10. Εφαρμογές φωτοβολταϊκών συστημάτων

Transcript

1 10. Εφαρμογές φωτοβολταϊκών συστημάτων Μαθησιακά αποτελέσµατα Satheesh Krishnamurthy, OPEN University, UK Μετά από τη μελέτη αυτού του κεφαλαίου, ο αναγνώστης θα πρέπει να έχει γνώση των μεγάλων δυνατοτήτων εφαρμογής των φωτοβολταϊκών, που κυμαίνονται από μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ως ενσωματωμένους φορητούς φορτιστές. Εισαγωγή Με την ολοένα αυξανόμενη ζήτηση για ενέργεια, η αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας έχει αυξηθεί. Η παγκόσμια χρήση των ορυκτών καυσίμων έχει οδηγήσει στην κρίσιμη κατάσταση της υπερθέρμανσης του πλανήτη, επηρεάζει σημαντικά την υγεία, το περιβάλλον και το κλίμα μας. Εκτεταμένη έμφαση έχει τεθεί στην εφαρμογή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ηλιακή ενέργεια είναι μακράν η πιο άφθονη μορφή ανανεώσιμης ενέργειας και έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει μερικώς τα ορυκτά καύσιμα. Η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει την επιφάνεια της γης μας είναι περίπου δέκα χιλιάδες φορές υψηλότερη από την τρέχουσα παγκόσμια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία (PV) είναι ένας τρόπος για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μετατρέπουν το ηλιακό φως απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια και μπορούν να ασκήσουν επιρροή στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του κόσμου. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται σε μια ποικιλία εφαρμογών. Οι εφαρμογές αυτές μπορούν να ομαδοποιηθούν σε δύο κατηγορίες: «διαδραστικά/διασυνδεδεμένα συστήματα κοινής ωφέλειας» και «αυτόνομα συστήματα» [1]. Εφαρμογές με διαδραστικά/διασυνδεδεμένα συστήματα κοινής ωφέλειας: Στα διαδραστικά (ή διασυνδεδεμένα) φωτοβολταϊκά συστήματα, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια συνδέονται με αντιστροφείς που μετατρέπουν το DC που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σε εναλλασσόμενο. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί στη συνέχεια να τροφοδοτήσει οικιακές συσκευές ή μπορεί να πουληθεί απευθείας στο δίκτυο. Καθώς ένα κτήριο λαμβάνει αυτήν την ενέργεια, αυτή διανέμεται σε συσκευές και φωτισμό, ή, όπου αλλού χρειάζεται. Δεδομένου ότι τα φωτοβολταϊκά συστήματα περιορίζονται να λειτουργούν μόνο εκτεθειμένα στον ήλιο, ένα εφεδρικό σύστημα είναι συχνά απαραίτητο για να εξασφαλιστεί η συνεχής παροχή ηλεκτρικής ενέργειας ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε σπίτια ή εμπορικά κτήρια

2 για την αντιστάθμιση του κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα φωτοβολταϊκών με μια σωστή εγκατάσταση αποθήκευσης μπορεί να είναι ελκυστικό για τη μετατόπιση ισχύος κατά τις ώρες αιχμής. Εικ. 1 Σχηματική αναπαράσταση διαδραστικού (ή διασυνδεδεμένα) φωτοβολταϊκού συστήματος. [2] Η παραπάνω εικόνα δείχνει ένα τυπικό φωτοβολταϊκό σύστημα με πλαίσια στην οροφή ενός σπιτιού. Αυτό το σύστημα επιτρέπει στον ιδιοκτήτη να πωλεί την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στο εθνικό δίκτυο, αποτελεσματικά μειώνοντας τους λογαριασμούς ηλεκτρικού ρεύματος. Εικ. 2 Φωτοβολταϊκά στη στέγη ενός σπιτιού στο Ηνωμένο Βασίλειο

3 Αυτόνομα Συστήματα Τα αυτόνομα συστήματα χρησιμοποιούν άμεσα την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται. Τα αυτόνομα συστήματα δεν βασίζονται σε διασύνδεση με το δίκτυο. Όταν προκύπτει ζήτηση κατά τη διάρκεια της νύχτας ή υπό κακή ηλιακή ακτινοβολία, τότε χρησιμοποιείται ένα σύστημα αποθήκευσης μπαταριών. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτόνομα συστήματα χρησιμοποιούν συμβατικές γεννήτριες ως συστήματα ασφαλείας. Υπάρχουν πολυάριθμες εφαρμογές για αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, ορισμένες από τις οποίες αναφέρονται παρακάτω. Φωτισμός: Με την εφεύρεση των LED (δίοδος εκπομπής φωτός) ως πηγή φωτισμού χαμηλής ισχύος, τα φωτοβολταϊκά συστήματα βρήκαν μια ιδανική εφαρμογή σε απομακρυσμένα ή κινητά συστήματα φωτισμού. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα σε συνδυασμό με εγκαταστάσεις αποθήκευσης μπαταριών ως επί το πλείστον χρησιμοποιούνται για να παρέχουν φωτισμό σε διαφημιστικές πινακίδες, πινακίδες οδικής κυκλοφορίας, εγκαταστάσεις δημόσιας χρήσης, χώρους στάθμευσης, καμπίνες διακοπών, και φωτισμού για τρένα. Εικ. 3 Ένα φως δρόμου που τροφοδοτείται από φωτοβολταϊκά.

