ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ «ΜΕΛΕΤΗ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΝΤΟΥΜΑ ΘΩΜΑ του ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ ΦΟΙΤΗΤΗ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ: ΕΠΙΚΟΥΡΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ Ε.ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΠΑΤΡΑ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2009

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ ΛΟΓΩ ΚΕΡΑΥΝΩΝ ΣΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΝΤΟΥΜΑ ΘΩΜΑ του ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ (Α.Μ. 5529) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις../../.. Η Επιβλέπουσα Ο Διευθυντής του Τομέα Ε.Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Α.Αλεξανδρίδης Καθηγητής Σελίδα 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη Υπερτάσεων λόγω κεραυνών σε Φωτοβολταϊκές Διατάξεις» Φοιτητής: Ντούμας Θωμάς Επιβλέπουσα: Ε. Πυργιώτη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των υπερτάσεων οι οποίες εμφανίζονται σε φωτοβολταϊκές διατάξεις λόγω των κεραυνικών πληγμάτων, τα οποία σημειώνονται, είτε απευθείας στις διατάξεις αυτές, είτε σε παρακείμενα σημεία. Η διάρθρωση της διπλωματικής εργασίας έχει ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του φωτοβολταϊκού φαινόμενου, καθώς επίσης και των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Επίσης παρατίθενται μερικά εκ των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων αυτής της τεχνολογίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται συνοπτικά τα είδη των φωτοβολταϊκών πλαισίων τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στην αγορά, τα μέρη τα οποία απαρτίζουν ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, αυτόνομο ή διασυνδεδεμένο, καθώς επίσης παρουσιάζονται και κάποια οικονομικά δεδομένα τα οποία σχετίζονται με το συνολικό εκτιμώμενο κόστος μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης ισχύος 100kW P. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται σε θεωρητικό επίπεδο ο ολοκληρωμένος τρόπος αντικεραυνικής προστασίας φωτοβολταϊκών διατάξεων, ο οποίος απαρτίζεται από δύο μέρη, την εξωτερική και την εσωτερική αντικεραυνική προστασία, όπως ορίζουν οι σχετικοί διεθνείς κανονισμοί. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιείται εργαστηριακή μελέτη, για να εκτιμηθεί η διηλεκτρική αντοχή ενός δοκιμαστικού φωτοβολταϊκού πλαισίου, σε κρουστική τάση τυποποιημένης μορφής 1.2/50 μsec, σύμφωνα με τον κανονισμό IEC Πριν και μετά τις καταπονήσεις, διεξάγονται μετρήσεις, για να διαπιστωθούν τυχόν επιπτώσεις, στις χαρακτηριστικές I-V και P-I, του δοκιμαστικού φωτοβολταϊκού πλαισίου, και, εξάγονται τα σχετικά συμπεράσματα. Σελίδα 3

4 Abstract The aim of this diplomatic report is the study of surges which appear in photovoltaic arrays because of the lightning s strikes, which take place directly on these arrays or on nearby areas. The structure is as follows: In the first chapter there is a theoretical analysis of the photovoltaic phenomenon, as well as an analysis of the electrical characteristics of PVmodules. Some of the advantages and disadvantages of this technology are also mentioned. In the second chapter what are briefly described are the sorts of photovoltaic frames that are widely used in the market, the parts of which a photovoltaic system is comprised, autonomous or on grid, and some data relevant to the total estimated cost of a photovoltaic installation, of 100kWp power, are also presented. In the third chapter the completely method of lightning protection of photovoltaic arrays is presented on a theoretical basis. This method of lightning protection is divided in two parts, the outer and inner lightning protection, as the relevant international regulations demand. In the fourth chapter, a laboratory study is given, in order to evaluate the dielectric withstand of a test photovoltaic frame, in impulse voltage standard form 1.2/50 μsec, according to regulation IEC Measures are taken before and after the stresses for any consequences to be confirmed, in the characteristic I-V and P-I, of the test photovoltaic frame consequently the relevant conclusions are drawn. Σελίδα 4

5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Περίληψη...3 Abstract.4 Κεφάλαιο 1 ο : Φωτοβολταϊκή ενέργεια Εισαγωγή Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Χαρακτηριστικά ημιαγωγών Δημιουργία ηλεκτρικά φορτισμένων ημιαγωγών Δημιουργία της επαφής (του ηλεκτρικού πεδίου) Η επίδραση της Ηλιακής ακτινοβολίας Περιορισμοί στην απόδοση των φωτοβολταϊκών Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα φωτοβολταϊκών Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων Φωτοβολταϊκά πλαίσια Αγορά φωτοβολταϊκών: Σημερινή κατάσταση και τάσεις.23 Κεφάλαιο 2 ο : Φωτοβολταϊκά συστήματα Εισαγωγή Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων Απόδοση φωτοβολταϊκών πλαισίων Παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την απόδοση των φ/β πλαισίων Σύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων Στήριξη φωτοβολταϊκών πλαισίων Αντιστροφέας τάσης Αντιστροφείς τάσης για διασυνδεδεμένα φ/β συστήματα Αντιστροφείς τάσης για αυτόνομα συστήματα Συσσωρευτές Βοηθητικά συστήματα 41 Σελίδα 5

6 2.6 Σύνδεση με το δίκτυο Κόστος φωτοβολταϊκών συστημάτων Λειτουργικά κόστη φωτοβολταϊκών σταθμών Στοιχειώδεις απαιτήσεις επένδυσης και απόδοση Εγγυήσεις καλής λειτουργίας 43 Κεφάλαιο 3 ο : Αντικεραυνική προστασία φωτοβολταϊκών συστημάτων Εισαγωγή Μέρη συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Αναγκαιότητα συστήματος προστασίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος Φωτοβολταϊκά συστήματα σε κτίρια χωρίς ΣΑΠ Φωτοβολταϊκά συστήματα σε κτίρια με ΣΑΠ Φ/β συστήματα σε κτίρια με ΣΑΠ και την απόσταση διαχωρισμού s να διατηρείται Φ/β συστήματα σε κτίρια με ΣΑΠ στα οποία η απόσταση διαχωρισμού s δεν διατηρείται..60 Κεφάλαιο 4 ο : Δοκιμές διηλεκτρικής αντοχής σε φωτοβολταϊκά πλαίσια Προετοιμασία πειραματικών δοκιμών Κριτήρια επιλογής του πλάτους της κρουστικής τάσης καταπόνησης Υπολογισμός του πλάτους της κρουστικής τάσης καταπόνησης Σύνδεση του υπό δοκιμή φωτοβολταϊκού πλαισίου με την κρουστική γεννήτρια Εκτέλεση των πειραματικών δοκιμών Δοκιμή διηλεκτρικής αντοχής του φ/β πλαισίου σε κρουστική τάση τυποποιημένης μορφής και προκαθορισμένου πλάτους Επίδραση της κρουστικής τάσης καταπόνησης στις χαρακτηριστικές I-V και P-I του δοκιμαστικού φ/β πλαισίου Διάταξη μέτρησης της χαρακτηριστικής τάσης-ρεύματος του φ/β πλαισίου Εκτέλεση μετρήσεων για την κατασκευή της χαρακτηριστικής τάσηςρεύματος του δοκιμαστικού φ/β πλαισίου, σε διάφορα επίπεδα καταπόνησης Σύγκριση των χαρακτηριστικών I-V και P-I, του δοκιμαστικού φ/β πλαισίου, στα δύο επίπεδα καταπόνησης.74 Σελίδα 6

