«Σύγκριση μετρήσεων της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας με εκτιμώμενες τιμές από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ φωτοβολταϊκής συστοιχίας»

Transcript

1 Α Ρ Ι Σ Τ Ο Τ Ε Λ Ε Ι Ο ΠΑΝΕΠ ΙΣΤΗΜ ΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σ Χ Ο Λ Η Θ Ε Τ Ι Κ Ω Ν Ε Π Ι Σ Τ Η Μ Ω Ν Τ Μ Η Μ Α Φ Υ Σ Ι Κ Η Σ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚ Η Σ ΤΗΣ ΑΤΜ Ο ΣΦΑΙΡΑΣ Τίτλος Πτυχιακής Εργασίας: «Σύγκριση μετρήσεων της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας με εκτιμώμενες τιμές από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ φωτοβολταϊκής συστοιχίας» Καλλιμάνης Δημήτριος Α.Ε.Μ.: Επιβλέπων Καθηγητής: Καθηγητής Αλκιβιάδης Μπάης Θεσσαλονίκη, 2013

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή, κ. Αλκιβιάδη Μπάη τόσο για την ανάθεση της παρούσας πτυχιακής εργασίας, όσο και για την πολύτιμη καθοδήγησή του κατά τη διάρκεια της εκπόνησής της. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου, στους οποίους αφιερώνω και την πτυχιακή εργασία, για την βοήθεια και την συμπαράστασή τους κατά την διάρκεια των σπουδών μου. 2

3 Περίληψη Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να συγκρίνει τις τιμές της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας, όπως αυτές μετρήθηκαν από πυρανόμετρο, με τιμές που υπολογίστηκαν με βάση την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Και οι δύο διατάξεις, τόσο το πυρανόμετρο όσο και η φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι τοποθετημένες στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Για την κατασκευή των διαγραμμάτων βάση των οποίων έγινε η σύγκριση χρησιμοποιήθηκαν οι στιγμιαίες τιμές ανά δεκαπέντε λεπτά. Επίσης λήφθηκαν υπόψη τιμές μεγαλύτερες των 5 W/m 2. Στα πρώτα κεφάλαια της εργασίας γίνεται αναφορά στην ηλιακή ενέργεια καθώς και στη φωτοβολταϊκή τεχνολογία. Δίνονται λεπτομέρειες για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων, για τον τρόπο λειτουργίας τους καθώς και για διάφορα χαρακτηριστικά τους. Στα επόμενα κεφάλαια αναλύονται τα δεδομένα και παρουσιάζονται τα διαγράμματα με τα οποία έγινε η σύγκριση των τιμών. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι πιθανοί λόγοι που πιθανόν ευθύνονται για την όποια απόκλιση εμφανίστηκε. 3

4 Abstract The main aim of this thesis is to compare the measurements of the flux of solar radiation as they were measured by a pyranometer, with values which were estimated from the produced electrical power of a photovoltaic array. Both of the devices, the pyranometer and the photovoltaic array are placed in Thessaloniki. From the construction of the diagrams with which the comparison was made, we took into consideration only measurements of solar radiation flux above 5 W/m 2. In the first chapters of the thesis there is information about the solar radiation and the photovoltaic technology. There are more details about the construction of photovoltaic cells, how they are used and other characteristics of them. In the next chapters, data of the measurements is analyzed and there is a presentation of the diagrams with which the comparison was made. Finally, in the last chapter there are the conclusions and the reasons why there was a divergence between the measurements. 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή..6 Κεφάλαιο 1: Ηλιακή Ακτινοβολία Ο Ήλιος Χαρακτηριστικά της ηλιακής ακτινοβολίας Όργανα μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Πυρανόμετρο.9 Κεφάλαιο 2: Χαρακτηριστικά και μελέτη των φωτοβολταϊκών στοιχείων Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Φωτοβολταϊκό στοιχείο Είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων...13 Κεφάλαιο 3: Φωτοβολταϊκά Πλαίσια και χαρακτηριστικά τους Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών πλαισίων Είδη φωτοβολταϊκών πλαισίων..19 Κεφάλαιο 4: Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Τοποθέτηση Φωτοβολταϊκών πλαισίων Βαθμός απόδοσης Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Ο μετατροπέας DC-AC (Inverter) Τύποι Φωτοβολταϊκών Συστημάτων..27 Κεφάλαιο 5: Ανάλυση δεδομένων..28 Κεφάλαιο 6: Σχόλια Συμπεράσματα 39 Βιβλιογραφία..41 5

6 Εισαγωγή Στόχος της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι να συγκρίνει τις τιμές των μετρήσεων της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας, με τιμές οι οποίες υπολογίστηκαν από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας μετρήθηκε από πυρανόμετρο το οποίο είναι τοποθετημένο στη Σχολή Θετικών Επιστημών του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης στο κέντρο της πόλης, ενώ το φωτοβολταϊκό σύστημα είναι εγκατεστημένο στην περιοχή της Καλαμαριάς. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται αναφορά στην ηλιακή ακτινοβολία, στα χαρακτηριστικά της και στα όργανα με τα οποία την μετράμε. Ειδική αναφορά γίνεται στο πυρανόμετρο, το όργανο το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας. Το δεύτερο κεφάλαιο αφιερώνεται στην ανάλυση του φωτοβολταϊκού φαινομένου, στα φωτοβολταϊκά στοιχεία, στα υλικά κατασκευής τους καθώς και στα κύρια χαρακτηριστικά τους όπως είναι ο συντελεστής απόδοσης και η ισχύς αιχμής. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζονται πληροφορίες για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια με τα οποία εκμεταλλευόμαστε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο σε βιομηχανικό επίπεδο. Αναλύονται τα χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών πλαισίων και αναφέρονται τα είδη τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται πληροφορίες για τα φωτοβολταϊκά συστήματα, τα είδη τους και τα χαρακτηριστικά μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στη μελέτη των φωτοβολταϊκών συστημάτων τα οποία είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο ηλεκτροδότησης όπως είναι το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη εργασία. Στη συνέχεια έχουμε την ανάλυση των δεδομένων από τις μετρήσεις και την παρουσίαση των διαγραμμάτων βάσει των οποίων έγινε η σύγκριση. Ακολουθεί ο σχολιασμός των διαγραμμάτων για το κατά απ όσο συμπίπτουν τα δεδομένα από τις μετρήσεις της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας με τις τιμές που υπολογίστηκαν από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ των φωτοβολταϊκών πλαισίων. 6

7 Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται σύνοψη των συμπερασμάτων που προέκυψαν από τα διαγράμματα και αναφορά στα πιθανά αίτια στα οποία οφείλεται η όποια απόκλιση που παρατηρήθηκε μεταξύ των μετρήσεων. 7