4 Εικ. 4 Φορητό σύστημα φωτισμού, μαζί με την κινητή εγκατάσταση φόρτισης. Εικ. 5 Παράδειγμα μίας διαφημιστικής πινακίδας που τροφοδοτείται από φ/β πλαίσια. Επικοινωνίες: Τα σήματα που απαιτούνταιι από τα συστήματα επικοινωνίας χρειάζονται ενίσχυση μετά από συγκεκριμένα διαστήματα απόστασης. Διάφοροι πύργοι αναμετάδοσης τοποθετούνται για να ενισχύσουν το ραδιόφωνο, την τηλεόραση, και τα σήματα του τηλεφώνου. Υψηλές υψομετρικά τοποθεσίες είναι κυρίως ευνοϊκοί χώροι για τους

5 σταθμούς αναμετάδοσης. Αυτές οι περιοχές είναι γενικά μακριά από ηλεκτροφόρα καλώδια. Για να μειωθεί η δυσκολία και το κόστος των γεννητριών, τα φωτοβολταϊκά συστήματα εγκαθίστανται ως μια βιώσιμη εναλλακτική λύση. Εικ. 6 Αναμεταδότης σε μία ανυψωμένη θέση μπορεί να τροφοδοτείται από φωτοβολταϊκά. Εικ. 7 Οι δορυφόροι που χρησιμοποιούνται για τηλεπικοινωνίες τροφοδοτούνται από φωτοβολταϊκά.

6 Ηλεκτρική ενέργεια για απομακρυσμένες περιοχές: Ορισμένες περιοχές είναι αρκετά μακριά από το δίκτυο διανομής για τη δημιουργία σύνδεσης με το δίκτυο. Περιοχές που βρίσκονται υπό κατασκευή πρέπει επίσης να τροφοδοτηθούν προτού συνδεθούν. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούν μια ελκυστική επιλογή για τις περιπτώσεις αυτές. Επιπλέον, τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να υποστηριχθούν από συμβατικές γεννήτριες έτσι ώστε να παρέχουν αδιάλειπτη παροχή ενέργειας. Εικ. 8 Απομακρυσμένη περιοχή στην Αφρική που τροφοδοτείται από φωτοβολταϊκά. Αρωγή σε περιπτώσεις καταστροφών: Οι φυσικές καταστροφές συχνά επιφέρουν την κρίση ηλεκτρικής ενέργειας. Οι καταστροφές, όπως τυφώνες, πλημμύρες, ανεμοστρόβιλοι, και σεισμοί καταστρέφουν τα συστήματα παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Σε καταστάσεις όπως αυτές, όπου το δίκτυο τίθεται εκτός λειτουργίας για μεγάλο χρονικό διάστημα, φορητά φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να παρέχουν προσωρινές λύσεις για συστήματα φωτισμού, επικοινωνίας, τροφίμων και νερού. Οι κλινικές υγείας έκτακτης ανάγκης επιλέγουν συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένα σε φωτοβολταϊκά έναντι των συμβατικών συστημάτων αντί για τα προβλήματα της μεταφοράς των καυσίμων και της ρύπανσης.

7 Εικ. 9 Φορητά φωτοβολταϊκά συστήματα τροφοδοτούν περιοχή πληγείσα από φυσικές καταστροφές. Επιστημονικά πειράματα: Σε διάφορες περιπτώσεις, επιστημονικά πειράματα έχουν εγκατασταθεί σε περιοχές μακριά από την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για τη διεξαγωγή επιστημονικών δραστηριοτήτων σε απομακρυσμένες περιοχές. Συστήματα παρακολούθησης της σεισμικής δραστηριότητας, συνθηκών οδικής κυκλοφορίας, μετεωρολογικές πληροφορίες και άλλες ερευνητικές δραστηριότητες δύναται να τροφοδοτούνται από φωτοβολταϊκά. Εικ. 10 Απομακρυσμένο επιστημονικό πείραμα που τροφοδοτείται από φωτοβολταϊκά.

8 Συστήματα σημάτων: Συστήματα πλοήγησης, όπως φάροι, σήματα οδικής κυκλοφορίας και προειδοποιητικά σήματα αεροσκαφών μπορεί να είναι μακριά από το ηλεκτρικό δίκτυο. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορεί να είναι μια αξιόπιστη πηγή ενέργειας για αυτές τις σημαντικές εφαρμογές. Ακόμη και φορητά φανάρια μπορεί να τροφοδοτηθούν από φωτοβολταϊκά συστήματα. Εικ. 11 Φάρος που τροφοδοτείται από φωτοβολταϊκά. Εικ. 12 Φορητό φανάρι που τροφοδοτείται από φωτοβολταϊκά. Άντληση νερού:

