Πανεπιστήμιο Αιγαίου. Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας. & Διοίκησης ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ &

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας & Διοίκησης ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ & ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ Τίτλος Διπλωματικής Εργασίας «Μελέτη της εξάρτησης των Ι V Χαρακτηριστικών Φωτοβολταϊκού Συστήματος από τη Θερμοκρασία» Νίκου Γεώργιος ΑΜ 231/08069 Επιβλέπων : Παπαγεωργίου Κωνσταντίνος, Αναπληρωτής Καθηγητής Χίος Ιανουάριος 2016

2 Ως συγγραφέας της παρούσας διπλωματικής έχω διαβάσει και κατανοήσει τον τρόπο με τον οποίο θα πρέπει να αναφέρονται σωστά οι αναφορές των πηγών καθώς και τους κανόνες για τη λογοκλοπή οι οποίοι περιέχονται στον οδηγό συγγραφής διπλωματικών εργασιών του Τ.Μ.Ο.Δ. Δηλώνω ότι από όσα γνωρίζω, το περιεχόμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι προϊόν δικής μου δουλειάς και υπάρχουν αναφορές σε όλες τις πηγές που χρησιμοποίησα. Νίκου Γεώργιος, Φοιτητής Τμήματος Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης. Α.Μ. 231/

3 Ευχαριστίες Οφείλω να εκφράσω τις ευχαριστίες μου σε όλους εκείνους που με βοήθησαν, ώστε η πραγματοποίηση της διπλωματικής μου εργασίας να έχει το επιθυμητό αποτέλεσμα και να εκπληρώσει το σκοπό για τον οποίο εκπονήθηκε. Θέλω να ευχαριστήσω: Τον κ. Παπαγεωργίου Κωνσταντίνο, Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης, Σχολή Επιστημών της Διοίκησης του Πανεπιστημίου Αιγαίου, και Επιβλέποντα Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας, για τον πολύτιμο χρόνο που διέθεσε, τις κατευθύνσεις και νέες ιδέες που μου έδωσε καθώς και για τη συνεχή καθοδήγηση η οποία συνέβαλε καθοριστικά στην πραγματοποίηση και στη συγγραφή της διπλωματικής μου εργασίας. Τον κ. Δημάκη Αριστοφάνη καθηγητή στο τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης για τη συμμετοχή του στην εξεταστική επιτροπή. Τον κ. Δούνια Γεώργιο, Καθηγητή στο Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης για την αποδοχή της πρόσκλησης να αποτελέσει μέλος της τριμελούς επιτροπής. Θα ήταν παράληψη αν δεν ευχαριστούσα το οικογενειακό, φιλικό και ακαδημαϊκό περιβάλλον μου για την αμέριστη συμπαράσταση στην αποπεράτωση της διπλωματικής μου εργασίας και γενικότερα των κύκλων σπουδών μου. 2

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 1.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Α.Π.Ε Η ηλιακή ενέργεια Η αιολική ενέργεια Η υδροηλεκτρική κυματική ενέργεια Η βιομάζα Η γεωθερμία Η τεχνολογία υδρογόνου 1.2 ΟΙ Α.Π.Ε. ΣΤΟΝ ΕΛΛΑΔΙΚΟ ΧΩΡΟ Βασικοί δείκτες ενεργειακής έντασης στην Ελλάδα Η συνεισφορά των Α.Π.Ε. στο ενεργειακό ισοζύγιο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΗΛΙΟΣ Η ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΙ ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΤΗΣ 2.1 Η ηλιακή ενέργεια και λειτουργία των φωτοβολταϊκών 2.2 Ηλιακή ακτινοβολία 2.3 Φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 Ιστορική Αναδρομή 3.2 Επαφή p n 3.3 Φωτοβολταικό φαινόμενο 3.4 Αρχή λειτουργίας φωτοβολταικών συστημάτων 3.5 Είδη φωτοβολταικών συστημάτων Φωτοβολταϊκά κύτταρα / πλαίσια πυριτίου κρυσταλλικής δομής Τεχνολογία λεπτού φιλμ Οργανικά φωτοβολταϊκά Ευαισθητοποιημένα φβ κύτταρα με χρωστική (Dye sensitized solar cells DSSC ) Νέες μορφές φωτοβολταϊκών κυττάρων και πλαισίων 3.6 Φωτοβολταική τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη 3.7 Συνδεσμολογία φωτοβολταικών συστημάτων 3

5 3.7.1 Διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα Αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα Συνδυασμός αυτόνομου και διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος Συσκευές και ηλεκτρολογικός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στους τρεις τύπους φωτοβολταϊκών συστημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΑΣΗΣ 4.1. Συνδεσμολογία 4.2 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ηλιακής κυψέλης Η καμπύλη I V Πρότυπες συνθήκες ελέγχου (Standard Test Conditions, STC) των χαρακτηριστικών των ΦΒ στοιχείων. Η έννοια της ισχύος αιχμής. 4.4 Μοντελοποίηση ηλιακών κελιών 4.5 Επίδραση έντασης ακτινοβολίας και θερμοκρασίας 4.6 Από τα φωτοβολταϊκά κελιά στα φωτοβολταϊκά πάνελ Παράλληλη σύνδεση κελιών Σύνδεση κελιών σε σειρά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΤΗΝ ΕΠΗΡΡΕΑΖΟΥΝ 5.1 Συντελεστής απόδοσης φ/β πλαισίου 5.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φ/β στοιχείων 5.3 Επίδραση της θερμοκρασίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού στοιχείου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 6.1 Εισαγωγή 6.2 Μετρήσεις και συμπεράσματα ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 4

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των I V χαρακτηριστικών καμπυλών Φ/Β συστήματος (ένα φ/β, δυο φ/β συνδεδεμένα σε σειρά, δυο φ/β συνδεδεμένα παράλληλα) σε συνάρτηση με την θερμοκρασία πλαισίου και την θερμοκρασία δωματίου. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφονται οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας καθώς και η παραπομπή τους στην ελληνική πραγματικότητα και η συνεισφορά τους στην συνολική παραγόμενη ενέργεια. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται η σύσταση του ήλιου και τα ποσά ενέργειας που αυτός εκπέμπει, περιγράφεται η έννοια της ηλιακής ακτινοβολίας, η έντασή της και τα ποσά της μέσης προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στον ελλαδικό χώρο, οι πρακτικοί κανόνες χωροθέτησης των φ/β πάνελ και η διαμόρφωση της φασματικής ανάλυσης της ηλιακής ακτινοβολίας όπως και τα είδη της. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μια ιστορική αναδρομή των φ/β στοιχείων, αναφέρεται η επαφή p n ως αρχή λειτουργίας των φωτοβολταικών συστημάτων, αναλύεται το φ/β φαινόμενο και παρουσιάζονται τα είδη των φωτοβολταικών συστημάτων( πλαίσια πυριτίου κρυσταλλικής δομής, Τεχνολογία λεπτού φιλμ, Οργανικά φωτοβολταϊκά, Ευαισθητοποιημένα φβ κύτταρα με χρωστική). Επίσης αναλύεται η φωτοβολταική τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε στην συγκεκριμένη μελέτη (φ/β πλαίσια, μηχάνημα PVPM κλπ.) και οι τρόποι στήριξης των φ/β συστημάτων. Τέλος, αναφέρονται τα είδη των φ/β συστημάτων με βάση την συνδεσμολογία (διασυνδεδεμένο, αυτόνομο και συνδυασμός τους) καθώς και οι ειδικές συσκευές που χρησιμοποιούνται στην σύνδεση τους και αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της φ/β τεχνολογίας και η προσαρμογή της στην ελληνική πραγματικότητα (ποσά φ/β ενέργειας, αποδοτικότητα). Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται η συνδεσμολογία σε σειρά και παράλληλα φ/β στοιχείων, περιγράφεται το ισοδύναμο κύκλωμα ηλιακών κυψελών και μελετώνται οι καμπύλες I V φ/β και εισάγονται έννοιες όπως η μέγιστη ισχύς. Ακόμα εισάγονται οι έννοιες όπως οι Πρότυπες συνθήκες ελέγχου (Standard Test Conditions, STC) των χαρακτηριστικών των ΦΒ στοιχείων 5

7 και η έννοια της ισχύος αιχμής. Τέλος συντελείται μοντελοποίηση ηλιακών κελιών και εξετάζεται η επίδραση της θερμοκρασίας και της ηλιακής ακτινοβολίας στις πρότυπες καμπύλες I V. Το Κεφάλαιο 5 αναφέρεται στην απόδοση των φ/β στοιχείων και στους παράγοντες που την επηρεάζουν. Αναλυτικότερα εξετάζεται ο συντελεστής απόδοσης, παρουσιάζονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φ/β στοιχείων και μελετάται η επίδραση της θερμοκρασίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού στοιχείου και η εξάρτηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του πλαισίου από την θερμοκρασία κυψελίδας. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται η διαστασιολόγηση του προβλήματος και παρουσιάζονται οι επεξεργασμένες μετρήσεις για ένα φ/β, για δύο φ/β σε σύνδεση σε σειρά και για δύο φ/β σε παράλληλη σύνδεση όπως και η βέλτιστη καμπύλη για κάθε ομάδα των μετρήσεων. Τέλος, παρέχονται τα συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας. Τέλος στο παράρτημα παρουσιάζονται οι μετρήσεις ανά ώρα (οι καμπύλες και τα χαρακτηριστικά μεγέθη) για ένα φ/β, δύο φ/β σε σύνδεση σε σειρά και δύο φ/β σε παράλληλη σύνδεση σε δεδομένη ηλιακή ακτινοβολία και θερμοκρασία δωματίου και πλαισίων στις και στις ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔA Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ονομάζονται όλες εκείνες οι πηγές που δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον και εκμεταλλεύονται ανεξάντλητα αποθέματα όπως ο ήλιος και η γεωθερμία ή περιοδικά επαναλαμβανόμενους φυσικούς κύκλους όπως του αέρα και του νερού. Στις ΑΠΕ περιλαμβάνονται επίσης η βιομάζα και η τεχνολογία υδρογόνου. Όπως αναφέραμε και στην εισαγωγή το Πρωτόκολλο του Κιότο (1997) που προβλέπει την μείωση των εκπομπών των έξι αερίων του θερμοκηπίου (διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, υποξείδιο του αζώτου, υδροφθοράνθρακες πλήρως φθοριομένοι υδρογονάνθρακες και εξαφθοριούχο θείο) οδήγησε στην ανάπτυξη των ΑΠΕ.[1] 1.1 Περιγραφή Α.Π.Ε Η ηλιακή ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια είναι μια ανεξάντλητη μορφή ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο. Κύριες εφαρμογές της είναι για την παραγωγή θερμότητας και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στην πρώτη περίπτωση θερμαίνουμε κάποιο υγρό, συνήθως νερό, ενώ στην δεύτερη εκμεταλλευόμαστε τις ιδιότητες των φωτοβολταϊκών και μετατρέπουμε την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ισχύ. Επίσης παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μπορούμε να έχουμε χρησιμοποιώντας κάτοπτρα τα οποία συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ένα 6

8 απορροφητή θερμότητας ο οποίος φέρει το ρευστό εργασίας (συνήθως συνθετικό έλαιο), το ρευστό θερμαίνεται και χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού.[1] Η αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι και αυτή μία ανεξάντλητη μορφή ενέργειας που προέρχεται από την δύναμη του ανέμου. Η εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού γίνεται με την χρήση ανεμογεννητριών που παράγουν ηλεκτρική ισχύ και τη διοχετεύουν είτε στο δίκτυο (αιολικά πάρκα) είτε σε οικιακούς καταναλωτές( μικρές εφαρμογές).[1] Η υδροηλεκτρική κυματική ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια όπως και οι παραπάνω αποτελεί αστείρευτη πηγή που εκμεταλλεύεται το νερό και χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιούνται υδροστρόβιλοι για την μετατροπή της κινητικής ή δυναμικής ενέργειας του νερού, και ανάλογα με την υψομετρική διαφορά του νερού διακρίνονται σε σταθμούς χαμηλής (0 20 m) μέσης ( m) και υψηλής πίεσης (> 100 m). Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί (ΥΗΣ) κατασκευάζονται είτε σε ποταμούς και εκμεταλλεύονται την φυσική ροή είτε με τεχνητά φράγματα. Τα τελευταία χρόνια εκμεταλλευόμαστε και την ενέργεια των θαλάσσιων κυμάτων που αποτελεί μια σχετικά νέα τεχνολογία και βρίσκεται ακόμα σε πρώτα στάδια εξέλιξης και ερευνών.[1] Η βιομάζα Γενικά ως βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει οργανική προέλευση, όπως φυτικές ύλες, φυτικά και ζωικά υποπροϊόντα και κατάλοιπα, ακόμα και βιολογικά αστικά λύματα. Αποτελεί μια δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή ενέργειας αποτέλεσμα του φαινομένου της φωτοσύνθεσης. Η χρήση της βιομάζας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησε στην καλλιέργεια ενεργειακών φυτών όπως το σιτάρι, το κριθάρι, ο αραβόσιτος τα ζαχαρότευτλα, ο ηλίανθος και η ελαιοκράμβη. Αυτό είχε ως συνέπεια την αύξηση των τιμών των παραπάνω προϊόντων και ίσως έχει συντελέσει στην αποψίλωση δασικών εκτάσεων για την δημιουργία ενεργειακών καλλιεργειών.[1] Η γεωθερμία Γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμότητα της γης. Ανάλογα με τη θερμοκρασία με την οποία μεταφέρεται στην επιφάνεια, η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρισμού (θ>80 ), για θέρμανση κτιρίων, για θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών, για ιχθυοκαλλιέργειες και για θερμά λουτρά. 7

9 Η τεχνολογία εκμετάλλευσης της γεωθερμικής ενέργειας εξαρτάται από τη μορφή στην οποία βρίσκεται η γεωθερμική ενέργεια (ή γεωθερμικό δυναμικό) μέσα στη γη. Το γεωθερμικό δυναμικό μπορεί να ταξινομηθεί σε θερμά ξηρά πετρώματα με θερμοκρασία C, σε υδροφόρους ορίζοντες με θερμοκρασίες 150 C ως 300+ C που αποτελούν τα γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας σε υδροφόρους ορίζοντες με θερμοκρασίες 25 C 100+ C που αποτελούν τα γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας σε υδροφόρους ορίζοντες με θερμοκρασίες 15 C 30 C και σε εδάφη με σταθερή θερμοκρασία 15 C παντού μερικά μέτρα κάτω από την επιφάνεια. Οι κυριότερες εφαρμογές είναι, για θέρμανση με τη χρήση αντλιών θερμότητας για θερμοκρασίες μικρότερες των 25 C, για άμεση θέρμανση για θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 25 C και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ειδικότερα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται εγκαταστάσεις ξηρού ατμού στις οποίες ο ατμός πηγαίνει άμεσα στον στρόβιλο, εγκαταστάσεις τύπου "flash" στις οποίες το ρευστό ψεκάζεται σε μια δεξαμενή που κρατιέται σε μια πολύ χαμηλότερη πίεση από ότι είναι το ρευστό, αναγκάζοντας μέρος του ρευστού να ατμοποιείται γρήγορα και τέλος εγκαταστάσεις με την χρήση δυαδικών συστημάτων(πχ. κύκλος Kalina) που εκμεταλλεύονται το χαμηλό σημείο ζέσης και την υψηλή τάση ατμών σε χαμηλές θερμοκρασίες ενός δευτερεύοντος ρευστού, σε σύγκριση ε τον υδάτινο ατμό.[1] Η τεχνολογία υδρογόνου Ουσιαστικά πρόκειται για κυψέλες καυσίμου που είναι η στρεφόμενες συσκευές που παράγουν ηλεκτρική και θερμική ενέργεια από την χημική αντίδραση οξείδωσης του υδρογόνου χωρίς καύση. Μια τυπική κυψέλη αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια που χωρίζονται από ένα κατάλληλο ηλεκτρολυτικό καταλύτη με μορφή μεμβράνης. Το οξυγόνο οδηγείται στο ένα ηλεκτρόδιο (κάθοδος) και το υδρογόνο στο άλλο (άνοδος), το ρεύμα που παράγεται είναι συνεχές. Τα μειονεκτήματα αυτών των διατάξεων είναι το υψηλό κόστος η έλλειψη υποδομών για παραγωγή, αποθήκευση και διάνομή υδρογόνου.[1] 1.2 Οι ΑΠΕ στον Ελληνικό χώρο Βασικοί δείκτες ενεργειακής έντασης στην Ελλάδα Σύμφωνα με την ετήσια έκθεση του 2008 που εκπόνησε το Κ.Α.Π.Ε. (κέντρο ανανεώσιμων πηγών ενέργειας) είναι χαρακτηριστική, για το έτος 2007 η αύξηση της ενεργειακής έντασης (εκφράζει το λόγο της κατανάλωσης ενέργειας προς το Ακαθάριστο Εγχώριο Προϊόν μιας χώρας ή αλλιώς το σύνολο των παραγομένων αγαθών και υπηρεσιών) στα νοικοκυριά (εικόνα 1.1) κυρίως λόγω της αυξημένης χρήσης κλιματιστικών και οικιακών συσκευών. Αντίθετα παρατηρείται μείωση της κατανάλωσης στη βιομηχανία μέχρι το 2006 λόγω εκσυγχρονισμού της, η οποία όμως παρουσιάζει μια αύξηση το 2007 (εικόνα 1.1). Εμφανής είναι επίσης και η μείωση της κατανάλωσης στον τομέα των μεταφορών (εικόνα 1.1) που πρωτίστως οφείλεται στην αγορά νέων Ι.Χ. αλλά και στον εκσυγχρονισμό των μέσων μαζικής 8

10 μεταφοράς. Τέλος παρατηρούμε και μια σταθερή τάση στο τριτογενή τομέα το 2007, ο οποίος παρουσίαζε αύξηση μέχρι το Στις εικόνες 1.2 και 1.3 παρουσιάζεται η εξέλιξη της ενεργειακής έντασης στους ενεργοβόρους και μη ενεργοβόρους βιομηχανικούς κλάδους ανά τομέα παραγωγής Εικόνα 1.1: Ενεργειακή ένταση ανά τομέα κατανάλωσης Εικόνα 1.2 : Ενεργειακή ένταση σε ενεργοβόρους βιομηχανικούς κλάδους 9

