ΑΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: «ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΩΝ ΣΕ ΣΚΕΠΗ Ή ΠΛΑΚΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΕΠΙΚΡΑΤΕΙΑ» ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Φαντίδης Ιάκωβος ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: Ντάνης Δημήτριος Α.Ε.Μ: 3786

2 [2]

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εργασία αυτή εξετάζει την απόδοση φωτοβολταϊκών συστημάτων 10 kwp εγκατεστημένων σε σκεπή ή πλάκα κτιρίων σε 45 τοποθεσίες στην Ελληνική επικράτεια. Ο σκοπός της εργασίας αυτής προέκυψε ύστερα από τη διάδοση και την ευκολία εγκατάστασης φωτοβολταϊκών συστημάτων ακόμα και από ιδιώτες για παραγωγή ενέργειας και τα ευνοϊκά μέτρα που έχουν παρθεί για τέτοιες επενδύσεις. Η εξέταση της απόδοσης τους έγινε με τη χρήση εξειδικευμένου λογισμικού (RetScreen4). Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια ανασκόπηση των πιο διαδεδομένων μορφών ενέργειας στον πλανήτη, αρχίζοντας από τις συμβατικές μορφές και καταλήγοντας στις πράσινες. Επιπλέον, παρουσιάζονται κάποιες προτάσεις για την εξοικονόμηση ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο εξετάζεται το μικρότερο κομμάτι των φωτοβολταϊκών συστημάτων, τα ηλιακά στοιχεία. Αρχίζει από τα υλικά κατασκευής και το πώς αυτά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, με την ηλιακή ακτινοβολία και τους παράγοντες απόδοσης τους. Έπειτα, παραθέτονται λίγα λόγια για την ηλιακή ακτινοβολία αυτή καθεαυτή και τον υπολογισμό της σε ένα επίπεδο. Και τέλος, γίνεται μια σύντομη αναφορά για το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε. Στη συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη της αγοράς των φωτοβολταϊκών συστημάτων στην Ελλάδα. Παρουσιάζονται στατιστικά στοιχεία εγκατεστημένης ισχύος καθώς και το νομοθετικό πλαίσιο που διέπει την εγκατάσταση και τη χρήση τους. Το κεφάλαιο κλείνει τονίζοντας τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους και, παράλληλα, δίνοντας ορισμένους τρόπους προώθησης των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται σε πίνακες τα αποτελέσματα της απόδοσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων σε 45 τοποθεσίες στην Ελληνική επικράτεια. Τα δεδομένα από κάθε τοποθεσία συγκρίνονται με τις τοποθεσίες που παρουσιάζουν τη μέγιστη και την ελάχιστη ισχύ. Τέλος, το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο κλείνει με τα συμπεράσματα και τις προοπτικές των φωτοβολταϊκών συστημάτων. [3]

4 Summary This work examines the performance of photovoltaic systems 10Kwp installed on a roof or plate of buildings at 45 sites in Greek territory. The purpose of this work has arisen after the dissemination and ease of installation of photovoltaic systems even by private individuals for energy production and favorable measures have been taken for such investments. The examination of their performance was done by using specialized software (RetScreen4). Initially, the first chapter is an overview of the most common forms of energy on the planet, starting with the conventional forms and ending with the green ones. In addition, are presented some proposals to conserve energy. The second chapter discusses the slightest bit of photovoltaics, the solar cells. Starting from the materials of construction and how they interact with solar radiation and the performance factors. Then are cited a few words about the solar radiation itself and the calculation of it to a level. And finally is made a short reference for the software that was used. Then in the third chapter is made a study of the market for the photovoltaic systems in Greece. Some statistics are presented about the installed power and the legislative framework governing the installation and use. The chapter concludes highlighting the advantages and disadvantages and in parallel giving some ways to promote photovoltaic systems. In the fourth chapter presents in tables the results of performance of photovoltaic systems in 45 locations in Greek territory. The data from each site are compared with the sites of maximum and minimum energy performance. Finally, the fifth and final chapter closes with conclusions and prospects of photovoltaic systems. [4]

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΣΤΡΟΦΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ Ή ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Ή ΚΑΡΒΟΥΝΟ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΑΣΗ ΑΝΟΙΧΤΟΚΥΚΛΩΣΗΣ ΚΑΙ ΡΕΥΜΑ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΣΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ I-V ΚΑΙ P-V ΤΥΠΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 37 ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 2.8 ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΕ ΕΝΑ ΕΠΙΠΕΔΟ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ RetScreen 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Η ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΝΟΜΟΘΕΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΡΟΠΟΙ ΠΡΟΩΘΗΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΔΥΝΑΤΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ ΣΤΟΝ ΕΛΛΑΔΙΚΟ ΧΩΡΟ 63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ 112 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 113 [5]

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΣΤΡΟΦΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σήμερα, σε όλο τον κόσμο πολλές χώρες καλύπτουν μεγάλο μέρος των ενεργειακών τους αναγκών κάνοντας χρήση της πυρηνικής ενέργειας και των ορυκτών καυσίμων. Ωστόσο, πολλοί επιστήμονες μελετούν και εκφράζουν την ανησυχία τους για τις καταστροφικές συνέπειες, που προκύπτουν, από τη χρήση της πυρηνικής ενέργειας και των ορυκτών καυσίμων. Τα χρησιμοποιούμενα πυρηνικά καύσιμα, όπως το ουράνιο, περιέχουν και εκπέμπουν ραδιενέργεια. Υψηλές δόσεις ακτινοβολίας από ραδιενέργεια μπορούν να προκαλέσουν επώδυνο θάνατο, ενώ μικρότερες δόσεις προκαλούν καρκίνο και τερατογενέσεις. Παράλληλα, και τα ορυκτά καύσιμα δημιουργούν με την έκλυση τεράστιων ποσοτήτων αερίων ρύπων και σκόνης προβλήματα στο περιβάλλον, όπως για παράδειγμα το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Γι αυτούς τους λόγους, επιστήμονες προτείνουν να εγκαταλειφθούν η πυρηνική ενέργεια και τα ορυκτά καύσιμα και να γίνει μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (αιολική, ηλιακή, βιομάζα). Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ανεξάντλητες. Θα επιτρέψουν να αποφευχθούν, κατά τη διάρκεια των επόμενων δεκαετιών, οι πολιτικές συγκρούσεις, τις οποίες εύκολα μπορεί να προβλέψει κανείς, εξαιτίας της σταδιακής εξάντλησης των αποθεμάτων πετρελαίου και φυσικού αερίου. Επιπρόσθετα, δεν προκαλούν εκπομπές αερίων. Στην περίπτωση, δε, της βιομάζας, είναι ουδέτερες από κλιματική άποψη. Έτσι, μπορούν να αποτελέσουν την αρχή της αντιμετώπισης της παγκόσμιας περιβαλλοντικής κρίσης, η οποία σήμερα επιδεινώνεται. Αξίζει, ακόμη, να σημειωθεί ότι, με εξαίρεση τη βιομάζα, το κόστος τους περιορίζεται στα έξοδα μετατροπής και διάθεσης της ενέργειας. Μάλιστα, αυτά μειώνονται στο βαθμό που πολλαπλασιάζονται οι εγκαταστάσεις και βελτιώνονται οι τεχνολογίες. Μ αυτόν τον τρόπο, οι ανανεώσιμες πηγές προσφέρουν μια σημαντική ευκαιρία να αποκτήσουν όλοι πρόσβαση σε φθηνή ενέργεια. Τέλος, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας κατανέμονται με σχετικά ομοιόμορφο τρόπο σε ολόκληρο τον κόσμο, επιτρέποντας πραγματική ενεργειακή αυτονομία. Αντίθετα, η πυρηνική ενέργεια και τα ορυκτά καύσιμα συναντώνται μόνο σε ορισμένες χώρες, με αποτέλεσμα οι χώρες με ανεπάρκεια ορυκτών καυσίμων να κάνουν εισαγωγές σπαταλώντας πολύτιμους οικονομικούς πόρους που θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν σε άλλους τομείς. 1.2 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Πηγή ενέργειας είναι ένα σύστημα που παρέχει άφθονη ενέργεια, ικανή να μετατραπεί σε κάποια άλλη μορφή, να μεταφερθεί εύκολα και να αποθηκευτεί. Μια πηγή ενέργειας, όμως, μπορεί να μην είναι πάντα διαθέσιμη. Έτσι, προκύπτει ο διαχωρισμός των ενεργειακών πηγών σε σταθερές και μη σταθερές. [6]

