2.8. ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ

Transcript

1 2.8. ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ Η ηλιακή ενέργεια µπορεί να µετατραπεί απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια µε τη βοήθεια τριών κυρίως διαδικασιών: της θερµοηλεκτρικής, της θερµιονικής και της φωτοβολταϊκής. Οι διαδικασίες αυτές χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτηµα της άµεσης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς τη µεσολάβηση ενδιάµεσων σταδίων και θερµοδυναµικών κύκλων ή κινούµενων µερών. 1. Η πρώτη βασίζεται στο θερµοηλεκτρικό φαινόµενο και συγκεκριµένα στη θέρµανση από την ηλιακή ακτινοβολία µιας µεταλλικής πλάκας που είναι συγκολληµένη σε δυο ηλεκτρόδια από διαφορετικά θερµοηλεκτρικά υλικά. Στα ψυχρά άκρα των ηλεκτροδίων αναπτύσσεται τάση, συνήθως λίγων δεκάτων του volt, που εξαρτάται από το υλικό των ηλεκτρόδιων και από τη διαφορά της θερµοκρασίας τους ως προς τη µεταλλική πλάκα. Η πιο χαµηλή θερµοκρασία που µπορεί να λειτουργήσει στην πράξη ένα τέτοιο σύστηµα είναι η θερµοκρασία που επιτυγχάνεται µε έναν απλό ηλιακό συλλέκτη χωρίς πολλαπλασιασµό, όπου σαν υποπροϊόν µπορούµε να πάρουµε από τον συλλέκτη αυτό ζεστό νερό θερµοκρασίας C. M αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται ενεργειακή απόδοση περίπου 1%. Για τη λειτουργία αυτού του τελευταίου θερµοηλεκτρικού ζεύγους, το πιο κατάλληλο ζεύγος είναι το κράµα βισµουθίου-αντιµονίου και ο αντιµονιούχος ψευδάργυρος. 2. Η δεύτερη διαδικασία φωτοηλεκτρικής µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας βασίζεται στο θερµιονικό φαινόµενο, στη θέρµανση δηλ. µιας µεταλλικής πλάκας υπό κενό, ώστε να εκπέµπονται ηλεκτρόνια από την επιφάνεια της. Έτσι µια µεταλλική πλάκα/ηλεκτρόδιο που θερµαίνεται κοντά σε ένα άλλο ηλεκτρόδιο που ψύχεται είναι δυνατό να αποτελέσουν µια θερµιονική γεννήτρια. Από το θερµαινόµενο ηλεκτρόδιο φεύγουν ηλεκτρόνια τα οποία οδηγούνται στο ψυχόµενο ηλεκτρόδιο. Έτσι το πρώτο γίνεται κάθοδος ενώ το δεύτερο άνοδος. Είναι λοιπόν δυνατό όταν συνδεθούν µε εξωτερικό φορτίο να αποδοθεί ηλεκτρικό ρεύµα. Για την υπερνίκηση του έργου εξόδου των ηλεκτρονίων απαιτείται η θέρµανση του µετάλλου σε πολύ µεγάλη θερµοκρασία. Σε πλάκες από καθαρά µέταλλα η θερµοκρασία χρειάζεται να φθάσει τους C και για την πραγµατοποίηση της πρέπει να γίνει ισχυρή ενίσχυση της ηλιακής ακτινοβολίας, π.χ. µε συγκεντρωτικούς φακούς, περίπου χίλιες φορές. Αν στο κενό της διάταξης γίνει εισαγωγή ατµών ενός ευκολοϊονιζόµενου στοιχείου, π.χ. καισίου, η θερµοκρασία λειτουργίας της µπορεί να µειωθεί τους C. Η θεωρητική απόδοση των θερµιονικών γεννητριών βρίσκεται γύρω στο 30%. Στην πράξη έχουν πραγµατοποιηθεί αποδόσεις 6 έως 8%. Οι δύο προηγούµενες διατάξεις λόγω του µικρού βαθµού απόδοσης κατά τη µετατροπή και του µεγάλου κόστους των διατάξεων και διάφορων τεχνικών δυσκολιών δεν βρήκαν αξιόλογες πρακτικές εφαρµογές. 3. Η τρίτη διαδικασία φωτοηλεκτρικής µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο και είναι µια καθαρή φωτονική µέθοδος, καθώς η παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια δηµιουργείται κατευθείαν από τα φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας. Αν στην κρυσταλλική δοµή ορισµένων στοιχείων προστεθεί πολύ µικρή ποσότητα (1 περίπου µέρος στο εκατοµµύριο) από άλλα όµοια στοιχεία, που έχουν όµως 1 περισσότερο ή 1 λιγότερο ηλεκτρόνιο από το βασικό στοιχείο, κατασκευάζονται δύο τύποι ηµιαγωγών. Ο τύπος n και ο τύπος p, π.χ. τύπος n: πυρίτιο + αρσενικό (ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο), τύπος p : πυρίτιο + βόριο, (ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο). Αν δύο λεπτά στρώµατα από τους δύο τύπους τοποθετηθούν το ένα πάνω στο άλλο και εκτεθούν σε ακτινοβολία π.χ. ηλιακή, τότε παρατηρείται ότι στη διαχωριστική επιφάνεια των δύο στρωµάτων εµφανίζεται ροή ηλεκτρονίων. Ικανά να δηµιουργήσουν το φαινόµενο αυτό είναι φωτόνια που έχουν ενέργεια (E) πάνω από ένα όριο (E g ). Για το πυρίτιο το όριο αυτό είναι 1,1 ηλεκτρονικά βολτ (ev) που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1.100nm. Φωτόνια µεγαλύτερου µήκους κύµατος προκαλούν µόνο αύξηση της θερµοκρασίας. ΗΛΚ-41.

