ΑΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ 100KW ΟΝΟΜΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗ: ΓΚΑΣΟΥΔΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΘΡΑΣΥΒΟΥΛΟΣ ΑΝΔΡΕΟΥ

Transcript

1 ΑΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ 100KW ΟΝΟΜΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗ: ΓΚΑΣΟΥΔΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΘΡΑΣΥΒΟΥΛΟΣ ΑΝΔΡΕΟΥ 1

2 ΚΑΒΑΛΑ, ΜΑΙΟΣ 2012 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι το αντικείμενο των φωτοβολταϊκών γύρω από το οποίο αρκετός λόγος γίνεται τα τελευταία χρόνια, προσελκύοντας το ενδιαφέρον μηχανικών, επιστημόνων, υποψηφίων επενδυτών αλλά και του ευρύτερου κοινού. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη φωτοβολταϊκη τεχνολογία, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που την χαρακτηρίζουν και τους τομείς στους οποίους βρίσκει εφαρμογή. Ακόμα παρουσιάζεται η ιστορική τους εξέλιξη διεθνώς, καθώς και η ελληνική πραγματικότητα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερής περιγραφή των υλικών και τεχνολογιών κατασκευής φωτοβολταϊκών στοιχείων. Ακόμη, αναλύονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και η απόδοση των φ/β στοιχείων ανά υλικό κατασκευής. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η Ελληνική Νομοθεσία για τα Φωτοβολταϊκά, το Θεσμικό Πλαίσιο, οι Νόμοι, οι Υπουργικές Αποφάσεις και οι Εγκύκλιοι του Υπουργείου. Επιπλέον, αναλύονται η τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας, η τιμολόγηση στη Δ.Ε.Η., οι αποδόσεις ετησίως για τους συμβασιούχους, η διαδικασία σύνδεσης και η αίτηση που θα πρέπει να υποβάλλουν οι ενδιαφερόμενοι. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερή περιγραφή του φωτοβολταϊκού πάνελ Sanyo Hit 250W, όπου αναφέρονται τα ηλεκτρικά και τεχνικά χαρακτηριστικά του, καθώς επίσης, και του τριφασικού αντιστροφέα Inverter Piko Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η μελέτη εγκατάστασης Φωτοβολταϊκων 100KW σε μεταλλική στεγη επίχρισης. Στην μελέτη μας αξιοποιούμε τα στοιχεία με τα τεχνικά χαρακτηρίστηκα των Sanyo Hit 250W, Piκo 10.1 inverters που θα χρησιμοποιήσουμε 2

3 και με βάση κανονισμών τησ ΔΕΗ και την βοήθεια των προγραμμάτων Piκo Plan και Auto Cad θα πραγματοποιήσουμε σταδιακά την μελέτη μας. Τέλος στο έκτο κεφάλαιο, γίνεται μία μικρή αναφορά στα Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά Συστήματα, τι ακριβώς είναι, σε ποιες περιπτώσεις ενδείκνυται να εγκατασταθούν και ποια είναι η μεθοδολογία ηλεκτροδότησης τους. Στο κεφάλαιο έβδομο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα, τα οποία προέκυψαν από την εργασία. 3

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (Φ/Β) 1.1. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΤΙΣΤΙΚΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΛΕΟΝΕΤΗΜΑΤΑ-ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ...18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1. ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΥΡΙΤΙΟ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ THIN FILM ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ ΛΕΠΤΟΥ ΥΜΕΝΙΟΥ ΑΜΟΡΦΟ ΠΥΡΙΤΙΟ ΔΙΣΕΛΗΝΟΪΝΔΙΟΥΧΟΣ ΧΑΛΚΟΣ CIS ΤΕΛΟΥΡΙΟΥΧΟ ΚΑΔΜΙΟ CdTe ΑΡΣΕΝΙΚΟΥΧΟ ΓΑΛΛΙΟ GaAs ΛΙΓΟΤΕΡΟ ΕΝΕΡΓΟΒΟΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ (RIBBON SILICON) EDGE DEFINED FILM FED GROWTH PROCESS (EFG) STRING RIBBON PROCESS (STR) ΥΒΡΙΔΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΟΛΩΝ ΤΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΤΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ...46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο :ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ, ΘΕΣΜΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΙ ΑΙΤΗΣΗ ΓΙΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3.1. ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ

5 ΝΟΜΟΙ ΥΠΟΥΡΓΙΚΕΣ ΑΠΟΦΑΣΕΙΣ ΕΓΚΥΚΛΙΟΙ ΚΟΙΝΟΤΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ Α.Π.Ε ΑΠΟΦΑΣΕΙΣ ΡΑΕ Η ΤΙΜΗ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ΤΙΜΟΛΟΓΗΣΗ ΣΤΗ Δ.Ε.Η ΣΥΜΒΑΣΕΙΣ ΠΩΛΗΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ Δ.Ε.Η-ΔΕΣΜΗΕ ΑΠΟΔΟΣΕΙΣ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΤΗΣΙΩΣ ΤΙ ΑΠΑΙΤΕΙΤΑΙ ΑΠΟΤΟΥΣ ΣΥΜΒΑΣΙΟΥΧΟΥΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ Φ/Β ΕΩΣ 100KW ΑΙΤΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ Φ/Β ΣΤΑΘΜΟΥ...61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : Φ/Β ΠΑΝΕΛ ΤΟΥ ΟΙΚΟΥ SANYO, Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥΣ Φ/Β ΠΑΝΕΛ SANYO HIT 240W Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΥΨΕΛΩΝ ΕΙΔΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ (DC/AC INVERTER) ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ INVERTER PIKO TEXNIKA ΧΑΡΑΚΤΗΡΣΤΙΚΑ...71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ5 Ο : ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ 100KW ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΣΕ 702,5 τ.μ ΜΕΤΑΛΛΙΚΗΣ ΣΤΕΓΗΣ ΣΕΝΑΡΙΟ...73 ΑΡΧΙΚΕΣ ΠΡΟΥΠΟΘΕΣΕΙΣ...73 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΠΟΛΥΓΡΑΜΙΚΟ ΣΧΕΔΙΟ ΒΑΣΕΙΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΕΙΚΟΝΟ/ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ..80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο : ΑΥΤΟΝΟΜΑ Φ/Β...89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Ο : ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 5

6 7.2. ΞΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 7.3. ΔΙΑΔΙΚΤΥΑΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 : ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΚΔΟΣΗΣ ΑΔΕΙΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (Φ/Β) 1.1. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η ηλιακή ενέργεια είναι μια ήπια μορφή ενέργειας, καθαρή, ανεξάρτητη και ανανεώσιμη (ουσιαστικά ανεξάντλητη). Αντίθετα από τα απολιθωμένα καύσιμα, η ηλιακή ενέργεια είναι διαθέσιμη παντού στη γη. Είναι ελεύθερη και ανεπηρέαστη από τις αυξανόμενες τιμές ενέργειας. Από τον ήλιο ακτινοβολείται προς το διάστημα τεράστια ποσότητα ενέργειας, αποτελούμενη από φως και θερμότητα, διαφόρων μηκών κύματος, με ισχύ που φθάνει τα εκατοντάδες χιλιάδες δισεκατομμύρια kw. Η ισχύς αυτή οφείλεται στην πυρηνική διάσπαση του υδρογόνου: σε χρόνο 1sec 600 εκατομμύρια τόνοι του στοιχείου αυτού μετατρέπονται σε 596 εκατομμύρια τόνους ηλίου. Στα υπόλοιπα περίπου 4 εκατομμύρια μετατρέπονται στην ακτινοβολούμενη ενέργεια. Από την ενέργεια της ακτινοβολίας που εκπέμπει ο ήλιος ανά δευτερόλεπτο, στους πλανήτες γύρω του φτάνει ένα μικρό ποσοστό, μόνο το 1/ Καθώς η ηλιακή ακτινοβολία κατευθύνεται από το διάστημα προς τη γη ένα μέρος της ανακλάται προς το διάστημα, ένα άλλο μέρος της απορροφάται από τα διάφορα αέρια και τους υδρατμούς, 6

7 ένα μέρος της σκεδάζεται από αέρια, υδρατμούς, σκόνες και αεροζόλ αλλάζοντας πορεία και ένα μέρος της ακτινοβολίας πέρνα στην επιφάνεια της γης. Για την ακρίβεια στη γη φτάνει μόλις το μισό του δισεκατομμυριοστού της\ ακτινοβολίας ενώ η ιονόσφαιρα κι άλλα τμήματα της ατμόσφαιρας απορροφούν ένα μέρος της. Συνολικά από τα 4000Q της ηλιακής ενέργειας που φτάνει ετήσια στη γη (1Q = ενεργειακό ισοδύναμο με τόνους πετρελαίου), 1000 ανακλώνται στα εξωτερικά στρώματα της ατμόσφαιρας, 1000 απορροφούνται από την ατμόσφαιρα και τα υπόλοιπα θερμαίνουν την επιφάνεια της γης. Η ενέργεια της ακτινοβολίας του ήλιου που φτάνει στα όρια της ατμόσφαιρας του πλανήτη μας ισοδυναμεί κατά μέσο όρο με kwh. Γενικά επειδή η εξασθένηση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διέλευση της από την ατμόσφαιρα μεταβάλλεται για διαφορετικές χρονικές στιγμές, η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στη γη παρουσιάζει στοχαστικότητα. Παράλληλα λόγω της απόκλισης του άξονα περιστροφής της γης γύρω από το εαυτό της σε σχέση με το επίπεδο περιστροφής της γης γύρω από τον ήλιο, παρουσιάζει και εποχικότητα. Η ακτινοβολία που προσπίπτει σε μία επιφάνεια υπό κλίση, υπολογίζεται βάσει γνωστών μαθηματικών σχέσεων εάν η επιφάνεια βρίσκεται έξω από την ατμόσφαιρα της γης, ενώ παρουσιάζει δυσκολία για επιφάνειες εντός της γήινης ατμόσφαιρας εξαιτίας των σύννεφων. Οι ακτίνες χ καθώς και όσες ακτινοβολίες του ηλιακού φάσματος είναι πολύ μικρού μήκους κύματος, υφίστανται πολύ μεγάλη απορρόφηση στην ιονόσφαιρα. Τελικά στη γη το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας αποτελείται 7

8 κυρίως από μήκη κύματος στην περιοχή 0.29μm- 2.5μm. Σο μεγαλύτερο μέρος της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας εμφανίζεται στην περιοχή κυμάτων του ορατού φωτός. Η απορρόφηση γίνεται επιλεκτικά κατά ζώνες φάσματος. Το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας εκτός της ατμόσφαιρας ισοδυναμεί με την εκπομπή μελανός σώματος 5762 ο Κ και είναι συνεχές από 200nm μέχρι 3000 nm με αιχμή γύρω στα 4800 nm. Η ατμόσφαιρα δεν μειώνει μόνο την ποσότητα, αλλά αλλάζει και τη φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας. Η μέση τιμή της έντασης της ακτινοβολίας, που προσπίπτει σε κάθετο επίπεδο στις ακτίνες του ήλιου, στα όρια της ατμόσφαιρας είναι 1353 W/m2. Βέβαια, η μεταβολή της απόστασης ηλίου-γης προκαλεί και μεταβολή στην ένταση κατά ±3%, σαφώς όμως το ποσοστό της ελάττωσης της ακτινοβολίας εξαρτάται από το μήκος της διαδρομής στην ατμόσφαιρα και την κατάσταση της (πχ. σύννεφα). Η ελάττωση αυτή οφείλεται στη σκέδαση από τα μόρια του αέρα, τους υδρατμούς, τη σκόνη και την απορρόφηση από το Ο3, το Η2Ο και το CO2. Το μέρος της ακτινοβολίας που προσπίπτει άθικτο σε μια επιφάνεια της γης ονομάζεται άμεση ακτινοβολία (direct or beam radiation). Το μέρος της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μια επιφάνεια μετά από σκέδαση ονομάζεται ακτινοβολία σκέδασης (sky defuse radiation). τέλος το μέρος της ακτινοβολίας που ανακλάται από το περιβάλλον μιας επιφάνειας και προσπίπτει σε αυτήν ονομάζεται ακτινοβολία ανάκλασης (reflected radiation). -Διάχυτη ακτινοβολία (diffuse radiation) : Είναι η ηλιακή ακτινοβολία που λαμβάνεται από τον ήλιο αφού η κατεύθυνση της έχει αλλάξει από τη διάχυση στην ατμόσφαιρα. 8

