ιπλωµατική Εργασία του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ιπλωµατική Εργασία του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών ΤΣΟΛΚΑ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΤΩΝΙΟΥ Αριθµός Μητρώου:5793 Θέµα «ΕΤΗΣΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΛΕΠΤΟΥ ΦΙΛΜ ΚΑΙ ΙΣΟ ΥΝΑΜΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ» Επιβλέπουσα Βασιλική Περράκη, Λέκτορας Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2011

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η ιπλωµατική Εργασία µε θέµα «ΕΤΗΣΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΛΕΠΤΟΥ ΦΙΛΜ ΚΑΙ ΙΣΟ ΥΝΑΜΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ» Του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΤΣΟΛΚΑ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΤΩΝΙΟΥ Αριθµός Μητρώου:5793 Παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Ο ιευθυντής του Τοµέα Β. Περράκη Νικόλαος Φακωτάκης Λέκτορας Καθηγητής

3 Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: Θέµα: «Ετήσια Ενεργειακή Απόδοση πλαισίων Λεπτού Φίλµ και ισοδύναµη µοντελοποίηση» Φοιτητής: Τσόλκας Γεώργιος Επιβλέπουσα: Βασιλική Περράκη, Λέκτορας

4 Οι απόψεις και τα συµπεράσµατα που περιέχονται σε αυτή τη ιπλωµατική εργασία εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερµηνεύεται ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσηµες θέσεις της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών

5 Περίληψη Σκοπός αυτής της διπλωµατικής εργασίας είναι να εµβαθύνουµε στη λειτουργία των φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτού φίλµ (και συγκεκριµένα των πλαισίων άµορφου πυριτίου - a-si - και CIS) και µέσα από τα αριθµητικά δεδοµένα, να αποφανθούµε πώς η λειτουργία σε πραγµατικές συνθήκες µπορεί να επηρεάσει την παραγόµενη ισχύ τους. Στα πλαίσια αυτά, πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές µετρήσεις, στο χώρο της ταράτσας του κτιρίου του τµήµατος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, µε φωτοβολταϊκά πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS ισχύος αιχµής 32 και 75 W αντίστοιχα. Οι µετρήσεις πραγµατοποιούνταν µια φορά την εβδοµάδα κατά τη διάρκεια ενός ηµερολογιακού έτους (Μάιος 2009-Απρίλιος 2010) υπό διάφορες συνθήκες ακτινοβολίας και θερµοκρασίας και για αρκετές γωνίες κλίσης, µε σκοπό να αποκτήσουµε µια ολοκληρωµένη εικόνα της ενεργειακής τους συµπεριφοράς. Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν µε τη βοήθεια του µηχανήµατος PVPM 2540C το οποίο αποτυπώνει τη χαρακτηριστική ρεύµατος-τάσης του προς µέτρηση πλαισίου για µια χρονική στιγµή (σε χρόνο δυο δευτερολέπτων περίπου), ενώ επιπλέον σηµειώναµε την ακτινοβολία, τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος, καθώς και την κλίση τοποθέτησής τους. Επίσης µελετούσαµε πώς επηρεάζει τη χαρακτηριστική καµπύλη I-V, και κατά συνέπεια την απόδοση, τυχόν σκίαση από παρακείµενο αντικείµενο. Ο προσανατολισµός των πλαισίων ήταν πάντα προς το Νότο, ώστε να έχουµε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας, διότι η Ελλάδα είναι χώρα του βόρειου ηµισφαιρίου. Κατά την επεξεργασία των µετρήσεων καταλήξαµε στην βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων ανά εποχή καθώς και σε µία βέλτιστη κλίση τοποθέτησης για όλο τo χρόνο για την περιοχή της Πάτρας. Επιπλέον, υπολογίσαµε µε τη µέγιστη δυνατή ακρίβεια την ετήσια ενεργειακή απόδοση του κάθε πλαισίου για όλο το έτος και συγκρίναµε τα παραγόµενα αποτελέσµατα. Τέλος, µε τη βοήθεια του προγράµµατος PV*Sol, κάναµε µια µοντελοποίηση του χρησιµοποιούµενου συστήµατος για να συγκρίνουµε µ αυτή τα πειραµατικά µας αποτελέσµατα. Λέξεις κλειδιά τεχνολογία λεπτών φιλµ, πλαίσιο άµορφου πυριτίου, πλαίσιο CIS, ετήσια ενεργειακή απόδοση, χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατος τάσης, πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας, θερµοκρασία πλαισίου, µοντελοποίηση.

6 Abstract The aim of this diploma thesis is to understand deeply the operation of thin-film (specifically amorphous silicon and CIS ) modules and through the numerical data of measurements and calculations, to make a conclusion considering how the operation in real conditions can influence their produced power. Measurements of current and voltage have been realized on the roof of the building of the department of Electrical and Computer Engineering using an amorphous silicon and a CIS photovoltaic module of 32 and 75 W peak power respectively. The measurements took place once a week during one a year (May 2009-April 2010) and our goal was to obtain measurements under various conditions of radiation and temperature and for some tilt angles so that we acquire enough knowledge on their energy behaviour. The measurements were taken by the pve PVPM 2540C device, which plots the characteristic curve of current and voltage of a module (in space of two seconds) and we also noted down the radiation, the ambient temperature, as well as the tilt angle of the modules. Moreover, we have tested how a possible natural shading from an adjacent object influences the characteristic I-V curve, and as a result the efficiency of the module. The orientation of the module was always South, in order to gain more hours of sunlight, as Greece is a country of the northern hemisphere. While processing the measurements, we found the optimal tilt angle of the modules per season as well as per year for Patras area. Moreover, we tried to calculate with the maximum possible accuracy, the annual energy yield by the two different types of modules and compare the results. Finally, by using the computer modelling system PV*sol, we tried to simulate our photovoltaic system, in order to compare the measured results to the experimental. Key words Thin-film technology, amorphous silicon module, CIS module, annual energy yield, characteristic curve of current and tendency, real operation conditions, radiation, module temperature, simulation.

7 Πρόλογος Η παρούσα διπλωµατική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρµατων Τηλεπικοινωνιών του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών υπό την επίβλεψη της κ.περράκη Βασιλικής, µε στόχο να δώσει µια σαφή εικόνα της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων και συνεπώς των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Αρχικά, η έρευνα ξεκίνησε από βιβλιογραφική αναζήτηση και στη συνέχεια επικεντρώθηκε σε πειραµατικές µετρήσεις υπό πραγµατικές συνθήκες. Σκοπός αυτής της διπλωµατικής εργασίας είναι να διερευνηθεί πώς διάφοροι παράγοντες, όπως η ακτινοβολία, η θερµοκρασία, η κλίση τοποθέτησης των πλαισίων και η σκίαση επιδρούν στην ισχύ αιχµής και συνεπώς στην απόδοση φωτοβολταϊκών πλαισίων Λεπτού Φίλµ, µέσα από ένα σύνολο µετρήσεων υπό πραγµατικές συνθήκες. Παράλληλα, έγινε µια προσπάθεια να υπολογιστούν µε τη µέγιστη δυνατή ακρίβεια οι ετήσιες ενεργειακές µας απολαβές από τα πλαίσια που µελετήθηκαν. Στο σηµείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω βαθύτατα την επιβλέπουσα καθηγήτριά µου, κ. Βασιλική Περράκη για την ανάθεση αυτής της διπλωµατικής εργασίας και κυρίως για την συνεχή καθοδήγηση και τις πολύτιµες συµβουλές που µου προσέφερε καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησής της. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω το Εργαστήριο Ασυρµάτου Τηλεπικοινωνίας του τοµέα Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας για την παροχή του εργαστηριακού εξοπλισµού που χρειάστηκα, και τους υπευθύνους του Μετεωρολογικού Σταθµού Έξω Αγυιάς Πάτρας που µου παρείχαν τα πλήρη µετεωρολογικά δεδοµένα της πόλης για τις ηµέρες της απουσίας µου. Στη συνέχεια, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συναδέλφους Αθανάσιο Κοσκινά και ηµήτριο Κοροµπίλη για την άψογη συνεργασία και τη βοήθειά τους κατά την πραγµατοποίηση και την επεξεργασία των πειραµατικών µετρήσεων. Ακόµα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον φίλο, συνάδελφο και συνυπηρετούντα στα πλαίσια της στρατιωτικής µου θητείας Βασίλειο Κιούση, για τη βοήθειά του όσον αφορά στη σύνθεση και διάρθρωση αυτής της εργασίας. Τέλος, οφείλω ένα µεγάλο ευχαριστώ στους γονείς µου, για την θερµή υποστήριξή τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών µου και γενικά για όσα έχω πετύχει έως σήµερα. Για το λόγο αυτό, τους αφιερώνω τη διπλωµατική µου εργασία.

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη Abstract Πρόλογος ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : Η φωτοβολταϊκή ενέργεια Ιστορικά στοιχεία Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα.4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : Η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Εισαγωγή στην ηλιακή ακτινοβολία Η Φωτοβολταϊκή µετατροπή Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων.15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου (a-si) Γενικά Φωτοβολταϊκά κύτταρα/πλαίσια λεπτού φιλµ..26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : Πειραµατική διάταξη,πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πειραµατική διαδικασία και χρησιµοποιούµενα όργανα Πειραµατικές µετρήσεις υπό σταθερή ακτινοβολία Πειραµατικές µετρήσεις υπό σταθερή θερµοκρασία Εύρεση της βέλτιστης κλίσης τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου Σύγκριση λειτουργίας κατά τη θερινή και τη χειµερινή περίοδο Επίδραση της κάθετης και οριζόντιας σκίασης στις χαρακτηριστικές παραµέτρους φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτού φιλµ...71

9 4.7 Υπολογισµός Ετήσιας Ενεργειακής Απόδοσης πλαισίων λεπτού φίλµ.82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : Μοντελοποίηση συστήµατος..97 Εισαγωγή Περιγραφή του προγράµµατος και τεχνικά χαρακτηριστικά Μελέτη του συστήµατος Αποτελέσµατα µοντελοποίησης και συµπεράσµατα.104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : Συµπεράσµατα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 114 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..128

10 Εισαγωγή ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρήση των συµβατικών πηγών ενέργειας (καύσιµα) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι από τους σηµαντικότερους παράγοντες που οδήγησαν στην υπερθέρµανση του πλανήτη µας και στην κλιµατική αλλαγή. Παράλληλα, η εξάντληση των αποθεµάτων τους έχουν ήδη οδηγήσει πολλές χώρες στο να µειώσουν τη χρήση τέτοιων πηγών ενέργειας και να αυξήσουν το ποσοστό συµβολής των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας στην συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μια απ τις πιο διαδεδοµένες ανανεώσιµη πηγή ενέργειας είναι ο ήλιος και η χρήση φωτοβολταϊκών πλαισίων για τη µετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας (ενέργειας) σε ηλεκτρική εξαπλώνεται συνεχώς σε όλο τον κόσµο. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που είναι διαθέσιµα για εµπορική χρήση χωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες: στα πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου (crystalline silicon modules) και στα πλαίσια λεπτού φίλµ (thin film modules). Τα πλαίσια που ανήκουν στη πρώτη κατηγορία είναι πιο γνωστά µας και έχουν αναπτυχθεί και χρησιµοποιηθεί για περίπου 30 χρόνια. Ωστόσο, η ζήτηση των πλαισίων λεπτού φιλµ (κυρίως πλαισίων άµορφου πυριτίου) αυξάνεται συνεχώς τα τελευταία χρόνια χάρη στη χαµηλότερη ενσωµατωµένη τους ενέργεια, η οποία απαιτεί µικρότερο κόστος κατασκευής (παραγωγής). Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών άρχισε να αναπτύσσεται στη τέλη της δεκαετίας του 50, κυρίως για χρήση τους σε διαστηµικές εφαρµογές, και έκτοτε εξελίσσεται συνεχώς. Σήµερα, δίνεται µεγάλη σηµασία στην έρευνα και την ανάπτυξη διαφόρων τεχνολογιών, µε στόχο την κατασκευή φωτοβολταϊκών πλαισίων που θα αξιοποιούν περισσότερη ηλιακή ενέργεια και κατ' επέκταση θα έχουν µεγαλύτερο βαθµό απόδοσης. Με την παρούσα διπλωµατική εργασία, έγινε µια προσπάθεια να διερευνηθεί ο τρόπος µε τον οποίο διάφοροι παράγοντες, όπως η ακτινοβολία, η θερµοκρασία και η κλίση επηρεάζουν την παραγόµενη ισχύ και κατ επέκταση την απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων Λεπτών Φιλµ, µέσα από ένα σύνολο µετρήσεων υπό πραγµατικές συνθήκες. Επιπρόσθετα, έγινε µια προσπάθεια να υπολογιστεί µε τη µέγιστη δυνατή ακρίβεια η ετήσια ενεργειακή απόδοση των πλαισίων που µελετήθηκαν. Η ισχύς αιχµής είναι το πιο σηµαντικό στοιχείο που χαρακτηρίζει ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Θέλοντας να καταλήξουµε σε µια ρεαλιστική τιµή για την αποδιδόµενη ενέργεια των συγκεκριµένων πλαισίων σε πραγµατικές συνθήκες και στη διάρκεια ενός ηµερολογιακού έτους, πραγµατοποιήσαµε µια εκτεταµένη διερεύνηση των παραγόντων αυτών. Τα περιεχόµενα των κεφαλαίων που ακολουθούν περιγράφονται παρακάτω. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας υπολογιστών 1

11 Εισαγωγή Στο Κεφάλαιο 1, παρουσιάζεται µια γενική εισαγωγή στη φωτοβολταϊκή ενέργεια, αναφέροντας διάφορα ιστορικά στοιχεία καθώς και τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα της µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλιακή ενέργεια. Στο Κεφάλαιο 2, αναλύεται το φωτοβολταϊκό φαινόµενο και η δηµιουργία φωτορεύµατος σ ένα ηλιακό κύτταρο. Παρουσιάζεται το ηλεκτρικό ισοδύναµο ενός ηλιακού κυττάρου καθώς και η χαρακτηριστική ρεύµατος-τάσης του (I-V). Γίνεται, τέλος, αναφορά στους παράγοντες που επηρεάζουν την I-V χαρακτηριστική, αλλά και την απόδοση του φωτοβολταϊκού. Στο Κεφάλαιο 3, αναφέρονται και αναλύονται τα χαρακτηριστικά των πλαισίων Λεπτού Φίλµ. Παρουσιάζονται τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατά τους, ο τρόπος κατασκευής τους και σαν απόρροια του τρόπου αυτού, τα κύρια χαρακτηριστικά της λειτουργίας τους. Στο Κεφάλαιο 4, γίνεται αρχικά µια σύντοµη αναφορά στην πειραµατική διάταξη και στα όργανα που χρησιµοποιήθηκαν για τη διεκπεραίωση των µετρήσεων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται γραφικά τα αποτελέσµατα των µετρήσεων και γίνονται υπολογισµοί για την εύρεση του συντελεστή ποιότητας και της απόδοσης σε κάθε περίπτωση. Ακόµα υπολογίζεται η αποδιδόµενη ενέργεια για τη θερινή και τη χειµερινή περίοδο και τέλος η ετήσια αποδιδόµενη ενέργεια του κάθε πλαισίου. Στο Κεφάλαιο 5, µε τη βοήθεια του προγράµµατος PV*sol, γίνεται µια προσπάθεια να µοντελοποιήσουµε τη λειτουργία και την ενεργειακή απόδοση των πλαισίων που εξετάζουµε στις συγκεκριµένες περιβαλλοντικές συνθήκες. Στο Κεφάλαιο 6, παρουσιάζονται γενικά συµπεράσµατα σχετικά µε την επίδραση των εξεταζόµενων περιβαλλοντικών συνθηκών στις χαρακτηριστικές παραµέτρους των δυο πλαισίων, συγκρίνονται οι ενεργειακές µας απολαβές από αυτά και παράλληλα συγκρίνονται τα εξαγόµενα αποτελέσµατα µε τα αντίστοιχα µοντελοποιηµένα. Τέλος, στο Παράρτηµα Μετρήσεων, δίνονται οι πίνακες µε τα αποτελέσµατα των µετρήσεων καθώς και οι πίνακες µε τα αποτελέσµατα των υπολογισµών διαφόρων µεγεθών, αλλά και για διαφορετικές κλίσεις των πλαισίων. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας υπολογιστών 2

12 Κεφάλαιο 1 Η φωτοβολταϊκή ενέργεια ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 Ιστορικά στοιχεία Η αυξανόµενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, σε συνδυασµό µε τη µείωση των αποθεµάτων των συµβατικών καυσίµων και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον από τη συνεχή χρήση τους, έχουν στρέψει το ενδιαφέρον στην εκµετάλλευση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Η ενεργειακή αυτή κρίση που πραγµατοποιείται παγκοσµίως αλλά και οι δυνατότητες που δηµιουργούνται από την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστά απαραίτητη την συνεχιζόµενη ανάπτυξη και εξέλιξη των Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε). Μία από τις ανανεώσιµες πηγές αυτές είναι και η ηλιακή ενέργεια, η οποία µπορεί να µετατραπεί σε ηλεκτρική µέσω των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Η απ ευθείας µετατροπή της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια επιτυγχάνεται µε τη βοήθεια των ηλιακών κυττάρων, των οποίων η αρχή λειτουργίας στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο. Πρώτος ο Becquerel (1839) ανακάλυψε το φαινόµενο αυτό, όταν κατά τη διάρκεια πειραµάτων παρατήρησε την ανάπτυξη τάσεως µεταξύ δύο ηλεκτροδίων µέσα σ ένα ηλεκτρολύτη, όταν το ηλιακό φώς έπεφτε επάνω τους. Το επόµενο βήµα έγινε όταν ο Adams και ο φοιτητής του Day, παρατήρησαν ότι µία ποσότητα ηλεκτρικού ρεύµατος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειµένο στο φως (1876). Το 1918 ο Πολωνός Czochralski, παρουσίασε τη µέθοδο παραγωγής ηµιαγωγού µονοκρυσταλλικού πυριτίου (mono-si), η οποία χρησιµοποιείται (µε τις απαραίτητες βελτιώσεις) µέχρι σήµερα. Η επόµενη σηµαντική ανακάλυψη έγινε το 1949, όταν οι Mott και Schottky ανέπτυξαν τη θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Στο µεταξύ, η κβαντική θεωρία είχε ξεδιπλωθεί. Ο δρόµος πλέον για τις πρώτες πρακτικές εφαρµογές είχε ανοίξει. Η πρώτη αξιόλογη εφαρµογή αναφέρεται στο δορυφόρο VANGUARD Ι (1958), ο οποίος λειτούργησε επιτυχώς για οχτώ ολόκληρα χρόνια και ήταν ένα από τα πρώτα φωτοβολταϊκά συστήµατα στο διάστηµα. Από αυτό το σηµείο και µετά, σχεδόν ολόκληρο το διαστηµικό πρόγραµµα στηρίχθηκε στη χρησιµοποίηση ηλιακών πλαισίων πυριτίου (Si). Το 1962, η µεγαλύτερη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση στον κόσµο πραγµατοποιείται στην Ιαπωνία από την Sharp, σε ένα φάρο, µε την εγκατεστηµένη ισχύ του συστήµατος να φτάνει τα 242Wp. 3

13 Κεφάλαιο 1 Η φωτοβολταϊκή ενέργεια ιαδοχικές τεχνολογικές βελτιώσεις έφτασαν το βαθµό απόδοσης στην τάξη του 15%, ενώ η πετρελαϊκή κρίση του 1973 έδωσε τη µεγάλη ώθηση για την ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας σε περισσότερες επίγειες εφαρµογές. Στην αρχή, είχαν σκοπό να καλύψουν εφαρµογές που απαιτούσαν µικρή ισχύ, αλλά σε µικρό διάστηµα στράφηκαν σε εφαρµογές που απαιτούσαν µέσες ισχείς (όπως άντληση νερού, άρδευση) ιδιαίτερα στις αναπτυσσόµενες χώρες [1]. Σήµερα, οι εφαρµογές της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας έχουν εξαπλωθεί σε όλες τις ανεπτυγµένες χώρες, ενώ η περαιτέρω εξάπλωση της αγοράς των φωτοβολταϊκών, µπορεί να επιτευχθεί µέσω της µείωσης του κόστους τους και παράλληλα, της αύξησης της απόδοσής τους. Η µείωση του κόστους µπορεί να επιτευχθεί µέσω της µαζικής παραγωγής (κάτι που ακολουθεί η βιοµηχανία των φωτοβολταϊκών καθώς ωριµάζει), αλλά και µέσω της έρευνας και της ανάπτυξης της τεχνολογίας (οδός που τόσο η βιοµηχανία όσο και η κρατική µηχανή επιδιώκουν). Εκτιµάται ότι µε την εξάπλωση της αγοράς, µπορεί να επιτευχθεί η εφαρµογή τους σε όλα τα επίπεδα, από τα αποµονωµένα συστήµατα, έως τα µεγάλα διασυνδεδεµένα (χρήση τους σε κεντρικούς σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας). Οι προβλέψεις για το άµεσο µέλλον όσον αφορά στην αγορά των φωτοβολταϊκών είναι ιδιαίτερα ευοίωνες, τόσο για την καθολική εξάπλωση της τεχνολογίας αυτής παγκοσµίως, όσο και για την καθοδική πορεία στις τιµές τους και την αύξηση της απόδοσής τους [2]. 1.2 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε τη βοήθεια των ηλιακών κυττάρων και κατ επέκταση των φωτοβολταϊκών συστηµάτων, έχει µια σειρά από πλεονεκτήµατα [1]. Από τα βασικότερα πλεονεκτήµατά τους είναι: Λειτουργούν αθόρυβα, καθαρά, χωρίς κατάλοιπα, αποφεύγοντας τη µόλυνση του περιβάλλοντος. Παρουσιάζουν ικανοποιητική απόδοση µετατροπής. Έχουν πρακτικά αρκετά µεγάλη διάρκεια ζωής (τουλάχιστον 25 µε 30 χρόνια) 4

14 Κεφάλαιο 1 Η φωτοβολταϊκή ενέργεια Μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς κινητά µέρη, µε ελάχιστη συντήρηση. Λειτουργούν χωρίς καύσιµα. Λειτουργούν και µε νεφελώδη ουρανό (µε διάχυτη ακτινοβολία). εν χρησιµοποιούν υγρά ή αέρια, σε αντίθεση µε τα θερµικά συστήµατα Τα περισσότερα κατασκευάζονται από πυρίτιο, ένα από τα πλέον άφθονα στη φύση στοιχεία. Είναι αρκετά αποδοτικά σε χαµηλές θερµοκρασίες Έχουν γρήγορη απόκριση σε ξαφνικές µεταβολές της ηλιοφάνειας Αν ένα κοµµάτι πάθει κάποια βλάβη, το σύστηµα συνεχίζει να λειτουργεί µέχρι την αντικατάστασή του. Έχουν δυνατότητες εφαρµογής σε µια ευρεία περιοχή ισχύων (από mw µέχρι MW) Έχουν µεγάλο λόγο ισχύος/βάρος, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για εφαρµογές στις στέγες Είναι κατάλληλα για επιτόπιες εφαρµογές, όπου ή δεν υπάρχει ή δεν συµφέρει η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου. Μεταξύ των µειονεκτηµάτων της φωτοβολταϊκής ενέργειας και των αντίστοιχων συστηµάτων αναφέρονται τα εξής: To υψηλό κόστος κατασκευής των στοιχείων/πλαισίων 5

15 Κεφάλαιο 1 Η φωτοβολταϊκή ενέργεια Η δαπανηρή αποθήκευση της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία απαιτείται για τις περισσότερες εφαρµογές λόγω της αστάθειας και της µεγάλης διακύµανσης της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απαίτηση χρήσης µεγάλων σχετικά επιφανειών, λόγω της µικρής πυκνότητας της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. 6

16 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΚΑΙ ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 2.1 Εισαγωγή στην ηλιακή ακτινοβολία Η ηλιακή ενέργεια, αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την ύπαρξη της ζωής στη Γη. Καθορίζει τη θερµοκρασία στην επιφάνειά της και παρέχει ουσιαστικά το σύνολο της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία όλων των φυσικών συστηµάτων. Με µία καλή προσέγγιση, ο ήλιος ενεργεί ως µία τέλεια πηγή ακτινοβολίας (µέλαν σώµα) σε µία θερµοκρασία κοντά στους 5800 ο K. Η προσπίπτουσα ροή ενέργειας πάνω σε µία µονάδα επιφάνειας η οποία είναι κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσµης έξω από την ατµόσφαιρα, είναι γνωστή ως ηλιακή σταθερά: S=1367 W/m². Γενικά, η ισχύς από µία πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη µονάδα επιφάνειας, ονοµάζεται ένταση ακτινοβολίας [3]. Κατά τη διέλευση των ηλιακών ακτίνων από την ατµόσφαιρα της Γης, η ένταση τους ελαττώνεται, αφού τα φωτόνια σκεδάζονται στα µόρια της ατµόσφαιρας, στα πολύ µικρής διαµέτρου d σωµατίδια, αλλά και στα µεγαλύτερης διαµέτρου αιωρήµατά της, όπως οι υδρατµοί, η σκόνη και ο καπνός. Ακόµα, ένα άλλο µέρος της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από ορισµένα συστατικά της ατµόσφαιρας. Για παράδειγµα, η υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από τα µόρια του όζοντος στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας, έτσι ώστε η ένταση των ακτίνων αυτών, στην επιφάνεια της γης, να είναι εξαιρετικά µειωµένη και η καρκινογόνος δράση της αισθητά περιορισµένη. Έτσι, στην επιφάνεια της γης, φτάνουν τελικώς δύο συνιστώσες του ηλιακού φωτός: α) η απευθείας ή άµεση B (Beam) και β) η σκεδαζόµενη στα µόρια του αέρα, η οποία ονοµάζεται διάχυτη D (Diffuse). Η διάχυτη ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια, προέρχεται από όλο τον ουράνιο θόλο (πάνω από το φυσικό ορίζοντα). Τελικώς, η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ένα συλλέκτη ή σ έναν αισθητήρα, αποτελείται από την απευθείας, τη διάχυτη και την ανακλώµενη από το έδαφος. Η συνολική αυτή ακτινοβολία αναφέρεται ως ολική ακτινοβολία και συµβολίζεται µε G (Global Irradiation). Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 7

17 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Η ανακλώµενη ακτινοβολία εξαρτάται γενικά από τη µορφολογία και το χρώµα του εδάφους και την πυκνότητα των νεφών, ενώ η ολική, απευθείας και διάχυτη, εξαρτώνται σε γενικές γραµµές από τους επόµενους παράγοντες: τη σύσταση- κατάσταση της ατµόσφαιρας, τη δεδοµένη χρονική στιγµή (π.χ. υγρασία ή ατµοσφαιρικά αιωρήµατα) την ηµέρα κατά τη διάρκεια του έτους τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στην επιφάνεια του συλλέκτη (ύψος του ήλιου κατά τη διάρκεια της ηµέρας). Κατά την ανατολή του ήλιου, η ζενίθια γωνία του ήλιου (z=90 ο -E L, όπου E L (Elevation) το ύψος του ήλιου) είναι z=90 ο (σχήµα 2.1) και εποµένως η ολική οριζόντια πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας G, καθορίζεται, κατά κύριο λόγο από τη διάχυτη συνιστώσα, D. Καθώς το ύψος του ήλιου αυξάνει, η απευθείας κάθετη ακτινοβολία, αυξάνει µέχρι το ηλιακό µεσηµέρι, µετά από το οποίο ελαττώνεται, περίπου κατά συµµετρικό τρόπο. Σχήµα 2.1: Το µήκος L που διανύουν οι ηλιακές ακτίνες µέσα στην ατµόσφαιρα πάχους H και η ζενίθια γωνία z. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στη Γη, κατανέµεται ανοµοιόµορφα στις διάφορες περιοχές. Οι περιοχές κοντά στον Ισηµερινό λαµβάνουν περισσότερη ακτινοβολία από τις υπόλοιπες. Η ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει σηµαντικά ανάλογα µε τις εποχές και εξαρτάται από την ώρα της ηµέρας, Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 8