2 Τα ηλιακά (φωτοβολταϊκά) στοιχεία (κυψέλες, κύτταρα) µετατρέπουν την προσπίπτουσα πάνω τους ηλιακή ακτινοβολία κατ ευθείαν σε ηλεκτρικό ρεύµα (D.C.) χωρίς να µεσολαβεί κανένας θερµοδυναµικός κύκλος ή κινητό µέρος. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αποτελούνται από έναν ηµιαγωγό, µε προσαρµοσµένα ηλεκτρόδια στην εµπρός και πίσω όψη (εικόνα ΗΛΚ-39). Η ένταση του ρεύµατος που αναπτύσσεται εξαρτάται από το εµβαδόν της επιφάνειας του στοιχείου, την ένταση και την περιεκτικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας σε ενεργά φωτόνια. Εικόνα ΗΛΚ-39: Σχηµατική παράσταση της λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες αποτελούνται από ηλιακά κύτταρα δηλαδή από δίσκους πυριτίου διαµορφωµένους σε διόδους, που δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία και την µετατρέπουν κατευθείαν σε ηλεκτρική ενέργεια, χωρίς την παρεµβολή άλλων διεργασιών. Έτσι η λειτουργία τους δεν συνεπάγεται καµία ρύπανση (ατµοσφαιρική ή υδάτινη) ή άλλη ενόχληση ή επιβάρυνση (ηχητική, θερµική, αισθητική) για το περιβάλλον, ούτε δηµιουργεί απόβλητα ή άχρηστα παραπροϊόντα. Επίσης, λόγω της σπονδυλωτής τους συγκρότησης, είναι εύκολη η συνεχής προσαρµογή των φωτοβολταϊκών γεννητριών στις εξελισσόµενες ανάγκες της κατανάλωσης, µε µεταβολή της εγκατεστηµένης ισχύος τους ώστε να ικανοποιούν τη ζήτηση π.χ. ενός φωτιστικού σώµατος ή µιας αποµονωµένης κατοικίας ή ενός µικρού συγκροτήµατος κατοικιών ή ενός ολόκληρου οικισµού. Επειδή, µάλιστα, στις φωτοβολταϊκές γεννήτριες δεν υπάρχουν κινούµενα µηχανικά εξαρτήµατα ούτε ροή ρευστών, οι φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις είναι απαλλαγµένες από σχεδόν κάθε ανάγκη επίβλεψης, συντήρησης και επισκευής που αποτελεί σπουδαίο πλεονέκτηµα για αποµονωµένες εγκαταστάσεις της ορεινής ή της νησιωτικής υπαίθρου. Ως προς το προφανές πρόβληµα του ετεροχρονισµού µεταξύ της διαθεσιµότητας της ηλιακής ακτινοβολίας και της ζήτησης της ηλεκτρικής ενέργειας, η αντιµετώπισή του γίνεται αναγκαστικά µε τη χρησιµοποίηση ηλεκτρικών συσσωρευτών ή µε άλλα συστήµατα αποθήκευσης και µετατροπής της ενέργειας. Το µόνο ουσιαστικό µειονέκτηµα της µεθόδου είναι το κόστος της κατασκευής των φωτοβολταϊκών γεννητριών, που για τις περισσότερες εφαρµογές, τις καθιστά αντιοικονοµικές σε σύγκριση µε τα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη και τους µεγάλους συµβατικούς σταθµούς. Υπάρχουν όµως βάσιµες ελπίδες ότι στο προσεχές µέλλον, µε τη χρησιµοποίηση φθηνότερων ηµιαγωγών και µε την εξέλιξη των ηλεκτρικών συσσωρευτών, το κόστος της φωτοβολταϊκής ενέργειας θα µειώνεται συνεχώς και θα φτάσει σε ανταγωνιστικά επίπεδα για πολλές εφαρµογές, ώστε να καλύπτει ένα µεγάλο µέρος από τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ Η φωτοβολταϊκή µετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο, δηλαδή στην άµεση εκδήλωση διαφοράς δυναµικού στις δύο πλευρές µιας κατάλληλης ηµιαγωγικής διόδου, όταν δεχθεί φωτεινή ακτινοβολία, που προκαλείται από τον ΗΛΚ-42.

