ΤΕΙ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ. Ηλιακός φορτιστής για κινητές συσκευές. Solar Charger for mobile Devices

Transcript

1 ΤΕΙ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ Ηλιακός φορτιστής για κινητές συσκευές Solar Charger for mobile Devices ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Παπαδόπουλος Επαμεινώνδας ΑΕΜ:5080 Επιβλέπον καθηγητής: Δρ Λυκούργος Μαγκαφάς Οκτώβριος 2014

2 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η δημιουργία ενός φορητού ηλιακού φορτιστή για κινητά τηλέφωνα (smart phones). Η εργασία παρουσιάζεται σε πέντε κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αφορά στην ηλιακή ενέργεια, την οποία εκμεταλλευόμαστε ως πηγή ενέργειας. Το δεύτερο αφορά στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική μέσω των φωτοβολταϊκών πάνελ. Το τρίτο μέρος αναφέρεται στην αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό συσσωρευτή των 6 Volt. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η διάταξη για την προστασία του συσσωρευτή από υπερφόρτιση σε περίπτωση που ξεχάσουμε τον φορτιστή εκτεθειμένο στον ήλιο για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το πέμπτο και τελευταίο μέρος της εργασίας περιγράφει την ηλεκτρονική διάταξη μεταξύ της μπαταρίας και του κινητού που προσαρμόζει την τάση κάτω από 5 Volt ώστε να μπορεί να φορτιστεί η μπαταρία του κινητού. 3

4 ABSTRACT The aim of this project is the creation of a portable solar charger for mobile telephones (smart-phones). The project is presented in five parts, constituting the chapters of this paper. The first chapter deals with solar energy, which we use as our energy source. The second chapter deals with the conversion of solar energy to electric, via photovoltaic panels. The third part refers to the storage of the electric energy in a electric accumulator. In the fourth chapter there is the description of an electronic array for the protection of the accumulator from overcharging, in the case that the charger is accidentally left in the sunlight for an extended period of time. The fifth and last chapter describes the electronic array located between the electric accumulator and the mobile phone, which adjusts the voltage below 5 Volt, so that the mobile phone battery could be charged. 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : Η ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ιστορική αναδρομή στην ηλιακή ενέργεια Τα πρώτα πειράματα με την ηλιακή ενέργεια Η αφθονία της ηλιακής ενέργειας Πλεονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας Μειονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας ΑΡΧΕΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ηλιακή ακτινοβολία Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Μέτρησης ηλιακής ενέργειας Ηλιακή σταθερή Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία Μονάδες μέτρησης ηλιακής ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Ημιαγωγοί προσμείξεις Δίοδος επαφής ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φβ στοιχείου Χαρακτηριστική καμπύλη φβ στοιχείου Σημείο λειτουργίας φβ στοιχείου Βαθμός απόδοσης φβ στοιχείου Ισχύς αιχμής φβ στοιχείου ΕΙΔΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Φβ στοιχεία πυριτίου Φβ στοιχειά άλλων υλικών Κατασκευαστικές λεπτομερές

6 3.4. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Γενικά Κατασκευαστικές λεπτομέρειες Ισχύς αιχμής φβ πλαισίου Βαθμός απόδοσης φβ πλαισίου ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ Γενικά Βαθμός απόδοσης φβ συστοιχίας Επιφάνεια φβ συστοιχίας Ισχύς αιχμής φβ συστοιχίας Σχεδιασμός φβ συστοιχίας Κατασκευαστικές λεπτομέρειες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ Γενικά Διαδικασία φόρτισης - εκφόρτισης Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Βαθμός απόδοσης συσσωρευτή Ονομαστική χωρητικότητα συσσωρευτή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ Γενικά Ελεγκτής φόρτισης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

7 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η δημιουργία ενός ηλιακού φορητού φορτιστή για κινητά τηλέφωνα. Επιθυμούμε ο φορτιστής να περιέχει μία αποθήκη που θα συσσωρεύει την ηλιακή ενέργεια, δηλαδή μία μπαταρία. Αυτό συμβαίνει γιατί θέλουμε να έχουμε την δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε τον φορτιστή ακόμα και όταν δεν υπάρχει ηλιοφάνεια. Το θέμα παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον γιατί αν και τελευταία κυκλοφορούν στο εμπόριο ηλιακού φορτιστές, δεν είναι αρκετά αποδοτικοί. Γενικά δεν είναι κάτι ιδιαίτερα διαδεδομένο, αν και αποτελεί πρακτική λύση για την φόρτιση του κινητού σε μέρη χωρίς πρόσβαση σε ηλεκτρισμό. (κάμπινγκ, βουνό κτλ) Ως πηγή ενέργειας, εκμεταλλευόμαστε την ηλιακή. Η ηλιακή ακτινοβολία καταφθάνει στη γη με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Το ορατό φως και τα ραδιοκύματα είναι παραδείγματα της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα οπτικά κύματα ταξιδεύουν από τον ήλιο στη γη με ταχύτητα km/sec. Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας γίνεται μέσω των φωτοβολταϊκών πάνελ. Στις μέρες μας τα φωτοβολταιϊκά είναι ευρέως διαδεδομένα, όμως δεν γνωρίζουν όλοι ότι πρόκειται για ημιαγωγικά στοιχεία. Συνήθως αυτοί οι ημιαγωγοί είναι από πυρίτιο, οι οποίοι ενώνονται με σκοπό να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα σε σειρά. Οι ημιαγωγοί αυτοί απορροφούν φωτόνια από την ηλιακή ακτινοβολία και παράγουν μία ηλεκτρική τάση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η τάση που εκδηλώνει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο πυριτίου σε κανονική ηλιακή ακτινοβολία είναι ελάχιστη, όπως και η ισχύς της. Λύση σε αυτό το πρόβλημα αποτελεί η σύνδεση των φωτοβολταϊκών σε σειρά κατά τρόπο ανάλογο της σύνδεσης των ηλεκτρικών πηγών. Ένα σύνολο φωτοβολταϊκών στοιχείων σε σειρά ονομάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια μπορούν να συνδεθούν σε σειρά η παράλληλα ανάλογα με τον επιδιωκόμενο σκοπό. Ο συνδυασμός πολλών φωτοβολταϊκών πλαισίων η πάνελ, συνδεδεμένων μεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα ονομάζεται φωτοβολταϊκή συστοιχία. 7

8 Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα πρέπει να παρέχει την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια, για την ικανοποίηση της ζήτησης και τις χρονικές περιόδους κατά τις οποίες δεν υπάρχει ηλιοφάνεια. Αυτή την ανάγκη έρχεται να καλύψει ο ηλεκτρικός συσσωρευτής. Η φόρτιση του ηλεκτρικού συσσωρευτή μέσω των φωτοβολταϊκών απαιτεί συνεχή έλεγχο της κατάστασης φόρτισης. Ελεγκτής φόρτισης ονομάζεται η ηλεκτρονική διάταξη που ελέγχει τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης του συσσωρευτή. 8

9 2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : Η ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ιστορική αναδρομή στην ηλιακή ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια είναι η ενέργεια που μεταδίδεται στη γη από τον ήλιο. Έχει δημιουργήσει άμεσα ή έμμεσα όλα τα ενεργειακά αποθέματα στη γη από την εποχή του σχηματισμού του πλανήτη. Η ανάλυση έχει δείξει ότι οι περισσότερες μορφές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σήμερα προέρχονται από τον ήλιο, εκτός από την πυρηνική ενέργεια και τις παλίρροιες. Η σημασία του ήλιου στις ανθρώπινες προσπάθειες δεν μπορεί να παραβλεφθεί. Μία μελέτη των Δυτικών ή Ανατολικών φιλοσοφιών αποκαλύπτει πολλούς μύθους και θρύλους που αποδεικνύουν την υποχρέωση του ανθρώπου στον ήλιο, ο οποίος παρέχει χρήσιμη θερμότητα και τον απαιτούμενο μηχανισμό παραγωγής των καλλιεργειών. Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται επί χιλιάδες χρόνια για την αποξήρανση της τροφής, ως καύσιμο και για την εξαγωγή του αλατιού. Με το χρόνο αναπτύχθηκε η αρχιτεκτονική, έτσι ώστε να εκμεταλλεύεται τον ήλιο για θέρμανση ή να τον αποφεύγει για ψύξη. Πριν από χρόνια οι αρχαίοι Έλληνες ήταν από τους πρώτους που ενσωμάτωσαν την ηλιακή ενέργεια στην αρχιτεκτονική τους. Ο Σωκράτης είχε παρατηρήσει ότι τα σπίτια με νότια πρόσοψη επέτρεπαν τη θέρμανση τους από τον ήλιο κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Τους καλοκαιρινούς μήνες, ο ήλιος βρισκόταν σχεδόν κατακόρυφα, οπότε έχτιζαν οροφές για να σκιάζουν το πάνω μέρος των κτιρίων. Οι κατασκευές αυτές αποτελούνταν είτε από χοντρές πλίνθους είτε από πέτρες για τη διατήρηση της δροσιάς το καλοκαίρι. Με την αποψίλωση των δασών επί Ρωμαϊκής αυτοκρατορίας, λόγω της αυξημένης πίεσης για καλλιέργειες, οικοδόμηση κτιρίων και καύση ξυλείας, η χρήση της ηλιακής ενέργειας νομοθετήθηκε με τον Ιουστινιανό κώδικα κατά τον 6 ο μ.χ. αιώνα. Ο κώδικας αυτός προέβλεπε τη χρήση κάποιας ενεργειακής πηγής για τη θέρμανση των σπιτιών. Και άλλοι πολιτισμοί χρησιμοποίησαν κατά το παρελθόν τη γνώση για την ηλιακή ενέργεια, για θέρμανση ή ψύξη των οικημάτων τους. Οι Κινέζοι από τον 4 ο μέχρι τον 6 ο 9