11 Εικόνα 1.3 : Ενεργειακή ένταση σε μη ενεργοβόρους βιομηχανικούς κλάδους[2] Η συνεισφορά των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο Η συνεισφορά των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο είναι της τάξης του 5% σε επίπεδο διάθεσης πρωτογενούς ενέργειας της χώρας και της τάξης του 15% σε επίπεδο εγχώριας παραγωγής πρωτογενούς ενέργειας. Στην παρακάτω διάγραμμα (εικόνα 1.4) φαίνεται η συνολική παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας από ΑΠΕ του έτους 2007 ανέρχεται στα 1,7 Mtoe (πίνακας 3 εικόνα 1.7). Εικόνα 1.4 :Επιμέρους παραγωγή των συνολικών 1,7 Mtoe Στην Ελλάδα η συνολική συνεισφορά από ΑΠΕ, αν αφαιρέσουμε την βιομάζα και τα μεγάλα υδροηλεκτρικά, παρουσιάζει μια σταθερή ανοδική πορεία, λόγω των μέτρων οικονομικής υποστήριξης. 10

12 Η ηλεκτροπαραγωγή από συμβατικές ΑΠΕ ( η συμπεριλαμβανομένων των μεγάλων υδροηλεκτρικών) παρουσιάζει αύξηση τα τελευταία χρόνια και αντιστοιχεί στο 3,6% της ακαθάριστης εγχώριας ηλεκτρικής κατανάλωσης. Αφορά κυρίως σε αιολικά και μικρά υδροηλεκτρικά, σε μικρό βαθμό τη βιομάζα, ενώ ήδη γίνεται αισθητή η συνεισφορά τον βιοκαυσίμων των γεωθερμικών και φωτοβολταϊκών εφαρμογών. Αν λάβουμε υπόψη και τα μεγάλα υδροηλεκτρικά (εξαιρώντας την παραγωγή από άντληση) το ποσοστό αυτό ανεβαίνει στο 7,2% της ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγωγή θερμικής ενέργειας από ΑΠΕ προέρχεται κυρίους από τις θερμικές χρήσεις βιομάζας τα ενεργητικά ηλιακά και τις γεωθερμικές αντλίες θερμότητας. Η μεγάλη ανάπτυξη της βιομηχανίας ηλιακών συλλεκτών κατά τις τελευταίες δεκαετίες είχε οδηγήσει την Ελλάδα στη δεύτερη θέση (για το έτος 2007) σε εγκατεστημένη επιφάνεια συλλεκτών στη Ευρώπη. Η εγκατεστημένη ισχύς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ (εξαιρουμένων των υδροηλεκτρικών σταθμών άνω των 10 MW), όπως φαίνεται στον πίνακα 1 και στην εικόνα 1.5, ήταν MW στο τέλος του 2007 με σταθερή αυξανόμενη εξέλιξη να έχουν τα αιολικά, τα μικρά υδροηλεκτρικά και η βιομάζα.[2] Πίνακας 1: Ισχύς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας(kw) 11

13 Εικόνα 1.5 Εξέλιξη εγκατεστημένης ισχύος ΑΠΕ χωρίς μεγάλα υδροηλεκτρικά[2] 12

14 Η ακαθάριστη ηλεκτρική παραγωγή από ΑΠΕ το 2007 έφτασε τις 5,4 TWh (5.355 GWh) περίπου και προήλθε κατά 63% από υδροηλεκτρικούς σταθμούς (3.377 GWh), κατά 34% από αιολικά πάρκα (1.818 GWh), 3 % από βιοαέριο (160 GWh) ενώ υπήρχε και μία μικρή παραγωγή από φωτοβολταϊκούς σταθμούς (πίνακας 2)[2] Εικόνα 1.6: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ χωρίς μεγάλα υδροηλεκτρικά 13

15 Η ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για την (&α χρονιά ήταν 63,5 TWh, η εξέλιξη της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ φαίνεται στην εικόνα 1.6. Εικόνα 1.7 :Πρωτογενής παραγωγή από ΑΠΕ[2] Όπως αναφέραμε και παραπάνω η συνεισφορά των ΑΠΕ στην ακαθάριστη εγχώρια κατανάλωση είναι σταθερή και περίπου 5% (πίνακας 4), ο λόγος είναι ότι η παραγωγή 14

16 πρωτογενούς ενέργειας από ΑΠΕ οφείλεται κατά 66% στην εμπορική βιομάζα και στα μεγάλα υδροηλεκτρικά.[2] 15

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΗΛΙΟΣ Η ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΙ ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΤΗΣ 2.1 Ηλιακή ενέργεια και λειτουργία των φωτοβολταϊκών Γενικά για τον ήλιο ως άστρο Εικόνα 2.1. Ο Ήλιος, η πηγή της ηλιακής ενέργειας Ο Ήλιος και το ηλιακό σύστημα γεννήθηκαν, σύμφωνα με την επικρατέστερη σήμερα θεωρία, πριν από 4.5 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια από ένα περιστρεφόμενο αρχικό νεφέλωμα αερίου και σκόνης. Η κεντρική μεγάλη συμπύκνωση αποτέλεσε τον πρώτο ήλιο, ενώ από κομμάτια της υπόλοιπης ύλης σχηματίστηκαν οι πρώτο πλανήτες. Σύμφωνα με την επικρατούσα θεωρία για την εξέλιξη των αστεριών, ο Ήλιος θα μετατραπεί σε έναν κόκκινο γίγαντα σε 5 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια και κατόπιν θα καταλήξει σε λευκό νάνο. Ο ήλιος μας αποτελείται, ως επί το πλείστον, από υδρογόνο (70%), ήλιο (28%) και το υπόλοιπο 2%, από βαρέα στοιχεία. Φυσικά είναι το μόνο αστέρι αρκετά κοντά μας, ώστε να εξετάσουμε τα εξωτερικά και τα εσωτερικά στρώματά του. Ο Ήλιος είναι ένας συνηθισμένος νάνος αστέρας δεύτερης γενιάς, που παράγει ενέργεια από 16

18 Εικόνα 2.2 Ο Ήλιος σε UV μήκη κύματος σύντηξη υδρογόνου στο εσωτερικό του. Πιο συγκεκριμένα με την αλυσιδωτή αντίδραση πρωτονίου πρωτονίου, με την οποία καταναλώνει το υδρογόνο του με ένα ρυθμό τόνων, ανά δευτερόλεπτο, παράγοντας ήλιο. Συγκεκριμένα για κάθε γραμμάριο υδρογόνου που μετατρέπεται σε ήλιο αποδίδεται ενέργεια kwh. Ο ήλιος είναι ένα άστρο με μάζα kg και με ακτίνα km. Η μάζα του ήλιου αντιπροσωπεύει το 99.86% όλης της μάζας του ηλιακού συστήματος. Ο Ήλιος δεν είναι ένα στερεό σώμα. Είναι μια «περιστρεφόμενη μπάλα» θερμού πλάσματος. Το κέντρο του είναι ένας ισχυρός θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας, ο οποίος βρίσκεται σε συνεχή λειτουργία και εκπέμπει τεράστιες ποσότητες φωτονίων και σωματιδίων προς όλες τις κατευθύνσεις. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του είναι περίπου 5800Κ ενώ στο εσωτερικό του Κ. Ο ήλιος έχει διάφορα στρώματα, το πιο εσωτερικό του είναι ο πυρήνας, που είναι περίπου km σε διάμετρο και περιέχει περίπου το 60% της μάζας του ήλιου και λιγότερο από το 2% τον όγκο του. Το επόμενο στρώμα από τον πυρήνα, είναι η ζώνη της ακτινοβολίας. Ένας σφαιρικός φλοιός με πάχος το 40% της ηλιακής ακτίνας και η θερμοκρασία της είναι περίπου 2 έως Κ. Στο επόμενο στρώμα που είναι το στρώμα μεταφοράς, το πάχος φθάνει στο 15% της ακτίνας του ήλιου και επικρατούν θερμοκρασίες της τάξεως των Κ. Προχωράμε προς την δομή της ατμόσφαιρας του ήλιου. Πρώτα συναντάμε στο εσωτερικό της, τη φωτόσφαιρα, αυτό το φωτεινό επιφανειακό στρώμα που βρίσκεται μεταξύ της αδιαφανούς ζώνης μεταφοράς και της χρωμόσφαιρας. Το λαμπρό ορατό στρώμα, έχει μέσο πάχος μόνο km και από το οποίο η περισσότερη ενέργεια ακτινοβολείται στο διάστημα. Η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας είναι περίπου βαθμοί Κ στο βαθύτερο σημείο της και βαθμοί Κ κοντά στην επιφάνεια. Την χρωμόσφαιρα την βλέπουμε με λαμπρό κόκκινο χρώμα σε περιόδους έκλειψης ηλίου και ανυψώνεται επάνω από τη φωτόσφαιρα μερικές χιλιάδες χιλιόμετρα. Η θερμοκρασία της είναι μεταξύ Κ (στην περιοχή που βρίσκεται πλησιέστερα στη φωτόσφαιρα) έως Κ. Πάνω από τη χρωμόσφαιρα βρίσκεται το εντυπωσιακό στέμμα (κορώνα) και στο φάσμα της βρίσκουμε μερικές λαμπρές γραμμές, που προέρχονται από έντονα ιονισμένα άτομα στοιχείων. Η υψηλή θερμοκρασίας του στέμματος, είναι η αιτία της εκπομπής ακτινών X από εκεί. Η θερμοκρασία της ανεβαίνει από Κ έως και Κ. Και τέλος ο ηλιακός άνεμος, που είναι ηλιακή ακτινοβολία μαζί με έντονο ρεύμα πρωτονίων, ηλεκτρονίων και πυρήνων ηλίου, που εκτοξεύονται από την ατμόσφαιρα με ταχύτητες εκατοντάδων χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Ο Ήλιος είναι το μόνο άστρο που επηρεάζει φανερά τη ζωή μας, όχι μόνο την ημέρα αλλά και τη νύκτα, με ηλιοφάνεια αλλά και τις νεφοσκεπείς ημέρες. Η ακτινοβολία του Ηλίου παρέχει σχεδόν όλη την ενέργεια που χρησιμοποιούμε στη Γη. Ακόμη και ο άνεμος και τα νέφη είναι αποτέλεσμα της επίδρασης της ηλιακής ενέργειας στη Γη. Από την ηλιακή ακτινοβολία προέρχεται η αιολική ενέργεια, ο κύκλος του νερού, η βιολογική ενέργεια, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, ο άνθρακας και σχεδόν όλη η ενέργεια στο ηλιακό σύστημα. Εξαίρεση αποτελεί η πυρηνική ενέργεια, που παράγεται από χημικά στοιχεία που δημιουργήθηκαν ως 17

19 αποτέλεσμα εκρηκτικών φαινόμενων που έγιναν κατά τον θάνατο ορισμένων μεγάλων άστρων. Η μελέτη και η ανάπτυξη ηλιακών συστημάτων και εφαρμογών απαιτεί την γνώση της ηλιακής ακτινοβολίας και μετεωρολογικών στοιχείων. Η ηλιακή ακτινοβολία έχει ορισμένα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τις μεταβολές που συμβαίνουν στα διάφορα υλικά.[3] 2.2 Ηλιακή Ακτινοβολία Η ηλιακή ακτινοβολία είναι μία ακτινοβόλος ενέργεια που εκπέμπεται από τον ήλιο η οποία είναι μία αντίδραση πυρηνικής τήξης που δημιουργεί την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Το φάσμα της ηλιακή ακτινοβολίας είναι κοντά σε αυτό ενός μέλαν σώματος της θερμοκρασίας των 5800 Κ. Περίπου η μισή από την ακτινοβολία είναι ορατή στο μικρό μήκος των κυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το άλλο μισό είναι κοντά στο υπέρυθρο μέρος και μερική στο υπεριώδες μέρος του φάσματος. Η υπεριώδης ακτινοβολία που δεν απορροφάται από την ατμόσφαιρα ή από κάποιο άλλο απορροφητικό σώμα είναι υπεύθυνο για την αλλαγή του χρώματος των χρωστικών ουσιών των δερμάτων. Η απόσταση γης ηλίου μεταβάλλεται περιοδικά στην διάρκεια του έτους από km (1 η Ιουλίου) ως km (1 η Ιανουαρίου), δηλαδή από το αφήλιο ως το περιήλιο. Η μέση απόσταση των δύο αυτών ουρανίων σωμάτων είναι km και ονομάζεται αστρονομική μονάδα (AU). Αποτελεί την μονάδα μήκους για τις διαστημικές αποστάσεις. Ηλιακή Σταθερά ενός πλανήτη είναι η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που αντιστοιχεί στη μέση απόσταση πλανήτη ήλιου, ενός ηλιακού συστήματος. Για τη Γη η πρότυπη τιμή της ηλιακής σταθεράς είναι 1367 W/m 2. Η τιμή της ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ ήλιου και γης, από την εμφάνιση ηλιακών κηλίδων και από την περιστροφή του ήλιου γύρω από τον άξονά του. Η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης του σημείου που μετράται. Μονάδα της είναι το 1 W/m 2 που προκύπτει από τη σχέση: J dp ds Και για την περίπτωση της ομόκεντρης σφαιρικής επιφάνειας ακτίνας R και εμβαδού S=4πR 2, η σχέση γίνεται ως εξής: J P 2 4pR Όπου Ρ= Η ολική ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας εκπεμπόμενη από όλη την επιφάνεια του σε όλα τα μήκη κύματος. 18

20 Η ηλιακή ακτινοβολία μετριέται συνήθως με ένα πυρανόμετρο ή ένα πυρηλιόμετρο. Πυρανόμετρο (Εικόνα 2.3) είναι ένας τύπος ακτινόμετρου που χρησιμοποιείται για να μετρήσει την ευρυζωνική ηλιακή ακτινοβολία σε μία επίπεδη επιφάνεια. Είναι εφοδιασμένο με ένα θερμικό ανιχνευτή ο οποίος έχει σχεδιαστεί για να μετρήσει την πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας (Watt ανά τετραγωνικό μέτρο). Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Εικόνα 2.3. Πυρανόμετρο Εικόνα 2.4. Πυρηλιόμετρο Πυρηλιόμετρο (Εικόνα 2.4) είναι ένα όργανο που χρησιμοποιείται για την μέτρηση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας Το ποσό της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο σχετίζεται άμεσα με την ένταση της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει επάνω στην επιφάνεια μετατροπής, επομένως στους υπολογισμούς των διαφόρων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων είναι απαραίτητη η γνώση της ηλιακής ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας στην περιοχή, που θα γίνει η εγκατάσταση. Γενικά, όσο μεγαλύτερος είναι ο διαθέσιμος ηλιακός πόρος, τόσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής. 19

21 Εικόνα 2.5 Μέση ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας στη βέλτιστη γωνία[4] Στην Ελλάδα, η μέση ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας φαίνεται στην εικόνα 2.5. Με βάση την προσπίπτουσα ακτινοβολία και τα λοιπά περιβαλλοντικά δεδομένα, προκύπτει η μέση ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ανά εγκατεστημένο kwp όπως φαίνεται στην εικόνα 2.6. Εικόνα 2.6 Μέση ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ανά εγκατεστημένο kwp[4] Πρακτικοί κανόνες χωροθέτησης ενεργειακή απολαβή πάνελ στον Ελλαδικό χώρο[5] 20

22 Αντικείμενο του εδαφίου αυτού αποτελεί η χρησιμοποίηση των παραπάνω γνώσεων για τους βασικούς υπολογισμούς χωροθέτησης ενός φωτοβολταϊκού σταθμού. Όπως έγινε φανερό, το πρώτο ζητούμενο αποτελεί η επίτευξη της μέγιστης δυνατής έντασης ακτινοβολίας σε κάθε πάνελ κατά τη διάρκεια του χρόνου. Όπως θα περίμενε κανείς, η ένταση της ακτινοβολίας είναι αρκετά μεγαλύτερη το καλοκαίρι απ' ότι το χειμώνα. Ωστόσο, για τον υπολογισμό της ενεργειακής απολαβής θα πρέπει κανείς να λάβει υπόψη του και το γεγονός ότι οι υψηλές θερμοκρασίες του καλοκαιριού συντελούν αρνητικά στην παραγωγή ενέργειας. Για την μέγιστη απολαβή ενέργειας, τα πάνελ είναι απαραίτητο να τοποθετούνται με νότιο προσανατολισμό με κλίση η οποία εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. Για τα ελληνικά δεδομένα, μία τυπική μέση χαρακτηριστική κλίση είναι αυτή των 30 μοιρών. Ωστόσο όπως θα αναλυθεί περαιτέρω, είναι δυνατόν να αυξηθεί η ενεργειακή απολαβή αναγκάζοντας τα φωτοβολταϊκά πάνελ να ακολουθούν καθημερινώς την πορεία του ήλιου από ανατολή προς δύση με μεταβλητή κλίση, ώστε να λαμβάνεται υπόψη και η θέση του ήλιου στον ορίζοντα. Ωστόσο, τα προηγούμενα, δηλαδή η τοποθέτηση των πάνελ σε νότιο προσανατολισμό με περίπου 30 μοίρες κλίση ως προς την οριζόντιο, δίνουν έναν πρακτικό κανόνα τοποθέτησης των πάνελ. Αναφορικά με τη σκίαση, θα πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε η εγκατάσταση να βρίσκεται σε χώρο στον οποίο απουσιάζουν εμπόδια. Επιπλέον, για την αποφυγή σκιάσεων σειρών φωτοβολταϊκών πάνελ μεταξύ τους, ένας πρακτικός κανόνας τοποθέτησης είναι ότι η απόσταση μεταξύ διαδοχικών σειρών θα πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια του ύψους της εγκατάστασης, όπως φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα: Σχήμα 2.7: Χωροθέτηση σειρών πάνελ Η ενεργειακή απολαβή από τα φωτοβολταϊκά πάνελ εξαρτάται προφανώς και από τα κλιματολογικά δεδομένα του τόπου εγκατάστασης. Είναι προφανές ότι φωτοβολταϊκά πάνελ του ίδιου κατασκευαστή τοποθετημένα ακριβώς με τον ίδιο τρόπο θα δίνουν διαφορετική παραγωγή στη Βόρεια απ' ότι στη Νότια Ελλάδα, όπου επικρατούν διαφορετικές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Ο μελετητής μηχανικός θα πρέπει πάντα να έχει υπόψη του ότι η αναγραφόμενη ισχύ κάθε πάνελ (peak power, Wp) αναφέρεται σε πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC) οι οποίες διαφέρουν σημαντικό από τις πραγματικά επικρατούσες συνθήκες. 21