9 -Ολική Ηλιακή Ακτινοβολία (Total solar radiation) : Πρόκειται για το άθροισμα της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας σε μια οριζόντια επιφάνεια που αποτελεί την ολική ακτινοβολία που δέχεται η επιφάνεια. Εικόνα 1: Η ακτινοβολία του ηλίου Οι κυριότερες διεργασίες εξασθένισης της ακτινοβολίας είναι: Η σκέδαση που υφίσταται από τα μόρια του αέρα, τους υδρατμούς και τη σκόνη, Η ανάκλαση που υφίσταται κυρίως από τα σύννεφα, Η απορρόφηση που υφίσταται από το όζον Ο3, το Ο2, το Η2Ο και το CΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι η άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το ηλιακό φως αποτελείται ουσιαστικά από μικρά «πακέτα ενέργειας» που λέγονται φωτόνια και περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού φάσματος. Η πρόσκρουση των φωτονίων σε ένα 9

10 φωτοβολταϊκό στοιχείο (που είναι ημιαγωγός) έχει σαν αποτέλεσμα κάποια να ανακλώνται, άλλα να το διαπερνούν και άλλα να απορροφώνται από το αυτό. Αυτά τα τελευταία φωτόνια που απορροφώνται από το ημιαγώγιμο υλικό δημιουργούν συνεπώς διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες του στοιχείου. Σ αυτή την απλή αρχή της φυσικής λοιπόν βασίζεται μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρισμού, τα Φωτοβολταϊκά. Εικόνα 2: Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Δεν μπορούν όλα τα υλικά να χρησιμοποιήσουν την ηλιακή ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρικής. Υπάρχουν υλικά, οι ημιαγωγοί που έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων που προσπίπτουν σε ηλεκτρική. Στους ημιαγωγούς οφείλεται ουσιαστικά η τεράστια τεχνολογική πρόοδος στον τομέα της ηλεκτρονικής και στον ευρύτερο χώρο της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών συνεπώς αξίζει τον κόπο να δούμε τι τους κάνει τόσο ξεχωριστούς. Οι ημιαγωγοί μας δίνουν τη δυνατότητα να ελέγχουμε την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα ενώ ένα χαρακτηριστικό που τους διαφοροποιεί από τα υπόλοιπα υλικά είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους. Χαρακτηριστικά Ημιαγωγών : 10

11 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). Εικόνα 3: Πυρίτιο (Si) Το πυρίτιο έχει ατομικό αριθμό 14 και έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 4 ηλεκτρόνια. Όλα τα άτομα που έχουν λιγότερα η περισσότερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (είναι "γενικά" συμπληρωμένη με 8 e) ψάχνουν άλλα άτομα με τα οποία μπορούν να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια ή να μοιρασθούν κάποια με σκοπό τελικά να αποκτήσουν συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα σθένους. 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). Εικόνα 4: Αρσένιο (As) Αντίστοιχα για να δημιουργήσουμε έναν ημιαγωγό τύπου p η αλλιώς θετικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτίου χρειάζεται να γίνει πρόσμειξη στον κρύσταλλο κάποιου υλικού όπως το βόριο (Β) που έχει 3e στην εξωτερική του στοιβάδα. 11

12 Εικόνα 5: Βόριο (Β) 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. Εικόνα 6: Το εσωτερικό του φωτοβολταϊκού κυττάρου *πηγή: 12

13 1.3.ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ Η πρώτη γνωριμία του ανθρώπου με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έγινε το 1839 όταν ο Γάλλος φυσικός Edmond Becquerel ( ) ανακάλυψε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο κατά την διάρκεια πειραμάτων του με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Edmond Becquerel Το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε το 1876 όταν οι Adams ( ) ο και ο φοιτητής του Day παρατήρησαν ότι μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φως. Adams Το 1918 ο Πολωνός Czochralski ( ) πρόσθεσε την μέθοδο παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si) με την σχετική έρευνα του και η οποία μάλιστα χρησιμοποιείται βελτιστοποιημένη ακόμα και σήμερα. Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε επίσης το 1949 όταν οι Mott και Schottky ανέπτυξαν την θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Στο μεταξύ η κβαντική θεωρία είχε ξεδιπλωθεί. Ο δρόμος πλέον για τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές είχε ανοίξει. Το πρώτο ηλιακό κελί ήταν γεγονός στα εργαστήρια της Bell το 1954 από τους Chapin, Fuller και Pearson. Η απόδοση του ήταν 6% εκμετάλλευση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολία 13

14 Τα πρώτα σημαντικά Φωτοβολταϊκά συστήματα: Το 1958 η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συστημάτων προσαρτάται στον χώρο των διαστημικών εφαρμογών όταν τοποθετήθηκε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα στον δορυφόρο Vanguard I. Δορυφόρος Vanguard I Το σύστημα αυτό λειτούργησε επιτυχώς για 8 ολόκληρα χρόνια και ήταν ένα από τα πρώτα Φωτοβολταϊκά συστήματα. Από το χρονικό αυτό σημείο και μετά, τα φωτοβολταϊκά συστήματα άρχισαν να ενσωματώνονται σταδιακά σε διάφορες εφαρμογές και η τεχνολογία να βελτιώνεται συνεχώς. Το 1962 η μεγαλύτερη Φ/Β εγκατάσταση στον κόσμο γίνεται στην Ιαπωνία από την Sharp, σε έναν φάρο. Η εγκατεστημένη ισχύς του συστήματος είναι 242Wp. Τα φωτοβολταϊκά ξεκίνησαν λοιπόν να κάνουν την εμφάνιση τους αλλά λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής η εφαρμογή τους ήταν δυνατή μόνο σε ειδικές περιπτώσεις αυτόνομων συστημάτων. Η έρευνα όμως προχωρούσε και η απόδοση των Φ/Β συνεχώς βελτιωνόταν. Κυριότερος πελάτης των φωτοβολταϊκών τις δεκαετίες που ακολούθησαν είναι η NASA. Οι υψηλές τιμές στα Φωτοβολταϊκά ήταν ο σημαντικότερος λόγος που δεν υπήρχε περισσότερο ενθουσιώδης αποδοχή από την αγορά. Ενδεικτικά η τιμή των φωτοβολταϊκών ξεκινάει από τα 500$ ανά εγκατεστημένο Watt το 1956, ενώ μετά από 14 χρόνια, το 1970 αγγίζει τα 100$/Watt. To 1973 οι βελτιώσεις στις μεθόδους παραγωγής φέρνουν το κόστος των φωτοβολταϊκών στα 50$/Watt. Η πρώτη εγκατάσταση PV που φτάνει στα επίπεδα του 1MW (μεγαβατ) γίνεται στην Καλιφόρνια το 1980 από την ARCO Solar χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα και σύστημα παρακολούθησης της τροχιάς του ηλίου 2 αξόνων (dual-axis trackers). 14

15 Η εξέλιξη αρχίζει πλέον να γίνεται με ταχύτερους ρυθμούς. Το 1983 η παγκόσμια παραγωγή ΦΒ φτάνει τα 22MW και ο συνολικός τζίρος τα $. Το 1999 η εταιρία Spectrolab σε συνεργασία με το NREL αναπτύσσουν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο με απόδοση 32,3%. Το στοιχείο αυτό είναι συνδυασμός τριών υλικών (στρώσεων) και ειδικό για εφαρμογές σε συγκεντρωτικά συστήματα CPV. Την ίδια χρονιά το ρεκόρ στην απόδοση των Thin Films φτάνει στο 18.8%. Η παραγωγή όλων των τεχνολογιών των Φ/Β πάνελ φτάνει συνολικά τα 200 MegaWatt. 2004: Η πορεία πια είναι ασταμάτητη. Η μαζική είσοδος μεγάλων εταιρειών στον χώρο των ΦΒ φέρνει την μαζική παραγωγή και αυτή με την σειρά της την τιμή των διασυνδεδεμένων συστημάτων στα 6,5 ευρώ/wp. Γερμανία και Ιαπωνία κυριαρχούν στην κατασκευή ΦΒ πάνελ και πλέον σε όλες τις αναπτυγμένες χώρες αρχίζουν, με τον έναν (παραγωγή εξοπλισμού) ή τον άλλον τρόπο (κατασκευή ΦΒ εγκαταστάσεων), να υιοθετούν τις τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών και να τις παγιώνουν στην συνείδηση των επενδυτών αλλά και των καταναλωτών ενέργειας. Η συνολική παραγωγή το 2004 έφτασε τα MegaWatt ΦΒ στοιχείων ενώ ο τζίρος της ίδιας χρονιάς άγγιξε τα $. Σήμερα με οικονομίες μεγάλης κλίμακας έχουν επιτευχθεί μεγάλες αποδόσεις στα κρυσταλλικά κυρίως υλικά και αρκετές χώρες με πρωτοπόρες την Γερμανία και την Ιαπωνία έχουν ήδη επενδύσει τεράστια κονδύλια με σκοπό την ευρύτερη εκμετάλλευση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Ήδη βέβαια οι χώρες αυτές έχουν αρχίσει και απολαμβάνουν τους καρπούς της εξελιγμένης τεχνογνωσίας τους. 1.4.ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η λειτουργία των Φ/Β Συστημάτων βασίζεται στο Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο, δηλαδή την άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας απευθείας από την ηλιακή ακτινοβολία. Η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται με την χρήση υλικών (ημιαγωγών) τα οποία όπως αναφέραμε παραπάνω 15

16 διαθέτουν την ιδιότητα να απορροφούν τα φωτόνια του ηλιακού φωτός απελευθερώνοντας ηλεκτρόνια (φωτοβολταϊκό φαινόμενο). Η ροη των ελεύθερων αυτών ηλεκτρονίων συνεπάγεται την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος ηλεκτρικής τάσης. Ένα τυπικό Φ/Β σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο αποτελείται από τα εξής επιμέρους υποσυστήματα: Φωτοβολταϊκά πλαίσια (γεννήτρια ή πάνελ) Κατασκευή στήριξης Συστήματα μετατροπής ισχύος Ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου, προστασίας και λοιπά ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του ανθρώπου και της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας δημιουργήθηκαν τα Φωτοβολταϊκά συστήματα, τα οποία είναι μία διαφορετική πηγή ενέργειας και τα οποία έχουν τα εξής παρακάτω χαρακτηριστικά: Απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμη και σε πολύ μικρή κλίμακα, π.χ. σε επίπεδο μερικών δεκάδων W ή και mw. Είναι εύχρηστα. Σε μικρά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν από τους ίδιους τους χρήστες. Μπορούν να εγκατασταθούν μέσα στις πόλεις, ενσωματωμένα σε κτίρια και δεν προσβάλλουν αισθητικά το περιβάλλον. Μπορούν να συνδυαστούν με άλλες πηγές ενέργειας (υβριδικά συστήματα). Μπορούν να επεκταθούν ανά πάσα στιγμή για να αντιμετωπίσουν τις αυξημένες ανάγκες των χρηστών. Έχουν αθόρυβη λειτουργία και μηδενικές εκπομπές ρύπων. Δεν έχουν κινητά μέρη και οι απαιτήσεις συντήρησής τους είναι σχεδόν μηδενικές. 16

