.18 Φ/Β υαλοπίνακες κατά την τοποθέτηση σε οροφή κτιρίου Εικόνα 4.19 Φ/Β υαλοπίνακες κατά την τοποθέτηση σε οροφή κτιρίου Σελίδα 75

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 4.4 ΥΠΕΡΘΕΡΜΑΝΣΗ ΤΩΝ Φ/Β Κατά την τοποθέτηση Φ/Β πλαισίων στα κτίρια πρέπει να δοθεί κάποια προσοχή ώστε να μην παρουσιαστούν προβλήματα κατά την λειτουργία του συστήματος. Ο κακός αερισμός, η σκίαση και η ρύποι είναι προβλήματα στα οποία πρέπει να βρεθεί λύση κατά τον σχεδιασμό του συστήματος, καθώς μετά την τοποθέτηση η επίλυση είναι αρκετά δύσκολη και ασύμφορη. Ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση των Φ/Β είναι η θερμοκρασία που βρίσκεται το Φ/Β στοιχείο. Γενικά η απόδοση του Φ/Β στοιχείου μειώνεται σχεδόν ανάλογα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Έτσι η σωστή ψύξη του Φ/Β πλαισίου είναι απαραίτητη προϋπόθεση για ένα αξιόπιστο Φ/Β σύστημα. Κατά τον σχεδιασμό πρέπει να γίνει πρόβλεψη για επαρκή αερισμό της πίσω πλευράς του πλαισίου. Στα πλαίσια που τοποθετούνται σε οροφές παράλληλα με την κλίση της οροφής επιβάλλεται η χρήση αποστατών, ώστε το πλαίσιο να απέχει μερικά εκατοστά από την επιφάνεια της οροφής και να εξασφαλίζεται η ελεύθερη ροή του αέρα. Εικόνα 4.20 Τοποθέτηση των Φ/Β με χρήση αποστατών για τον σωστό αερισμό τους. Όταν η τοποθέτηση γίνεται σε προσόψεις κτιρίων δεν πρέπει να εφάπτονται στην επιφάνεια του κτιρίου. Και σε αυτή την περίπτωση τα πλαίσια τοποθετούνται σε βάσεις ώστε να εξασφαλίζεται ο καλός αερισμός της πίσω πλευράς του πλαισίου. Στις Σελίδα 76

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» περιπτώσεις που τοποθετούνται Φ/Β υαλοπίνακες και η πίσω πλευρά του πλαισίου είναι στο εσωτερικό του κτιρίου, η θερμότητα που παράγεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση του χώρου. Κατά τους θερινούς μήνες, όπως αναφέραμε και παραπάνω, πρέπει το εσωτερικό του κτιρίου να αερίζεται επαρκώς ώστε η θερμοκρασία του χώρου άρα και του πλαισίου να διατηρείται σε φυσιολογικά επίπεδα. Όταν γίνεται χρήση Φ/Β κεραμιδιών προβλέπεται στο εσωτερικό μέρος της στέγης να υπάρχει χώρος για την ελεύθερη ροή του αέρα. Στο κάτω και πάνω μέρος της στέγης υπάρχουν ανοίγματα (αεραγωγοί) έτσι ώστε να ο κρύος αέρας εισέρχεται από το κάτω μέρος και ο θερμός να εξέρχεται από το πάνω. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η ψύξη των Φ/Β. Εικόνα 4.21 Πρόβλημα σκίασης σε Φ/Β σύστημα Η σκίαση των Φ/Β πλαισίων επηρεάζει την ενεργειακή τους απόδοση. Κατά τον σχεδιασμό του συστήματος πρέπει να ελεγχθούν εμπόδια που τυχών υπάρχουν και σκιάζουν τα πλαίσια. Βεβαίως όταν τοποθετούνται Φ/Β συστήματα σε οικιστικά σύνολα είναι λογικό να υπάρχουν εμπόδια. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό, η επίδραση να είναι όσο γίνεται μικρότερη. Η ρύπανση των Φ/Β πλαισίων μειώνει σημαντικά την απόδοση του συστήματος και τον χρόνο ζώνης του. Η σκόνη, η γύρη των φυτών, άλατα και μικροσωματίδια προκαλούν μείωση της καθαρότητας της επιφάνειας των Φ/Β πλαισίων καθώς η ηλιακή ακτινοβολία που καταλήγει στο Φ/Β στοιχείο είναι σημαντικά μικρότερη λόγω των ρύπων. Σελίδα 77

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Κατά τους θερινούς μήνες το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα αυξημένο. Κατά την διάρκεια της ημέρας και λόγω της ξηρασίας, στην ατμόσφαιρα υπάρχουν μεγάλες ποσότητες σκόνης η οποία επικάθεται στα πλαίσια. Την νύχτα η υγρασία σε συνδυασμό με τη σκόνη που υπάρχει στα πλαίσια, δημιουργεί λάσπη η οποία κατά την διάρκεια της ημέρας στεγνώνει με συνέπεια να τίθεται σημαντικό πρόβλημα ρύπανσης. Η μακροχρόνια επικάθυση αντικειμένων, φύλλων, κλαδιών, περιττωμάτων πουλιών, που σκιάζουν ένα ή περισσότερα Φ/Β στοιχεία, προκαλούν έντονο πρόβλημα λειτουργίας και απόδοσης του Φ/Β πλαισίου. Όταν ένα Φ/Β στοιχείο σκιάζεται ενώ τα υπόλοιπα Φ/Β στοιχεία του πλαισίου δέχονται ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζεται το φαινόμενο της θερμής κηλίδας. Είναι ένα φαινόμενο που μπορεί να καταστρέψει το Φ/Β στοιχείο άρα και όλο το πλαίσιο. Γι αυτό τοποθετούνται στο κιβώτιο συνδέσεως δίοδοι παράκαμψης, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί το πλαίσιο χωρίς να επηρεάζει το υπόλοιπο σύστημα. Έτσι επιβάλλεται ο τακτικός καθαρισμός των Φ/Β πλαισίων του συστήματος και η επιθεώρηση του για τυχών αντικείμενα τα οποία δημιουργούν πρόβλημα. Η βροχή είναι μια πολύ καλή λύση κατά την διάρκεια του χειμώνα. Το καλοκαίρι οι βροχές είναι σπάνιες άρα ο φυσικός καθαρισμός των πλαισίων είναι αδύνατος. Τα πλαίσια μπορούν να καθαριστούν με χρήση νερού και μαλακής βούρτσας, αποφεύγοντας βέβαια τη δημιουργία ζημιών. Σε μεγάλα συστήματα υπάρχει δυνατότητα τοποθέτησης αυτόματου συστήματος πλύσης κάτι το οποίο αυξάνει σημαντικά το κόστος. Στα Φ/Β συστήματα που είναι σε προσόψεις κτιρίων ο καθαρισμός μπορεί να γίνει και μέσω των συνεργείων καθαρισμού του εξωτερικού των κτιρίων. Σε μέρη με μεγάλο υψόμετρο η επικάθυση χιονιού είναι συχνό φαινόμενο κατά την διάρκεια του χειμώνα. Όταν η χιονόπτωση είναι μικρής έκτασης, το χιόνι την ημέρα λιώνει πάνω στα πλαίσια χωρίς να δημιουργεί πρόβλημα. Όμως όταν η χιονόπτωση είναι έντονη πρέπει να υπάρχει συνεργείο που να αφαιρεί το χιόνι, για να μη διακόπτεται η παραγωγή ενέργειας. Η κλίση του πλαισίου βοηθάει στο καθαρισμό του πλαισίου. Αν η κλίση αυτή είναι μικρή, οι ρύποι είναι δύσκολο να φύγουν. Έτσι ακόμα και στον ισημερινό, που κανονικά πρέπει η τοποθέτηση των πλαισίων να είναι οριζόντια, τοποθετούνται με μια μικρή κλίση για ευκολότερο καθαρισμό τους. Σελίδα 78

