ΦΩΤΟΒΟΑΤΑΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ Κ Α Β ΑΛΑ.Χ ΣΧΟΛΗ: Σ.Τ.ΕΦ. ιθμ. Πρωί... ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ jounwa / S //r ^ ΦΩΤΟΒΟΑΤΑΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΑΡΑΣΚΕΥΟΠΟΥΛΟΥ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ Α.Ε.Μ.: 2704 ΕΗΙΒΑΕΗΟΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΜΑΓΚΑΦΑΣ ΛΥΚΟΥΡΓΟΣ ΚΑΒΑΛΑ 2007

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... ΣΕΛ.1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ...,.,ΣΕΛ.3 ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ: ΘΕΩΡΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ... ΣΕΛ.8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ... ΣΕΛ.9 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Α)ΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ... ΣΕΛ.9 Β)Η ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΩΣ ΒΟΗΘΟΣ ΣΤΗ ΛΥΣΗ... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΕΛ ΓΕΝΙΚΑ ΣΕΛ.ΙΟ 2. Η ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ' ' 3. Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΡΕΥΜΛΤΟΣ ΣΕΛ ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΕΛ Ο ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣ ΣΕΛ.Ι7 6. ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΔΕΥΤΕΡΗ...ΣΕΔ. 19 ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ 7. Η ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΔΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΝ ΦΩΤΟΒΟΔΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΣΕ ΣΕΔ.21 ΣΤΑΘΕΡΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ 8. ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΔΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤ01ΧΕΙΩΝ(ΜΕΤΑΒΑΛΛ0ΜΕΝΕΣ ΣΕΛ.23 ΣΥΝΘΗΚΕΣ) 9. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΓΙΑ ΗΛΙΑΚΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ...ΣΕΛ.25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ς ε α.^/ 1. ΓΕΝΙΚΑ ΣΕΛ Η ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΔΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΣΕΛ Η ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ 4. Η ΙΣΧΥΣ ΑΙΧΜΗΣ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ 5. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΑΝΕΛ ΚΑΙ ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ 6. ΟΙ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΤΥΠΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (S.) ΤΥΠΟΙ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ «ΜΕΓΑΛΟΥ ΠΑΧΟΥΣ» 3. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΥΛΙΚΑ ΛΕΠΤΩΝ ΕΠΙΣΤΡΩΣΕΩΝ ΣΕΛ.29 ΣΕΛ.31 ΣΕΛ.32 ΣΕΛ..-15 νρλ ΣΕΛ.36 ΣΕΛ.36 ΣΕΛ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΕΛ.38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ re Λ 39 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 2-ΕΛ.39 I. ΓΕΝΙΚΑ ΣΕΛ.39

3 2. ΑΥΤΟΔΥΝΑΜΑ Η ΑΥΤΟΝΟΜΑ Φ/Β... ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3. Δ1ΑΣΥΝΔΕΜΕΝΑ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Φ/Β ΣΕΑ.41 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΛΟΓΟΙ ΠΟΥ ΜΑΣ ΩΘΟΥΝ ΣΕΛ.43 ΣΤΗΝ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ. 1. ΓΕΝΙΚΑ ΣΕΛ ΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΣΕΛ 45 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 3. ΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΕΕΑ 48 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ. 4. ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΤΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ...ΣΕΛ.49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ?: ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ j;ea 50 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΑΙ ΚΙΝΗΤΡΑ ΕΠΕΚΤΑΣΗΣ ΤΟΥΣ 1 Η ΔΙΕΘΝΗΣ ΑΓΟΡΑ ΣΕ ΞΕΦΡΕΝΗ yp^ ΚΟΥΡΣΑ ΚΟΣΤΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ yp. ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΤΑ ΝΕΑ ΚΙΝΗΤΡΑ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΣΕΛ ΕΠΙΔΟΤΗΣΗ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΟ.,, ΝΟΜΟ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΑΔΕΙΟΔΟΤΗΣΗΣ ΣΕΛ ΠΟΛΙΤΙΚΕΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ ΜΕΛΕΤΗ 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2. ΤΙ ΧΩΡΙΣ ΔΕΗ 1ο βήμα: Εξοικονόμηση ενέργειας 2ο βήμα: Υπολογισμός κατανάλωσης 3 Βήμα: Επιλογή συσσωρευτών. 4ο βήμα: Επιλογή μεγέθους ηλιακών συλλεκτών (πάνελ). 5 Βήμα: ΕπΛογή Αντιστροφέα ( inverter) 6ο Βήμα: Ρυθμιστή φόρτισης συσσωρευτών 7 Βήμα: Υπολογισμός Κόστους 3. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΣΕΛ.73 ΣΕΛ.75 ΣΕΛ ΣΕΛ ΣΕΛ ΣΕΛ ΣΕΛ ΣΕΛ.79...ΣΕΛ.80...ΣΕΛ.8Ι...ΣΕΛ.83 ΣΕΛ.84...ΣΕΛ.86...ΣΕΛ.87...ΣΕΑ.88

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Τι γίνεται η ηλιακή ενέργεια που φτάνει στη Γη; Η απάντηση είναι ότι «αποταμιεύεται» άμεσα στο φυσικό περιβάλλον μας. Η ηλιακή ενέργεια είναι η αιτία για μια σειρά από φυσικές διαδικασίες, όπως η δημιουργία των ανέμων και των κυμάτων, η εξάτμιση του νερού, η φωτοσύνθεση. Είναι, ετήσης, η αιτία που διατηρείται σταθερή, κατά μέσο όρο, η θερμοκρασία του πλανήτη μας. Μέσα από αυτές τις διαδικασίες και ύστερα από πολλές ενεργειακές μετατροπές, η ηλιακή ενέργεια εμφανίζεται εμμέσως, είτε ως ενέργεια κίνησης με τους ανέμους και τα ρέοντα νερά, είτε ως ενέργεια αποθηκευμένη σε χημική μορφή στις τροφές, το ξύλο, τα ορυκτά καύσιμα. Σχεδόν το 90% της ενέργειας που χρησιμοποιούμε, είτε για την κίνηση των μηχανών, είτε για την παραγωγή ηλεκτρισμού, προέρχεται από την καύση ορυκτών καυσίμων, τα οποία σχηματίστηκαν στο υπέδαφος πριν εκατομμύρια χρόνια από την αποσύνθεση χερσαίων και θαλάσσιων φυτών και μικροοργανισμών. Ο ήλιος, λοιπόν, είναι αναμφισβήτητα η ισχυρότερη πηγή ενέργειας, με δυσάρεστο το γεγονός, ότι αυτή η ττηγή στο μεγαλύτερο ποσοστό της παραμένει ανεκμετάλλευτη. Η παραγωγή ενέργειας δεν μπορεί πλέον, να βασίζεται αποκλεισηκά στις υπάρχουσες ττηγές ενέργειας. Π.χ. ορυκτά καύσιμα, φυσικό αέριο. Αντιθέτως, η στροφή προς την αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας θεωρείται πλέον απαραίτητη. Πολλοί λόγοι, μας οδηγούν, προς αυτή την αναζήτηση, οι οποίοι σχετίζονται αρχικώς με την μόλυνση του περιβάλλοντος και εν συνεχεία με την ανεξέλεγκτη αύξηση του κόστους παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας (τιμές πετρελαίου). Οι πιο γνωστές μορφές ενέργειας είναι η ηλιακή, η αιολική, η γεωθερμική και η υδροηλεκτρική. Η ισχύς που ακτινοβολεί ο Ήλιος προς όλες τις κατευθύνσεις είναι ίση με 4 X 1026 W. Η περισσότερη διασκορτήζεται στο σύμπαν και μόνο ένα πολύ μικρό μέρος φτάνει στη Γη. Συγκεκριμένα σε κάθε τετραγωνικό μέτρο του πλανήτη μας φτάνει νσχύς μόνο 1KW. Παρόλο που το μέγεθος της ισχύος αυτής είναι μικρό, η ενέργεια που δέχεται η Γη σε όλη της την ετηφάνεια είναι φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που ξοδεύει όλη η ανθρωπότητα για τις ανάγκες της. Ένα τόσο μεγάλο ποσό ενέργειας είναι κρίμα να χάνεται, για δύο βασικούς λόγους, ήδη γνωστούς σε όλους μας. Διότι παρέχεται δωρεάν και είναι φιλικότατο προς το περιβάλλον. Μέχρι σήμερα, εκμεταλλευόμαστε κατά ένα πολύ μικρό μέρος την ηλιακή ενέργεια μόνο ως θερμότητα με τη γνωστή σε όλους συσκευή, του ηλιακού θερμοσίφωνα. Οι ανάγκες μας, όμως, είναι πολύ περισσότερες από την ανάγκη του ζεστού νερού. Το ζεστό νερό δεν μπορεί να ικανοποιήσει τις ενεργειακές μας ανάγκες. Άρα, χρειαζόμαστε την ηλεκτρική ενέργεια και για αυτόν το λόγο η επιστήμη αναζήτησε μεθόδους μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική από τον προηγούμενο αιώνα, το 1839 περίπου. Τότε διαπιστώθηκε ότι αυτό είναι δυνατό με τη βοήθεια των ημιαγωγών. Το φαινόμενο της μετατροττής αυτής ονομάζεται φωτοβολταϊκό και οι συσκευές που υποστηρίζουν τη μετατροπή αυτή ονομάζονται φωτοβολταϊκές γεννήτριες. Συμπερασματικά, λοιπόν, η Ελλάδα λόγω της ηλιοφάνειάς της όλη τη διάρκεια

