Νέες Τεχνολογίες Φωτοβολταϊκών Στοιχείων και Συστημάτων. Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος

Νέες Τεχνολογίες Φωτοβολταϊκών Στοιχείων και Συστημάτων Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 1

Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 2

Η προβολή στο οριζόντιο επίπεδο των φωτοβολταϊκών πλαισίων των 2.066 MWp καλύπτει περίπου 12.400 στρέμματα, είναι δηλαδή λίγο μικρότερη από την έκταση του Δήμου Αμαρουσίου στην Αθήνα ή του Δήμου Νεάπολης-Συκεών στη Θεσσαλονίκη. Η συνολική έκταση που δεσμεύουν αυτά τα 2.066 MWp (μαζί με τα διάκενα μεταξύ των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και την περιμετρική απόσταση ασφαλείας από τα όρια των γηπέδων) είναι περίπου 40.000 στρέμματα, όση δηλαδή είναι η έκταση του Δήμου Αθηναίων. Για σύγκριση, η έκταση που καταλαμβάνουν οι λιγνιτικοί σταθμοί και τα λιγνιτωρυχεία είναι, σύμφωνα με τη ΔΕΗ, 253.000 στρέμματα, είναι δηλαδή 6,3 φορές μεγαλύτερη από την έκταση που δεσμεύουν τα φωτοβολταϊκά. Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 6

Ενεργειακό μείγμα ηλεκτροπαραγωγής στην Ελλάδα σήμερα κυρίως από λιγνίτη, πετρέλαιο και φυσικό αέριο Προβλήματα 9,30% 6% 1,90% Λιγνίτης Φ.Α. ΥΗΕ Εισαγωγές Πετρέλαιο ΑΠΕ -επιβάρυνση του περιβάλλον- 11,50% τος και κυρίως σε ότι αφορά 52,70% το φαινόμενο του θερμοκηπίου -διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση 18,60% -εξάντληση των αποθεμάτων ΔΕΗ Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 9

Εξέλιξη εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα στην ηλεκτροπαραγωγή Σημείωση: για την απορρόφηση 1τόνου CO 2 χρειάζεται δάσος έκτασης 2 στρεμμάτων Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 10

Ποιά θα μπορούσε να ήταν η λύση μακροπρόθεσμα; - Πυρηνική ενέργεια -Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) (ήλιος, αέρας, νερό, βιομάζα, γεωθερμία) Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 11

Τι μας ωθεί για χρήση καθαρών μορφών ενέργειας (ΑΠΕ); -Κλιματολογικές αλλαγές Αιτίες των κλιματ. αλλαγών -έχει αυξηθεί σημαντικά από το 1850 η συγκέντρωση του CO 2 στην ατμόσφαιρα - η αύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 οδηγεί στην υπερθέρμανση του πλανήτη μας -υπεύθυνος για το φαινόμενο αυτό είναι ο άνθρωπος Συνέπειες των κλιμ. αλλαγών - άνοδος της στάθμης της θάλασσας - βλάβες στα οικοσυστήματα και εξαφάνιση πολλών ειδών - κίνδυνος ακραίων καιρικών φαινομένων, όπως ξηρασίες, πυρκαγιές, θύελλες, κ.α. - κίνδυνος στην επάρκεια νερού και τροφής πόλεμος; 9 Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 12

Τι μας ωθεί για χρήση καθαρών μορφών ενέργειας; -Το δυναμικό του ήλιου Προσπίπτουσα Ηλιακή Ενέργεια Ετησίως Ουράνιο Αέριο Πετρέλαιο Λιγνίτης Παγκ.Καταν. Ενεργιας Μία επιφάνεια φωτοβολταϊκών 250 τετρ.χιλ. θα ήταν αρκετή για να καλύψει πλήρως τις ετήσιες ενεργειακές ανάγκες της Χώρας Αυτή η ενεργειακή πηγή θα μας παρέχει με συνέπεια για τα επόμενα 5 δισ. χρόνια δωρεάν ενέργεια και μάλιστα φιλική προς το περιβάλλον Στερεά καύσιμα όπως Ουράνιο, λιγνίτης, φυσικό αέριο και πετρέλαιο είναι ακριβά και και εξαντλίσιμα Ο ήλιος δεν μας στέλνει κανένα λογαριασμό για πληρωμή Nutzerinformation Photovoltaik, DGS Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 13

