1
ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΚΟ ΔΚΠΑΗΓΔΤΣΗΚΟ ΗΓΡΤΜΑ ΚΑΒΑΛΑ ΥΟΛΖ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΚΧΝ ΔΦΑΡΜΟΓΧΝ ΣΜΖΜΑ ΖΛΔΚΣΡΟΛΟΓΗΑ ΟΗΚΗΑ & ΚΑΣΑΣΖΜΑ ΜΔ ΓΗΠΛΔΤΡΖ ΠΑΡΟΥΖ ΖΛΔΚΣΡΗΚΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ & ΓΔΖ, ΔΛΔΓΥΟ & ΤΝΑΓΔΡΜΟ ΜΔ PLC. ΠΣΤΥΗΑΚΖ ΔΡΓΑΗΑ ΣΧΝ ΠΟΤΓΑΣΧΝ: ΜΑΝΗΣΑ Μ. ΦΧΣΗΟΤ Α.Δ.Μ:4299 ΣΑΜΠΟΤ Γ. ΘΔΟΦΑΝΖ Α.Δ.Μ:4286 ΤΠΔΤΘΤΝΟ ΚΑΘΖΓΖΣΖ: ΝΑΛΜΠΑΝΣΖ Λ. ΣΔΦΑΝΟ Γηπι. Ζι/γνο Μερ/θφο Μ.Sc. [ Κ Α Β Α Λ Α 2010] 2
Μαληηζάο Φώηηνο Α.Δ.Μ:4299 Σζάκπνο Θενθάλεο Α.Δ.Μ:4286 ΠΣΤΥΙΑΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ΟΗΚΗΑ & ΚΑΣΑΣΖΜΑ ΜΔ ΓΗΠΛΔΤΡΖ ΠΑΡΟΥΖ ΖΛΔΚΣΡΗΚΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΗΚΑ & ΓΔΖ, ΔΛΔΓΥΟ & ΤΝΑΓΔΡΜΟ ΜΔ PLC. Δπηβιέπσλ : ΝΑΛΜΠΑΝΣΗ ΣΔΦΑΝΟ Γηπι. Ηι/γνο Μερ/θόο Μ.Sc. ΚΑΒΑΛΑ 2010 3
ΠΡΟΛΟΓΟ Θα ζέιακε λα επραξηζηήζνπκε ζεξκά ηνλ θαζεγεηή καο θ. ηέθαλν Ναικπάληε γηα ηελ εκπηζηνζχλε πνπ καο έδεημε γηα ηελ αλάζεζε θαη νινθιήξσζε ηεο πηπρηαθήο καο εξγαζίαο. Δπίζεο ζα ζέιακε λα επραξηζηήζνπκε ηελ εηαηξία θσηνβνιηατθψλ conergy γηα ηνλ δαλεηζκφ νξηζκέλσλ πιηθψλ γηα ηελ πινπνίεζε ηεο θαηαζθεπήο καο θαζψο θαη γηα ηελ βνήζεηα ηνπο πάλσ ζηελ ηερλνινγία ησλ θσηνβνιηατθψλ Σέινο, έλα κεγάιν επραξηζηψ ζηνλ Κ. Μαληηζά Μηράιε ( παηέξαο ηνπ ζπνπδαζηή Μαληηζά Φψηηνπ) γηα ηελ πνιχηηκε βνήζεηα γηα ηελ εθπφλεζε ηεο θαηαζθεπήο καο 4
θνπφο θνπφο ηεο παξνχζαο εξγαζίαο είλαη ε κειέηε ελφο δηαζπλδεδεκέλνπ κε ην θεληξηθφ δίθηπν ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ηεο Γ.Δ.Ζ., θσηνβνιηατθνχ ζηαζκνχ παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο & ζπλαγεξκφο κε ρξήζε ηνπ PLC. ην πξώην θεθάιαην γίλεηαη κηα εηζαγσγή ζηε θσηνβνιηατθε ηερλνινγία, ηα πιενλεθηήκαηα θαη ηα κεηνλεθηήκαηα πνπ ηελ ραξαθηεξίδνπλ θαη ηνπο ηνκείο ζηνπο νπνίνπο βξίζθεη εθαξκνγή. Αθφκα παξνπζηάδεηαη ε ηζηνξηθή ηνπο εμέιημε δηεζλψο, θαζψο θαη ε ειιεληθή πξαγκαηηθφηεηα. ην δεύηεξν θεθάιαην αλαιχνληαη ιεπηνκεξψο ε ειηαθή αθηηλνβνιία πνπ θηάλεη ζηε Γή θαη νη εμηζψζεηο πνπ πξνζδηνξίδνπλ θαηλφκελε θίλεζε ηνπ ήιηνπ ζηνλ νπξάλην ζφιν. Παξνπζηάδεηαη κέζνδνο ππνινγηζκνχ ηεο σξηαίαο θαη κεληαίαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε θεθιηκέλν επίπεδν, απφ ηηο αληίζηνηρεο ηηκέο ηνπο ζε νξηδφληην επίπεδν. Δπηπιένλ δίλεηαη πξνζεγγηζηηθή κέζνδνο ππνινγηζκνχ ηεο σξηαίαο αθηηλνβνιίαο απφ ηεο εκεξήζηεο ηηκέο. ην ηξίην θεθάιαην γίλεηαη κηα ιεπηνκεξήο αλάιπζε ηνπ θσηνβνιηατθνπ θαηλνκέλνπ θαη επηρεηξείηαη κηα πεξηγξαθή ησλ ζπνπδαηφηεξσλ πιηθψλ θαη ηερλνινγηψλ θαηαζθεπήο θσηνβνιηατθψλ ζηνηρείσλ. Αθφκα αλαιχνληαη ηα ειεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ θ/β ζηνηρείσλ θαη νη ζεκαληηθφηεξνη παξάγνληεο πνπ ηα επεξεάδνπλ. ην ηέηαξην θεθάιαην γίλεηαη ε πεξηγξαθή θαη αλάιπζε ησλ επηκέξνπο ζηνηρείσλ, πνπ απνηεινχλ ηφζν έλα απηφλνκν θσηνβνιηατθφ ζχζηεκα φζν θαη έλα δηαζπλδεδεκέλν θσηνβνιηατθφ ζχζηεκα. ην πέκπην θεθάιαην γίλεηαη κηα εηζαγσγή θαη αλάιπζε ζην PLC. ην έθην SIEMENS θεθάιαην γίλεηαη κηα εηδηθή αλαθνξά ζην PLC LOGO 230 RC ην έβδνκν θεθάιαην γίλεηαη αλαιπηηθή πεξηγξαθή ησλ πιηθψλ & εμαξηεκάησλ ηεο θαηαζθεπήο καο ην όγδνν θεθάιαην γίλεηε εθπφλεζε ησλ ζρεδίσλ ηεο θαηαζθεπήο θαζψο θαη ε επηκέξνπο αλαιχζεηο ησλ ζρεδίσλ 5
6
Περιεχόμενα 1.1 ΕΙΑΓΩΓΗ... 12 1.2 Η φωτοβολταϊκή τεχνολογία διεθνϊσ... 15 1.3 Ελληνική Πραγματικότητα... 16 2.1 Ο ΗΛΙΟ... 19 2.2 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΕΚΣΟ ΓΗΙΝΗ ΑΣΜΟΦΑΙΡΑ... 20 2.3 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΣΟΤ ΕΔΑΦΟΤ... 22 2.4 ΗΛΙΑΚΗ ΓΕΩΜΕΣΡΙΑ... 23 2.4.1 Γεωγραφικό πλάτοσ -γεωγραφικό μήκοσ... 23 2.4.2 φαιρικζσ ςυντεταγμζνεσ... 24 2.4.3 Ηλιακζσ γωνίεσ... 26 2.4.4 Γωνία πρόςπτωςησ των ηλιακϊν ακτινϊν... 29 2.5 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ Ε ΚΕΚΛΙΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ... 30 2.5.1 Ωριαία ηλιακή ακτινοβολία ςε κεκλιμζνο επίπεδο... 30 2.5.2 Μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία ςε κεκλιμζνο επίπεδο... 33 2.5.3 Ετήςια ηλιακή ακτινοβολία ςε κεκλιμζνο επίπεδο... 35 2.6 ΤΓΚΡΙΗ ΠΟΛΤΩΝΤΜΩΝ ΓΙΑ ΣΟΝ ΤΠΟΛΟΓΙΜΟ ΣΟΤ ΛΟΓΟΤ H d /H... 39 2.7 ΕΚΣΙΜΗΗ ΩΡΙΑΙΑ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΗΜΕΡΗΙΕ ΣΙΜΕ... 40 3.1 ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ... 43 3.1.1 Ηλεκτροςτατικό φράγμα δυναμικοφ... 43 3.1.2 Δημιουργία φωτορεφματοσ... 44 3.2 ΤΛΙΚΑ & ΣΕΧΝΟΛΟΓΙΕ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΩΝ ΣΟΙΧΕΙΩΝ/ΚΤΨΕΛΩΝ (PV CELLS)... 45 3.2.1 Σο Πυρίτιο (Si)... 46 3.2.1.1 Μονοκρυςταλλικό Πυρίτιο... 46 3.2.1.2 Πολυκρυςταλλικό Πυρίτιο... 49 3.2.1.3 Ribbon Πυρίτιο... 51 3.2.1.4 Κρυςταλλικό Πυρίτιο λεπτοφ φίλμ (c-sitfc)... 52 3.2.1.5 Άμορφο πυρίτιο (a-si)... 53 7
3.2.2 Αρςενικοφχο Γάλλιο (GaAs)... 54 3.2.3 Διςεληνιοφχοσ Ινδιοφχοσ Χαλκόσ (CuInSe2 ή CIS)... 54 3.2.4 Σελλουριοφχο Κάδμιο (CdTe)... 55 3.3 ΣΑ ΗΛΕΚΣΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΑ ΣΩΝ Φ/Β ΣΟΙΧΕΙΩΝ... 57 3.3.1 Απόδοςη φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου... 59 3.4 ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΗ ΓΕΝΝΗΣΡΙΑ... 60 3.4.1 Φωτοβολταϊκό πλαίςιο (module)... 60 3.4.2 Φωτοβολταϊκή ςυςτοιχία (string)... 61 3.4.3 Βζλτιςτη διάταξη ςταθερϊν ςυςτοιχιϊν... 63 3.4.4 Απόδοςη φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου... 66 3.4.5 Επίδραςη τησ θερμοκραςίασ ςτη απόδοςη... 67 3.4.6 Επίδραςη τησ ρφπανςησ ςτην απόδοςη... 68 3.5 ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟΙ ΤΓΚΕΝΣΡΩΣΕ... 68 3.5.1 Σφποι οπτικϊν μζςων... 69 3.5.2 υντελεςτήσ ςυγκζντρωςησ... 71 3.5.3 Παρακολοφθηςη τησ θζςησ του ήλιου... 72 3.5.4 Οπτική των ςυγκεντωτϊν... 75 3.5.4.1 Βαςικζσ ζννοιεσ... 75 3.5.4.2 Ο παραβολικόσ ςυγκεντρωτήσ... 77 3.5.4.3 Ο ςφνθετοσ παραβολικόσ ςυγκεντρωτήσ... 79 3.5.4.4 Διαθλαστικοί φακοί... 81 4.1 ΑΤΣΟΝΟΜΟ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΤΣΗΜΑ(STAND ALONE)... 85 4.2 ΔΙΑΤΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΤΣΗΜΑ (GRID CONNECTED)... 86 4.3 ΜΕΣΑΣΡΟΠΕΑ ΤΝΕΧΟΤ ΣΑΗ (DC/DCCONVERTER)... 87 4.4 ΑΝΙΧΝΕΤΣΕ ΗΜΕΙΟΤ ΜΕΓΙΣΗ ΙΧΤΟ - MAXIMUM POWER POINT TRACKERS (MPPT)... 93 4.5 ΑΝΣΙΣΡΟΦΕΑ (DC/AC INVERTER)... 98 4.5.1 Μονοφαςικόσ αντιςτροφζασ... 98 4.5.2 Σριφαςικόσ αντιςτροφζασ... 103 4.5.3 Ηλεκτρική απομόνωςη των μετατροπζων ιςχφοσ... 106 4.6 ΤΩΡΕΤΣΕ... 107 4.7 ΤΝΔΕΗ ΜΕ ΣΟ ΔΙΚΣΤΟ... 116 5.1 Εισαγωγή (PLC)... 120 5.2 ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΙΜΟ ΣΟΤ PLC... 121 8
