Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μαρία Χριστοδούλου Έκτορα Αριθμός Μητρώου: 5524 Θέμα «Επίδραση εξωτερικών παραμέτρων στις χαρακτηριστικές ιδιότητες ηλιακών πλαισίων τύπου CIS» Επιβλέπουσα Βασιλική Περράκη Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2009

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Επίδραση εξωτερικών παραμέτρων στις χαρακτηριστικές ιδιότητες ηλιακών πλαισίων τύπου CIS» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μαρία Χριστοδούλου Έκτορα Αριθμός Μητρώου: 5524 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Ο Διευθυντής του Τομέα Λέκτορας Καθηγητής Βασιλική Περράκη Νικόλαος Φακωτάκης

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Επίδραση εξωτερικών παραμέτρων στις χαρακτηριστικές ιδιότητες φωτοβολταϊκών πλαισίων τύπου CIS» Φοιτήτρια: Επιβλέπουσα:

4 Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η μελέτη της συμπεριφοράς φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτής ταινίας CIS, σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Μελετάται η επίδραση διάφορων εξωτερικών παραγόντων και κυρίως της θερμοκρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας και της σκίασης. Με στόχο την εκτίμηση της παραγόμενης DC ισχύος σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας., έχουν πραγματοποιηθεί μετρήσεις ρεύματος-τάσης στο χώρο του Πανεπιστημίου Πατρών, σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο CIS ονομαστικής ισχύος 75W. Οι μετρήσεις ήταν συνήθως ημερήσιες και καταγράφονταν οι τιμές για διάφορες συνθήκες λειτουργίας και σε διαφορετικές εποχές του έτους. Με ένα μεταβλητό φορτίο συνδεδεμένο με το εν λόγω φωτοβολταϊκό πλαίσιο, ήταν δυνατός ο προσδιορισμός της χαρακτηριστικής I-V καμπύλης σε κάθε μέτρηση και ως εκ τούτου, ο υπολογισμός του σημείου μέγιστης ισχύος. Για κάθε μέτρηση καταγράφονταν, εκτός του ρεύματος και της τάσης, η λαμβανόμενη ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία αέρα καθώς και οι θερμοκρασίες στις δύο όψεις του συλλέκτη. Αρχικά, υπολογίζεται η απόδοση του πλαισίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας ενώ σε αυτό προσπίπτουν ίδια ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας. Επίσης, μελετάται ποιες χαρακτηριστικές παράμετροι επηρεάζονται περισσότερο όπου διαπιστώνεται πως η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση της τάσης και μία μικρή αύξηση του ρεύματος η οποία όμως, δεν είναι ικανή να αντισταθμίσει την μείωση της τάσης, με αποτέλεσμα η αύξηση της θερμοκρασίας να επιδρά αρνητικά στην απόκριση ισχύος. Στη συνέχεια, γίνεται αντίστοιχος υπολογισμός και για την ηλιακή ακτινοβολία όπου παρουσιάζεται η θετική της επίδραση στην απόδοση του πλαισίου, ενώ ταυτόχρονα μελετάται η συμπεριφορά του CIS σε συνθήκες ηλιοφάνειας αλλά και συννεφιάς. Κατά την επεξεργασία των αποτελεσμάτων

5 αυτών, ήταν δυνατός ο υπολογισμός μίας μέσης τιμής της αποδιδόμενης ισχύος τόσο για τη θερινή όσο και για τη χειμερινή περίοδο. Τέλος, προκαλώντας τεχνητή σκίαση στο 30% περίπου της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου κατά τη διάρκεια κάποιων μετρήσεων, υπολογίζεται το ποσοστό μείωσης της παραγόμενης DC ισχύος, συγκριτικά με τις περιπτώσεις όπου κάτω από τις ίδιες εξωτερικές συνθήκες, το πλαίσιο δεν σκιάζεται. Λέξεις κλειδιά Φωτοβολταϊκό πλαίσιο CIS, Θερμοκρασία Λειτουργίας, Σκίαση, Θερινή Περίοδος, Χειμερινή Περίοδος, Απόδοση Ηλιακή Ακτινοβολία,

6 Abstract The objective of this diploma thesis, is to study the behavior of a thin film photovoltaic module CIS, under real conditions of operation. The effect of various exterior factors is studied and mainly the factors of temperature, solar radiation and shading. To estimate the produced DC Power in various conditions, measurements has been took place at the University of Patras using a CIS photovoltaic module, of 75W Maximum Power. Measurements were usually daily and were taken in all seasons of year. With a variable load connected to the photovoltaic module, the determination of the I-V curve was possible for each measurement and consequently, the calculation of the Maximum Power Point could be made. At each measurement, were noted the current, the voltage and also the received solar radiation, the air temperature as well as the temperatures at the two sides of the module. At first, the output and the efficiency of the module in different temperatures of operation are calculated, while the received solar radiation is the same in every case. Also, it is studied witch parameters are more influenced by increasing temperature and it is proved that voltage is decreased and current is a little increased. However, the increasing current is not capable to compensate the decreasing voltage, so the increase of temperature affects negatively the output power and the efficiency. Afterwards, a similar calculation has been made, studying the influence of solar radiation at the characteristic parameters of the CIS photovoltaic module. During these calculations, except the positive effect of solar radiation it is presented the behavior of CIS in sunlight and also cloudy conditions. As a result, an average output power of the module has calculated for the aestival and the wintry period.

7 Finally, causing artificial shading in about the 30% of the module's surface, it is determined the rate of reduction of produced DC power, comparatively the case where the module is not shading under the same exterior conditions. Keywords CIS Photovoltaic Module, Temperature Effect, Solar Radiation, Shading Conditions, Aestival Period, Wintry Period, Efficiency

8 Ευχαριστίες Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω το Εργαστήριο Ασυρμάτου Τηλεπικοινωνίας του τομέα Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας για την παροχή του εργαστηριακού εξοπλισμού που χρειάστηκα. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την επιβλέπουσα καθηγήτρια μου κ. Βασιλική Περράκη για την ανάθεση αυτής της διπλωματικής εργασίας, δίνοντας μου με τον τρόπο αυτό την ευκαιρία να ασχοληθώ με την φωτοβολταϊκή τεχνολογία. Επίσης την ευχαριστώ για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε καθώς επίσης και για την καθοδήγηση και τις πολύτιμες συμβουλές που μου παρείχε κατά την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω στη φίλη και συνάδελφο μου Δήμητρα Συγκρίδου με την οποία εργαστήκαμε παράλληλα στα πλαίσια των διπλωματικών μας εργασιών, το αντικείμενο των οποίων συνδέεται άμεσα, και με την πολύτιμη βοήθεια και στήριξη της, κατάφερα να περατώσω την παρούσα διπλωματική. Περισσότερο από όλους όμως θέλω να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και κυρίως τους γονείς μου Έκτορα και Εύα Χριστοδούλου, που με την υπομονή και την αγάπη τους με στηρίζουν όλα αυτά τα χρόνια. Σε αυτούς οφείλω ό,τι έχω πετύχει μέχρι σήμερα και γι' αυτό τους αφιερώνω αυτή τη διπλωματική εργασία. Μαρία Χριστοδούλου

9 i Κατάλογος περιεχομένων Περίληψη Abstract Ευχαριστίες 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Σκοπός της διπλωματικής εργασίας ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Ηλιακή Ενέργεια Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Επαφή p-n Ορθή και Ανάστροφη Πόλωση της διόδου ΗΛΕΚΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Παράμετροι στοιχείων και I-V καμπύλες Φωτοβολταϊκά πλαίσια και συστοιχίες Τύποι συστοιχιών Προσανατολισμός και κλίση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας Παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΛΕΠΤΟΥ ΦΙΛΜ, ΤΥΠΟΥ CIS Διάφορες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Τεχνολογία φωτοβολταϊκών πλαισίων τύπου CIS ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Πειραματική Διάταξη Επίδραση της Θερμοκρασίας στις χαρακτηριστικές παραμέτρους

10 ii φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ, τύπου CIS Επίδραση της Ηλιακής Ακτινοβολίας στις χαρακτηριστικές παραμέτρους φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ, τύπου CIS Σύγκριση λειτουργίας του CIS κατά τη Θερινή και τη Χειμερινή Περίοδο Εύρεση βέλτιστης κλίσης τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου Επίδραση φυσικής Σκίασης στις χαρακτηριστικές παραμέτρους φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ, τύπου CIS Σύγκριση παραγόμενης ισχύος φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ τύπου CIS, με μονοκρυσταλλικού πυριτίου σε συνθήκες φυσικής σκίασης Μετρήσεις σε συνθήκες οριζόντιας και κάθετης σκίασης με PVPM 2540C Παραγωγή Ισχύος του CIS σε Πραγματικές Συνθήκες Υπολογισμός Ετήσιας Παραγωγής ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου τύπου CIS, σε kwh Αποκλίσεις των πειραματικών μετρήσεων από τις τιμές σε Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...136

11 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κεφάλαιο 1

12 2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Γενικά Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με τη μείωση των αποθεμάτων συμβατικών καυσίμων και οι δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον από την εκτεταμένη χρήση τους, έχουν στρέψει το ενδιαφέρον στην εκμετάλλευση άλλων, συμβατικών πηγών ενέργειας. Η αυξανόμενη αυτή ενεργειακή κρίση που συντελείται παγκοσμίως αλλά και οι δυνατότητες που παρέχονται με την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστά αναγκαία την περαιτέρω ανάπτυξη και εξέλιξη του κλάδου των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε). Μία από τις συμβατικές αυτές πηγές είναι και η ηλιακή ενέργεια, η οποία μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική μέσω των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Η λειτουργία των φωτοβολταϊκών στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, το οποίο ανακάλυψε ο Γάλλος φυσικός Edmond Becquerel το 1839, κατά τη διάρκεια πειραμάτων του με μία ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Η ανακάλυψη στην οποία προέβη, είχε να κάνει με το γεγονός ότι ορισμένα υλικά παρουσίαζαν την ικανότητα παραγωγής μικρών ποσοτήτων ηλεκτρικού ρεύματος, όταν βρίσκονταν εκτεθειμένα σε ηλιακή ακτινοβολία. Το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε το 1876 όταν ο Adams και ο φοιτητής του Day, παρατήρησαν ότι μία ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φως. Το 1918 ο Πολωνός Czochralski, πρόσθεσε τη μέθοδο παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si), η οποία χρησιμοποιείται βελτιστοποιημένη ακόμα και σήμερα. Μία σημαντική ανακάλυψη έγινε επίσης το 1949, όταν οι Mott και Κεφάλαιο 1

13 3 Schottky ανέπτυξαν τη θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Στο μεταξύ, η κβαντική θεωρία είχε ξεδιπλωθεί. Ο δρόμος πλέον για τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές είχε ανοίξει. Τις δεκαετίες του '40 και του '50, πραγματοποιήθηκαν τα πρώτα βήματα προς την κατεύθυνση της εμπορικής αξιοποίησης των φωτοβολταϊκών με την ανάπτυξη της μεθόδου Czochralski για την παραγωγή κρυσταλλικού πυριτίου υψηλής καθαρότητας. Το πρώτο ηλιακό κύτταρο ήταν γεγονός στα εργαστήρια της Bell το 1954 από τους Chapin, Fuller και Pearson. Κατασκεύασαν ηλιακό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου με ικανότητα μετατροπής 6%. Τα ηλιακά ηλεκτρικά στοιχεία, δεν άργησαν να βρουν εφαρμογή. Το 1958, η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συστημάτων χρησιμοποιήθηκε σε διαστημικές εφαρμογές, όταν τοποθετήθηκε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα στον δορυφόρο Vanguard I. Το σύστημα αυτό λειτούργησε επιτυχώς για οχτώ ολόκληρα χρόνια και ήταν ένα από τα πρώτα φωτοβολταϊκά συστήματα στο διάστημα. Από το χρονικό αυτό σημείο και μετά, τα φωτοβολταϊκά συστήματα άρχισαν να ενσωματώνονται σταδιακά σε διάφορες εφαρμογές και η τεχνολογία τους να βελτιώνεται συνεχώς. Το 1962, η μεγαλύτερη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση στον κόσμο γίνεται στην Ιαπωνία από την Sharp, σε ένα φάρο. Η εγκατεστημένη ισχύς του συστήματος είναι 242Wp. Τα φωτοβολταϊκά ξεκίνησαν λοιπόν να κάνουν την εμφάνισή τους αλλά λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής, η εφαρμογή τους ήταν δυνατή μόνο σε ειδικές περιπτώσεις αυτόνομων συστημάτων. Οι υψηλές τιμές στα φωτοβολταϊκά, ήταν ο σημαντικότερος λόγος που δεν υπήρχε μεγαλύτερη αποδοχή από την αγορά. Η έρευνα όμως προχωρούσε και η απόδοσή τους συνεχώς βελτιωνόταν. Κυριότερος χρήστης των φωτοβολταϊκών τις δεκαετίες που ακολούθησαν, ήταν η NASA [1,2]. Η διείσδυση των φωτοβολταϊκών έγινε με πολύ αργό ρυθμό συγκριτικά με Κεφάλαιο 1

14 4 την γρήγορη εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών, μία τεχνολογία που επίσης στηρίζεται στα ημιαγώγιμα υλικά. Αυτή η καθυστέρηση οφείλεται κυρίως στις τεχνικές και οικονομικές δυσκολίες που αντιμετωπίζουν οι κατασκευαστές στην παραγωγική διαδικασία κατά την προσπάθεια τους να δημιουργήσουν καθαρά ημιαγώγιμα υλικά. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα, η ποσότητα του απαιτούμενου υλικού είναι πολύ μεγάλη και η παραγωγή του είναι ιδιαίτερα ενεργοβόρος. Επίσης απαιτούνται υπέρογκα κεφάλαια για το κόστος του εξοπλισμού αλλά και της ενέργειας που καταναλώνεται κατά την παραγωγική διαδικασία. Για το λόγο αυτό άλλωστε, προβλέπεται ένα μεγάλο μερίδιο στην αγορά των φωτοβολταϊκών, να καταλάβουν οι τεχνολογίες λεπτού φιλμ (thin film). Στις τεχνολογίες αυτές, επιτυγχάνεται σημαντική μείωση της απαιτούμενης ποσότητας του υλικού και συνεπώς μείωση στις τιμές των φωτοβολταϊκών. Για περαιτέρω εξάπλωση της αγοράς των φωτοβολταϊκών, απαραίτητη προϋπόθεση αποτελεί η συνεχιζόμενη μείωση του κόστους τους και παράλληλα, η αύξηση της απόδοσής τους. Η μείωση αυτή του κόστους μπορεί να επιτευχθεί κυρίως μέσω της μαζικής παραγωγής, κάτι που ακολουθεί η βιομηχανία των φωτοβολταϊκών καθώς ωριμάζει και μεγεθύνεται. Το κόστος, μπορεί να μειωθεί και μέσω της έρευνας και της ανάπτυξης της τεχνολογίας, οδός που τόσο η βιομηχανία όσο και η κρατική μηχανή επιδιώκουν. Εκτιμάται ότι με την εξάπλωση της αγοράς των φωτοβολταϊκών, είναι δυνατόν να διευρυνθεί η εφαρμογή τους σε όλα τα επίπεδα, από τα απομονωμένα συστήματα έως και τα μεγάλα διασυνδεδεμένα. Οι προβλέψεις για το άμεσο μέλλον όσον αφορά την αγορά των φωτοβολταϊκών είναι ιδιαίτερα ευοίωνες, τόσο για την καθολική εξάπλωση της τεχνολογίας αυτής παγκοσμίως, όσο και για την καθοδική πορεία στις τιμές τους και την αύξηση της απόδοσής τους [2]. Κεφάλαιο 1

15 Σκοπός της διπλωματικής εργασίας Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η διερεύνηση των κυριότερων παραγόντων που επιδρούν στην απόδοση φωτοβολταϊκών πλαισίων τύπου CIS. Σε πειραματικό επίπεδο, έχουν πραγματοποιηθεί μετρήσεις υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας και μελετώνται κυρίως η επίδραση της θερμοκρασίας, της διακύμανσης της ηλιακής ακτινοβολίας και της σκίασης. Με στόχο λοιπόν την εκτίμηση της παραγόμενης DC ισχύος από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας, πραγματοποιήθηκε η εργασία αυτή. Η διάρθρωσή της στα κεφάλαια που ακολουθούν, περιγράφεται πιο κάτω. Στο παρόν κεφάλαιο, γίνεται μία αναφορά στη σύγχρονη ενεργειακή πραγματικότητα και τις εξελίξεις που παρατηρούνται στον τομέα της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Στο Κεφάλαιο 2, περιγράφονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων και γίνεται μία συνοπτική περιγραφή των κυριότερων παραγόντων που επηρεάζουν την αποδιδόμενη ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Στο Κεφάλαιο 4, περιγράφεται η δομή των φωτοβολταϊκών στοιχείων λεπτού φιλμ που μελετάμε (CIS) και αναφέρονται ενδεικτικά οι διαθέσιμες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών πλαισίων που συναντώνται σήμερα. Στο Κεφάλαιο 5, παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση των μετρήσεων για την διεκπεραίωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Επίσης, παρατίθενται τα πειραματικά αποτελέσματα όσον αφορά την επίδραση της θερμοκρασίας λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και υπολογίζονται οι μεταβολές των χαρακτηριστικών παραμέτρων του πλαισίου υπό την επίδραση της κυμαινόμενης Κεφάλαιο 1

16 6 ηλιακής ακτινοβολίας και σε συνθήκες τεχνητής σκίασης. Στη συνέχεια υπολογίζεται η μέση αποδιδόμενη ισχύς κατά τη θερινή και τη χειμερινή περίοδο καθώς και η ετήσια παραγωγή του ενός πλαισίου και γίνεται μία σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα χαρακτηριστικά του πλαισίου, σε εργαστηριακές συνθήκες λειτουργίας. Στο Κεφάλαιο 6 τέλος, συνοψίζονται κάποια βασικά συμπεράσματα βάσει των αποτελεσμάτων της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο σημείο αυτό να σημειώσουμε πώς η επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων, έγινε χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα OriginPro 7.5. Κεφάλαιο 1

17 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ηλιακή Ενέργεια-Λειτουργία Φωτοβολταϊκών Κεφάλαιο 2

18 8 2. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 2.1. Ηλιακή Ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια, αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την ύπαρξη της ζωής στη Γη. Καθορίζει τη θερμοκρασία στην επιφάνειά της και παρέχει ουσιαστικά το σύνολο της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία όλων των φυσικών συστημάτων. Με μία καλή προσέγγιση, ο ήλιος ενεργεί ως μία τέλεια πηγή ακτινοβολίας (μέλαν σώμα) σε μία θερμοκρασία κοντά στους K. Η προσπίπτουσα κατά μέσο όρο ροή ενέργειας πάνω σε μία μονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα, είναι γνωστή ως ηλιακή σταθερά και ισούται με S=1367 W/m2. Γενικότερα, η ολική ισχύς από μία πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη μονάδα επιφάνειας, ονομάζεται ένταση ακτινοβολίας [1]. Η ατμόσφαιρα της γης, μειώνει σημαντικά την ακτινοβολία με τους μηχανισμούς της ανάκλασης, απορρόφησης (από το όζον, τους υδρατμούς, το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα) και σκέδασης (από τα μόρια αέρα, σκόνης ή ρύπους). Όταν η ηλιακή ακτινοβολία αθροίζεται στη διάρκεια ενός έτους, προκύπτει η ετήσια ηλιακή ενέργεια, συνήθως σε kwh/m2. Η τιμή αυτή διαφέρει σημαντικά ανάλογα με την τοποθεσία. Στο σχήμα 2.1, φαίνονται τα ποσά πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας ετησίως ανά τον κόσμο και στο σχήμα 2.2, όσον αφορά την Ελλάδα. Στον πίνακα 2.1 φαίνεται η ετήσια πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας για διάφορα κεκλιμένα επίπεδα και διαφορετικές πόλεις της Ελλάδας. Κεφάλαιο 2

19 9 Σχήμα 2.1: Παγκόσμιος χάρτης ετήσιας ηλιακής ενέργειας Σχήμα 2.2: Χάρτης ετήσιας ηλιακής ενέργειας στην Ελλάδα Κεφάλαιο 2

20 Αθήνα Θεσσαλονίκη Κόρινθος Πάρος Πάτρα Χανιά Πίνακας 2.1: Συνολική ετήσια ηλιακή ακτινοβολία (kwh/m2) σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας, σε επίπεδα με κλίση 00, 300, 450, 600 και 900 και προσανατολισμό προς το Νότο. Σχήμα 2.3: Ηλιακή ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρά Η ακτινοβολία στην επιφάνεια της γης, συνίσταται από ένα μέρος άμεσης ακτινοβολίας και ένα μέρος διάχυτης. Η άμεση συνιστώσα της ακτινοβολίας, προέρχεται από την κατεύθυνση του ήλιου σε αντίθεση με τη διάχυτη, η οποία σκεδάζεται από τον ουράνιο θόλο και δεν έχει συγκεκριμένη κατεύθυνση. Η ποσότητα της ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος είναι φυσικά άκρως μεταβλητή. Επιπλέον, πέρα από την κανονική ημερήσια και ετήσια μεταβολή Κεφάλαιο 2

21 11 λόγω της φαινομένης κίνησης του ήλιου, ακατάστατες μεταβολές (κάλυψη από σύννεφα) προκαλούνται από τις κλιματολογικές συνθήκες καθώς επίσης και τη γενικότερη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Γι' αυτό το λόγο, η σχεδίαση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος βασίζεται στη λήψη μετρούμενων δεδομένων που λαμβάνονται στην τοποθεσία εγκατάστασης ή κοντά σε αυτή. Ένα μέγεθος που χαρακτηρίζει την επίδραση της καθαρής ατμόσφαιρας στη διαδρομή του ηλιακού φωτός, είναι η μάζα αέρος (Α.Μ), ίση προς το σχετικό μήκος της διαδρομής της απευθείας δέσμης διαμέσου της ατμόσφαιρας. Στη διάρκεια μίας ηλιόλουστης καλοκαιρινής ημέρας στο επίπεδο της θάλασσας, η ακτινοβολία από τον ήλιο, όταν βρίσκεται στο Ζενίθ, αντιστοιχεί σε μάζα αέρος 1. Σε άλλες περιπτώσεις, η μάζα αέρος (Α.Μ), είναι κατά προσέγγιση ίση προς το 1/cosθz, όπου θz είναι η γωνία του Ζενίθ [1]. Σχήμα 2.4: Ορισμός της μάζας αέρος Α.Μ Ανάλογα με τις συνθήκες συννεφιάς και την ώρα της ημέρας (γωνία ύψους του ήλιου), η άμεση και διάχυτη ακτινοβολία διαφοροποιούνται σημαντικά. Τις αίθριες ημέρες, η άμεση ακτινοβολία, είναι η μεγαλύτερη συνιστώσα της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας. Αντίθετα, σε πολύ συννεφιασμένες μέρες (κυρίως το χειμώνα), η συνολική ακτινοβολία οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη της διάχυτης συνιστώσας. Κεφάλαιο 2

22 12 Όπως προαναφέραμε, όταν η ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στη γη, κατανέμεται ανομοιόμορφα στις διάφορες περιοχές. Οι περιοχές κοντά στον ισημερινό λαμβάνουν περισσότερη ακτινοβολία από οποιεσδήποτε άλλες. Η ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει σημαντικά ανάλογα με τις εποχές και εξαρτάται από την ώρα της ημέρας, το κλίμα (ιδιαίτερα τα σύννεφα που σκεδάζουν τις ακτίνες του ήλιου) και την ατμοσφαιρική ρύπανση. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες καθορίζουν το ποσό της ηλιακής ενέργειας που διατίθεται για τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Σχήμα 2.5: Συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας σε αίθριες και συννεφιασμένες ημέρες Το ποσό της ενέργειας που παράγει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, δεν εξαρτάται μόνο από τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία αλλά επηρεάζεται σημαντικά και από την ικανότητα των στοιχείων να μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια (conversion efficiency). Οι επιστήμονες έχουν επικεντρώσει τις προσπάθειες τους τα τελευταία χρόνια στη βελτίωση της ικανότητας μετατροπής των φωτοβολταϊκών στοιχείων με στόχο να γίνουν τα παραπάνω πιο ανταγωνιστικά σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες. Κεφάλαιο 2