17 Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιοπιστία. Τέλος, η ενεργειακή ανεξαρτησία του χρήστη, όπου και να βρίσκεται αυτός είναι το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των Φ/Β συστημάτων ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ-ΜΕΙΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Πλεονεκτήματα: Επί τόπου παραγωγή μείωση απωλειών μεταφοράς Η ηλιακή ενέργεια είναι ανεξάντλητη ενεργειακή πηγή, διατίθεται παντού και δεν στοιχίζει απολύτως τίποτα Αρχιτεκτονικές εφαρμογές ενσωμάτωση σε κτίρια Η λειτουργία του συστήματος είναι ολοσχερώς αθόρυβη Υψηλή αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής (30 χρόνια) Ελάχιστη συντήρηση λόγω απουσίας κινούμενων μερών Δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες Εύκολη εγκατάσταση Τεχνολογία φιλική στο περιβάλλον: δεν προκαλούνται ρύποι από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Εικόνα 7: Περιβαλλοντικά οφέλη των φωτοβολταικών 17

18 Εικόνα 8: Περιβαλλοντικά οφέλη των φωτοβολταικών Μειονεκτήματα: Υψηλό αρχικό κόστος και κατά συνέπεια Yψηλό κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Απαίτηση μεγάλων επιφανειών (8 12 m2 ανά kw) Μεταβλητότητα ηλιακής ακτινοβολίας Ανάγκη αποθήκευσης της ενέργειας ή διασύνδεσης με το δίκτυο διανομής 1.7. Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Η Ελλάδα είναι πάντως ιδιαίτερα ευνοημένη από τον ήλιο καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Αν σκεφτεί κανείς ότι πολλά από τα συστήματα για τα οποία μιλάμε έχουν αναπτυχθεί και αποδίδουν στη βόρεια Ευρώπη, γίνεται κατανοητό ότι οι συνθήκες ηλιοφάνειας στη χώρα μας προσφέρονται για τη συμφέρουσα παραγωγή ενέργειας. 18

19 Εικόνα 9: Το ηλιακό δυναμικό φ/β στην Ελλάδα Σε γενικές γραμμές, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα στην Ελλάδα παράγει ετησίως περί τις κιλοβατώρες ανά εγκατεστημένο κιλοβάτ (KWh/έτος/KW). Προφανώς στις νότιες και πιο ηλιόλουστες περιοχές της χώρας ένα φωτοβολταϊκό παράγει περισσότερο ηλιακό ηλεκτρισμό απ' ότι στις βόρειες. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως ένα φωτοβολταϊκό σύστημα στην Αθήνα αποδίδει KWh/έτος/KW, στη Θεσσαλονίκη KWh/έτος/KW και στην Κρήτη ή στη Ρόδο KWh/έτος/KW. Εικόνα 10: Ετήσια παραγωγή ενέργειας (κιλοβατώρες ανά κιλοβάτ) από Φωτοβολταϊκό κρυσταλλικού πυριτίου στη βέλτιστη κλίση (πηγή: ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΕΤΑΙΡΙΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ (ΣΕΦ) 19

20 Η αγορά της Ελλάδας αυξάνεται με γοργούς ρυθμούς και τα επόμενα χρόνια αναμένεται να είναι ανάμεσα στις πέντε πρώτες ευρωπαϊκές χώρες σε συνολική ισχύ από φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις. Σε σχέση με τις υπόλοιπες χώρες των Βαλκανίων η Ελλάδα βρίσκεται σε πλεονεκτική θέση, όσον αφορά τη νομοθεσία αλλά και τον όγκο των πωλήσεων και των εγκαταστάσεων ΙΣΧΥΣ Φ/Β ΣΕ ΜWp ΙΣΧΥΣ Φ/Β ,7 19,7 1 1,6 2,4 3,3 4,5 5,4 6,7 9, Εικόνα 11: Ισχύς φωτοβολταικών σε MWp ΠΗΓΗ: ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΕΤΑΙΡΙΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 10 Μαρτίου H ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΤΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ Στατιστικά ελληνικής αγοράς Πρώτο εξάμηνο 2011 Πρώτο εξάμηνο του 2011 Σύνολο Νέα Εγκατεστημένη ισχύς φωτοβολταϊκών Ιαν-Ιουν 2011 (MWp) 150,2 Συνολική εγκατεστημένη ισχύς φωτοβολταϊκών διασυνδεδεμένων στο 348,7 δ δίκτυο (MWp) Συνολική εγκατεστημένη ισχύς φωτοβολταϊκών περιλαμβανομένων 355,7 των αυτόνομων (MWp) Πίνακας 1: Στατιστικά ελληνικής αγοράς φ/β το πρώτο εξάμηνο 2011 (Πηγές: ΔΕΣΜΗΕ, ΔΕΗ). Τα νούμερα για τα διασυνδεδεμένα εκτός των στοιχείων του ΔΕΣΜΗΕ περιλαμβάνουν και τα συστήματα σε μη διασυνδεδεμένα νησιά, καθώς και στον οικιακό τομέα 20

21 Διασυνδεδεμένα συστήματα (Έως 6/2011) FFFΣυνολική εγκατεστημένη Στέγες <10 kwp <20 kwp kwp >150 kwp 35,6 32,8 177,5 102,8 ισχύς (MWp) Πίνακας 2: Στατιστικά ελληνικής αγοράς φ/β το πρώτο εξάμηνο 2011 ανά κατηγορία ισχύ ΠΗΓΗ: ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΕΤΑΙΡΙΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 10 Μαρτίου Κατανομή διασυνδεδεμένων συστημάτων ανά ισχύ 1,2% 10,2% KATANOMH 9,4% ΣΤΕΓΕΣ <10kWp <20 kwp 50,9% kwp >150kWp Γράφημα 1: Κατανομή διασυνδεδεμένων συστημάτων ανά ισχύ ΠΗΓΗ: ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΕΤΑΙΡΙΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 10 Μαρτίου ΤΑ ΘΕΤΙΚΑ ΚΑΙ ΤΑ ΑΡΝΗΤΙΚΑ ΤΗΣ ΣΗΜΕΡΙΝΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ: ΘΕΤΙΚΑ: Νόμοι 3468/06 και 3734/09: Εγγύηση υψηλής τιμής της παραγόμενης ηλιακής κιλοβατώρας για 20 χρόνια (0,40-0,50 /kwh). Πρόγραμμα εγκατάστασης φωτοβολταϊκών στον Οικιακό -κτιριακό τομέα (0,55 /kwh για 25 χρόνια). Λήξη των επιδοτήσεων μέσω του Αναπτυξιακού Νόμου και ενδεχομένως παροχή νέων κινήτρων μέσω φορολογικών ελαφρύνσεων. 21

22 ΑΡΝΗΤΙΚΑ: Πάγωμα νέων αιτήσεων στη ΡΑΕ Γραφειοκρατικές και δαιδαλώδεις διαδικασίες αδειοδότησης Απαράδεκτοι χρόνοι αδειοδότησης (2-3 χρόνια όταν στη θεωρία απαιτούνται από 10 εργάσιμες (για εξαιρέσεις) έως 3-6 μήνες (για μεγάλα έργα)) Θολό τοπίο στις πολεοδομικές ρυθμίσεις (Μετά από 3 χρόνια βγήκε η απόφαση του ΥΠΕΧOΔΕ για όρους εγκατάστασης σε εκτός σχεδίου περιοχές αποκλείοντας τα έργα Wp σε μη άρτια και οικοδομήσιμα γήπεδα. 22

23 Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1. ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΥΡΙΤΙΟ Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά και κυρίως από το πυρίτιο που αποτελεί τη βάση για το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής. Αυτό οφείλεται στην τεράστια παγκόσμια επιστημονική υποδομή για το Si, που χρησιμοποιείται για τις περισσότερες εφαρμογές της ηλεκτρονικής. Το πυρίτιο είναι ένα υλικό με πολλά πλεονεκτήματα που το έχουν καταστήσει ικανό. Διαθέτει τα εξής χαρακτηριστικά: Είναι άφθονο σε όλη την γη με μεγάλα αποθέματα Μορφοποιείται και μετατρέπεται εύκολα σε μονοκρυσταλλική μορφή Διατηρεί τις ηλεκτρικές του ιδιότητες μέχρι και στους 125C κάτι που το καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλο για τη χρήση στα φωτοβολταϊκά. Είναι εύθραυστο υλικό και απαιτεί τη δημιουργία στοιχείων με ιδιαίτερα μεγάλο πάχος Είναι πολύ οικονομικό Συνήθως το βρίσκουμε με τη μορφή οξειδίου στο περιβάλλον, συγκεκριμένα ως διοξείδιο του πυριτίου ( 2 SiO ). Για την αξιοποίησή του, επομένως, απαιτείται επεξεργασία έτσι ώστε να αποκτήσει υψηλή καθαρότητα και δομική τελειότητα. 23

24 Εικόνα 12:Το πυρίτιο Στο πυρίτιο, ανάλογα με την επεξεργασία του, δίνει Μονοκρυσταλλικά στοιχεία, πολυκρυσταλλικά στοιχεία ή τα άμορφα στοιχεία. Υπάρχουν επίσης και τα «υβριδικά» φωτοβολταϊκά τα οποία συνδυάζουν τις τεχνολογίες των άμορφων και των κρυσταλλικών. Συνολικά, τα στοιχεία από πυρίτιο μετατρέπουν ένα 12-19% της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική και το ακριβές ποσοστό εξαρτάται από την τεχνολογία που χρησιμοποιούμε ΤΟ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι άμορφο πυρίτιο υψηλής καθαρότητας (1500 C). Έχει μια ομοιόμορφη μοριακή δομή και για τον λόγο αυτό, έχει υψηλότερο βαθμό απόδοσης σε σύγκριση με άλλα υλικά, τα οποία δεν έχουν την μορφή κρυστάλλου. 24

25 Tα μονοκρυσταλλικά πλαίσια θεωρούνται τα πιο κορυφαία τεχνολογικά και χρησιμοποιούνται γενικά για μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις. Η τεχνολογία τους είναι ακριβή σε κόστος αλλά έχει το πλεονέκτημα της υψηλής αποδοτικότητας που κυμαίνεται από 14,5% έως 20%. Μάλιστα σε συνθήκες εργαστηρίου έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7%. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο περιλαμβάνει: μια επαφή n+p μεγάλου εμβαδού τοποθετημένη σε μικρό βάθος από την επιφάνεια όπου προσπίπτει το φως. Η δίοδος βρίσκεται πάνω σε υπόστρωμα πυριτίου τύπου p πάχους κάποιων εκατοντάδων μm στην εμπρόσθια επιφάνεια τοποθετείται αντανακλαστικό επίστρωμα και μεταλλικές ωμικές επαφές οι οποίες τοποθετούνται και στην οπίσθια επιφάνεια. Εικόνα 13: Φ/Β από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο Κρυσταλλική ανάπτυξη πυριτίου με την μέθοδο Czochranski Σε πρώτη φάση γίνεται ανάτηξη και στη συνέχεια αντίδραση με υδροχλώριο (HCl(g)), μετατρέποντας το μεταλλουργικό πυρίτιο σε τριχλωροσιλάνιο ( 3 SiHCl ) που είναι ένα πτητικό υγρό. Εν συνεχεία αποχωρίζεται από διάφορες προσμίξεις μέσω κλασματικής απόσταξης (μέθοδος Siemens). Τέλος ανάγεται με υδρογόνο και συμπυκνώνεται. Πρέπει να 25