18 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων το κλίµα (τα σύννεφα σκεδάζουν σε σηµαντικό βαθµό τις ακτίνες του ήλιου) και την ατµοσφαιρική ρύπανση. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες επηρεάζουν αποφασιστικά το ποσό της ηλιακής ενέργειας που διατίθεται και προσπίπτει στα φωτοβολταϊκά συστήµατα. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία (kw/m²) αθροίζεται στη διάρκεια ενός έτους, προκύπτει η ετήσια ηλιακή ενέργεια (συνήθως σε kwh/m²). Η τιµή αυτή διαφέρει σηµαντικά [4] ανάλογα µε την τοποθεσία, όπως φαίνεται και στο σχήµα 2.2. Σχήµα 2.2: Χάρτης ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας των χωρών της Ευρώπης. Η χώρα µας συγκαταλέγεται µεταξύ των χωρών υψηλής ακτινοβολίας. Αυτό αποτελεί πλεονέκτηµα στην εφαρµογή των φωτοβολταϊκών συστηµάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από το Κέντρο Ερευνών της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχουν γίνει µελέτες για τη χώρα µας και απεικονίζονται στους χάρτες των σχηµάτων 2.3. Οι χάρτες αντιπροσωπεύουν την ετήσια ποσότητα ενέργειας (kwh/m²) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση (σχήµα 2.3α) και υπό τη βέλτιστη γωνία κλίσης (σχήµα 2.3β) και αφορούν διάστηµα 10 ετών και συγκεκριµένα την περίοδο Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 9

19 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων (α) (β) Σχήµα 2.3: (α) ετήσια ποσότητα ενέργειας (kwh/m 2 ) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση (β) και υπό άριστη γωνία κλίσης. Η ενεργειακή απόδοση ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος, δεν εξαρτάται µόνο από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, αλλά επηρεάζεται σηµαντικά και από την ικανότητα των στοιχείων αυτών να την µετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Για το λόγο αυτό, οι επιστήµονες εντείνουν συνεχώς τις ερευνητικές τους προσπάθειες, µε σκοπό να πετύχουν βελτίωση της ικανότητας µετατροπής των φωτοβολταϊκών στοιχείων, ώστε να γίνουν τα παραπάνω πιο ανταγωνιστικά σε σχέση µε τις συµβατικές τεχνολογίες. 2.2 Η Φωτοβολταϊκή µετατροπή Το Φωτοβολταϊκό φαινόµενο Το φωτοβολταϊκό φαινόµενο, αποτελεί τη βασική φυσική διαδικασία µέσω της οποίας ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο µετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική. Ηµιαγώγιµα υλικά όπως το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο ή ο δισελινοϊνδιούχος χαλκός, χρησιµοποιούνται για το σκοπό αυτό. Το στοιχείο του κρυσταλλικού πυριτίου ωστόσο παραµένει το πιο διαδεδοµένο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 10

20 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Σχήµα 2.4: Λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων στηριζόµενη στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός υλικού, τότε ένα µέρος αυτού ανακλάται, ένα άλλο τη διαπερνά, ενώ το υπόλοιπο απορροφάται από το υλικό. Η απορρόφηση του φωτός, έχει ως αποτέλεσµα τη µετατροπή του σε άλλη µορφή ενέργειας, η οποία συνήθως είναι θερµότητα. Παρ' όλα αυτά, υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να µετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων που προσπίπτουν στην επιφάνειά τους, σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα υλικά είναι οι ηµιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται σε µεγάλο βαθµό η τεχνολογική πρόοδος του τοµέα της ηλεκτρονικής και του τοµέα της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια, δηλαδή πακέτα ηλιακής ενέργειας. Τα φωτόνια περικλείουν διαφορετικά ποσά ενέργειας, που αντιστοιχούν στα διάφορα µήκη κύµατος του ηλιακού φάσµατος. Η τεχνολογία, µας έδωσε τη δυνατότητα εκµετάλλευσης της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας µε τη χρήση των φωτοβολταϊκών συστηµάτων, των οποίων η λειτουργία στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο, δηλαδή την άµεση µετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύµα. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αποτελούν διόδους ηµιαγωγικών ενώσεων τύπου p-n µε τη µορφή επίπεδης πλάκας. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας µε ενέργεια ίση ή Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 11

21 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων µεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ηµιαγωγού, µπορεί να απορροφηθεί σε ένα χηµικό δεσµό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο διαρκεί η πρόσπτωση της ακτινοβολίας, δηµιουργείται περίσσεια φορέων, δηλαδή περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Οι φορείς αυτοί, κυκλοφορούν στο στερεό και αν δεν επανασυνδεθούν µε φορείς αντίθετου προσήµου, δέχονται την επίδραση του ηλεκτροστατικού πεδίου της ένωσης p-n. Έτσι, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κατευθύνονται προς το τµήµα τύπου-n και οι οπές προς το τµήµα τύπου-p, µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται διαφορά δυναµικού ανάµεσα στους ακροδέκτες των δύο τµηµάτων της διόδου. Αν στους ακροδέκτες συνδεθεί κατάλληλο ηλεκτρικό φορτίο, παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύµατος από τη φωτοβολταϊκή διάταξη προς το φορτίο (σχήµα 2.4). Τελικά, η όλη διάταξη αποτελεί µία πηγή ηλεκτρικού ρεύµατος, που διατηρείται για όσο χρονικό διάστηµα διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του κυττάρου. Η ύπαρξη της διαφοράς δυναµικού ανάµεσα στους δύο ακροδέκτες της παραπάνω διάταξης, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση διόδου, ονοµάζεται φωτοβολταϊκό φαινόµενο [2],[5] Η επαφή p-n Στη συνέχεια, γίνεται µία σύντοµη αναφορά του τρόπου λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Κάθε κρυσταλλικός ηµιαγωγός, για να έχει ικανοποιητικές ιδιότητες για φωτοβολταϊκές εφαρµογές, θα πρέπει να είναι µεγάλης καθαρότητας και το κρυσταλλικό του πλέγµα να µην έχει αταξίες δοµής. Τα άτοµα των ηµιαγώγιµων υλικών, συνδέονται µε οµοιοπολικούς δεσµούς οι οποίοι είναι δυνατόν να σπάσουν υπό την επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας ή θερµότητας, οπότε απελευθερώνονται ηλεκτρόνια (αρνητικοί φορείς n) και αφήνουν κενές θέσεις, τις οπές (θετικοί φορείς p). Οι σηµαντικότερες ιδιότητες και εφαρµογές των διατάξεων ηµιαγωγών, δεν προέρχονται τόσο από τη δηµιουργία φορέων, όσο από τη διάχυση των φορέων τους. Βασική διάταξη για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών, είναι η ένωση p-n (possitive-negative) η οποία σχηµατίζεται όταν έρθουν σε επαφή ένα τµήµα ηµιαγωγού τύπου-p µε ένα τµήµα τύπου-n. Τότε, ένα µέρος από τις οπές του τµήµατος τύπου-p διαχέεται προς το τµήµα τύπου-n, όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα µέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τµήµατος τύπου-n διαχέεται προς το τµήµα τύπου-p, όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι επίσης πολύ λιγότερα. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 12

22 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Σχήµα 2.5: Η Επαφή p-n Σαν αποτέλεσµα, δηµιουργείται µία περιοχή στην οποία υπάρχουν λίγοι φορείς αγωγιµότητας, η οποία ονοµάζεται ζώνη εξάντλησης φορέων ή περιοχή αραίωσης. Τα θετικά φορτισµένα ιόντα παραµένουν στη περιοχή τύπου-n και τα αρνητικά στην περιοχή τύπου-p. Έτσι, δηµιουργείται ένα εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο, το οποίο αντιτίθεται στην κίνηση των φορέων αγωγιµότητας, µε συνέπεια η παραπάνω διάχυση να µη συνεχίζεται επ' άπειρον. Η αποκατάσταση της ισορροπίας γίνεται µε επανασυνδέσεις φορέων, µέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιµές που ικανοποιούν το νόµο δράσης των µαζών. Η διάταξη ηµιαγωγών που αποτελείται από µία ένωση p-n και από µία ηλεκτρική σύνδεση στο κάθε τµήµα της ονοµάζεται δίοδος [2] Ορθή και Ανάστροφη Πόλωση της διόδου Η µία περίπτωση είναι να επιβληθεί στη δίοδο p-n ορθή πόλωση, δηλαδή ο αρνητικός πόλος της πηγής να συνδεθεί µε το τµήµα τύπου-n της διόδου, και ο θετικός πόλος µε το τµήµα τύπου-p. Όταν γίνει αυτό, τα ηλεκτρόνια ρέουν ανεµπόδιστα από την πηγή, µέσω του τµήµατος τύπου-n, προς την περιοχή της ένωσης, όπου επανασυνδέονται µε τις οπές που σχηµατίζονται µε την αποµάκρυνση ηλεκτρονίων προς το θετικό πόλο της πηγής, µέσω του τµήµατος τύπου-p. Αντίθετα, αν ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδεθεί µε το τµήµα τύπου-p και ο θετικός πόλος µε το τµήµα τύπου-n (περίπτωση ανάστροφης πόλωσης), γίνεται επανασύνδεση των οπών του τµήµατος τύπου-p µε τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή, και αποµάκρυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων του τµήµατος τύπου-n, προς το θετικό πόλο της πηγής. Στην περίπτωση αυτή, οι Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 13

23 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων συγκεντρώσεις των φορέων µειώνονται σηµαντικά, το πάχος της ζώνης εξάντλησης αυξάνει, και τα φορτισµένα άτοµα των προσµίξεων δηµιουργούν ένα εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο, το οποίο είναι αντίθετο προς το πεδίο που επιβάλλει η πηγή. Το αποτέλεσµα είναι ότι τώρα η δίοδος προβάλει µεγάλη αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύµα. Στο σχήµα 2.6 παρουσιάζονται οι δύο συνδεσµολογίες που αναλύθηκαν παραπάνω, ενώ στο σχήµα 2.7 φαίνεται η χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατος-τάσης της διόδου p-n. Σχήµα 2.6: Συνδεσµολογία ορθής και ανάστροφης πόλωσης Σχήµα 2.7: Χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατος-τάσης διόδου p-n Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 14

24 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων 2.3 Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων Το ισοδύναµο κύκλωµα Για να γίνει µία εκτίµηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, µπορεί αυτό να παρασταθεί µε ένα ισοδύναµο κύκλωµα που περιγράφει τη λειτουργία του. Το ισοδύναµο κύκλωµα που ακολουθεί, καλείται πλήρες µοντέλο διόδου και είναι αυτό που χρησιµοποιείται συνήθως για τη µελέτη των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Σχήµα 2.8: Ισοδύναµο κύκλωµα ενός ηλιακού κυττάρου, το οποίο περιλαµβάνει µία πηγή ηλεκτρικού ρεύµατος η οποία συνδέεται παράλληλα µε µία δίοδο και την αντίσταση R SH. Η ολική αντίσταση του κυττάρου, συνδέεται σε σειρά και παρίσταται από την αντίσταση R S. Κατά τη µετακίνηση των φορέων αγωγιµότητας, παρατηρείται µία πτώση τάσης µεταξύ του ηµιαγωγού και των ηλεκτρικών επαφών. Η αντίσταση R S, αντιπροσωπεύει την αντίσταση που οφείλεται στην κίνηση αυτή. Επιπρόσθετα, η αντίσταση της διόδου δεν είναι άπειρη, αφού λόγω κατασκευαστικών σφαλµάτων υπάρχουν διαρροές ρεύµατος. Για το λόγο αυτό, το ισοδύναµο κύκλωµα περιέχει και την παράλληλη αντίσταση R SH. Συνήθως, στα φωτοβολταϊκά στοιχεία του εµπορίου, η αντίσταση R S είναι µικρότερη των 5 Ω και η αντίσταση R SH είναι µεγαλύτερη από 500 Ω [6]. Με τη βοήθεια του παραπάνω ισοδύναµου κυκλώµατος, είναι δυνατός ο υπολογισµός των χαρακτηριστικών I-V καµπύλων για διάφορα επίπεδα της ακτινοβολίας. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 15

25 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Η χαρακτηριστική καµπύλη I-V και τα χαρακτηριστικά µεγέθη των φωτοβολταϊκών στοιχείων Σε µία δίοδο, µπορεί να παραχθεί ρεύµα στο σκοτάδι, χωρίς την ύπαρξη ηλιακού φωτός [9]. Το ρεύµα αυτό δίνεται από την εξίσωση 2.1: I qv = I0 exp( 1) (2.1) AK T B όπου το Ι 0 ονοµάζεται ρεύµα κόρου και δίνεται από τη σχέση 2.2, q (=1.6*10-23 C) είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου, V είναι η τάση στην έξοδο του κυττάρου, Κ Β είναι η σταθερά BOLTZMANN (= J/ ο K), Τ είναι η απόλυτη θερµοκρασία και Α είναι µία σταθερά (σταθερά ιδανικότητας της διόδου),παίρνει τιµές µεταξύ 1 και 2 και οφείλεται σε φαινόµενα επανασύνδεσης που λαµβάνουν χώρα στην περιοχή της επαφής. I E = AT (2.2 ) K T 3 g 0 exp( ) B όπου Eg, είναι το ενεργειακό διάκενο του ηµιαγωγού κατασκευής της διόδου. Όταν υπάρχει ηλιακό φως, η εξίσωση 2.1 διαµορφώνεται ως εξής: qv I = IL I0 exp( 1) (2.3) AK T B όπου το I L ονοµάζεται φωτόρευµα [7,8] και είναι ανάλογο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, σύµφωνα µε τη σχέση 2.4. I L = KG (2.4) όπου Κ είναι ένας συντελεστής αναλογίας και G η ηλιακή ακτινοβολία. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 16

26 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Η εξίσωση 2.3, καθορίζει τη σχέση ρεύµατος-τάσης ενός ιδανικού ηλιακού κυττάρου µε R S =0 και R SH. Η χαρακτηριστική καµπύλη I-V και η αντιστοιχία των δύο πιο πάνω εξισώσεων, φαίνονται στο σχήµα 2.9. Σχήµα 2.9: Η χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατος-τάσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου στο σκοτάδι και στο φως. Η τάση ανοικτού κυκλώµατος V OC και το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC, βρίσκονται στα σηµεία τοµής των αξόνων µε την I-V καµπύλη και η µέγιστη ισχύς προκύπτει από τις τιµές V MPP και I MPP Συνήθως όµως, στην περίπτωση που η δίοδος είναι γεννήτρια ρεύµατος, η χαρακτηριστική της καµπύλη I-V παριστάνεται στο πρώτο τεταρτηµόριο, όπως στο σχήµα Σχήµα 2.10: Χαρακτηριστική ρεύµατος τάσης µετατοπισµένη στο πρώτο τεταρτηµόριο Στα παραπάνω γραφήµατα φαίνονται οι σηµαντικότερες παράµετροι των φωτοβολταϊκών στοιχείων, οι οποίες αναλύονται στη συνέχεια. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 17

27 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Ρεύµα Βραχυκύκλωσης Isc Ονοµάζεται το ρεύµα όταν ισχύει V=0 και αν θεωρήσουµε την αντίσταση Rs πολύ µικρή, τότε ισούται µε το φωτόρευµα Ι L. Είναι δηλαδή I = I = KG sc L και φαίνεται ότι µεταβάλλεται γραµµικά µε την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Τάση Ανοικτού Κυκλώµατος Voc Ονοµάζεται η τάση για Ι=0 και αν θεωρήσουµε την R SH πολύ µεγάλη, τότε προκύπτει από την σχέση (2.3) V OC = AK BT IL ln( 1) q I (2.5) 0 Κατά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων, η τιµή του φωτορεύµατος I L είναι πολύ µεγαλύτερη από την τιµή του ρεύµατος κόρου Ι 0 και εποµένως η σχέση 2.5 ενίοτε απλοποιείται ως εξής: V OC = AK BT I L ln( ) q I (2.6) 0 Η σχέση 2.6, δείχνει τη λογαριθµική µεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώµατος Voc σε συνάρτηση µε το φωτόρευµα, δηλαδή την ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο [6]. Σηµείο µέγιστης ισχύος ΜΡΡ Όταν το φωτοβολταϊκό στοιχείο παρουσιάζει ιδανικές συνθήκες και το κύκλωµά του κλείνει µέσω εξωτερικής αντίστασης R L, το ρεύµα που διαρρέει το φορτίο ακολουθεί την εξίσωση (2.3). Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 18

28 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Προφανώς, υπάρχει µία τιµή της αντίστασης φορτίου η οποία µεγιστοποιεί την παραγόµενη ισχύ του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Το σηµείο στο οποίο η παραγόµενη ισχύς γίνεται µέγιστη, είναι γνωστό ως το γόνατο της I-V χαρακτηριστικής καµπύλης, MPP (Maximum Power Point). Οι αντίστοιχες τιµές του ρεύµατος και της τάσης φαίνονται στο σχήµα 2.10 και είναι οι ποσότητες I MPP και V MPP. Η µέγιστη ισχύς είναι δηλαδή: PMPP = IMPPVMPP (2.7) Ο Συντελεστής Πλήρωσης FF Ο λόγος της µέγιστης ηλεκτρικής ισχύος Ρ MPP ( ή πιο απλά Ρ M ) προς το γινόµενο του ρεύµατος βραχυκύκλωσης Isc επί την τάση ανοικτοκύκλωσης Voc του φωτοβολταϊκού στοιχείου, ονοµάζεται συντελεστής πλήρωσης FF (Fill Factor) και είναι ένα µέτρο του πόσο «τετράγωνη» είναι η I-V καµπύλη. Είναι δηλαδή FF P I V I V I V = M = MPP MPP (2.8) SC OC SC OC Με άλλα λόγια, ο FF δίνεται από το λόγο του εµβαδού του µέγιστου ορθογωνίου που µπορεί να εγγραφεί στη χαρακτηριστική καµπύλη I-V του στοιχείου (σχήµα 2.10), προς το εµβαδόν του παραλληλογράµµου που ορίζεται από τις τιµές I SC και V OC (σχήµα 2.11), στο οποίο εγγράφεται η χαρακτηριστική. Τυπικές τιµές βρίσκονται µεταξύ 0,6 (60%) και 0,85 (85%) και είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας (καθώς η τάση ανοικτοκύκλωσης εξαρτάται από τη θερµοκρασία) και της ηλιακής ακτινοβολίας (καθώς το ρεύµα βραχυκύκλωσης µεταβάλλεται γραµµικά µ αυτή). Απόδοση φωτοβολταϊκού στοιχείου Όπως είδαµε µέχρι τώρα, οι βασικότερες παράµετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία και συµπεριφορά των φωτοβολταϊκών είναι ο συντελεστής πλήρωσης (FF), η τάση ανοικτού Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 19

29 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων κυκλώµατος (V OC ) και το ρεύµα βραχυκύκλωσης (I SC ). Οι παράγοντες αυτοί επηρεάζουν και την απόδοση (η %) των φωτοβολταϊκών στοιχείων η οποία δίνεται από το λόγο της µέγιστης αποδιδόµενης ισχύος προς την προσπίπτουσα φωτεινή ισχύ επί όλης της επιφανείας. Είναι δηλαδή P η= M (2.9) GA όπου G η ένταση της ακτινοβολίας (πυκνότητα ισχύος) που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο ανά µονάδα επιφάνειας, και Α η επιφάνεια αυτή. Η σχέση (2.9) µπορεί να εκφραστεί εναλλακτικά ως εξής η= I GA = GA (2.10) MPPVMPP ISCVOC FF Από τη σχέση 2.10, διαπιστώνουµε πως για την πραγµατοποίηση αυξηµένων αποδόσεων, επιδιώκεται οι τιµές των FF, I SC και V OC να είναι όσο το δυνατόν µεγαλύτερες [6] Πρότυπες συνθήκες ελέγχου των χαρακτηριστικών των Φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα βασικά χαρακτηριστικά, τα οποία ελέγχονται σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο χρησιµοποιούµενο στο εργαστήριο, αλλά και στο τελικά διατιθέµενο βιοµηχανικό προϊόν, δηλαδή το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, είναι η παραγόµενη ισχύς Ρ, η απόδοση η(%), ο παράγων πλήρωσης FF, το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC και η τάση ανοικτού κυκλώµατος V OC, σε συγκεκριµένες συνθήκες φωτισµού (πυκνότητα ισχύος και φάσµα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ) και θερµοκρασίας του στοιχείου. Η γνώση των µεγεθών αυτών επιτρέπει τον έλεγχο της αποδοτικότητας του φωτοβολταϊκού στοιχείου υπό συγκεκριµένες συνθήκες, που αντιπροσωπεύουν τυπικές συνθήκες της ηλιακής ακτινοβολίας. Για το σκοπό αυτό, καθορίστηκαν διεθνώς, οι ακόλουθες πρότυπες συνθήκες ελέγχου των χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών στοιχείων (Standard Test Conditions, STC) [9]. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 20

30 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Πρότυπες συνθήκες ελέγχου Ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία ισχύος 1000 W/m 2 και φάσµατος αντίστοιχου του ηλιακού µε ΑΜ 1.5 (κάθετη πρόσπτωση) Θερµοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου ίση µε 25 ο C Στα ειδικά εργαστήρια ελέγχου των χαρακτηριστικών των Φωτοβολταϊκών στοιχείων, ο χώρος ελέγχου βρίσκεται στην «πρότυπη» θερµοκρασία των 25 ο C. Το φάσµα εκποµπής της χρησιµοποιούµενης πηγής φωτισµού, προσοµοιάζεται προς το ηλιακό, του συγκεντρωµένου φάσµατος (AM1.5). Η πηγή αυτή λειτουργεί στιγµιαία, ώστε η θερµοκρασία του υλικού του φωτοβολταϊκού στοιχείου να παραµένει στα προκαθορισµένα όρια των πρότυπων συνθηκών. Επιπλέον, η ακτινοβολία από την τεχνητή πηγή προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Συνεπώς, οι πρότυπες συνθήκες αφορούν εργαστηριακό περιβάλλον. Πρακτικά, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία τα ενσωµατωµένα στη µονάδα που ονοµάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο, λειτουργούν κάτω από φυσικό ηλιακό φως, του οποίου τα χαρακτηριστικά µεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της ηµέρας καθ' όλο το έτος. Τέλος, η αποδιδόµενη ηµερήσια ηλεκτρική ενέργεια εξαρτάται επίσης από το γεωγραφικό πλάτος και από τις ιδιαίτερες κλιµατικές συνθήκες του τόπου εγκατάστασης Επίδραση της θερµοκρασίας στις χαρακτηριστικές παραµέτρους των Φωτοβολταϊκών στοιχείων H θερµοκρασία λειτουργίας ενός στοιχείου έχει άµεση επίδραση στη µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η αύξηση της θερµοκρασίας σε ένα ηλιακό πλαίσιο, επιδρά αρνητικά. ηλαδή, η αύξηση της θερµοκρασίας έχει ως επακόλουθο την µείωση παραγωγής ισχύος του πλαισίου. Συγκεκριµένα, η µείωση αυτή οφείλεται στην εµφανή µείωση της τάσης ανοικτού κυκλώµατος (και εποµένως στην τάση του σηµείου µέγιστης ισχύος V MPP ), ενώ η θεωρητικά αµυδρή αύξηση του ρεύµατος βραχυκύκλωσης (συνεπώς και του I MPP ) δεν είναι ικανή να ανατρέψει το αποτέλεσµα. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 21

31 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Το σχήµα 2.11 παρουσιάζει µερικές I-V χαρακτηριστικές καµπύλες για διαφορετικές θερµοκρασίες ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου [8]. Από το διάγραµµα αυτό βλέπουµε ότι αυξανοµένης της θερµοκρασίας, το σηµείο µέγιστης ισχύος MPP µετατοπίζεται προς τα αριστερά (δηλαδή παίρνει χαµηλότερες τιµές), κυρίως λόγω της σηµαντικής µείωσης της τάσης V MPP. Σχήµα 2.11: I-V χαρακτηριστικές καµπύλες για διαφορετικές θερµοκρασίες ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στις χαρακτηριστικές παραµέτρους των Φωτοβολταϊκών στοιχείων Ένα φωτοβολταϊκό, µετατρέπει την ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνειά του σε ηλεκτρική. Όσο µεγαλύτερα είναι τα ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας σε W/m 2, τόση περισσότερη ισχύ µπορούµε να λάβουµε στη DC λειτουργία, εάν η αύξηση της θερµοκρασίας δεν είναι τόσο µεγάλη ώστε να µειώσει κατά πολύ την απόδοση του ηλιακού πλαισίου. Άρα, κατά την τοποθέτηση τους, πρέπει να προσέξουµε κάθε παράγοντα που προκαλεί µείωση του ποσοστού της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στο συλλέκτη. Για παράδειγµα, τέτοιοι παράγοντες είναι η κλίση στην οποία είναι τοποθετηµένα τα πλαίσια (και πρέπει να είναι τέτοια ώστε να επιτυγχάνουµε βέλτιστη πρόσπτωση της ακτινοβολίας) και η σκίαση που µπορεί να υποστούν (είτε λόγω του περιβάλλοντα χώρου είτε µικρής ενδιάµεσης απόστασης µεταξύ τους). Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 22

32 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Σχήµα 2.12 : I-V χαρακτηριστικές καµπύλες για διαφορετικές τιµές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας Στο σχήµα 2.12 παρουσιάζονται µερικές I-V χαρακτηριστικές καµπύλες για διαφορετικές τιµές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας [8]. Παρατηρούµε ότι η το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC αυξάνεται ευθέως ανάλογα µε την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώµατος V OC αυξάνεται σε µικρότερο ποσοστό. Στο παραπάνω διάγραµµα διακρίνεται επίσης η καµπύλη πάνω στην οποία κινείται το σηµείο µέγιστης ισχύος MPP (η µέγιστη παραγόµενη ισχύς P MPP βεβαίως αυξάνεται µε την αύξηση της ακτινοβολίας) Βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των Φωτοβολταϊκών στοιχείων Ένα σηµαντικό ερώτηµα που καλείται να απαντήσει ένας µηχανικός κατά το σχεδιασµό ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος, είναι η γωνία κλίσης στην οποία θα τοποθετηθούν οι συλλέκτες και επιπρόσθετα ο προσανατολισµός τους ως προς το Νότο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι συλλέκτες τοποθετούνται σε σταθερή κλίση που επιλέγεται έτσι ώστε η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας (γωνία των ακτίνων ηλίου µε το ζενίθ) να είναι όσο το δυνατόν µικρότερη, καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Στο βόρειο ηµισφαίριο, η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη, για όλο το έτος, είναι περίπου ίση µε το Γεωγραφικό Πλάτος του τόπου (για την περιοχή της Πάτρας 38 ο ), αλλά λόγω µεταβολής της απόκλισης του ήλιου στη διάρκεια ενός έτους, η επικρατέστερη κλίση του φωτοβολταϊκού, είναι διαφορετική για κάθε εποχή. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 23

33 Κεφάλαιο 2 η φωτοβολταϊκή µετατροπή και τα ηλεκτρικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Έτσι, αν επιδιώκεται να παράγει το σύστηµα όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια στη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου, η κλίση του συλλέκτη επιλέγεται συνήθως περίπου 10 ο έως 15 ο µικρότερη από το Γεωγραφικό πλάτος του τόπου τοποθέτησης, ενώ για την χειµερινή περίοδο η κλίση επιλέγεται περίπου 10 ο έως 15 ο µεγαλύτερη από το Γεωγραφικό πλάτος του τόπου τοποθέτησης [6]. Τµήµα ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών 24

