ΤΕΦΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠAIΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ

Transcript

1 ΤΕΦΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠAIΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΥΟΛΖ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΑ ΔΦΑΡΜΟΓΩΝ ΣΜΖΜΑ ΖΛΔΚΣΡΟΛΟΓΗΑ ΑΞΗΟΛΟΓΖΖ ΣΖ ΑΠΟΓΟΖ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟΤ ΤΣΖΜΑΣΟ Δ ΥΔΖ ΜΔ ΣΟ ΚΟΣΟ Γθνξόγηαο Ησάλλεο Α.Δ.Μ Καξαγηώξγνο Υξήζηνο Α.Δ.Μ Δπηβιέπσλ θαζεγεηήο: ΜΑΓΚΑΦΑ ΛΤΚΟΤΡΓΟ ΚΑΒΑΛΑ 2009

2 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 1: Δηζαγσγή...6 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 2: Φσηνβνιηατθά ζηνηρεία Σν Φσηνβνιηατθφ Φαηλφκελν Πεξηνξηζκνί ζηελ απφδνζε ησλ θσηνβνιηατθψλ Μαζεκαηηθέο Δμηζψζεηο Πεξηγξαθήο Φαηλνκέλνπ Απνξξφθεζε ηεο Αθηηλνβνιίαο ζηα Φσηνβνιηατθά ηνηρεία Γεκηνπξγία ηνπ Φσηνξεχκαηνο Ζκηαγψγηκα Τιηθά Γεκηνπξγία Εεπγψλ Ζιεθηξνλίσλ-Οπψλ Ζ Έλσζε pn Σάζε Αλνηρηνθχθισζεο θαη Ρεχκα Βξαρπθχθισζεο Υαξαθηεξηζηηθέο Κακπχιεο Η-V θαη P-V Ζιηαθά ηνηρεία Ππξηηίνπ Δπηινγή θαη πκπεξηθνξά ηνπ Ππξηηίνπ Ζ δηακφξθσζε ηεο δηφδνπ Υξήζεηο θαη Δπηδξάζεηο Γεληθέο ρξήζεηο θαη εθαξκνγέο. 34 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 3: Γίθηπα δηαλνκήο Δηζαγσγή Βειηηζηνπνίεζε Λεηηνπξγίαο Γηθηχσλ Γηαλνκήο Καλνληθή Καηάζηαζε Έθηαθηε Καηάζηαζε Πξνγξακκαηηζκφο Αλάπηπμεο Σσλ Γηθηχσλ Γηαλνκήο Αλάιπζε Λεηηνπξγίαο Γηθηχσλ Γηαλνκήο ρεδίαζε Πξνζηαζίαο Βαζηθέο Αξρέο ρεδίαζεο Πξνζηαζίαο Γηθηχσλ Γηαλνκήο Μέζα Πξνζηαζίαο Δλαέξηα Γίθηπα Τπφγεηα Γίθηπα Αμηνπηζηία 45 2

3 Απαηηήζεηο Αμηνπηζηίαο Γηθηχσλ Γηαλνκήο Γείθηεο Αμηνπηζηίαο.. 46 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 4: Τπνινγηζκφο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο Τπνινγηζκφο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε νξηδφληην επίπεδν Ζ κέζε ειηαθή αθηηλνβνιία ζε θεθιηκέλν επίπεδν χγθξηζε θφζηνπο ζπκβαηηθψλ θαη αλαλεψζηκσλ πεγψλ ελέξγεηαο Πεξηβαιινληηθά νθέιε θσηνβνιηατθήο δηάηαμεο πκπεξάζκαηα 54 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 5. Κξηηήξηα επηινγήο ζηνηρείσλ Μπαηαξίεο Δπηινγή Μπαηαξίαο Φσηνβνιηατθψλ Απηφκαηνη Γηαρεηξηζηέο Μπαηαξίαο Κξηηήξηα Δπηινγήο Διεγθηή Φφξηηζεο Παξαθνινχζεζε ηνπ εκείνπ Μέγηζηεο Ηζρχνο Πξνζηαζία Βαζηάο Δθθφξηηζεο Αληηζηξνθείο Αξρέο Λεηηνπξγίαο Αληηζηξνθέσλ Απαηηήζεηο πξνο Ηθαλνπνίεζε Ζιηαθέο Κπςέιεο Αμηνιφγεζε ησλ εκαληηθψλ Σερλνινγηψλ γηα Ζιηαθέο Κπςέιεο Ζιηαθά ηνηρεία Ππξηηίνπ Ζιηαθά ηνηρεία Άκνξθνπ Ππξηηίνπ (a-si) Ζιηαθά ηνηρεία Μνλνθξπζηαιιηθνχ Ππξηηίνπ Ζιηαθά ηνηρεία Πνιπθξπζηαιιηθνχ Ππξηηίνπ ΚΔΦΑΛΑΗΟ 6. Οηθνλνκηθή κειέηε Σν «ελεξγεηαθφ πξφβιεκα» Βαζηθέο αξρέο ελεξγεηαθψλ ζπζηεκάησλ Υξεκαηνδνηηθέο δπλαηφηεηεο επελδχζεσλ ζε ελεξγεηαθά ζπζηήκαηα Δλέξγεηα, νηθνλνκία θαη πεξηβάιινλ

4 6.5 Μεζνδνινγία νηθνλνκηθήο αμηνιφγεζεο Οξηζκνί βαζηθψλ νηθνλνκηθψλ παξακέηξσλ Σφθνο θαη επηηφθην (d) Οηθνλνκηθφο θχθινο δσήο ηεο επέλδπζεο (Ν) Πιεζσξηζκφο (i) Παξνχζα αμία (P) Οηθνλνκηθή αμηνιφγεζε ελεξγεηαθψλ ζπζηεκάησλ Οηθνλνκηθά θξηηήξηα αμηνιφγεζεο Καζαξή παξνχζα αμία επέλδπζεο (Νet present value, NPV) Απφδνζε θεθαιαίνπ (internal rate of return, IRR) Λφγνο νθέινπο/ θφζηνπο ( benefit to cost ratio, BCR) Έληνθε πεξίνδνο απνπιεξσµήο (discounted pay back period, DBP) Αμηνιφγεζε ελεξγεηαθψλ ζπζηεµάησλ ζε επίπεδν ηδηψηε επελδπηή Δηήζην θαζαξφ φθεινο (ft) Δηήζην ιεηηνπξγηθφ φθεινο (f t ) Βαζηθνί άμνλεο ηνπ ζεζκηθνχ πιαηζίνπ πκπεξάζκαηα.95 Βηβιηνγξαθία 97 4

5 Πεξίιεςε Μία απφ ηηο ζεκαληηθφηεξεο Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο ζεσξείηαη ε ειηαθή ελέξγεηα. Ζ κεηαηξνπή ηεο ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα επηηπγράλεηαη κε ηα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα. ηελ παξνχζα εξγαζία ζα αζρνιεζνχκε κε ηελ αμηνιφγεζε ηεο απφδνζεο θσηνβνιηατθνχ ζπζηήκαηνο ζε ζρέζε κε ην θφζηνο. Δμεηάδνληαη νη νηθνλνκηθέο θαη νη ελεξγεηαθέο απαηηήζεηο, ηα πεξηβαιινληηθά νθέιε πνπ πξνθχπηνπλ απφ κηα ηέηνηα εγθαηάζηαζε, αιιά θαη ην πςειφ θφζηνο ησλ ζπζηεκάησλ απηψλ ζπγθξηηηθά πάληα κε ηα ζπκβαηηθά θαχζηκα. 5

6 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 1: ΔΗΑΓΩΓΖ 1.1 Ζιηαθή Δλέξγεηα, Μεηαθνξά ελέξγεηαο από ηνλ ήιην ζηε γε Ο ήιηνο, έλα αζηέξη ηχπνπ G ειηθίαο πέληε δηζεθαηνκκπξίσλ εηψλ, απνηειεί ην ζεκαληηθφηεξν αληηθείκελν ζηε γε. Υσξίο ηνλ ήιην, ε δσή δελ ζα κπνξνχζε λα ππάξμεη, θαζψο ε απνπζία απηνχ ζπλεπάγεηαη θαη ηελ απνπζία ζεξκφηεηαο κε κηα ζεηξά θαηαζηξνθηθψλ απνηειεζκάησλ. Ζ χπαξμε δσήο ζηελ γε νθείιεηαη ζηνλ ήιην θαζψο απηφο βξίζθεηαη ζηελ αξρή ηεο ηξνθηθήο αιπζίδαο πνπ ζπκπεξηιακβάλεη θαη ηνλ άλζξσπν σο ηνλ ηειεπηαίν θξίθν ηεο. Όια εμαξηψληαη απφ ηνλ ήιην. Γελ ππάξρεη ζρεδφλ ηίπνηα ζεκαληηθφηεξν ζηε γε απφ απηφλ. Ο ήιηνο δεκηνπξγεί ηελ ειηαθή ελέξγεηα κέζσ κηαο δηαδηθαζίαο γλσζηήο σο ππξεληθή ηήμε, φπνπ δχν άηνκα ηνπ πδξνγφλνπ ελψλνληαη γηα λα δεκηνπξγεζεί έλα άηνκν ειίνπ. Δηθόλα 1.1. Γεκηνπξγία αηφκνπ ειίνπ. Κάζε δεπηεξφιεπην, ν ήιηνο κεηαηξέπεη 500 εθαηνκκχξηα κεηξηθνχο ηφλνπο πδξνγφλνπ ζε ήιην. Λφγσ ηεο δηαδηθαζίαο ηεο ηήμεο, 5 εθαηνκκχξηα κεηξηθνί ηφλνη κεηαηξέπνληαη ζε ελέξγεηα θάζε 6

7 δεπηεξφιεπην. Απηφ ζεκαίλεη φηη θάζε έηνο, κεηξηθνί ηφλνη κεηαηξέπνληαη ζε ελέξγεηα. Σν πξντφλ απφ έλα δεπηεξφιεπην ηεο ελέξγεηαο αληηζηνηρεί ζε 1x1027 Watt ελέξγεηαο. ηε γε, ιακβάλνπκε πεξίπνπ 2/ εθείλεο ηεο ελέξγεηαο, ή πεξίπνπ 2x10 18 Watt. Απηφ αληηζηνηρεί ζε αξθεηή ελέξγεηα ψζηε λα ηξνθνδνηεζνχλ 100 θνηλνί ιακπηήξεο θσηφο γηα πεξίπνπ 5 εθαηνκκχξηα έηε (πεξηζζφηεξν απφ ηελ χπαξμε ησλ αλζξψπσλ). Ηζνδχλακα, ε ελέξγεηα πνπ ζηέιλεη ζηε γε ν ήιηνο, αληηζηνηρεί ζηελ ελέξγεηα πνπ ζα παξήγαγαλ πεξηζζφηεξνη απφ 150 εθαηνκκχξηα κεγάινη ζηαζκνί παξαγσγήο. Ο άλζξσπνο εθκεηαιιεχεηαη απηή αθξηβψο ηελ ειηαθή ελέξγεηα ρξεζηκνπνηψληαο ειηαθά ειεθηξηθά ζηνηρεία, πιαίζηα ειηαθψλ θπςειίδσλ θαη γηγαληηαία θάηνπηξα ψζηε λα δχλαηαη λα παξάγεη ειεθηξηθή ελέξγεηα θαη λα ζεξκαίλεη λεξφ θαιχπηνληαο κέξνο ησλ ελεξγεηαθψλ ηνπ αλαγθψλ.. Αλ θαη ην θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν αλαθαιχθζεθε κφιηο ην 1839, ην πξψην ειηαθφ ειεθηξηθφ ζηνηρείν θαηαζθεπάζηεθε πνιχ αξγφηεξα, ην 1954 γηα δηαζηεκηθέο εθαξκνγέο. ηηο κέξεο καο θαζψο ην θφζηνο ησλ θσηνβνιηατθψλ ζηνηρείσλ κεηψλεηαη ζπλερψο θαη ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ φιν θαη απμαλφκελε επαηζζεηνπνίεζε ηνπ θνηλσληθνχ ζπλφινπ απέλαληη ζην πεξηβάιινλ θαζψο θαη ηηο λνκηθέο δεζκεχζεηο ησλ θξαηψλ (πλζήθε ηνπ Kyoto) γηα ρξήζε ελαιιαθηηθψλ πεγψλ ελέξγεηαο, ε ρξήζε ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ εμαπιψλεηαη ξαγδαία θαζηζηψληαο ηα αληαγσληζηηθά έλαληη ησλ ζπκβαηηθψλ πεγψλ ελέξγεηαο. Δπίζεο, δεδνκέλνπ φηη ν ήιηνο ζα «πεζάλεη» ζε πεξίπνπ πέληε δηζεθαηνκκχξηα ρξφληα θαη φηη ε ελέξγεηα πνπ πξνζθέξεη είλαη θηιηθή πξνο ην πεξηβάιινλ, ζπκπεξαίλνπκε φηη απηφο απνηειεί αέλαε πεγή ειηαθήο ελέξγεηαο θαζηζηψληαο ηελ εθκεηάιιεπζε απηήο ηδηαίηεξα επσθειή ζπλνδεπφκελε κε πιεζψξα πιενλεθηεκάησλ έλαληη ησλ ππνινίπσλ ελεξγεηαθψλ πεγψλ θαη ηα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα κηα 7

8 πνιιά ππνζρφκελε ελεξγεηαθή ηερλνινγία απαιιαγκέλε απφ ηηο δπζκελείο πεξηβαληνινγηθέο επηπηψζεηο ησλ ππνινίπσλ ζπκβαηηθψλ κνξθψλ ελέξγεηαο. 8