Τι μας ωθεί για χρήση καθαρών μορφών ενέργειας; - Σύγκριση με τα διάφορα είδη παραγωγής ενέργειας http://leifi.physik.uni-muenchen.de Μικρές εκπομπές CO 2 Καμία ραδιενέργεια Δεν έχει απόβλητα για αποθήκευση Ανεξάντλητη πηγή ενέργειας Δεν προκαλεί κανενός είδους βλάβες, όπως για παράδειγμα στην υγεία και στο περιβάλλον Καμία εξάρτηση από άλλες χώρες Ως καύσιμη ύλη: π.χ. 1Κg πετρελαίου = 10 KWh 1Kg πυριτίου = 1.000.000 ΚWh Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 14

Τι μας ωθεί για χρήση καθαρών μορφών ενέργειας; -Η δυναμική του τομέα των Φωτοβολταϊκών Η εγκατάσταση ΦΒ σταθμών συνολικής ισχύος 700 MW σημαίνει: Επενδύσεις (σε τρέχουσες τιμές κόστους ΦΒ) της τάξεως των 900 M. νέες θέσεις εργασίας Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας της τάξης των 900 GWh, ετησίως, ήτοι περίπου 1.5% της σημερινής κατανάλωσης (60-70 TWH) Αξία παραγόμενης ενέργειας για 20 έτη, περί τα 1 δις με βάση τις σημερινές τιμές πώλησης (μέση τιμή 450 /MWh) και σε σταθερούς όρους Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 15

Φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 16

12 Mwatt σε 500 στρέμματα Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 17

Τι καταλαβαίνει κανείς κάτω από την έννοια Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία; Άμεση μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, με τη χρήση οπτοηλεκτρονικών διατάξεων που ονομάζονται Φωτοβολταϊκά (Φ/Β) στοιχεία ή διατάξεις ή κυψελίδες Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 20

Ιστορία των Φ/Β Στοιχείων 1839 Ανακάλυψη του Φ/Β φαινομένου από τον Edmond Becquerel. 1954 Κατασκευή του πρώτου Φ/Β στοιχείου από τον Chapin της Bell Laboratories. Το στοιχείο μετέτρεπε την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική με DC ρεύμα και τάση. Η αρχική απόδοση ήταν 4% και στην συνέχεια 6% και 11%. 1958 Χρήση των Φ/Β στοιχείων σε διαστημικές αποστολές μεγάλης δειάρκειας. Τα Φ/Β στοιχεία είναι και σήμερα η κύρια πηγή ενέργειας για τους τεχνητούς δορυφόρους της Γης. 1973 Πετρελαϊκή κρίση. Στροφή των αναπτυγμένων χωρών σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 21

Πλεονεκτήματα/Mειονεκτήματα της Φωτοβολταϊκής Τεχνολογίας Πλεονεκτήματα: Χρησιμοποιεί ως καύσιμο το φως του ήλιου (ανεξάντλητη πηγή ενέργειας).μόνος περιορισμός ο χρόνος ζωής των Φ/Β συστημάτων. Το ρεύμα παράγεται χωρίς εκπομπές και θόρυβο. Η ενέργεια παράγεται στον τόπο της κατανάλωσης. Δεν χρειάζεται συντήρηση. Χρησιμοποιεί συνήθως πλήρως ανακυκλώσιμα υλικά (πρώτη ύλη είναι η άμμος). Ως ανερχόμενος κλάδος υπόσχεται θέσεις εργασίας. Ας σημειωθεί ότι τα δύο τρίτα όλων των κατασκευαστών Φ/Β συστημάτων είναι θυγατρικές εταιρίες μεγάλων εταιρειών πετρελαίου, όπως SHELL SOLAR, BP SOLAR, AGIP με EUROSOLARE, AMOCON με SOLAREX. Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 22