5.3 ΠΛΕΟΝΕΚΣΗΜΑΣΑ PLC ΕΝΑΝΣΙ ΚΛΑΙΚΟΤ ΑΤΣΟΜΑΣΙΜΟΤ... 123 5.4 Η ΕΝΝΟΙΑ ΣΟΤ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΙΜΟΤ... 124 5.4.1 Προγραμματιςμόσ PLC... 124 5.4.2 Επιλογή γλϊςςασ προγραμματιςμοφ... 125 5.4.3 Γλϊςςεσ προγραμματιςμοφ PLC... 125 5.5 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΙΜΟ PLC ΜΕ SOFTWARE... 126 5.6 ΚΡΗΣΙΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗ PLC... 127 6.1 ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΟ PLC SIEMENS LOGO 230RC... 128 6.2 Ο ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΙΜΟ ΣΟΤ LOGO (ΕΠΑΦΕ)... 128 6.3 ΧΩΡΟ ΣΗ ΜΝΗΜΗ ΚΑΙ ΜΕΓΕΘΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΟ... 128 6.4 ΠΙΝΑΚΑ ΕΙΔΙΚΩΝ ΛΕΙΣΟΤΡΓΕΙΩΝ SF... 130 7.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΛΙΚΩΝ & ΕΞΑΡΣΗΜΑΣΩΝ ΣΗ ΚΑΣΑΚΕΤΗ... 132 7.2.1 ΑΝΑΛΤΗ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΙΚΩΝ ΕΞΑΡΣΗΜΑΣΩΝ ΣΗ ΚΑΣΑΚΕΤΗ... 132 7.2.1.1 Φωτοβολταικά πάνελ... 132 7.2.1.2 Ρυθμιςτήσ φόρτιςησ... 133 7.2.1.3 Αντιςτροφζασ (inverter)... 133 7.2.1.4 υςςωρευτήσ (μπαταρία)... 134 7.2.1.5 Πολυόργανο μζτρηςησ... 134 7.2.2 ΑΝΑΛΤΗ ΕΞΑΡΣΗΜΑΣΩΝ ΣΟΤ ΤΝΑΓΕΡΜΟΤ... 135 7.2.2.2 Μαγνητικζσ παγίδεσ... 135 7.2.2.3 Ανιχνευτήσ θραφςησ κρυςτάλλων... 136 7.2.2.4 ειρήνα... 136 7.2.2.5 Ανιχνευτήσ κίνηςησ μικροκυμάτων... 136 7.2.2.6 Ανιχνευτζσ κίνηςησ υπζρυθρησ ακτινοβολίασ... 137 7.2.3 ΕΠΙΠΡΟΘΕΣΑ ΤΛΙΚΑ ΣΟ ΤΣΗΜΑ ΣΟΤ ΤΝΑΓΕΡΜΟΤ... 138 7.2.3.1 Μονάδα GSM (MODEM)... 138 7.2.3.2 Ειδικοί πινάκεσ ςυναγερμοφ... 138 7.2.3.2 Καρτοαναγνϊςτεσ... 139 7.2.3.4 Ανιχνευτήσ καπνοφ & ανιχνευτήσ αερίου... 139 7.3 ΗΛΕΚΣΡΟΛΟΓΙΚΑ ΤΛΙΚΑ ΣΗ ΚΑΣΑΚΕΤΗ... 140 7.3.1 Επιτηρητήσ τάςησ... 140 7.3.2 Ρελζ ιςχφοσ... 141 7.3.3 Μεταςχηματιςτήσ... 142 7.3.4 Πλακζτα ανιχνευτή κροφςησ... 142 9
7.3 Εςωτερική ηλεκτρική εγκατάςταςη τησ καταςκευήσ... 143 7.4.1 Μονοφαςικόσ πίνακασ φωτιςμοφ... 143 7.4.2 Τπολογιςμόσ διατομήσ αγωγϊν& αςφαλειϊν... 144 7.4.3 Ντουί & Λαμπτήρεσ καθρζπτου χρωματιςτζσ (Ε14)... 145 7.5 Ανάλυςη μακζτασ (αςί)... 145 8.1 ΕΚΠΟΝΗΗ ΧΕΔΙΩΝ & ΕΠΕΞΗΓΗΗ... 147 8.1.1 Ανάλυςη Λογικϊν Πυλϊν χεδίου AND, OR, NOT & EXOR... 147 8.1.1.1 Λογική πφλη AND... 147 8.1.1.2 Λογική πφλη OR... 148 8.1.1.3 Λογική φλη ΝOΣ... 148 8.1.1.4 Λογική Πφλη EXOR... 149 8.1.2 Ειδικζσ λειτουργίεσ προγράμματοσ... 149 8.2.1 χζδιο & ανάλυςη φωτιςμοφ & ςυναγερμοφ καταςτήματοσ... 151 8.2.2 Ηλεκτρολογικό ςχζδιο καταςκευήσ... 153 8.3 Φωτογραφίεσ τησ καταςκευήσ... 154 ΕΠΙΛΟΓΟ... 157 ΒΗΒΛΗΟΓΡΑΦΗΑ... 158 10
11
1.1 ΕΙΑΓΨΓΗ Οη ηειεπηαίεο εμειίμεηο ζην πεξηβάιινλ, θαζηζηνχλ ην κέιινλ ηνπ πιαλήηε αβέβαην. Πην πνιχ απφ πνηέ ν άλζξσπνο έρεη αξρίζεη λα ζπλεηδεηνπνηεί φηη νη παξεκβάζεηο ζην πεξηβάιινλ δελ κπνξνχλ λα ζπλερίζνπλ λα είλαη αλεμέιεγθηεο. Απφ ηα κεγαιχηεξα πξνβιήκαηα πνπ θαιείηαη λα αληηκεησπίζεη ε αλζξσπφηεηα ζήκεξα είλαη ε νινέλα απμαλφκελε δήηεζε ελέξγεηαο (ρήκα 1.1). Οη ζπκβαηηθέο ελεξγεηαθέο ηερλνινγίεο αλαγλσξίδνληαη επξέσο σο ην θχξην αίηην ηεο θαηαζηξνθήο ηνπ πεξηβάιινληνο, απφ ηελ άπνςε ηφζν ηεο εμάληιεζεο ησλ θπζηθψλ πφξσλ φζν θαη ηεο αηκνζθαηξηθήο ξχπαλζεο. Τπάξρνπλ νινέλα θαη ηζρπξφηεξεο ελδείμεηο φηη ε θιηκαηηθή αιιαγή νθείιεηαη ζηηο εθπνκπέο ηνπ αεξίνπ ηνπ ζεξκνθεπίνπ, νη νπνίεο πξνέξρνληαη ζε κεγάιν βαζκφ απφ ηνλ ηνκέα ηεο παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο θαη απφ ηηο κεηαθνξέο (ρήκα 1.2). Δίλαη επνκέλσο επηηαηηθή αλάγθε, ε ζηξνθή ζε ελαιιαθηηθέο κνξθέο ελέξγεηαο θαη θπξίσο ζηηο αλαλεψζηκεο, νη νπνίεο θαη εληειψο θηιηθέο πξνο ην πεξηβάιινλ είλαη θαη αλεμάληιεηεο. Αληίζεηα ην πεηξέιαην θαη ηα νξπθηά θαχζηκα, αλ θαη βξαρππξφζεζκα ππάξρνπλ αθφκα αξθεηά απνζέκαηα, ζε βάζνο ρξφλνπ ίζσο θαη ελφο αηψλα ζα εμαληιεζνχλ, ελψ ε πιήξεο εμάξηεζε απφ απηά δεκηνπξγεί ζνβαξά νηθνλνκηθά πξνβιήκαηα ζε θάζε αχμεζε ησλ ηηκψλ ηνπο. ρήκα 1.1 Δμέιημε ηεο πξσηνγελνχο παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζε Mtoe (ηφλνη ηζνδπλάκνπ πεηξειαίνπ) γηα ηα έηε 1971-2005. 12
Οι ανανεώςιμεσ πθγζσ ενζργειασ ή ήπιεσ μορφζσ ενζργειασ προζρχονται από διάφορεσ φυςικζσ διαδικαςίεσ και μποροφν να ταξινομηθοφν ςτισ παρακάτω κατθγορίεσ: Αιολικι ενζργεια Ηλιακι ενζργεια Υδατοπτώςεισ Βιομάηα Γεωκερμικι ενζργεια Ενζργεια από παλίρροιεσ Ενζργεια από κφματα Ενζργεια από τουσ ωκεανοφσ [1] χήμα 1.2 υνολικζσ εκπομπζσ αερίων του θερμοκηπίου για την Ευρωπαϊκή Ζνωςη των 15, ανά τομζα για το ζτοσ 2000 και πρόβλεψη για τα ζτη 2010 και 2020*21+. 13
