Φωτοβολταϊκά Εφαρµογές στα κτίρια

Transcript

1 ΙΗΜΕΡΙ Α ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΟ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΣΑΒΒΑΤΟ, ΙΟΥΝΙΟΥ 2001 Φωτοβολταϊκά Εφαρµογές στα κτίρια Γ. Τσιλιγκιρίδης ρ. Μηχανολόγος Μηχανικός, Λέκτορας ΑΠΘ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ & ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ Π.Σ..Μ.Η. ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΟ ΤΜΗΜΑ ΠΑΤΡΑΣ

2 ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ηλιακή ενέργεια µπορεί να µετατραπεί απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια µε τη βοήθεια τριών κυρίως διαδικασιών: της θερµοηλεκτρικής, της θερµιονικής και της φωτοβολταϊκής. Οι διαδικασίες αυτές χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτηµα της άµεσης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς τη µεσολάβηση ενδιάµεσων σταδίων και θερµοδυναµικών κύκλων ή κινούµενων µερών. 1. Η πρώτη βασίζεται στο θερµοηλεκτρικό φαινόµενο και συγκεκριµένα στη θέρµανση από την ηλιακή ακτινοβολία µιας µεταλλικής πλάκας που είναι συγκολληµένη σε δυο ηλεκτρόδια από διαφορετικά θερµοηλεκτρικά υλικά. Στα ψυχρά άκρα των ηλεκτροδίων αναπτύσσεται τάση, συνήθως λίγων δεκάτων του volt, που εξαρτάται από το υλικό των ηλεκτρόδιων και από τη διαφορά της θερµοκρασίας τους ως προς τη µεταλλική πλάκα. Η πιο χαµηλή θερµοκρασία που µπορεί να λειτουργήσει στην πράξη ένα τέτοιο σύστηµα είναι η θερµοκρασία που επιτυγχάνεται µε έναν απλό ηλιακό συλλέκτη χωρίς πολλαπλασιασµό, όπου σαν υποπροϊόν µπορούµε να πάρουµε από τον συλλέκτη αυτό ζεστό νερό θερµοκρασίας 50-60oC. M αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται ενεργειακή απόδοση περίπου 1%. Για τη λειτουργία αυτού του τελευταίου θερµοηλεκτρικού ζεύγους, το πιο κατάλληλο ζεύγος είναι το κράµα βισµουθίουαντιµονίου και ο αντιµονιούχος ψευδάργυρος. 2. Η δεύτερη διαδικασία φωτοηλεκτρικής µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας βασίζεται στο θερµιονικό φαινόµενο, στη θέρµανση δηλ. µιας µεταλλικής πλάκας υπό κενό, ώστε να εκπέµπονται ηλεκτρόνια από την επιφάνεια της. Έτσι µια µεταλλική πλάκα/ηλεκτρόδιο που θερµαίνεται κοντά σε ένα άλλο ηλεκτρόδιο που ψύχεται είναι δυνατό να αποτελέσουν µια θερµιονική γεννήτρια. Από το θερµαινόµενο ηλεκτρόδιο φεύγουν ηλεκτρόνια τα οποία οδηγούνται στο ψυχόµενο ηλεκτρόδιο. Έτσι το πρώτο γίνεται κάθοδος ενώ το δεύτερο άνοδος. Είναι λοιπόν δυνατό όταν συνδεθούν µε εξωτερικό φορτίο να αποδοθεί ηλεκτρικό ρεύµα. Για την υπερνίκηση του έργου εξόδου των ηλεκτρονίων απαιτείται η θέρµανση του µετάλλου σε πολύ µεγάλη θερµοκρασία. Σε πλάκες από καθαρά µέταλλα η θερµοκρασία χρειάζεται να φθάσει τους C και για την πραγµατοποίηση της πρέπει να γίνει ισχυρή ενίσχυση της ηλιακής ακτινοβολίας, π.χ. µε συγκεντρωτικούς φακούς, περίπου χίλιες φορές. Αν στο κενό της διάταξης γίνει εισαγωγή ατµών ενός ευκολοϊονιζόµενου στοιχείου, π.χ. καισίου, η θερµοκρασία λειτουργίας της µπορεί να µειωθεί τους C. Η θεωρητική απόδοση των θερµιονικών γεννητριών βρίσκεται γύρω στο 30%. Στην πράξη έχουν πραγµατοποιηθεί αποδόσεις 6 έως 8%. Οι δύο προηγούµενες διατάξεις λόγω του µικρού βαθµού απόδοσης κατά τη µετατροπή και του µεγάλου κόστους των διατάξεων και διάφορων τεχνικών δυσκολιών δεν βρήκαν αξιόλογες πρακτικές εφαρµογές.