10 αιώνα μ.χ. έχτιζαν τις κατασκευές τους με νότια πρόσοψη. Οι κατασκευές τους ήταν τέτοιες, ώστε το ηλιακό φως να διαχέεται στο εσωτερικό των σπιτιών κατά τους θερινούς μήνες από ξύλινα πλεκτά παράθυρα και ριζόχαρτο. Αυτό μείωνε την εσωτερική θερμότητα των σπιτιών το καλοκαίρι, ενώ τα χειμώνα επέτρεπε την είσοδο της ηλιακής ενέργειας. Η γνώση της ηλιακής ενέργειας στην ψύξη των κατασκευών συναντάται σε ολόκληρη σχεδόν την τροπική Ασία. Η χρήση καλαμοσκεπών επέτρεπε τον κατάλληλο αερισμό και την προστασία από την επερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία. Οι καλαμοσκεπές, οι οποίες αποτελούν εξαίρετο μονωτή, χρησιμοποιήθηκαν επί χιλιάδες χρόνια στις Ασιατικές χώρες και βοήθησαν τους κατοίκους να προστατεύονται από την επίμονη ζέστη των καλοκαιρινών μηνών. Στις περιοχές αυτές συναντάται και η χρήση πύργων ψύξης, οι οποίοι τραβούσαν το θερμό αέρα από το εσωτερικό των κτιρίων (ο θερμότερος αέρας ανέρχεται στην κορυφή του μονωμένου καλαμωτού πύργου, τραβώντας τον αέρα από το εσωτερικό του σπιτιού προς τα πάνω) Τα πρώτα πειράματα με την ηλιακή ενέργεια. Η χρήση της ηλιακής ενέργειας δεν περιορίστηκε μόνο στη θέρμανση και στην ψύξη των κτιρίων. Τα πρώτα πειράματα με την ενέργεια αυτή βοήθησαν σε πολλές επιστημονικές ανακαλύψεις και εφευρέσεις. Για παράδειγμα, το 1774, ο Βρετανικός χημικός Josef Priestley ανακάλυψε ότι συγκεντρωμένες ηλιακές ακτίνες πάνω σε οξείδιο του υδραργύρου, προκαλούσαν την απελευθέρωση κάποιου αερίου. Ο Priestley διαπίστωσε ότι η φλόγα των κεριών ήταν λαμπρότερη, όταν περιβαλλόταν από το αέριο αυτό. Γι` αυτό νόμισε ότι το αέριο αυτό ήταν αέρας μεγαλύτερης τελειότητας. Με παρόμοια πειράματα συγκεντρωμένου ηλιακού φωτός από οπτικούς φακούς, ο Γάλλος χημικός Antoine Lavoisier ανακάλυψε, ορθά, ότι το αέριο αυτό ήταν το οξυγόνο. Το 1872 κατασκευάστηκε στη Χιλή ένα αποστακτήριο για την παραγωγή πόσιμου ύδατος από αλμυρό νερό. Κατά το πείραμα αυτό τοποθετήθηκαν πάνω από το αλμυρό νερό κεκλιμένες γυάλινες οροφές. Η ηλιακή ενέργεια διαπερνούσε το γυαλί και ανέβαζε τη θερμοκρασία του αλμυρού νερού και προκαλούσε τη συμπύκνωση των παραγόμενων υδρατμών κάτω από το γυαλί. Το συμπυκνωμένο αυτό νερό έρεε με τη βοήθεια 10

11 καναλιών προς κάποιες συλλεκτικές λεκάνες. Η εγκατάσταση αυτή μπορούσε να παρέχει στον πληθυσμό της περιοχής περίπου γαλόνια πόσιμου νερού ημερησίως. Παρά τα ιστορικά στοιχεία της επιτυχούς χρήσης της ηλιακής ενέργειας σε πολλές εφαρμογές, ακόμη δεν έχει διαδοθεί ευρέως. Αυτό οφείλεται μερικώς στη διακοπτόμενη φύση της ενεργειακής πηγής (ηλιοφάνεια υπάρχει μόνο για κάποιο χρονικό διάστημα της ημέρας) και μερικώς στην προτίμηση για τις ευκολίες που παρέχει η χρήση καύσιμων υδρογονανθράκων, για την ικανοποίηση των βιομηχανικών και οικονομικών απαιτήσεων. Πάντως, η ηλιακή ενέργεια υπόσχεται ακόμη πολλά. Για πολλούς επιστήμονες η χρήση της ηλιακής ενέργειας τανταλίζεται, επειδή είναι άφθονη, καθαρή και ελεύθερη σε αυτούς που επιλέξουν να την εκμεταλλευτούν Η αφθονία της ηλιακής ενέργειας Σε παγκόσμια κλίμακα, η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας, που καταφθάνει στη γη μέσα σε μία περίοδο δύο εβδομάδων, είναι ισοδύναμη με την ενέργεια όλων των αποθεμάτων φυσικών καύσιμων υδρογονανθράκων (γαιάνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου). Το συνολικό ποσό της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στη γήινη ατμόσφαιρα μέσα σε ένα χρόνο ισούται περίπου με φορές την ενέργεια που χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα ετησίως. Στα εξωτερικά όρια της ατμόσφαιρας, η μέση ένταση της ηλιακής ενέργειας είναι 1,36 kwatts ανά τετραγωνικό μέτρο (μετρούμενη στο κάθετο προς αυτήν επίπεδο). Ο αριθμός αυτός είναι γνωστός ως ηλιακή σταθερή και λαμβάνει τη μέγιστη αυτή τιμή, όταν ο ήλιος είναι κατακόρυφος στον ουρανό. Φανταστείτε ότι η σημερινή τεχνολογία μπορούσε να συλλάβει την ποσότητα της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας στα εξωτερικά όρια της ατμόσφαιρας. Τότε δεν θα υπήρχε πρόβλημα εξάντλησης των ενεργειακών πηγών. Οι χώρες δε θα ήταν η μία όμηρος σε αυτήν που κατέχει αποθέματα φυσικών καύσιμων υδρογονανθράκων. Αυτή η αφθονία ενέργειας θα μπορούσε να επιτρέψει τον περισσότερο ισότιμο ανταγωνισμό των αναπτυσσόμενων και βιομηχανικών χωρών στην παγκόσμια αγορά. Υπενθυμίζεται ότι η χρήση φθηνών ενεργειακών πηγών αποτελεί απαίτηση της παραγωγής αγαθών και υπηρεσιών. Η μεγάλη αυτή ποσότητα ενέργειας δεν μπορεί βέβαια να κατανοηθεί 11