7 4.6 Προτάσεις Συμπεράσματα Συμπεράσματα σχετικά με τις επιπτώσεις, στις χαρακτηριστικές I-V και P-I, του δοκιμαστικού φ/β πλαισίου, λόγω των καταπονήσεων, στα δύο επίπεδα τάσης Συμπεράσματα σχετικά με την προστασία, την οποία εξασφαλίζει ένα ολοκληρωμένο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας Προτάσεις για την περαιτέρω μελέτη των επιπτώσεων των κεραυνικών πληγμάτων, σε φωτοβολταϊκές διατάξεις.77 Βιβλιογραφία...78 Σελίδα 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 Εισαγωγή Οι όλο και μεγαλύτερες ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας οδηγούν συνεχώς σε μια τεράστια αύξηση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων. Οι ανάγκες αυτές αναμένεται να αυξηθούν ακόμη περισσότερο με την αύξηση του πληθυσμού της Γης και η ζήτηση πλέον θα υπάρχει κυρίως στις αναπτυσσόμενες χώρες, καθώς στις ανεπτυγμένες, με τα μέτρα εξοικονόμησης που εφαρμόζονται, υπάρχει μια τάση σταθεροποίησης. Τα βασικά προβλήματα λοιπόν (θα) είναι: Η διαφαινόμενη έλλειψη καυσίμων σε μερικά χρόνια (σύμφωνα με τις πιο αισιόδοξες προβλέψεις, τα γνωστά αποθέματα πετρελαίου, μαζί με αυτά που πιθανόν να ανακαλυφθούν φθάνουν μετά βίας γι ακόμη 30 χρόνια) και τα απαράδεκτα παιχνίδια εταιρειών κλπ. με τις τιμές του πετρελαίου, που ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια έχει γίνει το μόνιμο πρόβλημα στην ζωή εκατομμυρίων νοικοκυριών ανά τον κόσμο. Η αλλαγή του κλίματος και το φαινόμενο του θερμοκηπίου (λόγω της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων), που οδηγούν αργά, αλλά σταθερά τον πλανήτη στην καταστροφή. Συγκεκριμένα, κάθε KWh ηλεκτρισμού που προμηθευόμαστε από το δίκτυο της ΔΕΗ και που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με 1kg τουλάχιστον CO2(συν τις πάσης φύσεως άλλες επικίνδυνες ουσίες, όπως καρκινογόνα μικροσωματίδια, οξείδια αζώτου, ενώσεις θείου κλπ., που επιφέρουν σοβαρές βλάβες στην υγεία και το περιβάλλον). Με την ηλιακή ενέργεια μπορούμε να βοηθήσουμε στην λύση και των δύο παραπάνω προβλημάτων: Παράγουμε καθαρή και ανεξάντλητη ενέργεια από τον ήλιο, χωρίς την μεσολάβηση ρυπογόνων, θορυβωδών εγκαταστάσεων και μάλιστα δωρεάν (μετά το κόστος εγκατάστασης).η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει πάνω στην Γη μας, είναι παγκοσμίως 1,54Χ1018 KWh/έτος, δηλ. περίπου φορές περισσότερη από την παγκόσμια ζήτηση ενέργειας ανά έτος. Θεωρητικά θα έφθανε μόνο το 0,01% της ενέργειας αυτής για να καλύψουμε τις παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες. Μειώνουμε τις εκπομπές CO2 στον πλανήτη, άρα συμβάλουμε στην επιβράδυνση του φαινόμενου του θερμοκηπίου. Να σημειώσουμε εδώ, ότι 1 KW Φ/Β το οποίο παράγει στην Ελλάδα κατά μέσο όρο 1300 KWh το χρόνο, αποτρέπει την έκλυση 1450kg CO2, όσο δηλ. απορροφούν ετησίως 2 στρέμματα δάσους ή 100 δέντρα. Σελίδα 8

9 Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει την ποσότητα των ρύπων (σε γραμμάρια), η έκλυση των οποίων αποφεύγεται, για κάθε ηλιακή κιλοβατώρα, η οποία παράγεται, από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα: Πίνακας 1.1 : Αποφυγή ρύπων λόγω της χρήσης φωτοβολταϊκής ενέργειας [3]. 1.2 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και η λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος στηρίζετε στις βασικές ιδιότητες των ημιαγωγών υλικών σε ατομικό επίπεδο. Όταν το φως προσπίπτει σε μία επιφάνεια είτε ανακλάται, είτε την διαπερνά (διαπερατότητα), είτε απορροφάτε από το υλικό της επιφάνειας. Η απορρόφηση του φωτός ουσιαστικά σημαίνει την μετατροπή του σε μία άλλη μορφή ενέργειας (σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας), η οποία συνήθως είναι η θερμότητα. Παρόλα αυτά όμως υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των προσπιπτόντων φωτονίων (πακέτα ενέργειας) σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται η τεράστια τεχνολογική πρόοδος, που έχει συντελευτεί στον τομέα της ηλεκτρονικής και συνεπακόλουθα στον ευρύτερο χώρο της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών Χαρακτηριστικά ημιαγωγών Το χαρακτηριστικό στοιχείο ενός ημιαγωγού που το διαφοροποιεί από τα υπόλοιπα υλικά είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων ενός ατόμου που βρίσκεται στην εξωτερική του στοιβάδα (σθένους). Ο περισσότερο γνωστός ημιαγωγός είναι το πυρίτιο (Si) για αυτό θα επικεντρωθούμε σε αυτό. Σελίδα 9

10 Πυρίτιο (Si) Σχήμα 1.1 : Δομή του πυριτίου [19]. Το πυρίτιο έχει ατομικό αριθμό 14 και έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 4 ηλεκτρόνια. Όλα τα άτομα τα οποία έχουν λιγότερα ή περισσότερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (είναι γενικά συμπληρωμένη με 8 e - ) ψάχνουν άλλα άτομα προκειμένου να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια ή να μοιρασθούν κάποια με σκοπό τελικά να αποκτήσουν συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα σθένους. Σε αυτήν την τάση οφείλεται και η κρυσταλλική δομή του πυριτίου αφού όταν συνυπάρχουν πολλά άτομα μαζί διατάσσονται με τέτοιο τρόπο ώστε να συνεισφέρουν ηλεκτρόνια με όλα τα γειτονικά τους άτομα και τελικά με αυτόν τον τρόπο να αποκτούν μια συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα και κρυσταλλική δομή. Αυτή είναι και η καθοριστική ιδιότητα την οποία έχουν τα κρυσταλλικά υλικά. Στην κρυσταλλική του μορφή όμως το πυρίτιο είναι σταθερό. Δεν έχει ανάγκη ούτε να προσθέσει ούτε να διώξει ηλεκτρόνια κάτι το οποίο ουσιαστικά του δίνει ηλεκτρικά χαρακτηριστικά πολύ κοντά σε αυτά ενός μονωτή αφού δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια για την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στο εσωτερικό του Δημιουργία ηλεκτρικά φορτισμένων ημιαγωγών Τις ημιαγωγές ιδιότητες το πυρίτιο τις αποκτά με τεχνικό τρόπο. Αυτό πρακτικά γίνεται με την πρόσμειξη με άλλα στοιχεία τα οποία είτε έχουν ένα ηλεκτρόνιο περισσότερο είτε ένα λιγότερο στη στοιβάδα σθένους των. Αυτή η πρόσμειξη τελικά κάνει τον κρύσταλλο δεκτικό, είτε σε θετικά φορτία (υλικό τύπου p ), είτε σε αρνητικά φορτία (υλικό τύπου n). Για να φτιαχτεί λοιπόν ένας ημιαγωγός τύπου n ή αλλιώς ένας αρνητικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτίου θα πρέπει να γίνει πρόσμειξη ενός υλικού με 5e - στην εξωτερική του στοιβάδα όπως για παράδειγμα το Αρσένιο (As). Σελίδα 10

11 Αρσένιο (As) Σχήμα 1.2 : Δομή του αρσενίου [19]. Αντίστοιχα, για να δημιουργήσουμε έναν ημιαγωγό τύπου p ή αλλιώς ένας θετικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτίου χρειάζεται να γίνει πρόσμειξη στον κρύσταλλο κάποιου υλικού όπως το βόριο (B) που έχει 3e - στην εξωτερική του στοιβάδα. βόριο (B) Σχήμα 1.3 : Δομή του βορίου [19]. Σελίδα 11