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Η ΣΥΛΛΟΓΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η συλλογή όσο το δυνατόν μεγαλύτερων ποσών ηλιακής ενέργειας από τον Ήλιο, είναι άμεσα συνδεδεμένη με το σωστό προσανατολισμό του Φωτοβολταϊκού συλλέκτη. Γενικά η μεγαλύτερη αποδοτικότητα εμφανίζεται με προσανατολισμό του συλλέκτη προς τον ηλιακό νότο, δηλαδή την στιγμή που ο Ήλιος βρίσκεται στον μεσημβρινό του συγκεκριμένου τόπου ΟΙ ΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΕΝΟΣ ΤΟΠΟΥ Για να προσανατολιστεί σωστά ένας Φ/Β συλλέκτης για τη μέγιστη απολαβή ηλιακής ενέργειας, θα πρέπει να είναι γνωστές οι σφαιρικές συντεταγμένες του συγκεκριμένου τόπου οι οποίες είναι οι εξής : Το γεωγραφικό μήκος (L), από ο Ανατολικά και με αρνητικό πρόσημο και από ο Δυτικά, με θετικό πρόσημο, με αναφορά το μεσημβρινό του Greenwich. Το γεωγραφικό πλάτος (λ), από 0-90 ο Βόρεια και 0-90 ο Νότια. Με αναφορά τον Ισημερινό. Σχήμα 4.1 Η κλίση (β α ) και η αζιμούθια γωνία (Α p ) που χαρακτηρίζουν τον προσανατολισμό ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη στην επιφάνεια της Γης. Σελίδα 79

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Ο ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΑΛΗΘΗ ΝΟΤΟ Για το σωστό προσανατολισμό ενός συλλέκτη, θα πρέπει να καθοριστούν η γωνία κλίσης του και το αζιμούθιο του, ως προς την κατεύθυνση του Νότου. Η κατεύθυνση αυτή χαρακτηρίζεται από τη μέγιστη τιμή της απευθείας ηλιακής ακτινοβολίας, κατά τη διάρκεια μίας αίθριας ημέρας. Για τον προσδιορισμό του αληθή Νότου, υπάρχουν διάφορα σχετικά όργανα, όπως η μαγνητική και η γυροσκοπική πυξίδα, όπως επίσης ο υπολογισμός και προσδιορισμός της χρονικής στιγμής του ηλιακού μεσημεριού. Για την εύρεση του αληθή Νότου με τον προσδιορισμό του ηλιακού μεσημεριού σε ένα τόπο, προσδιορίζεται η διεύθυνση της σκιάς που δημιουργεί μια κατακόρυφη λεπτή ράβδος, που βρίσκεται σε οριζόντιο επίπεδο, κατά τη στιγμή που ο Ήλιος βρίσκεται στο υψηλότερο σημείο της φαινόμενης ημερησίας τροχιάς του. Για να γίνει αυτό εφικτό, απαιτείται η γνώση της αντίστοιχης χρονικής στιγμής, με βάση τον τοπικό χρόνο, τον οποίο δείχνει ένα ρολόι που είναι προγραμματισμένο να λειτουργεί με τον Επίσημο ή Πολιτικό χρόνο. Η εύρεση του ηλιακού μεσημεριού με βάση τον επίσημο χρόνο, απαιτεί τη γνώση δύο στοιχείων, τη ζώνη του πολιτικού χρόνου όπως και το γεωγραφικό μήκος του τόπου και η χρονική διόρθωση με βάση την εξίσωση του χρόνου, για την συγκεκριμένη ημέρα του έτους. 4.6 ΤΡΟΠΟΙ ΣΤΗΡΙΞΗΣ & ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ Οι απαιτήσεις κάθε συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, από φωτοβολταϊκά στοιχεία, καθορίζουν τον τρόπο τοποθέτησης και στήριξης των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στοιχεία που προσδιορίζουν τον τρόπο τοποθέτησης των πλαισίων είναι αρκετά, όπως: Η ενέργεια που πρέπει να παραχθεί καθορίζει το πλήθος των φωτοβολταϊκών στοιχείων, το μηχανολογικό και ηλεκτρικό-ηλεκτρονικό εξοπλισμό που θα τοποθετηθεί στο σύστημα μας. Το περιβάλλον και οι τοπικές καιρικές συνθήκες καθορίζουν τη θέση και τον τρόπο στήριξης. Σελίδα 80

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Η οικονομική δυνατότητα που έχουμε είναι η αυτή που μας περιορίζει ή μας επιτρέπει να εγκαταστήσουμε ένα ακριβό σύστημα, το οποίο όμως θα καλύτερη απόδοση από ένα οικονομικότερο. Τρεις είναι οι κύριοι τρόποι στήριξης των πλαισίων και διακρίνονται ανάλογα με την ενεργειακή απολαβή: Στήριξη με σταθερή γωνία κλίσης του συλλέκτη Εποχιακά ρυθμιζόμενη κλίση Συνεχούς ημερήσιας παρακολούθησης ηλιοτρόπιο trackers ΣΤΗΡΙΞΗ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΗ ΓΩΝΙΑ ΚΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ Είναι ο απλούστερος και οικονομικότερος τρόπος στήριξης που μπορεί να εφαρμοστεί για την τοποθέτηση συλλεκτών. Ο σχεδιασμός του συστήματος είναι αρκετά απλός καθώς στο μόνο που πρέπει να δοθεί προσοχή είναι η γωνία κλίσης και ο προσανατολισμός των συλλεκτών. Είναι ένας αρκετά αξιόπιστος τρόπος καθώς δεν έχει κινητά μέρη και προτείνεται σε μέρη με ισχυρούς ανέμους, π.χ. βουνά. Επίσης χρησιμοποιείται όταν θέλουμε να ενσωματώσουμε τους συλλέκτες σε κτίρια πχ. προσόψεις, στέγες. Για την τοποθέτηση των συλλεκτών πρέπει να επιλεγεί η καταλληλότερη γωνία κλίσης και ο προσανατολισμός. Όταν ο χώρος τοποθέτησης δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας και του έτους, είναι η πιο απλή περίπτωση. Τότε η γωνία κλίσης του συλλέκτη είναι κοντά στο γεωγραφικό πλάτος του τόπου και κατά κανόνα ακολουθείται νότιος αζιμουθιακός προσανατολισμός για το βόρειο ημισφαίριο (στο νότιο ημισφαίριο επιλεγούμε βόρειο). Όταν η γωνία κλίσης είναι ίση με το λ του τόπου, οι ακτίνες πέφτουν κάθετα στους συλλέκτες δυο φορές το χρόνο, το μεσημέρι των ισημεριών, 21 Μαρτίου και 22 Σεπτεμβρίου. Κατά το ηλιακό μεσημέρι, ο ήλιος, έχει το μέγιστο ύψος, ELM (maximum elevation). Το ύψος αυτό μεταβάλλεται καθημερινά, από την ελάχιστη τιμή ELM ελ.= (90 ο - λ) - 23,5 ο, στις 22 Δεκεμβρίου, μέχρι την μέγιστη ELM μεγ. = (90 ο -λ) + 23,5 ο (21 Ιουνίου) και στην συνέχεια μειώνεται και παίρνει την τιμή της 22 ας Δεκεμβρίου. Η γωνία των Σελίδα 81

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» ακτινών κατά την μεσουράνηση του, ως προς την κάθετη στην επιφάνεια του συλλέκτη, μεταβάλλεται από - 23,5 ο έως + 23,5 ο. Όταν ο συλλέκτης έχει κλίση ίση με την γωνιά λ του τόπου, η μέση ημερησία τιμή της ετησίας ενεργειακής απολαβής γίνεται μέγιστη. Για να προκύψει, βεβαία η βέλτιστη γωνία κλίσης του συλλέκτη, με σταθερή γωνία κλίσης, πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι κατά τόπους μετεωρολογικές συνθήκες οι οποίες επηρεάζουν την ολική διάχυτη και απευθείας ακτινοβολία καθώς και το albedo του εδάφους (ανακλαστικότητα του εδάφους). Για να προκύψει η βέλτιστη γωνία κλίσης πρέπει να καταγραφούν όλα αυτά τα μετεωρολογικά στοιχεία για αρκετά χρόνια και σε διαφορετικές γωνίες. Συνήθως όμως δεν είναι διαθέσιμες λόγω του μεγάλου κόστους των μετρήσεων, για το λόγο αυτό οι μετρήσεις γίνονται με έναν αισθητήρα ηλιακής ακτινοβολίας (π.χ. πυρόμετρο) σε οριζόντια θέση για το μέγιστο χρονικό διάστημα. Μετά τη λήψη των μετρήσεων και κατάλληλη επεξεργασία προσδιορίζεται η βέλτιστη γωνία του συλλέκτη. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν μετρήσεις για πλησιέστερη περιοχή, λαμβάνοντας υπόψη το albedo του εδάφους. Εικόνα 4.22 Φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετημένα με σταθερή γωνία κλίσης Παρατηρήσεις για την τοποθέτηση των συλλεκτών με σταθερή κλίση: Για τόπους με μέσα και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη (> 200) βρίσκεται στην περιοχή λ - (10 ο 15 ο ). Σελίδα 82