8 Κεφάλαιο 1: Ηλιακή Ακτινοβολία 1.1 Ο Ήλιος Ο Ήλιος είναι ένα τυπικό αστέρι με μάζα περίπου 2*10 30 kg, μέση ακτίνα 696*10 3 km και επιφανειακή θερμοκρασία ~ 6000 Κ. Στον πυρήνα του ηλίου η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή γύρω στους 15*10 6 Κ. Ο Ήλιος αποτελεί μια από τις σημαντικότερες πηγές ενέργειας στο περιβάλλον αφού η εκπεμπόμενη από αυτόν ακτινοβολία απομακρύνεται ακτινικά μεταφέροντας μεγάλες ποσότητες ενέργειας προς όλες τις κατευθύνσεις. 1.2 Χαρακτηριστικά της ηλιακής ακτινοβολίας Το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας που εξέρχεται από την ηλιακή επιφάνεια συμπίπτει σε μεγάλο βαθμό με το τυπικό φάσμα ενός μέλανος σώματος θερμοκρασίας περίπου 6000 Κ. Η περισσότερη ενέργεια περιέχεται μεταξύ nm. Αν κανείς μελετήσει το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να εξάγει συμπεράσματα για τη σύσταση της ηλιακής ατμόσφαιρας καθώς γνωρίζουμε πως τα διάφορα συστατικά απορροφούν η εκπέμπουν σε ορισμένα μήκη κύματος. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με την απόσταση από τον ήλιο. Ηλιακή σταθερά ονομάζεται η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο άνω όριο της ατμόσφαιρας που αντιστοιχεί στη μέση απόσταση ήλιου-γης. Η τιμή της είναι 1367 W/m 2 και μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια ενός έτους κατά 6,9% εξαιτίας της μεταβολής της απόστασης ήλιουγης. Στην επιφάνεια της γης όμως η μέγιστη ροή ενέργειας είναι περίπου 1000 W/m 2. Αυτό οφείλεται στην εξασθένιση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διέλευσή της από την ατμόσφαιρα της γης εξαιτίας κυρίως είτε της σκέδασης είτε της απορρόφησης από διάφορα συστατικά της ατμόσφαιράς της. 8

9 1.3 Όργανα μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Για τη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας χρησιμοποιείται μια ευρεία γκάμα οργάνων ανάλογα με το είδος και την ποιότητα της μέτρησης. Ανάμεσα στα όργανα αυτά είναι το πυρηλιόμετρο, το πυρανόμετρο, πυργεόμετρο και το πυρακτινόμετρο. Επειδή στην παρούσα εργασία οι μετρήσεις λήφθηκαν από πυρανόμετρο θα γίνει αναφορά μόνο στον τρόπο λειτουργίας του συγκεκριμένου οργάνου Πυρανόμετρο Η αρχή λειτουργίας του πυρανομέτρου βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα η οποία προέρχεται τόσο απευθείας από τον ήλιο όσο και από σκέδαση από διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας. Το όργανο αποτελείται από μια μαύρη επιφάνεια απορρόφησης της ακτινοβολίας με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας της και άλλης μίας που βρίσκεται στο εσωτερικό του οργάνου ώστε να παραμένει στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Μεταξύ των δύο αυτών πλακών συνδέονται τα άκρα θερμοηλεκτρικών ζευγών που είναι συνδεδεμένα σε σειρά. Η διαφορά θερμοκρασίας οδηγεί σε εμφάνιση ηλεκτρικής τάσης η οποία είναι ανάλογη της διαφοράς των θερμοκρασιών. Τα πυρανόμετρα τοποθετούνται πλήρως οριζοντιωμένα και σε θέση με όσο το δυνατόν λιγότερα εμπόδια έτσι ώστε να έχουν ελεύθερο ορίζοντα. Στην παρούσα εργασία οι μετρήσεις της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας ελήφθησαν από το πυρανόμετρο που είναι τοποθετημένο στη Σχολή Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ., που είναι το μοντέλο CM21 της Kipp & Zonen. 9

10 Εικόνα 1.1 : Το πυρανόμετρο CM21 της Kipp & Zonen 10

11 Κεφάλαιο 2: Χαρακτηριστικά και μελέτη των φωτοβολταϊκών στοιχείων Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο η ηλιακή ακτινοβολία αποτελεί μία από τις σημαντικότερες πηγές ενέργειας στο περιβάλλον. Ως εκ τούτου έπρεπε να αναπτυχθεί μια τεχνολογία η οποία θα εκμεταλλευόταν τα τεράστια ποσά ενέργειας που έρχονται στη γη από τον ήλιο έτσι ώστε να αντιμετωπισθεί η ολοένα αυξανόμενη ζήτηση της ενέργειας. Η τεχνολογία αυτή, η Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία, πήρε το όνομά της από το φυσικό φαινόμενο που εκμεταλλεύεται, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. 2.1 Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Φωτοβολταϊκό φαινόμενο ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο όταν ένας ημιαγωγός εκτεθεί στην ηλιακή ακτινοβολία, ένα μέρος των φωτονίων που περικλείουν ενέργεια h*v μεγαλύτερη ή ίση από το ενεργειακό χάσμα Ε g του ημιαγωγού, έχουν τη δυνατότητα να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια από τους χημικούς δεσμούς του υλικού Φωτοβολταϊκό Στοιχείο Εικόνα 2.1: Δομή φωτοβολταϊκού στοιχείου πυριτίου 11

12 Στην παραπάνω εικόνα φαίνεται η δομή ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου πυριτίου με επαφή p-n. Ο τύπος p έχει ελεύθερα θετικά φορτία και σταθερά αρνητικά ενώ ο τύπος n ελεύθερα αρνητικά φορτία και σταθερά θετικά. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία κατάλληλης ενέργειας προσπίπτει πάνω στον ημιαγωγό p έχουμε απελευθέρωση ηλεκτρονίων. Υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου στην επαφή p-n, τα ηλεκτρόνια κατευθύνονται προς την περιοχή του τύπου n. Αν συνδέσουμε μία αντίσταση στις ελεύθερες επιφάνειες των ημιαγωγών, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα και κατά συνέπεια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η διάταξη αυτή, η οποία αποτελεί πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο ενώ το παραγόμενο ρεύμα λέγεται φωτορεύμα. Οι ελεύθερες επιφάνειες των ημιαγωγών επιστρώνονται με μεταλλικά φιλμ ώστε να δημιουργηθούν οι δύο εξωτερικές επιφάνειες οι οποίες επιτρέπουν την ηλεκτρική σύνδεση. Για να μην παρεμποδίζεται η ηλιακή ακτινοβολία η επιφάνεια του ημιαγωγού p καλύπτεται από ένα πλέγμα. Η όλη διάταξη καλύπτεται από μια διάφανη επιφάνεια ώστε να προστατεύεται από τις καιρικές συνθήκες. 2.3 Είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων Το πυρίτιο είναι ο ημιαγωγός από τον οποίο κατασκευάζεται η πλειονότητα των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Υπάρχουν τέσσερεις τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου οι οποίοι προκύπτουν από τον τρόπο κατασκευής ή τη δομή του βασικού υλικού. Αυτοί είναι: Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (c-si) Φωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (m-si) Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (a-si) Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια της φωτοβολταϊκής συστοιχίας από την οποία πήραμε τα δεδομένα αποτελούνται από φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου αποτελούνται από μεγάλους κρυστάλλους, το πάχος του υλικού είναι σχετικά μεγάλο, περίπου 300 nm, και το χρώμα τους είναι μπλε σκούρο. 12

