ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ

Transcript

1 Τ εχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχολή Τ εχνολογικώ ν Εφαρμογώ ν Τμήμα Τ εχνολογίας Πετρελαίου και φυσικού Αερίου ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ Κ ό κ κ ο υ Ε λ έν η, Α.Μ.: Δάντσιου Σπυριδούλα, Α.Μ.: 2420 Εταβλέπων Καθηγητής Μαρμάνης Δημήτρης Χημικός Μηχανικός

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα πτυχιακή εργασία θα αναφερθούμε γενικότερα για την ηλιακή ενέργεια, τα χαρακτηριστικά αυτής, τις εφαρμογές της και η αξιοποίηση της στην καθημερινή ζωή του ανθρώπου. Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα ή θερμική ενέργεια καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο, και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου και χρόνου για την εκμετάλλευσή της. Όσον αφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσαμε να πούμε ότι χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Στη συνέχεια γίνεται λόγος για τα φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο μπο 1

3 ρεί να τροφοδοτήσει ηλεκτρικές συσκευές, να αποθηκευτεί ή να διοχετευθεί στο δίκτυο της ΔΕΗ. Ως αναφορά τα φωτοβολταϊκά θα ασχοληθούμε και με τον μηχανισμό απορρόφησης του φωτός στο χώρο της ημιαγωγικής επαφής που οδηγεί στην εμφάνιση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Επίσης αναλύονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας και οι μέθοδοι παρασκευής του βασικού κύτταρου παραγωγής της φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας, τα χαρακτηριστικά και οι κατηγορίες των φωτοβολταϊκών συστημάτων, καθώς και η χρήση αυτών. Τέλος γίνεται μια συνοπτική μελέτη ενός αυτόνομου PV συστήματος για μια κατοικία στην Αττική, των φορτίων που χρειάζονται για να ξεκινήσει μια τέτοια τυπική κατοικία ή μικρή επιχείρηση, όπως και των νομοθετικών ρυθμίσεων που χρειάζονται για να επιτραπεί σε ιδιώτες η δημιουργία μονάδας πα - ραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τα φωτοβολταϊκά. 2

4 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨ Η... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝ ΕΡΓΕΙΑ Ορισμός της ηλιακής ενέργεια Άμεση και Έμμεση ηλιακή ενέργεια Ηλιακή γεωμετρία Χαρακτηριστικά της ηλιακή ενέργειας Εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας Συνιστώσες της ηλιακή ς ακτινοβ ολίας Ηλιακή ακτινοβολία στην ΕΛΛΑΔΑ Ηλιακή Ενέργεια και Φωτοβολταϊκά Συστήματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝ ΕΡΓΕΙΑ Απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από την ύλη Ιστορία Γενικά χαρακτηριστικά Φωτοαγωγιμότητα Οι βασικές προϋποθέσεις δημιουργίας του φωτοβολταϊκού φαινομένου στους ημιαγωγούς H καμπύλη Ι-V ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου Θεωρητικό όριο της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων Οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία...33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗ Μ ΑΤΩ Ν Χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστημάτων Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα Υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήματα (hybrid P V systems)

5 Φωτοβολταϊκά συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο (Grid-connected Systems) Βασικά στοιχεία Φωτοβολταϊκού υβριδικού συστήματος ΚΕΦΑΛΑΙΟ Μ ΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ PV-ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ Μ ΙΑ ΚΑΤΟ ΙΚΙΑ ΣΤΗΝ ΑΤΤΙΚΗ Ενεργειακή Μέθοδος Διαστασιολόγησης Τυπικές συνθήκες δοκίμων - πιστοποίησης και λειτουργίας P V- στοιχείων Διαστασιολόγηση με τη μέθοδο των Ah Διαστασιολόγηση συσσωρευτών Οικονομική ανάλυση και σχετικά μεγέθη...76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΠΕΝΔΥΣΕΙΣ ΚΑΙ ΝΟΜΟΘΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗ Μ ΑΤΑ ΓΙΑ ΤΑ Φ ΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Διαδικασίες εγκατάστασης φωτοβολταϊκών συστημάτων Που μπορεί να εγκατασταθεί ΦΒ σύστημα; Βασικά Σημεία Αδειοδοτικής Διαδικασίας Ποιες άδειες απαιτούνται για την εγκατάσταση ενός Φ/Β Συστήματος; Διαδικασία ελέγχου των αναγκαίων λειτουργικών και τεχνικών χαρακτηριστικών του εξοπλισμού των Φωτοβολταϊκών σταθμών, για την έκδοση της σχετικής βεβαίωσης Προϋποθέσεις για τη σύνδεση του Φ/Β σταθμού με το δίκτυο Πρόσθετα στοιχεία Έλεγχος στοιχείων Έλεγχος φωτοβολταϊκού σταθμού Κόστος διαδικασίας ελέγχου για την κάλυψη των λειτουργικών δαπανών του ΚΑΠ Ε για την έκδοση σχετικής βεβαίωσης Επιδοτήσεις - χρηματοδότηση μέσω ΕΣΠΑ για δημιουργία αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων σε μικρές ή πολύ μικρές επιχειρήσεις Που χρησιμοποιούνται τα φωτοβολταϊκά

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Στο κεφαλαίο αυτό αναφέρουμε τον ορισμό της ηλιακής ενέργειας, την άμεση και έμμεση ηλιακή ενέργεια, την ηλιακή γεωμετρία, τα χαρακτηρίστηκα της ηλιακής ενέργειας, τις εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας, τις συνιστώσες της ηλιακής ενέργειας, τα ποσοστά της ηλιακής ακτινοβολίας στην χώρας μας και τέλος την ηλιακή ενέργεια και φωτοβολταϊκά συστήματα Ορισμός της ηλιακής ενέργεια Είναι η ενέργεια που προέρχεται από τον ήλιο και αξιοποιείται μέσω τεχνολογιών που εκμεταλλεύονται τη θερμική και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του ήλιου με χρήση μηχανικών μέσων για τη συλλογή, αποθήκευση και διανομή της. Η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στη γη είναι κατά μέσο όρο 173x1015 W και είναι κατά τάξεις μεγαλύτερη της μέσης ισχύος που απαιτεί η ανθρωπότητα (7x1012 W ). Πέρα αυτού όμως, η ηλιακή ενέργεια αποτέλεσε και αποτελεί τη βασική ενεργειακή πηγή στη Γη, καθώς σε αυτήν οφείλεται ο σχηματισμός ή διαθεσιμότητα της πλειονότητας των ενεργειακών πόρων, ανανεώσιμων και μη, με εξαιρέσεις την πυρηνική ενέργεια, τη γεωθερμική και την παλιρροιακή η οποία οφείλεται στην έλξη γης και σελήνης. Η γη δέχεται μόλις το 1/109 της ακτινοβολίας που εκπέμπει ο ήλιος. Η ηλικία του ήλιου εκτιμάται μεγαλύτερη από 5 δισεκατομμύρια έτη, και υπολογίζεται ότι ο ήλιος θα συνεχίσει να εκπέμπει ακτινοβολία με τον ίδιο ρυθμό για τουλάχιστον άλλα τόσα έτη. Άρα η ηλιακή ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. 5

7 1.2. Άμεση και Έμμεση ηλιακή ενέργεια Οι κύριοι τρόποι εκμετάλλευσης της άμεσης ηλιακής ενέργειας, είναι η μετατροπή της σε θερμότητα αλλά και σε ηλεκτρισμό. Όλα τα συστήματα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, τα παθητικά και τα ενεργητικά. Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό γίνεται επί το πλείστον με τη φωτοβολταϊκή μέθοδο. Έμμεση ηλιακή ενέργεια: Από την ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στη γη, ποσοστό 1, 5%-2, 0% μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια αέριων μαζών στην ατμόσφαιρα. Παράλληλα η θερμική επίδραση του ήλιου στους υδάτινους όγκους (εξάτμιση, βροχοπτώσεις, θερμοκρασιακή Διαγόρα ωκεανών, τήξη των πάγων και του χιονιού) προκαλεί έντονη κινητικότητα. Μέσω της εφευρετικότητας του ανθρώπου από πολύ νωρίς κατάφερε να δαμάσει την αιολική ενέργεια (π.χ. ιστιοφόρα, ανεμόμυλοι) και υδραυλική ενέργεια (π.χ. νερόμυλοι). Ιδιαίτερα στην εποχή μας, η χρήση της αιολικής και τις αιολικής ενέργειας έχει αξιοθαύμαστα αποτελέσματα στις διάφορες εφαρμογές της Ηλιακή γεωμετρία Η γη περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό της με γωνιακή ταχύτητα 2π Γ8ό/24ό(ή 15 /h), με αποτέλεσμα και την αντίστοιχη φαινόμενη κίνηση του ήλιου. Κάθε ημέρα περνά μια φορά ο ήλιος από το επίπεδο του μεσημβρινού του τόπου. Η ηλιακή αυτή ώρα ορίζεται ως μεσημβρία και κατά κανόνα δεν συμπίπτει με την 12:00 ώρα του τόπου για δυο λόγους: Εφαρμόζεται κοινή ώρα ανά κράτος σε περιοχή επομένως με σημαντικό εύρος γεωγραφικών μηκών, οπότε μόνον σε έναν μεσημβρινό συμπίπτει η εφαρμοζόμενη ώρα με την πραγματική Λόγω της θερινής ώρας (η εφαρμοζόμενη ώρα είναι μια ώρα πίσω από την πραγματική), όταν αυτή εφαρμόζεται. 6