7 Σταθερή πηγή ενέργειας ονομάζεται αυτή που είναι διαθέσιμη συνεχώς και έτοιμη για εκμετάλλευση, όταν τη χρειαστούμε. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν: 1. Τα καύσιμα απολιθωμάτων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο), που βρίσκονται στο υπέδαφος και χρησιμοποιούνται στα συστήματα θέρμανσης και για τη λειτουργία μηχανών εσωτερικής καύσεως. 2. Το νερό που συγκεντρώνεται σε μεγάλες ποσότητες με ένα φράγμα, σχηματίζοντας τεχνητές λίμνες. Μη σταθερή πηγή ενέργειας ονομάζεται αυτή που είναι διαθέσιμη μόνο για ορισμένο χρόνο. Τέτοιες πηγές είναι, για παράδειγμα, η αιολική ή η ηλιακή ενέργεια, οι οποίες, όμως, εξαρτώνται από τις καιρικές συνθήκες (άλλοτε φυσά ή έχει ήλιο, άλλοτε όχι), παρόλο που τα αποθέματα τους είναι ανεξάντλητα και ανανεώσιμα. Ωστόσο, η σταδιακή εξάντληση των αποθεμάτων των σταθερών πηγών ενέργειας καθώς και η ρύπανση του περιβάλλοντος από τη χρήση τους επιβάλλουν σήμερα την ανάγκη εξεύρεσης μεθόδων, με τις οποίες θα είναι δυνατόν να χρησιμοποιείται και να αποθηκεύεται την ενέργεια των μη σταθερών πηγών. Επιπλέον, ως πηγή ενέργειας μπορεί να θεωρηθεί και ο ηλεκτρισμός, ο οποίος τροφοδοτεί διαρκώς τα ηλεκτρικά συστήματα ισχύος, αφότου μετατραπεί από την αντίστοιχη σταθερή ή μη σταθερή πηγή ενέργειας με το εκάστοτε κατάλληλο σύστημα ισχύος. Για λόγους αξιοπιστίας τα περισσότερα συστήματα ισχύος σχεδιάζονται έτσι, ώστε να λειτουργούν με σταθερές πηγές ενέργειας. 1.3 ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ Ή ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα καύσιμα απολιθωμάτων, δηλαδή το πετρέλαιο, το κάρβουνο και το φυσικό αέριο, που χρησιμοποιούνται ευρέως στα εργοστάσια παράγωγης ηλεκτρικής ενέργειας και στη βιομηχανία. Τα καύσιμα απολιθωμάτων είναι υπολείμματα φυτικής προέλευσης, τα οποία μετά από την αποσύνθεση τους θάφτηκαν στο υπέδαφος λόγω γεωλογικών μεταβολών του φλοιού της γης. Όπως υπολογίζουν οι επιστήμονες, το κάρβουνο άρχισε να σχηματίζεται στη γη πριν από 500 εκατομμύρια χρόνια και η διαδικασία ολοκληρώθηκε περίπου 235 εκατομμύρια χρόνια πριν από τη σημερινή εποχή. Τα αποθέματα των στερεών και υγρών καυσίμων εξαντλούνται λόγω της εκτεταμένης χρήσης τους και δεν είναι δυνατό να αντικατασταθούν ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Ή ΚΑΡΒΟΥΝΟ Τα στερεά καύσιμα είναι ιζηματογενές πετρώματα μαύρου χρώματος. Σχηματίζονται από την απανθράκωση φυτικής ύλης μέσα στη γη. Κύριο συστατικό τους είναι ο άνθρακας που συνήθως αποτελεί το 25% με 50% του βάρους τους και [7]

8 άνω του 75% του όγκου του πετρώματος. Τα υπόλοιπα ποσοστά καλύπτονται από άλλα υλικά, όπως χώμα ή άλλα μέταλλα. Σημαντικά πλεονεκτήματα τους είναι ότι είναι φτηνότερα από τα άλλα συμβατικά καύσιμα, πιο εύκολο να εξορυχτούν και υπάρχουν διαθέσιμα σε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες (Εικόνα 1.1). Γι αυτό το λόγο, είναι ευρέως διαδεδομένα σε υπό ανάπτυξη χώρες, οι οποίες χρειάζονται άμεσα ενέργεια, και φτηνά σε αντίθεση με τις άλλες μορφές ενέργειας, όπου είναι απαραίτητες μεγάλες επενδύσεις σε έρευνα, ανάπτυξη και υποδομές. Το μεγάλο, όμως, μειονέκτημα του κάρβουνου είναι η έκλυση σημαντικών ποσοτήτων αιωρούμενων σωματιδίων, οξειδίων του αζώτου και του θείου και η δημιουργία μεγάλων ποσοτήτων στερεών αποβλήτων, τα οποία σε ένα βαθμό θεωρούνται τοξικά και πρέπει να γίνεται σωστή απόθεση τους, αλλιώς υπάρχει κίνδυνος να μολυνθεί ο υδροφόρος ορίζοντας. Τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας ή οι βιομηχανίες, που χρησιμοποιούν στερεά καύσιμα για να καλύψουν της ενεργειακές τους ανάγκες, είναι οι κύριες πηγές ατμοσφαιρικής ρύπανσης παγκοσμίως. Συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, στη δημιουργία αιθαλομίχλης και εκπέμπουν αιωρούμενα σωματίδια επικίνδυνα για την ανθρώπινη υγεία. Οι αέριοι ρύποι, που εκλύονται από τα εργοστάσια, που προαναφέρθηκαν, επανέρχονται στη γη μέσω της βροχής, που σε αυτήν την περίπτωση ονομάζεται όξινη βροχή, με αποτέλεσμα την καταστροφή δασών, λιμνών αλλά και ανθρωπίνων κατασκευών. Πιο αναλυτικά τώρα, με τον όρο κάρβουνο ονομάζονται διάφορα ορυκτά καύσιμα, που διαφέρουν μεταξύ τους στην υφή και τη θερμογόνο αξία τους κι αυτό γιατί πρόκειται για καύσιμα διαφορετικής ηλικίας και προέλευσης. Έτσι, το πιο νεαρό κάρβουνο, το οποίο λέγεται τύρφη και έχει την υφή του σάπιου ξύλου, δεν παράγει πολλή θερμότητα όταν καίγεται, έχει, δηλαδή, μικρή θερμογόνο αξία. Το επόμενο στάδιο του μετασχηματισμού του κάρβουνου είναι μια μαλακή, καφέ ινώδης ύλη, που λέγεται λιγνίτης (ή καφέ κάρβουνο). Η περιεκτικότητα του λιγνίτη σε άνθρακα είναι 25-30%. Η Ελλάδα διαθέτει σημαντικά κοιτάσματα λιγνίτη, από τα οποία παράγεται και το μεγαλύτερο ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας. Ο λιγνίτης καίγεται εύκολα, αλλά δεν παράγει πολλή θερμότητα κατά την καύση του. Το κάρβουνο με μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε άνθρακα ονομάζεται ασφαλτικό ή μαλακό κάρβουνο και είναι μεγαλύτερης ηλικίας, πιο πυκνό, χρώματος μαύρου και έχει μεγαλύτερη θερμογόνο αξία. Τέλος, το πιο παλιό και σκληρό κάρβουνο είναι ο ανθρακίτης, ο οποίος, όταν καίγεται, έχει μια έντονη μπλε φλόγα χωρίς πολύ καπνό. [8]