Πλεονεκτήματα/Mειονεκτήματα της Φωτοβολταϊκής Τεχνολογίας Μειονεκτήματα: Το φως του ήλιου είναι μία διακυμαινόμενη ενεργειακή πηγή, γι αυτό απαιτεί σε κάποιες εφαρμογές σύστημα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας που οδηγεί σε σημαντική αύξηση του κόστους. Η χρησιμοποιούμενη σήμερα τεχνολογία (μονοκρυσταλική και πολυκρυσταλική) απαιτεί ακόμη υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Το Φ/Β σύστημα αξιόπιστο μόνο για μικρό σχετικά χρόνο ( 20-40 χρόνια). Ακόμη υψηλό κόστος ρεύματος σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 23

hv Φωτοβολταϊκό φαινόμενο - + 1. Απορρόφηση του φωτός στον ημιαγωγό (hv>e g ) 2. Δημιουργία ελεύθερων φορέων 3. Ενεργός διαχωρισμός φορτίων διαμέσου εσωτερικού ηλεκτρ. πεδίου Αποτέλεσμα: παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλιακή ακτινοβολία Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 24

- + + + + + + + + + + + + + + hv Η επαφή p-n + + + + + + + + + + + + + p-silizium + + + - Πυρίτιο τύπου p + + + + + + + + + - διάχυση - - + - + - + - + - + - + - + + - + - + - + - + - + - - + + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - n-silizium Πυρίτιο τύπου n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + Ηλεκτρικό πεδίο - E Περιοχή φορτίων χώρου Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 25

Δομή μιας φωτοβολταϊκής κυψελίδας πολύ-ή μονοκρυσταλλικού πυριτίου Εμπρόσθιο ηλεκτρόδιο Αντιανακλαστικό στρώμα h - n-περιοχή p-περιοχή ~0,2µm ~300µm + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - + Περιοχή φορτίων χώρου Ηλεκτρόδιο καθόδου Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 26

Χαρακτηριστικές ρεύματος τάσης (c-si) P = 0,88W R wr =0,18Ω P = 1,05W R wr =0,23Ω Ρεύμα Βραχυκύκλωσης I L Τάση Ανοικτού Κυκλώματος V oc P = 1,00W R wr =0,31Ω Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 27

Τεχνικά Χαρακτηριστικά ενός Φ/Β Στοιχείου Τάση ανοιχτού κυκλώματος, V oc (V) Ρεύμα βραχυκυκλώσεως, I L (A) Παράγοντας τάσης, VF =V oc / (E g /q)(%) Παράγοντας πληρότητας, FF=(V max.i max )/V oc.i L (%) Απόδοση, η =ηλεκτρ.ισχύς/οπτική ισχύς(%) Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 28

Φ/Β συλλέκτης Φ/Β σύστημα ή συλλέκτης αποτελείται από Μ ομάδες όμοιων Φ/Β στοιχείων( V oc, I L ), όπου η κάθε μία αποτελείται από Ν όμοια Φ/Β στοιχεία σε σειρά έτσι : Τάση ανοιχτού κυκλώματος συστήματος ίση με: Ν.V oc Ρεύμα βραχυκύκλωσης συστήματος ίσο με: M.I L Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 29

Μικρή φ/β μονάδα παραγωγής Σύνδεσμος Εταιριών Φωτοβολταϊκών Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 30

Μικρή φ/β μονάδα παραγωγής Σύνδεσμος Εταιριών Φωτοβολταϊκών Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 31

Ετήσια παραγωγή Ηλεκτρικής ενέργειας ανά KW εγκατεστημένης Φ/Β ισχύος Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 32

Institut für Physikalische Elektronik ( ipe) Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 33

Μείωση κόστους στη φ/β τεχνολογία Μείωση κόστους KWh - Υψηλότερους βαθμούς απόδοσης - Νέες ιδέες για ποιο αποδοτική μετατροπή της ηλιακής ενέργεια - Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής Μείωση κόστους της εγκατεστημένης ισχύος - Μικρότερη σπατάλη πρώτων υλών (μικρότερο πάχος) - Φτηνότερα υλικά (π.χ. υποστρώματα) - Βελτιστοποίηση των τεχνολογιών κατασκευής φ/β στοιχείων - Μαζική παραγωγή Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 34