9 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 2 ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΑ ΣΟΗΥΔΗΑ 2.1 Σν Φσηνβνιηατθό Φαηλόκελν Σα θσηφληα ηεο ειηαθήο δέζκεο δηαζέηνπλ ραξαθηεξηζηηθή πνζφηεηα ελέξγεηαο ε νπνία είλαη αλάινγε ηνπ κήθνπο θχκαηνο ηνπ θσηφο. ηε δηαδηθαζία ηεο θσηνεθπνκπήο, εάλ έλα ειεθηξφλην απνξξνθήζεη ηελ ελέξγεηα ελφο θσηνλίνπ θαη απνθηήζεη πεξηζζφηεξε ελέξγεηα απφ ηελ απαηηνχκελε ελέξγεηα πνπ ρξεηάδεηαη γηα λα απνκαθξπλζεί απφ ην πιηθφ, ηφηε απηφ εθηηλάζζεηαη απφ ην πιηθφ. Δάλ ε ελέξγεηα ησλ θσηνλίσλ είλαη πάξα πνιχ ρακειή, ην ειεθηξφλην είλαη αλίθαλν λα δξαπεηεχζεη απφ ηελ επηθάλεηα ηνπ πιηθνχ. Ζ αχμεζε ηεο έληαζεο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο δελ αιιάδεη ηελ ελέξγεηα ησλ αξρηθψλ θσηνλίσλ, παξά κφλν ηνλ αξηζκφο ηνπο, θαη έηζη ε ελέξγεηα ησλ εθπεκπφκελσλ ειεθηξνλίσλ δελ εμαξηάηαη απφ ηελ έληαζε ηνπ πξνζπίπηνληνο θσηφο. Σα ειεθηξφληα κπνξνχλ λα απνξξνθήζνπλ ηελ ελέξγεηα απφ ηα θσηφληα φηαλ αθηηλνβνινχληαη, αιιά αθνινπζνχλ ηελ αξρή «φια ή ηίπνηα». Όιε ε ελέξγεηα ελφο θσηνλίνπ πξέπεη λα απνξξνθεζεί θαη λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα λα ειεπζεξψζεη έλα ειεθηξφλην απφ ηελ αηνκηθή ζχλδεζε, αιιηψο ε ελέξγεηα επαλεθπέκπεηαη. Δάλ φιε ε ελέξγεηα ηνπ θσηνλίνπ απνξξνθεζεί, κέξνο ηεο ελέξγεηαο απηήο ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα ην ειεπζεξψζεη απφ ην άηνκν, θαη ην ππφινηπν ζπκβάιιεη ζηελ θηλεηηθή ελέξγεηα ηνπ ειεθηξνλίνπ σο ειεχζεξν κφξην. 9

10 Δηθόλα 2.1. Φσηνειεθηξηθή επίδξαζε, φπνπ ε εηζεξρφκελε ΖΜ αθηηλνβνιία δηεγείξεη ηα ειεθηξφληα απνκαθξχλνληάο ηα απφ ην πιηθφ. Καηά ηελ έθζεζε κηαο κεηαιιηθήο επηθάλεηαο ζε ειεθηξνκαγλεηηθή αθηηλνβνιία ζπρλφηεηαο πςειφηεξεο απφ ηε ζπρλφηεηα θαηψηαησλ νξίσλ ή ην κήθνο θχκαηνο θαηψηαησλ νξίσλ (ηα νπνία είλαη ζπγθεθξηκέλα αλάινγα κε ηνλ ηχπν επηθάλεηαο ηνπ πιηθνχ), ηα θσηφληα απνξξνθψληαη θαη παξάγεηαη ξεχκα. Καλέλα ειεθηξφλην δελ εθπέκπεηαη σο αθηηλνβνιία κε ζπρλφηεηα θάησ απφ απηή ηνπ θαησθιηνχ, αθνχ ηα ειεθηξφληα είλαη αλίθαλα λα θεξδίζνπλ ηελ απαηηνχκελε ελέξγεηα γηα λα ππεξληθήζνπλ ην ειεθηξνζηαηηθφ εκπφδην πνπ παξνπζηάδεηαη ζηελ άθξε ηεο θξπζηάιιηλεο επηθάλεηαο. Με βάζε ηε δηαηήξεζε ηεο ελέξγεηαο, ε ελέξγεηα ηνπ θσηνλίνπ απνξξνθάηαη απφ ην ειεθηξφλην θαη εάλ απηή είλαη επαξθήο, ηφηε ην ειεθηξφλην κπνξεί λα απνκαθξπλζεί απφ ην πιηθφ κε κηα πεπεξαζκέλε θηλεηηθή ελέξγεηα. Έλα θσηφλην κπνξεί λα εθπέκςεη έλα κφλν ειεθηξφλην, δεδνκέλνπ φηη ε ελέξγεηα ελφο θσηνλίνπ κπνξεί κφλν λα απνξξνθεζεί απφ έλα ειεθηξφλην. Σα ειεθηξφληα πνπ εθπέκπνληαη θαινχληαη ζπρλά θσηνειεθηξφληα. Αλαιπηηθφηεξα, ηα ειηαθά ζηνηρεία βαζίδνπλ ηε ιεηηνπξγία ηνπο ζηε δεκηνπξγία ελφο ειεθηξνζηαηηθνχ θξάγκαηνο δπλακηθνχ, ην νπνίν εθηείλεηαη ζε φιν ην πιάηνο ηνπ ζηνηρείνπ πνπ δέρεηαη ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία. Απηφ ην θξάγκα δπλακηθνχ βξίζθεηαη θαηαλεκεκέλν ζε 10

11 κηθξφ βάζνο απφ ηελ επηθάλεηα θαη ηνπνζεηείηαη απφ ηελ πιεπξά απφ ηελ νπνία πξνζπίπηεη ην θσο. Κάζε θσηφλην ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο κε ελέξγεηα ίζε ή κεγαιχηεξε απφ ην ελεξγεηαθφ δηάθελν ηνπ εκηαγσγνχ, έρεη ηε δπλαηφηεηα λα απνξξνθεζεί ζε έλα ρεκηθφ δεζκφ θαη λα δεκηνπξγεζεί έλα δεχγνο ειεχζεξσλ θνξέσλ: δειαδή έλα ειεθηξφλην ηεο δψλεο αγσγηκφηεηαο θαη κηα νπή ζηε δψλε ζζέλνπο. Ζ αλαγθαηφηεηα χπαξμεο ηνπ ειεθηξνζηαηηθνχ θξάγκαηνο πεγάδεη απφ ηελ απαίηεζε γηα δηαρσξηζκφ ησλ ζεηηθψλ θαη αξλεηηθψλ θνξέσλ θνξηίνπ θαη ηελ ζπγθέληξσζή ηνπο πάλσ ζηηο δπν φςεηο ηνπ ειηαθνχ ζηνηρείνπ, δειαδή ηε θσηηδφκελε θαη ηελ πίζσ φςε ηνπο. πγθεθξηκέλα επεηδή κεξηθά απφ ηα δεχγε ησλ θνξέσλ απηψλ δεκηνπξγνχληαη κέζα ή θαη δίπια απφ ηελ πεξηνρή ηνπ ειεθηξνζηαηηθνχ θξάγκαηνο δπλακηθνχ δηαρσξίδνληαη πξνθεηκέλνπ λα ειαρηζηνπνηήζνπλ ηε δπλακηθή ηνπο ελέξγεηα. Γηα ηελ θαιχηεξε θαηαλφεζε ηνπ κεραληζκνχ κπνξνχκε λα ππνζέζνπκε φηη ηα ειεθηξφληα ζπκπεξηθέξνληαη ζαλ ζθαίξεο κάδαο me πνπ θπινχλ πάλσ ζε έλα θεθιηκέλν επίπεδν, ελψ νη νπέο ζπκπεξηθέξνληαη ζαλ θπζαιίδεο πνπ αησξνχληαη κέζα ζε έλα πγξφ. ην κνληέιν απηφ, ην ειεθηξφλην (ζθαίξα) ειαρηζηνπνηεί ηε δπλακηθή ηνπ ελέξγεηα θηλνχκελν πξνο ηα θάησ, ελψ ε νπή (θπζαιίδα) ειαρηζηνπνηεί ηε δπλακηθή ηεο ελέξγεηαο θηλνχκελε πξνο ηα άλσ ζε έλα δηάθξαγκα δπλακηθήο ελέξγεηαο. Γηα παξάδεηγκα ζε κηα δίνδν p-n ηα ειεχζεξα ειεθηξφληα εθηξέπνληαη πξνο ην ηκήκα ηχπνπ n θαη νη νπέο εθηξέπνληαη πξνο ην ηκήκα ηχπνπ p, κε απνηέιεζκα λα ζπζζσξεχνληαη θνξηία ζηηο δπν αληηθξηλέο επηθάλεηεο θαη λα δεκηνπξγείηαη κηα δηαθνξά δπλακηθνχ αλάκεζα ζηνπο αθξνδέθηεο ησλ δπν ηκεκάησλ ηνπ ειηαθνχ ζηνηρείνπ, γηα φζν δηάζηεκα ππάξρεη ε νπηηθή δηέγεξζε. Σν θαηλφκελν απηφ νλνκάδεηαη θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν. 11

12 Ζ απνδνηηθή ιεηηνπξγία ησλ ειηαθψλ θσηνβνιηατθψλ ζηνηρείσλ παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζηεξίδεηαη ζηελ πξαθηηθή εθκεηάιιεπζε ηνπ παξαπάλσ θαηλνκέλνπ. Δθηφο απφ ηηο πξνζκίμεηο ησλ ηκεκάησλ p θαη n κηαο νκνέλσζεο, δειαδή πιηθνχ απφ ηνλ ίδην βαζηθά εκηαγσγφ, ην ελζσκαησκέλν ειεθηξνζηαηηθφ πεδίν, πνπ είλαη απαξαίηεηε πξνυπφζεζε γηα ηελ πξαγκαηνπνίεζε ελφο ειηαθνχ ζηνηρείνπ, αιιά θαη θάζε θσηνβνιηατθήο δηάηαμεο, κπνξεί λα πξνέξρεηαη επίζεο θαη απφ δηφδνπο π.ρ. απφ δηφδνπο Schottky πνπ ζρεκαηίδνληαη φηαλ έξζνπλ ζε επαθή έλαο εκηαγσγφο κε έλα κέηαιιν. Δηθόλα2.2. Ζιηαθφ ζηνηρείν πνπ απνηειείηαη απφ ηελ επαθή εκηαγσγνχ ηχπνπ-n θαη ηχπνπ p. Γηάγξακκα ηεο δπλακηθή ελέξγεηαο ησλ ειεθηξνλίσλ ζε ζπλάξηεζε κε ην βάζνο απφ ηελ επηθάλεηα. Όπσο παξαηεξείηαη ζηελ εηθφλα, ζην ειηαθφ ζηνηρείν πξνζπίπηεη ειεθηξνκαγλεηηθή αθηηλνβνιία κε ελέξγεηα ηηκήο Δ=hv Δ g. Όπνπ Δ g =Δ cb -E vt ε ηηκή ηνπ ελεξγεηαθνχ δηαθέλνπ, Δ cb ν ππζκέλαο ηεο δψλεο 12

13 αγσγηκφηεηαο θαη E vt ε θνξπθή ηεο δψλεο ζζέλνπο. ηελ πεξηνρή (Η) ην δεκηνπξγνχκελν δεχγνο ειεθηξνληνχ-νπήο δηαδσξίδεηαη απφ ην ειεθηξνζηαηηθφ πεδίν. ην ζρήκα ηα ειεθηξφληα (ζθαίξεο) θπινχλ πάλσ ζηνλ ππζκέλα ηεο δψλεο αγσγηκφηεηαο θαη κεηαθέξνληαη ζηελ πεξηνρή ηχπνπ-n. Καη αλαινγία, νη νπέο (θπζαιίδεο) νιηζζαίλνπλ κφιηο θάησ απφ ηελ πεξηνρή ηεο δψλεο ζζέλνπο θαη κεηαθέξνληαη πξνο ηελ πεξηνρή ηχπνπ-p γηα λα ειαρηζηνπνηήζνπλ ηε δπλακηθή ηνπο ελέξγεηα. ηηο πεξηνρέο (ΗΗ) δελ δηαρσξίδνληαη ρσξηθά νη παξαγφκελνη θνξείο νπφηε, αθνχ δήζνπλ ην ρξφλν δσήο ηνπο, επαλαζπλδένληαη θαη ράλνληαη εθπέκπνληαο έλα θσηφλην ελέξγεηαο: E h v E g (2.1) 2.2 Πεξηνξηζκνί ζηελ απόδνζε ησλ θσηνβνιηατθώλ Παξ φια απηά φκσο δελ κπνξνχκε λα εθκεηαιιεπηνχκε φιε ηελ πξνζπίπηνπζα ειηαθή ελέξγεηα. Σν θάζε εκηαγσγφ πιηθφ αληηδξά ζε δηαθνξεηηθά κήθε θχκαηνο ηεο αθηηλνβνιίαο. Κάπνηα πιηθά αληηδξνχλε επξχηεξα θάζκαηα αθηηλνβνιίαο απφ θάπνηα άιια. ρήκα 1. Ζιηαθφ θάζκα 13