8 Ορίζεται ως ωριαία γωνία του ήλιου ω, σε ένα τόπο, η γωνία που φανερώνει την απόκλιση του ήλιου από την θέση στο ζενίθ στον τόπο αυτό, Σύμφωνα με τα παραπάνω, η ωριαία γωνία ω θα δίνεται (σε μοίρες) με βάση την ηλιακή ώρα (σε ώρες) από την σχέση: =15- ( W i -12) Σαν αποτέλεσμα της κλίσης του άξονα της γης έχουμε: 1. Τη αλλαγή της θέσης του ήλιου κατά το ηλιακό μεσημέρι (ψηλότερα το καλοκαίρι, χαμηλότερα το χειμώνα). 2. Την επακόλουθη διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας στη διάρκεια του έτους (μεγαλύτερη ακτινοβολία όταν φθάσει με μικρότερη κλίση ως προς την κατακόρυφη στον τόπο. 3. Την ακολουθία των εποχών και τη διακύμανση των ωρών ηλιοφάνειας. 4. Την αλλαγή της γωνίας με την οποία φθάνει η ηλιακή ακτινοβολία σε έναν τόπο στη διάρκεια του έτους (άλλοτε κάθετα και άλλοτε με κλίση) Επίσης την 21/3 και 21/9 συμβαίνει ισημερία, ενώ την 21/12 και 21/6 έχουμε στο βόρειο ημισφαίριο τη μικρότερη και την μεγαλύτερη μέρα, αντίστοιχα (Σχήμα 1.1.). Σχήμα 1.1.: Κίνηση της γης περί τον ήλιο. 7

9 1.4. Χαρακτηριστικά της ηλιακή ενέργειας Οι πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον ενεργό πυρήνα του ήλιου οδηγούν σε εσωτερικές θερμοκρασίες της τάξης των 107 K και μια εσωτερική ροή ακτινοβολίας, που απορροφάται από τα εξωτερικά παθητικά στρώματα με αποτέλεσμα να θερμαίνονται έως τους 5800Κ περίπου. Καθίστανται έτσι μια πηγή ακτινοβολίας με σχετικά συνεχές φάσμα, που προσομοιάζει προς αυτό μέλαν σώμα αντίστοιχης θερμοκρασίας. Η έντασης της ακτινοβολίας που φθάνει από τον ήλιο στα ακρότατα όρια της ατμόσφαιρας της γης έχει μέση τιμή 1395W/m2 (με μικρές διακυμάνσεις) και ορίζεται σταθερά. Η ακτινοβολία του ήλιου που καταλήγει στην επιφάνεια της γης και μπορεί να φθάσει την τιμή 1Kw/m2, όταν ο ήλιος είναι στο ζενίθ, και καλύπτει το φάσμα μεταξύ 0,3 και 2 ^ m με αιχμή στα O^m. Η ακτινοβολία αυτή χαρακτηρίζεται ως μικρού μήκους κύματος και συμπεριλαμβάνει το ορατό φως (0,4-0,7μ m), συγκεκριμένα κατανέμεται ως εξής: Υπεριώδης ακτινοβολία Ορατό φως Υπέρυθρη ακτινοβολία (K D ^ m ) 9% (O ^ ^ ^ ^ m ) 45% ^ O ^ m ) 46% Για κατοικημένες περιοχές, η λαμβανόμενη θερμότητα λόγω ακτινοβολίας ποικίλη από 3 έως 30MJ/m2 - day ανάλογα με την τοποθεσία, την περίοδο του έτους και τις επικροτούσες καιρικές συνθήκες. Αντίστοιχα η ροή θερμότητας από την γη προς το διάστημα (με ακτινοβολία) είναι πάλι της τάξης του ο 1Kw/m2, αλλά συμβαίνει σε μήκη κύματος μεταξύ 5 και 25 μ m, ώστε χαρακτηρίζεται ως ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος με αιχμή στα 10 μ m Εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας Ανάλογα με την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας για τελική χρήση της, τα συστήματα αξιοποίησης της διακρίνονται (α) παθητικά ηλιακά συστήματα, στα οποία συμβαίνει άμεση απολαβή της ηλιακής ακτινοβολίας, δίχως προηγού- 8

10 μενης μετατροπής της, στα (β) ενεργητικά ηλιακά συστήματα όπου συλλέγεται η ηλιακή ακτινοβολία με μετατροπή της σε θερμότητα και ακολούθως αξιοποιείται η τελευταία (θερμική μετατροπή) και στα (γ) φωτοβολταϊκά συστήματα στα οποία η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό για περαιτέρω χρήσης της. (α) Με τη χρήση παθητικών ηλιακών συστημάτων μπορούμε να πετύχουμε παραγωγή ζεστού νερού: Σε βιομηχανίες που απαιτούν ζεστό νερό κατά τη διάρκεια της παραγωγικής τους διαδικασίας, όπως σαπωνοποιεία, βυρσοδεψεία, παραγωγή γαλακτοκομικών προϊόντων, βαφεία, ζυθοποιεία κ.λπ. Σε θερμοκήπια για θέρμανση χώρου και εδάφους. Σε μεγάλα κτίρια ιδιωτικά και δημόσια, όπως νοσοκομεία, πολυκατοικίες, κ.λπ. Τα συστήματα που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι στο μεγαλύτερο ποσοστό τους πολύ απλά. Δεν έχουν χρησιμοποιηθεί υλικά ή δομικά στοιχεία προηγμένης τεχνολογίας ακόμη και σε κτίρια που έτυχαν χρηματοδότησης από τα επι - δεικτικά προγράμματα της 17ης Γ.Δ. της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Οι βασικοί παράγοντες αναχαίτισης της εφαρμογής των είναι οι ακόλουθοι: Έλλειψη γνώσεων μεταξύ των αρχιτεκτόνων και των μηχανικών γενικότερα. Έλλειψη ενημέρωσης του κοινού. Έλλειψη βιομηχανοποιημένων προϊόντων απαραίτητων για την κατασκευή και ορθή λειτουργία των παθητικών συστημάτων καθώς και τυποποίησης των δομικών στοιχείων. Γενική τάση των ιδιωτών αλλά και του Δημοσίου στην τοποθέτηση όσο το δυνατόν μικρότερου αρχικού κεφαλαίου με συνέπεια το αυξημένο κόστος λει - τουργίας των κτιρίων. 9

11 Η κατανάλωση ενέργειας στον κτιριακό τομέα αποτελεί το 30% περίπου της συνολικής τελικής κατανάλωσης σε εθνικό επίπεδο. Υπάρχει δε, σοβαρή αυξητική τάση η οποία οφείλεται κατά κύριο λόγο στο μεγάλο ρυθμό εγκατά - στασης κλιματιστικών συσκευών. Συγχρόνως πρέπει να σημειωθεί ότι ο κτιριακός τομέας συμμετέχει με 40% στην εκπομπή του CO2 σε εθνικό επίπεδο. Συνεπώς μια πολιτική μείωσης του CO2 από πλευράς πολιτείας έτσι ώστε να ακολουθήσει τις δεσμεύσεις της Συνδιάσκεψης του Ρίο, θα πρέπει να αντιμετωπίσει κατά κύριο λόγο τον κτιριακό τομέα. Μία τέτοια πολιτική δημιουργεί συνεπώς πολύ θετικές προϋποθέσεις για τη διεύρυνση της εφαρμογής τους. Ο κτιριακός τομέας στην Ελλάδα απαριθμεί περίπου κτίρια (στοιχεία 1988, Εθνική Στατιστική Υπηρεσία). Απ' αυτά μόλις το 3% οικοδομήθηκε μετά το 1981 που ίσχυε ο Κανονισμός Θερμομόνωσης. Από τα στοιχεία αυτά συνεπάγεται αφ' ενός ότι υπάρχει μεγάλη δυνατότητα μείωσης της καταναλισκόμενης ενέργειας σε θέρμανση και ψύξη και αφ' ετέρου συνάγεται ότι ο ρυθμός επιβεβλημένης αντικατάστασης ή ανακαίνισης του κτιριακού αποθέματος αυξάνεται. Ανατολή Ν άτι ί ζ τρ s jgvgrsλισμ s ς ιαι pis ι Σχήμα 1.2.: Παθητικά ηλιακά συστήματα 10