Τεχνολογίες Φ/Β Στοιχείων και Συστημάτων Τεχνολογία δισκίων ( 95% της παγκόσμιας παραγωγής) - πάχος 200 έως 300μm - μονο- και πολυκρυσταλλικό πυρίτιο - άλλοι ημιαγωγοί, όπως GaAs Τεχνολογία λεπτών στρωμάτων ( 5% της παγκόσμιας παραγωγής) - πάχος μόνο μερικά μm - άμορφο πυρίτιο - άλλοι ημιαγωγοί, όπως CdTe, CuInSe2, CuInS Δυνατότητα χρήσης υποστρωμάτων χαμηλού κόστους, όπως γυαλί, πλαστικό, ύφασμα, μεταλλικό έλασμα, κ.α. Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 35

Τεχνολογίες κατασκευής Τεχνολογία δισκίων Τεχνολογία λεπτών στρωμάτων (Roll-to-Roll) Εύκαμτο υπόστρωμα Ανάπτυξη κρυστάλλου Ηλεκτρόδιο Καθόδου Κόψιμο σε φέτες Ντοπάρισμα Απόθεση πυριτίου Επιμετάλλωση Σύνδεση σε σειρά Διαφανές ηλεκτρ. Ανόδου Σύνδεση σε σειρά Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 36

Αξιολόγηση μονοκρυσταλλικού πυριτίου: + Εργοστασιακός βαθμός απόδοσης 15-18% (εργαστηριακός >23%) Απαιτείται μεγάλη ποσότητα πρώτης ύλης Κυμαινόμενη τιμή πρώτης ύλης (Πυρίτιο) + Ώριμες διεργασίες παραγωγής, αλλά ενεργοβόρες, + Υψηλή σταθερότητα απόδοσης για μεγάλα χρονικά διαστήματα + Συμβατότητα υλικού με το περιβάλλον + Προς το παρόν κατέχει τη δεύτερη θέση στην αγορά Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 37

Αξιολόγηση πολυκρυσταλλικού πυριτίου: + Εργοστασιακός βαθμός απόδοσης 12-15% - Απαιτείται μεγάλη ποσότητα πρώτης ύλης - Κυμαινόμενη τιμή πρώτης ύλης (Πυρίτιο) + Ώριμες διεργασίες παραγωγής, λιγότερο όμως ενεργοβόρες από το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο + Υψηλή σταθερότητα για μεγάλα χρονικά διαστήματα + Συμβατότητα υλικού με το περιβάλλον + Προς το παρόν κατέχει την πρώτη θέση στην αγορά Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 38

Αξιολόγηση αμόρφου πυριτίου (a-si): Εργοστασιακός βαθμός απόδοσης 6 8% με δυνατότητα σημαντικής αύξησης + Τεχνολογία λεπτών υμενίων (<1µm), μικρή απαίτηση σε πρώτη ύλη Κυμαινόμενη τιμή πρώτης ύλης + Ώριμη και χαμηλού κόστους διαδικασία κατασκευής Εγγυημένη σταθερότητα για μεγάλη χρονική διάρκεια μόνο για αποδόσεις 4 6% + Συμβατότητα υλικού με το περιβάλλον + Δυνατότητα απόθεσης πάνω σε εύκαμπτα υποστρώματα + Δυνατότητα ενσωμάτωσης σε διάφορα προϊόντα, όπως σκίαστρα, προσόψεις και σκεπές κτιρίων, κ.α. Προς το παρόν κατέχει την Τρίτη θέση στην αγορά Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 39

Τεχνολογία Λεπτών Στρωμάτων α-si: Eίναι το πλέον χρησιμοποιούμενο υλικό,αλλά δυστυχώς εξαιτίας της χαμηλής απόδοσης (6-8 %) δεν μπόρεσε να επικρατήσει μέχρι τώρα έναντι των καθιερωμένων στην αγορά πολυκρυσταλλικών και μονοκρυσταλλικών υλικών. Στην αγορά εμφανίζεται σε μορφή Φ/Β συλλεκτών, σε γυάλινες οροφές και προσόψεις κτιρίων, καθώς και σε εύκαμπτα υποστρώματα (σκίαστρα). www.iowathinfi lm.com GaAs Αναπτύχθηκε από τη δεκαετία του 60 για διαστημικές εφαρμογές (αποδόσεις μεγαλύτερες 17%). Εξαιτίας της τοξικότητάς του και του υψηλού κόστους, δεν υπάρχουν γήινες εφαρμογές. Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 40