23 Σχήμα 2.8: Μεταβολή της παραγωγής ενέργειας για απόκλιση τοποθέτησης ως προς τις βέλτιστες συνθήκες.[5] 2.3 Φάσμα Ηλιακής ακτινοβολίας. Η διαμόρφωση του φάσματος που εκπέμπει ο ήλιος προσομοιάζεται συνήθως με την ακτινοβολία ενός μέλανος σώματος, θερμοκρασίας περίπου 5800 Κ, όση είναι κατά μέσο όρο, η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας του ηλίου. Η προσέγγιση αυτή είναι επαρκής για την μελέτη των θερμικών εφαρμογών της ηλιακής ακτινοβολίας, όπως π.χ. η θέρμανση νερού. Στις περιπτώσεις αυτές ενδιαφέρει συνήθως η συνολική θερμική ισχύς της ακτινοβολίας και ο μηχανισμός μετάδοσης της θερμότητας όπως π.χ. στους ηλιακούς θερμοσυφωνικούς συλλέκτες ή τους θερμοσυσσωρευτικούς τοίχους των κτιρίων κ.λ.π. δεν είναι όμως το ίδιο και για τη φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ενέργειας, αφού αυτή καθορίζεται από την λεπτομερειακή φωτονική σύσταση της ακτινοβολίας. Βλέπουμε ότι το ηλιακό φως αποκτά μία ανώμαλη φασματική κατανομή, που οφείλεται σε απορροφήσεις και σκεδάσεις από τα συστατικά της ατμόσφαιρας που διασχίζει. Το φάσμα του ηλιακού φωτός στα όρια της ατμόσφαιρας της γης, χαρακτηρίζεται από την έκφραση ΑΜΟ και εκτείνεται πρακτικά, από 0,1 μm (ακτίνες X), μέχρι τα 100 m (τα μακρά ραδιοκύματα). Όπως έχουμε αναφέρει και παραπάνω, το φάσμα αυτό έξω από τη ατμόσφαιρα της γης, προσεγγίζεται με το φάσμα του μελανός σώματος (T H 5800 Κ) και με μέγιστο στο μήκος κύματος λ μεγ 480 nm. Στα όρια της ατμόσφαιρας αλλά και στην επιφάνεια της γης, υπάρχουν γραμμές απορρόφησης, που οφείλονται σε χαμηλής θερμοκρασίας αέρια στοιχεία, όπως Fe, Mg, Ca, της χρωμόσφαιρας του ηλίου. Οι απορροφήσεις στο δεξιό τμήμα 22

24 των φασμάτων προέρχονται από τα αέρια συστατικά της ατμόσφαιρας της γης δηλαδή, υδρατμοί, CO 2, οξείδια του αζώτου κ.α. Σχήμα 2.9 Φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας (Solar Radiation Spectrum) σαν συνάρτηση του μήκους κύματος της ακτινοβολίας σε nm Το όζον είναι άφθονο στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και απορροφά έντονα την υπεριώδη ακτινοβολία, με συνέπεια να ελαττώνεται ισχυρά η πυκνότητα ισχύος της διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, στην περιοχή των μηκών κύματος μm, το μοριακό οξυγόνο απορροφά κυρίως στην περιοχή του ερυθρού π.χ. 63 και 0.69 μm, το διοξείδιο του άνθρακα στο υπέρυθρο 2.7 και 4.3 μm, και οι υδρατμοί στο ερυθρό και στο υπέρυθρο.[3] Το τμήμα του φάσματος του ηλιακού φωτός που αφορά άμεσα τις κατάλληλες συνθήκες, για την ανάπτυξη της ζωής αλλά και κάποιες πρακτικές εφαρμογές στην γη, βρίσκεται στο διάστημα των 0.3 5mm και από το οποίο αποτελείται ένα μικρό μέρος του ορατού φάσματος στα μm και εδώ παρατηρείται ότι η απορρόφηση μειώνεται, με αποτέλεσμα την διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας προς την γη. Η πιο ισχυρή απορρόφηση του ηλιακού φωτός είναι μεταξύ των 5 μm και των 8 μm και μετά τα 14 μm, ενώ η απορρόφηση μεταξύ των 8 μm και 14 μm παρουσιάζεται σχετικά μειωμένη. Επίσης από τη συνολική ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην επιφάνεια της γης, που συνήθως λιγότερο από το 60 % είναι άμεση, σε μορφή δέσμης ακτινών φωτός, που μπορούν π.χ. να εστιάσουν σε κάτοπτρα ή φακούς. Η υπόλοιπη είναι διάχυτη, διότι έχει προηγουμένως σκεδαστεί και ανακλαστεί στα διάφορα σωματίδια και σταγονίδια που αιωρούνται στον αέρα, ανάλογα βέβαια με την σύσταση της ατμόσφαιρας και το μήκος της διαδρομής της ακτινοβολίας μέσα σε αυτήν. 23

25 Εικόνα Τα είδη της ηλιακής ακτινοβολίας: η απευθείας (Direct), η διάχυτη (Diffuse) και η ολική (Global).[3] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 Ιστορική αναδρομή ΜΙΑ ΜΙΚΡΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΗΝ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο Φυσικό Alexandre Edmond Becquerel το 1839, ο οποίος ανακάλυψε ότι μπορεί να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα όταν συγκεκριμένες κατασκευές εκτεθούν στο φως. Οι Αμερικάνοι Adams και Day το 1876 χρησιμοποιώντας έναν κρύσταλλο σεληνίου είχαν κάνει επίδειξη αυτού του φαινομένου. Η απόδοση σε αυτή την περίπτωση ήταν μόνο 1%. Το 1905 ο Albert Einstein διατύπωσε την εξήγηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου (υπόθεση του φωτονίου). Το 1949 οι Αμερικάνοι Shockley, Bardeen και Brattain ανακάλυψαν το τρανζίστορ διευκρινίζοντας τη φυσική των p και n ενώσεων των ημιαγωγικών υλικών. Το πρώτο φωτοβολταϊκά κύτταρο με απόδοση κοντά στο 6% κατασκευάστηκε το 1956, ενώ αργότερα κατασκευάστηκε το φωτοβολταϊκά κύτταρο από πυρίτιο, το οποίο λειτούργησε με απόδοση του 10%. Η γρήγορη ανάπτυξη της τεχνολογίας στην εξερεύνηση του διαστήματος διάνοιξε εξαιρετικές προοπτικές για την χρήση φωτοβολταϊκών κυττάρων. Το 1958, 108 ηλιακά κύτταρα είχαν σταλεί στο διάστημα για δοκιμή. Η σύνδεση σε σειρά άρχισε αργότερα σε μικρότερο αριθμό. Το 1970 η ετήσια παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων για διαστημικές εφαρμογές ήταν 500m2. Η επίγεια χρήση ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του '70, παίρνοντας δυναμική από την πετρελαϊκή κρίση του και δίνοντας ερεθίσματα για την εκπόνηση πληθώρας ερευνητικών μελετών. Η προσπάθεια της επιστημονικής κοινότητας ήταν να μειωθεί το κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων, με την εύρεση νέων φθηνότερων υλικών. 24

26 Σήμερα τα φωτοβολταϊκά έχουν γίνει κομμάτι της καθημερινής μας ζωής. Η απόδοση τους κυμαίνεται από 12% ως 18% σε συγκεκριμένες συνθήκες αναφοράς. Το 1839, ο Γάλλος φυσικός Edmund Becquerel ανακάλυψε ότι ορισμένα υλικά μπορούσαν να παράγουν σπινθήρες ηλεκτρισμού όταν υποβάλλονταν σε ηλιακή ακτινοβολία. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό και ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, χρησιμοποιήθηκε σε «πρωτόγονα» ηλιακά κελιά από σελήνιο στα τέλη του 18ου αιώνα. Τη δεκαετία του 1950, επιστήμονες στα Bell Labs, αναπροσάρμοσαν την τεχνολογία και, χρησιμοποιώντας ως βάση το πυρίτιο, κατασκεύασαν ηλιακά κελιά τα οποία μπορούσαν να μετατρέψουν ποσοστό περίπου 4% της ηλιακής ενέργειας απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια.[6] 3.2 Επαφή p n Με απλά λόγια, τα σημαντικότερα στοιχεία ενός ηλιακού κελιού (solar cell) είναι δύο στρώματα ημιαγωγικού υλικού τα οποία γενικά αποτελούνται από κρυστάλλους πυριτίου. Το κρυσταλλικό πυρίτιο, αυτό καθ' αυτό δεν είναι ένας πολύ καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, αλλά όταν προστίθενται σ' αυτό προσμίξεις, δημιουργούνται οι προϋποθέσεις για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Στο κάτω στρώμα του ηλιακού κελιού προστίθεται συνήθως βόριο, το οποίο δημιουργεί δεσμούς με το πυρίτιο οδηγώντας στην ανάπτυξη θετικού φορτίου (p). Στο πάνω μέρος του ηλιακού κελιού προστίθεται συνήθως φώσφορος, το οποίο δημιουργεί δεσμούς με το πυρίτιο οδηγώντας στην ανάπτυξη αρνητικού φορτίου (n). Η επιφάνεια μεταξύ των ημιαγωγών τύπου p και τύπου n που δημιουργούνται ονομάζεται p n επαφή (Ρ Ν junction). 25

27 Σχήμα 3. 1: Βασική δομή ενός ηλιακού κελιού (Close up of a PV cell κοντινό πλάνο του κύτταρου PV, Cover glass Γυάλινο κάλυμμα, Transparent adhesive Διαφανή κόλλα, Antireflection coating Επίστρωση αντι ανακλαστική, Front contact Εμπρόσθια επαφή, Sunlight Ηλιακό φως, Current Ρεύμα, N type semiconductor Ν τύπος ημιαγωγών, P type semiconductor P τύπος ημιαγωγών, Back contact Πίσω επαφή)[7] Τα ηλιακά κελιά έχουν συνήθως τετράγωνο σχήμα πλευράς περίπου 10 εκατοστών. Ένα ηλιακό κελί παράγει πολύ μικρή ισχύ (συνήθως λιγότερο από 2W) και έτσι ενώνονται ηλεκτρικά εν σειρά ή εν παραλλήλω, όπως θα αναλυθεί παρακάτω για να δημιουργηθούν τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Η απόδοση των ηλιακών κελιών, εκφραζόμενη ως το ποσοστό της ηλιακής ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική, εξαρτάται από την τεχνολογία των υλικών που χρησιμοποιούνται. Σε ερευνητικό επίπεδο έχουν αναφερθεί αποδόσεις έως και 40%. Ωστόσο η πλειονότητα των ηλιακών κελιών και των δημιουργούμενων φωτοβολταϊκών πάνελ που διατίθενται σήμερα στο εμπόριο έχουν μία μέγιστη απόδοση της τάξης του 17 19%.[7] 26

28 3.3 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο αποτελεί τη βασική φυσική διαδικασία μέσω της οποίας ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο (φβ) μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα.είναι γνωστό ότι τα ηλιακά κύτταρα είναι δίοδοι ημιαγωγοί που δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία. Όταν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, αλλά ανακλύωνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται.κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Ετσι,όσο διαρκεί η ακτινοβολία, δημιουργείται μία περίσσεια από ζεύγη φορέων (ελεύθερα ηλεκτρόνια και απές),πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν στις συνθήκες ισορροπίας.οι φορείς αυτοί,καθώς διαχέονται στο στερεό και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντιθέτου ηλεκτρικού φορτίου, μπορεί να βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p n οπότε θα δεχθούν την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτρικού πεδίου του ημιαγωγού.[8] Εικόνα 3.2 Αρχή λειτουργίας φωτοβολταικού πάνελ Τα φωτόνια της ακτινοβολίας, που δέχεται ο ημιαγωγός στη φωτιζόμενη πλευρά του, τύπου n ( Eικόνα 3.2.) παράγουν ζεύγη φορέων (ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές).ένα μέρος από τους φορείς αυτούς διαχωρίζεται με την επίδραση του ενσωματωμένου πεδίου της διόδου και εκτρέπεται προς τα εμπρός (τα ελεύθερα ηλεκτρόνια e ). η προς τα πίσω (οι οπές),δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις δύο πλευρές του στοιχείου.οι υπόλοιποι φορείς επανασυνδέονται και δεν υφίστανται σαν ελεύθεροι φορείς.επίσης ένα μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται στην επιφάνεια του στοιχείου, ενώ ένα άλλο μέρος της διέρχεται από τον ημιαγωγό χωρίς να απορροφηθεί, μέχρι να συναντήσει το πίσω ηλεκτρόδιο. 27

29 Ετσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου η και οι απές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου p, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες Των δύο τμημάτων της διόδου.δηλαδή, η διάταξη αποτελεί μία πηγή ηλεκτρικού ρεύματος που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου.η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η αποδοτική λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων (φβ) στηρίζεται στην πρακτική εκμετάλλευση του παραπάνω φαινομένου. Το ποσό της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο σχετίζεται άμεσα με την ένταση της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει επάνω στην επιφάνεια μετατροπής, επομένως στους υπολογισμούς των διαφόρων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων είναι απαραίτητη η γνώση της ηλιακής ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας στην περιοχή, που θα γίνει η εγκατάσταση. Γενικά, όσο μεγαλύτερος είναι ο διαθέσιμος ηλιακός πόρος, τόσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής.[8] 3.4 Αρχή λειτουργίας φωτοβολταικών συστημάτων Όταν το ηλιακό φως εισέρχεται στο κελί (Βλ. Σχήμα 3.1), η ενέργεια του ελευθερώνει ηλεκτρόνια και στα δύο στρώματα. Τα ηλεκτρόνια αυτά, γνωστά και ως ελεύθερα ηλεκτρόνια, προσπαθούν, λόγω των διαφορετικών φορτίσεων των δύο στρωμάτων, να μετακινηθούν από το στρώμα τύπου n στο στρώμα τύπου p, αλλά εμποδίζονται από το ηλεκτρικό πεδίο στην επαφή p n. Ωστόσο, η παρουσία ενός εξωτερικού κυκλώματος δημιουργεί την απαραίτητη διαδρομή για τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το στρώμα τύπουn στο στρώμα τύπου p. Εξαιρετικά λεπτά καλώδια κατά μήκος του στρώματος τύπου n επιτρέπουν τη διέλευση ηλεκτρονίων και η κίνηση αυτή των ηλεκτρονίων προκαλεί τη δημιουργία ρεύματος.[8] 3.5 Είδη φωτοβολταικών συστημάτων Τα φβ πλαίσια που συναντώνται ποικίλουν ως προς το βασικό υλικό κατασκευής, την απόδοση και το κόστος τους και μπορούν να χωριστούν στις παρακάτω κατηγορίες : φβ πλαίσια μονό κρυσταλλικού πυριτίου (ο S ) πολύ κρυσταλλικού πυριτιου ( p S ) Λεπτού φιλμ : φβ πλαίσια άμορφου πυριτίου (a S), πελλουρούχου καδμίου ( CdTe) δισεληνοϊνδιούχου χαλκού ( CulnSe2, CIS) ή με προσθήκη γαλλίου ( CIGS) Φβ νέας τεχνολογίας : οργανικά φβ (ΟPV), ευαισθητοποιημένα φβ κύτταρα με χρωστική (DSSC) Ετεροεπαφών : διπλών ή τριπλών ετεροεπαφών. 28

30 Η σχετικά χαμηλή τιμή της απόδοσης των κυττάρων οφείλεται στις ανακλάσεις της ηλιακής ακτινοβολίας, στη σκίαση από τις μεταλλικές επαφές στην μπροστινή πλευρά του κυττάρου,στην αντίσταση των ηλιακών κυττάρων και σε φαινόμενα ατελούς εκμετάλλευσης της ενέργειας των φωτονίων ή επανασύνδεσης. Από τις παραπάνω κατηγορίες τα φβ πλαίσια πυριτίου είναι τα πλέον διαδεδομένα καθώς προτιμώνται για εγκατάσταση σε φβ πάρκα,λόγω των αποδόσεών τους, για παραγωγή ενέργειας για το δίκτυο.[9] Εκτός από τα φβ πλαίσια ενός ήλιου, υπάρχουν και τα συγκεντρωτικά φβ ( Concentrating Photovoltaics, CPV) διαφόρων γεωμετριών, η ηλεκτρική απόδοση των οποίων κυμαίνεται μεταξύ 15% και 40%. Η απόδοσή τους υπολογίζεται διαιρώντας με την τιμή της ολικής ακτινοβολίας G και όχι της ακτινοβολίας C G η οποία προσπίπτει στην επιφάνεια των CPV, ώστε να είναι πιο εύκολη η σύγκριση των τιμών με τα φβ πλαίσια ενός ήλιου. Η συνήθης ηλεκτρική τάση που εμφανίζουν τα Φ/Β στοιχεία είναι 0,5 με 0,6 V συνεχούς ρεύματος σε ανοικτό κύκλωμα. Η ισχύς που παράγεται εξαρτάται από τον βαθμό απόδοσης, το μέγεθος της επιφάνειας του στοιχείου και την ένταση του ηλιακού φωτός που προσπίπτει στην παραπάνω επιφάνεια. Για ένα τυπικό Φ/Β στοιχείο διαστάσεων 160 cm~, υπό συνθήκες πλήρους και μέγιστης έντασης ηλιοφάνειας, η αναμενόμενη ισχύς αγγίζει τα 2 Wp. Για να αυξηθεί η συνολική παραγόμενη ισχύς τα Φ/Β στοιχεία ενώνονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν Φ/Β πλαίσια (modules) και τα πλαίσια με τη σειρά τους ενώνονται για τη δημιουργία Φ/Β συστοιχιών (arrays). Το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα, με την μετατροπή του από συνεχές σε εναλλασσόμενο (μέσω inverter), μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε οποιαδήποτε συσκευή. Εναλλακτικά η παραγόμενη ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί σε μπαταρίες ή να διοχετευθεί στο δίκτυο διανομής ρεύματος. Ανάλογα με τον τρόπο διάθεσης του παραγόμενου ρεύματος επομένως τα Φ/Β συστήματα διακρίνονται σε αυτόνομα (off grid systems) και σε διασυνδεδεμένα (on grid systems) αντίστοιχα. Προκειμένου να αποληφθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ενέργεια, η φωτοβολταϊκή κυψέλη πρέπει να προσανατολίζεται προς τον ήλιο. Εάν οι κυψέλες έχουν σταθερή θέση, πρέπει να βελτιστοποιηθεί ο προσανατολισμός τους ως προς το νότο και η γωνία κλίσης τους ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Η βέλτιστη γωνία κλίσης κυμαίνεται σε ένα εύρος περίπου 15 του γεωγραφικού πλάτους της θέσης. Για παράδειγμα, η βέλτιστη γωνία κλίσης για τα διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα στη Δυτική Ευρώπη είναι περίπου 35. Για περιοχές πλησιέστερα στον ισημερινό αυτή η γωνία κλίσης θα είναι μικρότερη, ενώ για περιοχές πλησιέστερα στους πόλους θα είναι μεγαλύτερη. Μια απόκλιση της γωνίας κλίσης κατά 30 μοίρες από τη βέλτιστη γωνία θα οδηγήσει σε απώλειες μικρότερες από το 10% της μέγιστης παραγωγής. Η ποσότητα της διαθέσιμης ισχύος από μια φωτοβολτάίκή συσκευή καθορίζεται από: τον τύπο και την επιφάνεια του υλικού, την ένταση του ηλιακού φωτός (έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία), 29