12 (β) Ενεργητικά ηλιακά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιούνται τόσο σε οικιακές όσο και σε βιομηχανικές εφαρμογές. Έτσι η θέρμανση νερού χρήσης αποτελεί μια οικονομική και ήδη διαδεδομένη τεχνολογία, ενώ αντίθετα η ηλιακή θέρμανση οικιών δεν παρουσιάζει για την ώρα οικονομικό ενδιαφέρων. Στο βιομηχανικό τομέα διακρίνονται εφαρμογές θέρμανσης με χαμηλή ή εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία (ηλιακή φούρνοι με τη χρήση συγκεντρωτικών κατόπτρων), αφαλάτωσης (με τη χρήση ηλιακών αποστακτήρων ή συνηθών μεθόδων απόσταξης σε συνδυασμό με ηλιακούς συλλέκτες ή ηλιακές λίμνες) ή ηλεκτροπαραγωγής με τη χρήση συγκεντρωτικών κατόπτρων. Από τις παραπάνω, έχουν οικονομικό ενδιαφέρον οι εφαρμογές θέρμανσης κύριος. Περιορισμένο οικονομικό ενδιαφέρων παρουσιάζει και η παραγωγή ηλεκτρισμού με φωτοβολταϊκό σύστημα εκτός αν απαιτείται για περιοχές όπου δεν είναι οικονομικά δυνατών να επεκταθεί το δίκτυο (π.χ. φωτισμός φαρών, κίνηση αντλιών για άρδευση, συστήματα πυρανίχνευσης σε δάση, ηλεκτροδότησης καταφύγιων, δορυφόρων κ.λπ.) Στον πίνακα 1.1 συνοψίζονται οι διαθέσιμες τεχνολογίες αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας και η τεχνο-οικονομική κατάσταση τους, που αφορά στην ωριμότητα της τεχνολογίας και στην οικονομικότητας της. Στις ήδη αναπτυγμένες και οικονομικά εφαρμόσιμες τεχνολογίες (τουλάχιστον για τα κλιματικά δεδομένα της χώρας)διακρίνουμε επόμενος την εποχιακή θέρμανση κολυμβητηρίων (οι ανάγκες συμπίπτουν με περιόδους υψηλής ακτινοβολίας), την παραγωγή οικιακού Θέρμου νερού χρήσης για όλο το έτος (εφόσον είναι αποδεκτή αποπληρωμή της τάξης δεκαετίας), τη χρήση σχετικά φθηνών συλλεκτών για ξήρανση αγροτικής σοδειάς, τη μικρής κλίμακας εφαρμογή Φωτοβολταϊκών συστημάτων για εφαρμογή σε νέο -ανεγειρόμενες κατοικίες. 11

13 Σχήμα 1.3.: Ενεργητικά ηλιακά συστήματα ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1. Συστήματα Ηλιακών Συλλεκτών Εφαρμογές - εποχιακή θέρμανση κολυμβητηρίων - θέρμανση νερού οικιακής χρήσης - θέρμανση βιομηχανικών διεργασιώ ν Χ Θ - θέρμανση χώ ρω ν σε κτίρια - ψύξη χώ ρω ν σε κτίρα - ξήρανση σοδειάς - αφαλάτω ση Παθητικά ηλιακά συστήματα για κτίρια Ε φαρμογές - θέρμανση χώ ρω ν και κλιματισμός κτιρίω ν Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Συγκεντρωτικών Κατόπτρων Ε φ αρμογές - θέρμανση σε βιομηχανικές διεργασίες - αυτόνομα συστήματα ηλεκτροπαραγω γής - ηλεκτροπαραγω γή σε σύνδεση στο δίκτυο - αφαλάτω ση - παραγω γή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση - παραγω γή καυσίμων και χημικών Φωτοβολταϊκά Συστήματα Ηλεκτροπαραγωγής Ε φ αρμογές - φω τισμός και προειδοποιητικοί φ ανοί σε απόμακρες θέσεις - επικοινω νία, σε απόμακρες θέσεις - ηλεκτροδότηση για μεμονωμένες κατοικίες / καταφ ύγια - άντληση νερού και άρδευση σε απόμακρες θέσεις Τεχνική & οικονομική κατάσταση - ανάγκες ηλεκτροδότησης στον τομέα ανάπαυσ ης / διακοπώ ν - αυτόνομη ηλεκτροδότηση για ομάδες κατοικιώ ν - ηλεκτροπαραγω γή με σύνδεση στο δίκτυο - ηλεκτρολυτική παραγω γή υδρογόνου **** τεχνολογίες ανεπτυγμένες και οικονομικά εφαρμοζόμενες *** ανεπτυγμένες τεχνολογίες, αλλά οικονομικές μόνο με επιδότηση ** τεχνολογίες ακόμα στο στάδιο έρευνας και ανάπτυξης μελλοντικές αλλά δίχω ς, ακόμα, πρακτική εφαρμογή Πίνακας 1.1.: Τεχνικοοικονομική κατάσταση τεχνολογιών ενεργειακής αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας. 12

14 1.6. Συνιστώσες της ηλιακής ακτινοβολίας Η ακτινοβολία Θολ που καταλήγει σε μια επιφάνεια κάθετη στην ηλιακή ακτινοβολία, έρχεται άμεσα από τον ήλιο Ga ή καταλήγει σε αυτήν από διάχυση της ηλιακής ακτινοβολίας G δ σε σύννεφα ή σκόνη της ατμόσφαιρας. Ακόμα και σε ημέρα με πλήρης ηλιοφάνεια υπάρχει διάχυση της ακτινοβολίας και το πηλίκο της άμεσης προς την ολική ακτινοβολία κυμαίνατε από 0,9 για καθαρή ημέρα έως 0,0 για τελείως νεφελώδη ημέρα. GoX=Ga+Gs Η ετήσια λαμβανόμενη ακτινοβολία είναι το άθροισμα των δυο αυτών όρων για όλο το έτος, και συγκεκριμένα προκύπτει από το ολοκλήρωμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας με το χρόνο: Η 01 = \(Οα συν(θ)+ο δ)άί όπου η γωνία θ είναι η γωνία πρόσπτωσης, δηλαδή αυτή σχηματίζεται από τη διεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας και από την κάθετη επιφάνεια συλλογής της ακτινοβολίας (αν ο ήλιος προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια τότε θ=0 και συν(θ)=1). Συχνά εγείρεται το πρόβλημα ποια πρέπει να είναι η τοποθέτηση - προσανατολισμό ενός ηλιακού συλλέκτη ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη απόληψη της ηλιακής ακτινοβολίας. Ο συλλέκτης τοποθετείται ώστε να κοιτά τον ισημερινό (με νότιο προσανατολισμό δηλαδή για την Ελλάδα και γενικά το βόρειο ημισφαίριο) και για μεγιστοποίηση της ετήσιας λαμβανόμενης ακτινοβολίας τοποθετείτε με κλίση β (η γωνία που σχηματίζεται ο συλλέκτης με το οριζόντιο επίπεδο) ίση προς το γεωγραφικό πλάτος L της θέσης. Είναι πιθανόν όμως να ενδιαφέρει η μεγιστοποίηση της απόδοσης του συλλέκτη το χειμώνα μόνο ή το καλοκαίρι. Γενικότερα η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη μπορεί να δίνεται από τις εξής σχέσεις: 13

15 β = 0,86 (Χ+1) β - 0,8 2 L +25 εάν ενδιαφέρει η μεγιστοποίηση της ετήσιας απολαμβανόμενης ακτινοβολίας εάν ενδιαφέρει η μεγιστοποίηση της απολαμβανόμενης ακτινοβολίας το χειμ ώ να β = Σ, \Ί εάν ενδιαφέρει η μεγιστοποίηση της απολαμβανόμενης ακτινοβολία το καλοκαίρι 1.7. Ηλιακή ακτινοβολία στην ΕΛΛΑΔΑ Η Ελλάδα, χώρα με μεγάλη ηλιοφάνεια, προσφέρεται για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Η μέση ημερήσια ενέργεια που δίνεται από τον ήλιο στην Ελλάδα είναι 4,6 KWh/m2. H επιφάνεια των εγκαταστημένων συλλεκτών στη χώρα μας ανέρχεται περίπου σε m2. Η τιμή αυτή αποτελεί ποσοστό 50% περίπου, της επιφάνειας συλλεκτών εγκατεστημένων σε ολόκληρη την Ευρώπη. Οι συλλέκτες αυτοί, κύρια αφορούν σε μικρά οικιακά συστήματα. Αυτό αποτελεί πλεονέκτημα στην εφαρμογή των φωτοβολταϊκών συστη - μάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από το ΚΕΝΤΡΟ ΕΡΕΥΝΩΝ της ΕΥΡΩΠΑΪΚΗΣ ΚΟΙΝΟΤΗΤΑΣ έχουν γίνει μελέτες για την χώρα μας και απεικονίζονται στους ακόλουθους χάρτες. Οι χάρτες αντιπροσωπεύουν την ετήσια ποσότητα ενέργειας (kwh/m2) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση (Εικ. 1) καθώς και υπό άριστη γωνία κλίσης (Εικ. 2). Αφορά διάστημα 10 ετών και συγκεκριμένα την περίοδο Εναλλακτικά δίνεται χάρτης με την ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια εκφρασμένη σε kwh από φωτοβολταϊκό σύστημα, με συλλέκτες πυριτίου (c-si) ισχύος 1kWp υπό άριστη γωνία κλίσης (Εικ. 3). Σημειώστε ότι στις τιμές αυτές δεν περιλαμβάνονται απώλειες λόγω υψηλών θερμοκρασιών, αντανάκλασης καθώς και εκείνων που οφείλονται σε καλωδιώσεις και μετατροπείς. 14