5 του χρόνου πρέπζχ να χρησιμοποιήσει την ηλιακή ενέργεια, προκειμένου να συμβάλει στη διαμόρφωση της νέας πραγματικότητας. Η Ιστορία των φωτοβολταϊκών: Η παρατήρηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου ανάγεται στο μακρινό έτος Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι σταθμοί στην εξέλιξη των φωτοβολταϊκών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέρτγειας Ο ΓάUoς φυσικός Edmund Becquerel παρατήρησε για πρώτη φορά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο στο μεταλλικό στοιχείο σελήνιο (Se). Δεκαετία του Κατασκευάσθηκαν οι πρώτες φωτοβολταϊκές κυψέλες από σελήνιο, οι οποίες μετέτρεπαν το ορατό φάσμα του φωτός σε ηλεκτρικό ρεύμα με απόδοση που κυμαινόταν μεταξύ 1% και 2%. Οι φωτοευαίσθητοι αισθητήρες των φωτογραφικών μηχανών κατασκευάζονται ακόμα και σήμερα από σελήνιο Ο Πολωνός φυσικός Jan Czochralski ανέπτυξε αξιόπιστη μέθοδο παραγωγής μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Οι πλέον αποδοτικές και εμπορικά αξιοποιήσιμες σήμερα φωτοβολταϊκές κυψέλες βασίζονται στο μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Αρχές Αναπτύχθηκε ο μετρητής Czochralski για την μαζική παραγωγή κρυσταλλικού πυριτίου υψηλής καθαρότητας, απαραίτητου για την κατασκευή φωτοβολταϊκών κυψελών υψηλήςαπόδοσης Η εταιρεία Bell Telephone Laboratories κατασκεύασε φωτοβολταϊκή κυψέλη πυριτίου με απόδοση 4%. Αργότερα η απόδοση ανέβηκε στο 11%. 1958, 1959, Κατασκευή φωτοβολταϊκών κυψελών με αποδόσεις 9, 10 και 14% από την εταιρεία Hoffman Electronics Τίθεται σε τροχιά από την εταιρεία Bell Telephone Laboratories ο πρώτος τηΐχπικοινωνιακός δορυφόρος (Telstar) με φωτοβολταϊκά στοιχεία ισχύος 14 W Μαζική παραγωγή φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου από την Ιαπωνική εταιρεία Sharp Corporation Εγκαθίσταται στην Ιαπωνία η μεγαλύτερη φωτοβολταϊκή διάταξη στον κόσμο ισχύος 242 W για την ηλεκτροδότηση ενός φάρου Γάλλοι ετηστήμονες εγκαθιστούν σε χωριό του Νίγηρα φωτοβολταϊκό σύστημα Θειούχου Καδμίου (CdS) για την τροφοδοσία εκπαιδευτικής τηλεόρασης ενός σχολείου. Στο μέλλον, οι κυψέλες CdS υπόσχονται πολλά στη μείωση του κόστους παραγωγής και στην αύξηση τωναποδόσεων Η πρώτη ενεργειακή κρίση ώθησε το Υπουργείο Ενέργειας των Η.Π.Α. στην ίδρυση του Ομοσπονδιακού Προγράμματος για την Εκμετάλλευση του Φωτοβολταϊκού φαινομένου (Federal Photovoltaic Utilization Program). Πολλά από τα συστήματα, το οποία εγκαταστάθηκαν στα πλαίσια του προγράμματοε αυτου, εξακολουθούν ακόμα και σήμερα να λειτουργούν: ΤΛ φωτοβολταϊκές κυψέλες άμορφου πυριτίου κατασκευάζονται από τον David Carlson και τον Christopher Wronski των RCA Laboratories. Οι κυψέλες m S T o ανάπτυξη των τεχνολογιών λεπτής μεμβράνηο ΡΟγδαίας ανάπτυξης πις αγοράς OTV

6 Οι τρεις γενιές των φωτοβολταϊκών 1η Γενιά: Η πρώτη φωτοβολταϊκή γεννήτρια (Φ/Γ) κατασκευάστηκε και πρωτοπαρουσιάστηκε το 1954 στα εργαστήρια της εταιρείας Bell. Είχε βαθμό απόδοσης περίπου 6%. Οι σημερινές Φ/Γ από γραμμή παραγωγής έχουν βαθμό απόδοσης μέχρι 16%. Ρεκόρ προϊόντα στο 20% για πολύκρυσταλλικες κυψέλες και 25% για μονοκρυσταλλικές κυψέλες. Υψηλή απόδοση και μεγάλος χρόνος ζωής Η Solar*Tec AG για παράδειγμα χρησιμοποιεί υψηλής ποιότητας (Φ/Β) γεννήτριες με βαθμό απόδοσης μέχρι και 16% με πολύ καλά χαρακτηριστικά λειτουργίας και σε χαμηλή ηλιακή ακτινοβολία. Μια στρώση από νιτρικό ττυρίτιο πάνω στο γυαλί κάλυψης της (Φ/Β) κυψέλης προσφέρει υψηλή διαπερατότητα και χαμηλή αντανάκλαση του φωτός, η κατασκευάστρια εταιρεία αυτών των ειδικών υαλοπινάκων είναι η HELIOS ULTRABR1GHT GmbH, με προϊόντα κατά πολύ καλύτερα του μέσου όρου της αγοράς. Πιστοποιημένη ισχύς απόδοσης Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες για παράδειγμα της Solar*Tec AG σειρά παραγωγής ST μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εγκαταστάσεις σε στέγη- και σε ελεύθερο χώρο. Η ονομαστική ισχύς των τυποποιημένων μοντέλων είναι 185Wp. Στο τελευταίο στάδιο του ποιοπκού ελέγχου δίδεται ηλεκτρονικά αναγνώσιμη πιστοποίηση για τις πραγματικές τιμές απόδοσης ισχύος. 2η Γενιά: Στις αρχές της δεκαετίας του 80 του περασμένου αιώνα ανακαλύφθηκε η δυνατότητα τεχνολογικής παραγωγής γεννητριών λεπτού υμένα(τ1ιίη Film). Το μεγάλο προτέρημα είναι η οικονομία στο ακριβό υλικό των ημιαγωγών. Από τη βιομηχανική παραγωγή κατασκευάζονται Φ/Β με βαθμό απόδοσης μέχρι και 10%. Κατασκευασηκό ρεκόρ είναι στο 20%. Τις ηλιακές γεννήτριες της 2ης γενιάς ονομάζουμε τα Φ/Β τεχνολογίας λεπτού υμένα (Thin Film). To πολύ μικρό πάχος κατάσκευής έχει μεγάλη σημασία στην οικονομία του ακριβού υλικού των ημιαγωγών. Ακόμη λόγω της διαπερατότητάς του υλικού στην ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να τοποθετηθεί στους υαλοπίνακες των κτιρίων. Εναλλακτικά σχεδιαστικά σενάρια συνδυάζουν ηχομόνωση, θερμομόνωση και παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Παρά το χαμηλό βαθμό απόδοσης ανοίγονται νέοι ενδιαφέροντες ορίζοντες για την συστηματική χρήση τους. Λεπτός υμένας στην εξοικονόμηση υλικού. Από τις αρχές της δεκαετίας του 80 του περασμένου αιώνα εντατικοποιήθηκε η έρευνα για νέες παραγωγικές μεθόδους που αφορούν την ηλιακή τεχνολογία. Παράλληλα στην τεχνολογική παραγωγή γεννητριών λεπτού υμένα με βάση το άμορφο και τελευταία το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, προχώρησε και η κατασκευή γεννητριών από Κάδμιο-Τελλούριο (CdTe) και από Χαλκό-Ίνδιο Δισελήνιο (CIS). Η τεχνολογία λεπτού υμένα παράγει υλικά σε λετιτές στρώσεις πάχους από μερικά νάνο ή μικρόμετρα με πολλές και διάφορες πρώτες ύλες. Από αυτή την γνώση (εμπειρία) αποκομίζει κέρδος η ηλιακή ενέργεια. Η τεχνολογία γεννητριών λεπτού υμένα κερδίζει έδαφος. Το μεγάλο μειονέκτημα της τεχνολογίας του λεπτού υμένα ήταν ο μικρός βαθμός απόδοσης. Τώρα τελευταία η βιομηχανική παραγωγή κατασκευάζει Φ/Β με βαθμό απόδοσης μεταξύ του 8 και του 10%. Σε εργαστηριακές συνθήκες ο βαθμός