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Για τόπους με μικρά λ, γύρω από τον ισημερινό, η βέλτιστη γωνία είναι 0 ο. Στην πράξη όμως οι συλλέκτες τοποθετούνται με μια μικρή γωνία 5 o 10 ο ώστε, κατά την πλύση της επιφάνειας από το νερό της βροχής ή της πλύσης να απομακρύνονται τα διαφορά σώματα που επικάθονται (σκόνη, φύλλα, κ.α.). Για τόπους στους οποίους δεν υπάρχουν διαθέσιμα μετεωρολογικά δεδομένα ο συλλέκτης τοποθετείται σε γωνία β = λ - 10 ο. Εάν πρέπει να καλυφθούν οι χειμερινές ανάγκες για ενέργεια, η καταλληλότερη γωνία είναι β = λ + 15 ο. Ενώ εάν πρέπει να καλυφθούν οι θερινές ανάγκες για ενέργεια, τότε οι συλλέκτες τοποθετούνται με κλίση β = λ - 15 ο. Σε περιοχές με φυσικά εμπόδια ο συλλέκτης τοποθετείται έτσι ώστε να προκύπτει η μέγιστη ενεργειακή απολαβή. Σχήμα 4.2 Στήριξη με σταθερή γωνία κλίσης ΣΤΗΡΙΞΗ ΜΕ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΚΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ Όπως αναφέρθηκε στην προηγουμένη παράγραφο, δεν υπήρχε δυνατότητα αλλαγής της γωνιάς κλίσης του συλλέκτη, με αποτέλεσμα η εγκατάσταση να αποδίδει πολύ λιγότερο από τις δυνατότητές της. Για να αυξηθεί η απόδοση του συστήματος Σελίδα 83

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» κατασκευάζονται βάσεις, στις οποίες τοποθετούνται οι συλλέκτες, με δυνατότητα ρύθμισης της κλίσης τους. Η μηχανολογική κατασκευή είναι σχετικά φθηνή και απλή ώστε όλοι οι χρήστες να μπορούν να κάνουν την εποχιακή ρύθμιση. Η ρύθμιση του συλλέκτη γίνεται δυο φορές τον χρόνο, μια κατά το χειμερινό εξάμηνο (22 Σεπτεμβρίου - 21 Μαρτίου) και μια κατά το θερινό εξάμηνο (21 Μαρτίου - 22 Σεπτεμβρίου). Η αλλαγή αυτή γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε η κλίση μεταξύ των ακτινών του ηλίου και της επιφάνειας του συλλέκτη να πλησιάζει όσο το δυνατόν τις 90 ο. Για τον προσδιορισμό της σωστής γωνιάς του συλλέκτη πρέπει να είναι γνωστά τα μετεωρολογικά δεδομένα του τόπου (ηλιοφάνειας, ανέμου, θερμοκρασίας, κ.λ.π.), καθώς και το albedo του εδάφους όπως και στην προηγουμένη παράγραφο. Συμπέρασμα: Κατά τη χειμερινή περίοδο η καταλληλότερη γωνία κλίσης είναι β = λ + (10 ο 15 ο ). Κατά τη θερινή περίοδο η καταλληλότερη γωνία είναι β = λ - (10 ο 15 ο ). Παρατηρήσεις για την τοποθέτηση των συλλεκτών με ρυθμιζόμενη κλίση: Σε περιοχές με φυσικά εμπόδια ο συλλέκτης τοποθετείται έτσι ώστε να προκύπτει η μέγιστη ενεργειακή απολαβή κατά την διάρκεια όλου του έτους. Πρέπει να γίνεται σωστή μελέτη και σχεδιασμός της κατασκευής ώστε και στις δυο κλίσεις να επιτυγχάνεται η βέλτιστη γωνία για μέγιστη απόδοση. Σχήμα 4.3 Στήριξη με δυνατότητα ρύθμισης της γωνίας κλίσης Σελίδα 84

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΗΜΕΡΗΣΙΑΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ, ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΑ (TRACKERS) Σύμφωνα με τα προηγούμενα, οι συλλέκτες τοποθετούνται είτε με σταθερή κλίση είτε με εποχιακή ρύθμιση της γωνίας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την μικρή απολαβή ενεργείας από τον ήλιο ιδιαίτερα στην πρώτη μέθοδο, με σταθερή γωνία κλίσης. Μια βελτιωμένη εκδοχή είναι η δεύτερη μέθοδος με αυξημένη απολαβή σε σχέση με την πρώτη. Για υψηλότερη απολαβή ισχύος κατασκευάζονται συσκευές διαρκούς παρακολούθησης της πορείας του ήλιου. Οι συσκευές αυτές μοιάζουν αρκετά με το φυτό ηλιοτρόπιο ή ηλίανθος, από όπου πήραν και το όνομα τους. Τα ηλιοτρόπια (trackers) στρέφουν τους συλλέκτες έτσι ώστε οι ακτίνες του ηλίου να προσπίπτουν κάθετα στην επιφάνεια του συλλέκτη. Με τα ηλιοτρόπια υπάρχει μια αύξηση της αποδιδόμενης ισχύος 30 % - 50 %, σε σχέση με τους σταθερούς τρόπους στήριξης. Βρίσκουν χρήση τόσο σε φωτοβολταϊκές εφαρμογές όσο και σε θερμικά συστήματα. Υπάρχουν δυο κατηγορίες ηλιοτροπίων ανάλογα με το είδος της κίνησης που εκτελούν: Στροφή γύρω από έναν άξονα Στροφή γύρω από δύο άξονες ΣΤΡΟΦΗ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΕΝΑΝ ΑΞΟΝΑ Η συστοιχία περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα με κατάλληλο μηχανισμό, ξεκινώντας από την ανατολή και παρακολουθώντας την πορεία του ήλιου καθ όλη την ημέρα καταλήγοντας στην δύση. Διακρίνουμε δυο περιπτώσεις: - Το αζιμουθιακό ηλιοτρόπιο - Το πολικό ηλιοτρόπιο ΑΖΙΜΟΥΘΙΚΟ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΟ Το σύστημα περιστρέφεται ως προς κατακόρυφο άξονα, έτσι ώστε οι ακτίνες του ήλιου να πέφτουν κάθετα στον συλλέκτη. Δηλαδή παρακολουθεί την αζιμουθιακή κίνηση του ήλιου. Για την επιλογή της γωνίας κλίσης των συλλεκτών ακολουθείται η ίδια λογική Σελίδα 85

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» με τις προηγούμενες μεθόδους. Δηλαδή τοποθετούνται με σταθερή γωνία η οποία επιλέγεται βάση του γεωγραφικού πλάτους Χρησιμοποιούνται σε μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καθώς αυξάνουν την παραγωγή ενέργειας. Η αύξηση ισχύος είναι περίπου %, εξαρτάται βέβαια από την τοποθεσία, την ποιότητα του συστήματος και τον τρόπο ελέγχου της κίνησης. Εικόνα 4.23 Αζιμουθιακά ηλιοτρόπια Εικόνα 4.24 Αζιμουθιακά ηλιοτρόπια Σελίδα 86

94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» ΠΟΛΙΚΟ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΟ (POLAR TRACKER) Το σύστημα περιστρέφεται ως προς άξονα τοποθετημένο σε γωνιά ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, παράλληλα με τον πολικό άξονα της γης. Έτσι ο ήλιος βρίσκεται συνεχώς στο επίπεδο που είναι κάθετο στο συλλέκτη. Κατά την διάρκεια του έτους η γωνιά μεταξύ των ακτινών του ηλίου και της κάθετης στο συλλέκτη, κυμαίνεται από - 23,5 ο έως + 23,5 ο. Η βασική χρήση των συστημάτων αυτών είναι σε μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, χωρίς να αποκλείεται και η χρήση τους σε θερμικούς σταθμούς. Η αύξηση της παραγόμενης ενέργειας φτάνει και το 40% ανάλογα την εποχή του έτους. Εικόνα 4.25 Πολικό ηλιοτρόπιο Εικόνα 4.26 Πολικό ηλιοτρόπιο Σελίδα 87

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Είναι σχετικά απλά στην κατασκευή και στον έλεγχο. Μειονεκτούν σημαντικά όσο αφορά την αντοχή τους σε ισχυρούς ανέμους. Για την προστασία τους χρειάζονται ισχυρά συστήματα πέδησης. Επίσης τα πλαίσια δεν τοποθετούνται ομοιόμορφα, αλλά σε τριγωνικό σχηματισμό, έτσι ώστε να μην εφάπτονται με το έδαφος το πρωί και το απόγευμα. Αν δεν εφαρμοστεί αυτός ο τρόπος τοποθέτησης μένει αρκετός χώρος αναξιοποίητος. Πολλές φορές τοποθετούνται και κάτοπτρα για την αύξηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στους συλλέκτες. Σχήμα4.4 Διαγράμματα παραγομένης ενέργειας με σταθερή τοποθέτηση ΦΒ, με χρήση ηλιοτροπίου και με ηλιοτρόπιο με ενσωματωμένους καθρέπτες Εικόνα 4.27 ΦΒ Πάρκο με ηλιοτρόπια Σελίδα 88

