Μέτρηση βαθμού απόδοσης φωτοβολταϊκών στοιχείων και μελέτη της εξάρτησής του από τη θερμοκρασία

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μέτρηση βαθμού απόδοσης φωτοβολταϊκών στοιχείων και μελέτη της εξάρτησής του από τη θερμοκρασία ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ των Γκαγτζή Χ. Αθανάσιου ΑΕΜ: 4356 Κατριαδάκη Κ. Ιωάννη ΑΕΜ: 5059 Επιβλέπων : Χατζηαθανασίου Βασίλειος Καθηγητής Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 08

2 Περιεχόμενα 1 Πίνακας Περιεχομένων Πίνακας περιεχομένων...1 Εισαγωγή...3 Σύντομη Περιγραφή του Θέματος Θεωρητικό υπόβαθρο Γενικά Φωτοβολταϊκές γεννήτριες Συνδεσμολογία Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ηλιακής κυψέλης Επίδραση της θερμοκρασίας Εσωτερικός βαθμός απόδοσης Εξοπλισμός Συνοπτική παρουσίαση Αναλυτική παρουσίαση Πλαίσια Καλώδιο Σύρμα χρωμονικελίνης Βολτόμετρο Αμπερόμετρο Καταγραφικό Πυρανόμετρο Μετρήσεις - Επεξεργασία μετρήσεων Αποτελέσματα Μετρήσεις Μέτρηση ηλιακής ακτινοβολίας Μέτρηση θερμοκρασίας περιβάλλοντος Μέτρηση της χαρακτηριστικής τάσης-ρεύματος του φορτίου Διάταξη Διαδικασία μέτρησης...42

3 Περιεχόμενα Επεξεργασία Αποτελέσματα Συμπεράσματα...53 Βιβλιογραφία...59 Παράρτημα...60

4 Εισαγωγή 3 Σύντομη περιγραφή του θέματος Η ηλιακή ενέργεια είναι μια τεράστια πηγή ενέργειας. Σε λιγότερο από μια ώρα η ενέργεια που φτάνει από τον ήλιο στη γη θα μπορούσε να καλύψει τις παγκόσμιες ενεργειακές απαιτήσεις για ένα χρόνο αν μπορούσε να αξιοποιηθεί. Οι περισσότερες από τις άλλες μορφές Α.Π.Ε. εξαρτώνται από τον ήλιο. Η υδροηλεκτρική, η αιολική και ένα μέρος της ενέργειας των κυμάτων, οφείλονται στην ηλιακή ενέργεια. Η ιστορία των φωτοβολταϊκών πηγαίνει πίσω πάνω από 150 χρόνια όταν το 1839 ο Alexandre Edmund Becquerel παρατήρησε ότι παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα από συγκεκριμένες χημικές αντιδράσεις και το ηλιακό φως. Ένα παρόμοιο φαινόμενο παρατηρήθηκε και σε ένα στερεό (σελήνιο) αρκετές δεκαετίες αργότερα. Ωστόσο μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση των φαινομένων αυτών έγινε στις αρχές του 19 ου αιώνα με την ανάπτυξη της επιστήμης και της κβαντικής θεωρίας. Η ανάπτυξη της πρώτης στερεής συσκευής τη δεκαετία του 1940 άνοιξε το δρόμο για την ανακοίνωση της πρώτης ηλιακής κυψέλης πυριτίου με απόδοση 6% (1954). Η παραγωγή ενέργειας από φωτοβολταϊκά είναι αξιόπιστη, δεν περιλαμβάνει κινούμενα μέρη και το κόστος συντήρησης και λειτουργίας είναι πολύ χαμηλό. Η λειτουργία τους είναι αθόρυβη και δεν μολύνουν το περιβάλλον. Επίσης η ενέργεια παράγεται εκεί που χρειάζεται χωρίς να είναι αναγκαίες γραμμές για τη μεταφορά της. Ο στόχος της εργασίας αυτής είναι η μέτρηση και η μελέτη της εξάρτησης του βαθμού απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας πολυκρυσταλλικού πυριτίου από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Στα πλαίσια της εργασίας σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μια διάταξη μέτρησης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και μια διάταξη μέτρησης της παραγόμενης από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια ενέργειας. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κυριότερα στοιχεία της θεωρίας της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη περιγραφή των οργάνων που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση των διατάξεων μέτρησης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται αναλυτικά η διαδικασία και τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και σχολιάζονται οι γραφικές παραστάσεις των αποτελεσμάτων.