7 ;ώκ»7.κ»,ησό<««> 2(«Η δώρκε» ςωής,ης»μέ> «ήτ» >ί» ' ' ^ την ουαητηιική «ιραγοτγή Φ/Β 2ης γενώς, όη θα καταθλίβουν σταθερή θέση cmp αγορά ταιν φωτοβολταΐκών. 3 η Γεηά: Για τψ ενεργειακή τροφοδοσία των δορυφόρων χρησιμοποιούνται υψη^ης ισχόοι κονέ} ζ από IIW ημιαγωγούο Το ρεκόρ του 40% βαθμού απόδοσης κατέχα η Σπορεία Spectrolab σε εργαστηριακές συνθήκες. Από την εταιρεία Solar^Tec AG ο βαθμό; απόδοσης είναι πάνω από 35% για τα προϊόντα της Sol*Con με τεχνο/χτμα συγκέντρωση; δέσμης φωτός. Η οπό τη\ Solar^ec AG αναπτυσσόμενη τεχνοί^γία συ-ocέyτpc^σης συΐ'δυάζει τη\ ψη/ή ενεργειακή απόδοση με την υψη>.ότερη επενδυτική απόδοση. Σε σύγκριση με τα γνωστά Φ/Β αποδίδουν τα Sol*Con στοιχεία κα?.ύπτο\τ:ας τηι ίδια επιοάνεια δυολσια ποσότητα ρεύματος. Η διαδικασία παραγωγής με τον υψη/.ό βαθμό αυτοματοποίησης από τη\' LED-Παραγωγή εξασφαλίζει τη\' ορθο/λγιστική και οικονομική παραγωγή των στοι^ρίων. Tracker με Sol*Con STC 0 στοιχεία. Υφηϋί.Απόδοση. μεγόώλς χρόνος ζωής. Η Sol*Coo τεχ\ o'/jorfia χρησιμοποιεί υψηλής ισχύος ηλιακές κυψέ/.ες από ni-v- ημιαγωγούς οι οποίοι χρησιμο^ιούνται για πολλά χρόνια στη διαστημική. Οι Sol*Ccm κυψέ/χς έχου\ βαθμό απόδοσης πάνω από 35%, διπλάσιο από τον αποδιδόμενο από τις πολύκρυσταίλακές κυψέίχς που χρησιμοποιούνται. Οι κυψέ/χς που σχεδιάστηκαν και εγκαταστάθηκαν στις σκληρές συνθήκες του διαστήματος υπόσχονται μεγά/j] διάρκεια ζωής και υψη>χς αποδόσεις για την χρήση τους στο γήινο περιβά/λjov..ανεξαρτησία οπό το ακριβό υ/ακό των ημιαγωγών. Η Sol^Con τεχvo/joγία συν'δυάζώ χαμη/χς τιμές στα οπτικά συστατικά με τις υψη/πίς ισχύος η/πακές κυψέίχς. Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε η/χκτρική πραγματοποιείται μέσα σε μία πολύ λεπτή στρώση μερικών νανομέτριον ημιαγωγού, που είναι κατά κύριο >όγο Γάίλαο, Ίνδιο, Φωσφόρος, και Αρσενικό. Μία Φ/Β γεντ-ήτρια της σειράς STC-60 περιέ^ρι 144 στοιχεία με Chip από Γερμάνιο μεγέθους 2X2 χι/αοστών..από τα παραπάνω φαίνεται ότι η τιμή των ημιαγωγών παίζει μικρό ρό/ο σε αντίθεση με τα γνωστά Φ/Β από Πυρίτιο. Η τεχνολογία Sol*Ccm είναι /πηπόν ανεςαρτητη από την διακύμανση της τιμής των ημυιγωγών. Α ψηλή απόδοση μέσω σιτχκέντρωσης του φωτός. Οι φακοί τύπου Fresnel συγκεντρώνουν στην Sol*Con τεχνολογία το η/αακώ φως κατά 700 φορές. Ειδικά σε αυτή την υψηλή πυκνότητα ακτινοβολίας ανχιπτυχθηκαν υ«;ίη/π)ς ισχύος σ το ιχ^ τα οποία μετατρέπουν το ςκικ σε ηλεκτρική ενεργεια. Ειδικά για το Sol*Con σύστημα, αναιπύχθηκε η βάση στήριξης για τα στοι;ρία και τα απαραίτητα η>χκτρονικά τμήματα που απορρίπτουν την περίσσεια θερμότητα. Μέ-γιστο αποτέ/χσμα με σύστημα ακριβούς κατεύθυνση;. Ένα σ ύ σ τ ι^ διπ/χύ άξονα οδηγεί πς SoPCon γεννήτριες στην ιαιτευθυνση του ή/που. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται Tracker και έχουν δοκιμασθει ήδη με επιτυχία σε συστήματα της 1ης γενιάς για την αύξηση του βαθμού α π ό δ ο ^ Το σύστημα κατεύθυνσης aracker) της Sol ar*tec επιτυγχάνει ακρίβεια της τάξης των 0, και εςασφα/άξει έτσι την υψη>λτερη ισχύ. Στο πρώτο μέρος της εργασίας ανα).ύονται εις βάθος τα φωτοβολταϊκά συστήματα όσων αφορά τ^ βασικές αρχές /χιτουργίας τους, την τεχνολογία τους, τις

8 εφαρμογές τους. Ετηπρόσθετα αναφέρονται κάποια τεχνοοικονομικά θέματα που πραγματεύονται την αγορά τους ανά τον κόσμο, το κόστος και τις νομικές διαδικασίες για την εγκατάσταση τους. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας παραθέτεται μια μελέτη μιας αυτόνομης φωτοβολτάίκής εγκατάστασης.

9 ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ ΘΕΩΡΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Ορολογία φωτοβολταϊκών Θα παραθέσουμε την ορολογία που συνήθως χρησιμοποιείται στην τεχνολογία των φωτοβολταϊκών : Φωτοβολταϊκό φαινόμενο: ονομάζεται η άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική τάση. Για ευκολία θα χρησιμοποιούμε τη σύντμηση Φ/Β για τη λέξη "φωτοβολταϊκό" (photovoltaic-photovoltaik-pv) Φωτοβολταϊκό στοιχείο: Η ηλεκτρονική διάταξη που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν δέχεται ακτινοβολία. Λέγεται ακόμα Φ/Β κύτταρο ή Φ/Β κυψέλη (PV cell). Φωτοβολταϊκό πλαίσιο: Ένα σύνολο Φ/Β στοιχείων που είναι ηλεκτρονικά συνδεδεμένα. Αποτελεί τη βασική δομική μονάδα της Φ/Β γεννήτριας(ρν module) Φωτοβολταϊκό πανέλο: Ένα ή περισσότερα Φ/Β πλαίσια, που έχουν προκατασκευαστεί και συναρμολογηθεί σε ενιαία κατασκευή, έτοιμη για να εγκατασταθεί σε Φ/Β εγκατάσταση (PV panel). Φωτοβολταϊκή συστοιχία: Μια ομάδα από Φ/Β πλαίσια ή πανέλα με ηλεκτρική αλληλοσύνδεση, τοποθετημένα συνήθως σε κοινή κατασκευή στήριξης (PV array). Φωτοβολταϊκή γεννήτρια: Το τμήμα μιας Φ/Β εγκατάστασης που περιέχει Φ/Β στοιχεία και παράγει συνεχές ρεύμα (PV generator). Παρακάτω φαίνονται σχηματικά και συγκριτικά τα διάφορα Φ/Β σύμφωνα με την ορολογία τους: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 TO ΠΡΟΒΑΗΙΜΑ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ α)τα προβλήματα Οι όλο και μεγαλύτερες ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας οδηγούν συνεχώς σε μια τεράστια αύξηση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων. Οι ανάγκες αυτές αναμένεται να αυξηθούν ακόμη περισσότερο με την αύξηση του πληθυσμού της Γης και η ζήτηση πλέον θα υπάρχει κυρίως στις αναπτυσσόμενες χώρες, καθώς στις ανεπτυγμένες,με τα μέτρα εξοικονόμησης που εφαρμόζονται,υπάρχει μια τάση σταθεροποίησης. Τα βασικά προβλήματα λοιπόν (θα)είναι: 1. Η διαφαινόμενη έλλειψη καυσίμων σε μερικά χρόνια(σύμφωνα με τις πιο αισιόδοξες προβλέψεις, τα γνωστά αποθέματα πετρελαίου, μαζί με αυτά που τηθανόν να ανακαλυφθούν φθάνουν μετά βίας γι ακόμη 30 χρόνια) και τα απαράδεκτα παιχνίδια εταιρειών κλπ με ης τιμές του πετρελαίου, που ιδιαίτερα τον τελευταίο χρόνο έχει γίνει το μόνιμο πρόβλημα στην ζωή εκατομμυρίων νοικοκυριών ανά τον κόσμο. 2. Η αλλαγή του κλίματος και το φαινόμενο του θερμοκηπίου(λόγω της κατανάλοισης ορυκτών καυσίμων), που οδηγούν αργά, αλλά σταθερά τον πλανήτη στην καταστροφή. Συγκεκριμένα, κάθε KWH ηλεκτρισμού που προμηθευόμαστε από το δίκτυο της ΔΕΗ και που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, ετηβαρύνει την ατμόσφαιρα με 1 kg τουλάχιστον 0Ο2(συν τις πάσης φύσεως άλλες ετηκίνδυνες ουσίες, όπως καρκινογόνο μικροσωματίδια, οξείδια αζώτου, ενώσεις θείου κλπ, που επιφέρουν σοβαρές βλάβες στην υγεία και το περιβάλλον). β)η ηλιακή ενέργεια ως βοηθός στη λύση Με την ηλιακή ενέργεια μπορούμε να βοηθήσουμε στην λύση κ ^ δύο παραπάνω προβλημάτων: 1. Παράγουμε καθαρή και ανεξάντλητη ενέργεια από τον ήλιο, χωρίς την μεσολάβηση ρυπογόνων, θορυβωδών εγκαταστάσεων και μάλιστα δωρεάν(μετά το κόστος εγκατάστασης).η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει πάνω στην Γη μας, είναι παγκοσμίως 1,54X1018 KWH/έτος, δηλ. περίπου φορές περισσότερη από την παγκόσμια ζήτηση ενέργειας ανά έτος. Θεωρητικά θα έφθανε μόνο το 0,01% της ενέργειας αυτής για να καλύψουμε τις παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες. 2. Μειώνουμε τις εκπομπές C02 στον πλανήτη, άρα συμβάλουμε στην ετηβράδυνση του φαινομένου του θερμοκητήου. Να σημειώσουμε εδώ, ότι 1 KW Φ/Β που παράγει στην Ελλάδα κατά μέσο όρο 1300 KWH το χρόνο, αποτρέπει την έκλυση 1450 kg C02, όσο δηλ. απορροφούν ετησίως 2 περ. στρέμματα δάσους ή 100 δέντρα.