13 Φωτοβολταϊκά στοιχεία κατασκευάζονται και από άλλα υλικά εκτός από το πυρίτιο. Δεν είναι όμως ευρέως διαδεδομένα είτε λόγω χαμηλής απόδοσης είτε λόγω υψηλού κόστους κατασκευής. Τα πιο σημαντικά είναι: 1) Φωτοβολταϊκά στοιχεία αρσενικούχου γαλλίου (GaAs), 2) Φωτοβολταϊκά στοιχεία δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CuInSe 2 ), 3) Φωτοβολταϊκά στοιχεία θειούχου χαλκού-θειούχου καδμίου (Cu 2 S/CdS) 2.4 Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων Το φωτοβολταϊκό στοιχείο έχει την ιδιότητα να διατηρεί σταθερή την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, μπορούμε να πούμε επομένως ότι το φωτοβολταϊκό στοιχείο λειτουργεί ως μια πηγή σταθερού ηλεκτρικού ρεύματος. Κάποια χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι: Η χαρακτηριστική καμπύλη φωτοβολταϊκού στοιχείου Το σημείο λειτουργίας φωτοβολταϊκού στοιχείου Ο βαθμός απόδοσης φωτοβολταϊκού στοιχείου Η ισχύς αιχμής φωτοβολταϊκού στοιχείου Βαθμός Απόδοσης φωτοβολταϊκού στοιχείου (n), ονομάζεται το πηλίκο της μέγιστης αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος P m προς την προσπίπτουσα ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας P a. n = (2.4.1) Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου επηρεάζεται σημαντικά από τους παρακάτω λόγους: Την αποκοπή ηλιακής ακτινοβολίας από το πλέγμα που καλύπτει την εκτιθέμενη στον ήλιο επιφάνεια. Λόγω της ανακλαστικότητας της επιφάνειας Της μη συμμετοχής του συνόλου της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η ικανότητα των δημιουργημένων ζευγών ηλεκτρονίων-οπών να παράγουν ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα είναι περίπου 70%, άρα έχουμε μια επιπλέον απώλεια της τάξης του 30% 13

14 Ισχύς αιχμής φωτοβολταϊκού στοιχείου P p (pick power) ονομάζεται η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς που αποδίδεται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου STC και έχει μονάδα μέτρησης το W p (Watt pick) Οι πρότυπες συνθήκες ελέγχου STC( Standard Test Conditions) που έχουν καθοριστεί διεθνώς είναι: Θερμοκρασία φωτοβολταϊκού στοιχείου 25 ο C ± 2 o C Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ισχύος P STC = 1kW/m 2 και φάσματος αντίστοιχου του ηλιακού με μάζα αέρα ΑΜ=1,5 Κάθετη πρόσπτωση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 14

15 Κεφάλαιο 3: Φωτοβολταϊκά Πλαίσια και χαρακτηριστικά τους Το φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελεί αντικείμενο έρευνας σε εργαστηριακό επίπεδο. Στην πράξη όμως για να εκμεταλλευτούμε την ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιούμε διατάξεις που περιέχουν πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεδεμένα μεταξύ τους. 3.1 Φωτοβολταϊκό Πλαίσιο Ένα σύνολο φωτοβολταϊκών στοιχείων συνδεδεμένων σε σειρά, ώστε να εμφανίζουν συγκεκριμένη τάση ανοικτού κυκλώματος, τοποθετούνται σε επίπεδη γυάλινη πλάκα, υψηλής διαφάνειας, προσαρμοσμένης σε μεταλλικό πλαίσιο, υψηλής αντοχής, συνήθως από ανοδιομένο αλουμίνιο. Το πίσω μέρος καλύπτεται από ειδικό πλαστικό υλικό για προστασία από την υγρασία. Η τελική κατασκευή πληροί ειδικές προδιαγραφές ώστε να διαθέτει την απαραίτητη μηχανική αντοχή, τις κατάλληλες υποδοχές στήριξης και επιπλέον την αυξημένη στεγανότητα για προστασία από την υγρασία. Η διάταξη αυτή αποτελεί την βασική βιομηχανική μονάδα και ονομάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Εικόνα 3.1: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Ε20/333 15

16 Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο της εικόνας 3.1 είναι ένα από τα 25 φωτοβολταϊκά πλαίσια της φωτοβολταικής συστοιχίας από την οποία προήλθαν τα δεδομένα της παρούσας εργασίας. Το πλαίσιο είναι κατασκευασμένο από ανοδιωμένο αλουμίνιο ενώ προστατεύεται από μηχανική καταπόνηση και από υγρασία με την ενθυλάκωσή του σε γυάλινο υλικό πάχους 4 mm, υψηλής διαύγειας καιχαμηλής περιεκτικότητας σε σίδηρο. Επίσης διαθέτει ειδική αντανακλαστική επικάλυψη για καλύτερη απορρόφηση ακτινοβολίας. Φωτοβολταϊκή συστοιχία ονομάζεται μια μονάδα παραγωγής φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας της οποίας βασική μονάδα αποτελεί το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Το παραπάνω φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από 96 φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου σε σχήμα τετραγώνου. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου φωτοβολταϊκού πλαισίου σε πρότυπες συνθήκες ελέγχου. Πίνακας 1 Στον συγκεκριμένο πίνακα βλέπουμε την ισχύ αιχμής του φωτοβολταϊκού πλαισίου, το συντελεστή απόδοσής του καθώς και τον συντελεστή απόδοσης του 16

17 φωτοβολταϊκού στοιχείου ο οποίος είναι μεγαλύτερος από του πλαισίου, κάτι που είναι αναμενόμενο λόγω απωλειών που υπάρχουν στη σύνδεση των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Εκτός από την ισχύ αιχμής και τον συντελεστή απόδοσης στον παραπάνω πίνακα υπάρχουν και άλλα χρήσιμα στοιχεία όπως το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc (6,46 Α) και η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc (65,3 V). Επίσης αναγράφεται η θερμοκρασία, την οποία αποκτά το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ευρισκόμενο σε καθορισμέςνες συνθήκες περιβάλλοντος που προσεγγίζουν μια μέση πραγματική κατάσταση. Η θερμοκρασιακή αυτή περιοχή αφορά τη μέση θερμοκρασιακή κατάσταση του υλικού του φωτοβολταϊκού στοιχείου του πλαισίου στο χρονικό διάστημα 2-3 ωρών πριν και μετά το μεσημέρι μιας αίθριας καλοκαιρινής μέρας σε μέσα γεωγραφικά πλάτη. Χαρακτηρίζεται ως ονομαστική θερμοκαρασία λειτουργίας φωτοβολταϊκής κυψελίδας ( Nominal Operating Cell Temperature, NOCT). Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχουμε NOCT= 45 ± 2 ο C 3.2 Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών πλαισίων Δύο σοβαρά προβλήματα που προκύπτουν στα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι: α) η υγρασία, β) η υπερθέρμανση φωτοβολταϊκού στοιχείου. Υπάρχουν,ωστόσο, τρόποι για την αντιμετώπισή τους. Για την αντιμετώπιση της υγρασίας, καθώς τα φωτοβολταϊκά πλαίσια δεν μπορούν να είναι απολύτως στεγανά οι κατασκευαστές προβλέπουν μια οπή στον πίνακα συνδέσεων έτσι ώστε να απομακρύνεται το νερό που προέρχεται από τη συμπύκνωση των υδρατμών που εισέρχονται στο εσωτερικό του πλαισίου. Η υπερθέρμανση του φωτοβολταϊκού στοιχείου μπορεί να αντιμετωπιστεί με την παράλληλη σύνδεση μιας διόδου παράκαμψης σε κάθε ομάδα φωτοβολταϊκων στοιχείων. Η υπερθέρμανση προκαλείται ως εξής: αν ένα φωτοβλταϊκό στοιχείο δεν δέχεται την προσπίπτουσα στο πλαίσιο ηλιακή ακτινοβολία λόγω κάλυψής του π.χ. από ένα φύλλο, σταματάει να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Επειδή τα φωτοβολταϊκά στοιχεία όμως είναι συνδεδεμένα σε σειρά, το στοιχείο με το μικρότερο ρεύμα βραχυκύκλωσης επιβάλλει στο πλαίσιο το δικό του ρεύμα, έτσι το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα από το πλαίσιο τείνει στο μηδέν. Με τη δίοδο αποφεύγουμε την υπερθέρμανση ενός στοιχείου και 17