9 Εικόνα 1.1 Υπέργεια εξόρυξη κάρβουνου ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ Το πετρέλαιο (από το ελληνικό πέτρα και έλαιο, λάδι της πέτρας / λατινικά Oleu έλαιο), που μερικές φορές στην καθημερινή γλώσσα αποκαλείται και μαύρος χρυσός, είναι παχύρευστο, μαύρο ή βαθύ καφετί ή πρασινωπό υγρό ορυκτό και αποτελεί και τη σπουδαιότερη σήμερα φυσική πηγή ενέργειας. Το αργό πετρέλαιο (το ακατέργαστο) είναι υγρό πέτρωμα, μείγμα υδρογονανθράκων, δηλαδή, ουσιών που περιέχουν άνθρακα και υδρογόνο και βρίσκεται στα ανώτερα στρώματα μερικών περιοχών του φλοιού της γης (Εικόνα 1.2). Χρησιμοποιείται, κυρίως, για την παραγωγή μέσω διύλισης καύσιμων, για μηχανές εσωτερικής καύσης και για το λόγο αυτό είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας. Αρκεί να σημειωθεί ότι σχεδόν όλα τα μεταφορικά μέσα σήμερα χρειάζονται πετρέλαιο ή βενζίνη για την κίνηση τους. Είναι, επίσης, η πρώτη ύλη για πολλά χημικά προϊόντα, τα λεγόμενα «πετροχημικά», συμπεριλαμβανομένων των διαλυτών, των λιπασμάτων, των φυτοφαρμάκων, καθώς και συνθετικών προϊόντων, όπως τα πλαστικά. Η χρήση του πετρελαίου και των παραγώγων του, όμως, συνεπάγεται την εκπομπή ρύπων (παράγωγα του θείου, του άνθρακα και αιθάλη) στην ατμόσφαιρα, προκαλώντας το γνωστό σε όλoυς φαινόμενο του θερμοκηπίου και την αλλαγή του κλίματος σε παγκόσμια κλίμακα. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η σοβαρότατη περιβαλλοντική επιβάρυνση από τη μόλυνση του νερού και της ατμόσφαιρας από τα απόβλητα των εργοστασίων πετρελαιοειδών. Επιπροσθέτως, η τιμή του πετρελαίου καθορίζεται από τις τρέχουσες πολιτικές εξελίξεις στις πετρελαιοπαραγωγές χώρες (πόλεμοι, επαναστάσεις), τα προβλήματα στη μεταφορά του (θαλάσσια πειρατεία, σαμποτάζ αγωγών μεταφοράς), και από το καρτέλ των πετρελαιοπαραγωγών χωρών και εταιρειών, οι οποίες θέλουν την τιμή του πετρελαίου πάνω από μια τιμή για να συμφέρουν οι επενδύσεις και ταυτόχρονα να αποκομίζουν μεγάλα κέρδη. [9]

10 Τέλος, ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι τα παγκόσμια αποθέματα των κοιτασμάτων πετρελαίου αναμένεται να τελειώσουν (έχει συμβεί ήδη στις ΗΠΑ, όπου πολλές πηγές έχουν στερέψει). Τα εξακριβωμένα αποθέματα πετρελαίου φτάνουν τα 1,1 τρισεκατομμύρια βαρέλια περίπου, ποσό το οποίο μεταβάλλεται ανάλογα με την εξέλιξη της τεχνολογίας εξόρυξης. Υπολογίζεται να καταναλωθούν στην αρχή του δευτέρου μισού του 21 ου αιώνα. Εικόνα 1.2 Εγκατάσταση εξόρυξης πετρελαίου ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Το φυσικό αέριο είναι ένα αέριο μείγμα υδρογονανθράκων. Εξάγεται από υπόγειες κοιλότητες και εξαιτίας των ιδιοτήτων του θεωρείται οικολογικό καύσιμο. Μάλιστα, θεωρείται η καθαρότερη πηγή πρωτογενούς ενέργειας, μετά τις ανανεώσιμες μορφές. Τα μεγέθη των εκπεμπόμενων ρύπων είναι σαφώς μικρότερα σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα, ενώ η βελτίωση του βαθμού απόδοσης μειώνει τη συνολική κατανάλωση καυσίμου και συνεπώς περιορίζει την ατμοσφαιρική ρύπανση. Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται, κατά κύριο λόγο, σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπως στην παραγωγή πλαστικών, απορρυπαντικών και φαρμάκων καθώς και σε οικιακές εφαρμογές (Εικόνα 1.3). Περισσότερα από 50 εκατομμύρια νοικοκυριά στην Ευρώπη και πάνω από τα μισά νοικοκυριά των ΗΠΑ χρησιμοποιούν φυσικό αέριο στη θέρμανση, στο ζεστό νερό, στο μαγείρεμα και σε πολλές άλλες λειτουργίες του νοικοκυριού. Η χρήση του φυσικού αερίου παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα. Μερικά από αυτά είναι: 1. Οι μειωμένες εκπομπές ρύπων, που συμβάλλουν αποφασιστικά σε καθαρότερο περιβάλλον και στην καταπολέμηση του φαινομένου του θερμοκηπίου. 2. Η αυξημένη ενεργειακή απόδοση και οικονομία με μειωμένο λειτουργικό κόστος διαχείρισης. 3. Η ευχέρεια χειρισμού ελέγχου και αυτονομίας. [10]

11 4. Η μείωση της εξάρτησης από το πετρέλαιο. Η χρήση του φυσικού αερίου δίνει μια διέξοδο από τον εφιάλτη της αύξησης της τιμής του πετρελαίου και αποτελεί την εναλλακτική λύση για τους καταναλωτές, που βρίσκονται σε αδιέξοδο. Ωστόσο, το φυσικό αέριο, ως ορυκτό καύσιμο, έχει και σοβαρά μειονεκτήματα, όπως είναι η ρύπανση της ατμόσφαιρας με διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους. Παράλληλα, σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός ότι η ζήτηση του, γενικά, αυξάνεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια, σε αντίθεση με αυτή του πετρελαίου, που παραμένει σταθερή. Μάλιστα, κάποια στιγμή θα τεθεί θέμα ανεπάρκειας, όπως σήμερα με το πετρέλαιο, επειδή οι φυσικοί πόροι του δεν είναι ανεξάντλητοι. Εικόνα 1.3 Εγκατάσταση αποθήκευσης, επεξεργασίας φυσικού αερίου. 1.4 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η πυρηνική ενεργεία συνήθως παράγεται από τη σχάση (διάσπαση) κάποιων βαρέων και ασταθών πυρήνων ατόμων. Κατά τη σχάση πυρήνων, η ενέργεια που απελευθερώνεται είναι, κυρίως, θερμική. Μερικές φορές, η ενέργεια στο εσωτερικό των ατόμων θεωρείται χημική. Ωστόσο, όταν διασπώνται ή ενώνονται πυρήνες ατόμων, η παραγόμενη θερμική ενέργεια κατατάσσεται στην πυρηνική ενέργεια. Στα εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας η χημική ενέργεια του ουρανίου μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, η οποία αποθηκεύεται στο νερό. Στη συνέχεια, η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική μέσω της παραγωγής ατμού. Η μηχανική ενέργεια (ατμός) περιστρέφει κάποια ηλεκτρική γεννήτρια για την παραγωγή της απαιτουμένης για τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας. [11]

12 Από τη μια, τα κύρια πλεονεκτήματα της πυρηνικής ενέργειας είναι η ενεργειακή ασφάλεια και η μείωση των αερίων θερμοκηπίου. Η πυρηνική ενέργεια μπορεί να προσφέρει ηλεκτρική ενεργειακή επάρκεια, ενεργειακή ασφάλεια (τα πυρηνικά εργοστάσια μπορούν να αποθηκεύσουν καύσιμο για έως 5 έτη), ευελιξία στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (η πυρηνική ενέργεια μπορεί εύκολα να αναβαθμιστεί), διαφοροποίηση καυσίμου για ηλεκτροπαραγωγή, μείωση των αερίων θερμοκηπίου (αντικαθιστώντας τα ορυκτά καύσιμα), μεγαλύτερες ποσότητες και χαμηλότερο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας (Εικόνα 1.4). Από την άλλη, τα κύρια μειονεκτήματά είναι η ανάγκη διαχείρισης των καταλοίπων, το υψηλό αρχικό κόστος, που απαιτείται για τα συστήματα ασφαλείας και αποτροπής τρομοκρατικών ενεργειών (κίνδυνοι ασφαλείας, τρομοκρατίας, διασποράς πυρηνικών όπλων, διαχείρισης ραδιενεργών αποβλήτων) καθώς και το υψηλό αρχικό κόστος κατασκευής του πυρηνικού σταθμού. Εικόνα 1.4 Εργοστάσιο πυρηνικής ενέργειας 1.5 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΑΠΕ) Ανανεώσιμη ενέργεια είναι η ενέργεια που αντλείται από πηγές, οι οποίες δεν εξαντλούνται ή αντικαθίστανται, όπως η αιολική, η ηλιακή, η υδροηλεκτρική, η γεωθερμική και η ενέργεια από βιομάζα. Είναι η πρώτη μορφή ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος, πριν στραφεί έντονα στη χρήση του άνθρακα και των υδρογονανθράκων. Οι ΑΠΕ πρακτικά είναι ανεξάντλητες, η χρήση τους δε ρυπαίνει το περιβάλλον και η αξιοποίησή τους έγκειται μόνο στην ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών, που θα δεσμεύουν το δυναμικό τους. Το ενδιαφέρον στη σύγχρονη εποχή για την ανάπτυξη των τεχνολογιών αυτών και την ευρύτερη αξιοποίηση των ΑΠΕ, παρουσιάστηκε, αρχικά, μετά την πρώτη [12]