11 1. Γενικά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΦΩΤΟΒΟΑΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Είναι γνωστό όη τα ηλιακά στοιχεία είναι δίοδοι ημιαγωγού με τη μορφή ενός δίσκου, (δηλαδή η ένωση ρ-η εκτείνεται σε όλο το πλάτος του δίσκου), που δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία. Κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Δημιουργείται έτσι, όσο διαρκεί η ακτινοβόληση, μία περίσσεια από ζεύγη φορέων (ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές), πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν στις συνθήκες ισορροτήας. Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο στερεό (και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντιθέτου πρόσημου), μπορεί να βρεθούν στην περιοχή της ένωσης ρ-η οπότε θα δεχθούν την ετήδραση του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού πεδίου (σχήμα 1). Σ Χ 1 ο μ η χα υ ισ ^ ιό ζ zrjs ε κ ή λ ο σ η ς Φ / β qp<ii\x>nex>ou σ ε έχ>α η λ ια κ ό σ το ιχ εία Tci φ α η ό υ ια z n s cikxajofioaia^, τιοο ό έ χ ε τ ο ι το σ το ιχ είο σ τ η ν ετίττρός τ ο ν ό ψ η,ζο ττον η σ το τταράόειγμα το υ α χ ή μ α τ ο ζ, -παράγουν ζ ε ύ γ η φ ο ρ έ ω ν (ελ εύ θ ε ρ α η λε κ τρ ό ν ια κ α ι οττέζ ) 'ΕΧια μέρος- αττο τ ο υ ς φ ο ρ ε ίς α υ τ ο ύ ς δια χ ω ρ ίζετα ι μ ε τ η ν ε π ίδ ρ α σ η to v ε ιχ χ ο μ α τ ω μ έν ο υ π ε δ ίο υ τ η ς δ ιό δ ο υ κ α ι ε κ π ο έ π ετα ι τμ^ος τα ε μ π ρ ό ς (τα ε λ ε ύ θ ε ρ α η λ ε κ τρ ό ν ια, e-) ή π ρ ο ς τα πίσ ω (οι ο π έ ς,h * ). δ η μ ιο υ ρ ν ώ ν ζ α ς μια διά φ ο ρά δ υ ν α μ ικ ό ν α ν άμ εσ α σ τ ις δ ύ ο ό ψ ε ις το υ σ το ιχ είο υ Οι υπ ό λο ιττο ι φ ο ρ ε ίς επ α ν α σ υ ν δ έο ν τα ι κ α ι ε ξ α φ α ν ίζο ν τα ι Β π ίσ η ς έ ν α μ έ ρ ο ς τ η ς α κ τ ιχ χ φ ο λ ία ς α ν α κ λ α τα ι σ τ η ν γ ε ρ ά ν ε ι α το υ σ το ιχ είο υ, εχχά έ ν α ά λ λ ο μ έ ρ ο ς τ η ς δ ιέ ρ χ ετα ι α π ο το στο ιχ είο χ ω ρ ίς να α π ο ρ ρ ο φ η θ ε ί, μ έ χ ρ ι να σ υ ν α ν τ ή σ ε ι το πίσ ω η λ ε κ τ ρ ό δ ιο

12 Έτσι, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου Ω και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου ρ, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Δηλαδή, η διάταξη αποτελεί μία πηγή ηλεκτρικού ρεύματος που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην ετηφάνεια του στοιχείου. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η αποδοτική λειτουργία των ηλιακών φωτοβολταϊκών στοιχείων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται στην πρακτική εκμετάλλευση του παραπάνω φαινομένου. Εκτός από τις προσμίξεις των τμημάτων ρ και η μιας ομοεπαφή, δηλαδή υλικού από τον ίδιο βασικά ημιαγωγό, το ενσωματωμένο ηλεκτροστατικό πεδίο, που είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την πραγματοποίηση ενός ηλιακού στοιχείου, αλλά και κάθε φωτοβολταϊκής διάταξης, μπορεί να προέρχεται επίσης και από διόδους άλλων, π.χ. από διόδους schottky που σχηματίζονται όταν έρθουν σε επαφή ένας ημιαγωγός με ένα μέταλλο. 2. Π ΑΠΟΡΡΟΦΗΣίΙ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΑ ΦΩΤΟΒΟ.\ΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συνόλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται στην επιφάνειά τους. Ένα μέρος από την ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διαχέεται πάλι προς το περιβάλλον. Στη συνέχεια, από την ακτινοβολία που διεισδύει στον ημιαγωγό, προφανώς δεν μπορεί να απορροφηθεί το μέρος που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού. Για τα φωτόνια αυτά, ο ημιαγωγός συμπεριφέρεται σαν διαφανές σώμα. Έτσι, η αντίστοιχη ακτινοβολία διαπερνά άθικτη το ημιαγώγιμο υλικό του στοιχείου και απορροφάται τελικά στο μεταλλικό ηλεκτρόδιο που καλύπτει την ττίσω όψη του, με αποτέλεσμα να το θερμαίνει. Αλλά και από τα φωτόνια που απορροφά ο ημιαγωγός, μόνο με το μέρος εκείνο της ενέργειάς τους που ισούται με το ενεργειακό διάκενο συμβάλλει, όπως είδαμε, στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Το υπόλοιπο μεταφέρεται, σαν κινητική ενέργεια, στο ηλεκτρόνιο που ελευθερώθηκε από τον δεσμό, και τελικά μετατρέπεται επίσης σε θερμότητα. Όπως θα αναλυθεί όμως παρακάτω, η αύξηση της θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων ετηδρά αρνητικά στην απόδοσή τους. Η ενέργεια ενός φωτονίου Ε συνδέεται με τη συχνότητα της ακτινοβολίας ν και με το μήκος κύματος λ με τις σχέσεις : E=h> ( 2. 1) Όπου h είναι η σταθερά δράσης του plank (h=6,3 x JS) και c είναι η ταχύτητα του φωτός (c = 3 χιο m/s). Επομένως, αν το ενεργειακό διάκενο είναι σε μονάδες ηλεκτρονιοβόλτ (ev) και το μήκος κύματος σε μικρόμετρα (μπι), τότε το μέγιστο χρησιμοποιήσιμο μήκος κύματος ακτινοβολίας σε ένα ημιαγωγό, ενεργειακού διακένου Eg, θα είναι:

13 λ.= (2.2) Θεωρώντας τώρα ότι στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού διεισδύει μια, μονοχρωματική δέσμη ακτινοβολίας από όμοια φωτόνια ενέργειας hv, που έχει ροή (η ένταση ) ίση με Η μονάδες ισχύος ανά μονάδα επιφανείας. Η ροή των φωτονίων (Φ), δηλαδή το πλήθος των φωτονίων ανά μονάδα επιφανείας και χρόνου, θα είναι: Φ= Η hv Ηλ he (2.3) Βλέπουμε όπως άλλωστε είναι αυτονόητο ότι, για σταθερή ένταση Η η ροή Φ είναι αντίστροφα ανάλογα με την ενέργεια των φωτονίων ή, που είναι το ίδιο, αυξάνει γραμμικά με το λ. Ας συμβολίσουμε, στη συνέχεια με Φο την αρχική τιμή της ροής των φωτονίων στην ετηφάνεια ενός ημιαγωγού, με χ την απόσταση που διανύει η ακηνοβολία μέσα στον ημιαγωγό, αρχίζοντας από την επτφάνειά του, και με Φ(χ) την τιμή της ροής των φωτονίων (δηλαδή το πλήθος των φωτονίων που δεν έχουν ακόμα απορροφηθεί) στο βάθος αυτό. Η ευκολία με την οποία πραγματοποιείτε η απορρόφηση των φωτονίων, που είναι μια πολύ σημαντική ιδιότητα για τη χρησιμοποίηση του ημιαγωγού ως υλικού κατασκευής ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, θα δίνεται από το ρυθμό της μεταβολής της Φ με την αύξηση της απόστασης που διανύει η ακτινοβολία. Ο ρυθμός αυτός έχει αρνητική τιμή, αφού η Φ μειώνεται με την αύξηση του χ, και είναι προφανώς ανάλογος με τη συγκεκριμένη τιμή της Φ στο βάθος χ, δηλαδή με τη Φ(χ). Θα ισχύει επομένως η σχέση : d<d dx =αφ(χ) (2.4) και η σταθερά της αναλογίας α, που δίνεται σε αντίστροφες μονάδες μήκους, ονομάζεται συντελεστής απορρόφησης της υπόψη ακτινοβολίας. Δοθέντος ότι για χ=0 η Φ(χ) παίρνει την τιμή Φο, η λύση της παραπάνω διαφορικής εξίσωσης είναι: Φ(Χ)=Φοβχρ' >^ (2.5) που ονομάζεται νόμος του BEER (Μπερ). Στη συνέχεια βρίσκουμε εύκολα ότι: =αφο6χρ' 5^ (2.6) dy Δηλαδή ότι ο ρυθμός της απορρόφησης των φωτονίων, επομένως και της δημιουργίας των φορέων από την ακτινοβολία που δέχεται ο ημιαγωγός, είναι μεγαλύτερος κοντά στην επιφάνειά του και εξασθενίζει με την απόσταση από αυτή.