18 εξασφαλίζουμε τη λειτουργία του πλαισίου ακόμα και αν καταστραφεί ένα στοιχείο του. Όπως ορίστηκε η ισχύς αιχμής ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου έτσι ορίζεται και η ισχύς αιχμής ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου. Είναι δηλαδή η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς που αποδίδεται από το πλαίσιο κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου. Η τιμή της ισχύος αιχμής των πλαισίων που χρησιμοποιήθηκαν όπως φαίνεται και από τον Πίνακα 1 είναι 333 W p. Η ισχύς αιχμής είναι το σημαντικότερο ηλεκτρικό χαρακτηριστικό ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου και με βάση αυτή αναζητούμε το ιδανικότερο πλαίσιο στο εμπόριο προκειμένου να καλύψουμε τις ανάγκες μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Ο βαθμός απόδοσης ενός πλαισίου προκύπτει ως το πηλίκο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας. n π = (3.2.1) Πιο πάνω αναφέρθηκε πως ο βαθμός απόδοσης του πλαισίου είναι μικρότερος από τον βαθμό απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Αυτό οφείλεται στους παρακάτω παράγοντες: Η μη πλήρης κάλυψη της γεωμετρικής επιφάνειας του πλαισίου από επιφάνεια φωτοβολταϊκών στοιχείων. Η ανομοιογένεια των χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών που συνθέτουν το φωτοβολταϊκό πλαίσιο Η ανακλαστικότητα του υαλοπίνακα του πλαισίου Υπάρχουν διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν το συντελεστή απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Οι πιο χαρακτηριστικοί είναι: α) η γήρανση β) η ρύπανση της επιφάνειας των πλαισίων 18

19 γ) η αύξηση θερμοκρασίας δ) η δίοδος αντεπιστροφής Η απόδοση ενός πλαισίου μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Υπολογίζεται πως υπάρχει μείωση της απόδοσης κατά 1% ανά έτος. Μείωση της απόδοσης λόγω ρύπανσης της επιφάνειας έχουμε εξαιτίας της επικάθησης στην επιφάνεια του πλαισίου σκόνης, φύλλων, χιονιού, αλατιού από τη θάλασσα, εντόμων, ακαθαρσιών κ.λ.π. Επίσης έχουμε μείωση της απόδοσης λόγω αύξησης της θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων κατά 30 ο C από τη λειτουργία τους σε πρότυπες συνθήκες. Η δίοδος αντεπιστροφής με τη σειρά της προκαλεί απώλειες τη ενέργειας της τάξεως του 1%. 3.3 Είδη φωτοβολταϊκών πλαισίων Με στόχο τα φωτοβολταϊκά πλαίσια να προσαρμοστούν περισσότερο στην αρχιτεκτονική μορφή του κτιρίου, οι εταιρίες κατασκευής τους προτείνουν μια πληθώρα λύσεων που ταιριάζουν με τις απαιτήσεις της πρακτικότητας και της αισθητικής. Για παράδειγμα, για τις στέγες των κτιρίων παραδοσιακής μορφής, προτείνεται η χρήση φωτοβολταϊκών πλαισίων με τη μορφή κεραμιδιών (Εικόνα 3.2). Εικόνα 3.2: Φωτοβολταϊκά κεραμίδια 19

20 Στις πλευρές του κτιρίου, μπορούν να τοποθετηθούν φωτοβολταϊκά πλαίσια-ζωγραφικοί πίνακες. Φωτοβολταϊκά πλαίσια ημιπερατά στο ηλιακό φως μπορούν να τοποθετηθούν σε διαδρόμους μεγάλων κτιριακών συγκροτημάτων, συνδυάζοντας τη δυνατότητα φυσικού ημερήσιου φωτισμού του διαδρόμου με τη δυνατότητα τεχνητού φωτισμού από αποθηκευμένη ηλεκτρική ενέργεια κατά τη διάρκεια της νύχτας ή των συννεφιασμένων ημερών. 20

21 Κεφάλαιο 4: Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο Φωτοβολταϊκή Συστοιχία ονομάζεται μια μονάδα παραγωγής φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας της οποίας βασική μονάδα αποτελεί το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο θα μελετήσουμε τα χαρακτηριστικά μιας τέτοιας συστοιχίας, όπως είναι η τοποθέτησή της, ο βαθμός απόδοσής της και από ποια άλλα μέρη αποτελείται μια συστοιχία η οποία είναι συνδεδεμένη στο εθνικό δίκτυο ηλεκτροδότησης. 4.1 Τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πλαισίων Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την μεγιστοποίηση της απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας είναι ο τρόπος με το οποίο τοποθετούνται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Αυτά μπορούν να τοποθετηθούν σε σταθερά στηρίγματα, σε στηρίγματα ρυθμιζόμενης κλίσης, σε στηρίγματα με περιστρεφόμενη βάση ενός άξονα και σε στηρίγματα με περιστρεφόμενη βάση δύο αξόνων. Ακόμη μπορούν να ενσωματώνονται στο κέλυφος του κτιρίου καλύπτοντας τμήματα της οροφής ή των εξωτερικών τοίχων, αντικαθιστώντας μεγάλες επιφάνειες δομικών υλικών. Ας δούμε τώρα τον σημαντικότερο παράγοντα που επηρεάζει την απόδοση μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Αυτός δεν είναι άλλος από τον προσανατολισμό των πλαισίων της συστοιχίας. Ο προσανατολισμός ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου αλλά και κάθε επίπεδης επιφάνειας χαρακτηρίζεται από την γωνία κλίσης και την αζιμούθια γωνία. Γωνία Κλίσης β Είναι η δίεδρη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του φωτοβολταϊκού πλαισίου και στο οριζόντιο επίπεδο και δείχνει πόσο γέρνει το πλαίσιο. 21