34 Κεφάλαιο 3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΛΕΠΤΟΥ ΦΙΛΜ, ΤΥΠΟΥ CIS ΚΑΙ ΑΜΟΡΦΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (a-si) 3.1 Γενικά Τα ηλιακά στοιχεία, διαθέτουν υψηλή αξιοπιστία λειτουργίας και µεγάλη διάρκεια ζωής και ως κύριοι στόχοι βελτίωσής τους παραµένουν συνήθως η απόδοση και το κόστος τους. Σκοπός λοιπόν της εξέλιξης της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας είναι η δηµιουργία πλαισίων µε υψηλότερο κατά το δυνατό βαθµό απόδοσης και χαµηλό κόστος. Τα τελευταία χρόνια η αγορά των φωτοβολταϊκών εισήλθε σε µια περίοδο συνεχούς ανάπτυξης σε απάντηση στις φιλοπεριβαλλοντικές πολιτικές των χωρών και της παγκόσµιας ζήτησης για καθαρή ενέργεια [10]. Σταθµός για την έναρξη χρήσης των µοντέρνων φωτοβολταϊκών σε γήινες εφαρµογές ήταν το επιστηµονικό συνέδριο µε τίτλο The sun in the service of mandkind που έγινε στο Παρίσι το 1973 στο κτίριο της Unesco [11]. Εκτιµάται ότι η συνολική παραγωγή των φωτοβολταϊκών αναπτύχθηκε σε µέσο ετήσιο βαθµό πάνω από 49% από το 2003, και προβλέπεται ότι αυτή η βιοµηχανία θα συνεχίσει να αναπτύσσεται ραγδαία στο προσεχές µέλλον. Το µεγαλύτερο µέρος της αγοράς ανήκει στην τεχνολογία ηλιακών κυττάρων κρυσταλλικού πυριτίου (c-si), αλλά εξαιτίας του µικρού κόστους και της καλύτερης ενεργειακής απόδοσης, η τεχνολογία των λεπτών φιλµ συνεχώς κερδίζει έδαφος. Εκτιµάται ότι τα φωτοβολταϊκά λεπτού φιλµ συµπεριλαµβανοµένου και του άµορφου πυριτίου (a-si) αναπτύχθηκαν µε τον εντυπωσιακό ετήσιο ρυθµό του 79% στην ίδια χρονική περίοδο [10]. Το βασικό συστατικό για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών είναι το πυρίτιο. Το πυρίτιο είναι ηµιαγωγός εµµέσου ενεργού διακένου 1,1 ev. Έχει επικρατήσει σαν υλικό κατασκευής ηλιακών κυττάρων κυρίως διότι είναι άφθονο στη φύση και λόγω των ηλεκτρονικών του ιδιοτήτων. Στα πρώτα φωτοβολταϊκά χρησιµοποιήθηκε το µονοκρυσταλλικό πυρίτιο (mono-si, σχήµα 3.1α) ηλεκτρονικής ποιότητας που ήταν κατάλληλο για διαστηµικές αποστολές µε υψηλή απόδοση µετατροπής αλλά και τεράστιο κόστος, πράγµα που το καθιστούσε ασύµφορο για γήινες εφαρµογές και εφαρµογές µεγάλης κλίµακας. Στη συνέχεια, µε την ανάπτυξη της τεχνολογίας και της επιστήµης δηµιουργήθηκαν ηλιακά κύτταρα τύπου πολυκρυσταλλικού πυριτίου (poly-si, σχήµα 3.2β) µε µικρότερη απόδοση, αλλά µε ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα, το αρκετά µικρότερο κόστος. 25

35 Κεφάλαιο 3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου (α) (β) Σχήµα 3.1: Κύτταρα µονοκρυσταλλικού και πολυκρυσταλλικού πυριτίου Τα φωτοβολταϊκά που είναι διαθέσιµα στην αγορά κατατάσσονται σε δυο µεγάλες κατηγορίες: τα κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου και τα κύτταρα λεπτού φιλµ [12]. Τα πρώτα είναι γενικά πιο δηµοφιλή καθώς αναπτύσσονται και χρησιµοποιούνται για πάνω από 30 χρόνια. Ωστόσο, η ανάγκη για φωτοβολταϊκά λεπτού φιλµ, τύπου άµορφου πυριτίου είναι συνεχώς αυξανόµενη, τα τελευταία χρόνια, λόγω της δοµής τους και του µικρότερου κόστους παραγωγής.επιπρόσθετα, τα φωτοβολταϊκά άµορφου πυριτίου (a-si) είναι λεπτά, ελαφριά, εύκαµπτα και ανθεκτικά, γεγονός που τα κάνει ιδανικά για χρήση σε κτίρια, µε το µειονέκτηµα όµως της υποβάθµισης της απόδοσής τους µε το χρόνο. Αρκετές έρευνες επιβεβαιώνουν ότι τα φωτοβολταϊκά λεπτού φιλµ αποδίδουν καλύτερα σε συνθήκες χαµηλής ακτινοβολίας και υψηλών θερµοκρασιών [12]. Επίσης, τα φωτοβολταϊκά λεπτού φιλµ είναι αισθητικά ωραιότερα από τα αντίστοιχα κρυσταλλικού πυριτίου (c-si) λόγω σχήµατος και χρώµατος (συνήθως έχουν µαυριδερό χρώµα). 3.2 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ Τα υλικά απότοµου µετώπου οπτικής απορρόφησης και τα έντονα απορροφητικά υλικά τα προοριζόµενα για κατασκευή ηλιακών κυττάρων διαθέτουν ένα ενεργό στρώµα πάχους 1-3 µm µέσα στο οποίο γίνεται η απορρόφηση του ηλιακού φωτός. Όλοι οι γνωστοί ηµιαγωγοί (υλικά III-V ή II-IV ), είναι ευθέως ενεργειακού διακένου, και µε εξαίρεση το άµορφο πυρίτιο, βρίσκονται υπό κρυσταλλική µορφή [11]. Αυτά τα υλικά οδηγούν κατά προφανή τρόπο σε οικονοµία πρώτης ύλης, µείωσης του κόστους και οικονοµίες ενέργειας κατά την κατασκευή των κυττάρων. Η παρασκευή τους µπορεί να γίνει εφαρµόζοντας τεχνικές, ειδικές, των λεπτών φιλµ, που συνδυάζουν τις χαµηλές θερµοκρασίες και 26

36 Κεφάλαιο 3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου την κάλυψη µεγάλων επιφανειών (π.χ. εξάτµιση και ψεκασµός υπό κενό). Από τη µεγάλη ποικιλία τύπων ηλιακών κυττάρων που έχουν ανακαλυφθεί, έχουν επιλεγεί εδώ ηλιακά κύτταρα που είναι στο προσκήνιο της τρέχουσας τεχνολογίας επειδή πληρούν τα παραπάνω κριτήρια. Έτσι, παρουσιάζονται οι τύποι ηλιακών κυττάρων λεπτών φιλµ, που συνιστούν µια πολλά υποσχόµενη τεχνική µε στόχο το χαµηλό κόστος και είναι κατασκευασµένα από : Ετεροεπαφή Cu 2 /CdS ισελινιούχο Ίνδιο-Χαλκό (CuInSe 2 ) Αρσενιούχο Γάλλιο (GaAs) Τελουριούχο Κάδµιο (CdTe) Άµορφο πυρίτιο (a-si) Νέες φωτοβολταϊκές δοµές Η στροφή προς τα φωτοβολταϊκά λεπτού φιλµ έγινε από την ανάγκη για µείωση του κόστους των πάνελ. Τα κύτταρα πρέπει να µπορούν να κατασκευάζονται σε µεγάλες επιφάνειες και µε µικρό κόστος και για να αποφεύγονται τα έξοδα συναρµολόγησης, η παραγωγή θα πρέπει να καταλήγει στην επεξεργασία ενός στρώµατος πάνελ, παρά σε διαφορετικά κύτταρα που χρειάζονται συνδέσεις και συναρµολόγηση µετά. [3]. Μια άλλη παράµετρος για την παρασκευή των φωτοβολταϊκών είναι ότι δεν πρέπει να αφήνουν περιβαλλοντικό αποτύπωµα, δηλαδή να µην χρησιµοποιούνται µη φιλικά προς το περιβάλλον υλικά και να µολύνουν όσο το δυνατό λιγότερο κατά την κατασκευή τους. Τα επόµενα χρόνια θα µας απασχολήσουν κύρια 4 τύποι φωτοβολταϊκών κυττάρων τεχνολογίας λεπτού φιλµ: το άµορφο πυρίτιο (a-si), λεπτά φύλλα πολυκρυσταλλικού πυριτίου µε χαµηλού κόστους υπόστρωµα, τα κύτταρα δισελινιούχου Ινδίου-Χαλκού (CuInSe 2 ) και τα κύτταρα Τελουριούχου Καδµίου (CdTe). Όλα αυτά τα κύτταρα έχουν ενεργά υποστρώµατα µε πάχος nm, και είναι όλα κατασκευασµένα µε διαδικασίες που επιτυγχάνουν µεγάλη παραγωγή µε µικρό κόστος. Αυτός είναι και ο λόγος που επιλέχθηκαν αυτά τα υλικά, καθώς η κύρια προσπάθεια των οµάδων έρευνας και ανάπτυξης των εταιριών είναι να αυξηθεί η αποδοτικότητα των κυττάρων και να αυξηθεί η παραγωγή τους, κρατώντας το κόστος σε χαµηλά επίπεδα. 27

37 Κεφάλαιο 3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου Φωτοβολταϊκά στοιχεία άµορφου πυριτίου (a-si) Το άµορφο πυρίτιο (a-si, σχήµα 3.2) διαφέρει από το κρυσταλλικό πυρίτιο (c-si) στη δοµή, καθώς τα άτοµα του πυριτίου σε ακριβείς αποστάσεις µεταξύ τους και οι γωνίες µεταξύ των οµοιοπολικών δεσµών Si-Si δεν έχουν µία µοναδική τιµή. Αυτή η µοναδικότητα στην ατοµική διάταξη έχει µια ουσιώδη επίδραση στις ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού, καθώς έχει ενεργειακό χάσµα 1.75 ev και η δοµή του φανερώνει µια πυκνότητα καταστάσεων στο κενό που προκαλείται από το ηµιτελές δέσιµο των ατόµων. Το υλικό αυτό πρωτοµελετήθηκε το 1969, καθώς η επίδραση του υδρογόνου στο a-si µπορούσε να επηρεάσει το υλικό και την πυκνότητα των καταστάσεών του καθιστώντας το εφικτό να γίνει τύπου- n ή τύπου-p µε τη διάχυση Φωσφόρου (Ph) ή Βορίου (B) σε αυτό. Αφού έγινε δυνατό να κατασκευαστούν p-n ετεροεπαφές (hetero-junctions), η ευκολία χρήσης και κατασκευής του προϊόντος, το έκανε ιδιαίτερα θελκτικό υλικό για κατασκευή φωτοβολταϊκών [3], σε αντίθεση µε το κρυσταλλικό πυρίτιο που χαρακτηρίζεται από την κανονικότητα της δοµής του (κρυσταλλικής) και από έµµεσο ενεργειακό διάκενο (1.1 ev). Αυτό έχει ως αποτέλεσµα χαµηλές τιµές στο συντελεστή απορρόφησης, οπότε έχουµε απαίτηση παχέων στρωµάτων για να πετύχουµε απορρόφηση περισσότερης χρήσιµης ηλιακής ακτινοβολίας. Σχήµα 3.2: Κύτταρο άµορφου πυριτίου (a-si) Σε αντίθεση µε τα κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου (c-si), τα κύτταρα άµορφου πυριτίου ενσωµατώνονται σε πολυµερή και έτσι κρατούν χαµηλά το βάρος. Η πυκνότητά τους είναι περίπου 3.5 kg/m 2 που είναι µόλις το ¼ της πυκνότητας των αντίστοιχων κρυσταλλικών κυττάρων. Σαν αποτέλεσµα, οι επιφάνειες των λεπτών φιλµ άµορφου πυριτίου δε χρειάζονται ειδικές βάσεις για την εγκατάσταση σε κτίρια, ούτε φορτώνουν τις κατασκευές µε επιπρόσθετο βάρος, ώστε να 28

38 Κεφάλαιο 3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου χρειάζονται επιπλέον ενίσχυση. Επίσης, το συνολικό κόστος εγκατάστασης είναι πολύ λιγότερο από το αντίστοιχο των κρυσταλλικών κυττάρων, που είναι εµποτισµένα σε γυαλί. Τέλος, πλεονέκτηµα των κυττάρων άµορφου πυριτίου είναι ότι µπορούν να εγκατασταθούν στις οροφές των κτιρίων πολύ εύκολα, συνδέοντάς τα σε σειρές από ειδικές ράγες [10]. Επειδή δεν περιέχουν γυαλί, είναι αρκετά εύκαµπτα, γεγονός που τους επιτρέπει να εναρµονιστούν οµοιόµορφα στα κτίρια και να προσδώσουν οµορφιά, ή να δηµιουργήσουν αρχιτεκτονικές δοµές. Όσον αφορά στην απόδοση, τα φωτοβολταϊκά λεπτού φιλµ έχουν συνήθη απόδοση 5 έως 10% σε επίπεδο πλαισίου, που είναι µικρότερη από τα αντίστοιχα κρυσταλλικά (11-19%). Με άλλα λόγια, τα φωτοβολταϊκά λεπτού φιλµ έχουν µικρότερη ενεργειακή πυκνότητα από τα αντίστοιχα κρυσταλλικά και για να έχουµε ένα φωτοβολταϊκό σύστηµα ίδιας ενεργειακής παραγωγής χρειαζόµαστε περισσότερο χώρο. Για παράδειγµα, για ένα φωτοβολταϊκό σύστηµα παραγωγής 1 kw µε πλαίσια λεπτού φιλµ θα χρειαζόµασταν 17 m 2, ενώ µε κρυσταλλικά 6-9 m 2. Άρα, όταν έχουµε περιορισµούς στο χώρο προτιµούνται τα πολυκρυσταλλικά πλαίσια [12]. Ωστόσο, σύµφωνα µε µετρήσεις, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια λεπτού φιλµ έχουν 20% καλύτερη απόδοση σε περιβάλλον υψηλής θερµοκρασίας και 12% σε συνθήκες χαµηλού και οµιχλώδους φωτισµού. Το φαινόµενο των Staebler και Wronski Όπως είδαµε και παραπάνω, από τη στιγµή που έγινε εφικτό να δηµιουργηθούν p-n επαφές από a-si(h), ο υψηλός συντελεστής απορροφητικότητας του και η ευκολία κατασκευής του, έγινε η αιτία για να µετατραπεί σε ένα πολύ ελκυστικό υλικό για τη χρησιµοποίηση του σε ηλιακά κύτταρα και πλαίσια λεπτού φιλµ. Και τα p και τα n υλικά έχουν χαµηλές ικανότητες µεταφοράς ηλεκτρονίων και οπών. Συνεπώς, οι απλές p-n επαφές έχουν χαµηλή αποτελεσµατικότητα. Έτσι, παρεµβάλλεται σ αυτές ένα εσωτερικό ουδέτερο (i) επίπεδο και δηµιουργείται µια p-i-n ένωση µε πολύ βελτιωµένες ιδιότητες. Το i επίπεδο δεν είναι στην πραγµατικότητα ακριβώς ουδέτερο. Έχει µια ελαφριά n νόθευση. Για το λόγο αυτό, είναι προτιµότερο το φως να µπαίνει στο ηλιακό κύτταρο από ένα λεπτό επίπεδο αγωγιµότητας p. Έτσι, το σηµείο στο οποίο γίνεται µέγιστη η φωτοδηµιουργία οπών και ηλεκτρονίων συµπίπτει µε το σηµείο στο οποίο το ηλεκτρικό πεδίο παρουσιάζει την µέγιστη τιµή του. ηλαδή στην ισχυρά νοθευµένη p-περιοχή και στην ελαφρά n- νοθευµένη περιοχή, δηλαδή την i. Έτσι, η βέλτιστη δοµή ενός a-si(h) είναι η ένωση p-i-n, η οποία έχει µια διάφανη αγώγιµη επαφή στο p-επίπεδο και µια ωµική επαφή στο n-επίπεδο [3]. 29

39 Κεφάλαιο 3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου Καθώς η ποιότητα των a-si διατάξεων βελτιωνόταν µέχρι την δεκαετία του 1970 έγινε φανερό ότι η απορρόφηση του φωτός από το i-επίπεδο δηµιουργούσε επιπλέον ελαττώµατα µειώνοντας την αποδοτικότητα των ηλιακών κυττάρων. Το φαινόµενο αυτό ονοµάστηκε φαινόµενο Staebler- Wronski. Εξαρτάται από τον συνολικό αριθµό των φωτονίων που απορροφώνται. Συνεπώς, η απόδοση του κυττάρου εξαρτάται από την ένταση της ακτινοβολίας στην οποία εκτίθεται, την διάρκεια της έκθεσης και το πάχος του i-επιπέδου. Για παράδειγµα, η έκθεση σε φωτισµό δωµατίου έχει πολύ µικρή επίδραση στην απόδοση του κυττάρου. Για το λόγο αυτό το a-si είναι κατάλληλο για εφαρµογή σε συσκευές όπως υπολογιστές τσέπης. Αντίθετα, σε περίπτωση έκθεσης σε έντονη ακτινοβολία, όπως για παράδειγµα η ηλιακή, η απόδοση µπορεί να µειωθεί σηµαντικά, ακόµα και σε διάστηµα λίγων µηνών. Αυτή η αστάθεια του a-si έχει πολύ σηµαντικές επιπτώσεις στην εµπορική βιωσιµότητά του για την παραγωγή ισχύος, καθιστώντας τις απλές ενώσεις a-si ακατάλληλες για τέτοιου είδους εφαρµογές. Το φαινόµενο Staebler-Wronski εξαρτάται από το πάχος του i-επιπέδου. Μπορεί λοιπόν να µετριασθεί χρησιµοποιώντας πολλαπλές δοµές ετεροεπαφών. Με τον τρόπο αυτό, η απορρόφηση του φωτός επιµερίζεται εξίσου σε δυο ή και τρία ξεχωριστά i-επίπεδα. Η πιο απλή δοµή αυτού του είδους είναι η p-i-n/p-i-n από a-si(h). Το συνολικό πάχος του ηλιακού κυττάρου παραµένει στα 1000 nm περίπου µε το εµπρός i-επίπεδο στα 300 nm και το πίσω i-επίπεδο στα 700 nm, ώστε να παράγονται ίσα ρεύµατα από κάθε µισό. Ηλιακά κύτταρα µε αυτή την δοµή έχουν παραχθεί σε εµπορική κλίµακα. Αποδεικνύονται πολύ πιο σταθερά από τις αντίστοιχες απλές ενώσεις.[3] Φωτοβολταϊκά στοιχεία τύπου CIS (CuInSe 2 ) Ο δισελινιούχος Ίνδιο-Χαλκός (CIS, σχήµα 3.3) είναι ένα ηµιαγώγιµο υλικό το οποίο µπορεί να είναι είτε p είτε n αγωγιµότητας. Το υλικό αυτό έχει τον µεγαλύτερο συντελεστή απορρόφησης που έχει µετρηθεί µέχρι σήµερα. Οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των λεπτών φιλµ τύπου CIS εξαρτώνται σε µεγάλο βαθµό από την αναλογία χαλκού/ Ίνδιου. Για το λόγο αυτό απαιτείται πολύ καλή στοιχειοµετρία της ένωσης. 30

40 Κεφάλαιο 3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου Σχήµα 3.3: Κύτταρο CIS Είναι δυνατόν να κατασκευαστούν επαφές p-n τύπου CIS όµως δεν είναι ιδαίτερα σταθερές. Άλλη περίπτωση είναι να έχουµε ετερο-επαφές µε κάδµιο - θείο (CdS). Υπάρχει πολύ καλή επαφή των σταθερών πλέγµατος και της ηλεκτρονικής συγγένειας αυτών των υλικών, µε αποτέλεσµα είναι να µην υπάρχει πλεόνασµα επανασύνδεσης. Το CdS µπορεί να γίνει υλικό αγωγιµότητας τύπου-n και το CIS αγωγιµότητας τύπου-p. Είναι αρκετά εύκολο να δηµιουργηθεί µια ωµική επαφή στο CdS, ιδιαίτερα όταν είναι έντονα νοθευµένο. Όµως οι επαφές στο CIS αγωγιµότητας τύπου-p είναι πιο δύσκολες. Καλή ωµική επαφή σχηµατίζει ο χρυσός, όµως είναι πολύ ακριβός για εµπορική χρήση. Έτσι, χρησιµοποιείται συνήθως το Μολυβδένιο (Mo) που σχηµατίζει αξιόπιστες επαφές µε το νοθευµένο CIS αγωγιµότητας τύπου-p. Για αποδοτικές συσκευές το CIS πρέπει να είναι ελαφρά νοθευµένο κοντά στην επαφή. Έτσι. η περιοχή απογύµνωσης εκτείνεται µέσα στον όγκο όπου πραγµατοποιείται η φωτογένεση. Αυτό εξασφαλίζει τη συλλογή µε τη βοήθεια του πεδίου των φωτοδηµιουργούµενων φορέων και κατά συνέπεια υψηλά ρεύµατα βραχυκύκλωσης [3]. Ηλιακά κύτταρα τύπου CIS έχουν ενεργειακό διάκενο 1 ev. Η τάση ανοιχτοκύκλωσης εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τα ρεύµατα επανασύνδεσης κοντά στην ένωση, εξαιτίας των ορίων των κόκκων και της επαφής. Λεπτά φιλµ τύπου CIS καλής ποιότητας έχουν µεγέθη κόκκων της τάξης κάποιων µικροµέτρων και µήκη διάχυσης γύρω στα 2 µm. Έτσι, είναι απαραίτητη η αδρανοποίηση των ορίων των κόκκων, ώστε να µειωθεί το ρεύµα επανασύνδεσης.. Μια διαδικασία οξείδωσης µετά την εναπόθεση µπορεί να δώσει σηµαντική βελτίωση στην συµπεριφορά. Αυτό συµβαίνει λόγω της αδρανοποίησης των ορίων των κόκκων. Προφανώς µια µέθοδος εναπόθεσης που δίνει µέγιστο µέγεθος κόκκων µε ελάχιστα όρια είναι προτιµότερη. To CdS έχει ενεργειακό διάκενο 2.4 ev. Εποµένως απορροφά πολύ έντονα την ακτινοβολία στο πράσινο / µπλε άκρο του φάσµατος. Οι διατάξεις πολύ καλής ποιότητας χρησιµοποιούν ένα πολύ λεπτό επίπεδο (30 nm) CdS µε ένα επίπεδο 'παράθυρο' από πολύ υψηλής αγωγιµότητας υλικό. Το πιο κατάλληλο υλικό για το επίπεδο -'παράθυρο' είναι το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) [3]. 31

41 Κεφάλαιο 3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλµ, τύπου CIS και άµορφου πυριτίου Όπως προείπαµε, ο δισεληνοϊνδούχος χαλκός έχει κατά προσέγγιση ενεργειακό διάκενο 1eV. Έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτον φως αλλά παρ' όλα αυτά, η απόδοση του µε τις σύγχρονες τεχνικές κυµαίνεται στο 11% [2] για το πλαίσιο. Έτσι, καθίσταται σαφές ότι το ενεργειακό αυτό διάκενο δεν είναι πολύ ευνοϊκό. Η βέλτιστη εκµετάλευση της ηλιακής ακτινοβολίας επιτυγχάνεται µε την προσθήκη Γαλίου (Ga) στο στρώµα Ίνδιου (In). Το ενεργειακό διάκενο του υλικού αυξάνει συνεχώς µε την αύξηση της συγκέντρωσης του Γαλίου. Εάν το Ίνδιο αντικατασταθεί πλήρως προκύπτει το ηµιαγωγικό στοιχείο (CuGaSe 2 ), του οποίου το ενεργειακό διάκενο είναι περίπου 1.7 ev. Εποµένως, µπορεί να επιτευχθεί το βέλτιστο ενεργειακό διάκενο των 1.4 ev [11]. Εργαστηριακά, έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως 18.8 % [2] γι αυτή την περίπτωση. Συµπερασµατικά, µπορούµε να πούµε ότι η τεχνολογία των κυττάρων λεπτού φιλµ είναι αυτή που θα αναπτυχθεί αρκετά στο µέλλον και θα απαντάται περισσότερο στις διάφορες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, διότι είναι φθηνή, αποδοτική, ελαφριά, µπορεί να αποτελέσει δοµικό υλικό των κατασκευών και προσφέρει καλή απόδοση σε συνθήκες περιορισµένης ηλιοφάνειας, αλλά και υψηλών θερµοκρασιών. 32

42 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ, ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 Πειραµατική διαδικασία και χρησιµοποιούµενα όργανα Οι µετρήσεις για την διεκπεραίωση αυτής της διπλωµατικής εργασίας, έγιναν στο χώρο του Πολυτεχνείου της Πάτρας, και συγκεκριµένα στην ταράτσα του κτιρίου του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Η/Υ και είχαν διάρκεια ενός έτους. Η κάθε µέτρηση γινόταν σε σύντοµο χρονικό διάστηµα (περίπου 1 λεπτό) και µε τον πιο ακριβή κατά το δυνατόν τρόπο για καλύτερα αποτελέσµατα. Στις φωτογραφίες του σχήµατος 5.1 φαίνεται η πειραµατική διάταξη για τις περιπτώσεις των πλαισίων άµορφου πυριτίου και CIS αντίστοιχα. Σχήµα 4.1: Φωτογραφικές απεικονίσεις της πειραµατικής διάταξης για τις περιπτώσεις των πλαισίων άµορφου πυριτίου και CIS αντίστοιχα. Στις παραπάνω φωτογραφίες φαίνονται όλα τα όργανα- συσκευές που χρησιµοποιήθηκαν και είναι: Τα πλαίσια άµορφου πυριτίου (a-si) και CIS Η συσκευή PVPM 2540C Ένας διακόπτης ασφαλείας (δεξιά της συσκευής PVPM 2540 C ) Ένα πυρανόµετρο Μία σταθερή βάση στήριξης των πλαισίων, µε δυνατότητα µεταβολής της κλίσης των πλαισίων. 33

43 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Η συσκευή PVPM 2540 C Η συσκευή αυτή έχει τη δυνατότητα να ενσωµατώνει όλους τους απαραίτητους αισθητήρες και να χαράσσει σε χρόνο περίπου 2 δευτερολέπτων την χαρακτηριστική καµπύλη ρεύµατος-τάσης (I-V) παίρνοντας 100 τιµές και φαίνεται (µαζί µε διακόπτη ασφαλείας που συνδέεται σ αυτήν) καλύτερα στο σχήµα 4.2 Σχήµα 4.2: Η συσκευή PVPM 2540C Επιπλέον, στη συσκευή αυτή ενσωµατώνεται ένας αισθητήρας που χρησιµεύει στη µέτρηση της θερµοκρασίας των κυττάρων, ενώ συνδέεται ακόµη ένας, ο οποίος χρησιµεύει στη µέτρηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (και είναι τύπου φωτοβολταϊκού κυττάρου και όχι πυρανοµέτρου). Θα πρέπει να τονίσουµε σ αυτό το σηµείο ότι ο αισθητήρας δε µετράει θερµοκρασία περιβάλλοντος, αλλά τη θερµοκρασία του πλαισίου. Συγκεκριµένα, έχει ένα απορροφητικό υλικό πίσω από µια γυάλινη επιφάνεια το οποίο θερµαίνεται από τη θερµότητα του περιβάλλοντος, αλλά και από την ηλιακή ακτινοβολία (ακριβώς δηλαδή όπως ένα κύτταρο/πλαίσιο) 34

44 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Κατά συνέπεια, είναι πολύ σηµαντικό η συσκευή να έχει την κλίση και τον προσανατολισµό του υπό µέτρηση πλαισίου. Τέλος, η συσκευή έχει τη δυνατότητα µέτρησης των εσωτερικών αντιστάσεων του πλαισίου µε µια απλή µέτρηση υπό συνθήκες. Τα πλαίσια άµορφου πυριτίου (a-si) και CIS Το πλαίσιο άµορφου πυριτίου που χρησιµοποιήθηκε ήταν το µοντέλο RWE ASI F 32/12 της Schott Solar, ενώ το πλαίσιο CIS ήταν το µοντέλο PowerMax Eclipse 75-C της Shell Solar. Στον πίνακα 4.1 φαίνονται τα ονοµαστικά στοιχεία των δυο τύπων πλαισίων υπό πρότυπες συνθήκες (ηλιακή ακτινοβολία G=1000 W/m 2,θερµοκρασία πλαισίου T=25 o C, και µάζα αέρα AM=1,5 ). Πίνακας 4.1: Ονοµαστικές τιµές των παραµέτρων των πλαισίων άµορφου πυριτίου και CIS υπό πρότυπες συνθήκες. Μοντέλο πλαισίου RWE ASI F 32/12 PowerMax Eclipse 75-C P MPP 32 W +/- 10% 75 W +/- 10% V OC 22.8 V 44.1 V I SC 2.5 A 2.85 A V MPP 16.8 V 31.3 V I MPP 1.92 A 2.4 A Ονοµαστικός Συντελεστής Απόδοσης ( η ) 5.6 % 9.4 % ιαστάσεις πλαισίου 1005 x 574 x 34 mm 1263 x 650x 48 mm Βάρος πλαισίου 6.2 kg 14 kg Το προς µέτρηση φωτοβολταϊκό πλαίσιο ήταν κάθε φορά τοποθετηµένο στη µεταλλική βάση (σχήµα 4.1) µε κατεύθυνση προς το Νότο, και υπήρχε η δυνατότητα αλλαγής της κλίσης του πλαισίου για συγκεκριµένες γωνίες. Οι γωνίες για τις οποίες πήραµε µετρήσεις ήταν 0 ο, 10 ο, 20 ο, 30 ο, 40 ο, 50 ο, 60 ο, 70 ο και 80 ο για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και 30 ο, 45 ο και 60 ο για το πλαίσιο CIS. Οι µετρήσεις ήταν ηµερήσιες, διαρκούσαν από την ανατολή ως τη δύση του ηλίου και ανά µία ώρα παίρναµε µετρήσεις για κάθε γωνία και για τα δυο πλαίσια. 35

