Ήπιες Μορφές Ενέργειας

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ενότητα 8: Φωτοβολταϊκά Καββαδίας Κ.Α. Τμήμα Μηχανολογίας

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή Εφαρμογές φωτοβολταϊκών Αρχή λειτουργίας φωτοβολταϊκών Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών Ενεργειακή παραγωγή Στατιστικά στοιχεία 4

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Φ/Β μετατροπή: Διεργασία μετατροπής της εγγενούς ενέργειας του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Η παραγωγή ενέργειας από Φ/Β αποτελεί μια από τις πλέον ελπιδοφόρες τεχνολογίες άμεσης μετατροπής ανανεώσιμου δυναμικού σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα καθοριστικά χαρακτηριστικά των Φ/Β συστημάτων είναι: η απουσία κινουμένων τμημάτων, ο μεγάλος χρόνος ζωής, η χαμηλή ενεργειακή απόδοση, το υψηλό αρχικό κόστος εγκατάστασης. 5

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ - 1 Η ιστορία της Φ/Β τεχνολογίας ξεκινάει το 1839, όταν ο φυσικός Edmond Becquerel παρατήρησε ότι κατά την έκθεση σε φως, δύο μεταλλικών πλακών (πλατίνας ή αργύρου) εμβυθισμένων σε ηλεκτραγώγιμο διάλυμα, εμφανίζεται μεταξύ τους μικρή τάση και ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Το φαινόμενο αυτό, ονομάστηκε φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το 1941, ο Russell Ohl κατοχυρώνει πατέντα για την πρώτη Φ/Β συσκευή από πυρίτιο με απόδοση μικρότερη του 1% και μικρή διάρκεια ζωής, όμως η έρευνά του οδήγησε στην ιδέα του θετικά και αρνητικά εμπλουτισμένου πυριτίου. 6

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ - 2 Το 1954 στα εργαστήρια της Bell, οι Gerald Pearson, Calvin Fuller και Daryl Chapin δημιουργούν Φ/Β στοιχείο από πυρίτιο με ιστορικό, για την εποχή, βαθμό απόδοσης 6%. το 1958 έξι Φ/Β στοιχεία πυριτίου τοποθετούνται στο δορυφόρο Vanguard I, παρέχοντας εφεδρική ισχύ και παρατείνοντας τη λειτουργία του από μερικούς μήνες, σε έξι χρόνια. Η πετρελαϊκή κρίση του 1973, τόνωσε την έρευνα, οδηγώντας στη διερεύνηση και χρήση καινοτόμων υλικών και μεθόδων παραγωγής για τη μείωση του κόστους και την αύξηση της απόδοσης των Φ/Β. 7

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - 1 Πηγή: Photovoltaics in Cold Climates, Ross & Royer, eds. Πηγή: Photovoltaics in Cold Climates, Ross & Royer, eds. 8

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - 2 9

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - 3 10

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελούμενη από πακέτα ενέργειας (τα φωτόνια) εξαρτώμενης από τη συχνότητα του φωτός. Τα φωτόνια περιέχουν αρκετή ενέργεια ώστε να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια στερεών σωμάτων σε θέσεις υψηλότερης ενέργειας και να γίνουν ελεύθεροι φορείς. Αξιοποιώντας τις ιδιότητες των ημιαγωγών, είναι δυνατή η δημιουργία διαφοράς δυναμικού μεταξύ ακροδεκτών, με την αύξηση των φορέων ηλεκτρικού φορτίου που επιφέρει η πρόσπτωση και απορρόφηση της φωτεινής ακτινοβολίας. Το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται είναι ανάλογο της έντασης της ακτινοβολίας και της επιφάνειας πρόσπτωσης. 11