26 τονιστεί ότι οι παραπάνω διαδικασίες είναι εξαιρετικά ενεργοβόρες και συντελούν στο υψηλό κόστος κατασκευής των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Το τελικό προϊόν είναι ένα υψηλής καθαρότητας πυρίτιο (με συγκέντρωση προσμίξεων μικρότερη από 1 άτομο ανά 1012 άτομα Si), που δεν έχει όμως ακόμα την επιθυμητή δομή. Ακολουθεί η κρυσταλλική ανάπτυξη του πυριτίου συνήθως με την μέθοδο Czochranski. Η Διαδικασία Czochranski είναι μια μέθοδος κρύσταλλο αύξηση που χρησιμοποιείται για να λάβει ενιαία κρύσταλλα ημιαγωγοί (π.χ. πυρίτιο, γερμάνιο και Αρσενικούχο γάλλιο), μέταλλα (π.χ. παλλάδιο, λευκόχρυσος, ασήμι, χρυσός) και άλατα. Τα βήματα της τεχνικής Czochranski είναι τα ακόλουθα : 1. Σε μια χοάνη τήξης (crucible) τοποθετείται το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο υψηλής καθαρότητας (EGS) μαζί με την κατάλληλη ποσότητα αραιού κράματος πυριτίου. 2. Εκκενώνεται ο θάλαμος ανάπτυξης από τα υπάρχοντα αέρια. 3. Στο θάλαμο ανάπτυξης διοχετεύεται αδρανές αέριο για να αποτραπεί η είσοδος ατμοσφαιρικών αερίων στο τήγμα κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. 4. Τήκεται το πυρίτιο (σημείο τήξης πυριτίου 1421oC ). 5. Εισάγεται στο λιωμένο πυρίτιο ένας πυρήνας κρυστάλλωσης (seed) από κρυσταλλικό πυρίτιο διαμέτρου 5mm και μήκους mm. Λαμβάνεται ιδιαίτερη πρόνοια για το σωστό προσανατολισμό του seed. 6. Ο πυρήνας κρυστάλλωσης απομακρύνεται με έναν καλά ελεγχόμενο ρυθμό. Κατά την απομάκρυνση τόσο ο πυρήνας κρυστάλλωσης όσο και η χοάνη τήξης περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. 26

27 7.Λεπτό πυρίτιο σε γκοφρέτες κόβεται από αυτά τα πλινθώματα (χαρακτηριστικά περίπου 0,75 χιλ. παχύς) και γυαλίζεται πολύ για να χρησιμοποιηθεί. 1 Εικόνα 14: Μέθοδος Czochranski Tο μονοκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό στοιχείο κατασκευάζεται από κυψέλες που έχουν κοπεί από ένα κυλινδρικό κρύσταλλο πυριτίου. Η κατασκευή του είναι πολύπλοκη και γίνεται με μια σειρά τυποποιημένων διεργασιών που αναφέραμε παραπάνω, σύμφωνα με τη μέθοδο Czochranski αλλά και τη μέθοδο τετηγμένης ζώνης. Η μέθοδος τετηγμένης ζώνης είναι ιδιαίτερα δαπανηρή αλλά παράγει υλικό υψηλότερης καθαρότητας και ανώτερης κρυσταλλικότητας από την μέθοδο Czochranski. Tο αποτέλεσμα και των δύο μεθόδων είναι ένας μόνο ενιαίος κρύσταλλος, γι αυτό και η 1 Knobloch J., Glunz SW, Biro D., Warta W., Schaffer E. and Wettling W. (1996) 'Solar cells with efficiencies above 21% processed from Czochralski grown silicon', Conf. Record 25th. IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Washington DC, IEEE Press, Piscataway,

28 τεχνολογία αυτή ονομάζεται μονοκρυσταλλική. Εκτός από το πυρίτιο εισάγεται και το υλικό πρόσμιξης που συνήθως είναι το βόριο, για την παραγωγή κρυστάλλου τύπου p. Τέλος τοποθετείται προστατευτικό περίβλημα γυαλιού για τη διατήρηση της καθαρότητας και την προστασία από τη διάβρωση. Το πάχος των φωτοβολταϊκών στοιχείων μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι γύρω στα 0,3 χιλιοστά. Εικόνα 15: Μέθοδος Czochralski Εικόνα 16: Κύλινδρος πυριτίου Εικόνα 17: Φέτες πυριτίου (wafers) ΤΟ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ: Τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κατασκευάζονται από ράβδους λιωμένου και επανακρυσταλλομένου πυριτίου. Για την παραγωγή τους οι ράβδοι του πυριτίου κόβονται σε λεπτά τμήματα. Πάχους περίπου 0,3 χιλιοστά Τα πολυκρυσταλλικά αποτελούνται από επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Αυτή είναι και η αιτία του χαμηλότερου κόστους αυτής της τεχνολογίας καθώς τα πολυκρυσταλλικά μπορούν να παραχθούν από τα τμήματα πυριτίου που περισσεύουν από την κατασκευή 28

29 μονοκρυσταλλικών. Τα μονοκρυσταλλικά χρειάζονται μεγάλο τμήμα κρυστάλλου αλλά από την κοπή του κάποια κομμάτια αχρηστεύονται καθώς είναι μικρά. Αυτά μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν για τα πολυκρυσταλλικά. Τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: είναι χαμηλότερης ποιότητας από τα μονοκρυσταλλικά απόδοση από 11% έως 15% σε εργαστηριακές εφαρμογές απόδοση έως και 20% φθηνότερη μέθοδος παραγωγής από τα μονοκρυσταλλικά χαμηλότερη τιμή αγοράς από τα μονοκρυσταλλικά μικρότερο το κόστος παραγωγής από τα μονοκρυσταλλικά πάχος περίπου 0,3 χιλιοστά αποτελούνται από επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν έχουν ένα μπλε χρώμα που οφείλεται σε μια ειδική επίστρωση για την αποφυγή ανάκλασης. Ανάλογα με το πάχος της επίστρωσης καθορίζεται και το ακριβές χρώμα. Το μπλε έχει τις καλύτερες ιδιότητες καθώς αντανακλά το λιγότερο και απορροφά το περισσότερο φως. Εικόνα 18: πολυκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό Για την παραγωγή των πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών υπάρχουν 3 τεχνολογίες και είναι οι εξής: 29

30 η μέθοδος απ' ευθείας στερεοποίησης DS (directional solidification), η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου (χύτευση), και η ηλεκτρομαγνητική χύτευση EMC. Στην μέθοδος της χύτευσης παρασκευάζονται κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου από άμορφο πυρίτιο υψηλής καθαρότητας. Το πυρίτιο θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία (1000 C) και ψύχεται από ελεγχόμενες συνθήκες σε καλούπια με τετράγωνη διατομή. Κατά την διάρκεια της ψύξης σχηματίζεται η πολυκρυσταλλική του μορφή η οποία είναι ορατή ως διαφορετικές μονοκρυσταλλικές περιοχές. Τέλος, το υλικό κόβεται σε τμήματα πάχους 0.3 mm THIN FILM Στην τεχνολογία των Thin film δηλαδή τα φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών επιστρώσεων περιλαμβάνονται υλικά όπως CdTe, CIGS, CIS και το άμμορφο πυρίτιο. Πρόκειται ουσιαστικά για μια άλλη μορφή κατασκευής και κατηγοριοποίησης που αναφέρεται στο πάχος, και όχι στο υλικό. Αυτή η τεχνολογία έχει ως στόχο να μειώσει το κόστος. Αυτό θα το πετύχει μειώνοντας το απαιτούμενο υλικό για την παραγωγή των στοιχείων. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι η ευκολία στην σύνδεση τους, φτιάχνοντας ολόκληρα πλαίσια στην διαδικασία εναπόθεσης. 30

31 Εικόνα 19: Σύγκριση κρυσταλλικού φ/β στοιχείου (δεξιά) με στοιχείο thin film (αριστερά). Τα φ/β στοιχεία thin film δεν έχουν περιορισμούς όσον αφορά την μορφή τους όπως συμβαίνει με τα κρυσταλλικά στοιχεία. Θεωρητικά, το υπόστρωμα μπορεί να πάρει οποιαδήποτε μορφή προτού εναποτεθεί πάνω του το ημιαγώγιμο υλικό. Όμως επειδή η διασύνδεση των φ/β στοιχείων thin film γίνεται εσωτερικά (με μονολιθογραφία κατά το στάδιο της επίστρωσης του υλικού) και όχι με εξωτερικούς ακροδέκτες όπως με τα wafers, μόνο για πρακτικούς σκοπούς, κατασκευάζονται ορθογώνιες μορφές. Μπορεί η τεχνολογία Thin Film να είναι οικονομική αλά είναι και αρκετά απαιτητική διότι θα πρέπει να παραχθούν μεγάλες περιοχές δίχως ελαττώματα ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ ΛΕΠΤΟΥ ΥΜΕΝΙΟΥ Το κρυσταλλικό πλαίσιο πυριτίου λεπτού υμενίου είναι ένα πλαίσιο μικρότερο σε πάχος και εξαιρετικά αποτελεσματικό στην μείωση του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Μελέτες για το λεπτότερο στρώμα πυριτίου έγιναν από τους M. Wolf και J.Lofersky στην προσπάθειά τους να βρουν τις ιδανικές παραμέτρους και συνθήκες για υψηλή απόδοση του ηλιακού στοιχείου. Πίστευαν πως με τη μείωση του πάχους του ηλιακού στοιχείου η τάση ανοιχτοκυκλώσεως αυξάνεται εξαιτίας του περιορισμένου ρεύματος κόρου, το οποίο είναι πάλι αποτέλεσμα μειωμένου ενεργού όγκου της 31

32 κυψέλης. Ο Goetzberger επισήμανε επίσης τα τεχνολογικά πλεονεκτήματα του κρυσταλλικού πλαισίου πυριτίου λεπτού υμενίου, λίγα χρόνια αργότερα. Εικόνα 20: Κρυσταλλικό πλαίσιο πυριτίου λεπτού υμενίου Μετά από αυτές τις θεμελιώδεις έρευνες που αναφέρθηκαν από τους παραπάνω, άρχισα να προκύπτουν διάφορες δυσκολίες και τεχνολογικά προβλήματα. Την λύση σε όλα αυτά έδωσαν οι κυψέλες c-sitfc. Τα τελευταία χρόνια και μέχρι και σήμερα, η ανάπτυξη κυψελών κρυσταλλικού πυριτίου λεπτού υμενίου γίνονται με την έμφυτη πιθανότητα για μείωση του κόστους παραγωγής των κυψελών. Το υπόστρωμα των c-sitfc έχει τα εξής χαρακτηριστικά: πάχος από 5 έως 50 mm αποτελείται από πυρίτιο χαμηλής ποιότητας ή από γυαλί, γραφίτη ή κεραμικά υλικά που μειώνουν το κόστος παραγωγής αξιόλογη απόδοση (μέχρι 21% κάτω από ιδανικές συνθήκες) Παρ όλα αυτά οι εταιρίες παραγωγής δεν το κατασκευάσουν, διότι δεν έχουν πεισθεί για τα πλεονέκτημα του. 32

33 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΑΜΟΡΦΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ( a-si) Τα φωτοβολταϊκά άμορφου πυριτίου αποτελούνται από ένα λεπτό στρώμα πυριτίου που έχει τοποθετηθεί ομοιόμορφα στο κατάλληλο υπόβαθρο. Εικόνα 21:Δομή υδρογονωμένου (ή παθητικοποιημένου) άμορφου πυριτίου Είναι στην ουσία ταινίες λεπτών επιστρώσεων που παράγονται με την τοποθέτηση του πυριτίου σε υποστηρικτικό υπόστρωμα χαμηλού κόστους, όπως είναι το γυαλί ή το αλουμίνιο. Το εξαιρετικά χαμηλό κόστος οφείλεται στην πολύ μικρή ποσότητα πυριτίου που τοποθετείται. Το άμορφο πυρίτιο παρουσιάζει μεγαλύτερη απορροφητικότητα του φωτός όμως η απόδοση των φωτοβολταϊκών από αυτό το υλικό είναι αισθητά χαμηλότερη από εκείνη των κρυσταλλικών. Κατά μέσο όρο ο βαθμός απόδοσης των άμορφων στοιχείων αγγίζει το 6% έως 8%. Επιπλέον, είναι και πολύ οικονομικά. Εικόνα 22: Φωτοβολταϊκό στοιχείο άμορφου πυριτίου 33