13 πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε μετά τη συνειδητοποίηση των παγκοσμίων περιβαλλοντικών προβλημάτων την τελευταία δεκαετία. Για πολλές χώρες, οι ΑΠΕ αποτελούν μια εγχώρια πηγή ενέργειας με ευνοϊκές προοπτικές συνεισφοράς στο ενεργειακό τους ισοζύγιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από το ακριβό εισαγόμενο πετρέλαιο και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού τους εφοδιασμού. Παράλληλα, συμβάλλουν στη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος, καθώς έχει πλέον διαπιστωθεί ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο κλάδος που ευθύνεται, κατά κύριο λόγο, για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Είναι φανερό ότι ο μόνος δυνατός τρόπος, που διαφαίνεται για να μπορέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση να ανταποκριθεί στο φιλόδοξο στόχο του περιορισμού των ρύπων του διοξειδίου του άνθρακα, είναι να επιταχύνει την ανάπτυξη των ΑΠΕ. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο τέλος του 2008 ήταν GW. Τα μεγάλης υδροηλεκτρικής ισχύος έργα αποτελούν περίπου τα τρία τέταρτα του συνόλου και τα αιολικά περίπου το 11%. Το νέο εγκατεστημένο δυναμικό ανανεώσιμων πηγών ενέργειας το 2008, ήταν τουλάχιστον 40 GW (εξαιρουμένων των μεγάλης υδροηλεκτρικής ενέργειας έργων), με την υψηλότερη αύξηση στην αιολική ενέργεια ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η ηλιακή ενέργεια, δηλαδή το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο, αποτελεί έναν ανεξάντλητο εγχώριο ενεργειακό πόρο, που παρέχει ανεξαρτησία, προβλεψιμότητα και ασφάλεια στην ενεργειακή τροφοδοσία (Εικόνα 1.5). Υπάρχουν δυο τρόποι να αξιοποιήσει κανείς την ηλιακή ενέργεια: 1. Παράγοντας ηλεκτρισμό μέσω των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα βασίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. 2. Αξιοποιώντας την ηλιακή θερμότητα, μέσω των ηλιακών θερμικών συστημάτων για τη θέρμανση, το δροσισμό κτιρίων και την παραγωγή ζεστού νερού οικιακής χρήσης. Η ηλιακή ενέργεια είναι μια αξιόπιστη πηγή ενέργειας, καθώς αξιοποιείται από μια αρκετά ώριμη και δοκιμασμένη τεχνολογία. Επιπροσθέτως, συμβάλλει στην ενεργειακή αυτονομία και στη παύση της ανασφάλειας, λόγω εξάρτησης από εισαγόμενους ενεργειακούς πόρους, τη στιγμή που ο ήλιος είναι δωρεάν, υπάρχει παντού και η ενέργεια παράγεται στα σημεία ζήτησης της. Τέλος, αποτρέπεται η έκλυση μεγάλων ποσοτήτων ρύπων, που επιβαρύνουν το περιβάλλον και τη δημόσια υγεία, καθώς μειώνεται η κατανάλωση ενέργειας από ορυκτά καύσιμα, που προκαλούν τις παγκόσμιες κλιματικές αλλαγές. Η συγκεκριμένη ανανεώσιμη πηγή, όμως απαιτεί υψηλό αρχικό κόστος επένδυσης, γεγονός που την αποδυναμώνει στα μάτια των καταναλωτών και ειδικά σε περιπτώσεις όπου η χρήση ηλιακών θερμικών και φωτοβολταϊκών συστημάτων δεν επιδοτείται. [13]

14 Εικόνα 1.5 Ηλιακή ενέργεια ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Η συγκεκριμένη μορφή ενέργειας αποτελεί σήμερα μια ελκυστική λύση στο πρόβλημα της ηλεκτροπαραγωγής. Παρέχει δυναμικό για μεγάλης κλίμακας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση ανεμογεννητριών, χωρίς σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Εξάλλου, το «καύσιμο» είναι άφθονο, αποκεντρωμένο, δωρεάν και η ηλεκτροπαραγωγή δεν εκλύει αέρια του θερμοκηπίου και άλλους ρύπους, όπως τα συμβατικά καύσιμα. Ωστόσο, η παραγωγή της δεν είναι σταθερή γιατί εξαρτάται από τη πνοή και την ένταση του αέρα και, επίσης, η εγκατάσταση μιας μονάδας ανεμογεννητριών είναι αρκετά δαπανηρή. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών αναπτύχθηκε σε τέτοιο βαθμό τα τελευταία χρόνια, ώστε το κόστος παραγωγής μιας kwh από τον άνεμο να είναι ανταγωνιστικό του αντίστοιχου μιας συμβατικής μονάδας. Για την Ελλάδα, οι σχετικές μελέτες εκτιμούν ότι το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο συνολικό αιολικό δυναμικό, με βάση τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες και τους περιορισμούς χωροθέτησης των αιολικών πάρκων, ανέρχεται σε MW για ταχύτητα ανέμου μεγαλύτερη των 6m/s (μέτριος άνεμος των 4 BEAUFORT στην αντίστοιχη νεφομετρική κλίμακα). Η παραγόμενη από την ανεμογεννήτρια ηλεκτρική ενέργεια εξαρτάται από την ετήσια κατανομή της ταχύτητας του ανέμου στη θέση, όπου αυτή είναι τοποθετημένη. Αυτός ο παράγοντας προϋποθέτει την υλοποίηση μελετών του αιολικού πεδίου κάθε περιοχής (περάσματα αέρα) και την πειραματική τους επαλήθευση για τον προσδιορισμό της θέσης του αιολικού πάρκου, δηλαδή της περιοχής εγκατάστασης πολλών ανεμογεννητριών (Εικόνα 1.6). [14]

15 Εικόνα 1.6 Εγκατάσταση ανεμογεννητριών ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Μία από τις παλαιότερες μεθόδους εξαγωγής ενέργειας από τα αποθέματα της γης είναι η υδροδυναμική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή είναι κινητική και χρησιμοποιεί τις βαρυτικές δυνάμεις των υδατοπτώσεων για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας. Σήμερα, η μηχανική αυτή ενέργεια χρησιμοποιείται για την κίνηση υδροστρόβιλων και την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η ενέργεια αυτή είναι αποτέλεσμα του υδρολογικού κύκλου. Η υδροδυναμική ενέργεια αποτελεί έμμεση μορφή ηλιακής ενέργειας, επειδή εξαρτάται από τον υδρολογικό κύκλο. Κατά τον κύκλο αυτό, ο ήλιος εξατμίζει το νερό, το οποίο μεταφέρεται υπό μορφή υδρατμών στην ατμόσφαιρα. Κατόπιν επιστρέφει πίσω στη γη με μορφή βροχής ή χιονιού και καταλήγει στη θάλασσα μέσω ποταμών ή χειμάρρων, κ.ο.κ. Αυτός ο διαρκής κύκλος παρέχει τα διάφορα καιρικά φαινόμενα και την ανάπτυξη των ποταμών και χειμάρρων. Καθώς το νερό των ποταμών και των χειμάρρων κινείται προς τη θάλασσα, η κινητική του ενέργεια μετατρέπεται σε δυναμική (υδατοπτώσεις). Η μετατροπή αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία υδροστρόβιλων παράγωγης ενέργειας. Ωστόσο, παρόλο που στα υδροηλεκτρικά έργα δεν παράγονται επιβλαβή αέρια, στα μεγάλα φράγματα λαμβάνονται υπόψη και άλλες περιβαλλοντικές παράμετροι, όπως αντιπλημμυρικά έργα, η ποιότητα του ύδατος, καθώς επίσης και η επιρροή στη ζωή των ψαριών του ποταμού αλλά και των υπολοίπων ζώων της περιοχής. Κατά συνέπεια, μόνο τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά (με δυναμικό λιγότερο των 50MW) θεωρούνται «πράσινα», ενώ τα μεγάλης κλίμακας θεωρούνται απλώς «καθαρά» (Εικόνα 1.7) [15]