14 Σ}«.2 Η μεταβολή του αηορ*ρόφησης (α) cz συνάρτηση μτ το μ ή κ ος κ ύ μ α το ς (λ) ή τη ν τντρ γτια ττσν cpcjxovtcov (Ην)της α κ τ ινο β ο λ ία ς, γ ια τ ο υ ς κ υ ρ ιό τ τ ρ ο υ ς ημιαγοαγούς τταν φιστοβολταικών διατάξτταν. Όπως δείχνεται και στο σχήμα 2 η τιμή του συντελεστή απορρόφησης μεταβάλλεται σε συνάρτηση με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, μηδενίζεται όταν το λ υπερβαίνει το λ του ημιαγωγού, αφού για αυτά τα μήκη κύματος δεν πραγματοποιείται καμιά απορρόφηση φωτονίων. Αντίθετα, παίρνει μεγάλες τιμές προς την πλευρά των μικρών μηκών κύματος που σημαίνει ότι η απορρόφηση πρακτικά όλων των αντίστοιχων φωτονίων γίνεται πολύ κοντά στην επιφάνεια του ημιαγωγού.

15 3. Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΡΕΥΜΑΤΟΣ Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται μια κατάλληλη ακτινοβολία, διεγείρεται παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα, το φωτόρευμα Ιφ, που η τιμή του θα είναι ανάλογη προς τα φωτόνια που απορροφά το στοιχείο, π.χ. ας υποθέσουμε ότι έχουν εξασφαλιστεί οι δύο βασικές προϋποθέσεις για ένα καλό φωτοβολταϊκό στοιχείο, δηλαδή η ένωση ρ-η να βρίσκεται σε κατάλληλη απόσταση από την όψη του στοιχείου και η μέση διάρκεια ζωής των φορέων μειονότητας στον ημιαγωγό, από τον οποίο είναι κατασκευασμένο το στοιχείο, να είναι αρκετά μεγάλο. Τότε, για την πυκνότητα του φωτορεύματος, ισχύει ικανοποιητικά η σχέση : W=eg(L +Lp) (2.7) όπου e είναι το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, g είναι ο ρυθμός δημιουργίας ζευγών φορέων από τα φωτόνια της ακτινοβολίας (πλήθος ζευγών ηλεκτρονίων-οπών ανά μονάδα χρόνου και μονάδα όγκου του ημιαγωγού), και Ln, Lp είναι τα μέσα μήκη διάχυσης των ηλεκτρονίων και των οπών, αντίστοιχα. Ένα χρήσιμο μέγεθος για τον υπολογισμό του φωτορεύματος είναι η φασματική απόκρίση S (ή απόδοση συλλογής ή κβαντική απόδοση), που ορίζεται ως το πλήθος των φορέων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του φωτοβολταϊκού στοιχείου, σε σχέση με τη φωτονική ροή Φ, δηλαδή με το πλήθος των φωτονίων της ακηνοβολίας που δέχεται το στοιχείο ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου. Για ακτινοβολία μήκους κύματος λ, η φασματική απόκριση 8(λ) θα είναι: 8(λ)= (2.8) εφ(λ) όπου Φ(λ) είναι το πλήθος των φωτονίων με ενέργεια που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος από λ μέχρι λ+άλ, και επομένως το συνολικό φωτόρευμα του στοιχείου, όταν δέχεται πολυχρωματική ακτινοβολία, θα είναι: /φ = 6 Γ 5 ( ;.) Φ ( /ΐ) ί/λ (2.9) Η τιμή της φασματικής απόκρισης, και συνεπώς του φωτορεύματος ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, εξαρτάται από πολλούς κατασκευαστικούς παράγοντες, όπως ο συντελεστής ανάκλασης στην ετηφάνεια του στοιχείου, ο συντελεστής απορρόφησης και το πάχος του ημιαγωγού, το πλήθος των επανασυνδέσεων των φορέων κλπ. Στο σχήμα 3 δείχνεται η μεταβολή της φασματικής απόκρισης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου του εμπορίου σε συνάρτηση με την ενέργεια των φωτονίων της ακτινοβολίας που δέχεται.

16 - hv{ov)-* Σχ.3 Η μεταβολή τη^ φασματικής απόκρισης S (ν) σε συνάρτηση με την ενέρ\'εια τ ν φβτονίων της ακτινοβολίας, στις τρεις περιοχές ενός φωτοβολταικού ηλιακού στοιχείου πυριτίου : εμπρός όψη τύπου η, ζώνη εξάντλησης και πίσω όψη τύπου ρ. Όταν το ποσοστό της επιφάνεια του στοιχείου δεν είναι αμελητέο γράφεται: 4 = e f s ( A ) l l - R W ] t W M (2. 10) όπου Κ(λ) είναι ο δείκτης ανάκλασης για την ακτινοβολία μήκους κύματος λ.

17 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΝ ΦΩΤΟΒΟΑΤΑΪΚΩΝ 4. ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Σχ.4 Απλοποιημένο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλομα ενός φιοτορολταικού στοιχείου ΠΡΩΤΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ Για να προχωρήσουμε σε μια πρώτη εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και της λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, μπορούμε να το θεωρήσουμε ότι αποτελεί μια ττηγή ρεύματος που ελέγχεται από μία δίοδο, και ότι περιγράφεται από το πολύ απλοποιημένο διάγραμμα του σχήματος 4. Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, θα αποκατασταθεί μια ισορροπία όταν η τάση, που θα αναπτυχθεί ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, θα προκαλεί ένα αντίθετο ρεύμα που θα αντισταθμίζει το φωτόρευμα. Δηλαδή, σύμφωνα με αυτά που αναφέρθηκαν παραπάνω, θα ισχύει η σχέση : Io=Io[exp(eV/ykT)-l] (2.11) από την οποία βρίσκουμε ότι, η τιμή ανοιχτοκυκλωμένης τάσης του στοιχείου Vqc (από την αγγλική έκφραση open -circuit Voltage ) θα είναι: V e=(ykt/e)ln[(l<,yio)-l] (2.12) Κατά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων, η τιμή του Ιφ είναι πολύ μεγαλύτερη από το Ιο και επομένως η παραπάνω σχέση μπορεί να απλοποιηθεί στη : V e=[(γkt/e)lniφ/i ] (2,13) που δείχνει τη λογαριθμική μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος σε συνάρτηση με το φωτόρευμα, δηλαδή με την ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο. Από τις σχέσεις για το Ιο που αναφέρθηκαν μπορούμε να

18 βρούμε την εξάρτηση της Voc από τις διάφορες ιδιότητες του ημιαγωγού, όπως το ενεργειακό διάκενο Eg, η ενδογενής συγκέντρωση των φορέων ηί, οι συγκεντρώσεις των προσμίξεων Να και Νρ κλπ. Στην άλλη ακραία περίπτωση, δηλαδή σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στίς δύο όψης του στοιχείου το ρεύμα ISC (short-circuit current) θα ισούται με το παραγόμενο φωτόρευμα : Isc=Io (2.14) Όταν όμως το κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου κλείσει διαμέσου μιας εξωτερικής αντίστασης RL ( από την αγγλική έκφραση Load resistance), το ρεύμα θα πάρει μια μικρότερη τιμή IL που βρίσκεται με την λύση της εξίσωσης ; Ι1=ΙΦ-1ο[εχρ( ΐ,Κι7γΚΤ)-1] (2.15) Προφανώς θα υπάρχει κάποια τιμή της αντίστασης (δηλαδή του φορτίου του κυκλώματος) για την οποία η ισχύς που παράγει το φωτοβολταϊκό στοιχείο θα γίνεται μέγιστη. Στις συνθήκες αυτές, θα αντιστοιχεί μια βέλτιστη τάση Vm, που δίνεται από την λύση της εξίσωσης : (VI )+l=[l+(evjykt)]exp(ev yy/kt) (2.16) 5. Ο ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΛΗΡΩΣΙΙΣ Ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος προς το γινόμενο της βραχυκυκλωμένης έντασης και της ανοικτωκυκλωμένης τάσης Voc ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης FF (από την αγγλική έκφραση fill factor). Δηλαδή : FF=I,V /I,cV oc (2.17) Στο διάγραμμα του σχήματος 5, ο FF δίνεται από το λόγο του εμβαδού του μέγιστου ορθογωνίου που μπορεί να εγγραφεί στη χαρακτηριστική καμπύλη 1-V του στοιχείου, σε συνθήκες ακτινοβολίας, προς το εμβαδόν που ορίζεται από τις τιμές Isc

19 τάσης (V ενός φεατοβολταικοϋ στοιχείου στο σκοτάδι και στο φώς. Διακρίνονται τα δύο ορθογώνια που ο λόγος το ν εμβαδών τους καθορίζει την τιμή του συντελεστή πλήρωσης. Ιϊτο διάγραμμα, δεν δείχνεται το ανάστροφο ρεύμα κόρου, λόγω της ασήμαντα μικρής τιμής του, σε σύγκριση με το φωτορεύμα του στοιχείου. Οι τρεις παραπάνω παράμετροι, δηλαδή ο FF, Isc, και η Vqcείναι τα κυριότερα μεγέθη για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς και της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων και καθορίζουν την απόδοσή τους. Ετηστρέφοντας στον συντελεστή απόδοσης στοιχείων (η) μπορούμε τώρα να τον ορίσουμε με τη σχέση : η=ρ /ΗΑ=Ι ν^ηα=ρρι,ον ^/ΗΑ (2.18) όπου Η είναι η ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται η ετηφάνεια του Φ/β στοιχείου, εμβαδού Α. Όπως βλέπουμε, για την πραγματοποίηση αυξημένων αποδόσεων, επιδιώκεται οι ημές των FF,Isc και Voc να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερες. Προφανώς θα ισχύει και η σχέση : η=φ(ε^)ν ;ΦΕμ (2.19) όπου 0(Eg) είναι η ροή των φωτονίων με ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, Φ είναι η συνολική φωτονική ροή στην ακτινοβολία που δέχεται το φωτοβολτάίκό στοιχείο, και Εμ είναι η μέση ενέργεια των φωτονίων της ακτινοβολίας. Στην ηλιακή ακτινοβολία, περίπου τα 2/3 των φωτονίων έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του πυριτίου (l,lev). Ετήσης, η των φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου είναι περίπου ίση με το 1/3 της Εμ της ηλιακής ακτινοβολίας. Επομένως βρίσκουμε πρόχειρα ότι η θεωρητική απόδοση των ηλιακών φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου είναι περίπου. η=0.66χ0.33=22% (2.20)