31 και το μήκος κύματος του ηλιακού φωτός. [9] Φωτοβολταϊκά κύτταρα / πλαίσια πυριτίου κρυσταλλικής δομής Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια πρώτης γενιάς έχουν κρυσταλλική δομή και τα κύτταρα που συνδυάζονται για να σχηματιστούν τα πλαίσια κατασκευάζονται από πυρίτιο. Η τεχνολογία αυτή δεν είναι ξεπερασμένη και αναπτύσσεται συνεχώς ώστε να βελτιωθεί η απόδοσή τους. Τα μονοκρυσταλλικά και τα πολυκρυσταλλικά υπάγονται στα κύτταρα πυριτίου με κρυσταλλική δομή. Μονοκρυσταλλικά (c Si) φωτοβολταίκά κύτταρα / πλαίσια Αυτό το εί δος κυττάρων είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο, αποτελεί το 80% της αγοράς και θα συνεχίσει να πρωτοστατεί μέχρι να αναπτυχθεί μια πιο αποδοτική και οικονομικά αποδεκτή τεχνολογία. Για την κατασκευή των κυττάρων χρησιμοποιείται κυρίως κρυσταλλική επαφή p n πυριτίου. Η μέγιστη απόδοση του ηλιακού κυττάρου από μονοκρυσταλλικό πυρύτιο έχει φτάσει περίπου στο 23% σε STC,Standard Test Conditions (ακτινοβολία 1000 W/m2,ΑΜ 1.5 και θερμοκρασία κυττάρου 25 ο C ), αλλά η μέγιστη απόδοση που έχει καταγραφεί είναι 24,7% σε STC Εικόνα 3.3 Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου Πολυκρυσταλλικά (p Si ) φωτοβολταϊκά κύτταρα/πλαίσια Οι προϋποθέσεις της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας να μειωθεί το κόστος και να αυξηθεί η απόδοση οδήγησε στην ανάπτυξη καινούργιων τεχνικών κρυσταλλοποίησης. Αν και τα πολυκρυσταλλικά κύτταρα έχουν ελαφρώς μικρότερη απόδοση (15%) σε σχέση με τα αντίστοιχα μονοκρυσταλλικά, αυτή η τεχνολογία είναι πιο ελκυστική γιατί έχει χαμηλότερο κατασκευαστικό κόστος. Η κατασκευή των πολυκρυσταλλικών κυττάρων αρχίζει με την πήξη του πυριτίου και τη στερεοποίησή του, ώστε να προσανατολιστούν οι κρύσταλλοι σε μία συγκεκριμένη κατεύθυνση, σχηματίζοντας ορθογώνιες ράβδους πολυκρυσταλλικού πυριτίου, ώστε να κόβεται σε φέτες κατάλληλου πάχους (wafers).παρόλα αυτά το τελικό στάδιο μπορεί να παραληφθεί ανατπύσσοντας wafers από λεπτές ταινίες πολυκρυσταλλικού πυριτίου. [9] 30

32 Εικόνα 3.4 :Φωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου Τεχνολογία λεπτού φιλμ Τα ηλιακά κύτταρα λεπτού φιλμ είναι βασικά λεπτά στρώματα ημιαγώγιμου υλικού που εφαρμόζεται σε ένα στέρεο υπόστρωμα.συγκριτικά με τα κρυσταλλικά κύτταρα πυριτίου, η τεχνολογία των λεπτών φίλμ υπόσχεται μείωση του κόστους της φωτοβολταϊκής συστοιχίας Μειώνοντας την ποσότητα του ημιαγωγού που απαιτείται για κάθε κύτταρο. Σε αντίθεση με την δομή των κρυσταλλικών ηλιακών κυττάρων, όπου για να κατασκευαστεί το πλαίσιο τμήματα ημιαγωγών τοποθετούνται ανάμεσα από γυάλινες πλάκες, τα πλαίσια λεπτού φίλμ δημιουργούνται τοποθετώντας λεπτά στρώματα συγκεκριμένων υλικών σε γυάλινες ή μεταλλικές πλάκες. Το γεγονός ότι τα στρώματα είναι πιο λεπτά, έχει ως αποτέλεσμα ν χρησιμοποιείται λιγότερο φωτοβολταϊκό υλικό για να απορροφά την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία και συνεπώς οι αποδόσεις των φβ πλαισίων λεπτού φίλμ είναι μικρότερες από αυτές των κρυσταλλικών, αν και η δυνατότητα τοποθέτησης πολλών διαφορετικών υλικών και κραμάτων οδήγησε σε μεγάλη βελτίωση στις αποδόσεις. Τρία είδη κυττάρων λεπτού φίλμ είναι εμπορικά σημαντικά : Το κύτταρο άμορφου πυριτίου (δομή πολλών επαφών ), κύτταρα CdTe/CdS, CulnSe2/CIGS. Φωτοβολταϊκά κύτταρα /πλαίσια άμορφου πυριτίου (a Si) Mία από τις παλαιότερες τεχνολογίες λεπτού φιλμ που αναπτύχθηκαν είναι αυτή του άμορφου πυριτίου (a Si). Η τεχνολογία αυτή διαφέρει από αυτή του κρυσταλλικού πυριτίου στο γεγονός ότι τα άτομα πυριτίου είναι σε τυχαία θέση το ένα από το άλλο. Αυτή η τυχαία δομή των ατόμων έχει μια σημαντική επίδραση στις ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού που προκαλεί μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα (1.7eV) από του κρυσταλλικού πυριτίου (1.1.Ev). Το μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα επιτρέπει στα κύτταρα άμορφου πυριτίου να απορροφούν πιο έντονα το ορατό τμήμα του ηλιακού φάσματος από ότι το υπέρυθρο.υπάρχουν διάφορες παραλλαγές σε αυτήν την τεχνολογία, όπου το υπόστρωμα μπορεί να είναι από γυαλί ή εύκαμπτο ανοξείδωτο ατσάλι, διπλής και τριπλής επαφής και καθένα έχει διαφορετική απόδοση. Τελλουριούχο κάδμιο CdTe, Tελλιουριούχο κάδμιο /Θειούχο κάδμιο CdTe/ CdS φωτοβολταϊκά κύτταρα /πλαίσια Το τελουριούχο κάδμιο (CdTe) ήταν από καιρό γνωστό ότι έχει ιδανικό ενεργειακό χάσμα (1.45eV) με υψηλό συνγτελεστή απορρόφησης και αναγνωρίζεται ως ένα πολλά 31

33 υποσχόμενο φβ υλικό για ηλιακά κύτταρα λεπτού φιλμ. Εχουν πραγματοποιηθεί επιδεικτικές κατασκευές κυττάρων CdTe μικρού μεγέθους με αποδόσεις μεγαλύτερες από 15% και πλαίσια CdTe με αποδόσεις μεγαλύτερες από 9%.Αντίθετα με τις άλλες τεχνολογίες λεπτού φιλμ. Η τοξικότητα του καδμίου και τα σχετικά περιβαλλοντικά θέματα παραμένουν ένα πρόβλημα γι αυτήν την τεχνολογία και γι αυτό κάποιες εταιρείες έχουν θεσπίσει ένα πρόγραμμα ανακύκλωσης για τα «γερασμένα» φβ. ένα ακόμα ζήτημα είναι η διαθεσιμότητα του τελλουρίου που θα μπορούσε να προκαλέσει κάποιους περιορισμούς της πρώτης ύλης που θα επηρέαζε και το κόστος των πλαισίων. Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός CulnSe2 (CIGS φωτοβολταϊκά κύτταρα/πλαίσια Το CulnSe2 (ή CIS) χρησιμοποιείται για φωτοβολταϊκές συσκευές και περιέχει στοιχεία ημιαγωγών από τις ομάδες ΙΒ, ΙΙΙΑ,VIA του περιοδικού πίνακα που έχουν υψηλό οπτικό συντελεστή απορρόφησης.με την προσθήκη γάλλιου (CIGS) απόδοση που μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο.τα CIGS είναι σύνθετα λεπτά φιλμ με πολλά στρώματα.σε αντίθεση με τα κύτταρα πυριτίου με τη βασική p n επαφή, αυτά τα κύτταρα αναλύονται σε ένα μοντέλο επεροεπαφής με πολλά στρώματα. Η καλύτερη απόδοση για ένα κύτταρο λεπτού φιλμ με CIGS είναι 20% και περίπου 13% για πλαίσια μεγάλης επιφάνειας. Εικόνα 3.5.Φωτοβολταϊκά στοιχεία τύπου CIS[9] Κελιά χαλκού Ινδίου / Γαλλίου Δισεληνιούχου Αποτελεί μία από τις περισσότερο υποσχόμενες τεχνολογίες, όπου κελιά λεπτού υμενίου κατασκευάζονται από έναν συνδυασμό χαλκού ινδίου δισεληνιούχου και χαλκού γαλλίουδισεληνιούχου (κελιά CIGS). Τα κελιά αυτά έχουν επιδείξει αποδόσεις της τάξης του 19,9%, που αποτελεί την υψηλότερη για κελιά λεπτού υμενίου. Άλλοι τύποι κελιών Εκτός των παραπάνω συναντά κανείς και τους παρακάτω τύπους κελιών σε μικρό βαθμό ή σε εργαστηριακό επίπεδο: Κελιά Γαλλίου Αρσενικούχου (GaAs): Αποτελούν κελιά υψηλής απόδοσης (έως και 36%), ωστόσο ιδιαίτερα ακριβά Οργανικά φωτοβολταϊκά 32

34 Τα οργανικά και τα πολυμερή ηλιακά κύτταρα κατασκευάζονται από λεπτά φιλμ (τυπικά 100nm) οργανικών ημιαγωγών όπως πολυμερή και ενώσεις μικρών μορίων. Η μεγαλύτερη απόδοση που έχει επιτευχθεί μέχρι τώρα είναι 4 5%.Δεδομένου ότι είναι σε μεγάλο βαθμό από συνθετικά υλικά,σε αντίθεση με το παραδοσιακό πυρύτιο, η κατασκευαστική διαδικασία είναι οικονομικά αποδοτική (υλικό χαμηλότερου κόστους, υψηλή απόδοση παραγωγής ) με περιορισμένες τεχνικές δυσκολίες (δεν απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες ή υψηλές συνθήκες κενού).. Συνήθως το κύτταρο έχει μπροστά γυαλί, ένα διάφανο στρώμα επαφής από οξείδιο ινδίου και κασσίτερου (ΙΤΟ),ένα αγώγιμο πολυμερές, ένα φωτοενεργό πολυμερές και τέλος το πίσω στρώμα επαφής (αλουμίνιο, άργυρος κ.α).λειτουργούν ικανοποιητικά τόσο με άμεση ακτινοβολία, όσο και σε συνθήκες διάχυτου φωτισμού. Εικόνα 3.6: καφετέριας Ενσωμάτωση οργανικών φβ σε στάση λεωφορείου και σε ομπρέλα Σε αντίθεση με τα κύτταρα πυριτίου και αυτά των υπόλοιπων τεχνολογιών, τα οργανικά φωτοβολταϊκά συγκεντρώνουν ενέργεια από σχεδόν την ανατολή μέχρι τη δύση του ηλίου. Τα οργανικά φωτοβολταϊκά ξεκινούν να παράγουν ενέργεια νωρίτερα από τα φβ των άλλων τεχνολογιών και εξαιτίας της θετικής τιμής της θερμικής σταθεριάς τους, η παραγόμενη ενέργειά τους αυξάνεται με πιο γρήγορο ρυθμό και παρομοιπάζει αύξηση ακόμα και όταν η ενέργεια που παράγουν οι άλλες τεχνολογίες έχει σχεδόν σταθεροποιηθεί.[9] Ευαισθητοποιημένα φβ κύτταρα με χρωστική (Dye sensitized solar cells DSSC ) H διάταξη της συγκεκριμένης κυψελίδας αποτελείται από ένα διαφανές αγώγιμο υπόστρωμάτων πάνω στο οποίο γίνεται απόθεση TiO 2 το οποίο παίζει το ρόλο της ανόδου.στην επιφάνεια του TiO2 προσροφάται κατάλληλος ευαισθητοποιητής και στη 33

35 συνέχεια τοποθετείται ένα δεύτερο διαφανές αγώγιμο στρώμα το οποίο παίζει το ρόλο της καθόδου. Τέλος,μεταξύ των ηλεκτροδίων παρεμβάλλεται κάποιος ηλεκτρολύτης. Η διαδικασία παραγωγής ενέργειας από τις ευαισθητοποιημένες φβ κυψελίδες με χρωστική περιγράφεται από τις παρακάτω αντιδράσεις. Τα μόρια της χρωστικής απορροφούν το φως που προσπίπτει στην κυψελίδα και διεγείρονται με αποτέλεσμα ένα ηλεκτρόνιο να πάει στη ζώνη αγωγιμότητας του TiO2. Στη συνέχεια η χρωστική αναγεννάται μέσω της αντίδρασης 3 και επανέρχεται στην αρχική της κατάσταση. Η αντίδραση 5 περιγράφει τη συνολική διαδικασία όπου μπορεί κανείς να διαπιστώσεις ότι καμία χημική ουσία δεν παράγεται ή καταναλώνεται κατά τη λειτουργία της κυψελίδας. Τα DSSC κατασκευάζονται εύκολα, αξιοποιούν το φάσμα του ορατού φωτός και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή διαπερατών παραθύρων με ηλιακά κύτταρα. Η υψηλότερη απόδοση που έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα είναι 11.10% [9]. Τα πάνελ που χρησιμοποιούμε στη μελέτη μας αποτελούνται από κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Οι κυψέλες αυτές κατασκευάζονται από μεγάλες ορθογώνιες ράβδους καθαρού πυριτίου σε ειδικούς κλιβάνους στους οποίους ψύχεται αργά τήγμα πυριτίου για τη δημιουργία μεγάλων κρυστάλλων. Επειδή προκύπτουν απευθείας από ορθογώνιες ράβδους οι πολυκρυσταλλικές κυψέλες είναι συνήθως τετράγωνης μορφής και μεγαλύτερου μεγέθους από αυτές από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο καθώς και έχουν και λίγο χαμηλότερη απόδοση από αυτές. Ο λόγος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από μια ηλιακή κυψέλη προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία είναι γνωστός ως αποδοτικότητα της κυψέλης. Οι ηλιακές κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου, για παράδειγμα, δεν μπορούν προς το παρόν να μετατρέψουν περισσότερο από 25% της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια, επειδή η ακτινοβολία στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος δεν διαθέτει αρκετή ενέργεια για να διαχωρίσει τα θετικά και αρνητικά φορτία στο υλικό. Οι ηλιακές κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχουν αποδοτικότητα μικρότερη από 20% τη στιγμή αυτή, και οι κυψέλες άμορφου πυριτίου μόνο 10% περίπου, λόγω των μεγαλύτερων εσωτερικών απωλειών ενέργειας από αυτές του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Τα χαρακτηριστικά των διαφόρων τύπων ηλιακών κυψελών εμφανίζονται συνοπτικά στον παρακάτω πίνακα: Τύπος Λεπτής μεμβράνης Πολυκρυσταλλικά Μονοκρυσταλλικά Υβριδικά 34

36 Απόδοση Άμορφα : % 13 16% 16 17% 7% CIS : 7 10% Επιφάνεια ανά KWp πι m m πι 2 Πίνακας 6. Χαρακτηριστικά διαφόρων τύπων ηλιακών κυψελών Για την ποσοτικοποίηση των επιδόσεων των ηλιακών κυψελών έχει διεξαχθεί πλήθος εργαστηριακών δοκιμών και έχουν καθιερωθεί κάποιες συνθήκες ως βιομηχανικά πρότυπα για τις δοκιμές, οι Πρότυπες Συνθήκες Δοκιμών (ΠΣΔ), συγκεκριμένα: Θερμοκρασία = 25 C, Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας = 1000 W/m 2, Αέρια μάζα = AM 1,5. Η αέρια μάζα αναφέρεται στο πάχος της ατμόσφαιρας το οποίο διαπερνά το ηλιακό φως και αποτελεί ένα σημαντικό δείκτη των χαρακτηριστικών του διαθέσιμου φωτός, αφού οι ηλιακές κυψέλες αξιοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Εάν ο ήλιος βρίσκεται κατ' ευθείαν από πάνω, η αέρια μάζα ισούται με Νέες μορφές φωτοβολταϊκών κυττάρων και πλαισίων Τα τελευταία χρόνια εκτός από τα τυπικά πλαίσια, έχουν κατασκευαστεί και φβ κυλινδρικού σχήματος (Εικόνα 3.7). Τα πλαίσια αποτελούνται από 40 παράλληλα συνδεδεμένους κυλίνδρους για μεγαλύτερο ρεύμα, οι οποίοι δέχονται ακτινοβολία (άμεση, διάχυτη, ανακλώμενη) σε όλη τους την επιφάνεια (360 μοίρες). Εξαιτίας του κυλινδρικού σχήματος, τα πλαίσια μπορούν να τοποθετηθούν με οποιοδήποτε προσανατολισμό, χωρίς να επηρεάζεται σημαντικά η ενέργεια που παράγουν. Οι κύλινδροι στο πλαίσιο τοποθετούνται σε μια απόσταση, ώστε να μπορεί να υπάρχει κυκλοφορία του αέρα για να ψύχονται. Τα πλαίσια έχουν μικρό βάρος (16 kg/m 2 ) και σε περίπτωση ενσωμάτωσής τους στην οροφή κτηρίου, μπορούν να αντέξουν σε ταχύτητα ανέμου μέχρι 208 km/h [12, 59]. 35