16 Εικόνα 1.7 Φράγμα μεγάλης κλίμακας ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ Η βιομετατροπή είναι η τεχνολογία παραγωγής χρήσιμης ενέργειας από οργανικά υλικά, όπως τα ζωικά και φυτικά απόβλητα. Οποιοδήποτε οργανικό υλικό (από τα άλγη μέχρι το ξύλο), ζωντανό ή νεκρό σε αποσύνθεση, μαζί με διάφορους τύπους βιομηχανικών και οικιακών αποβλήτων περιέχει χημική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο (Εικόνα 1.8) Η βιομετατροπή παραλαμβάνει τα χημικά απόβλητα και οργανικά υλικά και τα μετατρέπει σε θερμική ενέργεια. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν διάφορες τεχνικές βιομετατροπης επί αιώνες και, κυρίως, την καύση ξύλου. Το ξύλο ήταν η πρώτη ενέργεια που χρησιμοποίησε η ανθρωπότητα για την επιβίωση της. Στην πραγματικότητα, η καύση του ξύλου ήταν η κυρίαρχη μορφή ενέργειας μέχρι τα τέλη του περασμένου αιώνα. Από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα, άρχισαν να εξελίσσονται οι τεχνικές διαδικασίες εκμετάλλευσης των φυσικών καυσίμων υδρογονανθράκων. Ενώ τα καύσιμα βιομάζας αποτελούν ένα μικρό μόνο ποσοστό της παγκόσμιας χρησιμοποιούμενης ενέργειας (12 και 15%) παραμένουν, όμως, η κύρια ενεργειακή πηγή για το μισό περίπου του παγκοσμίου πληθυσμού. Συμφώνα με την παγκόσμια τράπεζα, οι αναπτυσσόμενες χώρες της Ασίας και της Αφρικής αποτελούν τους κύριους χρήστες ενέργειας βιομάζας. Περίπου το 65% της ενέργειας που χρησιμοποιείται στην Ασία και το 90% στην Αφρική έχει τη μορφή βιομάζας. Στις βιομηχανικές κοινωνίες, η βιομάζα θεωρείται μια βιώσιμη ενεργειακή πηγή. Αυτό συμβαίνει, επειδή η βιομάζα μπορεί να μετατραπεί σε αέρια, υγρά ή στερεά καύσιμα ή να καεί απευθείας για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Επίσης, η καύση βιομάζας δεν παράγει επιπλέον διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, επειδή το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται κατά την καύση αντισταθμίζεται από τη σύλληψη του διοξειδίου του άνθρακα κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Η ενέργεια από βιομάζα και των παραγώγων της είναι φιλική προς το περιβάλλον σε σχέση με αυτή των συμβατικών καυσίμων, γιατί έχουν λιγότερες εκπομπές και δε συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενώ από την άλλη χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πρώτες ύλες χωρίς, όμως, να μπορεί τελικά να χαρακτηριστεί η καύση τους σαν καθαρή για το περιβάλλον. Επιπροσθέτως, συνεισφέρει στη μείωση των εισαγωγών και στην ενεργειακή αυτονομία. [16]

17 Στα μειονεκτήματα της παραγωγής ενέργειας από βιομάζα εντάσσονται το κόστος συλλογής και επεξεργασίας των υλικών, το μικρό ενεργειακό περιεχόμενο σε σχέση με ίση μάζα καυσίμου, αλλά και οι δαπανηρές εγκαταστάσεις και εξοπλισμός, που απαιτούνται για την αξιοποίηση της βιομάζας. Εικόνα 1.8 Πηγές βιομάζας ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η γεωθερμική ενέργεια θεωρείται μία μορφή έμμεσης ηλιακής ενέργειας. Η γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμότητα, που βρίσκεται κάτω από τον εξωτερικό φλοιό της γης. Είναι αποτέλεσμα του αρχικού σχηματισμού του πλανήτη, πριν από 5 δισεκατομμύρια χρόνια, και του ηλιακού πεδίου βαρύτητας, που έπαιξε κάποιο ρόλο στο σχηματισμό αυτό. Πήγες γεωθερμικής ενέργειας είναι και τα ραδιενεργά στοιχειά, όπως το ουράνιο και το θόριο, τα οποία έχουν συσσωρευτεί κατά τη διάρκεια της ιστορίας της γης. Άλλες πηγές θερμικής ενέργειας είναι η παραγόμενη θερμότητα από τη συμπίεση των εσωτερικών στρωμάτων της γης και τη βύθιση των βαρέων μετάλλων προς τον πυρήνα. Τα γεωθερμικά αποθέματα θεωρούνται ανεξάντλητες πηγές ενέργειας. Οι γεωθερμικές περιοχές συχνά εντοπίζονται από τον ατμό που βγαίνει από σχισμές του φλοιού της γης ή από την παρουσία θερμών πηγών. Για να υφίσταται διαθέσιμο θερμό νερό ή ατμός σε μια περιοχή πρέπει να υπάρχει κάποιος υπόγειος ταμιευτήρας αποθήκευσης του κοντά σε ένα θερμικό κέντρο. Υπάρχουν τρεις τύποι γεωθερμικών δεξαμενών από τις οποίες μπορεί να εξαχθεί ενέργεια: η υδροθερμική, η οποία χωρίζεται σε ξηρού ατμού και υγρού ατμού, η γεωπιεστική και η θερμού-ξηρού πετρώματος. Όσον αφορά τη γεωθερμική ενέργεια, υπάρχουν δύο κύριες εφαρμογές της. Η πρώτη βασίζεται στη χρήση της θερμότητας της γης για τη θέρμανση κα ψύξη κατοικιών και άλλων κτιρίων ή κτιριακών εγκαταστάσεων, θερμοκηπίων, [17]

18 κτηνοτροφικών μονάδων, ιχθυοκαλλιεργειών κ.λπ., όταν η θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού είναι χαμηλή. Στη δεύτερη εφαρμογή της η γεωθερμική ενέργεια εκμεταλλεύεται τα γεωθερμικά ρευστά με υψηλές θερμοκρασίες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (Εικόνα 1.9). Η εκμετάλλευση της γεωθερμίας συμβάλλει στην εξοικονόμηση συναλλάγματος με μείωση των εισαγωγών πετρελαίου και φυσικού αερίου, στην εξοικονόμηση άλλων φυσικών πόρων για χρήση τους σε πιο αποδοτικές ή επείγουσες εφαρμογές και στη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου. Εικόνα 1.9 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμία 1.6 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ένας ακόμα τρόπος για να αποφευχθεί ο αφανισμός των ενεργειακών αποθεμάτων και να προστατευτεί το περιβάλλον από τις εκπομπές είναι η εξοικονόμηση ενέργειας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με κατάλληλη πληροφόρηση, δημιουργώντας έτσι περιβαλλοντική συνείδηση στους καταναλωτές, αλλά και με τη βοήθεια κάποιων αυτοματισμών που μπορούν να εγκατασταθούν στα κτίρια με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Η μείωση της φωτορύπανσης και της καταναλισκόμενης ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί με την εγκατάσταση αυτόματου φωτισμού που να αποτελείται από χρονοδιακόπτες, ανιχνευτές κίνησης και φωτοκύτταρα στάθμης φωτισμού (μείωση φωτορύπανσης). Αυτό θα εξοικονομούσε υψηλά ποσοστά ενέργειας φωτισμού που σύμφωνα με τα αποτελέσματα από το Κέντρο Ανανεώσιμών Πηγών Ενέργειας στη Θεσσαλονίκη, σε χώρους γραφείων, αλλά και στις αίθουσες διδασκαλίας με τη χρήση τοπικών διακοπτών, χρονοδιακοπτών και αισθητήρων κίνησης θα εξοικονομούνταν ένα ποσοστό ενέργειας φωτισμού 40%. Στους κοινόχρηστους χώρους, θα είχαμε μία μείωση ενέργειας φωτισμού 35% (αν χρησιμοποιούνταν αισθητήρες κίνησης και χρονοδιακόπτες). Πολύ σημαντικά ποσοστά αν σκεφτεί κανείς ότι το ποσοστό [18]

19 φωτισμού επί της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στα γραφεία και στις αίθουσες διδασκαλίας είναι περίπου το 30-50%. [19]