Γηα ηελ εθκεηάιιεπζε ησλ παξαπάλσ ήπησλ κνξθψλ ελέξγεηαο έρνπλ αλαπηπρζεί πνιπάξηζκεο ηερλνινγίεο. ηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία εμεηάδεηαη ε ειηαθή ελέξγεηα σο ε ήπηα κνξθή ελέξγεηαο, ε νπνία κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηε παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Αλάκεζα ζηηο άιιεο ηερλνινγίεο, νη νπνίεο εθκεηαιιεχνληαη ηελ ειηαθή ελέξγεηα είλαη θαη ε θσηνβνιηατθή ηερλνινγία, ε νπνία θεξδίδεη επξεία απνδνρή σο έλαο ηξφπνο δηαηήξεζεο θαη βειηίσζεο ηνπ βηνηηθνχ επηπέδνπ ρσξίο λα βιάπηεηαη ην πεξηβάιινλ. Όιν θαη πεξηζζφηεξεο εηαηξίεο παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο αληαπνθξίλνληαη ζηηο επηζπκίεο ησλ θαηαλαισηψλ ζπκπεξηιακβάλνληαο ηα θσηνβνιηατθά ζηνλ παξαγσγηθφ κεραληζκφ. Σα πιενλεθηήκαηα ηεο θσηνβνιηατθήο κεηαηξνπήο ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο ζε ειεθηξηθή κπνξνχλ λα ζπλνςηζζνχλ ζηα αθφινπζα: Αλαλεψζηκε θαη ειεχζεξα δηαζέζηκε ελεξγεηαθή πεγή. Μεδεληθή ξχπαλζε θαη πιήξεο απνπζία άρξεζησλ παξαπξντφλησλ. απνβιήησλ ή άιισλ Αζφξπβε ιεηηνπξγία. Τςειή αμηνπηζηία ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ. Διάρηζηεο απαηηήζεηο επίβιεςεο θαη ζπληήξεζεο. Αληνρή ζε αθξαίεο θαηξηθέο ζπλζήθεο (ηζρπξνχο άλεκνπο, αθξαία ραιαδφπησζε, θιπ). Μεγάιε δηάξθεηα δσήο ησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ(ηνπιάρηζηνλ 25 ρξφληα). ρεηηθά απιή κέζνδνο θαηαζθεπήο ησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ απφ πξψηεο χιεο. Δχθνιε επέθηαζε ηεο ππάξρνπζαο εγθαηάζηαζεο. Γπλαηφηεηα αλεμαξηεζίαο απφ ηα θεληξηθά ειεθηξηθά δίθηπα δηαλνκήο γηα απνκαθξπζκέλεο πεξηνρέο (απηφλνκα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα). Μεγάιν εχξνο εθαξκνγψλ, φζνλ αθνξά ηελ ηζρχ. Απφ κεξηθά Watt κέρξη κεγάινπο ζηαζκνχο παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο κεξηθψλ MW. Απφ ηελ άιιε ηα θχξηα κεηνλεθηήκαηα είλαη: Τςειφ αξρηθφ θφζηνο επέλδπζεο, ην νπνίν νθείιεηαη ζρεδφλ απνθιεηζηηθά ζην πςειφ θφζηνο θαηαζθεπήο ησλ θσηνβνιηατθψλ ζηνηρείσλ θαη πνιχ ιηγφηεξν ζην θφζηνο ηηο ππφινηπεο θσηνβνιηατθήο εγθαηάζηαζεο (ειεθηξνκεραλνινγηθφο εμνπιηζκφο). 14
ε εθαξκνγέο πνπ απαηηείηαη ε απνζήθεπζε ειεθηξηθήο ελέξγεηαο (απηφλνκα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα), απηή γίλεηαη κε κε απνδνηηθφ ηξφπν, κε πεξηνξηζκέλεο δπλαηφηεηεο, ελψ θαη ην θφζηνο ησλ ζπζζσξεπηψλ είλαη πςειφ. Λφγσ ηεο κηθξήο ππθλφηεηαο ηεο ηζρχνο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο, απαηηείηαη ε ρξεζηκνπνίεζε κεγάισλ ζρεηηθά επηθαλεηψλ. Δμάξηεζε ηεο παξαγφκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ ηηο θαηξηθέο ζπλζήθεο, πνπ απνηεινχλ έλαλ απξφβιεπην παξάγνληα, επηηξέπνληαο κφλν εθηηκήζεηο ζε κεγάιν ρξνληθφ νξίδνληα (ζπλήζσο εηήζηα). ρήκα 1.3 Δμέιημε ηεο παγθφζκηαο αγνξάο θσηνβνιηατθψλ ζε MWp[4]. 1.2 Η φωτοβολταΰκή τεχνολογία διεθνώσ Δίλαη γεγνλφο κηα κεγάιε ζηξνθή δηεζλψο, φζνλ αθνξά ηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ αλαλεψζηκεο πεγέο ελέξγεηαο ηφζν απφ ηηο θπβεξλήζεηο φζν θαη απφ κεγάιεο εηαηξίεο θαη επελδπηέο. ε αληίζεζε κε ην παξειζφλ ε αλάπηπμε ζήκεξα ζπλδέεηαη άκεζα κε πεξηβαιινληηθά δεηήκαηα, ηα νπνία απνηεινχλ ζεκαληηθή ζπληζηψζα ζε νπνηνδήπνηε ελεξγεηαθφ επελδπηηθφ ζρέδην. Ζ αλαγθαηφηεηα απηή πεγάδεη θπξίσο απφ ηελ κεγάιε αιιαγή, πνπ έρεη ζπκβεί ζηελ θνηλή γλψκε φζνλ αθνξά ηελ πεξηβαιινληηθή ζπλείδεζε θαη απφ ηηο αδηακθηζβήηεηεο θιηκαηνινγηθέο αιιαγέο, ησλ ηειεπηαίσλ ρξφλσλ, νη νπνίεο εθηφο ησλ άιισλ έρνπλ ζνβαξέο νηθνλνκηθέο επηπηψζεηο. Σν απνηέιεζκα είλαη, νη αλαλεψζηκεο πεγέο ελέξγεηαο λα κεηαηξαπνχλ ζε ιχζε πξψηεο πξνηεξαηφηεηαο γηα κηα ηζνξξνπεκέλε αλάπηπμε. Όπσο είλαη αλακελφκελν, ππάξρνπλ κεγάιεο δηαθνξέο απφ ρψξα ζε ρψξα, φζνλ αθνξά ην πνηα κνξθή ελέξγεηαο ζα ρξεζηκνπνηεζεί. Καζνξηζηηθφ 15
ξφιν παίδνπλ νη γεσινγηθέο θαη θιηκαηνινγηθέο ζπλζήθεο, έηζη ψζηε ε εθκεηάιιεπζε ησλ αλαλεψζηκσλ πεγψλ ελέξγεηαο λα είλαη απνδνηηθή. ρήκα 1.4 πλεηζθνξά ησλ αλαλεψζηκσλ πεγψλ ελέξγεηαο ζηελ ζπλνιηθή πξσηνγελή παξαγσγή ζηηο ρψξεο ηεο IEA (International Energy Agency) γηα ην έηνο 2002. Ζ θσηνβνιηατθή ηερλνινγία εκθαλίδεη κηα ξαγδαία αλάπηπμε ηα ηειεπηαία ρξφληα δηεζλψο (ρήκα 1.3). Σαπηφρξνλα γίλεηαη κεγάιε πξνζπάζεηα ζηνλ ηνκέα ηεο έξεπλαο, κε ζθνπφ ηελ εμεχξεζε λέσλ πιηθψλ, αιιά θαη ιηγφηεξν ελεξγνβφξσλ δηαδηθαζηψλ παξαγσγήο θσηνβνιηατθψλ ζηνηρείσλ, γεγνλφηα πνπ απφ ηελ κηα ζα απμήζνπλ ηελ απφδνζε θαη απφ ηελ άιιε ζα κεηψζνπλ ην θφζηνο παξαγσγήο. Οη δχν ηειεπηαίεο παξάκεηξνη απνηεινχλ θαη ηα θχξηα κεηνλεθηήκαηα ηεο θ/β ηερλνινγίαο, ηα νπνία εκπνδίδνπλ ηελ πεξεηαίξσ αλάπηπμή ηεο. Πξέπεη φκσο λα ηνληζηεί φηη παξφιν πνπ ε παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο κέζσ θ/β ζηνηρείσλ ηα ηειεπηαία ρξφληα είλαη πνιιαπιάζηα αλ ζπγθξηζεί κε ηελ θαηάζηαζε πξν κεξηθψλ δεθαεηηψλ, εληνχηνηο παξακέλεη ζε πνιχ ρακειά πνζνζηά, φζνλ αθνξά ηε ζπλεηζθνξά ζηελ ζπλνιηθή πξσηνγελή παξαγσγή (ρήκα1.4). 1.3 Ελληνική Πραγματικότητα Παξφιν πνπ ην ειηαθφ δπλακηθφ ηεο Διιάδαο είλαη ηδαληθφ γηα ηελ εθκεηάιιεπζε ηεο θ/β ηερλνινγίαο, κέρξη θαη ην ηέινο ηνπ 20 νπ αηψλα, ε ζπλεηζθνξά ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο ζηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ήηαλ νπζηαζηηθά αλχπαξθηε. Πεξηνξηδφηαλ θπξίσο ζε απηφλνκα θ/β ζπζηήκαηα γηα απνκαθξπζκέλεο απφ ην θεληξηθφ δίθηπν πεξηνρέο, ελψ θαη ζε απηή ηε πεξίπησζε ν αξηζκφο θαη ην κέγεζνο ήηαλ πνιχ πεξηνξηζκέλα. 16
Σσήμα 1.5 Εξέλιξη ηων αιηήζεων για θ/β ζςζηήμαηα ζηην Ελλάδα για ηα έηη 2001-2007 Όκσο ηα ηειεπηαία ρξφληα παξαηεξείηαη κηα πνιχ κεγάιε αιιαγή. Ο θιάδνο ηεο θ/β ηερλνινγίαο γλσξίδεη κηα έθξεμε επελδπηηθνχ ελδηαθέξνληνο, απφξξνηα ηεο αιιαγήο ηεο πνιηηείαο σο πξνο ηελ πξνψζεζε ησλ αλαλεψζηκσλ πεγψλ γεληθφηεξα θαη ηεο θ/β ηερλνινγίαο πην ζπγθεθξηκέλα. Οη γελλαίεο επηδνηήζεηο ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ απμεκέλε ηηκή αγνξάο ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ θ/β ζπζηήκαηα είραλ σο απνηέιεζκα απμεκέλν επελδπηηθφ ελδηαθέξνλ, θαζψο ε θ/β ηερλνινγία θαηέζηε φρη κφλν βηψζηκε, αιιά θαη θεξδνθφξα επέλδπζε κε ειάρηζην ξίζθν. Σν απνηέιεζκα ήηαλ κηα ρσξίο πξνεγνχκελν εθηίλαμε ηνπ αξηζκνχ ησλ αηηήζεσλ γηα ηελ ρνξήγεζε άδεηαο θαηαζθεπήο θ/β πάξθσλ (ρήκα 1.4). Ο ζηφρνο ησλ 700MW πνπ είρε ηεζεί γηα παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ θ/β ζπζηήκαηα, θαιχθζεθε πνιχ γξήγνξα (ηέινο ηνπ 2007). Όπσο είλαη θαλεξφ, ζε κηα ρψξα φπνπ ε πεξηβαιινληηθή ζπλείδεζε ησλ πνιηηψλ θαη ησλ επηρεηξήζεσλ δελ είλαη πνιχ κεγάιε, ν θξαηηθφο παξεκβαηηζκφο κνηάδεη ίζσο ν κνλαδηθφο ηξφπνο γηα ηελ εθδήισζε επελδπηηθνχ ελδηαθέξνληνο ζηε ζπγθεθξηκέλε ηερλνινγία. Όκσο ηα πξάγκαηα κπνξνχλ λα αιιάμνπλ ζεκαληηθά, φρη κφλν κε ηελ αιιαγή ηεο θνηλήο γλψκεο πάλσ ζε πεξηβαιινληηθά δεηήκαηα, αιιά θαη απφ ηελ εμέιημε ηεο ηερλνινγίαο. 17