12 εύκολα, αλλά ενισχύει την έννοια ότι η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μια πραγματική ανεξάντλητη πηγή. Το μεγαλύτερο ποσό της ενέργειας αυτής δεν μπορεί να συλλεχθεί. Καθώς διαχέεται μέσα στην ατμόσφαιρα ανακλάται πίσω στο διάστημα ή απορροφάται από τα φυτά και τις υδάτινες μάζες. Λαμβάνοντας υπόψη της απώλειες αυτές, ο ήλιος εξακολουθεί να παρέχει τεράστια αποθέματα ενέργειας. Για παράδειγμα περίπου το 13% της ηλιακής ενέργειας στα εξωτερικά όρια της ατμόσφαιρας φθάνει στο έδαφος. Υποθέστε ότι η ενέργεια αυτή μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό με βαθμό απόδοσης 20%. Τότε θα ήταν δυνατό να τροφοδοτηθούν όλες οι ηλεκτρικές ανάγκες μιας χώρας. Πρακτικά, φανταστείτε ότι εάν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ολόκληρη η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην οροφή κάποιας κατοικίας, τότε θα τροφοδοτούνταν όλες οι ηλεκτρικές ανάγκες του σπιτιού Πλεονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας είναι ότι δε διαθέτει μακροπρόθεσμο κόστος. Γενικά, ο καταναλωτής πληρώνει μόνο την αρχική επένδυση του συστήματος και τη συντήρησή του. Κατά τη διάρκεια της ζωής ενός συστήματος ηλιακής ενέργειας, το κόστος είναι πολύ χαμηλότερο συγκριτικά με το εάν την ηλιακή ενέργεια θα την παρήγαγε και θα την διέθετε κάποια ηλεκτρική εταιρεία. Η εξέταση του κόστους της παραγόμενης ενέργειας συγκριτικά με τη διάρκεια ζωής του συστήματος, αναφέρεται ως κόστος κύκλου ζωής. Πρακτικά, η ηλιακή ενέργεια δεν εξαντλείται ποτέ. Είναι περιβαλλοντικά ελκυστική λόγω των ελάχιστων αποβλήτων που παράγει. Επιπλέον, για οικιακές και εμπορικές εφαρμογές δεν απαιτεί τη μεταφορά της στον τόπο κατανάλωσης. Καμία άλλη μορφή ενέργειας, που βρίσκεται σε χρήση σήμερα, δε διαθέτει τα πλεονεκτήματα αυτά Μειονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας Αν και η ηλιακή ενέργεια βρίσκεται σε αφθονία, παρουσιάζει όμως ορισμένα μειονεκτήματα: 12

13 1) Η ηλιακή ενέργεια διαχέεται. Εάν υποθέσουμε ότι η ηλιακή ακτινοβολία σε μια καθαρή μέρα είναι 100%, σε μια χαμηλής ορατότητας ημέρα μόνο το 60-80% της ηλιακής ακτινοβολίας θα φθάσει στο έδαφος, ενώ σε μια συννεφιασμένη ημέρα μόνο το 5-50% της ηλιακής ακτινοβολίας θα φθάσει στη γήινη επιφάνεια. Επομένως, για να είναι χρήσιμη η ηλιακή ενέργεια απαιτεί συγκέντρωση. 2) Η ηλιακή ενέργεια είναι διακοπτόμενη, δηλαδή, μπορεί πολύ εύκολα να διακοπεί από τα σύννεφα. Είναι διαθέσιμη μόνο για περίπου 15 ώρες το εικοσιτετράωρο (ανάλογα με τη γεωγραφική περιοχή και την εποχή του έτους). Επομένως, θα πρέπει να βελτιωθεί η τεχνολογία αποθήκευσης της ηλιακής ενέργειας, μέχρι να ζητηθεί από τους καταναλωτές. Αυτό, απαιτεί περισσότερο βελτιωμένα και αποδοτικότερα αποθηκευτικά συστήματα ΑΡΧΕΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ηλιακή ακτινοβολία Η ηλιακή ακτινοβολία καταφθάνει στη γη υπό τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η κυματική αυτή μορφή ενέργεια μοιάζει πολύ με τα κύματα που παράγονται, όταν μια πέτρα πέσει στο νερό. Η ακτινοβολία μετράται με το μήκος κύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι και η συχνότητα και αντίστροφα. Το ορατό φως και τα ραδιοκύματα είναι παραδείγματα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα οπτικά κύματα ταξιδεύουν από τον ήλιο στη γη με μία ταχύτητα km/sec Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Το σχήμα 1 απεικονίζει το εύρος των συχνοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Στην κλίμακα αυτή, το μήκος κύματος μετράται σε εκατοστά (cm). Επίσης, απεικονίζεται για σύγκριση και άλλες μονάδες μέτρησης (Anstrom, μm και μέτρα). Από τα οπτικά κύματα του ηλιακού φωτός που προσπίπτουν στη γήινη επιφάνεια, περίπου το 9% βρίσκεται στην υπεριώδη περιοχή. Η υπεριώδης ακτινοβολία προκαλεί το μαύρισμα και τα εγκαύματα του δέρματος. 13

14 Το τρίτο τμήμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας του ήλιου, το οποίου αποτελεί περίπου το 51% του συνόλου, είναι το υπέρυθρο. Κάθε θερμό αντικείμενο εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία. Στην πραγματικότητα, κάθε αντικείμενο που περιέχει θερμική ενέργεια εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία. Η υπέρυθρη ακτινοβολία του ηλίου απορροφάται από τα αντικείμενα πάνω στη γη. Ακολούθως, μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια και διαχέεται μέσα στα σώματα. Οι ηλιακοί συλλέκτες χρησιμοποιούν την υπέρυθρη ακτινοβολία ως μέσο συλλογής της ηλιακής ενέργειας. Σχήμα 1: Σε αυτό το διάγραμμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος απεικονίζεται η θέση της ορατής υπέρυθρης και υπεριώδους ακτινοβολίας σε σχέση με το μήκος κύματος Μέτρησης ηλιακής ενέργειας Οι όροι ηλιακή σταθερή, προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (insolation) και lang-ley χρησιμοποιούνται στη μέτρηση της ηλιακής ενέργειας, η οποία προσπίπτει στη γήινη ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια ενός ηλιακού συλλέκτη Ηλιακή σταθερή Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ηλιακή σταθερή αποτελεί το μέτρο του συνολικού ποσού ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας, που φθάνει στην εξωτερική ατμόσφαιρα της γης (Σχ. 2). Η ηλιακή σταθερή μετράται σε κάποιο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Η μέση τιμή της είναι Btu/m 2 /hour ή W m 2 (1.5 hp yard 2 ). 14

15 Σχήμα 2: Η ηλιακή σταθερή αποτελεί το συνολικό ποσό ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στην εξωτερική ατμόσφαιρα της γης ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (insolation incident solar radiation) είναι η ηλιακή ακτινοβολία που λαμβάνεται ανά μονάδα επιφάνειας για δεδομένο χρονικό διάστημα πάνω στην επιφάνεια της γης. Ανάμεσα στις διάφορες μονάδες μέτρησης του μεγέθους αυτού είναι τα Btu/m 2 /hour. Το σχήμα 3 απεικονίζει ένα όργανο μέτρησης του μεγέθους αυτού. Για την εκτέλεση μέτρησης το όργανο διατηρείται κάθετο προς την ηλιακή ακτινοβολία. 15

16 Σχήμα 3: Όργανο μέτρησης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης (insolation). Το μέγεθος αυτό (insolation) είναι πιο χρήσιμο από την ηλιακή σταθερή, επειδή μετράται στην επιφάνεια της γης και όχι στην εξωτερική επιφάνεια. Επομένως, είναι χρησιμότερο στον προσδιορισμό της απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών. Σημειώστε ότι το μέγεθος αυτό μεταβάλλεται ανάλογα με την πυκνότητα του αέρα, την κάλυψη των νεφών, τη γεωγραφική τοποθεσία, τη χρονική στιγμή της ημέρας, τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και τη γωνία του ήλιου ως προς τη γήινη επιφάνεια. Γενικά, η προσπίπτουσα ακτινοβολία που λαμβάνεται στην επιφάνεια της γης μεταβάλλεται από το 0 έως περίπου 360 Btu ft 2 hr (986 kcal m 2 hr ή 1135 W m 2 hr). Το μέγεθος αυτό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για σύγκριση της ηλιακής ακτινοβολίας μεταξύ διαφορετικών τοποθεσιών. Για παράδειγμα, για την επιλογή του σημείου τοποθέτησης ενός ηλιακού συλλέκτη μπορεί να συγκριθεί η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε ένα βορινό τοίχο με την προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ένα δυτικό τοίχο Μονάδες μέτρησης ηλιακής ενέργειας Η τρίτη μονάδα μέτρησης της ηλιακής ενέργειας είναι το Langley. Ένα Langley ισοδυναμεί με μία θερμίδα (calorie) ανά τετραγωνικό μέτρο ακτινοβολούμενης 16

17 επιφάνειας. Τα langleys χρησιμοποιούνται στη μελέτη των καιρικών φαινομένων. Για παράδειγμα, εάν καταγραφεί η μέση ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία επί ένα χρόνο και στη συνέχεια αποτυπωθεί στο χάρτη, τότε θα έχουμε μια απεικόνιση της ηλιακής έντασης σε langleys. Υπάρχουν επίσης διαθέσιμοι χάρτες για κάθε μήνα του χρόνου και για διαφορετικές γεωγραφικές τοποθεσίες. Προφανώς, ο Νοέμβριος, ο Δεκέμβριος, ο Ιανουάριος και ο Φεβρουάριος θα έχουν πολύ χαμηλότερες καταγεγραμμένες τιμές από τους θερινούς μήνες. Πολλές φορές είναι απαραίτητη η μετατροπή μεταξύ των μονάδων αυτών. Για τη μετατροπή από Btu/ft 2 /hr: Μονάδα X Πολλαπλασιαστικός παράγοντας Langleys/min επί 0, Calories/cm 2 /hr επί 0,271 Watts/m 2 επί 3,152 17