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 2.1 ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Κάθε στερεό σώμα αποτελείται από άτομα και κάθε άτομο περιλαμβάνει έναν πυρήνα και έναν αριθμό ηλεκτρονίων, που περιφέρονται γύρω από αυτόν. Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια και φέρει θετικό ηλεκτρικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια αρνητικό. Το θετικό ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα είναι ίσο και αντίθετο με το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων, τα οποία διατάσσονται γύρω από τον πυρήνα σε στοιβάδες. Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας ονομάζονται, ηλεκτρόνια σθένους. Κάθε ηλεκτρόνιο σθένους έχει μια συγκεκριμένη ενέργεια, δηλαδή, βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη στάθμη ενέργειας. Ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζεται η κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα σώμα. Ανάλογα με την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα τα στερεά διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: α) μονωτές, β) αγωγούς και γ) ημιαγωγούς. Από την άποψη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς τα ηλεκτρόνια των ημιαγωγών είναι τριών ειδών: 1. Ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων. Τα ηλεκτρόνια αυτά είναι λιγότερο ενεργά και δε συμμετέχουν σε μηχανισμούς αγωγιμότητας. 2. Ελεύθερα ηλεκτρόνια. Είναι τα ηλεκτρόνια, που διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να αποσπαστούν από τους δεσμούς του σώματος. 3. Ηλεκτρόνια σθένους. Είναι τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας των ατόμων, τα οποία μπορούν να κινηθούν προς τις οπές γειτονικών δεσμών, που δημιουργήθηκαν επειδή τα εκεί ηλεκτρόνια σθένους εγκατέλειψαν τη θέση τους, ή να ανταλλάξουν θέσεις με άλλα ηλεκτρόνια σθένους γειτονικών δεσμών. Οι ενεργειακές ζώνες ξεκινώντας από τη μικρότερη απόσταση από τον πυρήνα του ατόμου είναι: Πρώτη είναι η εσωτερική ενεργειακή ζώνη, όπου εκεί βρίσκονται τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων του ατόμου. Η επόμενη ζώνη είναι η ζώνη σθένους, όπου εκεί βρίσκονται τα ηλεκτρόνια σθένους. Τελευταία είναι η ζώνη αγωγιμότητας, όπου εκεί βρίσκονται τα ηλεκτρόνια με αρκετή ενέργεια, έτσι ώστε να φύγουν από τη ζώνη σθένους. Τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας είναι αυτά που είναι υπεύθυνα για την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Όμως, για να φτάσουν εκεί τα ηλεκτρόνια σθένους πρέπει να ξεπεράσουν το ενεργειακό διάκενο E g ή ενεργειακό χάσμα. Η ενέργεια της κορυφής της ζώνης σθένους συμβολίζεται με E v και η ενέργεια του πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας με E c. Έτσι, το ενεργειακό χάσμα E g είναι η διαφορά μεταξύ της ενέργειας του λιγότερο ενεργού από τα ελευθέρα ηλεκτρόνια, στον πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας, και της ενέργειας του περισσότερο ενεργού από τα ηλεκτρόνια σθένους στην κορυφή της ζώνης σθένους (E g = E c E v ). Είναι προφανές ότι το ενεργειακό χάσμα εκφράζει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους και [20]

21 τη μετατροπή του σε ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Σε ένα απολύτως καθαρό σώμα χωρίς προσμίξεις και με τέλειο κρυσταλλικό πλέγμα, η περιοχή μεταξύ Ε v και Ε c ονομάζεται απαγορευμένη ενεργειακή ζώνη για τα ηλεκτρόνια. Κοντά στο απόλυτο μηδέν (- 273,15 ο C), το ενεργειακό χάσμα των ημιαγωγών κυμαίνεται στο κλάσμα του ev εώς 2,5 ev. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (26 ο C) το ενεργειακό χάσμα για διάφορους κρυσταλλικούς ημιαγωγούς είναι: 0,66eV για το Γερμάνιο (Ge), 1,12eV για το Πυρίτιο (Si), 1,42eV για το Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs). Τα ηλεκτρόνια σθένους των ημιαγωγών μπορούν να απορροφήσουν σημαντική ποσότητα φωτός. Η απορρόφηση καθορίζεται από το μέγεθος της ενέργειας των φωτονίων σε σχέση με το ενεργειακό χάσμα E g του ημιαγωγού. Διακρίνονται τρεις περιπτώσεις: 1. h * v < E g (2.1.1) Η ενέργεια του φωτονίου h * v είναι μικρότερη από αυτή του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού, οπότε το φωτόνια δεν απορροφώνται. 2. h * v = E g (2.1.2) Η ενέργεια του φωτονίου είναι ίση με αυτή του ενεργειακού χάσματος, οπότε το φωτόνιο απορροφάται από ένα ηλεκτρόνιο σθένους του ημιαγωγού. Έτσι, το ηλεκτρόνιο αυτό δέχεται ενέργεια και ανεβαίνει ενεργειακά στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας στη ζώνη σθένους μια οπή. 3. h * v > E g (2.1.3) Η ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη από αυτή του ενεργειακού χάσματος, οπότε δημιουργείται ξανά ένα ζεύγος ηλεκτρονίου οπής. Η περίσσεια ενέργεια h * v E g μεταφέρεται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας ως κινητική ενέργεια, συμβάλλοντας στην αύξηση της θερμοκρασίας του ημιαγωγού. Από τα παραπάνω προκύπτει πως, όταν ένας ημιαγωγός φωτιστεί, τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και οι οπές στη ζώνη σθένους, που ονομάζονται και φορείς ρεύματος, αυξάνονται, οπότε τότε αυξάνεται και η αγωγιμότητα του. Η αύξηση της αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού με την επίδραση του φωτός ονομάζεται φωτοαγωγιμότητα. Τέλος, η διακοπή του φωτισμού του ημιαγωγού συνεπάγεται την επαναφορά της αγωγιμότητας στα αρχικά επίπεδα. Ωστόσο, συμφώνα με τα όσα ειπώθηκαν παραπάνω, τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους που περνάνε στη ζώνη αγωγιμότητας απλώς μένουν στο ημιαγωγό. Για την παραγωγή ρεύματος πρέπει να αποσπαστεί αυτό το ηλεκτρόνιο έξω από τον ημιαγωγό, έτσι ώστε η οπή, που θα δημιουργήσει, να καλυφτεί από ηλεκτρόνιο γειτονικού ατόμου. Αυτό μπορεί να εκπληρωθεί με τους ημιαγωγούς πρόσμιξης. Οι ημιαγωγοί αυτοί περιέχουν μέσα στο κρυσταλλικό τους πλέγμα διασπαρμένα άτομα από επιλεγμένο διαφορετικό υλικό. Υπάρχουν δυο τύποι τέτοιων ημιαγωγών: Ημιαγωγός τύπου n. Προκύπτει από τον αντίστοιχο καθαρό ημιαγωγό, αν αντικατασταθούν μερικά από τα άτομα του με άτομα άλλου υλικού μεγαλύτερου σθένους. Για παράδειγμα, αν [21]