22 Αζιμούθια γωνία α Είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κατακόρυφου του φωτοβολταϊκού πλαισίου και τον Νότο. Η γωνία α=0 ο αντιστοιχεί σε τοποθέτηση φωτοβολταϊκού πλαισίου προς τον Νότο, η γωνία α=90 ο προς τη Δύση η γωνία α=-90 ο προς την Ανατολή και γ γωνία α=-180 ο προς τον Βορρά. Στο βόρειο ημισφαίριο τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται προς το Νότο, ενώ στο νότιο ημισφαίριο τοποθετούνται προς το Βορρά. Όπως είναι γνωστό, η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε μία επιφάνεια είναι μέγιστη όταν η επιφάνεια είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι 0 ο. Δεδομένου ότι ο ήλιος μετακινείται συνεχώς στον ουρανό κατά τη διάρκεια της ημέρας, η προηγούμενη συνθήκη εξασφαλίζεται μόνο με την περιστρεφόμενη βάση δύο αξόνων, που αυξάνει σημαντικά το κόστος εγκατάστασης. Έτσι στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται με σταθερή γωνία κλίσης. Λόγω της μεταβολής της απόκλισης δ του ήλιου στη διάρκεια του έτους, η καλύτερη γωνία κλίσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι διαφορετική για κάθε εποχή. Σε όσες περιπτώσεις η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε ένα κτίριο δεν καθορίζεται από την κλίση της επιφάνειας πάνω στην οποία τοποθετούνται,η βέλτιστη γωνία κλίσης στο βόρειο ημισφαίριο εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος φ του τόπου και τηνεπιθυμητή περίοδο λειτουργίας του συστήματος. -Βέλτιστη γωνία κλίσης φωτοβολταϊκών πλαισίων στο βόρειο ημισφαίριο: β = φ για όλη τη διάρκεια του έτους β = φ+15 ο για καλύτερη απόδοση τον χειμώνα β= φ-15 ο για καλύτερη απόδοση το καλοκαίρι 22

23 β = 5 ο -10 ο σε περιοχές με γεωγραφικό πλάτος φ 20 ο,δηλαδή γύρω από τον ισημερινό β = 0 ο σε περιοχές με πολύ μικρή ηλιοφάνεια για να εκμεταλλευτούμε το μέγιστο της διάχυτης ακτινοβολίας Στη συστοιχία την οποία μελετάμε η τοποθέτηση των πλαισίων έπρεπε να γίνει παράλληλα στη στέγη που είναι τοποθετημένα καθώς αυτό υπαγορεύει η υπάρχουσα νομοθεσία. Η κλίση των φωτοβολταϊκών πλαισίων που βρίσκονται στο στέγαστρο είναι 3 ο ενώ σε αυτά στη στέγη Επίσης λόγω της θέσης του κτιρίου, η γωνία αζιμούθια γωνία α ισούται με : α = -20 ο, άρα ο προσανατολισμός τους είναι νοτιοανατολικός. Όλα τα παραπάνω στοιχεία καθώς και τις διαστάσεις των φωτοβολταϊκών πλαισίων μπορούμε να τα δούμε στις παρακάτω εικόνες. Εικόνα 4.1: Κλίση των φωτοβολταϊκών πλαισίων 23

24 Εικόνα 4.2: Προσανατολισμός και Διαστάσεις των φωτοβολταϊκών πλαισίων 4.2 Βαθμός απόδοσης Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Ο συντελεστής απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας, n σ, προκύπτει από το γινόμενο του βαθμού απόδοσης n π ενός πλαισίου της συστοιχίας με δύο συντελεστές. Αυτοί είναι: α) Ο συντελεστής απωλειών ανομοιογένειας ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών πλαισίων της συστοιχίας, β) Ο συντελεστής απωλειών καλωδιώσεων φωτοβολταϊκών πλαισίων και διόδων αντεπιστροφής στη συστοιχία. Η τυπική τιμή για τον συντελεστή ανομοιογένειας είναι n ανομ =0,98 ενώ ίδια είναι και η τυπική τιμή του συντελεστή απωλειών καλωδιώσεων n w,s =0,98. Έτσι συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε πως ο συντελεστής απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας ορίζεται ως: n σ = n π * n ανομ * n w,s = 0,9604* n π (4.2.1) 24

25 4.3 Ο μετατροπέας DC-AC ( Inverter ) Για να διοχετευτεί η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία στο δίκτυο ηλεκτροδότησης είναι απαραίτητη η μετατροπή του ρεύματος από συνεχές σε εναλλασσόμενο. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται ο inverter DC-AC. Ο inverter είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα ισχύος που μετατρέπει συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (μονοφασική ή τριφασική). Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε περιπτώσεις που διαθέτουμε πηγή συνεχούς ηλεκτρικής τάσεως και καταναλωτές εναλλασσόμενης, όπως συμβαίνει π.χ. στις φωτοβολταϊκές εφαρμογές οικιακής χρήσεως. Αποτελείται από ηλεκτρονικούς διακόπτες, η συνδυασμένη λειτουργία των οποίων έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία τετραγωνικών παλμών διαδοχικά ορθών και αντεστραμμένων. Μια βελτιωμένη έκδοση inverter, αποτελεί εκείνος του οποίου η τάση εξόδου παρουσιάζεται με τη μορφή διαμορφωμένου ημιτόνου. Εικόνα 4.3: Inverter Στη συστοιχία που μελετάμε χρησιμοποιήθηκε inverter μοντέλου PHS-SE8k ο οποίος διαθέτει τριφασική έξοδο προς το δημόσιο δίκτυο, δυνατότητα σύνδεσης στο διαδίκτυο ασύρματα ή με ενσωματωμένη θύρα Ethernet και προστασία από 25

26 ανάστροφο ρεύμα. Ο inverter συνοδεύεται από 25, όσα και τα πλαίσια δηλαδή, κουτιά-βελτιστοποιητές (power boxes) τύπου ΒΡ 250-ΑΟΒ,κατάλληλα για πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου (c-si). Ο καθένας από αυτούς τους βελτιστοποιητές τοποθετείται στην οπίσθια πλευρά ενός πλαισίου και διαθέτει ενσωματωμένο σύστημα παρακολούθησης της απόδοσής τους. Η ύπαρξη των power box δίνει τη δυνατότητα της ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος για το κάθε πλαίσιο ξεχωριστά. Αυτή η ανεξάρτητη διαχείριση του κάθε πλαισίου έχει ως αποτέλεσμα τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος, καλύτερη συμπεριφορά σε συνθήκες σκίασης, ενώ η αποδιδόμενη ισχύς αυξάνεται έως και 25%. Η σύνδεση του inverter με τα πλαίσια γίνεται μέσω πίνακα DC ο οποίος θα έχει όλους τους απαραίτητους διακόπτες και αντι-υπερτασικές προστασίες. Η σύνδεση του inverter με το δημόσιο δίκτυο της ΔΕΗ θα γίνει μέσω πίνακα AC ο οποίος έχει τους απαραίτητους διακόπτες και αντι-υπερτασικές προστασίες. Εικόνα 4.4: Power Box ΒΡ 250-ΑΟΒ Από τον inverter γίνεται αποστολή δεδομένων του συστήματος σε κατάλληλη πλατφόρμα του site της εταιρίας και ο κάθε ιδιώτης με τους προσωπικούς του κωδικούς παρακολουθεί το σύστημά του. 26