18 3. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ 3.1. ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Κάθε στερεό σώμα αποτελείται από άτομα και κάθε άτομο περιλαμβάνει έναν πυρήνα και έναν αριθμό ηλεκτρονίων, που περιφέρονται γύρω από αυτόν. Ο πυρήνας φέρει θετικό ηλεκτρικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια αρνητικό. Το θετικό ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα είναι ίσο και αντίθετο με το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων, τα οποία διατάσσονται γύρω από τον πυρήνα σε συγκεντρικούς φλοιούς η στοιβάδες (Σχ. 1). Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας ονομάζονται ειδικότερα ηλεκτρόνια σθένους. Κάθε ηλεκτρόνιο σθένους έχει μια συγκεκριμένη ενέργεια, δηλαδή, βρίσκεται σε μία συγκεκριμένη στάθμη ενέργειας. Σχήμα 1: Σχηματική παράσταση ατόμων. Ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζεται η κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα σώμα. Ανάλογα με την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα, τα στερεά διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: Μονωτές Αγωγούς Ημιαγωγούς 18

19 Από την άποψη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς, τα ηλεκτρόνια των ημιαγωγών είναι τριών ειδών: Ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων Τα ηλεκτρόνια αυτά είναι τα λιγότερο ενεργά και δεν συμμετέχουν σε μηχανισμούς αγωγιμότητας. Ελεύθερα ηλεκτρόνια Είναι τα ηλεκτρόνια, που διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να αποσπαστούν από τους δεσμούς του σώματος. Ηλεκτρόνια σθένους Είναι τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας των ατόμων, τα οποία μπορούν να κινηθούν προς τις οπές γειτονικών δεσμών, που δημιουργήθηκαν επειδή τα εκεί ηλεκτρόνια σθένους εγκατέλειψαν τη θέση τους, η να ανταλλάξουν θέσεις με άλλα ηλεκτρόνια σθένους γειτονικών δεσμών. Οι διάφορες ζώνες ενέργειας σε ένα ημιαγωγό φαίνονται στο σχήμα 2. Στο κάτω μέρος βρίσκεται η ενεργειακή ζώνη των ηλεκτρονίων των εσωτερικών στοιβάδων των ατόμων. Στο μέσον βρίσκεται η ενεργειακή ζώνη των ηλεκτρονίων σθένους των ατόμων του ημιαγωγού, η οποία ονομάζεται ζώνη σθένους. Τέλος, στο πάνω μέρος έχουμε την ενεργειακή ζώνη των ελεύθερων ηλεκτρονίων, δηλαδή, των ηλεκτρονίων που είναι υπεύθυνα για την εκδήλωση ηλεκτρικής αγωγιμότητας, γι` αυτό και ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας. 19

20 Σχήμα 2: Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών σε ημιαγωγούς. Η απόσταση ανάμεσα στις δύο πάνω ζώνες ονομάζεται ενεργειακό διάκενο Ε g ή ενεργειακό χάσμα. Η ενέργεια της κορυφής της ζώνης σθένους συμβολίζεται με Ε v και η ενέργεια του πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας με Ε c. Έτσι, το ενεργειακό χάσμα Ε g είναι η διαφορά μεταξύ της ενέργειας του λιγότερο ενεργού από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, στον πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας, και της ενέργειας του περισσότερο ενεργού από τα ηλεκτρόνια σθένους, στην κορυφή της ζώνης σθένους (Ε g = Ε c - Ε v ). Είναι προφανές ότι το ενεργειακό χάσμα εκφράζει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους και τη μετατροπή του σε ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Σε ένα απολύτως καθαρό σώμα, χωρίς προσμίξεις και τέλειο κρυσταλλικό πλέγμα, η περιοχή μεταξύ Ε v και Ε c ονομάζεται απαγορευμένη ενεργειακή ζώνη για τα ηλεκτρόνια. Κοντά στο απόλυτο μηδέν (t 0 K) το ενεργειακό χάσμα των ημιαγωγών κυμαίνεται από το κλάσμα του ev έως 2,5eV. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος ( t 300Κ), το ενεργειακό χάσμα σε διάφορους κρυσταλλικούς ημιαγωγούς είναι: 0,66eV για το Γερμάνιο (Ge), 1,12eV για το Πυρίτιο (Si), 1,42eV για το Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs). Τα ηλεκτρόνια σθένους των ημιαγωγών μπορούν ξα απορροφήσουν σημαντική ποσότητα φωτός. Η απορρόφηση καθορίζεται από το μεγεθος της ενέργειας των φωτονίων σε σχέση με το ενεργειακό χάσμα Ε g του ημιαγωγού (Σχ. 3). Διακρίνουμε, λοιπόν τρεις περιπτώσεις: 20

21 Σχήμα 3: Φωτοαγωγιμότητα ημιαγωγού. h v < Ε g Η ενέργεια του φωτονίου h v είναι μικρότερη από αυτή του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού, οπότε το φωτόνιο δεν απορροφάται. h v = Ε g Η ενέργεια του φωτονίου είναι ίση με αυτή του ενεργειακού χάσματος, οπότε το φωτόνιο απορροφάται από ένα ηλεκτρόνιο σθένους του ημιαγωγού. Έτσι το ηλεκτρόνιο αυτό δέχεται ενέργεια και ανεβαίνει ενεργειακά στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας στη ζώνη σθένους μια οπή. h v > Ε g Η ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη από αυτή του ενεργειακού χάσματος, οπότε δημιουργείται ξανά ένα ζεύγος ηλεκτρονίου οπής. Η περίσσεια ενεργεία h v - Ε g μεταφέρεται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας ως κινητική ενέργεια, συμβάλλοντας στην αύξηση της θερμοκρασίας του ημιαγωγού. Από τα παραπάνω προκύπτει πως όταν ένας ημιαγωγός φωτιστεί, τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και οι οπές στη ζώνη σθένους, που ονομάζονται και φορείς ρεύματος, αυξάνονται, οπότε τότε αυξάνεται και η αγωγιμότητά του. Η αύξηση της 21

22 αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού με την επίδραση του φωτός, ονομάζεται φωτοαγωγιμότητα. Τέλος, η διακοπή του φωτισμού του ημιαγωγού συνεπάγεται την επαναφορά της αγωγιμότητας στα αρχικά επίπεδα Ημιαγωγοί προσμείξεις Σύμφωνα με τα όσα αναπτύξαμε στην προηγούμενη παράγραφο, όταν ένας ημιαγωγός φωτιστεί, τα φωτόνια μεταφέρουν την ενέργειά τους στα ηλεκτρόνια σθένους του ημιαγωγού, τα οποία κατορθώνουν τελικά να αποδεσμευτούν από την έλξη του πυρήνα τους. Καθώς ένα ηλεκτρόνιο απελευθερώνεται, δημιουργεί μια κενή θέση στο δεσμό που κατείχε προηγουμένως. Η θέση αυτή ονομάζεται οπή. Αν καταφέρουμε να αποσπάσουμε το ηλεκτρόνιο αυτό έξω από τον ημιαγωγό, τότε ένα ηλεκτρόνιο γειτονικού ατόμου θα καταλάβει τη θέση του. Στη συνέχεια, τη θέση του τελευταίου ηλεκτρονίου θα καταλάβει ένα άλλο ηλεκτρόνιο από γειτονικό άτομο και ο μηχανισμός αυτός θα συνεχιστεί. Θα έχουμε, δηλαδή μία κίνηση ηλεκτρονίων προς μία κατεύθυνση και μία κίνηση οπών προς την άλλη. Για να κατανοήσουμε εύκολα αυτό το φαινόμενο μπορούμε να φανταστούμε ένα σταθμό αυτοκινήτων, όπου ένας οδηγός αλλάζει θέση και πηγαίνει το αυτοκίνητο του σε μία καλύτερη. Στη θέση που άφησε έρχεται ένα άλλο αυτοκίνητο. Τη θέση του αυτοκινήτου αυτού καταλαμβάνει ένα τρίτο αυτοκίνητο και η διαδικασία αυτή συνεχίζεται. Παρατηρώντας τη σκηνή διαπιστώνουμε ότι έχουμε μία κίνηση αυτοκινήτων προς τη μία κατεύθυνση και μία κίνηση κενών θέσεων προς την άλλη! Η κίνηση των ηλεκτρονίων έξω από τον ημιαγωγό, δηλαδή η παραγωγή ρεύματος, εξασφαλίζεται με τους ημιαγωγούς πρόσμειξης. Οι αγωγοί αυτοί περιέχουν μέσα στο κρυσταλλικό τους πλέγμα διασπαρμένα άτομα από επιλεγμένο διαφορετικό υλικό. Διακρίνουμε δύο τύπους τέτοιων ημιαγωγών. Ημιαγωγός τύπου n Προκύπτει από τον αντίστοιχο καθαρό ημιαγωγό, αν αντικατασταθούν μερικά από τα άτομά του με άτομα άλλου υλικού μεγαλύτερου σθένους. Για παράδειγμα, αν μερικά 22