22 μερικά άτομα κρυσταλλικού πυριτίου (Si) με σθένος 4 αντικατασταθούν με άτομα φωσφόρου (P) σθένους 5, δημιουργείται ο ημιαγωγός τύπου n. Στον ημιαγωγό αυτό ένα ηλεκτρόνιο ανά άτομο πρόσμιξης δε συμμετέχει σε δεσμό και είναι ελεύθερο. Έτσι, ο ημιαγωγός τύπου n περιέχει περισσότερα ηλεκτρόνια από τον καθαρό ημιαγωγό και τα άτομα της πρόσμιξης ονομάζονται δότες. Ημιαγωγός τύπου p. Προκύπτει από τον αντίστοιχο καθαρό ημιαγωγό, αν αντικατασταθούν μερικά από τα άτομα του με άτομα άλλου υλικού μικρότερου σθένους. Για παράδειγμα, αν μερικά άτομα κρυσταλλικού πυριτίου (Si) με σθένος 4 αντικατασταθούν με άτομα Βορίου (B) σθένους 3, δημιουργείται ο ημιαγωγός τύπου p. Στον ημιαγωγό αυτό τα άτομα πρόσμειξης μπορούν να δεχτούν ένα ηλεκτρόνιο για να συμπληρωθεί ο ελεύθερος δεσμός και ονομάζονται αποδέκτες. Όταν έρθει σε επαφή ένας ημιαγωγός τύπου p με έναν ημιαγωγό τύπου n, δημιουργείται στη θέση επαφής μια ζώνη, στην οποία εναλλάσσονται ηλεκτρόνια με οπές (Εικόνα 2.1). Ελεύθερα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού n εισέρχονται στον ημιαγωγό p και συμπληρώνουν αντίστοιχες οπές, ενώ οπές του ημιαγωγού p εισέρχονται στον ημιαγωγό n και ενώνονται με ίσο αριθμό ηλεκτρονίων. Η μετακίνηση αυτή έχει ως αποτέλεσμα να παραμείνουν ιόντα στις γειτονικές περιοχές, δεξιά και αριστερά της επαφής των ημιαγωγών. Έχοντας, λοιπόν, θετικά ιόντα στην πλευρά του ημιαγωγού n και αρνητικά στην πλευρά του ημιαγωγού p. (Ιόν είναι ένα άτομο, το οποίο έχει προσλάβει ή απωλέσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Λέγεται θετικό αν απωλέσει ηλεκτρόνιο/α και αρνητικό αν προσλάβει). Έτσι η πλευρά n αποκτά θετικό δυναμικό και η πλευρά p αρνητικό. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δυο πλευρών εμποδίζει τη ροη ηλεκτρονίων από τον ημιαγωγό n στον ημιαγωγό p και οπών αντίστροφα. Έτσι, γύρω από τη θέση επαφής δημιουργείται μια ζώνη αντίστασης, που απαγορεύει την ανταλλαγή ηλεκτρονίων οπών, και ονομάζεται περιοχή απογύμνωσης ή ζώνη φραγής. Η παραπάνω διάταξη των ημιαγωγών p και n σε επαφή ονομάζεται δίοδος επαφής ή κρυσταλλοδιοδός ή ημιαγωγική επαφή p-n. Η χαρακτηριστική της ιδιότητα είναι ότι, όταν εφαρμοστεί στα άκρα της ηλεκτρικής τάσης κατά τη μία ή την άλλη φορά, άγει ηλεκτρικό ρεύμα διαφορετικής έντασης σε κάθε περίπτωση. Πόλωση κατά την ορθή φορά Ο θετικός πόλος της πηγής συνεχούς τάσεως συνδέεται με τον ημιαγωγό p και ο αρνητικός με τον ημιαγωγό n. Τότε τα ηλεκτρόνια ρέουν ανεμπόδιστα από την πηγή διαμέσου του ημιαγωγού n προς την περιοχή της επαφής, όπου επανασυνδέονται με τις οπές, οι οποίες δημιουργούνται με την απομάκρυνση ηλεκτρονίων προς το θετικό πόλο της πηγής διαμέσου του ημιαγωγού p. Πόλωση κατά την ανάστροφη φορά Ο αρνητικός πόλος της πηγής συνεχούς τάσεως συνδέεται με τον ημιαγωγό p και ο θετικός με τον αγωγό n. Τότε, τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή διαμέσου του ημιαγωγού p επανασυνδέονται με τις οπές του ημιαγωγού p, ενώ τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού n κινούνται προς το θετικό πόλο της πηγής. [22]

23 Έτσι, κατά την ορθή πόλωση της διόδου επαφής καταργείται η ζώνη φραγής και επιτρέπεται η διέλευση ρεύματος από την επαφή των ημιαγωγών. Αντίθετα, κατά την ανάστροφη πόλωση της διόδου επαφής αυξάνεται η ζώνη φραγής και εμποδίζεται η διέλευση ρεύματος από την επαφή των ημιαγωγών. Το μόνο ρεύμα, που διέρχεται από τη δίοδο έχει μικρή και σταθερή τιμή I o, οφείλεται στις οπές του ημιαγωγού n και στα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού p και ονομάζεται ρεύμα κόρου. Η ιδιαιτερότητα αυτή της διόδου επαφής, δηλαδή, το γεγονός ότι επιτρέπει τη δίοδο ρεύματος προς μια μόνο κατεύθυνση, εφ όσον πολωθεί κατά την ορθή φορά, δικαιολογεί απόλυτα τη χρήση της ως διάταξη ανόρθωσης για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές. Εικόνα 2.1 Επαφή τύπου p-n 2.2 ΗΜΙΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ Το Πυρίτιο (Si) Το πυρίτιο είναι ένας ημιαγωγός με έμμεσο ενεργειακό διάκενο 1,1eV. Αν και οι δύο αυτές ιδιότητές του, δηλαδή, έμμεσο και σχετικά μικρή τιμή ενεργειακού διακένου δεν είναι ιδεώδεις για τη φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας, το πυρίτιο είναι ο ημιαγωγός που κυριάρχησε από την αρχή αλλά μέχρι και σήμερα σαν υλικό κατασκευής φ/β στοιχείων. Οι λόγοι, για τους οποίους συμβαίνει αυτό, έχουν να κάνουν με το γεγονός ότι το πυρίτιο είναι το κύριο υλικό των διατάξεων ηλεκτρονικής για πολλές δεκαετίες. Επομένως, οι ιδιότητες του είναι καλά μελετημένες και το υλικό κυκλοφορεί στη αγορά σε αρκετά μεγάλες ποσότητες, με ικανοποιητική χημική καθαρότητα και τελειότητα κρυσταλλικής δομής και με τη χρησιμοποίηση τεχνολογικών μεθόδων δοκιμασμένων με επιτυχία. Επιπλέον, τα φ/β στοιχεία πυριτίου έχουν λειτουργήσει με απόλυτα ικανοποιητική αξιοπιστία σε ακραίες καιρικές συνθήκες, τόσο σε διαστημικές όσο και σε επίγειες εφαρμογές. Εκτός του οξυγόνου, το πυρίτιο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στην επιφάνεια του εδάφους. Σχεδόν πάντα, όμως, απαντάται με τη μορφή οξειδίου στο περιβάλλον και συγκεκριμένα ως διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). Για την αξιοποίησή [23]

24 του, επομένως, απαιτείται επεξεργασία, έτσι ώστε να αποκτήσει υψηλή καθαρότητα. Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Το αρσενικούχο γάλλιο είναι ένας ημιαγωγός με ενεργειακό διάκενο 1,43 ev, τιμή, η οποία είναι στη βέλτιστη περιοχή για τη φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας με θεωρητική απόδοση περίπου 25-30%. Ένα ακόμη πλεονέκτημα αποτελεί το γεγονός ότι το ενεργειακό διάκενο είναι άμεσο. Επομένως το GaAs συνδυάζει καταρχήν ιδανικά τις προϋποθέσεις για να χρησιμοποιηθεί ως υλικό κατασκευής ηλιακών φ/β στοιχείων. Το μειονέκτημά του είναι το υψηλό κόστος παραγωγής, περίπου πενταπλάσιο από αυτό του κρυσταλλικού πυριτίου. Έχει εφαρμογή κυρίως σε ηλιακά στοιχεία συγκεντρωμένης ακτινοβολίας, όπου το υψηλό κόστος του αντισταθμίζεται από την υψηλή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας. Επίσης, το GaΑs συναντάται συχνά σε διαστημικές εφαρμογές λόγω της υψηλής θερμικής αδράνειάς του και του υψηλού βαθμού απόδοσης. Συγκεκριμένα, η απόδοση των στοιχείων GaAs πέφτει στο μισό σε σύγκριση με την απόδοσή τους σε συνηθισμένη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, όταν θερμανθούν στους 200 o C. Η αντίστοιχη μείωση στα στοιχεία πυριτίου παρατηρείται ήδη στους 120 o C. Δισεληνιούχος Ινδιούχος Χαλκός (CuInSe 2 ή CIS) Το ημιαγώγιμο υλικό του δισεληνιούχου ινδιούχου χαλκού είναι ένα ημιαγώγιμο υλικό, το οποίο μπορεί να είναι τύπου-n ή τύπου-p και έχει μια άμεση οπτική απορρόφηση με τον υψηλότερο συντελεστή απορρόφησης που έχει μετρηθεί μέχρι σήμερα. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του CIS εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το λόγο χαλκού/ινδίου, ενώ ο καλός έλεγχος της στοιχειομετρίας του θεωρείται ουσιώδης για αποδοτικές διατάξεις. Είναι δυνατόν να κατασκευασθούν ομοεπαφές τύπου p-n των CIS αλλά αυτές δε θα είναι ούτε σταθερές ούτε αποδοτικές και οι καλύτερες διατάξεις μέχρι σήμερα είναι ετεροενώσεις με θειούχο κάδμιο (CdS). Το CdS μπορεί να αναπτυχθεί μόνο ως υλικό τύπου-n για αυτό και το CIS πρέπει να είναι τύπου-p. Το CIS έχει ενεργειακό διάκενο 1eV και παράγεται ως κιονοειδής πολυκρυσταλλική μεμβράνη, ενώ το CdS έχει ενεργειακό διάκενο 2,4eV και έτσι αυτό θα απορροφά έντονα όλη την προσπίπτουσα ακτινοβολία από το πράσινο μέχρι το μπλε άκρο φάσματος. Οι βέλτιστες διατάξεις χρησιμοποιούν ένα πολύ λεπτό στρώμα (0,03μm) του CdS με στρώμα παραθύρου ενός υλικού με μεγάλο ενεργειακό διάκενο και υψηλή αγωγιμότητα. Το οξείδιο του ψευδαργύρου έχει βρεθεί ότι είναι ένα κατάλληλο υλικό για το στρώμα του παραθύρου. Μια σημαντική προσπάθεια έχει αφιερωθεί στην άνοδο της τεχνολογίας CIS κυρίως από τη SIEMENS. Έχουν φτιαχτεί στοιχεία CIS του εμπορίου η απόδοση των οποίων πλησιάζει το 10%. Πλεονεκτούν σε σχέση με τα στοιχεία άμορφου πυριτίου, καθώς δεν εμφανίζουν βαθμιαία πτώση της απόδοσης για μια περίοδο μερικών ετών. Επίσης, όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω, προσφέρουν μεγάλη οικονομία σε ημιαγώγιμα υλικά. Από την άλλη όμως το CIS είναι ένα πολύπλοκο υλικό που δυσκολεύει την κατασκευή του. Τέλος, πολύ σημαντική είναι η ασφάλεια του [24]