37 Εικόνα 3.7.: Κυλινδρικό φβ και αξιοποίηση της ακτινοβολίας από όλη την επιφάνειά του [9] Μια άλλη περίπτωση είναι ακόμη και τα σφαιρικά ηλιακά κύτταρα (Εικόνα 3.8), τα οποία μπορούν επίσης να δεσμεύσουν ηλιακή ακτινοβολία απ όλες τις κατευθύνσεις, σε αντίθεση με τα επίπεδα φβ κύτταρα. Τα κύτταρα κατασκευάζονται από μικρές σφαίρες πυριτίου με διάμετρο μόλις 1 2 mm και στη συνέχεια εγκλωβίζονται ανάμεσα σε διαφανές γυαλί ή εύκαμπτη μεμβράνη. Εικόνα 3.8: Σφαιρικά κύτταρα και σχηματική αναπαράστασή τους [13] Τα διαφανή πλαίσια με σφαιρικά κύτταρα πυριτίου μπορούν να ενσωματωθούν σε προσόψεις και παράθυρα κτηρίων, δημιουργώντας καινοτόμα σχέδια με υψηλή αισθητική, τα οποία δε θα μπορούσαν να γίνουν με τα συμβατικά πλαίσια (Εικόνα 3.9) [13]. 36

38 Εικόνα 3.9.: Σχέδια υψηλής αισθητικής από σφαιρικά κύτταρα πυριτίου [9] Τέλος, έχουν αναπτυχθεί οργανικά φβ κύπαρα εξαγωνικού σχήματος πάνω σε γυαλί που καλύπτονται από διαπερατό ηλεκτρόδιο χρυσού. Η τεχνολογία των οργανικών φβ προσφέρει ένα ευρύ φάσμα χρωμάτων και διαπερατοτήτων και ταυτόχρονα τα εξαγωνικά κύτταρα δίνουν τη δυνατότητα να κατασκευαστεί οποιαδήποτε καμπύλη επιφάνεια (ή άλλος σχηματισμός) [9] Εικόνα 3.10.: DSSC εξαγωνικού σχήματος [9] 3.6 Φωτοβολταική τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη Σκοπός της πρακτικής της διπλωματικής είναι η μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας περιβάλλοντος στις χαρακτηριστικές καμπύλες Ι V α) ενός φωτοβολταϊκού τοποθετημένο με κλίση 30 μοιρών β) δύο φωτοβολταικών συστημάτων συνδεδεμένων σε σειρά και γ) δύο φωτοβολταικών συστημάτων συνδεδεμένων παράλληλα. Η μέτρηση των χαρακτηριστικών καμπυλών I V έγινε με τη βοήθεια της συσκευής PVPM 2540C. Η συσκευή αυτή έχει τη δυνατότητα να ενσωματώνει όλους τους αισθητήρες και να χαράσσει την καμπύλη της τάσης ρεύματος παίρνοντας 100 τιμές. Στη συσκευή αυτή συνδέονται δύο αισθητήρες. Ο ένας είναι για τη μέτρηση της ακτινοβολίας και είναι τύπου φωτοβολταϊκού κυττάρου και ο άλλος χρησιμεύει στη μέτρηση της θερμοκρασίας των κυττάρων. Ο αισθητήρας αυτός δεν μετράει την θερμοκρασία περιβάλλοντος, αλλά την θερμοκρασία πλαισίου το οποίο θερμαίνεται από τη θερμότητα που απορροφά από την ηλιακή ακτινοβολία. Τέλος η συσκευή PVPM έχει τη δυνατότητα μέτρησης των εσωτερικών αντιστάσεων του φωτοβολταϊκού, της ισχύος, της τάσης και της έντασης του ρεύματος με μια απλή μέτρηση υπό συνθήκες. [22] Εικόνα 3.11 Συσκευή PVPM για την μέτρηση των I V χαρακτηριστικών καμπυλών φ/β στοιχείου 37

39 Τα φωτοβολταικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι εργαστηριακού τύπου διαστάσεων 10*30 cm και ισχύος 100 W το καθένα. Εικόνα 3.12 Φωτοβολταικό πάνελ Για τη σύνδεση των φωτοβολταϊκών με το μηχάνημα PVPM 2540C χρησιμοποιήθηκαν ειδικά καλώδια μπανάνες. Τα μαύρα καλώδια δήλωναν το θετικό ενώ τα κόκκινα το αρνητικό φορτίο. Για τη μέτρηση της ακτινοβολίας του ήλιου χρησιμοποιήθηκε ο αισθητήρας phox. Για μια καλή ποιότητα μέτρησης η ακτινοβoλία του ήλιου θα πρέπει να υπερβαίνει τα 500 w/m2. Σχήμα 3.13: Αισθητήρας phox Για τη μεταφορά των μετρήσεων από τη συσκευή PVPM 2540C στο φορητό υπολογιστή για την μελέτη και επεξεργασία των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε ένα ειδικό καλώδιο USB για την σύνδεση των δυο συσκευών και ένα CD για την αναγνώριση της συσκευής και εγκατάσταση του προγράμματος PVPM.disp. 3.7 Συνδεσμολογία φωτοβολταικών συστημάτων Το φβ σύστημα είναι μια από τις πιο διαδεδομένες εφαρμογές των ΑΠΕ για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και μπορεί να είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ή αυτόνομο. Ένα φβ σύστημα αποτελείται από τα φβ πλαίσια, τον πίνακα ελέγχου και ανάλογα με τον αν είναι διασυνδεδεμένο ή αυτόνομο, από τον αντιστροφέα ή το ρυθμιστή φόρτισης και τους συσσωρευτές. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν με λεπτομέρειες οι τύποι των φωτοβολταϊκών συστημάτων καθώς και ο ρόλος και η λειτουργία των συσκευών και του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού. 38

40 3.7.1 Διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα Τα διασυνδεδεμένα συστήματα έχουν ως βασικό χαρακτηριστικό το γεγονός ότι υπάρχει φυσική ένωση με το δίκτυο μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Η σύνδεση αυτή λειτουργεί αμφίδρομα, με άλλα λόγια το σύστημα μπορεί να παρέχει ενέργεια στο δίκτυο ή να απορροφά απ αυτό. Τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένα διασυνδεδεμένο σύστημα είναι ο πίνακας ελέγχου, ο αντιστροφέας (inverter) και ο μετρητής της ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχεται από το δίκτυο (Εικόνα 3.14.). Εικόνα 3.14 : Τα βασικά μέρη ενός διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος : 1 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο, 2 Μετατροπέας (inverter), 3 Δίκτυο ΔΕΗ, 4 Οικιακές ηλεκτρικές συσκευές Συνοπτικά στη συνέχεια θα αναλυθούν μερικά στοιχεία για τα βασικά μέρη ενός τυπικού Φ/Β συστήματος. α. Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Είναι βασική μονάδα παραγωγής ρεύματος που αποτελείται από ορισμένο αριθμό Φ/Β στοιχείων, 10 έως 50 συνήθως, ενωμένων με κατάλληλες μεταλλικές επαφές και προστατευμένων εξωτερικά μέσω αντι ανακλαστικής μεμβράνης και επικάλυψης γυαλιού. Εικόνα 3.15 : Φωτοβολταϊκό πλαίσιο β. Μετατροπέας (inverter) 39

41 Μετατρέπει το συνεχές ρεύμα που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σε εναλλασσόμενο προκειμένου να γίνει συμβατό με τη λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών. Η μετατροπή του ρεύματος από συνεχές σε εναλλασσόμενο όμως, αποφέρει αρκετές απώλειες. Αυτό θα μπορούσε να αποφευχθεί εάν οι ηλεκτρικές συσκευές είχαν τη δυνατότητα να λειτουργήσουν με συνεχές ρεύμα. Εικόνα 3.16 : Μετατροπέας (inverter) Ενώ για τα αυτόνομα Φωτοβολταϊκά συστήματα απαιτούνται και: γ. Ρυθμιστής τάσης Ρυθμίζει και διατηρεί τη κανονική φόρτιση των μπαταριών από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Όταν η μπαταρία φτάνει στο στάδιο της υπερφόρτισης τότε ελαττώνεται ο χρόνος ζωής της. Για το λόγο αυτό ο ρυθμιστής τάσης ελαττώνει το ρεύμα που προσφέρουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια προς τη μπαταρία. Εικόνα 3.17 : Ρυθμιστής τάσης δ. Μπαταρία Σε περίπτωση που το σύστημα είναι αυτόνομο, τότε απαιτείται η χρήση μπαταριών για την αποθήκευση του παραγόμενου ρεύματος που δεν καταναλώνεται άμεσα. Η μπαταρία προσφέρει με τη σειρά της την αποθηκευμένη ενέργεια, όταν δεν υπάρχει ηλιακό φως, κυρίως δηλαδή τις βραδινές ώρες. Εικόνα 3.18: Μπαταρία Συσσωρευτής 40

42 [10] Αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα Στην περίπτωση που το σύστημα είναι απομακρυσμένο από το ηλεκτρικό δίκτυο, η παραγόμενη ενέργεια μπορεί είτε να χρησιμοποιείται απευθείας τροφοδοτώντας ηλεκτρικές συσκευές (άμεση χρήση), είτε να αποθηκεύεται σε συσσωρευτές ώστε να χρησιμοποιηθεί αργότερα (έμμεση χρήση) [11], Στην εικόνα που ακολουθεί περιγράφονται τα βασικά μέρη ενός τέτοιου συστήματος. Εικόνα 3.19 : Τα βασικά μέρη ενός φωτοβολταϊκού συστήματος (on grid) [11] Συνοπτικά στη συνέχεια θα αναλυθούν μερικά στοιχεία για τα βασικά μέρη ενός τυπικού Φ/Β συστήματος. Τα βασικά μέρη ενός αυτόνομου συστήματος είναι ο πίνακας ελέγχου, ο ρυθμιστής φόρτισης, ο αντιστροφέας και οι συσσωρευτές (Εικόνα 1.15.). Στις περισσότερες περιπτώσεις ενδείκνυται η μετατροπή του συνεχούς ρεύματος (DC) της φβ συστοιχίας σε εναλλασσόμενο (AC), δεδομένης της ευρείας χρήσης των συσκευών με τροφοδοσία 220 V AC και των αυξημένων ενεργειακών απωλειών στη χρήση DC. 41

43 3.7.3 Συνδυασμός αυτόνομου και διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος Εικόνα 3.20: Συνδυασμός αυτόνομου και συνδεδεμένου στο δίκτυο σύστημα για σπίτι [11] Επειδή στο μέλλον η παραγόμενη ενέργεια από τα φωτοβολταϊκό μπορεί να μην απορροφάται από το δίκτυο κάποιες ώρες την ημέρα, θα μπορούσε να γίνει πρόταση ενός συστήματος που θα αποτελεί συνδυασμό των δύο παραπάνω συστημάτων. Στο συγκεκριμένο σύστημα η παραγόμενη ενέργεια από τα φβ θα χρησιμοποιείται αρχικά για να καλυφθούν οι οικιακές ενεργειακές ανάγκες και να φορτιστούν οι μπαταρίες και η πλεονάζουσα ενέργεια θα διοχετεύεται στο δίκτυο (Εικόνα 3.20), εφόσον τη δέχεται. Τη νύχτα ή κάποιες ώρες την ημέρα, οι ηλεκτρικές ανάγκες της οικίας καλύπτονται από το ηλεκτρικό δίκτυο.[12] Συσκευές και ηλεκτρολογικός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στους τρεις τύπους φωτοβολταϊκών συστημάτων Αντιστροφέας DC/AC Ένας αντιστροφέας (inverter) εκτελεί βασικά τρεις λειτουργίες: αντιστροφή (inversion), ρύθμιση της τάσης (regulation) και διαμόρφωση της κυματομορφής (waveshaping). Ένας ιδανικός αντιστροφέας μετατρέπει DC ισχύ σε ημιτονοειδή, σταθερού πλάτους σταθερής συχνότητας, χωρίς απώλειες AC [13]. Γενικά στα φωτοβολτάίκά συστήματα συνιστάται να εγκαθίστανται αντιστροφείς ημιτονοειδούς κύματος, αν και για κάποιες εφαρμογές μπορεί να χρησιμοποιηθεί και αντιστροφέας τετραγωνικού κύματος. Ωστόσο, κάποιες συσκευές 42

44 μπορεί να υπερθερμανθούν ή να καταστραφούν όταν συνδεθούν με αντιστροφέα τετραγωνικού κύματος [13]. Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι σύνδεσης που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στον πρώτο, όλη η ισχύς εξόδου της φβ συστοιχίας τροφοδοτεί το δίκτυο και ο αντιστροφέας σχεδιάζεται ώστε να είναι σε θέση να χειρίζεται τη μέγιστη ισχύ της συστοιχίας. Αυτός ο τρόπος έχει το μειονέκτημα ότι ο αντιστροφέας πρέπει να είναι σε θέση να αποκρίνεται σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας του δικτύου μόνιμες ή μεταβατικές. Ο δεύτερος τρόπος σύνδεσης χρησιμοποιείται σε αυτόνομα συστήματα, όπου υπάρχει και συσσωρευτής για να ικανοποιεί τις πρόσθετες ανάγκες του φορτίου, ενώ μπορεί να υπάρχει και ένας DC/DC μετατροπέας μεταξύ συστοιχίας και συσσωρευτή. Τα προβλήματα ελέγχου συνίστανται σε έλεγχο υπερέντασης, υπέρτασης, υπερεκφόρτισης, έλεγχο φόρτισης του συσσωρευτή κ.α. Στον τρίτο τρόπο υπάρχει συνδυασμός των δύο προηγούμενων, δηλαδή υπάρχει και συσσωρευτής και σύνδεση με το δίκτυο, όμως τα συστήματα ελέγχου γίνονται πολύπλοκα [13] Συσσωρευτές Ένα μέρος της ενέργειας που παράγεται από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι ανάγκη να αποθηκευτεί ώστε να χρησιμοποιηθεί στο χρονικό διάστημα από τη δύση μέχρι την ανατολή του ήλιου ή κατά τη διάρκεια συνεχόμενων ημερών με νεφελώδη ουρανό. Η χημική αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με τη βοήθεια συσσωρευτών φαίνεται να αποτελεί την πλέον κατάλληλη μέθοδο αποθήκευσης για ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Τα πλεονεκτήματα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος με συσσωρευτές είναι η δυνατότητα να παρέχουν ενέργεια σε περιόδους που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία, η δυνατότητα να καλύπτουν στιγμιαίες αιχμές ζήτησης φορτίου, η ύπαρξη σταθερής τάσεως στο σύστημα, η ικανότητα αποθήκευσης της πλεονάζουσας ενέργειας κ.α. Από την άλλη μεριά η αυξημένη πολυπλοκότητα του συστήματος, το αυξημένο κόστος, το κόστος συντήρησης και πολλές φορές η μειωμένη αξιοπιστία μπορούν να καταγραφούν στα μειονεκτήματα ενός συστήματος με μπαταρίες [13]. Ρυθμιστής φόρτισης Ο ρυθμιστής φόρτισης είναι μια απλή ηλεκτρονική συσκευή που φροντίζει για τη σωστή φόρτιση των συσσωρευτών του φωτοβολταϊκού συστήματος. Ελέγχει τη διαδικασία φόρτισης και σταματά τη φόρτιση όταν διαπιστώσει ότι η μπαταρία έχει φορτιστεί πλήρως. Σε αντίθετη περίπτωση θα υπήρχε σοβαρός κίνδυνος να καταστραφεί η μπαταρία. Επειδή οι μπαταρίες έχουν την τάση να αποφορτίζονται σταδιακά ακόμα κι αν δεν τροφοδοτούν με ρεύμα κάποια συσκευή, ο ρυθμιστής φόρτισης φροντίζει αυτόματα να ξαναρχίσει η διαδικασία φόρτισης της μπαταρίας όταν διαπιστώσει ότι η τάση της έπεσε κάτω από το επίπεδο της πλήρους φόρτισης. 43