23 άτομα κρυσταλλικού πυριτίου (Si) με σθένος 4 αντικατασταθούν με άτομα φωσφόρου (Ρ) σθένους 5, δημιουργείται ο ημιαγωγός τύπου n. Στον ημιαγωγό αυτό ένα άτομο πρόσμειξης δεν συμμετέχει σε δεσμό και είναι ελεύθερο. (Σχ. 4). Έτσι, ο ημιαγωγός τύπου n περιέχει περισσότερα ηλεκτρόνια από τον καθαρό αγωγό και τα άτομα πρόσμειξης ονομάζονται δότες. Σχήμα 4: Σχηματισμός ημιαγωγών πρόσμειξης. Ημιαγωγός τύπου p Προκύπτει από τον αντίστοιχο καθαρό ημιαγωγό αν αντικατασταθούν μερικά από τα άτομά του, με άτομα άλλου υλικού μικρότερου σθένους. Για παράδειγμα, αν μερικά άτομα κρυσταλλικού πυριτίου (Si) με σθένος 4 αντικατασταθουν με άτομα Βορίου (Β) σθένους 3, δημιουργειται ο ημιαγωγός τύπου p. Στον ημιαγωγό αυτό τα άτομα πρόσμειξης μπορούν να δεχτούν ένα ηλεκτρόνιο για να συμπληρωθεί ο ελεύθερος δεσμός. (Σχ.4 ) και ονομάζονται αποδέκτες. Τέλος, το διάγραμμα ενεργειακών ζωνών των ημιαγωγών πρόσμειξης συμπληρώνεται με τις στάθμες δοτών και αποδεκτών. (Σχ. 5), που τοποθετούνται μέσα στην απαγορευμένη ζώνη και σε αποστάσεις από τις ζώνες αγωγιμότητας και σθένους, όσες είναι οι αντίστοιχες ενέργειες για τη διέγερση των προσμείξεων. 23

24 Σχήμα 5: Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών σε ημιαγωγούς πρόσμειξης Δίοδος επαφής Όταν φέρουμε σε επαφή έναν ημιαγωγό τύπου p με έναν ημιαγωγό τύπου n, δημιουργείται στη θέση επαφής μία ζώνη στην οποία εναλλάσσονται ηλεκτρόνια με οπές (Σχ. 6). Ελεύθερα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού n εισέρχονται στον ημιαγωγό p και συμπληρώνουν αντίστοιχες οπές, ενώ οπές του ημιαγωγού p εισέρχονται στον ημιαγωγό n και ενώνονται με ίσο αριθμό ηλεκτρονίων. Η μετακίνηση αυτή έχει ως αποτέλεσμα να παραμείνουν ιόντα στις γειτονικές περιοχές, δεξιά και αριστερά της επαφής των ημιαγωγών. Έχουμε, λοιπόν, θετικά ιόντα στην πλευρά του ημιαγωγού n και αρνητικά στην πλευρά του ημιαγωγού p. Στο σημείο αυτό υπενθυμίζουμε ότι ιόν ονομάζεται ένα άτομο, που έχει προσλάβει ή έχει απωλέσει ένα η περισσότερα ηλεκτρόνια. Αν προσλάβει ηλεκτρόνια λέγεται αρνητικό ιόν και αν χάσει ηλεκτρόνια θετικό ιόν. Έτσι, η πλευρά n αποκτά θετικό δυναμικό και η πλευρά p αρνητικό. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πλευρών εμποδίζει τη ροή ηλεκτρονίων από τον ημιαγωγό n στον ημιαγωγό p και οπών αντίστροφα. Έτσι, γύρω από τη θέση επαφής δημιουργείται μία ζώνη αντίστασης (Σχ. 6), που απαγορεύει την ανταλλαγή ηλεκτρονίων οπών και ονομάζεται περιοχή απογύμνωσης ή ζώνη φραγής. 24

25 Σχήμα 6: Επαφή ημιαγωγού τύπου p με ημιαγωγό τύπου n. Η παραπάνω διάταξη των ημιαγωγών p και n σε επαφή, ονομάζεται δίοδος επαφής ή κρυσταλλοδίοδος ή ημιαγωγική επαφή p-n. Η χαρακτηριστική της ιδιότητα είναι ότι όταν εφαρμοστεί στα άκρα της ηλεκτρική τάση κατά την ίδια φορά (Σχ. 7), άγει ηλεκτρικό ρεύμα διαφορετικής έντασης σε κάθε περίπτωση. Πόλωση κατά την ορθή φορά. Ο θετικός πόλος της πηγής συνεχούς τάσεως συνδέεται με τον ημιαγωγό p και ο αρνητικός με τον αγωγό n. Τότε, τα ηλεκτρόνια ρέουν ανεμπόδιστα από την πηγή διαμέσου του ημιαγωγού n προς την περιοχή της επαφής, όπου επανασυνδέονται με τις οπές, οι οποίες δημιουργούνται με την απομάκρυνση ηλεκτρονίων προς το θετικό πόλο της πηγής διαμέσου του ημιαγωγού p. Πόλωση κατά την ανάστροφη φορά. Ο αρνητικός πόλος της πηγής συνεχούς τάσεως συνδέεται με τον ημιαγωγό p και ο θετικός με τον αγωγό n. Τότε, τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή διαμέσου του ημιαγωγού p επανασυνδέονται με τις οπές του ημιαγωγού p, ενώ τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού n κινούνται προς το θετικό πόλο της πηγής. 25

26 Έτσι, κατά την ορθή πόλωση της διόδου επαφής καταργείται η ζώνη φραγής και επιτρέπεται η διέλευση ρεύματος από την επαφή των ημιαγωγών (Σχ. 8). Αντίθετα, κατά την ανάστροφη πόλωση της διόδου επαφής αυξάνεται η ζώνη φραγής και εμποδίζεται η διέλευση ρεύματος από την επαφή των ημιαγωγών. Το μόνο ρεύμα που διέρχεται από τη δίοδο έχει μικρή και σταθερή τιμή Ι ο, οφείλεται στις οπές του ημιαγωγού n και στα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού p και ονομάζεται ρεύμα κόρου. Η ιδιαιτερότητα αυτή της διόδου επαφής, δηλαδή, το γεγονός ότι επιτρέπει τη δίοδο του ρεύματος προς μία μόνο κατεύθυνση, εφόσον πολωθεί κατά την ορθή φορά, δικαιολογεί απόλυτα τη χρήση της ως διάταξη ανόρθωσης για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές. Αξίζει να σημειωθεί ότι η δίοδος επαφής μπορεί να προκύψει και από την ένωση διαφορετικών ημιαγωγών (π.χ. θειούχος χαλκός τύπου p και θειούχο κάδμιο τύπου n). Σχήμα 7: Ηλεκτρική τάση στα άκρα διόδου επαφής. Σχήμα 8: Χαρακτηριστική καμπύλη έντασης - τάσης (I - V) διόδου επαφής 26

27 3.2. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Σύμφωνα με τα όσα αναφέραμε για τους ημιαγωγούς, όταν μία δίοδος επαφής δέχεται ηλιακή ακτινοβολία, κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια h v μεγαλύτερη ή ίση από το ενεργειακό χάσμα E g του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο λοιπόν, διαρκεί η ακτινοβολία δημιουργείται μία περίσσεια από ζεύγη ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Όταν τα ζεύγη αυτά βρεθούν στην περιοχή της επαφής των ημιαγωγών, έχουμε εκτροπή των ηλεκτρονίων προς τον ημιαγωγό n και εκτροπή των οπών προς τον ημιαγωγό p (Σχ. 1) Σχήμα 4: Μηχανισμός εκδήλωσης φωτοβολταϊκού φαινομένου στο ΦΒ στοιχείο. Δημιουργείται, δηλαδή, μία διαφορά δυναμικού μεταξύ των ακροδεκτών των δύο τμημάτων της διόδου, η οποία διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε αυτήν και το γεγονός αυτό ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η 27