3 διαχωρισµό των ηλεκτρικών φορέων οι οποίοι δηµιουργούνται από τα φωτόνια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, υπό την επίδραση του ενδογενούς ηλεκτροστατικού πεδίου της διόδου. Το φαινόµενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1839 από τον Γάλλο Φυσικό Alexandre Beequerel αλλά οι πρακτικές εφαρµογές του άρχισαν πολύ αργότερα. Το πρώτο φωτοβολταϊκό κύτταρο µε απόδοση κοντά στο 6% κατασκευάστηκε το 1956 και µάλιστα κατευθείαν για τη διαστηµική τεχνολογία, µε την τοποθέτηση φωτοβολταϊκών γεννητριών στους τεχνητούς δορυφόρους. Η επίγεια χρήση τους ξεκίνησε στα µέσα της δεκαετίας του 70 (µετά της πετρελαϊκή κρίση). Σήµερα το µεγαλύτερο µέρος της παγκόσµιας χρήσης φωτοβολταϊκών αποτελείται από το µονοκρυσταλλικό και πολυκρυσταλλικό πυρίτιο µε ποσοστό 35% και 47,5% της παγκόσµιας χρήσης αντίστοιχα, ενώ το 8% της χρήσης καλύπτεται από άµορφο πυρίτιο. Σε µικρό ποσοστό εµφανίζονται σχετικά πρόσφατα χρησιµοποιηθέντα υλικά κατασκευής φωτοβολταϊκών, όπως το τελλουριούχο κάδµιο, η ταινία πυριτίου, κ.α. Το Φωτοβολταϊκό Φαινόµενο Η λειτουργία ενός ηλιακού (φωτοβολταϊκού) στοιχείου στηρίζεται στην δηµιουργία διαφοράς δυναµικού στο εσωτερικό ενός υλικού, η οποία µπορεί να κατευθύνει τα ηλεκτρόνια που ελευθερώνονται από την κρούση των φωτονίων της ακτινοβολίας και να δηµιουργήσει έτσι ηλεκτρικό ρεύµα. Αυτό επιτυγχάνεται συνδυάζοντας ηµιαγωγά υλικά µε διαφορετικά χαρακτηριστικά για την δηµιουργία µιας ένωσης. Οι ενώσεις αυτές αποτελούνται συνήθως από τον συνδυασµό ενός υλικού «τύπου n» και ενός υλικού «τύπου p». Σε ένα υλικό «τύπου n» ή αρνητικού τύπου υλικό, τα ηλεκτρόνια µπορούν να κινούνται ελεύθερα σε θερµοκρασία δωµατίου. Οι προσµίξεις που προστίθενται για την δηµιουργία ενός υλικού «τύπου n» προκαλούν αριθµό νέων θέσεων για τα ηλεκτρόνια (εικόνα ΗΛΚ-40). Οι θέσεις αυτές γεµίζουν µε ηλεκτρόνια όταν η θερµοκρασία του υλικού πλησιάζει το απόλυτο µηδέν, αλλά σε θερµοκρασία δωµατίου οι ταλαντώσεις των ατόµων του υλικού προκαλούν την ελευθέρωση των περισσότερων από αυτά, τα οποία κινούνται ελεύθερα µέσα στο υλικό. Εικόνα ΗΛΚ-40: Kρυσταλλικό πλέγµα πυριτίου σε δύο διαστάσεις (a) καθαρός κρύσταλλος, (b) δηµιουργία κρύσταλλου τύπου n µε την αντικατάσταση ενός ατόµου πυριτίου (τετρασθενές) από ένα άτοµο φωσφόρου (πεντασθενής) Σε ένα υλικό «τύπου p» ή θετικού τύπου υλικό, υπάρχει µικρός αριθµός ελεύθερων ηλεκτρονίων, αλλά ένας µεγάλος αριθµός «οπών» ο οποίος µπορεί να κινηθεί ελεύθερα σε θερµοκρασία δωµατίου. Οι προσµίξεις που προστίθενται για την δηµιουργία ενός υλικού «τύπου p» δηµιουργούν ταυτόχρονα νέες θέσεις για τα ηλεκτρόνια. Οι θέσεις αυτές δεν γεµίζουν µε ηλεκτρόνια όταν η θερµοκρασία του υλικού πλησιάζει το απόλυτο µηδέν, αλλά σε θερµοκρασία δωµατίου ένας αριθµός ηλεκτρονίων χαµηλότερης ενεργειακής στάθµης δέχεται αρκετή ενέργεια για να µετακινηθεί στις νέες θέσεις, αφήνοντας πίσω τους οπές. Άλλα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε σταθερές θέσεις µπορούν να κινηθούν ελεύθερα και να καταλάβουν «θέσεις οπών» που έµειναν κενές από τα γειτονικά τους άτοµα. Με τον τρόπο αυτό οι οπές κινούνται µέσα στο υλικό, δρώντας σαν θετικά φορτία. ΗΛΚ-43.