45 Το μέγεθος του ρυθμιστή φόρτισης εξαρτάται από το μέγεθος των φωτοβολταϊκών που συνδέονται σε αυτόν και πρέπει να υπερκαλύπτει την συνολική ένταση των φωτοβολταϊκών. Αν, για παράδειγμα, η ονομαστική ένταση των φωτοβολταϊκών είναι 10Α, τότε πρέπει να επιλέξουμε ένα ρυθμιστή φόρτισης 12Α. Επίσης, πρέπει να είναι κατάλληλος και για την τάση του φωτοβολταϊκού συστήματος. Αν τα φωτοβολταϊκά παρέχουν συνολική τάση 12V, επιλέγεται ρυθμιστής για φωτοβολταϊκά 12V, αν παρέχουν συνολική τάση 24V, επιλέγεται ρυθμιστής για φωτοβολταϊκά 24V κ.ο.κ. Τέλος, αν υπάρχει ανάγκη επέκτασης του φωτοβολταϊκού συστήματος με περισσότερα φωτοβολταϊκά πάνελ στο μέλλον, τότε συνίσταται η επιλογή μεγαλύτερου ρυθμιστή φόρτισης για να καλύπτει και τις μελλοντικές ανάγκες [13] Καλώδια Τα καλώδια συνήθως είναι διπλής μόνωσης και έχουν αντοχή στην υπεριώδη ακτινοβολία. Πρέπει να αντέχουν στις αυξημένες θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στην πίσω πλευρά των πλαισίων, οι οποίες μπορούν να φτάσουν τους 50 C πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, αν η πίσω πλευρά έχει καλυφθεί με μόνωση. Το μέγεθος των καλωδίων καθορίζεται από την επιτρεπόμενη πτώση τάσης κατά μήκος των εν σειρά συνδεδεμένων φβ σε ονομαστικό ρεύμα. Ασφάλειες Οι ασφάλειες προστατεύουν τα καλώδια από τις υπερεντάσεις. Θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο στις φωτοβολταϊκές γεννήτριες όπου μεγάλος αριθμός σειρών συνδέονται παράλληλα και το ρεύμα βραχυκύκλωσης της γεννήτριας μπορεί να υπερβεί το ονομαστικό ρεύμα του καλωδίου σε μια σειρά. Έτσι οι ασφάλειες χρειάζονται κυρίως στην περίπτωση που στο σύστημα είναι πάνω από τέσσερεις σειρές συνδεδεμένες παράλληλα. Συσκευές προστασίας από υπερτάσεις/αλεξικέραυνα Οι συσκευές προστασίας από υπερτάσεις/αλεξικέραυνα θα κρατήσουν τις μεταβατικές υπερτάσεις και τα στιγμιαία κρουστικά ρεύματα που δημιουργούνται από κεραυνούς μακριά από το σύστημα. Τα καινούρια πλαίσια μπορούν να αντέξουν απότομη αύξηση της τάσης μέχρι 6 kv, ωστόσο τα ηλεκτρονικά στοιχεία, όπως οι δίοδοι παράκαμψης ή δίοδοι αντεπιστροφής και ο εξοπλισμός, όπως αντιστροφείς και ρυθμιστές φόρτισης, χρειάζονται προστασία. Γι αυτό το λόγο τοποθετούνται αλεξικέραυνα με τουλάχιστον 5 ka μέγιστη τιμή ρεύματος σε κάθε σκέλος της φβ γεννήτριας. 44

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΑΣΗΣ 4.1. Συνδεσμολογία ηλιακών κυττάρων Εικόνα 4.1 Σύνδεση ηλιακών κυττάρων σε σειρά Τα ηλιακά κύτταρα συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα όπως φαίνεται στις εικόνες 4.1 και 4.2. αντίστοιχα. Εικόνα 4.2 Σύνδεση ηλιακών κυττάρων παράλληλα Στην εικόνα 4.1 έχουμε: U=U 1+ U 2 και I=I 1 =I 2 Το ρεύμα σε μία εν σειρά συνδεσμολογία κυψελών είναι το ίδιο σε κάθε σημείο της συνδεσμολογίας, ίδιο με αυτό που παράγεται από μία κυψέλη. Εάν μία κυψέλη με χαρακτηριστικά χαμηλού ρεύματος συνδεθεί σε μια συνδεσμολογία με άλλες κυψέλες που έχουν χαρακτηριστικά υψηλότερου ρεύματος, η συνδεσμολογία θα περιοριστεί στο ρεύμα της κυψέλης χαμηλού ρεύματος. Η τάση σε μία εν σειρά συνδεσμολογία κυψελών είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων κάθε κυψέλης. Υποθέτοντας όμοιες κυψέλες, η τάση μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο: V σειράς = (Αριθμός κυψελών) * (V max μιας κυψέλης) (σχ. 4.3) Η παραγόμενη ισχύς από μία συνδεσμολογία κυψελών ισούται με το ρεύμα της συνδεσμολογίας πολλαπλασιαζόμενο με την τάση της. Οι μεμονωμένες κυψέλες μπορεί να λειτουργούν σε διαφορετικές τάσεις, αλλά κάθε μία κυψέλη θα λειτουργεί με το ίδιο ρεύμα όπως και οι άλλες στη συνδεσμολογία. Στην εικόνα 4.4 φαίνεται πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά I V των μεμονωμένων κυψελών για να διαμορφώσουν την καμπύλη I V της εν σειρά συνδεσμολογίας, ενώ στην εικόνα 4.5 παρουσιάζεται μία παράλληλη συνδεσμολογία από τέσσερις κυψέλες και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος αυτών. 45

47 Στην εικόνα 5.4 έχουμε: U =U 1 =U 2 (σχ. 4.4)[18] και Ι=Ι 1 + Ι 2 Το παραγόμενο ρεύμα από μια ομάδα κυψελών συνδεδεμένων παράλληλα ισούται με το άθροισμα των μεμονωμένων ρευμάτων κάθε κυψέλης. Υποθέτοντας παρόμοιες κυψέλες, το ρεύμα μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: I παράλληλα = (Αριθμός κυψελών) * (Ι max μιας κυψέλης) Η τάση μεταξύ δύο κόμβων μιας ομάδας κυψελών συνδεδεμένων εν παραλλήλω είναι ίση με την τάση κάθε κυψέλης: U παράλληλα = U max μιας κυψέλης (σχ. 4.5) Η παραγόμενη ισχύς από κυψέλες εν παραλλήλω είναι ίση με το παράλληλο ρεύμα πολλαπλασιασμένο με την παράλληλη τάση της. Όταν μια ομάδα κυψελών συνδέεται παράλληλα, οι μεμονωμένες κυψέλες μπορεί να παράγουν διαφορετικά ρεύματα, αλλά κάθε κυψέλη θα λειτουργά στην ίδια τάση. Στην εικόνα 4.5 απεικονίζονται ομάδες κυψελών εν παραλλήλω και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος αυτών. Εικόνα 4.5 Μία, δύο και τρεις κυψέλες συνδεδεμένες παράλληλα Μία συνηθισμένη τιμή για τις τάσεις U 1 και U 2 σε ημέρες με καλή ηλιοφάνεια είναι 0,4V 1,0V, ενώ τα ρεύματα Ι 1, Ι 2 εξαρτώνται από την επιφάνεια των αντιστοίχων ηλιακών 46

48 κυψελών. Συνήθεις πρακτικές τιμές αυτών είναι 20 ma/cm 2 40 ma/cm 2 της επιφάνειας της κυψέλης. Αν πολλές διατάξεις της εικόνας συνδεθούν μεταξύ τους παράλληλα προκύπτει ένας φωτοβολταΐκός συλλέκτης. Στους φωταβολταϊκούς συλλέκτες οι ηλιακές κυψέλες συνδεσμολογούνται μικτά. Με κατάλληλη συνδεσμολογία των συλλεκτών προκύπτουν τα φωτοβολταΐκά πλαίσια και αυτά συνδεόμενα στη σειρά μεταξύ τους δίνουν τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Για να αποφευχθεί η ροή ρεύματος μεταξύ των παράλληλων κλάδων των ηλιακών συλλεκτών τοποθετούνται δίοδοι ελέγχου της ροής του ρεύματος στην έξοδο κάθε παράλληλου κλάδου, οι οποίες ονομάζονται δίοδοι διέλευσης. Εν γένει, ένα πλαίσιο προσφέρεται από τον κατασκευαστή με ενσωματωμένη μια δίοδο διέλευσης, η οποία συνδέεται παράλληλα με ολόκληρο το πλαίσιο. Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, η δίοδος δεν κάνει τίποτα εκτός από το να καταναλώνει μία ελάχιστη ποσότητα ισχύος. Εάν σκιαστεί ή υποστεί βλάβη μέρος του πλαισίου, η δίοδος διέλευσης εκτρέπει το ρεύμα μέσω αυτής και γύρω από το πλαίσιο. Χωρίς τη δίοδο, το πλαίσιο που σκιάζεται ή έχει υποστεί βλάβη διαχέει το ρεύμα υπό μορφή θερμότητας και τελικά καταστρέφεται. Οι δίοδοι αντεπιστροφής εγκαθίστανται για να αποτρέψουν την αντιστροφή της ροής του ρεύματος προς τα πλαίσια. Μια δίοδος αντεπιστροφής συνδέεται συνήθως εν σειρά μεταξύ της συστοιχίας και των μπαταριών. Αντ αυτού, εάν ένας αριθμός συνδεσμολογιών συνδέονται εν σειρά, οι δίοδοι αντεπιστροφής μπορούν να συνδεθούν εν σειρά με κάθε μία συνδεσμολογία. Ενίοτε ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στα φωτοβολταϊκά συστήματα για τη ρύθμιση της ισχύος εξαλείφει την ανάγκη προσθήκης μιας διόδου αντεπιστροφής. Στην εικόνα 4.6 φαίνεται μια τυπική διάταξη συνδεσμολογίας φωτοβολταϊκών συστοιχιών. Εικόνα 4.6 Τυπική συνδεσμολογία φωτοβολταϊκών συστοιχιών[18] 47

49 4.2 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ηλιακής κυψέλης Εικόνα 4.7 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ηλιακής κυψέλης Μία ηλιακή κυψέλη μπορεί να παρασταθεί με το παρακάτω ισοδύναμο ηλεκτρολογικό κύκλωμα: όπου: Ι ph είναι το φωτόρευμα, δηλαδή τα ηλεκτρικό ρεύμα της ηλιακής κυψέλης που οφείλεται στην ηλιακή ακτινοβολία, I είναι το ρεύμα φορτίου, R s είναι η αντίσταση σειράς (συνήθως R s <50Ω), R sh είναι η παράλληλη αντίσταση (συνήθως R sh >500Ω). Οι χαρακτηριστικές τάσης έντασης της ηλιακής κυψέλης της εικόνας είναι: (α) Χαρακτηριστικές (U, I κ ),( U, I δ ) (β) Χαρακτηριστική (U,(I κ I β )) Εικόνα 4.8: Τυπικές χαρακτηριστικές (U.I) ηλιακής κυψέλης[18] Η καμπύλη I V[19][20][22] Μελετώντας τις εξισώσεις μεταφοράς των φορέων φορτίου στην περιοχή μετάβασης, ο αποκαλούμενος ιδανικός νόμος της διόδου μπορεί να εξαχθεί για μια επαφή pn στο σκοτάδι, όταν κανένα φορτίο δεν παράγεται από το φως του ήλιου. Αυτός ο νόμος γράφεται ως εξής: I= I 0 (e qv/kbt 1), (4.3.1.) Όπου I = ρεύμα της διόδου I 0 = ρεύμα κορεσμού q =στοιχειώδες φορτίο V =η τάση της διόδου Τ=θερμοκρασία Όταν ο φωτισμός λαμβάνεται υπόψη, η εξίσωση τροποποιείται ως εξής: I = I 0 (e qv/kbt l) I L, (4.3.2) Όπου I L =το φωτο παραγόμενο ρεύμα. Η παραπάνω εξίσωση καθορίζει την σχέση ρεύματος τάσης μιας ιδανικής φωτοβολταϊκής κυψελίδας με σειριακή αντίσταση (Series 48

50 resistance) R s = 0 και R SH (Shunt resistance). Τις χαρακτηριστικές I V που αντιστοιχούν στις εξισώσεις (4.3.1) και (4.3.2) τις βλέπουμε στην παρακάτω εικόνα: Εικόνα 4.9. Η χαρακτηριστική IV μιας φωτισμένης επαφής pn είναι στην ουσία η σκοτεινή καμπύλη IV που μετατοπίζεται προς τα κάτω από το ρεύμα I L. Η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc και το ρεύμα βραχυκύκλωσης βρίσκονται εκεί όπου η καμπύλη εφάπτεται με τους άξονες. Η μεγίστη ισχύς που μπορεί να εξαχθεί από το ΦΒ στοιχείο βρίσκεται στο σημείο (V MPP, I MPP ). Βλέπουμε από την παραπάνω εικόνα ότι η σκοτεινή χαρακτηριστική της διόδου βρίσκεται στο πρώτο και στο τρίτο τεταρτημόριο, ενώ η καμπύλη IV μιας φωτισμένης διόδου, η οποία αντιπροσωπεύει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο σε λειτουργία, περνάει από το τέταρτο τεταρτημόριο. Αυτό το τεταρτημόριο, όπου το ρεύμα είναι αρνητικό και η τάση θετική, είναι το τεταρτημόριο όπου το φωτοβολταϊκό στοιχείο παράγει ισχύ. Τέσσερις σημαντικές παράμετροι έχουν χαρακτηριστεί στην παραπάνω εικόνα. Το ρεύμα σε μηδενική τάση καλείται ρεύμα βραχυκύκλωσης (I sc ), ενώ η τάση σε μηδενικό ρεύμα καλείται τάση ανοικτού κυκλώματος (V oc ). Το σημείο στην χαρακτηριστική IV όπου η παραγόμενη ισχύς είναι στο μέγιστο δεν είναι κανένα από αυτά τα σημεία, αλλά είναι μάλλον κάπου στο τόξο. Αυτό το σημείο ονομάζεται σημείο μεγίστης ισχύος. Οι αντίστοιχες τιμές του ρεύματος και της τάσης καλούνται σημείο μέγιστης ισχύος ρεύματος (I ΜΡΡ ) και μέγιστης ισχύος τάσης (V MPP ). Δεδομένου ότι μόνο το μέρος της χαρακτηριστικής IV που βρίσκεται στο τέταρτο τεταρτημόριο είναι σχετικό για εφαρμογές με φωτοβολταϊκά στοιχεία, η καμπύλη IV είναι αντιστραμμένη ως προς άξονα της τάσης και κομμένη και στους δύο άξονες, έτσι ώστε και το ρεύμα και η τάση να έχουν μόνο θετικές τιμές. Η καμπύλη IV, σε ένα κανονικό φωτοβολταϊκό στοιχείο με R s και αντιστάσεις shunt R SH, μετατοπίζεται πιο κοντά στους άξονες του ρεύματος και της τάσης. Μεγάλες τιμές R s προκαλούν μείωση του ρεύματος, ενώ οι μικρές τιμές R SH μειώνουν την τάση όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 49

51 Εικόνα 4.10 Μετατόπιση χαρακτηριστικής καμπύλης I V φ/β στοιχείου καθώς μεγαλώνει η αντίσταση Rs και μικρές τιμές της αντίστασης Rsh Μηχανισμοί απωλειών είναι επίσης υπεύθυνοι που η καμπύλη IV γίνεται πιο επίπεδη, και ο αποκαλούμενος παράγων πλήρωσης (FF) είναι ένα μέτρο προσέγγισης αυτής. Ορίζεται ως: V FF V MPP OC I I MPP SC Ο παράγων πλήρωσης αντιστοιχεί στην αναλογία μεταξύ της παραχθείσας ισχύος και της ισχύος σε μια ιδανική περίπτωση όπου η καμπύλη IV έχει ορθογώνια μορφή χωρίς απώλειες. Ο παράγων πλήρωσης, η απόδοση και οι παράμετροι της καμπύλης IV είναι πολύ σημαντικοί στη μελέτη των φωτοβολταϊκών, διότι οι τιμές τους μας αποκαλύπτουν το πόσο καλά λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο. Η καμπύλη IV ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου 1 είναι όμοια με αυτή ενός μόνο ΦΒ στοιχείου, αλλά συνήθως είναι πιο επίπεδη λόγω απωλειών. Το σημείο της καμπύλης IV που πρέπει να λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος (ΜΡΡ). Σε πρακτικές εφαρμογές, το σημείο λειτουργίας καθορίζεται από το φορτίο στο κύκλωμα, παραδείγματος χάριν από την μπαταρία που φορτίζεται Πρότυπες συνθήκες ελέγχου (Standard Test Conditions, STC) των χαρακτηριστικών των ΦΒ στοιχείων. Η έννοια της ισχύος αιχμής.[19][20][22] Τα βασικά χαρακτηριστικά, τα οποία ελέγχονται σε ένα εργαστηριακά παρασκευασμένο ΦΒ στοιχείο καθώς επίσης και στο τελικά διατιθέμενο βιομηχανικό προϊόν (φωτοβολταϊκό πλαίσιο), είναι: i. η ενεργειακή απόδοση n, ii. ο παράγων πλήρωσης FF, iii. το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc, iv. και η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc σε συγκεκριμένες συνθήκες φωτισμού (πυκνότητα ισχύος και φάσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας) και θερμοκρασίας του στοιχείο. Η γνώση των χαρακτηριστικών αυτών μεγεθών επιτρέπει τον έλεγχο της αποδοτικότητας του φωτοβολταϊκού στοιχείου κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, που να αντιπροσωπεύουν τυπικές καταστάσεις εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Για 50

52 το σκοπό αυτό, καθορίστηκαν διεθνώς, οι ακόλουθες πρότυπες συνθήκες ελέγχου (Standard Test Conditions, STC) των χαρακτηριστικών ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου ή πλαισίου. ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας 1 kw/m 2 Ηλιακό φάσμα ΑΜ1.5 Θερμοκρασία ΦΒ στοιχείου 25 C ± 2 C Στα ειδικά εργαστήρια ελέγχου και πιστοποίησης των χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών στοιχείων, ο χώρος ελέγχου βρίσκεται στην προκαθορισμένη θερμοκρασία των 25 C. Το φάσμα εκπομπής της χρησιμοποιούμενης πηγής φωτισμού, προσομοιάζει προς το ηλιακό, του συγκεκριμένου φάσματος (AM 1.5). Η πηγή αυτή λειτουργεί στιγμιαία, ώστε η θερμοκρασία του υλικού του ΦΒ στοιχείου να παραμένει στα προκαθορισμένα όρια των προτύπων συνθηκών. Επιπλέον, η ακτινοβολία από την τεχνητή πηγή προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Στην πράξη, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, ενσωματωμένα στη μονάδα που ονομάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο, λειτουργούν κάτω από φυσικό ηλιακό φως, του οποίου τα χαρακτηριστικά μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της ημέρας καθ όλο το έτος και η αποδιδόμενη ηλεκτρική ενέργεια εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και από τις ιδιαίτερες κλιματικές συνθήκες του τόπου εγκατάστασης. Σε μερικά εργαστήρια, πραγματοποιούνται μετρήσεις χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών στοιχείωνπλαισίων χρησιμοποιώντας φυσικό ηλιακό φως με τα χαρακτηριστικά των πρότυπων συνθηκών. Με βάση τις πρότυπες συνθήκες, εισάγεται η έννοια της ισχύος αιχμής (Ρ Ρ ), ως χαρακτηριστικό του φωτοβολταϊκού στοιχείου, η δε μονάδα της στο SI είναι W P. Ισχύς αιχμής ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, είναι η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς, που μπορεί να αποδώσει, κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC). Η έννοια αυτή χρησιμοποιείται ομοίως, για το χαρακτηρισμό ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου ή μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Αποτελεί το χαρακτηριστικό στοιχείο με βάση το οποίο προσδιορίζεται το μέγεθος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. 4.4 Μοντελοποίηση ηλιακών κελιών Το απλούστερο μοντέλο ηλιακού κελιού παρουσιάζεται στο παρακάτω Σχήμα: 51