5 Εισαγωγή 4 1 Θεωρητικό υπόβαθρο Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του φωτοβολταϊκού φαινομένου, της αρχής λειτουργίας των φωτοβολταϊκών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και των παραγόντων που επηρεάζουν το βαθμό απόδοσης των παραπάνω συστημάτων.

6 Θεωρητικό υπόβαθρο Γενικά Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. To συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο με φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση. Κατά μέσο όρο, προσπίπτουν 1700 kwh σε κάθε τετραγωνικό μέτρο κάθε χρόνο. To φως του ήλιου που φθάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται κυρίως από δύο συνιστώσες, συγκεκριμένα το άμεσο φως και το έμμεσο ή διάχυτο φως, το οποίο είναι το φως που έχει διασκορπιστεί από τα μόρια της σκόνης και του νερού στην ατμόσφαιρα. Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιμοποιούν όχι μόνο την άμεση συνιστώσα του φωτός αλλά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και με νεφοσκεπή ουρανό. Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική οφείλεται στο γνωστό φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Οι ηλιακές κυψέλες αποτελούνται από δύο τύπους υλικών, συνήθως πυρίτιο p-τύπου και n-τύπου. Σε συγκεκριμένα μήκη κύματος το φως είναι σε θέση να ιονίσει τα άτομα στο πυρίτιο, και το εσωτερικό πεδίο που παράγεται από την επαφή ρ-η διαχωρίζει μερικά από τα θετικά φορτία ("οπές") από τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) μέσα στη φωτοβολταϊκή συσκευή. Οι οπές παρασύρονται στο θετικό ή p-στρώμα και τα ηλεκτρόνια στο αρνητικό ή n-στρώμα. Παρότι τα αντίθετα φορτία έλκονται μεταξύ τους, τα περισσότερα από αυτά μπορούν να επανασυνδυαστούν μόνο εάν διέλθουν από ένα κύκλωμα έξωθεν του υλικού, εξαιτίας του εσωτερικού φράγματος δυναμικού. Έτσι, εάν κατασκευαστεί ένα κύκλωμα, όπως αυτό της εικόνας 1.1.1, είναι δυνατό να παραχθεί ηλεκτρική ισχύς από τις κυψέλες υπό φωτισμό, αφού τα ελεύθερα ηλεκτρόνια πρέπει να διέλθουν μέσω του φορτίου για τον επανασυνδυασμό τους με τις θετικές οπές.

7 Θεωρητικό υπόβαθρο 6 Εικόνα To φωτοβολταϊκό φαινόμενο σε µια ηλιακή κυψέλη Η φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια βρίσκει πολλές εφαρμογές στην πράξη. Η παραπάνω μετατροπή γίνεται με τη βοήθεια των γνωστών φωτοβολταϊκών γεννητριών. Οι εγκαταστάσεις αυτές μπορούν να λειτουργούν αυτόνομα ή παραλληλισμένες στο ηλεκτρικό δίκτυο της περιοχής. Διεθνώς και στη χώρα μας γίνονται προσπάθειες για ευρύτερη χρήση φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων. Το μόνο μειονέκτημα αυτών είναι το υψηλό ακόμα κόστος τους. Οι φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις δεν μολύνουν την ατμόσφαιρα και μπορούν να εξυπηρετήσουν αυτοδύναμα μικρούς καταναλωτές. Έτσι μπορούν να βρουν εφαρμογή σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα, σε μεταδότες μικροκυμάτων, στην καθοδική προστασία, στην αυτοδύναμη εξυπηρέτηση μετεωρολογικών και γεωφυσικών οργάνων μετρήσεων, σε ραδιόφωνα, κασετόφωνα, σε ηλιακές αντλίες νερού, στη ναυσιπλοΐα, σε συστήματα ασφάλειας και συναγερμού, καθώς επίσης και στην εξυπηρέτηση οποιουδήποτε ηλεκτρικού φορτίου αυτόνομα ή σε συνεργασία με το εθνικό μας δίκτυο.