18
2.1 Ο ΗΛΙΟ Ο Ήιηνο απνηειείηαη απφ 80% πδξνγφλν (Ζ 2 ), 19% ήιην (He) θαη ην ππφινηπν 1% είλαη κείγκα πεξηζζνηέξσλ απφ 100 ρεκηθψλ ζηνηρείσλ. Ζ ζεξκνθξαζία ζην εζσηεξηθφ ηνπ εθηηκάηαη φηη είλαη ηεο ηάμεσο ησλ 10 7 βαζκψλ Kelvin. Ζ αθηηλνβνινχκελε ελέξγεηα απφ ηελ επηθάλεηά ηνπ πξνέξρεηαη απφ ζεξκνππξεληθέο αληηδξάζεηο πνπ είλαη εμψζεξκεο θαη γίλνληαη ζην εζσηεξηθφ ηνπ. ηηο αληηδξάζεηο απηέο γίλεηαη κεηαηξνπή ηνπ πδξνγφλνπ ζε ήιην θαη παξαγσγή ελέξγεηαο κε ξπζκφ 4 εθαηνκκχξηα ηφλνπο ην δεπηεξφιεπην. Ζ ζχζηαζε ηνπ θαίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα. [2] ρήκα 2.1 χζηαζε ηνπ Ήιηνπ[1]. Γεδνκέλεο ηεο δηακέηξνπ d θαη ηεο θαηλφκελεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ T, ε ηζρχο P πνπ αθηηλνβνιείηαη απφ ηελ επηθάλεηά ηνπ κπνξεί λα εθηηκεζεί φηη είλαη: P =π d 2 t 4 = 3,8Υ10 23 kw (2.1) Όπνπ ζ είλαη ε ζηαζεξά Boltzman. Απφ ηελ ηζρχ απηή ε γε κπνξεί λα ζεσξεζεί 19
φηη δέρεηαη, ζε έλα κέγηζην θχθιν ηεο, πεξίπνπ 1,7Υ10 14 kw. Γηα λα αληηιεθζνχκε ην ηεξάζηην κέγεζνο απηήο ηεο ηζρχνο αξθεί λα αλαινγηζζνχκε φηη ε ελέξγεηα πνπ ζα δερζεί γηα κηα ψξα ε γε, ζα κπνξνχζε ζεσξεηηθά λα θαιχςεη φιεο ηηο εηήζηεο ελεξγεηαθέο θαηαλαιψζεηο ησλ θαηνίθσλ ηνπ πιαλήηε. Γεδνκέλεο ηεο δηακέηξνπ d θαη ηεο θαηλφκελεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ T, ε ηζρχο P πνπ αθηηλνβνιείηαη απφ ηελ επηθάλεηά ηνπ κπνξεί λα εθηηκεζεί φηη είλαη: P =π d 2 ζt 4 = 3,8Υ10 23 kw (2.1) Όπνπ ζ είλαη ε ζηαζεξά Boltzman. Απφ ηελ ηζρχ απηή ε γε κπνξεί λα ζεσξεζεί φηη δέρεηαη, ζε έλα κέγηζην θχθιν ηεο, πεξίπνπ 1,7Υ10 14 kw. Γηα λα αληηιεθζνχκε ην ηεξάζηην κέγεζνο απηήο ηεο ηζρχνο αξθεί λα αλαινγηζζνχκε φηη ε ελέξγεηα πνπ ζα δερζεί γηα κηα ψξα ε γε, ζα κπνξνχζε ζεσξεηηθά λα θαιχςεη φιεο ηηο εηήζηεο ελεξγεηαθέο θαηαλαιψζεηο ησλ θαηνίθσλ ηνπ πιαλήηε. 2.2 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΕΚΣΟ ΓΗΙΝΗ ΑΣΜΟΥΑΙΡΑ Ζ θαζκαηηθή θαηαλνκή ηεο εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο κνηάδεη αξθεηά κε εθείλε ηνπ κέιαλνο ζψκαηνο ζηελ ζεξκνθξαζία ησλ 5762K, φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.2, ελψ ε θαζκαηηθή θαηαλνκή ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ θηάλεη ζην επίπεδν ηεο ζάιαζζαο είλαη αξθεηά κεησκέλε. ρήκα 2.2 Φαζκαηηθή θαηαλνκή ηεο εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο, ειηαθήαθηηλνβνιία[1]. 20
Ζ κνλάδα κέηξεζεο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο είλαη W/m 2. Γειαδή είλαη ηζρχο αλά κνλάδα επηθαλείαο θαη ε ηηκή ηεο είλαη ην κέηξν ηεο έληαζήο ηεο. Οη ζπκβνιηζκνί πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη παξαθάησ γηα ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία είλαη G γηα κία ζηηγκηαία ηηκή, I γηα σξηαία ηηκή θαη Ζ γηα ηηκέο εκεξήζηεο, εβδνκαδηαίεο, κεληαίεο, εηήζηεο θ.ιπ. Ζ έληαζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ πξνζπίπηεη αλά κνλάδα επηθαλείαο θαη εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο ζε έλα επίπεδν πνπ είλαη θάζεην ζηηο ειηαθέο αθηίλεο θαη βξίζθεηαη ζηε κέζε απφζηαζε ήιηνπ - γεο ιέγεηαη ειηαθή ζηαζεξά G sc. Απφ πεηξακαηηθέο κεηξήζεηο έρνπλ πξνηαζεί δηάθνξεο ηηκέο ηεο ειηαθήο ζηαζεξάο. Μηα ηηκή πνπ έρεη πξνηαζεί κε αβεβαηφηεηα 1% είλαη: G sc = 1367 W /m 2 (2.2) Δπεηδή ε θίλεζε ηεο γεο γχξσ απφ ηνλ ήιην είλαη ειιεηπηηθή, ε εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο αθηηλνβνιία ζε επίπεδν θάζεην ζηηο ειηαθέο αθηίλεο G on, κεηαβάιιεηαη ζηε δηάξθεηα ηνπ έηνπο. Γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηεο αθηηλνβνιίαο απηήο, γηα θάζε κέξα ηνπ έηνπο, ρξεζηκνπνηείηαη ε εκπεηξηθή ζρέζε: Όπνπ n είλαη ν αξηζκφο ηεο εκέξαο ηνπ έηνπο κε αξρε ηελ 1 Ηαλνπαξίνπ ζην παξαθάησ ζρήκα παξνπζηάδεηαη ε εηήζηα δηαθχκαλζε ηεο εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο ειηαθή αθηηλνβνιία. Σσήμα 2.3 Εηήζια διακύμανζη ηηρ εκηόρ γήινηρ αημόζθαιπαρ ηλιακήρ 21
2.3 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΗΝ ΕΠΙΥΑΝΕΙΑ ΣΟΤ ΕΔΑΥΟΤ Ζ έληαζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ θζάλεη ζην έδαθνο επεξεάδεηαη απφ ην κήθνο ηεο αηκφζθαηξαο πνπ δηαπεξλά. Όζν κεγαιχηεξε είλαη απηή ε δηαδξνκή ησλ ειηαθψλ αθηίλσλ ζηελ αηκφζθαηξα ηφζν κεησκέλε είλαη ε έληαζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο. Ζ κεγαιχηεξε δηαδξνκή ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο γηα λα θζάζεη ζηελ επηθάλεηα ηεο γεο είλαη λσξίο ην πξσί θαη αξγά ην απφγεπκα. Γηα ηελ κείσζε απηή ηεο αθηηλνβνιίαο ρξεζηκνπνηείηαη ν φξνο ηεο ζρεηηθήο κάδαο ηνπ αέξα ή απιά φπσο ζπλεζίδεηαη κάδα ηνπ αέξα. Μάδα ηνπ αέξα (m)*, νξίδεηαη ν ιφγνο ηεο κάδαο ηεο αεξίνπ ζηήιεο ηεο δηαδξνκήο ησλ ειηαθψλ αθηίλσλ, γηα αλέθειν νπξαλφ, πξνο ηελ αληίζηνηρε κάδα γηα θαηαθφξπθν ήιην (ρήκα 2.4). Όηαλ ε δελίζηα γσλία ηνπ ήιηνπ δε έρεη κεγάιεο ηηκέο θαη αλ δελ ιεθζεί ππ φςηλ ε θακππιφηεηα ηεο γεο θαη ε δηάζιαζε, πνπ επεξεάδεη ειαθξά ην κήθνο ηεο πιάγηαο δηαδξνκήο ΑΒ, ηφηε ην ηφμν ΑΒ κπνξεί λα ζεσξεζεί επζχγξακκν ηκήκα θαη θαηά ζπλέπεηα ην ηξίγσλν ΑΒΓ νξζνγψλην. Οπφηε ν ιφγνο ησλ αληίζηνηρσλ καδψλ ζα είλαη θαη ν ιφγνο ησλ δηαδξνκψλ ΑΒ πξνο ΒΓ θαη θαηά ζπλέπεηα ε κάδα ηνπ αέξα (m) ζα εμαξηάηαη απφ ηε δελίζηα γσλία ηνπ ήιηνπ ζ Ε, νπφηε: m= 1 / cosζ z (2.4) (*ζπρλά ρξεζηκνπνηείηαη θαη ν ζπκβνιηζκφο ΑΜ απφ ηα αξρηθά ηνπ Air Mass). 22