16 Σχήμα 1.4.: Χαμηλότερη παραγωγή ηλιακού ηλεκτρισμού με μπλε και υψηλότερη παραγωγή ηλιακού ηλεκτρισμού με κόκκινο Ηλιακή Ενέργεια και Φωτοβολταϊκά Συστήματα Η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τόσο σε απομακρυσμένες όσο και σε κατοικημένες περιοχές, χωρίς επιπτώσεις στο περιβάλλον, κάνει ελκυστική τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων στην Ελλάδα. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν τη δυνατότητα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ένα τυπικό Φ/Β σύστημα αποτελείται από: Ηλεκτρονικός ρυθμιστής για την διαχείριση της φόρτισης των μπαταριών 2. Ηλεκτρικοί συσσωρευτές (μπαταρίες) για την αποθήκευση του παραγόμενου ρεύματος που πλεονάζει, για μεταγενέστερη χρήση 3. Μεταλλική δομή στήριξης η οποία μπορεί να είναι είτε σταθερή είτε κινητή (όπως ο ηλιοστάτης Ptolemeo που σχεδίασε και υλοποίησε η ΙΡΙΣ Α.Ε.) που στρέφει τους συλλέκτες πάντα προς την κατεύθυνση του ήλιου 15

17 4. Μετατροπέας τάσης για το μετασχηματισμό του συνεχούς ρεύματος από τις μπαταρίες σε ημιτονοειδές εναλλασσόμενο για τη λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών ή για την τροφοδότηση του δικτύου της ΔΕΗ. 5. Φωτοβολταϊκοί συλλέκτες που μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρικό ρεύμα 16

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σκοπός του 2ου κεφαλαίου είναι να γνωρίσουμε και να έχουμε μια καλύτερη εικόνα της φωτοβολταϊκής ενέργειας. Στο κεφαλαίο αυτό θα δούμε το μηχανισμό απορρόφησης του Φώτος στο χώρο της ημιαγωγικής επαφής που οδηγεί στην εμφάνιση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Τα χαρακτηρίστηκα λειτουργίας και οι μέθοδοι παρασκευής του βασικού κύτταρου παραγωγής της φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας δηλαδή του φωτοβολταϊκού στοιχείου Απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από την ύλη. Το φωτόνιο είναι ένα κβάντο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ενέργειας). Είναι μποζόνιο με spin 1, μάζα ηρεμίας και φορτίο 0. Είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης (ηλεκτρομαγνητικής δύναμης) Ιστορία Η πρώτη θεωρητική πρόβλεψη για την ύπαρξή του έγινε από τον Πλανκ το 1900 στην προσπάθειά του να ερμηνεύσει την ακτινοβολία μέλανος σώματος. Για να μπορέσει να έχει έναν θεωρητικό τύπο που να συμφωνεί με τα πειραματικά δεδομένα στο υπεριώδες, δέχτηκε ότι η ακτινοβολία πρέπει να είναι κβαντισμένη, δηλαδή να διαδίδεται σε μικρά, διάκριτα "πακέτα". Το 1905 ο Αϊνστάιν, ερμηνεύοντας το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, πρότεινε την ύπαρξη "κβάντων φωτός", δηλαδή φωτονίων. 17

19 Γενικά χαρακτηριστικά Το σύμβολο του φωτονίου είναι το ελληνικό γράμμα γ. Το φωτόνιο έχει ενέργεια ίση με E = h-f = p-c όπου με h συμβολίζεται η σταθερά του Πλανκ, με f η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, με p η ορμή του φωτονίου και έΐείναι η ταχύτητα του φωτός. Μια δέσμη φωτός που αποδίδεται σε υλικό Α, με δείκτη διάθλασης Πι, προσπίπτει στη διαχωριστική επιφάνεια του Α με άλλο σώμα, Β, με δείκτη διάθλασης Π2. Εκεί αφενός ανακλάται, ακολουθώντας το νόμο της ανάκλασης (π=α), αφετέρου διαθλάται ακολουθώντας αντίστοιχα το νόμο της διάθλασης (Πιημπ = Π2ημδ), όπου π, α, δ, οι γωνίες πρόσπτωσης, ανάκλασης και διάθλασης, αντίστοιχα (σχήμα 2. 1.). Ως δείκτης διάθλασης π, ενός υλικού ορίζεται το πηλίκο π = Oo/c όπου το co, c η ταχύτητα του φώτος στο κενό και στο μέσο αντίστοιχα (c < co). Σχήμα 2.1: Ανάκλαση-διάθλαση ακτίνας που προσπίπτει στη διαχωριστική επιφάνεια δυο μέσων. 18

20 2.2. Φωτοαγωγιμότητα Η αγωγιμότητα σκότους ενός ημιαγωγού είναι μικρότερη (και σε ορισμένες περιπτώσεις, πολλές τάξης μεγέθους μικρότερη) σε σχέση με την αντίστοιχη των μέταλλων. Όταν ο ημιαγωγός αυτός φωτιστεί τότε οι φορείς ρεύμα - τος δηλαδή τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και οι οπές, στη ζώνη σθένος, αυξάνονται και συνεπώς, αυξάνεται και η αγωγιμότητα του. Η αυξανόμενη αγωγιμότητα του ημιαγωγού, με την επίδραση του φωτός, ονομάζεται φωτοαγωγιμότητα π. χ. η φωτοαγωγιμότητα του c-si, με τυπικό ηλιακό φωτισμό πυκνότητας ισχύος 1 kw/m2, είναι 7 έως 8 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη της αγωγιμότητας σκότους. Όταν διακοπεί ο φωτισμός του ημιαγωγού, η αγωγιμότητα του επανέρχεται στα αρχικά επίπεδα, με επανασυνδέσεις των φορέων μειονότητας με φορείς πλειονότητας. Μια φωτοαγώγιμη διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως απλό αισθητήριο φωτός είτε ως όργανο μέτρησης της έντασης του φωτός (φωτοαντίσταση ή φωταγωγός) Οι βασικές προϋποθέσεις δημιουργίας του φωτοβολταϊκού φαινομένου στους ημιαγωγούς Η περιγραφείσα οπτικό - ηλεκτρική συμπεριφορά του ημιαγωγού, εκφράζεται μακροσκοπικά με τη χαρακτηριστική ιδιότητα της φωτοαγωγιμότητας του. Όταν ένας ημιαγωγός φωτίζεται άγει με πολλές φορές ισχυρότερο ρεύμα απ ότι όταν βρίσκεται στο σκοτάδι. Το αποτέλεσμα αυτό εξαρτάται από το ημιαγώγιμο υλικό και τη συχνότητα (το μήκος κύματος ή την ενέργεια φωτονίου) της προσπίπτουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η υψηλή φωτοαγωγιμότητα ενός ημιαγωγού, παρ ότι αποτελεί βασικότατη προϋπόθεση για να δημιουργηθεί αξιόλογο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δεν αρκεί. Οι ευκίνητη ηλεκτρικοί φορείς που παράγονται στο εσωτερικό του, πρέπει να τεθούν σε κίνηση, μέσω μηχανισμού που δεν θα απαιτεί προφανώς, ενέργεια από εξωτερική ηλεκτρική πηγή. Ευτυχώς ο μηχανισμός αυτός προσφέρεται από την ίδια τη φύση. Είναι το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί- 19

21 ται στις επαφές δυο διαφορετικών υλικών. Αυτό το πεδίο μπορεί να κινήσει τους φωτοδημιουργημένους ηλεκτρικούς φορείς. Το εύρος της παροχής του καθορίζει ως ένα βαθμό το αποδοτικό ποσοστό των φωτοδημιουργημένων φορέων που θα δώσουν το φωτοβολταϊκό ηλεκτρικό ρεύμα. Συνοψίζοντας τα προηγούμενα μπορούμε εντελώς επιγραμματικά να σχηματοποιήσουμε τις προϋποθέσεις του φωτοβολταϊκού φαινομένου σε ημιαγωγούς ως εξής: «Για να προκύψει το φωτοβολταϊκό φαινόμενοι, απαιτείται η δημιουργία διάταξης δυο φωτοαγώγιμων ημιαγώγιμων υλικών σε επαφή» 2.4 Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο Φυσικό Alexander Edmond Becquerel το 1839, ο οποίος ανακάλυψε ότι μπορεί να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα όταν συγκεκριμένες κατασκευές εκτεθούν στο φως. Οι Αμερικάνοι Adams και Day το 1876 χρησιμοποιώντας έναν κρύσταλλο σεληνίου είχαν κάνει επίδειξη αυτού του φαινομένου. Η απόδοση σε αυτή την περίπτωση ήταν μόνο 1%. Το 1905 ο Albert Einstein διατύπωσε την εξήγηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου (υπόθεση του φωτονίου). Το 1949 οι Αμερικάνοι Shockley, Bardeen και Brattain ανακάλυψαν το τρανζίστορ διευκρινίζοντας τη φυσική των p και n ενώσεων των ημιαγώγιμων υλικών. Το πρώτο φωτοβολταϊκό κύτταρο με απόδοση κοντά στο 6% κατασκευάστηκε το 1956, ενώ αργότερα κατασκευάστηκε το φωτοβολταϊκό κύτταρο από πυρίτιο, το οποίο λειτουργούσε με απόδοση του 10%. Η σύγχρονη τεχνολογία μάς έδωσε τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας με τη χρήση των ηλιακών φωτοβολταϊκών συστημάτων (Φ/Β), που η λειτουργία τους στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αποτελούν διόδους ημιαγωγικών ενώσεων τύπου p-n με τη μορφή επίπεδης πλάκας. Κάθε φωτόνιό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει την δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο διαρκεί η ακτινοβολία, δημιουργείται 20