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» 4.7 ΕΛΕΓΧΟΣ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΩΝ ΕΝΟΣ ΑΞΟΝΑ Ο έλεγχος των συστημάτων αυτών γίνεται με δυο τρόπους: Με ηλεκτρονικό αυτόματο έλεγχο. Με πνευματικό αυτόματο έλεγχο. Ο ηλεκτρονικός έλεγχος γίνεται με δυο τρόπους: Με χρήση οπτικών αισθητήρων. Με χρήση Η/Υ και κατάλληλο λογισμικό. Η χρήση οπτικών αισθητήρων βασίζεται στην ανίχνευση της κίνησης του ήλιου. Οι αισθητήρες (φωτοδίοδοι, φωτοαντιστάσεις, φωτοβολταικά πλαίσια) τοποθετούνται με κατάλληλο τρόπο έτσι ώστε να αντιλαμβάνονται την κίνηση του ηλίου από την μεταβολή της σκίασης στους αισθητήρες. Εικόνα 4.28 Πολικό ηλιοτρόπιο με ενσωματωμένους ανακλαστήρες για αύξηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Διακρίνεται και το μικρό Φ/Β που χρησιμοποιείται σαν αισθητήρας για τον προσδιορισμό της θέσης Συνήθως τοποθετείται κάθετα στους συλλέκτες ένα έλασμα και οι αισθητήρες τοποθετούνται δεξιά και αριστερά του ελάσματος. Επίσης υπάρχει δυνατότητα χρήσης Φωτοβολταϊκών στοιχείων τοποθετημένων πλάτη με πλάτη κάθετα στους συλλέκτες. Σελίδα 89

97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Τα σήματα από τους αισθητήρες οδηγούνται σε διαφορικό ενισχυτή ο οποίος με την σειρά του οδηγεί τον κινητήρα του συστήματος. Ο κινητήρας συνήθως είναι βηματικός ή σερβοκινητήρας και η κίνηση μεταδίδεται μέσω μειωτήρων. Το σύστημα είναι αρκετά απλό και οικονομικό με σοβαρά όμως μειονεκτήματα. Σε ημέρες με αραιή ή αρκετή συννεφιά το σύστημα είναι αναξιόπιστο. Οι αισθητήρες αδυνατούν να αναγνωρίσουν την πραγματική θέση του ηλίου καθώς δέχονται ακτινοβολία από διάφορες θέσεις. Επίσης αντανακλάσεις από διερχόμενα οχήματα ή τζάμια κτιρίων μπορούν να επηρεάσουν το σύστημα. Με κατάλληλα ηλεκτρονικά υπάρχει η δυνατότητα να αντιμετωπισθούν όλα αυτά τα προβλήματα αυξάνοντας βέβαια την πολυπλοκότητα και το αρχικό κόστος του συστήματος. Για να αποφύγουμε τα προβλήματα αυτά εκμεταλλευόμαστε τις δυνατότητες των Η/Υ. Με την χρήση αλγορίθμων ορίζουμε την ακριβή θέση που πρέπει να βρίσκεται το ηλιοτρόπιο. Δυο είναι οι βασικοί τρόποι ελέγχου των συστημάτων αυτών, με την επίλυση των εξισώσεων της θέσεως του ηλίου ή με προσδιορισμό των θέσεων του ηλίου κατά την διάρκεια της ημέρας και του έτους. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε προσωπικό Η/Υ ή μικροϋπολογιστή (microcontroller) για να οδηγήσουμε τον κινητήρα. Σε μικρά συστήματα, όπως οικιακές εφαρμογές γίνεται χρήση μικροϋπολογιστή καθώς είναι πιο οικονομικός και καταλαμβάνει ελάχιστο χώρο. Σε μεγάλα πάρκα η χρήση υπολογιστή είναι αναγκαία για την λειτουργία των συστημάτων αυτών, καθώς ελέγχονται πολλές παράμετροι εκτός από την θέση του ηλιοτροπίου. Η χρήση Η/Υ είναι η καλύτερη και πιο αξιόπιστη λύση καθώς η κίνηση του ηλιοτροπίου βασίζεται σε μαθηματικές εξισώσεις και όχι στην ακτινοβολία η οποία μπορεί να προέρχεται από πολλά σημεία του ουράνιου θόλου. Ο πνευματικός έλεγχος βασίζεται στην τροποποίηση της ισορροπίας ενός πνευματικού συστήματος, εξαιτίας διαφορικής θέρμανσης από τον ήλιο. Το σύστημα αποτελείται από δυο δοχεία με υγρό και έναν υδραυλικό σερβοκινητήρα. Τα δοχεία συνδέονται με αγωγό και ο κινητήρας σε σειρά με τον αγωγό. Το ένα δοχείο θερμαίνεται περισσότερο από το άλλο, το ένα σκιάζεται το άλλο όχι, αυξάνοντας την θερμοκρασία του. Αυτό αυξάνει την πίεση στο δοχείο με αποτέλεσμα την ροή του υγρού από το ένα δοχείο στο άλλο και την περιστροφή του κινητήρα. Σελίδα 90

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Είναι ένα σχετικά αρκετά αξιόπιστο σύστημα με μεγάλο κόστος. Παρουσιάζει πρόβλημα όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι πολύ υψηλή ή πολύ χαμηλή. 4.8 ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΟ ΔΥΟ ΑΞΟΝΩΝ Τα ηλιοτρόπια με στροφή γύρω από δυο άξονες παρακολουθούν και τις δυο κινήσεις του ήλιου, αζιμούθιο και ύψος (elevation). Η συστοιχία στρέφεται γύρω από δυο άξονες, ξεκινώντας από την ανατολή το πρωί και καταλήγοντας στην δύση το απόγευμα. Η κατασκευαστική διαφορά του ηλιοτροπίου δυο αξόνων είναι η χρήση δυο συστημάτων κίνησης, ένα για κάθε κίνηση. Εικόνα 4.29 Ηλιοτρόπιο δυο αξόνων Λόγω της παρακολούθησης του ηλίου και στους δυο άξονες, οι ακτίνες του ηλίου προσπίπτουν κάθετα στους συλλέκτες καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας και του έτους, κάτι που κάνει το σύστημα αυτό πιο αποδοτικό σε σχέση με τα άλλα. Η αύξηση της παραγόμενης ισχύος φτάνει και το 50 % σε σχέση με την σταθερή στήριξη. Η απόδοση του φτάνει το 99,9 %. Βεβαίως το κόστος του είναι αρκετά υψηλότερο λόγω της χρήσης διπλών ηλεκτρονικών συστημάτων και της περίπλοκης μηχανολογικής κατασκευής. Ο έλεγχος κίνησης του ηλιοτροπίου γίνεται ηλεκτρονικά, όπως και στα ηλιοτρόπια ενός άξονα, με την χρήση αισθητήρων ή με χρήση Η/Υ. Σελίδα 91

99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Η χρήση της μεθόδου τον αισθητήρων βασίζεται στην σκίαση των αισθητήρων σε δυο άξονες. Τοποθετούνται δύο ή περισσότεροι αισθητήρες για τον έλεγχο της αζιμουθιακής κίνησης του ηλιοτροπίου και δυο ή περισσότεροι αισθητήρες για τον έλεγχο της γωνιάς του ύψους. Όταν ο έλεγχος γίνεται με Η/Υ τότε οι εξισώσεις που επιλύονται αφορούν το ύψος και το αζιμούθιο. 4.9 Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΑ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας του Φ/Β στοιχείου, το παραγόμενο φωτόρευμα είναι ανάλογο της πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας και της έκτασης της επιφάνειας του. Μια πολύ καλή ιδέα είναι να μειωθεί η έκταση του Φ/Β και αυξηθεί η πυκνότητα ισχύος (αν μειώσουμε Ν φορές την επιφάνεια του Φ/Β και αυξήσουμε Ν φορές την πυκνότητα ισχύος, το φωτόρευμα θα παραμένει το ίδιο). Σε πλαίσια ειδικού τύπου, το Φ/Β στοιχείο έχει πολύ μικρή επιφάνεια με τετραγωνική μορφή ή μορφή ταινίας. Μπροστά από κάθε ένα τοποθετείται συγκεντρωτικός φακός τύπου Fresnel, ο οποίος εστιάζει την ηλιακή ακτινοβολία πάνω στο Φ/Β. Σαν αποτέλεσμα έχουμε την παραγωγή ισχύος με μικρότερη ενεργή επιφάνεια Φ/Β. Ο φακός κατασκευάζεται από γυαλί ή διαφανές πλαστικό. Ένας άλλος τρόπος είναι με την χρήση κατόπτρων. Παραβολικά κάτοπτρα τοποθετούνται έτσι ώστε να κοιτάνε τον ήλιο. Στο σημείο εστίασης των ακτινών τοποθετείται το Φ/Β στοιχείο. Εικόνα 4.30 Πολικό ηλιοτρόπιο με συγκεντρωτικά πλαίσια Σελίδα 92