45 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Θα πρέπει ν αναφέρουµε σ αυτό το σηµείο ότι ο αισθητήρας της συσκευής PVPM 2540C που εκτελεί χρέη πυρανοµέτρου, ήταν τοποθετηµένος πάνω στη βάση στήριξης και παράλληλος προς το πλαίσιο (σχήµα 4.1), ώστε κάθε φορά που αλλάζει η κλίση του πλαισίου, να αλλάζει και η δική του κλίση και να µετρά µε όσο το δυνατό µεγαλύτερη ακρίβεια την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η επίδραση διαφόρων παραγόντων, όπως της θερµοκρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας και της σκίασης στις χαρακτηριστικές παραµέτρους των φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτού φιλµ που µελετούµε. 4.2 Πειραµατικές µετρήσεις υπό σταθερή ακτινοβολία Πριν προχωρήσουµε σε περαιτέρω ανάλυση, να αναφέρουµε ότι τα διαγράµµατα που θα ακολουθήσουν, έχουν κατασκευαστεί, λαµβάνοντας υπόψιν πως, για να φανεί µε µεγαλύτερη ακρίβεια η επίδραση της θερµοκρασίας, πρέπει η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στο πλαίσιο να είναι σταθερή. Για την κατασκευή τους, επιλέχτηκαν µετρήσεις, οι οποίες έγιναν υπό σταθερή ακτινοβολία (κοντά στα 1000 W/m 2 ), για διαφορετικές θερµοκρασίες. Χρησιµοποιώντας λοιπόν µετρήσεις µε σταθερή ακτινοβολία στα 974 W/m 2 για το πλαίσιο του άµορφου πυριτίου και διαφορετικές θερµοκρασίες της επιφάνειας του πλαισίου καταλήγουµε στο παρακάτω γράφηµα, όπου παρουσιάζονται 5 χαρακτηριστικές I-V καµπύλες. 36

46 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα 3 I-V για G=974 W/m^2 συναρτησει της θερµοκρασιας Current (A) 2,5 2 1,5 1 0,5 T =27 C T =36 C T =40 C T =50 C T =55 C Voltage (V) Σχήµα 4.3: I-V χαρακτηριστικές καµπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου για διαφορετικές θερµοκρασίες κυττάρου, υπό ηλιακή ακτινοβολία 974 W/m 2. Η I-V για Τ=27 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 21 εκεµβρίου, ώρα 12:30 και για γωνία κλίσης πλαισίου 70 ο. Η I- V για Τ=36 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 23 Φεβρουαρίου, ώρα 12:21 και για γωνία κλίσης πλαισίου 40 ο.η I-V για Τ=40 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 7 Μαϊου, ώρα 13:23 και για γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. Η I-V για Τ=50 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 28 Ιουλίου, ώρα 14:13 και για γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. Η I-V για Τ=55 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 12 Αυγούστου, ώρα 14:05 και για γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. Αντιστοίχως, χρησιµοποιώντας µετρήσεις σταθερής ακτινοβολίας 993 W/m 2 για το πλαίσιο CIS υπό διαφορετική θερµοκρασία, παίρνουµε το παρακάτω γράφηµα στο οποίο απεικονίζονται 5 χαρακτηριστικές I-V καµπύλες. 37

47 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα I-V για G=993 W/m^2 συναρτησει της θερµοκρασιας 3 2,5 Current (A) 2 1,5 1 T =22 C T =31,5 C T =39 C T =43,5 C T =57 C 0, Voltage (V) Σχήµα 4.4: I-V χαρακτηριστικές καµπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές θερµοκρασίες κυττάρου, υπό ηλιακή ακτινοβολία 993 W/m 2. Η I-V για Τ=22 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 12 Νοεµβρίου, ώρα 11:31 και για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. Η I-V για Τ=31.5 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 12 Μαρτίου, ώρα 14:11 και για γωνία κλίσης πλαισίου 45 ο.η I-V για Τ=39 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 16 Μαρτίου, ώρα 12:23 και για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. Η I-V για Τ=43.5 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 16 Μαρτίου, ώρα 13:15 και για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. Η I-V για Τ=57 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 12 Αυγούστου, ώρα 14:08 και για γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο Παρατηρώντας τα παραπάνω σχήµατα, εύκολα διαπιστώνουµε ότι η τάση ανοιχτού κυκλώµατος στις χαρακτηριστικές καµπύλες των φωτοβολταϊκών πλαισίων, διαφέρουν αρκετά. Μία µικρότερη µεταβολή παρατηρούµε στο ρεύµα βραχυκύκλωσης όµως δεν διακρίνεται εύκολα. Στην πραγµατικότητα, οι µετρήσεις που πήραµε (υπό την ηλιακή ακτινοβολία που αναφέρθηκε παραπάνω για το κάθε πλαίσιο) σε διάρκεια ενός χρόνου για διαφορετικές θερµοκρασίες, είναι φυσικά περισσότερες απ τις 5 ενδεικτικές που παρουσιάστηκαν. Για να δούµε ακριβέστερα την επίδραση της θερµοκρασίας στις παραµέτρους των πλαισίων, θα χρησιµοποιήσουµε γραφήµατα διασποράς, δηλαδή διαγράµµατα στα οποία εµφανίζονται µεν όλα τα σηµεία, αλλά χωρίς να ενώνονται µεταξύ τους. Τα σηµεία που αφορούν το πλαίσιο άµορφου πυριτίου είναι εµφανώς περισσότερα, αφού πήραµε µετρήσεις σε 9 διαφορετικές κλίσεις έναντι τριών για το πλαίσιο CIS. 38

48 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Voc =f(t) Voc (V) a-si CIS T (C) Σχήµα 4.5: Τάση ανοικτού κυκλώµατος V OC ως προς τη θερµοκρασία Τ για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS. Στο σχήµα 4.5 φαίνεται η επίδραση της θερµοκρασίας στην τάση ανοικτού κυκλώµατος και για τους δύο τύπους πλαισίων λεπτού φίλµ που µελετάµε. Αυξανοµένης της θερµοκρασίας,η V OC µειώνεται σχεδόν γραµµικά. Η µείωση αυτή είναι µεγαλύτερη για το CIS (14% περίπου) από την αντίστοιχη για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου (περίπου 8%). Με τη βοήθεια του σχήµατος 4.6, παρατηρούµε την επίδραση της θερµοκρασίας στην τάση του σηµείου µέγιστης ισχύος (V MPP ) των 2 πλαισίων. ιαπιστώνουµε οµοίως τη γραµµική πτώση της V MPP για αύξηση της θερµοκρασίας. Μάλιστα, η ποσοστιαία πτώση είναι λίγο µεγαλύτερη σ αυτή τη περίπτωση (17% για το CIS και 13% για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου). 39

49 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Vmpp =f(t) Vmpp (V) a-si CIS T (C) Σχήµα 4.6: Τάση σηµείου µέγιστης ισχύος V MPP ως προς τη θερµοκρασία Τ για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS. Στο σχήµα 4.7 φαίνεται η επίδραση της θερµοκρασίας στην τιµή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης. Isc =f(t) 2,9 2,7 2,5 Isc (A) 2,3 2,1 1,9 a-si CIS 1,7 1, T (C) Σχήµα 4.7: Μεταβολή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης I SC ως προς τη θερµοκρασία Τ για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS. 40

50 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Ενώ στο άµορφο πυρίτιο εµφανίζεται µια αναµενόµενη µικρή αύξηση του ρεύµατος, στο CIS το ρεύµα βραχυκύκλωσης παραµένει σχεδόν σταθερό σε µια τιµή κοντά στα 2.7 Α. Συγκεκριµένα παρατηρούµε ότι για θερµοκρασίες µικρότερες των 45 ο C, το ρεύµα βρίσκεται σταθερά πάνω από την τιµή αυτή, ενώ για µεγαλύτερες θερµοκρασίες µειώνεται σε τιµές οριακά µικρότερες. H µείωση δηλαδή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης για υψηλές θερµοκρασίες του πλαισίου CIS ίσως να οφείλεται σε παράπλευρες απώλειες που έχει το πλαίσιο, και οι οποίες γίνονται αντιληπτές µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Για παράδειγµα, είναι πιθανό να υπάρχει ένα µικρό σπάσιµο σε κάποιο σηµείο των κυττάρων του πλαισίου (το οποίο δε διακρίνεται µε το µάτι), µε αποτέλεσµα να υπάρχει µια µικρή διαρροή ρεύµατος. Η εξακρίβωση της φθοράς και ο εντοπισµός του σπασµένου σηµείου µπορεί να γίνει σε αυτή την περίπτωση µε µία θερµική κάµερα. Περίπου οι ίδιες συµπεριφορές εµφανίζονται και στα αντίστοιχα ρεύµατα των σηµείων µέγιστης ισχύος (I MPP ), όπως φαίνεται και από το σχήµα 4.8. Impp =f(t) 2,5 Impp (A) 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1, T (C) a-si CIS Σχήµα 4.8: Μεταβολή του ρεύµατος του σηµείου µέγιστης ισχύος I MPP ως προς τη θερµοκρασία Τ για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS. 41

51 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Στο πλαίσιο άµορφου πυριτίου παρατηρείται η ίδια συµπεριφορά, δηλαδή µικρή αύξηση του I MPP συναρτήσει της θερµοκρασίας. Αντίθετα, στο πλαίσιο CIS το ρεύµα αυτό µειώνεται συνεχώς για θερµοκρασίες µεγαλύτερες των 45 ο C. Οι παραπάνω παρατηρούµενες µεταβολές εξηγούν τις µεταβολές στην µέγιστη ισχύ που αποδίδουν τα πλαίσια και παρουσιάζονται στο σχήµα 4.9. Pmpp= f(t) Pmpp (W) T (C) a-si CIS Σχήµα 4.9: Μεταβολή της µέγιστης αποδιδόµενης ισχύος Ρ MPP ως προς τη θερµοκρασία Τ για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Απ το παραπάνω σχήµα παρατηρούµε µια σχεδόν γραµµική πτώση της µέγιστης ισχύος συναρτήσει της θερµοκρασίας. Η µεταβολή αυτή είναι πιο εµφανής στο CIS (όπως άλλωστε και στα σχήµατα 4.5 και 4.6) καθότι οι ονοµαστικές τιµές του είναι σαφώς µεγαλύτερες απ τις αντίστοιχες του άµορφου πυριτίου. Η γραµµική αυτή πτώση οφείλεται στην αντίστοιχη γραµµική πτώση της τάσης V MPP που µελετήσαµε στο σχήµα 4.6. ιαπιστώνουµε λοιπόν πως οι µεταβολές του ρεύµατος µέγιστης ισχύος δεν επηρεάζουν ουσιαστικά την αποδιδόµενη ισχύ των πλαισίων. 42

52 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Στο σχήµα 4.10 παρουσιάζεται η εξάρτηση του παράγοντα πληρότητας (fill factor ή πιο απλά FF) απ την αύξηση της θερµοκρασίας. ιαπιστώνεται και σ αυτή τη περίπτωση η γραµµική µείωση του παράγοντα πληρότητας για αύξηση της θερµοκρασίας. Ενώ για το πλαίσιο CIS η τιµή του FF κυµαίνεται µεταξύ 65% και 61% (που είναι ικανοποιητικές τιµές), για το άµορφο πυρίτιο δεν ισχύει το ίδιο. Ο FF φτάνει για υψηλές θερµοκρασίες σε τιµές κοντά στο 50%, οι οποίες κρίνονται αρκετά χαµηλές. FF =f(t) FF (%) T (C) a-si CIS Σχήµα 4.10: Μεταβολή του παράγοντα πλήρωσης FF ως προς τη θερµοκρασία Τ για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Τέλος, το σχήµα 4.11 δείχνει την επίδραση της θερµοκρασίας στο συντελεστή απόδοσης των δύο πλαισίων. 43

53 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Efficiency =f(t) 10 9 Efficiency (%) a-si CIS T (C) Σχήµα 4.11: Μεταβολή της απόδοσης ως προς τη θερµοκρασία Τ για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Φαίνεται λοιπόν από αυτές τις µετρήσεις, ότι η αύξηση της θερµοκρασίας επηρεάζει κυρίως το CIS, ενώ η απόδοση του άµορφου πυριτίου παραµένει πρακτικά σταθερή. Πιο αναλυτικά, παρατηρούµε ότι σε χαµηλές θερµοκρασίες (κοντά στους 25 ο C) η απόδοση του CIS κυµαίνεται σε τιµές κοντά στη ονοµαστική (9.4 %), για µέσες θερµοκρασίες (30-45 ο C) µειώνεται ελαφρά παραµένοντας όµως σε αποδεκτές τιµές κοντά στο 9%, ενώ για θερµοκρασίες άνω των 50 ο C µειώνεται αισθητά, φτάνοντας ως στη τιµή 7.6 % (συνολική µείωση περίπου 22%). Αντίθετα, παρατηρούµε ότι για όλες τις τιµές της θερµοκρασίας η απόδοση του πλαισίου άµορφου πυριτίου παραµένει σταθερή κοντά στην ονοµαστική του τιµή (5%). ιαπιστώνουµε λοιπόν, ότι η απόδοση του άµορφου πυριτίου είναι σχεδόν ανεξάρτητη της θερµοκρασίας και διατηρείται στα ονοµαστικά της επίπεδα. 44

54 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πειραµατικές µετρήσεις υπό σταθερή θερµοκρασία A. Μεταβολές των χαρακτηριστικών παραµέτρων υπό «πρότυπη» θερµοκρασία 25 ο C. Χρησιµοποιώντας µετρήσεις που έγιναν υπό σταθερή θερµοκρασία κυττάρου 25 o C και διαφορετικά ποσά λαµβανόµενης ηλιακής ακτινοβολίας καταλήγουµε στα παρακάτω σχήµατα, όπου παρουσιάζονται χαρακτηριστικές I-V καµπύλες από τα δύο πλαίσια και οι οποίες δείχνουν την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στις χαρακτηριστικές παραµέτρους των φωτοβολταϊκών πλαισίων που εξετάζουµε. Το σχήµα 4.12 αφορά το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και το σχήµα 4.13 το πλαίσιο CIS. I-V για T =25 C συναρτησει της ακτινοβολιας 2,5 Current (A) 2 1,5 1 0,5 G =140 W/m^2 G =335 W/m^2 G =516 W/m^2 G =743 W/m^2 G =948 W/m^ Voltage (V) Σχήµα 4.12: I-V χαρακτηριστικές καµπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου για διαφορετικές τιµές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε W/m 2, για θερµοκρασία κυττάρου 25 ο C. Η I-V για G=140 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 29 Οκτωβρίου, ώρα 16:00 και για γωνία κλίσης πλαισίου 20 ο. Η I-V για G=335 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 22 Οκτωβρίου, ώρα 09:22 και για γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. Η I-V για G=516 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 10:30 και για γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. Η I-V για G=743 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 21 εκεµβρίου, ώρα 11:41 και για γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. Η I-V για G=948 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 21 εκεµβρίου, ώρα 13:47 και για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. 45

55 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα I-V για Τ=25 C συναρτησει της ακτινοβολιας 3 2,5 Current (A) 2 1,5 1 G =136 W/m^2 G =308 W/m^2 G =505 W/m^2 G =854 W/m^2 G =947 W/m^2 0, Voltage (V) Σχήµα 4.13: I-V χαρακτηριστικές καµπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές τιµές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε W/m 2, για θερµοκρασία κυττάρου 25 ο C. Η I-V για G=136 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 29 Οκτωβρίου, ώρα 16:03 και για γωνία κλίσης πλαισίου 38 ο. Η I-V για G=308 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στην 1η εκεµβρίου, ώρα 10:18 και για γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. Η I-V για G=505 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 9:33 και για γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. Η I-V για G=854 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 21 εκεµβρίου, ώρα 12:26 και για γωνία κλίσης πλαισίου 38 ο. Η I-V για G=948 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 8 εκεµβρίου, ώρα 13:47 και για γωνία κλίσης πλαισίου 80 ο. Παρατηρώντας τα παραπάνω σχήµατα, διακρίνεται η µεγάλη εξάρτηση του ρεύµατος βραχυκύκλωσης I SC από την ηλιακή ακτινοβολία. Μία µικρότερη µεταβολή παρατηρείται στην τάση ανοιχτού κυκλώµατος V OC. Με τα διαγράµµατα που ακολουθούν, θα γίνει πιο ξεκάθαρη η εξάρτηση κάθε µίας από τις χαρακτηριστικές παραµέτρους του CIS από τη µεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας και πώς αυτή επηρεάζει την τιµή της παραγόµενης ισχύος. Σηµειώνεται ότι η θερµοκρασία πλαισίου της τάξης των 25 o C είναι γενικά µια αρκετά χαµηλή θερµοκρασία, η οποία δύσκολα απαντάται και κυρίως σε συνδυασµό µε υψηλές ακτινοβολίες. Για το λόγο αυτό δεν ήταν δυνατό να δηµιουργηθεί διάγραµµα διασποράς σ αυτή τη περίπτωση. Στα γραφήµατα παρουσιάζονται οι µεταβολές των χαρακτηριστικών παραµέτρων των δυο πλαισίων αυξανοµένης της ηλιακής ακτινοβολίας. 46

56 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Οι µετρήσεις που χρησιµοποιήθηκαν για τα διαγράµµατα αυτά έγιναν υπό σταθερή θερµοκρασία κυττάρου 25 ο C και πραγµατοποιήθηκαν: i) για το πλαίσιο CIS, (1) 29 Οκτωβρίου, ώρα 16:03 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 136 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 38 ο. (2) 1 εκεµβρίου, ώρα 10:18 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 308 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (3) 23 Νοεµβρίου, ώρα 09:32 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 505 W/m 2 και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (4) 12 Νοεµβρίου, ώρα 11:33 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 623W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (5) 21 εκεµβρίου, ώρα 12:26 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 854 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 38 ο. (6) 8 εκεµβρίου, ώρα 12:10 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 947 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 80 ο. ii) για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου, (1) 29 Οκτωβρίου, ώρα 16:00 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 140 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 20 ο. (2) 22 Οκτωβρίου, ώρα 09:22 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 335 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. (3) 23 Νοεµβρίου, ώρα 10:30 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 516 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. (4) 21 εκεµβρίου, ώρα 11:42 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 633 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 20 ο. (5) 21 εκεµβρίου, ώρα 11:41 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 743 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (6) 21 εκεµβρίου, ώρα 11:41 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 839 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 40 ο. (7) 21 εκεµβρίου, ώρα 13:47 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 948 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. Στο σχήµα 4.14 παρουσιάζεται η εξάρτηση της τάσης ανοικτού κυκλώµατος V OC απ την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία για τα δύο πλαίσια. Παρατηρούµε ότι αυξανοµένης της ακτινοβολίας, η τάση αυξάνεται και για τα δύο πλαίσια. Η αύξηση αυτή είναι µεγαλύτερη (και πιο εµφανής) για το CIS, αφού φτάνει έως και το 20% έναντι περίπου 14% για το άµορφο πυρίτιο. 47

57 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Voc =f(g) Voc (V) a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.14: Μεταβολή της τάσης ανοικτού κυκλώµατος V OC ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Περίπου στα ίδια συµπεράσµατα καταλήγουµε παρατηρώντας τις µεταβολές των τάσεων των σηµείων µέγιστης ισχύος για τα δυο πλαίσια στο σχήµα Vmpp =f(g) Vmpp (V) a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.15: Μεταβολή της τάσης του σηµείου µέγιστης ισχύοςv MPP ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS. Στο σχήµα αυτό διακρίνεται µια µικρή αύξηση της τάσης Vmpp (συνολικά περίπου 14% έναντι 20% για τη V OC ) για το CIS. Στη περίπτωση του άµορφου πυριτίου, παρατηρούµε ότι η V MPP παραµένει πρακτικά σταθερή. Η αύξησή της είναι τόσο µικρή που πρακτικά θεωρείται αµελητέα. 48

58 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Στο σχήµα 4.16 παρουσιάζεται η µεταβολή των ρευµάτων βραχυκύκλωσης Isc των δυο πλαισίων συναρτήσει της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ στο σχήµα 4.17 οι αντίστοιχες µεταβολές των ρευµάτων του σηµείου µέγιστης ισχύος Impp. Isc =f(g) 3 2,5 Isc (A) 2 1,5 1 0,5 a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.16: Μεταβολή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης I SC ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Impp =f(g) 2,5 2 Impp (A) 1,5 1 0,5 a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.17: Μεταβολή του ρεύµατος του σηµείου µέγιστης ισχύος I MPP ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS 49

59 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Και στα δυο γραφήµατα, είναι πλέον ξεκάθαρη, η σχέση µεταξύ των δύο αυτών παραµέτρων και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας. Και στους δύο τύπους πλαισίων τα δύο ρεύµατα, µεταβάλλονται γραµµικά συναρτήσει της ακτινοβολίας. Μπορούµε λοιπόν να πούµε ότι η εξάρτηση του ρεύµατος από την ηλιακή ακτινοβολία, είναι αρκετά µεγαλύτερη σε αντίθεση µε αυτήν της τάσης µε αποτέλεσµα η παραγωγή µέγιστης ισχύος ουσιαστικά να επηρεάζεται κυρίως από την τιµή του ρεύµατος. Στο σχήµα 4.18, παρίσταται γραφικά πώς επιδρά η αύξηση της ακτινοβολίας στο σηµείο µέγιστης ισχύος. Και στο διάγραµµα αυτό, παρατηρούµε µία γραµµική εξάρτηση της ισχύος όπως αντίστοιχα είδαµε και για τα ρεύµατα στο σχήµα Για µεγαλύτερα ποσά προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στα φωτοβολταϊκά πλαίσια, έχουµε αντίστοιχα µεγαλύτερη παραγωγή ρεύµατος και κατ' επέκταση µεγαλύτερη παραγωγή ισχύος. Pmpp =f(g) Pmpp (W) a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.18: Μεταβολή της µέγιστης παραγόµενης ισχύος P MPP ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Στο σχήµα 4.19, εξετάζεται η µεταβολή του παράγοντα ποιότητας συναρτήσει της ακτινοβολίας και για τα δυο πλαίσια. Εδώ τα πειραµατικά αποτελέσµατα είναι πιο περίπλοκα. 50

60 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα FF =f(g) FF (%) a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.19: Μεταβολή του παράγοντα πληρότητας FF ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Για το πλαίσιο τύπου CIS παρατηρούµε µια σηµαντική άνοδο του για αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας έως τα 500 W/m 2, ενώ για µεγαλύτερες ακτινοβολίες η τιµή του σταθεροποιείται σε τιµή κοντά στο 64%, λίγο µικρότερη από τη µέγιστη παρατηρούµενη. Αντίθετα, στη περίπτωση του άµορφου πυριτίου παρατηρείται µια σχεδόν γραµµική πτώση του FF όσο η ηλιακή ακτινοβολία αυξάνεται. Η πτώση αυτή εξηγείται από το γεγονός ότι η τάση V MPP του άµορφου πυριτίου παραµένει σταθερή, δηλαδή ανεπηρέαστη από την αύξηση της ακτινοβολίας (σχήµα 4.15). Ενώ η V OC αυξάνεται (σχήµα 4.14), ο λόγος I MPP /I SC παραµένει σταθερός (παρατηρώντας τα σχήµατα 4.16 και 4.17 βλέπουµε ότι η κλίση των 2 ευθειών που αφορούν στο άµορφο πυρίτιο είναι σχεδόν ίδιες) µε συνέπεια ο FF να εξαρτάται ουσιαστικά µόνο απ τη V OC. Εποµένως, εφόσον η τάση ανοικτού κυκλώµατος αυξάνεται, η τιµή του µειώνεται. Στο σχήµα 4.20 παρουσιάζεται η επίδραση της ακτινοβολίας στην απόδοση των δύο τύπων λεπτού φίλµ που εξετάζουµε. 51

61 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα efficiency =f(g) efficiency (%) Radiation (W/m^2) a-si CIS Σχήµα 4.20: Μεταβολή της απόδοσης ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Για το πλαίσιο CIS παρατηρούµε αισθητή αύξηση της απόδοσης για αύξηση της ακτινοβολίας. Πιο συγκεκριµένα, η απόδοση για χαµηλές ακτινοβολίες ( <300 W/m 2 ) είναι σχετικά µικρή (κυµαίνεται µεταξύ 7 και 8,5%), ενώ για µέσες και υψηλές ακτινοβολίες ( >800 W/m 2 ) προσεγγίζει και ξεπερνά την ονοµαστική απόδοση (9,4%). Για το πλαίσιο του άµορφου πυριτίου, παρατηρούµε ότι η απόδοση παραµένει κοντά στη ονοµαστική τιµή της (5%) για όλες τις τιµές της ηλιακής ακτινοβολίας. Σε συνδυασµό µε τα αποτελέσµατα του σχήµατος 4.11, µπορούµε να συµπεράνουµε ότι η απόδοση του άµορφου πυριτίου είναι σχεδόν πάντα σταθερή και ίση µε την ονοµαστική της τιµή. Β. Μεταβολές των χαρακτηριστικών παραµέτρων υπό σταθερή θερµοκρασία 35 ο C Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, είναι γενικά δύσκολο να παρατηρηθούν θερµοκρασίες πλαισίων κοντά στην πρότυπη θερµοκρασία των 25 o C και µάλιστα ακόµα πιο δύσκολο να συνδυάζονται αυτές µε υψηλές τιµές της ηλιακής ακτινοβολίας. Για το λόγο αυτό, κρίναµε σκόπιµο να παραθέσουµε και την εξάρτηση των χαρακτηριστικών παραµέτρων των πλαισίων συναρτήσει της 52

62 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα ακτινοβολίας υπό σταθερή θερµοκρασία 35 o C. Η θερµοκρασία αυτή επιλέχθηκε για δυο λόγους: αφενός επειδή είναι κοντινή στη θερµοκρασία των 25 o και αφετέρου επειδή συναντάται αρκετά συχνά, τόσο την φθινοπωρινή και ανοιξιάτικη περίοδο (κυρίως τις µεσηµεριανές ώρες, δηλαδή υπό πλήρη ηλιακή ακτινοβολία), όσο και την καλοκαιρινή (συνήθως σε πιο πρωινές ώρες ή/και απογευµατινές ώρες). Στα γραφήµατα παρουσιάζονται οι µεταβολές των χαρακτηριστικών παραµέτρων των δυο πλαισίων αυξανοµένης της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι µετρήσεις που χρησιµοποιήθηκαν για τα διαγράµµατα αυτά έγιναν υπό σταθερή θερµοκρασία κυττάρου 35 ο C και πραγµατοποιήθηκαν: i) για το πλαίσιο CIS, (1) 12 Αυγούστου, ώρα 09:24 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 358 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (2) 30 Σεπτεµβρίου, ώρα 17:18 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 408 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (3) 18 Νοεµβρίου, ώρα 13:19 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 531 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (4) 23 Φεβρουαρίου, ώρα 14:35 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 625 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (5) 22 Οκτωβρίου, ώρα 14:23 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 655 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 45 ο. (6) 23 Νοεµβρίου, ώρα 14:19 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 785 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (7) 18 Νοεµβρίου, ώρα 13:19 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 865 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (8) 18 Νοεµβρίου, ώρα 13:18 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 891 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 45 ο. (9) 18 Νοεµβρίου, ώρα 13:18 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 939 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (10) 2 Μαρτίου, ώρα 12:08 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1033 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (11) 19 Ιανουαρίου, ώρα 12:25 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1085 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. ii) Για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου, (1) 22 Οκτωβρίου, ώρα 14:20 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 350 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (2) 28 Ιουλίου, ώρα 10:00 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 375 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (3) 22 Ιουλίου, ώρα 9:13 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 447 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (4) 30 Σεπτεµβρίου, ώρα 11:13 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 680 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 70 ο. (5) 12 Νοεµβρίου, ώρα 12:23 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 728 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 20 ο. (6) 12 Νοεµβρίου, ώρα 12:24 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 819 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. (7) 18 Φεβρουαρίου, ώρα 13:27 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 840 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (8) 2 Μαρτίου, ώρα 13:15 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 851 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 80 ο. (9) 12 Νοεµβρίου, ώρα 12:23 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 981 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (10) 12 Νοεµβρίου, ώρα 12:22 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1043 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 50 ο. 53

63 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Voc =f(g) Voc (V) a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.21: Μεταβολή της τάσης ανοικτού κυκλώµατος V OC ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Vmpp =f(g) Vmpp (V) a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.22: Μεταβολή της τάσης του σηµείου µέγιστης ισχύος V MPP ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS 54