23 Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, αποτελεί τη βασική φυσική διαδικασία μέσω της οποίας ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα. Ημιαγώγιμα υλικά όπως το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο, το τελουριούχο κάδμιο, ο δισελινοϊνδιούχος χαλκός κλπ, χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό. Το στοιχείο του κρυσταλλικού πυριτίου ωστόσο παραμένει το ευρύτερα διαδεδομένο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Σχήμα 2.6: Λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων στηριζόμενη στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο Κεφάλαιο 2

24 14 Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός υλικού, τότε ένα μέρος αυτού ανακλάται, ένα άλλο τη διαπερνά και το υπόλοιπο απορροφάται από το υλικό της επιφάνειας. Η απορρόφηση του φωτός, ουσιαστικά σημαίνει τη μετατροπή του σε άλλη μορφή ενέργειας η οποία συνήθως είναι θερμότητα. Παρ' όλα αυτά όμως, υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων που προσπίπτουν στην επιφάνειά τους, σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται η τεράστια τεχνολογική πρόοδος του τομέα της ηλεκτρονικής και του τομέα της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια - πακέτα ηλιακής ενέργειας. Τα φωτόνια αυτά, περικλείουν διαφορετικά ποσά ενέργειας που αντιστοιχούν στα διάφορα μήκη κύματος του ηλιακού φάσματος. Η σύγχρονη τεχνολογία, μας έδωσε τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας, με τη χρήση των ηλιακών φωτοβολταϊκών συστημάτων, που η λειτουργία τους στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αποτελούν διόδους ημιαγωγικών ενώσεων τύπου p-n με τη μορφή επίπεδης πλάκας. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας 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. Όσο διαρκεί η ακτινοβολία, δημιουργείται περίσσεια φορέων, δηλαδή περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο στερεό και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντίθετου προσήμου, δέχονται την επίδραση ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού πεδίου της ένωσης p-n. Εξαιτίας αυτού, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου n και οι οπές προς το τμήμα τύπου p, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μία διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της Κεφάλαιο 2

25 15 διόδου. Αν στους ακροδέκτες αυτούς συνδεθεί κατάλληλο ηλεκτρικό φορτίο, παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύματος και ισχύος από τη φωτοβολταϊκή διάταξη προς το φορτίο. Συμπερασματικά η όλη διάταξη, αποτελεί μία πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, που διατηρείται για όσο χρονικό διάστημα διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στους δύο ακροδέκτες της παραπάνω διάταξης, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο [2,3] Επαφή p-n Στη συνέχεια, γίνεται μία συνοπτική αναφορά του τρόπου λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Κάθε κρυσταλλικός ημιαγωγός, για να έχει ικανοποιητικές ιδιότητες για φωτοβολταϊκές και γενικότερα για ηλεκτρονικές εφαρμογές, θα πρέπει να είναι πολύ μεγάλης καθαρότητας και το κρυσταλλικό τους πλέγμα να μην έχει αταξίες δομής. Τα άτομα των ημιαγώγιμων υλικών, συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς οι οποίοι είναι δυνατόν να σπάσουν υπό την επίδραση της ακτινοβολίας ή θερμότητας, οπότε απελευθερώνονται ηλεκτρόνια (αρνητικοί φορείς n) και αφήνουν κενές θέσεις, τις οπές (θετικοί φορείς p). Οι σημαντικότερες ιδιότητες και εφαρμογές των διατάξεων ημιαγωγών, δεν προέρχονται κυρίως από τη δημιουργία φορέων αλλά οφείλονται περισσότερο στη διάχυση των φορέων τους. Βασική διάταξη για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών, είναι η ένωση p-n (possitive-negative) που μπορούμε να θεωρήσουμε ότι σχηματίζεται όταν έλθουν σε στενή επαφή ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου p με ένα τεμάχιο τύπου n. Αμέσως τότε, ένα μέρος από τις οπές του τεμαχίου τύπου p διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου n όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα μέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τεμαχίου τύπου n διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου p, όπου τα ελεύθερα Κεφάλαιο 2

26 16 ηλεκτρόνια είναι επίσης πολύ λιγότερα. Σχήμα 2.6: Επαφή p-n Δημιουργείται με αυτό τον τρόπο μία περιοχή στην οποία υπάρχουν λίγοι φορείς αγωγιμότητας, γνωστή ως ζώνη εξάντλησης φορέων ή περιοχή αραίωσης. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα ωστόσο παραμένουν στη περιοχή n και τα αρνητικά στην περιοχή p. Έτσι, δημιουργείται ένα εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο, το οποίο αντιτίθεται στην κίνηση των φορέων αγωγιμότητας, με αποτέλεσμα η παραπάνω διάχυση να μη συνεχίζεται επ' άπειρον. Η αποκατάσταση των συνθηκών ισορροπίας γίνεται με επανασυνδέσεις φορέων, μέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιμές που ικανοποιούν το νόμο δράσης των μαζών. Η διάταξη ημιαγωγών που αποτελείται από μία ένωση p-n και από μία ηλεκτρική σύνδεση στο κάθε τμήμα της ονομάζεται δίοδος [2] Ορθή και Ανάστροφη Πόλωση της διόδου Η μία περίπτωση είναι να επιβληθεί στη δίοδο p-n ορθή πόλωση, δηλαδή ο αρνητικός πόλος της πηγής να συνδεθεί με το τμήμα τύπου n της διόδου, και ο θετικός πόλος με το τμήμα τύπου p. Τότε, τα ηλεκτρόνια ρέουν ανεμπόδιστα από την πηγή, διαμέσου του τμήματος τύπου n, προς την περιοχή της ένωσης όπου επανασυνδέονται με τις οπές που σχηματίζονται με την απομάκρυνση Κεφάλαιο 2

27 17 ηλεκτρονίων προς το θετικό πόλο της πηγής, διαμέσου του τμήματος τύπου p. Σχήμα 2.7: Συνδεσμολογία ορθής και ανάστροφης πόλωσης Σχήμα 2.8: Χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης διόδου p-n Αντίθετα, στην ανάστροφη πόλωση, δηλαδή αν ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδεθεί με το τμήμα τύπου p και ο θετικός με το τμήμα τύπου n, γίνεται επανασύνδεση των οπών του τμήματος τύπου p με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή, και, από την άλλη μεριά, απομάκρυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων του τμήματος τύπου n, προς το θετικό πόλο της πηγής. Έτσι, οι Κεφάλαιο 2

28 18 συγκεντρώσεις των φορέων μειώνονται πάρα πολύ, το πάχος της ζώνης εξάντλησης αυξάνει, και τα φορτισμένα άτομα των προσμίξεων δημιουργούν ένα ισχυρό εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο που είναι αντίθετο προς το πεδίο που επιβάλλει η πηγή. Το αποτέλεσμα είναι ότι τώρα η δίοδος προβάλει μεγάλη αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα. Δηλαδή μπορεί μια δίοδος που έχει σε ορθή πόλωση αντίσταση μόλις 10 Ω, να την αυξάνει στην αντίστροφη πόλωση σε 100 ΜΩ, δηλαδή να γίνεται δέκα εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη. Το παρακάτω διάγραμμα (σχήμα 2.4) δείχνει ακριβώς την ιδιόμορφη μεταβολή της έντασης του ρεύματος που διαρρέει μια δίοδο ένωσης p-n, σε συνάρτηση με την τιμή της τάσης και το είδος της πόλωσης που εφαρμόζεται [4]. Κεφάλαιο 2

29 19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων Κεφάλαιο 3

30 20 3. ΗΛΕΚΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 3.1. Παράμετροι στοιχείων και I-V καμπύλες Για χαρακτηριστικών να προχωρήσουμε ενός σε φωτοβολταϊκού μία εκτίμηση στοιχείου, των ηλεκτρικών μπορούμε να το παραστήσουμε με ένα ισοδύναμο κύκλωμα που περιγράφει τη λειτουργία του. Το ισοδύναμο κύκλωμα που ακολουθεί, καλείται πλήρες μοντέλο μίας διόδου και είναι αυτό που χρησιμοποιείται τυπικά για τη μελέτη των φωτοβολταϊκών. Σχήμα 3.1: Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός ηλιακού κυττάρου που περιλαμβάνει μία γεννήτρια ρεύματος στα αριστερά η οποία συνδέεται παράλληλα με μία δίοδο και την αντίσταση R SH. Η συνολική αντίσταση του κυττάρου, συνδέεται σε σειρά και παρίσταται από την ποσότητα RS. Κατά τη μετακίνηση των φορέων αγωγιμότητας, παρατηρείται μία πτώση τάσης από τον ημιαγωγό προς τις ηλεκτρικές επαφές. Η αντίσταση R S, αντιπροσωπεύει την αντίσταση που οφείλεται στην κίνηση αυτή. Επίσης, η αντίσταση διαμέσου της διόδου δεν είναι άπειρη, αφού λόγω αναπόφευκτων κατασκευαστικών ελαττωμάτων γίνονται διαρροές ρεύματος. Για το λόγο αυτό, το ισοδύναμο κύκλωμα περιέχει και την παράλληλη αντίσταση RSH. Συνήθως, Κεφάλαιο 3

31 21 στα φωτοβολταϊκά στοιχεία του εμπορίου, η αντίσταση RS είναι μικρότερη των 5 Ω και η αντίσταση RSH είναι μεγαλύτερη από 500 Ω [4]. Με τη βοήθεια αυτού του κυκλώματος, είναι δυνατός ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών I-V καμπύλων για διάφορα επίπεδα ακτινοβολίας. Σε μία δίοδο, μπορεί να παραχθεί ρεύμα στο σκοτάδι, χωρίς να παράγεται κανένας φορέας υπό το φως του ήλιου [5]. Το ρεύμα αυτό δίνεται από την εξίσωση 3.1: Ι =Ι 0 exp[ qv 1] A K B T (3.1) όπου το Ι0 είναι το αποκαλούμενο ρεύμα κόρου και δίνεται από τη σχέση 3.2, q (=1.6*10-19C) το φορτίο του ηλεκτρονίου, V η τάση στην έξοδο του κυττάρου, ΚΒ η σταθερά BOLTZMANN (=1.38*10-23 J/0K), Τ η απόλυτη θερμοκρασία και Α είναι μία σταθερά (σταθερά ιδανικότητας της διόδου) και παίρνει τιμές μεταξύ 1 και 2 που οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης που συμβαίνουν στην περιοχή της επαφής. Ι 0=Α T 3 exp [ Eg ] K B T (3.2 ) όπου Eg, είναι το ενεργειακό διάκενο. Όταν ο φωτισμός λαμβάνεται υπόψιν, τότε η εξίσωση 3.1, διαμορφώνεται ως εξής: I =I L I 0 [exp qv 1] A K B T (3.3) όπου το IL καλείται φωτόρευμα [5,6] και είναι ανάλογο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σύμφωνα με τη σχέση 3.4. Ι L =K G όπου Κ είναι ένας συντελεστής αναλογίας και G η ηλιακή ακτινοβολία. Κεφάλαιο 3 (3.4)

32 22 Η εξίσωση 3.3, καθορίζει τη σχέση ρεύματος-τάσης ενός ιδανικού ηλιακού κυττάρου με RS=0 και RSH. Η χαρακτηριστική καμπύλη I-V και η αντιστοιχία των δύο πιο πάνω εξισώσεων, φαίνονται στο σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2: Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου στο σκοτάδι και στο φως. Η τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC και το ρεύμα βραχυκύκλωσης ISC, βρίσκονται στα σημεία τομής των αξόνων και η μέγιστη ισχύς εξάγεται από τα σημεία VMPP και IMPP. Στο σχήμα 3.2, φαίνονται τέσσερις σημαντικές παράμετροι των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Το ρεύμα σε μηδενική τάση καλείται ρεύμα βραχυκύκλωσης ISC,, ενώ η τάση σε μηδενικό ρεύμα καλείται τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC. Το σημείο όπου η παραγωγή ισχύος βρίσκεται στο μέγιστο, είναι γνωστό ως το γόνατο της I-V χαρακτηριστικής καμπύλης, MPP (Maximum Power Point). Οι αντίστοιχες τιμές του ρεύματος και της τάσης φαίνονται στο σχήμα 3.2 και είναι οι ποσότητες IMPP και VMPP. Κατά τη λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου σε συνθήκες ανοιχτού Κεφάλαιο 3

33 23 κυκλώματος, αποκαθίσταται μία ισορροπία όταν η τάση που αναπτύσσεται ανάμεσα στις δύο όψεις του, προκαλεί ένα αντίθετο ρεύμα που αντισταθμίζει το φωτόρευμα [5]. Δηλαδή, θα ισχύει: I L =I 0 [exp qv 1] A K B T (3.5) Από τη σχέση 3.5, βρίσκουμε ότι η τιμή της ανοιχτοκυκλωμένης τάσης του στοιχείου VOC θα είναι [6]: V OC = Κατά τη λειτουργία των A K B T I ln L 1 q I0 φωτοβολταϊκών (3.6) στοιχείων, η τιμή του φωτορεύματος IL είναι πολύ μεγαλύτερη από την τιμή του ρεύματος κόρου Ι0 και επομένως η σχέση 3.6 απλοποιείται ως εξής: V OC = A K B T I ln L q I0 (3.7) Η σχέση 3.7, δείχνει τη λογαριθμική μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος σε συνάρτηση με το φωτόρευμα, δηλαδή την ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο [4]. Σχήμα 3.3: Εξάρτηση ρεύματος βραχυκυκλώσεως ISC και τάσης ανοικτοκυκλώσεως VOC από την ακτινοβολία Κεφάλαιο 3

34 24 Στο σχήμα 3.3, φαίνεται ότι το ρεύμα βραχυκύκλωσης μεταβάλλεται γραμμικά με την ακτινοβολία, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος μένει πρακτικά σταθερή στις μεταβολές της ακτινοβολίας. Μαθηματικά, η εξάρτηση τάσηςακτινοβολίας είναι λογαριθμική, σύμφωνα με τη σχέση 3.7. Σχήμα 3.4: Επίδραση της σε σειρά αντίστασης RS και της παράλληλα εμφανιζόμενης RSH, σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο Η I-V καμπύλη ενός ηλιακού κυττάρου μετατοπίζεται ανάλογα με τις τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων RS και RSH του ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος. Μεγάλες τιμές της RS προκαλούν μείωση του ρεύματος ενώ μικρές τιμές της RSH αντίστασης μειώνουν την τάση όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4. Οι απώλειες λόγω των αντιστάσεων RS και RSH διαμορφώνουν την χαρακτηριστική καμπύλη με αποτέλεσμα να αλλάζει και το εμβαδόν VMPP*IMPP από το οποίο εξαρτάται ο συντελεστής ποιότητας FF. Ο συντελεστής FF (Fill Factor), περιγράφει την ποιότητα των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Ορίζεται ως ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος προς το γινόμενο της βραχυκυκλωμένης έντασης και της ανοιχτοκυκλωμένης τάσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου [4]. Κεφάλαιο 3

35 25 FF = I MPP V MPP I SC V OC (3.8) Στο σχήμα 3.5, ο FF δίνεται από το λόγο του εμβαδού του μέγιστου ορθογωνίου που μπορεί να εγγραφεί στη χαρακτηριστική καμπύλη I-V του στοιχείου σε συνθήκες ακτινοβόλησης, προς το εμβαδόν που ορίζεται από τις τιμές ISC και VOC. Σχήμα 3.5: Προσδιορισμός του συντελεστή ποιότητας FF Οι τρεις πιο πάνω παράμετροι, δηλαδή το ρεύμα ISC, η τάση VOC και ο FF, είναι τα κυριότερα μεγέθη για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς και της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων και καθορίζουν την απόδοση τους. Ο βαθμός απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού, ισούται με το λόγο της εξερχόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την εισερχόμενη ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια του πλαισίου. Η σχέση 3.9 προσδιορίζει την ποσότητα αυτή. η= P MAX I MPP V MPP I SC V OC FF = = S E S E S E (3.9) όπου PMAX, η αποδιδόμενη ισχύς (W), Ε η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας (W/m2) και S το εμβαδόν της φωτοβολταϊκής επιφάνειας. Κεφάλαιο 3

36 26 Από τη σχέση 3.9, διαπιστώνουμε πως για την πραγματοποίηση αυξημένων αποδόσεων, επιδιώκεται οι τιμές των FF, ISC και VOC να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερες [4] Φωτοβολταϊκά πλαίσια και συστοιχίες Κατασκευαστικά, επιδιώκεται ώστε τα φωτοβολταϊκά στοιχεία να καταλαμβάνουν τη μεγαλύτερη κατά το δυνατόν επιφάνεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου και για το λόγο αυτό, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα διαμορφώνονται κατάλληλα. Ο λόγος της συνολικής ενεργούς επιφάνειας των φωτοβολταϊκών στοιχείων προς την συνολική επιφάνεια του πλαισίου, ονομάζεται συντελεστής κάλυψης. Σχήμα 3.6: Ενεργή επιφάνεια φωτοβολταϊκών πλαισίων καλυπτόμενα από κύτταρα διαφορετικού σχήματος. Στρογγυλά κύτταρα καλύπτουν μικρότερη επιφάνεια σε σχέση με τα τετραγωνικά. Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, αποτελεί τη βασική μονάδα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Για την αύξηση της παραγόμενης ισχύος είναι Κεφάλαιο 3

37 27 δυνατή η σύνδεση των στοιχείων, είτε σε σειρά είτε παράλληλα, προς σχηματισμό μεγαλύτερων μονάδων, τα πλαίσια. Συνώνυμο σχεδόν με το πλαίσιο είναι και το πάνελ, το οποίο μπορεί να αποτελείται από περισσότερα χωριστά πλαίσια (το ένα δίπλα στο άλλο), που είναι σε κοινή συσκευασία και κοινή ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους. Ο αριθμός των πλαισίων ενός πάνελ είναι τόσος, ώστε οι διαστάσεις και το βάρος του να μην είναι εμπόδιο στη μεταφορά και την τοποθέτηση του στη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση. Τα πλαίσια (ή τα πάνελ) στη συνέχεια, μπορούν να συνδυαστούν σε ακόμα μεγαλύτερες μονάδες, γνωστές ως συστοιχίες. Με τον τρόπο αυτό, είναι δυνατόν να κλιμακωθεί ένα φωτοβολταϊκό σύστημα το οποίο να μπορεί να καλύψει διάφορες ενεργειακές απαιτήσεις. Σχήμα 3.7: Φωτοβολταϊκό στοιχείο, πλαίσιο, συστοιχία Για την αύξηση της αξιοπιστίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, είναι σκόπιμο οι συνδέσεις των φωτοβολταϊκών στοιχείων μέσα στα πλαίσια, αλλά και στα πάνελ ή ανάμεσα στα γειτονικά πλαίσια και πάνελ, να μην είναι μόνο στη σειρά αλλά και παράλληλες. Έτσι, αν για κάποιο λόγο ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο σκιαστεί ή αν πάθει βλάβη (πχ. μία διακοπή στους ηλεκτρικούς αγωγούς) δεν θα μηδενιστεί η ισχύς που παράγει το σύστημα, όπως θα συνέβαινε αν όλα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ήταν συνδεδεμένα σε σειρά [4]. Κεφάλαιο 3

38 28 Τα μεμονωμένα πλαίσια ή ακόμη και οι συστοιχίες, δεν αποτελούν από μόνα τους ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Η βασική μονάδα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι το φωτοβολταϊκό πλαίσιο το οποίο μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Συνήθως, ένα σύστημα περιλαμβάνει συσσωρευτές για την αποθήκευση της περίσσειας της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να χρησιμοποιηθεί όταν η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι ανεπαρκής ή ανύπαρκτη. Επίσης, περιλαμβάνει διατάξεις για τη ρύθμιση και μετατροπή της τάσης και τη ρύθμιση της ισχύος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να αυξηθεί η απόδοση του συστήματος. Περιλαμβάνονται επίσης διατάξεις προστασίας και ελέγχου και συχνά μία βοηθητική γεννήτρια, συνήθως ένα ηλεκτροπαράγωγο ζεύγος που να λειτουργεί με καύση βενζίνης ή πετρελαίου ντήζελ, για την αντιμετώπιση έκτακτων περιστάσεων Τύποι συστοιχιών Οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες, διακρίνονται σε τρεις διαφορετικούς τύπους, με βάση τη διάταξη τοποθέτησής τους ως προς το έδαφος και τη σχετική τους θέση ως προς τον ήλιο. Πιο συγκεκριμένα, μπορεί να έχουν σταθερή κλίση, δηλαδή να είναι σταθερά τοποθετημένα ως προς το έδαφος, ή να διαθέτουν σύστημα ανίχνευσης του ήλιου, ενός ή δύο αξόνων, με διάταξη που ονομάζεται ηλιοτρόπιο. Στο σχήμα 3.8, φαίνεται μία φωτοβολταϊκή συστοιχία με σταθερή κλίση ως προς το έδαφος, προσανατολισμένη προς το νότο. Η απουσία κινητών μερών κατά τη στήριξη της συστοιχίας με σταθερή κλίση, προσδίδει στη διάταξη επαρκή μηχανική αντοχή, ιδιαίτερα μάλιστα αν πρόκειται για περιοχές όπου επικρατούν ισχυροί άνεμοι. Κεφάλαιο 3

39 29 Σχήμα 3.8: Φωτοβολταϊκή συστοιχία με σταθερή κλίση άξονα Σχήμα 3.9: Σύστημα ανίχνευσης ήλιου ενός άξονα (αριστερά) και δύο αξόνων (δεξιά) Στο σχήμα 3.9 αριστερά, απεικονίζεται μία φωτοβολταϊκή συστοιχία με στρεφόμενη βάση ανίχνευσης ηλίου ενός άξονα, επίσης προσανατολισμένη προς το νότο. Η συστοιχία αυτή, ιχνηλατεί τον ήλιο από ανατολή προς δύση πάνω στον άξονα περιστροφής της. Η γωνία κλίσης της διάταξης αυτής, Κεφάλαιο 3

40 30 παραμένει σταθερή κατά την ημερήσια κίνηση του άξονα. Τέλος, στο σχήμα 3.9 δεξιά, φαίνεται μία φωτοβολταϊκή συστοιχία με σύστημα ανίχνευσης ηλίου δύο αξόνων. Η συστοιχία αυτή, ιχνηλατεί τον ήλιο από την ανατολή προς τη δύση, ενώ παράλληλα αλλάζει τη γωνία κλίσης της από το έδαφος κατά τη διάρκεια της ημέρας. Κάτι τέτοιο, επιτρέπει τη συνεχή παρακολούθηση της κίνησης του ήλιου, με αποτέλεσμα η συστοιχία να λαμβάνει το μεγαλύτερο κατά το δυνατόν ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας. Η διάταξη ανίχνευσης ηλίου, μοιάζει ιδανική καθότι επιτρέπει το μεγαλύτερο δυνατό ποσό λαμβανόμενης ηλιακής ενέργειας. Παρουσιάζει όμως το μειονέκτημα της οικονομικής επιβάρυνσης για την κατασκευή των μηχανολογικών και ηλεκτρονικών τμημάτων της, καθώς και της έκθεσης της συστοιχίας στον κίνδυνο καταστροφής εξαιτίας ισχυρών ανέμων. Για το λόγο αυτό, σε συστήματα με μηχανική κίνηση για τον προσανατολισμό των συλλεκτών προς τον ήλιο, ελέγχεται η ταχύτητα του ανέμου, ώστε στην περίπτωση ισχυρών ανέμων, οι συλλέκτες επιφάνειας να διατάσσονται οριζόντια όπου παρουσιάζουν μικρή μετωπική επιφάνεια προς τον άνεμο [7] Προσανατολισμός και κλίση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας Κατά την εγκατάσταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, απαραίτητη προϋπόθεση είναι ο προσανατολισμός του ηλιακού συλλέκτη σε σχέση με την κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η θέση του ήλιου στον ουρανό και ο προσανατολισμός ενός επιπέδου στην επιφάνεια της γης, περιγράφονται από δύο γωνίες: την κλίση β και την αζιμούθια γωνία θ όπως παρουσιάζονται στο σχήμα Η κλίση του συλλέκτη β, είναι η δίεδρη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του συλλέκτη και στον ορίζοντα. Κεφάλαιο 3