25 προσωπικού κατά τη διάρκεια της κατασκευής του, αφού η παραγωγή του περιλαμβάνει το σεληνιούχο υδρογόνο, ένα εξαιρετικά τοξικό αέριο. Τελλουριούχο Κάδμιο (CdTe) Το τελλουριούχο κάδμιο είναι ένα ημιαγώγιμο υλικό, που αποτελείται από κάδμιο και τελλούριο, το οποίο έχει υψηλό επίπεδο απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας και το ενεργειακό του διάκενο είναι πολύ κοντά στο ιδανικό. Αρκεί ένα όγκος πάχους ενός μικρομέτρου για να απορροφηθεί το 90 % του ηλιακού φάσματος. Υπάρχουν μερικές χαμηλού κόστους τεχνικές, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απόθεση του CdTe και όλες αυτές, μπορούν, αφού υποστούν μια επεξεργασία μετά την απόθεση, να παράγουν υλικό υψηλής ποιότητας και αποδοτικά ηλιακά στοιχεία. Η διαδικασία πλεγματικής εκτύπωσης των στοιχείων CdTe προσφέρει μια τεχνολογία με χαμηλό κόστος παραγωγής, αλλά από την άλλη και μια εντελώς χαμηλού ρυθμού παραγωγή. Το βήμα, που περιορίζει το ρυθμό παραγωγής, είναι η θερμοκρασιακή επεξεργασία της μελάνης εκτύπωσης μετά την απόθεση, η οποία απαιτεί σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (γύρων στους 500 o C) για περιόδους μιας ώρας ή και περισσότερο. Με αυτή την τεχνολογία έχουν παραχθεί βασικές μονάδες με απόδοση 6% και έχουν ελεγχθεί σε εξωτερικές συνθήκες. Η εμπορική τους, όμως, διαθεσιμότητα είναι περιορισμένη. Μια ακόμα τεχνολογία είναι αυτή της ηλεκτροτυπίας. Η τεχνολογία αυτή είναι ιδιαίτερα ευνοϊκή για τα στοιχεία CdTe λόγω της πολύ μικρή χρήσης του υλικού και, του χαμηλού κόστους. Η BP Solar έχει παράγει βασικές μονάδες με αποδόσεις πάνω από 10% και στοιχεία με αποδόσεις γύρω στο 13%. Οι έλεγχοι σταθερότητας σε εξωτερικές συνθήκες έχουν επιτευχθεί με ικανοποιητική επιτυχία. Από την άλλη, όμως, όπως και στο CIS, το κάδμιο είναι ένα τοξικό υλικό και θα πρέπει να λαμβάνονται αυξημένα μέτρα προστασίας κατά την παραγωγή του. 2.3 ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Όταν μια δίοδος επαφής δέχεται ηλιακή ακτινοβολία, κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια h * v μεγαλύτερη ή ίση από το ενεργειακό χάσμα E g του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο, λοιπόν διαρκεί η ακτινοβολία δημιουργείται μια περίσσεια από ζεύγη ελεύθερων ηλεκτρόνιων και οπών. Όταν τα ζεύγη αυτά βρεθούν στην περιοχή της επαφής των ημιαγωγών, έχουμε έκτροπη των ηλεκτρόνιων προς τον ημιαγωγό n και έκτροπη των οπών προς τον ημιαγωγό p. Δημιουργείται δηλαδή, μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των ακροδεκτών των δυο τμημάτων της διόδου, η οποία διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε αυτήν και το γεγονός αυτό ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η διάταξη αυτή, η οποία αποτελεί πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο. Το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα λέγεται φωτόρευμα. (Εικόνα 2.2 & 2.3) [25]

26 Το φωτόρευμα είναι ευθέως ανάλογο της ισχύος ηλιακής ακτινοβολίας P HA (W/m 2 ), που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό στοιχείο και του εμβαδού της επαφής των δυο ημιαγωγών. Είναι προφανές ότι είναι αδύνατη η μετατροπή όλης της ηλιακής ακτινοβολίας, που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο, σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένα μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού στοιχείου και διαχέεται προς την ατμόσφαιρα. Από την ακτινοβολία που διεισδύει στο φωτοβολταϊκό στοιχείο δε μπορεί να απορροφηθεί το μέρος εκείνο το οποίο αποτελείται από φωτόνια που έχουν ενέργεια h * v μικρότερη από το ενεργειακό χάσμα E g του ημιαγωγού. Για τα φωτόνια αυτά, το φωτοβολταϊκό στοιχείο, συμπεριφέρεται ως διαφανές σώμα, δηλαδή η αντίστοιχη ακτινοβολία το διαπερνά και απλά θερμαίνει το μεταλλικό ηλεκτρόδιο, που καλύπτει την πίσω όψη του. Ούτε όμως και το μέρος της ακτινοβολίας, που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού αξιοποιείται γιατί μετατρέπεται σε θερμότητα. Τελικά, μονό το μέρος της ακτινοβολίας της οποίας τα φωτόνια έχουν ενέργεια h * v = E g αξιοποιείται για την παράγωγη ηλεκτρικής ενεργείας. Γιατί τα φωτόνια αυτά απορροφώνται και αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του φωτοβολταϊκού στοιχείου να μετακινηθούν σε άλλη θέση. Και ως γνωστόν, ηλεκτρισμός σημαίνει κίνηση ηλεκτρόνιων. Κάθε υλικό χαρακτηρίζεται από ένα συντελεστή απορρόφησης α λ, ο οποίος εξαρτάται από το μήκος κύματος λ της ηλιακής ακτινοβολίας και το υλικό. Είναι προφανές ότι ο συντελεστής απορρόφησης μηδενίζεται για μια κρίσιμη τιμή λ g του μήκους κύματος (λ g = h*c/e g ), πάνω από την οποία το υλικό γίνεται διαπερατό (διαφανές), δηλαδή, τα φωτόνια δεν απορροφώνται από τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους. [26]

27 Εικόνα 2.2 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Εικόνα 2.3 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο [27]

28 2.4 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ Μία ηλιακή κυψέλη που αποτελείται από ημιαγώγιμο υλικό τύπου p και τύπου n είναι, στην πραγματικότητα, μίας μεγάλης κλίμακας δίοδος πυριτίου. (Εικόνα 2.4) Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να παρουσιάζουν παρόμοιες ηλεκτρικές ιδιότητες. Στην εικόνα φαίνεται το απλοποιημένο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, το οποίο μας δίνει μια πρώτη εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του: Ανοιχτό κύκλωμα: q V I ph = I 0 eγ k T (2.4.1) V = V oc γ k T ln ( I ph ) (2.4.2) q I 0 Κλειστό κύκλωμα: R L I L I L = I ph I 0 (eγ k T 1) (2.4.3) Όπου: Ι 0 = αντίστροφο ρεύμα κόρου q = 1,6 x C, το φορτίο του ηλεκτρονίου Τ = η απόλυτη θερμοκρασία σε kelvin γ = ο συντελεστής ποιότητας διόδου k = 1,38 x J/K, η σταθερά Boltzmann V = η τάση ανοικτού κυκλώματος Στην οριακή περίπτωση που οι ακροδέκτες βραχυκυκλώνονται τότε το μέγιστο ρεύμα που κυκλοφορεί στο κύκλωμα είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC, το οποίο μαζί με την τάση ανοικτοκύκλωσης V OC αποτελούν βασικά χαρακτηριστικά του Φ/Β στοιχείου. Εικόνα 2.4 Κύκλωμα ηλιακής κυψέλη [28]