2.4 ΗΛΙΑΚΗ ΓΕΩΜΕΣΡΙΑ Πξνθεηκέλνπ λα ππνινγηζηεί ε ειηαθή αθηηλνβνιία πνπ δέρεηαη έλα επίπεδν ζηε επηθάλεηα ηεο γεο, είλαη απαξαίηεην λα γλσξίδνπκε εθηφο ησλ άιισλ θαη ηε ζέζε ηνπ ήιηνπ ζηνλ νπξάλην ζφιν. 2.4.1 Γεωγραφικό πλάτοσ -γεωγραφικό μήκοσ Οη θχθινη πνπ είλαη παξάιιεινη ζηνλ ηζεκεξηλφ νλνκάδνληαη παξάιιεινη θχθινη (ρήκα 2.5). Σα εκηθχθιηα πνπ δηέξρνληαη απφ ηνπο πφινπο νλνκάδνληαη κεζεκβξηλνί. Απφ θάζε ζεκείν ηεο επηθάλεηαο ηεο γεο πεξλάεη έλαο παξάιιεινο θχθινο θαη έλαο κεζεκβξηλφο. Βαζηθφο κεζεκβξηλφο ζεσξείηαη απηφο πνπ πεξλάεη απφ ην αζηεξνζθνπείν ηνπ Greenwich(G). Πξνθεηκέλνπ λα θαζνξηζζεί ε ζέζε ελφο ηφπνπ (Σ) ζηελ επηθάλεηα ηεο γεο απαηηείηαη λα νξηζζεί ην γεσγξαθηθφ πιάηνο θαη ην γεσγξαθηθφ κήθνο. Γεσγξαθηθό πιάηνο (θ) ελφο ηφπνπ είλαη ε γσλία πνπ ζρεκαηίδεηαη κεηαμχ ηεο επζείαο πνπ ελψλεη ην θέληξν ηεο γεο κε ηνλ ηφπν θαη ηνπ ηζεκεξηλνχ επηπέδνπ. Σν γεσγξαθηθφ πιάηνο παίξλεη ηηκέο απφ 0 ν κέρξη 90 ν γηα ην βφξεην εκηζθαίξην θαη απφ 0ν κέρξη -90 ν γηα ην λφην εκηζθαίξην. Γεσγξαθηθό κήθνο (L) ελφο ηφπνπ είλαη ε γσλία πνπ ζρεκαηίδεηαη απφ ην κεζεκβξηλφ ηνπ Greenwich θαη ην κεζεκβξηλφ επίπεδν ηνπ ηφπνπ. Σν γεσγξαθηθφ κήθνο παίξλεη ηηκέο απφ 0 ν κέρξη -180 ν γηα ηφπνπο αλαηνιηθά ηνπ Greenwich θαη απφ 0ν κέρξη 180 ν γηα ηφπνπο δπηηθά ηνπ Greenwich. [3] ρήκα 2.5 Γεσγξαθηθφ πιάηνο θαη γεσγξαθηθφ κήθνο. 23
2.4.2 φαιρικέσ ςυντεταγμένεσ Γηα ηνλ θαζαξηζκφ ηεο αθξηβήο ζέζεο ελφο άζηξνπ φπσο είλαη ν ήιηνο ζηνλ νπξάλην ζφιν, ρξεζηκνπνηνχληαη ζθαηξηθέο ζπληεηαγκέλεο. Αδηκνχζην ηνπ ήιηνπ (α) νλνκάδεηαη ην ηφμν ΝΛ. Μεηξάηαη επί ηνπ νξίδνληνο απφ ην λφην (Ν) πξνο ηε δχζε απφ 0 ν κέρξη 180 ν θαη απφ ην λφην (Ν) πξνο ηελ αλαηνιή απφ 0 ν κέρξη -180 ν (ρήκα 2.6). Ύςνο ηνπ ήιηνπ (h) νλνκάδεηαη ην ηφμν ΛΖ. Μεηξάηαη απφ ηνλ νξίδνληα πξνο ην δελίζ απφ 0 ν κέρξη 90 ν θαη απφ ηνλ νξίδνληα πξνο ην λαδίξ (Ε ) απφ 0 ν κέρξη -90 ν. Εελίζηα γσλία ηνπ ήιηνπ (ζ Ε ). Μεηξάηαη απφ ηνλ νξίδνληα πξνο ην δελίζ απφ 0 ν κέρξη 90 ν θαη απφ ηνλ νξίδνληα πξνο ην λαδίξ απφ 0 ν κέρξη -90 ν. Δπνκέλσο ζχκθσλα κε ηα παξαπάλσ: h = 90 θ Ζ Ωξηαία γσλία (σ) ηνπ ήιηνπ θαιείηαη ην ηφμν ΗΚ (ρήκα 2.6). Μεηξάηαη επί ηνπ νπξαλίνπ ηζεκεξηλνχ απφ ην Η πξνο ηε δχζε απφ 0 ν κέρξη 360 ν ζεηηθά, ή απφ ηελ αληίζεηε θαηεχζπλζε αξλεηηθά. 24
Απφθιηζε (δ) ηνπ ήιηνπ νλνκάδεηαη ην ηφμν ΚΖ (ρήκα 2.6). Γεληθά ε απφθιηζε ηνπ ήιηνπ κπνξεί λα νξηζζεί ζαλ ε γσλία πνπ ζρεκαηίδεηαη απφ ηελ επζεία πνπ ελψλεη ην θέληξν ηεο γεο κε ην θέληξν ηνπ ήιηνπ θαη ηελ πξνβνιή ηεο επζείαο απηήο ζην ηζεκεξηλφ επίπεδν. Μεηαβάιιεηαη θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ έηνπο (ρήκα 2.7) θαη ε ζρέζε πνπ καο επηηξέπεη ηνλ ππνινγηζκφ γηα νπνηαδήπνηε εκέξα (n) ηνπ έηνπο είλαη: ρήκα 2.7 Δηήζηα κεηαβνιή ηεο απφθιηζεο ηνπ ήιηνπ Όηαλ φκσο απαηηείηαη ν ππνινγηζκφο ηεο κέζεο κεληαίαο ειηαθήο απφθιηζεο, ηφηε γηα θάζε κήλα ρξεηαδφκαζηε κηα ραξαθηεξηζηηθή κέξα ηεο νπνίαο ε ειηαθή απφθιηζε είλαη ε πιεζηέζηεξε πξνο ηε κέζε ηηκή ηνπ αληίζηνηρνπ κήλα. Ζ ραξαθηεξηζηηθή εκέξα γηα θάζε κήλα θαζψο θαη ν αξηζκφο ηεο ζηε δηάξθεηα ηνπ έηνπο δίλνληαη ζηνλ πίλαθα 2.1 25
2.4.3 Ηλιακέσ γωνίεσ Θεσξνχκε ην ζθαηξηθφ ηξίγσλν ΠΕΖ φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.6 ζηελ νπξάληα ζθαίξα. Ο ηχπνο ηνπ ζπλεκηηφλνπ γηα ηελ πιεπξά ΕΖ ηνπ ζθαηξηθνχ απηνχ ηξηγψλνπ δίλεη: Ζ ζρέζε απηή κπνξεί λα γξαθεί: Αλ αληηθαηαζηαζεί ην χςνο ηνπ ήιηνπ h απφ ηελ εμίζσζε 2.5 ηφηε ε παξαπάλσ εμίζσζε γξάθεηαη: Γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηνπ κεγαιχηεξνπ χςνπο h max πνπ ζα έρεη ν ήιηνο ζηε δηάξθεηα κηαο εκέξαο, αξθεί λα ηεζεί ζηελ εμίζσζε 2.8 σ=0, νπφηε: Ζ σξηαία γσλία αλαηνιήο ή δχζεο σ ο ηνπ ήιηνπ γηα νξηδφληην επίπεδν ππνινγίδεηαη απφ ηελ εμίζσζε 2.8, φηαλ κεδεληζηεί ην χςνο ηνπ ήιηνπ, φπνηε πξνθχπηεη: 26
Ζ ιχζε ηεο εμίζσζεο απηήο γηα tanθ tan δ 1 δίλεη: Σν πξφζεκν κείνλ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ αλαηνιή θαη ην ζπλ γηα ηε δχζε ηνπ ήιηνπ. Ζ δηάξθεηα ηεο εκέξαο ππνινγίδεηαη απφ ηε ζρέζε: Ο ππνινγηζκφο ηνπ αδηκνχζηνπ ηνπ ήιηνπ α, κπνξεί λα γίλεη κε εθαξκνγή ηνπ ηχπνπ ηνπ εκηηφλνπ ζην ζθαηξηθφ ηξίγσλν ΠΕΖ, νπφηε: Ζ εμίζσζε απηή δίλεη δχν ιχζεηο γηα ην αδηκνχζην ηνπ ήιηνπ ζηελ αλαηνιή (α sr ) θαη δχν ζηε δχζε (α ss ). Ζ ζσζηή ιχζε επηιέγεηαη θάζε θνξά αλάινγα κε ηελ ηηκή ηεο ειηαθήο απφθιηζεο. Έηζη γηα ηα γεσγξαθηθά πιάηε ηεο Διιάδαο, φηαλ δ<0 ν ήιηνο αλαηέιιεη θαη δχεη λφηηα ηεο γξακκήο Αλαηνιήο-Γχζεο, φηαλ δ=0 ν ήιηνο αλαηέιιεη αθξηβψο ζηελ Αλαηνιή θαη δχεη αθξηβψο ζηε Γχζε θαη ηέινο φηαλ δ>0 ν ήιηνο αλαηέιιεη θαη δχεη βφξεηα ηεο γξακκήο Αλαηνιήο- Γχζεο (ρήκα 2.8). ηα ζρήκαηα 2.9α, 2.9β θαη 2.9γ παξνπζηάδεηαη ε θαηλφκελε θίλεζε ηνπ ήιηνπ ζην βφξεην εκηζθαίξην, ζε γεσγξαθηθφ πιάηνο 38 ν (Αζήλα), γηα ηηο ραξαθηεξηζηηθέο κέξεο ηνπ έηνπο. [3] 27
28