41 31 Σχήμα 3.10: Η κλίση β και η αζιμούθια γωνία θ, που χαρακτηρίζουν τον προσανατολισμό ενός επιπέδου ηλιακού συλλέκτη στην επιφάνεια της γης Η αζιμούθια γωνία του συλλέκτη θ, είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο μεταξύ της προβολή της κατακορύφου του συλλέκτη και του τοπικού μεσημβρινού βορρά-νότου. Η πυκνότερη ισχύς μίας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας πάνω σε ένα επίπεδο συλλέκτη θα πραγματοποιείται όταν η επιφάνειά του είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσης φ που φαίνεται στο σχήμα 3.10 είναι 00. Η συνθήκη όμως αυτή δεν είναι εύκολο να εξασφαλιστεί, καθώς ο ήλιος συνεχώς μετακινείται στον ουρανό κατά τη διάρκεια της ημέρας. Οι μηχανικές διατάξεις που αναφέραμε προηγουμένως, μπορεί να προσανατολίζουν συνεχώς το συλλέκτη αλλά είναι δαπανηρές και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται μόνο σε ειδικές περιπτώσεις εφαρμογών, όπως στα συστήματα συγκεντρωμένης ακτινοβολίας με φακούς ή κάτοπτρα [4]. Στις συνηθισμένες περιπτώσεις, οι συλλέκτες τοποθετούνται σε σταθερή κλίση και αζιμούθια γωνία, που επιλέγονται ώστε η γωνία πρόσπτωσης φ της ηλιακής ακτινοβολίας να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη κατά τη διάρκεια του Κεφάλαιο 3

42 32 έτους. Σχήμα 3.11: Παράδειγμα της εξάρτησης της μέσης ημερήσιας ακτινοβολίας που δέχεται μία επίπεδη επιφάνεια κατά τη διάρκεια των διαφόρων μηνών του έτους, σε συνάρτηση με την κλίση της. Το διάγραμμα αναφέρεται σε Γεωγραφικό Πλάτος 450. Σχήμα 3.12: Η βέλτιστη κλίση ενός ηλιακού συλλέκτη στο θερινό (21 Ιουνίου) και το χειμερινό (21 Δεκεμβρίου) ηλιοστάσιο και την εαρινή (21 Μαρτίου) και φθινοπωρινή ( 21 Σεπτεμβρίου) ισημερία, σε μία τοποθεσία με Γεωγραφικό Πλάτος 380 όπως η Πάτρα. Τα ύψη ηλίου που απεικονίζονται αφορούν αντίστοιχα ηλιακά μεσημέρια Κεφάλαιο 3

43 33 Στο βόρειο ημισφαίριο, η βέλτιστη κλίση τοποθέτησης ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου για τη διάρκεια ολόκληρου του έτους, είναι ίση με τη γεωγραφική παράλληλο του τόπου και η αζιμούθια γωνία είναι 00 (προς το νότο). Λόγω όμως της μεταβολής της απόκλισης του ήλιου στη διάρκεια του έτους, η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη αλλάζει κάθε εποχή. Στο σχήμα 3.11 φαίνεται η εξάρτηση αυτή της μέσης ημερήσιας ακτινοβολίας από τη γωνία κλίσης του πλαισίου κάθε μήνα του χρόνου. Όταν το φωτοβολταϊκό σύστημα, επιδιώκεται να παράγει όσο το δυνατό περισσότερη ενέργεια στη διάρκεια του καλοκαιριού, η κλίση του συλλέκτη επιλέγεται περίπου 100 έως 150 μικρότερη από την παράλληλο του τόπου, ενώ για το χειμώνα η κλίση επιλέγεται περίπου 100 με 150 μεγαλύτερη. Στο σχήμα 3.12 δίνεται ένα παράδειγμα της βέλτιστης κλίσης για τον ηλιακό συλλέκτη στις χαρακτηριστικές ημερομηνίες του έτους [4] Παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων Η θεωρητική εκτίμηση της αναμενόμενης ενεργειακής απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου ή ενός φωτοβολταϊκού σταθμού, δεν λαμβάνει υπόψιν μία σειρά από παράγοντες οι οποίοι συχνά συνεπάγονται το σημαντικό περιορισμό της. Η ισχύς που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα εξαρτάται από ένα σύνολο παραγόντων που πρέπει κατά κύριο λόγο να εξετάζονται κατά τη φάση του σχεδιασμού ενός συστήματος. Η ετήσια ενεργειακή απόδοση, αποτελεί την πιο κατάλληλη παράμετρο στο σχεδιασμό φωτοβολταϊκών συστημάτων καθώς επίσης και το καλύτερο μέτρο για την παρακολούθηση της μακροχρόνιας συμπεριφοράς τους. Οι παράγοντες επίδρασης αυτοί, μπορεί να σχετίζονται με το ίδιο το πλαίσιο ή από τα περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά της θέσης εγκατάστασης. Οι σημαντικότεροι από αυτούς αναλύονται στη συνέχεια. Κεφάλαιο 3

44 34 Πριν όμως αναφέρουμε τους κυριότερους παράγοντες μείωσης της απόδοσης των ηλιακών πλαισίων, να σημειώσουμε πως για λόγους σύγκρισης των χαρακτηριστικών που παρουσιάζουν έχουν καθοριστεί κάποιες συνθήκες αναφοράς (Standard Test Conditions,STC), κάτω από τις οποίες δίνονται οι χαρακτηριστικές παράμετροι τους. Αυτές είναι οι εξής: Θερμοκρασία Στοιχείου : 250C Ηλιακή Ακτινοβολία : 1000 W/m2 Α.Μ (Air Mass) : 1.5 Οι κυριότεροι παράγοντες μείωσης της ενεργειακής απόδοσης που πρέπει να λαμβάνουμε υπόψιν μας κατά το σχεδιασμό ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, αναφέρονται πιο κάτω. Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας: Η ενέργεια που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο σε ετήσια βάση, είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία και ως εκ τούτου, εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση εγκατάστασης του συστήματος. Η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνεια ενός συλλέκτη είναι με τη σειρά της άμεσα εξαρτώμενη από τον προσανατολισμό του πλαισίου ως προς τον ήλιο. Για τη μεγαλύτερα λαμβανόμενα ποσά της ηλιακής ενέργειας όπως έχουμε ήδη αναφέρει, τα πλαίσια πρέπει να προσανατολίζονται κατάλληλα και να είναι τοποθετημένα στη βέλτιστη γωνία κλίσης εφόσον δεν χρησιμοποιούνται στρεφόμενες βάσεις ενός ή δύο αξόνων. Η αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος (σχέση 3.4) και ως εκ τούτου, μεγαλύτερη παραγόμενη ισχύ. Θερμοκρασία κυττάρου: Η απόδοση των φωτοβολταϊκών, επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Ο Κεφάλαιο 3

45 35 βαθμός απόδοσης που δίνεται για τα ηλιακά στοιχεία, αναφέρονται σε δοκιμές που έγιναν σε θερμοκρασίες κυττάρου 250C. Τις περισσότερες φορές όμως, η θερμοκρασία του στοιχείου υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας διαφέρουν σημαντικά κυρίως τους θερινούς μήνες. Οι μεγάλες θερμοκρασίες κυττάρου έχουν αρνητική επίδραση στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διαφοράς δυναμικού του φωτοβολταϊκού στοιχείου (σχέση 3.2 και σχέση 3.7) με αποτέλεσμα, όταν ένα φορτίο συνδεθεί στα άκρα του, η διαφορά δυναμικού να είναι αισθητά μειωμένη. Υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας δημιουργούν μικροποσότητες ρεύματος (σχέση 3.1) το οποίο αυξάνει την τιμή του ρεύματος σκότους. Κάτω από συνθήκες χαμηλών θερμοκρασιών, το ρεύμα του σκότους που αναπτύσσεται είναι σχεδόν μηδενικό [8]. Ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου: Η ταχύτητα του ανέμου, μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της θερμοκρασίας του στοιχείου καθότι μεγάλες ταχύτητες, έχουν ως αποτέλεσμα χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου [9]. Όταν οι άνεμοι είναι βόρειοι είναι συνήθως κρύοι, με αποτέλεσμα τα φωτοβολταϊκά να λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με αυτές που θα λειτουργούσαν εάν υπήρχε άπνοια, υπό τα ίδια ποσοστά της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Αντίθετα συμβαίνει για θερμούς ανέμους. Ρύπανση: Η ηλεκτροπαραγωγή των φωτοβολταϊκών πλαισίων μπορεί να μειωθεί από ρύπανση της επιφάνειάς τους, από την επικάθηση σκόνης, φύλλων, χιονιού, αλατιού από τη θάλασσα, εντόμων και άλλων ακαθαρσιών. Η μείωση είναι σημαντικότερη σε αστικές και βιομηχανικές περιοχές λόγω της αιθάλης που αιωρείται στην ατμόσφαιρα και προσκολλάται ισχυρά στη γυάλινη ή πλαστική Κεφάλαιο 3

46 36 επιφάνεια των φωτοβολταϊκών πλαισίων, χωρίς να μπορεί η βροχή να την ξεπλύνει αρκετά. Στις περιπτώσεις αυτές χρειάζεται να γίνεται περιοδικός καθαρισμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων με απορρυπαντικό. Πάντως, σε περιοχές με συχνές χιονοπτώσεις ή ανεμοθύελλες, οι ηλιακοί συλλέκτες τοποθετούνται συνήθως με κλίση 900 (κάθετοι) για την αποφυγή συσσώρευσης χιονιού, ή τουλάχιστον 450 για να μην συγκρατείται η σκόνη. Όταν η φωτοβολταϊκή γεννήτρια βρίσκεται σε μία περιοχή που εκτιμάμε ότι ο βαθμός ρύπανσης είναι σημαντικός, είναι σκόπιμο να προβλέπεται στους υπολογισμούς μας η αντίστοιχη μείωση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια [4]. Σκίαση: Ένας άλλος παράγοντας επίδρασης της DC ενεργειακής απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι η σκίαση. Το φαινόμενο της σκίασης εμφανίζεται είτε σε περιπτώσεις που συναντώνται εμπόδια στον ορίζοντα των πλαισίων όπως παρακείμενα κτήρια, βλάστηση κλπ, είτε σε περιπτώσεις με περιορισμένη έκταση εγκατάστασης όπως για παράδειγμα στις στέγες κτηρίων όπου προκαλείται σκίαση από τη μία σειρά στην επόμενη. Ιδιαίτερα στη δεύτερη περίπτωση, οι επιπτώσεις της σκίασης μπορεί να είναι σημαντικές και για το λόγο αυτό είναι αναγκαίος ο λεπτομερής προσδιορισμός των απωλειών που προκαλούν. Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο, αποτελείται από φωτοβολταϊκά στοιχεία ίδιων ηλεκτρικών χαρακτηριστικών συνδεδεμένων σε σειρά. Συνεπώς, η σκίαση ή η βλάβη ενός και μόνο φωτοβολταϊκού στοιχείου, θα μπορούσε να επιφέρει ολική αχρήστευση του πλαισίου. Ένα σκιασμένο κύτταρο, συμπεριφέρεται κατά βάση όπως η απλή δίοδος p-n, η οποία, όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, δέχεται από τα υπόλοιπα υγιή κύτταρα μία υψηλή ανάστροφη τάση. Αν τα υπόλοιπα φωτιζόμενα ηλιακά στοιχεία του πλαισίου είναι μεγάλου πλήθους, αυτή η τάση μπορεί να φτάσει την τάση διάσπασης της σκιασμένης Κεφάλαιο 3

47 37 διόδου, προκαλώντας την καταστροφή της. Στην πράξη, για τα τυπικά φωτοβολταϊκά πλαίσια, το σκιασμένο κύτταρο λειτουργεί ως μία μεγάλη αντίσταση, όπου αποδίδεται η ενέργεια που προσφέρουν τα υπόλοιπα. Παρατεταμένος σκιασμός ενός στοιχείου σε συνδυασμό με έντονο φωτισμό των υπολοίπων μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή του στοιχείου αυτού και κατά συνέπεια στην αχρήστευση όλου του πλαισίου, επειδή δεν υπάρχει δυνατότητα αντικατάστασης ενός κατεστραμμένου στοιχείου. Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται ως φαινόμενο Hot Spot (κατάσταση θερμής κηλίδας ). Για να αποτραπεί μία τέτοια εξέλιξη, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο εφοδιάζεται με διόδους (δίοδοι παράκαμψης), οι οποίες συνδέονται παράλληλα σε τμήματα των κυττάρων που είναι συνδεδεμένα σε σειρά, επιτρέποντας έτσι την χρησιμοποίηση του φωτοβολταϊκού πλαισίου, ακόμα και αν κάποιο φωτοβολταϊκό στοιχείο του υστερεί ή καταστραφεί [7]. Γήρανση: Λόγω της φθοράς των φωτοβολταϊκών πλαισίων (και των υπολοίπων μερών ενός φωτοβολταϊκού συστήματος), αναμένεται ότι με την πάροδο του χρόνου θα παρουσιάζεται μία μικρή βαθμιαία πτώση στην ποσότητα παραγωγής της ηλεκτρικής ισχύος, που συνήθως υπολογίζεται από 1% ως 2% για κάθε έτος [4]. Απώλειες του φωτοβολταϊκού συστήματος: Πέρα από τους διάφορους παράγοντες που αναφέραμε πιο πάνω, πρέπει κατά το σχεδιασμό ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, να προνοήσουμε για τις ηλεκτρικές απώλειες στους αγωγούς που συνδέουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια στις συστοιχίες, καθώς και τις συνδέσεις τους με άλλα μέρη του συστήματος, Κεφάλαιο 3

48 38 όπως διατάξεις ρύθμισης, προστασίας και ελέγχου, συσσωρευτές, μετατροπείς κλπ. Επομένως, κατά τον υπολογισμό της απαιτούμενης επιφάνειας των φωτοβολταϊκών ενός συστήματος, πρέπει να γίνεται πρόβλεψη, ανάλογα με την περίπτωση και για την κάλυψη όλων αυτών των απωλειών, που μπορεί να είναι της τάξης περίπου του 30% της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ή και περισσότερο [4]. Οπτικές απώλειες: Με τον όρο οπτικές απώλειες εννοούμε τη διαφοροποίηση της ανακλαστικότητας του φωτοβολταϊκού πλαισίου (υαλοπίνακας, αντανακλαστικό επίστρωμα, υλικό φωτοβολταϊκών κυττάρων) σε σχέση με την αντίστοιχη σε STC. Η ανακλαστικότητα του οπτικού συστήματος όψεως του φωτοβολταϊκού πλαισίου, σε σχέση με την αντίστοιχη τιμή σε Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς, αυξάνει καθώς αυξάνει η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στην επιφάνειά του, ιδιαίτερα σε γωνίες πρόσπτωσης μεγαλύτερες των 600. Επίσης, οπτικές απώλειες έχουμε και με τη διαφοροποίηση του φάσματος της ακτινοβολίας. Καθώς το Α.Μ=1.5 ηλιακό φάσμα που καθορίζεται από τις STC, χρησιμοποιείται ως αναφορά για τις προδιαγραφές απόδοσης των πλαισίων, η ετήσια παραγωγή του πλαισίου θεωρείται σχετικά ανεξάρτητη από τις μεταβολές του ηλιακού φάσματος γιατί οι διακυμάνσεις που παρατηρούνται στην απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων κατά τη διάρκεια της ημέρας, εξαλείφονται κατά μέσο όρο σε ετήσια βάση. Αυτά όσον αφορά φωτοβολταϊκά ευρείας φασματικής περιοχής. Για φωτοβολταϊκά στενής φασματικής περιοχής οι ετήσιες απώλειες είναι σημαντικότερες. Επιπλέον, υπάρχουν απώλειες λόγω διαφοροποίησης της πόλωσης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η μέση ετήσια επίδραση του παράγοντα αυτού προσδιορίζεται γύρω στο 2%. Τέλος, οπτικές απώλειες παρατηρούνται και λόγω χαμηλών τιμών της Κεφάλαιο 3

49 39 πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του ηλιακού κυττάρου μειώνεται στις χαμηλές τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας, ιδιαίτερα κάτω από την τιμή των 200 W/m2. Οι οπτικές απώλειες, αποδεικνύονται μικρής σημασίας για εμπορικά πλαίσια καλής ποιότητας. Σε άλλες όμως περιπτώσεις οι ενεργειακές αυτές απώλειες αποδεικνύονται σχετικά σημαντικές και γενικά υπολογίζονται σε 3%, κατά μέσο όρο στο έτος [7]. Κεφάλαιο 3

50 40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Φωτοβολταϊκά κύτταρα λεπτού φιλμ, τύπου CIS Κεφάλαιο 4

51 41 4. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΛΕΠΤΟΥ ΦΙΛΜ, ΤΥΠΟΥ CIS 4.1. Διάφορες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα ηλιακά στοιχεία, διαθέτουν υψηλή αξιοπιστία λειτουργίας και μεγάλη διάρκεια ζωής και ως κύριοι στόχοι βελτίωσης παραμένουν συνήθως η απόδοση και το κόστος τους [4]. Σκοπός λοιπόν της εξέλιξης της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας είναι η δημιουργία πλαισίων με υψηλότερο κατά το δυνατό βαθμό απόδοσης και χαμηλό κόστος. Οι τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών που συναντώνται σήμερα ποικίλουν ως προς το βασικό υλικό κατασκευής, την ικανότητα μετατροπής και το κόστος τους. Μία συνοπτική αναφορά των κυριότερων χαρακτηριστικών τους ακολουθεί στη συνέχεια. Το υλικό που χρησιμοποιείται περισσότερο για να κατασκευαστούν φωτοβολταϊκά στοιχεία στη βιομηχανία είναι το πυρίτιο. Είναι ίσως και το μοναδικό υλικό που παράγεται με τόσο μαζικό τρόπο. Το πυρίτιο σήμερα αποτελεί την πρώτη ύλη για το 90% της αγοράς των φωτοβολταϊκών. Τα διάφορα είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου παρατίθενται στη συνέχεια. Φωτοβολταϊκά πλαίσια Μονοκρυσταλλικού πυριτίου: Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι ένα υλικό με εύρος ζώνης 1.12eV [7]. Τα κύτταρα μονοκρυσταλλικού πυριτίου, έχουν πάχος γύρω στα 0.3 χιλιοστά και η απόδοση τους στη βιομηχανία κυμαίνεται από 15-18% [2] για το πλαίσιο. Σε εργαστηριακές δοκιμές έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24.7% [2]. Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέσης απόδοσης-επιφάνειας ή ενεργειακής πυκνότητας. Ένα άλλο χαρακτηριστικό, είναι το υψηλό κόστος κατασκευής σε σχέση με Κεφάλαιο 4 τα πολυκρυσταλλικά. Βασικές τεχνολογίες παραγωγής

52 42 μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών είναι η μέθοδος Czochralski (CZ) και η μέθοδος float zone (FZ). Αμφότερες, βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου. Το μονοκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό με την υψηλότερη απόδοση σήμερα, είναι της SunPower με απόδοση πλαισίου 18.5% [2]. Είναι μάλιστα το μοναδικό που έχει μεταλλικές επαφές στο πίσω μέρος του πάνελ εξασφαλίζοντας έτσι μεγαλύτερη επιφάνεια αλληλεπίδρασης με την ηλιακή ακτινοβολία. Σχήμα 4.1: Κύτταρο μονοκρυσταλλικού πυριτίου Φωτοβολταϊκά πλαίσια Πολυκρυσταλλικού πυριτίου: Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0.3 χιλιοστά. Η μέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από αυτήν των μονοκρυσταλλικών γι' αυτό η τιμή τους είναι συνήθως λίγο χαμηλότερη. Οπτικά, μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές, δηλαδή το μέγεθος των κρυσταλλικών κόκκων. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση οι μονοκρυσταλλικές περιοχές, τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κύτταρα. Σε εργαστηριακές εφαρμογές, έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% [2], ενώ στο εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13 έως 15% [2] για τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι η μέθοδος απευθείας στερεοποίησης, directional solidification (DS), η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου ( χύτευση ) και η ηλεκτομαγνητική Κεφάλαιο 4

53 43 χύτευση EMC. Σχήμα 4.2: Κύτταρο πολυκρυσταλλικού πυριτίου Φωτοβολταϊκά πλαίσια Άμορφου πυριτίου: Το άμορφο πυρίτιο, έχει εύρος ζώνης που κυμένεται μεταξύ ev [10]. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου, έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την εναποθέτηση ημιαγωγού υλικού (πυρίτιο), πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης χαμηλού κόστους όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Έτσι και λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται, η τιμή τους είναι γενικότερα αρκετά χαμηλότερη. Ο χαρακτηρισμός άμορφο φωτοβολταϊκό, προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Οι επιδόσεις που επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά αυτού του τύπου, κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6% έως 8% [2], ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14% [2]. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα για το άμορφο πυρίτιο είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζεται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης του σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). Το μειονέκτημα των πλαισίων άμορφου πυριτίου, είναι η χαμηλή τους Κεφάλαιο 4

54 44 ενεργειακή πυκνότητα, κάτι που σημαίνει ότι για να παράγουμε την ίδια ενέργεια χρειαζόμαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Επίσης, υπάρχουν αμφιβολίες όσον αφορά τη διάρκεια ζωής των πλαισίων άμορφου πυριτίου αφού δεν υπάρχουν στοιχεία από παλιές εγκαταστάσεις. Παρ' όλα αυτά, οι κατασκευαστές πλέον δίνουν εγγυήσεις απόδοσης 20 ετών. Το πάχος του πυριτίου είναι χιλιοστά, ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3 χιλιοστά [2]. Σχήμα 4.3: Κύτταρο άμορφου πυριτίου Φωτοβολταϊκά πλαίσια Δισεληνοϊνδούχου χαλκού (CuInSe2 ή CIS και με προσθήκη γαλλίου CIGS): Ο δισεληνοϊνδούχος χαλκός έχει κατά προσέγγιση ενεργειακό διάκενο 1eV [11]. Έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτον φως αλλά παρ' όλα αυτά, η απόδοση του με τις σύγχρονες τεχνικές κυμαίνεται στο 11% [2] για το πλαίσιο. Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18.8% [2], η οποία είναι η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των τεχνολογιών λεπτής επίστρωσης. Με την πρόσμιξη γαλλίου (CIGS), η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο. Το πρόβλημα που υπάρχει, είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στη φύση. Στα επόμενα χρόνια πάντως αναμένεται το κόστος του να είναι αρκετά χαμηλότερο. Κεφάλαιο 4

55 45 Σχήμα 4.4: Κύτταρο δισεληνοϊνδούχου χαλκού Φωτοβολταϊκά πλαίσια Τελουριούχου Καδμίου (CdTe): Το τελουριούχο κάδμιο, έχει ενεργειακό διάκενο στο 1.44 ev [11], και έχει τη δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως, μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου τελουριούχου καδμίου γύρω στο 6-8% [2]. Στο εργαστήριο, η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φτάσει το 16% [2]. Μελλοντικά, αναμένεται το κόστος του να πέσει αρκετά. Σημαντικότερος κατασκευαστής για φωτοβολταϊκά στοιχεία CdTe είναι η First Solar. Τροχοπέδη για τη χρήση του, αποτελεί το γεγονός ότι το κάδμιο σύμφωνα με κάποιες έρευνες είναι καρκινογόνο με αποτέλεσμα να προβληματίζει το ενδεχόμενο της εκτεταμένης χρήσης του. Ήδη η Greenpeace, έχει εναντιωθεί στη χρήση του. Επίσης πρόβλημα είναι και η έλλειψη του τελλουρίου. Σημαντικότερη χρήση του είναι η ενθυλάκωση του στο γυαλί ως δομικό υλικό με την εφαρμογή του σε κτήρια [2] (Building Intergrated Photovoltaic, BIPV). Σχήμα 4.5: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο CdTe Κεφάλαιο 4