34 Τα φωτοβολταϊκά άμορφου πυριτίου χαρακτηρίζονται και ως άμορφο φωτοβολταϊκό. Ο χαρακτηρισμός αυτός προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο που είναι τοποθετημένα διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου (όπως φαίνεται και στο Σχήμα). Εικόνα 23:Αταξία στη μορφή του άμορφου πυριτίου Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών άμορφου πυριτίου: επηρεάζεται λίγο από τις υψηλές θερμοκρασίες ιδιαίτερα αξιόπιστη απόδοση απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας (104 cm 1) σε σύγκριση με τα κρυσταλλικά Φ/Β είναι η απορρόφηση 40 φορές μεγαλύτερη όταν υπάρχουν σύννεφα στην ατμόσφαιρα. Το άμορφο πυρίτιο μπορεί να τοποθετηθεί σε υποστρώματα με ιδιαίτερα χαμηλό κόστος όπως το γυαλί, το πλαστικό και ο χάλυβας. Μειονεκτήματα φωτοβολταϊκών άμορφου πυριτίου: Χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα (χρειαζόμαστε περίπου την διπλάσια επιφάνεια σε σύγκριση με τα κρυσταλλικά στοιχεία) Υπάρχουν αμφισβητήσεις για την διάρκεια ζωής τους αφού η τεχνολογία είναι νέα και δεν υπάρχουν δείγματα από παλαιότερες εγκαταστάσεις Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001 χιλιοστά ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3 χιλιοστά. 34

35 ΔΙΣΕΛΗΝΟΪΝΔΙΟΥΧΟΣ ΧΑΛΚΟΣ CIS Ο Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός είναι ένα ημιαγώγιμο υλικό, το οποίο μπορεί να είναι n-type ή p-type και έχει μια άμεση οπτική απορρόφηση. Από τις μετρήσεις που έχουν γίνει, ο Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός έχει τον υψηλότερο συντελεστή απορρόφησης και κυμαίνεται στο 11% (πλαίσιο), ενώ εργαστηριακά η απόδοση έφτασε το 18,8%, η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Εικόνα 24:Δομή του φ/β στοιχείου CIS Με την πρόσμιξη γάλλιου (CIGS) η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου με Δισεληνοϊνδιούχο χαλκό μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο. 35

36 Εικόνα 25:Το σκούρο χρώμα του πλαισίου CIS συνεισφέρει στην καλύτερη απορρόφηση του φωτός σε σχέση με το κρυσταλλικό πυρίτιο. Το σκούρο χρώμα του επίσης τα κάνει πιο αισθητικό Η εταιρία SIEMENS έχει ξεκινήσει μία σημαντική προσπάθεια για την βελτίωση της τεχνολογίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων με Δισεληνοϊνδιούχο χαλκό (CIS). Η εταιρία έχει δημιουργήσει στοιχεία CIS και έχουν διοχετευθεί στο εμπόριο, με απόδοση να αγγίζει το 10%. Πλεονεκτήματα σε σχέση με τα στοιχεία άμορφου πυριτίου: Έχει παρατηρηθεί πως δεν εμφανίζουν πτώση στην απόδοση τους για αρκετά χρόνια Ιδιαίτερα οικονομικά στα ημιαγώγιμα υλικά Μειονεκτήματα σε σχέση με τα στοιχεία άμορφου πυριτίου: το CIS είναι ένα πολύπλοκο υλικό που δυσκολεύει την κατασκευή του το ινδίο (In) βρίσκεται σε πολύ περιορισμένες ποσότητες στην φύση η παραγωγή Δισεληνοϊνδιούχου χαλκού είναι επικίνδυνη για τους ανθρώπους που το κατασκευάζουν, διότι περιέχει σεληνιούχο υδρογόνο το οποίο είναι ένα εξαιρετικά τοξικό αέριο. 36

37 ΤΕΛΟΥΡΙΟΥΧΟ KΑΔΜΙΟ (CDTE) Το τελλουριούχο κάδμιο είναι ένα ημιαγώγιμο υλικό που αποτελείται από κάδμιο (Cd) και τελλούριο ( Te). Έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο 1eV απορροφά το 99% της ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω του το πλαίσιο απορροφά 6-8% στο εργαστήριο η απορρόφηση φτάνει το 16% κόστος υψηλό αλλά αναμένεται να μειωθεί τα επόμενα χρόνια Εικόνα 26: τελλουριούχο κάδμιο Υπάρχουν μερικές τεχνολογίες τεχνικές που αν επεξεργαστούν κατάλληλα μετά την απόθεση, μπορούν να παράγουν μεγάλη απόδοση με χαμηλό κόστος Αυτές είναι οι εξής: Εικόνα 27: Αναλογία στον κρύσταλλο του τελλουριούχου καδμίου 37

38 Η διαδικασία πλεγματικής εκτύπωσης των στοιχείων CdTe: είναι μια τεχνολογία με χαμηλό κόστος παραγωγής, αλλά με χαμηλό ρυθμό παραγωγής ηλιακών στοιχείων. Η απόδοση αυτής της τεχνολογίας είναι 6% σε εξωτερικές συνθήκες. Αυτό που περιορίζει το ρυθμό παραγωγής είναι η θερμοκρασιακή επεξεργασία της μελάνης εκτύπωσης μετά την απόθεση των στοιχείων CdTe, η οποία απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 500oC ) για περιόδους μιας ώρας ή και περισσότερο. Η τεχνολογία της ηλεκτροτυπίας: Η τεχνολογία αυτή είναι ιδιαίτερα ευνοϊκή για τα στοιχεία CdTe, λόγω της πολύ μικρή χρήσης του υλικού και του χαμηλού κόστους. Η εταιρία BP Solar έχει δημιουργήσει βασικές μονάδες με εξαιρετικά υψηλές αποδόσεις πάνω από 10% και στοιχεία με αποδόσεις γύρω στο 13%. Οι έλεγχοι σταθερότητας έχουν επιτευχθεί απόλυτα. Υπάρχον όμως σημαντικά προβλήματα στην παραγωγή τους. Όπως αναφέραμε και παραπάνω στον Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός (CIS) υπάρχει κάδμιο (Cd) το οποίο είναι εξαιρετικά τοξικό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δυσκολεύεται η παραγωγή του και να χρησιμοποιούνται αυξημένα μέτρα προστασίας. Επιπλέον, κάποιες έρευνες που έχουν γίνει για το κάδμιο, απέδειξαν πως είναι καρκινογόνο για τον άνθρωπο. Το γεγονός αυτό προβληματίζει τους κατασκευαστές του και δεν γίνεται εκτεταμένη χρήση του υλικού. Μάλιστα, η Greenpeace έχει εναντιωθεί στην χρήση του. Ένας επιπλέον παράγοντας της μη αυξημένης χρήσης του, είναι επίσης και η έλλειψη του μεταλλοειδούς τελούριου στη φύση. 38

39 Εικόνα 28: Υποστρώματα για την τεχνολογία του CdTe ΑΡΣΕΝΙΚΟΥΧΟ ΓΑΛΛΙΟ GaAs Το Αρσενικούχο Γάλλιο αποτελείται από το Γάλλιο (Ga) και από το Αρσενικό (As).Έχει ενεργειακό διάκενο 1,43eV που είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Το Γάλλιο (Ga) είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πολύ σπάνιο. Το Αρσενικό (As) είναι ένα δηλητηριώδης υλικό. Βρίσκεται ευρέως στην φύση και δεν είναι σπάνιο όπως το Γάλλιο. Εικόνα 29: Το Αρσενικούχο Γάλλιο 39

40 Το Αρσενικούχο Γάλλιο έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Απόδοση 29%, υπό την μορφή πολλαπλών συνενώσεων (multijunction) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες. Το γεγονός αυτό επιβάλλει την χρήση τους σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων (solar concentrators). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs αντέχουν σε πολύ υψηλές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτό το χαρακτηριστικό, οδήγησε στην χρήση τους σε διαστημικές εφαρμογές Υπερβολικά μεγάλο είναι το κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs υποστρώματος, σχεδόν πέντε φορές μεγαλύτερο από το κόστος του κρυσταλλικού πυριτίου. Το ενεργειακό διάκενο είναι άμεσο. Εικόνα 30:Αναλογία ιόντων στον κρύσταλλο του αρσενικούχου γαλλίου, όπου με μαύρο παριστάνεται το δραστικότερο(μικρότερη ατομική ακτίνα) αρσενικό 2.3. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΑΙΝΙΑΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (RIBBON SILICON) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου είναι μία σχετικά νέα τεχνολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων. Το πυρίτιο σε μορφή ταινίας μπορεί να παραχθεί με πολλές 40

41 τεχνικές. Στόχος είναι η μείωση του κόστους καθώς και η μείωση των απωλειών σε καθαρό πυρίτιο. Εικόνα 31: Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου Αυτή η νέα τεχνολογία αναπτύσσεται από την εταιρία Evergreen Solar και προσφέρει τα εξής: Μείωση στην χρήση του πυριτίου έως και 50%, σε σχέση με τις "παραδοσιακές τεχνικές" κατασκευής μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών κυψελών πυριτίου. Το πάχος των φωτοβολταϊκών με ταινία πυριτίου είναι μόλις 0,3 χιλιοστά Η απόδοση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία του έχει φτάσει περίπου στο 12-13% σε εξωτερικές συνθήκες Ενώ σε συνθήκες εργαστηρίου, η απόδοση τους κυμαίνεται στο 18%. Με βάση λοιπόν τα παραπάνω χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων με ταινίες λεπτού πυριτίου, η εταιρία δημιούργησε διάφορες τεχνικές μέχρι να καταλήξει στις επικρατέστερες. Από αυτές που δοκίμασε, μόνο δύο τεχνικές κατέληξαν σε εμπορική χρησιμοποίηση. Η EDGE DEFINED FILM FED GROWTH PROCESS (EFG) και Η STRING RIBBON PROCESS (STR) 41

42 Η EDGE DEFINED FILM FED GROWTH PROCESS (EFG) Κατά τη διαδικασία αυτή παράγεται το Ribbon πυρίτιο μέσα από το λιωμένο υλικό μέσω ενός καλουπιού, το σχήμα του οποίου καθορίζει και τη μορφή της ταινίας. Τα παραγόμενα στοιχεία έχουν μικρότερη ποιότητα από τα μονοκρυσταλλικά και η επιφάνειά τους εμφανίζει ανωμαλίες. Παρόλα αυτά η απόδοσή τους φτάνει μέχρι το 14,8% για στοιχεία που έχουν φτιαχτεί σε γραμμή παραγωγής και για εμπορικούς σκοπούς. Εικόνα 32: Μέθοδος παραγωγής Edge Defined Film Fed Growth Process με απλή διαμόρφωση Η STRING RIBBON PROCESS (STR) Σε αυτή τη διαδικασία παραγωγής, τα υψηλά καλώδια τα οποία είναι πολύ ανθεκτικά σε υψηλή θερμοκρασία τράβηξε την ταινία πυριτίου μέσα από λιωμένο πυρίτιο για να σχηματίσουν μια πολυ-κρυσταλλική κορδέλα από κρυστάλλους πυριτίου. Η ταινία στη συνέχεια κόβονται σε διάφορα μήκη με τις παραδοσιακές μεθόδους για να σχηματίσουν τα ηλιακά κύτταρα. Η διαδικασία αυτή αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1970 από την εταιρεία Mobil-Tyco, Solar Energy Corp. Το πάχος της ταινίας εξαρτάται κυρίως από την ταχύτητα με την οποία κινούνται οι δύο λωρίδες. Συνήθως έχουν πλάτος 4-5 ίντσες και λιγότερο από 1/100th μιας ίντσας πάχος. Η διαδικασία είναι σχετικά απλή, καθώς χρησιμοποιούνται δύο λωρίδες που διαπερνούν το δοχείο στη βάση του και κινούνται με σταθερή ταχύτητα ανοδικά. Στην 42