14 Έηζη αλάινγα κε ην πιηθφ πνπ ρξεζηκνπνηνχκε κπνξνχκε λα εθκεηαιιεπηνχκε κφλν εθείλν ην θάζκα ηεο αθηηλνβνιίαο πνπ αληηδξά κε ην ζπγθεθξηκέλν πιηθφ. Σν πνζνζηφ ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο πνπ παξάγεηαη ζε ζρέζε κε ηελ πξνζπίπηνπζα ειηαθή ελέξγεηα ζπκβνιίδεη ηνλ ζπληειεζηή απφδνζεο ηνπ πιηθνχ. Οη δχν βαζηθνί παξάγνληεο γηα ηελ απφδνζε ελφο θσηνβνιηατθνχ πιηθνχ είλαη ην ελεξγεηαθφ ράζκα ηνπ πιηθνχ θαη ν ζπληειεζηήο κεηαηξνπήο. 2.3 Μαζεκαηηθέο Δμηζώζεηο Πεξηγξαθήο Φαηλνκέλνπ ηελ αλάιπζε ηνπ θσηνειεθηξηθνχ θαηλνκέλνπ ρξεζηκνπνηνχληαη νη αθφινπζεο ηζνδχλακεο εμηζψζεηο: (2.2) Όπνπ f: ε ζπρλφηεηα ηνπ πξνζπίπηνληνο θσηνλίνπ ειεθηξφλην απφ ην πιηθφ. ε ειάρηζηε απαηηνχκελε ελέξγεηα γηα λα απνκαθξπλζεί έλα ειεθηξνλίνπ : ε κέγηζηε θηλεηηθή ελέξγεηα ελφο εθπεκπφκελνπ fν : ε ζπρλφηεηα θαησθιηνχ γηα λα ζπκβεί ην θσηνειεθηξηθφ θαηλφκελν m : ε κάδα ηνπ εθπεκπφκελνπ ειεθηξνλίνπ vm : ε ηαρχηεηα ηνπ εθπεκπφκελνπ ειεθηξνλίνπ 14

15 Δάλ ε ελέξγεηα ηνπ θσηνλίνπ (hf) δελ είλαη κεγαιχηεξε απφ ηε ελέξγεηα θαησθιηνχ (θ), θαλέλα ειεθηξφλην δελ ζα εθπεκθζεί. χκθσλα κε ηε ε ζεσξία ηεο ζρεηηθφηεηαο ηνπ Einstein ε ζρέζε κεηαμχ ηεο ελέξγεηαο (Δ) θαη ηεο νξκήο (p) ελφο κνξίνπ είλαη (2.3) 2.4 Απνξξόθεζε ηεο Αθηηλνβνιίαο ζηα Φσηνβνιηατθά ηνηρεία ηα θσηνβνιηατθά ζηνηρεία δελ είλαη δπλαηή ε κεηαηξνπή ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα ηνπ ζπλφινπ ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ δέρνληαη ζηελ επηθάλεηά ηνπο. Έλα κέξνο ηεο αθηηλνβνιίαο αλαθιάηαη πάλσ ζηελ επηθάλεηά ηνπο θαη δηαρέεηαη πάιη πξνο ην πεξηβάιινλ. Ο εκηαγσγφο ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ δηαθαλέο ζψκα γηα ηα θσηφληα εθείλα κε ελέξγεηα κηθξφηεξε απφ ην ελεξγεηαθφ δηάθελφ ηνπ. Έηζη, ε ειηαθή αθηηλνβνιία δηαπεξλά άζηθηε ην εκηαγψγηκν πιηθφ ηνπ ζηνηρείνπ θαη απνξξνθάηαη ηειηθά ζην κεηαιιηθφ ειεθηξφδην πνπ θαιχπηεη ηελ πίζσ φςε ηνπ κε απνηέιεζκα λα ην ζεξκαίλεη. Απφ ηα θσηφληα πνπ απνξξνθά ν εκηαγσγφο, κφλν εθείλν ην κέξνο ηεο ελέξγεηαο πνπ ηζνχηαη κε ην ελεξγεηαθφ δηάθελν ζπκβάιιεη ζην θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν, ελψ ην ππφινηπν κεηαθέξεηαη ζαλ θηλεηηθή ελέξγεηα ζην ειεθηξφλην πνπ ειεπζεξψζεθε απφ ην δεζκφ θαη ηειηθά κεηαηξέπεηαη επίζεο ζε ζεξκφηεηα. Ζ ελέξγεηα ελφο θσηνλίνπ Δ ζπλδέεηαη κε ηελ ζπρλφηεηα ηεο αθηηλνβνιίαο λ θαη κε ην κήθνο θχκαηνο ι κε ηηο ζρέζεηο: hc E h (2.4) 15

16 Όπνπ: h: ε ζηαζεξά ηνπ Planck (h=6,3x10-34 Js) c: ε ηαρχηεηα ηνπ θσηφο (c=3x10 8 m/s) Αλ ην ελεξγεηαθφ δηάθελν είλαη ζε κνλάδεο ev θαη ην κήθνο θχκαηνο ζε κm ηφηε ην κέγηζην ρξεζηκνπνηήζηκν κήθνο θχκαηνο αθηηλνβνιίαο ζε έλαλ εκηαγσγφ ελεξγεηαθνχ δηαθέλνπ Δg, ζα είλαη: 1,238 g E g (2.5) Αλ ζηελ επηθάλεηα ελφο εκηαγσγνχ δηεηζδχζεη αθηηλνβνιία κνλνρξσκαηηθήο δέζκεο κε θσηφληα ελέξγεηαο hλ θαη έληαζεο Ζ, ηφηε ε ξνή ησλ θσηνλίσλ Φ ζα είλαη: h hc (2.6) Παξαηεξνχκε νηη γηα ζηαζεξή έληαζε Ζ, ε ξνή Φ είλαη αληηζηξφθσο αλάινγε κε ηελ ελέξγεηα ησλ θσηνλίσλ. Ζ επθνιία κε ηελ νπνία απνξξνθνχληαη ηα θσηφληα, δίλεηαη απφ ην ξπζκφ ηεο κεηαβνιήο ηεο Φ κε ηελ αχμεζε ηεο απφζηαζεο πνπ δηαλχεη ε αθηηλνβνιία. Ο ξπζκφο απηφο έρεη αξλεηηθή ηηκή, αθνχ ε Φ κεηψλεηαη κε ηελ απμήζε ηεο απφζηαζεο x πνπ δηαλχεη ε αθηηλνβνιία θαη είλαη αλάινγνο κε ηε ζπγθεθξηκέλε ηηκή ηεο Φ ζην βάζνο x, δειαδή ηελ Φ(x). Θα ηζρχεη ζπλεπψο ε ζρέζε: d a ( x) (2.7) dx 16

17 Όπνπ α ν ζπληειεζηήο απνξξφθεζεο ηεο ππφςε αθηηλνβνιίαο, ζε αληίζηξνθεο κνλάδεο κήθνπο. Ζ ιχζε ηεο παξαπάλσ δηαθνξηθήο εμίζσζεο γηα x=0 θαη Φν ηελ αξρηθή ηηκή ηεο ξνήο ησλ θσηνλίσλ ζηελ επηθάλεηα ελφο εκηαγσγνχ είλαη: ( x) exp[ ax] 0 (2.8) Καη νλνκάδεηαη λφκνο ηνπ Μπεξ. Παξαηεξνχκε φηη ν ξπζκφο απνξξφθεζεο ησλ θνξέσλ είλαη κεγαιχηεξνο θνληά ζηελ επηθάλεηα ηνπ εκηαγσγνχ θαη εμαζζελεί εθζεηηθά κε ηελ απφζηαζε απφ απηή. 2.5 Γεκηνπξγία ηνπ Φσηνξεύκαηνο Όηαλ έλα θσηνβνιηατθφ ζηνηρείν δέρεηαη θαηάιιειε αθηηλνβνιία, δηεγείξεηαη παξάγνληαο ειεθηξηθφ ξεχκα, ην θσηφξεπκα Ηθ, πνπ ε ηηκή ηνπ ζα είλαη αλάινγε πξνο ηα θσηφληα πνπ απνξξνθά ην ζηνηρείν. Αλ ππνζέζνπκε νηη έρνπλ εμαζθαιηζηεί νη βαζηθέο πξνυπνζέζεηο γηα έλα θαιφ θ/β ζηνηρείν, ηφηε γηα ηελ ππθλφηεηα ηνπ θσηνξεχκαηνο, ηζρχεη ηθαλνπνηεηηθά ε ζρέζε: I e g ( L L ) n p (2.9) Όπνπ: e: ην ζηνηρεηψδεο ειεθηξηθφ θνξηίν g: ν ξπζκφο δεκηνπξγίαο δεχγσλ θνξέσλ απφ ηα θσηφληα ηεο αθηηλνβνιίαο Ln : ην κέζν κήθνο δηάρπζεο ησλ ειεθηξνλίσλ Lp : ην κέζν κήθνο δηάρπζεο ησλ νπψλ 17

18 Ωο θαζκαηηθή απφθξηζε S, νξίδεηαη ην πιήζνο ησλ θνξέσλ πνπ ζπιιέγνληαη ζηα ειεθηξφδηα ηνπ θ/β ζηνηρείνπ, ζε ζρέζε κε ηε ξνή Φ θαη απνηειεί ρξήζηκν κέγεζνο γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηνπ θσηνξεχκαηνο. Γηα αθηηλνβνιία κήθνπο θχκαηνο ι, ε θαζκαηηθή απφθξηζε S(ι) ζα είλαη: ( ) S( ) e ( ) (2.10) φπνπ Φ(ι): ην πιήζνο ησλ θσηνλίσλ κε ελέξγεηα πνπ αληηζηνηρεί ζε κήθνο θχκαηνο απφ ι κέρξη ι+dι. πλεπψο ην ζπλνιηθφ θσηφξεπκα ηνπ ζηνηρείνπ φηαλ δέρεηαη πνιπρξσκαηηθή αθηηλνβνιία, ζα είλαη : I e g 0 S d (2.11) Ζ ηηκή ηεο θαζκαηηθήο απφθξηζεο θαη ζπλεπψο ηνπ θσηνξεχκαηνο ελφο θ/β ζηνηρείνπ, εμαξηάηαη απφ πνιινχο θαηαζθεπαζηηθνχο παξάγνληεο, φπσο ν ζπληειεζηήο αλάθιαζεο ζηελ επηθάλεηα ηνπ ζηνηρείνπ, ν ζπληειεζηήο απνξξφθεζεο θαη ην πάρνο ηνπ εκηαγσγνχ, ην πιήζνο ησλ επαλαζπλδέζεσλ ησλ θνξέσλ θιπ. ην παξαθάησ ζρήκα θαίλεηαη ε κεηαβνιή ηεο θαζκαηηθήο απφθξηζεο ελφο θσηνβνιηατθνχ ζηνηρείνπ ηνπ εκπνξίνπ ζε ζπλάξηεζε κε ηελ ελέξγεηα ησλ θσηνλίσλ ηεο αθηηλνβνιίαο πνπ δέρεηαη. 18

19 Δηθόλα 2.3. Ζ κεηαβνιή ηεο θαζκαηηθήο απφθξηζεο S(v) ζε ζπλάξηεζε κε ηελ ελέξγεηα ησλ θσηνλίσλ ηεο αθηηλνβνιίαο ζηηο πεξηνρέο ελφο θσηνβνιηατθνχ ζηνηρείνπ ππξηηίνπ: εκπξφο φςε ηχπνπ n, πίζσ φςε ηχπνπ p. 2.6 Ζκηαγώγηκα Τιηθά Σα εκηαγψγηκα πιηθά ραξαθηεξίδνληαη σο ηέιεηνη κνλσηέο ζε ζεξκνθξαζία απφιπηνπ κεδελφο κε ηα αληφληα ηθαλά γηα κεηάδνζε ζεξκφηεηαο θαη ελέξγεηαο κέζσ επαθήο θαζψο απμάλεηαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ πιηθνχ. Σν θαηλφκελν απηφ κπνξεί λα εμεγεζεί κε βάζε ηε θβαληηθή ζεσξία, ζεκεηψλνληαο φηη ηα εκηαγψγηκα πιηθά έρνπλ ελεξγεηαθφ δηάθελν κεηαμχ ηεο δψλεο ζζέλνπο θαη ηεο δψλεο αγσγηκφηεηαο. Ζ δψλε ζζέλνπο αληηπξνζσπεχεη ηηο επηηξεπφκελεο ηηκέο ελέξγεηαο ησλ ειεθηξνλίσλ ζζέλνπο πνπ απνηεινχλ ηα φξηα ζηα άηνκα ησλ δεθηψλ. Ζ δψλε αγσγηκφηεηαο αληηπξνζσπεχεη ηηο επηηξεπφκελεο ηηκέο ελέξγεηαο ησλ ειεθηξνλίσλ πνπ έρνπλ ιάβεη κε θάπνην κεραληζκφ ελέξγεηα θαη πιένλ δελ απνηεινχλ ηα φξηα ζε έλα ζπγθεθξηκέλν άηνκν δέθηε. ηε ζεξκνθξαζία ησλ 0 Κ, φιεο νη επηηξεπφκελεο ζηάζκεο ελέξγεηαο ζηε δψλε ζζέλνπο ελφο εκηαγψγηκνπ πιηθνχ είλαη θαηεηιεκκέλεο απφ ειεθηξφληα ελψ ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο νη επηηξεπφκελεο ζηάζκεο ελέξγεηαο είλαη θελέο. Καζψο ε δηαδηθαζία κεηαθνξάο ελέξγεηαο κέζσ επαθήο απαηηεί ηα αληφληα λα θηλνχληαη απφ ηε κηα ζηάζκε ζηελ άιιε εληφο ηνπ ελεξγεηαθνχ δηαθέλνπ θακία 19