100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Με τις μεθόδους αυτές παρουσιάζεται όμως ένα σημαντικό πρόβλημα. Η θερμοκρασία του στοιχείου αυξάνεται σημαντικά με αποτέλεσμα την μείωση της απόδοσης. Έτσι γίνεται απαραίτητη η ψύξη του στοιχείου. Συνήθως τοποθετείται πάνω σε ψήκτρες και με φυσική ροή αέρα η θερμοκρασία διατηρείται σε φυσιολογικά επίπεδα. Υπάρχουν βεβαία και συστήματα με βεβιασμένη ροή αέρα ή με ψυκτικό υγρό. Βασική προϋπόθεση για την λειτουργία των πλαισίων αυτών, είναι οι ακτίνες του ήλιου να προσπίπτουν κάθετα στη Φ/Β συστοιχία. Έτσι γίνεται αναγκαία η χρήση ηλιοτροπίων. Εκτός από τα ηλιοτρόπια δυο αξόνων χρησιμοποιούνται και αζιμουθιακά και πολικά ηλιοτρόπια. Έχουν πολύ υψηλό κόστος κατασκευής των συστημάτων εστίασης, προβλήματα ψύξης και απαιτείται πολύ συχνή συντήρηση ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΕΠΙΛΟΓΗ HΛΙΟΤΡΟΠΙΟΥ Όπως αναφέρθηκε παραπάνω υπάρχουν αρκετοί τύποι ηλιοτροπίων οι οποίοι μπορούν να εφαρμοστούν για να καλύψουν τις υπάρχουσες ανάγκες. Για μια οικιακή ή λίγο μεγαλύτερη εφαρμογή, μπορεί να επιλεγεί ένα αζιμουθιακό ή πολικό ηλιοτρόπιο καθώς το κόστος του συστήματος είναι μικρό. Σε μεγάλα όμως Φ/Β πάρκα, όπου η βελτιστοποίηση της παραγωγής ενέργειας είναι ένα κρίσιμο θέμα, η επιλογή του ηλιοτροπίου δυο αξόνων είναι η καταλληλότερη. Το κόστος αυτών των συστημάτων είναι απαγορευτικό για ένα τέτοιο έργο. Έτσι καταφεύγουμε σε μια μέση λύση. Γίνεται χρήση αζιμουθιακού ηλιοτροπίου με χειροκίνητη ρύθμιση της γωνίας κλίσης. Σχήμα4.5 Ηλιοτρόπιο με χειροκίνητη αλλαγή γωνίας κλίσης Σελίδα 93

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Δηλαδή η αζιμουθική κίνηση του ηλιοτροπίου γίνεται αυτόματα, ενώ η ρύθμιση της κλίσης γίνεται χειροκίνητα. Η ρύθμιση της κλίσης γίνεται ανά χρονικά διαστήματα κατάλληλα υπολογισμένα (ανά μήνες) ανάλογα με τις απαιτήσεις. Σχήμα 4.6 Παραγόμενη ενέργεια από διάφορους τύπους στήριξης ΦΒ συλλεκτών Είναι μια οικονομική λύση καθώς χρησιμοποιείται ένα μόνο σύστημα κίνησης με κόστος /kw. Η επιπλέον ενέργεια ανέρχεται στο %, σε σχέση με την ενέργεια που παράγεται από σταθερούς συλλέκτες ΛΕΠΤΟΜΕΡΕΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΗΝ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΤΩΝ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΩΝ Ο άνεμος είναι ίσως ο μοναδικός εχθρός των ηλιοτροπίων. Λόγω τον κινουμένων μερών παρουσιάζεται ο κίνδυνος καταστροφής τους από δυνατό άνεμο. Για το λόγο αυτό πρέπει κατά τη τοποθέτησή τους να προβλέπεται κατάλληλη στερέωση. Σε αρκετές περιπτώσεις γίνεται χρήση ανεμομέτρου έτσι ώστε σε περίπτωση ισχυρών ανέμων το ηλιοτρόπιο να βρίσκεται σε οριζόντια θέση (για ηλιοτρόπια δυο αξόνων) ή σε θέση όπου παρουσιάζεται η μικρότερη μετώπη με τον αέρα. Η θέση αυτή, κατά κανόνα, είναι η νότια θέση αναφοράς. Σε αυτή τη θέση βρίσκεται και κατά τη διάρκεια της νύχτας, από τη δύση έως την ανατολή. Η θέση αναφοράς για τα ηλιοτρόπια είναι ο αληθής Νότος (για τα ηλιοτρόπια δυο αξόνων εκτός από τον αληθή Νότο, ορίζουμε και μια γωνία αναφοράς π.χ 20 ο ). Έτσι κατά Σελίδα 94

102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» την τοποθέτηση πρέπει να προσδιοριστεί σωστά ο Νότος για να την αποφυγή σφαλμάτων κατά την λειτουργία της συσκευής. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί σε ηλιοτρόπια που ελέγχονται μέσω υπολογιστή. Σε περίπτωση λανθασμένου προσανατολισμού θα υπάρχει μειωμένη απόδοση κατά την λειτουργία, καθώς ο προσανατολισμός αποτελεί το σημείο αναφοράς για τον υπολογισμό της κατάλληλης γωνίας. Ο προσδιορισμός του αληθούς νότου μπορεί να γίνει με ηλεκτρονικά όργανα (GPS), με μαγνητική ή γυροσκοπική ή ηλεκτρονική πυξίδα και με προσδιορισμό του ηλιακού μεσημεριού. Από τη θέση αναφοράς γίνεται ο υπολογισμός της θέσης στην οποία πρέπει να βρίσκεται το ηλιοτρόπιο κατά την ανατολή για να ξεκινήσει η παρακολούθηση του ήλιου. Για να αντιληφθεί το σύστημα την θέση αναφοράς χρησιμοποιείται διακόπτης ο οποίος ενεργοποιείται με την κίνηση του ηλιοτροπίου. Διακόπτες τοποθετούνται επίσης, στις οριακές θέσεις που παίρνει το σύστημα, για προστασία του, καθώς κατά την λειτουργία του μπορεί να παρουσιαστεί βλάβη και να κινηθεί πέρα από τα όρια του. Αυτό το φαινόμενο παρουσιάζεται συχνά στην περίπτωση του ελέγχου μέσω αισθητήρων φωτός, λόγω των ανακλώμενων ακτινών. Ο προσδιορισμός της σωστής γωνίας του συλλέκτη γίνεται με αισθητήρες θέσης ή περιστροφής (encoders). Υπάρχουν αρκετά είδη αισθητήρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανάλογα με τις ανάγκες μας. Κατατάσσονται σε κατηγορίες ανάλογα την αρχή λειτουργίας τους: οπτικοί, μαγνητικοί και ηλεκτρικής τάσης (ποτενσιόμετρα). Τελευταία έχουν εμφανιστεί αισθητήρες οι οποίοι αντιλαμβάνονται την αλλαγή του μαγνητικού πεδίου της γης όταν αλλάζουν θέση. Μεγάλο πλεονέκτημα είναι η υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια ενώ μειονέκτημα είναι το υψηλό κόστος αγοράς και η επίδραση τους με χαλύβδινα αντικείμενα. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται στην κατασκευή υλικά από ανοξείδωτο χάλυβα και αλουμίνιο. Κατά το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός φωτοβολταϊκού συγκροτήματος, από το πιο μικρό (π.χ. οικιακή εφαρμογή) έως το πιο μεγάλο (π.χ. φωτοβολταϊκό πάρκο), πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη σημασία στην τοποθέτηση των συστοιχιών. Όταν οι συστοιχίες τοποθετούνται η μια πίσω από την άλλη παρουσιάζεται το πρόβλημα της σκίασης. Η συστοιχία που βρίσκεται μπροστά από μία άλλη ρίχνει την σκιά της στην αμέσως επόμενη. Όσο μακριά και να τοποθετηθεί η μια από την άλλη, κάποια στιγμή της ημέρας θα σκιάζεται. Για αυτό το λόγο οι συστοιχίες τοποθετούνται σε απόσταση τέτοια ώστε η σκίαση να είναι η ελάχιστη. Όμως η χαμηλότερη σειρά πλαισίων θα σκιάζεται κατά την Σελίδα 95