8 Θεωρητικό υπόβαθρο 7 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. Στην Ελλάδα, η μέση ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας φαίνεται στην εικόνα Με βάση την προσπίπτουσα ακτινοβολία και τα λοιπά περιβαλλοντικά δεδομένα, προκύπτει η μέση ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ανά εγκατεστημένο kwp όπως φαίνεται στην εικόνα Εικόνα Μέση ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας στη βέλτιστη γωνία

9 Θεωρητικό υπόβαθρο 8 Εικόνα Μέση ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ανά εγκατεστημένο kwp Παρακάτω φαίνονται τρεις φωτοβολταϊκές διατάξεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που συναντώνται συχνότερα. Στην εικόνα φαίνεται η συνδεσμολογία ενός φωτοβολταϊκού πάρκου, στην εικόνα φαίνεται ένα διασυνδεδεμένο σύστημα, ενώ στο σχήμα ένα αυτόνομο. Εικόνα Συνδεσμολογία ενός φωτοβολταϊκού πάρκου

10 Θεωρητικό υπόβαθρο 9 Εικόνα Διασυνδεδεμένο σύστημα Εικόνα Αυτόνομο σύστημα

11 Θεωρητικό υπόβαθρο Φωτοβολταϊκές γεννήτριες Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Το βασικό στοιχείο μιας τέτοιας γεννήτριας είναι η ηλιακή κυψέλη. Πολλές ηλιακές κυψέλες συνδεδεμένες κατάλληλα μεταξύ τους αποτελούν τους φωτοβολταϊκούς συλλέκτες. Πολλοί συλλέκτες συνδεδεμένοι μεταξύ τους αποτελούν το φωτοβολταϊκό πλαίσιο και πολλά τέτοια πλαίσια τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Οι ηλιακές κυψέλες κατασκευάζονται κυρίως από πυρίτιο (Si) ή θειούχο κάδμιο (Cds) ή αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) σε μεγάλη ποικιλία μεγεθών και σχημάτων ανάλογα με τις εφαρμογές τους. Στην εικόνα φαίνονται αντιπροσωπευτικοί τύποι ηλιακών κυττάρων, ενώ στην εικόνα φαίνονται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες ενός σταθμού παραγωγής ενέργειας. Εικόνα Τύποι ηλιακών κυψελών

12 Θεωρητικό υπόβαθρο 11 Εικόνα Άποψη φωτοβολταϊκού πάρκου Όταν το φως του ήλιου προσπίπτει σε μια κυψέλη παράγεται συνεχές ρεύμα (ΣΡ) και θέτοντας ένα ηλεκτρικό φορτίο από την άλλη, το ρεύμα αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί. Πάντως, δεν μπορεί να μετατραπεί όλο το φως σε ηλεκτρισμό, καθώς οι φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιμοποιούν κυρίως το ορατό φως. Μεγάλο μέρος της ηλιακής ενέργειας βρίσκεται στην υπέρυθρη - ή θερμή - και την υπεριώδη ακτινοβολία, γεγονός που εξηγεί τις χαμηλές τιμές των θεωρητικών αποδοτικοτήτων μετατροπής (20-30%). Πρακτικές ατέλειες, π.χ. ανομοιογένειες, μπορούν να μειώσουν ακόμα περαιτέρω την απόδοση μιας φωτοβολταϊκής κυψέλης. 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.

13 Θεωρητικό υπόβαθρο 12 Η ποσότητα της διαθέσιμης ισχύος από μια φωτοβολταϊκή συσκευή καθορίζεται από: τον τύπο και την επιφάνεια του υλικού, την ένταση του ηλιακού φωτός (έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία), και το μήκος κύματος του ηλιακού φωτός. Τα είδη κυψελών, που χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στην αγορά είναι τα εξής : Μονοκρυσταλλικού πυριτίου Πολυκρυσταλλικού πυριτίου Λεπτής μεμβράνης (Thin film) Υβριδικά 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:

14 Θεωρητικό υπόβαθρο 13 Τύπος Απόδοση Επιφάνεια ανά KWp Λεπτής μεμβράνης Άμορφα : 5-7% CIS : 7-10% Πολυκρυσταλλικά Μονοκρυσταλλικά Υβριδικά 11-14% 13-16% 16-17% m m m m 2 Πίνακας 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 Συνδεσμολογία Τα ηλιακά κύτταρα συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα όπως φαίνεται στις εικόνες και αντίστοιχα. Εικόνα Σύνδεση σε σειρά

15 Θεωρητικό υπόβαθρο 14 Εικόνα Σύνδεση παράλληλα Στην εικόνα έχουμε: και U = U1+ U 2 (σχ ) I = I1 = I2 (σχ ) To 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 μιας κυψέλης) (σχ ) max Η παραγόμενη ισχύς από μία συνδεσμολογία κυψελών ισούται με το ρεύμα της συνδεσμολογίας πολλαπλασιαζόμενο με την τάση της.