20 κεηαθνξά ελέξγεηαο δε κπνξεί λα πξαγκαηνπνηεζεί φηαλ φιεο νη ζηάζκεο είλαη άδεηεο ή φηαλ φιεο είλαη γεκάηεο. Δηθόλα 2.4. Καηαζηάζεηο δψλεο ζζέλνπο θαη δψλεο αγσγηκφηεηαο γηα εκηαγψγηκν πιηθφ. Καζψο ε ζεξκνθξαζία ζε έλα δείγκα εκηαγσγνχ απμάλεηαη, κεηαδίδεηαη επαξθήο ελέξγεηα ζην ειεθηξφλην ψζηε λα κεηαθηλεζεί απ φ ηε δψλε ζζέλνπο ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο. Όηαλ ην ειεθηξφλην εγθαηαιείςεη ηε δψλε ζζέλνπο ηφηε κηα ζέζε κέλεη θελή, απηή κπνξεί λα θαηαιεθζεί πιένλ απφ έλα άιιν ειεθηξφλην αλ απηφ κεηαθηλεζεί πξνο ηε ζέζε απηή. Φπζηθά ην ειεθηξφλην πνπ κεηαθηλήζεθε ζηε δψλε ζζέλνπο γηα λα θαηαιάβεη ηε θελή ζέζε άθεζε θελή ηε ζέζε απφ ηελ νπνία πξνήξζε. Απφ ηα παξαπάλσ ζπκπεξαίλνπκε φηη ην ειεθηξφλην πνπ κεηαθηλείηαη ζηε δψλε ζζέλνπο ζα πξέπεη λα έρεη είηε αξλεηηθή ελεξγφ κάδα καδί κε ην αξλεηηθφ ηνπ θνξηίν είηε ζεηηθή ελεξγφ κάδα θαη ζεηηθφ θνξηίν. Ζ ηειεπηαία είλαη ε ζπλεζέζηεξε πεξηγξαθή θαη ε θίλεζε ηνπ ειεθηξνλίνπ κέζα ζηε δψλε ζζέλνπο θαιείηαη θίλεζε νπήο, φπνπ νπή θαινχληαη ηα ζεηηθά θνξηηζκέλα ηφληα. Απηά ηα ειεθηξφληα θαη νη νπέο εκθαλίδνληαη πάληα ζε δεχγε. πλεπψο φηαλ έλα ειεθηξφλην κεηαθηλεζεί απφ ηε δψλε ζζέλνπο ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο κέζα ζε έλα 20

21 εκηαγσγφ κε νπνηνδήπνηε ηξφπν ζπκβάιεη ζηε δεκηνπξγία ελφο δεχγνπο ειεθηξνλίνπ-νπήο. 2.7 Γεκηνπξγία Εεπγώλ Ζιεθηξνλίσλ-Οπώλ ζρέζε: Ζ ελέξγεηα ηνπ θσηνλίνπ δίλεηαη φπσο έρνπκε ήδε αλαθέξεη απφ ηε E h v h c (2.12) φπνπ: h: ε ζηαζεξά ηνπ Planck, h= 6,63x10-34 J/sec c: ε ηαρχηεηα ηνπ θσηφο c= 2,998x10 8 m/sec v: ε ζπρλφηεηα ηνπ θσηνλίνπ (Hz) ι: ην κήθνο θχκαηνο ηνπ θσηνλίνπ (m) Καζψο ζε αηνκηθφ επίπεδν, ε ελέξγεηα εθθξάδεηαη ζε ev (1eV=1,6x10-19 J) θαη ην κήθνο θχκαηνο ζε κm, ε ελέξγεηα κπνξεί λα εθθξαζηεί ζε ev. 1,24 E (ev) (2.13) Ζ ελέξγεηα ηνπ θσηνλίνπ πξέπεη λα ππεξβαίλεη ην ελεξγεηαθφ δηάθελν ηνπ εκηαγσγνχ Δg γηα λα απνξξνθεζεί. Σα θσηφληα κε ελέξγεηα ίζε ή ιίγν παξαπάλσ απφ ηελ Δg είλαη ηα πεξηζζφηεξν θαηάιιεια λα απνξξνθεζνχλ αθνχ αληηζηνηρνχλ θαιχηεξα ζην ελεξγεηαθφ δηάθελν θαη ζηελ αξρή δηαηήξεζεο ηεο νξκήο. Αθφκε θαη αλ ην θσηφλην έρεη 21

22 πεξηζζφηεξε ελέξγεηα απφ απηή ηνπ δηαθέλνπ, κπνξεί λα παξάγεη έλα κφλν δεχγνο ειεθηξνλίνπ-νπήο. Σν ππφινηπν ηεο ελέξγεηάο ηνπ ράλεηαη ζην ζηνηρείν κε ηε κνξθή ζεξκηθήο ελέξγεηαο. Γηα ην ιφγν απηφ είλαη επηζπκεηφ ν αγσγφο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα απνξξφθεζε ηνπ θσηφο λα έρεη ελεξγεηαθφ δηάθελν ηέηνην ψζηε ην κεγαιχηεξν πνζνζηφ ηνπ ειηαθνχ θάζκαηνο λα κπνξεί λα απνξξνθεζεί. Γλσξίδνληαο φηη ην ζεκείν αηρκήο ηνπ ειηαθνχ θάζκαηνο είλαη ζε κήθνο θχκαηνο ι= 0,5κm, πξνθχπηεη ελεξγεηαθφ δηάθελν Δg = 2,5 ev. Ζ θχζε ηνπ δηαθέλνπ επίζεο επεξεάδεη ην βαζκφ απνξξφθεζεο ζε έλα πιηθφ. Καζψο ηα ειεθηξφληα κεηαθηλνχληαη απφ ηε δψλε ζζέλνπο ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο, ιακβάλεη ρψξα κεηαθνξά ελέξγεηαο θαη νξκήο έηζη ψζηε λα ηζρχνπλ νη λφκνη ηεο αξρήο δηαηήξεζεο ηεο ελέξγεηαο θαη ηεο νξκήο. Οξηζκέλα εκηαγψγηκα πιηθά ηαμηλνκνχληαη σο πιηθά άκεζνπ δηαθέλνπ ελψ άιια σο πιηθά έκκεζνπ δηαθέλνπ. ην παξαθάησ ζρήκα θαίλνληαη ηα αληίζηνηρα δηαγξάκκαηα. Δηθόλα 2.5. Δλεξγεηαθφ δηάγξακκα ηεο δψλεο ζζέλνπο θαη ηεο δψλεο αγσγηκφηεηα ζπλαξηήζεη ηεο νξκήο ηνπ α. ππξηηίνπ (Si) θαη β. αξζεληθνχ γαιιίνπ (GaAs). 22

23 Παξαηεξνχκε φηη γηα ην ππξίηην ε βάζε ηεο δψλεο αγσγηκφηεηαο είλαη κεηαηνπηζκέλε ζηνλ άμνλα ηεο νξκήο, απνκαθξπζκέλε απφ ηε θνξπθή ηεο δψλεο ζζέλνπο. Απηφ είλαη έλα έκκεζν δηάθελν. Αληίζεηα ην δηάγξακκα ηνπ GaAs είλαη έλα άκεζν δηάθελν φπνπ ε βάζε ηεο δψλε αγσγηκφηεηαο βξίζθεηαη ζε επζεία κε ηε θνξπθή ηεο δψλεο ζζέλνπο. Σα παξαπάλσ δηαγξάκκαηα δείρλνπλ φηη νη επηηξεπφκελεο ελέξγεηεο ελφο ζσκαηηδίνπ κέζα ζηε δψλε ζζέλνπο εμαξηάηαη απφ ηελ νξκή ηνπ ζσκαηηδίνπ. Ζ κεηαθίλεζε ηνπ ειεθηξνλίνπ απφ έλα ζεκείν ζηε δψλε ζζέλνπο ζε έλα άιιν ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο πξέπεη λα δηέπεηαη απφ ηελ αξρή δηαηήξεζεο ηεο ελέξγεηαο θαη ηεο νξκήο. Γηα παξάδεηγκα, ζην ππξίηην, ε βάζε ηεο δψλεο αγσγηκφηεηαο κε ηελ θνξπθή ηεο δψλεο ζζέλνπο δηαθέξνπλ 1,1eV, είλαη δχζθνιν γηα έλα θσηφλην κε ελέξγεηα 1,1eV λα δηεγείξεη έλα ειεθηξφλην ζζέλνπο ψζηε απηφ λα κεηαπεδήζεη ζηε δψλε αγσγηκφηεηαο, γηα ηνλ ιφγν φηη ε κεηάβαζε απηή απαηηεί λα ζπλνδεχεηαη απφ ηελ αλάινγε νξκή ψζηε λα επηηεπρζεί κεηαηφπηζε θαηά κήθνο ηνπ άμνλα ηεο νξκήο, φκσο ην θσηφλην θέξεη κηθξή νξκή. Σν ειεθηξφλην ζζέλνπο πξέπεη ζπλεπψο ηαπηφρξνλα λα απνθηήζεη νξκή απφ θάπνηα άιιε πεγή θαζψο απνξξνθά ελέξγεηα απφ ην αξρηθφ θσηφλην. Δπεηδή φκσο ηέηνηα θαηλφκελα είλαη αδχλαηνλ λα ζπκβνχλ, ε απνξξφθεζε ρακειψλ ελεξγεηαθά θσηνλίσλ ζην ελεξγεηαθφ δηάθελν ηνπ ππξηηίνπ είλαη πνιιέο ηάμεηο κεγέζνπο ιηγφηεξε πηζαλή απφ ηελ απνξξφθεζε πςειφηεξσλ ελεξγεηαθά θσηνλίσλ. Καζψο ηα θσηφληα δηαζέηνπλ ηφζν κηθξή νξκή, θαηαιήγνπκε φηη ηα πιηθά άκεζνπ δηαθέλνπ, φπσο ην Αξζεληθφ Γάιιην (GaAs) θαη ην άκνξθν ππξίηην απνξξνθνχλ θσηφληα κε ελέξγεηα θνληά ζηελ ελέξγεηα δηαθέλνπ ηνπ πιηθνχ πνιχ πην εχθνια απ φηη ηα πιηθά έκκεζνπ δηαθέλνπ. πλεπψο, ηα πιηθά απνξξφθεζεο άκεζνπ δηαθέλνπ κπνξνχλ λα είλαη πνιιέο ηάμεηο κεγέζνπο ιεπηφηεξα απφ φηη ηα πιηθά κε έκκεζν 23

24 δηάθελν θαη αθφκε κπνξνχλ λα απνξξνθήζνπλ έλα ζεκαληηθφ κέξνο ηεο αξρηθήο αθηηλνβνιίαο. Ζ δηαδηθαζία απνξξφθεζεο είλαη παξφκνηα κε πνιιέο άιιεο θπζηθέο δηαδηθαζίεο. Ο ξπζκφο κεηαβνιήο ηεο ππθλφηεηαο ηνπ θσηφο ζε ζπλάξηεζε κε ηε ζέζε είλαη αλάινγνο κε ηελ αξρηθή ππθλφηεηα: di dx ai (2.14) ε ιχζε ηεο είλαη: I I 0 e ax (2.15) φπνπ Η: ππθλφηεηα ηνπ θσηφο ζε βάζνο x ζην πιηθφ Η 0 : ππθλφηεηα ζηελ επηθάλεηα α: ζηαζεξά απνξξφθεζεο, εμαξηάηαη απφ ην πιηθφ θαη απφ ην κήθνο θχκαηνο. Ζ εμίζσζε I I 0 e ax, δηέπεη ηελ απνξξφθεζε ησλ θσηνλίσλ θνληά ή πάλσ ζηελ έλσζε pn. Ζ ηειεπηαία ζρέζε δείρλεη φηη ηα ζηνηρεία πξέπεη λα είλαη επαξθψο παρηά γηα λα απνξξνθήζνπλ ηελ αθηηλνβνιία. ε νξηζκέλεο πεξηπηψζεηο ην κήθνο ηεο δηαδξνκήο απμάλεηαη πξνθαιψληαο ηελ αλάθιαζε ηνπ θσηφο απφ ηελ εκπξφο θαη πίζσ επηθάλεηα ελψ κέζα ζην πιηθφ παξάγνληαη δεχγε ειεθηξνλίσλνπψλ. 24

25 2.8 Ζ Έλσζε pn Σάζε Αλνηρηνθύθισζεο θαη Ρεύκα Βξαρπθύθισζεο Οη δπν ζεκαληηθφηεξεο παξάκεηξνη πεξηγξαθήο ηελ ειεθηξηθή απφδνζε ηεο θπςέιεο είλαη ε ηάζε αλνηρηνθχθισζεο V oc θαη ην ξεχκα βξαρπθχθισζεο I sc. Έλα απινπνηεκέλν ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ θσηνβνιηατθνχ ζηνηρείνπ θαίλεηαη ζηελ εηθφλα 2.6. Δηθόλα 2.6. Ηζνδχλακν θχθισκα θσηηδφκελνπ ειηαθνχ ζηνηρείνπ. Σν ξεχκα βξαρπθχθισζεο κεηξηέηαη βξαρπθπθιψλνληαο ηελ έμνδν θαη κεηξψληαο ην ηειηθφ ξεχκα ππφ πιήξε αθηηλνβφιηζε. Αγλνψληαο ηε κηθξή δίνδν θαη ην ξεχκα γείσζεο πνπ δηαθεχγεη ππφ κεδεληθή ηάζε, ην ξεχκα βξαρπθχθισζεο ππφ απηέο ηηο ζπλζήθεο είλαη ην θσηφξεπκα Η Φ πνπ είλαη αλάινγν πξνο ηα θσηφληα πνπ απνξξνθά ην ειηαθφ ζηνηρείν, δειαδή I sc = Η Φ. 25