64 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Isc =f(g) 3,5 3 2,5 Isc (A) 2 1,5 1 a-si CIS 0, Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.23: Μεταβολή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης I SC ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Impp =f(g) 3 2,5 2 Impp (A) 1,5 1 a-si CIS 0, Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.24: Μεταβολή του ρεύµατος του σηµείου µέγιστης ισχύος I MPP ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS 55

65 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Pmpp =f(g) Pmpp (W) Radiation (W/m^2) a-si CIS Σχήµα 4.25: Μεταβολή της µέγιστης παραγόµενης ισχύος ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS P MPP ως προς τη προσπίπτουσα FF =f(g) FF (%) Radiation (W/m^2) a-si CIS Σχήµα 4.26: Μεταβολή του παράγοντα πληρότητας FF ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS 56

66 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Efficiency =f(g) 10 9 Efficiency (%) a-si CIS Radiation (W/m^2) Σχήµα 4.27: Μεταβολή της απόδοσης ως προς τη προσπίπτουσα ακτινοβολία G για τα πλαίσια άµορφου πυριτίου και CIS Συγκρίνοντας τα πειραµατικά αποτελέσµατα για τις δύο διαφορετικές θερµοκρασίες για τις «κοινές» ακτινοβολίες µεταξύ 400 και 1000 W/m 2 παρατηρούµε ότι: i) Για το πλαίσιο τύπου CIS οι τιµές των τάσεων V OC και V MPP, των ρευµάτων I SC και I MPP και συνεπώς και της µέγιστης ισχύος P MPP παραµένουν στα ίδια επίπεδα. Υπάρχουν κάποιες µικρές πτώσεις (της τάξης του 1V για τις τάσεις και 0,2A για τα ρεύµατα), οι οποίες οφείλονται προφανώς στην αύξηση της θερµοκρασίας και δε χρίζουν περαιτέρω σχολιασµού. Παρόµοια, στον παράγοντα ποιότητας FF παρατηρούµε ότι στη θερµοκρασία 35 o C µετρώνται τιµές µεταξύ 63 και 65%, ενώ στην θερµοκρασία των πρότυπων συνθηκών (25 o C) οι τιµές κυµαίνονται σταθερά κοντά στο 64,5%. Αντίθετα, παρατηρούµε µια µεγαλύτερη πτώση στην απόδοση, η οποία κυµαίνεται σχεδόν συνέχεια σε τιµές µικρότερες του 9 %. 57

67 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα ii) Στο πλαίσιο του άµορφου πυριτίου τα πράγµατα είναι πιο ξεκάθαρα. Οι τιµές των ρευµάτων I SC και I MPP είναι ακριβώς ίδιες (στις ίδιες ακτινοβολίες). Μια µικρή πτώση της τάξης του 1V παρατηρείται στις τάσεις, γεγονός που εξηγεί την πτώση της µέγιστης ισχύος κατά 1W στις υψηλές θερµοκρασίες, καθώς και την πτώση του FF έως τη τιµή του 52 %. Η απόδοση στις δύο θερµοκρασίες κυµαίνεται επίσης ακριβώς στα ίδια επίπεδα ( %), πολύ κοντά στην ονοµαστική τιµή. Σαν γενικό συµπέρασµα, µπορούµε να πούµε ότι η συµπεριφορά των χαρακτηριστικών µεγεθών των πλαισίων σε θερµοκρασία 35 o C είναι παρόµοια µε την αντίστοιχή τους στην θερµοκρασία των πρότυπων συνθηκών (25 o C). Το γεγονός αυτό είναι πολύ σηµαντικό, καθότι η θερµοκρασία αυτή εµφανίζεται συχνά σε όλη τη διάρκεια του έτους, σε διαφορετικές ακτινοβολίες. 4.4 Εύρεση της βέλτιστης κλίσης τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου Σε διάστηµα περίπου πέντε λεπτών, γίνονταν µετρήσεις σε όλες τις κλίσεις που επέτρεπε η βάση στην οποία ήταν τοποθετηµένο το πλαίσιο του άµορφου πυριτίου, για να έχουµε µία πληθώρα µετρήσεων για διαφορετικές θερµοκρασίες και ακτινοβολίες,ώστε να πάρουµε όσο το δυνατόν πιο ασφαλή συµπεράσµατα κατά την επεξεργασία τους και την διεξαγωγή των αποτελεσµάτων. Σε ακόµα µικρότερο χρονικό διάστηµα, πραγµατοποιούνταν οι µετρήσεις στις τρείς διαφορετικές κλίσεις του πλαισίου CIS (30, 45 και 60 ο ), ώστε να µπορούµε να συγκρίνουµε και να επιβεβαιώσουµε όσα παρατηρούνταν για το άµορφο πυρίτιο. Παρόλα αυτά, ο κύριος λόγος που γίνονταν όσα περιγράψαµε παραπάνω, ήταν η εύρεση της βέλτιστης κλίσης λειτουργίας των πλαισίων για κάθε εποχή. Γνωρίζοντας ακριβώς την ίδια χρονική στιγµή τις τιµές των V OC και I SC, αλλά κυρίως της ηλιακής ακτινοβολίας και των V MPP και I MPP, καταλήγουµε σε ασφαλή συµπεράσµατα για το σε πια κλίση αποδίδεται η µεγαλύτερη ισχύς και εποµένως η περισσότερη ενέργεια. Επίσης, καλό είναι να γνωρίζουµε την απόδοση του φωτοβολταϊκού που µελετάµε σε διάφορες κλίσεις λειτουργίας καθότι πολλές φορές, καλούµαστε να τοποθετήσουµε τα φωτοβολταϊκά πλαίσια µε τρόπο ώστε να εξοικονοµηθεί χώρος σε κτήρια και να αντισταθµιστεί ένα µέρος του κόστους τους. Είναι αρκετές οι φορές πάλι, που ηλιακοί συλλέκτες τοποθετούνται σε τοίχους κτηρίων (γωνία κλίσης πλαισίου 90 ο ως προς το οριζόντιο επίπεδο) µε αποτέλεσµα να µην λαµβάνεται η µέγιστη ισχύς από αυτά. 58

68 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Ανάλογα λοιπόν µε τις ανάγκες που καλείται να καλύψει µία φωτοβολταϊκή συστοιχία τόσο από πλευράς παραγωγής όσο και από πλευράς κόστους, πρέπει να γίνει µία µελέτη της λειτουργίας του ηλιακού πλαισίου που θα χρησιµοποιηθεί, σε διάφορες κλίσεις τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Στη συνέχεια, θα παρουσιάσουµε τις µετρήσεις που διενεργήθηκαν κατά τη χειµερινή και την καλοκαιρινή περίοδο. Α. Χειµερινή περίοδος: Για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου τα πειραµατικά αποτελέσµατα που παρουσιάζονται παρακάτω καταλήγουν στη διαπίστωση ότι η βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων για τη χειµερινή περίοδο είναι αυτή των 60 ο. Μάλιστα, το γεγονός ότι η πειραµατική διαδικασία διεξήχθη σε εννιά διαφορετικές κλίσεις πλαισίου µας παρουσιάζει µε µεγαλύτερη ακρίβεια τα εξαγόµενα αποτελέσµατα. Isc (A) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 a-si angle (deg) Isc Voc 23 22,8 22,6 22,4 22, ,8 21,6 21,4 21,2 Voc (V) Σχήµα 4.28: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών V OC και I SC του φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Το γράφηµα αφορά σε µέτρηση που έγινε στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 12:20 και θερµοκρασία πλαισίου 40 ο C. 59

69 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα a-si Radiation Pmax pp Radiation (W/m^2) angle (deg) Pmpp (W) Σχήµα 4.29: Μεταβολή της µέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφηµα αφορά σε µέτρηση που έγινε στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 12:20 και θερµοκρασία πλαισίου 40 ο C. a-si 23/11/ Pmax (W) deg 60 deg 50 deg 40 deg hours Σχήµα 4.30: Παραγόµενη ισχύς για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου για τις 23 Νοεµβρίου ανά ώρα σε διάφορες κλίσεις. 60

70 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Απ τα παραπάνω γραφήµατα γίνεται ξεκάθαρο ότι η βέλτιστη κλίση του φωτοβολταϊκού πλαισίου για τη χειµερινή περίοδο είναι αυτή των 60 ο. Οφείλουµε να παρατηρήσουµε ότι τα αποτελέσµατα που προέκυψαν για τις 50 ο είναι παρόµοια µε αυτά στις 60 ο. Αυτό είναι λογικό, αφενός επειδή οι 50 ο είναι «πιο κοντά» στις 60 ο απ τις 45 ο (τις οποίες θα δούµε στη συνέχεια για το CIS) και αφετέρου επειδή στο άµορφο πυρίτιο τα ονοµαστικά στοιχεία είναι µικρότερης τάξης µεγέθους απ ότι στο CIS. Isc (A) 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 CIS Isc Voc 44 43, , angle (deg) Voc (V) Σχήµα 4.31: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών V OC και I SC του φωτοβολταϊκού CIS συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Το γράφηµα αφορά µέτρηση που έγινε στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 12:10 και θερµοκρασία κυττάρου περίπου 31,5 ο C. Απ το παραπάνω σχήµα φαίνεται ότι το ρεύµα I SC γίνεται µέγιστο σε κλίση 60 ο. Το γεγονός ότι η τάση V OC µέχρι την ίδια κλίση επίσης αυξάνεται, µας οδηγεί στο συµπέρασµα ότι η βέλτιστη κλίση για τη χειµερινή περίοδο είναι περίπου στις 60 ο. Εξ άλλου, το διαπιστώσαµε ήδη από τη µελέτη του πλαισίου a-si και το παρακάτω διάγραµµα συµφωνεί µε αυτόν τον ισχυρισµό. 61

71 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Radiation (W/m^2) CIS Radiation Pmpp angle (deg) Pmpp (W) Σχήµα 4.32: Μεταβολή της µέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Το γράφηµα αφορά µέτρηση που έγινε στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 12:10 και θερµοκρασία κυττάρου περίπου 31.5 ο C. Το γεγονός ότι η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύµατος από το φωτοβολταϊκό πλαίσιο παίρνει τη µέγιστη τιµή του στις 60 ο επιβεβαιώνεται και από το σχήµα 4.32, όπου φαίνεται καθαρά ότι στην κλίση τοποθέτησης αυτή, έχουµε τα µεγαλύτερα ποσά προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και κατ' επέκταση µεγαλύτερη παραγόµενη ισχύ. Τέλος, το σχήµα 4.33 παρουσιάζει τις παραγόµενες µέγιστες ισχείς (ανά κλίση) για κάθε ώρα της µέρας που εξετάσαµε παραπάνω. Φαίνεται πλέον ξεκάθαρα απ το σχήµα αυτό ότι βέλτιστη κλίση για τη χειµερινή περίοδο είναι αυτή των 60 ο. Το εµβαδό της καµπύλης (που αντιπροσωπεύει τις συνολικές ηµερήσιες ενεργειακές απολαβές) είναι αισθητά µεγαλύτερο για τη κλίση αυτή. 62

72 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα CIS -23/11/09 Pmpp hours 60 deg 45 deg 30 deg Σχήµα 4.33: Παραγόµενη ισχύς για το πλαίσιο CIS για τις 23 Νοεµβρίου ανά ώρα σε διάφορες κλίσεις. Β. Θερινή Περίοδος: Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία µε αυτή που ακολουθήσαµε για τη χειµερινή περίοδο, παρουσιάζουµε τα αποτελέσµατα µιας τυπικής καλοκαιρινής ηµέρας. Θυµίζουµε, ότι για το πλαίσιο a-si πήραµε µετρήσεις για εννέα διαφορετικές κλίσεις τοποθέτησής του, οι οποίες µας οδήγησαν σε αρκετά ακριβή αποτελέσµατα. 63

73 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα a-si Isc 3 Voc 21,6 2,5 21,4 Isc (A) 2 1,5 1 21, ,8 20,6 Voc (V) 0,5 20,4 0 20, angle (deg) Σχήµα 4.34: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών V OC και I SC του φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Το γράφηµα αφορά σε µέτρηση που έγινε στις 28 Ιουλίου, ώρα 14:10 και θερµοκρασία κυττάρου 50 ο C. a-si Radiation 1200 Pmpp Radiation (W/m^2) angle (deg) Pmpp (W) Σχήµα 4.35: Μεταβολή της µέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Το γράφηµα αφορά σε µέτρηση που έγινε στις 28 Ιουλίου, ώρα 14:10 και θερµοκρασία κυττάρου 50 ο C. 64

74 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα a-si 28/7/ Pmax (W) deg 30 deg 20 deg 0 deg hours Σχήµα 4.36: Παραγόµενη ισχύς για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου για τις 28 Ιουλίου ανά ώρα σε διάφορες κλίσεις. Απ τα γραφήµατα και τους αντίστοιχους υπολογισµούς, φαίνεται ότι τελικά η βέλτιστη κλίση για τη καλοκαιρινή περίοδο είναι αυτή των 20 ο. Στη κλίση αυτή οι χαρακτηριστικές παράµετροι βρίσκονται σε οριακά υψηλότερες τιµές απ ότι στις υπόλοιπες κλίσεις, ενώ πιο εµφανής είναι η «υπεροχή» αυτής της κλίσης µέσω των τιµών που παίρνουµε για την ηλιακή ακτινοβολία και τη µέγιστη αποδιδόµενη ισχύ. Η συνολική ηµερήσια αποδιδόµενη ενέργεια για κάθε κλίση ισούται µε το εµβαδό της αντίστοιχης καµπύλης που παρουσιάζεται στο σχήµα 4.36 και όπως φαίνεται είναι µεγαλύτερη για την κλίση των 20 ο. Στη συνέχεια, παρουσιάζουµε τα αντίστοιχα διαγράµµατα που προέκυψαν από τις µετρήσεις που λάβαµε την ίδια µέρα και ώρα για το πλαίσιο CIS. 65

75 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα 2,8 CIS Isc Voc 40 2,6 39,5 Isc (A) 2,4 2,2 39 Voc (V) 2 38, angle (deg) Σχήµα 4.37: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών V OC και I SC του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Το γράφηµα αφορά σε µέτρηση που έγινε στις 28 Ιουλίου, ώρα 14:15 και θερµοκρασία πλαισίου 55 ο C CIS Radiation Pmpp 70 Radiation (W/m^2) Pmpp (W) angle (deg) 50 Σχήµα 4.38: Μεταβολή της µέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Το γράφηµα σε αφορά µέτρηση που έγινε στις 28 Ιουλίου, ώρα 14:15 και θερµοκρασία πλαισίου 55 ο C. 66

76 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Από το σχήµα 4.37, παρατηρούµε µεγαλύτερες τιµές παραγόµενου ηλεκτρικού ρεύµατος I SC και τάσης ανοικτού κυκλώµατος V OC για κλίση τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου στις 30 ο. Αντίστοιχα, στις 30 ο έχουµε τη µεγαλύτερη παραγωγή ισχύος από το CIS, καθώς η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία για την κλίση αυτή είναι στα υψηλότερα ποσοστά, όπως φαίνεται στο σχήµα CIS 28/7/ Pmpp (W) hours 60 deg 45 deg 30 deg Σχήµα 4.39: Παραγόµενη ισχύς για το πλαίσιο CIS για τις 28 Ιουλίου ανά ώρα σε διάφορες κλίσεις. Το σχήµα 4.39 παρουσιάζει την ανά ώρα µέγιστη παραγόµενη ισχύ του πλαισίου CIS για τις διαφορετικές κλίσεις τοποθέτησής του. Φαίνεται καθαρά και από το σχήµα αυτό ότι η επιλεγόµενη κλίση τοποθέτησης είναι αυτή των 30 ο. Βέβαια, πρέπει να σηµειώσουµε σ αυτό το σηµείο ότι η κλίση αυτή προκύπτει διότι δεν πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις υπό κλίση τοποθέτησης 20 ο, όπως έγινε στην περίπτωση του πλαισίου άµορφου πυριτίου. Θυµίζουµε ότι για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις υπό κλίση 20 ο αλλά και 30 ο και προέκυψε σαν βέλτιστη κλίση αυτή των 20 ο. Συνεπώς, καταλήγουµε στο γενικό συµπέρασµα ότι η βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων για τη θερινή περίοδο είναι αυτή των 20 ο. Απ όσα αναφέρθηκαν παραπάνω γίνεται φανερό ότι για διαφορετικές περιόδους ενός ηµερολογιακού έτους, πρέπει να επιλέγουµε διαφορετικές κλίσεις (εάν αυτό είναι εφικτό) για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, ώστε να µεγιστοποιούµε όσο είναι δυνατόν τις ενεργειακές µας απολαβές. Στην επόµενη ενότητα φαίνεται η ανάγκη αυτή. 67

77 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα 4.5 Σύγκριση λειτουργίας κατά τη θερινή και τη χειµερινή περίοδο. Τα φωτοβολταϊκά συστήµατα, έχουν το µειονέκτηµα ότι η τροφοδοσία τους δεν είναι σταθερή, καθώς τα ποσά της λαµβανόµενης ηλιακής ενέργειας µεταβάλλονται λόγω αλλαγής της θέσης του ήλιου σε σχέση µε τη γη (τόσο κατά τη διάρκεια της ίδιας ηµέρας όσο και στη διάρκεια όλου του έτους), καθώς και λόγω άλλων διακυµάνσεων που οφείλονται σε µεταβολές των καιρικών συνθηκών. Με άλλα λόγια, η ένταση της λαµβανόµενης ηλιακής ακτινοβολίας µπορεί να αυξοµειώνεται µεταξύ µίας µέγιστης και µίας µηδενικής τιµής κατά τη διάρκεια ενός εικοσιτετραώρου, παρουσιάζοντας συχνά απότοµες διακυµάνσεις. Όταν επικρατεί συννεφιά, η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας αυξοµειώνεται απρόβλεπτα Radiation (W/m^2) /7/09-20 deg 19/1/10-20 deg hours Σχήµα 4.40: Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο πλαίσιο άµορφου πυριτίου για κλίση τοποθέτησής του 20 ο για µία τυπική χειµερινή και µία καλοκαιρινή µέρα Στο σχήµα 4.40 παρουσιάζεται η διακύµανση της ηλιακής ακτινοβολίας (υπό ίδια κλίση-τη βέλτιστη καλοκαιρινή) µιας τυπικής καλοκαιρινής και µιας τυπικής χειµερινής ηµέρας για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου. Παρατηρούµε ότι κατά τη χειµερινή περίοδο οι ώρες ηλιοφάνειας είναι σαφώς λιγότερες. Αυτό συµβαίνει όχι µόνο επειδή η ανατολή του ήλιου συµβαίνει πιο αργά και η δύση νωρίτερα από ό,τι κατά τη θερινή περίοδο, αλλά και επειδή είναι σχεδόν αδύνατο µια 68

78 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα χειµερινή ηµέρα να είναι πλήρως ηλιόλουστη. Με άλλα λόγια, είναι αναπόφευκτο κατά τη διάρκεια µιας καλής χειµερινής ηµέρας να µην υπάρχουν διαστήµατα αραιής ή πυκνής συννεφιάς. Το γεγονός αυτό έχει προφανώς αντίκτυπο και στη συνολική ισχύ που λαµβάνουµε κατά τη διάρκεια της ηµέρας και διακρίνεται χαρακτηριστικά στο σχήµα 4.41, στο οποίο απεικονίζεται η ανά ώρα µέγιστη παραγόµενη ισχύς κατά τη διάρκεια των ίδιων τυπικών ηµερών. Γίνεται εύκολα αντιληπτό, ότι η συνολική ενέργεια που λαµβάνουµε κατά τη διάρκεια µιας τυπικής χειµερινής ηµέρας είναι σαφώς µειωµένη σε σύγκριση µε µια καλοκαιρινή Pmpp (W) /7/09-20 deg 19/1/10-20 deg hours Σχήµα 4.41: Μέγιστη παραγόµενη ισχύς ανά ώρα του πλαισίου άµορφου πυριτίου για κλίση τοποθέτησής του 20 ο για µία τυπική χειµερινή και µία καλοκαιρινή µέρα Ρίχνοντας µια πιο προσεκτική µατιά και πάλι στα παραπάνω σχήµατα, διαπιστώνουµε ότι ακόµα και τις ώρες πλήρους ηλιοφάνειάς της, η χειµερινή ηµέρα δέχεται στην ίδια κλίση λιγότερη ηλιακή ακτινοβολία και εποµένως παράγει λιγότερη ισχύ. Το γεγονός αυτό κρίνει καλύτερη την επιλογή άλλης κλίσης για διαφορετικές χρονικές περιόδους (εποχές). Στο σχήµα 4.42 παρουσιάζεται η ανά ώρα παραγόµενη µέγιστη ισχύς που παράγει το πλαίσιο άµορφου πυριτίου κατά τη διάρκεια των ίδιων τυπικών ηµερών, αλλά αυτή τη φορά υπό βέλτιστη κλίση για κάθε εποχή. 69

79 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Pmpp (W) /7/09-20 deg 19/1/10-60 deg hours Σχήµα 4.42: Μέγιστη παραγόµενη ισχύς ανά ώρα του πλαισίου άµορφου πυριτίου για µία τυπική χειµερινή και µία καλοκαιρινή µέρα, υπό βέλτιστη κλίση τοποθέτησης για κάθε εποχή Παρατηρούµε ότι τις ώρες πλήρους ηλιοφάνειας της χειµερινής ηµέρας (11:30 έως 14:30) η αποδιδόµενη ισχύς βρίσκεται στα ίδια επίπεδα µε αυτά της καλοκαιρινής. Μάλιστα, κάποιες στιγµές η µέγιστη ισχύς είναι µεγαλύτερη για την χειµωνιάτικη µέρα. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι η ηλιακή ακτινοβολία παίρνει ασυνήθιστα υψηλές τιµές, επειδή η µέτρηση έγινε τη χρονική στιγµή που κάποιο σύννεφο βρισκόταν πλησίον της «ευθείας» ήλιου - πλαισίου και προκαλούσε µεγάλη συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας στο πυρανόµετρο. Μια άλλη εκδοχή ίσως είναι η υψηλή θερµοκρασία που επικρατεί την καλοκαιρινή µέρα και προκαλεί µείωση της µέγιστης αποδιδόµενης ισχύος. Όµως, είναι ξεκάθαρο ότι ακόµα κι αν η µέρα ήταν τελείως ηλιόλουστη, η συνολική παραγόµενη ενέργεια θα ήταν και πάλι αρκετά µικρότερη και λόγω της µικρότερης διάρκειας της χειµερινής ηµέρας. 70

80 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Απ όλα όσα σχολιάστηκαν παραπάνω, γίνεται σαφές ότι είναι σηµαντικό να γνωρίζουµε περίπου τις συνολικές ώρες ηλιοφάνειας µίας περιοχής πριν την τοποθέτηση φωτοβολταϊκών, ώστε να υπολογίσουµε τα ποσοστά της DC ισχύος που κατά µέσο όρο δύναται να παράγουν τα πλαίσια που θα τοποθετηθούν στη συγκεκριµένη περιοχή. 4.6 Επίδραση της κάθετης και οριζόντιας σκίασης στις χαρακτηριστικές παραµέτρους φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτού φιλµ. Ένας σηµαντικός παράγοντας που επιδρά αρνητικά στην ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι η σκίαση. Το φαινόµενο αυτό, συµβαίνει σε περιπτώσεις όπου υπάρχουν εµπόδια όπως για παράδειγµα παρακείµενα κτήρια, ψηλά δένδρα, πυλώνες της.ε.η κ.ά. Επιπλέον, σε περιπτώσεις φωτοβολταϊκών πάρκων, τα οποία αποτελούνται από πολλές διαδοχικές σειρές συστοιχιών καθώς και σε άλλες περιπτώσεις µε περιορισµένη έκταση εγκατάστασης, όπως σε στέγες κτηρίων, είναι πιθανόν λόγω κακού υπολογισµού να προκαλείται σκίαση από τη µία σειρά στην επόµενη. Ειδικά στην τελευταία περίπτωση, είναι σηµαντικό να γνωρίζουµε το µέγεθος των ενεργειακών απωλειών. Στην ενότητα αυτή, γίνεται µία προσέγγιση του φαινοµένου της σκίασης καθώς και των επιδράσεων στην ηλεκτρική συµπεριφορά των πλαισίων λεπτού φιλµ που µελετάµε. Στα πλαίσια µελέτης της επίδρασης της σκίασης, πραγµατοποιήθηκαν και στα δύο πλαίσια µετρήσεις των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους µε εφαρµογή οριζόντιας και κάθετης σκίασης στο 1/3 και στα 2/3 περίπου της επιφάνειας αυτών. A. Σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS. I) Επίδραση της κάθετης σκίασης στη λειτουργία του πλαισίου Η κάθετη σκίαση του πλαισίου κατά το 1/3 της ενεργού του επιφάνειας έγινε όπως φαίνεται στο σχήµα 4.43, ενώ στη συνέχεια το πλαίσιο σκιάστηκε κατά τα 2/3 αυτής. 71

81 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα (α) Σχήµα 4.43: Κάθετη σκίαση του πλαισίου CIS κατά το 1/3 και τα 2/3 της επιφάνειας αυτού αντίστοιχα. Πριν τη πραγµατοποίηση της σκίασης, λήφθηκε µια µέτρηση χωρίς καµία σκίαση υπό τις ίδιες συνθήκες θερµοκρασίας και ηλιακής ενέργειας. Το πείραµα στο σύνολό του (δηλαδή κάθετη και οριζόντια σκίαση) διενεργήθη στις 12 Απριλίου του 2010 και ώρα 13:25 υπό σχεδόν σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2 και σε θερµοκρασία περίπου 52 ο C. Στα σχήµατα 4.44 και 4.45 παρουσιάζονται αντίστοιχα οι I-V και P-V χαρακτηριστικές για τις περιπτώσεις χωρίς καµία σκίαση και για κάθετη σκίαση κατά το 1/3 και 2/3 της ενεργού επιφάνειας του πλαισίου. (β) ΚΑΘΕΤΗ ΣΚΙΑΣΗ CIS 3 2,5 Current (A) 2 1,5 1 ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΑ 1/3 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΑ 2/3 0, Voltage (V) Σχήµα 4.44: Χαρακτηριστικές καµπύλες I-V για την περίπτωσης κάθετης σκίασης και µη σκίασης του πλαισίου CIS. 72

82 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα ΚΑΘΕΤΗ ΣΚΙΑΣΗ CIS Power (W) ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΆ 1/3 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΆ 2/ Voltage (V) Σχήµα 4.45: Χαρακτηριστικές καµπύλες P-V για την περίπτωση κάθετης σκίασης και µη σκίασης του πλαισίου CIS. Για να καταστεί πιο εύκολη η κατανόηση του φαινοµένου της σκίασης και για να εξάγουµε πιο ακριβή συµπεράσµατα, παραθέτουµε τον Πίνακα 4.2, στον οποίο παρουσιάζονται οι τιµές των V OC, I SC, P MPP του πλαισίου στις 3 περιπτώσεις καθώς και οι ποσοστιαίες µεταβολές τους ως προς τη µέτρηση που πραγµατοποιήθηκε χωρίς σκίαση. Πίνακας 4.2: Τιµές χαρακτηριστικών παραµέτρων και ποσοστιαίων µεταβολών αυτών φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες κάθετης σκίασης του 1/3 και 2/3 της επιφάνειάς του Τάση Μεταβολή Ρεύµα Μεταβολή Μέγιστη Μεταβολή Μη σκιασµένο Φ/Β V OC (V) τάσης V OC (%) I SC (A) ρεύµατος I SC (%) ισχύς P MPP (W) Ισχύος P MPP (%) Σκιασµένο Φ/Β κατά το 1/ Σκιασµένο Φ/Β κατά τα 2/