56 46 Φωτοβολταϊκά πλαίσια Αρσενιούχου Γαλλίου (GaAs): Το αρσενιούχο γάλλιο, είναι ένα κράμα μετάλλων που περιέχει εκτός από γάλλιο, μέταλλα όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και από το χρυσό. Το αρσενικό δεν είναι σπάνιο άλλα έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Το αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1.42 ev [11] και είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στη μορφή πολλαπλών συνενώσεων (multijunction) είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29% [2]. Επίσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες γεγονός που επιβάλλει σχεδόν τη χρήση τους σε εφαρμογές συγκεντρωτικών συστημάτων (solar concentrators). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν τις υψηλές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας και γι' αυτό αλλά και λόγω της πολύ υψηλής απόδοσης του ενδεικνύεται για διαστημικές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs υποστρώματος [2]. Σχήμα 4.6: Κύτταρο αρσενιούχου γαλλίου Φωτοβολταϊκά στοιχεία ετεροεπαφής HIT (Heterojunction with Istrinsic Thin-layer): Τα πιο γνωστά εμπορικά φωτοβολταϊκά στοιχεία ετεροεπαφής, αποτελούνται Κεφάλαιο 4

57 47 από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου (πάνω και κάτω), ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μία στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Κατασκευάζεται από την Sanyo Solar [2]. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου που φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές στο 17.2% [2] και το οποίο σημαίνει ότι χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Άλλα πλεονεκτήματα για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ετεροεπαφής είναι η υψηλή τους απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση στη διάχυτη ακτινοβολία. Φυσικά, αφού προσφέρει τόσα πολλά, το φωτοβολταϊκό στοιχείο ετεροεπαφής είναι και κάπως ακριβότερο σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πλαίσια. Φωτοβολταϊκά πλαίσια εύκαμπτης βάσης: Μία τελείως νέα τεχνολογία, αποτελεί το πρωτοποριακό προϊόν spheral solar, που βασίζεται σε υλικό που αντίθετα με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά κύτταρα, δεν επικάθεται σε άκαμπτη βάση πυριτίου αλλά είναι φτιαγμένο από χιλιάδες πάμφθηνα σφαιρίδια πυριτίου, εγκλωβισμένα ανάμεσα σε δύο φύλλα αλουμινίου. Τα σφαιρίδια αυτά, κατασκευάζονται από υπολείμματα πυριτίου που προκύπτουν από τη βιομηχανία των chips των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Κάθε σφαιρίδιο, λειτουργεί ως ανεξάρτητο μικροσκοπικό φωτοβολταϊκό κύτταρο, απορροφώντας την ηλιακή ακτινοβολία και μετατρέποντάς την σε ηλεκτρισμό. Τα φύλλα αλουμινίου εξασφαλίζουν στο υλικό τη φυσική αντοχή που χρειάζεται, του επιτρέπουν να είναι εύκαμπτο αλλά και ελαφρύ, ενώ ταυτόχρονα παίζουν το ρόλο ηλεκτρικής επαφής. Η γεμάτη φυσαλίδες επιφάνεια που δημιουργούν τα σφαιρίδια επιτρέπει πολύ μεγαλύτερη απορρόφηση ηλιακού φωτός, χαρίζοντας στο υλικό αποδοτικότητα της τάξης του 11% [12]. Οι εφευρέτες του υποστηρίζουν ότι μπορεί να καλύψει οποιουδήποτε σχήματος επιφάνειες, αυξάνοντας κατά πολύ τους χώρους όπου Κεφάλαιο 4

58 48 μπορεί να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια και δίνοντας στους αρχιτέκτονες τη δυνατότητα να σχεδιάσουν κτήρια με καμπύλες που θα μπορούν να είναι εξοπλισμένα με φωτοβολταϊκά, χωρίς μάλιστα να απαιτούνται ενισχυμένες κατασκευές για την στήριξή τους όπως αυτό στο σχήμα 4.7. Σχήμα 4.7: Εικονική εφαρμογή εύκαμπτων φωτοβολταϊκών Πίνακας 4.1: Συγκριτικός πίνακας φωτοβολταϊκών τεχνολογιών [3] Κεφάλαιο 4

59 49 Στον πίνακα 4.1 παρουσιάζονται οι πιο διαδεδομένες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων που αναφέρθηκαν μέχρι τώρα. Γίνεται μία σύγκριση μεταξύ τους, όσον αφορά την απόδοση, την απαιτούμενη επιφάνεια ανά kwp, τη μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας σε kwh ανά kwp και σε kwh ανά m2, καθώς και τη μέση ετήσια μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα Τεχνολογία φωτοβολταϊκών πλαισίων τύπου CIS Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, ασχολούμαστε με τη συμπεριφορά και τα χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτής ταινίας, τύπου CIS. Πριν προχωρήσουμε στην ανάλυση των αποτελεσμάτων, θα δούμε λίγο εκτενέστερα την κατασκευαστική δομή και τα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας αυτής. Η παραγωγή των CIS, έκανε μία πολύ καλή αρχή στην τεχνολογία των φωτοβολταϊκών. Παρ' όλα αυτά πρέπει να συνεχίσει να αναπτύσσεται. Τόσο βραχυπρόθεσμα όσο και μακροπρόθεσμα, οι βελτιώσεις θα περιλάβουν κυρίως βελτιστοποιήσεις του ήδη υπάρχοντα εξοπλισμού, με στόχο τη μείωση του κόστους παραγωγής και την αύξηση της παραγωγικής ποιότητας τους. Οι πιο πρόσφατες και εκτεταμένες εξελίξεις θα περιλαμβάνουν εύκαμπτα και ελαφριά πλαίσια για διαστημικές και άλλες κινητές εφαρμογές. Στη συνέχεια αναλύεται η δομή των κυττάρων λεπτού φιλμ CIS. Τα ενεργά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των ηλιακών κυττάρων CΙS, είναι πολυκρυσταλλικά, γεγονός που σημαίνει ότι έχουν μία κανονική δομή κρυστάλλου μέσα σε πολύ μικρές περιοχές, οι οποίες είναι τυχαία προσανατολισμένες και έτσι δεν υπάρχει κανένα κανονικό πλέγμα κρυστάλλου που να καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος του υλικού. Τα σύνθετα αυτά πολυκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα, είναι ενώσεις μεταξύ μετάλλων και ημιαγωγών. Οι ημιαγωγικές ενώσεις μπορούν να ενωθούν με Κεφάλαιο 4

60 50 διάφορα στοιχεία, ειδικά από τις 2Β και 6Α από τον περιοδικό πίνακα. Εντούτοις όμως, μόνο μερικές από αυτές τις ενώσεις έχουν κατάλληλα ενεργειακά διάκενα για την απορρόφηση του φωτός στα μήκη κύματος που αποτελούν το ηλιακό φάσμα και ακόμα λιγότερα μπορούν να ντοπαριστούν με φορείς τύπου n ή p [13]. Η άλλη ομάδα σύνθετων πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών υλικών είναι η ομάδα χαλκού που περιλαμβάνει τρεις ενώσεις στοιχείων με χαλκό και δύο πρόσθετα υλικά από τις 3Α και 6Α ομάδες του περιοδικού πίνακα. Από αυτή την ομάδα, το CuInSe2, έχει αποδειχτεί το καλύτερο υλικό. Μπορεί να ντοπαριστεί και με φορείς τύπου n και με φορείς τύπου p. Όπως προαναφέραμε, τα κύτταρα της CIS τεχνολογίας περιέχουν μέταλλα και ημιαγωγούς. Το μέταλλο που χρησιμοποιείται είναι ο Χαλκός και ο ημιαγωγός, το Σελήνιο. Τα ίδια τα στοιχεία αυτά, έχουν ενεργειακά διάκενα όπου τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν απ' ευθείας από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Αυτό, είναι και ένα από τα τεχνικά πλεονεκτήματα που έχουν τα ηλιακά κύτταρα CIS, σε σχέση με τα κύτταρα πυριτίου [14]. Στο γεγονός αυτό οφείλεται ο μεγάλος συντελεστής απορρόφησης σε όλο το ορατό ηλιακό φάσμα. Η βασική δομή των κυττάρων δησελινοϊνδούχου χαλκού CuInSe2 είναι η εξής: Το υπόστρωμα του κυττάρου που χρησιμεύει ως προστατευτικό για τα ενεργά του υλικά. Το πιο συνηθισμένο υλικό που χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα είναι το γυαλί, αλλά κάποιες φορές μπορεί να χρησιμοποιηθούν φύλλα αλουμινίου ή και κάποια πλαστικά. Το στρώμα του συλλέκτη που είναι ένας πάρα πολύ λεπτός ημιαγωγός, Κεφάλαιο 4

61 51 του οποίου ο ρόλος είναι να μεταφέρει το φως στο επόμενο επίπεδο, τον απορροφητή, με τις ελάχιστες κατά το δυνατό απώλειες ανάκλασης. Αυτό το στρώμα επίσης, αποτελεί το πρώτο μισό της p-n επαφής. Δεδομένου ότι ο ρόλος του συλλέκτη δεν είναι η απορρόφηση των φωτονίων, μπορεί να ντοπαριστεί με φορείς, συνήθως τύπου n, μειώνοντας έτσι την αντίσταση σειράς του κυττάρου RS. Το επόμενο επίπεδο, του απορροφητή που είναι αυτό που απορροφά το φως που είναι υπεύθυνο για την παραγωγή του φωτορεύματος. Το ενεργειακό διάκενο του απορροφητή πρέπει να είναι κατάλληλο για απορρόφηση των φωτονίων. Για το CuInSe2, το ενεργειακό του διάκενο είναι 1.04 ev [9]. Ο απορροφητής είναι περίπου εκατό φορές παχύτερος από το στρώμα του συλλέκτη και της ζώνης τύπου p. Οι επαφές που μεταφέρουν το ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα, βρίσκονται και στις δύο πλευρές των ενεργών υλικών. Σχήμα 4.9: Παραστατική δομή φωτοβολταϊκού κυττάρου τύπου CIS Στο σχήμα 4.9, παρίσταται η δομή του CIS και στο σχήμα 4.10 μία εικόνα από μικροσκόπιο κατά την πρόσπτωση φωτός στην επιφάνεια ενός κυττάρου. Κεφάλαιο 4

62 52 Σχήμα 4.10: Εικόνα ενός ηλιακού κυττάρου τύπου CIS όπως φαίνεται από το μικροσκόπιο καθώς το φως προσπίπτει σ' αυτό από την αντίθετη πλευρά του υποστρώματος Υπάρχουν πολλά διαφορετικά στρώματα συλλεκτών, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν ενεργά κύτταρα και οι καλύτεροι συνδυασμοί πιθανόν δεν έχουν βρεθεί. Μία συχνά χρησιμοποιημένη επιλογή που εφαρμόζεται στα κύτταρα της CIS τεχνολογίας, είναι η προσθήκη γαλλίου Ga στον απορροφητή. Με την προσθήκη του γαλλίου πετυχαίνουμε ενεργειακό διάκενο που βελτιστοποιεί τη λειτουργία στο φάσμα με Α.Μ 1.5. Αυτή η τεχνολογία είναι γνωστή ως CIGS. Κεφάλαιο 4

63 53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Αποτελέσματα μετρήσεων Κεφάλαιο 5

64 54 5. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 5.1. Πειραματική Διάταξη Οι μετρήσεις για την διεκπεραίωση αυτής της διπλωματικής εργασίας, έγιναν στο χώρο του Πολυτεχνείου της Πάτρας, και είχαν διάρκεια ενός έτους. Έγινε μία εκτενής προσπάθεια ώστε η κάθε μέτρηση να γίνεται σε σύντομο χρονικό διάστημα (~1 λεπτό) και με τον πιο ακριβή κατά το δυνατόν τρόπο για καλύτερα αποτελέσματα. Ένα σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης φαίνεται στο σχήμα 5.1. Σχήμα 5.1: Παράσταση πειραματικής διάταξης Στο σχήμα 5.2, απεικονίζεται μία φωτογραφία της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε για την διεκπεραίωση των μετρήσεων. Κεφάλαιο 5

65 55 Σχήμα 5.2: Φωτογραφία της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε Η πειραματική διάταξη περιελάμβανε ένα πυρανόμετρο για τη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας, ένα ενεργό φορτίο μεταβλητής αντίστασης, δύο πολύμετρα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση της τάσης και του ρεύματος φωτοβολταϊκού πλαισίου και ένα για τη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας και τρία θερμοζεύγη για μέτρηση της θερμοκρασίας αέρα, μπροστινής και πίσω όψης του πλαισίου. Πυρανόμετρο: Το πυρανόμετρο είναι ίσως ο σημαντικότερος αισθητήρας σε ένα σύστημα μέτρησης για τις φωτοβολταϊκές διατάξεις και μετρά την ηλιακή ακτινοβολία. Το ενεργό μέρος ενός πυρανομέτρου είναι ένας θερμικός ανιχνευτής. Αυτός ο ανιχνευτής περιέχει ένα μαύρο δίσκο που απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία και τη θερμότητα η οποία ρέει από το μαύρο δίσκο σε μία πλάκα. Οι ροές Κεφάλαιο 5

66 56 θερμότητας αυτές και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του κέντρου του δίσκου και της περιφέρειας του, είναι ανάλογες προς την ηλιακή ακτινοβολία. Αποτέλεσμα της αναλογίας αυτής είναι πως η ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπεται σε μία μετρήσιμη τάση [9]. Σχήμα 5.3: Πυρανόμετρο Kipp & Zonen Το πυρανόμετρο που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των μετρήσεων δίνει γραμμική τάση παραγωγής για ακτινοβολίες μέχρι και 2000 W/m2. Είναι ευαισθησίας 70μV/W/m2 και η ηλιακή ακτινοβολία υπολογίζεται βάσει της σχέσης 5.1: E solar = U emf S (5.1) όπου, Esolar είναι η ηλιακή ακτινοβολία (W/m2), Uemf η τάση εξόδου (μv) και S η ευαισθησία του πυρανόμετρου (V/W/m2). Θερμοζεύγη : Τα θερμοζεύγη αποτελούνται από δύο αγωγούς από διαφορετικά μέταλλα ή κράματα μετάλλων. Όταν τα δύο διαφορετικά μέταλλα έρθουν σε επαφή, αναπτύσσεται μεταξύ τους μία διαφορά δυναμικού που εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το είδος των μετάλλων [10]. Κεφάλαιο 5

67 57 Σχήμα 5.4: Θερμοζεύγη Σχήμα 5.5: Θερμόμετρα Mastech MS650 K Type Τα θερμοζεύγη αυτά συνδέθηκαν με θερμόμετρα όπως αυτά που φαίνονται στο σχήμα 5.5, τα οποία είχαν ακρίβεια ενός δεκαδικού ψηφίου. Πολύμετρα: Το πολύμετρο, ένα ηλεκτρολογικό/ηλεκτρονικό όργανο που μετράει την τάση, την ένταση και την αντίσταση σ' ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ανάλογα πως θα συνδεθεί [10]. Κεφάλαιο 5

68 58 Σχήμα 5.6: Πολύμετρο Gw INSTEK Φορτίο : Είναι μία μεταβλητή χειροκίνητη αντίσταση η οποία αποτελείται από ένα θετικό και ένα αρνητικό άκρο πάνω στα οποία συνδέονταν τα καλώδια της συνδεσμολογίας. Περιλαμβάνει δύο ροδέλες οι οποίες καθώς περιστρέφονται μεταβάλλουν την αντίσταση. Η μία ροδέλα προκαλεί μεγάλες αλλαγές της αντίστασης, ενώ η άλλη μικρότερες. Η μεταβολή αυτή του φορτίου ήταν απαραίτητη για τη χάραξη της I-V καμπύλης και τον προσδιορισμό του σημείου μέγιστης ισχύος για κάθε μέτρηση. Σχήμα 5.7: Ενεργό φορτίο Κεφάλαιο 5

69 59 Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο με το οποίο πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις φαίνεται στο σχήμα 5.8. Σχήμα 5.8: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο CIS της Shell Solar Οι τιμές που δίνονται από τον κατασκευαστή είναι σε Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς ή Ελέγχου (Standard Reference Conditions, STC). Οι Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς (STC) χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία φωτοβολταϊκών για την αξιολόγηση της απόδοσης ενός πλαισίου και είναι οι εξής: Θερμοκρασία Στοιχείου : 250C Ηλιακή Ακτινοβολία : 1000 W/m2 Α.Μ (Air Mass) : 1.5 Οι τιμές που δίνει η κατασκευαστική εταιρεία για τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού πλαισίου σε STC φαίνονται πιο κάτω: Κεφάλαιο 5

70 60 Μέγιστη Ισχύς (PMPP) : 75W Απόκλιση Ισχύος Εξόδου : +/- 10 % Ρεύμα βραχυκύκλωσης (ISC) : 2.85 Α Ρεύμα Μέγιστης Ισχύος (IMPP) : 2.40 Α Τάση Ανοιχτού Κυκλώματος (VOC) : 44.1 V Τάση Μέγιστης Ισχύος (VMPP) : 31.3 V Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ήταν τοποθετημένο σε σταθερή βάση με κατεύθυνση προς το νότο, και υπήρχε η δυνατότητα αλλαγής της κλίσης του πλαισίου για συγκεκριμένες γωνίες. Αυτές ήταν 100, 300, 380 ( Γεωγραφικό Πλάτος της Πάτρας), 450, 600 και 900. Οι μετρήσεις ήταν συνήθως ημερήσιες. Διαρκούσαν από την ανατολή ως τη δύση του ηλίου και ανά μία ώρα παίρναμε μετρήσεις για κάθε γωνία, εκτός και αν δεν το επέτρεπαν οι καιρικές συνθήκες. Το ενεργό φορτίο που διαθέταμε συνδέθηκε παράλληλα με το CIS και ήταν χειροκίνητα μεταβαλλόμενο. Είχε δύο κλίμακες μεταβολής της αντίστασης, μία μεγάλη και μία μικρή. Δηλαδή, η μία για μικρές μεταβολές άλλαζε κατά πολύ την τιμή του φορτίου, ενώ η άλλη με τις ίδιες κινήσεις μεταβαλλόταν λιγότερο. Είχαν δηλαδή μία διαφορά στο βήμα μεταβολής. Αυτό, βοήθησε στο να πάρουμε μετρήσεις έχοντας κατά το δυνατόν μικρότερη πειραματική απόκλιση του σημείου μέγιστης ισχύος της χαρακτηριστικής I-V καμπύλης του CIS. Η μεγαλύτερη μεταβολή του ενεργού φορτίου γινόταν στην αρχή και το τέλος της κάθε μέτρησης, ενώ η μικρότερη μεταβολή άρχιζε να εφαρμόζεται λίγο πριν φτάσουμε στο σημείο μέγιστης ισχύος. Αποτέλεσμα αυτού, να έχουμε περισσότερα σημεία μέτρησης στην περιοχή του σημείου μέγιστης ισχύος της χαρακτηριστικής καμπύλης. Στο σχήμα 5.9 παρουσιάζεται ενδεικτικά ένα γράφημα I-V όπως το παίρναμε μεταβάλλοντας κατάλληλα το ενεργό φορτίο, Κεφάλαιο 5

71 61 ώστε να πάρουμε όσο το δυνατόν ακριβέστερα αποτελέσματα, όπου φαίνονται τα σημεία μέτρησης. Σχήμα 5.9: Απεικόνιση της διαδικασίας μέτρησης I-V καμπυλών. Με μέτρηση πολλών σημείων κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος, η ακρίβεια υπολογισμού του σημείου μέγιστης ισχύος βελτιώνεται. Το πυρανόμετρο, ήταν τοποθετημένο στο ίδιο κεκλιμένο επίπεδο με την φωτοβολταϊκή γεννήτρια κάθε φορά που άλλαζε η γωνία κλίσης της μέτρησης, για να παίρνουμε όσο το δυνατόν με μεγαλύτερη ακρίβεια την πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας. Στην έξοδο του βολτομέτρου που ήταν συνδεδεμένο το πυρανόμετρο, λαμβάναμε την ακτινοβολία η οποία μετατρεπόταν από το πυρανόμετρο σε μετρήσιμη τάση σε μv. Κατά την επεξεργασία των μετρήσεων μας μετατρέπαμε την τάση αυτή σε ηλιακή ακτινοβολία βάσει του τύπου 5.1, λαμβάνοντας έτσι την τιμή της ηλιακής ακτινοβολίας σε W/m2. Επίσης, διαθέταμε τρία θερμοζεύγη με τα οποία μετρούσαμε την θερμοκρασία του αέρα την ώρα της μέτρησης και τις θερμοκρασίες στις δύο επιφάνειες του πλαισίου. Η τοποθέτηση του κάθε θερμοζεύγους γινόταν με Κεφάλαιο 5

72 62 μεγάλη προσοχή, ώστε να κάνουν καλή επαφή με το φωτοβολταϊκό στο οποίο γίνονταν οι μετρήσεις. Τέλος, είναι σημαντικό να αναφέρουμε πώς το φωτοβολταϊκό πλαίσιο με το οποίο έγιναν οι μετρήσεις ήταν καινούριο οπότε και δεν χρειάστηκε να γίνει υπολογισμός βάσει κάποιου συντελεστή γήρανσης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η επίδραση της θερμοκρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας και της σκίασης στις χαρακτηριστικές παραμέτρους του φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ, τύπου CIS Επίδραση της Θερμοκρασίας στις χαρακτηριστικές παραμέτρους φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ, τύπου CIS Όπως αναφέραμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, η θερμοκρασία λειτουργίας ενός στοιχείου έχει άμεση επίδραση στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η αύξηση της θερμοκρασίας σε ένα ηλιακό πλαίσιο, επιδρά αρνητικά. Δηλαδή, η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως επακόλουθο την μείωση παραγωγής ισχύος του πλαισίου. Θα δούμε εδώ κατά πόσο η θερμοκρασία επιδρά στις παραμέτρους του CIS, κάθε μία ξεχωριστά. Χρησιμοποιώντας μετρήσεις με σταθερή ακτινοβολία στα 1000 W/m2 και αισθητά διαφορετικές θερμοκρασίες της ενεργούς επιφάνειας του πλαισίου καταλήγουμε στο σχήμα 5.10, όπου παρουσιάζονται τρεις I-V καμπύλες από αυτές στο ίδιο γράφημα. Πριν προχωρήσουμε σε περαιτέρω ανάλυση, να αναφέρουμε ότι τα διαγράμματα που θα ακολουθήσουν, έχουν κατασκευαστεί, λαμβάνοντας υπόψιν πως, για να φανεί με μεγαλύτερη ακρίβεια η επίδραση της θερμοκρασίας, πρέπει η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στο πλαίσιο να είναι σταθερή. Για την κατασκευή τους, επιλέχτηκαν μετρήσεις, οι οποίες έγιναν κάτω από σταθερή ακτινοβολία στα 1000 W/m2, για διαφορετικές θερμοκρασίες. Κεφάλαιο 5

73 63 Σαφώς η γωνία κλίσης ήταν σε κάθε περίπτωση τέτοια ώστε να επιτυγχάνεται προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2. Τυχόν σφάλματα, οφείλονται κυρίως στο γεγονός ότι αρκετές φορές, η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας, λόγω αραιής συννεφιάς, σκόνης στην ατμόσφαιρα κλπ, διακυμαίνεται λίγο και δεν ήταν δυνατόν να καταγραφεί κάθε αλλαγή την ώρα της διεξαγωγής των μετρήσεων. Υπολογίζεται μία πιθανή απόκλιση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μερικές από τις μετρήσεις που συμπεριλήφθηκαν για την κατασκευή των ακόλουθων γραφικών παραστάσεων, της τάξεως του +/- 1.2%. Επίσης, τυχόν σφάλματα στις τιμές στο σημείο μέγιστης ισχύος( PMPP, VMPP και IMPP), οφείλονται στην επεξεργασία των μετρήσεων. Παρά την μεγάλη προσπάθεια που έγινε να αποδοθούν αυτές οι τιμές με ακρίβεια, κάποιες αποκλίσεις ήταν αναπόφευκτες. 0 T3= 35.5 C T2=46.8 C T1=50 0C 2.5 T2 Current (A) 2.0 T3 T Voltage (V) Σχήμα 5.10: I-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές θερμοκρασίες κυττάρου, υπό ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2. Η I-V για Τ3=35.50C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 και για γωνία κλίσης πλαισίου Η I-V για Τ2=46.80C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 8 Απριλίου, ώρα 13:45 και για γωνία κλίσης πλαισίου 450. Η I-V για Τ1=500C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:33 και για γωνία κλίσης πλαισίου 380. Κεφάλαιο 5