27 4.4 Τύποι φωτοβολταϊκών συστημάτων Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: A. Τα εκτός δικτύου ή απομονωμένα φωτοβολταϊκά συστήματα B. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο Τα πρώτα χωρίζονται σε 3 κατηγορίες: Α1. Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα άμεσης τροφοδοσίας του φορτίου της εφαρμογής Α2. Αυτόνομα συστήματα με αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας Α3. Υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήματα Το σύστημα που μελετάμε εμείς προφανώς εμπίπτει στην κατηγορία των φωτοβολταϊκών συστημάτων συνδεδεμένων στο δίκτυο. Τα συστήματα αυτά συνδέονται στο εθνικό ή τοπικό δίκτυο ηλεκτρικής παροχής (AC). Το δίκτυο αποτελεί για το φωτοβολταϊκό σύστημα, μια τεράστια «δεξαμενή» ηλεκτρικής ενέργειας, σταθερής ηλεκτρικής τάσης. Επομένως, δεν απαιτείται αποθήκευση της παραγόμενης φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας σε αυτά τα συστήματα. Διακρίνονται σε αυτά που είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο, ως κατανεμημένα (distributed) συστήματα και σε εκείνα που συνιστούν κεντρικούς φωτοβολταϊκούς σταθμούς μεγάλης ισχύος, τα οποία παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που διοχετεύεται στο κεντρικό δίκτυο (centralized systems). Τα κατανεμημένα φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούν το 95% των συνδεδεμένων στο δίκτυο συστημάτων, σε παγκόσμιο επίπεδο. Στην κατηγορία των κεντρικών φωτοβολταϊκών συστημάτων ανήκουν και τα μεγάλα φωτοβολταϊκά συγκροτήματα, στα οποία η παραγόμενη ενέργεια διοχετεύεται κατ ευθείας στο δίκτυο. 27

28 Κεφάλαιο 5: Ανάλυση Δεδομένων Όπως έχει αναφερθεί και στην εισαγωγή στόχος της παρούσας εργασίας είναι η σύγκριση των τιμών της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το πυρανόμετρο που είναι τοποθετημένο στη Σχολή Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ. και δεδομένων για την ροή της ηλιακής ακτινοβολίας που προέκυψαν από μετρήσεις της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύς φωτοβολταϊκού συστήματος στην περιοχή της Καλαμαριάς. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η ακριβής τοποθεσία των δύο σημείων μέτρησης. Η μεταξύ τους απόσταση είναι περίπου 5 km. Εικόνα 5.1: Τοποθεσία των δύο συστημάτων μέτρησης 28

29 Το σημείο Α αντιστοιχεί στο φωτοβολταϊκό σύστημα ενώ το σημείο Β στο πυρανόμετρο. Τα δεδομένα είναι στιγμιαίες τιμές ανά τέταρτο τόσο της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας όσο και της ισχύς της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Για τον υπολογισμό της ροής της ηλιακής ενέργειας από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ έγινε ο παρακάτω συλλογισμός. Έστω χ η στιγμιαία ηλεκτρική ισχύς. Το φωτοβολταϊκό σύστημα που αποτελείται όπως αναφέρθηκε από 25 φωτοβολταϊκά πλαίσια, ισχύος αιχμής 333 W p το καθένα, καλύπτει επιφάνεια ίση με 40,77 m 2 (25 πλαίσια*1,6307 m 2 ) και ο συντελεστής απόδοσης των πλαισίων είναι 20,4%. Άρα αν y η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας, έχουμε : y= = χ*0,12024 (5.1) Τα δεδομένα αφορούν το διάστημα 25/11/ /12/2012 και 01/01/ /05/2013. Δεν περιέχονται λόγω ελλείψεως δεδομένων οι μέρες 11/01, 12/01, 14/01, 16/01, 13/03, 21/03. Με βάση αυτά τα στοιχεία κατασκευάστηκαν τα παρακάτω διαγράμματα με βάση τα οποία θα γίνει η σύγκριση των τιμών. Επίσης σε αυτό το σημείο είναι χρήσιμο να αναφερθεί πάλι πως λήφθηκαν υπόψη τιμές μεγαλύτερες των 5 W/m 2. 29

30 Πυρανόμετρο (W/m 2 ) Πυρανόμετρο (W/m^2) ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 1 : Διάγραμμα Διασποράς μεταξύ των τιμών της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο και της εκτιμώμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια 1400 Φωτοβολταίκά Πλαίσια vs Πυρανόμετρο y = 1,2061x - 2,2937 R² = 0, Σειρά1 Γραμμική (Σειρά1) Φωτοβολταϊκά Πλαίσια (W/m^2) ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 2: Διάγραμμα Διασποράς μεταξύ των τιμών της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο και της εκτιμώμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια για τις μέρες που επικρατούσε ηλιοφάνεια 1200 Φωτοβολταϊκά Πλαίσια vs Πυρανόμετρο 1000 y = 1,1961x + 6,1137 R² = 0, Σειρά1 Γραμμική (Σειρά1) Φωτοβολταϊκά Πλαίσια (W/m 2 ) 30

31 Πυρανόμετρο (W/m 2 ) Πυρανόμετρο (W/m 2 ) ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 3: Διάγραμμα Διασποράς μεταξύ των τιμών της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο και της εκτιμώμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια για τις μέρες που επικρατούσε ηλιοφάνεια πριν το τοπικό μεσημέρι 1200 Φωτοβολταϊκά πλαίσια vs Πυρανόμετρο 1000 y = 1,1818x + 13,694 R² = 0, Σειρά1 Γραμμική (Σειρά1) Φωτοβολταϊκά πλαίσια( W/m 2 ) ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 4: Διάγραμμα Διασποράς μεταξύ των τιμών της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο και της εκτιμώμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια για τις μέρες που επικρατούσε ηλιοφάνεια μετά το τοπικό μεσημέρι 1200 Φωτοβολταϊκά Πλαίσια vs Πυρανόμετρο 1000 y = 1,2142x - 2,1636 R² = 0, Σειρά1 Γραμμική (Σειρά1) Φωτοβολταϊκά Πλαίσια (W/m 2 ) 31