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : «ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ» Ανατολή και τη Δύση. Κατά την σκίαση όμως η ενεργειακή τους απόδοση μηδενίζεται και για αυτό χρησιμοποιούνται δίοδοι παράκαμψης σε κάθε Φ/Β πλαίσιο. Μία ιδέα για την τοποθέτηση των συστοιχιών θα ήταν η απόσταση μεταξύ των συστοιχιών να είναι ίση με το μέγιστο μήκος της μεσημεριανής σκιάς κατά την διάρκεια του έτους, στις 21 Δεκεμβρίου. Η λύση αυτή είναι ενεργειακά ασύμφορη, διότι πριν και μετά το μεσημέρι, η σκιά θα καλύπτει μεγάλο μέρος της συστοιχίας. Γι αυτό το λόγο η μελέτη γίνεται έτσι ώστε η απώλεια ισχύος να μην ξεπερνά ένα καθορισμένο ποσοστό, π.χ 5 %, αν και κατά την ανατολή και τη δύση για κάποιο χρονικό διάστημα η πίσω συστοιχία θα σκιάζεται. Το ποσοστό αυτό καθορίζεται έτσι ώστε να βελτιστοποιείται η ενεργειακή απολαβή κατά τη διάρκεια όλου του έτους και το σύνολο και η έκταση των συστοιχιών να είναι η ελάχιστη. Σχήμα 4.7 Η σκιά πίσω από συστοιχία λόγος Για να χωροθετηθούν οι Φ/Β συστοιχίες είναι απαραίτητο να είναι γνωστός ο (4.1) του διάκενου μεταξύ των διαδοχικών συστοιχιών προς το ύψος των συστοιχιών, σε σχέση με το γεωγραφικό πλάτος, όπου d η απόσταση των διαδοχικών συστοιχιών και h το ύψος της πίσω πλευράς τις συστοιχίας. Όσο μεγαλώνει το γεωγραφικό πλάτος του τόπου το r αυξάνεται άρα μειώνεται το πλήθος των διαδοχικών σειρών Φ/Β, ανά μονάδα επιφανείας. Για τον προσδιορισμό του κατάλληλου r, σε κάθε τόπο, κατασκευάζονται διαγράμματα με το γεωγραφικό πλάτος και το ποσοστό απωλειών. Συνήθως στα διαγράμματα παρουσιάζονται δυο ποσοστά π.χ. 5 % και 10 %. Σελίδα 96

104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο «ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ 5.1 ΟΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΥΣΩΡΕΥΤΕΣ Η παραγόµενη από τη Φ/Β συστοιχία, ηλεκτρική ενέργεια, µπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε απευθείας είτε σε χρόνο µεταγενέστερο της παραγωγής της, π.χ. κατά τη διάρκεια της νύκτας. Άρα, παρουσιάζεται η ανάγκη µιας διάταξης αποθήκευσης της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας. Μέχρι στιγµής, η καλύτερη λύση, από πλευράς κόστους πυκνότητας αποταμιευμένης ενέργειας ανά μονάδα βάρους και όγκου της διάταξης, είναι η χρησιμοποίηση των διαφόρων τύπων ηλεκτρικών συσσωρευτών. Σ' αυτή την κατηγορία ανήκουν οι συσσωρευτές θείου- µολύβδου, οι συσσωρευτές NiCd κ.ά ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν τις δυνατότητες ενός συσσωρευτή είναι, η ονοµαστική τάση στους πόλους του, που εκφράζεται µε την έννοια της ΗλεκτρΕγερτικής Δύναµης (ΗΕΔ) και η ονοµαστική χωρητικότητά του, C. Η ΗΕΔ µετρείται σε Volt και ισούται µε την πολική τάση του συσσωρευτή, όταν δεν είναι συνδεµένος σε καταναλωτή. Η χωρητικότητα C, ενός συσσωρευτή αφορά στο ηλεκτρικό φορτίο που µπορεί να αποθηκευθεί στο εσωτερικό του, µε τη µορφή χηµικής ενέργειας, κάτω από ορισµένες συνθήκες, καθοριζόµενες, κυρίως, από τη θερµοκρασία και εκφράζεται σε Ah (Αµπερώριο -α). Στη βασική του μορφή, ένα στοιχείο ηλεκτρικού συσσωρευτή αποτελείται από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια, συνήθως, µε τη μορφή επίπεδων πλακών, εµβαπτισµένα σε ορισµένο διάλυµα ηλεκτρολύτη, ο οποίος αντιδρά επιφανειακά µε τις πλάκες. Κατά το στάδιο της φόρτισής του, µια ηλεκτρική πηγή συνεχούς τάσεως, συνδέεται στα άκρα του και δημιουργεί στο εσωτερικό του ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο κινεί ευκίνητα ιόντα του ηλεκτρολύτη, προς τις αντίθετα πολωμένες πλάκες του συσσωρευτή (+ και -), όπου αποδίδουν το φορτίο τους. Αποτέλεσμα των χημικών Σελίδα 97

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο «ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ» αντιδράσεων που συµβαίνουν στα μεταλλικά ηλεκτρόδια, είναι η αλλοίωση της δοµής τους, σε βάθος µερικών µικρών, μετατρεπόµενα σε νέα, διαφορετικά µεταξύ τους σώµατα. Τα αλλοιωµένα ηλεκτρόδια εµφανίζουν διαφορετικά ηλεκτροχηµικά δυναµικά ως προς το διάλυµα και η διαφορά μεταξύ τους ισούται µε την ΗΕΔ του συσσωρευτή. Οι τιµές ΗΕΔ των διαφόρων τύπων συσσωρευτών (Pb/H 2 S0 4, NiCd, NiFe, ΝίΖn, Sodium-Sulphur, Zinc-Bromide, ZincCloride, Lithium-Metal Sulphide, Nickel- Hydrogen) βρίσκονται μεταξύ 1 V και 4 V ανά στοιχείο. Για να προκύψει µια διάταξη συσσώρευσης σε υψηλότερη ΗΕΔ, όµοια ηλεκτρικά στοιχεία συνδυάζονται µεταξύ τους σε σειρά. Η ονοµαστική τάση ενός στοιχείου συσσωρευτή µολύβδου είναι 2,25 V. Έτσι, οι τυπικές ονοµαστικές τάσεις µε τις οποίες κυκλοφορούν, µε την γνωστή εµπορική τους µορφή, οι συσσωρευτές µολύβδου, είναι 6V (τρία στοιχεία) και συνηθέστερα, 12 V (έξι στοιχεία) και 24 V (δώδεκα στοιχεία). Το στοιχείο NiCd έχει ονοµαστική τάση 1,3 V και η συνήθης μορφή µε την οποία διατίθεται στο εµπόριο χαρακτηρίζεται από τάση ~ 14,5 V. Οι συσσωρευτές NiCd έχουν τη δυνατότητά να δέχονται βαθιές εκφορτίσεις, χωρίς ουσιαστικό πρόβληµα, σε αντίθεση µε τους συσσωρευτές Pb/H 2 S0 4. Παρουσιάζουν όµως το µειονέκτηµα της «μνήµης» κατά τη φόρτιση, αν αυτή διακοπεί, πριν ολοκληρωθεί η διεργασία. Το πρόβληµα συνίσταται στην αδυναµία του συσσωρευτή NiCd, σε επόµενες προσπάθειες συνέχισης της φόρτισης, να αποκτήσει την αρχική του χωρητικότητα και πολική τάση. Αίρεται, αν υποβάλουµε το συσσωρευτή σε πλήρη εκφόρτιση, µέσω κατάλληλης αντίστασης, και στη συνέχεια τον φορτίσου µε πλήρως, χωρίς ενδιάμεση διακοπή ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ ΜΟΛΥΒΔΟΥ - ΘΕΙΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ (Pb/H 2 S0 4 ) Ο συσσωρευτής Μολύβδου - Θειικού οξέος είναι ίσως ο δηµοφιλέστερος τύπος ηλεκτρικού συσσωρευτή, γνωστός από τις αρχές του εικοστού αιώνα. Οι βιοµηχανικής παραγωγής συσσωρευτές µολύβδου έχουν υψηλή µηχανική αντοχή και συνακόλουθα, αυξηµένη δυνατότητα για βαθιές εκφορτίσεις, µε δυνατότητα µεγάλων ρευµάτων, σε αντίθεση µε τους κοινούς συσσωρευτές µολύβδου. Οι τελευταίοι χρησιµοποιούνται στα οχήµατα και δύνανται, βεβαίως, να εκφορτίζονται µε µεγάλα ρεύµατα αλλά για πολύ µικρά διαστήµατα τυπικά, ο απαιτούµενος χρόνος Σελίδα 98