74 64 Παρατηρώντας και πάλι το σχήμα 5.10, εύκολα διαπιστώνουμε ότι η τάση ανοιχτού κυκλώματος στις τρεις χαρακτηριστικές καμπύλες του φωτοβολταϊκού, διαφέρουν αρκετά. Μία μικρότερη μεταβολή παρατηρούμε στο ρεύμα βραχυκύκλωσης όμως δεν διακρίνεται εύκολα. Πιο κάτω θα δούμε πιο καθαρά την μεταβολή αυτή. Παρατηρώντας το σχήμα 5.11, το σχήμα 5.12, το σχήμα 5.13 και το σχήμα 5.14, μπορούμε να διευκρινίσουμε κατά πόσο οι χαρακτηριστικές τάσεις VOC, VMPP και ρεύματα ISC και IMPP μεταβάλλονται συναρτήσει της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου CIS. Voc=f(T) Voc (V) T ( C) Σχήμα 5.11: Μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος VOC συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Κεφάλαιο 5

75 65 Στο σχήμα 5.11, φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στην τάση ανοιχτού κυκλώματος φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ τύπου CIS. Με την αύξηση της θερμοκρασίας κυττάρου, παρατηρείται μείωση της VOC. Στο συγκεντρωτικό διάγραμμα του σχήματος 5.18, φαίνεται η ποσοστιαία μεταβολή της σε σχέση με τις υπόλοιπες χαρακτηριστικές παραμέτρους του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Isc=f(T) Isc (A) T ( C) Σχήμα 5.12: Μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης ISC συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Στο σχήμα 5.12, φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στο ρεύμα βραχυκύκλωσης ISC του φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ τύπου CIS. Με Κεφάλαιο 5

76 66 την αύξηση της θερμοκρασίας κυττάρου, παρατηρείται μία μικρή αύξηση του ISC, για μεγάλες θερμοκρασίες κυττάρου άνω των 450C. Στο συγκεντρωτικό διάγραμμα του σχήματος 5.18, φαίνεται η ποσοστιαία μεταβολή του σε σχέση με τις υπόλοιπες χαρακτηριστικές παραμέτρους του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Vmpp=f(T) 34 Vmpp (V) T ( C) Σχήμα 5.13: Μεταβολή της τάσης του σημείου μέγιστης ισχύος VMPP συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Στο σχήμα 5.13, φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στην τάση που αντιστοιχεί στο σημείο μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ τύπου CIS. Με την αύξηση της θερμοκρασίας κυττάρου, παρατηρείται μείωση της VMPP. Στο συγκεντρωτικό διάγραμμα του σχήματος 5.18, φαίνεται η Κεφάλαιο 5

77 67 ποσοστιαία μεταβολή της σε σχέση με τις υπόλοιπες χαρακτηριστικές παραμέτρους του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Impp=f(T) Impp (A) T ( C) Σχήμα 5.14: Μεταβολή του ρεύματος στο σημείο μέγιστης ισχύος IMPP συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Στο σχήμα 5.14, φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στο που αντιστοιχεί στο σημείο μέγιστης ισχύος IMPP του φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ τύπου CIS. Με την αύξηση της θερμοκρασίας κυττάρου, παρατηρείται μία μικρή αύξηση του IMPP, για μεγάλες θερμοκρασίες κυττάρου άνω των 450C. Στο συγκεντρωτικό διάγραμμα του σχήματος 5.18, φαίνεται η ποσοστιαία μεταβολή του σε Κεφάλαιο 5 σχέση με τις υπόλοιπες χαρακτηριστικές παραμέτρους του

78 68 φωτοβολταϊκού πλαισίου. Pmpp=f(T) 74 Pmpp T ( C) Σχήμα 5.15: Μεταβολή της μέγιστης ισχύος PMPP συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Από τα σχήματα 5.11 και 5.13 φαίνεται κατά πόσο οι V OC και VMPP επηρεάζονται αρνητικά καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει, ενώ από τα σχήματα 5.12 και 5.14 βλέπουμε ότι το ρεύμα αυξάνεται σχετικά στις υψηλές θερμοκρασίες του στοιχείου ενώ στις χαμηλότερες δεν παρουσιάζει ιδιαίτερη μεταβολή. Άρα, μπορούμε να πούμε πως η διαφορά δυναμικού παρουσιάζει αρνητική εξάρτηση, ενώ το ρεύμα μία μικρότερη θετική. Στο σχήμα 5.15 διακρίνεται αυτή η μείωση της μέγιστης ισχύος PMPP που δίνει το φωτοβολταϊκό συναρτήσει της μεταβολής της θερμοκρασίας του. Κεφάλαιο 5

79 69 Συγκρίνοντας το σχήμα 5.15 με τα σχήματα των χαρακτηριστικών τάσεων VOC και VMPP, 5.11 και 5.13 αντίστοιχα, παρατηρείται μία αντίστοιχη μεταβολή με την αύξηση της θερμοκρασίας. Από αυτό, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι θετική αύξηση του ρεύματος δεν είναι αρκετή, ώστε να αντισταθμίσει την μείωση της τάσης, με αποτέλεσμα να έχουμε μείωση της ισχύος που δίνει το πλαίσιο. FF=f(T) FF Temperature C Σχήμα 5.16: Μεταβολή του παράγοντα ποιότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Στο σχήμα 5.16 παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο μεταβάλλεται ο παράγοντας ποιότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας. Ο παράγοντας ποιότητας ενός φωτοβολταϊκού, δίνεται από τη σχέση 3.8. Η τιμή του παράγοντα ποιότητας που υπολογίζεται από τα τεχνικά Κεφάλαιο 5

80 70 χαρακτηριστικά του πλαισίου, είναι 0.6. Όπως προαναφέραμε, η αύξηση της θερμοκρασίας του ενεργού μέρους του πλαισίου, προκαλεί μεγάλη μείωση στην τάση του φωτοβολταϊκού και μία σχετικά μικρή αύξηση του ρεύματος. Περισσότερο επηρεάζεται η τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC απ' ότι η τάση στο σημείο μέγιστης ισχύος VMPP, κάτι που εύκολα διαπιστώνεται παρατηρώντας τα γραφήματα που παρουσιάστηκαν πιο πάνω. Επομένως, εφόσον ο παράγοντας ποιότητας είναι ανάλογος της τάσης στο σημείο μέγιστης ισχύος και αντιστρόφως ανάλογος της τάσης ανοιχτού κυκλώματος, καταλήγουμε να έχουμε σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες παράγοντα ποιότητας μεγαλύτερο από αυτόν που δίνει ο κατασκευαστής για το πλαίσιο. Στον πίνακα 5.1, φαίνονται η μέγιστη παραγόμενη ισχύς για τις τρεις χαρακτηριστικές καμπύλες του σχήματος 5.10 για διαφορετικές θερμοκρασίες κυττάρου υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία περίπου στα 1000 W/m 2 καθώς και ο βαθμός απόδοσης. Θερμοκρασία Κυττάρου Μέγιστη Ισχύς Βαθμός Απόδοσης Τ3= 35.50C 72.3W 10.0% Τ2=46.80C 70W 9.7% Τ1=500C 64.3W 8.9% Πίνακας 5.1: Μέγιστη παραγόμενη ισχύς και βαθμός απόδοσης για διαφορετικές θερμοκρασίες κυττάρου υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία για 1000 W/m2 πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας. Στο σημείο αυτό να σημειώσουμε ότι ο βαθμός απόδοσης που δίνεται από τον κατασκευαστή του φωτοβολταϊκού CIS είναι 10.4%. Από τον πίνακα 5.1, φαίνεται ότι μία μεταβολή της θερμοκρασίας κυττάρου σε υψηλές θερμοκρασίες, μειώνει πολύ περισσότερο τον βαθμό απόδοσης, απ' ότι μία αντίστοιχη μεταβολή στις χαμηλές. Κεφάλαιο 5

81 71 efficiency %=f(t) efficiency % Temperature C Σχήμα 5.17: Μεταβολή του βαθμού απόδοσης η% του CIS συναρτήσει της θερμοκρασίας του πλαισίου. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Στο σχήμα 5.17, φαίνεται η αρνητική επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας στον βαθμό απόδοσης του φωτοβολταϊκού. Με ένα γρήγορο υπολογισμό, βρίσκουμε πως όταν το πλαίσιο λειτουργεί σχεδόν 100C πάνω από τους 250C όπου έγιναν οι εργαστηριακές δοκιμές, μειώνει τη συνολική ισχύ του φωτοβολταϊκού στα 96.4%. Αντίστοιχα, μία αύξηση 200C περίπου, τη μειώνει στο 93.3%. Μία μικρή μεταβολή στις υψηλές θερμοκρασίες της τάξεως των 40C που παρατηρούμε μεταξύ των χαρακτηριστικών I-V, Τ1 και Τ2, ισοδυναμεί με συνολική μείωση της ισχύος στο 85.7%. Άρα, ακόμα και κάτω από μέτριες συνθήκες ακτινοβολίας, όταν η Κεφάλαιο 5

82 72 θερμοκρασία λειτουργίας του φωτοβολταϊκού είναι ήδη υψηλή, μία μικρή αύξηση της, είναι ικανή να μειώσει κατά πολύ το βαθμό απόδοσης. Αυτό συμβαίνει συχνά, ειδικά τους καλοκαιρινούς μήνες, όπου κάτω από μεγάλη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, η θερμοκρασία κυττάρου μπορεί να ξεπεράσει και τους 500C. Στο σημείο αυτό λοιπόν, μπορούμε να πούμε πως τα μεγάλα ποσά ισχύος που μπορεί να παράξει τη θερινή περίοδο το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, οφείλεται στη συνεχή ηλιοφάνεια και όχι στην ικανότητα του να μετατρέψει μεγάλα ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική, λόγω των μεγάλων θερμοκρασιών που μειώνουν το βαθμό απόδοσης. Isc Imp Voc Vmp Pmp FF 1.10 percentage change Temperature C Σχήμα 5.18: Συγκεντρωτικό διάγραμμα ποσοστιαίων μεταβολών των χαρακτηριστικών παραμέτρων του CIS συναρτήσει της θερμοκρασίας του πλαισίου Στο σχήμα 5.18, παρουσιάζονται στο ίδιο διάγραμμα, οι χαρακτηριστικές τάσεις και ρεύματα κατά τη λειτουργία του πλαισίου σε πραγματικές συνθήκες, καθώς και η ισχύς και ο παράγοντας ποιότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας. Έχουν υπολογιστεί οι εκατοστιαίες μεταβολές των χαρακτηριστικών αυτών Κεφάλαιο 5

83 73 μεγεθών του φωτοβολταϊκού ως προς τη μεταβολή της θερμοκρασίας κυττάρου, ώστε να διακρίνουμε ποιες ποσότητες είναι αυτές που αποκλίνουν περισσότερο και κατά πόσο, από τις τιμές που δίνει ο κατασκευαστής σε Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς, με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στο συγκεκριμένο γράφημα, έχει συμπεριληφθεί και το σημείο στους 250C που αφορά τα τεχνικά χαρακτηριστικά που δίνει ο κατασκευαστής, για να έχουμε μία ολοκληρωμένη εικόνα για το πώς το φωτοβολταϊκό πλαίσιο λεπτού φιλμ CIS λειτουργεί κάτω από πραγματικές συνθήκες, συγκριτικά με τα εργαστηριακά δεδομένα. Οι ποσότητες που επηρεάζονται περισσότερο όπως φαίνεται και από το σχήμα 5.18, είναι η PMPP και VOC. Η μείωση της τάσης, είναι ο κύριος λόγος μείωσης της παραγωγής της μέγιστης ισχύος, καθώς η αύξηση του ρεύματος είναι αμελητέα στις χαμηλές θερμοκρασίες και ελάχιστη για να επηρεάσει την απόδοση στις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. Ο παράγοντας ποιότητας είναι η μόνη ποσότητα που παρατηρούμε να είναι μεγαλύτερη από την τιμή που υπολογίζεται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του CIS, εκτός από τις περιπτώσεις που η θερμοκρασία βρίσκεται σε πολύ υψηλά επίπεδα Επίδραση της Ηλιακής Ακτινοβολίας στις χαρακτηριστικές παραμέτρους φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ, τύπου CIS Ένα φωτοβολταϊκό, μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνειά του σε ηλεκτρική. Όσο μεγαλύτερα είναι να ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας σε W/m2, τόση περισσότερη ισχύ μπορούμε να λάβουμε στη DC λειτουργία, εάν η αύξηση της θερμοκρασίας δεν είναι τόσο μεγάλη ώστε να μειώσει κατά πολύ την απόδοση του ηλιακού πλαισίου. Άρα, κατά την τοποθέτηση τους, πρέπει να προσέξουμε κάθε παράγοντα που προκαλεί μείωση του ποσοστού της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στο συλλέκτη. Για παράδειγμα, για την κατασκευή ενός φωτοβολταϊκού πάρκου, πρέπει να γίνει μία μελέτη της περιοχής εγκατάστασης ώστε να βρεθεί η βέλτιστη κλίση Κεφάλαιο 5

84 74 λειτουργίας και να τοποθετηθούν τα πλαίσια σε τέτοια απόσταση μεταξύ τους ώστε να μην σκιάζονται. Επίσης, πρέπει να λάβουμε υπόψιν, τις ώρες ηλιοφάνειας που επικρατούν στην περιοχή καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Οι τρεις παράγοντες που αναφέρθηκαν πιο πάνω, δηλαδή η κλίση στην οποία είναι τοποθετημένο το φωτοβολταϊκό, η σκίαση και οι καιρικές συνθήκες, επηρεάζουν άμεσα τα την πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνειά του. Χρησιμοποιώντας κυττάρου 350C και μετρήσεις αισθητά που έγιναν διαφορετικά υπό ποσά σταθερή θερμοκρασία λαμβανόμενης ηλιακής ακτινοβολίας καταλήγουμε στο σχήμα 5.17, όπου παρουσιάζονται τρεις I-V καμπύλες από αυτές στο ίδιο γράφημα. 3.0 G1 G2 G3 G1= W/m2 2.5 Current (A) 2.0 G2= W/m G3= W/m Voltage (V) Σχήμα 5.19: I-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε W/m2, για θερμοκρασία κυττάρου 350C. Η I-V για G1= W/m2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 και για γωνία κλίσης πλαισίου 450. Η I-V για G2= W/m2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 και για γωνία κλίσης πλαισίου 100. Η I-V για G3= W/m2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 και για γωνία κλίσης πλαισίου 100. Κεφάλαιο 5

85 75 Στο σχήμα 5.19 παρουσιάζονται τρεις χαρακτηριστικές I-V καμπύλες, όπου είναι εμφανής η διαφορά της παραγόμενης ισχύος μεταξύ τους. Η γραφική αυτή παράσταση, συμπεριλαμβάνει μετρήσεις ρεύματος-τάσης που έγιναν υπό θερμοκρασία λειτουργίας 350C. Για να γίνει η σύγκριση αυτή, δεν ήταν δυνατή η επιλογή μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν υπό σταθερή θερμοκρασία 250C, όπου έγιναν οι εργαστηριακές δοκιμές. Περιπτώσεις όπου έχουμε 1000 W/m2 και 250C θερμοκρασία λειτουργίας, είναι δύσκολο να πετύχουμε. Αυτό γιατί, όταν επικρατούν καιρικές συνθήκες ώστε το ενεργό μέρος να έχει θερμοκρασία στους 250C, η ακτινοβολία συνήθως είναι πολύ χαμηλή. Αυτή είναι μία παρατήρηση που έγινε μετά από μία σειρά μετρήσεων που έγιναν στη διάρκεια ενός έτους. Στο σημείο αυτό, θα δούμε με γραφήματα, την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας σε κάθε μία από τις παραμέτρους του φωτοβολταϊκού ξεχωριστά. Για να βγάλουμε συμπεράσματα με μεγαλύτερη ακρίβεια, όσον αφορά την συμπεριφορά του πλαισίου στη μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας, τα παρακάτω γραφήματα κατασκευάστηκαν μέσα από μετρήσεις που έγιναν υπό θερμοκρασία λειτουργίας γύρω στους 350C. Τυχόν αποκλίσεις στη θερμοκρασία, οφείλονται κυρίως στα ρεύματα αέρα, που μπορούν άμεσα να μεταβάλουν την θερμοκρασία. Υπολογίζεται μία απόκλιση +/-20C, σε κάποιες από τις μετρήσεις. Επίσης, τυχόν σφάλματα στις τιμές του σημείου μέγιστης ισχύος ( PMPP, VMPP και IMPP), οφείλονται στην επεξεργασία των μετρήσεων. Παρά την μεγάλη προσπάθεια που έγινε να αποδοθούν αυτές οι τιμές με ακρίβεια, κάποιες αποκλίσεις ήταν αναπόφευκτες. Παρατηρώντας και πάλι το σχήμα 5.19, διακρίνεται η μεγάλη εξάρτηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης ISC από την ηλιακή ακτινοβολία. Μία μικρότερη μεταβολή παρατηρείται στην τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC (σχέση 3.2 και σχέση 3.7). Με τα διαγράμματα που ακολουθούν, θα γίνει πιο ξεκάθαρη η εξάρτηση κάθε μίας από τις χαρακτηριστικές παραμέτρους του CIS από τη Κεφάλαιο 5

86 76 μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας και πώς αυτή επηρεάζει την τιμή της παραγόμενης ισχύος. Στο σχήμα 5.20, φαίνεται η μεταβολή των χαρακτηριστικών τάσεων, VOC και VMPP. Παρατηρούμε μία σχετικά μικρή αύξησή της, ανάλογα με την αύξηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Αυτό συμβαίνει κυρίως όταν ακόμα η πυκνότητα της ακτινοβολίας είναι σχετικά μικρή. Η τάση στο γόνατο VMPP, κυμαίνεται γύρω από μία σταθερή τιμή όταν ξεπερνά τα 800 W/m 2 περίπου, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC παρουσιάζει μικρότερη αύξηση απ' ότι σε χαμηλότερες τιμές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Voc Vmpp Voltage (V) Irradiance W/m Σχήμα 5.20: Εξάρτηση των χαρακτηριστικών τάσεων του CIS από την ηλιακή ακτινοβολία. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Κεφάλαιο 5

87 77 Στο σχήμα 5.21, απεικονίζεται αντίστοιχα η εξάρτηση των ρευμάτων I SC και IMPP. Εδώ, είναι πλέον ξεκάθαρη, η σχέση μεταξύ των δύο αυτών ποσοτήτων και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας. Και τα δύο ρεύματα, μεταβάλλονται γραμμικά συναρτήσει της ακτινοβολίας (σχέση 3.2). Η γραμμική αυτή εξάρτηση είναι εμφανής αν εξαιρέσουμε μία μικρή απόκλιση που πιθανόν οφείλεται σε κάποιο σφάλμα που προαναφέραμε. Isc Impp 3.0 Current (A) Irradiance W/m Σχήμα 5.21: Εξάρτηση των χαρακτηριστικών ρευμάτων του CIS από την ηλιακή ακτινοβολία Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Μετά τα δύο αυτά γραφήματα του σχήματος 5.20 και του σχήματος 5.21, μπορούμε να πούμε ότι η εξάρτηση του ρεύματος από την ηλιακή ακτινοβολία, Κεφάλαιο 5

88 78 είναι αρκετά μεγαλύτερη σε αντίθεση με αυτήν της τάσης με αποτέλεσμα η παραγωγή μέγιστης ισχύος, ουσιαστικά να επηρεάζεται κυρίως από την τιμή του ρεύματος. Στο σχήμα 5.22, παρίσταται γραφικά πώς επιδρά η αύξηση της ακτινοβολίας στο σημείο μέγιστης ισχύος. Και στο διάγραμμα αυτό, παρατηρούμε μία γραμμική εξάρτηση της ισχύος όπως αντίστοιχα είδαμε και για το ρεύμα στο σχήμα Για μεγαλύτερα ποσά προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο, έχουμε αντίστοιχα μεγαλύτερη παραγωγή ρεύματος και κατ' επέκταση μεγαλύτερη παραγωγή ισχύος. Pmpp 70 Power (W) Irradiance W/m Σχήμα 5.22: Εξάρτηση της παραγόμενης μέγιστης ισχύος του CIS από την ηλιακή ακτινοβολία. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Κεφάλαιο 5

89 79 Στο σχήμα 5.23, παρίσταται η εξάρτηση του παράγοντα ποιότητας από την ηλιακή ακτινοβολία. Είναι μία ποσότητα που επίσης αυξάνεται με την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Όχι όμως για πολύ μεγάλες τιμές της. Όπως φαίνεται στην αντίστοιχη γραφική παράσταση, η παράμετρος αυτή παρουσιάζει αύξηση ενόσω η ακτινοβολία φτάνει μέχρι και τα 600 W/m 2 περίπου, ενώ περαιτέρω αύξηση αυτής, προκαλεί μία μικρή μείωση του. FF Fill Factor Irradiance W/m Σχήμα 5.23: Εξάρτηση του παράγοντας ποιότητας FF του CIS από την ηλιακή ακτινοβολία Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Η μείωση αυτή του παράγοντα ποιότητας προκύπτει σύμφωνα με τη σχέση 3.8. Καθώς η αύξηση του IMPP και ISC είναι περίπου ίδια και επειδή η λογαριθμική Κεφάλαιο 5

90 80 αύξηση της VOC είναι μεγαλύτερη απ' ότι της VMPP, προκύπτει για μεγάλες τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας μειωμένος ελαφρώς ο παράγοντας ποιότητας. Στη συνέχεια, υπολογίζεται ο βαθμός απόδοσης στις τρεις περιπτώσεις του σχήματος 5.19, για να δούμε πώς αποκρίνεται το CIS, κάτω από πραγματικές συνθήκες. Το σημείο μέγιστης ισχύος καθώς και ο βαθμός απόδοσης σε κάθε περίπτωση, φαίνονται στον πίνακα 5.2. Πυκνότητα Ακτινοβολίας Ηλιακής Μέγιστη Ισχύς Βαθμός Απόδοσης G1= W/m W 9.6% G2= W/m W 9.5% G3= W/m W 7.4% Πίνακας 5.2: Μέγιστη παραγόμενη ισχύς και ο βαθμός απόδοσης για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου, 350C. Από τις τιμές που παρουσιάζονται στον πίνακα 5.2, είναι εμφανές πως ο βαθμός απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι μεγαλύτερος για μεγάλες σχετικά τιμές της λαμβανόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Όσο μικραίνουν οι τιμές της ακτινοβολίας, μικραίνει και ο βαθμός απόδοσης και η σημαντικότερη μείωση του παρατηρείται σε πολύ χαμηλά ποσά προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Δηλαδή, μία σημαντική μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας μεταξύ ήπιων και υψηλών τιμών της, επιφέρει μικρή μεταβολή του βαθμού απόδοσης. Αντίθετα, σε μία αντίστοιχη μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας που γίνεται μεταξύ ήπιων και χαμηλών τιμών της, η μεταβολή του βαθμού απόδοσης είναι αρκετά μεγαλύτερη. Στο σχήμα 5.24 φαίνεται η μεταβολή του βαθμού απόδοσης συναρτήσει της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια του πλαισίου. Κεφάλαιο 5

91 81 efficiency%=f(g) 10.0 efficiency % Irradiance W /m Σχήμα 5.24: Μεταβολή του βαθμού απόδοσης συναρτήσει της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια του πλαισίου. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 Παρατηρώντας το σχήμα 5.24, είναι εμφανές, πως με την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας, έχουμε και αύξηση του βαθμού απόδοσης. Για τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας άνω των 1000 W/m2 συνήθως έχουμε μεγάλες θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα ο βαθμός απόδοσης να μειώνεται. Η παρατήρηση γίνεται μέσω μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν υπό περίπου σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C. Τυχόν σφάλματα οφείλονται σε στιγμιαίες μεταβολές της θερμοκρασίας κυρίως λόγω του ανέμου που προκαλεί άμεση μεταβολή της. Κεφάλαιο 5