3 3. Η τρίτη διαδικασία φωτοηλεκτρικής µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας είναι µια καθαρή φωτονική µέθοδος, αφού η παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται κατευθείαν από τα φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα ηλιακά (φωτοβολταϊκά) στοιχεία (ηλιακές κυψέλες, ηλιακά κύτταρα) αποτελούνται από έναν ηµιαγωγό, µε προσαρµοσµένα ηλεκτρόδια στην εµπρός και πίσω όψη. Αν σε ορισµένους ηµιαγωγούς προστεθεί πολύ µικρή ποσότητα (1 περίπου µέρος στο εκατοµµύριο) από άλλα όµοια στοιχεία, που έχουν όµως 1 περισσότερο ή 1 λιγότερο ηλεκτρόνιο από τον ηµιαγωγό. Τότε κατασκευάζονται έτσι δύο τύποι ηµιαγωγών. Ο τύπος Ν και ο τύπος Ρ. Π.χ. τύπος Ν: πυρίτιο + αρσενικό - ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο. Τύπος Ρ: πυρίτιο + βόριο - ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο. Αν δύο λεπτά στρώµατα από τους δύο τύπους τοποθετηθούν το ένα πάνω στο άλλο και εκτεθούν σε ακτινοβολία π.χ. ηλιακή, τότε παρατηρείται ότι στη διαχωριστική επιφάνεια των δύο στρωµάτων εµφανίζεται ροή ηλεκτρονίων. Φωτόνια που έχουν ενέργεια πάνω από ένα όριο είναι ικανά να δηµιουργήσουν το φαινόµενο αυτό. Για το πυρίτιο το όριο αυτό είναι 1,1 ηλεκτρονικά βολτ (ev) που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1.100nm. Μεγαλύτερα µήκη κύµατος προκαλούν µόνο αύξηση της θερµοκρασίας. Η ένταση του ρεύµατος που αναπτύσσεται εξαρτάται από το εµβαδόν της επιφάνειας του στοιχείου και την περιεκτικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας σε ενεργά φωτόνια. Η ισχύς που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο πυριτίου είναι περίπου 16% της ισχύος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Θεωρητικά η µέγιστη ενεργειακή απόδοση ανέρχεται περίπου σε 24%. Η υπερθέρµανση προκαλεί σηµαντική µείωση της απόδοσης γι αυτό είναι απαραίτητο να υπάρχει ένα είδος ψύξης του συστήµατος το οποίο θα µπορούσε να είναι ένα παραπροϊόν ενέργειας, για τη θέρµανση νερού. Η ενεργειακή απόδοση που αναφέρθηκε, αναφέρεται σε µονοκρυσταλλικά στοιχεία, που όµως δυστυχώς κατασκευάζονται πάρα πολύ δύσκολα και είναι πολύ ακριβά. Τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία έχουν µειωµένη ενεργειακή απόδοση αλλά έχουν χαµηλότερο κόστος κατασκευής. Τα είδη ηλιακών κυττάρων που κατασκευάζονται σήµερα βιοµηχανικά και χρησιµοποιούνται στις πρακτικές εφαρµογές είναι από πυρίτιο (µονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό, καθώς και από άµορφο). Η απόδοση τους είναι περίπου 10-14%.Η απόδοση των ηλιακών στοιχείων πυριτίου δεν µπορεί να υπερβεί θεωρητικά το 20% περίπου. Με διάφορα πλεονεκτικότερα υλικά, όπως ηµιαγωγοί µε βάση το κάδµιο, το γερµάνιο ή άλλα µέταλλα, καθώς και διάφορα συστήµατα διάταξης τους µπορούµε να έχουµε µεγαλύτερο βαθµό απόδοσης (35% ή 65% σε ακραίες περιπτώσεις), όµως ακόµη βρίσκονται µόνο στο στάδιο της έρευνας. Η έρευνα που είναι προσανατολισµένη και για µείωση του κόστους των φωτοβολταϊκών στοιχείων, συνεχίζεται και υπόσχεται πολλά. Συγκρινόµενο µε τις καθιερωµένες πηγές και µεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας το κόστος παρασκευής των ηλιακών στοιχείων είναι σαφώς απαγορευτικό, τουλάχιστο για µεγάλες ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες. Για ειδικότερες όµως εφαρµογές µικρής ισχύος η εκλογή της φωτοβολταϊκής µετατροπής ενδείκνυται σε ορισµένες περιπτώσεις (π.χ. τροφοδότηση αποµακρυσµένων σηµείων που δεν είναι συνδεδεµένα µε το ηλεκτρικό δίκτυο, όπως σταθµοί τηλεπικοινωνιακών αναµεταδόσεων στις κορυφές