12 1.2.3 Δημιουργία της επαφής (του ηλεκτρικού πεδίου) Εάν φέρουμε σε επαφή δύο κομμάτια πυριτίου τύπου n και τύπου p το ένα απέναντι από το άλλο, δημιουργείται μια δίοδος η αλλιώς ένα ηλεκτρικό πεδίο στην επαφή των δύο υλικών, το οποίο επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων προς μια κατεύθυνση μόνο. Σχήμα 1.4 : Δημιουργία διόδου σε ένα ηλιακό κύτταρο πυριτίου [19]. Τα επιπλέον ηλεκτρόνια της επαφής n έλκονται από τις «οπές» τις επαφής p. Αυτό το ζευγάρι των δύο υλικών αποτελεί το δομικό στοιχείο του φωτοβολταϊκού κελιού και τη βάση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας Η επίδραση της Ηλιακής ακτινοβολίας Η ηλιακή ακτινοβολία έρχεται με τη μορφή πακέτων ενέργειας ή φωτονίων. Τα φωτόνια όταν προσπίπτουν σε μια διάταξη Φ/Β κελιού περνούν αδιατάραχτα την τύπου n και χτυπούνε τα άτομα της περιοχής τύπου p. Τα ηλεκτρόνια της περιοχής τύπου p αρχίζουν και κινούνται μεταξύ των οπών ώσπου τελικά φτάνουν στην περιοχή της διόδου, όπου και έλκονται, από το θετικό πεδίο της εκεί περιοχής. Αφού ξεπεράσουν το ενεργειακό χάσμα αυτής της περιοχής μετά είναι δυνατόν να επιστρέψουν. Στο κομμάτι της επαφής n πλέον έχουμε μια περίσσεια ηλεκτρονίων τα οποία μπορούμε να εκμεταλλευτούμε. Αυτή η περίσσεια ηλεκτρονίων μπορεί να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα εάν τοποθετήσουμε μια διάταξη όπως ένας μεταλλικός αγωγός στο πάνω μέρος της επαφής n και στο κάτω μέρος της επαφής p και ένα φορτίο ενδιάμεσα με τέτοιο τρόπο ώστε να κλείσει ένας αγώγιμος δρόμος για το ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο παράγεται. Αυτή είναι απλοποιημένα η γενική αρχή λειτουργίας του φωτοβολταϊκού φαινόμενου. 1.3 Περιορισμοί στην απόδοση των φωτοβολταϊκών Η αδυναμία εκμετάλλευσης του συνόλου της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας έγκειται στο γεγονός, ότι κάθε ημιαγωγό υλικό αντιδρά σε διαφορετικά μήκη κύματος της ακτινοβολίας. Κάποια υλικά αντιδρούν σε ευρύτερα φάσματα ακτινοβολίας από κάποια άλλα. Σελίδα 12

13 Σχήμα 1.5 : Φάσμα ακτινοβολίας ανάλογα με το υλικό του φωτοβολταϊκού κυττάρου [19]. Έτσι ανάλογα με το υλικό το οποίο χρησιμοποιούμε μπορούμε να εκμεταλλευτούμε μόνο εκείνο το φάσμα της ακτινοβολίας το οποίο αντιδρά με το συγκεκριμένο υλικό. Το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας η οποία παράγεται σε σχέση με την προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια συμβολίζει τον συντελεστή απόδοσης του υλικού. Οι δύο βασικοί παράγοντες για την απόδοση ενός φωτοβολταϊκού υλικού είναι, το ενεργειακό χάσμα του υλικού και ο συντελεστής μετατροπής. 1.4 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα φωτοβολταϊκών Τα πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών είναι τα εξής: Παράγουν «δωρεάν» ηλεκτρική ενέργεια από τον ήλιο. Δεν έχουν κινούμενα μέρη και λειτουργούν αθόρυβα. Όχι μόνο δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον με αέρια ή άλλα κατάλοιπα, αλλά αποτρέπουν κατά μέσο όρο την έκλυση 1,5 tn CO2 κατ έτος, όσο δηλ. θα απορροφούσαν περίπου δύο στρέμματα δάσους. Μπορούν να λειτουργήσουν αυτόνομα και αξιόπιστα, χωρίς την παρουσία χειριστή. Μπορούν να εγκατασταθούν και να λειτουργήσουν σε απομονωμένες περιοχές. Δεν καταναλώνουν κάποιο είδος καυσίμου. Σελίδα 13

14 Μπορούν να λειτουργήσουν παράλληλα με άλλα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Λειτουργούν χωρίς προβλήματα κάτω από όλες τις καιρικές συνθήκες. Χρειάζονται ελάχιστη συντήρηση. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής(που φθάνει τα 30 έτη). Είναι λειτουργικά, καθώς προσφέρουν επεκτασιμότητα ανάλογα με τις ανάγκες σε φορτίο και δυνατότητα αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας (σε δίκτυο ή συσσωρευτές). Δεν ελέγχονται από κανένα (ή καμία εταιρεία) και αποτελούν ανεξάντλητο εγχώριο ενεργειακό πόρο που δίνει ανεξαρτησία, προβλεψιμότητα και ασφάλεια στην ενεργειακή τροφοδοσία. Βοηθούν στην ορθολογική χρήση και εξοικονόμηση ενέργειας, κάνοντας τον καταναλωτή που διαθέτει φωτοβολταϊκά πιο προσεκτικό και ενήμερο στον τρόπο που καταναλώνει την ενέργεια, αλλά και στα στοιχεία που αφορούν την παραγόμενη και καταναλισκόμενη ενέργεια. Βοηθούν στην αποκέντρωση της ενέργειας σε μικρές τοπικές μονάδες οι οποίες δεν έχουν τις μεγάλες ενεργειακές απώλειες τις οποίες αντιμετωπίζει το κυρίως ηλεκτρικό δίκτυο(~12% στην Ελλάδα).Η εφαρμογή τους σε νησιά με αδύναμα δίκτυα είναι ιδιαίτερα σημαντική. Βοηθούν στην αποφυγή black-out, εφ όσον η μέγιστη παραγωγή γίνεται καλοκαίρι και μεσημέρι, ώρες δηλ. που έχουμε τις ημερήσιες αιχμές ζώνης, βοηθώντας στην εξομάλυνση των αιχμών φορτίου(μέχρι και 20%) και τη μείωση του συνολικού κόστους ηλεκτροπαραγωγής από την ΔΕΗ, δεδομένου ότι η κάλυψη των αιχμών είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. Δίνουν κύρος στον χρήστη τους (τουλάχιστον στις προηγμένες χώρες!)και βελτιώνουν το «πρόσωπο» των επιχειρήσεων οι οποίες τα χρησιμοποιούν. Στις πιο ανεπτυγμένες αγορές η εγκατάσταση Φ/Β αποτελεί πλέον τον κανόνα σε κάθε νέα κτιριακή εφαρμογή. Δημιουργούν σήμερα περισσότερες θέσεις εργασίας ανά MW ή /και ανά επενδυμένο από οποιαδήποτε άλλη ενεργειακή τεχνολογία. Η εγχώρια παραγωγή Φ/Β συνεπάγεται εκατοντάδες θέσεις εργασίας. Αποτελούν μέσο εισόδου ξένων επενδύσεων στην Ελλάδα. Συμβάλουν στην Περιφερειακή Ανάπτυξη και την τοπική απασχόληση, λόγω του αποκεντρωμένου χαρακτήρα τους. Αντίστοιχα τα μειονεκτήματα των Φ/β είναι τα ακόλουθα: Έχουν ακόμα υψηλό αρχικό κόστος επένδυσης (που επιδεινώνεται με την έλλειψη επιδοτήσεων-αυτό για την Ελλάδα!). Απαιτούν σχετικά μεγάλες επιφάνειες εγκατάστασης. Έχουν ακόμη (σήμερα) σχετικά μικρό βαθμό απόδοσης. Σελίδα 14

15 1.5 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων Για να γίνει μια εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και της λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι, απαρτίζεται από μια πηγή ρεύματος η οποία ελέγχεται από μια δίοδο και κατά συνέπεια αναπαρίστανται από το απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα του κάτωθι σχήματος. Στο ισοδύναμο αυτό παραλείπεται η αντίσταση εξαιτίας της κίνησης των φορέων μέσα στον ημιαγωγό και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια, καθώς επίσης και η μη άπειρη αντίσταση διαμέσου της διόδου και τα αναπόφευκτα ρεύματα διαρροής. Σχήμα 1.6 : Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου [19]. Σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος, θα αποκατασταθεί ισορροπία σε περίπτωση κατά την οποία, η τάση που θα αναπτυχθεί μεταξύ των δύο όψεων του στοιχείου, θα επιφέρει ένα αντίθετο ρεύμα το οποίο θα ισοσκελίζει το φωτόρευμα, για το οποίο και θα ισχύει: (1.1) Όπου το εκάστοτε σύμβολο το οποίο υπεισέρχεται στην ανωτέρω έκφραση αναπαριστά το εξής: Ι 0 : ανάστροφο ρεύμα κόρου e: στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο Κ: σταθερά του Boltzmann Σελίδα 15