43 αρχή της διαδικασίας χρειάζεται ένας πυρήνας, έτσι ώστε να γίνει η αρχή της ταινίας πυριτίου. Η απόδοσή τους μπορεί να φτάσει μέχρι και το 14-15% σε εξωτερικές συνθήκες και έως 18,3 σε εργαστηριακή έρευνα που διεξήχθη. Εικόνα 33: Διαδικασία εξαγωγής λιωμένου πυριτίου για την παραγωγή ταινίας πυριτίου με τη μέθοδο String Ribbon Process Η τεχνολογία του String Ribbon έχει την ικανότητα να χρησιμοποιεί λιγότερο πυρίτιο σε σύγκριση με άλλες μεθόδους παραγωγής πλακιδίων και γκοφρέτες που κατασκευάζονται,αποφεύγοντας την ανάγκη για πριόνισμα του μπλοκ πυριτίου. Χρησιμοποιεί τη διαδικασία κορδέλα ταινία και επιτρέπει την κατασκευή των φωτοβολταϊκών σε γκοφρέτες πυριτίου, αποφεύγοντας παράλληλα τα απόβλητα που προκύπτουν κατά το πριόνισμα των γκοφρετών από πλινθώματα. Αυτή η διαδικασία κατασκευής καταναλώνει περίπου τη μισή ποσότητα του πυριτίου εισαγωγής που απαιτούνται από τις παραδοσιακές διαδικασίες, αλλά δεν είναι τόσο ικανή να επιτύχει την ίδια ηλεκτρική απόδοση με τις άλλες τεχνικές. 43

44 Πλεονεκτήματα: Το σχήμα των κρυστάλλων Το πάχος που ποικίλει Κάθε ταινία πυριτίου μπορεί να μεταποιηθεί απευθείας σε μια ηλιακή κυψέλη Μειονέκτημα: Η περιοχή ακτινοβολίας του κρυστάλλου είναι εξαιρετικά υψηλή, γεγονός που οδηγεί σε πολύ υψηλές δαπάνες της ενέργειας που αντισταθμίζει τη μειωμένη χρήση του πυριτίου ΥΒΡΙΔΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Τα υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό των παραπάνω τεχνολογιών που αναφέραμε και αποτελούνται από στρώσεις υλικών διάφορων τεχνολογιών. Η πιο γνωστή υβριδική τεχνολογία είναι η ετεροεπαφή με εσωτερικό λεπτό στρώμα ή H eterojunction with Intrinsic Thin-Layer (HIT) η οποία αναπτύχθηκε από την εταιρεία Sanyo Solar το 1992 και σήμερα έχει εγκατεστημένα πάνω από 250 MWp (2007) παγκοσμίως. Εικόνα 34: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο της Sanyo Solar με υβριδική τεχνολογία HIT 44

45 Η τεχνολογία HIT χρησιμοποιεί δύο διαφορετικά είδη ημιαγωγών υλικών για τη δημιουργία της επαφής pn, πιο συγκεκριμένα αποτελείται από δύο λεπτές (μικρότερες των 20 nm) στρώσεις, πάνω και κάτω, άμορφου πυριτίου ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μια στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Εικόνα 35: Υβριδική τεχνολογία HIT συγκρινόμενη με μονοκρυσταλλικό στοιχείο Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου που φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές στο 17,2% και το οποίο σημαίνει ότι απαιτείται μικρότερη επιφάνεια για την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν απόδοση 19,7%. Σημαντικό πλεονέκτημα για τα υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η υψηλή τους απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση στην διαχεόμενη ακτινοβολία. Εικόνα 36: Σύγκριση απόδοσης στους 75 o C της υβριδικής τεχνολογίας HIT και του κρυσταλλικού πυριτίου 45

46 2.5. ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΟΛΩΝ ΤΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΤΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΥΠΟΣ Λεπτού υμενίου ή 'Thin Film' Πολυκρυσταλλικ ά Μονοκρυσταλλικά Υβριδικά Εμφάνιση Απόδοση Απαιτούμενη επιφάνεια ανά kwp Μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας (kwh ανά kwp) Μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας (kwh ανά m2) Ετήσια μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (kg CO2 ανά kwp) a-si: 4,2-6,6% μ-si: 8,1-8,5% CIS-CIGS: 6-11% CdTe: 6-11,1% 11-14,8% 11-19,3% 16-17% 9-25 m2 7-9 m2 5,5-9 m2 6-7 m Πίνακας 3: ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΟΛΩΝ ΤΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΤΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ( πηγή: ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΕΤΑΙΡΙΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ (ΣΕΦ) στοιχεία του 2008) 46

47 ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ, ΘΕΣΜΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΙ ΑΙΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3.1. ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ Α.Π.Ε NOMOI N.4001/2011 "Για τη λειτουργία Ενεργειακών Αγορών Ηλεκτρισμού και Φυσικού αερίου, για Έρευνα, Παραγωγή και δίκτυα μεταφοράς Υδρογονανθράκων και άλλες ρυθμίσεις", ΦΕΚ 179Α/ Ν.3851/2010 Ν.3734/2009 Ν.3468/2006 Ν.2941/2001 Ν.2773/1999 Επιτάχυνση της ανάπτυξης των Ανανεώσιμων πηγών Ενέργειας για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής και άλλες διατάξεις σε θέματα αρμοδιότητας του Υπουργείου Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής Ν.3734/2009 Νέος νόμος και ρυθμίσεις για φωτοβολταϊκά και ΑΠΕ 2009.(NEO) Παραγωγή Ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και ΣΗΘΥΑ Απλοποίηση διαδικασιών ίδρυσης εταιρειών αδειοδότησης ΑΠΕ (άρθρο 2) Απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας - Ρύθμιση θεμάτων ενεργειακής πολιτικής Ρύθμιση θεμάτων ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ και Ν.2244/1994 συμβατικά καύσιμα Πηγή: ΥΠΟΥΡΓΙΚΕΣ ΑΠΟΦΑΣΕΙΣ ΥΑΠΕ/Φ1/οικ2262 & 2266, «Τιμολόγηση ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από φωτοβολταϊκούς σταθμούς» ΦΕΚ 97Β/ ΥΑΠΕ/Φ1/14810, "Κανονισμός Αδειών Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας με χρήση ΑΠΕ", ΦΕΚ 2373Β/

48 YA , "Τροποποιήσεις ειδικών όρων για την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών και ηλιακών συστημάτων σε γήπεδα, οικόπεδα και κτίρια", ΦΕΚ 583Β/ ΥΑ 24839/2010, Εγγυοδοσία για την υπογραφή Συμβάσεων Σύνδεσης στα δίκτυα διανομής σταθμών ηλεκτροπαραγωγής με χρήση Α.Π.Ε. που εξαιρούνται από την υποχρέωση λήψης άδειας παραγωγής, ΦΕΚ 1901Β/ YA 19598/2010, Απόφαση για την επιδιωκόμενη αναλογία εγκατεστημένης ισχύος και την κατανομή της στο χρόνο μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, ΦΕΚ 1630Β/ KΥA 18513/2010, Συμπλήρωση του Ειδικού Προγράμματος Ανάπτυξης Φωτοβολταϊκών Συστημάτων σε κτιριακές εγκαταστάσεις, ΦΕΚ 1557Β / ΥΑ 40158/2010, Έγκριση ειδικών όρων για την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων και ηλιακών συστημάτων σε γήπεδα και κτίρια σε εκτός σχεδίου περιοχές, ΦΕΚ 1556Β/ ΥΑ 36720/2010, Έγκριση ειδικών όρων για την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών και ηλιακών συστημάτων σε κτίρια και οικόπεδα εντός σχεδίου περιοχών και σε οικισμούς, ΦΕΚ 376/ ΚΥΑ 17149/2010, Τύπος και περιεχόμενο συμβάσεων πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται με χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και μέσω Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης στο Σύστημα και το Διασυνδεδεμένο Δίκτυο και στο Δίκτυο των Μη Διασυνδεδεμένων Νήσων, σύμφωνα με τις διατάξεις του άρθρου 12 παρ. 3 του Ν. 3468/2006, όπως ισχύει, πλην ηλιοθερμικών και υβριδικών σταθμών, ΦΕΚ 1497Β/ ΚΥΑ 12323/2009, Ειδικό Πρόγραμμα Ανάπτυξης Φωτοβολταϊκών Συστημάτων σε κτιριακές εγκαταστάσεις και ιδίως σε δώματα και στέγες κτιρίων, ΦΕΚ 1079Β / ΚΥΑ 49828/2008, Έγκριση ειδικού πλαισίου χωροταξικού σχεδιασμού και αειφόρου 48

49 ανάπτυξης για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και της στρατηγικής μελέτης περιβαλλοντικών επιπτώσεων αυτού, ΦΕΚ 2464Β/ YA06/2007, Διαδικασία έκδοσης αδειών εγκατάστασης και λειτουργίας σταθμών παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας από Α.Π.Ε. ΚΥΑ /2006, Διαδικασία Προκαταρκτικής Περιβαλλοντικής Εκτίμησης και Αξιολόγησης (Π.Π.Ε.Α.) και Έγκρισης Περιβαλλοντικών Όρων (Ε.Π.Ο.) έργων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε.), σύμφωνα με το άρθρο 4 του N.1650/1986, όπως αντικαταστάθηκε με το άρθρο 2 του N.3010/2002 και ΚΥΑ /2006, Περιεχόμενο, δικαιολογητικά και λοιπά στοιχεία των Προμελετών Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων (Π.Π.Ε.), των Μελετών Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων (Μ.Π.Ε.), καθώς και συναφών μελετών περιβάλλοντος, έργων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε.), ΦΕΚ 663Β/ ΚΥΑ 19500/2004, Τροποποίηση και συμπλήρωση της 13727/724/2003 κοινής υπουργικής απόφασης ως προς την αντιστοίχηση των δραστηριοτήτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τους βαθμούς όχλησης που αναφέρονται στην πολεοδομική νομοθεσία, ΦΕΚ 1671Β/ ΕΓΚΥΚΛΙΟΙ Εγκύκλιος YΑΠΕ/Φ1/οικ ( ), Διευκρινίσεις σχετικά με την προτεραιότητα εξέτασης αιτημάτων για τη χορήγηση προσφορών σύνδεσης από τον αρμόδιο διαχειριστή δικτύου Εγκύκλιος ΥΑΠΕ/Φ1/οικ ( ), Εφαρμογή των διατάξεων του ν.3851/2010 σχετικών με την εξέταση αιτημάτων για την εγκατάσταση σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. σε γεωργική γη υψηλής παραγωγικότητας, συμπεριλαμβανομένης της κατηγορίας των επαγγελματιών αγροτών 49