32 Πυρανόμετρο (W/m 2 ) ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 5: Διάγραμμα Διασποράς μεταξύ των τιμών της συνολικής ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο και της εκτιμώμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια Φωτοβολταϊκά Πλαίσια vs Πυρανόμετρο y = 1,3417x - 1,7072 R² = 0, Σειρά1 Γραμμική (Σειρά1) Φωτοβολταϊκά Πλαίσια (W/m 2 ) Παρατηρώντας τα διαγράμματα διασποράς το πρώτο στοιχείο το οποίο μπορούμε να επισημάνουμε είναι ότι υπάρχει γραμμική συσχέτιση μεταξύ των τιμών της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας που μετρήθηκαν από το πυρανόμετρο και αυτών που υπολογίστηκαν από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Η απόκλιση που παρατηρείται στο σύνολο των διαθέσιμων μετρήσεων είναι στο 20,6% (Διάγραμμα 1) ενώ η απόκλιση στο διάγραμμα που αναφέρεται στις συνολικές ημερήσιες τιμές της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας φτάνει το 34,17% (Διάγραμμα 5). Επίσης παρατηρούμε ότι οι τιμές συμπίπτουν μεταξύ τους σε μεγαλύτερο βαθμό τις μέρες που επικρατούσε ηλιοφάνεια. Έτσι η απόκλιση για τις συγκεκριμένες μέρες είναι 19,6% (Διάγραμμα 2). Από τα Διαγράμματα 3&4 μπορούμε να εξάγουμε το συμπέρασμα ότι οι τιμές συμπίπτουν καλύτερα πριν το τοπικό μεσημέρι απ ότι μετά από αυτό, με ποσοστό 18,18% και 21,42% αντίστοιχα. Τέλος από τα δύο αυτά διαγράμματα προκύπτει ότι στις μεγάλες τιμές της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας οι μετρήσεις συμπίπτουν περισσότερο απ ότι στις μικρές, πράγμα που σημαίνει ότι γύρω από το τοπικό μεσημέρι οι μετρήσεις ταιριάζουν σε μεγαλύτερο βαθμό. 32

33 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 6: Ο λόγος των τιμών της ημερήσιας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο προς τις τιμές της υπολογιζόμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ροής της ηλιακής ακτινοβολίας το χρονικό διάστημα 25/11/ /12/2012 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 Σειρά1 0,8 0,7 0,6 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 7: Ο λόγος των τιμών της ημερήσιας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο προς τις τιμές της υπολογιζόμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ροής της ηλιακής ακτινοβολίας τον Ιανουάριο του ,3 1,2 1,1 1 0,9 Σειρά1 0,8 0,7 33

34 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 8: Ο λόγος των τιμών της ημερήσιας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο προς τις τιμές της υπολογιζόμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ροής της ηλιακής ακτινοβολίας τον Φεβρουάριο του ,3 1,2 1,1 1 0,9 Σειρά1 0,8 0,7 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 9: Ο λόγος των τιμών της ημερήσιας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο προς τις τιμές της υπολογιζόμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ροής της ηλιακής ακτινοβολίας τον Μάρτιο του ,4 1,3 1,2 1,1 1 Σειρά1 0,9 0,8 34

35 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 10: Ο λόγος των τιμών της ημερήσιας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο προς τις τιμές της υπολογιζόμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ροής της ηλιακής ακτινοβολίας τον Απρίλιο του ,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 Σειρά1 1 0,9 0,8 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 11: Ο λόγος των τιμών της ημερήσιας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας από το πυρανόμετρο προς τις τιμές της υπολογιζόμενης από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ροής της ηλιακής ακτινοβολίας το διάστημα 01/05/ /05/2013 1,4 1,3 1,2 Σειρά1 1,1 1 35

36 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 Στα Διαγράμματα 6-11 παρουσιάζεται η μεταβολή του λόγου της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας προς την εκτιμώμενη από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Παρατηρούμε ότι αρχικά η τιμή του λόγου αυτού είναι περίπου μονάδα κυρίως το διάστημα Νοεμβρίου Δεκεμβρίου, καθώς και τους μήνες Ιανουάριο, Φεβρουάριο. Ενώ πολλές μέρες ο λόγος αυτός είναι μικρότερος της μονάδας. Στους επόμενους μήνες όμως, ( Μάρτιο, Απρίλιο, Μάιο ) έχουμε αύξηση της τιμής του παραπάνω λόγου, ο οποίος κυμαίνεται σε τιμές μεταξύ 1-1,5 ενώ ελάχιστες μέρες είναι κάτω της μονάδας. Το γεγονός αυτό σημαίνει πως η ροή ηλιακής ενέργειας που μετρήθηκε από το πυρανόμετρο τους συγκεκριμένους μήνες ( Μάρτιο, Απρίλιο, Μάιο ), είναι αρκετά μεγαλύτερη από αυτή που υπολογίστηκε από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί ίσως από την σκόνη η οποία είχε συγκεντρωθεί στα φωτοβολταϊκά πλαίσια και η οποία όπως είδαμε η ρύπανση της επιφάνειας των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι ένας από του παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την απόδοση μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Λιγότερο σημαντικός είναι ο παράγοντας της γήρανσης καθώς τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είχαν τοποθετηθεί πριν από μερικούς μήνες. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 12: Διάγραμμα της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας στις 04/01/ Ροή Ηλιακής Ακτινοβολίας W/m Πυρανόμετρο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια

37 6:30 7:15 8:00 8:45 9:30 10:15 11:00 11:45 12:30 13:15 14:00 14:45 15:30 16:15 17:00 17:45 18:30 19:15 20:00 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 13: Διάγραμμα της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας στις 01/01/ Ροή Ηλιακής Ακτινοβολίας W/m Πυρανόμετρο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 14: Διάγραμμα της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας στις 13/05/ Ροή Ηλιακής Ακτινοβολίας 1000 W/m Πυρανόμετρο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια

38 6:45 7:30 8:15 9:00 9:45 10:30 11:15 12:00 12:45 13:30 14:15 15:00 15:45 16:30 17:15 18:00 18:45 19:30 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ 15: Διάγραμμα της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας στις 24/04/2013. W/m Ροή Ηλιακής Ακτινοβολίας Πυρανόμετρο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Στα Διαγράμματα παρουσιάζεται η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας όπως αυτή μετρήθηκε από το πυρανόμετρο και όπως υπολογίστηκε από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ των φωτοβολταϊκών πλαισίων για τέσσερεις τυχαίες μέρες. Μέσω των διαγραμμάτων αυτών μπορούμε να επιβεβαιώσουμε τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε από την παρατήρηση των προηγούμενων διαγραμμάτων. Πιο συγκεκριμένα εντοπίζουμε ότι κατά τις μεσημεριανές ώρες οι μετρήσεις ταιριάζουν σε πιο ικανοποιητικό βαθμό μεταξύ τους απ ότι τις πρωινές και τις απογευματινές ώρες. Επίσης παρατηρούμε αυτό που επισημάνθηκε και από τα Διαγράμματα 6-11 δηλαδή ότι η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας που μετρήθηκε από το πυρανόμετρο είναι μεγαλύτερη από αυτή που υπολογίστηκε από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Αυτό γίνεται πιο εύκολα αντιληπτό από τα Διαγράμματα 13& 15 όπου παρουσιάζεται η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας σε δύο ημέρες που επικρατούσε ηλιοφάνεια. Σε γενικές γραμμές από τα παραπάνω διαγράμματα μπορούμε να πούμε πως η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας που υπολογίστηκε από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ταιριάζει σε σημαντικό βαθμό με αυτή που μετρήθηκε από το πυρανόμετρο. 38