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ - 1 Τα στερεά χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες βάσει της ηλεκτρικής αγωγιμότητας που παρουσιάζουν: μονωτές, αγωγούς και ημιαγωγούς. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια των ατόμων ενός υλικού, μπορούν να βρίσκονται σε συγκεκριμένες ενεργειακές καταστάσεις (ενεργειακές τιμές). Στα στερεά, οι επιτρεπόμενες ενεργειακές καταστάσεις διαμορφώνονται τόσο πυκνά ώστε να σχηματίζουν ενεργειακές ζώνες που διαχωρίζονται από εύρη ενεργειακών τιμών στα οποία κανένα ηλεκτρόνιο δεν είναι δυνατό να υφίσταται. 12

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ - 2 Οι επιτρεπόμενες ζώνες χωρίζονται στις εσωτερικές ενεργειακές ζώνες και τις ζώνες σθένους και αγωγιμότητας. Η διαφορά μεταξύ της υψηλότερης ενεργειακής κατάστασης εντός της ζώνης σθένους και της χαμηλότερης ενεργειακής κατάστασης εντός της ζώνης αγωγιμότητας ορίζεται ως το ενεργειακό διάκενο/κατώφλι. 13

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ - 3 Το ενεργειακό διάκενο έχει ιδιαίτερη σημασία καθώς τα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας (ελεύθερα ηλεκτρόνια) είναι αυτά που συμβάλλουν στην αγωγιμότητα ενός υλικού και η μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους σε αυτή, προκύπτει κατά την πρόσδοση ενέργειας στα άτομα του υλικού, ίσης ή μεγαλύτερης του ενεργειακού διακένου όπως π.χ. με την απορρόφηση ακτινοβολίας ή θερμότητας. Όταν τα άτομα έχουν μεγάλο ενεργειακό διάκενο, το υλικό συμπεριφέρεται ως μονωτής καθώς τα ποσά ενέργειας που απαιτούνται για την απελευθέρωση ηλεκτρονίων από την ζώνη σθένους είναι μεγάλα, ενώ όταν το ενεργειακό διάκενο είναι σχετικά μικρό (π.χ. 1.1eV για το πυρίτιο), το υλικό χαρακτηρίζεται ημιαγωγός καθώς δύναται η μετάβαση ηλεκτρονίων μεταξύ των ζωνών. Οι αγωγοί, όπως τα μέταλλα, έχουν πολύ μικρό είτε και μηδενικό ενεργειακό διάκενο. 14

ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Με την πρόσμιξη πεντασθενούς στοιχείου όπως το αρσενικό (As), δημιουργείται ασυμμετρία στο κρυσταλλικό πλέγμα με αποτέλεσμα την μετάβαση των περισσευόντων ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας (ημιαγωγός τύπου n). Με την πρόσμιξη τρισθενούς στοιχείου όπως το Βόριο (Β), δημιουργείται έλλειψη ηλεκτρονίων, δηλαδή περίσσεια οπών (ημιαγωγός τύπου p). Στην ένωση μεταξύ ημιαγωγών τύπου n και p παρουσιάζεται διάχυση των ελευθέρων ηλεκτρονίων του n προς την πλευρά του p τύπου, αφήνοντας πίσω οπές ταυτόχρονα. Αντίστοιχη μετάβαση λαμβάνει χώρα από την πλευρά του p τύπου, με διάχυση οπών στο n. Κοντά στο σημείο της ένωσης, δημιουργείται μία μεταβατική ζώνη μεταξύ των δύο ημιαγωγών όπου οι ελεύθεροι φορείς μειώνονται σταδιακά έως ότου όλοι οι ελεύθεροι φορείς δεσμευτούν. Η μεταβατική ζώνη (ζώνη εξάντλησης/απογύμνωσης) δημιουργεί ένα ηλεκτροστατικό πεδίο (φράγμα) το οποίο παρεμποδίζει περαιτέρω επέκτασή της. 15

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Κατά την πρόσπτωση φωτεινής ακτινοβολίας δημιουργούνται πρόσθετα ζεύγη ελευθέρων ηλεκτρονίων-οπών. Τα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού p ρέουν προς τον ημιαγωγό n ενώ αντίστοιχα κινούνται οι οπές του ημιαγωγού n καταρρίπτοντας την προϋπάρχουσα ουδετερότητα. Με τη σύνδεση των δύο ημιαγωγών με εξωτερικό κύκλωμα, η σύζευξη λειτουργεί ως πηγή ηλεκτρικού ρεύματος. Ηλιακή Ακτινοβολία (-) Ημιαγωγός τύπου - n (-) Κύκλωμα Φορτίου Ημιαγωγός τύπου - p (+) Τομή Φωτοβολταϊκού Στοιχείου (+) 16