2.4.4 Γωνία πρόςπτωςησ των ηλιακών ακτινών ηηο εθαξκνγέο ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο απαηηείηαη ζπλήζσο ν ππνινγηζκφο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε έλα επίπεδν νπνηαζδήπνηε θιίζεο σο πξνο ηνλ νξίδνληα θαη απζαίξεηνπ πξνζαλαηνιηζκνχ σο πξνο ηνλ ήιην. Γηα ηνλ ππνινγηζκφ απηφλ ζα πξέπεη αξρηθά λα νξηζζνχλ φιεο νη γσλίεο πνπ ππεηζέξρνληαη ζε απηφ ην ζχζηεκα. Έζησ έλα επίπεδν, φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 2.10, πνπ έρεη κηα θιίζε β σο πξνο ηνλ νξίδνληα θαη είλαη πξνζαλαηνιηζκέλν πξνο ην λφην. Ο ήιηνο ζε θάπνηα ζηηγκή ηνπ εκεξήζηνπ ηφμνπ ηνπ βξίζθεηαη ζην ζεκείν Ζ. Αλ ΚΟ είλαη θάζεηε ζην νξηδφληην επίπεδν θαη ΓΟ θάζεηε ζην θεθιηκέλν επίπεδν, ηφηε ζρεκαηίδεηαη ην ζθαηξηθφ ηξίγσλν ΖΚΓ. Ζ ΕΟ είλαη ε πξνβνιή ηεο ΓΟ ζην νξηδφληην επίπεδν θαη ΔΟ είλαη ε πξνβνιή ηεο δηεχζπλζεο ησλ ειηαθψλ αθηίλσλ ζην νξηδφληην επίπεδν. Γσλία πξφζπησζεο ησλ ειηαθψλ αθηίλσλ (ζ) είλαη ε γσλία πνπ ζρεκαηίδεηαη κεηαμχ ηεο δηεχζπλζεο ησλ ειηαθψλ αθηίλσλ (ΖΟ) θαη ηεο θαζέηνπ ζην θεθιηκέλν επίπεδν. Αδηκνχζην ηεο επηθάλεηαο (γ) είλαη ε γσλία πνπ ζρεκαηίδεηαη κεηαμχ ηεο δηεχζπλζεο βνξξά - λφηνπ θαη ηεο πξνβνιήο ηεο ΓΟ ζην νξηδφληην επίπεδν. Έρεη ζεηηθέο ηηκέο δπηηθά ηνπ λφηνπ θαη αξλεηηθέο ηηκέο αλαηνιηθά ηνπ λφηνπ. Όηαλ κηα επηθάλεηα έρεη εληειψο λφηην πξνζαλαηνιηζκφ ηφηε γ=0. Ζ εθαξκνγή ηνπ λφκνπ ηνπ ζπλεκηηφλνπ ζην ζθαηξηθφ ηξίγσλν ΖΚΓ δίλεη: cosθ = cosβ cosθ Ζ+sin β sinθ Ζcos(α γ) (2.15) Ζ γλψζε ηεο γσλίαο πξφζπησζεο ησλ ειηαθψλ αθηίλσλ (ζ) είλαη ζεκαληηθή ζηηο εθαξκνγέο ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο, δηφηη απφ ηελ ηηκή ηεο γσλίαο απηήο ζα εμαξηεζεί ην κέγεζνο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ ζα δερζεί ε αληίζηνηρε επηθάλεηα. Έηζη φζν κηθξφηεξε είλαη ε γσλία απηή ηφζν κεγαιχηεξε είλαη ε αθηηλνβνιία πνπ ζα δερζεί ε επηθάλεηα. ρήκα 2.10 Θέζε ηνπ ήιηνπ σο πξνο ην θεθιηκέλν επίπεδν[3]. 29
2.5 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ Ε ΚΕΚΛΙΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Ζ γλψζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ δέρεηαη έλα θεθιηκέλν επίπεδν είλαη απαξαίηεηε ζηηο πεξηζζφηεξεο εθαξκνγέο θαη κειέηεο ησλ ειηαθψλ ζπζηεκάησλ, φπσο βέβαηα θαη ζηα θσηνβνιηατθά. Δπεηδή φκσο ζηνπο πεξηζζφηεξνπο κεηεσξνινγηθνχο ζηαζκνχο είλαη δηαζέζηκε ζπλήζσο ε νιηθή ειηαθή αθηηλνβνιία ζην νξηδφληην επίπεδν, ζα πξέπεη λα δνζεί κέζνδνο ππνινγηζκνχ ηεο αθηηλνβνιίαο ζε θεθιηκέλν επίπεδν. Γηα ηε ζσζηή επηινγή ηεο θιίζεο ηεο θσηνβνιηατθήο γελλήηξηαο απαηηείηαη ε γλψζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζην θεθιηκέλν επίπεδν ζε κεληαία θαη εηήζηα βάζε. Παξαθάησ δίλεηαη ε κεζνδνινγία. 2.5.1 Ωριαία ηλιακή ακτινοβολία ςε κεκλιμένο επίπεδο Ζ ειηαθή αθηηλνβνιία πνπ δέρεηαη έλα θεθιηκέλν επίπεδν ζηελ επηθάλεηα ηνπ εδάθνπο απνηειείηαη απφ ηξείο ζπληζηψζεο : ηελ άκεζε πνπ πξνέξρεηαη απφ ηνλ ειηαθφ δίζθν ηε δηάρπηε πνπ πξνέξρεηαη απφ ηνλ νπξάλην ζφιν ηελ αλαθιψκελε πνπ πξνέξρεηαη απφ ην έδαθνο ηεο γχξσ πεξηνρήο Ζ άκεζε αθηηλνβνιία πνπ ζα δερζεί ην επίπεδν εμαξηάηαη απφ ηελ γσλία πξφζπησζεο ησλ ειηαθψλ αθηίλσλ. Ζ δηάρπηε θαη αλαθιψκελε αθηηλνβνιία πνπ δέρεηαη ην θεθιηκέλν επίπεδν δελ εμαξηψληαη απφ ηνλ πξνζαλαηνιηζκφ ηνπ επηπέδνπ θαη νχηε πξνέξρνληαη απ' φιν ηνλ νπξάλην ζφιν ή ην έδαθνο ηεο γχξσ πεξηνρήο. Έηζη ε δηάρπηε αθηηλνβνιία πνπ δέρεηαη ην θεθιηκέλν επίπεδν ζα πξνέξρεηαη κφλν απφ ην ηκήκα ηνπ νπξαλνχ πνπ " βιέπεη " ην επίπεδν. Έπεηηα απ' απηά γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζην θεθιηκέλν επίπεδν ζα πξέπεη λα ιεθζεί ππ' φςε γηα θάζε κία απφ ηηο ζπληζηψζεο θαη έλαο δηνξζσηηθφο ζπληειεζηήο. Ο δηνξζσηηθφο ζπληειεζηήο γηα ηελ άκεζε ειηαθή αθηηλνβνιία (R b ), είλαη ν ιφγνο ηεο άκεζεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο πνπ πξνζπίπηεη ζην θεθιηκέλν επίπεδν ( Η bt ), πξνο απηήλ ζην νξηδφληην επίπεδν (Η b ): R=Ibt/Ib=Ibn*cosζ/Ηbn*cosζz=cosζ/cosζz (2.16) αληηθαζηζηψληαο ζηελ εμίζσζε απηή ην cosζ Ε κε ηελ εμίζσζε 2.9, πξνθχπηεη ε παξαθάησ ζρέζε : 30
Απ' ηελ εμίζσζε απηή γίλεηαη θαλεξφ φηη γηα έλα ζπγθεθξηκέλν ηφπν ε ηηκή ηνπ Rb κεηαβάιιεηαη θαηά ηελ δηάξθεηα ηεο εκέξαο θαη ηνπ έηνπο. Ο ππνινγηζκφο ηεο ζπληζηψζαο γηα ηελ δηάρπηε αθηηλνβνιία βαζίδεηαη ζηελ ππφζεζε φηη ε δηάρπηε είλαη ηζνηξνπηθή, δειαδή είλαη νκνηφκνξθα θαηαλεκεκέλε απ' ηνλ νπξάλην ζφιν. Ο δηνξζσηηθφο ζπληειεζηήο γηα ηελ δηάρπηε αθηηλνβνιία (R d ) είλαη ν ιφγνο ηεο δηάρπηεο αθηηλνβνιίαο πνπ πξνζπίπηεη ζην θεθιηκέλν επίπεδν (Η dt ) πξνο απηήλ ζην νξηδφληην (Η d ). Απ' νιφθιεξε ηελ δηάρπηε αθηηλνβνιία πνπ πξνέξρεηαη απ' ηνλ νπξάλην ζφιν, έλα κφλν πνζνζηφ δέρεηαη ην θεθιηκέλν επίπεδν. Σν πνζνζηφ απηφ είλαη ν ιφγνο ηνπ ηκήκαηνο ηνπ νπξάληνπ ζφινπ πνπ "βιέπεη " ην θεθιηκέλν, πξνο νιφθιεξε ηελ εκηζθαηξηθή επηθάλεηα ηνπ νπξάληνπ ζφινπ. Γηα έλα θεθιηκέλν επίπεδν πνπ δελ δέρεηαη ζθίαζε, κε θιίζε β, ζηελ επηθάλεηα ηεο γεο, ν δηνξζσηηθφο απηφο ζπληειεζηήο είλαη : Rd=Idt/Id=1+cos β/2 (2,18) Ο δηνξζσηηθφο ζπληειεζηήο γηα ηελ αλαθιψκελε αθηηλνβνιία (R r ), είλαη ν ιφγνο ηεο αλαθιψκελεο αθηηλνβνιίαο πνπ πξνζπίπηεη ζην θεθιηκέλν επίπεδν (Η rt ), πξνο απηήλ ζην νξηδφληην (Η r ). Ζ αλαθιψκελε φκσο ζην νξηδφληην επίπεδν είλαη ην γηλφκελν ηνπ ζπληειεζηή αλάθιαζεο ξ ηνπ εδάθνπο ηεο γχξσ πεξηνρήο επί ηελ νιηθή ειηαθή αθηηλνβνιία ζην νξηδφληην Η. Όπσο θαη ζηελ πξνεγνχκελε πεξίπησζε έηζη θαη εδψ, αλ ππνζέζνπκε φηη ε αλαθιψκελε είλαη ηζνηξνπηθή, ηφηε γηα έλα θεθιηκέλν επίπεδν κε θιίζε β, ζηελ επηθάλεηα ηεο γεο ν δηνξζσηηθφο ζπληειεζηήο είλαη : Απφ ηα παξαπάλσ ε νιηθή ειηαθή αθηηλνβνιία ζην θεθιηκέλν επίπεδν Η Σ, είλαη: I=IR + IR + Iξ R (2.20) Αλ ιεθζνχλ ππ' φςε νη εμηζψζεηο 2.16, 2.18 θαη 2.19, ηφηε ε εμίζσζε 2.20 Ζ εμίζσζε απηή κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηεο σξηαίαο νιηθήο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζ' έλα θεθιηκέλν επίπεδν κε θιίζε β, εθφζνλ ζεσξεζνχλ φηη νη γσλίεο ζ θαη ζ Ε, αληηζηνηρνχλ ζην κέζνλ ηεο αλαθεξφκελεο ψξαο. Ο ζπληειεζηήο αλάθιαζεο ξ ιακβάλεηαη ζπλήζσο 0.2 αιιά φηαλ ε γχξσ πεξηνρή είλαη θαιπκκέλε κε ρηφλη ν ζπληειεζηήο απηφο κπνξεί λα είλαη πνιχ πςειφο. Γηάθνξεο ηηκέο ηνπ ξ δίλνληαη ζηνλ πίλαθα 2.2. 31