50 Εγκύκλιος /6637/491/B0014 ( ), Φορολογική αντιμετώπιση της εγκατάστασης φωτοβολταϊκών συστημάτων μέχρι 10 kwp σε κτιριακές εγκαταστάσεις κατοικιών ή πολύ μικρών επιχειρήσεων ΚΟΙΝΟΤΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΑΠΕ Κανονισμός 1228/03ΕΚ Οδηγία 54/03ΕΚ Directive 77/01EC Όροι πρόσβασης στο δίκτυο για τις διασυνοριακές ανταλλαγές ηλεκτρικής ενέργειας Κοινοί κανόνες για την εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας κατάργηση 96/92 Promotion of electricity produced from renewable energy sources in the internal electricity market Κοινοί κανόνες για την εσωτερική αγορά ηλεκτρικής Οδηγία 96/92ΕΚ ενέργειας Πηγή: ΑΠΟΦΑΣΕΙΣ PAE 02/ / /2007 Κώδικας διαχείρισης του συστήματος και συναλλαγών ηλεκτρικής ενέργειας Δημοσίευση στοιχείων συστήματος συναλλαγών ηλεκτρικής ενέργειας Α' Φάση προγράμματος ανάπτυξης ΦΒ κατά άρθρο 14 παρ 1. του 3468/ /2006 Αιτήσεις για άδειες παραγωγής 66/2006 Διαδικασία παραλαβής και εξειδίκευση περιεχομένων αίτησης για χορήγηση άδειας παραγωγής ΗΕ Οδηγός αξιολόγησης αιτήσεων παραγωγής ηλεκτρικής Οδηγός/2001 ενέργειας από ΑΠΕ και ΣΗΘΥΑ Πηγή: ΤΙΜΕΣ Για τα φωτοβολταϊκά στις στέγες, όπως προβλέπεται από το Ειδικό Πρόγραμμα, σε /MWh: Μήνας / Έτος Υφιστάμενη Νέα τιμή κατάσταση Φεβρουάριος ,5 495 Ποσοστό μείωσης: 50

51 Αύγουστος ,5 470,25 5% Φεβρουάριος ,38 446,73 Αύγουστος ,38 424,40 Φεβρουάριος ,56 403,18 Αύγουστος ,56 383,02 Φεβρουάριος ,98 363,87 Αύγουστος ,98 345,68 Πίνακας 4: Τιμές για τα φωτοβολταϊκά στις στέγες, όπως προβλέπεται από το Ειδικό Πρόγραμμα, σε /MWh 3.2. Η ΤΙΜΗ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η παραγόμενη ηλιακή ενέργεια αφού καταμετρηθεί, διοχετεύεται στο δίκτυο έναντι τιμής που καθορίζεται από το Ν.3468/06. Σύμφωνα με το νέο νόμο για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ο οποίος ψηφίστηκε στις ), η παρεχόμενη τιμή πώλησης της ηλιακής κιλοβατώρας ανέρχεται σε 0,40-0,50 /kwh με εγγύηση μιας εικοσαετίας. Η τιμή αυτή αναπροσαρμόζεται με βάση το μέσο ποσοστό αναπροσαρμογής των τιμολογίων της ΔΕΗ Α.Ε. που εγκρίνεται κάθε φορά από τον Υπουργό Ανάπτυξης. Αν δεν υπάρξει μεταβολή των τιμολογίων της ΔΕΗ, οι ανωτέρω τιμές αναπροσαρμόζονται ετησίως κατά ποσοστό ίσο προς το 80% του δείκτη τιμών καταναλωτή, όπως ανακοινώνεται από την Τράπεζα της Ελλάδος. Πιο συγκεκριμένα, η Τιμή Πώλησης της Παραγόμενης Ηλιακής Ενέργειας έχει αναπροσαρμοστεί ως εξής : 51

52 Ισχύς Ηπειρωτικό Δίκτυο Μη Διασυνδεδεμένα Νησιά Φωτοβολταϊκού Συστήματος 100kW 0,45282 /kwh 0,50282 /kwh > 100kW 0,40282 /kwh 0,45282 /kwh Πίνακας 5: H Τιμή Πώλησης της Παραγόμενης Ηλιακής Ενέργειας Οι παραπάνω τιμές ισχύουν και για Αυτοπαραγωγούς Η.Ε. έως KW, δηλαδή παραγωγούς που παράγουν ενέργεια από Φ/Β κυρίως για δική τους χρήση και διοχετεύουν το πλεόνασμα αυτής στο Δίκτυο. Οι τιμές ισχύουν για πλεόνασμα έως 20% (7.000 KW) της συνολικά παραγόμενης από αυτούς Η.Ε ΤΙΜΟΛΟΓΗΣΗ ΣΤΗ ΔΕΗ Η τιμολόγηση γίνεται από τον επενδυτή με τιμολόγιο που κόβει προς την ΔΕΗ κάθε 4 μήνες. Ο επενδυτής παίρνει ΑΦΜ για το σκοπό αυτό και τιμολογεί την ΔΕΗ - ΔΕΣΜΗΕ με βάση : 1. Την τιμή σε ευρώ ανά Μεγαβατώρα (MWh) που αναλογεί στην Ονομαστική ισχύ της εγκατάστασης 2. Το ποσό της Ηλεκτρικής Ενέργειας του μετρητή της ΔΕΗ που δείχνει το ποσό της ενέργειας που απορροφήθηκε από το Σύστημα ή το Δίκτυο 3.3. ΣΥΜΒΑΣΕΙΣ ΠΩΛΗΣΗΣ ΜΕ ΔΕΗ ΔΕΣΜΗΕ Ο Επενδυτής υπογράφει μία 20ετή σύμβαση με την ΔΕΗ-ΔΕΣΜΗΕ για φωτοβολταϊκά πάρκα και φωτοβολταϊκά σε στέγες. Μία για την σύμβαση πώλησης με την ΔΕΣΜΗΕ και μία είναι η σύμβαση σύνδεσης με την ΔΕΗ για την σύνδεση της εγκατάστασης με το δίκτυο της χώρας. 52

53 Η ανανέωση των συμβάσεων γίνεται 3 μήνες πριν τη λήξη της πρώτης δεκαετίας με δήλωση που κάνει ΜΟΝΟ ο ιδιοκτήτης του έργου. Η ΔΕΗ ή ΔΕΣΜΗΕ είναι υποχρεωμένες να αποδεχθούν την ανανέωση βάση του νόμου Ν.3468/2006 άρθ Για υβριδικούς σταθμούς η σύμβαση πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας με την ΔΕΗ ορίζεται για δύο εικοσαετίες (40 έτη) ΟΙ ΑΠΟΔΟΣΕΙΣ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ Οι αποδόσεις που θα έχετε από την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών θα είναι καλύτερες απ ότι αν βάζατε αυτά τα χρήματα σε κάποιο προθεσμιακό λογαριασμό ή τα επενδύατε σε ομόλογα ή στο χρηματιστήριο. Και σκεφτείτε ότι οι αποδόσεις αυτές είναι σταθερές και εγγυημένες για μια 25ετία Πίνακας 6: Ετήσια Έσοδα από την πώληση της ηλεκτρικής ενέργειας (Πηγή: ΔΕΗ) 53

54 3.4.1 ΜΗΝΙΑΙΑ ΚΑΙ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΓΩΝΙΑ ΚΛΙΣΗΣ Η επίδραση της γωνίας κλίσης στη μέγιστη ολική ακτινοβολία που προσλαμβάνεται από την επιφάνεια που αντικρίζει ακριβώς τον Νότο κατά το ηλιακό μεσημέρι, ερευνήθηκε κατά την πορεία ενός ολόκληρου ημερολογιακού χρόνο. Η επίδραση της γωνίας κλίσης από τις 0 έως τις 60 από το οριζόντιο άξονα απεικονίζεται στο διάγραμμα 3.1. Διάγραμμα 3.1 : Συνολική ακτινοβολία που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο ενός ημερολογιακού έτους ανάλογα με την γωνία κλίσης (Πηγή : Renewable EnergyVolume ) Συγκρίνοντας τα δεδομένα, καθορίστηκε ότι η μέγιστη ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια αντικρίζοντας ακριβώς τον Νότο κατά το ηλιακό μεσημέρι, διασφαλίζεται στις 30 40, στις 50 γωνία κλίσης από τον Ιανουάριο μέχρι τον Μάρτιο, ενώ μεταξύ από τον Απρίλη μέχρι τον Αύγουστο και από τον Σεπτέμβρη μέχρι τον Δεκέμβριο. Με άλλα λόγια, υψηλότερες γωνίες κλίσης κατά την διάρκεια του φθινοπώρου και του χειμώνα και χαμηλότερες γωνίες κλίσης κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, ώστε να προσλαμβάνεται η μέγιστη ακτινοβολία από την επιφάνεια του πλαισίου. Σε μια διαφορετική ανάλυση, η βέλτιστη μηνιαία γωνία κλίσης υπολογίστηκε ερευνώντας για τις τιμές εκείνες που Ητ γίνεται μέγιστη (διάγραμμα 3.2). Οι μέσες μηνιαίες ρυθμίσεις των 10 από τον Ιανουάριο μέχρι τον Μάιο και των 4 7 από τον Μάιο μέχρι τον Ιούλιο, καθώς και των 10 από τον Ιούλιο μέχρι τον Νοέμβριο, αποδείχτηκε ότι είναι αναγκαίες ώστε να αποκομίζεται βέλτιστη ακτινοβολία στην επιφάνεια του πλαισίου. 54

55 Διάγραμμα 3.2 : Απόδοση με βάση τις βέλτιστες μηνιαίες γωνίες κλίσης και τις μέσες μηνιαίες γωνίες κλίσης (Πηγή : Renewable EnergyVolume) Ερευνητές ανέφεραν ότι μεταβάλλοντας την γωνία κλίσης κατά ημερήσια ή μηνιαία βάση κατά την διάρκεια του χρόνου, δεν φαίνεται να είναι πρακτικό, όσο τη γωνία κλίσης μια φορά ανά εποχή. Οι Nijegorodov και Jain ανέφεραν ότι απόδοση των φωτοβολταϊκών διατάξεων, μπορεί να αυξηθεί από 20 25% αν εγκατασταθούν με κλίση ίση με την μηνιαία αριθμητική μέση τιμή της κλίσης και ρυθμίζοντάς την κατάλληλα μια φορά το μήνα. Γι αυτόν τον λόγο, μια αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε ώστε να καθορίσει την ποσοστιαία αύξηση ή μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας συγκρίνοντας με την συνολική ποσότητα της ηλιακή ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επικλινής επιφάνεια κατά τη βέλτιστη μηνιαία γωνία κλίσης (ΗΤοpt), τη βέλτιστη εποχιακή γωνία κλίσης ( ΗΤs ) (μέσοι όροι των βέλτιστων μηνιαίων γωνιών για 4 μηνιαίες περιόδους) και κατά τη γωνία κλίσης ίση με το γεωγραφικό πλάτος της τοποθεσίας (ΗΤφ ) σε σχέση με την οριζόντια επιφάνεια (ΗΤh ) και κατά την γωνία κλίσης ίση με το 0 (διάγραμμα 3.3). 55