20 ο συντελεστής απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου δεν είναι σταθερός αλλά εττηρεάζεται σημαντικά από τη σύσταση της ακτινοβολίας. Δηλαδή, μια δέσμη ακτινοβολίας θα προκαλέσει σε ένα στοιχείο την παραγωγή λιγότερης ηλεκτρικής ενέργειας, σε σύγκριση με μια άλλη ίσης ισχύος αλλά πλουσιότερη σε φωτόνια με ευνοϊκότερη ενέργεια για τον ημιαγωγό, από τον οποίο είναι κατασκευασμένο το στοιχείο. 6. ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩ.Ν ΦΩΤΟΗΟΑΤΑΪΚίϊΝ ΣΤΟΙΧΕΙίίΝ - ΛΕΥΤΕΡΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ Το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 4 περιγράφει ιδανικές συνθήκες, που δεν υπάρχουν στα πραγματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Μια σωστότερη προσέγγιση αποτελεί το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 6 διότι περιέχει και τις αναπόφευκτες αντιστάσεις R.s (από την αγγλική έκφραση series resistance) που παρεμβάλλονται στην κίνηση των φορέων μέσα στον ημιαγωγό (κυρίως στο εμπρός επιφανειακό στρώμα του) και σης επαφές με τα ηλεκτρόδια. Ακόμα, επειδή η αντίσταση διαμέσου της διόδου δεν έχει άπειρη τιμή, αφού λόγω επίσης αναπόφευκτων κατασκευαστικών ελαττωμάτων γίνονται διαρροές ρεύματος, το ισοδύναμο κύκλωμα περιέχει και την παράλληλη αντίσταση Rsh (από την αγγλική έκφραση shunt resistance). Συνήθως, στα φωτοβολταϊκά στοιχεία του εμπορίου η Rs είναι μικρότερη από 5Ω και η Rsh είναι μεγαλύτερη από 500 Ω. Σ χ.6 Το ισ οδύνα μ ο ηλεκ τρ ικ ό κ ύκ λω μ α ενό ς φ ω τοβολτα ϊκ ού σ τοιχ είο υ, π ε ρ ιλ α μ β ά νει τις α ντισ τά σ εις Rs, καθώ ς και τις π α ρ ά λ λ η λ ες αντιστάσεις Rsh

21 II0\'nac E3 i^> 0Co»v αισθΐ{ΐά την τάση Vl και του ρεύματος II Οίαρρεει το οορτϊο του kuw^ uiitoc Rl- με αιιοτέλεσμο την αντίστοιχη μείωση της θ3ΐοδοσΐ ς του σιοηρίσυ. στην 2ερΪ3Εΐωση αυτή ισχύει η σχέση : IJ 1-Η IUR^I]=U-Ie{esplei \\-ΙίΚ ^ )/γ ΙίΤ Ι-1 }-V t/r^b (2 2 1 ) Εκτός 0310 τις ανηστάσεις R* και Rst, ένας iujjxi παράγοντας ίίο υ επιδρά αρνητικά στην απόδοση των οωτοβολτοΰαων στοιχείων είναι η θερμοκρασία τους. Συγκεκριμένα, με την αύςηση της θερμοκρασίας προκα/χί αντίστοιχη αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωση των φορέων- του ημιαγωγού, με axoτέ/jεσμa να χραγματοχοιοόνται περισσότερε.: επανασυνδέσεις φορέων. Έτσι, εκδη/ώνεται ισχυρό ρεύμα διαρροήζ διαμέσου της διόδου. 3ΐου συνεπάγεται μείωση της Voc και του FF. Παρά/Jijpja μαωνεται και η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοι^ρίου (Σχήμα 7). 8 '$ 0. C J L θίρμοκροοίο. C - jn-jcri κα' π,. _ trj μεια *>ολής απόδοοηζ τον :. τ:^χ)λι:αικίν στοιχείων πιιμαϊου οε συνορτηοιι ps ίϊΐ Befuoxp<iatG xorj. Η κϋμακα ιου άξονα ΤΦν τ^ια\ρένντ^\ άινει το π ;<5>3ίό της ancsxxyq^ του οτοιχειου ου οχτοιι την απόδοογ; οου στη συμ >ατική θερμοκραονα 20 C. Η κλίμακα της βερροκρ^οτο:...ον άξονα τ ν τεη.«ΐμέ\»νίν ενναν λογρριονι^ίή

22 Αν ο συντελεστής απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου μεμιά συμβατική θερμοκρασία (π.χ. 20 C) είναι (η), η τιμή του σε μια διαφορετική θερμοκρασία (θ) θα ηθ=ηχσθ (2.22) όπου σθ είναι ένας αδιάστατος συντελεστής της θερμοκρασίας διόρθωσης της απόδοσης. Στη συμβατική θερμοκρασία, ο σθ είναι ίσος με τη μονάδα, και μειώνεται κατά περίπου 0,005 ανά βαθμό αύξησης θερμοκρασίας, για τα συνηθισμένα φωτοβολταϊκά ηλιακά στοιχεία πυριτίου του εμπορίου. 7. H ΑΠΟΛΟΤίΚΜ ΛΕΙΤΟΥΡΓ ΙΑ ΤΟΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΣΕ ΣΤΑΘΕΡΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ Ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, το φωτοβολταϊκό στοιχείο έχει μια αρκετά ασυνήθιστη συμπεριφορά. Δηλαδή, σε αντίθετη με τις περισσότερες κοινές ηλεκτρικές πηγές (συσσωρευτές, ξηρά στοιχεία, ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη, μεγάλα δίκτυα διανομής), οι οποίες διατηρούν περίπου σταθερή τάση στην περιοχή της κανονικής τους λειτουργίας, η τάση των φωτοβολταϊκών στοιχείων μεταβάλλεται ριζικά (και μη γραμμικά) σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος που δίνουν στο κύκλωμα, έστω και αν η ακτινοβολία που δέχονται παραμένει σταθερή. Για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου, ας εξετάσουμε την συμπεριφορά του όταν οι πόλοι του συνδεθούν με ένα κύκλωμα που περιέχει μεταβλητή αντίσταση (σχήμα 8). Είδαμε παραπάνω ότι όταν η τιμή της αντίστασης είναι μηδέν, δηλαδή στην βραχυκυκλωμένη κατάσταση, η ένταση του ρεύματος παίρνει τη μέγιστη τιμή Isc, ενώ η τάση θα μηδενιστεί. Αντίθετα, όταν η τιμή της αντίστασης τείνει στο άπειρο, δηλαδή στην ανοικτοκυκλωμένη κατάσταση, μηδενίζεται η ένταση του ρεύματος αλλά η τάση παίρνει την μέγιστη τιμή Voc. Επομένως, στη βραχυκυκλωμένη και ανοικτοκυκλωμένη κατάσταση, η ηλεκτρική ισχύς που παράγει το στοιχείο (P=FV) είναι μηδέν, αφού αντίστοιχα είναι μηδενική η τάση, στην πρώτη περίπτωση, και η ένταση του ρεύματος στη δεύτερη. Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας αλλά μεταβαλλόμενες τιμές της αντίστασης του κυκλώματος, ανάμεσα στις παραπάνω ακραίες καταστάσεις, η τάση και η ένταση του ρεύματος παίρνουν ενδιάμεσες τιμές, όπως δείχνεται στο σχήμα 9. Παράλληλα, μεταβάλλεται ομαλά και η ισχύς που παράγει το στοιχείο, με μέγιστη Ρπ, σε ένα ορισμένο ζεύγος τιμών τάσης V, και έντασης Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το ζεύγος αυτό καθορίζει, σε σχέση με το ζεύγος τιμών Voc και Isc, το συντελεστή απόδοσης του στοιχείου (η).

23 β ολτόμ,ετ ρ ο (Β), έ ν α a p jic p o p c r p o (A) κ,αι μ,ια μ εταβα ητχι α ν τ ΐσ εα σ ιι (RL) γ ια τη η εα έχη τ η ς η Α ε κ τρ τ κ ή ς cruvutepiqx>p09 ε ν ό ς φ τοτοβοα ταυκού οτονχειοτι * y y y y -Τ ό ο η (V)-i Σχ.9 Η.τ_ ΐΕ; -η^ϋομπέ^δε0γν^? τν- n^^6ei^v^**tns ιάοης (V) σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος (I) που πα ράγει ένα Φ /Β στοιχεία πυριτίου.σε συνθήκες σταθερής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για μεταβαλλόμενη αντίσταση του κυκλώματος απο μηδέν (όπου V»0) μέχρι άπειρη (όπου 1=0). Η ασυνεχής καμπύλη δείχνει την ανιίστονχη μεταβολή της ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το Φ /β στοιχείο ( η κλίμακα της ισχύος είναι στο δεξιό άξονα υ διαγράμματος ). Vm και Im είναι η τάση και η ένταση που αντιστουτούν στη μεγίστη παραγόμενη ισχύ Ρτη.