22 περίσσια φορέων (ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών). Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο στερεό (και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντίθετου προσήμου) δέχονται την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού πεδίου της ένωσης p-n. Εξαιτίας αυτού τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου n και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου ρ, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Αν στους ακροδέκτες αυτούς συνδεθεί κατάλληλο ηλεκτρικό φορτίο παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύματος κα ισχύος από τη φωτοβολταϊκή διάταξη προς το φορτίο. Συμπερασματικά η όλη διάταξη αποτελεί μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος που διατηρείται για όσο χρονικό διάστημα διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια το φωτοβολταϊκού κύτταρου. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στους δύο ακροδέκτες της παραπάνω διάταξης, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Σχήμα 2.2.: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. 21

23 Ημιαγωγοί όπως το πυρίτιο ή το γερμάνιο είναι ύλη που κατατάσσεται μεταξύ των αγωγών και των μονωτών και υπό προϋποθέσεις μπορούν να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν προσπέσει φως σε ημιαγωγό μπορεί να εκτοπίσει ένα ηλεκτρόνιο από τη θέση του σχηματίζοντας έτσι ένα ουδέτερο ηλεκτρικό ζεύγος οπής - ηλεκτρονίου όπου με τον όρο οπή προσδιορίζουμε τη θέση που εγκατέλειψε το ηλεκτρόνιο που μετακινήθηκε. Αν δεν έχουν ληφθεί αλλά μέτρα το ζεύγος επανενώνεται σε εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου με την επιστροφή του ηλεκτρόνιου στη θέση του. Το βάθος στο οποίο θα διεισδύσει η ακτινοβολία στην ύλη για το παραπάνω φαινόμενο εξαρτάται από το μήκος κύματος και αυξάνεται όσο μικρότερο είναι αυτό (υψηλότερη διεισδυτικότητα για τις μεγαλύτερες συχνότητες). Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό κύτταρο θερμαίνει γενικά το υλικό και ενισχύει την κίνηση των ατόμων του. Εάν η ενέργεια του κάθε φωτονίου είναι αρκετή κάποιο ηλεκτρόνιο που την απορροφά μπορεί να μεταπηδήσει από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας από όπου τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν ως φορείς ρεύματος. Για το πυρίτιο το όριο αυτό είναι 1,1 V που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 1,100 nm. Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται σε μορφή κατά την οποία έχουν προστεθεί σε αυτούς ελεγχόμενες ποσότητες συγκεκριμένων άλλων ιόντων, προσδίδοντας του έτσι νέες ιδιότητες. Για παράδειγμα το χημικό στοιχείο Πυρίτιο είναι ένα μεταλλοειδές με ατομικό αριθμό 14 και ατομικό βάρος 28,0855 gr/mol. Έχει θερμοκρασία τήξης 1414 C και θερμοκρασία βρασμού 3265 C. Το σύμβολό του είναι Si. Το Πυρίτιο βρίσκεται στην IV ομάδα του περιοδικού πίνακα μαζί με τον Άνθρακα, το Γερμάνιο, τον Κασσίτερο και το Μόλυβδο. Αυτό σημαίνει ότι έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα, από τα 14 που διαθέτει συνολικά. Όλα τα άτομα που έχουν λιγότερα η περισσότερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (είναι γενικά συμπληρωμένη με 8e) ψάχνουν άλλα άτομα με τα οποία μπορούν να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια ή να μοιρασθούν κάποια με σκοπό τελικά να αποκτήσουν συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα. 22

24 Δημιουργία ηλεκτρικά φορτισμένων ημιαγωγών Τις ημιαγωγές ιδιότητες του το πυρίτιο τις αποκτά με τεχνικό τρόπο. Αυτό πρακτικά γίνεται με την πρόσμειξη με άλλα στοιχεία τα οποία είτε έχουν ένα ηλεκτρόνιο περισσότερο είτε ένα λιγότερο στην στοιβάδα σθένους των. Αυτή η πρόσμειξη τελικά κάνει τον κρύσταλλο δεκτικό είτε σε θετικά φορτία (υλικό τύπου ρ) είτε σε αρνητικά φορτία (υλικό τύπου n). Για να φτιαχτεί λοιπόν ένας ημιαγωγός τύπου n ή αλλιώς ένας αρνητικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτίου θα πρέπει να γίνει πρόσμειξη ενός υλικού με 5e στην εξωτερική του στοιβάδα όπως για παράδειγμα το Αρσένιο (As). Αντίστοιχα για την δημιουργία ενός ημιαγωγού τύπου ρ ή αλλιώς θετικά φορτισμένου κρυστάλλου πυριτίου χρειάζεται να γίνει πρόσμειξη στον κρύσταλλο κάποιου υλικού όπως το βόριο (Β) που έχει 3e στην εξωτερική του στοιβάδα. 23

25 Δημιουργία της επαφής του ηλεκτρονικού πεδίου. Εάν φέρουμε σε επαφή δύο κομμάτια πυριτίου τύπου n και τύπου p το ένα απέναντι από το άλλο δημιουργείται μια δίοδος ή αλλιώς ένα ηλεκτρικό πεδίο στην επαφή των δύο υλικών το οποίο επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων προς μια κατεύθυνση μόνο. Τα επιπλέον ηλεκτρόνια της επαφής n έλκονται από τις οπές της επαφής ρ. Αυτό το ζευγάρι των δύο υλικών είναι το δομικό στοιχείο του φωτοβολταϊ- κού κελιού και η βάση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο από πυρίτιο είναι κατασκευασμένο από μία ειδική ημιαγωγική δίοδο (φωτοδίοδο), στην οποία παρατηρούμε μια ροή ηλεκτρικών φορέων όταν αυτό δεχθεί φως. Όταν το φως χτυπήσει το κύτταρο, τότε τα φωτόνια απορροφούνται από τα ηλεκτρόνια του πυριτίου. Η ενέργεια των φωτονίων διεγείρει τα ηλεκτρόνια σε μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, οπότε αυτά κινούνται αφήνοντας πίσω τους μία οπή. Έτσι λοιπόν τα απορροφούμενα φωτόνια δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων - οπών. Το ηλεκτρικό πεδίο διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια από τις οπές και η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται κυμαίνεται μεταξύ Volts. Η ύπαρξη των ηλεκτρικών φορέων και της διαφοράς δυναμικού δημιουργούν ένα ρεύμα το οποίο μπορεί να διαρρέει ένα εξωτερικό κλειστό κύκλωμα. Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής φωτοβολταϊκών στοιχείων που κυρίως χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι ακόλουθες: 24

26 Μονοκρυσταλλικού πυριτίου Είναι τα πιο διαδεδομένα στην αγορά και κατασκευάζονται σε κυλίνδρους ανεπτυγμένου πυριτίου. Οι κύλινδροι αυτοί κόβονται σε λεπτές φέτες, γνωστές ως wafers, με πάχος μόλις 200Km. O βαθμός απόδοσης τους στα εργαστήρια φθάνει το 24%, ενώ στο εμπόριο αγγίζει το 15%. Σχήμα 2.3.: Φωτοβολταϊκή γεννήτρια μονοκρυσταλλικού πυριτίου Πολυκρυσταλλικού πυριτίου Κατασκευάζονται από χυτό πυρίτιο. Έχουν βαθμό απόδοσης γύρω στο 15%. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία Γαλλίου - Αρσενίου διακρίνονται για τον υψηλό βαθμό απόδοσης τους, γι αυτό χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις διαστημικές εφαρμογές και στα συστήματα εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Η απόδοσή τους αγγίζει το 25%, όταν δέχονται την άμεση ηλιακή ακτινοβολία και στο 28% όταν δέχονται και την διάχυτη ακτινοβολία. Σε ερευνητικό στάδιο ο βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων GaAs έχει ξεπεράσει το 30%. Σχήμα 2.4.: Φωτοβολταϊκή γεννήτρια πολυκρυσταλλικού πυριτίου 25