Τεχνολογία Λεπτών Στρωμάτων CdTe : Στην αγορά από το 1996 με αποδόσεις έως και 9%. Σχετικά φτηνό αλλά δυστυχώς τοξικό (BP Solarex, Antec Solar) CIS (Cu-In-Se) : Στην αγορά από το 1999 με αποδόσεις έως και 12%, με πολλές ελπίδες αύξησης της διάθεσής του στην αγορά (Shell Solar, Wuerth Solar) Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 41

Τεχνολογία Λεπτών Στρωμάτων CIS2 (Cu-In-S) : πολύ πρόσφατο στην αγορά (αρχές 2007), με αποδόσεις έως και 10%. Πλεονεκτήματα: -Παράγεται σε θερμοκρασία χώρου -Πολύ χαμηλό κόστος παραγωγής (εκτίμηση 1.5 /Wp) -Με αύξηση της απόδοσης και εξορθολογισμό της παραγωγής αναμένονται τιμές κάτω του 1 /Wp,δηλαδή μόλις το ¼ της τρέχουσας τιμής κρυσταλλικών Φ/Β συστημάτων (Hahn Meitner Institut, Berlin ) Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 42

EPBT [Jahre] Χρόνος απόσβεσης της απαιτούμενης για την κατασκευή του Φ/Β ενέργειας (Energy Payback Time,EPBT) energy payback time (EPBT) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 mono-si multi-si a-si CIS CdTe Technologie Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 43

Κόστος Φ/Β-μονάδων 20% Μείωση για κάθε διπλασιασμό ισχύος Συνολικά παραγόμενη Ισχύς σε MWp Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 44

Προοπτική Καλύτερη εκμετάλλευση του ηλιακού φάσματος- αύξηση της απόδοσης Προτείνεται θερμοβολταϊκή μετατροπή Προτείνονται νέες διατάξεις (ετεροεπαφές και Tandem) Institut für Physikalische Elektronik ( ipe) Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 46

Προοπτική Μείωση κόστους πρώτης ύλης και ταυτόχρονα υψηλή απόδοση με τη χρήση της τεχνολογίας λεπτών στρωμάτων κρυσταλλικού πυριτίου (Διεργασία PSI) Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 47

Κρυσταλλικό Πυρίτιο Λεπτών Υμενίων Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 48

Προοπτική Νέα Υλικά: Οργανικά ημιαγωγικά υλικά (Διάφορα είδη Πολυμερών) Τεχνολογικά πλεονεκτήματα: - χαμηλού κόστους και χαμηλής ενέργειας τεχνολογίες (τεχνολογία λεπτών υμενίων, επίστρωση με περιστροφή, εξάχνωση) - υψηλός βαθμός ευκαμψίας και ικανότητα μορφοποίησης (εύκαμπτα Φ/Β-στοιχεία) - μείωση της μάζας διαμέσου του μικρού πάχους, της μικρής πυκνότητας και του πάχους του υποστρώματος -υψηλή περιβαλλοντική ανεκτικότητα Μειονεκτήματα: - μικρός βαθμός απόδοσης (<2-3 %) - χαμηλή σταθερότητα για μεγάλη χρονική διάρκεια Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 49

Σημερινές και μελλοντικές αποδόσεις Φ/Β Στοιχείων PRISMA Präambel, ASE Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 50

Αλλαγές στο παγκόσμιο ενεργειακό μείγμα έως το τέλος του αιώνα RWE-Solar GmbH Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 51

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Hλιακή Ακτινοβολία Στοιχεία Ηλιακής Γεωμετρίας Τοποθέτηση και Προσανατολισμός Ηλιακών Συλλεκτών Φωτοβολταϊκή Μετατροπή Ηλιακής Ενέργειας σε Ηλεκτρική Κυκλώματα φωτοβολταϊκών Στοιχείων Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 52

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΤΟΥ Συσσωρευτές ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Ηλεκτρονική Ρύθμιση Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Τεχνολογίες Κατασκευής φωτοβολταϊκών Συστημάτων Ειδικά θέματα Φωτοβολταϊκής Τεχνολογίας Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 53

ΤΕΛΟΣ Ε/ΤΗΗΥ Φεβρουάριος 2019 54