26 Ζ κέγηζηε θσηνηάζε παξάγεηαη ππφ ζπλζήθεο ηάζεο αλνηρηνθχθισζεο. Πάιη, αγλνψληαο ην ξεχκα γείσζεο πνπ δηαθεχγεη θαη ζέηνληαο I L =0 ζηελ εμίζσζε QV OC KT IL I I0 e 1 (2.16) παίξλνπκε ηε ηάζε αλνηρηνθχθισζεο : V OC KT I ln 1 Q I0 (2.17) Όπνπ Η 0 : ην αλάζηξνθν ξεχκα θφξνπ ηεο δηφδνπ Q: ην θνξηίν ηνπ ειεθηξνλίνπ = 1,602x10-19 Coulomb Κ: ε ζηαζεξά Boltzmann = 1,38x10-23 Joules/Kelvin Σ: ε απφιπηε ζεξκνθξαζία ζε Kelvin V L : ε ηάζε ζηα άθξα ηεο δηφδνπ απφ ηε πξφζπησζε ηνπ θσηφο Ζ ζηαζεξά K T /Q είλαη ε απφιπηε ζεξκνθξαζία εθθξαζκέλε ζε ηάζε 300 Κ=0.026 volt. ηε πξαγκαηηθφηεηα, ην θσηφξεπκα είλαη αξθεηέο ηάμεηο κεγέζνπο κεγαιχηεξν απφ ην αλάζηξνθν ξεχκα θφξνπ. Γηα ην ιφγν απηφ, ε ηάζε αλνηρηνθχθισζεο είλαη πνιιαπιάζην ηεο πνζφηεηαο K T /Q. Τπφ ζπλζήθεο ζπλερνχο αθηηλνβφιηζεο, ν ιφγνο I Φ /I D απνηειεί επαξθή ιεηηνπξγία γηα ηε ζεξκνθξαζία ηεο θπςέιεο, θαη ε ειηαθή θπςέιε ζπλήζσο εκθαλίδεη έλαλ αξλεηηθφ ζεξκνθξαζηαθφ ζπληειεζηή ζηε ηάζε αλνηρηνθχθισζεο. 26

27 2.8.2 Υαξαθηεξηζηηθέο Κακπύιεο Η-V θαη P-V Σα ειεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά κηαο θσηνβνιηατθήο θπςέιεο γεληθά αλαπαξίζηαληαη απφ ηε θακπχιε Η-V. Ζ παξαθάησ εηθφλα 2.7 δείρλεη ηε Η-V ραξαθηεξηζηηθή ελφο θσηνβνιηατθνχ πάλει ππφ δπν δηαθνξεηηθέο ζπλζήθεο, ππφ ζθνηάδη θαη ππφ θσο. Δηθόλα 2.7. Υαξαθηεξηζηηθή θακπχιε I-V ελφο θσηνβνιηατθνχ ππφ θσο θαη ππφ ζθνηάδη. ην πξψην ηεηαξηεκφξην, ε αξηζηεξή θνξπθή ηεο θακπχιεο Η-V ππφ κεδεληθή ηάζε θαιείηαη ξεχκα βξαρπθχθισζεο. Απηφ είλαη ην ξεχκα πνπ κπνξνχκε λα κεηξήζνπκε κε ηνπο αθξνδέθηεο εμφδνπ βξαρπθπθισκέλνπο (κεδεληθή ηάζε). Σν θάησ δεμί κέξνο ηεο θακπχιεο ζην κεδεληθφ ξεχκα θαιείηαη ηάζε αλνηρηνθχθισζεο. Πξφθεηηαη γηα ηελ ηάζε πνπ κεηξηέηαη αλνηρηνθπθιψλνληαο ηνπο αθξνδέθηεο εμφδνπ (κεδεληθφ ξεχκα). ηελ αξηζηεξή γξακκνζθηαζκέλε πεξηνρή, ε θπςέιε ιεηηνπξγεί ζαλ κηα ζπλερήο πεγή ξεχκαηνο, παξάγνληαο ηάζε γηα λα αληηζηνηρεί ζηελ αληίζηαζε θνξηίνπ. ηε δεμηά γξακκνζθηαζκέλε πεξηνρή, ε έληαζε κεηψλεηαη απφηνκα κε κηα κηθξή άλνδν ηεο ηάζεο. ε απηή ηε πεξηνρή ε θπςέιε ιεηηνπξγεί ζαλ κηα ζπλερή πεγή ηάζεο κε εζσηεξηθή αληίζηαζε. Κάπνπ κεηαμχ ησλ δπν γξακκνζθηαζκέλσλ πεξηνρψλ ππάξρεη ην ζεκείν γνλάηνπ. 27

28 Δάλ ε ηάζε επηβάιιεηαη εμσηεξηθψο κε αληίζεηε θαηεχζπλζε, ην ξεχκα δηαηεξείηαη ζηαζεξφ θαη απνξξνθάηαη ηζρχο απφ ηε θπςέιε. Παξφια απηά, πέξα απφ κηα ζπγθεθξηκέλε αξλεηηθή ηάζε, ε έλσζε δηαζπάηαη φπσο ζε κηα δίνδν, θαη ε έληαζε θζάλεη κηα πςειή ηηκή. ην ζθνηάδη, ην ξεχκα είλαη κεδέλ γηα ηάζε κεγαιχηεξε ηεο ηάζεο δηάζπαζεο ε νπνία είλαη ε ίδηα φπσο θαη ζηελ πεξίπησζε κε θσο. Ζ ηζρχο εμφδνπ ηνπ πάλει είλαη ην γηλφκελν ηεο ηάζεο θαη ηεο έληαζεο εμφδνπ θαη γίλεηαη κέγηζηε γηα ηάζε θαη έληαζε πνπ αληηζηνηρνχλ ζην ζεκείν γνλάηνπ. P I V m m m (2.18) ηελ εηθφλα 2.8 παξηζηάλεηαη ε ηζρχο ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο. Δηθόλα 2.8. Υαξαθηεξηζηηθή P-V, θσηνβνιηατθνχ ζηνηρείνπ πνπ αθηηλνβνιείηε. Παξαηεξνχκε φηη ε θπςέιε παξάγεη κεδεληθή ηζρχ γηα κεδεληθή ηάζε θαη έληαζε, ελψ παξάγεη κέγηζηε ηζρχ γηα ηάζε πνπ αληηζηνηρεί 28

29 ζην ζεκείν γνλάηνπ ηεο Η-V ραξαθηεξηζηηθήο. Γηα ην ιφγν απηφ ηα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα ζρεδηάδνληαη λα ιεηηνπξγνχλ θνληά ζην ζεκείν γνλάηνπ, ειαθξψο πξνο ηελ αξηζηεξή πιεπξά. Σα θσηνβνιηατθά πάλει κνληεινπνηνχληαη σο κηα ζπλερή πεγή ξεχκαηνο. Ζ παξαθάησ εηθφλα 2.9 παξηζηάλεη ηε ραξαθηεξηζηηθή ελφο 22-watt πάλει ππφ δπν δηαθνξεηηθέο ππθλφηεηεο αθηηλνβνιίαο, 1000 watt/m² θαη 500 watt/m². Οη θακπχιεο απηέο είλαη ζε ΑΜ1.5 (air mass). Ζ κεδεληθή αέξηα κάδα (ΑΜ0) αληηπξνζσπεχεη ζπλζήθεο ζην δηάζηεκα φπνπ ε ειηαθή αθηηλνβνιία είλαη 1350 watt/m². Ζ κνλαδηαία αέξηα κάδα (ΑΜ1) αληηπξνζσπεχεη ηηο ηδαληθέο ζπλζήθεο ζηε γε ζε θαζαξφ αέξα κε μεξφ κεζεκέξη φηαλ ε ειηαθή αθηηλνβνιία θζάλεη ζηε γε κε ηε κηθξφηεξε αληίζηαζε. Ο αέξαο κηαο ηππηθήο εκέξαο κε πγξαζία θαη κφιπλζε είλαη ΑΜ1.5, ην νπνίν ιακβάλεηαη σο ηηκή αλαθνξάο. Ζ πξνζπίπηνπζα ηζρχο ζε κηα θπζηνινγηθή επηθάλεηα κηα ειηφινπζηε κέξα κε ΑΜ1.5 είλαη πεξίπνπ 1000 watt/m². Μηα ζπλλεθηαζκέλε εκέξα ζα είλαη ρακειή. Ζ ειηαθή ππθλφηεηα ησλ 500 watt/m² απνηειεί κηα δηαθνξεηηθή θαηάζηαζε αλαθνξάο γηα ηελ αλαπαξάζηαζε ηεο Η-V ραξαθηεξηζηηθήο. Δηθόλα 2.9. Υαξαθηεξηζηηθή I-V γηα δηαθνξεηηθήο έληαζεο αθηηλνβνιίαο. 29

30 Ζ απφδνζε ηεο θσηνκεηαηξνπήο κηαο θσηνβνιηατθήο θπςέιεο νξίδεηαη σο αθνινχζσο: ε = ειεθηξηθή ηζρχο εμφδνπ/ πξνζπίπηνπζα θσηεηλή ηζρχ ζηε θπςέιε Pm Im Vm n H A H A (2.19) Όπνπ Ζ: έληαζε ηεο αθηηλνβνιίαο ζηελ επηθάλεηα ηνπ θ/β ζηνηρείνπ Α: ην εκβαδφλ ηεο επηθάλεηαο ηνπ θ/β ζηνηρείνπ Πξνθαλψο φζν πςειφηεξε είλαη ε απφδνζε ηφζν κεγαιχηεξε ηζρχ εμφδνπ παίξλνπκε ππφ δεδνκέλε αθηηλνβφιηζε. 2.9 Ζιηαθά ηνηρεία Ππξηηίνπ Δπηινγή θαη πκπεξηθνξά ηνπ Ππξηηίνπ Σν ππξίηην είλαη έλαο εκηαγσγφο κε έκκεζν ελεξγεηαθφ δηάθελν 1,1eV. Αλ θαη νη δχν απηέο ηδηφηεηεο (έκκεζν θαη ζρεηηθά κηθξή ηηκή δηαθέλνπ) δελ είλαη ηδεψδεο γηα ηε θσηνβνιηατθή κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο, ην ππξίηην είλαη ν εκηαγσγφο πνπ θπξηάξρεζε απφ ηελ αξρή κέρξη θαη ζήκεξα, ζαλ πιηθφ θαηαζθεπήο ησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ. Ζ αηηία είλαη ίζσο φηη ην ππξίηην έρεη ήδε έλα πινχζην παξειζφλ 3-4 δεθαεηηψλ ζαλ ην θχξην πιηθφ ησλ δηαηάμεσλ ησλ εκηαγσγψλ ηεο ειεθηξνληθήο. Δπνκέλσο νη ηδηφηεηέο ηνπ είλαη θαιά κειεηεκέλεο θαη ην πιηθφ θπθινθνξεί ζηελ αγνξά ζε αξθεηά κεγάιεο 30

31 πνζφηεηεο, κε ηθαλνπνηεηηθή ρεκηθή θαζαξφηεηα θαη ηειεηφηεηα θξπζηαιιηθήο δνκήο. Σα ειηαθά ζηνηρεία ππξηηίνπ έρνπλ ιεηηνπξγήζεη κε απνιχησο ηθαλνπνηεηηθή αμηνπηζηία ζε αθξαίεο ζπλζήθεο, ηφζν ζε δηαζηεκηθέο φζν θαη ζε επίγεηεο. π.ρ. ζε δηαζηεκφπινηα ζε ηξνρηά πξνο ηνλ πιαλήηε Γία κε έληαζε αθηηλνβνιίαο κφιηο 50 W/m 2 θαη ζεξκνθξαζία -120 ν C, ή ζε άιια δηαζηεκφπινηα ζε ηξνρηά πξνο ηνλ Δξκή θαη ηελ Αθξνδίηε κε έληαζε αθηηλνβνιίαο 2,5 ΚW/m 2 θαη ζεξκνθξαζίαο 140 ν C, ή ζε ζπζηήκαηα ζπγθεληξσκέλνπ θσηφο, ζηελ επηθάλεηα ηεο γεο, ηζρχνο εθαηνληάδσλ ήιησλ. Δπίζεο, ζε πιαίζηα ηνπνζεηεκέλα ζε θνξπθέο βνπλψλ εθηεζεηκέλα ζε ρηνλνζχειιεο θαη ηαρχηεηεο αλέκνπ πάλσ απφ 100 Κm/h, ζην έληνλν δηαβξσηηθφ πεξηβάιινλ ηεο ζαιάζζηαο αηκφζθαηξαο, ζε πεξηνρέο κε κεγάιεο ζεξκνθξαζηαθέο κεηαβνιέο θιπ. Δλδεηθηηθφ ηεο επηηπρίαο ησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ ππξηηίνπ είλαη ν εληππσζηαθφο ξπζκφο ηεο αχμεζεο ηεο παξαγσγήο ηνπο. Πξηλ απφ είθνζη ρξφληα, ε εηήζηα παξαγσγή ησλ ειηαθψλ θσηνβνιηατθψλ ζηνηρείσλ ππξηηίνπ δελ μεπεξλνχζε, ζε ζπλνιηθή ηζρχ αηρκήο, ηα ιίγα KWp, θαη πξννξίδνληαλ απνθιεηζηηθά γηα ηειεπηθνηλσληαθνχο, κεηεσξνινγηθνχο θαη εξεπλεηηθνχο δνξπθφξνπο. ήκεξα ε εηήζηα παξαγσγή ηνπο έρεη θηάζεη ηα 10 ΜWp (αχμεζε πεξίπνπ 1000 θνξέο), απφ ηα νπνία κφιηο ηα 150 KWp πξννξίδνληαη γηα δνξπθνξηθέο ή άιιεο δηαζηεκηθέο εθαξκνγέο, ελψ ην ππφινηπν ρξεζηκνπνηείηαη ζε επίγεηεο θσηνβνιηατθέο δηαηάμεηο. χκθσλα κε έλα ζεσξεηηθφ ππνινγηζκφ, ε απφδνζε ησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ ππξηηίνπ κπνξεί λα θζάζεη κέρξη 23,92% γηα ζπλζήθεο ΑΜ1. Ο ππνινγηζκφο έρεη γίλεη γηα ειηαθφ ζηνηρείν πάρνπο 100κm κε εκπξφο ηκήκα ηχπνπ ή πάρνπο 0,2κm θαη δψλε εμάληιεζεο πάρνπο 0,15 κm. Σν κήθνο δηάρπζεο ησλ θνξέσλ κεηνλφηεηαο ζεσξήζεθε 150 κm θαη ν κέζνο ρξφλνο δσήο ηνπο 20 κs, πεξίπνπ. Έλα ηέηνην ζηνηρείν ζα έδηλε ηάζε αλνηρηνθχθισζεο V DC = 0,7 V θαη 31