92 Σύγκριση λειτουργίας του CIS κατά τη Θερινή και τη Χειμερινή Περίοδο Τα φωτοβολταϊκά συστήματα, έχουν το μειονέκτημα ότι η τροφοδοσία τους δεν είναι σταθερή, καθώς τα ποσά της λαμβανόμενης ηλιακής ενέργειας μεταβάλλονται λόγω αλλαγής της θέσης του ήλιου σε σχέση με τη γη κατα τη διάρκεια της ημέρας, καθώς και λόγω άλλων διακυμάνσεων που οφείλονται σε μεταβολές καιρικών συνθηκών. Με άλλα λόγια, η ένταση της λαμβανόμενης ηλιακής ακτινοβολίας αυξομειώνεται μεταξύ μίας μέγιστης και μίας μηδενικής τιμής κατά τη διάρκεια ενός εικοσιτετραώρου, παρουσιάζοντας συχνά απότομες διακυμάνσεις. Όταν επικρατεί συννεφιά, η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται ανώμαλη. Ειδικά σε περιπτώσεις αραιής συννεφιάς, ενώ ο άνεμος μετακινεί το νέφος, η συλλέκτης λαμβάνει μία συνεχώς μεταβαλλόμενη ενέργεια με απότομες αυξομειώσεις (διάχυτη ακτινοβολία). AestivalSolstic WinterSolstic Irradiance( W/m ) Hours Σχήμα 5.25: Ηλιακή ακτινοβολία δύο τυπικών ημερών κατά τη θερινή και κατά τη χειμερινή περίοδο. Οι μετρήσεις της ακτινοβολίας που παρουσιάζονται στο διάγραμμα είναι για τις 23 Ιουλίου για τη θερινή περίοδο και 20 Ιανουαρίου για την χειμερινή Κεφάλαιο 5

93 83 Στο σχήμα 5.25, φαίνονται στο ίδιο διάγραμμα, η διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας μία τυπική καλοκαιρινή ημέρα η οποία διακρίνεται με την κόκκινη γραμμή και μία χειμερινή η οποία διακρίνεται με τη μπλε γραμμή. Κατά τη χειμερινή περίοδο, οι ώρες ηλιοφάνειας είναι λιγότερες, όχι μόνο γιατί η ανατολή του ήλιου συμβαίνει πιο αργά και η δύση νωρίτερα από ότι κατά τη θερινή περίοδο, αλλά και γιατί συνήθως επικρατεί έντονη συννεφιά. Αυτό, σαφώς έχει αντίκτυπο στα ποσά λαμβανόμενης ενέργειας από μία φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Summer Winter Power (W) Hours Σχήμα 5.26: Παράγωγη ισχύος του CIS, κατά τη διάρκεια μίας τυπικής καλοκαιρινής ημέρας και μίας μερικώς νεφελώδους χειμερινής. Στο διάγραμμα, οι τιμές για την τυπική καλοκαιρινή ημέρα αφορούν τις 8 Απριλίου για κλίση πλαισίου 30 0 και για την τυπική χειμερινή ημέρα αφορούν την 1 Δεκεμβρίου για κλίση πλαισίου 600 Ένα διάγραμμα που δείχνει την ισχύ που παράγει το CIS μία τυπική ημέρα κατά τη θερινή περίοδο και μία τυπική ημέρα κατά τη χειμερινή, φαίνεται στο σχήμα Με τη κόκκινη γραμμή διακρίνουμε τις τιμές που αφορούν την Κεφάλαιο 5

94 84 παραγόμενη ισχύ μία τυπική καλοκαιρινή ημέρα και με τη μπλε, τις τιμές που αφορούν την παραγόμενη ισχύ μία τυπική χειμωνιάτικη (συννεφιασμένη) ημέρα. Είναι σαφές, πώς όταν επικρατεί συννεφιά, η παραγωγή DC ισχύος είναι αρκετά μικρότερη συγκριτικά με ημέρες που έχουμε πολλές ώρες ηλιοφάνειας. Στο σχήμα 5.25 και στο σχήμα 5.26, με τη μπλε γραμμή, φαίνεται για μία τυπική χειμερινή ημέρα η διακύμανση της ηλιακής ενέργειας (σχήμα 5.25) και της παραγόμενης ισχύος του CIS (σχήμα 5.26). Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων που έγιναν τη χειμερινή περίοδο του έτους 2008, υπήρξαν αρκετές περιπτώσεις που η τιμή της ακτινοβολίας άλλαζε ραγδαία ακόμα και σε διάστημα δευτερολέπτων. Παράδειγμα μίας τέτοιας περίπτωσης, φαίνεται στο σχήμα Μία μέτρηση διαρκούσε περίπου ένα λεπτό και η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας άλλαζε απότομα και κυμαινόταν μεταξύ W/m2 και W/m2 με αποτέλεσμα να αλλάζει αντίστοιχα και η ισχύς που δίνει το CIS. Irradiance 1000 Irradianse W/m time (sec) Σχήμα 5.27: Μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας λόγω νεφοκάλυψης στη διάρκεια μίας μέτρησης. Η μέτρηση αυτή πραγματοποιήθηκε στις 8 Δεκεμβρίου Κεφάλαιο 5

95 85 Είναι σημαντικό λοιπόν, να γνωρίζουμε περίπου τις συνολικές ώρες ηλιοφάνειας μίας περιοχής πριν την τοποθέτηση φωτοβολταϊκών, ώστε να υπολογίσουμε τα ποσοστά της DC ισχύος που κατά μέσο όρο δύναται να παράγουν τα πλαίσια που θα τοποθετηθούν στη συγκεκριμένη περιοχή. Βάσει αυτού, θα γίνει υπολογισμός των απωλειών για μετατροπή σε AC και κατ' επέκταση το πόσο φορτίο μπορεί να καλύψει η συστοιχία τη θερινή και πόσο τη χειμερινή περίοδο Εύρεση βέλτιστης κλίσης τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου Ένα σημαντικό ερώτημα που καλείται να απαντήσει ένας μηχανικός κατά το σχεδιασμό ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, είναι η γωνία κλίσης στην οποία θα τοποθετηθούν οι συλλέκτες και επιπρόσθετα ο προσανατολισμός τους ως προς το Νότο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι συλλέκτες τοποθετούνται σε σταθερή κλίση που επιλέγεται έτσι ώστε η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας (γωνία των ακτίνων ηλίου με το ζενίθ) να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη, καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Στο βόρειο ημισφαίριο, η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη, για όλο το έτος, είναι περίπου ίση με το Γεωγραφικό Πλάτος του τόπου, αλλά λόγω μεταβολής της απόκλισης του ήλιου στη διάρκεια ενός έτους, η επικρατέστερη κλίση του φωτοβολταϊκού, είναι διαφορετική για κάθε εποχή [4]. Σε διάστημα μισής περίπου ώρας, γινόταν μία μέτρηση για κάθε μία από τις κλίσεις που επέτρεπε η βάση στην οποία ήταν τοποθετημένο το πλαίσιο, για να έχουμε μία πληθώρα μετρήσεων για διαφορετικές θερμοκρασίες και ακτινοβολίες για να έχουμε όσο το δυνατόν ασφαλή συμπεράσματα κατά την επεξεργασία τους και την διεξαγωγή των αποτελεσμάτων. Ένας ακόμα βασικός λόγος που γινόταν αυτό, ήταν η εύρεση της βέλτιστης κλίσης λειτουργίας για κάθε εποχή. Επίσης, καλό είναι να γνωρίζουμε την απόδοση του φωτοβολταϊκού Κεφάλαιο 5

96 86 που μελετάμε σε διάφορες κλίσεις λειτουργίας καθότι πολλές φορές, καλούμαστε ως μηχανικοί να τοποθετήσουμε τα φωτοβολταϊκά πλαίσια έτσι ώστε να εξοικονομηθεί χώρος σε κτήρια και να αντισταθμιστεί ένα μέρος του κόστους τους. Είναι αρκετές οι φορές πάλι, που ηλιακοί συλλέκτες τοποθετούνται σε τοίχους (γωνία κλίσης πλαισίου 900) κτηρίων με αποτέλεσμα να μην λαμβάνεται η μέγιστη ισχύς από αυτά. Είναι λοιπόν αναγκαίο να γίνει η μελέτη αυτή ώστε να δούμε τη μεταβολή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του CIS σε διαφορετικές κλίσεις, για να δούμε κατά πόσο είναι ικανό να καλύψει συγκεκριμένες ανάγκες όταν αυτό ζητηθεί. Ανάλογα λοιπόν με τις ανάγκες που καλείται να καλύψει μία φωτοβολταϊκή συστοιχία τόσο από πλευράς παραγωγής όσο και από πλευράς κόστους, πρέπει να γίνει μία μελέτη της λετουργίας του ηλιακού πλαισίου που θα χρησιμοποιηθεί, σε διάφορες κλίσεις τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Α. Χειμερινή Περίοδος: Voc Isc Isc (A) Voc (V) Angle (degrees) Σχήμα 5.28: Μεταβολή των χαρακτηριστικών μεγεθών VOC και ISC του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 και θερμοκρασία κυττάρου 370C Κεφάλαιο 5

97 87 Από το σχήμα 5.28, παρατηρούμε το ρεύμα να παίρνει τη μέγιστη τιμή του στις 600, την οποία γωνία θεωρούμε καλύτερη τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου για τη χειμερινή περίοδο. Pmpp Irradiance Pmpp (W) Irradiance (W/m ) Angle (degrees) Σχήμα 5.29: Μεταβολή της μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 και θερμοκρασία κυττάρου 370C Το γεγονός ότι η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος από το φωτοβολταϊκό πλαίσιο παίρνει τη μέγιστη τιμή του στις 600 επιβεβαιώνεται και από το σχήμα 5.29, όπου φαίνεται καθαρά ότι στην κλίση τοποθέτησης αυτή, έχουμε τα μεγαλύτερα ποσά προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και κατ' επέκταση μεγαλύτερη παραγόμενη ισχύ. Κεφάλαιο 5

98 88 efficiency Irradiance Irradiance W/m efficiency % Angle (degrees) Σχήμα 5.30: Μεταβολή του βαθμού απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 και θερμοκρασία κυττάρου 370C Στο σχήμα 5.30, φαίνεται και η μεταβολή του βαθμού απόδοσης συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του πλαισίου τη χειμερινή περίοδο. Αν και ο βαθμός απόδοσης είναι μεγαλύτερος για κλίση τοποθέτησης του πλαισίου στις 450, επιλέγεται καλύτερη κλίση για την εποχή 600, καθώς αυτή επιτρέπει μεγαλύτερα ποσά παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Β. Θερινή Περίοδος: Από το σχήμα 5.31, παρατηρούμε μεγαλύτερες τιμές παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος για κλίση τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου στις 300, την οποία και επιλέγουμε καλύτερη για τη θερινή περίοδο. Κεφάλαιο 5

99 89 Voc Isc Isc (A) Voc (V) Angle (degrees) Σχήμα 5.31: Μεταβολή των χαρακτηριστικών μεγεθών VOC και ISC του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 8 Απριλίου, ώρα 13:00 και θερμοκρασία κυττάρου 43.70C Pmpp Irradiance Power (W) Irradiance (W/m ) Angle (degrees) Σχήμα 5.32: Μεταβολή της μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 8 Απριλίου, ώρα 13:00 και θερμοκρασία κυττάρου 43.70C Κεφάλαιο 5

100 90 Αντίστοιχα, στις 300 έχουμε τη μεγαλύτερη παραγωγή ισχύος από το CIS, καθώς η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία για την κλίση αυτή είναι στα υψηλότερα ποσοστά, όπως φαίνεται στο σχήμα Στο σχήμα 5.33, φαίνεται και η μεταβολή του βαθμού απόδοσης συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του πλαισίου τη θερινή περίοδο. Αν και ο βαθμός απόδοσης είναι μεγαλύτερος για κλίση τοποθέτησης του πλαισίου στις 450, επιλέγεται καλύτερη κλίση για την εποχή 300, καθώς αυτή επιτρέπει μεγαλύτερα ποσά παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος. efficiency Irradiance efficiency % Irradiance W/m Angle (degrees) Σχήμα 5.33: Μεταβολή του βαθμού απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 8 Απριλίου, ώρα 13:00 και θερμοκρασία κυττάρου 43.70C Είναι φανερό, ότι για διαφορετικές εποχές, έχουμε και διαφορετικές βέλτιστες κλίσεις για την απόδοση του φωτοβολταϊκού, ώστε να έχουμε τα μεγαλύτερα ποσά παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος από αυτό, συνολικά σε ένα Κεφάλαιο 5

101 91 έτος. Τις περισσότερες όμως φορές, επιλέγονται δύο κλίσεις, μία για τους θερινούς και μία για τους χειμερινούς μήνες. Εάν αυτό δεν είναι δυνατό, συνήθως επιλέγεται ως κλίση τοποθέτησης του συλλέκτη όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το Γεωγραφικό Πλάτος της περιοχής. Παρατηρώντας και πάλι το σχήμα 5.29 και το σχήμα 5.32, βλέπουμε πώς οι 38 0, που είναι το Γεωγραφικό Πλάτος της Πάτρας είναι μία ικανοποιητική κλίση και για τις δύο περιόδους, τη χειμερινή και τη θερινή Επίδραση φυσικής Σκίασης στις χαρακτηριστικές παραμέτρους φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ, τύπου CIS Ένας άλλος παράγοντας που επιδρά αρνητικά στη DC ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι η σκίαση. Το φαινόμενο αυτό, συμβαίνει συνήθως σε περιπτώσεις όπου υπάρχουν εμπόδια όπως παρακείμενα κτήρια, βλάστηση κλπ. Επίσης, σε περιπτώσεις φωτοβολταϊκών πάρκων, τα οποία αποτελούνται από πολλές διαδοχικές σειρές συστοιχιών καθώς και σε άλλες περιπτώσεις με περιορισμένη έκταση εγκατάστασης, όπως λόγου χάρη σε στέγες κτηρίων, προκαλείται σκίαση από τη μία σειρά στην επόμενη. Ειδικά στην περίπτωση αυτή, είναι αναγκαίος ο προσδιορισμός των απωλειών ενέργειας που προκαλούν. Στην ενότητα αυτή, γίνεται μία προσέγγιση του φαινομένου της σκίασης καθώς και των επιδράσεων στην ηλεκτρική συμπεριφορά του ηλιακού συλλέκτη λεπτού φιλμ CIS. Κατά τη διεξαγωγή των μετρήσεων, το ηλιακό πλαίσιο σκιαζόταν όπως φαίνεται στο σχήμα Στο σημείο αυτό να πούμε ότι με τον όρο φυσική σκίαση εννοούμε σκίαση που μπορεί να προκύψει από κάποιο παρακείμενο αντικείμενο που σκιάζει τυχαία την φωτοβολταϊκή επιφάνεια όπως π.χ ένα δέντρο, μία ανθρώπινη φιγούρα κλπ. Κεφάλαιο 5

102 92 Σχήμα 5.34: Τρόπος φυσικής σκίασης του CIS κατά τη διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων NonShadowed Shadowed Current (A) Voltage (V) Σχήμα 5.35: Στο διάγραμμα φαίνονται δύο χαρακτηριστικές I-V καμπύλες όπου στη μία το φωτοβολταϊκό πλαίσιο λειτουργεί κανονικά και στην άλλη σκιάζεται το 30% περίπου της επιφάνειάς του. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 με κλίση πλαισίου 600. Οι δύο μετρήσεις έγιναν υπό θερμοκρασία περιβάλλοντος 17.60C. Όταν το πλαίσιο δεν σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου του CIS ήταν 370C και η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν W/m2. Όταν το πλαίσιο σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου ήταν 39.10C και η πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας ήταν 1089,43 W/m2 Η σκίαση που φαίνεται στο σχήμα 5.34, εφαρμόστηκε στο πλαίσιο αφού είχε αρχικά πραγματοποιηθεί μία μέτρηση χωρίς να σκιάζεται. Οι δύο μετρήσεις μεταξύ τους, είχαν χρονική διαφορά μικρότερη των δύο λεπτών και έγιναν σχετικά κάτω από τις ίδιες συνθήκες για να μπορέσουμε να συγκρίνουμε πόσο Κεφάλαιο 5

103 93 μειώνεται η απόδοση του πλαισίου όταν σκιάζουμε το 30% περίπου της επιφάνειάς του. Στο σχήμα 5.35 και στο σχήμα 5.36, φαίνεται πώς διαμορφώνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V του πλαισίου όταν αυτό σκιαστεί. Power PowerShadowed Power (W) Voltage (V) Σχήμα 5.36: Στο διάγραμμα φαίνονται δύο χαρακτηριστικές P-V καμπύλες όπου στη μία το φωτοβολταϊκό πλαίσιο λειτουργεί κανονικά και στην άλλη σκιάζεται το 30% περίπου της επιφάνειάς του. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 με κλίση πλαισίου 600. Οι δύο μετρήσεις έγιναν υπό θερμοκρασία περιβάλλοντος 17.60C. Όταν το πλαίσιο δεν σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου του CIS ήταν 370C και η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν W/m2. Όταν το πλαίσιο σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου ήταν 39.10C και η πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας ήταν 1089,43 W/m2 Πριν προχωρήσουμε στην ανάλυση των αποτελεσμάτων κάτω από συνθήκες σκίασης, να σημειώσουμε ότι δεν λαμβάνουμε υπόψιν την απόσταση μεταξύ του πλαισίου και του αντικειμένου της σκίασης, παρά μόνο το ποσοστό της σκιασμένης επιφάνειας. Παρ' όλα αυτά, μπορούμε να βγάλουμε ικανοποιητικά συμπεράσματα. Στο σχήμα 5.31 φαίνεται η ημερήσια καμπύλη μέγιστης ισχύος για το Κεφάλαιο 5

104 94 φωτοβολταϊκό πλαίσιο λεπτού φιλμ για τις δύο περιπτώσεις. Η μία υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας και η άλλη υπό συνθήκες σκίασης του 30% περίπου της φωτοβολταϊκής επιφάνειας. Για κάθε ώρα, γινόταν μία μέτρηση χωρίς σκίαση και μία με σκίαση. Κάθε φορά, υπολογίζεται το σημείο μέγιστης ισχύος και μετά χαράσσεται η ημερήσια καμπύλη ισχύος και για τις δύο περιπτώσεις όπως φαίνεται στο σχήμα Pmpp PmppShadowed Pmpp (W) Hour Σχήμα 5.37: Στο διάγραμμα φαίνονται δύο ημερήσιες χαρακτηριστικές καμπύλες μέγιστης ισχύος όπου στη μία το φωτοβολταϊκό πλαίσιο λειτουργεί κανονικά και στην άλλη σκιάζεται το 30% περίπου της επιφάνειάς του. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις 20 Νοεμβρίου με κλίση πλαισίου 600. Οι δύο μετρήσεις έγιναν υπό θερμοκρασία περιβάλλοντος 17.60C. Όταν το πλαίσιο δεν σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου του CIS ήταν 370C και η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν W/m2. Όταν το πλαίσιο σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου ήταν 39.10C και η πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας ήταν 1089,43 W/m2 Από το σχήμα 5.37, παρατηρούμε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό μείωσης στην ηλεκτρική παραγωγή του φωτοβολταϊκού έχουμε την ώρα μέγιστης ακτινοβολίας, δηλαδή για την περίπτωση που μελετάμε στις 12:00 η ώρα. Στον Κεφάλαιο 5 πίνακα 5.3, παρουσιάζονται οι τιμές των χαρακτηριστικών

105 95 παραμέτρων VOC, ISC και PMPP και βαθμός απόδοσης η% στις δύο περιπτώσεις την ώρα μέγιστης ηλιακής ακτινοβολίας (12:00), για να γίνει μία σύγκριση των αποτελεσμάτων. Τάση VOC Ρεύμα ISC Μέγιστη Μείωση Ισχύς PMPP Μέγιστης Ισχύος Μη Σκιασμένο Φ/Β 42.7 V A W Σκιασμένο Φ/Β 41.8 V A W 0% 27.37% Πίνακας 5.3: Τιμές χαρακτηριστικών παραμέτρων φωτοβολταϊκού πλαισίου τύπου CIS όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες σκίασης του 30% της επιφάνειάς του. Οι τιμές αφορούν μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στις 20 Νοεμβρίου με κλίση πλαισίου 600. Οι δύο μετρήσεις έγιναν υπό θερμοκρασία περιβάλλοντος 17.60C. Όταν το πλαίσιο δεν σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου του CIS ήταν 370C και η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν W/m2. Όταν το πλαίσιο σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου ήταν 39.10C και η πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας ήταν 1089,43 W/m2 Παρατηρούμε από τις τιμές που φαίνονται στον πίνακα 5.3 πως, όταν ο συλλέκτης δε σκιάζεται (στην περίπτωση την οποία μελετάμε), παράγει ισχύ W. Όταν όμως σκιαστεί κάτω από τις ίδιες συνθήκες το 30% περίπου της επιφάνειας του πλαισίου, έχουμε μείωση της παραγόμενης ισχύος κατά 21W περίπου. Αυτό, αντιστοιχεί σε μείωση της μέγιστης παραγόμενης ισχύος της τάξεως του 27.37%. Σαφώς η σκίαση έχει αρνητική επίδραση και η διαφορά της ισχύος αιχμής είναι μεγάλη Σύγκριση παραγόμενης ισχύος φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ τύπου CIS, με μονοκρυσταλλικού πυριτίου σε συνθήκες φυσικής σκίασης Όπως είδαμε πιο πάνω, η σκίαση έχει αρνητική επίδραση και η διαφορά Κεφάλαιο 5

106 96 της ισχύος αιχμής είναι μεγάλη. Παρ' όλα αυτά όμως, το CIS έχει καλύτερη απόδοση υπό συνθήκες σκίασης σε σχέση με φωτοβολταϊκά πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Στον ίδιο χώρο και κάτω από ίδιες σχεδόν εξωτερικές συνθήκες, πραγματοποιήθηκαν με τον ίδιο εργαστηριακό εξοπλισμό μετρήσεις σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου 80W. Το ποσοστό της σκιασμένης επιφάνειας ήταν επίσης περίπου 30% (12 κύτταρα). 60 degrees 60 d e g re e s_sh a d o w e d 5 C u r r e n t (A ) V o lta g e (V ) Σχήμα 5.38: Χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος τάσης, φωτοβολταϊκού πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου ονομαστικής ισχύος 80W, για γωνία κλίσης 600 στις 20 Νοεμβρίου την ώρα της μέγιστης ακτινοβολίας (13:00, W/m2), όταν το πλαίσιο λειτουργεί κανονικά (Θερμοκρασία κυττάρου 34.2o C) και όταν σκιάζεται φυσικά (Θερμοκρασία κυττάρου 35.3o C) Στο σχήμα 5.38 [15], απεικονίζονται οι χαρακτηριστικές I-V καμπύλες για το πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες σκίασης. Είναι εμφανής η μεγάλη επίδραση της σκίασης σε πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Υπολογίζεται μείωση της παραγόμενης ισχύος τις ώρες μέγιστης ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει το 79.43% [15] σε αντίθεση με το πλαίσιο λεπτού φιλμ CIS που το ποσοστό μείωσης είναι 27.37% σε Κεφάλαιο 5

107 97 αντίστοιχη μέτρηση όπως φαίνεται στον πίνακα CurrentCIS CurrentSi CurrentCISsh CurrentSish 70.7W Current (A) W 54.9W W Voltage (V) Σχήμα 5.39: Χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος τάσης φωτοβολταϊκού πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου και CIS κάτω από περίπου ίδιες συνθήκες λειτουργίας και κάτω από ίδιες περίπου συνθήκες σκίασης. Οι δύο μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις 20 Νοεμβρίου υπό κλίση πλαισίου 600. Στο σχήμα 5.39, παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές I-V καμπύλες των φωτοβολταϊκών πλαισίων μονοκρυσταλλικού πυριτίου και CIS, όπου είναι εμφανές πώς το πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου παράγει μεγαλύτερα ποσά ρεύματος σε αντίθεση με το CIS. Όσον αφορά την τάση, στην έξοδο του CIS αναπτύσσονται μεγαλύτερες τιμές σε αντίθεση με την τάση που αναπτύσσεται στην έξοδο του πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Επίσης στο σχήμα 5.39 φαίνονται οι χαρακτηριστικές I-V καμπύλες των φωτοβολταϊκών πλαισίων μονοκρυσταλλικού πυριτίου και CIS υπό συνθήκες σκίασης του 30% περίπου της ενεργούς επιφάνειας των πλαισίων. Διαπιστώνουμε καλύτερη συμπεριφορά του CIS υπό συνθήκες σκίασης καθώς η μείωση του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος που παρατηρείται είναι αρκετά μικρότερη σε αντίθεση με αυτή του Κεφάλαιο 5