4 βουνών, µετεωρολογικοί σταθµοί κλπ.). Υπάρχουν πάντως υπό ανάπτυξη αξιόλογα προγράµµατα κατασκευής φ/β µονάδων. Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της φωτοβολταϊκής µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ανεξάντλητη πηγή ενέργειας και ελεύθερα διαθέσιµη Αφθονία πρώτης ύλης για κατασκευή Φ/Β στοιχείων Τα Φ/Β στοιχεία έχουν σχεδόν απεριόριστη διάρκεια ζωής εν υπάρχουν κινούµενα µέρη και εποµένως δεν υφίσταται ανάγκη επίβλεψης και συντήρησης Ανεξαρτησία από καύσιµα και µεγάλα δίκτυα διανοµής Απλότητα και ασφάλεια λειτουργίας εν ρυπαίνεται το περιβάλλον, δεν προκαλείται θορύβος, δεν δηµιουργούνται άχρηστα παραπροϊόντα Κατάλληλη για κάληψη µικρών φορτίων σε αποµακρυσµένες περιοχές Μεγάλη αναλογία ισχύος προς βάρος (~100W/kg), που είναι σηµαντική ιδιότητα για τις διαστηµικές εφαρµογές. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μεγάλο κόστος παρασκευής των Φ/Β στοιχείων (απαγορευτικό για εφαρµογές µεγάλης ισχύος) Ετεροχρονισµός µεταξύ παραγωγής και ζήτησης ενέργειας (απαίτηση για ενδιάµεση αποθήκευση µέρους της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας - πρόσθετη δαπάνη) Κάλυψη µεγάλης επιφάνειας εδάφους για τοποθέτηση του Φ/Β συστήµατος λόγω της χαµηλής έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Σε σχέση όµως µε τα ηλιακά θερµοηλεκτρικά συστήµατα η χρήση µεγάλων συστηµάτων κεντρικών φ/β σταθµών έχει αρκετά πλεονεκτήµατα, όπως: εν χρειάζονται µεγάλες εκτάσεις γης για την ίδια ισχύ. Αξιοποιούν και την ακτινοβολία διάχυσης (συνεπώς κάνουν και για συνήθως συννεφιασµένες περιοχές). εν έχουν κινούµενα τµήµατα. Μετά την αρχική επένδυση δεν χρειάζονται παραπέρα επενδύσεις παρά µόνο για µια ελάχιστη συντήρηση. Έχουν µεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τους υπάρχοντες εµπορικούς ηλεκτρικούς σταθµούς. Βασικό µειονέκτηµα των φ/β συστηµάτων είναι ο ετεροχρονισµός µεταξύ παραγωγής

5 και ζήτησης της ενέργειας. Απαιτείται εποµένως η ενδιάµεση αποθήκευση της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας. Έχουν προταθεί πολλές µέθοδοι αποθήκευσης, όπως ηλεκτρόλυση νερού για την παραγωγή καυσίµου υδρογόνου, η ανύψωση νερού σε ταµιευτήρες κλπ. Πρακτικά όµως περισσότερο εφαρµόσιµη εξακολουθεί να είναι η φόρτιση ηλεκτροχηµικών συσσωρευτών, το κόστος τους όµως είναι συνήθως µεγάλο. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ Φ/Β ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ Α. Φ/Β συστήµατα συνδεµένα µε το δίκτυο ιακρίνονται σε συστήµατα: Μικρής Ισχύος Αιχµής Μέσης Ισχύος Αιχµής Μεγάλης Ισχύος Αιχµής Β. Αυτόνοµα Φ/Β συστήµατα Είναι αυτά που δεν είναι συνδεµένα µε άλλες πηγές (παραδοσιακές ή µη) παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος. Τα βασικά τους µέρη είναι: Α. Φ/Β πεδίο Φ/Β πλαίσια Σύστηµα στήριξης Καλωδιώσεις Β. Μονάδα Μετατροπής Ισχύος Ηλεκτρονικά ελέγχου (Μονάδα ρύθµισης συνεχούς τάσης, προστασία, έλεγχος) Μετασχηµατιστής DC/AC Γ. Συσσωρευτής. Φορτίο (ζήτηση) Φωτισµός Ψυγείο, Καταψύκτης TV, Ραδιόφωνο, κλπ. Η.Υ. Απορροφητήρας, mixer, κλπ Κυκλοφορητής δικτύου θέρµανσης ΝΑ ΑΠΟΦΕΥΓΟΝΤΑΙ ΟΙ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ (πχ. κουζίνα) ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 1. Φάροι και σηµαδούρες θαλασσίων οδών 2. Τηλεπικοινωνίες Τηλεφωνικό δίκτυο δυσπρόσιτων/αποµονωµένων περιοχών Αναµεταδότες τηλεόρασης