27 Άμορφου πυριτίου Τα φωτοβολταϊκά αυτά στοιχεία κατασκευάζονται από άμορφο πυρίτιο. Διακρίνονται από την πολύ μικρή κατανάλωση πυριτίου κατά την κατασκευή τους, ενώ ευκολότερες είναι και οι κατασκευαστικές διαδικασίες με αποτέλεσμα το κόστος τους να είναι πολύ μικρότερο. Το κυριότερο μειονέκτημα τους είναι η πολύ χαμηλή τους απόδοση που δεν ξεπερνά το 10%. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε ηλιακά ρολόγια και σε αριθμητικούς υπολογιστές. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η χρήση της τεχνολογίας άμορφου πυριτίου σε μεγάλα κτήρια, γνωστά και ως Κτηριακά Ολοκληρωμένα φ/β στοιχεία (BIPVs - Building Integrated Photovoltaics), όπου αντικαθιστούν τα τζάμια (μετά από επεξεργασία για την αύξηση της διαφάνειας τους) συμβάλλοντας έτσι στην τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας στο κτήριο. Σχήμα 2.5.: Φωτοβολταϊκή γεννήτρια άμορφου πυριτίου Με την εφαρμογή μεταβλητής αντίστασης αλλά και φωτισμού, προκύπτουν οι καμπύλες του σχήματος 2.2. Από τις καμπύλες προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Το ρεύμα είναι περίπου σταθερό μέχρι την τιμή της μέγιστης ισχύος (γι αυτό χαρακτηρίζονται ως πηγές ρεύματος παρά τάσης) Το ρεύμα βραχυκυκλώσεις έχει τιμή παραπλήσια του ρεύματος λει - τουργίας ώστε δεν υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του στοιχείου στην περίπτωση βραχυκυκλώματος και μπορεί να λειτουργεί δίχως επίβλεψη. 26

28 Η μέγιστη τάση ανοικτού κυκλώματος είναι λίγο μεγαλύτερη από την τάση λειτουργίας (μέγιστη ισχύος). Η μέγιστη ισχύς παρέχετε στα περίπου 0, 45 V για μέγιστη ηλιακή ακτινοβολία (1000 W/m2). Από τα στοιχεία του ίδιου σχήματος μπορεί να δια-πιστωθεί πως και σε χαμηλότερη ακτινοβολία (π. χ. 500 W/m2) η μέγιστη ισχύς παρέχεται στην ίδια περίπου (λίγο μικρότερη) τάση. Το ρεύμα λειτουργίας είναι ανάλογο της έντασης της προσπίπτου - σας ακτινοβολίας. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο περιληπτικά είναι μια επαφή (συνηθέστερα ημιαγωγών), στην οποία η απορροφούμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Σχήμα 2.6.: Συμπεριφορά φωτοβολταϊκού κυττάρου για διάφορα φορτία και για δυο επίπεδα 2 προσπίπτουσας ακτινοβολίας 500 και 1000 W/m. 27

29 Σχήμα 2.7.: Φωτοβολταϊκά από 20KW έως 150KW H καμπύλη Ι-V ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Για τον έλεγχο της αποδοτικής λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου αλλά και για τον σχεδιασμό των ηλεκτρονικών που συνδυάζονται με αυτό, προσδιορίζουμε τα σημεία μέγιστης ισχύος, τα οποία αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του στοιχείου. Επιδιώκουμε το σημείο λειτουργίας του σε κάθε διαφορετική κατάσταση, που θα προκύψει π.χ. από μεταβολή της πυκνότητας ισχύος ακτινοβολίας, Ε, να αποτελεί και το σημείο μέγιστης ισχύος, Pm, για τη δεδομένη κατάσταση (σχήμα 2.8 για τη καμπύλη I-V, με E=1 kw/m2). Στις υπόλοιπες καμπύλες I-V τα δυο σημεία δεν συμπίπτουν. 28

30 Για να συμβεί κάτι τέτοιο πρέπει να αλλάξει η ωμική αντίσταση έτσι ώστε η νέα ευθεία φόρτου να περνά από το αντίστοιχο σημείο μέγιστης ισχύς της νέας καμπύλης I-V. Το σημείο αυτό μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά αν παραστήσουμε γραφικά την παρεχόμενη από το φωτοβολταϊκό στοιχείο ηλεκτρική ισχύς, Ρ= Ι ν, υπό δεδομένη πυκνότητα ισχύος, Ε, πάνω σε μια μεταβλητή ηλεκτρική αντίσταση ως συνάρτηση της τάσης V στα άκρα της αντίσταση σχήμα 2.9. Παρουσιάζει ένα μέγιστο που μπορείτε να διακρίνεται στο κοινό διάγραμμα των I-V και Ρ-V εντοπίζεται στο γόνατο της καμπύλης I-V. Οι τιμές ρεύματος - τάσης στο σημείο μέγιστης ισχύος συμβολίζονται με lm και Vm. Η μέγιστη δυνατή ισχύς που μπορεί να δώσει το φωτοβολταϊκό στοιχείο υπό δεδομένη προσπίπτουσα πυκνότητα ακτινοβολίας, Ε, ισούται με: Ρ =/.V ±m ±m r m A 1(A) 3,00 2, W/m2 750 W/m2 Καμπύλη σημείων μέγιστης ισχύος / Ευθεία φόρτου ΣΑ3 / \ ΣΛ4 1,50 0, W/m2 y f ΣΛ2 f y 250 W/m2 / \ X ΣΛ ι : > 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 V (Volts) Σχήμα 2.8.: Διάγραμμα I - V 29

31 Σχήμα 2.9.: Διάγραμμα (I - V -P) 2.6. Η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου Η ενεργειακή απόδοση μετατροπής είναι η σχέση μεταξύ της παραγόμενης χρήσιμης μιας μηχανής μετατροπής της ενέργειας και των εισροών, σε όρους ενέργειας. Η ωφέλιμη εξόδου μπορεί να είναι ηλεκτρική ενέργεια, μηχανικό έργο ή θερμότητα. Η ενεργειακή απόδοση μετατροπής δεν ορίζεται μονοσήμαντα, αλλά, αντίθετα, εξαρτάται από τη χρησιμότητα του αποτελέσματος. Το σύνολο ή μέρος της θερμότητας που παράγεται από την καύση καυσίμων μπορεί να γίνει απόρριψη απορριπτόμενης θερμότητας, εάν, για παράδειγμα, το έργο είναι η επιθυμητή έξοδος από ένα θερμοδυναμικό κύκλο. out Παρά το γεγονός ότι ο ορισμός περιλαμβάνει την έννοια της χρησιμότη - τας, της αποτελεσματικότητας θεωρείται μια τεχνική ή φυσική όρου. Στόχος ή άξονα την αποστολή όροι περιλαμβάνουν την αποτελεσματικότητα και την αποτελεσματικότητα. Σε γενικές γραμμές, ενεργειακή αποδοτικότητα της μετατροπής είναι μια αδιάστατη αριθμός μεταξύ 0 και 1,0 ή 0 έως 100%. Η βελτίωση της αποτελεσματικότητας δεν μπορεί να υπερβαίνει το 100%, για παράδειγμα, για μια διαρκή μηχανή κίνηση. Ωστόσο, άλλα μέτρα της αποτελεσματικότητας που μπορεί να υπερβαίνει το 1,0 που χρησιμοποιούνται 30

32 για τις αντλίες θερμότητας και άλλες συσκευές που κυκλοφορούν θερμότητα αντί να το μετατρέψετε Θεωρητικό όριο της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων Στο σχήμα 2.11, δίδεται η εξάρτηση τις ιδανικής απόδοσης των διαφόρων φωτοβολταϊκών συστοιχιών, που αντιστοιχούν στο σύνολο σχεδόν, των διαφορετικών υλικών παρασκευής τους, σε συνάρτηση με το ενεργειακό τους χάσμα. Οι δυο καμπύλες αφορούν διαφορετικές πυκνότητες ισχύος ηλιακής ακτινοβολίας, φάσματος ΑΜ 1,5. Ε= 1 kw/m2, για ακτινοβολία ενός ήλιου και Ε=1000 kw/m2, για πυκνότητα ισχύος ακτινοβολίας χιλίων ήλιων. Η καμπύλη C=1 παρουσιάζει μέγιστη τιμή 31%, που αντιστοιχεί στο φωτοβολταϊκό στοιχείο InP, με ενεργειακό χάσμα 1,35 ev, πολύ κοντά στο ενεργειακό χάσμα του σύνθετου ημιαγωγού GaAS (1,42 ev). Το κρυσταλλικό πυρίτιο, με ενεργειακό χάσμα 1,12 ev, χαρακτηρίζεται από ιδανική απόδοση 28%. Στο πίνακα 2.1 δίδονται μερικές τιμές απόδοσης φωτοβολταϊκού στοιχείων διαφόρων υλικών. Περιοριζόμαστε στη συνεχεία, στα φωτοβολταϊκά στοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου, επειδή χαρακτηρίζονται από σταθερή χρονικά και σχετικά υψηλή από - δοση, στοιχεία που ενισχύουν την αξιοπιστία τους και τα έχουν καταστήσει ευρέως διαδεδομένα. 2.6 Τεχνικές δημιουργίας των επαφών p-n φωτοβολταϊκών στοιχείων Η διαδικασία της δημιουργίας μιας επαφής p-n θα μπορούσε να συνοψιστεί στο ακόλουθο παραστατικό σχήμα: προετοιμασία του βασικού υλικού (δηλαδή του ενδογενούς ημιαγωγού), παρασκευή των δυο τμημάτων ημιαγωγού με προσμίξεις τύπου p και n και συνένωση των δυο τμημάτων. Στην πράξη παρασκευάζεται αρχικά ο ένας εκ των δυο ημιαγωγών προσμίξεις π.χ. ο ημιαγωγός τύπου p. Προκύπτει από τον ενδογενή ημιαγωγό λ.χ. το πυρίτιο, το γερμάνιο κ. α. στον οποίο προστίθεται πρόσμειξη στοιχείου από την ομάδα 31