106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο «ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ» λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα (µίζας) για την εκκίνηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης, είναι, συνήθως, µικρότερος των 5 s. Παρατεταµένη χρήση τους µε µεγάλα ρεύµατα, µειώνει ταχύτατα το χρόνο ζωής τους. Διακρίνονται επίσης στους συσσωρευτές µε ηλεκτρολύτη υγρής κατάστασης και σε συσσωρευτές µε παχύρρευστο ηλεκτρολύτη (Gel), αεροστεγώς σφραγισµένους (Sealed), οι οποίοι δεν απαιτούν συµπλήρωση νερού. Οι συσσωρευτές αυτοί πλεονεκτούν των πρώτων, επειδή δεν απαιτούν συντήρηση και έχουν τη δυνατότητα χρήσης σε κλειστούς χώρους, που περιέχουν ευαίσθητα µηχανικά ή ηλεκτρονικά όργανα. Μπορούν ακόµα να χρησιµοποιηθούν σε κατασκευές υπό κλίση, χωρίς να υπάρχει κίνδυνος διαρροής ηλεκτρολυτικού υγρού. Χαρακτηρίζονται όµως, από µικρά βάθη εκφόρτισης και σχετικά µικρά ρεύµατα εκφόρτισης. Επίσης, υστερούν σε σχέση µε τους συσσωρευτές υγρής κατάστασης, όσον αφορά την αξιοποιήσιµη χωρητικότητά τους σε θερµοκρασίες κάτω του 0 C. Στους 0 C η χωρητικότητα περιορίζεται στο ~ 65 % της ονοµαστικής στους 20 C. Στους συσσωρευτές τύπου gel, η χωρητικότητα σε αντίστοιχες συνθήκες είναι κάτω του 30 % της ονοµαστικής τιµής της, στους 20 C. Τα ηλεκτρόδια των βιοµηχανικών συσσωρευτών κατασκευάζονται από πλάκες Μολύβδου µε τη µορφή κυψελών. Οι κυψέλες στην αρνητική πλάκα πληρώνονται µε πορώδη µόλυβδο ενώ στην θετική, µε φαιά οξείδια µολύβδου, προκειµένου η ενεργός επιφάνεια κάθε µολύβδινης πλάκας να είναι αυξηµένη και κατά συνέπεια και η χωρητικότητα του συσσωρευτή. Οι διαφορετικές κατηγορίες στις οποίες κατατάσσονται οι συσσωρευτές Pb/H 2 S0 4, ανάλογα µε τις ιδιαίτερες απαιτήσεις των εφαρµογών, για τις οποίες προορίζονται, αναφέρονται στον παρακάτω πίνακα ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΦΟΡΤΙΣΗΣ Η φόρτιση του συσσωρευτή γίνεται µε εφαρµογή συνεχούς τάσεως στους πόλους του συσσωρευτή, έτσι ώστε το σύστηµα να διαρρέεται από ορισµένο ρεύµα. Γενικά, συνιστάται φόρτιση µε χαµηλό ρεύµα. Αν η ονοµαστική χωρητικότητα του συσσωρευτή είναι C (σε Ah), η φόρτισή του µε ρεύµα C/20, σε Α, αποτελεί τον λεγόµενο κανονικό ρυθµό φόρτισης. Για συσσωρευτές ενισχυµένης κατασκευής Σελίδα 99

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο «ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ» πλακών (συσσωρευτές βιοµηχανικής ή φωτοβολταϊκής χρήσης), επιτρέπεται ρεύµα φόρτισης µέχρι Ι = C/10 (Α) ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ Αν στα άκρα του συσσωρευτή συνδεθεί ένας καταναλωτής, τότε συµβαίνει εκφόρτισή του και, κατά τις χηµικές αντιδράσεις στις επιφάνειες των δύο ηλεκτροδίων, µετατρέπονται σταδιακά και τα δύο σε PbSΟ ΧΡΟΝΟΣ ΖΩΗΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ Οι συσσωρευτές δεν πρέπει να υφίστανται παρατεταµένη φόρτιση σε πολλή υψηλή τάση γι' αυτούς, ούτε να εκφορτίζονται κάτω από ένα όριο. Ο κανόνας αυτός είναι πολύ σηµαντικός και καθορίζει το χρόνο ζωής τους. Η υπερφόρτιση έχει ως αποτέλεσµα την ηλεκτρόλυση και συνακόλουθα, την παραγωγή υδρογόνου, µε ταυτόχρονη έντονη ελάττωση της στάθµης του ηλεκτρολυτικού διαλύµατος (απώλεια νερού). Ο χρόνος ζωής των συσσωρευτών εκφράζεται σε κύκλους λειτουργίας, καθένας απ' τους οποίους περιλαµβάνει τις διαδοχικές διαδικασίες εκφόρτισης και φόρτισής του. Η χωρητικότητα, C, του συσσωρευτή δεν παραµένει σταθερή. Μειώνεται όσο αυξάνουν οι κύκλοι λειτουργίας. Π.χ. περιοδική εκφόρτιση-φόρτιση ενός, καλής ποιότητας, συσσωρευτή Pb / H 2 SΟ 4, σε ποσοστό 20 % κάτω από την ονοµαστική χωρητικότητά του, αντιστοιχεί σε 4500 κύκλους λειτουργίας. Αν το βάθος εκφόρτισης αυξηθεί σε 40 %, οι κύκλοι λειτουργίας ελαττώνονται κάτω από τους µισούς. Ένας πρακτικός κανόνας που προσεγγίζει την πραγµατική συµπεριφορά των συσσωρευτών και ουσιαστικά, περιγράφει το χρόνο ζωής τους, είναι ο ακόλουθος: Το γινόµενο βάθους εκφόρτισης επί τους κύκλους λειτουργίας είναι,µε καλή προσέγγιση, σταθερό : β εκφ Ν κ = σταθερό όπου Νκ, το πλήθος των κύκλων λειτουργίας του συσσωρευτή. Σελίδα 100

108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο «ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ» Εµπειρικός κανόνας: Για τους συσσωρευτές βαθιάς εκφόρτισης το γινόµενο αυτό έχει την τιµή 1200, ενώ για κοινούς συσσωρευτές περιορίζεται στο ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ Η κατάσταση πλήρους φόρτισης ενός συγκεκριμένου συσσωρευτή εξαρτάται από: τη θερμοκρασία του, τους κύκλους λειτουργίας, µέχρι τη στιγμή της εξέτασης το βάθος εκφόρτισης το ρυθμό (ρεύμα) φόρτισης-εκφόρτισης. Η πολυπλοκότητα, λοιπόν, της εξάρτησης της κατάστασης φόρτισης, από τις τέσσερις αυτές παραμέτρους, αποτελεί την κύρια αιτία, που ακόμα δεν έχει εφαρμοστεί µια ρεαλιστική µέθοδος απόλυτου τρόπου καθορισμού της κατάστασης φόρτισης ενός συσσωρευτή, µε παρακολούθηση µιας συγκεκριμένης παραμέτρου. Σήμερα, πάντως, οι µεγάλες δυνατότητες των συστημάτων ηλεκτρονικής µνήµης, παρέχουν την ευχέρεια συνεχούς παρακολούθησης και ελέγχου της λειτουργίας των συσσωρευτών, συµβάλλοντας µε αξιοπιστία στην αύξηση του χρόνου ζωής τους. Προκειµένου, µε απλή εργαστηριακή µέθοδο, να σχηµατίσουµε µια εικόνα για την κατάσταση φόρτισης ενός συσσωρευτή εξετάζουµε δύο χαρακτηριστικά του: την ΗΕΔ και την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη του, µε ειδικό πυκνόµετρο. Το όργανο αυτό αποτελείται από ένα κύριο σωλήνα που περιέχει ένα κατάλληλο πλωτήρα µε ενσωµατωµένη κλίµακα πυκνότητας. Στο άνω άκρο του σωλήνα υπάρχει ελαστική σφαίρα (φούσκα), µε τη βοήθεια της οποίας αναρροφάται µικρή ποσότητα ηλεκτρολύτη µέσα στο σωλήνα της συσκευής. Η ισορροπία του πλωτήρα στην επιφάνεια του ηλεκτρολύτη, δίδει την πυκνότητα του ηλεκτρολυτικού διαλύµατος. Ανάλογα µε την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη, ο πλωτήρας βυθίζεται λιγότερο (φορτισµένος συσσωρευτής) ή περισσότερο (στην περίπτωση του εκφορτισµένου συσσωρευτή). Η παρακολούθηση της πολικής τάσης του συσσωρευτή, δίνει µια προσεγγιστική εικόνα της κατάστασης φόρτισης. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, η πολική τάση του συσσωρευτή µειώνεται, αρχικά µε χαµηλό ρυθµό, ώστε πρακτικά, να μπορεί να θεωρηθεί, περίπου σταθερή. Ο ρυθμός µείωσης της τάσης, προς το Σελίδα 101