4 Η ένωση δυο υλικών «τύπου n» και «τύπου p» δηµιουργεί ένα ενδιαφέρον φαινόµενο. Καθώς η συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ υψηλότερη στο υλικό «τύπου n», ηλεκτρόνια κινούνται µέσα στην ένωση από το υλικό «τύπου n» στο υλικό «τύπου p». Οι οπές «µετακοµίζουν» µέσα στην ένωση στην αντίθετη κατεύθυνση. Η κίνηση αυτή ή αλλιώς διάχυση, προκαλεί την δηµιουργία ηλεκτρικού ρεύµατος (Ι d ) από το υλικό «τύπου n» στο υλικό «τύπου p». Τα φορτία που περνούν την ένωση σπάνια φτάνουν µακριά. Τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται στο υλικό «τύπου p» για παράδειγµα, παγιδεύονται στις οπές κοντά στην ένωση. Καθώς τα φορτία περνούν µέσα από την ένωση και παγιδεύονται, δηµιουργούν διαφορά δυναµικού στην διεπιφάνεια της ένωσης. Η διαφορά δυναµικού στην διεπιφάνεια αυξάνεται συνεχώς µέχρις ότου ο αριθµός των οπών που πέρασαν από το υλικό «τύπου n» στο υλικό «τύπου p» εξαιτίας της διαφοράς δυναµικού στην διεπιφάνεια (Ι ν ) εξισωθεί µε του ρυθµό ροής των οπών που περνούν την διεπιφάνεια από το υλικό «τύπου p» στο υλικό «τύπου n» εξαιτίας των διαφορών στις συγκεντρώσεις τους (Ι d ). Ακριβώς το ίδιο φαινόµενο συµβαίνει και µε τα ηλεκτρόνια. Ο αριθµός των φορτίων που περνούν την διεπιφάνεια για την δηµιουργία της προαναφερθέντος κατάστασης ισορροπίας είναι τόσο µικρός που δεν επηρεάζει τις συγκεντρώσεις των οπών και των ηλεκτρονίων στην συνολική µάζα του υλικού, ενώ επίσης στην κατάσταση ισορροπίας δεν µπορεί να µετρηθεί και καµιά διαφορά δυναµικού. Η παραπάνω ένωση των δυο ηµιαγώγιµων υλικών λειτουργεί σαν µια «δίοδος» ή σαν µια βαλβίδα ενός δρόµου για το ηλεκτρικό ρεύµα. Η ισορροπία της διόδου διαταράσσεται όταν φωτόνια προσκρούουν στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Φωτόνια τα οποία έχουν αρκετή ενέργεια (E>E g ) για να ελευθερώσουν ένα ηλεκτρόνιο από µια σταθερή θέση προκαλούν την δηµιουργία ενός νέου ελεύθερου ηλεκτρονίου και µιας νέας οπής. Το φαινόµενο αυτό προκαλεί µεγάλη αύξηση του αριθµού των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των διατιθέµενων οπών στο φωτοβολταϊκό. Σε ένα καλά σχεδιασµένο φωτοβολταϊκό στοιχείο µεγάλο ποσοστό των οπών που δηµιουργήθηκαν στο υλικό «τύπου n» και των ελεύθερων ηλεκτρονίων του υλικού «τύπου p» φτάνουν στην διεπιφάνεια και την περνούν εξαιτίας της διαφοράς δυναµικού, µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η ένταση του παραγόµενου ηλεκτρικού ρεύµατος. Σε γενικές γραµµές το φωτοβολταϊκό (Φ/Β) στοιχείο (cell) αποτελείται από την ένωση των δύο ηµιαγωγών, µε προσαρµοσµένα ηλεκτρόδια στην εµπρός και πίσω όψη και το περίβληµά τους που τα προστατεύει από τις καιρικές συνθήκες (εικόνα ΗΛΚ-41). Πολλά Φ/Β στοιχεία κατάλληλα συνδυασµένα και συνδεδεµένα δηµιουργούν το Φ/Β πλαίσιο (module). Με τη σειρά τους αριθµός Φ/Β πλαισίων δηµιουργεί µια Φ/Β συστοιχία (array, εικόνα ΗΛΚ-42). Συστοιχίες Φ/Β δηµιουργούν το Φ/Β πεδίο ή αλλιώς τη Φ/Β γεννήτρια., που µαζί µε τον άλλο απαραίτητο εξοπλισµό (καλωδιώσεις, συστήµατα ελέγχου κα ι προστασίας, ανορθωτές/ µετασχηµατιστές, κτλ) σχηµατίζουν ένα Φ/Β σύστηµα ή ένα Φ/Β σταθµό. Εικόνα ΗΛΚ-41: Τοµή ενός φωτοβολταϊκού και εµφάνιση της λειτουργίας του ως διόδου ΗΛΚ-44.