24 Επομένως, από πρακτική άποψη, είναι πολύ σημαντικό η αντίσταση του κυκλώματος που τροφοδοτείται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο να έχει κατάλληλη τιμή ώστε στις συγκεκριμένες συνθήκες ακτινοβολίας να παράγεται από το στοιχείο η μεγαλύτερη δυνατή ηλεκτρική ισχύς. 8. ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΑΤΑΙΚίίΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ (ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ) Τα παραπάνω αφορούν σε συνθήκες σταθερής ισχύος της ακτινοβολίας που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο και σταθερής θερμοκρασίας του. Βλέπουμε όμως το σχήμα 10, ότι η μεταβολή της πυκνότητας της ισχύος της ακτινοβολίας συνεπάγεται αντίστοιχη μεταβολή της ανοιχτοκυκλώμενης τάσης και της βραχυκυκλώμενης έντασης του ρεύματος από το μηδέν (για το σκοτάδι) μέχρι τις μέγιστες τιμές τους, για τη μέγιστη ένταση της ακτινοβολίας. Επίσης, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, με την αύξηση της θερμοκρασίας παρατηρείται αισθητή μείωση ανοιχτοκυκλωμένης τάσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Αντιλαμβανόμαστε λοιπόν ότι θα δημιουργείται πρόβλημα για τη διατήρηση της βελτιστοποίησης της παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος από ένα ηλιακό φωτοβολταϊκό στοιχείο κατά τη διάρκεια της ημέρας και των εποχών του έτους. Στο σχήμα 11. βλέπουμε 0u για διαφορετικές ττυκνότητες της ακτινοβολίας, σχηματίζεται μια οικογένεια μετατοτησμένων καμπύλών έντασης - τάσης. Είναι φανερό ότι π.χ. για την ακτινοβολία που δίνει Isc = 1,25 A έχουμε περίπου Im = 1,1 A και Vm = 0,5 V και επομένως η κατάλληλη αντίσταση του κυκλώματος για να παράγεται η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς από το φωτοβολταϊκό στοιχείο του παραδείγματος είναι RL=Vn/In, = 0,5/1,1 = 0,455 Ω. H αντίσταση όμως αυτή βλέπουμε 0u είναι εντελώς ακατάλληλη για όλες τις άλλες συνθήκες ακτινοβολίας, αφού η ευθεία με κλίση 0,455 Ω τέμνει τις αντίστοιχες καμπύλες I-V σε σημείο διαφορετικό από το σημείο της μέγιστης ισχύος. Πάντως, σε κάθε περίπτωση, λόγω της πολύ μικρής τιμής του ανάστροφου ρεύματος κόρου Ιο, η ένταση του ρεύματος που παρέχει στο κύκλωμα το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι πρακτικά είναι πρακτικά ανάλογη προς την ποσότητα της ακτινοβολίας που δέχεται, δηλαδή προς το γινόμενο της έντασης (της ττυκνότητας της ισχύος) της ακτινοβολίας επί το εμβαδόν της επιφάνειας του. Επίσης, από τις διάφορες καμττύλες I-V βλέπουμε ότι, με τη μεταβολή της αντίστασης του κυκλώματος, η έντασης του ρεύματος παραμένει περίπου σταθερή για το μεγαλύτερο τμήμα του διαγράμματος, ενώ μεταβάλλεται ουσιαστικά η τάση. Δηλαδή, το φωτοβολταϊκό στοιχείο συμπεριφέρεται, σε μεγάλο βαθμό, σαν ττηγή περίπου σταθερού ρεύματος, με την προϋπόθεση όη παραμένει σταθερή η ττυκνότητα της ακτινοβολίας.

25 Σχ Η μεταβολή της ανοΐϊετοκυκλωμένης τάσης (Voc και της βραχυχυ- κλομένης έντασης του ρεύματος (Ιβο ενός Φ / β στοιχεέου χτυρετίου σε συνάρτηση με την ισχύ της ακτινοβολίας (Η) που δέχεται ανά μονάδα της επιφάνειας του.

26 To τελικό συμπέρασμα είναι ότι η λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου και η ποσότητα της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτώνται από 3 μεταβλητούς παράγοντες. α) την ένταση της ακτινοβολίας, β) τη θερμοκρασία του στοιχείου, γ) και την αντίσταση του κυκλώματος. Προφανώς, στο σχεδιασμό και τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών συστημάτων επιδιώκεται οι παράγοντες αυτοί να παίρνουν ευνοϊκές τιμές, ώστε να παράγεται η μεγαλύτερη δυνατή ηλεκτρική ισχύς, όσο επιτρέπει ο συντελεστής απόδοσης των στοιχείων. 9. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΓΙΑ ΗΛΙΑΚΕΣ ΦίΙΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ένας ημιαγωγός μπορεί να απορροφήσει μόνο τα φωτόνια που έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό του διάκενο. Και μάλιστα, από τα φωτόνια αυτά αξιοποιείται φωτοβολταϊκά το μέρος μόνο της ενέργειας τους που ισούται με το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, ενώ η υπόλοιπη ενέργεια μετατρέπεται σε συνήθως ανεπιθύμητη θερμότητα. Επομένως, η πμή του ενεργειακού διακένου των ημιαγωγών είναι ένα από τα κυριότερα κριτήρια που καθορίζουν την καταλληλότητα τους, για να χρησιμοποιηθούν ως υλικά κατασκευής φωτοβολταϊκών στοιχείων. Στο σχήμα 12 βλέπουμε λοιπόν ότι οι μεγαλύτερες θεωρητικές αποδόσεις μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας (περίπου 25%) μπορούν να πραγματοποιηθούν σε φωτοβολταϊκά στοιχεία από ημιαγωγούς με ενεργειακό διάκενο περίπου l,5ev. Σχ. 12. Η θεορηηκγ] απόδοση (η) των ηλιακών Φ /β στοιχείων σε συνάρτηση με το ενεργειακό διάκενο (Eg) του ημιαγωγού απο τον οποίο είναι κατασκευασμένα. Άλλοι θεωρητικοί υπολογισμοί δίνουν ελαφρά διαφορετικές τιμές για τι ν απόδοση των ίδιων στοιχείων.

27 Ένα άλλο πολύ σημαντικό κριτήριο είναι το είδος του ενεργειακού διακένου του ημιαγωγού, δηλαδή αν είναι άμεσο ή έμμεσο. Τα φωτόνια απορροφούνται ευκολότερα στους ημιαγωγούς άμεσου ενεργειακού διακένου και έτσι το φωτοβολταϊκό στοιχείο δεν χρειάζεται να έχει μεγάλο πάχος με αποτέλεσμα να μπορεί να γίνει μεγάλη εξοικονόμηση υλικού: π.χ. στο αρσενικούχο γάλλιο (GaAs), που είναι ημιαγωγός άμεσου ενεργειακού διακένου, για να απορροφηθεί το 80% των φωτονίων της ηλιακής ακηνοβολίας που έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό του διάκενο (1,43 ev), αρκεί στρώμα πάχους Ιμιη. Αυτό άλλωστε δείχθηκε και στο σχήμα 23, όπου είναι φανερό ότι ο συντελεστής απορρόφησης στο GaAs, για τα φωτόνια που μας ενδιαφέρουν, είναι περίπου 10 ή περισσότερες φορές μεγαλύτερες από του Si. Άλλα σημαντικά κριτήρια για την αξιολόγηση των ημιαγωγών, αλλά και των υπολοίπων υλικών κατασκευής των ηλιακών στοιχείων, είναι το κόστος της παραγωγής τους, η σταθερότητά τους στην εμδραση των εξωτερικών συνθηκών και κυρίως της υγρασίας και της θερμότητας, η τοξικότητα των διαφόρων συστατικών το ειδικό βάρος κ.λ.π. Από τα πολλά ημιαγώγιμα υλικά που έχουν ως τώρα μελετηθεί για ηλιακή φωτοβολταϊκή μετατροπή, μεγάλη εφαρμογή έχει βρει μόνο το πυρίτιο, αν και άλλοι ημιαγωγοί έχουν δώσει καλύτερες αποδόσεις (πίνακας 1). Πολύ σημαντικές προοπτικές για σύντομη ανάπτυξη έχουν επίσης το θειούχο κάδμιο (CdS) λόγω χαμηλού κόστους, και το αρσενικούχο γάλλιο (GaAS) λόγω μεγάλης απόδοσης. Πάντως η ερευνητική αναζήτηση συνεχίζεται έντονη με στόχο την ανακάλυψη και άλλων υλικών, ίσως οργανικής σύστασης, που ενδεχομένως να συνδυάζουν χαμηλό κόστος, εύκολη εφαρμογή και αξιόλογη απόδοση. ΥΛΙΚΟ ΤΥΠΟΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ νΐέγιστη απόδ. σε ακτινοβ. A1V11 n-gaojal ο.ταβ/ρ- Ομοέπαφη - ετεροδομή GaAs Ομοέπαφη n-alas/p-gaas Ετεροεπαφή 24% 22% 18,5 Si (μονοκρυσταλλικό) Si (πολυκρυσταλλικό) Au/SijNVp-Si p-cu,s/n-cds Ομοέπαφη Ομοέπαφη Schottky Ετεροεπαφή 16% 10% 10% Πίνακας 1