108 98 μονοκρυσταλλικού πυριτίου Μετρήσεις σε συνθήκες οριζόντιας και κάθετης σκίασης με PVPM 2540C Στα πλαίσια μελέτης της επίδρασης της σκίασης, έγινε επίσης οριζόντια και κάθετη σκίαση του 30% περίπου της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS. Το ποσοστό σκίασης για τις δύο περιπτώσεις πιθανόν να αποκλίνει του 30% σε αντίθεση με το προηγούμενο είδος σκίασης που μελετήθηκε, όπου το ποσοστό σκίασης της επιφάνειας του πλαισίου είναι πιο κοντά στο 30%. Να σημειώσουμε ότι οι μετρήσεις αυτές δεν έγιναν χρησιμποποιώντας την πειραματική διάταξη που περιγράφηκε στην παράγραφο 5.1, αλλά έγιναν χρησιμοποιώντας μία συσκευή μέτρησης ισχύος αιχμής και I-V καμπύλων ( Peak Power Measuring Device and I-V-Curve Tracer, PVPM 2540C). Current Power Power (W) Current (A) Voltage (V) Σχήμα 5.40: Χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης και ισχύος τάσης για μέτρηση που πραγματοποιήθηκε στις 6 Οκτωβρίου, ώρα 10:30, υπό ηλιακή ακτινοβολία W/m2, θερμοκρασία κυττάρου 440C και κλίση πλαισίου 600. Κεφάλαιο 5

109 99 Πραγματοποιήθηκε λοιπόν πρώτα μία μέτρηση χωρίς καμία σκίαση υπό ηλιακή ακτινοβολία W/m2. Η χαρακτηριστική I-V καμπύλη της μέτρησης αυτής φαίνεται στο σχήμα Επίσης φαίνεται η χαρακτηριστική P-V καμπύλη της μέτρησης που πραγματοποιήθηκε χωρίς καμία σκίαση, όπου φαίνεται ότι το φωτοβολταϊκό πλαίσιο είχε τη δυνατότητα να παράγει 48.3W ηλεκτρικής ισχύος. Α. Οριζόντια σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS με PVPM 2540C: Η οριζόντια σκίαση της φωτοβολταϊκής επιφάνειας έγινε όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 5.41: Τρόπος οριζόντιας σκίασης του 30% της επιφάνειας του CIS κατά τη διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων Στο σχήμα 5.42 φαίνονται στο ίδιο διάγραμμα οι I-V και P-V καμπύλες για μέτρηση με οριζόντια σκίαση η οποία πραγματοποιήθηκε με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 658 W/m2. Η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς κατά την οριζόντια σκίαση του 30% της ενεργούς επιφάνειας του πλαισίου είναι στα 20.8W. Αυτό αντιστοιχεί σε μείωση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος κατά 57%. Στον πίνακα 5.4 φαίνονται οι τιμές χαρακτηριστικών παραμέτρων φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες οριζόντιας σκίασης του 30% της επιφάνειάς του. Κεφάλαιο 5

110 100 Σχήμα 5.42: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V μέτρησης που πραγματοποιήθηκε σε πλαίσιο CIS με οριζόντια σκίαση του 30% της ενεργούς του επιφάνειας στις 6 Οκτωβρίου, ώρα 10:30, υπό ηλιακή ακτινοβολία 658 W/m2, θερμοκρασία κυττάρου 440C και κλίση πλαισίου 600. Τάση VOC Ρεύμα ISC Μέγιστη Μείωση Μέγιστης Ισχύς PMPP Ισχύος Μη Σκιασμένο Φ/Β V 1.83 A 48.3W 0% Σκιασμένο Φ/Β 37.5 V 1.79 A 20.8W 57% Πίνακας 5.4: Τιμές χαρακτηριστικών παραμέτρων φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες οριζόντιας σκίασης του 30% της επιφάνειάς του. Οι τιμές αφορούν μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στις 6 Οκτωβρίου με κλίση πλαισίου 600.Η θερμοκρασία κυττάρου του CIS ήταν 440C και η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν W/m2 όταν το πλαίσιο δεν σκιαζόταν και 658 W/m2 όταν σκιαζόταν. Κεφάλαιο 5

111 101 Β. Κάθετη σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS με PVPM 2540C : Η κάθετη σκίαση της φωτοβολταϊκής επιφάνειας έγινε όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 5.43: Τρόπος κάθετης σκίασης του 30% της επιφάνειας του CIS κατά τη διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων Σχήμα 5.44: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V μέτρησης που πραγματοποιήθηκε σε πλαίσιο CIS με κάθετη σκίαση του 30% της ενεργούς του επιφάνειας στις 6 Οκτωβρίου, ώρα 10:30, υπό ηλιακή ακτινοβολία 645 W/m2, θερμοκρασία κυττάρου 46.60C και κλίση πλαισίου 600. Αντίστοιχα, όπως είδαμε και στην περίπτωση οριζόντιας σκίασης που αναφέρθηκε, στο σχήμα 5.44 φαίνονται στο ίδιο διάγραμμα οι I-V και P-V Κεφάλαιο 5

112 102 καμπύλες για μέτρηση με κάθετη σκίαση η οποία πραγματοποιήθηκε με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 645 W/m2. Η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς κατά την οριζόντια σκίαση του 30% της ενεργούς επιφάνειας του πλαισίου είναι στα 29.8W. Αυτό αντιστοιχεί σε μείωση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος κατά 25.7%. Στον πίνακα 5.5 φαίνονται οι τιμές χαρακτηριστικών παραμέτρων φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες κάθετης σκίασης του 30% της επιφάνειάς του. Τάση VOC Ρεύμα ISC Μέγιστη Ισχύς PMPP Μείωση Μέγιστης Ισχύος Μη Σκιασμένο Φ/Β V 1.83 A 48.3W 0% Σκιασμένο Φ/Β 38.6 V 1.23 A 29.8W 38.3% Πίνακας 5.5: Τιμές χαρακτηριστικών παραμέτρων φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες κάθετης σκίασης του 30% της επιφάνειάς του. Οι τιμές αφορούν μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στις 20 6 Οκτωβρίου με κλίση πλαισίου 600.Η θερμοκρασία κυττάρου του CIS ήταν 46.60C και η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν W/m2 όταν το πλαίσιο δεν σκιαζόταν και 645 W/m2 όταν σκιαζόταν. Από τα στοιχεία του πίνακα 5.4 και 5.5, παρατηρούμε ότι μεγαλύτερη μείωση στην παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος έχουμε κατά την οριζόντια σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου παρά κατά την κάθετη, καθότι τα ποσοστά μείωσης της παραγόμενης ισχύος κατά την οριζόντια σκίαση του πλαισίου, φτάνουν το 57% Παραγωγή Ισχύος του CIS σε Πραγματικές Συνθήκες Έχουμε δει μέχρι τώρα, πώς επιδρά η θερμοκρασία γενικότερα στις χαρακτηριστικές παραμέτρους του CIS και στην απόδοση υπό σταθερή ηλιακή Κεφάλαιο 5

113 103 ακτινοβολία. Επίσης, μελετήθηκε η συμπεριφορά παραμέτρων του φωτοβολταϊκού πλαισίου και η εξάρτησή των από την ηλιακή ακτινοβολία, υπό σταθερή κατά το περισσότερο δυνατό θερμοκρασία κυττάρου. Οι δύο πιο πάνω καταστάσεις δύσκολα μπορούν να συμβούν καθότι η θερμοκρασία λειτουργίας του συλλέκτη έχει άμεση σχέση με τα ποσά της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτουν στην επιφάνεια του. Δηλαδή, όσο μεγαλύτερη είναι η ηλιακή ακτινοβολία, τόσο μεγαλύτερη είναι και η θερμοκρασία που αναπτύσσει το πλαίσιο κάτω από μικρές μεταβολές της θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επίσης, ρεύματα αέρα, είναι ικανά να αλλάξουν την θερμοκρασία ακαριαία, με αποτέλεσμα να μην παραμένει σταθερή για πολύ ώρα, ειδικά ημέρες που οι άνεμοι ταξιδεύουν με υψηλές ταχύτητες. Εάν συγκεντρώσουμε σε ένα διάγραμμα, μετρήσεις που έγιναν κάτω από διάφορες τιμές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίες κυττάρου, μπορούμε να δούμε πώς συμπεριφέρεται το CIS στις πιο συνηθισμένες για την Πάτρα καιρικές συνθήκες, κατά τη διάρκεια του έτους. Στο σχήμα 5.45, φαίνεται η ισχύς που δύναται να παράξει το φωτοβολταϊκό πλαίσιο λεπτού φιλμ τύπου CIS, συναρτήσει της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και της αντίστοιχης θερμοκρασίας κυττάρου του συλλέκτη. Στο σημείο αυτό να πούμε ότι το συγκεκριμένο διάγραμμα δεν αντιπροσωπεύει την επίδραση της θερμοκρασίας και της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στη λειτουργία του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Αναφέρεται ενδεικτικά σε πραγματικές εξωτερικές συνθήκες μέτρησης για την Πάτρα, μόνο για το ακαδημαϊκό έτος Παρατηρώντας το σχήμα 5.45, διαπιστώνουμε πώς ανεξαρτήτως της θερμοκρασίας, η παραγόμενη ισχύς είναι σαφώς μεγαλύτερη, όσο πιο μεγάλα είναι τα ποσά της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Επίσης, παρατηρούμε πώς όσο η ηλιακή ακτινοβολία είναι χαμηλή, δεν αναπτύσσονται εύκολα μεγάλες θερμοκρασίες στην επιφάνεια του συλλέκτη. Καθώς η ηλιακή ακτινοβολία αυξάνεται και η θερμοκρασία κυττάρου του πλαισίου μπορεί να Κεφάλαιο 5

114 104 φτάσει μέχρι και τους 320C περίπου, η παραγόμενη ισχύς μεταβάλλεται σχεδόν γραμμικά με την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας, χωρίς να επηρεάζεται ουσιαστικά από την θερμοκρασία. Για μεγαλύτερες όμως τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας, η θερμοκρασία κυττάρου του συλλέκτη μπορεί να αυξηθεί αρκετά, επηρεάζοντας αρνητικά την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Διαπιστώνουμε πώς η κλίση τμημάτων της ευθείας που αντιπροσωπεύει την μεταβολή της θερμοκρασίας (μπλε γραμμή), είναι μεγάλη όταν η θερμοκρασία αυξάνεται και μικρότερη όταν αυτή μειώνεται. Αποτέλεσμα αυτού, όπως φαίνεται καθαρά και από το διάγραμμα, μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας δεν επιτρέπει μεγάλη απόδοση του φωτοβολταϊκού. Temperature Irradiance Irradiance (W/m ) Temperature( C) Power (W) Σχήμα 5.45: Ισχύς που δίνει το φωτοβολταϊκό πλαίσιο τύπου CIS, συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου και της ηλιακής ακτινοβολίας. Το διάγραμμα περιλαμβάνει μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν καθ' όλη τη διάρκεια του έτους σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Αγνοώντας για λίγο την επίδραση της θερμοκρασίας στην αποδιδόμενη Κεφάλαιο 5

115 105 ηλεκτρική ισχύ του συλλέκτη, θα δούμε με ένα ιστόγραμμα (σχήμα 5.46) ότι τα ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας που μετατρέπει σε ηλεκτρική το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, είναι ελάχιστα σε σχέση με αυτά που προσπίπτουν στην επιφάνεια του. Αυτό έχει βέβαια να κάνει με το βαθμό απόδοσης του, ο οποίος είναι αντιστρόφως ανάλογος της ηλιακής ακτινοβολίας, αλλά όταν τα ποσά αυτής είναι μεγάλα, τότε η συνολική παραγόμενη ισχύς αυξάνεται. Στο σχήμα 5.46, βλέπουμε τη μεγάλη διαφορά μεταξύ της ηλιακής ενέργειας που λαμβάνει το φωτοβολταϊκό ενεργής επιφάνειας 0.72m2 και αυτής που μπορεί να μετατρέψει σε ηλεκτρική. Σχήμα 5.46: Πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας και αντίστοιχη παραγόμενη ισχύς τις ώρες αιχμής για τρεις τυπικές μέρες του έτους. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα πραγματοποιήθηκαν (1) 23 Οκτωβρίου με θερμοκρασία κυττάρου 410C και κλίση πλαισίου 300 (2) 20 Ιανουαρίου με θερμοκρασία κυττάρου 300C και κλίση πλαισίου 600 (3) 8 Απριλίου με θερμοκρασία κυττάρου 440C και κλίση πλαισίου Υπολογισμός Ετήσιας Παραγωγής ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου τύπου CIS, σε kwh Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε για ένα πλαίσιο πριν την εγκατάστασή Κεφάλαιο 5

116 106 του, πόση ισχύ μπορεί κατά μέσο όρο να παράξει τη χειμερινή και πόσο τη θερινή περίοδο ώστε να αποφασιστεί αν είναι ικανό να καλύψει το φορτίο για το οποίο προορίζεται. AveragePowerSummer AveragePowerWinter Pmpp (W) Hours Σχήμα 5.47: Μέση ημερήσια παραγωγή ισχύος τη θερινή περίοδο (Απρίλιος-Οκτώβριος) και χειμερινή περίοδο (Νοέμβριος-Μάρτιος) από φωτοβολταϊκό τύπου CIS κατά το ακαδημαϊκό έτος Βάσει των μετρήσεων που έγιναν κατά το ακαδημαϊκό έτος , έχουμε καταλήξει στις μέσες τιμές απόδοσης, τόσο για τους χειμερινούς όσο και για τους καλοκαιρινούς μήνες. Πριν προχωρήσουμε σε περαιτέρω ανάλυση, να πούμε ότι χειμερινή θεωρήσαμε την περίοδο από Νοέμβριο μέχρι Μάρτιο και θερινή, από Απρίλιο μέχρι και Οκτώβριο. Η επιλογή αυτή, έγινε βάσει των ωρών ηλιοφάνειας που είχαμε κάθε μήνα και κατ' επέκταση, το συνολικό ποσό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Να αναφέρουμε στο σημείο αυτό, ότι η μέση ηλιακή ακτινοβολία κατά τη θερινή περίοδο τις ώρες αιχμής υπολογίζεται βάσει των μετρήσεων που έγιναν το ακαδημαϊκό έτος στα 980 W/m2 Κεφάλαιο 5

117 107 και για την χειμερινή στα 750 W/m2. Σαφώς, αν είχαμε στη διάθεσή μας και μετρήσεις προηγούμενων ετών, τα αποτελέσματα θα ήταν ακριβέστερα. Αυτό όμως δεν είναι εφικτό να γίνει στα χρονικά πλαίσια εκπόνησης μίας διπλωματικής εργασίας. Στο σχήμα 5.47, δίνεται στο ίδιο διάγραμμα, η μέση ημερήσια παραγόμενη ισχύς του CIS το οποίο μελετάμε για κάθε ώρα, για χειμώνα και καλοκαίρι. Οι μέσες τιμές υπολογίστηκαν για τη βέλτιστη κλίση κάθε περιόδου όπως αναφέρονται στο υποκεφάλαιο 5.5, δηλαδή για 300 κλίσης τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου για τη θερινή περίοδο και 600 για την χειμερινή. Από το σχήμα 5.47, φαίνεται πώς η μέση ημερήσια παραγωγή ισχύος το καλοκαίρι φτάνει περίπου τα 70W τις ώρες αιχμής, ενώ η εγκατεστημένη ισχύς είναι στα 75W. Τη χειμερινή περίοδο παρατηρούμε μία μειωμένη παραγωγή όπου τις ώρες αιχμής, έχουμε DC ηλεκτρική ενέργεια κοντά στα 52W. Έχουμε μέχρι τώρα τη μέση ημερήσια παραγωγή του φωτοβολταϊκού πλαισίου που μελετάμε κατά τη θερινή και την χειμερινή περίοδο. Η παραγωγή ενέργειας από τον ήλιο είναι εξαιρετικά προβλέψιμη καθώς εξαρτάται από τις ώρες ηλιοφάνειας στην περιοχή που είναι εγκατεστημένο το φωτοβολταϊκό σύστημα. Αυτό όμως που ουσιαστικά μας ενδιαφέρει, είναι πόσες κιλοβατώρες (kwh) μας δίνει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα σε ετήσια βάση. Έχοντας βρει λοιπόν μέση ημερήσια παραγωγή κατά τη θερινή και τη χειμερινή περίοδο (σχήμα 5.35), μπορούμε να υπολογίσουμε πόσες κιλοβατώρες (kwh) μπορεί να μας δώσει ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο στην έξοδό του, εγκατεστημένης ισχύος 75W τύπου CIS ετησίως. Από τις πειραματικές μετρήσεις υπολογίζεται λοιπόν η μέση ημερήσια παραγόμενη ενέργεια για τη θερινή περίοδο στις Wh/day. Η θερινή περίοδος έχει διάρκεια 214 ημέρες (Απρίλιος-Οκτώβριος) άρα Κεφάλαιο 5

118 108 προκύπτει: Μέση παραγόμενη ενέργεια κατά τη θερινή περίοδο, Wh/day * 214 days= kwh Η μέση ημερήσια παραγόμενη ενέργεια για τη χειμερινή περίοδο, υπολογίζεται στις Wh/day. Η χειμερινή περίοδος έχει διάρκεια 151 ημέρες (Νοέμβριος-Μάρτιος) άρα προκύπτει: Μέση παραγόμενη ενέργεια κατά τη χειμερινή περίοδο, Wh/day*151 days=37.04 kwh Άρα λοιπόν η ετήσια παραγόμενη ενέργεια ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου προκύπτει: = kwh Η ετήσια παραγόμενη ενέργεια σε kwh/m2 είναι: /0.72= kwh/m2 Η ετήσια παραγόμενη ενέργεια ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ τύπου CIS ανά εγκατεστημένο Watt είναι: /0.075= kwh/year/kwp Κεφάλαιο 5

119 109 Αυτή η τιμή αντιπροσωπεύει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του πλαισίου λεπτού φιλμ 75W, για το ακαδημαϊκό έτος στη διάρκεια του οποίου πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις. Αντίστοιχοι υπολογισμοί κάποια άλλη χρονιά, πολύ πιθανόν να κατέληγαν σε διαφορετικά αποτελέσματα λόγω διαφορετικών καιρικών συνθηκών. Στη συνέχεια γίνεται ένας θεωρητικός υπολογισμός [16] για την μέση παραγόμενη ενέργεια, όπου χρησιμοποιούνται δεδομένα για τη συνολική μηνιαία ακτινοβολία κάθε περιόδου για την Πάτρα [4]. Για την θερινή περίοδο τα δεδομένα αφορούν επίπεδο με κλίση 300 και για τη χειμερινή περίοδο επίπεδο με κλίση 600, με προσανατολισμό προς το Νότο και για τις δύο περιόδους. Κατά τον θεωρητικό υπολογισμό, προκύπτει ότι κατά τη θερινή περίοδο η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι 85.2 kwh και για τη χειμερινή περίοδο είναι 37.2 kwh. Η παρατηρούμενη διαφορά μεταξύ των πειραματικών και των θεωρητικών υπολογισμών της παραγόμενης ενέργειας ανά περίοδο, οφείλεται στο γεγονός ότι η συνολική ηλιακή ακτινοβολία που χρησιμοποιήθηκε θεωρητικά, αποκλίνει από τις αντίστοιχες τιμές που σημειώθηκαν πειραματικά. Συγκεκριμένα, πειραματικά έχουμε για τη θερινή περίοδο συνολική ηλιακή ακτινοβολία 1494 kwh/m2 και για τη χειμερινή kwh/m2, που αντιστοιχεί σε ετήσια παραγόμενη ενέργεια kwh. Για αποτελεσματικότερη εκμετάλλευση των δυνατοτήτων του φωτοβολταϊκού, πρέπει να προσαρμόσουμε την αντίσταση του καταναλωτή την οποία επιθυμούμε να συνδέσουμε στα άκρα του πλαισίου, ώστε η τάση και το ρεύμα σε αυτόν, να αντιστοιχούν στο Σημείο Μέγιστης Ισχύος. Η ευθεία που προκύπτει στα διαγράμματα που θα δούμε στη συνέχεια, παριστάνει το ρεύμα που διαρρέει τη διάταξη, σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση και ονομάζεται καμπύλη φορτίου. Πειραματικά, η εξάρτηση του ρεύματος από την τάση, προκύπτει με τη μέτρηση του ρεύματος που διαρρέει το φορτίο και Κεφάλαιο 5

120 110 την τάση στην είσοδο του. Το κοινό σημείο μεταξύ της καμπύλης φορτίου και της χαρακτηριστικής IV, καθορίζει το ρεύμα και την τάση στο φορτίο και ονομάζεται Σημείο Λειτουργίας του συστήματος. Στην περίπτωση που το φορτίο είναι ωμική αντίσταση, η παράσταση της καμπύλης φορτίου είναι ευθεία γραμμή. Στις γραφικές παραστάσεις που παρατίθενται πιο κάτω, έχει σχεδιαστεί η ευθεία φορτίου για την ωμική αντίσταση εκείνη που προσδιορίζει ώστε το Σημείο Λειτουργίας να είναι ταυτόσημο με το σημείο μέγιστης ισχύος. Όταν μεταβάλλεται η ηλιακή ακτινοβολία, η χαρακτηριστική I-V αλλάζει και για δεδομένο φορτίο, το Σημείο Λειτουργίας δεν θα συμπίπτει πλέον με το σημείο μέγιστης ισχύος. Ο λόγος που μελετάμε την περίπτωση αυτή ξεχωριστά για θερινή και χειμερινή περίοδο, είναι γιατί τότε έχουμε μεγάλες διαφορές στα ποσά της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι σημαντικό το Σημείο Λειτουργίας να συμπίπτει με το εκάστοτε σημείο μέγιστης ισχύος, ώστε να αποδίδεται στο φορτίο η μέγιστη δυνατή ισχύς. Αυτό γίνεται εφικτό με χρήση ειδικών ηλεκτρονικών διατάξεων παρακολούθησης του σημείου μέγιστης ισχύος, όταν οι συνθήκες αλλάζουν [7]. Στη συνέχεια θα δούμε τόσο για τη θερινή όσο και για τη χειμερινή περίοδο, τις χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V δύο τυπικών ημερών που προσεγγίζουν τις μέσες τιμές παραγόμενης ισχύος που υπολογίστηκαν πιο πάνω και φαίνονται στο σχήμα 5.47, για τις ώρες αιχμής. Έτσι, θα μπορέσουμε να δούμε κατά μέσο όρο πού βρίσκεται το σημείο βέλτιστης λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για τη θερινή και χειμερινή περίοδο. Στο σχήμα 5.48 και στο σχήμα 5.49, φαίνονται τα διαγράμματα που προσδιορίζουν κατά μέσο όρο το σημείο βέλτιστης λειτουργίας τις ώρες αιχμής τόσο για τη θερινή όσο και για τη χειμερινή περίοδο αντίστοιχα. Στα γραφήματα αυτά, χαράσσεται επίσης και η καμπύλη φορτίου και για τις δύο περιόδους τις Κεφάλαιο 5