16 Θεωρητικό υπόβαθρο 15 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 φαίνεται πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά I-V των μεμονωμένων κυψελών για να διαμορφώσουν την καμπύλη I-V της εν σειρά συνδεσμολογίας, ενώ στην εικόνα παρουσιάζεται μία παράλληλη συνδεσμολογία από τέσσερις κυψέλες και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος αυτών. Εικόνα Τέσσερις ηλιακές κυψέλες συνδεδεμένες εν σειρά Στην εικόνα έχουμε: και U = U1 = U2 (σχ ) I = I1+ I2 (σχ )

17 Θεωρητικό υπόβαθρο 16 To 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 παρ λληλα = (Αριθμός κυψελών)*( Ι μιας κυψέλης) (σχ ) ά max Η τάση μεταξύ δύο κόμβων μιας ομάδας κυψελών συνδεδεμένων εν παραλλήλω είναι ίση με την τάση κάθε κυψέλης: U παράλληλα = U μιας κυψέλης (σχ ) max 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 λειτουργεί στην ίδια τάση. Στην εικόνα φαίνεται πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά I-V των μεμονωμένων κυψελών για να διαμορφώσουν την καμπύλη I-V της ομάδας των κυψελών εν παραλλήλω, ενώ στην εικόνα απεικονίζονται ομάδες κυψελών εν παραλλήλω και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος αυτών. Εικόνα Καμπύλες I-V για μία και τέσσερις κυψέλες συνδεδεμένες παράλληλα

18 Θεωρητικό υπόβαθρο 17 Εικόνα Μία, δύο και τρεις κυψέλες συνδεδεμένες παράλληλα Μία συνηθισμένη τιμή νια τις τάσεις U 1 και U 2 με καλό ηλιασμό είναι 0,4V - 1,0V, ενώ τα ρεύματα I 1, I 2 εξαρτώνται από την επιφάνεια των αντιστοίχων ηλιακών 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 φωτοβολταϊκός συλλέκτης. Στους φωτοβολταϊκούς συλλέκτες οι ηλιακές κυψέλες συνδεσμολογούνται μικτά. Με κατάλληλη συνδεσμολογία των συλλεκτών προκύπτουν τα φωτοβολταϊκά 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 έλεγχου 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

19 Θεωρητικό υπόβαθρο 18 χρησιμοποιείται στα φωτοβολταϊκά συστήματα για τη ρύθμιση της ισχύος εξαλείφει την ανάγκη προσθήκης µιας διόδου αντεπιστροφής. Στην εικόνα φαίνεται μια τυπική διάταξη συνδεσμολογίας φωτοβολταϊκών συστοιχιών. Εικόνα Τυπική συνδεσμολογία φωτοβολταϊκών συστοιχιών

20 Θεωρητικό υπόβαθρο Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ηλιακής κυψέλης Μία ηλιακή κυψέλη μπορεί να παρασταθεί με το παρακάτω ισοδύναμο ηλεκτρολογικό κύκλωμα: Εικόνα Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ηλιακής κυψέλης όπου: Ι ph είναι το φωτόρευμα, δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα της ηλιακής κυψέλης που οφείλεται στην ηλιακή ακτινοβολία, Ι είναι το ρεύμα φορτίου, R s είναι η αντίσταση σειράς (συνήθως R s <5Ω), 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,(Ι κ -Ι β )) Εικόνα 1.3.2: Τυπικές χαρακτηριστικές (U,I) ηλιακής κυψέλης

21 Θεωρητικό υπόβαθρο 20 όπου: Ι βρ είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης, δηλαδή το ρεύμα της ηλιακής κυψέλης με συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του, I m είναι το μέγιστο πρακτικά ρεύμα που μπορεί να δώσει η ηλιακή κυψέλη, U 0 είναι η τάση ηλιακής κυψέλης ανοικτού κυκλώματος και U m είναι η μέγιστη πρακτικά τάση της ηλιακής κυψέλης. Το σημείο Α της εικόνας (β) είναι γνωστό σαν σημείο μέγιστης ισχύος. Η πρακτικά μέγιστη ηλεκτρική ισχύς της ηλιακής κυψέλης δίνεται από τη σχέση: P I * U m = m m (σχ ) Η θεωρητικά μέγιστη ισχύς (P m,θ ) είναι: P I U m, θ = βρ * 0 (σχ ) Με τη βοήθεια των παραπάνω σχέσεων προκύπτει ο συντελεστής πλήρωσης (Σπ) της ηλιακής κυψέλης, που δίνεται από τη σχέση: I U m m Σ π = (σχ ) IβρU0 Η χαρακτηριστική της εικόνας (β) επηρεάζεται τόσο από την ηλιακή ακτινοβολία, όσο και από τη θερμοκρασιακή κατάσταση της ηλιακής κυψέλης. Κάθε κατασκευαστής ηλιακών κυψελών πρέπει να δίνει τις παραπάνω χαρακτηριστικές. Στις εικόνες (α) και (β) φαίνονται οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές, σε συνάρτηση με την ηλιακή ακτινοβολία και σε συνάρτηση με τη μεταβολή της θερμοκρασίας αντίστοιχα.