16 T: απόλυτη θερμοκρασία γ: συντελεστής ο οποίος εξαρτάται από την κατασκευή και την ποιότητα της διόδου, λαμβάνει συνήθως τιμές στο διάστημα 1 έως 2. Από τη σχέση (1.1) συνεπάγεται ότι η έκφραση για την τάση ανοιχτού κυκλώματος θα είναι η ακόλουθη: (1.2) Η ανωτέρω έκφραση καταδεικνύει τη λογαριθμική εξάρτηση της V OC συναρτήσει του I Φ, δηλαδή με την ένταση της ακτινοβολίας την οποία λαμβάνει το φωτοβολταϊκό στοιχείο και την εξάρτησή της από τις διάφορες ιδιότητες του ημιαγωγού. Στην άλλη ακραία περίπτωση, δηλαδή σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, το ρεύμα βραχυκύκλωσης θα ισούται με το παραγόμενο φωτόρευμα, I SC = I Φ. Σε περίπτωση κατά την οποία το κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου κλείσει διαμέσου μια εξωτερικής αντίστασης R L, το ρεύμα θα λάβει μια μικρότερη τιμή I L, η οποία υπολογίζεται από τη λύση της ακόλουθης εξίσωσης: (1.3) Προφανώς θα υπάρχει μια ορισμένη τιμή της αντίστασης (δηλαδή του φορτίου του κυκλώματος) για την οποία η ισχύς η οποία παράγει το φωτοβολταϊκό στοιχείο θα καθίστανται μέγιστη (P m = I m V m ). Στις συνθήκες αυτές, θα αντιστοιχεί μια βέλτιστη τάση V m, η οποία προκύπτει από την επίλυση της κάτωθι εξίσωσης: (1.4) Σελίδα 16

17 Το πηλίκο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος P m = I. m V m προς το γινόμενο της βραχυκυκλωμένης έντασης (I SC ) και της ανοιχτοκυκλωμένης τάσης (V OC ) ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, ονομάζεται συντελεστής πληρώσεως (FF). Στο ακόλουθο διάγραμμα, φαίνονται τα παραπάνω χαρακτηριστικά μεγέθη τα οποία χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς και της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων, καθώς επίσης και της απόδοσης τους. Στο σκοτάδι Στο φως Σχήμα 1.7 : Χαρακτηριστική καμπύλη έντασης (I) τάσης (V) ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου στο σκοτάδι και στο φως [9]. Ο συντελεστής απόδοσης ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: P I V FF I V m m m SC OC η m = = = H A H A H A (1.5) όπου Η: η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας την οποία λαμβάνει η επιφάνεια του φωτοβολταϊκού στοιχείου και A: το εμβαδόν. Παρατηρώντας την ανωτέρω σχέση διαπιστώνουμε ότι για να επιτευχθεί αύξηση του συντελεστή απόδοσης απαιτείται αύξηση των τιμών ενός ή και πλέον από τα μεγέθη FF, Isc και Voc. Ως πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το φωτοβολταϊκό στοιχείο έχει μια αρκετά ασυνήθιστη συμπεριφορά. Δηλαδή, σε αντίθεση με τις περισσότερες κοινές ηλεκτρικές πηγές οι οποίες διατηρούν περίπου σταθερή τάση στην περιοχή κανονικής τους λειτουργίας, η τάση των φωτοβολταϊκών στοιχείων μεταβάλλεται ριζικά και μη γραμμικά σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος που δίνουν στο κύκλωμα, έστω και αν η ακτινοβολία παραμένει σταθερή. Επίσης ένας παράγοντας που επιδρά Σελίδα 17

18 αρνητικά στην απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι η θερμοκρασία. Συγκεκριμένα, με την αύξηση της θερμοκρασίας προκαλείται αντίστοιχη αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα να πραγματοποι ούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων. Έτσι, εκδηλώνεται ισχυρότερο ρεύμα διαρροής διαμέσου της διόδου, που συνεπάγεται μείωση της Voc και αντίστοιχη μείωση της απόδοσης του στοιχείου. Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας (και θερμοκρασίας) και για μεταβαλλόμενες τιμές στην αντίσταση του κυκλώματος που τροφοδοτεί το ηλιακό κύτταρο, η τάση και η ένταση του ρεύματος του κυττάρου παίρνουν ενδιάμεσες τιμές ανάμεσα στις ακραίες που αντιστοιχούν σε μηδενική αντίσταση (βραχυκυκλωμένη κατάσταση με μέγιστη τιμή ρεύματος, I sc και μηδενική τάση) και άπειρη αντίσταση (ανοιχτοκυκλωμένη κατάσταση μ ε μηδενική τιμή ρ εύματος και μέγιστη τιμή τάσης, V oc ), όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 1.8: Σχήμα 1.8 : Καμπύλες I-V και P-V φωτοβολταϊκού στοιχείου Si για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας [9]. Παράλληλα μεταβάλλεται ομαλά και η ισχύς που παράγει το στοιχείο, με μέγιστη τιμή P m σε ένα ορισμένο ζεύγος τιμών τάσης V m και έντασης I m για το οποίο η καμπύλη της ισχύος ως προς την τάση (P-V) παρουσιάζει μέγιστο. Διαφορετικά μπορεί να ειπωθεί, ότι για τις τιμές αυτές των I m και V m, το εμβαδόν του ορθογωνίου που σχηματίζεται από την I-V καμπύλη και τους άξονες τάσης και έντασης ρεύματος, γίνεται μέγιστο. Η μαθηματική συνθήκη για το σημείο μέγιστης ισχύος είναι: (1.6) Σελίδα 18

19 όπου R m : συμβολίζει την δυναμική αντίσταση του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Αυτή η δυναμική αντίσταση είναι μια συνάρτηση της ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας των στοιχείων. Κατά συνέπεια για τη μεταφορά μέγιστης ισχύος από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια στο φορτίο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, απαιτείται εναρμόνιση του φορτίου στη μονίμως μεταβαλλόμενη δυναμική αντίσταση της γεννήτριας. Υπάρχει κατάλληλη συσκευή, ρυθμιστής φόρτισης συσσωρευτών, η οποία παρακολουθεί αυτό το σημείο μέγιστης ισχύος, επιτρέποντας μια όσο το δυνατό μεγαλύτερη παροχή ηλεκτρικής ισχύος από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια προς το φορτίο και τη μπαταρία του αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος για διάφορα επίπεδα εντάσεως της ηλιακής ακτινοβολίας και διαφορετικές θερμοκρασίες των ηλιακών κυττάρων. Η μεταβολή της πυκνότητας της ισχύος της ακτινοβολίας συνεπάγεται αντίστοιχη μεταβολή της V oc και της I sc από το μηδέν για το σκοτάδι, μέχρι τις μέγιστες τιμές τους για τη μέγιστη ένταση της ακτινοβολίας. Επίσης, με την αύξηση της θερμοκρασίας παρατηρείται αισθητή μείωση της ανοιχτοκυκλωμένης τάσης, V oc των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Παρατηρώντας το ακόλουθο σχήμα για την ακτινοβολία, το οποίο δίνει I SC =1.25A, έχουμε περίπου I m =l.l A και V m =0.5V. Επομένως η κατάλληλη αντίσταση του κυκλώματος για να παράγεται η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς από το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι R L = V m /I m = 0.5/1.1 = 0.455Ω. Η αντίσταση αυτή, όπως φαίνεται και στο σχήμα, είναι εντελώς ακατάλληλη για όλες τις άλλες συνθήκες ακτινοβολίας, αφού η ευθεία με κλίση 1/0.455 τέμνει τις αντίστοιχες καμπύλες I-V σε σημείο διαφορετικό από το σημείο μέγιστης ισχύος. H τιμή της εσωτερικής αντίστασης του συσσωρευτή (και σε σχέση με το φορτίο κατανάλωσης), στο αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα, καθορίζει πόσο κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος, θα λειτουργεί η φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία προσπίπτει στα ηλιακά στοιχεία, στα μεταβαλλόμενα επίπεδα της ηλιακής ακτινοβολίας. Σελίδα 19