28 διάταξη αυτή, η οποία αποτελεί πηγή ρεύματος, ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο (PVcell) και για λόγους ευκολίας γράφεται ΦΒ στοιχείο. Τέλος, το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα λέγεται φωτόρευμα. Το φωτόρευμα είναι ευθέως ανάλογο της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας P HA [W m 2 ], που προσπίπτει στο ΦΒ στοιχείο και του εμβαδού της επαφής των δύο ημιαγωγών. Είναι προφανές ότι είναι αδύνατη η μετατροπή όλης της ηλιακής ακτινοβολίας, που δέχεται το ΦΒ στοιχείο, σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένα μέρος της ακτινοβολίας που ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του ΦΒ στοιχείου και διαχέεται προς την ατμόσφαιρα. Από την ακτινοβολία που διεισδύει στο ΦΒ στοιχείο δεν μπορεί να απορροφηθεί το μέρος εκείνο το οποίο αποτελείται από φωτόνια, που έχουν ενέργεια h v μικρότερη από το ενεργειακό χάσμα E g του ημιαγωγού. Για τα φωτόνια αυτά, το ΦΒ στοιχείο, συμπεριφέρεται σαν διαφανές σώμα, δηλαδή, η αντίστοιχη ακτινοβολία τα διαπερνά και απλά θερμαίνει το μεταλλικό ηλεκτρόδιο, που καλύπτει την πίσω όψη του. Ούτε όμως και το μέρος της ακτινοβολίας, που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού αξιοποιείται, γιατί μετατρέπεται σε θερμότητα. Τελικά, μόνο το μέρος της ακτινοβολίας της οποίας τα φωτόνια έχουν ενέργεια h v = E g αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Γιατί τα φωτόνια αυτά απορροφώνται και αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του ΦΒ στοιχειου να μετακινηθούν σε άλλη θέση. Και ως γνωστών, ηλεκτρισμός σημαίνει κίνηση ηλεκτρονίων. Κάθε υλικό χαρακτηρίζεται από ένα συντελεστή απορρόφησης α λ, ο οποίος εξαρτάται από το μήκος κύματος λ της ηλιακής ακτινοβολίας και το υλικό. (Σχ. 2). Είναι προφανές ότι ο συντελεστής απορρόφησης μηδενίζεται για μία κρίσιμη τιμή λ g του μήκους κύματος (λ g = h c/e g) ), πάνω από την οποία το υλικό γίνεται διαπερατό (διαφανές), δηλαδή τα φωτόνια δεν απορροφώνται από τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους. 28

29 Σχήμα 2: Διάγραμμα συντελεστή απορρόφησης διαφόρων υλικών. Στη συνέχεια δίνεται ένα παράδειγμα Παράδειγμα: Να υπολογιστεί το ενεργειακό χάσμα των ημιαγωγών Ge, InP, SiC. Λύση: Από το διάγραμμα του σχηματος 2 βρίσκουμε την κρίσιμη τιμή λ g του μήκους κύματος, για την οποία ο συντελεστής απορρόφησης γίνεται μηδέν. Ge: λ g = 1,85μm = 1850 nm InP: λ g = 0,95μm = 950 nm SiC: λ g = 0,42μm = 420 nm Από τη σχέση Ε = 1240 λ Ge: E g = 1240 = 0,67 ev 1850 προκύπτει το ενεργειακό χάσμα των υλικών 29

30 InP: E g = SiC: E g = = 1,305 ev = 2,95 ev Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φβ στοιχείου Προκειμένου να μελετήσουμε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός ΦΒ στοιχείου, που δέχεται σταθερή ηλιακή ακτινοβολία, θεωρούμε ότι αποτελεί μια πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από μία δίοδο επαφής (Σχ. 3). Αν στο απλοποιημένο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα τα άκρα της επαφής συνδεθούν με χάλκινο σύρμα μεγάλης διατομής, άρα πρακτικά μηδενικής αντίστασης. Το κύκλωμα είναι βαχυκυκλωμένο και διαρρέεται από ρεύμα βραχυκύκλωσης Ι Sc του ΦΒ στοιχείου (short-circuit current). Αν τα άκρα της επαφής δεν συνδέονται μεταξύ τους, δηλαδή, έχουμε ανοιχτό κύκλωμα, η τάση στα άκρα ονομάζεται τάση ανοιχτού κυκλώματος V OC του ΦΒ στοιχείου (open-circuit voltage). Σχήμα 3: Απλοποιημένο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ΦΒ στοιχείου. Στην πραγματικότητα το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός ΦΒ στοιχείου. (Σχ. 4) περιλαμβάνει ακόμα δύο αντιστάσεις: 1) Τη σειριακή αντίσταση R s (series resistance), η οποία συνδέεται σε σειρά με τη δίοδο επαφής και αφορά στις αντιστάσεις κατά το πέρασμα του ρεύματος μέσα από τη δίοδο και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια. 30

31 2) Την αντίσταση διαρροής R sh (shut resistance), η οποία συνδέεται παράλληλα με τη δίοδο επαφής και αφορά στη διαρροή ρεύματος μεταξύ των άκρων της επαφής. Τα ΦΒ στοιχεία του εμπορίου έχουν συνήθως R s <5Ω και R sh >500Ω. Σχήμα 4: Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ΦΒ στοιχείου. Συμπεράσματα Η λειτουργία ενός ΦΒ στοιχείου ομοιάζει με αυτή ενός ηλεκτρικού συσσωρευτή, γιατί και οι δύο διατάξεις δίνουν ηλεκτρική ενέργεια. Στον ηλεκτρικό συσσωρευτή έχουμε χημικές αντιδράσεις μεταξύ των ηλεκτροδίων και του διαλύματος και η παραγόμενη ενέργεια αποθηκεύεται στα ηλεκτρόδια. Η ηλεκτρική ενέργεια αποδίδεται με σταθερή ηλεκτρική τάση και ανάλογα με την κατανάλωση (αντίσταση) το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να έχει πολύ μικρή έως πολύ μεγάλη ένταση. Για παράδειγμα, το ρεύμα βραχυκύκλωσης (μέγιστο αποδιδόμενο ρεύμα) ενός συσσωρευτή 12V με εσωτερική αντίσταση r=0,01 Ω είναι Ι Sc = 1200 Α. Αντίθετα το ΦΒ στοιχείο έχει την ιδιότητα να διατηρεί σταθερή την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, προσαρμόζοντας την τάση στα άκρα της κατανάλωσης (αντίσταση). Το ρεύμα βραχυκύκλωσης (μέγιστο αποδιδόμενο ρεύμα) ενός ΦΒ στοιχείου, που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία ισχύος 1 kw/ m 2, είναι Ι Sc = ma/cm 2. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι ο ηλεκτρικός συσσωρευτής είναι μια πηγή σταθερής τάσεως και το ΦΒ στοιχείο μια πηγή σταθερού ηλεκτρικού ρεύματος. 31

32 Χαρακτηριστική καμπύλη φβ στοιχείου. Σύμφωνα με τα όσα αναπτύξαμε, η τάση των ΦΒ στοιχείων μεταβάλλεται σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος που δίνουν στο κύκλωμα, έστω και αν παραμένει σταθερή η ηλιακή ακτινοβολία που δέχονται. Όταν το κύκλωμα είναι βραχυκυκλωμένο, η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος παίρνει τη μέγιστη τιμή Ι Sc και η ηλεκτρική τάση μηδενίζεται. (V=0). Αντίθετα, όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, η ένταση του ρεύματος μηδενίζεται (I=0) και η τάση παίρνει τη μέγιστη τιμή V OC. Οι μεταβολές έντασης και τάσεως φαίνονται στο διάγραμμα του σχήματος 5 με μια καμπύλη που αποτελεί τη χαρακτηριστική καμπύλη του ΦΒ στοιχείου. Η καμπύλη αυτή ισχύει σε συνθήκες σταθερής ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για μεταβαλλόμενη αντίσταση του κυκλώματος από μηδέν (βραχυκύκλωμα) μέχρι άπειρη (ανοιχτό κύκλωμα). Είναι προφανές ότι ανάμεσα στις παραπάνω ακραίες καταστάσεις, η τάση και η ένταση του ρεύματος παίρνουν ενδιάμεσες τιμες. Σχήμα 5: Χαρακτηριστική καμπύλη έντασης ρεύματος I - τάσεως V ενός ΦΒ στοιχείου 32