22 Θεωρητικό υπόβαθρο 21 (α) Εικόνα Χαρακτηριστικές ηλιακής κυψέλης σε συνάρτηση με την ηλιακή ακτινοβολία (α) και τη θερμοκρασία (β) (β) Από τις εικόνες (α) και (β) φαίνεται, ότι το σημείο μέγιστης ισχύος εξαρτάται από την ηλιακή ακτινοβολία και τη θερμοκρασιακή μεταβολή της ηλιακής κυψέλης. Επίσης φαίνεται ότι η παραγόμενη ισχύς από την κυψέλη είναι σχεδόν ευθέως ανάλογη προς την ένταση του ηλιακού φωτός. Ένα σημαντικό γνώρισμα των φωτοβολταϊκών κυψελών είναι ότι η τάση της κυψέλης δεν εξαρτάται από το μέγεθός της, και παραμένει σχετικά σταθερή με τη μεταβολή της έντασης του φωτός. Εντούτοις, το ρεύμα σε μια διάταξη είναι σχεδόν ευθέως ανάλογο προς την ένταση του φωτός και το μέγεθός της.

23 Θεωρητικό υπόβαθρο Εσωτερικός βαθμός απόδοσης Ο εσωτερικός βαθμός απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης ορίζεται από τη γενική σχέση: Ε σωτερικός βαθμός απόδοσης = Ισχύς εξόδου / Ι σχύς εισ όδου ή P max η εισ = (σχ ) K * K *( H* A)* F όπου: P ΜΑΧ είναι η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης G είναι η ηλιακή ακτινοβολία, F 0 είναι η επιφάνεια των φωτοβολταϊκών μονάδων, Κ 1 είναι σταθερά θερμοκρασίας. Στη θερμοκρασία αναφοράς θ α είναι Κ 1 =1, ενώ για θερμοκρασία θ έχουμε: ( ) Κ 1 = 1 α θ θ α <1 (σχ ) όπου: α είναι συντελεστής μείωσης / C, και Κ 2 είναι συντελεστής ρύπανσης <1. Η τιμή του συντελεστή Κ 2 εξαρτάται από το βαθμό καθαριότητας των φωτοβολταϊκών μονάδων.

24 Θεωρητικό υπόβαθρο Επίδραση της θερμοκρασίας Η θερμοκρασία είναι μια σημαντική παράμετρος λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. O συντελεστής θερμοκρασίας για την τάση ανοικτού κυκλώματος είναι κατά προσέγγιση ίσος με -2,3 mv/ C για κάθε ηλιακό στοιχείο. Ο συντελεστής τάσης μιας βασικής μονάδας είναι επομένως αρνητικός και πολύ μεγάλος από τη στιγμή που συνδέονται σε σειρά 33 έως 36 ηλιακά στοιχεία. Ο συντελεστής ρεύματος, από την άλλη πλευρά, είναι θετικός και μικρός +6 μa/ C περίπου ανά τετραγωνικό εκατοστό της βασικής μονάδας. Είναι σημαντικό να σημειώσουμε ότι η τάση καθορίζεται από τη θερμοκρασία λειτουργίας των ηλιακών στοιχείων, η οποία διαφέρει από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η θερμοκρασιακή κατάσταση μιας ηλιακής πυριτικής κυψέλης επηρεάζει ζωτικά την ισχύ που αποδίδει σε μια συγκεκριμένη ηλιακή ακτινοβολία. Με την ανύψωση της θερμοκρασίας της ηλιακής κυψέλης, η τάση εξόδου αυτού μειώνεται με ρυθμό περίπου 2 mv/ C. Η μείωση αυτή αντισταθμίζεται μερικώς από την αύξηση της έντασης του ρεύματος με ρυθμό περίπου 0,5 ma/ C. Τελικά η ανύψωση της θερμοκρασίας της ηλιακής κυψέλης μειώνει την αποδιδόμενη από αυτή ισχύ κατά 0,3%/ C. Η τάση και το ρεύμα εξόδου μιας ηλιακής κυψέλης μπορούν να υπολογιστούν από τις σχέσεις: και 3 Uεξ U a [1 2*10 ( θ θa)] = (σχ ) I = I + F (σχ ) εξ 3 a [1 25*10 ( θ θa)] όπου: U εξ, Ι εξ είναι η τάση και η ένταση εξόδου σε volt, miliampere αντίστοιχα, U α, Ι α είναι η τάση και η ένταση αναφοράς σε volt, milliampere αντίστοιχα σε θερμοκρασία θ α, θ είναι η θερμοκρασία της ηλιακής κυψέλης σε C, θ α είναι η θερμοκρασία αναφοράς (συνήθως είναι θ α =25 C), F είναι η επιφάνεια της ηλιακής κυψέλης σε cm 2.