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ 1. ΓΕΝΙΚΑ Το βασικό και χαρακτηριστικό κάθε φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι η Φ/β γεννήτρια, που αποτελείται από τους ηλιακούς συλλέκτες με τα Φ/β ηλιακά στοιχεία. Και εδώ, όπως είδαμε ότι συμβαίνει γενικότερα στη Φ/β ορολογία, χρησιμοποιούνται και άλλες ονομασίες, όπως, ηλιακή μπαταρία, ηλιακή ηλεκτρογεννήτρια κλπ. Η τάση όμως και η ισχύς των Φ/β στοιχείων είναι πολύ μικρή για να ανταποκριθεί στην τροφοδότηση των συνηθισμένων ηλεκτρικών καταναλώσεων ή για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Ειδικότερα, η τάση που εκδηλώνει ένα συνηθισμένο Φ/β στοιχείο πυριτίου του εμπορίου, σε κανονική ηλιακή ακτινοβολία, είναι μόλις μέχρι 0,5V περίπου και ότι η ηλεκτρική ισχύς που παράγει είναι μόλις 0,4W περίπου. Για αυτό, τα Φ/β στοιχεία που προορίζονται για τη συγκρότηση Φ/β γεννητριών τοποθετούνται, ανά 10 ως 50 περίπου, σε ένα πλαίσιο, με κοινή ηλεκτρική έξοδο. Στο πλαίσιο, τα στοιχεία συνδέονται στη σειρά σε ομάδες κατάλληλου πλήθους για την απόκτηση μιας επιθυμητής τάσης, π.χ. η σύνδεση 35 στοιχείων στη σειρά δίνει περίπου V, που είναι κατάλληλη, αν αφαιρέσουμε τις διάφορες απώλειες, για την φόρτιση των συνηθισμένων συσσωρευτών μολύβδου. Τα πλαίσια είναι κατασκευασμένα με μορφή σάντουιτς. Δηλαδή, τα ηλιακά στοιχεία στερεώνονται με κολλητική ουσία σε ένα ανθεκτικό φύλλο από μέταλλο (συνήθως αλουμίνιο) ή από ενισχυμένο πλαστικό, που αποτελεί την πλάτη του πλαισίου, ενώ η εμπρός όψη τους καλύπτεται από ένα προστατευτικό φύλλο γυαλιού ή διαφανούς πλαστικού. Το εμπρός και πίσω φύλλο συγκροτούνται μεταξύ τους, στεγανά και μόνιμα, με την βοήθεια μιας ταινίας από φυσικό ή συνθετικό ελαστικό και συσφίγγονται με ένα περιμετρικό μεταλλικό περίβλημα. Διαμορφώνεται έτσι το Φ/β πλαίσιο, που είναι η δομική μονάδα που κατασκευάζεται βιομηχανικά και κυκλοφορεί στο εμπόριο για να χρησιμοποιηθεί ως συλλέκτης στη συγκρότηση των Φ/β γεννητριών. Δόγω των απαιτούμενων υλικών και εργασιών για την κατασκευή του, το κόστος των Φ/β πλαισίων είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το κόστος των ηλιακών στοιχείων που περιέχον (σχ. 1). Ηλιακά ηλεκτρικά οτοιχεία. Σχ.1

29 Τα Φ/β πλαίσια του εμπορίου δεν έχουν τυποποιημένες διαστάσεις και ισχύεις. Σε συμβατικές συνθήκες αιχμής έχουν συνήθως, ανάλογα με τον τύπο και τον κατασκευαστή, τάση εξόδου από 4 V μέχρι 22 V, και ένταση ρεύματος από περίπου 0,5 A μέχρι 2,5Α. Πριν βγουν στο εμπόριο, τα Φ/Β πλαίσια υποβάλλονται συνήθως σε μια σειρά από αυστηρές δοκιμές ποιοτικού ελέγχου με θερμικές και μηχανικές καταπονήσεις, καθώς και σε δοκιμασία 5ήμερης συνεχούς παραμονής σε ατμόσφαιρα σχεηκής υγρασίας 95% και θερμοκρασίας 95 "C, για να ελεγχθεί η στεγανότητά τους. 2. Η ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΑΤΑΙΚΟΥ ΠΑΑΙΣΙΟΥ Το κάθε Φ/Β πλαίσιο παρουσιάζει τα δικά του ηλεκτρικά χαρακτηριστικά (απόδοση, τάση, ισχύ κλπ.), που προφανώς διαμορφώνονται από τα αντίστοιχα μεγέθη των χωριστών ηλιακών στοιχείων που περιέχει. Επομένως, όμοια με την σχέση, που ορίζει τον συντελεστή πλήρωσης την οποία συναντήσαμε σε προηγούμενη παράγραφο, ο συντελεστής απόδοσης του Φ/β πλαισίου (Ππ) εκφράζει τον λόγο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το Φ/β πλαίσιο (Ρ^), προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται στην επιφάνεια του S. Προφανώς, την ίδια τιμή θα έχει και ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ενέργειας Ε που παράγει το Φ/Β πλαίσιο εττί ένα ορισμένο χρονικό, διάστημα, προς την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται επί το ίδιο χρονικό διάστημα. Δηλαδή : η =Ρ /Η*8 (W)/(w/m^)x(m^) (3.1) hp=e/fs (KW)/(Kw/m^)x(m^) (3.2) όπου Π είναι η πυκνότητα της ηλιακής ενέργειας που πέφτει στην ετηφάνεια του Φ/Β πλαισίου. Η τιμή του ηπ είναι φανερό ότι εξαρτάται όχι μόνο από τη μέση απόδοση των ηλιακών στοιχείων (η), αλλά και από τον συντελεστή κάλυψης του πλαισίου (σ^), που ορίζεται ως ο λόγος της συνολικής ενεργού επιφάνειας των ηλιακών στοιχείων, δηλαδή της ετηφάνειας του ημιαγωγού όπου γίνεται η απορρόφηση και μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας, προς την συνολική επιφάνεια του Φ/Β πλαισίου. Βρίσκουμε εύκολα ότι θα ισχύει η σχέση : = η X Οκ (3.3)

30 D I3X 1 (α) Σχ.2 Τρείς σ υ νιθ ισ μ ένοι τρόττοι τταραθεσης τω ν ηλιακώ ν σ τ ο ιχ είω ν στα Φ /β ττλαίσια. Οι αντίσ τοιχοι σ υντελεστές κάλυψ ης είναι ττερίττου 0,78 για την ττερίτγτωση (α), 0,88 γ'α την ττερπττω ση (β), και 0.98 για τα εξσγωνικά στοιχεία της ττερίτττωσης (γ). Η τιμή του Οκ εξαρτάται ιουρίως από το σχήμα και την πυκνότητα της τοποθέτησης των ηλιακών στοιχείων πάνω στο φ/β πλαίσιο. Συνήθως κυμαίνεται από περίπου 0,78, για κυκλικά στοιχεία σε παράλληλες στοιχισμένες σειρές φτάνει μέχρι σχεδόν 1,00 (πρακτικά μέχρι 0,98),για τα μεγαλύτερου κόστους τετραγωνικά ή εξαγωνικά ηλιακά στοιχεία (σχήμα 2). 3. Η ΚΠΙΛΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ Όπως είδαμε η απόδοση των Φ/β στοιχείων ετιηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Όμως, ο συντελεστής απόδοσης που δίνεται για τα ηλιακά στοιχεία ή για τα Φ/β πλαίσια αντιστοιχεί σε μία συμβατική θερμοκρασία 20 C, που συχνά, ιδίως στους θερινούς μήνες, διαφέρει αξιόλογα από την πραγματική θερμοκρασία του στοιχείου. Έχει μετρηθεί ότι αφενός, και κυρίως, λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται, αλλά και λόγω των ηλεκτρικών απωλειών που πραγματοποιούνται πάνω τους, στις αντιστάσεις σειράς, τα ηλιακά στοιχεία αποκτούν κατά την λειτουργία τους θερμοκρασία μεγαλύτερη από την θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος κατά 25 ως 30 C, ανάλογα και με την ταχύτητα του ανέμου. Ως μέσο όρο στους υπολογισμούς μας, παίρνουμε συνήθως αύξηση της θερμοκρασίας κατ 30 C.Είδαμε ετήσης ότι για τη διόρθωση του παραπάνω σφάλματος χρησιμοποιείται ένας αδιάστατος συντελεστής σβ με τον οποίο πολλαπλασιάζουμε τον συντελεστή απόδοση των ηλιακών στοιχείων. Το ίδιο εφαρμόζουμε και για τα Φ/β πλαίσια. Δηλαδή, για θερμοκρασίες διαφορετικές από τη συμβατική, ως συντελεστή απόδοσης των Φ/β πλαισίων παίρνουμε το γινόμενο η^ χ οθ. Σε συμβατική θερμοκρασία ο σβ είναι ίσος με την μονάδα, και για τα συνηθισμένα ηλιακά στοιχεία πυριτίου του εμπορίου μειώνεται κατά περίπου 0,005 ανά βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας πάνω από αυτή. Π.χ. στην Θεσσαλονίκη, τον μήνα Ιούλιο που έχουμε μέση θερμοκρασία του αέρα, στις φωτεινές ώρες της ημέρας, σχεδόν 30 C η μέση θερμοκρασία των ηλιακών στοιχείων του Φ/β πλαισίου θα είναι περίπου: οο = 1,00 - (60-20) X0,005 =0.8 (3.4) Την ίδια περίπου τιμή βρίσκουμε και διάγραμμα του σχήματος 7. χρησιμοποιήσουμε το λογαριθμικό