33 Όπως είναι γνωστό, η ηλεκτρική ισχύς P ορίζεται ως το γινόμενο της έντασης I επί την τάση V του ρεύματος (P=V I). Το μέγιστο ορθογώνιο παραλληλόγραμμο μέσα στην καμπύλη I V με πλευρές I m και V M, έχει εμβαδόν ίσο με τη μέγιστη αποδιδόμενη ισχύ P m από το ΦΒ στοιχείο (Σχ. 5). Άρα, εκτός από την τάση και την ένταση του ρεύματος, μεταβάλλεται ομαλά και η ηλεκτρική ισχύς P που παράγει το ΦΒ στοιχείο, με μέγιστη τιμή την P m για ένα ορισμένο ζεύγος τιμών έντασης I m και τάσεως V M. Το ορθογώνιο παραλληλόγραμμο με πλευρές Ι SC (ρεύμα βραχυκύκλωσης) και V OC (τάση ανοιχτού κυκλώματος), που βρίσκεται εξωτερικά της καμπύλης I V στο σχήμα 5, περιγράφει την ιδανική συμπεριφορά του ΦΒ στοιχείου ως πηγή σταθερού ρεύματος. Το πηλίκο των εμβαδόν των δύο παραλληλογράμμων ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης FF του ΦΒ στοιχείου (fill factor) και δίνει το μέτρο προσέγγισης της λειτουργίας ενός στοιχείου προς την ιδανική συμπεριφορά. FF = Ι m V m Ι SC V OC [ ] Ι m, Ι SC [A] V m, V OC [V] Η τιμή του FF κυμαίνεται από έως 1. Μία τιμή από 0,7 έως 0,9 χαρακτηρίζει ένα ΦΒ στοιχείο με αποδεκτή έως πολύ καλή ενεργειακή απόδοση Σημείο λειτουργίας φβ στοιχείου Στις ακραίες καταστάσεις του βραχυκυκλωμένου και ανοιχτού κυκλώματος, όπου V = 0 και Ι = 0 αντίστοιχα, η παρεχόμενη ηλεκτρική ισχύς από το ΦΒ στοιχείο είναι μηδενική (P = 0). Άρα, η μεταβολή της ισχύος με την τάση, που φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 6, παρουσιάζει μία μέγιστη τιμή κοντά στο σημείο όπου αρχίζει η έντονη πτώση της τιμής του ρεύματος. Συνεπώς, η αντίσταση του κυκλώματος, που τροφοδοτείται από ένα ΦΒ στοιχείο, πρέπει να έχει κατάλληλη τιμή για να παράγεται η μεγαλύτερη δυνατή ισχύς από το ΦΒ στοιχείο. Δηλαδή, η τάση και το ρεύμα της αντίστασης πρέπει να αντιστοιχούν στο σημείο μέγιστης ισχύος ΣΜΙ. 33

34 Σχήμα 6: Χαρακτηριστική καμπύλη έντασης ρεύματος Ι - τάσεως V ενός ΦΒ στοιχείου, μεταβολή της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος του Ρ σε συνάρτηση με την τάση V και καμπύλη φορτίου ΚΦ. Θεωρώντας ότι ένα ΦΒ στοιχείο τροφοδοτεί μία ωμική αντίσταση, μπορούμε να απεικονίσουμε στο διάγραμμα Ι-V του ΦΒ στοιχείου την καμπύλη φορτίου ΚΦ της αντίστασης (ευθεία γραμμή), η οποία δείχνει την μεταβολή του ρεύματος Ι που τη διαρρέει σε συνάρτηση με την εφαρμοζόμενη στα άκρα της ηλεκτρική τάση V (Σχ. 6). Το σημείο τομής της χαρακτηριστικής καμπύλης και της καμπύλης φορτίου ονομάζεται σημείο λειτουργίας ΣΛ του συστήματος και καθορίζει το ρεύμα και την τάση στην αντίσταση. Με τη χρήση ειδικών ηλεκτρονικών διατάξεων παρακολούθησης του ΣΜΙ όταν οι συνθήκες αλλάζουν, επιδιώκουμε τη συνεχή σύμπτωση του ΣΛ του συστήματος με το εκάστοτε ΣΜΙ, ώστε να αποδίδεται η μέγιστη δυνατή ηλεκτρική ισχύς από το ΦΒ στοιχείο. Η προσπάθεια αυτή είναι απαραίτητη γιατί η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας δεν παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια της ημέρας. Στο διάγραμμα του σχήματος 7 φαίνεται η μεταβολή του ρεύματος βραχυκύκλωσης Ι SC και της τάσεως ανοιχτού κυκλώματος V OC σε συνάρτηση με την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας. Το ρεύμα Ι SC μεταβάλλεται ανάλογα με την προσπίπτουσα ακτινοβολία, ενώ η τάση V OC αυξάνεται απότομα στην αρχή (κατά την ανατολή του ήλιου) και μετά 34

35 παραμένει σχεδόν σταθερή για το υπόλοιπο διάστημα μίας αίθριας ημέρας (μέχρι τη δύση του ηλίου). Σχήμα 7: Μεταβολή τάσεως ανοιχτού κυκλώματος και ρεύματος βραχυκύκλωσης σε συνάρτηση με την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας.. Όταν μεταβάλλεται η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας, έχουμε και μετατόπιση των χαρακτηριστικών καμπυλών I-V του ΦΒ στοιχείου (Σχ. 8). Αυτό σημαίνει ότι για σταθερή τιμή της ωμικής αντίστασης του κυκλώματος, τα σημεία λειτουργίας ΣΛ απομακρύνονται από τα αντίστοιχα σημεία μέγιστης ισχύος ΣΜΙ 35

36 Σχήμα 8: Μετατόπιση των χαρακτηριστικών καμπυλών έντασης ρεύματος Ι - τάσεως V ΦΒ στοιχείου όταν μεταβάλλεται η ισχύς P HA της ηλιακής ακτινοβολίας. Τέλος, η θερμοκρασία του ΦΒ στοιχείου αυξάνεται κατά τον φωτισμό του, γιατί ένα μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας μετατρέπεται σε θερμότητα μέσα στο στοιχείο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μικρή αύξηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης Ι SC και τη μεγάλη ελάττωση της τάσεως ανοιχτού κυκλώματος V OC του ΦΒ στοιχείου (Σχ. 9). Είναι, λοιπόν, προφανές ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του ΦΒ στοιχείου προκαλεί μείωση της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος του P m. Η μείωση αυτή είναι περίπου 0,4% για κάθε βαθμό Κελσίου πάνω από τους 25 C. Δεδομένου ότι η μέση θερμοκρασία των ΦΒ στοιχείων είναι 30 C μεγαλύτερη από τη μέση θερμοκρασία t α του αέρα, ορίζουμε τον παρακάτω συντελεστή θερμοκρασίας σ θ, ο οποίος χρησιμοποιείται στον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης των ΦΒ πλαισίων. 36

37 Σχήμα 9: Μεταβολή της χαρακτηριστικής καμπύλης έντασης ρεύματος Ι - τάσεως V ενός ΦΒ στοιχείου με την αύξηση της θερμοκρασίας του. σ θ = 1 [(t α + 30) 25] 0,004 [-] Όπου: t α [ C]: μέση μηνιαία θερμοκρασία αέρα. Συμπεράσματα Η λειτουργία ενός ΦΒ στοιχείου και κατά συνέπεια η ποσότητα της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, εξαρτώνται από τρείς μεταβλητούς παράγοντες: 1) Την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. 2) Τη θερμοκρασία του στοιχείου 3) Την αντίσταση του κυκλώματος. Θα πρέπει, λοιπόν να επιδιώκεται οι παράγοντες αυτοί να παίρνουν όσο γίνεται πιο ευνοϊκές συνθήκες. 37

38 Βαθμός απόδοσης φβ στοιχείου Ένα ΦΒ στοιχείο αποδίδει μέγιστη ηλεκτρική ισχύ P m και δέχεται ηλιακή ακτινοβολία ισχύος P Ha. Το πηλίκο της μέγιστης αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας, ονομάζεται βαθμός απόδοσης n του ΦΒ στοιχείου. n = P m = I m V m = FF I SC V oc P HA P HA P HA [ ] Όπου: P m [W] : μέγιστη αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς ΦΒ στοιχείου P ΗΑ [W] : ισχύς προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας Ι m [Α] : ένταση ρεύματος στο σημείο μέγιστης ισχύος ΣΜΙ V m [V] : τάση ρεύματος στο σημείο μέγιστης ισχύος ΣΜΙ FF [-]: συντελεστής πλήρωσης Ι SC [Α] : ρεύμα βραχυκύκλωσης V OC [V]: τάση ανοιχτού κυκλώματος Σημείωση: Πολλές φορές η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας P HA δίνεται ανά μονάδα επιφάνειας, δηλαδή σε [W m 2 ] και ονομάζεται πυκνότητα ισχύος. Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να πολλαπλασιαστεί με την επιφάνεια S του ΦΒ στοιχείου. Στη συνέχεια δίνεται ένα παράδειγμα. Παράδειγμα Να υπολογιστεί ο βαθμός απόδοσης και ο συντελεστής πλήρωσης ενός ΦΒ στοιχείου επιφάνειας S=100 cm 2, του οποίου οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V δίνονται στο σχήμα 8, για ισχύς ακτινοβολίας 1000 W m 2 και 250 W m 2. Λύση Ένταση και τάση ρεύματος στο σημείο μέγιστης ισχύος (Σχ. 8) Καμπύλη 1000 W m 2 : Ι m = 2,7 Α, V m = 0,46 V Καμπύλη 250 W m 2 : Ι m = 0,7 Α, V m = 0,41 V 38