56 Διάγραμμα 3.3:Ποσοστιαία μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας με βάση τη βέλτιστη μηνιαία γωνία κλίσης, με τη βέλτιστη εποχιακή γωνία κλίσης ( ΗΤs ) σε σχέση με την οριζόντια επιφάνεια (ΗΤh )και με το γγεωγραφικό πλάτος της τοποθεσίας (ΗΤφ ) σε σχέση με την οριζόντια επιφάνεια (ΗΤh ) Τα αποτελέσματα περιγράφουν ότι η αύξηση της ποσότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια από την μηνιαία γωνία κλίσης έγκειται στην εμβέλεια των % ( μέσος όρος των 21.8 % για ολόκληρο τον χρόνο ). Αυτό υποδηλώνει ότι η αποδοτικότητα της ηλιακής παραλαβής αυξάνει σύμφωνα με την βέλτιστη γωνία κλίσης παρά με την οριζόντια τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Θα πρέπει να υπογραμμιστεί ότι η βέλτιστη γωνία κλίσης αυξάνει κατά την διάρκεια της αρχής και τέλους κάθε χρόνου. Επομένως, αυτές είναι οι χρονικές περίοδοι που πραγματοποιούνται μεγαλύτερες βελτιώσεις στην ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο επικλινές πλαίσιο με την βέλτιστη γωνία κλίσης. Η εγκατάσταση των πλαισίων κατά την βέλτιστη εποχιακή γωνία κλίσης και την γωνία κλίσης ίση με το γεωγραφικό πλάτος αντί της οριζόντιας τοποθέτησης, αντιπροσωπεύει μια αύξηση της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας που προσλαμβάνεται για όλο το έτος περίπου από 20,9 και 18,6%. Η αύξηση της ποσότητας της ακτινοβολίας που προσλαμβάνεται από την επιφάνεια κατά την διάρκεια του έτους σε σχέση με την βέλτιστη εποχιακή γωνία κλίσης και γωνία κλίσης ίση με το γεωγραφικό πλάτος ανέρχεται 1.1% και 3.9%, αντίστοιχα. Επομένως, η εγκατάσταση με βέλτιστη εποχιακή γωνία προκαλεί αύξηση της ποσότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που συλλέγετε από την επιφάνεια κατά 2.8% συγκρίνοντάς την με γωνία κλίσης ίση με το γεωγραφικό πλάτος της τοποθεσίας. Οι Yakup και Malik συνιστούν ότι οι ηλιακοί συλλέκτες πρέπει να τοποθετούνται σύμφωνα με την μέση μηνιαία γωνία κλίσης, ενώ η κλίση θα πρέπει να προσαρμόζεται κάθε μήνα. Η έρευνα τους επισημαίνει ότι μια τέτοια εγκατάσταση επιτρέπει μια αύξηση της επίδοσης του συλλέκτη περισσότερο από 4.4% σε σύγκριση με έναν όμοιο συλλέκτη που τοποθετείται με βάση την μέση ετήσια γωνία κλίσης. 56

57 3.5. ΤΙ ΑΠΑΙΤΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΣΥΜΒΑΣΙΟΥΧΟΥΣ; Σύμφωνα με το Ν.3468/2006 : Φωτοβολταϊκοί σταθμοί ισχύος μέχρι και 20 kw : Δεν υπόκεινται σε υποχρέωση λήψης άδειας παραγωγής και κατ επέκταση αδειών εγκατάστασης και λειτουργίας, ούτε λήψης σχετικής εξαίρεσης από τη ΡAE. Απαιτούνται : Σύμβαση σύνδεσης με τη ΔΕΗ Α.Ε. Σύμβαση πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας με το ΔΕΣΜΗΕ Α.Ε. (Λ. Αμφιθέας 11 Τ.Κ Ν. Σμύρνη τηλ ) ή τη ΔΕΗ Α.Ε. για τα Μη Διασυνδεδεμένα νησιά. Φωτοβολταϊκοί σταθμοί ισχύος άνω των 20 kw έως και 150 kw : Δεν υπόκεινται σε υποχρέωση λήψης άδειας παραγωγής και κατ επέκταση αδειών εγκατάστασης και λειτουργίας. Απαιτούνται : Λήψη εξαίρεσης από την υποχρέωση χορήγησης άδειας παραγωγής από τη ΡAE (Πανεπιστημίου 69 και Αιόλου Τ.Κ Αθήνα τηλ ) Έγκριση περιβαλλοντικών όρων από την αρμόδια Διοικητική Περιφέρεια σύμφωνα με την ΚΥΑ υπ αριθμ. οικ (ΦΕΚ 63Β/ ). Σύμβαση σύνδεσης με τη ΔΕΗ Α.Ε. 57

58 Σύμβαση πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας με το ΔΕΣΜΗΕ Α.Ε. (ή τη ΔΕΗ Α.Ε. για τα Μη Διασυνδεδεμένα νησιά). Φωτοβολταϊκοί σταθμοί ισχύος άνω των 150 kw : Απαιτούνται : Λήψη άδειας παραγωγής από το ΥΠ.ΑΝ. μετά από γνωμοδότηση της ΡΑΕ. Λήψη άδειας εγκατάστασης από την αρμόδια Διοικητική Περιφέρεια Λήψη άδειας λειτουργίας από την αρμόδια Διοικητική Περιφέρεια Σύμβαση σύνδεσης με τη ΔΕΗ Α.Ε. Σύμβαση πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας με το ΔΕΣΜΗΕ Α.Ε. (ή τη ΔΕΗ Α.Ε. για τα Μη Διασυνδεδεμένα νησιά) ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΧΡΙ 100 kw ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΟ ΔΕΛΤΙΟ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΧΡΙ 100 kw Διαδικασία σύνδεσης Βήμα 1: Υποβολή αίτησης σύνδεσης (το ειδικό έντυπο διατίθεται από τη ΔΕΗ) στην τοπική μονάδα της ΔΕΗ (Περιοχή), με επισύναψη των εγγράφων και στοιχείων υπ αριθ. 1 έως και 9 του εντύπου αίτησης. (1) Βήμα 2: Έγγραφη διατύπωση της ΔΕΗ προς τον ενδιαφερόμενο των τεχνικών και οικονομικών όρων σύνδεσης. Βήμα 3: Έγγραφη αποδοχή των όρων σύνδεσης από τον ενδιαφερόμενο με ταυτόχρονη υποβολή αιτήματος κατάρτισης της Σύμβασης Σύνδεσης. (2) 58

59 Βήμα 4: Κατάρτιση από τη ΔΕΗ της Σύμβασης Σύνδεσης και τηλεφωνική ειδοποίηση του ενδιαφερόμενου να προσέλθει για την υπογραφή της. Καταβολή της προϋπολογιστικής δαπάνης των έργων σύνδεσης ταυτόχρονα με την υπογραφή της Σύμβασης Σύνδεσης. Βήμα 5: Έγγραφη αναγγελία της ΔΕΗ προς τον ενδιαφερόμενο της περάτωσης των έργων σύνδεσης. Βήμα 6: Έγγραφη δήλωση ετοιμότητας της εγκατάστασης από τον ενδιαφερόμενο, προκειμένου να ενεργοποιηθεί η σύνδεση μετά από έλεγχο της ΔΕΗ, αφού προηγουμένως (ή ταυτόχρονα) υποβάλει πλήρη τα στοιχεία υπ αριθ. 10 έως και 14 του εντύπου αίτησης (3) και έχει υπογράψει συμβόλαιο κατανάλωσης ρεύματος. (4) Βήμα 7: Τηλεφωνική ειδοποίηση του ενδιαφερόμενου από τη ΔΕΗ για τον ορισμό του χρόνου διενέργειας του αναγκαίου ελέγχου της εγκατάστασης, προ της ενεργοποίησης της σύνδεσης, παρουσία του ενδιαφερόμενου ή του εκπροσώπου του. Βήμα 8: Ενεργοποίηση της σύνδεσης, μετά από την επιτυχή ολοκλήρωση του ελέγχου. (5) Διευκρινίσεις (1) Σε περίπτωση που τα στοιχεία της αίτησης δεν είναι πλήρη, ή τα συνυποβαλλόμενα έγγραφα και στοιχεία είναι ελλειπή, η αίτηση δεν παραλαμβάνεται. Σε περίπτωση αλλαγής της θέσης εγκατάστασης ή επαύξησης της ισχύος του σταθμού, θα πρέπει να υποβληθεί νέα αίτηση με τα αντίστοιχα δικαιολογητικά. Αλλαγές στην ισχύουσα αίτηση γίνονται δεκτές μόνο σε περιπτώσεις μεταβολής της επωνυμίας του αιτούντος ή μείωσης της ισχύος του σταθμού με υποχρέωση έγγραφης ενημέρωσης για τα αντίστοιχα στοιχεία που μεταβάλλονται, καθώς και μεταβολές του τύπου ή και του κατασκευαστή των πλαισίων και των αντιστροφέων με προσκόμιση των αντίστοιχων στοιχείων τους. 59

60 (2) Η υπογραφή της Σύμβασης Σύνδεσης προηγείται και είναι προαπαιτούμενη της υπογραφής της Σύμβασης Πώλησης Ηλεκτρικής Ενέργειας (η τελευταία υπογράφεται με το ΔΕΣΜΗΕ προκειμένου για το διασυνδεδεμένο σύστημα ή με τη ΔΕΗ προκειμένου για τα μη διασυνδεδεμένα νησιά). Η υπογραφή της Σύμβασης Πώλησης προηγείται και είναι προαπαιτούμενη της ενεργοποίησης της σύνδεσης. (3) Στο έγγραφο της αρμόδιας Πολεοδομικής Υπηρεσίας (υπ αριθ. 14 του εντύπου αίτησης) θα επισυνάπτονται και τα στοιχεία υπ αριθ. 5 του εντύπου αίτησης (τοπογραφικό σχέδιο και χάρτης ΓΥΣ), θεωρημένα από την Πολεοδομική Υπηρεσία. Σε περίπτωση που τα στοιχεία υπ αριθ. 5 του εντύπου αίτησης είναι αθεώρητα, θα πρέπει να ταυτίζονται πλήρως με τα συνυποβαλλόμενα με το υπ αριθ. 14 έγγραφο της Πολεοδομικής Υπηρεσίας για την πλήρη ταυτοποίηση του υπό σύνδεση σταθμού. Η Υπεύθυνη Δήλωση Ηλεκτρολόγου Εγκαταστάτη (Υ.Δ.Ε.) που θα προσκομιστεί (υπ αριθ. 11 του εντύπου αίτησης), θα συνοδεύεται από βεβαίωση της αρμόδιας ΔΟΥ. (4) Για την υπογραφή συμβολαίου κατανάλωσης ρεύματος χαμηλής τάσης, ο ενδιαφερόμενος θα προσκομίσει έγγραφο του Δήμου για τον καθορισμό των Δημοτικών Τελών (εφόσον υφίσταται υποχρέωση καταβολής), ή απαλλακτικό. (5) Εάν κατά τη διενέργεια του ελέγχου διαπιστωθούν ελλείψεις ή δυσλειτουργίες στις εγκαταστάσεις του ενδιαφερόμενου, η σύνδεση θα παραμείνει ανενεργή μέχρις ότου ο ενδιαφερόμενος προβεί στις διορθωτικές ενέργειες που θα του υποδείξει η ΔΕΗ. Τεχνικές Διευκρινίσεις Σταθμοί ισχύος μέχρι 100 kw συνδέονται στο δίκτυο χαμηλής τάσης, μέσω μονοφασικής παροχής προκειμένου για ισχύ μέχρι 5 kw και τριφασικής παροχής προκειμένου για ισχύ άνω των 5 kw και μέχρι τα 100 kw. 60

61 Οι προεπιλεγμένες τιμές ρυθμίσεων των προστασιών ορίων τάσεως και συχνότητας θα πρέπει να είναι οι εξής: Η Ολική Αρμονική Παραμόρφωση (THD) του ρεύματος των αντιστροφέων δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το 5%. Εφόσον οι αντιστροφείς δεν διαθέτουν μετασχηματιστή απομόνωσης, η έγχυση συνεχούς ρεύματος θα πρέπει να περιορίζεται στο 0,5% του ονομαστικού. Η προστασία έναντι του φαινομένου της νησιδοποίησης είναι υποχρεωτική. Στο αντίστοιχο πεδίο του εντύπου αίτησης θα περιγράφεται η ακολουθούμενη μέθοδος, η οποία θα είναι σύμφωνη με το πρότυπο VDE Οι ανωτέρω προστασίες θα εμφανίζονται είτε στα τεχνικά εγχειρίδια των αντιστροφέων είτε στα πιστοποιητικά τους ΑΙΤΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΔΕΗ/Περιοχή Αρ. Αίτησης: Ημερομηνία: Όνομα/επωνυμία ενδιαφερόμενου φυσικού/νομικού προσώπου Κατοικία/έδρα ενδιαφερομένου φυσικού/νομικού προσώπου ΑΦΜ και ΔΟΥ ενδιαφερόμενου φυσικού/νομικού προσώπου ΑΙΤΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ Εκπρόσωπος επικοινωνίας με τη ΔΕΗ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΤ Στοιχεία Παραγωγού 61