Αλ ιεθζεί ππ' φςε ε εμίζσζε 2.16 θαη δηαηξεζνχλ θαη ηα δπν κέιε ηεο εμηζψζεσο 2.21 δηα Η, πξνθχπηεη ε παξαθάησ ζρέζε : Ο ιφγνο Η d /I δίλεηαη απφ ηηο παξαθάησ ζρέζεηο αλάινγα κε ηελ ηηκή ηνπ σξηαίνπ δείθηε αηζξηφηεηαο Κ. Ωξηαίνο δείθηεο αηζξηφηεηαο (Κ) νλνκάδεηαη ν ιφγνο ηεο νιηθήο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζην νξηδφληην επίπεδν (Η) πξνο ηελ εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο αθηηλνβνιία ζην νξηδφληην επίπεδν (Η ν ). Ο δείθηεο απηφο κπνξεί λα ζεσξεζεί φηη είλαη έλα κέηξν ηεο ζρεηηθήο δηαπεξαηφηεηαο ηεο αηκφζθαηξαο ζηελ ειηαθή αθηηλνβνιία. Ο ππνινγηζκφο ηεο εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο σξηαίαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζην νξηδφληην επίπεδν (Η 0 ) κπνξεί λα γίλεη πξνζεγγηζηηθά απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε κε ηελ πξνυπφζεζε φηη ε δεληζηα γσλία ζ z έρεη ζεσξεζεί ζην κέζν ηεο αληίζηνηρεο ψξαο. I = G cosθ Ζ (2.25) 32
Γηα λα ππνινγηζζεί ε Η ν γηα ρξνληθφ δηάζηεκα απφ σ 1 κέρξη σ 2 ζα πξέπεη λα νινθιεξσζεί ε ακέζσο πξνεγνχκελε ζρέζε. φπνπ ε Η ν είλαη ζε Wh/m 2 Δπεηδή ζηνπο πεξηζζφηεξνπο κεηεσξνινγηθνχο ζηαζκνχο είλαη δηαζέζηκε ε νιηθή ειηαθή αθηηλνβνιία ζην νξηδφληην επίπεδν, ε ζρέζε 2.21 είλαη πνιχ ρξήζηκε δηφηη ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ 2.22, κπνξεί λα ππνινγηζζεί ε νιηθή ειηαθή αθηηλνβνιία ζε θεθιηκέλν επίπεδν ρσξίο ηελ αλάγθε ηεο δηάρπηεο αθηηλνβνιίαο.[3] 2.5.2 Μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία ςε κεκλιμένο επίπεδο Δπεηδή ζηελ εμίζσζε 2.21 ν δεχηεξνο θαη ηξίηνο φξνο είλαη αλεμάξηεηνη απ' ηελ γσλία πξφζπησζεο, ε εμίζσζε απηή κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηεο εκεξήζηαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζην θεθιηκέλν επίπεδν Ζ Σ, αξθεί ζηνλ πξψην φξν λα ρξεζηκνπνηεζεί έλαο δηνξζσηηθφο ζπληειεζηήο R b θαη νη αθηηλνβνιίεο λα ζεσξεζνχλ εκεξήζηεο. Έηζη ε εμίζσζε ζα γίλεη : 33
Όπνπ σ, είλαη ε σξηαία γσλία ηεο δχζεο ηνπ ειίνπ γηα θεθιηκέλε επηθάλεηα θαη έρεη ηελ κηθξφηεξε ηηκή απ ηηο ηηκέο πνπ παίξλνπλ ηα δχν κεγέζε πνπ βξίζθνληαη κέζα ζηεο αγθχιε ηεο παξαθάησ εμίζσζεο. Γηα ηηο ειηαθέο εθαξκνγέο, ζε αξθεηέο πεξηπηψζεηο, είλαη απαξαίηεηνο ν ππνινγηζκφο ηεο κεληαίαο νιηθήο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε θεθιηκέλν επίπεδν. ηηο πεξηπηψζεηο απηέο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί κία εμίζσζε παξφκνηα κε ηελ 2.28, αξθεί βέβαηα ν ζπληειεζηήο R b, λα ππνινγηζζεί γηα ηελ ραξαθηεξηζηηθή εκέξα ηνπ αληίζηνηρνπ κήλα. Έηζη ε κέζε κεληαία νιηθή ειηαθή αθηηλνβνιία ζην θεθιηκέλν επίπεδν κπνξεί λα δνζεί απφ ηελ παξαθάησ ζρέζε: Παξφκνηα κε ηελ ζρέζε 2.22, ε εμίζσζε 2.32 κπνξεί λα κεηαζρεκαηηζζεί ζηελ παξαθάησ ζρέζε : Καηά ηνπο Liu θαη Jordan ν ιφγνο απηφο ππνινγίδεηαη απ' ηελ παξαθάησ ζρέζε : Γηα ηνλ ειιεληθφ ρψξν έρεη πξνηαζεί απφ ην Λάια ην παξαθάησ πνιπψλπκν πνπ δίλεη θαιχηεξα απνηειέζκαηα απφ ηελ πξνεγνχκελε ζρέζε: Ο δείθηεο αηζξηφηεηαο K ζηε ζρέζε απηή είλαη ν ιφγνο ηεο κέζεο εκεξήζηαο νιηθήο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε νξηδφληην επίπεδν γηα θάζε κήλα ( H ) πξνο ηελ εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο κέζε εκεξήζηα αθηηλνβνιία (Ho), γηα θάζε κήλα.ζ εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο κέζε εκεξήζηα ειηαθή αθηηλνβνιία H o κπνξεί λαππνινγηζζεί κε νινθιήξσζε ηεο G ν ζην ρξνληθφ δηάζηεκα απφ ηελ σξηαία γσλίααλαηνιήο (σ) κέρξη ηελ σξηαία γσλία ηεο δχζεο ηνπ ήιηνπ (σ) 34
Αλ ε ειηαθή ζηαζεξά είλαη ζε Wh/m 2 ηφηε ε παξαθάησ ζρέζε : Ζ εθηφο γήηλεο αηκφζθαηξαο εκεξήζηα ειηαθή αθηηλνβνιία Ho κπνξεί λα ππνινγηζζεί απφ ηελ ζρέζε 2.37 γηα γεσγξαθηθά πιάηε πνπ θπκαίλνληαη απφ -60 ν κέρξη 60 o. 2.5.3 Ετήςια ηλιακή ακτινοβολία ςε κεκλιμένο επίπεδο Ζ εηήζηα ειηαθή αθηηλνβνιία ζε θεθιηκέλν επίπεδν είλαη απφ ηα πην ζεκαληηθά κεγέζε ζηηο ειηαθέο εθαξκνγέο. Ο ππνινγηζκφο ηεο κπνξεί λα γίλεη κε βάζε ηε κεληαία ειηαθή αθηηλνβνιία, δειαδή αξθεί απιά λα αζξνίζνπκε ηηο ηηκέο ηεο κεληαίαο αθηηλνβνιίαο, πνπ αληηζηνηρνχλ ζηελ επηιεγκέλε θιίζε, γηα φινπο ηνπο κήλεο ηνπ έηνπο: 35
Ζ κεηαβνιή ηεο εηήζηαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε ζρέζε κε ηελ θιίζε ηνπ επηπέδνπ πξφζπησζεο, ζχκθσλα κε ηελ αλάιπζε πνπ έρεη γίλεη παξαπάλσ έρεη ηελ κνξθή ηνπ ζρήκαηνο 2.11. Απηφ πνπ καο ελδηαθέξεη ζε κηα ειηαθή εθαξκνγή είλαη ε εχξεζε εθείλεο ηεο γσλίαο θιίζεο ησλ ζπιιεθηψλ, πνπ ζα έρεη σο απνηέιεζκα ηε κέγηζηε εηήζηα ειηαθή αθηηλνβνιία (β opt ). Παιηφηεξεο κειέηεο ππνδείθλπαλ ηελ επηινγή γσλίαο ίζε κε ην γεσγξαθηθφ πιάηνο (β opt =θ) θαη θαηεχζπλζε πξνο ηνλ λφην (γ=0 ν ) (γηα επηθάλεηεο ζην βφξεην εκηζθαίξην). Ζ πξφηαζε απηή ζηεξίδεηαη ζην γεγνλφο φηη κηα επηθάλεηα ζα δέρεηαη ηε κέγηζηε αθηηλνβνιία φηαλ απηή πξνζπίπηεη θάζεηα ζε απηή. Δπνκέλσο ε βέιηηζηε θιίζε γηα κηα επηθάλεηα πνπ βξίζθεηαη ζε γεσγξαθηθφ πιάηνο θ θαη είλαη ζηξακκέλε πξνο ηνλ λφην πξνθχπηεη απφ ην κέγεζνο θ+δ, φπνπ δ ε απφθιηζε. Ζ γσλία απηή θπκαίλεηαη κεηαμχ θ+23,45 ν ηνλ ρεηκψλα (21 Γεθεκβξίνπ) θαη θ-23,45 ν ην θαινθαίξη(21 Ηνπλίνπ) (ρήκα 2.12). Δίλαη ινγηθφ επνκέλσο λα επηιεγεί ε κέζε ηηκή ηεο κεηαβνιήο απηήο ηεο γσλίαο, γηα λα έρνπκε ηε κέγηζηε ειηαθή αθηηλνβνιία, δειαδή γσλία ίζε κε ην γεσγξαθηθφ πιάηνο θ. Γηαθνξεηηθά ζθεπηφκελνη κπνξνχκε λα πνχκε φηη ε επηινγή γσλίαο θιίζεο ίζεο κε ην γεσγξαθηθφ πιάηνο ηζνδπλακεί κε κηα νξηδφληηα επηθάλεηα ζην επίπεδν ηνπ ηζεκεξηλνχ θαη ε νξηδφληηα επηθάλεηα απηή ζα έρεη ηε κέγηζηε εηήζηα ειηαθή αθηηλνβνιία. 36
37