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΙΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΠΟΥ ΔΕΝ ΜΕΤΑΤΡΕΠΕΤΑΙ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟ Υπερ-ενεργητικά φωτόνια 32% Υπό-ενεργητικά φωτόνια 24% Εσωτερικές απώλειες της κυψέλης 21% Αντανακλάσεις στην επιφάνεια των Φ/Β 3% Σχήμα κυψελών (κυκλικό, εξαγωνικό κ.λ.π.) 2% Σύνολο απωλειών 82% 17

ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΡΗ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ 18

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ - 1 1ης γενιάς (14%-17%) Μονοκρυσταλλικού πυριτίου Πολυκρυσταλλικού πυριτίου 2ης γενιάς (<12%) Λεπτού υμενίου (thin-film) Άμορφο πυρίτιο Τελλουριούχο Κάδμιο (CdTe) Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός (CuInSe 2 ή CIS) 3ης γενιάς (υψηλού επιπέδου τεχνολογίες) Πολλαπλής σύζευξης (multi-junction) Αξιοποίηση νανοτεχνολογίας 19

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ - 2 (Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός) (Αρσενικούχο Γάλλιο) (Πυρίτιο) (Τελλουριούχο Κάδμιο) (Άμορφο πυρίτιο) 20

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ - 3 21

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ - 4 22

ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ I L I I I s = L 0 exp 1 UT I D U + I R Ish R sh U + I Rs Rsh R s U I R L Ι L : φωτόρευμα, ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται από την απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας. Ι ο : ρεύμα ανάστροφης πόλωσης, χαρακτηριστικό του υλικού και εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την ποιότητά του. R s : αντίσταση σειράς, οφείλεται στην αντίσταση του υλικού του ημιαγωγού από τον οποίο αποτελείται το στοιχείο, του υλικού των ηλεκτρικών επαφών καθώς και των σημείων επαφής του ημιαγωγού με τις ηλεκτρικές επαφές. R sh : ισοδύναμη παράλληλη αντίσταση, οφείλεται στη διαρροή ρεύματος από τη σύζευξη στα όρια του στοιχείου και στην παρουσία ατελειών υλικού και ακαθαρσιών στην περιοχή της σύζευξης (V oc /I sc ). U T : θερμική τάση σε Volt. 23

ΚΑΜΠΥΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Συντελεστής πλήρωσης: F = I I mp oc U U mp oc 24

ΚΑΜΠΥΛΗ ΙΣΧΥΟΣ Ν PV = U I η PV = N PV G A T c 25

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - 1 26

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - 2 Σημεία μέγιστης απόδοσης 27

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 28

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ - 1 29

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ Μέση ετήσια ενεργειακή απόδοση Φ/Β στην Ελλάδα (kwh/kw p ) Πάρκα Οικιακά Μέσος Όρος Ηπειρωτική Χώρα 1.485 1.345 1.465 Μη Διασυνδεδεμένα νησιά 1.725 1.525 1.695 Επικράτεια 1.500 1.355 1.480 32

ΣΥΝΔΕΣΗ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ U = I n i= 1 n U = n I i i= 1 i - + - + U I I - + - + U I U n = min i= 1 = n U i i= 1 { I } i 2.5 1.2 Ένταση I (Ampere) 2.0 1.5 1.0 0.5 Παράλληλη σύνδεση δύο όμοιων Φ/Β Ενα Φ/Β στοιχείο Ένταση I (Ampere) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Ενα Φ/Β στοιχείο Σε σειρά σύνδεση δύο όμοιων Φ/Β 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Τάση U (Volt) 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Τάση U (Volt) 33

ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 34

ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ Φ/Β z min = ( H T η PV Eo /( η ) S CC ΠΛΑΙΣΙΟΥ ηinv η η ΘΕΡΜ ΚΑΛ ) η ΚΑΘ η ΓΗΡ z z max = z min / η * η CC : απόδοση του ρυθμιστή φόρτισης η INV : απόδοση του μετατροπέα συχνότητας (inverter) η ΚΑΛ : λαμβάνει υπόψη τις απώλειες των καλωδιώσεων μεταφοράς η PV : βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων η ΘΕΡΜ : λαμβάνει υπόψη απώλειες λόγω θερμοκρασίας η ΚΑΘ : μείωση της απόδοσης των Φ/Β πλαισίων λόγω επικαθήσεων σκόνης κ.λπ. η ΓΗΡ : μείωση της απόδοσης λόγω γήρανσης των Φ/Β z = z 2 = U o / U d z 1 z 2 35

ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΑΓΟΡΑ Φ/Β - 1 36

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΑΓΟΡΑ Φ/Β - 1 40

ΠΗΓΕΣ - ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Online PV photovoltaic software, http://photovoltaic-software.com/freeonline.php Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS), http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lang=en&map=europe PVWatts, http://pvwatts.nrel.gov PV*SOL, http://valentin.de/calculation/pvonline/pv_system/en IEA Photovoltaic Power Systems Programme (PVPS), http://www.ieapvps.org Solar radiation and PV maps Europe, http://sunbird.jrc.it/pvgis/countries/europe.htm#gr PV GRID database, http://www.pvgrid.eu/database.html European Photovoltaic Industry Association, http://www.epia.org/home Σύνδεσμος Εταιριών Φωτοβολταϊκών (ΣΕΦ), http://helapco.gr 44

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - 1 Ζητείται η απαιτούμενη επιφάνεια για τη δημιουργία μιας Φ/Β μονάδας 10kW, πολυκρυσταλλικών Φ/Β πλαισίων βαθμού απόδοσης 16%. Να εκτιμηθεί η αναμενόμενη ετήσια ενεργειακή παραγωγή Φ/Β μονάδας 10kW η οποία πρόκειται να εγκατασταθεί στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. 45

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - 2 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο εμβαδού 0,6m 2, του οποίου δίνεται η χαρακτηριστική λειτουργίας (για σταθερή ένταση ακτινοβολίας GT=800W/m 2 και θερμοκρασία πλαισίου 25 ο C), πρόκειται να αποτελέσει τη βάση για μια συνδεσμολογία φωτοβολταϊκών με στόχο την τροφοδοσία κατανάλωσης 10kW με τάση λειτουργίας ίση με 48V. Να υπολογισθεί ο απαραίτητος αριθμός και η απαιτούμενη συνδεσμολογία των όμοιων αυτών πλαισίων, καθώς και ο αντίστοιχος βαθμός απόδοσης των πλαισίων της συνδεσμολογίας για θερμοκρασία 25 ο C. Να υπολογισθεί η ωριαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης υπό σταθερή ένταση ηλιακής ακτινοβολίας 800W/m 2, εάν ο συντελεστής απωλειών σκόνης εκτιμάται σε 90%, ενώ η θερμοκρασία της συλλεκτικής επιφάνειας ισούται με 55 ο C. Από αντίστοιχες μετρήσεις είναι γνωστό ότι η μεταβολή θερμοκρασίας των πλαισίων κατά 10 ο C προκαλεί μεταβολή του βαθμού απόδοσης κατά 5%. 46

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - 3 Χαρακτηριστική Καμπύλη Φωτοβολταϊκού Πλαισίου I(A) 3,0 I sc 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 θ=25 ο C, G=800W/m 2 α/α I(A) U(V) N(W) 1 0 21,00 0 2 0,50 20,65 10,325 3 1,00 20,13 20,130 4 1,50 19,60 29,400 5 2,00 18,55 37,100 6 2,18 17,85 38,824 7 2,33 17,15 39,960 8 2,40 16,45 39,480 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 U(V) U o 9 2,55 10,50 26,775 10 2,63 0 0 47

Τέλος Ενότητας