32 ππθλφηεηα βξαρπθπθισκέλνπ θσηνξεχκαηνο Η Φ = 40 ma/cm 2, πεξίπνπ. ηηο πξαθηηθέο εθαξκνγέο ηα ειηαθά ζηνηρεία κνλνθξπζηαιιηθνχ ή πνιπθξπζηαιιηθνχ ππξηηίνπ κεγάιεο επηθάλεηαο έρνπλ απφδνζε πεξίπνπ 10-12% ή ιίγν κεγαιχηεξε Ζ δηακόξθσζε ηεο δηόδνπ πλήζσο, ε δίνδνο ησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ ππξηηίνπ δηακνξθψλεηαη κε ηέηνην ηξφπν, ψζηε ε εκπξφο ηνπο φςε λα είλαη ηχπνπ n κε πξνζκίμεηο αηφκσλ θσζθφξνπ, θαη ην πίζσ ηκήκα λα είλαη ηχπνπ p κε πξνζκίμεηο αηφκσλ βνξίνπ. Καηαζθεπάδνληαη φκσο επίζεο ζηνηρεία κε αληίζεηε έλσζε, δειαδή εκπξφο ηχπνπ p θαη πίζσ ηχπνπ n, θπξίσο γηα δηαζηεκηθέο εθαξκνγέο, δηφηη έρνπλ κεγαιχηεξε αληνρή ζηηο ηζρπξέο αθηηλνβνιίεο. Γηα ηνπο πεξηζζφηεξνπο εκηαγσγνχο, ν ζπληειεζηήο απνξξφθεζεο έρεη κία πεξίπνπ ζηαζεξή (θαη κεγάιε) ηηκή γηα φια ηα θσηφληα πνπ απνξξνθνχλ, ελψ γηα ην ππξίηην απμάλεη αξγά κε ηε κείσζε ηνπ κήθνπο θχκαηνο ησλ θσηνλίσλ. Έηζη, φηαλ έλα θσηνβνιηατθφ ζηνηρείν ππξηηίνπ δέρεηαη πνιπρξσκαηηθή αθηηλνβνιία, φπσο είλαη ην ειηαθφ θσο, ην κέξνο ηεο εθείλν πνπ έρεη κηθξφ ζρεηηθά κήθνο θχκαηνο, απνξξν θάηαη νιφθιεξν ζε κηθξή απφζηαζε απφ ηελ επηθάλεηα. Αλ π.ρ. ην εκπξφο ηκήκα ηνπ ζηνηρείνπ είλαη ηχπνπ n, ππάξρεη κεγάιε πηζαλφηεηα νη νπέο πνπ δεκηνπξγνχληαη απφ ην θσο λα ζπλαληήζνπλ ακέζσο ειεχζεξα ειεθηξφληα (ηα νπνία αθζνλνχλ ζην ηκήκα ηνπ ηχπνπ n σο θνξείο πιεηνλφηεηαο) θαη λα επαλαζπλδεζνχλ, πξηλ πξνιάβνπλ λα δηαρπζνχλ πξνο ηε δψλε εμάληιεζεο ηεο δηφδνπ. Γηα απηφ, ην εκπξφο ηκήκα ησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ ππξηηίνπ θαηαζθεπάδεηαη ζε πνιχ ιεπηφ πάρνο ( ηεο ηάμεο ηνπ κm) ψζηε νη πεξηζζφηεξνη θνξείο, πνπ δεκηνπξγνχληαη κε ηελ απνξξφθεζε ηεο 32

33 αθηηλνβνιίαο, λα έρνπλ ηελ επθαηξία λα πιεζηάζνπλ πξνο ηε δψλε εμάληιεζεο θαη λα εθηξαπνχλ ππφ ηελ επίδξαζε ηνπ πεδίνπ ηεο. Έηζη, θαζψο νη νπέο νδεγνχληαη πξνο ηκήκα ηχπνπ p θαη ηα ειεχζεξα ειεθηξφληα πξνο ην ηκήκα ηχπνπ n, φπνπ θαη νη κελ θαη νη δε είλαη θνξείο πιεηνλφηεηαο, ε πηζαλφηεηα λα κελ ζπλαληήζνπλ αληίζεηνπο θνξείο θαη λα κελ επαλαζπλδεζνχλ (θαη επνκέλσο λα κπνξέζνπλ λα ζπκβάιινπλ ζηελ εθδήισζε ηνπ θσηνβνιηατθνχ θαηλνκέλνπ) είλαη κεγάιε. Όζν θαζαξφηεξνο είλαη έλαο εκηαγσγφο, ηφζν κεγαιχηεξν κήθνο δηάρπζεο έρνπλ νη θνξείο ηνπ θαη ηφζν κεγαιχηεξε πηζαλφηεηα έρνπλ, σο θνξείο κεηνλφηεηαο, λα θηάζνπλ ζηε δψλε εμάληιεζεο ηεο δηφδνπ. Παξάιιεια, γηα ηελ αχμεζε ηεο παξαπάλσ πηζαλφηεηαο, επηδηψθεηαη λα απνθηήζεη κεγάιν πάρνο ε δψλε εμάληιεζεο ηεο δηφδνπ, πνπ πεηπραίλεηαη κε ηε δηακφξθσζε ηνπ εκπξφο ηκήκαηνο ζε ηχπνπ n+ (δειαδή κε κεγάιε ζπγθέληξσζε δνηψλ) ελψ ζην ηκήκα p ε ζπγθέληξσζε απνδεθηψλ είλαη ζρεηηθά κηθξή. πλεζηζκέλεο ηηκέο γηα ηα ειηαθά ζηνηρεία ηνπ εκπνξίνπ είλαη N D = /cm³ θαη Ν A =10 16 / cm³ πεξίπνπ Υξήζεηο θαη Δπηδξάζεηο Γηα πνιιέο αλαπηπζζφκελεο ρψξεο, φπνπ ην ειεθηξηθφ δίθηπν είλαη πεξηνξηζκέλν ζηηο αζηηθέο πεξηνρέο θαη φπνπ έλα ζεκαληηθφ πνζνζηφ ηνπ αγξνηηθνχ πιεζπζκνχ δελ έρεη πξφζβαζε ζηηο ζηνηρεηψδεηο ππεξεζίεο ειεθηξηζκνχ, ηα θσηνβνιηατθά ζεσξνχληαη επξέσο ζηηο κέξεο καο σο ην θαιχηεξν θαη νηθνλνκηθφηεξν κέζν θάιπςεο ηέηνηνπ είδνπο αλαγθψλ. Βαζηδφκελα ζε ειάρηζηεο ελεξγεηαθέο απαηηήζεηο κπνξνχλ λα παξέρνπλ ηηο βαζηθέο ελεξγεηαθέο ππεξεζίεο ζε θάζε άηνκν ζηνλ αλαπηπζζφκελν θφζκν. Ζ αληίζηνηρε αλαινγία ησλ θσηνβνιηατθψλ ππνινγίδεηαη ζε πεξίπνπ 15W αλά θεθαιή. 33

34 Γεληθέο ρξήζεηο θαη εθαξκνγέο Αλαιπηηθφηεξα ηα θσηνβνιηατθά ρξεζηκνπνηνχληαη: 1. ε ζπζηήκαηα άληιεζεο γηα ηελ πξνκήζεπζε χδαηνο ζε ρσξηά, γηα άξδεπζε ηεο γεο ή θαη σο απφζεκα. 2. ε ζπζηήκαηα ςχμεο θαη ηδηαηηέξσο γηα ηε πξνζηαζία ησλ εκβνιίσλ, ηνπ αίκαηνο θαη άιισλ αλαιψζηκσλ ζε πγεηνλνκηθά πξνγξάκκαηα. 3. ην θσηηζκφ. ε δεκνηηθά θηίξηα φπσο ζρνιεία θαη ηαηξηθά θέληξα ψζηε λα επηηξέςνπλ ηελ εθπαίδεπζε θαη ηηο δξαζηεξηφηεηεο ηε λχρηα. 4. ε ζηαζκνχο θφξηηζεο κπαηαξηψλ. Γηα επαλαθφξηηζε κπαηαξηψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε πνηθίιεο ζπζθεπέο φπσο ξαδηφθσλα, ηειενξάζεηο θαη θσηηζηηθά. 5. ε ζπζηήκαηα ειηαθψλ ζπηηηψλ ψζηε λα παξέρνπλ ηζρχ γηα ηνλ θσηηζκφ ηνπ ζπηηηνχ θαη άιισλ ζπζθεπψλ ζπλερνχο ηάζεο. Παξαδείγκαηα Δθαξκνγψλ Σσλ Φσηνβνιηατθψλ ηηο Αλαπηπζζφκελεο Υψξεο ηε γεσξγία ρξεζηκνπνηνχληαη γηα άληιεζε λεξνχ, άξδεπζε ηεο γεο, ειεθηξηθέο πεξηθξάμεηο γηα εθηξεθφκελα δψα ε θνηλσληθφ επίπεδν βξίζθνπλ εθαξκνγή ζηελ άληιεζε λεξνχ, ζε ζπζηήκαηα αθαιάησζεο, ζε ζπζηήκαηα θαζαξηζκνχ, ζε θσηηζκφ ζρνιείσλ θαη άιισλ δεκνηηθψλ θηηξίσλ. ε νηθηαθφ επίπεδν ρξεζηκνπνηνχληαη ζην θσηηζκφ, θαζηζηψληαο ηθαλή ηελ κειέηε θαη ηηο εζσηεξηθέο δξαζηεξηφηεηεο θαη γεληθά απμάλνληαο ην βηνηηθφ επίπεδν. 34

35 ε πγεηνλνκηθφ επίπεδν ρξεζηκνπνηνχληαη ζην θσηηζκφ ζαιάκσλ, ρεηξνπξγείσλ, θαηνηθηψλ πξνζσπηθνχ. Δπίζεο ζηνλ ηαηξηθφ εμνπιηζκφ, ζηελ ςχμε εκβνιίσλ, ζηηο ηειεπηθνηλσλίεο (ηειεθσληθά θαη αζχξκαηα ζπζηήκαηα), ζηελ άληιεζε λεξνχ θαζψο θαη ζηα θψηα αζθαιείαο. ε επίπεδν κηθξνεπηρεηξεζηαθφ επίπεδν ρξεζηκνπνηνχληαη ζηα θσηηζηηθά ζπζηήκαηα επεθηείλνληαο ηηο ψξεο απαζρφιεζεο θαη απμάλνληαο ηελ παξαγσγηθφηεηα. Γηα ηελ παξνρή ηζρχο ζε κηθξνχο εμνπιηζκνχο φπσο ξαπηηθέο κεραλέο, θαηαςχθηεο, θνξηηζηέο κπαηαξηψλ θαζψο θαη ζην θσηηζκφ θαη ζε αζχξκαηα ζπζηήκαηα ζε εζηηαηφξηα, καγαδηά θαη άιιεο εγθαηαζηάζεηο. 35