53 Σχήμα 4.10: Απλό μοντέλο ηλιακού κελιού Στο μοντέλο αυτό το ρεύμα κελιού προκύπτει από το συνδυασμό του φωτορεύματος Iph, δηλαδή του ρεύματος που παράγεται από την έκθεση σε ηλιακή ακτινοβολία και είναι ανάλογο αυτής και του ρεύματος της διόδου που δημιουργείται λόγω της ύπαρξης της επαφής p n. Έτσι ισχύει η παρακάτω εξίσωση: I cell = I ph I D = I ph I 0 (e qv/kt 1 ) όπου: I cell : ρεύμα κελιού I ph : φωτορεύμα, ανάλογο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας I D : ρεύμα διόδου Ι 0 : ρεύμα διαρροής της διόδου q: φορτίο ηλεκτρονίου V: τάση στα άκρα της διόδου k: σταθερά Boltzmann Τ: θερμοκρασία (Κ) Από την παραπάνω εξίσωση γίνεται φανερό ότι οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή ρεύματος σε ένα ηλιακό κελί είναι η ένταση της ακτινοβολίας και η θερμοκρασία. Ωστόσο, ένα ακριβέστερο μοντέλο ενός ηλιακού κελιού πρέπει να εμπεριέχει και τις ηλεκτρικές αντιστάσεις των υλικών, όπως παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα: 52

54 Σχήμα 4.11: Μοντέλο ηλιακού κελιού με αντιστάσεις Στην περίπτωση αυτή η εξίσωση που περιγράφει το ηλιακό κελί είναι η παρακάτω: I cell I ph I 0 e q k T V load I l R cel 1 V 1 load I όπου Rs, R P είναι εν σειρά και εν παραλλήλω ηλεκτρικές αντιστάσεις: Μακροσκοπικά, ένα ηλιακό κελί μοντελοποιείται με την βοήθεια της χαρακτηριστικής του καμπύλης έντασης τάσης I V (I V curve) ή ισχύος τάσης P V (P V curve). Τυπικές καμπύλες παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα:[22] R cell p R s Σχήμα 4.12: Καμπύλες I V και P V ενός ηλιακού κελιού Χαρακτηριστικά μεγέθη αποτελούν: Η τάση ανοικτού κυκλώματος Voc: είναι η τάση που επικρατεί στην έξοδο ενός ηλιακού κελιού όταν τα δύο άκρα του είναι ανοικτά Το ρεύμα βραχυκύκλωσης: Isc: είναι το ρεύμα που διαρρέει το ηλιακό κελί όταν τα δύο άκρα του βραχυκυκλωθούν. Η μέγιστη ισχύς του κελιού Pmpp (maximum power point): είναι η μέγιστη ισχύς του ηλιακού κελιού που αντιστοιχεί σε τάση Vmpp και ένταση Impp. 53

55 Με στόχο τη δυνατότητα σύγκρισης διαφορετικών κελιών ή και πάνελ υπό κοινές συνθήκες, έχουν οριστεί οι λεγάμενες Πρότυπες Συνθήκες Ελέγχου, περισσότερο γνωστές ως STC συνθήκες από τα αρχικά των λέξεων Standard Test Conditions. Οι συνθήκες αυτές αντιστοιχούν σε : Ένταση προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας ίσης προς 1000W/m 2. Θερμοκρασία κελιού ίση προς 25 C. Μάζα αέρα (air mass) ίση προς 1.5 Η μάζα αέρα είναι μία παράμετρος που πρακτικά σχετίζεται με τη διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας διαμέσου της ατμόσφαιρας. Έτσι όταν ο ήλιος βρίσκεται κάθετα στην επιφάνεια της γης, η ηλιακή ακτινοβολία περνάει μόνο μία φορά διαμέσου του ατμοσφαιρικού αέρα, γεγονός που δηλώνεται ως ΑΜ=1. Ο παράγων ΑΜ = 1.5, που χρησιμοποιείται ως πρότυπη συνθήκη για τον χαρακτηρισμό των ηλιακών κελιών αντιστοιχεί σε γωνία του ήλιου ίση προς 41.8 ως προς τον ορίζοντα. Ιδιαίτερη μνεία πρέπει να γίνει στον παράγοντα της θερμοκρασίας κελιού, η οποία είναι συνήθως κατά C υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Έτσι συνήθως οι κατασκευαστές παρέχουν και τα δεδομένα ισχύος στις λεγάμενες NOCT συνθήκες (Normal Operating Cell Temperature), οι οποίες αντιστοιχούν σε θερμοκρασία κελιού περί τους C για θερμοκρασία περιβάλλοντος 20 C, ένταση ακτινοβολίας 800W/m 2 ΑΜ=1.5 και ταχύτητα ανέμου 1 m/sec. Τα δεδομένα αυτά παρέχουν μία περισσότερο ρεαλιστική εικόνα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τα ηλιακά κελιά, αναφορικά με τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες. 4.5 Επίδραση έντασης ακτινοβολίας και θερμοκρασίας[19][20][21][22] Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και η θερμοκρασία αποτελούν τους δύο κυριότερους παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή ενέργειας από ένα ηλιακό κελί. Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει τη μεταβολή της I V χαρακτηριστικής ενός ηλιακού κελιού με μεταβολή της έντασης ακτινοβολίας: 54

56 Σχήμα 4.13: Επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας στην καμπύλη I V ενός ηλιακού Κελιού Όπως προκύπτει από το Σχήμα 5.13, η ένταση ηλιακής ακτινοβολίας επιδρά (σχεδόν ανάλογα) στο ρεύμα βραχυκύκλωσης του κελιού ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος αυξάνεται ελαφρά με την αύξηση της έντασης. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η σχεδόν αναλογική σχέση ανάμεσα στην ισχύ του κελιού και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, για σταθερές φυσικά θερμοκρασίες κελιού. Το Σχήμα 10 παρουσιάζει την επίδραση της θερμοκρασίας κελιού στην I V χαρακτηριστική του κελιού: 55

57 Σχήμα 4.14: Επίδραση της θερμοκρασίας στην I V χαρακτηριστική ενός ηλιακού κελιού Όπως προκύπτει από το Σχήμα 4.14, η θερμοκρασία επιδρά κυρίως στην τάση του ηλιακού κελιού. Ειδικότερα, η τάση ανοικτού κυκλώματος αυξάνεται σημαντικά με μείωση της θερμοκρασίας, γεγονός που πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη κατά το σχεδίασμά ενός συστήματος, ενώ το ρεύμα βραχυκύκλωσης μειώνεται ελαφρά. Συνολικά, η ισχύς του ηλιακού κελιού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Συνήθως οι κατασκευαστές των ηλιακών κελιών και πάνελ αναφέρουν ενδεικτικούς συντελεστές μεταβολής των παρακάτω μεγεθών με τη θερμοκρασία: Ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc, με τυπικές τιμές της τάξης του 0,04 0,07% ανά βαθμό Kelvin (ή Κελσίου) Τάση ανοικτού κυκλώματος Voc με τυπικές τιμές της τάξης του 0,3 έως 0,4% ανά βαθμό Kelvin (ή Κελσίου). Μέγιστη ισχύς Pmpp με τυπικές τιμές της τάξης του 0,4 έως 0,5% ανά βαθμό Kelvin (ή Κελσϊου). Οι παραπάνω τιμές είναι ενδεικτικές για πάνελ κρυσταλλικού πυριτίου. Για πάνελ άμορφου πυριτίου, η μείωση στις τιμές της τάσης και κυρίως της ισχύος (που είναι και το μέγεθος με το άμεσο ενδιαφέρον) είναι μικρότερη με ενδεικτικές τιμές της τάξης του 0,3% ανά βαθμό Kelvin για την τάση του ανοικτού κυκλώματος και 0,3 έως 0,4% ανά βαθμό Kelvin για την ισχύ του κελιού. Το γεγονός αυτό φανερώνει ένα σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας του άμορφου πυριτίου που είναι η μικρότερη μείωση ισχύος σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο κατά τη σχεδίαση ενός συστήματος και την επιλογή τεχνολογιών θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ο σημαντικά μικρότερο βαθμός απόδοσης (δηλαδή ποσοστού της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που μετατρέπεται σε ηλεκτρικής ενέργεια, 6 7% έναντι 15 17% για κρυσταλλικά κελιά) γεγονός που αυξάνει τις απαιτήσεις χώρου και συναφών εγκαταστάσεων σταθμών με πάνελ άμορφου πυριτίου έναντι αντίστοιχων σταθμών με κρυσταλλικά πάνελ. 4.6 Από τα φωτοβολταϊκά κελιά στα φωτοβολταϊκά πάνελ[19] Τα ηλιακά κελιά χρησιμοποιούνται σπάνια μόνα τους. Συνήθως, κελιά μετά ίδια χαρακτηριστικά συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους ώστε να προκύψει μεγαλύτερη ισχύς με τη μορφή ενός φωτοβολταϊκού πάνελ. Τα πάνελ στη συνέχεια συνδυάζονται μεταξύ τους ώστε να προκύψουν οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί. Τα ηλιακά κελιά μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ή παράλληλα Παράλληλη σύνδεση κελιών Η παράλληλη σύνδεση κελιών αυξάνει την ένταση ρεύματος, όπως φαίνεται και το παρακάτω σχήμα: 56

58 Σχήμα 4.15: Παράλληλη σύνδεση ηλιακών κελιών Η τάση στα άκρα του συνδυασμού παραμένει η ίδια με την τάση του κάθε κελιού. Έτσι η χαρακτηριστική ρεύματος τάσης του συνδυασμού προκύπτει από την άθροιση των τιμών ρεύματος για την ίδια τιμή τάσης, όπως για παράδειγμα φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα: Σχήμα 4.16: Παράδειγμα χαρακτηριστικής I V για παράλληλη σύνδεση κελιών Η παράλληλη σύνδεση κελιών δεν χρησιμοποιείται συνήθως καθώς η μεγαλύτερη ένταση ρεύματος απαιτεί και μεγαλύτερες διατομές αγωγών, ενώ και οι απώλειες αυξάνονται με τη μείωση της τάσης. Για τους παραπάνω λόγους, η σύνδεση των κελιών γίνεται συνήθως εν σειρά Σύνδεση κελιών σε σειρά Στη σύνδεση κελιών σε σειρά υπάρχει η ίδια ροή ρεύματος ανά κελί ενώ η τάση είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων των κελιών, όπως προκύπτει και από το παρακάτω σχήμα: 57

59 Σχήμα 4.17: Εν σειρά σύνδεση κελιών Αντίστοιχα, η χαρακτηριστική ρεύματος τάσης του συνδυασμού προκύπτει από το άθροισμα των τιμών τάσεων των καλιών για την ίδια τιμή έντασης ρεύματος, όπως για παράδειγμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 4.18: Παράδειγμα I V χαρακτηριστικής κελιών συνδεδεμένων σε σειρά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΤΗΝ ΕΠΗΡΡΕΑΖΟΥΝ 58

60 5.1 Συντελεστής απόδοσης Φ/β πλαισίου[23][24] Ο συντελεστής απόδοσης ενός ΦΒ πλαισίου είναι το πηλίκο της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα στο πλαίσιο, ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας G. S. Pm n m GS όπου P m η αποδιδόμενη μέγιστη ηλεκτρική ισχύς G η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του ΦΒ πλαισίου S το εμβαδόν του πλαισίου Η απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής τους, τη θερμοκρασία των κυψελίδων και την πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Άλλος παράγοντας είναι το φαινόμενο της θερμής κηλίδας σύμφωνα με το οποίο όταν μία κυψελίδα υποστεί βλάβη επιφέρει ολική αχρήστευση του φωτοβολταϊκού πλαισίου διότι η σκιασμένη κυψελίδα λειτουργεί όπως η απλή δίοδος ρ η, η οποία όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, δέχεται από τις άλλες μια υψηλή ανάστροφη τάση με αποτέλεσμα την καταστροφή της. Άλλοι παράγοντες είναι η εισχώρηση υγρασίας στο εσωτερικό των ΦΒ πλαισίων και οι συνακόλουθες αλλοιώσεις δομής της ΦΒ κυψελίδας, οι σκόνες και άλλα σώματα στην επιφάνεια όψης των πλαισίων. 5.2 Αναλυτική παρουσίαση παραγόντων που επηρεάζουν την απόδοση ΦΒ πλαισίων[23][24][25][26] I) Παράγοντας γήρανσης ΦΒ πλαισίου Προσδιορίζει την ελάττωση της απόδοσης ΦΒ πλαισίου λόγω της γενικότερης αλλοίωσης της ΦΒ κυψελίδας η οποία οφείλετε κυρίως στην υπερθέρμανση κάποιων ΦΒ στοιχείων ή τμημάτων του πλαισίου. Η απόδοση του ΦΒ πλαισίου μειώνεται τυπικά 1 % το χρόνο λόγω της γήρανσης του υλικού και για αυτό το λόγο οι εταιρίες δίνουν εγγύηση 25 χρόνων. ΙΙ) Οπτικές ενεργειακές απώλειες Αυτές καθορίζονται από την απόκλιση της απόδοσης σε σχέση με αυτή των πρότυπων συνθηκών, λόγω των επόμενων αιτιών: Διαφοροποίηση ανακλαστικότητας ΦΒ πλαισίου σε σχέση με την αντίστοιχη σε STC. Δηλαδή η αύξηση της ανακλαστικότητας του φωτοβολταϊκού πλαισίου εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτινών στην επιφάνειά του. Σε γωνίες πρόσπτωσης πάνω από τις 60 έχουμε αυξημένη ανακλαστικότητα ενώ για μικρότερες γωνίες είναι η μεταβολή είναι ασήμαντη. Επίδραση διαφοροποίησης φάσματος ακτινοβολίας σε σχέση με το ΑΜ1,5 Αφορούν στην επίδραση της διαφοροποίησης του φάσματος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια της ημέρας. Απώλειες διαφοροποίησης της πόλωσης. 59

61 Διαφοροποίηση της πόλωσης της προσπίπτουσας διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια της ημέρας Επίδραση διαφοροποίησης φάσματος ακτινοβολίας σε σχέση με το ΑΜ1.5. Αφορά την επίδραση που έχει η διαφοροποίηση του AM κατά την διάρκεια της ημέρας σε σχέση με το ΑΜ1.5 των προτύπων συνθηκών. Απώλειες διαφοροποίησης της πόλωσης. Διαφοροποίηση της πόλωσης της προσπίπτουσας διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια της ημέρας. Η μέση ετήσια επίδραση του παράγοντα αυτού προσδιορίζεται σε ~2%. Απώλειες χαμηλών τιμών πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Σε χαμηλές τιμές ηλιακής ακτινοβολίας μειώνεται η απόδοση της φωτοβολταϊκής κυψελίδας και κυρίως σε ηλιακή ακτινοβολία κάτω της τιμής των 200W/m 2. Οι συγκεκριμένες απώλειες υπολογίζονται σε 3% κατά μέσο όρο το έτος. Καθαρότητα όψεως του ΦΒ πλαισίου. Η καθαρότητα της γυάλινης επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι σημαντική διότι η επικάθιση σκόνης και λοιπών άλλων σωματιδίων προκαλεί μείωση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. ΙΙΙ) Επίδραση θερμοκρασίας ΦΒ κυψελίδας Περιγράφει την διαφοροποίηση της απόδοσης του πλαισίου, λόγω της διαφοράς μεταξύ της θερμοκρασίας λειτουργίας της κυψελίδας και της θερμοκρασίας της σε πρότυπες συνθήκες (STC). Ο παράγων θερμοκρασίας της φωτοβολταϊκής κυψελίδας περιγράφεται από την ακόλουθη έκφραση: n T 1 Pm c SIC Όπου θ c = θερμοκρασία κυψελίδας, γ Pm,= Θερμικός συντελεστής της απόδοσης Για το πυρίτιο ο θερμικός συντελεστής είναι περίπου 0,0045/Κ στη περιοχή θερμοκρασιών κυψελίδας C. Αυτή η εξάρτηση της θερμοκρασίας της φωτοβολταϊκής κυψελίδας από τις συνθήκες περιβάλλοντος του φωτοβολταϊκού πλαισίου μπορεί να δοθεί με μια πιο αναλυτική έκφραση η οποία είναι: G1 ws θ θ T e T2 Δθ B c α 1 GSIC Όπου θ α = θερμοκρασία του περιβάλλοντα αέρα G t = πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του φωτοβολταϊκού πλαισίου, Β = εμπειρικός συντελεστής ws = ταχύτητα ανέμου, Τ 1 και Τ 2 = εμπειρικοί συντελεστές που προσδιορίζονται με βάση τις οριακές τιμές της θερμοκρασίας κυψελίδας σε χαμηλές και υψηλές ταχύτητες ανέμου, Δθ = η διαφορά θερμοκρασιών κυψελίδας και της πίσω επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου. IV) Συντελεστής απωλειών στη δίοδο α.ντεπιστροφής,n D. Είναι ένας συντελεστής ο οποίος εκφράζει τις απώλειες ενέργειας στη δίοδο αντεπιστροφής οι οποίες εκτιμώνται σε ~1% άρα ο συντελεστής απωλειών είναι n D =