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο «ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ» τέλος της διαδικασίας αυξάνει ραγδαία. Κατά την αντίστροφη διαδικασία, η τάση αποκτά πολύ γρήγορα, περίπου σταθερή τάση, 2-2,1 V, η οποία αυξάνεται αργά, ενώ προς το τέλος της φόρτισης, παρουσιάζει απότοµη αύξηση. Στην πράξη, η πολική τάση του συσσωρευτή παρακολουθείται συνεχώς, από ειδική ηλεκτρονική συσκευή, τον ελεγκτή ή επιτηρητή φόρτισης, ο οποίος στις περισσότερες εφαρµογές περιέχει ενσωµατωµένο και τµήµα που ελέγχει την εκφόρτισή του. Κατά τη φόρτιση, µόλις η πολική τάση φτάσει την τιµή 2,4 V/στοιχείο, η φόρτιση διακόπτεται. Οµοίως, διακόπτεται η λειτουργία του συσσωρευτή (παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε καταναλωτή), όταν η πολική τάση ελαττούµενη προσεγγίσει µια τιµή που έχει επιλεγεί ως ελάχιστο όριο λειτουργίας. Γενικά, η τιµή αυτή σχετίζεται µε το βάθος εκφόρτισης, µε το οποίο επιθυµούµε να επαναλαµβάνονται οι κύκλοι λειτουργίας. Οπωσδήποτε, επανειληµµένη λειτουργία του σε τάσεις κάτω από 1,75-1,80 V, προκαλεί δραµατική µείωση στο χρόνο ζωής του συσσωρευτή. Προκειµένου να αποφευχθεί µια τέτοια κατάσταση, το τροφοδοτούµενο φορτίο τίθεται εκτός λειτουργίας, όταν η τάση φτάσει το προκαθορισµένο επιτρεπτό κάτω όριο. Σελίδα 102

110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο «ΝΕΕΣ ΥΕΝΧΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ 6.1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΛΕΠΤΑ ΥΜΕΝΙΑ H ανάγκη για νέα, προηγμένα υλικά και συστήματα με νέες ιδιότητες και συμπεριφορά, οδήγησε προς τη Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων (Thin Film Technology). Ως βάση της τεχνολογίας αυτής θεωρείται η διαδικασία και οι μηχανισμοί της εναπόθεσης των ατόμων ή μορίων από την αέρια φάση στην επιφάνεια ενός στερεού υλικού. Εικόνα 6.1 Η πορεία στρέψης του επιστημονικού ενδιαφέροντος προς τις ολοένα και πιο μικρές κλίμακες της ύλης. Λεπτό υμένιο ονομάζουμε την μικροδομή που δημιουργείται από τα ατομικά στρώματα ενός υλικού- εναποθέτη πάνω στην επιφάνεια ενός στερεού (bulk) υλικού και που η μια διάστασή του είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη από τις άλλες δύο. Τα λεπτά υμένια, με πάχη που κυμαίνονται από λίγα nm έως και μερικά μm, έχουν ιδιότητες που είναι σημαντικά Σελίδα 103

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο «ΝΕΕΣ ΥΕΝΧΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ» διαφορετικές από αυτές των στερεών υλικών και των επιφανειών. Οι διαφοροποιήσεις αυτές είναι ιδιαίτερα σημαντικές όταν τα πάχη τους είναι πολύ μικρά ή Εικόνα 6.2 Εναπόθεση λεπτού υμενίου πάνω σε επίπεδο υπόστρωμα. στα πρώτα στάδια ανάπτυξής τους. Αυτές οι διαφορές οφείλονται κυρίως στη μικροδομική συγκρότηση και συσσωμάτωση που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια του μετασχηματισμού των ελευθέρων ατόμων μιας αέριας φάσης απευθείας σε στερεά φάση. Στις περισσότερες τεχνικές εναπόθεσης, τα λεπτά υμένια εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός υλικού σε θερμοκρασίες πολύ μικρότερες από το μισό της θερμοκρασίας τήξης του αντίστοιχου συμπαγούς υλικού ενώ η ανάπτυξη λαμβάνει χώρα κάτω από συνθήκες πολύ μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία. Αυτές ακριβώς οι συνθήκες είναι υπεύθυνες για το σχηματισμό διαφόρων μετασταθών φάσεων, άμορφων και νανοδομικών υλικών (nanostructured materials). Η ανάπτυξη μονοστρωματικών ή πολυστρωματικών δομών λεπτών υμενίων, θα προσδώσει στο συνολικό σύστημα τις επιθυμητές ιδιότητες (φυσικές, χημικές, βιολογική δράση) που απαιτούνται για την συγκεκριμένη χρήση του αλλά και νέες εξαιρετικές ιδιότητες που θα επεκτείνουν το πεδίο εφαρμογών του και τη διάρκεια ζωής του. Η Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων έχει γίνει το μέσο και το κατάλληλο εργαλείο για τη παραγωγή νέων προηγμένων υλικών και συστημάτων που παρουσιάζουν νέες, άγνωστες μέχρι σήμερα ιδιότητες και συμπεριφορά, αλλά και σε πολλές περιπτώσεις δίνουν τη δυνατότητα να αναδειχθούν και να παρατηρηθούν νέα φαινόμενα. Αυτές οι νέες ιδιότητες και χαρακτηριστικά με τη σειρά τους, καθιστούν τα Λεπτά Υμένια ιδανικά για ένα πλήθος Σελίδα 104

112 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο «ΝΕΕΣ ΥΕΝΧΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ» επιστημονικών και τεχνολογικών εφαρμογών. Μερικοί από τους τομείς που βρίσκουν εφαρμογές τα Λεπτά Υμένια είναι οι εξής: Μικροηλεκτρονική. Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές. Τηλεπικοινωνίες. Αισθητήρες (sensors). Βιοϋλικά (βιοσυμβατές, αντι-μικροβιακές επικαλύψεις). Οπτοηλεκτρονική. Οπτική (ανακλαστικές, αντι-ανακλαστικές επικαλύψεις, απορροφητικές επικαλύψεις, κτλ). Επιφανειακή κατεργασία-προστασία υλικών (surface engineering-materials protection). Χημικώς ενεργά υλικά (καταλυτικές επικαλύψεις, corrosion resistant coatings, κτλ.). Εικόνα 6.3 Εφαρμογές της Τεχνολογίας των Λεπτών Υμενίων στη Μικροηλεκτρονική και στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Σελίδα 105

113 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο «ΝΕΕΣ ΥΕΝΧΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ» Εικόνα 6.4 Εφαρμογές της Τεχνολογίας των Λεπτών Υμενίων στην επιφανειακή κατεργασία για τη προστασία υλικών και συστημάτων. Εικόνα 6.5 Εφαρμογές της Τεχνολογίας των Λεπτών Υμενίων στα βιοϋλικά (αριστερά) και στην οπτική (δεξιά). Σελίδα 106

114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο «ΝΕΕΣ ΥΕΝΧΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ» Επίσης η Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων χρησιμοποιείται εκτενώς και σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας, όπως π.χ.: Συσκευασία τροφίμων (food packaging) Κατασκευή εύκαμπτων ηλεκτρονικών διατάξεων (επίπεδες οθόνες απεικόνισης, φωτοβολταϊκά στοιχεία) Glass buildings Διακοσμητική κτλ. Εικόνα 6.6 Σύγχρονες εφαρμογές μεγάλης κλίμακας της Τεχνολογίας των Λεπτών Υμενίων. Επικάλυψη πολυμερικών μεμβρανών για την βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων φραγμού. Εικ όνα 6.7 Σύγχρονες εφαρμογές μεγάλης κλίμακας της Τεχνολογίας των Λεπτών Υμενίων. Εύκαμπτες ηλεκτρονικές διατάξεις εύκαμπτες επίπεδες οθόνες και εύκαμπτα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Σελίδα 107