5 Βαθµός απόδοσης Εικόνα ΗΛΚ-42: οµή Φ/Β γεννητριών Τα κυριότερα είδη ηλιακών κυττάρων που κατασκευάζονται σήµερα βιοµηχανικά και χρησιµοποιούνται στις πρακτικές εφαρµογές είναι από πυρίτιο (µονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό, καθώς και από άµορφο). Ο βαθµός απόδοσης του ηλιακού κυττάρου ορίζεται ως: n = p max /p m όπου p m είναι η προσπίπτουσα ηλιακή φωτεινή ακτινοβολία. Η ηλεκτρική ισχύς που µπορούµε να πάρουµε από ένα ηλιακό κύτταρο εξαρτάται βέβαια από την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται αυτό, αλλά εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό και από τους ενδογενείς παράγοντες που επηρεάζουν τον βαθµό απόδοσης. Οι κυριώτεροι από αυτούς είναι οι εξής: 1. Απώλειες λόγω ανακλάσεων στην εξωτερική επιφάνεια του κυττάρου. Οι απώλειες αυτές µπορούν να µειωθούν είτε µε χρήση αντανακλαστικών καλυµµάτων είτε µε έντονη νόθευση των ηµιαγωγών. 2. Μη πλήρης απορρόφηση των προσπιπτόντων φωτονίων. Οι απώλειες αυτές είναι της τάξεως του 22%. Αντιµετωπίζονται µε αύξηση του πάχους του κυττάρου ή µε χρήση κυττάρων πολλαπλών στρώσεων. 3. Οι απώλειες θερµότητας για φωτόνια µε µεγάλη ενέργεια (Ε>Ε g ). Η υπερθέρµανση προκαλεί σηµαντική µείωση της απόδοσης γι αυτό είναι απαραίτητο να υπάρχει ένα είδος ψύξης του συστήµατος το οποίο θα µπορούσε στη συνέχεια να χρησιµοποιεί την απαγόµενη θερµότητα για την θέρµανση νερού. Η ισχύς που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο µονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι περίπου 16% της ισχύος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ πρόσφατα έχουν παραχθεί στοιχεία µε βαθµό απόδοσης 18%. Θεωρητικά η µέγιστη ενεργειακή απόδοση ανέρχεται περίπου σε 24% (εικόνα ΗΛΚ-43). Η ενεργειακή απόδοση που αναφέρθηκε, αναφέρεται σε µονοκρυσταλλικά στοιχεία, που όµως δυστυχώς κατασκευάζονται πολύ δύσκολα και είναι πολύ ακριβά. Τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία έχουν µειωµένη ενεργειακή απόδοση που κυµαίνεται στο 14%, αλλά έχουν χαµηλότερο κόστος κατασκευής. Το άµορφο πυρίτιο έχει χαµηλότερο βαθµό απόδοσης, κάτω από 9%. Με διάφορα πλεονεκτικότερα υλικά, όπως ηµιαγωγοί µε βάση το κάδµιο, το γερµάνιο ή άλλα µέταλλα, καθώς και διάφορα συστήµατα διάταξής τους µπορούµε να έχουµε µεγαλύτερο βαθµό απόδοσης (35% ή 65% σε ακραίες περιπτώσεις), όµως οι λύσεις αυτές βρίσκονται ακόµη σε στάδιο της έρευνας ή ανάπτυξης. Νέες προοπτικές δηµιουργούνται και µε την κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων µε βάση οργανικές ενώσεις. Στην εικόνα ΗΛΚ-44 φαίνεται η εξέλιξη της ενεργειακής απόδοσης διάφορων φωτοβολαϊκών στοιχείων. ΗΛΚ-45.

6 Εικόνα ΗΛΚ-43: Μέγιστη θεωρητική απόδοση φωτοβολταϊκών στοιχείων διαφόρων υλικών Εικόνα ΗΛΚ-44: Εξέλιξη της απόδοσης φωτοβολταϊκών στοιχείων διαφόρων υλικών ΗΛΚ-46.