20 Σχήμα 1.9 : Η μετατόπιση των σημείων λειτουργίας (ΣΛ) ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου πυριτίου και η απομάκρυνση του από τα αντίστοιχα σημεία της μέγιστης ισχύος (ΜP) της I-V καμπύλης, για διαφορετικές συνθήκες ακτινοβολίας αλλά για σταθερή τιμή της αντίστασης του κυκλώματος η οποία τροφοδοτεί το στοιχείο [9]. 1.6 Φωτοβολταϊκά πλαίσια Η τάση και η ισχύς των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι πολύ μικρή για να ανταποκριθεί στην τροφοδότηση των συνηθισμένων ηλεκτρικών καταναλώσεων ή για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Ειδικότερα, η τάση που εκδηλώνει ένα συνηθισμένο φωτοβολταϊκό στοιχείο πυριτίου του εμπορίου, σε κανονική ηλιακή ακτινοβολία, είναι μόλις 0.5V περίπου και η ηλεκτρική ισχύς που παράγει είναι μέχρι μόλις 0.4W περίπου. Επίσης, είναι γνωστό ότι υπό ιδανικές συνθήκες δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές τάσης σε σειρά προστίθενται όπως προστίθενται και δύο ή περισσότερε πηγές ρεύματος που συνδέονται παράλληλα. Εξαιτίας αυτής της κατάστασης, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία τα οποία προορίζονται για τη συγκρότηση φωτοβολταϊκών γεννητριών συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα και τοποθετούνται σε ενιαίο πλαίσιο με κοινή ηλεκτρική έξοδο, ώστε να τροφοδοτούν την έξοδό τους με την επιθυμητή από τον κατασκευαστή τάση και ισχύ. Σελίδα 20

21 Σχήμα 1.10 : Χαρακτηριστική I-V φωτοβολταϊκού πλαισίου με κύτταρα συνδεδεμένα σε σειρά και παράλληλα [9]. Όταν τα ηλιακά κύτταρα έχουν τα ίδια ακριβώς χαρακτηριστικά, η μέγιστη ισχύς την οποία παίρνουμε από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο ισούται με το γινόμενο της μέγιστης ισχύος που μπορεί να τροφοδοτήσει κάθε στοιχείο ξεχωριστά, επί τον αριθμό των στοιχείων. Η μέγιστη τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού πλαισίου, προσδιορίζεται από τον αριθμό των συγκεκριμένων ηλιακών στοιχείων, τα οποία συνδέονται σε σειρά, και το μέγιστο ρεύμα στην έξοδο (για κανονικά επίπεδα ηλιοφάνειας), προσδιορίζεται από τον αριθμό των στοιχείων (ή ομάδα εν σειρά στοιχείων), τα οποία συνδέονται παράλληλα. Η χαρακτηριστική I-V καμπύλη ενός συνόλου ίδιων ηλιακών στοιχείων συνδεδεμένων σε σειρά ή/και παράλληλα, προκύπτει με αντίστοιχο συνδυασμό των χαρακτηριστικών των επιμέρους στοιχείων όπως φαίνεται, στο ανωτέρω σχήμα Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τα οποία κυκλοφορούν στο εμπόριο, αποτελούνται από τα επιμέρους φ/β στοιχεία, τα οποία προστατεύονται από πάνω με φύλλο γυαλιού ή διαφανούς πλαστικού και από κάτω με φύλλο ανθεκτικού υλικού, συνήθως μετάλλου ή ενισχυμένου πλαστικού. Το πάνω και κάτω προστατευτικό φύλλο συγκρατούνται μεταξύ τους στεγανά και μόνιμα. Διαμορφώνεται έτσι η βιομηχανική μονάδα η οποία χρησιμοποιείται ως συλλέκτης στη συγκρότηση των φωτοβολταϊκών γεννητριών. Στο εμπόριο συνήθως τα πλαίσια παρουσιάζουν τάσεις από 4V ως 22V, ρεύμα 0.5Α ως 2.5Α, ισχύς αιχμής (παραγόμενη μέγιστη ισχύς όταν το πλαίσιο δεχτεί ηλιακή ακτινοβολία με πυκνότητα ισχύος 1kW/m 2 ) 2W P ως 60W P και συντελεστή απόδοσης 6% ως 12%. Επιπροσθέτως, συχνά χρησιμοποιούνται στα πλαίσια δίοδοι για την προστασία (δίοδοι απομόνωσης, blocking diodes) και την βελτίωση της απόδοσης τους (δίοδοι παράκαμψης, bypass diodes). Σελίδα 21

22 Πολύ σημαντικός είναι ο προσανατολισμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων της συστοιχίας σε σχέση με την κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας, και σχετίζεται με την κλίση και την αζιμούθια γωνία των πλαισίων. Προφανώς η πυκνότερη ισχύς μιας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας πάνω σε ένα συλλέκτη θα πραγματοποιείται όταν η επιφάνεια του είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας. Στις συνηθισμένες περιπτώσεις τα πλαίσια τοποθετούνται σε σταθερή κλίση και αζιμούθια γωνία, που επιλέγονται ώστε η γωνία πρόσπτωσης να είναι όσο το δυνατό μικρότερη κατά τη διάρκεια του έτους. Στο βόρειο ημισφαίριο η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη για τη διάρκεια ολόκληρου του έτους είναι ίση με τη γεωγραφική παράλληλο του τόπου και η αζιμούθια γωνία είναι 0 (προς νότο). Βέβαια η βέλτιστη κλίση, λόγω της μεταβολής της απόκλισης του ήλιου στη διάρκεια του έτους, είναι διαφορετική για κάθε εποχή οπότε και επιλέγεται ανάλογα την εφαρμογή, κάποια διαφοροποίηση στην κλίση από την παράλληλο. Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες βέβαια, είναι δυνατό εκτός από τη συστοιχία να περιλαμβάνουν και επιπλέον εξοπλισμό και με βάση αυτόν κατατάσσονται σε τρεις κυρίως κατηγορίες. Τις απλές διατάξεις, όπου τα πλαίσια τοποθετούνται σε σταθερό σημείο και η συστοιχία δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία με τη φυσική της πυκνότητα και διακύμανση στη διάρκεια της ημέρας. Τις διατάξεις με κινητά πλαίσια που περιστρέφονται αυτόματα και παρακολουθούν συνεχώς την πορεία του ήλιου στον ουρανό, ώστε τα ηλιακά στοιχεία να δέχονται κάθετα την ηλιακή ακτινοβολία σε όλη τη διάρκεια της μέρας. Τις διατάξεις που με τη χρησιμοποίηση φακών ή κατόπτρων συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία και την στέλνουν συμπυκνωμένη πάνω στα ηλιακά στοιχεία. Για την αποφυγή υπερθέρμανσης, στις συγκεντρωτικές φωτοβολταϊκές διατάξεις απαιτείται συνήθως η τεχνική ψύξη των στοιχείων με κυκλοφορία ψυχρού αέρα ή ψυκτικών υγρών. Σελίδα 22

23 1.7 Αγορά φωτοβολταϊκών: Σημερινή κατάσταση και τάσεις Η χρήση Φ/Β για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι μια συνεχώς εξελισσόμενη τεχνολογία, ευρέως διαδεδομένη και η οποία τα τελευταία χρόνια αρχίζει να παρουσιάζει σημαντική ανάπτυξη και στην Ελλάδα. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε στο κάτωθι σχήμα την εγκατεστημένη ισχύς των Φ/Β στην Ελλάδα από το 2000 έως το 2008: Σχήμα 1.11 : Εγκατεστημένη ισχύς στην Ελλάδα ( ) [5]. Σύμφωνα με το νέο θεσμικό πλαίσιο το οποίο διαμορφώθηκε με βάση τον νόμο υπ αριθ του 2006, για «Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης και λοιπές διατάξεις», δίνονται πολύ σημαντικά κίνητρα ανάπτυξης επιχειρηματικής δραστηριότητας στον τομέα της παραγωγής ενέργειας από Φ/Β συστήματα, καθώς σύμφωνα με τις διατάξεις του συγκεκριμένου νόμου δημιουργήθηκε ένα ευνοϊκό καθεστώς για την προώθηση Α.Π.Ε. και ιδιαίτερα των Φ/Β συστημάτων. Οι ευνοϊκές ρυθμίσεις απορρέουν από το ότι αυξήθηκε σημαντικά η τιμή πώλησης της kwh προς την ΔΕΗ αλλά και διασφαλίστηκε σε μεγάλο βαθμό το διάστημα της σύμβασης για πώληση της ανανεώσιμης ενέργειας στο κεντρικό δίκτυο. Ο συνδυασμός αυτών των ευνοϊκών διατάξεων μαζί με τις επιδοτήσεις τις οποίες προσφέρει ο νέος αναπτυξιακός Νόμος του 2004 έχουν θέσει ένα ισχυρό πλαίσιο κινήτρων στο οποίο μπορεί να βασιστεί ο κάθε υποψήφιος επενδυτής και να εγκαταστήσει ένα οικονομικά βιώσιμο σύστημα παραγωγής ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπροσθέτως, σύμφωνα με το νέο νομικό πλαίσιο, η τιμολόγηση της ηλεκτρικής ενέργειας η οποία παράγεται από Φ/Β διαμορφώνεται ως εξής: Σελίδα 23