33 των αποδεκτών. Στο επόμενο στάδιο δημιουργείται με κάποια από τις μεθόδους που αναφέρονται στην συνεχεία, η περιοχή τύπου η με προσθήκη στοιχείου από την ομάδα των δοτών. Ως δότες χρησιμοποιούνται συνήθως το λίθιο Li, ο φώσφορος P, το αρσενικό As, το αντιμόνιο Sb, το βισμούθιο Bi κ.α. και ως αποδεκτές το βόριο B, το αλουμίνιο Al, το γάλλιο Ga, το ίνδιο In κ.α. Το πυρίτιο είναι από τα πλέον διαδεδομένα στοιχεία στη φύση (αποτελεί περίπου το 28% του στερεού φλοιού της γης) με τη μορφή διαφόρων ενώσεων του. Το οξείδιο του πυριτίου (SiO2) αποτελεί το κύριο συστατικό της άμμου. Το Σχήμα 2.10 δείχνει τα βασικά στάδια παραγωγής καθαρού πυριτίου, με πρώτη ύλη την άμμο. Γενικά για την παρασκευή ενός καθαρού ημιαγωγού και την εισαγωγή των διάφορων προσμίξεων, χρησιμοποιούνται διάφοροι μέθοδοι οι οποίοι είναι: Μέθοδος αναπτύξεως μονοκρυσταλλικού Μέθοδος της επιπλέουσας ζώνης Μέθοδος κράματος Τεχνική της διάχυσης Τεχνική της εμφύτευσης ιόντων Αμμος ft ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ft SiC>2(~99%) ft Ακάθαρτο Si(97%) ft ΑΝΑΠΤΥΞΗ ft Μεταλλουργικό Si (-99%) β _ = 1 HC1 ft S1H CI3 (+μίγμα σιλανίων) ft ΑΠΟΣΤΑΞΗ ft Καθαρό SiH Cl3 ft ΑΝΑΓΩΓΗ ft. Ηλεκτρονικό Si (p=0.1 Q.cm) IU= ft ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ & ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΡΥΣΤΑΛΩΝ f t, Μονοκρυσταλλικό Si (ρ = 30 ΙίΩχιη) ft ΚΟΠΗ ft Δίσκοι c-si ft ΔΙΑΧΥΣΗ Ή ΕΜΦΥΤΕΥΣΗ ΙΟΝΤΩΝ ft Επαφή ρ-η Σχήμα 2.10.: Διάγραμμα ροής εργασιών παραγωγής ηλεκτρονικά καθαρού πυριτίου, με πρώτη ύλη την άμμο. 32

34 Τύπος ΦΒ στοιχείουπλαισίου Απόδοση % Παρατηρήσεις GaAs-cell 25,1 ± 0,8 STC GaAs- module 27,6 ± 1,0 Συγκεντρωτικά, 255X116, δύσκολη βιομηχανική παρασκευή. c-si-cell 24,4 ± 0,5 STC c-si-cell 26,8 ± 0,8 Συγκεντρωτικά, 96Χ c-si - module 22,7 ± 0,6 STC, σταθερό σε απόδοση a-si-cell 12,7 ±0,4 Μείωση απόδοσης κατά το φωτισμό, τελική απόδοση ~ 6% a-si/a-sige/a-sige module (Tandem) 10,2 ±0,5 STC, σταθερό. Εργαστήρια USSC CuInSe2 16,4 ±0,5 STC, σταθερό, μικρή Voc, πολύπλοκη η παρασκευή του CuInSe2-module 14,2 ±0,2 CdTe 16,0 ±0,2 STC, μεγάλη Voc, ειδικές συνθήκες παρασκευής CdTe-module 9,1 ±0,5 STC Πίνακας 2.1.: Αποδόσεις μερικών φωτοβολταϊκών στοιχείων και πλαισίων 2.7. Οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία Εκτός από την ώριμη ήδη τεχνολογία των συμβατικών φωτοβολταϊκών στοιχείων, η οποία βασίζεται στη δημιουργία ισχυρού εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ δυο φωτοαγώγιμων ημιαγωγών, η ερευνητική προσπάθεια στράφηκε στα λεγόμενα ηλεκτροχημικά ή οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Όπως, προσδίδει η ονομασία τους η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια, πραγματοποιείται σε οργανικά συστήματα. Πρώτη διδάξασα η φύση με το φαινόμενο της φωτοσύνθεσης. Το ηλιακό φως, σε ευρύ τμήμα του φάσματος του απορροφάται από τα μόρια της οργανικής ουσίας των φύλλων των φυτών που ονομάζεται χλωροφύλλη. Ηλεκτρόνιο του οργανικού μορίου που απορροφά ένα φωτόνιο «ανεβαίνει» ενεργειακά στην επόμενη ενεργειακά στάθμη του μορίου και περνά σε γειτονικό πρωτεϊνικό σύμπλοκο του φύλλου, συμμετέχοντας στις αντιδράσεις που συμβαίνουν σε αυτά, κατά τις οποίες δημιουργούνται υδρογονάνθρακες με ταυτόχρονη πα - ραγωγή οξυγόνου. Μια παρόμοια ηλεκτρονική διαδικασία μπορούμε να αναπαράγουμε στο εργαστήριο, σε διάταξη αποτελούμενη από ηλεκτρολυτικό διάλυμα που 33

35 π ερ ιέχει έγχρ ω μ η ο ρ γα νική ο υσ ία (π.χ. χ λω ρ ο φ ύ λλη ), σε επ α φ ή με η μ ια γω γό π λ ά κ α TiO2 (Σχήμα 2.11.α). Τ α φ ω τό νια του η λια κού φ ω τό ς α π ο ρ ρ ο φ ώ ντα ι α π ό τα μόρια τη ς ο ρ γ α ν ικ ή ς ο υσ ία ς, δ η μ ιο υ ρ γ ο υ μ έν ω ν δ ιεγ ερ μ έν ω ν η λεκτρ ο νίω ν σ ε ενερ γεια κή σ τά θ μ η του ο ρ γα νικο ύ μορίου, π ου βρίσ κεται ψ η λό τερ α α π ό το ν π υ θ μ έν α τη ς ζώ νη ς α γ ω γ ιμ ό τη τα ς του η μ ια γ ω γ ο ύ. Τ α η λεκτρ ό νια π ερ ν ο ύ ν σ τον η μια γω γό, ω ς η λεκτρ ό νια τη ς ζώ ν η ς α γ ω γ ιμ ό τη τα ς του και κ α τα λ ή γ ο υ ν σ το α ρ ν η τικ ό η λ εκ τρ ό δ ιο τη ς διά τα ξης. Τ ο η λεκτρ ικό κύκλω μ α κλείνει, με μ ετα φ ο ρ ά φ ο ρ τίο υ α π ό το α ρ ν η τικ ό η λεκτρ ό δ ιο στα μόρια π ου έχα σ α ν το η λεκτρ ό νιο τους, μ έσ ω ιό ν τω ν του η λεκτρ ο λύτη (σ υ νή θ ω ς ιό ντω ν Ιω δίου). Τ ο 1961, ο Melvin Calvin δ η μ ιο ύ ρ γ η σ ε ένα φ ω το β ο λ τα ϊκ ό σ το ιχείο β α σ ιζό μ ενο σ τη ν π ρ ο η γ ο ύ μ εν η π ερ ιγρ α φ ή, με π ολύ χαμηλή α π ό δ ο σ η 0,01 %. Τ ο σ η μ α ν τικ ό βήμα σ το ν το μ έα α υ τό έγινε α π ό το ν Ε λβ ετό ερ ευ νη τή Michael Graetzel, το Α ν τικ α τέσ τη σ ε το σ υ μ π α γή η μ ια γ ω γ ό TiO2, με ίδιο, σ ε λ επ τό δ ια μ έρ ισ μ α, ώ σ τε να α υ ξά νετα ι η επ ιφ ά νεια επ α φ ή ς τω ν ο ρ γ α ν ικ ώ ν μ ο ρ ίω ν με το ν η μ ια γω γό (Σχήμα 2.11.β). Τ ο α π ο τέλ εσ μ α ή τα ν θεα μ α τικό. Η α π ό δ ο σ η του φ ω το η λ εκ τρ ικ ο χη μ ικ ο ύ α υτού σ το ιχ είο υ έφ τα σ ε σ το 10 %. Τ ο κύριο μ ειο νέκτη μ α τω ν φ ω το β ο λ τα ϊκ ώ ν σ το ιχ είω ν α υ τώ ν έγκειται στη ευ π ά θ εια του σ το φ ω ς και η σ υ ν α κ ο λ ο υ θ εί τα χεία γ ή ρ α ν σ η τους. Έ κ το τε π ο λ λ ά ερ γα σ τή ρ ια ανά το κ ό σ μ ο επ ικ εντρ ώ ν ο υ ν τη ν π ρ ο σ π ά θεια το υ ς σε δ ο κ ιμ ές και τρ ο π ο π ο ιή σ εις π ου α π ο σ κ ο π ο ύ ν στη β ελτίω σ η της α π ο δ ο τικ ό τη τα ς και του χ ρ ό νο υ ζω ή ς (μ είω σ η του φ α ινο μ ένο υ γή ρ α ν σ η ς) τω ν φ ω το β ο λ τα ϊκ ώ ν σ το ιχ είω ν τη ς ν έα ς α υ τή ς τεχνο λ ο γ ία ς με σ τό χο τη β ιο μ ηχα - νική π α ρ α γω γή. Για να π α ρ α κά μ ψ ει το μ ειο νέκτη μ α τη ς ευ π ά θ εια ς τω ν έγχρ ω μ ω ν ο υ σ ιώ ν π ο υ π ερ ιέχ ο ντα ι στα ο ρ γα νικά φ ω το β ο λ τα ϊκ ά σ το ιχ εία, στο η λια κό φω ς, π ρ ο τά θ η κ α ν λ ύ σ εις π ου β α σ ίζο ντα ι στη χρήσ η υ λ ικ ώ ν σ ύ γ χ ρ ο νη ς τεχνο λ ο γ ία ς ό π ω ς τα π ο λ υ μ ερ ή κα θ ώ ς και ειδ ικώ ν τεχνικ ώ ν β ελ τίω σ η ς τη ς α ν το χ ή ς τω ν ο ρ γ α ν ικ ώ ν ο υ σ ιώ ν στη δράση του η λια κού φ ω τό ς. Η α π ό δ ο σ η τω ν π ο λ υ μ ερ ώ ν ο ρ γ α ν ικ ώ ν φ ω το β ο λ τα ϊκ ώ ν σ το ιχ είω ν α υ τή ς της τεχ ν ο λ ο γ ία ς είναι το εξα ιρ ετικά χ α μ η λ ό κό σ το ς π α ρ α σ κ ευ ή ς τους, γεγονό ς π ου επ ιτρ έπ ει να θ εω ρ ο ύ μ ε δ υ να τή τη ν α ξιο π ο ίη σ η το υ ς α κό μ α και με το μειο νέκτημ α του π ο λύ μικρού χ ρ ό νο υ ζω ή ς το υ ς σ ε σ χέσ η με τα σ υ μ β α τικά φ ω το β ο λ τα ϊκ ά σ το ιχεία 34