83 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Απ το Σχήµα 4.44 και κυρίως απ τον Πίνακα 4.2,φαίνεται καθαρά ότι το ρεύµα I SC (και εποµένως το ρεύµα I MPP ) επηρεάζεται σε πολύ µεγαλύτερο βαθµό απ τα φαινόµενα σκίασης απ ότι η τάση V OC (και η V MPP ). Συγκεκριµένα, όταν το πλαίσιο σκιάζεται κατά το 1/3 της επιφάνειάς του, η πτώση του I SC µειώνεται επίσης κατά το 1/3 περίπου, και όταν σκιάζεται κατά τα 2/3, η πτώση του αγγίζει κι αυτή τα 2/3. Αντίθετα, τα ποσοστά µείωσης της τάσης V OC είναι κατά πολύ µικρότερα στην κάθε περίπτωση. Με βάση τα παραπάνω αποτελέσµατα, φαίνονται απολύτως λογικά τα παρατηρούµενα ποσοστά µείωσης της µέγιστης ισχύος P MPP για την κάθε περίπτωση (περίπου 1/3 και 2/3 αντίστοιχα). Γίνεται έτσι φανερό, ότι σκιάζοντας κάθετα το πλαίσιο, ουσιαστικά αυτό συµπεριφέρεται µε τον ίδιο τρόπο, αλλά σαν να είχε µικρότερες διαστάσεις. Αυτό φαίνεται καλύτερα από το σχήµα 4.43 όπου βλέπουµε ότι το πλαίσιο αποτελείται ουσιαστικά από δυο τεράστια κύτταρα. II) Επίδραση της οριζόντιας σκίασης στη λειτουργία του πλαισίου Στη περίπτωση αυτή, η οριζόντια σκίαση του πλαισίου έγινε κατά το 1/3 της ενεργού επιφάνειάς του όπως φαίνεται στο σχήµα 4.46, ενώ στη συνέχεια σκιάστηκε κατά τα 2/3 αυτής. (α) Σχήµα 4.46: Οριζόντια σκίαση του πλαισίου CIS κατά το 1/3 και τα 2/3 της επιφάνειας αυτού αντίστοιχα (β) Στα σχήµατα 4.47 και 4.48, παρουσιάζονται αντίστοιχα οι I-V και P-V χαρακτηριστικές καµπύλες για τις περιπτώσεις χωρίς καµία σκίαση και για οριζόντια σκίαση κατά το 1/3 και τα 2/3 της ενεργού επιφάνειας του πλαισίου. 74

84 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΣΚΙΑΣΗ CIS 3 Current (A) 2,5 2 1,5 1 ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΑ 1/3 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΑ 2/3 0, Voltage (V) Σχήµα 4.47: Χαρακτηριστικές καµπύλες I-V για την περίπτωση οριζόντιας σκίασης και µη σκίασης του πλαισίου CIS ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΣΚΙΑΣΗ CIS 70 Power (W) Voltage (V) ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΆ 1/3 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΆ 2/3 Σχήµα 4.48: Χαρακτηριστικές καµπύλες P-V για την περίπτωση οριζόντιας σκίασης και µη σκίασης του πλαισίου CIS. Απ τα δυο διαγράµµατα αυτά φαίνεται ξεκάθαρα ότι η επίδραση της οριζόντιας σκίασης στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο CIS όσον αφορά την ισχύ του είναι κατά πολύ µεγαλύτερη απ ότι στη περίπτωση κάθετης σκίασης. 75

85 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Επίσης, οφείλουµε να παρατηρήσουµε ότι η καµπύλη της µέγιστης ισχύος για οριζόντια σκίαση κατά τα 2/3 της επιφάνειας είναι επίσης πολύ µειωµένη σε σχέση µε την αντίστοιχη καµπύλη που παίρνουµε για οριζόντια σκίαση κατά το 1/3. Οι διαφορετικές καµπύλες που προέκυψαν στη περίπτωση οριζόντιας σκίασης εξηγούνται εύκολα, αν αναλογιστούµε την ύπαρξη διόδου παράκαµψης. Οι δίοδοι αυτές χρησιµεύουν τόσο στη προστασία των ηλιακών κυττάρων, όσο και στη συνολική καλύτερη συµπεριφορά του πλαισίου σε συνθήκες σκίασης [13]. Σκιάζοντας το πλαίσιο οριζόντια κατά το 1/3 της επιφάνειάς του (σχήµα 4.46α), θέτουµε σε λειτουργία τη δίοδο παράκαµψης. Η δίοδος εξασφαλίζει ότι όλο το ρεύµα θα περάσει τουλάχιστον από το µη σκιασµένο κύτταρο, χωρίς να επηρεάζεται σε µεγάλο βαθµό η απόδοσή του. Φαίνεται επίσης ότι η τιµή της µέγιστης παραγόµενης ισχύος P MPP µειώνεται περίπου κατά το ήµισυ [14]. Όταν το πλαίσιο σκιάζεται κατά τα 2/3 της ενεργού του επιφάνειας (σχήµα 4.46β), η δίοδος είναι µεν ορθά πολωµένη,αλλά το ρεύµα που ρέει µέσα της είναι ελάχιστο, λόγω της µεγάλης επιφάνειας που καλύπτεται και λόγω του είδους της σκίασης. Έτσι, µε βάση την παραπάνω ανάλυση, τα αποτελέσµατα που φαίνονται στα αντίστοιχα σχήµατα κρίνονται απολύτως δικαιολογηµένα. Στη συνέχεια, για να δείξουµε τα παραπάνω ευρήµατα ποσοτικά, παραθέτουµε ένα πίνακα (Πίνακας 4.3), αντίστοιχο µ αυτόν που παρουσιάστηκε παραπάνω για τη περίπτωση της κάθετης σκίασης. Από τον πίνακα αυτό βλέπουµε ότι η οριζόντια σκίαση κατά το 1/3 της ενεργού επιφάνειας του πλαισίου επηρεάζει ελάχιστα το ρεύµα I SC, αρκετά περισσότερο τη τάση V OC, ενώ έχει ως αποτέλεσµα τη µείωση της µέγιστης αποδιδόµενης ισχύος P MPP περίπου στο µισό της τιµής της. Για τη περίπτωση της σκίασης των 2/3 της επιφάνειας, η αποδιδόµενη ισχύς είναι σχεδόν µηδενική. 76

86 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πίνακας 4.3: Τιµές χαρακτηριστικών παραµέτρων και ποσοστιαίων µεταβολών αυτών φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες οριζόντιας σκίασης του 1/3 και των 2/3 της επιφάνειάς του. Μη σκιασµένο Φ/Β Σκιασµένο Φ/Β κατά το 1/3 Σκιασµένο Φ/Β κατά τα 2/3 Τάση Μεταβολή Ρεύµα Μεταβολή Μέγιστη Μεταβολή V OC τάσης I SC ρεύµατος ισχύς P MPP Ισχύος (V) V OC (%) (A) I SC (%) (W) P MPP (%) Β. Σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία µε αυτή που ακολουθήσαµε και για την περίπτωση του πλαισίου CIS, στην υποενότητα αυτή θα αναλύσουµε το πώς συµπεριφέρεται το πλαίσιο του άµορφου πυριτίου σε καταστάσεις σκίασής του. I) Επίδραση της κάθετης σκίασης στη λειτουργία του πλαισίου Η κάθετη σκίαση του πλαισίου κατά το 1/3 της ενεργού του επιφάνειας έγινε όπως φαίνεται στο σχήµα 4.49, ενώ στη συνέχεια το πλαίσιο σκιάστηκε κατά τα 2/3 αυτής. (α) Σχήµα 4.49: Κάθετη σκίαση του πλαισίου άµορφου πυριτίου κατά το 1/3 και τα 2/3 της επιφάνειας αυτού αντίστοιχα (β) 77

87 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πριν τη πραγµατοποίηση της σκίασης, λήφθηκε µια µέτρηση υπό τις ίδιες συνθήκες θερµοκρασίας και ηλιακής ενέργειας. Το πείραµα στο σύνολό του (δηλαδή οριζόντια και κάθετη σκίαση) διενεργήθη στις 12 Απριλίου του 2010 και ώρα 13:30 υπό σχεδόν σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2 και υπό θερµοκρασία πλαισίου περίπου 50 ο C. Στα σχήµατα 4.50 και 4.51 παρουσιάζονται αντίστοιχα οι I-V και P-V χαρακτηριστικές καµπύλες για τις περιπτώσεις χωρίς καµία σκίαση και για κάθετη σκίαση κατά το 1/3 και 2/3 της ενεργού επιφάνειας του πλαισίου. ΚΑΘΕΤΗ ΣΚΙΑΣΗ a-si 2,5 Current (A) 2 1,5 1 0,5 ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΑ 1/3 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΑ 2/ Voltage (V) Σχήµα 4.50: Χαρακτηριστικές καµπύλες I-V για την περίπτωσης κάθετης σκίασης και µη σκίασης του πλαισίου άµορφου πυριτίου. ΚΑΘΕΤΗ ΣΚΙΑΣΗ a-si 30 Power (W) ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΆ 1/3 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΆ 2/ Voltage (V) Σχήµα 4.51: Χαρακτηριστικές καµπύλες P-V για την περίπτωσης κάθετης σκίασης και µη σκίασης του πλαισίου άµορφου πυριτίου. 78

88 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Παρατηρούµε εύκολα ότι η συµπεριφορά του πλαισίου άµορφου πυριτίου σε συνθήκη κάθετης σκίασης είναι παρόµοια µε αυτή του πλαισίου CIS. Συγκεκριµένα, φαίνεται απ το γράφηµα 4.50 ότι η τιµή του ρεύµατος µειώνεται περίπου κατά το 1/3 της τιµής του όταν το πλαίσιο σκιάζεται κατά το 1/3 της επιφάνειάς του και αντίστοιχα µειώνεται περίπου κατά 2/3 όταν σκιάζεται κατά τα 2/3 αυτής. Την ίδια περίπου µείωση παρατηρούµε και στη περίπτωση της ισχύος σύµφωνα µε το σχήµα Εισάγοντας και στη περίπτωση αυτή ένα αντίστοιχο πίνακα (Πίνακας 4.4), παρουσιάζουµε την παραπάνω ανάλυση ποσοτικά και επιβεβαιώνουµε την ορθότητά της. Συµπεραίνουµε λοιπόν ότι στην περίπτωση της κάθετης σκίασης, τα δυο πλαίσια λεπτού φιλµ συµπεριφέρονται µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Η ποσοστιαία µείωση της µέγιστης παραγόµενης ισχύος είναι ευθέως ανάλογη της σκιαζόµενης επιφάνειας. Πίνακας 4.4: Τιµές χαρακτηριστικών παραµέτρων και ποσοστιαίων µεταβολών αυτών φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες κάθετης σκίασης του 1/3 και 2/3 της επιφάνειάς του Μη σκιασµένο Φ/Β Σκιασµένο Φ/Β κατά το 1/3 Σκιασµένο Φ/Β κατά τα 2/3 Τάση Μεταβολή Ρεύµα Μεταβολή Μέγιστη Μεταβολή Voc τάσης Isc ρεύµατος ισχύς P MPP Ισχύος (V) Voc(%) (A) Isc (%) (W) P MPP (%) Στη συνέχεια, ακολουθώντας την παραπάνω διαδικασία, αναλύουµε την περίπτωση οριζόντιας σκίασης για το ίδιο πλαίσιο. 79

89 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα II) Επίδραση της οριζόντιας σκίασης στη λειτουργία του πλαισίου. Η οριζόντια σκίαση του πλαισίου έγινε αρχικά κατά το 1/3 της ενεργού επιφάνειάς του όπως φαίνεται στο σχήµα 4.52α, ενώ στη συνέχεια σκιάστηκε κατά τα 2/3 αυτής (σχήµα 4.52β). (α) Σχήµα 4.52: Οριζόντια σκίαση του πλαισίου άµορφου πυριτίου κατά το 1/3 και τα 2/3 της επιφάνειας αυτού αντίστοιχα Στη συνέχεια, παρουσιάζονται αντίστοιχα οι I-V και P-V χαρακτηριστικές καµπύλες για τις περιπτώσεις χωρίς καµία σκίαση και για οριζόντια σκίαση κατά το 1/3 και τα 2/3 της (ενεργού) επιφάνειας του πλαισίου. (β) ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΣΚΙΑΣΗ a-si 2,5 2 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΑ 1/3 Current (A) 1,5 1 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΑ 2/3 ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ 0, Voltage (V) Σχήµα 4.53: Χαρακτηριστικές καµπύλες I-V για την περίπτωσης οριζόντιας σκίασης και µη σκίασης του πλαισίου άµορφου πυριτίου. 80

90 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΣΚΙΑΣΗ a-si Power (W) ΧΩΡΙΣ ΣΚΙΑΣΗ ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΆ 1/3 ΣΚΙΑΣΗ ΚΑΤΆ 2/ Voltage (V) Σχήµα 4.54: Χαρακτηριστικές καµπύλες P-V για την περίπτωσης οριζόντιας σκίασης και µη σκίασης του πλαισίου άµορφου πυριτίου. Παρατηρώντας τα παραπάνω γραφήµατα, συµπεραίνουµε ότι και στη περίπτωση της οριζόντιας σκίασης η συµπεριφορά των δύο πλαισίων λεπτού φίλµ που εξετάζουµε είναι παρόµοια. Σκίαση του πλαισίου κατά το 1/3 της επιφάνειάς του προκαλεί µείωση του ρεύµατος 50% περίπου, σκίαση των 2/3 µείωση περίπου 100%, ενώ οι αντίστοιχες µειώσεις της τάσης είναι φανερά µικρότερες (σχήµα 4.53). Οµοίως, απ το σχήµα 4.54 παρατηρούµε µείωση της ισχύος σε ποσοστά αντίστοιχα µ αυτά του ρεύµατος. Ο πίνακας 4.5 δείχνει µε ακρίβεια τις µειωµένες τιµές των ηλεκτρικών ιδιοτήτων, καθώς και ποσοστιαίες µεταβολές που παρατηρήθηκαν. 81

91 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πίνακας 4.5: Τιµές χαρακτηριστικών παραµέτρων και ποσοστιαίων µεταβολών αυτών φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου όταν αυτό λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες οριζόντιας σκίασης κατά το 1/3 και τα 2/3 της επιφάνειάς του. Μη σκιασµένο Φ/Β Σκιασµένο Φ/Β κατά το 1/3 Σκιασµένο Φ/Β κατά τα 2/3 Τάση Μεταβολή Ρεύµα Μεταβολή Μέγιστη Μεταβολή Voc τάσης Isc ρεύµατος ισχύς Ισχύος (V) Voc(%) (A) Isc (%) Pmpp(W) Pmpp (%) Σαν συµπέρασµα µπορούµε να πούµε ότι τα φαινόµενα σκίασης στο σύνολό τους επιδρούν µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο στα πλαίσια τύπων λεπτού φίλµ που αναλύουµε. Αυτό οφείλεται στη δοµή των πλαισίων αυτών, τα οποία στην ουσία αποτελούνται από δύο (περίπτωση CIS) και ένα (περίπτωση άµορφου πυριτίου) µεγάλο κύτταρο και όχι από πολλά µικρότερα συνδεδεµένα µεταξύ τους. 4.7 Υπολογισµός Ετήσιας Ενεργειακής Απόδοσης πλαισίων λεπτών φίλµ Με την ενότητα αυτή, ικανοποιούµε έναν ακόµα σκοπό αυτής της διπλωµατικής εργασίας, που δεν είναι άλλος απ το να προσπαθήσουµε να υπολογίσουµε µε όσο το δυνατό µεγαλύτερη ακρίβεια την ενέργεια που µπορούν να παρέχουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που εξετάζουµε κατά τη διάρκεια ενός ηµερολογιακού έτους. Υπολογίζοντας µε τη µεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια την ετήσια 82

92 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα λαµβανόµενη ισχύ και ενέργεια (τόσο ανά εποχή, όσο και σαν σύνολο), µπορούµε να υπολογίσουµε επακριβώς τον αριθµό των πλαισίων που χρειαζόµαστε για να καλύψουµε ένα απαιτούµενο φορτίο, καθώς και το µέγεθος των υπολοίπων συµπληρωµατικών διατάξεων που θα χρησιµοποιήσουµε σε µια πραγµατική εγκατάσταση (π.χ. µπαταριές). Α. ιαδικασία υπολογισµού Ηµερήσιας και Μηνιαίας Ενεργειακής Απόδοσης. Για να είναι δυνατός ο ακριβέστερος υπολογισµός της συνολικής ενέργειας που µπορούµε να πάρουµε από ένα πλαίσιο, είναι αναγκαίο να γνωρίζουµε τα µετεωρολογικά δεδοµένα της περιοχής που µας αφορά. Για το λόγο αυτό, καθ όλη τη διάρκεια του ηµερολογιακού έτους που πραγµατοποιούνταν οι πειραµατικές µετρήσεις καταγράφαµε τα καιρικά φαινόµενα που επικρατούσαν στη περιοχή της Πάτρας. Συγκεκριµένα, χαρακτηρίζαµε τις µέρες του έτους ως : Ηλιόλουστες, όταν σχεδόν καθ όλη τη διάρκεια της µέρας επικρατούσε ηλιοφάνεια. Άστατες, όταν κατά τη διάρκεια της µέρας υπήρχαν σεβαστά διαστήµατα µε ήλιο, αλλά και διαστήµατα που επικρατούσε ελαφρά ή βαριά συννεφιά. Πολύ Συννεφιασµένες-Βροχερές, όταν σχεδόν καθ όλη τη διάρκεια της µέρας υπήρχε βαριά συννεφιά ή βροχή. Σ αυτό το σηµείο πρέπει να σηµειώσουµε ότι είναι αρκετά δύσκολο να έχουµε σαφή άποψη για τον καιρό µιας περιοχής για µια διάρκεια τόσο µεγάλη όσο ένα έτος. Έτσι, για τις ηµέρες απουσίας µας συµβουλευόµασταν τα µετεωρολογικά δεδοµένα που είχε καταγράψει ο µετεωρολογικός σταθµός Έξω Αγυιάς Πάτρας [15]. Ο σταθµός αυτός καταγράφει τα πλήρη µετεωρολογικά δεδοµένα της περιοχής (πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας σε κλίση 0 ο, θερµοκρασία περιβάλλοντος, ταχύτητα ανέµων κτλ) ανά 5 λεπτά, δηλαδή µε µεγάλη ακρίβεια. Έτσι, γνωρίζοντας επακριβώς την ηλιακή ακτινοβολία για όλη τη διάρκεια της µέρας µπορούσαµε να προσδώσουµε στις µέρες τον καταλληλότερο απ τους 3 παραπάνω χαρακτηρισµούς µε την ελάχιστη δυνατή πιθανότητα λάθους. Είναι επίσης σηµαντικό να αναφέρουµε ότι κατά τη διάρκεια του έτους ήταν αναγκαίο να προσαρµόσουµε τις µετρήσεις που παίρναµε ανά µήνα στα µετεωρολογικά δεδοµένα του µήνα αυτού. Με άλλα λόγια, τους καλοκαιρινούς µήνες παίρναµε µετρήσεις µόνο για ηλιόλουστες ηµέρες (καθώς είναι σπάνιο να «πετύχουµε» άστατη και κυρίως πολύ συννεφιασµένη-βροχερή µέρα). 83

93 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Αντίθετα, τους φθινοπωρινούς και χειµερινούς µήνες παίρναµε µετρήσεις και σε µέρες άστατες ή/και συννεφιασµένες -βροχερές. Όπου αυτό δεν ήταν δυνατό (είτε επειδή κάποια άλλα άτοµα έπαιρναν µετρήσεις εκείνες τις ηµέρες, είτε λόγω άλλων ακαδηµαϊκών υποχρεώσεων όπως οι εξεταστικές περίοδοι), παίρναµε κάποιο ποσοστό της ηλιόλουστης µέρας, το οποίο είχε παρατηρηθεί στην αντίστοιχη µέρα ενός κοντινού µήνα. Στη συνέχεια, πολλαπλασιάζοντας την ηµερήσια ενέργεια που παίρναµε µε τον αντίστοιχο αριθµό των καλών, άστατων και συννεφιασµένων βροχερών ηµερών που είχαµε καταγράψει για το µήνα αυτό, υπολογίζαµε τη µηνιαία ενεργειακή απολαβή για το εκάστοτε πλαίσιο και για όλες τις κλίσεις στις οποίες παίρναµε µετρήσεις. Για να καταστεί η όλη διαδικασία απολύτως κατανοητή κλείνουµε την ενότητα αυτή µ ένα παράδειγµα. Γνωρίζουµε βέβαια ότι η όλη διαδικασία αυτή (όσον αφορά στα ετήσια συνολικά αποτελέσµατα) δεν είναι ερευνητικά απολύτως σωστή. Στα πλαίσια όµως µιας διπλωµατικής εργασίας που σκοπό έχει την εµπέδωση των γνώσεων, την εξοικείωση µε πειραµατικές µετρήσεις και µε υπολογισµούς και ανάλυση των αποτελεσµάτων, θεωρούµε ότι λίγο θα απέχουµε από τα πραγµατικά αποτελέσµατα. Εξ άλλου, ακόµα και αν τα αποτελέσµατα είναι απολύτως σωστά, υπάρχει η διαφορά των καιρικών συνθηκών µεταξύ των ετών που δεν οδηγεί σε απολύτως σωστά αποτελέσµατα. Εκείνο το αποτέλεσµα που θα είναι απολύτως σωστό θα είναι οι αποδιδόµενες kwh/kw καθώς και οι kwh/m 2.ηµέρα για κάθε πλαίσιο. Υπολογισµός της συνολικής λαµβανόµενης ενέργειας του µήνα Μαρτίου για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου Για το µήνα Μάρτιο, καταγράψαµε 15 µέρες ηλιοφάνειας, 6 άστατες και 10 συννεφιασµένες βροχερές. Ήταν φανερή η ανάγκη να λάβουµε µετρήσεις όχι µόνο για ηλιόλουστες µέρες, αλλά και για άστατες και για πολύ συννεφιασµένες. Έτσι, για το µήνα αυτό πήραµε µετρήσεις τέσσερις φορές: δυο για ηλιόλουστες µέρες, µια για συννεφιασµένη και µία για άστατη. Στο παρακάτω διάγραµµα φαίνονται οι καµπύλες της µέγιστης παραγόµενης ισχύος ανά ώρα της ηµέρας για τη κλίση των 30 ο για όλες τις µέρες που πήραµε µετρήσεις µέσα στο µήνα αυτό. 84

94 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Μάρτιος '10 Πλαίσιο a-si Pmpp (W) /3/ /3/ /3/ /3/ hours Σχήµα 4.55: Καµπύλες µέγιστης αποδιδόµενης ισχύος ανά ώρα της ηµέρας για τις τέσσερις ηµέρες που πήραµε µετρήσεις µέσα στο Μάρτιο υπό κλίση πλαισίου 30 ο. Το εµβαδό που περικλείει η κάθε καµπύλη ισοδυναµεί µε την ηµερήσια ενέργεια που παράγει το πλαίσιο. Αυτό υπολογίζεται µε τη µέθοδο των τραπεζίων. Θεωρούµε δηλαδή ότι κάθε σηµείο της καµπύλης που προκύπτει από µέτρηση που έχουµε πάρει συνδέεται µε το επόµενο όχι µε καµπύλη αλλά µε ευθεία γραµµή. Το εµβαδό που περικλείεται από τη κάθε γραµµή είναι έτσι ένα τραπέζιο και ισοδυναµεί µε την ενέργεια που παίρνουµε ανάµεσα σε δυο µετρήσεις. Σύµφωνα µε τον γνωστό τύπο του εµβαδού τραπεζίου Ε= ( Β+β ) υ 2 υπολογίζουµε την ενέργεια που παίρνουµε µεταξύ δυο µετρήσεων (δηλαδή περίπου σε διάστηµα µιας ώρας). Κάνοντας την ίδια διαδικασία για όλες τις µετρήσεις µας και αθροίζοντας τα εµβαδά προκύπτει η ενεργειακή απόδοση µιας ηµέρας. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται αναλυτικά η παραπάνω διαδικασία για τις µετρήσεις που πήραµε στις 2 Μαρτίου και υπό κλίση 30 ο. Η µέρα αυτή ήταν ηλιόλουστη. 85

95 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πίνακας 4.6: Υπολογισµός ηµερήσιας ενεργειακής απολαβής για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου για τη 2 η Μαρτίου υπό κλίση 30 ο Ώρα µέτρησης (δεκαδική µορφή) P MPP (W) Εµβαδά τραπεζίων (Wh) Ενεργειακή απολαβή Wh Επαναλαµβάνοντας την παραπάνω διαδικασία υπολογίζουµε την ενεργειακή απόδοση του πλαισίου για κάθε µέρα που πήραµε µετρήσεις. Στη συνέχεια, πολλαπλασιάζουµε την ενέργεια κάθε µέρας µε το σύνολο των όµοιων ηµερών και προσθέτοντας τα αποτελέσµατα παίρνουµε την ενεργειακή απόδοση του πλαισίου για όλο το µήνα. Επειδή τον µήνα Μάρτιο (όπως σχεδόν και σ όλους τους υπόλοιπους) έχουµε πάρει µέτρηση περισσοτέρων από µιας ηλιόλουστων ηµερών, υπολογίζουµε πρώτα το µέσο όρο της ενέργειας που λαµβάνεται αυτές τις µέρες και κατόπιν πολλαπλασιάζουµε αυτόν µε τον αριθµό των ηλιόλουστων ηµερών του µήνα. Ακολουθώντας την διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω υπολογίζουµε τη συνολική ενεργειακή απόδοση του πλαισίου για το µήνα Μάρτιο. Τα βήµατα που ακολουθήσαµε φαίνονται αναλυτικά στον παρακάτω πίνακα. 86

96 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πίνακας 4.7: Υπολογισµός της µηνιαίας ενεργειακής απολαβής για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου για το µήνα Μάρτιο και για κλίση 30 ο. Μέρα µετρήσεων 2/3 (ηλιόλ.) 16/3 (ηλιόλ.) 12/3(άστατη) 23/3 (πολύ συννεφ.) Ηµερήσια ενέργεια (Wh) Μ.Ο. ίδιων ηµερών (Wh) = ( ) / 2 = Ενέργεια ίδιων ηµερών (Wh) =200.95*15 = =99.59* 6 = = *10 = Μηνιαία ενέργεια (Wh) = = Wh Β. Ετήσια ενεργειακή απόδοση και σύγκριση αποτελεσµάτων. Επαναλαµβάνοντας το σύνολο της διαδικασίας που περιγράφηκε στην παράγραφο 4.7Α για όλους τους µήνες του έτους, για όλες τις κλίσεις τοποθέτησης και φυσικά και για τα δύο πλαίσια καταλήγουµε στους πίνακες 4.8 και

97 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πίνακας 4.8: Μηνιαίες ενεργειακές απολαβές (σε Wh) του πλαισίου άµορφου πυριτίου για διάστηµα ενός έτους και για όλες τις κλίσεις τοποθέτησής του. ΚΛΙΣΗ ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΚΛΙΣΗ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ ΕΚΕΜΒΡΙΟΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ Πίνακας 4.9: Μηνιαίες ενεργειακές απολαβές (σε Wh) του πλαισίου CIS για διάστηµα ενός έτους και για όλες τις κλίσεις τοποθέτησής του. ΚΛΙΣΗ ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΚΛΙΣΗ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ ΕΚΕΜΒΡΙΟΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ Στους παραπάνω πίνακες, διακρίνονται µε έντονα γράµµατα οι µέγιστες µηνιαίες ενεργειακές απολαβές. Τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται στους παραπάνω πίνακες φαίνονται καλύτερα στα ιστογράµµατα των σχηµάτων 4.56 και

98 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ a-si ΑΝΑ ΜΗΝΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (Wh) deg 50 deg 40 deg 30 deg 20 deg ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ ΕΚΕΜΒΡΙΟΣ ΜΗΝΕΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ Σχήµα 4.56: Ενεργειακή απόδοση πλαισίου άµορφου πυριτίου για κάθε µήνα του έτους και για διάφορες κλίσεις τοποθέτησής του ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ CIS ΑΝΑ ΜΗΝΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (Wh) deg 45 deg 30 deg ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ ΕΚΕΜΒΡΙΟΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΗΝΕΣ Σχήµα 4.57: Ενεργειακή απόδοση πλαισίου CIS για κάθε µήνα του έτους και για διάφορες κλίσεις τοποθέτησής του 89