24 Πίνακας 1.2 : Τιμολόγηση ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β [19]. Σελίδα 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 0 : ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 2.1 Εισαγωγή Τα φωτοβολταϊκά συστήματα διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: Τα διασυνδεδεμένα στο δίκτυο. Τα αυτόνομα συστήματα Σχήμα 2.1 : Βασικό κυκλωματικό διάγραμμα διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος [19]. Σχήμα 2.2 : Βασικό κυκλωματικό διάγραμμα αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος [19]. Στα διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα η ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτείται στο δίκτυο. Υπάρχουν δύο διαφορετικές υλοποιήσεις, ανάλογα με το αν τροφοδοτείται κάποιο φορτίο απευθείας από το σύστημα ή όχι. Σε ένα διασυνδεδεμένο σύστημα το δίκτυο ενεργεί όπως μια μπαταρία με απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης. Επομένως, η συνολική αποδοτικότητα ενός διασυνδεδεμένου φ/β συστήματος, θα είναι καλύτερη από την αποδοτικότητα ενός αυτόνομου συστήματος, αφού το δίκτυο έχει πρακτικά απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης και επομένως η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια Σελίδα 25

26 μπορεί πάντοτε να αποθηκεύεται. Αντιθέτως στις αυτόνομες εφαρμογές οι συσσωρευτές θα είναι ενίοτε πλήρως φορτισμένοι, οπότε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει με κάποιο τρόπο να αποβάλλεται. Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι εγκαταστάσεις οι οποίες λειτουργούν αυτοδύναμα για την τροφοδότηση καθορισμένων καταναλώσεων, χωρίς να συνδέονται με μεγάλα κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανομής, από τα οποία θα μπορούσαν να αντλούν συμπληρωματική ενέργεια ή να στέλνουν την περίσσεια της παραγόμενης. Αποτελούν την ιδανικότερη λύση για περιοχές οι οποίες βρίσκονται μακριά από το κεντρικό δίκτυο και στις οποίες η διασύνδεσή τους με αυτό θα απαιτούσε τεράστια οικονομικά κεφάλαια. Ειδικότερα για τον Ελλαδικό χώρο, ο οποίος έχει πολυάριθμα μικρά νησιά και μικρούς οικισμούς, τα αυτόνομα φ/β συστήματα έχουν βρει πολλές εφαρμογές. Στο σχήμα 2.2 παρουσιάζεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος. Το σύστημα αυτό αποτελείται από επιμέρους μονάδες οι οποίες συνήθως είναι οι εξής: Φωτοβολταϊκά πλαίσια Πίνακας ελέγχου Ρυθμιστής φόρτισης DC/AC αντιστροφέας τάσης 2.2 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από ένα σύνολο φωτοβολταϊκών στοιχείων τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους. Το φωτοβολταϊκό κύτταρο είναι η στοιχειώδης μονάδα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, διότι εκεί μετατρέπεται η ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Κυκλοφορούν διάφορα είδη φωτοβολταϊκών κυττάρων στην αγορά και διάφορα ακόμη βρίσκονται υπό ανάπτυξη. Χρησιμοποιούνται διάφορα υλικά και διατάξεις με στόχο την μέγιστη παραγωγή ενέργειας. Έχουν κατασκευαστεί κύτταρα στο εργαστήριο με απόδοση η οποία υπερβαίνει το 30%. Παρά ταύτα, η απόδοση αυτών των οποίων κυκλοφορούν ευρέως στο εμπόριο είναι περίπου η μισή Είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα είδη φ/β στοιχείων τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στο εμπόριο είναι τα ακόλουθα: Μονοκρυσταλλικού πυριτίου Πολυκρυσταλλικού πυριτίου Λεπτού υμενίου (Thin-film) Υβριδικά (HIT) Στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου Σελίδα 26

27 Το πάχος τους είναι γύρω στα 0.3mm. Η απόδοση τους στην βιομηχανία κυμαίνεται μεταξύ του 15% - 18% για το εκάστοτε πλαίσιο. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7%. Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέσης απόδοσης/επιφάνειας. Ένα άλλο χαρακτηριστικό τους είναι το υψηλό κόστος κατασκευής εν συγκρίσει με τα πολυκρυσταλλικά. Εικόνα : Πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου [19]. Στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου Η μέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από αυτήν των μονοκρυσταλλικών για αυτό και η τιμή τους είναι συνήθως λίγο χαμηλότερη. Οπτικά μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση αυτές οι περιοχές τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κελιά. Σε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ αντίστοιχα στο εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13% έως και 15% για το εκάστοτε φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι : η μέθοδος απ ευθείας στερεοποίησης DS, η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου ( χύτευση ) και η ηλεκτρομαγνητική χύτευση EMC. Εικόνα : Πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου [19]. Στοιχεία λεπτού υμενίου Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί πολύ λεπτά στρώματα (πάχος λίγων μικρών) του ημιαγωγού ούτως ώστε να μειώνεται το κόστος. Τα πιο γνωστά υλικά αυτής της κατηγορίας είναι τα κάτωθι: Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CIS) Σελίδα 27

28 Άμορφο πυρίτιο (a-si) Τελοριούχο κάδμιο (CdTe) Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός O Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτων φως αλλά παρόλα αυτά η απόδοση του με τις σύγχρονες τεχνικές δεν υπερβαίνει το 11%, για κάθε πλαίσιο. Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8%, η οποία είναι η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Με την πρόσμιξη γαλλίου η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο CIGS. Το πρόβλημα το οποίο προκύπτει είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στη φύση. Εικόνα : Πλαίσιο δισεληνοϊνδιούχου χαλκού [19]. Άμορφο πυρίτιο Ο χαρακτηρισμός άμορφο φωτοβολταϊκό προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Η απόδοση κυμαίνεται για το πλαίσιο από 6% έως και 8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14%. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα για το φωτοβολταϊκό στοιχείο a-si είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζεται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης του σε σχέση με τα κρυσταλλικά φ/β, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). Το μειονέκτημα των άμορφων πλαισίων είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα κάτι το οποίο σημαίνει ότι, για να παράγουμε την ίδια ενέργεια, χρειαζόμαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001mm ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3mm. Σελίδα 28

29 Εικόνα : Πλαίσιο άμορφου πυριτίου [19]. Τελοριούχο κάδμιο Το τελοριούχο κάδμιο έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο 1eV το οποίο είναι πολύ κοντά στο ηλιακό φάσμα κάτι το οποίο του δίνει σοβαρά πλεονεκτήματα όπως την δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8%. Τροχοπέδη για την χρήση του αποτελεί το γεγονός ότι, το κάδμιο σύμφωνα με κάποιες έρευνες είναι καρκινογόνο με αποτέλεσμα να προβληματίζει το ενδεχόμενο της εκτεταμένης χρήσης του. Επίσης προβληματίζει η έλλειψη τελλουρίου. Εικόνα : Πλαίσιο τελοριούχου καδμίου [19]. Αρσενικούχο Γάλλιο Το γάλλιο είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και από το χρυσό. Το αρσένιο δεν είναι σπάνιο αλλά έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Το αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43 ev το οποίο είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στη μορφή πολλαπλών συνενώσεων είναι η υψηλότερη η οποία έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες γεγονός το οποίο, επιβάλλει σχεδόν τη χρήση τους Σελίδα 29

30 σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs υποστρώματος. Εικόνα : Πλαίσιο αρσενικούχου γαλλίου [19]. Υβριδικά στοιχεία Ένα υβριδικό φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται από στρώσεις υλικών διαφόρων τεχνολογιών. Τα πιο γνωστά εμπορικά υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου (πάνω και κάτω) ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μια στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου, ο οποίος φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές στο 17,2%, κατά συνέπεια χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Αλλά πλεονεκτήματα για τα υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η εξαιρετική τους απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση στην διαχεόμενη ακτινοβολία. Το υβριδικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο είναι κάπως ακριβότερο σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πλαίσια. Η επιλογή του είδους των φωτοβολταϊκών είναι συνάρτηση των αναγκών, του διαθέσιμου χώρου ή ακόμα και της οικονομικής ευχέρειας του χρήστη. Στο κάτωθι σχήμα παρουσιάζεται ένας πίνακας ο οποίος συνοψίζει τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά, των ανωτέρω φωτοβολταϊκών τεχνολογιών: Σελίδα 30