39 Βαθμός απόδοσης: Για ισχύ ηλιακής ακτινοβολίας P ΗΑ = 1000 W m 2 n = Ι m V m 2,7 0,46 = = 0,1242 ή 12,42% P ΗΑ 10 P ΗΑ = 1000 W m 2 S = ,1 = 10W S = 100 cm 2 = 0,01 m 2 Για ισχύ ηλιακής ακτινοβολίας P ΗΑ = 250 W m 2 n = Ι m V m 0,7 0,41 = = 0,1148 ή 11,48% P ΗΑ 10 P ΗΑ = 250 W m 2 S = 250 0,1 = 2,5W Ρεύμα βραχυκύκλωσης και τάση ανοιχτού κυκλώματος Καμπύλη 1000 W m 2 : Ι SC = 3A, V OC = 0,61V Καμπύλη 250 W m 2 : Ι SC = 0,75A, V OC = 0,54V Συντελεστής πλήρωσης Για ισχύ ηλιακής ακτινοβολίας P ΗΑ = 1000 W m 2 FF = Ι m V m 2,7 0,46 = Ι SC V OC 3 0,61 = 0,679 Για ισχύ ηλιακής ακτινοβολίας P ΗΑ = 250 W m 2 FF = Ισχύς αιχμής φβ στοιχείου Ι m V m 0,7 0,41 = Ι SC V OC 0,75 0,54 = 0,709 Σε ένα ΦΒ στοιχείο ελέγχονται τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά: 1) Ο συντελεστής πλήρωσης FF 2) Ο βαθμός απόδοσης n. 3) Το ρεύμα βραχυκύκλωσης Ι SC. 4) Η τάση του ανοιχτού κυκλώματος V OC. 39

40 Οι πρότυπες συνθήκες ελέγχου STC (Standard Test Conditions), που έχουν καθοριστεί διεθνώς, είναι οι ακόλουθες: Η θερμοκρασία ΦΒ στοιχείου ίση με 25 C ± 2 C. Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ισχύος P STC = 1 kw m 2 και φάσματος. αντίστοιχου του ηλιακού με μάζα αέρα ΑΜ=1,5. Κάθετη πρόσπτωση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Με βάση τις πρότυπες συνθήκες εισάγεται η έννοια της ισχύος αιχμής ως χαρακτηριστικό του ΦΒ στοιχείου. Ισχύς αιχμής P p (pick power) ονομάζεται η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς, που αποδίδεται από το ΦΒ στοιχείο κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου STC και έχει μονάδα μέτρησης το W p (Watt αιχμής) ΕΙΔΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Φβ στοιχεία πυριτίου Το πυρίτιο (Si) είναι από τα πιο διαδεδομένα στοιχεία στη φύση, αφού αποτελεί το 25% του γήινου φλοιού. Το καθαρό πυρίτιο παράγεται από την άμμο, της οποίας το κύριο συστατικό είναι το οξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) Η πρώτη φάση του καθαρισμού γίνεται με την ανάπτυξη από την οποία προκύπτει πυρίτιο μεταλλουργικής ποιότητας. SiO 2 + 2C Si + 2CO Η δεύτερη φάση περιλαμβάνει τη μετατροπή του μεταλλουργικού πυριτίου, με τη βοήθεια υδροχλωρικού οξέος, σε αέριο τριχλωροσιλάνιο. Si + 3HCI SiHCI 3 + H 2 Στην τρίτη φάση γίνεται ο καθαρισμός του τριχλωροσιλανίου με κλασματική απόσταξη και η αναγωγή του με υδρογόνο, οπότε παράγεται πυρίτιο ηλεκτρονικής ποιότητας. 40

41 Στην τελευταία φάση το ηλεκτρονικό πυρίτιο τήκεται και ανακρυσταλλώνεται με ακόμη μεγαλύτερη καθαρότητα σε κυλινδρική μονοκρυσταλλική μορφή διαμέτρου 10 cm περίπου. Στη συνέχεια από τον κύλινδρο κόβονται δίσκοι πάχους 0,5 mm, οι οποίοι αφού λειαθούν διαμορφώνονται σε διόδους επαφής p-n με διάχυση ή εμφύτευση των κατάλληλων προσμείξεων. Το ΦΒ στοιχείο αποκτά την τελική του μορφή με την συγκόλληση των ηλεκτροδίων στις δύο όψεις του δίσκου, την κάλυψη της εμπρός επιφανείας με αντιανακλαστικό επίστρωμα και την στεγανοποίηση. Το πυρίτιο είναι ο ημιαγωγός, που κυριάρχησε μέχρι σήμερα σαν υλικό κατασκευής των ΦΒ στοιχείων. Ανάλογα με τη δομή του βασικού υλικού ή τον ιδιαίτερο τρόπο κατασκευής, τα ΦΒ στοιχεία πυριτίου (Σχ. 1) διακρίνονται σε τέσσερις τύπους: Σχήμα 15: Είδη ΦΒ στοιχείων πυριτίου. ΦΒ στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (c-si). Αποτελούνται από μεγάλους κρυστάλλους, το πάχος του υλικού είναι σχετικά μεγάλο (~300 μm) και έχουν χρώμα σκούρο μπλε. Σε εργαστηριακή μορφή το ΦΒ στοιχείο έχει απόδοση 21 24%, ενώ σε μορφή ΦΒ πλαισίων η απόδοση είναι 12 19%. ΦΒ στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (m-si). Κόβονται σε στοιχεία τετραγωνικής μορφής και αποτελούνται από λεπτά επιστρώματα πάχους μm. Έχουν χρώμα γαλάζιο και στην επιφάνεια του στοιχείου διακρίνονται διαφορετικές μονοκρυσταλλικές περιοχές. Σε εργαστηριακή 41

42 μορφή ΦΒ πλαισίων η απόδοση είναι 12 19%. Τέλος, το κόστος κατασκευής τους είναι μικρότερο από το αντίστοιχο του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. ΦΒ στοιχεία ταινίας. Είναι λεπτή ταινία πολυκρυσταλλικού πυριτίου, η οποία δημιουργείται από τηγμένο υλικό. Το ΦΒ στοιχείο έχει απόδοση 13% και περιορισμένη χρήση λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής. ΦΒ στοιχεία άμορφου πυριτίου (α-si). Το άμορφο πυρίτιο διαφέρει από το κρυσταλλικό πυρίτιο. Το ενεργειακό του χάσμα του κυμαίνεται από 1,2 ev εως 1,6 ev, ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής του, ενώ το ενεργειακό χάσμα του κρυσταλλικού πυριτίου έχει σταθερή τιμή 1,1 ev. Το μεγάλο του πλεονέκτημα είναι ότι έχει πολύ μεγαλύτερο συντελεστή απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να αρκεί ένα λεπτό στρώμα πάχους λίγων μm για την κατασκευή των ΦΒ στοιχείων. Η μικρή ποσότητα χρησιμοποιούμενου υλικού μειώνει το κόστος παραγωγής. Το άμορφο πυρίτιο έχει στρεβλωμένους χημικούς δεσμούς (Σχ. 2), με αποτέλεσμα να παρουσιάζει μέτριες ηλεκτρικές ιδιότητες. Η βελτίωση τους εξασφαλίζεται με την προσθήκη ατόμων υδρογόνου, που συμπληρώνουν τους ατελείς χημικούς δεσμούς. Το ΦΒ στοιχείο από υδρογονούχο άμορφο πυρίτιο α-si:η έχει απόδοση 6 8%. Σήμερα κατασκευάζονται διατάξεις από δύο η τρία ΦΒ στοιχεία, που τοποθετούνται το ένα πίσω από το άλλο, τα οποία είναι διαφορετικά κράματα άμορφου πυριτίου (α-si: Ge, α-si: C κ.λπ). Τα ΦΒ στοιχεία έχουν διαφορετικό ενεργειακό χάσμα και εμπρός τοποθετείται εκείνο που έχει το μεγαλύτερο. Τελευταίο τοποθετείται το ΦΒ στοιχείο με το μικρότερο ενεργειακό χάσμα. Έτσι, τα φωτόνια μικρής ενέργειας που διέρχονται από το πρώτο στοιχείο, απορροφούνται από το δεύτερο ή από το τρίτο περιορίζοντας τη θερμική μετατροπή. Μία τέτοια διάταξη έχει απόδοση 10 12%. 42

43 Σχήμα 6: Χημικοί δεσμοί πυριτίου. Τέλος, στον Πίνακα 3 δίνονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά ΦΒ συστημάτων, που αποτελούνται από διαφορετικά είδη ΦΒ στοιχείων πυριτίου. ΤΕΧΝΙΚΑ ΜΟΝΟ- ΠΟΛΥ- ΑΜΟΡΦΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ Απόδοση [%] Μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας στην Ελλάδα για σύστημα με νότιο προσανατολισμό και κατάλληλη χρήση. [kwh/kwp] [kwh/m 2 ] Απαιτούμενη επιφάνεια [ m 2 ] ανά kw p Ετήσια μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα [kgco 2 /kwp]