7 Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος/σταθµού είναι της τάξης του 10% (εικόνα ΗΛΚ-45), καθώς προστίθενται και οι απώλειες των καλωδιώσεων, της µονάδας µετατροπής ισχύος, κτλ (πίνακας ΗΛΚ-10). Εικόνα ΗΛΚ-45: Απόδοση Φωτοβολταϊκού Συστήµατος ΗΛΚ-47.

8 Πίνακας ΗΛΚ-10: Απώλειες σε Φ/Β σταθµούς Ένα πρόβληµα των Φ/Β συστηµάτων είναι ο ετεροχρονισµός µεταξύ παραγωγής και ζήτησης της ενέργειας. Απαιτείται εποµένως η ενδιάµεση αποθήκευση της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας. Έχουν προταθεί πολλές µέθοδοι αποθήκευσης, όπως η ηλεκτρόλυση νερού για την παραγωγή καυσίµου υδρογόνου, η ανύψωση νερού σε ταµιευτήρες, κτλ, για µεγάλες εφαρµογές. Για µικρές εφαρµογές η φόρτιση ηλεκτροχηµικών συσσωρευτών εξακολουθεί να είναι η µόνη εφαρµόσιµη µέθοδος, το κόστος τους όµως είναι µεγάλο. Πίνακας ΗΛΚ-11: Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της φωτοβολταϊκής µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ανεξάντλητη πηγή ενέργειας και ελεύθερα διαθέσιµη. Αφθονία πρώτης ύλης για κατασκευή Φ/Β στοιχείων. Αξιοποιούν και την ακτινοβολία διάχυσης (συνεπώς λειτουργούν και σε συνήθως συννεφιασµένες περιοχές). Τα Φ/Β στοιχεία έχουν σχεδόν απεριόριστη διάρκεια ζωής. εν υπάρχουν κινούµενα µέρη και εποµένως υφίσταται περιορισµένη ανάγκη επίβλεψης και συντήρησης. Ανεξαρτησία από καύσιµα και µεγάλα δίκτυα διανοµής. Απλότητα και ασφάλεια λειτουργίας. εν ρυπαίνει το περιβάλλον, δεν προκαλείται θορύβος, δεν δηµιουργούνται άχρηστα παραπροϊόντα. Κατάλληλη για κάληψη µικρών φορτίων σε αποµακρυσµένες περιοχές. Μετά την αρχική επένδυση δεν χρειάζονται παραπέρα επενδύσεις παρά µόνο για µια ελάχιστη συντήρηση. Μεγάλη αναλογία ισχύος προς βάρος (~100W/kg), που είναι σηµαντική ιδιότητα για τις διαστηµικές εφαρµογές. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μεγάλο κόστος παρασκευής των Φ/Β στοιχείων. Ετεροχρονισµός µεταξύ παραγωγής και ζήτησης ενέργειας (απαίτηση για ενδιάµεση αποθήκευση µέρους της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας - πρόσθετη δαπάνη - σε αυτόνοµα συστήµατα). Κάλυψη µεγάλης επιφάνειας εδάφους για τοποθέτηση του Φ/Β συστήµατος λόγω της χαµηλής έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Συγκρινόµενο µε τις καθιερωµένες πηγές και µεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας το κόστος παρασκευής των ηλιακών στοιχείων είναι απαγορευτικό, για µεγάλες ηλεκτροπαραγωγικές ΗΛΚ-48.

9 µονάδες. Για ειδικότερες όµως εφαρµογές µικρής ισχύος η εκλογή της φωτοβολταϊκής µετατροπής ενδείκνυται σε ορισµένες περιπτώσεις (π.χ. τροφοδότηση αποµακρυσµένων σηµείων που δεν είναι συνδεδεµένα µε το ηλεκτρικό δίκτυο, όπως σταθµοί τηλεπικοινωνιακών αναµεταδόσεων στις κορυφές βουνών, µετεωρολογικοί σταθµοί κτλ). Υπάρχουν πάντως υπό ανάπτυξη αξιόλογα προγράµµατα ανάπτυξης Φ/Β στοιχείων µειωµένου κόστους ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τα φωτοβολταϊκά συστήµατα διακρίνονται σε συνδεδεµένα µε το δίκτυο και σε αυτόνοµα. Α. Φ/Β συστήµατα συνδεµένα µε το δίκτυο ιακρίνονται σε συστήµατα: Μικρής (<20 kw p ), Μέσης και Μεγάλης Ισχύος Αιχµής (>2000 kw p ). Β. Αυτόνοµα Φ/Β συστήµατα Είναι αυτά που δεν είναι συνδεµένα µε άλλες πηγές (παραδοσιακές ή µη) παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος. Τα βασικά τους µέρη είναι: Α. Φ/Β πεδίο. Αποτελείται από τα Φ/Β πλαίσια, το σύστηµα στήριξης, τις καλωδιώσεις. Β. Μονάδα Μετατροπής Ισχύος. Περιλαµβάνει τα Ηλεκτρονικά ελέγχου (Μονάδα ρύθµισης συνεχούς τάσης, προστασία, έλεγχος), Μετασχηµατιστής DC/AC Γ. Συσσωρευτές. Συνηθισµένα φορτία που καλύπτουν αυτόνοµα Φ/Β συστήµατα είναι φορτία που προέρχονται από φώτα, ψυγείο/καταψύκτη, τηλεόραση, ραδιόφωνο, ηλεκτρονικό υπολογιστή, mixer, απορροφητήρα, κυκλοφορητές δικτύου θέρµανσης, κτλ. εν ενδείκνυται η κάλυψη µεγάλων θερµικών φορτίων (π.χ. ηλεκτρική κουζίνα ή θερµοσίφων). Συσσωρευτές Φορτία ΣΡ ΦΒ Πεδίο Ρυθµ ιστής Φόρτισης = ~ Φορτία ΕΡ Μετατροπέας DC/AC Εικόνα ΗΛΚ-46: Σχηµατική παράσταση αυτόνοµου Φ/Β συστήµατος ΦΒ Πεδίο Μετατροπέας DC/AC = ~ Φορτία Κτιρίου (ΕΡ) ίκτυο Εικόνα ΗΛΚ-47: Σχηµατική παράσταση Φ/Β συστήµατος συνδεµένου µε το δίκτυο. ΗΛΚ-49.