31 Πίνακας 2.1 : Συγκριτικός πίνακας φωτοβολταϊκών στοιχείων [3] Απόδοση φωτοβολταϊκών πλαισίων Ο συντελεστής απόδοσης ενός φ/β πλαισίου, ορίζεται με παρόμοιο τρόπο με αυτόν του φ/β στοιχείου. Εκφράζει το λόγο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος την οποία παράγει το φ/β πλαίσιο, προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας την οποία δέχεται στην επιφάνεια. Επειδή όμως η επιφάνεια ενός φ/β πλαισίου δεν είναι καλυμμένη εξολοκλήρου από φ/β κύτταρα, η απόδοση διαφέρει από την απόδοση των στοιχείων που αποτελείται. Ορίζεται ο συντελεστής κάλυψης (σ κ ) ενός φ/β πλαισίου ως ο λόγος της συνολικής ενεργού επιφάνειας των ηλιακών στοιχείων, προς την συνολική επιφάνεια του φ/β πλαισίου. Στις ακόλουθες σχέσεις οι δείκτες οι οποίοι υπεισέρχονται παραπέμπουν στο αν το μέγεθος αφορά το πλαίσιο (m module) ή το κύτταρο (c cell). Ο συντελεστής απόδοσης ενός πλαισίου δίνεται από την κάτωθι σχέση: Σελίδα 31

32 P I V max max max η m = = m G S G S m (2.1) Εναλλακτικά θα μπορούσε κάποιος να υπολογίσει το συντελεστή απόδοσης κατά προσέγγιση από την σχέση: P σ max κ η = G S C N C (2.2) όπου N c : ο συνολικός αριθμός των φ/β στοιχείων τα οποία περιέχονται στο πλαίσιο. Η σχέση (2.2) δεν δίνει ακριβή αποτελέσματα, καθώς σε ένα φ/β πλαίσιο παρουσιάζονται και άλλες απώλειες, εκτός του συντελεστή κάλυψης Παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την απόδοση των φ/β πλαισίων Επίδραση της θερμοκρασίας Ένας σημαντικός παράγοντας ο οποίος μπορεί να μεταβάλλει αξιοσημείωτα την απόδοση ενός φ/β πλαισίου είναι η θερμοκρασία των φ/β στοιχείων του. Έχει μετρηθεί ότι κυρίως λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας την οποία δέχονται, αλλά και λόγω των ηλεκτρικών απωλειών οι οποίες πραγματοποιούνται πάνω τους, στις αντιστάσεις σειράς, τα φ/β στοιχεία αποκτούν κατά την λειτουργία τους θερμοκρασία αρκετά μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος. Αν T c είναι η θερμοκρασία του στοιχείου μπορούμε να θεωρήσουμε ότι εξαρτάται αυτή γραμμικά από την θερμοκρασία περιβάλλοντος T α και την ηλιακή ακτινοβολία G, ως εξής: T C = T α + h W G (2.3) όπου h w : χαρακτηριστικός συντελεστής των φ/β πλαισίων, με τιμή συνήθως: h W = 0.03m² C W (2.4) Από την τελευταία σχέση προκύπτει ότι ένα φ/β πλαίσιο το οποίο δέχεται ηλιακή ακτινοβολία 1 kw/m 2, θα έχει θερμοκρασία κατά 30 ºC μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος. Η θερμοκρασία επίσης επηρεάζεται από την ταχύτητα του ανέμου και συντελείτε καλύτερη απαγωγή θερμότητας όσο η ταχύτητα αυξάνεται. Επίδραση της ρύπανσης Σελίδα 32

33 Ένας ακόμη παράγοντας, ο οποίος επηρεάζει την απόδοση των φ/β πλαισίων, ιδίως όταν έχουν μικρή κλίση, είναι η ρύπανση της επιφάνειάς τους από την επικάθηση σκόνης, φύλλων, χιονιού κ.ά. Η μείωση είναι εντονότερη σε αστικές περιοχές λόγω της αιθάλης, η οποία αιωρείται στην ατμόσφαιρα και προσκολλάται ισχυρά στην γυάλινη ή πλαστική επιφάνεια των φ/β πλαισίων, χωρίς να μπορεί η βροχή εύκολα να τη ξεπλύνει Σύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων Στο κάτωθι σχήμα παρουσιάζεται μία περίπτωση σύνδεσης φ/β πλαισίων. Εκτός από τα πλαίσια στο σχήμα περιλαμβάνονται δίοδοι αντεπιστροφής και δίοδοι διέλευσης. Αυτές οι δίοδοι προστατεύουν τα πλαίσια και τα αποτρέπουν από το να φέρονται σαν φορτία τη διάρκεια της νύχτας. Τα φ/β πλαίσια συνδέονται σε σειρά, ώστε να σχηματίζουν συστοιχίες, όπου ο αριθμός των πλαισίων N s καθορίζεται, από την συνεχή τάση την οποία επιθυμούμε, καθώς επίσης σχηματίζουν και παράλληλες συστοιχίες, όπου αντίστοιχα ο αριθμός των πλαισίων N p καθορίζεται, από την ένταση του ρεύματος την οποία επιθυμούμε. Για παράδειγμα, η τάση εξόδου για τη διάταξη του ακόλουθου σχήματος θα είναι διπλάσια από την τάση του εκάστοτε πλαισίου και αντίστοιχα η ένταση του ρεύματος θα είναι τριπλάσια από την ένταση κάθε πλαισίου. Σχήμα 2.3 : Σύνδεση φ/β πλαισίων [19] Στήριξη φωτοβολταϊκών πλαισίων Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια προκειμένου να τοποθετηθούν στο σημείο εγκατάστασης προσαρμόζονται σε ειδικές κατασκευές. Οι κατασκευές αυτές επιβάλλετε να ικανοποιούν κάποιες απαιτήσεις, όπως οι ακόλουθες: Αντοχή στα φορτία τα οποία προέρχονται από το βάρος των πλαισίων. Σελίδα 33

34 Αντίσταση στον αέρα. Χαμηλό κόστος. Αποφυγή σκιασμού. Εύκολη προσέγγιση ώστε να είναι δυνατός ο έλεγχος των φ/β μονάδων. Τοποθέτηση με τρόπο, ώστε να προσπίπτει η ακτινοβολία του ήλιου στην επιφάνεια των πλαισίων όσο το δυνατόν περισσότερη ώρα. Για την προστασία της εγκατάστασης θα πρέπει περιμετρικά να τοποθετηθεί φράχτης, έτσι ώστε να αποτρέπονται ενέργειες βανδαλισμών και καταστροφές από ζώα. Οι μονάδες θα πρέπει να έχουν επαρκή απόσταση μεταξύ τους, καθώς επίσης και από το φράχτη, ώστε να αποφεύγονται φαινόμενα σκιασμού. Ένας χοντρικός κανόνας για να εξασφαλιστεί ότι η εγκατάσταση δεν θα έχει απώλειες λόγω σκιάσεων, είναι ο εξής: η απόσταση από τυχόν εμπόδιο (κτίριο, δέντρο, κ.λπ) επιβάλλεται να είναι διπλάσια του ύψους του εμποδίου. Σχήμα 2.4 : Ένας πρακτικός κανόνας για να αποφευχθούν τυχόν απώλειες λόγω σκίασης [3]. Ως προς την καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας διακρίνουμε τρεις κατηγορίες για τις κατασκευές στήριξης των φ/β πλαισίων: Σταθερής στήριξης. Εποχιακά ρυθμιζόμενης στήριξης. Συνεχούς παρακολούθησης της θέσης του ήλιου, με διάταξη η οποία ονομάζεται ηλιοτρόπιο. Στήριξη των φ/β πλαισίων με σταθερή γωνία κλήσης Η απουσία κινητών μερών κατά την στήριξη της συστοιχίας με σταθερή κλίση, προσδίδει στην διάταξη επαρκή μηχανική αντοχή. Στατικές συλλεκτικές επιφάνειες χρησιμοποιούνται επίσης ενσωματωμένες σε κτίρια. Η πιο απλή περίπτωση είναι εκείνη κατά την οποία ο χώρος εγκατάστασης της συστοιχίας των φ/β πλαισίων, δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία, καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας, όλο το έτος. Κατά κανόνα επιλέγουμε νότιο προσανατολισμό για τη συστοιχία και γωνία κλίσης κοντά στο γεωγραφικό πλάτος (φ) του τόπου. Στήριξη με δυνατότητα ρύθμισης της κλίσης του συλλέκτη Σελίδα 34