25 Θεωρητικό υπόβαθρο 24 Η μέση απόδοση μιας φωτοβολταϊκής κυψέλης δίνεται από τη σχέση : η = η [1 β ( θ θ )] (σχ ) p r p a όπου: β p είναι ο συντελεστής θερμοκρασίας για την απόδοση της κυψέλης που δίνεται από τον κατασκευαστή η r είναι ο βαθμός απόδοσης της κυψέλης στη θερμοκρασία αναφοράς θ α θ είναι η θερμοκρασία της ηλιακής κυψέλης σε C. Για την θερμοκρασία θ ισχύει ο τύπος του Evans : T ( NOCT ) 20 = Tambient + G (σχ ) 800 panel * όπου: Τ panel είναι η θερμοκρασία των πλαισίων T ambient είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος NOCT είναι η τυπική θερμοκρασία λειτουργίας του πλαισίου και δίνεται από την κατασκευάστρια εταιρεία G είναι η ηλιακή ακτινοβολία σε W ανά m 2. Αν η κλίση των κυψελών είναι διαφορετική από τη βέλτιστη ( β = φ - δ ) τότε γίνεται χρήση της σχέσης : ( NOCT ) 20 Tpanel = Tambient + Cf * *G (σχ ) 800 όπου: C f είναι διορθωτικός συντελεστής που είναι ίσος με : = β β (σχ ) 4 Cf *10 ( ) 2 m όπου: β m είναι η βέλτιστη κλίση συλλέκτη ( β m = φ - δ ), φ είναι το γεωγραφικό πλάτος της τοποθεσίας, δ είναι η ηλιακή απόκλιση Με τη βοήθεια των παραπάνω σχέσεων προκύπτουν οι γραφικές παραστάσεις της εικόνας

26 Θεωρητικό υπόβαθρο 25 Εικόνα Επίδραση της θερμοκρασίας στην ισχύ, την τάση και την ένταση πυριτικού ηλιακού κυττάρου όπου: (1) είναι η μέγιστη ισχύς εξόδου (P mαx ), (2) είναι η τάση ανοικτού κυκλώματος (U oc ) και (3) είναι η ένταση βραχυκύκλωσης (Ι β ).

27 Θεωρητικό υπόβαθρο 26 2 Εξοπλισμός Στο κεφάλαιο 2 γίνεται παρουσίαση των οργάνων που χρησιμοποιήθηκαν κατά την εκτέλεση της διπλωματικής εργασίας.

28 Εξοπλισμός Συνοπτική παρουσίαση Για την διεξαγωγή των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω όργανα: 3 πάνελ της εταιρείας Kyocera, μοντέλο LA361 K51S 100 μέτρα καλωδίου με διάμετρο 6mm 2 3m σύρμα χρωμονικελίνης Βολτόμετρο της εταιρείας Mastech, μοντέλο M92A Αμπερόμετρο της εταιρείας Range, μοντέλο RE93A Πυρανόμετρο της εταιρείας Kipp&Zonen, μοντέλο CMP3 Καταγραφικό της εταιρείας Campbell Scientific, μοντέλο CR1000