121 111 ώρες μέγιστης ηλιακής ακτινοβολίας (ηλιακό μεσημέρι). Στη συνέχεια υπολογίζεται προσεγγιστικά ο ωμικός καταναλωτής που αν συνδεθεί με το φωτοβολταϊκό πλαίσιο τις ώρες αιχμής, του επιτρέπει το σημείο λειτουργίας του να συμπίπτει με το εκάστοτε σημείο μέγιστης ισχύος, ώστε να αποδίδεται σε αυτόν η μέγιστη δυνατή ισχύς. Current Power P=f(V) Pm 2.5 Im Pm=ImVm Power (W) Current (A) 60 R=Vm/ Im Vm 40 Voltage (V) Σχήμα 5.48: Χαρακτηριστικές I-V και P-V καμπύλες μίας τυπικής καλοκαιρινής ημέρας καθώς και η ευθεία του φορτίου για ωμικό καταναλωτή. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 8 Απριλίου, ώρα 13:00 υπό κλίση πλαισίου 300, ηλιακή ακτινοβολία W/m2 και θερμοκρασία κυττάρου 420C Στο σχήμα 5.48, βλέπουμε ότι για μέση ημερήσια πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τους καλοκαιρινούς μήνες W/m2 για την ώρα μέγιστης ακτινοβολίας, η μέγιστη παραγωγή ισχύος είναι PMPP=71.148W και η τάση με το ρεύμα στο σημείο μέγιστης ισχύος είναι αντίστοιχα, VMPP=30.88 V και IMPP=2.304 A. Αν μάλιστα πρόκειται για ωμικό καταναλωτή, πρέπει η τιμή του να είναι Ω, για να συμπίπτει το Σημείο Λειτουργίας με το σημείο μέγιστης ισχύος. Η ποσότητα αυτή προκύπτει από τη σχέση 5.2. Κεφάλαιο 5

122 112 R= V MPP I MPP (5.2) Current Power P=f(V) 60 Pm 45 Im 1.5 Pm=VmIm R=Vm/ Im 0.5 Power (W) Current (A) Vm Voltage (V) Σχήμα 5.49: Χαρακτηριστικές I-V και P-V καμπύλες μίας τυπικής χειμερινής ημέρας καθώς και η ευθεία του φορτίου για ωμικό καταναλωτή. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 υπό κλίση πλαισίου 600, ηλιακή ακτινοβολία 750 W/m2 και θερμοκρασία κυττάρου 25.60C Στο σχήμα 5.49, παρουσιάζεται το αντίστοιχο γράφημα για την χειμερινή περίοδο. Υπολογίζεται για μέση ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία 750 W/m2 για την ώρα μέγιστης ακτινοβολίας, ότι η παραγωγή μέγιστης ισχύος είναι PMPP=53.972W, τάση VMPP=32.05 V και ρεύμα IMPP=1.684 A. Βάσει της προηγούμενης σχέσης υπολογίζεται ο ωμικός καταναλωτής στα Ω Αποκλίσεις των πειραματικών μετρήσεων από τις τιμές σε Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς Κάθε φορά που αναφερόμαστε στην ισχύ που μπορεί να δώσει ένα Κεφάλαιο 5

123 113 φωτοβολταϊκό πλαίσιο, εννοούμε συνήθως την ισχύ, η οποία έχει παραχθεί σε εργαστηριακό περιβάλλον και δίνεται από τον κατασκευαστή. Οι εργαστηριακές μετρήσεις γίνονται σε STC που είναι για 250C θερμοκρασία στοιχείου και 1000 W/m2 προσπίπτουσα ακτινοβολία. Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο CIS με το οποίο έγιναν οι μετρήσεις, κάτω από τις συνθήκες αυτές δίνει 75W ηλεκτρικής ισχύος. Μέσα από όλες τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια ενός έτους, βρέθηκε μία η οποία έγινε κάτω από κανονικές συνθήκες που πλησιάζουν τις Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς. Βάσει αυτής, γίνεται μία σύγκριση των πειραματικών τιμών με τις τιμές των παραμέτρων που δίνουν τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά. Η μέτρηση αυτή, έγινε ενώ η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ήταν σταθερή στα 1000 W/m2 και η θερμοκρασία κυττάρου 36.50C. Αυτή ήταν η μέτρηση η οποία πραγματοποιήθηκε σε περιβαλλοντικές συνθήκες που πλησιάζουν όσο το δυνατό περισσότερο τις εργαστηριακές. Laboratorial Experimental Current (A) Voltage (V) Σχήμα 5.50: Χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης σε εργαστηριακές συνθήκες λειτουργίας που πραγματοποιούνται σε STC και πραγματικές συνθήκες που πλησιάζουν τις Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς. Η μέτρηση που πλησιάζει τις Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς πραγματοποιήθηκε στις 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 για κλίση τοποθέτησης πλαισίου στις 600, πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1000 W/m2 και θερμοκρασία κυττάρου 36.50C. Κεφάλαιο 5

124 114 Στο σχήμα 5.50 και στο σχήμα 5.51 παρουσιάζονται στο ίδιο γράφημα οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V και P-V αντίστοιχα των πειραματικών και εργαστηριακών συνθηκών. Παρατηρώντας την χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος- τάσης στο σχήμα 5.50, βλέπουμε πώς τόσο η τιμή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος όσο και η τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης, είναι μειωμένες σε σχέση με αυτές που αναφέρονται στα τεχνικά χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού πλαισίου από τον κατασκευαστή. Λόγω των μειωμένων τιμών αυτών των παραμέτρων, αναμένεται και μία σχετικά μειωμένη τιμή της ηλεκτρικής ισχύος που δύναται να παράξει το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Στο σχήμα 5.51, φαίνεται η διαφορά της τιμής αυτής. Laboratorial Experimental Power (W) Voltage (V) Σχήμα 5.51: Χαρακτηριστικές καμπύλες ισχύος-τάσης σε εργαστηριακές συνθήκες λειτουργίας που πραγματοποιούνται σε STC και πραγματικές συνθήκες που πλησιάζουν τις Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς. Η μέτρηση που πλησιάζει τις Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς πραγματοποιήθηκε στις 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 για κλίση τοποθέτησης πλαισίου στις 600, πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1000 W/m2 και θερμοκρασία κυττάρου 36.50C. Όταν μελετούσαμε την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας είχαμε πει πως, όταν έχουμε μεγάλα ποσά προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας, τότε Κεφάλαιο 5

125 115 αναπτύσσονται και στην ενεργή επιφάνεια του πλαισίου μεγάλες σχετικά θερμοκρασίες. Είναι πολύ δύσκολο υπό πραγματικές συνθήκες να πετύχουμε τις Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς. Ακόμα και οι περιβαλλοντικές συνθήκες κάτω από τις οποίες πραγματοποιήθηκε η μέτρηση που χρησιμοποιήσαμε για τη σύγκριση αυτή, σπάνια συμβαίνει. VOC ISC VMPP IMPP PMPP FF η% Εργαστηριακές Τιμές 44.1 V 2.85 A 31.3 V 2.40 A 75W Πειραματικές Τιμές 42.0 V 2.63 A 31.2 V 2.25 A 70.2W Πίνακας 5.6: Τιμές χαρακτηριστικών παραμέτρων του CIS, μεταξύ μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν σε κανονικές και πειραματικές συνθήκες. Στον πίνακα 5.6, φαίνονται οι διαφορές στις τιμές χαρακτηριστικών παραμέτρων του CIS, μεταξύ μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν σε κανονικές συνθήκες και σε συνθήκες που ορίζουν οι Πρότυπες Συνθήκες Αναφοράς. Κεφάλαιο 5

126 116 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Συμπεράσματα Κεφάλαιο 6

127 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, πραγματοποιήθηκε πληθώρα μετρήσεων ρεύματος-τάσης σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο λεπτού φιλμ τύπου CIS, στη διάρκεια ενός έτους. Η επεξεργασία των μετρήσεων αυτών, έγινε με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια ώστε να υπολογίσουμε το βαθμό επίδρασης πλαισίου. των Οι κυριότερων εξωτερικές εξωτερικών παράμετροι παραμέτρων που ήταν στην εφικτό απόδοση να του μελετηθούν πειραματικά, ήταν κυρίως η θερμοκρασία, η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και η σκίαση. Επίσης, οι μετρήσεις γίνονταν σε διάφορες κλίσεις του πλαισίου καθ' όλη τη διάρκεια του έτους, ώστε να δούμε την αποδιδόμενη ισχύ του πλαισίου σε διάφορες κλίσεις τοποθέτησης κάθε εποχή καθότι πολλές φορές, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται σε κτήρια και ο χώρος δεν επιτρέπει την τοποθέτηση τους στη κλίση βέλτιστης απόδοσης. Αρχικά, υπολογίστηκε η παραγόμενη DC ισχύς που δίνει το πλαίσιο σε διάφορες θερμοκρασίες λειτουργίας υπό την ίδια περίπου πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας. Διαπιστώθηκε η αρνητική επίδραση της θερμοκρασίας και μάλιστα σε υψηλές θερμοκρασίες κυττάρου (~500C), η ικανότητα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας μειωνόταν στο 8.9%, ενώ η απόδοση του πλαισίου από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αναφέρεται στο 10.4%. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία όπως ήταν αναμενόμενο, ήταν θετική. Αν και μεγάλες τιμές της συνεπάγονται τις περισσότερες φορές μεγάλες θερμοκρασίες λειτουργίας που επηρεάζουν αρνητικά το βαθμό απόδοσης, η αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας, επιτρέπει μεγαλύτερα ποσά παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας με μειωμένο βαθμό απόδοσης κοντά στο 9.5%. Στη συνέχεια γίνεται μία σύγκριση της λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου κατά τη θερινή και χειμερινή περίοδο. Λαμβάνοντας υπόψιν την Κεφάλαιο 6

128 118 επίδραση της θερμοκρασίας και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας, μπορούμε να πούμε πώς είναι δύσκολο να λάβουμε ισχύ 75W όσο και η εγκατεστημένη, εφόσον τους θερινούς μήνες που επικρατεί συνήθως έντονη ηλιοφάνεια, η θερμοκρασία λειτουργίας ανεβαίνει πολύ μειώνοντας την ικανότητα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Όσο για τον χειμώνα, αν και δεν έχουμε συνήθως μεγάλες θερμοκρασίες, οι ώρες ηλιοφάνειας είναι λιγότερες. Αποτέλεσμα αυτού, ακόμα και αν στιγμιαία λόγω διάχυτης ακτινοβολίας έχουμε πρόσπτωση ηλιακής ενέργειας μεγαλύτερη των 1000 W/m2 και φτάσουμε τα 75W παραγωγή, δεν είναι αρκετό ώστε να ανεβάσει την τιμή της μέσης παραγόμενης ισχύος κατά τους χειμερινούς μήνες. Γενικά, καλύτερη εποχή για την απόδοση του φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι το φθινόπωρο όπου έχουμε αυξημένη ηλιοφάνεια και χαμηλές σχετικά θερμοκρασίες κυττάρου. Απαραίτητη προϋπόθεση κατά την τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι η εύρεση της βέλτιστης κλίσης τοποθέτησης. Αυτό, έχει να κάνει κυρίως με το Γεωγραφικό Πλάτος της περιοχής. Έγινε ένας υπολογισμός για διάφορες κλίσεις λειτουργίας κάθε εποχή, καθότι τις περισσότερες φορές επιλέγεται μία ή δύο κλίσεις των φωτοβολταϊκών ετησίως. Επίσης, λόγω της τοποθέτησης συλλεκτών σε κτήρια (ή άλλες εφαρμογές) που ο χώρος είναι περιορισμένος, υπολογίστηκε η συμπεριφορά του πλαισίου σε διάφορες κλίσεις καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου. Στην Πάτρα, πραγματοποιώντας μετρήσεις στις γωνίες 100, 300, 380, 450, 600 και 900 διαπιστώσαμε πώς για κλίση τοποθέτησης των πλαισίων στις 380 που είναι και το Γεωγραφικό Πλάτος της Πάτρας, η παραγόμενη ισχύς ετησίως είναι ικανοποιητική. Επειδή πολλές φορές υπάρχει η δυνατότητα αλλαγής της κλίσης τοποθέτησης των πλαισίων ανά εποχή καθώς αλλάζει η θέση του ήλιου ως προς τη γη, βρέθηκε κατάλληλη γωνία λειτουργίας 300 τη θερινή περίοδο και 600 τη χειμερινή. Πριν προχωρήσουμε, να σημειώσουμε ότι οι καλύτερες κλίσεις τοποθέτησης που αναφέραμε πιο πάνω, επιλέχθηκαν βάσει αυτών που υπήρχε η δυνατότητα να πραγματοποιηθούν Κεφάλαιο 6

129 119 μετρήσεις. Σε περιπτώσεις που τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται σε τοίχους κτηρίων, υπολογίστηκε για τις ώρες αιχμής τη θερινή περίοδο μείωση παραγωγής κατά 49.7% και για τη χειμερινή κατά 16.9%. Το ποσοστό μείωσης για κάθετη τοποθέτηση πλαισίων, αναφέρεται συγκριτικά με τη βέλτιστη κλίση για κάθε περίοδο. Επιπλέον, μελετήθηκε η συμπεριφορά του φωτοβολταϊκού πλαισίου σε συνθήκες σκίασης. Είναι πολλές οι φορές που τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σκιάζονται είτε μεταξύ τους όταν δεν υπάρχει αρκετός χώρος για την τοποθέτησή τους, είτε από άλλους εξωτερικούς παράγοντες. Όταν περίπου το 30% της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS σκιάζεται φυσικά, η παραγόμενη ισχύς του υπολογίστηκε ότι μειώνεται κατά 27.37% την ώρα μέγιστης ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ όταν δεν σκιάζεται κάτω από τις ίδιες συνθήκες παράγει 75W ηλεκτρικής ισχύος. Η σκίαση σαφώς επηρεάζει την απόδοση του φωτοβολταϊκού αλλά το ποσοστό μείωσης της ισχύος είναι μικρότερο σε σχέση με φωτοβολταϊκά πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Όσον αφορά την εποχιακή διακύμανση που παρατηρείται στην παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια λόγω της διαφοροποίησης της λαμβανόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, έγινε ένας υπολογισμός της μέσης DC παραγωγής, τόσο για τη θερινή όσο και για τη χειμερινή περίοδο. Η μέση ισχύς εξόδου του CIS τους θερινούς μήνες (Απρίλιος-Οκτώβριος) όταν η εγκατεστημένη ισχύς είναι 75W, είναι της τάξης των 70W κατά το ηλιακό μεσημέρι. Για τη χειμερινή περίοδο (Νοέμβριος-Μάρτιος), το ηλιακό μεσημέρι, η μέση αποδιδόμενη ισχύς κυμαίνεται στα 52W. Υπολογίζοντας την ημερήσια παραγωγή για τη θερινή περίοδο, βρίσκουμε ότι το φωτοβολταϊκό πλαίσιο παράγει κατά μέσο όρο Wh/day ημερησίως, με αποτέλεσμα η μέση παραγόμενη ενέργεια κατά τη θερινή περίοδο να φτάνει τις kwh. Αντίστοιχα για τη χειμερινή περίοδο υπολογίζεται η μέση ημερήσια παραγωγή στις Wh/day με αποτέλεσμα η μέση παραγόμενη ενέργεια κατά τη χειμερινή περίοδο να φτάνει τις kwh. Έτσι, η ετήσια παραγωγή του ηλιακού πλαισίου CIS για το ακαδημαϊκό έτος Κεφάλαιο 6

130 , υπολογίζεται στις kwh και η ετήσια παραγόμενη ενέργεια ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου λεπτού φιλμ τύπου CIS ανά εγκατεστημένο Watt προκύπτει kwh/year/kwp Λαμβάνοντας υπόψιν τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε μέσα από την επεξεργασία των μετρήσεων σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, μπορούμε να πούμε πως η αποδιδόμενη ισχύς του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS είναι ικανοποιητική και αξίζει περαιτέρω έρευνας. Θα μπορούσε να γίνει μία πλήρης μελέτη τοποθέτησης φωτοβολταϊκών CIS και για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα, υπολογίζοντας τις ηλεκτρικές απώλειες στους αγωγούς που συνδέουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σε μία συστοιχία και τις συνδέσεις με άλλα μέρη του συστήματος, όπως διατάξεις ρύθμισης, προστασίας ελέγχου, συσσωρευτές, μετατροπείς κλπ. Επίσης, όσον αφορά στην τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών σε κτήρια, θα μπορούσε να γίνει μία προσομοίωση που θα υπολογίζει την παραγόμενη ισχύς ενός μικρού συστήματος που θα πρέπει να είναι ικανό να καλύψει ένα οικιακό φορτίο. Η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πιθανόν να επηρεάζεται από σκίαση για διάφορους λόγους και να υπάρχει περιορισμός στην κλίση λειτουργίας τους. Οπότε, το μοντέλο θα πρέπει να προσδιορίζει τον αριθμό των πλαισίων που απαιτούνται, πώς θα τοποθετηθούν και τι απώλειες θα υφίσταται το σύστημα. Κατά την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών συστημάτων σε αστικές περιοχές, υπάρχουν απώλειες λόγω σκίασης των πλαισίων από κτήρια, στύλους και άλλα παρακείμενα αντικείμενα, που επηρεάζουν αρνητικά το βαθμό απόδοσης. Επιπλέον παράγοντας που επιδρά αρνητικά στην απόδοση των φωτοβολταϊκών στις αστικές περιοχές είναι η ρύπανση. Οπότε, θα μπορούσε να μελετηθεί η επίδραση της σκίασης και της ρύπανσης στην ενεργειακή απόδοση φωτοβολταϊκών σταθμών σε ετήσια βάση. Κεφάλαιο 6

131 121 Παράρτημα Μετρήσεων Παράρτημα Μετρήσεων

132 122 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Πίνακες μετρήσεων που χρησιμοποιήθηκαν κατά την ανάλυση των αποτελεσμάτων Πίνακας Π.1.:Στοιχεία για I-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές θερμοκρασίες κυττάρου, υπό ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2. Η I-V για Τ1=35.50C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 και για γωνία κλίσης πλαισίου 450. Η I-V για Τ2=46.80C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 8 Απριλίου, ώρα 13:45 και για γωνία κλίσης πλαισίου 450. Η I-V για Τ3=500C αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:33 και για γωνία κλίσης πλαισίου 380. (Σχήμα 5.10) Παράρτημα Μετρήσεων

133 123 Πίνακας Π.2.: Μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος VOC συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.11) Πίνακας Π.3.: Μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης ISC συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.12) Παράρτημα Μετρήσεων

134 124 Πίνακας Π.4.: Μεταβολή της τάσης του σημείου μέγιστης ισχύος V MPP συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.13) Πίνακας Π.5.: Μεταβολή του ρεύματος στο σημείο μέγιστης ισχύος IMPP συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.14) Παράρτημα Μετρήσεων

135 125 Πίνακας Π.6: Μεταβολή της μέγιστης ισχύος PMPP συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.15) Πίνακας Π.7: Μεταβολή του παράγοντα ποιότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου του CIS. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 53.30C, και γωνία κλίσης πλαισίου 380 (2) 31 Ιουλίου, ώρα 13:40 με θερμοκρασία κυττάρου 51.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (3) 31 Ιουλίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 48.10C, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 8 Απριλίου, ώρα 13:45 με θερμοκρασία κυττάρου 47.60C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (5) 23 Οκτωβρίου, ώρα 14:00 με θερμοκρασία κυττάρου 41.90C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:30 με θερμοκρασία κυττάρου 36.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (7) 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:20 με θερμοκρασία κυττάρου 35.50C, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.16) Παράρτημα Μετρήσεων

136 126 Πίνακας Π.8.: Στοιχεία για I-V χαρακτηριστικές καμπύλες φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε W/m2, για θερμοκρασία κυττάρου 350C, υπό ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2. Η I-V για G1= W/m2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 και για γωνία κλίσης πλαισίου Η I-V για G2= W/m2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 και για γωνία κλίσης πλαισίου 100. Η I-V για G3= W/m2 αντιπροσωπεύει μέτρηση στις 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 και για γωνία κλίσης πλαισίου 100 (Σχήμα 5.19) Παράρτημα Μετρήσεων

137 127 Πίνακας Π.9.: Μεταβολή των χαρακτηριστικών τάσεων του CIS από την ηλιακή ακτινοβολία. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.20) Πίνακας Π.10.: Μεταβολή των χαρακτηριστικών ρευμάτων του CIS από την ηλιακή ακτινοβολία Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.21) Πίνακας Π.11.: Μεταβολή της παραγόμενης μέγιστης ισχύος του CIS από την ηλιακή Παράρτημα Μετρήσεων

138 128 ακτινοβολία. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.22) Πίνακας Π.12.: Εξάρτηση του παράγοντας ποιότητας FF του CIS από την ηλιακή ακτινοβολία Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα έγιναν υπό σταθερή θερμοκρασία κυττάρου 350C και πραγματοποιήθηκαν: (1) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:00 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (2) 3 Νοεμβρίου, ώρα 16:20 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (3) 24 Οκτωβρίου, ώρα 16:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 582 W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 300 (4) 10 Νοεμβρίου, ώρα 13:30 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 100 (5) 30 Οκτωβρίου, ώρα 12:40 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 600 (6) 23 Οκτωβρίου, ώρα 13:45 με πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας W/m2, και γωνία κλίσης πλαισίου 450 (Σχήμα 5.23) Παράρτημα Μετρήσεων

139 129 Πίνακας Π.13.: Μεταβολή των χαρακτηριστικών μεγεθών VOC και ISC του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 και θερμοκρασία κυττάρου 370C (Σχήμα 5.28) Πίνακας Π.14.: Μεταβολή της μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 και θερμοκρασία κυττάρου 370C (Σχήμα 5.29) Παράρτημα Μετρήσεων

140 130 Πίνακας Π.15.: Μεταβολή των χαρακτηριστικών μεγεθών VOC και ISC του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 8 Απριλίου, ώρα 13:00 και θερμοκρασία κυττάρου 43.70C (Σχήμα 5.31) Πίνακας Π.16.: Μεταβολή της μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού πλαισίου CIS και της πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό συναρτήσει της κλίσης τοποθέτησης του. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 και θερμοκρασία κυττάρου 370C (Σχήμα 5.29) Παράρτημα Μετρήσεων

141 131 Πίνακας Π.17.: Μετρήσεις για τις δύο χαρακτηριστικές I-V καμπύλες όπου στη μία το φωτοβολταϊκό πλαίσιο λειτουργεί κανονικά και στην άλλη σκιάζεται το 30% περίπου της επιφάνειάς του. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις 20 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 με κλίση πλαισίου 600. Οι δύο μετρήσεις έγιναν υπό θερμοκρασία περιβάλλοντος 17.60C. Όταν το πλαίσιο δεν σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου του CIS ήταν 370C και η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν W/m2. Όταν το πλαίσιο σκιαζόταν η θερμοκρασία κυττάρου ήταν 39.10C και η πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας ήταν 1089,43 W/m2 (Σχήμα 5.35) Παράρτημα Μετρήσεων

142 132 Πίνακας Π.18.: Ισχύς που δίνει το φωτοβολταϊκό πλαίσιο τύπου CIS, συναρτήσει της θερμοκρασίας κυττάρου και της ηλιακής ακτινοβολίας. Το διάγραμμα περιλαμβάνει μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν καθ' όλη τη διάρκεια του έτους σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας.(σχήμα 5.45) Παράρτημα Μετρήσεων

143 133 Πίνακας Π.19.: Μετρήσεις για χαρακτηριστικές I-V και P-V καμπύλες μίας τυπικής καλοκαιρινής ημέρας καθώς και η ευθεία του φορτίου για ωμικό καταναλωτή. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 8 Απριλίου, ώρα 13:00 υπό κλίση πλαισίου 30 0, ηλιακή ακτινοβολία W/m2 και θερμοκρασία κυττάρου 420C (Σχήμα 5.48) Παράρτημα Μετρήσεων

144 134 Πίνακας Π.20: Μετρήσεις για χαρακτηριστικές I-V και P-V καμπύλες μίας τυπικής χειμερινής ημέρας καθώς και η ευθεία του φορτίου για ωμικό καταναλωτή. Το γράφημα αφορά μέτρηση που έγινε στις 10 Νοεμβρίου, ώρα 12:00 υπό κλίση πλαισίου 600, ηλιακή ακτινοβολία 750 W/m2 και θερμοκρασία κυττάρου 25.60C (Σχήμα 5.49) Παράρτημα Μετρήσεων