62 5.3 Επίδραση της θερμοκρασίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του φωτοβολταικού πλαισίου[23][24][25][26] Τα ηλεκτρικά στοιχεία που θα τεθούν υπό σύγκριση είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc, η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc, η τιμή του ρεύματος του πλαισίου I m, η τάση V m στο σημείο μέγιστης ισχύος και η μέγιστη ισχύς του, P m. Τα ηλεκτρικά στοιχεία αυτά θα συγκριθούν με τα αντίστοιχα που δίνει ο κατασκευαστής σε πρότυπες συνθήκες (STC). Η ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια στην κυψελίδα και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας της. Σε συνθήκες χρήσης στο ύπαιθρο, όπου το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ενσωματωμένο σε ΦΒ πλαίσιο, η διαφορά θερμοκρασιών λειτουργίας της κυψελίδας και της θερμοκρασίας του περιβάλλοντα αέρα αυξάνεται γραμμικά, ως συνάρτηση της πυκνότητας της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, δηλαδή: θc - θ G Όπου α o kw 30 C m θ C = θερμοκρασία λειτουργίας κυψελίδας 2 θ α = θερμοκρασία περιβάλλοντα αέρα G = πυκνότητα ολικής ηλιακής ακτινοβολίας Εφόσον μεταβάλλεται λοιπόν αυτή η διαφορά, μεταβάλλονται το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc και η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc. Γενικά παρατηρείται μια σταθερή ποσοστιαία αύξηση του I sc από τους 10 C έως τους 60 C της θερμοκρασίας της φωτοβολταϊκής κυψελίδας. Αυτή η αύξηση αποδίδεται ως εξής: I sc E E SIC I sc,sic 1 1 sc c SIC dlsc a sc Όπου IscdT = θερμικός συντελεστής του ρεύματος βραχυκύκλωσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου, I sc, stc = η τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης σε STC, Ε = η πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας, E stc = 1000 W/m 2 Τ = θ. Από τον προηγούμενο τύπο βλέπουμε ότι έχουμε αναλογική εξάρτηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης από την πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας. Ο συντελεστής a Isc έχει τιμές στο διάστημα Κ 1, με τιμή αναφοράς a Isc = K 1. Η τάση ανοικτού κυκλώματος μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας της κυψελίδας. Αυτή την εξάρτηση την βλέπουμε αναλυτικά στην παρακάτω έκφραση: V oc V oc,sic 1 E V c SIC 1 c In oc ESTC Όπου V oc,stc = τάση ανοικτού κυκλώματος σε STC, δ(θ c ) = διορθωτικός παράγοντας της εξάρτησης της Voc από την Ε, β Voc V dv oc dt oc θερμικός συντελεστής τάσης ανοικτού κυκλώματος του 61

63 φωτοβολταϊκού στοιχείου. Το β VOC έχει τιμές στο διάστημα K 1 με τιμή αναφοράς β V oc = 0.004K 1. Αυτή η ελάττωση οφείλεται στην εξάρτηση του ρεύματος κόρου της διόδου από τη θερμοκρασία. Η ηλεκτρική ισχύς που αποδίδεται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο όταν αυτό λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος περιγράφεται από τον παρακάτω τύπο: E Pm Vm Im Pp 1 γ P θ c θsic m E γ Όπου P m SIC dp PmdT = θερμικός συντελεστής μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού στοιχείου, P p =V m,stc. I m,stc = μέγιστη ηλεκτρική ισχύς σε πρότυπες συνθήκες. Ο θερμικός συντελεστής μεγίστης ισχύος είναι προσεγγιστικά ίσος με 1 γ P m K για το c Si. Επομένως, ο παράγων θερμότητας που καθορίζει την επίδραση της θερμοκρασίας στην τιμή της ισχύς αιχμής και στο συντελεστή απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου δίνεται ως εξής: n 1 γ θ θ m T P c STC Όπως βλέπουμε από τον παραπάνω τύπο η ισχύς αιχμής και η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου εμφανίζουν γραμμική εξάρτηση από τη θερμοκρασία. Οι σχέσεις των I sc και V oc που προαναφέρθηκαν οι οποίες περιγράφουν την εξάρτηση αυτών των στοιχείων από τη θερμοκρασία της φωτοβολταϊκής κυψελίδας ισχύουν και στην περίπτωση του φωτοβολταϊκού πλαισίου με τη διαφορά όμως ότι η V oc προκύπτει από το άθροισμα των επιμέρους τάσεων των στοιχείων που βρίσκονται συνδεδεμένα σε σειρά. Οι σχέσεις που περιγράφουν την εξάρτηση του ρεύματος και της τάσεως του φωτοβολταϊκού πλαισίου όταν αυτό λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος του είναι οι εξής: E Ιm θ c, E Im,STC 1 αιm θ c θstc C0 E V m V m,stc STC 1 β Vm θ c θ STC C1 In 62 E E STC C 2 In E E STC 2 Όπου α Ιm = θερμικός συντελεστής ρεύματος στην κατάσταση του σημείου λειτουργίας, β Vm = θερμικός συντελεστής τάσης στην κατάσταση του σημείου λειτουργίας, I m, STC = ρεύμα σε πρότυπες συνθήκες, V m,stc = τάση σε πρότυπες συνθήκες, C 0, C 1, C 2 = εμπειρικοί συντελεστές προσαρμογής στα πειραματικά δεδομένα. Οι θερμικοί συντελεστές της τάσης και του ρεύματος εξαρτώνται από το υλικό των φωτοβολταϊκών στοιχείων, από τη θερμοκρασία και από την πυκνότητα ισχύος. Η αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς από το φωτοβολταϊκό πλαίσιο υπολογίζεται σύμφωνα με τις παραπάνω εξισώσεις ως εξής:

64 Pm θ, E I θ, E V θ, E c m c m c Η ισχύς αυτή στην περίπτωση του c Si (κρυσταλλικό πυρίτιο) περιγράφεται από τη σχέση: E Pm θ c,e Pp 1 γp θ c θstc m ESTC Όπου γ Pm είναι ο θερμικός συντελεστής μέγιστης ισχύος ο οποίος εξαρτάται από τη θερμοκρασία της φωτοβολταϊκής κυψελίδας, το υλικό της και την πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. 63

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 6.1 Εισαγωγή Στις επόμενες παραγράφους θα αναφερθούμε λεπτομερώς στη διαδικασία που ακολουθήθηκε για την αποτύπωση της εξάρτησης των I V χαρακτηριστικών σε συνάρτηση με την θερμοκρασία περιβάλλοντος των φωτοβολταικών συστημάτων που βρίσκονται στο Εργαστήριο Φυσικής του Τμήματος Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης του Πανεπιστημίου Αιγαίου. Πιο συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις που αφορούσαν τις ακόλουθες περιπτώσεις για ημέρες και ώρες με διαφορετική θερμοκρασία περιβάλλοντος: Ένα μεμονωμένο φωτοβολταικό πλαίσιο Δύο φωτοβολταικά πλαίσια συνδεδεμένα σε σειρά και Δύο φωτοβολταικά πλαίσια συνδεδεμένα παράλληλα 6.2 Μετρήσεις Οι μετρήσεις που έγιναν όπως προαναφέρθηκε αφορούσαν ένα φ/β πλαίσιο συνδεδεμένο με τη συσκευή PVPM, δύο φ/β πλαίσια συνδεδεμένα σε σειρά καθώς και δύο φ/β συνδεδεμένα μεταξύ τους παράλληλα. Στις 16/09/15 η θερμοκρασία περιβάλλοντος ήταν 28.5οC ενώ στις 21/09/15 η θερμοκρασία κυμαινόταν από 28ο C έως 31ο C. Οι αντίστοιχες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του φωτοβολταικού πλαισίου για τις 16/09/15 ήταν από 28,8ο C έως 47ο C και στις 21/09/15 από 33ο C έως 49ο C όπως απεικονίζονται αναλυτικά στον παρακάτω πίνακα. ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Θπεριβάλ(0C) Θπλαισίου(0C) 16/09/ /09/ /09 1 Φ/Β Για ένα φ/β στις 16/09/14 βλέπουμε ότι οι τιμές του ρεύματος I κυμαίνονται από 0,31 Α μέχρι 0,34 Α ενώ η τάση V κυμαίνεται από 20 V έως 20.7 V.H τιμή τους στην βέλτιστη καμπύλη είναι 0.34 Α και 20.3 V αντίστοιχα. 64

66 2 Φ/Β ΣΕ ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΕ ΣΕΙΡΑ Για δύο φ/β στις 16/09/14 συνδεδεμένα σε σειρά οι τιμές του ρεύματος κυμαίνονται από 0.33 A έως 0.35 Α ενώ η τάση V κυμαίνεται από 39.7 V έως 40.5 V(διπλάσια τάση).h τιμή τους στην βέλτιστη καμπύλη είναι 0.35 Α και 40.3 V αντίστοιχα. 65

67 3 Φ/Β ΣΕ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΣΥΝΔΕΣΗ Για δύο φ/β στις 16/09/14 συνδεδεμένα παράλληλα οι τιμές του ρεύματος κυμαίνονται από 0.63 Α έως 0.7 Α (διπλάσια ένταση) ενώ η τάση από 19.9 V έως 21 V.H τιμή τους στην βέλτιστη καμπύλη είναι 0.7 Α και 21 V αντίστοιχα. 21/09/14 1 Φ/Β Για ένα φ/β στις 21/09/14 βλέπουμε ότι οι τιμές του ρεύματος I κυμαίνονται από 0,29 Α μέχρι 0,35 Α ενώ η τάση V κυμαίνεται από 19.6 V έως 21 V.H τιμή τους στην βέλτιστη καμπύλη είναι 0.33 Α και 20 V αντίστοιχα. 66

68 2 Φ/Β ΣΕ ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΕ ΣΕΙΡΑ Για δύο φ/β στις 21/09/14 συνδεδεμένα σε σειρά οι τιμές του ρεύματος κυμαίνονται από 0.29 A έως 0.35 Α ενώ η τάση V κυμαίνεται από 39.1 V έως 41 V (διπλάσια τάση). Η τιμή τους στην βέλτιστη καμπύλη είναι 0.35 Α και 40.3 V αντίστοιχα. 67

69 2 Φ/Β ΣΕ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΣΥΝΔΕΣΗ Για δύο φ/β στις 21/09/14 συνδεδεμένα παράλληλα οι τιμές του ρεύματος κυμαίνονται από 0.57 Α έως 0.69 Α (διπλάσια ένταση) ενώ η τάση από 19.5 V έως 20.6 V.H τιμή τους στην βέλτιστη καμπύλη είναι 0.64 Α και 20.2 V αντίστοιχα. Βέλτιστες καμπύλες Ι V για κάθε περίπτωση Διάγραμμα της 16/09 για ένα φ/β Διάγραμμα της 16/09 για δύο φ/β πλαίσια συνδεδεμένα σε σειρά 68

70 Διάγραμμα της 16/09 για δύο φ/β πλαίσια συνδεδεμένα σε παράλληλα Διάγραμμα της 21/09 για ένα φ/β Διάγραμμα της 21/09 για δύο φ/β σε σύνδεση σε σειρά 69

71 Διάγραμμα της 21/09 για 2 φ/β σε παράλληλη σύνδεση Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει από τις μετρήσεις τις δύο αυτές ημέρες είναι ότι η θερμοκρασία επιδρά κυρίως στην τάση του ηλιακού κελιού. Ειδικότερα, η τάση ανοικτού κυκλώματος αυξάνεται αισθητά με την μείωση της θερμοκρασίας, γεγονός που πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη κατά τον σχεδιασμό ενός φωτοβολταικού συστήματος, ενώ το ρεύμα βραχυκύκλωσης μειώνεται ελαφρά. Ειδικότερα η αύξηση της τάσης ανοικτού κυκλώματος γίνεται πιο αισθητή με την μείωση της θερμοκρασίας στην περίπτωση όπου τα δύο φωτοβολταικά πλαίσια είναι συνδεδεμένα σε σειρά, ενώ η μείωση του ρεύματος βραχυκύκλωσης είναι πιο σημαντική στην περίπτωση όπου τα δύο πλαίσια είναι συνεδεμένα σε σειρά. Συνολικά, η ισχύς του ηλιακού κελιού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σε κάθε περίπτωση όμως απαιτούνται μετρήσεις περισσότερων ημερών και σε διαστήματα με μεγάλες θερμοκρασιακές διαφορές ώστε να καταλήξουμε σε ασφαλέστερα συμπεράσματα. Παρόλα αυτά όμως οι μεταβολές των χαρακτηριστικών I V των εργαστηριακών φωτοβολταικών πλαισίων που μελετήθηκαν, είναι σύμφωνη με τα αποτελέσματα των θεωρητικών προβλέψεων. 70

72 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1].Λαπρίδης,Π. Ντοκόπουλος, Γ.Παπαγιάννης «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Εκδόσεις ΖΗΤΗ, Θεσσαλονίκη [2].Β.Α. Σωτηρόπουλος, «Τεχνική Φυσικών Διεργασιών/ Ατμοπαραγωγικές Εγκαταστάσεις (Λέβητες)», Εκδόσεις Σύγχρονη Παιδεία, Θεσσαλονίκη 1997 [3].Power from the sun [4].PVGIS European Communities ,Φεβρουάριος 2007 [5].ΣΕΦ Σύνδεσμος Εταιριών Φωτοβολταικών, Φωτοβολταικά Ένας πρακτικός οδηγός. Απρίλιος 2008 [6]. [7]. w solar energy works.html [8].Franz KIninger Photovoltaic Systems Technology SS 2003 Universitat Kassel, 2003 [9].Ν.Μ. Pearsal & Robert Hill, Photovoltaic Modules, Systems and Applications, Northumbria Photovoltaics Applications Centre, University of Northumbria at Newcastle,2001 [10]. μεταπτυχιακή διατριβή μελέτη ενσωμάτωσης φωτοβολταϊκου σταθμού στη ΔΗΜΟΤΙΚΗ ΑΓΟΡΑ Χανίων, Σταυρόπουλος Κωνσταντίνος και ΣΕΝΕΡΣ ΕΠΕ Διασυνδεδεμένα Φωτοβολταϊκά συστήματα. [11].Μ. Βραχόπουλος «ΦΒ συστήματα»,παρουσίαση στο Επιστημονικό τριήμερο & Έκθεση Υλικών με θέμα «κτίριο και ενέργεια», Λάρισα Οκτωβρίου, 2011 [12]. [13].Θ.Ζαχαρίας, Σημειώσεις «ήπιες μορφές ενέργειας 2»,Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πάτρα 2005 [17].Ε. Χανιάς, Χρήση φ/β συστημάτων και στοιχείων, Αύγουστος 2009 [18].Γκαγτζή Α. & Κατριαδάκη Ι., Μελέτη «Μέτρηση βαθμού απόδοσης φωτοβολταικών στοιχείων και μελέτη της εξάρτησης του από τη θερμοκρασία [19].KYOCERA Corp. [20].Garg H.P., Agarwal R.K Some aspects of a PV/T collectors/forced circulation flat plate solar water heater with solar cells Energy Conversion and Management, [21].Tonui J.k., Tripanagnostopoulos Y. Improved performance PVT/AIR solar system, 20th EPSEC, Barcelona,

73 [22].Bergene T., Lovvik O.M. Model calculations on a flat plane solar heat collectors with intergrated solar cells, Solar energy, Vol 55, [23].Chow T.T. Performance analysis of photovoltaic thermal collector by explicit dynamic model Solar energy, Vol 75,2003. [24].Αρκούδης Γεώργιος «Τεχνικοοικονομική αξιολόγηση φωτοβολταικών συστημάτων στην Ελλάδα», Αθήνα 2007 [25].Kipp & Zonen [26].Campbell Scientific 72

74 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 16/09/2014 Ένα Φ/Β 73

75 74

76 75

77 76

78 77

79 1 Φ/Β 78

80 Τ περιβάλλοντος=28 ο C και Tφ/β=28.8 ο C 79

81 Τ περιβάλλοντος=28 ο C και Tφ/β=35.5 ο C 80

82 Τ περιβάλλοντος=28 ο C και Tφ/β=39 ο C 81

83 Τ περιβάλλοντος=28 ο C και Tφ/β=47 ο C 82

84 83

85 84

86 Τ περιβάλλοντος=28 ο C και Tφ/β=38 ο C 21/09/14 Ένα Φ/Β 85

87 Τ περιβάλλοντος=28 ο C και Tφ/β=33 ο 86

88 Τ περιβάλλοντος=27.2 ο C και Tφ/β=36.5 ο C 87

89 Τ περιβάλλοντος=26.6 ο C και Tφ/β=40 ο C 88

90 Τ περιβάλλοντος=28.2 ο C και Tφ/β=43 ο C 89

91 Τ περιβάλλοντος=28.9 ο C και Tφ/β=48 ο C 90

92 Τ περιβάλλοντος=28.9 ο C και Tφ/β=48 ο C 91

93 Τ περιβάλλοντος=31 ο C και Tφ/β=49 ο C 16/09/14 2 Φ/Β σε σύνδεση σε σειρά 92

94 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=28.8 ο C 93

95 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=35.5 ο C 94

96 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=39 ο C 95

97 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=39 ο C 96

98 97

99 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=47 ο 98

100 21/09/14 2 Φ/Β σε σύνδεση σε σειρά Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=38 ο C 99

101 100

102 Τ περιβάλλοντος=28 ο C και Tφ/β=33 ο C 101

103 102

104 Τ περιβάλλοντος=27.2 ο C και Tφ/β=36.5 ο C 103

105 104

106 Τ περιβάλλοντος=26.6 ο C και Tφ/β=40 ο C 105

107 Τ περιβάλλοντος=28.2 ο C και Tφ/β=43 ο C 106

108 Τ περιβάλλοντος=28.9 ο C και Tφ/β=48 ο C 107

109 Τ περιβάλλοντος=31 ο C και Tφ/β=49 ο C /09/14 2 Φ/Β σε παράλληλη σύνδεση

110 109

111 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=28.8 ο C 110

112 111

113 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=35.5 ο 112

114 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=39 ο C 113

115 114

116 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=47 ο C 115

117 116

118 Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=34.4 ο C 117

119 21/09/14 2 Φ/Β σε παράλληλη σύνδεση Τ περιβάλλοντος=28.5 ο C και Tφ/β=38 ο C 118

120 119

121 Τ περιβάλλοντος=28 ο C και Tφ/β=33 ο C 120

122 121

123 Τ περιβάλλοντος=27.2 ο C και Tφ/β=36.5 ο C 122

124 Τ περιβάλλοντος=26.6 ο C και Tφ/β=40 ο C 123

125 Τ περιβάλλοντος=28.2 ο C και Tφ/β=43 ο C 124

126 Τ περιβάλλοντος=28.9 ο C και Tφ/β=48 ο C 125

127 Τ περιβάλλοντος=31 ο C και Tφ/β=49 ο C 126