9 Τα φωτοβολταϊκά είναι ένας τέλειος υποψήφιος για γεωργικούς και κτηνοτροφικούς σκοπούς λόγω της ανάγκης για νερό κατά τη διάρκεια των περιόδων με έντονη ηλιοφάνεια. Αυτά τα συστήματα άντλησης μπορούν να παρέχουν νερό απευθείας σε χωράφια, ή μπορεί να αποθηκεύσουν νερό για ώρα ανάγκης. Τα συστήματα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ακόμα και για την παροχή νερού σε απομακρυσμένες περιοχές και χωριά. Εικ 13. Ηλιακές αντλίες νερού μπορεί να είναι πολύ αποδοτικές για τις απομακρυσμένες γεωργικές δραστηριότητες [3]. Εικ. 14 Ηλιακές αντλίες νερού μπορούν να προμηθεύσουν νερό σε περιοχές όπου δεν υπάρχει σύνδεση με το δίκτυο.

10 Φόρτιση μπαταριών αυτοκινήτων: Οχήματα που λειτουργούν με ηλεκτρική ενέργεια μπορούν να φορτιστούν από σταθμούς παροχής ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοβολταϊκά πλαίσια. Τέτοια οχήματα μπορούν επίσης να διατηρούν κρίσιμες τιμές της μπαταρίας τους με τη χρήση πηγών τροφοδοτούμενων από φωτοβολταϊκά. Βάρκες και άλλα οχήματα αναψυχής μπορούν να φορτιστούν άμεσα με τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων. Εικ. 15 Ηλεκτρικά οχήματα στο φωτοβολταϊκό σταθμό φόρτισης. Εικ. 16 Σκάφος με φωτοβολταϊκό σύστημα φόρτισης.

11 Ηλιακά τροφοδοτημένη καθοδική προστασία: Αγωγοί, φρεάτια και άλλες μεταλλικές δομές είναι επιρρεπείς σε διάβρωση λόγω της έκθεσης σε νερό. Η διάβρωση συμβαίνει λόγω της ηλεκτρολυτικής δραστικότητας των μετάλλων καθώς χάνουν ιόντα σε επαφή με το νερό. Αυτή η ηλεκτρολυτική διαδικασία που οδηγεί σε διάβρωση μπορεί να μειωθεί με την εφαρμογή μιας εξωτερικής τάσης. Αυτή η εξωτερική τάση θα αποτρέψει την απώλεια ιόντων από το μέταλλο. Για το σκοπό αυτό, μόνο μια μικρή τάση DC είναι αρκετή. Τα φωτοβολταϊκά είναι ένας κατάλληλος υποψήφιος για το σκοπό αυτό, δεδομένου ότι παράγουν χαμηλή τάση συνεχούς ρεύματος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί απ'ευθείας. Ψύξη: Εικ. 17 Καθοδική προστασία με χρήση φωτοβολταϊκών. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορεί να είναι εξαιρετικά κατάλληλα για την αποθήκευση και μεταφορά των φαρμάκων και εμβολίων που χρειάζονται ψυγείο.

12 Εικ. 18 Ηλιακό ψυγείο. Καταναλωτικά προιόντα: Τεχνολογία φωτοβολταϊκών χρησιμοποιείται σε ποικιλία διαθέσιμων στο εμπόριο καταναλωτικών προϊόντων. Μικρές συσκευές DC, όπως παιχνίδια, ρολόγια, αριθμομηχανές, ραδιόφωνα, τηλεοράσεις, φακοί, ανεμιστήρες κ.λπ. μπορεί να λειτουργήσουν με τα συστήματα ενέργειας βασισμένα σε φωτοβολταϊκά. Εικ. 19 Ηλιακά τροφοδοτούμενα αριθμομηχανή και ραδιόφωνο. Επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας: Διάφορα συστήματα κοινής ωφελείας, όπως ταμειολογιστικές μηχανές και τηλεφωνικοί θάλαμοι μπορούν επίσης να τροφοδοτούνται από φωτοβολταϊκά συστήματα.

13 Εικ. 20 ΑΤΜ και τηλεφωνικός θάλαμος τροφοδοτούμενα από φωτοβολταϊκά. Συμπέρασμα Η τεράστια έρευνα που έχει πραγματοποιηθεί κατά την τελευταία δεκαετία έχει οδηγήσει σε αυξημένο ενδιαφέρον για την χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων στην ικανοποίηση ενεργειακών αναγκών. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα δύναται να τοποθετηθούν απευθείας στο κτήριο αντί να τοποθετούνται σε ξεχωριστές δομές/αναρτήσεις, μειώνοντας έτσι τις απαιτήσεις χώρου. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι διαθέσιμα σε ευλύγιστα πλαίσια και μπορούν να τοποθετηθούν σχεδόν σε κάθε επιφάνεια για την αξιοποίηση ηλιακής ενέργειας. Τέλος, θα πρέπει να αναφέρουμε ότι, με την πρόοδο της τεχνολογίας, διαφανή και φορητά φωτοβολταϊκά συστήματα δεν είναι μακριά. Βιβλιογραφία [1] [2] [3] [4]