6 Αναµεταδότες FM Αναµεταδότες µικροκυµάτων τηλεπικοινωνιών Τηλέφωνο εθνικών οδών Τηλεπικοινωνίες Ε.. (δίκτυα, αναµεταδότες, ποµποί) 3. Μονάδες αναγνώρισης - προειδοποίησης Ανισόπεδες διαβάσεις σιδηροδρόµου Σηµάνσεις οδών Φωτεινά σήµατα 4. Μετρητικές διατάξεις, κλπ Σεισµογράφοι Μετρητές κυκλοφορίας 5. Άντληση - Άρδευση 6. Ηλεκτροδότηση κατοικιών, οικισµών, camping, κτηνοτροφικών µονάδων, κλπ. ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Πρέπει να λαµβάνονται υπόψη: Ι. Το είδος χρήσης κατοικίας (ξενώνα, µονής, οικισµού, Camping) Μόνιµη - ευτερεύουσα (εξοχική) Μήνες / ηµέρες κατοίκησης Απαιτούµενη αυτοδυναµία ΙΙ. Ο οικιακός εξοπλισµός και χρήση του Είδος συσκευών Ισχύς συσκευών Χρονική διάρκεια χρήσης συσκευών Χρονικό σηµείο χρήσης συσκευών ΙΙΙ. Η θέση εγκατάστασης του Φ/Β συστήµατος (γεωγραφική και τοπογραφική) Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορα επίπεδα (ενεργειακό δυναµικό) Χρονική διακύµανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας ιαθέσιµος χώρος εγκατάστασης, προσανατολισµός, σκίαση, αλληλοσκίαση Φορτίο - Καµπύλες διακύµανσης ηµερήσιου φορτίου Ηµέρες αυτοδυναµίας Μέγεθος και Χαρακτηριστικά Μονάδας Μετατροπής Ισχύος Ρυθµιστής Μέγεθος και Χαρακτηριστικά Συσσωρευτή Αριθµός - Κλίση - Τεχνικά Χαρακτηριστικά - Συνδεσµολογία Φ/Β πλαισίων

7 200 Ετήσια εγκαταστηµένη ισχύς Φ/Β στην Ελλάδα 150 [kwp] Μερίδια αγοράς Φ/Β συστηµάτων στην Ελλάδα Λοιπές εφαρµογές 10,2% Συνδεµένα µε το ίκτυο 24,2% Αυτόνοµα κατοικιών 45,0% Τηλεπικοινωνίες Αναµεταδότες 8,0% Αυτόνοµα αγροτικα 12,6%

8 Μέγιστη θεωρητική απόδοση ηλιακών κυττάρων Σχηµατική παράσταση ηλιακού κυττάρου πυριτίου

9 Αυτόνοµο ΦΒ Σύστηµα Συσσωρευτές Φορτία ΣΡ ΦΒ Πεδίο Ρυθµ ιστής Φόρτισης = ~ Φορτία ΕΡ Μετατροπέας DC/AC ΦΒ Σύστηµα συνδεµένο µε το δίκτυο ΦΒ Πεδίο Μετατροπέας DC/AC = ~ Φορτία Κτιρ ίου (ΕΡ) ίκτυο

10 Ηλιακά στοιχεία ενσωµατωµένα σε κτίριο Φωτοβολταϊκό σύστηµα 100 kwp σε εθνική οδό της Ελβετίας

11 Αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα 1,5 kw p σε κατοικία Ο inverter και οι συσσωρευτές (24 x 2V x 200 Ah) για το αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα της κατοικίας της προηγούµενης εικόνας