99 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Η ετήσια ενεργειακή απόδοση του κάθε πλαισίου µεγιστοποιείται, όπως είναι λογικό, όταν αυτό τοποθετείται κάθε µήνα στην πιο αποδοτική κλίση. Κάτι τέτοιο όµως δεν είναι εύκολο να γίνει για µια εγκατάσταση, ειδικά όταν έχουµε ένα µεγάλο αριθµό φωτοβολταϊκών πάνελ. Επιπλέον, η αλλαγή κλίσης ανά µήνα προϋποθέτει ότι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (ή πάνελ) βρίσκονται σε τέτοια απόσταση µεταξύ τους ώστε να µη σκιάζει το ένα το άλλο σε καµία απ τις διάφορες κλίσεις τοποθέτησής τους. ιαφορετικά, η συνολική ενεργειακή τους απόδοση θα είναι κατά πολύ µειωµένη. Συνήθως τοποθετούµε τα πλαίσια σε δυο διαφορετικές κλίσεις στη διάρκεια ενός ηµερολογιακού έτους, επιλέγουµε δηλαδή µια κλίση για τη χειµερινή και µια για τη θερινή περίοδο. Αρκετές φορές εκλέγουµε µία κλίση τοποθέτησης για όλο το χρόνο, ενώ λίγες είναι φορές που αλλάζουµε κλίση τοποθέτησης ανά εποχή. Στη συνέχεια, θα υπολογίσουµε για τους δυο τύπους πλαισίων που εξετάζουµε τις ενεργειακές µας απολαβές για κάθε περίπτωση και θα συγκρίνουµε τα αποτελέσµατα. I) Υπολογισµός ετήσιας απόδοσης για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου Όπως ειπώθηκε και παραπάνω, αλλάζοντας κλίση τοποθέτησης κάθε µήνα µεγιστοποιούµε τις ενεργειακές µας απολαβές. Με βάση τον πίνακα 4.8 και αθροίζοντας τις µέγιστες τιµές αυτών (ανεξαρτήτως κλίσης) υπολογίζουµε : Ε max = Ε ΜΑΙ,max + Ε ΙΟΥΝ,max +..+ Ε ΑΠΡ,max = Wh = kwh Στη συνέχεια υπολογίζουµε τις ενεργειακές µας απολαβές στις υπόλοιπες περιπτώσεις: 1. Για επιλογή µιας κλίσης για όλο το έτος, προσθέτουµε τις ενέργειες που λαµβάνουµε κάθε µήνα στην ίδια κλίση. Έτσι, προκύπτει ο πίνακας 4.10, ο οποίος µας δείχνει ότι σαν κλίση για όλο το έτος πρέπει να επιλέξουµε αυτή των 30 ο. Πίνακας 4.10: Υπολογισµός ετήσιας ενεργειακής απόδοσης του πλαισίου άµορφου πυριτίου για την περίπτωση εκλογής µιας κλίσης τοποθέτησής του για όλο το έτος ΚΛΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (Wh)

100 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Το αντίστοιχο ποσοστό µείωσης της ενεργειακής απόδοσης ως προς αυτό που θα λαµβανόταν αν για κάθε µήνα το πλαίσιο βρισκόταν στη βέλτιστη κλίση του µήνα είναι 4.6 %. 2. Αν θέλουµε να επιλέξουµε δυο κλίσεις, µια για χειµερινή και µία για θερινή περίοδο, εργαζόµαστε ως εξής: Πρώτα, επιλέγουµε τη βέλτιστη κλίση για την καλοκαιρινή περίοδο. Από το σχήµα 4.56 βλέπουµε ότι για τους µήνες Μάιο-Αύγουστο βέλτιστη κλίση είναι αυτή των 20 ο, για τον Απρίλιο αυτή των 30 ο (πολύ κοντά στις 20 ο ) ενώ για τους µήνες Μάρτιο και Σεπτέµβρη αυτή των 40 ο. Επιλέγουµε λοιπόν η καλοκαιρινή περίοδος ν αποτελείται από τους µήνες Απρίλιο-Αύγουστο (µε κλίση 20 ο ), ενώ οι υπόλοιποι µήνες αποτελούν τη χειµερινή περίοδο και η βέλτιστη κλίση της περιόδου προκύπτει αφού προσθέσουµε τις ενεργειακές απολαβές µας για τους µήνες αυτούς (για κάθε κλίση τοποθέτησης). Στη συνέχεια προσθέτουµε τις ενεργειακές απολαβές των δυο περιόδων. Απ τον πίνακα που ακολουθεί, φαίνεται ότι για τη χειµερινή περίοδο επιλέγουµε κλίση 50 ο, ενώ για τη θερινή περίοδο κλίση 20 ο. Πίνακας 4.11: Υπολογισµός ετήσιας ενεργειακής απόδοσης του πλαισίου άµορφου πυριτίου για την περίπτωση εκλογής µιας κλίσης τοποθέτησής του για την καλοκαιρινή περίοδο και µιας κλίσης για τη χειµερινή περίοδο ΚΑΛΟΚΑΙΡΙΝΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ ΧΕΙΜΕΡΙΝΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ ΚΛΙΣΗ ΑΠΡΙΛΙΟΣ-ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΜΑΡΤΙΟΣ (Wh) (Wh) Αθροίζοντας τις βέλτιστες ενεργειακές αποδόσεις των δυο περιόδων, υπολογίζουµε ότι οι απολαβές µας ανέρχονται σε Wh = kwh, µειωµένες σε σχέση µε τις µέγιστες δυνατές κατά µόλις 0.5%. 91

101 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα 3. Αν θέλουµε να επιλέξουµε τέσσερις διαφορετικές κλίσεις, µια για κάθε εποχή του έτους, προσθέτουµε (για την ίδια κλίση) τις ενέργειες των µηνών της κάθε εποχής, εκλέγουµε τη βέλτιστη κλίση που προκύπτει για κάθε εποχή και στη συνέχεια προσθέτουµε τις ενεργειακές απολαβές των εποχών. Απ τον πίνακα 4.12 που ακολουθεί φαίνεται ότι για το Καλοκαίρι επιλέγουµε κλίση 20 ο, για το Φθινόπωρο κλίση 50 ο, για το Χειµώνα κλίση 40 ο, για την Άνοιξη κλίση 30 ο. Αθροίζοντας τις τέσσερις βέλτιστες ενεργειακές αποδόσεις των εποχών αυτών, υπολογίζουµε ότι σε αυτή τη περίπτωση λαµβάνουµε Wh = kwh, που αντιστοιχούν σε µείωση κατά 1% ως προς τις µέγιστες δυνατές απολαβές. Πίνακας 4.12: Ενεργειακές αποδόσεις του πλαισίου άµορφου πυριτίου ανά εποχή του έτους (σε Wh) ΚΛΙΣΗ ΚΑΛΟΚΑΙΡΙ ΦΘΙΝΟΠΩΡΟ ΧΕΙΜΩΝΑΣ (deg) ΑΝΟΙΞΗ Με βάση τους παραπάνω υπολογισµούς µας δίνεται η δυνατότητα να κάνουµε κάποιες πολύ ενδιαφέρουσες παρατηρήσεις. Η αλλαγή της κλίσης τοποθέτησης του πλαισίου για κάθε µήνα, µας προσφέρει σε διάστηµα ενός έτους, περίπου 1000 Wh, ή αλλιώς 1kWh παραπάνω ενέργεια από την περίπτωση που επιλέξουµε κλίση 30 ο, ποσότητα που αντιστοιχεί σε ποσοστό µόλις 5%. Εξαιρώντας την περίπτωση επιλογής 12 διαφορετικών κλίσεων, συµπεραίνουµε ότι καλύτερη λύση είναι να επιλέξουµε µία κλίση για τη χειµερινή περίοδο και µία για την καλοκαιρινή. 92

102 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Οφείλουµε να σχολιάσουµε ότι σαν βέλτιστη κλίση για το χειµώνα προέκυψε αυτή των 40 ο και για τη χειµερινή περίοδο αυτή των 50 ο, αντί για τη κλίση των 60 ο, η οποία είναι η κλίση που είχαµε επιλέξει σαν βέλτιστη στην ενότητα 4.4. Το γεγονός αυτό µπορεί να εξηγηθεί απ τα καταγεγραµµένα µετεωρολογικά δεδοµένα της περιόδου αυτής. Συγκεκριµένα, για το µήνα εκέµβριο καταγράψαµε 6 ηλιόλουστες ηµέρες, ενώ για το µήνα Ιανουάριο µόλις 4. Με δεδοµένο ότι η συνολική πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας σε χαµηλές κλίσεις είναι µεγαλύτερη στη διάρκεια των συννεφιασµένων ηµερών λόγω αυξηµένης διάχυτης ακτινοβολίας και µε δεδοµένο ότι σ αυτούς τους δυο µήνες η πλειοψηφία των ηµερών ήταν συννεφιασµένες, το αποτέλεσµα µπορεί να κριθεί λογικό. Επειδή όµως στην περιοχή της Πάτρας αλλά και γενικότερα στην Ελλάδα δεν επικρατούν κάθε Χειµώνα τέτοια καιρικά φαινόµενα, θα µπορούσαµε να επιλέξουµε σαν βέλτιστη κλίση και τις 60 ο. II) Υπολογισµός ετήσιας απόδοσης για το CIS Στη παράγραφο αυτή παρουσιάζονται συνοπτικά υπολογισµοί αντίστοιχοι µε αυτούς που έγιναν για το πλαίσιο a-si και για το πλαίσιο CIS. Αρχικά, υπολογίζουµε τη µέγιστη δυνατή ενεργειακή απόδοση, που αντιστοιχεί βεβαίως σε αλλαγή κλίσης τοποθέτησης για κάθε µήνα. Απ τον πίνακα 4.9 παίρνουµε για τις µέγιστες τιµές κάθε µήνα: Ε max = Ε ΜΑΙ,max + Ε ΙΟΥΝ,max +..+ Ε ΑΠΡ,max = 132,846 Wh = kwh. Κατόπιν, υπολογίζουµε τις ενεργειακές µας απολαβές για τις υπόλοιπες τρεις περιπτώσεις µε βάση τους παρακάτω πίνακες. Πίνακας 4.13: Ετήσια ενεργειακή απόδοση πλαισίου CIS για µία κλίση τοποθέτησης για όλο το χρόνο. ΚΛΙΣΗ (deg) ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh)

103 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Πίνακας 4.14: Ενεργειακή απόδοση πλαισίου CIS για δύο κλίσεις τοποθέτησης για όλο το χρόνο. ΚΑΛΟΚΑΙΡΙΝΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ ΧΕΙΜΕΡΙΝΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ ΚΛΙΣΗ (deg) ΑΠΡΙΛΙΟΣ - ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ (kwh) (kwh) Πίνακας 4.15: Ενεργειακή απόδοση πλαισίου CIS για τέσσερις κλίσεις τοποθέτησης (µία ανά εποχή). ΚΛΙΣΗ (deg) ΚΑΛΟΚΑΙΡΙ ΦΘΙΝΟΠΩΡΟ ΧΕΙΜΩΝΑΣ ΑΝΟΙΞΗ (kwh) (kwh) (kwh) (kwh) Έχουµε λοιπόν τις εξής περιπτώσεις: 1. Αν επιλέξουµε µία κλίση για όλη τη διάρκεια του έτους, τότε επιλέγουµε τις 30 ο, όπου το ποσοστό µείωσης των ενεργειακών µας απολαβών σε σχέση µε τις µέγιστες δυνατές είναι 2.5 %. 2. Αν επιλέξουµε δυο κλίσεις τοποθέτησης, τότε επιλέγουµε τις 30 ο για τη καλοκαιρινή περίοδο και τις 45 ο για τη χειµερινή. Έτσι λαµβάνουµε =132.3 kwh, ενώ το αντίστοιχο ποσοστό µείωσης είναι 0.04%. 3. Αν επιλέξουµε µία κλίση ανά εποχή, τότε επιλέγουµε τις 30 ο για το Καλοκαίρι, τις 45 ο για το Φθινόπωρο,τις 60 ο για το Χειµώνα και τις 30 ο για την Άνοιξη. Οι συνολικές ενεργειακές µας απολαβές ανέρχονται σε αυτή τη περίπτωση σε =131,908.5 Wh= kwh, ενώ το αντίστοιχο ποσοστό µείωσης είναι 0.7%. 94

104 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Με βάση τους πίνακες και τους πιο πάνω υπολογισµούς παρατηρούµε ότι: Σαν βέλτιστη κλίση για τη χειµερινή περίοδο προέκυψαν οι 45 ο, ελαφρώς καλύτερες από τις 60 ο.το γεγονός αυτό εξηγείται όπως και στη περίπτωση του άµορφου πυριτίου από τα µετεωρολογικά δεδοµένα κυρίως των µηνών εκεµβρίου και Ιανουαρίου. Σαν βέλτιστη λύση για την αποφυγή αλλαγής κλίσης για κάθε µήνα προτείνεται ο καθορισµός µιας βέλτιστης κλίσης για τη χειµερινή και µίας για την καλοκαιρινή περίοδο. III) Υπολογισµός ετήσιας απόδοσης σε kwh/kwp και kwh/m 2 και σύγκριση των πλαισίων λεπτού φίλµ. Όπως είδαµε παραπάνω, ο υπολογισµός της ετήσιας ενεργειακής απόδοσης είναι µια αρκετά περίπλοκη διαδικασία, η οποία έχει νόηµα µόνο για το έτος που έγιναν οι µετρήσεις. Το γεγονός ότι οι πειραµατικές µετρήσεις έγιναν για διαφορετικές κλίσεις στα δυο πλαίσια σε κάποια σηµεία µπέρδεψαν τα παραγόµενα αποτελέσµατα, µιας και η βέλτιστη κλίση για κάποιο µήνα ή για κάποιο περίοδο του έτους του ενός πλαισίου προέκυψε διαφορετική απ ότι στο άλλο πλαίσιο. Επίσης, η διαφορετικότητα στα µεγέθη των ονοµαστικών στοιχείων των 2 πλαισίων συνετέλεσε στο ίδιο αποτέλεσµα. Για να µπορέσουµε να συγκρίνουµε τους δυο τύπους πλαισίων που µελετήσαµε, θα υπολογίζουµε σ αυτή τη παράγραφο τους συντελεστές kwh/kwp και kwh/m 2 για τα δυο πλαίσια, στη περίπτωση επιλογής της βέλτιστης κλίσης για όλο το έτος, δηλαδή των 30 ο. Ο Πίνακας 4.16 παρουσιάζει τα αποτελέσµατα που προέκυψαν. Πίνακας 4.16: Υπολογισµός των συντελεστών kwh/kwp και kwh/m 2 για τους 2 τύπους πλαισίων και για σταθερή κλίση αυτών 30 ο για όλο το χρόνο a-si CIS kwh / kwp kwh / m / = / 0.57 = = 1715 = / = / 0.82 = = =

105 Κεφάλαιο 4 Πειραµατική διάταξη, πειραµατικές µετρήσεις και αποτελέσµατα Παρατηρώντας τον παραπάνω Πίνακα, βλέπουµε ότι ενώ οι συντελεστές kwh/kwp είναι περίπου ίσοι, οι συντελεστές kwh/m 2 των δυο πλαισίων διαφέρουν σηµαντικά. Συγκεκριµένα, υπολογίζουµε ότι το πλαίσιο CIS αποδίδει 68% περισσότερη ενέργεια ανά τετραγωνικό µέτρο φωτοβολταϊκής επιφάνειας, απ ότι το πλαίσιο άµορφου πυριτίου. Συνεπώς, εάν µας ενδιαφέρει η εξοικονόµηση έκτασης για µια ενδεχόµενη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση, είναι προφανές ότι το πλαίσιο CIS υπερτερεί. Αντίθετα, εάν δεν υπάρχει χωρικός περιορισµός, προτιµάται το πλαίσιο άµορφου πυριτίου, µιας και αποφέρει ίδια ενέργεια ανά kw εγκατεστηµένης ισχύος µε το πλαίσιο CIS και παράλληλα (όπως είδαµε σε παραπάνω ενότητες) επηρεάζεται λιγότερο από τις µεταβολές της θερµοκρασίας. Ωστόσο, χρειάζεται επιβεβαίωση του κατασκευαστή ότι δεν θα υφίσταται αισθητή υποβάθµιση της απόδοσής του µε την πάροδο του χρόνου. 96

106 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Εισαγωγή Σε µια προσπάθεια να συγκρίνουµε τα πειραµατικά αποτελέσµατα που πετύχαµε για τους δυο τύπους πλαισίων που εξετάζουµε, θεωρήθηκε αναγκαίο να εξοµοιώσουµε τη την πειραµατική διάταξη και τη λειτουργία της µέσω υπολογιστή. Η εξοµοίωση αυτή έγινε µε το πρόγραµµα PV*sol, το οποίο δίνει τη δυνατότητα σχεδίασης ολοκληρωµένων αυτόνοµων και συνδεδεµένων µε το δίκτυο συστηµάτων, µε βάση τις µετεωρολογικές συνθήκες που χαρακτηρίζουν την περιοχή εγκατάστασης του φωτοβολταϊκού συστήµατος. 5.1 Περιγραφή του προγράµµατος και τεχνικά χαρακτηριστικά Το πρόγραµµα PV*sol βασίζει τη λειτουργία του στη µεγάλη βάση δεδοµένων (database) που διαθέτει για οτιδήποτε µπορεί να χρειαστεί σ ένα φωτοβολταϊκό σύστηµα. Αρχικά, διαθέτει βάση δεδοµένων µε τις µετεωρολογικές συνθήκες που επικρατούν σε πολλές πόλεις ολόκληρου του κόσµου (και φυσικά της Ελλάδος) βασισµένες σε καταγραφές που έχουν γίνει σ αυτές την εικοσαετία Στο σχήµα 5.1 φαίνονται τα µετεωρολογικά δεδοµένα µερικών ελληνικών πόλεων (συµπεριλαµβανοµένης και της Πάτρας). 97

107 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος Σχήµα 5.1: Πίνακας µετεωρολογικών δεδοµένων πόλεων της Ελλάδος που περιέχονται στη βάση δεδοµένων του προγράµµατος PV*sol Όπως φαίνεται από το διάγραµµα 5.1, ο πίνακας αυτός περιλαµβάνει για κάθε πόλη της Ελλάδος το Γεωγραφικό Μήκος και Πλάτος στο οποίο βρίσκεται, τη µέση ετήσια ακτινοβολία που δέχεται καθώς και τη µέση θερµοκρασία περιβάλλοντος. Εκτός όµως από τα µετεωρολογικά δεδοµένα, το πρόγραµµα διαθέτει βάση δεδοµένων και για όλα τα µηχανικά µέρη που µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε στο σύστηµα που θέλουµε να σχεδιάσουµε. ιαθέτει δηλαδή µια µεγάλη γκάµα από φωτοβολταϊκά πάνελ, µπαταρίες, µετατροπείς (inverters) και trackers τα οποία κατασκευάζονται και κυκλοφορούν στην αγορά από τις πιο σηµαντικές εταιρείες του κόσµου. Παράλληλα όµως, µας δίνει τη δυνατότητα να εµπλουτίσουµε τη βάση δεδοµένων µε τα µηχανικά µέρη της αρεσκείας µας. Μπορούµε δηλαδή να εισάγουµε για παράδειγµα φωτοβολταϊκά πλαίσια µε τα χαρακτηριστικά που εµείς θέλουµε. Αυτή τη δυνατότητα του προγράµµατος εκµεταλλευτήκαµε στην περίπτωση µας, µιας και τα πλαίσια που διαθέτουµε δεν κυκλοφορούν πλέον στην αγορά και το πρόγραµµα δεν τα περιλαµβάνει στη βάση δεδοµένων του. 98

108 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος Όπως είπαµε, έχουµε τη δυνατότητα εισαγωγής του τύπου πλαισίου που µας ενδιαφέρει, των ονοµαστικών µεγεθών (υπό πρότυπες συνθήκες), καθώς επίσης και της επί τις εκατό απόκλισης της ονοµαστικής παραγόµενης ισχύος του, των διαστάσεων του, και τέλος του αριθµού των κυττάρων και των διόδων διελεύσεως (By-pass diodes) που το αποτελούν. Εισάγοντας τα ονοµαστικά χαρακτηριστικά του πλαισίου υπό πρότυπες συνθήκες, το πρόγραµµα υπολογίζει παράλληλα τον παράγοντα πλήρωσης (FF) και την απόδοση του πλαισίου σ αυτή την περίπτωση. Το πρόγραµµα υπολογίζει επίσης τα χαρακτηριστικά του πλαισίου στην περίπτωση που υπάρχει φορτίο µε βάση τα χαρακτηριστικά που εισάγαµε, ενώ παράλληλα µας δίνει τη δυνατότητα σχεδίασης των χαρακτηριστικών καµπυλών I-V και P-V, καθώς και της καµπύλης της µέσης ηµερήσιας απόδοσης για κάθε µέρα του έτους [16].Στα σχήµατα 5.2 α-β και 5.3 α-β φαίνονται οι χαρακτηριστικές καµπύλες I-V και P-V των πλαισίων που εξετάσαµε. Τέλος, εισάγουµε άλλα τεχνικά δεδοµένα, όπως το επίπεδο απορρόφησης (%) ηλιακής ακτινοβολίας που µας προσφέρει το πλαίσιο, την επί τις εκατό µεταβολή των παραµέτρων του ανά ο Κ και το βάρος του πλαισίου. Θα πρέπει να τονίσουµε σ αυτό το σηµείο ότι για το πλαίσιο CIS δεν µας δόθηκε η δυνατότητα να εισάγουµε τα στοιχεία που αναφέραµε τελευταία, µιας και ο κατασκευαστής δεν παραθέτει τα στοιχεία αυτά. 99

109 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος (α) (β) Σχήµατα 5.2 α,β Χαρακτηριστικές I-V και P-V καµπύλες για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου υπό πρότυπες συνθήκες. 100

110 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος (α) (β) Σχήµατα 5.3 α,β Χαρακτηριστικές I-V και P-V καµπύλες για το πλαίσιο CIS υπό πρότυπες συνθήκες. 101

111 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος 5.2 Μελέτη του συστήµατος ίνεται η δυνατότητα, µέσω του χρησιµοποιούµενου λογισµικού, να εξετάζεται η λειτουργία του συστήµατος το πολύ για τέσσερις συνεχόµενες µέρες για οποιονδήποτε µήνα ζητηθεί. [16]. Η επιλογή αυτή είναι ιδιαίτερα χρήσιµη, όταν ο µηχανικός καλείται να αποφανθεί για τον αριθµό και το µέγεθος των µπαταριών που θα χρησιµοποιήσει, µιας και συνήθως στη σχεδίαση ενός συστήµατος λαµβάνεται ως χείριστη περίπτωση η ύπαρξη βροχερού καιρού για τέσσερις συνεχόµενες µέρες (περίπτωση επιλογής σχεδίασης αυτόνοµου συστήµατος). Μπορούµε να εισάγουµε την περιοχή (και µετεωρολογικά δεδοµένα αυτής, όπως είδαµε στο Σχήµα 5.1) στην οποία πρόκειται να εγκατασταθεί το σύστηµά µας. Στη συνέχεια, επιλέγονται τα κύρια µηχανικά µέρη που θα χρησιµοποιηθούν, δηλαδή αν το φωτοβολταϊκό σύστηµα θα καθοδηγείται από κάποιου είδους tracker ή αν συνδέεται κατευθείαν µε τη συστοιχία µπαταριών, ο αριθµός των trackers (ένα για όλο το σύστηµα ή ένα για κάθε πλαίσιο), το είδος του µετατροπέα που θα χρησιµοποιηθεί (DC ή AC) και τέλος η επιλέγεται το πλήθος των στοιχείων που ζητάει το πρόγραµµα και αφορούν τη φωτοβολταϊκή συστοιχία. Στη συνέχεια, καθορίζουµε το µοντέλο του ΜΡΡ tracker (από τη βάση δεδοµένων) και το πώς αυτό βελτιστοποιεί τη λειτουργία του συστήµατος. Στην περίπτωσή µας, εισάγουµε αζιµούθια γωνία ίση µε 0 ο (προσανατολισµό προς Νότο), γωνία κλίσης πλαισίου ίση µε 30 ο και ο ΜΡΡ tracker φροντίζει µόνο να λειτουργεί το σύστηµα στο σηµείο µέγιστης απόδοσης της I-V χαρακτηριστικής. Επιπλέον, εισάγουµε τον τύπο και το µέγεθος των µπαταριών που θα χρησιµοποιήσουµε, τον τύπο και τα ονοµαστικά χαρακτηριστικά του µετατροπέα (DC inverter) καθώς και το µέγεθος του φορτίου που θέλουµε να καλύψουµε. Επειδή στη συγκεκριµένη µελέτη, µας αφορά αποκλειστικά η ενεργειακή απόδοση του φωτοβολταϊκού πλαισίου και όχι ενός ολοκληρωµένου συστήµατος αποφύγαµε (όπου ήταν αυτό δυνατό) την εισαγωγή των στοιχείων αυτών, ενώ όπου το πρόγραµµα δε µας έδινε αυτή τη δυνατότητα (µέγεθος µπαταριών) εισάγαµε τις ελάχιστες δυνατές τιµές και κρίθηκε σκόπιµο η διαδικασία αυτή να µην παρουσιαστεί. Τέλος, το πρόγραµµα δίνει επίσης τη δυνατότητα να προχωρήσουµε στην οικονοµική µελέτη ενός ολοκληρωµένου συστήµατος, εισάγοντας διάφορα οικονοµικά στοιχεία όπως το κόστος του φωτοβολταϊκού συστήµατος, το κόστος του φορτίου που θέλουµε να καλύψουµε (αν αυτό καλυπτόταν από το δίκτυο της.ε.η.), την τιµή της kwh (σε περίπτωση µη αυτόνοµου 102

112 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος συστήµατος, οπότε και δίνουµε ενέργεια στο δίκτυο) κ.ά [16]. Προφανώς αυτά τα στοιχεία είναι εκτός της µελέτης αυτής. Έχοντας επιλέξει πλέον όλα τα απαιτούµενα στοιχεία του συστήµατός µας, στο σχήµα 5.4 φαίνονται, η φωτοβολταϊκή συστοιχία και τα κύρια στοιχεία της (τύπος και αριθµός των πλαισίων, προσανατολισµός και κλίση τοποθέτησης όπως έχουν καθοριστεί από τον τύπο του ΜΡΡ tracker που εισάγαµε), το είδος του µετατροπέα (εδώ DC-DC διότι δεν είχαµε τη δυνατότητα να µην εισάγουµε µετατροπέα), το µέγεθος και ο τύπος των µπαταριών, ενώ στο κάτω µέρος του γραφήµατος παριστάνεται το φορτίο και οι ενεργειακές απαιτήσεις του. Σχήµα 5.4: Σχεδιαγραµµατική απεικόνιση του υπό µελέτη συστήµατος 103

113 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος 5.3 Αποτελέσµατα µοντελοποίησης και συµπεράσµατα Έχοντας εισάγει όλα τα απαραίτητα στοιχεία, όπως αυτά παρουσιάστηκαν στην παραπάνω ενότητα, προχωράµε στην µοντελοποίηση του συστήµατος, Το πρόγραµµα, αφού «τρέξει» για λίγα δευτερόλεπτα, µας εµφανίζει στην οθόνη ένα «παράθυρο» επιλογών, σαν αυτό που παρουσιάζεται στο σχήµα 5.5. Σχήµα 5.5: Φύλλο εµφάνισης αποτελεσµάτων της µοντελοποίησης του φωτοβολταϊκού συστήµατος που κατασκευάστηκε. Όπως φαίνεται από το παραπάνω διάγραµµα, το πρόγραµµα µας καλεί να επιλέξουµε τα αποτελέσµατα της µοντελοποίησης που µας ενδιαφέρουν. ίνεται η δυνατότητα εµφάνισης α) της αναφοράς των κύριων αποτελεσµάτων του συστήµατος που σχεδιάσαµε, β) της οικονοµικής απόδοσής του σύµφωνα µε τα οικονοµικά δεδοµένα που εισάγαµε, γ) του ετήσιου ενεργειακού ισοζυγίου που µας αποδίδει και δ) διαφόρων γραφικών απεικονίσεων καθ όλη τη διάρκεια του έτους.στα σχήµατα 5.6 α) και β), απεικονίζονται οι αναφορές των κυρίων αποτελεσµάτων του συστήµατος για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και CIS αντίστοιχα. 104

114 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος (α) (β) Σχήµατα 5.6 α,β: Φύλλα αναφοράς των κυριότερων αποτελεσµάτων του σχεδιασµένου συστήµατος για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και του πλαισίου CIS αντίστοιχα. 105

115 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος Στα παραπάνω διαγράµµατα εµφανίζονται τα κυριότερα αποτελέσµατα της µοντελοποίησης, όπως η ετήσια ενεργειακή απόδοση των δυο πλαισίων (46.73 kwh για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και kwh για το CIS), η µέση ετήσια απόδοσή τους (5.6% για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και 7.5% για το πλαίσιο CIS), η ετήσια ηλιακή ενέργεια που δέχονται ( kwh για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και kwh για το CIS). Επίσης παρουσιάζονται τα συνολικά αποτελέσµατα που αφορούν το σύνολο της εγκατάστασης (η ενέργεια που µετατρέπεται µέσω του DC-DC µετατροπέα, η απόδοση του συστήµατος), ενώ τα στοιχεία που φαίνονται µηδενικά δεν ήταν δυνατό να υπολογιστούν λόγω ελλείψεως δεδοµένων από τον κατασκευαστή. Στη συνέχεια, δηµιουργήσαµε µε τη βοήθεια του προγράµµατος τα γραφήµατα 5.7 α) και β), στα οποία δίνεται η µηνιαία ενεργειακή µας απολαβή για τους δυο τύπους πλαισίων και τα γραφήµατα 5.8 α) και β), στα οποία εµφανίζονται τα γραφήµατα της θερµοκρασίας περιβάλλοντος, της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, της ενεργειακής απόδοσης του πλαισίου και της απόδοσης του συστήµατος για κάθε µέρα του έτους. 106