10 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Σηµαντικές περιοχές φωτοβολταϊκών εφαρµογών που να µπορούν να ανταγωνιστούν οικονοµικά τις συµβατικές και τις άλλες εναλλακτικές ηλεκτρικές πηγές είναι οι ακόλουθες: 1. Φάροι και σηµαδούρες θαλασσίων οδών. 2. Τηλεπικοινωνίες. Τηλεφωνικό δίκτυο δυσπρόσιτων/αποµονωµένων περιοχών Αναµεταδότες τηλεόρασης Αναµεταδότες FM Αναµεταδότες µικροκυµάτων τηλεπικοινωνιών Τηλέφωνο εθνικών οδών Τηλεπικοινωνίες Ε.. (δίκτυα, αναµεταδότες, ποµποί) 3. Μονάδες αναγνώρισης προειδοποίησης. Ανισόπεδες διαβάσεις σιδηροδρόµου Σηµάνσεις οδών Φωτεινά σήµατα 4. Μετρητικές διατάξεις, κτλ. Σεισµογράφοι Μετρητές κυκλοφορίας Λειτουργία µετεωρολογικών σταθµών 5. Καθοδική προστασία υπογείων σωληνώσεων και µεταλλικών κατασκευών. 6. Άντληση Άρδευση. 7. Ηλεκτροδότηση κατοικιών, οικισµών, camping, κτηνοτροφικών µονάδων, κλπ. 8. Μονάδες µεγάλης ισχύος συνδεµένες µε το δίκτυο ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Κατά την σχεδίαση ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος πρέπει να λαµβάνονται υπόψη: Ι. Το είδος χρήσης (κατοικία, ξενώνας, µονή, οικισµός, Camping, κτλ) Μόνιµη - ευτερεύουσα (εξοχική). Μήνες / ηµέρες κατοίκησης. Απαιτούµενη αυτοδυναµία. ΙΙ. ΙΙΙ. Ο εξοπλισµός και η χρήση του (φορτία που πρέπει να καλυφθούν) Είδος συσκευών. Ισχύς συσκευών. Χρονική διάρκεια χρήσης συσκευών. Χρονικό σηµείο χρήσης συσκευών. Η θέση εγκατάστασης του Φ/Β συστήµατος (γεωγραφική και τοπογραφική) Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορα επίπεδα (ενεργειακό δυναµικό). Χρονική (εποχική, ηµερήσια) διακύµανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. ιαθέσιµος χώρος εγκατάστασης (προσανατολισµός, σκίαση, αλληλοσκίαση). Λαµβάνοντας υπόψη τα παραπάνω υπολογίζουµε: Το ηµερήσιο φορτίο (ισχύς- ενέργεια) και τις καµπύλες διακύµανσής του. Τις ηµέρες αυτοδυναµίας. Το µέγεθος και τα χαρακτηριστικά της µονάδας µετατροπής ισχύος (inverter,ρυθµιστής φόρτησης). Το µέγεθος και τα χαρακτηριστικά του συσσωρευτή. Τον απαιτούµενο αριθµό πλαισίων και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους, την κλίση τους, τον τρόπο σύνδεσης τους. ΗΛΚ-50.