36 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 3. ΓΗΚΣΤΑ ΓΗΑΝΟΜΖ 3.1 Δηζαγσγή Σα δίθηπα δηαλνκήο απνηεινχλ ηκήκα ησλ ζχγρξνλσλ πζηεκάησλ Ζιεθηξηθή Δλέξγεηαο θαη κέζσ απηψλ δηαλέκεηαη ε ειεθηξηθή ελέξγεηα ζηνπο θαηαλαισηέο. Έλα απφ ηα θχξηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπο είλαη ην κεγάιν πιήζνο ζηνηρείσλ απφ ην νπνίν απνηεινχληαη. Ωο εθ ηνχηνπ πξνθχπηεη κηα ηππνπνίεζε ηνπ ηξφπνπ ζρεδηαζκνχ ηνπο θαη ησλ θαηαζθεπαζηηθψλ ηνπο ζηνηρείσλ, θαζψο πξφθεηηαη γηα επαλαιακβαλφκελεο θαηαζθεπέο εθηεηλφκελεο ζε φιε ηε ρψξα. πλεπψο ε θαηαζθεπαζηηθή δηακφξθσζε ησλ δηθηχσλ δηαλνκήο ζπλδέεηαη άκεζα κε ηα ραξαθηεξηζηηθά ηεο εθάζηνηε πφιεο ή πεξηνρήο θαη γεληθφηεξα νιφθιεξεο ηεο ρψξαο. Σα ζπζηήκαηα δηαλνκήο ζρεδηάδνληαη ψζηε λα ιεηηνπξγνχλ ππφ νξηζκέλνπο ιεηηνπξγηθνχο πεξηνξηζκνχο. Σν ζχζηεκα θαιείηαη λα εμππεξεηεί ηηο απαηηήζεηο ηξνθνδφηεζεο θνξηίνπ ησλ θαηαλαισηψλ, ελψ ιεηηνπξγεί κέζα ζηα απνδεθηά φξηα, φπσο ηα φξηα θνξηίζεσο ζηνηρείσλ ηνπ ζπζηήκαηνο ή ηα φξηα ηάζεσο ηξνθνδφηεζεο ησλ θαηαλαισηψλ. Λφγσ φκσο γεγνλφησλ, ηα νπνία είλαη αδχλαηνλ λα πξνβιεθζνχλ, ην ζχζηεκα κπνξεί λα νδεγεζεί ζε κηα έθηαθηε θαηάζηαζε φπνπ κέξνο ησλ πεξηνξηζκψλ δελ ηθαλνπνηείηαη. Σα ιεηηνπξγηθά φξηα κπνξνχλ ηα ηαμηλνκεζνχλ ζε φξηα θαλνληθήο ιεηηνπξγίαο θαη ζε φξηα έθηαθησλ θαηαζηάζεσλ, ηα νπνία είλαη ειαζηηθφηεξα αιιά ε παξαβίαζή ηνπο απαηηεί ηε ιήςε έθηαθησλ κέηξσλ. Παξαβίαζε νξίσλ θαλνληθήο ιεηηνπξγίαο έρνπκε φηαλ ε ηάζε ηξνθνδφηεζεο θάπνησλ θαηαλαισηψλ ηηο ψξεο κέγηζηνπ θνξηίνπ είλαη ρακειή, ελψ παξαβίαζε ησλ νξίσλ έθηαηεο θαηαζηάζεσο έρνπκε φηαλ κηα πεξηνρή ηνπ δηθηχνπ έρεη απνθνπεί ιφγσ βιάβεο. Σν ζχζηεκα βξίζθεηαη ζε θαλνληθή θαηάζηαζε αλ φια ηα θνξηία ηξνθνδνηνχληαη θαη ηα φξηα εθηάθηνπ θαηαζηάζεσο δελ παξαβηάδνληαη. ηελ αληίζεηε πεξίπησζε, ζην ζχζηεκα βξίζθεηαη ζε έθηαηε θαηάζηαζε θαη κέξνο 36

37 ηνπ δηθηχνπ έρεη απνζπλδεζεί γηα ηελ απνκφλσζε ελφο ζθάικαηνο. Οη δπλαηφηεηεο κεηάβαζεο κεηαμχ ησλ θαηαζηάζεσλ απηψλ είλαη νη εμήο: 1) Καλνληθή θαηάζηαζε Καλνληθή θαηάζηαζε. Όηαλ ην ζχζηεκα βξίζθεηαη ζε θαλνληθή θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, δειαδή ηα φξηα εθηάθηνπ θαηαζηάζεσο ηθαλνπνηνχληαη, ηα φξηα θαλνληθήο ιεηηνπξγίαο κπνξεί λα παξαβηάδνληαη. Δάλ απηφ ζπκβαίλεη, ε ιεηηνπξγία κπνξεί λα δηνξζσζεί κέζσ ηεο αλαδηάηαμεο ηνπ ζπζηήκαηνο, ζηνρεχνληαο ζηελ εχξεζε κηαο δηάηαμεο ιεηηνπξγίαο φπνπ νη πεξηνξηζκνί θαλνληθήο θαηάζηαζεο ηθαλνπνηνχληαη, πρ. κε ηζνθαηαλνκή ηνπ θνξηίνπ ησλ γξακκψλ. 2) Καλνληθή θαηάζηαζε Μεηαβαηηθή θάζε. Ζ κεηαβαηηθή θάζε πξνθχπηεη φηαλ εκθαλίδεηαη έλα ζθάικα. Σα κεγάια ξεχκαηα βξαρπθχθισζεο δηαθφπηνληαη απφ ηα κέζα πξνζηαζίαο ψζηε λα απνθεπρζνχλ θαηαζηξνθέο ζηνλ εμνπιηζκφ. 3) Μεηαβαηηθή θάζε Καλνληθή θαηάζηαζε. Δάλ ην ζθάικα είλαη παξνδηθφ, κηα ηαρεία παξνδηθή απφδεπμε ηεο γξακκήο απφ ηνλ απηφκαην δηαθφπηε ηζρχνο κπνξεί λα επαλαθέξεη ην ζχζηεκα ζηελ θαλνληθή θαηάζηαζε. 4) Μεηαβαηηθή θάζε Έθηαηε θαηάζηαζε Έλα κφληκν ζθάικα επηθέξεη ηε ιεηηνπξγία ησλ κέζσλ πξνζηαζίαο θαη ην ζχζηεκα νδεγείηαη ζε έθηαηε θαηάζηαζε φπνπ ε ηξνθνδφηεζε θάπνησλ θνξηίσλ έρεη δηαθνπεί θαη παξαβηάδνληαη ηα αληίζηνηρα φξηα. 5) Έθηαθηε θαηάζηαζε Καλνληθή θαηάζηαζε Σν ζχζηεκα δηαλνκήο κπνξεί λα επαλέιζεη ζηελ θαλνληθή θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο κεηά ηελ απνθαηάζηαζε ηεο ιεηηνπξγίαο ησλ βιαβέλησλ ζηνηρείσλ θαη ηελ επαλαηξνθνδφηεζε ηεο δψλεο ζθάικαηνο. 6) Έθηαθηε θαηάζηαζε Έθηαθηε θαηάζηαζε 37

38 Μεηά ηε δηαθνπή ηνπ ξεχκαηνο βξαρπθχθισζεο απφ ην ζχζηεκα πξνζηαζίαο είλαη απαξαίηεηνο ν θαζνξηζκφο θαη ε απνκφλσζε ηεο δψλεο ηνπ ζθάικαηνο. Έηζη κεξηθή απνθαηάζηαζε ηεο ηξνθνδφηεζεο είλαη εθηθηή κέζσ ηεο ιεηηνπξγίαο δηαθνπηψλ ηνπ δηθηχνπ. Λφγσ ηεο πνιππινθφηεηαο θαη ηνπ κεγάινπ πιήζνπο ησλ ζηνηρείσλ ηνπο, ε κειέηε ηεο βέιηηζηεο ιεηηνπξγίαο θαη ηεο αλάπηπμήο ηνπο γίλεηαη κέζσ Ζιεθηξνληθψλ Τπνινγηζηψλ, κηθξνεπεμεξγαζηψλ θαη κέζσλ επηθνηλσλίαο. 3.2 Βειηηζηνπνίεζε Λεηηνπξγίαο Γηθηύσλ Γηαλνκήο Καλνληθή Καηάζηαζε Σα δίθηπα δηαλνκήο ειέγρνληαη κε ηνπο ζπκβαηηθνχο ηξφπνπο ψζηε λα ιεηηνπξγνχλ ζε θαλνληθή θαηάζηαζε εληφο ζπγθεθξηκέλσλ νξίσλ ηάζεο ζηνπο θφκβνπο ζχλδεζεο ησλ θνξηίσλ, θαη θνξηίζεσο ησλ αγσγψλ, θαη ησλ κεηαζρεκαηηζηψλ. Σα ηειεπηαία ρξφληα, ράξε ζηελ εμέιημε ηφζν ηνπ ινγηζκηθνχ φζν θαη ηνπ πιηθνχ είλαη δπλαηφλ, εθηφο ηεο ηήξεζεο ησλ νξίσλ απηψλ, λα επηηπγράλεηαη θαη βειηηζηνπνίεζε ηεο ιεηηνπξγίαο. Ζ βέιηηζηε ιεηηνπξγία ππφ θαλνληθέο ζπλζήθεο, θαζνξίδεηαη απφ ηηο αθφινπζεο ιεηηνπξγηθέο παξακέηξνπο: Απψιεηεο Απνθιίζεηο ηεο ηάζεο ζηα ζεκεία ηξνθνδφηεζεο ησλ θαηαλαισηψλ Αμηνπηζηία ηξνθνδφηεζεο Σα κέζα πνπ ζπλήζσο ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηνλ έιεγρν ηεο ιεηηνπξγίαο ησλ δηθηχσλ δηαλνκήο είλαη: Ζ αλαδηάηαμε ηνπ δηθηχνπ, δειαδή ε επηινγή ηεο θαηάιιειεο ηνπνινγηθήο δηάηαμεο θαη ζπλδεζκνινγίαο ηνπ. Σα δίθηπα δηαλνκήο ελψ ιεηηνπξγνχλ αθηηληθά, δχλαηαη λα κπνξνχλ λα δηαζπλδεζνχλ. θνπφο ηεο αλαδηάηαμεο ηνπ δηθηχνπ είλαη ε ν θαζνξηζκφο ησλ ηνκψλ, ψζηε λα επηηεπρζεί ε βέιηηζηε ζπλδεζκνινγία. 38

39 Ο έιεγρνο ηεο ξνήο άεξγνπ ηζρχνο θαη ησλ ηάζεσλ κέζσ ηεο εγθαηάζηαζεο ππθλσηψλ αληηζηάζκηζεο θαη ξπζκηζηψλ ηάζεο. Δγθαζηζηψληαο ππθλσηέο θνληά ζηα θνξηία ηνπ δηθηχνπ, κεηψλνληαη νη ξνέο άεξγνπ ηζρχνο θαη ζπλεπψο θαη νη ηάζεηο θαη νη απψιεηεο. Ζ θαηάιιειε ζρεδίαζε ηεο πξνζηαζίαο ηνπ δηθηχνπ. Αθνξά θπξίσο ηελ επηινγή ησλ κέζσλ πξνζηαζίαο θαη ησλ ξπζκίζεψλ ηνπο φπσο αζθαιεηψλ ειεθηξνλφκσλ θιπ, ζηα δίθηπα ηεο ΜΣ Έθηαθηε Καηάζηαζε Καηά ηελ ιεηηνπξγία ησλ δηθηχσλ δηαλνκήο ζπκβαίλνπλ εμαλαγθαζκέλεο (ιφγσ βιαβψλ) ή θαη πξνγξακκαηηζκέλεο (γηα ιφγνπο εξγαζηψλ) ζέζεηο εθηφο ιεηηνπξγίαο θάπνησλ ζηνηρείσλ ηνπο, νη νπνίεο κπνξεί λα ζπλεπάγνληαη αληίζηνηρεο δηαθνπέο ηξνθνδφηεζεο θαηαλαισηψλ. ηηο πεξηπηψζεηο απηέο ε πξνθχπηνπζα έθηαηε θαηάζηαζε πξέπεη λα αληηκεησπηζηεί κε ελέξγεηεο ειέγρνπ γηα ηελ απνκφλσζε ηκήκαηνο ηνπ ζπζηήκαηνο πνπ πεξηιακβάλεη ηα βιαβέληα ζηνηρεία θαη ηελ ηαρχηεξε δπλαηή επαλαηξνθνδφηεζε ησλ θαηαλαισηψλ. ηα αθηηληθά δίθηπα, πξαθηηθά, ζε πεξίπησζε βιάβεο ε ιεηηνπξγία ησλ κέζσλ πξνζηαζίαο νδεγεί ζηελ απνκφλσζε ηκήκαηνο ηνπ δηθηχνπ. Δάλ ε ζπλεξγαζία ησλ κέζσλ πξνζηαζίαο ηνπ δηθηχνπ είλαη πιήξεο, απνθφπηεηαη ην ηκήκα πνπ έπεηαη ηνπ πξψηνπ κέζνπ πξνζηαζίαο απφ ηε ζέζε ηνπ ζθάικαηνο πξνο ηνπο δπγνχο ηνπ ππνζηαζκνχ ΤΣ/ΜΣ. Πξηλ ηε κεηάβαζε ηνπ δηθηχνπ ζε θαλνληθή θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο (πιήξεο επαλαθνξά), κπνξεί λα απνθαηαζηαζεί ε ηξνθνδφηεζε ελφο κεγάινπ κέξνπο ησλ θαηαλαισηψλ πνπ ππέζηεζαλ δηαθνπή (κεξηθή επαλαθνξά). Ζ δηαδηθαζία κεξηθήο επαλαθνξάο πεξηιακβάλεη δπν ζηάδηα: 1. Σνλ πεξηνξηζκφ ηεο απνκνλσκέλεο πεξηνρήο γχξσ απφ ηελ ζέζε ηνπ ζθάικαηνο (δψλε ηνπ ζθάικαηνο). πλήζσο είλαη δπλαηή ε επαλαζχλδεζε κέξνπο ηνπ ηκήκαηνο ηνπ δηθηχνπ πνπ απνζπλδέζεθε 39