35 Αυτή η μέθοδος μαζί με την προηγούμενη είναι οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για μικρού και μεσαίου μεγέθους εγκαταστάσεις. Οι τυπικές θέσεις του συλλέκτη είναι δύο: i) μια για το θερινό εξάμηνο (21 Μαρτίου 22 Σεπτεμβρίου), με κλίση ίση με β = {φ (10 º έως 15 º)} και ii) μια για το χειμερινό εξάμηνο (22 Σεπτεμβρίου 21 Μαρτίου), με κλίση ίση με β = {φ + (10 º έως 15 º)}. Όπως και στην περίπτωση συλλέκτη σταθερής κλίσης καθ όλη τη διάρκεια του έτους, έτσι και στην περίπτωση επιλογής χειμερινής και θερινής θέσης, η επιλογή βέλτιστης γωνίας για το συλλέκτη σε κάθε περίοδο, απαιτεί γνώση των τοπικών μετεωρολογικών συνθηκών (θερμοκρασίας υγρασίας ανέμου ηλιοφάνειας) και της μορφολογίας του εδάφους, η οποία καθορίζει την διάχυτη ανακλαστικότητά του. Στήριξη με δυνατότητα στροφής του συλλέκτη γύρω από ένα ή δύο άξονες Η μετακίνηση των φ/β πλαισίων μπορεί να γίνεται, είτε με προγραμματισμό να μετακινούνται ανά τακτά χρονικά διαστήματα διατηρώντας σταθερό κάθε φορά το βήμα μετακίνησης, είτε με την παρακολούθηση του ήλιου από μικρές αυτοματοποιημένες διατάξεις, οι οποίες έχουν και τον έλεγχο της κίνησης για τα φ/β πλαίσια (δηλαδή αλλάζουν την κλίση αυτόματα όταν υπολογίσουν ότι σε μια άλλη κατεύθυνση υπάρχει περιθώριο για περαιτέρω παραγωγή ενέργειας συγκρινόμενη με την παρούσα παραγωγή). Οι μετακινήσεις αυτές χρησιμοποιούν συνήθως ενέργεια η οποία έχει ήδη παραχθεί από τα φ/β πλαίσια και είναι αποθηκευμένη σε μπαταρίες. 2.3 Αντιστροφέας τάσης Ο αντιστροφέας αποτελεί την καρδιά του φωτοβολταϊκού συστήματος. Η σωστή επιλογή, κατάλληλη διαστασιολόγηση και συνεργασία του με τα φ/β πλαίσια είναι εξαιρετικής σημασίας για την εύρυθμη λειτουργία του συστήματος και για τη μέγιστη δυνατή ετήσια ενεργειακή απόδοση του συστήματος. Οι αντιστροφείς χρησιμοποιούνται σε διασυνδεδεμένα φ/β συστήματα αλλά και σε αυτόνομα συστήματα με επαναφορτιζόμενες μπαταρίες Αντιστροφείς τάσης για διασυνδεδεμένα φ/β συστήματα Ο ρόλος του αντιστροφέα είναι η μετατροπή της συνεχούς τάσης η οποία παράγεται από τα φ/β στοιχεία σε εναλλασσόμενη, κατάλληλης τιμής και συχνότητας για διασύνδεση στο δίκτυο. Σε αντίθεση με τους αντιστροφείς των αυτόνομων συστημάτων, αυτοί των συνδεδεμένων επιβάλλεται να αντιδρούν το ίδιο στις μεταβολές των χαρακτηριστικών του δικτύου ηλεκτροδότησης, καθώς επίσης και στις μεταβολές της απόδοσης των συλλεκτών. Εκτός από την απόδοση στη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, τα ηλεκτρονικά του αντιστροφέα περιλαμβάνουν συστήματα τα οποία είναι αρμόδια για την ημερήσια λειτουργία του συστήματος. Φροντίζουν η λειτουργία να ξεκινά την κατάλληλη στιγμή το πρωί, όταν οι συλλέκτες παράγουν αρκετή ενέργεια. Σελίδα 35

36 Κατά τη διάρκεια της ημέρας, το βέλτιστο σημείο λειτουργίας στην καμπύλη I-V μεταβάλλεται ανάλογα με τη διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας των συλλεκτών. Ο «έξυπνος» έλεγχος του μετατροπέα περιλαμβάνει παρακολούθηση του σημείου μέγιστης ενέργειας και συνεχή ρύθμιση στο βέλτιστο κάθε φορά σημείο λειτουργίας (MPPT Maximum Power Point Tracker). Η εξέλιξη της τεχνολογίας έχει ως αποτέλεσμα τα περισσότερα μοντέλα αντιστροφέων τάσης να είναι εξοπλισμένα με συστήματα τα οποία επιτρέπουν τη συνεχή μέτρηση της ισχύος, της τάσης, του ρεύματος και άλλων λειτουργικών παραμέτρων του συστήματος. Μείζονος σημασίας για τα φ/β συστήματα αποτελεί το φαινόμενο της νησιδοποίησης (islanding), δηλαδή την κατάσταση στην οποία, η πηγή ισχύος του κύριου δικτύου αποσυνδέεται από το τμήμα του δικτύου στο οποίο η γεννήτρια είναι συνδεδεμένη, και ένας ή περισσότεροι αντιστροφείς διατηρούν ένα φορτίο στο τμήμα αυτό του δικτύου ή της εγκατάστασης. Έτσι, στην περίπτωση της κυρίας τροφοδοσίας από το δίκτυο, τα διασυνδεδεμένα φ/β συστήματα απαιτείται, να αποσυνδέονται αυτόματα από το δίκτυο, για να αποφευχθεί το φαινόμενο της νησιδοποίησης Αντιστροφείς τάσης για αυτόνομα συστήματα Λόγω των ειδικών συνθηκών λειτουργίας των αντιστροφέων των αυτόνομων συστημάτων, χρησιμοποιείται διαφορετικός σχεδιασμός. Σ ένα τυπικό οικιακό σύστημα, ο λόγος της ονομαστικής ισχύος προς τη μέση ισχύ είναι περίπου 25:1. Για το λόγο αυτό ο αντιστροφέας επιβάλλεται να έχει υψηλή απόδοση γύρω στο 90%, στα μερικά φορτία και συγκεκριμένα στην περιοχή του 5-10% της ονομαστικής ισχύος. Λίγοι αντιστροφείς ικανοποιούν τις απαιτήσεις αυτές, μαζί με έξοδο τάσης με καμπυλοειδή κυματομορφή, και την ικανότητα να αντέχουν μικρής διάρκειας υπερφορτώσεις. Ανάλογα με την εφαρμογή μπορεί να χρησιμοποιηθούν τετραγωνικής και καμπυλοειδούς κυματομορφής αντιστροφείς. Τα ουσιαστικότερα χαρακτηριστικά τα οποία επιβάλλεται να έχει ένας αντιστροφέας τάσης αυτόνομου συστήματος είναι τα εξής: Μεγάλο εύρος τάσης εισόδου (-10% με +30% της ονομαστικής τάσης). Τάση εξόδου όσο το δυνατόν πλησιέστερα στην καμπυλοειδή κυματομορφή. Μικρή διακύμανση στην συχνότητα και τάση εξόδου. ±8% σταθερότητα τάσης, ±2% σταθερότητα συχνότητας. Υψηλό βαθμό απόδοσης στα μερικά φορτία. Βαθμό απόδοσης τουλάχιστον 90% στο 10% του φορτίου. Ικανότητα αντοχής σε μικρής διάρκειας υπερφορτώσεις για τις καταστάσεις εκκίνησης συσκευών. Για παράδειγμα 2 με 3 φορές τη ονομαστική ένταση του ρεύματος για 5s για συσκευές με κινητήρες(π.χ. για το ψυγείο και το πλυντήριο). Ελάχιστες δυνατές υπερτάσεις για επαγωγικά και χωρητικά φορτία. Ικανότητα αντοχής σε βραχυκύκλωμα. Σελίδα 36