29 Εξοπλισμός Αναλυτική παρουσίαση Φωτοβολταϊκά πλαίσια Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια που χρησιμοποιήσαμε αποτελείται από τρία πάνελ συνδεδεμένα σε σειρά. Τα πάνελ είναι μοντέλα LA361 K51S της εταιρείας Kyocera, κατασκευής 1991, και τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους φαίνονται στον παρακάτω πίνακα: Μέγιστη Ισχύς Pmax 51.0w +/- 5% Τάση Μέγιστης Ισχύος 16.9V Ρεύμα Μέγιστης Ισχύος 3.02A Τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc 21.2V Ρεύμα Βραχυκύκλωσης Isc 3.25A Μέγιστη τάση συστήματος ανοιχτού κυκλώματος 600V Θερμοκρασία κυττάρου : 25C Συνθήκες δοκιμής Ακτινοβολία : 1kW/m2 AM : 1.5 Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών πλαισίων LA361K51S Οι διαστάσεις του κάθε πάνελ είναι 985*445*36mm 2, από τις οποίες προκύπτει επιφάνεια 0, m 2 για κάθε πάνελ ή 1, m 2 για όλη τη γεννήτρια. Το περίβλημα των πάνελ είναι κατασκευασμένο από ανοδιωμένο αλουμίνιο που προσφέρει μηχανική αντοχή, ενώ προστατεύονται από γυαλί που έχει υποστεί ειδική διαδικασία σκλήρυνσης. Μετά από επικοινωνία με την κατασκευάστρια εταιρεία μας εστάλησαν και τα παρακάτω διαγράμματα, που περιγράφουν τη λειτουργία των πάνελ σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας:

30 Εξοπλισμός 29 Εικόνα Χαρακτηριστικές I-V σε διάφορες θερμοκρασίες Εικόνα Μεταβολή I sc, V oc, P max συναρτήσει της θερμοκρασίας πλαισίου

31 Εξοπλισμός 30 Εικόνα Χαρακτηριστικές I-V για διάφορες τιμές ακτινοβολίας Εικόνα Μεταβολή I sc, V oc συναρτήσει της ακτινοβολίας

32 Εξοπλισμός Καλώδιο Σύρμα χρωμονικελίνης Για τη σύνδεση των πάνελ με το χώρο διεξαγωγής των μετρήσεων χρησιμοποιήσαμε 50m τριπολικό καλώδιο διαμέτρου 6mm 2 με μόνωση και μανδύα από PVC. Η ειδική αντίσταση του χαλκού είναι 1,72*10-8 Ωm, οπότε η ηλεκτρική ανά μέτρο αντίσταση του καλωδίου προκύπτει από τον τύπο R=ρ/Α= 2,866*10-3 Ω/m. Επομένως, η συνολική αντίσταση των δύο πόλων του καλωδίου που χρησιμοποιήσαμε προκύπτει ίση με 0,2866Ω. Εικόνα Καλώδιο 3x6 mm 2 Σαν μεταβλητό φορτίο χρησιμοποιήσαμε σύρμα χρωμονικελίνης μήκους 3m. Το συγκεκριμένο σύρμα είχε αντίσταση περίπου 2,72 Ω/m, όπως μετρήσαμε με το ψηφιακό πολύμετρο στις συνθήκες του εργαστηρίου. Έτσι, η μέγιστη τιμή της μεταβλητής αντίστασης που είχαμε στη διάθεσή μας ήταν περίπου 9Ω, η οποία ήταν επαρκής για τη διεξαγωγή των μετρήσεων. Εικόνα Σύρμα χρωμονικελίνης

33 Εξοπλισμός Βολτόμετρο - Αμπερόμετρο Το βολτόμετρο που χρησιμοποιήσαμε είναι ένα ψηφιακό πολύμετρο της εταιρείας Mastech, μοντέλο Μ92Α με τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Συνεχής τάση 200mV/2/20/200 ±5%, 1000V ±8% Εναλλασσόμενη τάση 2/20/200V ±8%, 750V ±2% Συνεχές ρεύμα 200?2m/20mA ±8%, 200m/2A ±2%, 10A Εναλλασσόμενο ρεύμα 2m/20mA ±2%, 200m/2A ±8%, 10A Αντίσταση 200/2K/20K/200K/2M Ohm ±8%, 20M Δοκιμή διόδου ρεύμα δοκιμής 0.8mA, τάση δοκιμής 2.5V hfe 1 ~ 1000 Μπαταρία 6F22(9V) x 1 Διαστάσεις 85 x 165 x 32 mm Βάρος 250g Οθόνη 26 x 61 mm LCD Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά πολυμέτρου Mastech M92A Εικόνα Ψηφιακό πολύμετρο Mastech M92A Το αμπερόμετρο που χρησιμοποιήσαμε είναι ένα ψηφιακό πολύμετρο της εταιρείας Range, μοντέλο RE93A με τα παρακάτω χαρακτηριστικά:

34 Εξοπλισμός 33 Συνεχές ρεύμα 200µA 20A. Εναλλασσόμενο ρεύμα 200µA 20A. Συνεχής τάση 200mV 1000V. Εναλλασσόμενη τάση 2V 750V. Αντίσταση 200 Ohms 20 M Ohms. Ασφάλεια 1000VDC 750VAC Τροφοδοσία Μπαταρία 9V Διαστάσεις 175 x 88 x 43 mm. Βάρος 250 g. Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά πολυμέτρου Range RE93A Εικόνα Ψηφιακό πολύμετρο Range RE93A

35 Εξοπλισμός Καταγραφικό Το καταγραφικό που χρησιμοποιήσαμε είναι το data logger CR1000 της εταιρείας Campbell Scientific. Το CR1000 αποτελείται από την μονάδα μέτρησης και ελέγχου μαζί με το πάνελ σύνδεσης καλωδίων, όπου περιλαμβάνει υποδοχές για τα καλώδια των οργάνων μέτρησης, στη δική μας περίπτωση του πυρανομέτρου, αλλά και για το καλώδιο σύνδεσης με τον υπολογιστή που χρησιμοποιούμε τόσο για τον προγραμματισμό της μονάδας όσο και για την ανάκτηση των δεδομένων. Η μονάδα περιλαμβάνει μικροελεγκτή Renesas H8S 16-bit με εσωτερική αρχιτεκτονική επεξεργαστή 32-bit, μνήμη μεγέθους 2MB τύπου FLASH για το λειτουργικό σύστημα, καθώς και επιπλέον μνήμη μεγέθους 4MB τύπου SRAM, η οποία χρησιμοποιείται για την αποθήκευση του προγράμματος των μετρήσεων που δημιουργούμε και των δεδομένων που καταγράφονται, όπως επίσης και για συνεργασία με τον επεξεργαστή της μονάδας. Εάν είναι αναγκαίο η μνήμη μπορεί να επεκταθεί με τη χρήση κάρτας μνήμης Compact Flash. Η αποθήκευση των δεδομένων που καταγράφονται γίνεται σε μορφή πινάκων. Μερικά επιπλέον χαρακτηριστικά του καταγραφικού είναι τα παρακάτω: Αναλογικές είσοδοι: 16 απλές ή 8 διαφορικές, ρυθμιζόμενες αυτόνομα Καταμετρητές παλμών: 2 Διεγέρσεις μεταγωγής τάσης: 3 Ψηφιακές θύρες ελέγχου: 8 Θύρα RS-232: 1 Θύρα CS I/O: 1 Συχνότητα σάρωσης: 100 Hz Burst mode: 1500 Hz Αναλογική ευαισθησία τάσης: έως 0.33 μv A/D bits: 13 Γλώσσα προγραμματισμού: CRBasic Μορφή αποθήκευσης δεδομένων: Πίνακας Λειτουργικό σύστημα: PakBus

36 Εξοπλισμός 35 Εικόνα Καταγραφικό CR1000 της Campbell Scientific Πυρανόμετρο Το πυρανόμετρο που χρησιμοποιήσαμε είναι το μοντέλο CMP 3 της εταιρείας Kipp & Zonen. Ο αισθητήρας του πυρανομέτρου είναι μια θερμοστήλη καλυμμένη με μαύρη επίστρωση. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στον αισθητήρα απορροφάται από τη μαύρη επίστρωση και μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία μεταφέρεται στη θερμοστήλη και τη διεγείρει, με αποτέλεσμα να παράγεται μια διαφορά δυναμικού ανάλογη με την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Η παραγόμενη διαφορά δυναμικού περνάει ως είσοδος στο καταγραφικό, όπου μεταφράζεται σε τιμές ακτινοβολίας. Το αισθητήριο σύστημα του πυρανομέτρου περιβάλλεται από ένα γυάλινο θόλο μεγέθους 4mm, ο οποίος το προστατεύει από τις επιδράσεις του περιβάλλοντος, ενώ ταυτόχρονα αποκόπτει και την ηλιακή ακτινοβολία με μήκος κύματος μεγαλύτερο από 2800nm. Στο κάτω μέρος της βάσης του πυρανομέτρου υπάρχει ενσωματωμένο ένα απλό σύστημα ρύθμισης της κλίσης του. Επίσης, μαζί με το πυρανόμετρο περιλαμβάνεται θωρακισμένο καλώδιο μήκους 10 μέτρων, ώστε να εξασφαλίζεται η μικρότερη δυνατή παρουσία θορύβου κατά τη μέτρηση.