40 απφ ηα κέζα πξνζηαζίαο, ζε άιιεο γξακκέο θαη ε κεηαθνξά θνξηίσλ απφ ηε δψλε ηνπ ζθάικαηνο. 2. Σελ επίηεπμε θαηάιιειεο ιεηηνπξγίαο πγηνχο δηθηχνπ (ην ππφινηπν δίθηπν εθηφο απφ ηε δψλε ηνπ ζθάικαηνο), ψζηε λα επαλαηξνθνδνηεζνχλ θαηά ην δπλαηφλ πεξηζζφηεξνη θαηαλαισηέο. Καηά ηελ πξνζπάζεηα κεηαθνξάο θνξηίσλ ζε άιιεο γξακκέο είλαη φκσο πηζαλφ λα πξνθχςνπλ ππεξθνξηίζεηο ζηνηρείσλ ηνπ πγηνχο ηκήκαηνο ηνπ δηθηχνπ. Ζ ηξνθνδφηεζε ησλ θαηαλαισηψλ εθηφο ηεο δψλεο ηνπ ζθάικαηνο κπνξεί λα επηηεπρζεί ζπλήζσο κε αλαδηάηαμε ηνπ δηθηχνπ ψζηε λα αλαθαηαλεκεζεί ην θνξηίν ησλ ζηνηρείσλ ηνπ. Δάλ φκσο ε βιάβε είλαη ζνβαξή, πρ. ζε θιάδν ηνπ θνξκνχ, είλαη πνιιέο θνξέο απαξαίηεηε εθηφο απφ ηελ αλαδηάηαμε θαη ε απνθνπή θάπνησλ επηπξφζζεησλ θνξηίσλ. Αληίζηνηρα ηζρχνπλ θαη ζηελ πεξίπησζε απνκφλσζεο ηκήκαηνο ηνπ δηθηχνπ γηα ηελ εθηέιεζε εξγαζηψλ, κε ηε βαζηθή δηαθνξά φηη ην πξνο απνκφλσζε ηκήκα θαη νη ζρεηηθέο ελέξγεηεο κπνξνχλ λα πξνκειεηεζνχλ. ηελ πξάμε, νη ρεηξηζηέο ηνπ θέληξνπ δηαλνκήο είλαη απηνί πνπ θαινχληαη λα απνθαηαζηήζνπλ ηελ ηξνθνδφηεζε ησλ θαηαλαισηψλ ηνπ δηθηχνπ φζν ην δπλαηφλ ζπληνκφηεξα. Απηφ πξνυπνζέηεη ηνλ ηαρχηαην θαζνξηζκφ φισλ ησλ αλαγθαίσλ ρεηξηζκψλ δηαθνπηψλ ψζηε λα απνθνπεί ε θαηάιιειε δψλε γχξσ απφ ην ζθάικα θαη λα απνθαηαζηαζεί ε ηξνθνδφηεζε ζε φζν ην δπλαηφλ πεξηζζφηεξνπο απφ ηνπο ππφινηπνπο θαηαλαισηέο. 3.3 Πξνγξακκαηηζκόο Αλάπηπμεο Σσλ Γηθηύσλ Γηαλνκήο Σα δίθηπα δηαλνκήο γηα λα κπνξέζνπλ λα ζρεδηαζηνχλ θαη ζηελ ζπλέρεηα λα πινπνηεζνχλ θαιείηαη απαξαίηεηνο ν πξνγξακκαηηζκφο ηεο αλάπηπμεο απηψλ. Όκσο ην πξφβιεκα ηνπ πξνγξακκαηηζκνχ ησλ δηθηχσλ ΜΣ κπνξεί λα νξηζηεί κε δηαθνξεηηθνχο ηξφπνπο : 40

41 Σν θαζνξηζκφ ηνπ ηχπνπ, ηνπ κεγέζνπο, ηεο ζέζεο, ησλ δηαδξνκψλ, ησλ δηαζπλδέζεσλ θαη ηνπ ρξφλνπ εγθαηάζηαζεο ησλ κειινληηθψλ ππθλσηψλ, γξακκψλ θαη ππνζηαζκψλ ΤΣ/ΜΣ θαζψο θαη ηνπ ζρεηηθνχ εμνπιηζκνχ. Με δεδνκέλα Α) ηελ αλάπηπμε ησλ θνξηίσλ (ππαξρφλησλ θαη λέσλ ), φπσο απηή πξνθχπηεη απφ ηηο κειέηεο πξφβιεςεο θνξηίνπ Β) ηηο ζέζεηο θαη ην κέγεζνο ησλ ππαξρφλησλ θαη κειινληηθψλ ππνζηαζκψλ δηαλνκήο ΜΣ/ΥΣ, φπσο πξνθχπηνπλ απφ ηηο κειέηεο αλάπηπμεο ηνπ δηθηχνπ δηαλνκήο ΥΣ. Σελ ειαρηζηνπνίεζε ηνπ ζπλνιηθνχ θφζηνπο ηνπ ζπζηήκαηνο γηα φιε ηε ζεσξνχκελε πεξίνδν, ιακβάλνληαο ππφςε ην θφζηνο θεθαιαίνπ θαη ην θφζηνο ιεηηνπξγίαο. 3.4 Αλάιπζε Λεηηνπξγίαο Γηθηύσλ Γηαλνκήο Γηα ηελ νκαιή ιεηηνπξγία ησλ δηθηχσλ δηαλνκήο ηα ραξαθηεξηζηηθά ησλ θνξηίσλ πνπ είλαη ζπλδεδεκέλα ζε απηφ παίδνπλ ζεκαληηθφ ξφιν. Απφ απηά ηδηαίηεξα ζεκαληηθά είλαη ηα αθφινπζα δπν ραξαθηεξηζηηθά: 1. Ζ εμάξηεζή ηνπο απφ ηε ηάζε ηξνθνδφηεζεο. 2. Σε δηαθχκαλζε ηνπο θαηά ηε δηάξθεηα ηεο εκέξαο, ηεο εβδνκάδαο θαη ηνπ έηνπο. Ζ πεξηνδηθφηεηα ησλ δηαθπκάλζεσλ απηψλ είλαη απαξαίηεηε, γηα ηηο αλαιχζεηο θνξηίσλ. Σα δίθηπα δηαλνκήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ΜΣ θαη ΥΣ, δεκφζηα θαη ηδησηηθά ιεηηνπξγνχλ ζπλήζσο «αθηηληθά», δειαδή θάζε θαηαλαισηήο ηνπο ηξνθνδνηείηαη απφ έλα κφλν Τ/ ΤΣ/ΜΣ. Παξφηη ε βξνρνεηδήο ιεηηνπξγία ησλ δηθηχσλ δηαλνκήο νδεγεί ζε ρακειφηεξεο πηψζεηο ηάζεο θαη απψιεηεο, ε αθηηληθή ιεηηνπξγία έρεη θαζηεξσζεί δηεζλψο θαζψο νη δηαηάμεηο πξνζηαζίαο απινπνηνχληαη, ηα επίπεδα ζθάικαηνο είλαη ρακειφηεξα θαη γεληθφηεξα ην θφζηνο θαηαζθεπήο κεηψλεηαη. 41

42 Σφζν ζηα ππφγεηα φζν θαη ζηα ελαέξηα δίθηπα δηαλνκήο, ππάξρνπλ φκσο δηαζπλδεηηθνί θιάδνη κεηαμχ δηαθνξεηηθψλ γξακκψλ ή πιεπξηθψλ δηαθιαδψζεσλ κηαο γξακκήο γηα ιφγνπο αμηνπηζηίαο θαη ζπλέρεηαο ηεο ηξνθνδφηεζεο. Δπί ησλ δηαζπλδέζεσλ απηψλ ππάξρνπλ δηαθφπηεο νη νπνίνη ζε θαλνληθή θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο είλαη αλνηθηνί, ελψ ην θιείζηκφ ηνπο νδεγεί ζηε δεκηνπξγία βξφρσλ. Παξφηη ε βξνρνεηδήο ιεηηνπξγία απνηειεί εμαίξεζε, απνηειεί ζπλάκα απαξαίηεηε γηα κειέηεο βειηηζηνπνίεζεο ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπο. Γηα παξάδεηγκα, θαηά ηε δηάξθεηα ηεο κεηάβαζεο απφ κηα δηάηαμε ηνπ δηθηχνπ ζε άιιε είλαη δπλαηή ε πξνζσξηλή εκθάληζε βξφρσλ, ψζηε λα κελ δηαθνπεί ε ηξνθνδφηεζε ηκεκάησλ ηνπ δηθηχνπ. ηελ θαηάζηαζε απηή ηα δίθηπα δηαλνκήο κπνξνχλ λα ραξαθηεξηζηνχλ σο αξαηψο βξνρνεηδή ιφγσ ηνπ φηη, δεδνκέλεο ηεο εθηάζεψο ηνπο παξνπζηάδεηαη κηθξφο αξηζκφο βξφρσλ. Γηα ηελ αλάιπζε ξνήο θνξηίνπ ζηα ζπζηήκαηα ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ρξεζηκνπνηνχληαη ζπλήζσο ηξεηο κέζνδνη. Ζ Gauss-Seidel H Newton-Raphson (ζπλήζσο ζηελ ηαρεία απνδεπγκέλε δηαηχπσζε) Οη κέζνδνη ξεπκάησλ βξφρσλ Οη δπν πξψηεο κέζνδνη βαζίδνληαη ζε εμηζψζεηο ηάζεσλ θφκβσλ, ελψ ε ηξίηε βαζίδεηαη ζε εμηζψζεηο ξεπκάησλ βξφρσλ. Κάζε κηα απφ ηηο κεζφδνπο απηέο είλαη θαηάιιειε γηα έλα εηδηθφ ηχπν δηθηχνπ. Ζ κέζνδνο Gauss-Seidel παξνπζηάδεη πξνβιήκαηα ζχγθιηζεο φηαλ ν αξηζκφο ησλ θιεηζηψλ βξφρσλ είλαη κηθξφο θαη ππάξρνπλ καθξηέο γξακκέο κε κεγάια θνξηία ζην δίθηπν. Γηα ην ιφγν απηφ ε κέζνδνο απηή ζπάληα εθαξκφδεηαη ζηα δίθηπα δηαλνκήο. Ζ κέζνδνο Newton-Raphson ζηελ ηαρεία απνδεπγκέλε δηαηχπσζή ηεο αληηκεησπίδεη πξνβιήκαηα ζχγθιηζεο φηαλ ε σκηθή αληίζηαζε ησλ γξακκψλ είλαη κεγαιχηεξε απφ ηελ αληίδξαζή ηνπο. Σν δεχηεξν πξφβιεκα ηεο κεζφδνπ Newton-Raphson ζρεηίδεηαη κε ηελ αληηζηξνθή ηεο πιήξνπο Ηαθσβηαλήο κήηξαο. Ζ κήηξα απηή πξέπεη λα επαλαυπνινγίδεηαη θάζε θνξά πνπ ην δίθηπν αλαδηαηάζζεηαη. 42

43 3.5 ρεδίαζε Πξνζηαζίαο Ζ αμηνπηζηία ησλ δηθηχσλ δηαλνκήο επεξεάδεηαη θαζνξηζηηθά απφ ηε ζρεδίαζε θαη ιεηηνπξγία ηεο πξνζηαζίαο ηνπο. Γηα ηελ πξνζηαζία ησλ γξακκψλ δηαλνκήο είλαη επαξθήο ε εγθαηάζηαζε κέζσλ ππεξεληάζεσο. Οη βαζηθνί ζηφρνη θαηά ην ζρεδηαζκφ ηεο είλαη ε ειαρηζηνπνίεζε ηεο δηάξθεηαο ελφο ζθάικαηνο θαη ε ειαρηζηνπνίεζε ησλ θαηαλαισηψλ πνπ επεξεάδνληαη απφ ην ζθάικα. Σα ελαέξηα δίθηπα δηαλνκήο ππφθεηληαη ζε δπν ηχπνπο ζθαικάησλ, ηα κεηαβαηηθά ή παξνδηθά θαη ηα κφληκα ζθάικαηα. Αλάινγα κε ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ θάζε ζπζηήκαηνο πεξίπνπ ην 75% έσο 90% ηνπ ζπλνιηθνχ αξηζκνχ ησλ ζθαικάησλ είλαη παξνδηθά. Σα ζθάικαηα απηά κπνξεί λα απαιείθνληαη κε κηθξέο δηαθνπέο ηεο ηξνθνδφηεζεο ηεο γξακκήο, απφ απηφκαηνπο δηαθφπηεο ηζρχνο θαη πξαγκαηνπνηνχλ ην θχθιν ησλ απνδεχμεσλ θαη επαλαδεχμεσλ, γηα ρξνληθφ δηάζηεκα αξθεηφ ψζηε λα απνζβεζηεί ην ηφμν. Ζ ηαρχηεηα ηνπ δηαθφπηε ηζρχνο, νη ξπζκίζεηο ησλ Ζ/Ν ηνπ θαη ηα άιια ραξαθηεξηζηηθά ηνπ, επηιέγνληαη ψζηε λα δηαθφπηνπλ ην ξεχκα ζθάικαηνο πξηλ απφ ηε ηήμε θάπνηαο αζθάιεηαο, ε νπνία ζα κεηέηξεπε ην παξνδηθφ ζθάικα ζε κφληκν. Μφληκα ζθάικαηα είλαη απηά γηα ηελ απνθαηάζηαζε ησλ νπνίσλ απαηηνχληαη εηδηθέο κε-απηφκαηεο ελέξγεηεο. Σν πιήζνο ησλ θαηαλαισηψλ πνπ επεξεάδνληαη απφ ην ζθάικα ειαρηζηνπνηείηαη κέζσ ηεο θαηάιιειεο επηινγήο θαη ηνπνζέηεζεο ηνπ εμνπιηζκνχ πξνζηαζίαο. ηα ππφγεηα δίθηπα ζρεδφλ φια ηα ζθάικαηα είλαη κφληκα θαη αξθεί απιή δηαβάζκηζε ησλ πξνζηαζηψλ ππεξεληάζεσο. Παξφηη ν αξηζκφο ησλ ζθαικάησλ πνπ εκθαλίδνληαη ζηα ππφγεηα δίθηπα είλαη κηθξφηεξνο απ φηη ζηα ελαέξηα, ζπρλά επεξεάδνπλ κεγαιχηεξν αξηζκφ θαηαλαισηψλ Βαζηθέο Αξρέο ρεδίαζεο Πξνζηαζίαο Γηθηύσλ Γηαλνκήο Ζ βαζηθή αξρή ηεο ζρεδίαζεο ηεο πξνζηαζίαο ελφο ελαέξηνπ δηθηχνπ δηαλνκήο είλαη ε επηινγηθή ζπλεξγαζία ή δηαβάζκηζε ησλ κέζσλ πξνζηαζίαο. 43