116 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος (α) (β) Σχήµα 5.7 α,β: Μηνιαία ενεργειακή απόδοση των πλαισίων άµορφου πυριτίου και CIS αντίστοιχα. 107

117 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος (α) Σχήµατα 5.8 α,β: Καµπύλες της θερµοκρασίας περιβάλλοντος,της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, της ενεργειακής απόδοσης και της απόδοσης του συστήµατος για κάθε µέρα του έτους των πλαισίων άµορφου πυριτίου και CIS αντίστοιχα. (β) 108

118 Κεφάλαιο 5 Μοντελοποίηση συστήµατος Αναλύοντας τα εξαχθέντα αποτελέσµατα, παρατηρούµε ότι η ενεργειακή απολαβή για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου είναι πολύ κοντά σ αυτή που προσδιορίσαµε από τις πειραµατικές µετρήσεις (κεφάλαιο 4), ενώ στη περίπτωση του πλαισίου CIS υπάρχει µια σηµαντική απόκλιση της τάξης του 30%. Η απόκλιση αυτή οφείλεται προφανώς στο γεγονός ότι δεν ήταν δυνατό για το πλαίσιο CIS να εισάγουµε (όπως προείπαµε) κάποια ονοµαστικά στοιχεία του υπό µελέτη πλαισίου, διότι αυτά δεν παρέχονταν από τον κατασκευαστή. Στην περίπτωση αυτή, απλώς εισάγαµε τις τιµές που πρότεινε το πρόγραµµα. Στη συνέχεια, θέλοντας να συγκρίνουµε τα εξαγόµενα αποτελέσµατα τόσο µεταξύ τους, όσο και µε τ αντίστοιχα των πειραµατικών µετρήσεων, δηµιουργούµε τον Πίνακα 5.1 (όµοιο του Πίνακα 4.15), στον οποίο υπολογίζουµε τους συντελεστές kwh/kwp και kwh/m 2 για τους 2 τύπους πλαισίων. Πίνακας Υπολογισµός των συντελεστών kwh/kwp και kwh/m 2 για τους 2 τύπους πλαισίων και για σταθερή κλίση 30 ο για όλο το χρόνο µε το πρόγραµµα PVsol a-si CIS kwh / kwp kwh / m / = / 0.57 = = 1460 = / = / 0.82 = = 1345 = Η παρατήρησή µας ότι τα αποτελέσµατα για το πλαίσιο CIS δεν είναι απολύτως ακριβή µε τη βοήθεια του PV*sol επιβεβαιώνεται από τον παραπάνω Πίνακα. Βλέπουµε ότι σε αντίθεση µε τα αποτελέσµατα των πειραµατικών µετρήσεων, ο συντελεστής kwh/kwp είναι µεγαλύτερος για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου (και όχι εφάµιλλος), ενώ παρατηρείται και µία µείωση του ποσοστού υπεροχής του πλαισίου CIS όσον αφορά τον συντελεστή kwh/m 2 (αντί για 68% εµφανίζεται µια αύξηση της ενεργειακής του απόδοσης ανά m 2 φωτοβολταϊκής επιφάνειας κατά 50%. 109

119 Κεφάλαιο 6 - Συµπεράσµατα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στα πλαίσια αυτής της διπλωµατικής εργασίας, πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις ρεύµατος-τάσης σε φωτοβολταϊκά πλαίσια λεπτού φιλµ τύπου άµορφου πυριτίου και CIS, στη διάρκεια ενός έτους. Η επεξεργασία των µετρήσεων έγινε µε µεγάλη ακρίβεια ώστε να διαπιστώσουµε το βαθµό επίδρασης των κυριότερων εξωτερικών παραµέτρων στην απόδοση του πλαισίων. Οι εξωτερικές παράµετροι που µελετήθηκαν, ήταν η θερµοκρασία, η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και η σκίαση. Οι µετρήσεις γίνονταν σε διάφορες κλίσεις των πλαισίων, ώστε να δούµε την αποδιδόµενη ισχύ των πλαισίων σε διάφορες κλίσεις τοποθέτησης, αφενός επειδή τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται σε κτήρια και κάποιες φορές ο χώρος δεν επιτρέπει την τοποθέτηση τους στη κλίση βέλτιστης απόδοσης, και αφετέρου για να διαπιστώσουµε τη βέλτιστη κλίσης τοποθέτησης για τις διάφορες περιόδους του έτους. Οι κλίσεις τοποθέτησης που επιλέξαµε ήταν 0 ο, 10 ο, 20 ο, 30 ο, 40 ο, 50 ο, 60 ο, 70 ο, 80 ο για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και 30 ο, 45 ο και 60 ο για το πλαίσιο CIS. Αρχικά, µελετήθηκε η επίδραση της θερµοκρασίας η οποία ήταν αρνητική. Συγκεκριµένα, για το πλαίσιο CIS παρατηρήθηκε σηµαντική µείωση της απόδοσής του και της µέγιστης παραγόµενης ισχύος του για θερµοκρασίες άνω των 50 ο C, έως και 20% από τις αντίστοιχες ονοµαστικές υπό πρότυπες συνθήκες. Ο παράγοντας πλήρωσης (FF) επηρεάστηκε λιγότερο, ενώ εµφανίζεται και µια απρόσµενη πτώση του ρεύµατος βραχυκύκλωσης (Isc) για θερµοκρασίες άνω των 45 ο C. Από την άλλη µεριά, το πλαίσιο άµορφου πυριτίου (a-si) φαίνεται να επηρεάζεται λιγότερο από την αύξηση τις θερµοκρασίας. Ο συντελεστής απόδοσής του παραµένει κοντά στην ονοµαστική τιµή (5.5%) και η µέγιστη παραγόµενη ισχύς δεν µεταβάλλεται σηµαντικά, ακόµα και για ακραίες θερµοκρασίες (άνω των 50 ο C). Το ρεύµα βραχυκύκλωσης παρουσιάζει ανοδικές τάσεις (όπως ήταν αναµενόµενο), ενώ ο παράγοντας πλήρωσης φαίνεται να επηρεάζεται περισσότερο απ ότι στο πλαίσιο CIS. Στη συνέχεια, µελετήθηκε η επίδραση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας η οποία όπως αναµενόταν ήταν θετική. Αναλύθηκαν τ αποτελέσµατα των µετρήσεων για δυο διαφορετικές θερµοκρασίες, τους 25 ο C (δηλαδή την «πρότυπη θερµοκρασία») και τους 35 ο C (µία θερµοκρασία που απαντάται σχεδόν καθ όλη τη διάρκεια του έτους), και καταλήξαµε σχεδόν στα ίδια συµπεράσµατα. Το ρεύµα βραχυκύκλωσης και η µέγιστη αποδιδόµενη ισχύς των δυο πλαισίων 110

120 Κεφάλαιο 6 - Συµπεράσµατα αυξάνονται ευθέως ανάλογα µε την αύξηση της ακτινοβολίας, η απόδοση του πλαισίου CIS προσεγγίζει την ονοµαστική τιµή για ακτινοβολία 1000 W/m 2 (η απόδοση του πλαισίου a-si παραµένει πάντα κοντά στην ονοµαστική τιµή), και τέλος ο FF αυξάνεται ελαφρώς για το CIS, ενώ µειώνεται σε χαµηλές τιµές (περίπου 52%) για το πλαίσιο a-si. Κατόπιν, έγινε µια πρώτη προσπάθεια ν αποφανθούµε για τη βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων για τη χειµερινή και την καλοκαιρινή περίοδο. Αναλύοντας τα πειραµατικά αποτελέσµατα για µια ηλιόλουστη χειµερινή και µία καλοκαιρινή ηµέρα, παρατηρήσαµε ότι η µέγιστη αποδιδόµενη ισχύς (P MPP ) από τα δυο πλαίσια προσεγγίζει την ονοµαστική τιµή (32W για το a-si και 75W για το CIS ) στη κλίση των 60 ο για τη χειµερινή ηµέρα (υπό ακτινοβολία κοντά στα 1000 W/m 2 ), ενώ για µία καλοκαιρινή ηµέρα η βέλτιστη κλίση είναι περίπου 20 ο. Καταλήξαµε στη κλίση αυτή µε βάση τις µετρήσεις του a-si, µιας και για το πλαίσιο CIS δεν πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις σ αυτή την κλίση. Λόγω υψηλών θερµοκρασιών, η µέγιστη αποδιδόµενη ισχύς εµφανίζεται µειωµένη σε σχέση µε την ονοµαστική σ αυτή την περίπτωση. Επιπλέον, µελετήθηκε η συµπεριφορά των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε συνθήκες σκίασης. Είναι πολλές οι φορές που τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σκιάζονται είτε µεταξύ τους (όταν δεν έχει τηρηθεί η σωστά υπολογισµένη απόσταση µεταξύ των σειρών για την τοποθέτησή τους λόγω έλλειψης χώρου), είτε από άλλους εξωτερικούς παράγοντες. Για να έχουµε όσο το δυνατόν ακριβέστερη εικόνα του πώς επηρεάζει η σκίαση την απόδοση των πλαισίων, σκιάσαµε τα πλαίσια που µελετήσαµε υπό ακτινοβολία 1000W/m 2 κατά το 1/3 και τα 2/3 της επιφάνειας τους, οριζόντια και κάθετα. Μέσα απ τη διαδικασία αυτή, καταλήξαµε στο συµπέρασµα ότι τα φαινόµενα σκίασης στο σύνολό τους επιδρούν µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο στα δυο πλαίσια λεπτού φίλµ που αναλύουµε, και επιπλέον φαίνεται καθαρά ότι η οριζόντια σκίαση επηρεάζει περισσότερο τη λειτουργία τους. Συγκεκριµένα, καταγράψαµε ότι καλύπτοντας κάθετα τα πλαίσια κατά το 1/3 της επιφάνειάς τους, η παραγόµενη ισχύς µειώνεται κατά το 1/3, και αντίστοιχα, όταν καλύψαµε τα 2/3 αυτής, η παραγόµενη ισχύς µειώθηκε επίσης κατά 2/3. Αντίθετα, οριζόντια σκίαση κατά το 1/3 της επιφάνειας, έχει ως αποτέλεσµα τη µείωση της παραγόµενης ισχύος κατά 50%, ενώ σκίαση των 2/3 της επιφάνειας αποφέρει µηδενικές τιµές της αποδιδόµενης ισχύος. Στη συνέχεια, µε βάση το σύνολο των µετρήσεων που πραγµατοποιήσαµε καθ όλη τη διάρκεια του έτους, υπολογίσαµε µε τη µέγιστη δυνατή ακρίβεια την ετήσια ενεργειακή απόδοση των πλαισίων λεπτών φιλµ που εξετάσαµε. Καταλήξαµε στην επιλογή δυο διαφορετικών κλίσεων τοποθέτησης των πλαισίων, µια για τη χειµερινή (50 ο ) και µία για την καλοκαιρινή περίοδο (20 ο ). Η επιλογή των 111

121 Κεφάλαιο 6 - Συµπεράσµατα κλίσεων έγινε µε βάση τις µετρήσεις του πλαισίου a-si, µιας το πλαίσιο αυτό τοποθετήθηκε σε περισσότερες κλίσεις και µας δίνει πιο ασφαλή συµπεράσµατα. Η κλίση των 50 ο που καταλήξαµε για τη χειµερινή περίοδο έρχεται σε αντίθεση µε την κλίση των 60 ο, στην οποία καταλήξαµε στην ενότητα 4.4. Το γεγονός αυτό µπορεί να δικαιολογηθεί απ τα µετεωρολογικά δεδοµένα που καταγράψαµε. Για την περίπτωση του a-si, υπολογίστηκε ετήσια ενεργειακή απόδοση 57 kwh, ενώ για το πλαίσιο CIS υπολογίστηκε απόδοση 132 kwh. Στη περίπτωση επιλογής µίας κλίσης για όλο το έτος, οι µετρήσεις στα δυο πλαίσια συγκλίνουν στην επιλογή της κλίσης των 30 ο, κλίση κοντά στη θεωρητική [8] των 38 ο (ίση δηλαδή µε το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής τοποθέτησης). ιευκρινίζουµε ότι εµείς δεν είχαµε τη δυνατότητα να κάνουµε µετρήσεις ανά µοίρα. Στην περίπτωση αυτή υπολογίσαµε ετήσιες ενεργειακές απολαβές της τάξης των 54.8 kwh για το πλαίσιο a-si και kwh για το πλαίσιο CIS. Ακόµα, σε µια προσπάθεια να συγκρίνουµε την απόδοση των δυο πλαισίων, υπολογίσαµε (στην περίπτωση της κλίσης των 30 ο για όλο το έτος) τους συντελεστές kwh/kwp και kwh/m 2 των δυο πλαισίων. Από τους υπολογισµούς αυτούς, συµπεραίνουµε ότι το πλαίσιο CIS υπερτερεί συντριπτικά στην ενεργειακή απόδοση που προσφέρει για κάθε m 2 φωτοβολταϊκής επιφάνειας, ενώ τα δυο πλαίσια αποφέρουν σχεδόν το ίδιο για κάθε kw εγκατεστηµένης ισχύος. Είναι λοιπόν προφανές ότι το πλαίσιο CIS υπερτερεί σε περιπτώσεις χωρικού περιορισµού. Λαµβάνοντας υπ όψιν τα συµπεράσµατα στα οποία καταλήξαµε µέσα από την επεξεργασία των µετρήσεων σε πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας, µπορούµε να πούµε πως τα πλαίσια λεπτού φιλµ που εξετάσαµε αποδίδουν ικανοποιητικά και ενδείκνυνται για χρήση τους σε περιοχές µε παρόµοια µετεωρολογικά δεδοµένα µε αυτά της Πάτρας. Τέλος, σε µια προσπάθεια να επιβεβαιώσουµε τα τελικά αποτελέσµατα των πειραµατικών µετρήσεων για την περίπτωση της ετήσιας ενεργειακής απόδοσης των πλαισίων που εξετάσαµε, προχωρήσαµε στην εξοµοίωση του πειραµατικού συστήµατος, µέσω του υπολογιστικού προγράµµατος µοντελοποίησης PV * sol. Το πρόγραµµα αυτό δίνει τη δυνατότητα σχεδίασης ολοκληρωµένων αυτόνοµων και συνδεδεµένων µε το δίκτυο συστηµάτων, µε βάση τους µετεωρολογικές παράγοντες που επικρατούν στην εκάστοτε περιοχή εγκατάστασης του φωτοβολταϊκού συστήµατος. Εισάγοντας τα τεχνικά χαρακτηριστικά των πλαισίων που εξετάσαµε (ονοµαστικά στοιχεία που δίνει ο κατασκευαστής), την περιοχή τοποθέτησης (Πάτρα) καθώς και την κλίση τοποθέτησης αυτών (30 ο ), το πρόγραµµα υπολογίζει την ετήσια ενεργειακή τους 112

122 Κεφάλαιο 6 - Συµπεράσµατα απόδοση µε βάση τα καταγεγραµµένα µετεωρολογικά δεδοµένα της περιοχής σε βάθος 20 ετών. Με τη βοήθεια λοιπόν του προγράµµατος, υπολογίσαµε ετήσια ενεργειακή απόδοση kwh για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου και kwh για το πλαίσιο CIS. Παρατηρούµε ότι τα εξαγόµενα αποτελέσµατα για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου είναι πολύ κοντά στα αντίστοιχα πειραµατικά, ενώ για το πλαίσιο CIS υπάρχει µια µεγαλύτερη απόκλιση, της τάξης του 30%. Η απόκλιση αυτή ίσως οφείλεται στο ότι δε µπορέσαµε να εισάγουµε ορισµένα τεχνικά χαρακτηριστικά του πλαισίου αυτού που ζητούσε το πρόγραµµα επειδή δεν παρέχονταν από τον κατασκευαστή. Σε κάθε περίπτωση όµως, αποδεικνύεται ότι οι πειραµατικές µετρήσεις και τα παραγόµενα αποτελέσµατα που αποκοµίσαµε είναι αρκετά ακριβή και αξιόπιστα. 113

123 Παράρτηµα Μετρήσεων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Πίνακες µετρήσεων που χρησιµοποιήθηκαν κατά την ανάλυση των αποτελεσµάτων Πίνακας Π.1: Στοιχεία για I-V χαρακτηριστικές καµπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου για διαφορετικές θερµοκρασίες κυττάρου, υπό ηλιακή ακτινοβολία 974 W/m 2. Η I-V για Τ=27 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 21 εκεµβρίου, ώρα 12:30 και για γωνία κλίσης πλαισίου 70 ο. Η I-V για Τ=36 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 23 Φεβρουαρίου, ώρα 12:21 και για γωνία κλίσης πλαισίου 40 ο.η I-V για Τ=40 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 7 Μαϊου, ώρα 13:23 και για γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. Η I-V για Τ=50 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 28 Ιουλίου, ώρα 14:13 και για γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. Η I-V για Τ=55 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 12 Αυγούστου, ώρα 14:05 και για γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο.(σχήµα 4.3) 114

124 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.2: Στοιχεία για I-V χαρακτηριστικές καµπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές θερµοκρασίες κυττάρου, υπό ηλιακή ακτινοβολία 974 W/m 2. Η I-V για Τ=22 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 12 Νοεµβρίου, ώρα 11:31 και για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. Η I-V για Τ=31.5 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 12 Μαρτίου, ώρα 14:11 και για γωνία κλίσης πλαισίου 45 ο.η I-V για Τ=39 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 16 Μαρτίου, ώρα 12:23 και για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. Η I-V για Τ=43.5 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 16 Μαρτίου, ώρα 13:15 και για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. Η I-V για Τ=57 ο C αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 12 Αυγούστου, ώρα 14:08 και για γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο.(σχήµα 4.4) 115

125 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.3: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών V OC, I SC, V MPP, I MPP, FF, P MPP και της απόδοσης (η %) των φωτοβολταϊκών πλαισίων άµορφου πυριτίου και CIS συναρτήσει της θερµοκρασίας, υπό ηλιακή ακτινοβολία 974 W/m 2 και 993 W/m 2 αντίστοιχα. (Σχήµατα 4.5 έως 4.11) 116

126 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.4: Στοιχεία για I-V χαρακτηριστικές καµπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου για διαφορετικές τιµές της ηλιακής ακτινοβολίας, υπό θερµοκρασία 25 ο C. Η I-V για G=140 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 29 Οκτωβρίου, ώρα 16:00 και για γωνία κλίσης πλαισίου 20 ο. Η I-V για G=335 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 22 Οκτωβρίου, ώρα 09:22 και για γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. Η I-V για G=516 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 10:30 και για γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. Η I-V για G=743 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 21 εκεµβρίου, ώρα 11:41 και για γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. Η I-V για G=948 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 21 εκεµβρίου, ώρα 13:47 και για γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (Σχήµα 4.12) 117

127 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.5: Στοιχεία για I-V χαρακτηριστικές καµπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές τιµές της ηλιακής ακτινοβολίας, υπό θερµοκρασία 25 ο C. Η I-V για G=136 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 29 Οκτωβρίου, ώρα 16:03 και για γωνία κλίσης πλαισίου 38 ο. Η I-V για G=308 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στην 1η εκεµβρίου, ώρα 10:18 και για γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. Η I-V για G=505 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 9:33 και για γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. Η I-V για G=854 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 21 εκεµβρίου, ώρα 12:26 και για γωνία κλίσης πλαισίου 38 ο. Η I-V για G=948 W/m 2 αντιπροσωπεύει µέτρηση στις 8 εκεµβρίου, ώρα 13:47 και για γωνία κλίσης πλαισίου 80 ο. (Σχήµα 4.13) 118

128 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.6: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών V OC, I SC, V MPP, I MPP, FF, P MPP και της απόδοσης (η %) των φωτοβολταϊκών πλαισίων άµορφου πυριτίου και CIS συναρτήσει της ηλιακή ακτινοβολίας. Οι µετρήσεις που χρησιµοποιήθηκαν για τα διαγράµµατα αυτά έγιναν υπό σταθερή θερµοκρασία κυττάρου 25 ο C και πραγµατοποιήθηκαν: i) για το πλαίσιο CIS, (1) 29 Οκτωβρίου, ώρα 16:03 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 136 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 38 ο. (2) 1 εκεµβρίου, ώρα 10:18 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 308 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (3) 23 Νοεµβρίου, ώρα 09:32 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 505 W/m 2 και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (4) 12 Νοεµβρίου, ώρα 11:33 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 623W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (5) 21 εκεµβρίου, ώρα 12:26 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 854 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 38 ο. (6) 8 εκεµβρίου, ώρα 12:10 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 947 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 80 ο.ii)για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου, (1) 29 Οκτωβρίου, ώρα 16:00 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 140 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 20 ο. (2) 22 Οκτωβρίου, ώρα 09:22 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 335 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. (3) 23 Νοεµβρίου, ώρα 10:30 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 516 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. (4) 21 εκεµβρίου, ώρα 11:42 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 633 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 20 ο. (5) 21 εκεµβρίου, ώρα 11:41 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 743 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (6) 21 εκεµβρίου, ώρα 11:41 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 839 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 40 ο. (7) 21 εκεµβρίου, ώρα 13:47 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 948 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (Σχήµατα 4.14 έως 4.20) 119

129 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.7: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών V OC, I SC, V MPP, I MPP, FF, P MPP και της απόδοσης (η %) των φωτοβολταϊκών πλαισίων άµορφου πυριτίου και CIS συναρτήσει της ηλιακή ακτινοβολίας. Οι µετρήσεις που χρησιµοποιήθηκαν για τα διαγράµµατα αυτά έγιναν υπό σταθερή θερµοκρασία κυττάρου 35 ο C και πραγµατοποιήθηκαν: i) για το πλαίσιο CIS, (1) 12 Αυγούστου, ώρα 09:24 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 358 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (2) 30 Σεπτεµβρίου, ώρα 17:18 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 408 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (3) 18 Νοεµβρίου, ώρα 13:19 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 531 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (4) 23 Φεβρουαρίου, ώρα 14:35 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 625 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (5) 22 Οκτωβρίου, ώρα 14:23 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 655 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 45 ο. (6) 23 Νοεµβρίου, ώρα 14:19 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 785 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (7) 18 Νοεµβρίου, ώρα 13:19 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 865 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (8) 18 Νοεµβρίου, ώρα 13:18 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 891 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 45 ο. (9) 18 Νοεµβρίου, ώρα 13:18 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 939 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (10) 2 Μαρτίου, ώρα 12:08 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1033 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (11) 19 Ιανουαρίου, ώρα 12:25 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1085 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο.ii)για το πλαίσιο άµορφου πυριτίου, (1) 22 Οκτωβρίου, ώρα 14:20 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 350 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (2) 28 Ιουλίου, ώρα 10:00 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 375 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 60 ο. (3) 22 Ιουλίου, ώρα 9:13 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 447 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 0 ο. (4) 30 Σεπτεµβρίου, ώρα 11:13 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 680 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 70 ο. (5) 12 Νοεµβρίου, ώρα 12:23 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 728 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 20 ο. (6) 12 Νοεµβρίου, ώρα 12:24 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 819 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 10 ο. (7) 18 Φεβρουαρίου, ώρα 13:27 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 840 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (8) 2 Μαρτίου, ώρα 13:15 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 851 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 80 ο. (9) 12 Νοεµβρίου, ώρα 12:23 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 981 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 30 ο. (10) 12 Νοεµβρίου, ώρα 12:22 µε πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1043 W/m 2, και γωνία κλίσης πλαισίου 50 ο. (Σχήµατα 4.21 έως 4.27) 120

130 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.8: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών Voc, Isc του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS καθώς και της µέγιστης ισχύος και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Οι µετρήσεις διεξήχθησαν στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 12:10 και µε θερµοκρασία πλαισίου περίπου 31,5 ο C. (Σχήµατα 4.28 και 4.29) 121

131 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.9: Ηµερήσια ενεργειακή απόδοση του πλαισίου CIS στις 23 Νοεµβρίου 2009 για τις διάφορες κλίσεις τοποθέτησής του. (Σχήµα 4.30) Πίνακας Π.10: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών Voc, Isc του φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου καθώς και της µέγιστης ισχύος και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Οι µετρήσεις διεξήχθησαν στις 23 Νοεµβρίου, ώρα 12:20 και µε θερµοκρασία πλαισίου περίπου 40 ο C. (Σχήµατα 4.31 και 4.32) 122

132 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.11: Ηµερήσια ενεργειακή απόδοση του πλαισίου άµορφου πυριτίου στις 23 Νοεµβρίου 2009 για τις διάφορες κλίσεις τοποθέτησής του. (Σχήµα 4.33) Πίνακας Π12: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών Voc, Isc του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS καθώς και της µέγιστης ισχύος και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Οι µετρήσεις διεξήχθησαν στις 28 Ιουλίου, ώρα 14:15 και µε θερµοκρασία πλαισίου 55 ο C. (Σχήµατα 4.34 και 4.35) 123

133 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.13: Ηµερήσια ενεργειακή απόδοση του πλαισίου CIS στις 28 Ιουλίου 2009 για τις διάφορες κλίσεις τοποθέτησής του. (Σχήµα 4.36) Πίνακας Π.14: Μεταβολή των χαρακτηριστικών µεγεθών Voc, Isc του φωτοβολταϊκού πλαισίου άµορφου πυριτίου καθώς και της µέγιστης ισχύος και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησής του. Οι µετρήσεις διεξήχθησαν στις 28 Ιουλίου, ώρα 14:10 και µε θερµοκρασία πλαισίου περίπου 50 ο C. (Σχήµατα 4.37 και 4.38) 124

134 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.15: Ηµερήσια ενεργειακή απόδοση του πλαισίου άµορφου πυριτίου στις 28 Ιουλίου 2009 για διάφορες κλίσεις τοποθέτησής του. (Σχήµα 4.39) Πίνακας Π.16: Στοιχεία που αφορούν τη σύγκριση της λειτουργίας του πλαισίου άµορφου πυριτίου κατά τη χειµερινή και την καλοκαιρινή περίοδο. Οι µετρήσεις που παρουσιάζονται διεξήχθησαν στις 28 Ιουλίου 2009 και στις 19 Ιανουαρίου 2010 και αφορούν τις κλίσεις των 20 ο και 60 ο, δηλαδή τις βέλτιστες κλίσεις που προέκυψαν για την καλοκαιρινή και χειµερινή περίοδο αντίστοιχα. (Σχήµατα 4.40 έως 4.42) 125

135 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.17: Μετρήσεις για τις χαρακτηριστικές I-V και P-V του φωτοβολταϊκoύ πλαισίου CIS στις περιπτώσεις που αυτό λειτουργεί κανονικά ή σκιάζεται (καθέτως ή οριζοντίως) κατά το 1/3 και τα 2/3 περίπου της επιφάνειάς του. Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν στις 12 Απριλίου και ώρα 13:30, υπό πρότυπη ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2 και υπό θερµοκρασία πλαισίου 52 ο C. (Σχήµα 4.44, 4.45, 4.47 και 4.48) Πίνακας Π.18: Μετρήσεις για τις χαρακτηριστικές I-V και P-V του φωτοβολταϊκoύ πλαισίου άµορφου πυριτίου στις περιπτώσεις που αυτό λειτουργεί κανονικά ή σκιάζεται (καθέτως ή οριζοντίως) κατά το 1/3 και τα 2/3 περίπου της επιφάνειάς του. Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν στις 12 Απριλίου και ώρα 13:30, υπό πρότυπη ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2 και υπό θερµοκρασία πλαισίου 50 ο C. (Σχήµα 4.50, 4.51, 4.53 και 4.54) 126

136 Παράρτηµα Μετρήσεων Πίνακας Π.19: Στοιχεία για τον υπολογισµό της ενεργειακής απόδοσης του πλαισίου άµορφου πυριτίου για το µήνα Μάρτιο του Οι µετρήσεις αφορούν τις 2,12,16 και 23 Μαρτίου και πραγµατοποιήθηκαν υπό κλίση 30 ο. (Σχήµα 4.55) Πίνακας Π.20: Στοιχεία και διαδικασία για τον υπολογισµό της ενεργειακής απόδοσης του πλαισίου άµορφου πυριτίου για το µήνα Μάρτιο του 2010 και για όλες τις κλίσεις τοποθέτησής του. (Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και για τον υπολογισµό των υπολοίπων στηλών των Πινάκων 4.8 και 4.9) 127