36 Φωτοηλεκτροχημικο στοιχείο ΦΒ στοιχείο Michael Graetzel ΓίΟ Χλωροφύλλη Ηλιακό φως ΤίΟ, Οργανικό μοριο ΤΟ Οργανικό διαλυμμα Σχήμα 2.11.: (α) Βασική λειτουργία φωτοηλεκτρορημικού στοιχείου. Αρχικός μηχανισμός φωτοσύνθεσης. (β) Το φωτοηλεκτροχημικό στοιχείο Graetzel. Απόδοση n = 10 % 35

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Στο κεφαλαίο αυτό εξετάζονται τα χαρακτηρίστηκα, οι κατηγορίες και η λειτουργικότητα των φωτοβολταϊκών συστημάτων που ως σκοπό έχουν την καλύτερη κατανόηση αυτών ως προς τις διάφορες τους και τα πλεονεκτήματα τους Χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστημάτων Τα βασικά χαρακτηριστικά των Φ/Β συστημάτων που τα διαφοροποιούν από τις άλλες μορφές ΑΠΕ είναι: Απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμη και σε πολύ κλίμακα, π. χ. σε επίπεδο μερικών δεκάδων W ή και mw. Είναι εύχρηστα. Τα μικρά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν από τους ίδιους τους χρήστες. Μπορούν να εγκατασταθούν μέσα στις πόλεις, ενσωματωμένα σε κτίρια και δεν προσβάλλουν αισθητικά το περιβάλλον. Μπορούν να συνδυαστούν με άλλες πηγές ενέργειας (υβριδικά συστήματα). Είναι βαθμιδωτά συστήματα, δηλ. Μπορούν να επεκταθούν σε μεταγενέστερη φάση για να αντιμετωπίσουν τις αυξημένες ανάγκες των χρηστών, χωρίς μετατροπή του αρχικού συστήματος. Λειτουργούν αθόρυβα, εκπέμπουν μηδενικούς ρύπους, χωρίς επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι απαιτήσεις συντήρησης είναι σχεδόν μηδενικές. 36

38 Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιοπιστία κατά τη λειτουργία. Οι εγγυήσεις που δίνονται από τους κατασκευαστές για τις Φ/Β γεννήτριες είναι περισσότερο από 25 χρόνια καλής λειτουργίας. Η ενεργειακή ανεξαρτησία του χρήστη είναι το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των Φ/Β συστημάτων. Το κόστος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β συστήματα είναι σήμερα συγκρίσιμο με το κόστος αιχμής ισχύος, που χρεώνει η εταιρεία ηλεκτρισμού τους πελάτες της. Σχήμα 3.1.: Κατηγορίες και λειτουργία φωτοβολταϊκών συστημάτων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μπορούν να αξιοποιήσουν σε πλήθος ηλεκτρικών εφαρμογών. Καλύπτουν ευρεία περιοχή ισχύος, από το μέγεθος της πολύ χαμηλής ισχύος ευρείας χρήσεως καταναλωτικών προϊόντων όπως είναι οι αριθμητικοί υπολογιστές, τα μικρά φωτιστικά σώματα κήπου κ.α. έως 37

39 συστήματα μεγάλης ισχύος για την τροφοδοσία νησιών ή πρότυπων μεγάλων κτιριακών συγκροτημάτων, συνδεδεμένων ή όχι στο δίκτυο. Όπου εδώ αναφέρατε ο όρος δίκτυο, εννοείται το εθνικό ή το τοπικό δίκτυο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικές πήγες. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα διακρίνονται σε δυο βασικές κατηγόριες (Σχήμα 3.1): τα απομονωμένα (stand- alone) ή εκτός δικτύου (off grid) συστήματα (Σχήμα 3.5 α, β) και τα συνδεδεμένα στο δίκτυο (grid connected, Σχήμα 3.5γ). Τα απομονωμένα φωτοβολταϊκά συστήματα διακρίνονται επίσης σε αυτόνομα και υβριδικά Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα Σε ένα απομακρυσμένο από το δημόσιο ηλεκτρικό δίκτυο σύστημα οι ενεργειακές ανάγκες μιας εγκατάστασης μπορούν να τροφοδοτούνται από ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα. Παρόλα αυτά θα μπορούσαμε να διακρίνουμε και μια ακόμη κατηγορία τα υβριδικά συστήματα στα οποία συνεισφέρουν ενέργεια, τα φωτοβολταϊκά και άλλες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας όπως η αιολική ή κάποια γεννήτρια πετρελαίου. - Ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα είναι μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αποκλειστικά από φωτοβολταϊκές γεννήτριες. Παραπέρα τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε αυτά που έχουν κάποια αποθηκευτική διάταξη ενέργειας (συνήθως μπαταρίες) και σε αυτά που είναι άμεσα συνδεδεμένα μόνο με τα φορτία που τροφοδοτούν χωρίς αποθηκευτική διάταξη (παράδειγμα: εξοχικό σπίτι με μια μικρή dc αντλία νερού συνδεδεμένη απ' ευθείας με ένα φωτοβολταϊκό πάνελ). Τα βασικά μέρη ενός αυτόνομου συστήματος είναι: Τα φωτοβολταϊκά πάνελ οι συσσωρευτές ο ρυθμιστής φόρτισης ο αντιστροφέας dc/ac (για τις καταναλώσεις των 230Volt) 38

40 ασφάλειες διακόπτες dc όργανα μέτρησης χωρητικότητας συσσωρευτών Το κύκλωμα dc συνήθως έχει τάση λειτουργίας 12, 24 ή 48 volt. Πίνακας ελεγχου Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Αντιστροφεας (inverter) Ρυθμιστής φόρτισης Μπαταρίες Αυτόνομο σύστημα Σχήμα 3.2.: Αυτόνομο φωτοβολταϊκό συστήματα Υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήματα (hybrid PV systems) Συνήθως ένα τέτοιο σύστημα επιβάλλεται από το κόστος. Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να τροφοδοτήσουν οποιαδήποτε εγκατάσταση αλλά το κόστος μπορεί να είναι μεγάλο. Για τον λόγο αυτό τα φωτοβολταϊκά μπορούν να συνδυαστούν και με άλλες πηγές ενέργειες. Για παράδειγμα υπάρχουν περιοχές με καλό αιολικό δυναμικό και μάλιστα συνήθως όταν υπάρχει συννεφιά ο αέρας είναι ισχυρότερος. Έτσι μπορεί μια 39