39 Κεφάλαιο 6: Σχόλια-Συμπεράσματα Από τα παραπάνω διαγράμματα προκύπτει ότι οι τιμές της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας που μετρήθηκαν από τη πυρανόμετρο και οι εκτιμώμενες από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τιμές συμπίπτουν σε σημαντικό βαθμό. Αυτό προκύπτει κυρίως από τα Διαγράμματα Διασποράς 1-5. Πιο συγκεκριμένα στο διάγραμμα με τις ημερήσιες τιμές βλέπουμε πως η απόκλιση μεταξύ των δύο συστημάτων είναι 34,17%. Στο διάγραμμα που περιέχονται όλες οι τιμές η απόκλιση ανάμεσα στα δύο συστήματα είναι 20,6% ενώ στο Διάγραμμα 2 που περιέχονται οι τιμές από τις μέρες που επικρατούσε ηλιοφάνεια έχουμε μια απόκλιση 19,6%, πράγμα που σημαίνει ότι αυτές τις ημέρες οι μετρήσεις συμπίπτουν σε μεγαλύτερο βαθμό μεταξύ τους. Στα Διαγράμματα 3&4 περιέχονται στο μεν πρώτο τιμές από τις μέρες με ηλιοφάνεια πριν από το τοπικό μεσημέρι, στο δε δεύτερο τιμές μετά το τοπικό μεσημέρι. Παρατηρώντας τα δύο αυτά διαγράμματα παρατηρούμε ότι οι τιμές κατά τις πρωινές ώρες συμπίπτουν καλύτερα από τις απογευματινές αφού πριν το τοπικό μεσημέρι έχουμε μία απόκλιση περίπου 18% ενώ μετά το τοπικό μεσημέρι η απόκλιση φτάνει σχεδόν το 21,5%. Στη συνέχεια στα Διαγράμματα 6-11 παρουσιάζεται ο λόγος των τιμών των μετρήσεων της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας προς τις τιμές που προκύπτουν από την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Παρατηρούμε πως ενώ το Νοέμβριο και τον Δεκέμβριο η τιμή του λόγου αυτού ήταν κοντά στην μονάδα, πολλές φορές και κάτω από αυτή, στους επόμενους μήνες είχαμε μια αύξηση της τιμής του που έφτασε ως και την τιμή 1,5 περίπου. Αυτό μας δείχνει ότι όσο περνούσε ο χρόνος το πυρανόμετρο μετρούσε μεγαλύτερες συνολικές τιμές ροής ηλιακής ακτινοβολίας απ όσο υπολογιζόταν αυτή από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Τέλος στα Διαγράμματα παρουσιάζεται η ημερήσια ροή της ηλιακής ακτινοβολίας όπως μετρήθηκε από το πυρανόμετρο και παράλληλα όπως υπολογίστηκε από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Παρατηρούμε στα συγκεκριμένα διαγράμματα ροής ότι οι τιμές συμπίπτουν γενικά και παρατηρούμε επίσης κυρίως από τα Διαγράμματα 13&15 αυτό που επισημάνθηκε και από τα Διαγράμματα 6-11 ότι η ροή που μετρήθηκε από το πυρανόμετρο είναι μεγαλύτερη από αυτή που υπολογίστηκε από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. 39

40 Κλείνοντας, θα αναφερθούμε στους λόγους για τους οποίους εμφανίστηκε η απόκλιση στη ροή της ηλιακής ακτινοβολίας. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες οι οποίοι δεν λήφθηκαν υπόψη και μπορεί να συνετέλεσαν στις συγκεκριμένες αποκλίσεις. Ειδικότερα, αυτοί είναι: Η κλίση. Το πυρανόμετρο είπαμε πως είναι τοποθετημένο σε οριζόντια θέση ενώ τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι τοποθετημένα όπως είδαμε σε κλίση 3 ο ή 10 ο. Όπως αναφέρθηκε η κλίση είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Το γεγονός ότι οι δύο μηχανισμοί είναι τοποθετημένοι σε διαφορετικά μέρη. Τοπικές μεταβολές στην ηλιοφάνεια, π.χ. ένα σύννεφο μπορούν να επηρεάσουν την ροή της ηλιακής ακτινοβολίας. Δεν πρέπει να παραλείψουμε το γεγονός ότι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια δεν μετράνε ηλιακή ακτινοβολία αλλά αντίθετα από την παραγόμενη από αυτά ηλεκτρική ισχύ υπολογίζουμε την ροή της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι υπολογισμοί έγιναν με βάση τα εργοστασιακά δεδομένα δηλαδή κάτω από ιδανικές συνθήκες ως εκ τούτου οι αποκλίσεις ήταν δεδομένες. Δεν λήφθηκαν υπόψη οι συντελεστές ανομοιογένειας και απωλειών καλωδιώσεων οι οποίοι επηρεάζουν τον συντελεστή απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Δεν υπολογίστηκε επίσης η εξάρτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων από τις καιρικές συνθήκες όπως είναι η υγρασία και η θερμοκρασία, συνθήκες οι οποίες επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων και κατά συνέπεια και την απόδοση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Τέλος το γεγονός ότι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια μπορεί να είχαν καλυφθεί μερικώς από σκόνη, φύλλα κλπ καθώς και το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της ημέρας μέρος ορισμένων φωτοβολταϊκών στοιχείων σκιάζεται επηρεάζει σημαντικά την απόδοση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και οδηγεί σε μείωση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος άρα και της υπολογιζόμενης ροής της ηλιακής ακτινοβολίας. 40

41 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ, Αλκιβιάδη Φ. Μπάη (Καθηγητής Α.Π.Θ.), Θεσσαλονίκη 2011, Δ Έκδοση 2. Φυσική της Ατμόσφαιρας-Σημειώσεις, Αλκιβιάδη Μπάη, Δημήτρη Μπαλή, Κλεαρέτη Τουρπάλη, Θεσσαλονίκη Φωτοβολταϊκές Εγκαταστάσεις, Σταμάτης Δ. Πέρδιος (Μηχανολόγος Μηχανικός Πολυτεχνείου Λωζάνης E.P.F.L., Τεχνικός Σύβουλος Π.ΟΜ.ΙΔΑ & U.I.P.I.), ΤeΚΔΟΤΙΚΗ, Αθήνα 2011, Γ έκδοση 4. ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΑΠΟ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ, Tomas Makvart, Επιμέλεια: Σκούτζος Παναγιώτης, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΙΩΝ, Φωτοβολταϊκά Συστήματα, Ι.Ε. Φραγκιαδάκης, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΖΗΤΗ, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ, ένας πρακτικός τεχνικός οδηγός, Σύνδεσμος Εταιρειών Φωτοβολταϊκών, Solar Edge Installation Guide for 3-Phase Inverters, Version 1.5 ΙΣΤΟΤΟΠΟΙ 1. E%BD%CF%8C%CE%BC%CE%B5%CF%84%CF%81%CE%BF rname1=content-type&blobheadername2=content- Disposition&blobheadervalue1=application%2Fpdf&blobheadervalue2= inline%3b+filename%3d11_779_sp_e20_333_327_ds_uk_a4_w.pdf&b lobkey=id&blobtable=mungoblobs&blobwhere= &ssbin ary=true 41

42 42