11 ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΛΑ Α Λόγω της πλεονεκτικής της γεωγραφικής θέσης, της µορφολογίας και των κλιµατολογικών συνθηκών, η Ελλάδα είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για τη διάδοση των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων, ώστε να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που να συµβάλλει σε αξιόλογο βαθµό στο ενεργειακό ισοζύγιο της χώρας. Ο πρώτος ΦΒ σταθµός της ΕΗ ισχύος 100 kw p λειτούργησε ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 στο Αυτόνοµο Σύστηµα της Κύθνου ((εικόνα ΗΛΚ-47). Στα µέσα της δεκαετίας του 1990 λειτουργούσαν αρκετοί φωτοβολταϊκοί σταθµοί της ΕΗ ισχύος kw για την ηλεκτροδότηση αποµονωµένων νησιωτικών οικισµών (ισχύος 50kW στην Αγία Ρούµελη Κρήτης, 100kW στη Κύθνο, από 25kW στα Αντικύθηρα και στους Αρκούς και 20kW στη Γαύδο. Επίσης στο Άγιο Όρος, πέρα από τις διάφορες µικρές εγκαταστάσεις, λειτούργησε από το 1994 στην Ι.Μ. Σίµονος Πέτρα φωτοβολταϊκός σταθµός ισχύος 50 kw p (εικόνα ΗΛΚ-48). Παράλληλα λειτουργούσαν εκατοντάδες µικρότερες φωτοβολταϊκές γεννήτριες για την τροφοδότηση εξοχικών κατοικιών, φάρων, αντλητικών συγκροτηµάτων, τηλεπικοινωνιακών αναµεταδοτών, συστηµάτων συναγερµού και διατάξεων φόρτισης συσσωρευτών. Σήµερα (2012) η εγκαταστηµένη ισχύς των Φ/Β συστηµάτων στη χώρα µας, τόσο των συνδεµένων µε το ηπειρωτικό δίκτυο όσο και στα νησιά, είναι πάνω από 600 MW. Τα συστήµατα αυτά είναι είτε σταθερής κλίσης, συνήθως τα µικρότερα συστήµατα, είτε συνεχούς παρακολούθησης του Ήλιου, για τις µεγαλύτερες µονάδες, γεγονός που συµβάλει στην αυξηµένη συλλογή ηλιακής ενέργειας και κατά 25-30% στην αύξηση της ηλεκτροπαραγωγή, σε σχέση µε τα σταθερής κλίσης συστήµατα (εικόνα ΗΛΚ-49). Στις εικόνες ΗΛΚ-50 έως ΗΛΚ-54 παρουσιάζονται παραδείγµατα εφαρµογών Φ/Β συστηµάτων Εικόνα ΗΛΚ-48: Οι σηµαντικότεροι Φωτοβολταϊκοί Η.Σ. εν λειτουργία στην Ελλάδα (1995) 1. Κύθνος 100 kw p (1983) 2. Αγία Ρουµέλη 50 kw p (1983) 3. Γαύδος. 20 kw p (1986) 4. Αντικύθηρα 25 kw p (1987) 5. Αρκοί 25 kw p (1988) 6. Ι. Μ. Σίµονος Πέτρα 50 kw p (1994) ΗΛΚ-51.

12 Εικόνα ΗΛΚ-47: Φ/Β σταθµοί σε αυτόνοµα συστήµατα νησιών (α) Εικόνα ΗΛΚ-49: ΦΒ σταθµοί στην Κεντρική Μακεδονία (α) σταθερής κλίσης, (β) συνεχούς παρακολούθησης του Ήλιου. (β) ΗΛΚ-52.

13 Εικόνα ΗΛΚ-50: Φωτοβολταϊκά στοιχεία ενσωµατωµένα σε εξοχική κατοικία Εικόνα ΗΛΚ-51: Αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα 1,5 kw p σε κατοικία στην Πιερία Εικόνα ΗΛΚ-52:Ο inverter και οι συσσωρευτές (24 x 2V x 200 Ah) για το αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα της κατοικίας της προηγούµενης εικόνας ΗΛΚ-53.

14 Εικόνα ΗΛΚ-53: Φωτοβολταϊκό σύστηµα 100 kwp σε εθνική οδό της Ελβετίας που λειτουργούν και ως ηχοπετάσµατα Κτίριο γραφείων στο Doxford, UK. Εξωτερική όψη Εσωτερική όψη Εικόνα ΗΛΚ-54: Φωτοβολταϊκά στοιχεία ενσωµατωµένα σε κτίριο γραφείων ΗΛΚ-54.

15 ΑΠΘ, Τµ. Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Σηµειώσεις, Γ. Τσιλιγκιρίδη ΦΒ ενσωµατωµένα στη στέγη * ΦΒ ενσωµατωµένα σε καµπύλη στέγη/τοίχο ΦΒ ενσωµατωµένα στο κέλυφος για σκιασµό ανοιγµάτων Εικόνα ΗΛΚ-55: Φωτοβολταϊκά στοιχεία ενσωµατωµένα σε κτίρια ΗΛΚ-55.