Νεφηεξεο κειέηεο έρνπλ δείμεη φηη θάηη ηέηνην δελ είλαη απφιπηα αθξηβέο (ρήκα 2.13). Ζ βέιηηζηε γσλία θιίζεο πξνθχπηεη ζεκαληηθά κηθξφηεξε απφ ην γεσγξαθηθφ πιάηνο θαη ε απφθιηζε απηή κεγαιψλεη ηαπηφρξνλα κε ηελ αχμεζε ηνπ γεσγξαθηθνχ πιάηνπο (ρήκα 2.14). Σν γεγνλφο απηφ νθείιεηαη ζε θάπνηνπο παξάγνληεο, νη νπνίνη θαηαδεηθλχνπλ θαη ηηο αδπλακίεο-παξαδνρέο ηεο πξνεγνχκελεο πξφηαζεο: Μεγαιχηεξν γεσγξαθηθφ πιάηνο, ζπλεπάγεηαη κεγαιχηεξε δηαθνξά ζηε δηάξθεηα ηεο κέξαο αλάκεζα ζην θαινθαίξη θαη ηνλ ρεηκψλα θαη επνκέλσο κεγαιχηεξε δηαθνξά ζηελ ειηαθή αθηηλνβνιία. Ο θαηξφο είλαη ζηε γεληθή πεξίπησζε θαιχηεξνο θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ θαινθαηξηνχ, φπνπ ν ήιηνο βξίζθεηαη ςειφηεξα ζηνλ νπξαλφ. Ζ ζπληζηψζα ηεο δηάρπηεο αθηηλνβνιίαο είλαη κεγαιχηεξε ζε κηθξφηεξεο ηηκέο ηεο γσλίαο θιίζεο ηνπ επηπέδνπ. Τπάξρεη ιηγφηεξε αηκνζθαηξηθή απνξξφθεζε φηαλ ν ήιηνο είλαη ςειφηεξα ζηνλ νπξαλφ. Μηθξφηεξεο γσλίεο θιίζεο κεηψλνπλ ηε δηάξθεηα πνπ ν ήιηνο βξίζθεηαη πίζσ απφ ηελ επηθάλεηα (θαηά ηελ αλαηνιή θαη ηε δχζε ηνπ ειίνπ). Ζ αλάιπζε πνπ έρεη γίλεη παξαπάλσ γηα ηελ εχξεζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε θεθιηκέλν επίπεδν ιακβάλεη ππ φςηλ ηνπο παξαπάλσ παξάγνληεο, γηα απηφ ηνλ ιφγν παξαηεξνχκε ζην ζρήκα 2.9 ην β opt λα είλαη κηθξφηεξν απφ ην γεσγξαθηθφ πιάηνο.[4] 38
ρήκα 2.14 Βέιηηζηε γσλία θιίζεο ζπλαξηήζεη ηνπ γεσγξαθηθνχ πιάηνπο γηα 239 παξαηεξνχκελεο ηνπνζεζίεο ζηηο Ζ.Π.Α[14]. Μηα πνιχ ρξήζηκε πξνζεγγηζηηθή ζρέζε πνπ ζπλδέεη ηελ βέιηηζηε γσλία θιίζεο κε ην γεσγξαθηθφ πιάηνο είλαη ε εμήο[3]: β opt=3,7+0,69θ (2.39) Δπηπιένλ φζνλ αθνξά ηνλ απφιπηα λφηην πξνζαλαηνιηζκφ (γ=0 ν ), απηφ ζεσξείηαη βέιηηζηνο, φηαλ ζηε πεξηνρή πνπ ηνπνζεηνχληαη ηα θ/β πιαίζηα, ν άμνλαο Α-Γ δελ παξνπζηάδεη εκπφδηα πνπ κπνξεί λα δεκηνπξγήζνπλ κείσζε ζηε δηάξθεηα ηεο εκεξήζηαο ειηνθάλεηαο. Γηα παξάδεηγκα αλ ππνζέζνπκε φηη ηα θ/β πιαίζηα ηνπνζεηνχληαη ζε κηα πεξηνρή, φπνπ ζηα αλαηνιηθά ππάξρεη έλα ςειφ βνπλφ, έζησ θαη ζε κεγάιε απφζηαζε, ηφηε φπσο είλαη αλακελφκελν ράλεηαη έλα κέξνο ηεο ειηνθάλεηαο θαηά ηελ αλαηνιή ηνπ ήιηνπ θαη κέρξη απηφο λα μεπεξάζεη ζε χςνο ηελ θνξπθή ηνπ βνπλνχ. Αλ αθφκα ππνζέζνπκε φηη ζηα δπηηθά δελ ππάξρεη θάπνην αληίζηνηρν εκπφδην, αιιά ν νξίδνληαο είλαη αλνηρηφο, ηφηε πξνθχπηεη κηα αζπκκεηξία σο πξνο ηελ πξφζιεςε ειηαθήο αθηηλνβνιίαο απφ ηα θ/β ζηνηρεία θαηά ηε δηάξθεηα κηαο κέξαο. Δπνκέλσο είλαη θαλεξφ φηη ν απφιπηα λφηηνο πξνζαλαηνιηζκφο δελ είλαη βέιηηζηνο γηα ηελ πεξηνρή πνπ πεξηγξάθεθε. Ζ βέιηηζηε ιχζε είλαη λα ζηξαθνχλ νη ζπζηνηρίεο πξνο ηα δπηηθά θαη ππφ ηέηνηα γσλία, ψζηε λα κεγηζηνπνηείηαη ε εκεξήζηα πξνζιακβαλφκελε ειηαθή αθηηλνβνιία. 2.6 ΤΓΚΡΙΗ ΠΟΛΤΩΝΤΜΩΝ ΓΙΑ ΣΟΝ ΤΠΟΛΟΓΙΜΟ ΣΟΤ ΛΟΓΟΤ Hd/H Παξαπάλσ παξνπζηάζηεθαλ δχν πνιπψλπκα πνπ ζθνπφ έρνπλ λα πξνζεγγίζνπλ ηνλ ιφγν H d /H ζε πξαγκαηηθέο ζπλζήθεο. Σν πξψην έρεη γεληθφηεξε ηζρχ ζε ηνπνζεζίεο αλά ηελ πθήιην, έρεη πξνηαζεί απφ ηνπ ηνπο Liu θαη Jordan θαη δίλεηαη απφ ηε ζρέζε 2.34. Σν δεχηεξν έρεη πξνηαζεί απφ ην θ.λάια γηα ηνλ ειιεληθφ ρψξν θαη δίλεηαη απφ ηε ζρέζε 2.35. ηε ζπλέρεηα ζπγθξίλνληαη ηα απνηειέζκαηα πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηα δχν απηά πνιπψλπκα. Δπηιέγεηαη κηα ζπγθεθξηκέλε πφιε ηεο Διιάδαο, ηεο νπνίαο ππάξρνπλ νη κεηξήζεηο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε νξηδφληην επίπεδν ζε κεληαία βάζε[1] θαη εμεηάδεηαη ε κεηαβνιή ηεο εηήζηαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε ζρέζε κε ηελ θιίζε β θαη γηα ηα δχν πνιπψλπκα. ην ζρήκα 2.15 θαίλνληαη νη δχν αληίζηνηρεο θακπχιεο. 39
Παξαηεξνχκε φηη ε δηαθνξά ησλ δχν θακππιψλ είλαη πνιχ κηθξή θαη κάιηζηα γηα κηθξέο ηηκέο ηεο γσλίαο β, νη δχν θακπχιεο ζρεδφλ ηαπηίδνληαη. Γηα ηηκέο ηεο γσλίαο κεγαιχηεξεο ησλ 20 ν ππάξρεη κηα ζηαζεξή απφθιηζε κεηαμχ ησλ δχν θακππιψλ, κε ην πνιπψλπκν ησλ Lui θαη Jordan λα δίλεη πςειφηεξεο ηηκέο εηήζηαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο. Όκσο, φπσο θαίλεηαη θαη απφ ηνλ πίλαθα 2.3, ε απφθιηζε πνπ εκθαλίδνπλ ζηε ρεηξφηεξε πεξίπησζε είλαη κφιηο 1%. Αθφκα έλα πνιχ ζεκαληηθφ γεγνλφο είλαη φηη ε βέιηηζηε γσλία θιίζεο (β opt ), πνπ δίλεη ηε κέγηζηε εηήζηα ειηαθή αθηηλνβνιία πξνθχπηεη ζρεδφλ ίδηα αλεμαξηήησο ηνπ πνιπσλχκνπ πνπ ρξεζηκνπνηείηαη θαη είλαη 27 ν γηα ην πνιπψλπκν πνπ έρεη πξνηαζεί απφ ην Λάια θαη 28 ν γηα ην πνιπψλπκν ησλ Lui θαη Jordan 2.7 ΕΚΣΙΜΗΗ ΩΡΙΑΙΑ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΗΜΕΡΗΙΕ ΣΙΜΕ Πνιιέο θνξέο είλαη ρξήζηκεο νη ηηκέο ηεο αθηηλνβνιίαο θαηά ηε δηάξθεηα κηαο εκέξαο, θπξίσο φηαλ κειεηψληαη νη επηπηψζεηο θαηλνκέλσλ ζθίαζεο απφ παξαθείκελα εκπφδηα ή θαη απφ ηα ίδηα ηα θ/β πιαίζηα. Όκσο, φπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί, ηα δεδνκέλα πνπ ιακβάλνληαη απφ ηνπο κεηεσξνινγηθνχο ζηαζκνχο αθνξνχλ ζπλήζσο εκεξήζηεο ηηκέο ηεο αθηηλνβνιίαο. ηαηηζηηθέο κειέηεο κεηεσξνινγηθψλ δεδνκέλσλ έρνπλ δείμεη φηη ν ιφγνο ηεο εμσγήηλεο αθηηλνβνιίαο πξνο ηελ εκεξήζηα ηηκή ηεο, ηζνχηαη κε ηνλ αληίζηνηρν ιφγν ηεο δηάρπηεο αθηηλνβνιίαο, δειαδή: 40
φπνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ νη ζρέζεηο 2.3, 2.25 θαη 2.37. Δλψ ν αληίζηνηρνο ιφγνο ηεο ζπλνιηθήο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ρξεηάδεηαη ηελ εμήο ηξνπνπνίεζε: φπνπ ηα a θαη b δίλνληαη απφ ηνπο παξαθάησ εκπεηξηθνχο ηχπνπο: ηελ παξαπάλσ εμηζψζεηο ην σ είλαη ε σξηαία γσλία ηνπ ρξφλνπ θαη ην σ ο ε γσλία ηεο δχζεο ζε κνίξεο. Γηα λα ππνινγηζηνχλ, πξνζεγγηζηηθά αιιά κε αξθεηή αθξίβεηα, νη σξηαίεο ηηκέο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ε εμίζσζε 2.41 αληηθαζηζηψληαο φπνπ σ ην κέζν ηεο ψξαο πνπ καο ελδηαθέξεη. Γειαδή κπνξνχκε λα γξάςνπκε Ζ πξνζέγγηζε απηή καο γιπηψλεη απφ ηνλ ππνινγηζκφ επίπνλσλ νινθιεξσκάησλ. ην Παξάξηεκα Α δίλνληαη νη ηηκέο ηεο σξηαίαο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ζε νξηδφληην επίπεδν, πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηελ κέζεο εκεξήζηεο ηηκέο γηα ηελ πφιε ηεο Καιακάηαο (θ=37,03 ν ) θαη γηα θάζε κήλα [4]. 41
42
3.1 ΥΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΥΑΙΝΟΜΕΝΟ Φσηνβνιηατθφ θαηλφκελν απνθαιείηαη ε εκθάληζε δηαθνξάο δπλακηθνχ ζηα άθξα κηαο δηφδνπ ε νπνία αθηηλνβνιείηαη κε ειηαθή ελέξγεηα. Γηα φζν ρξνληθφ δηάζηεκα δηαξθεί ε αθηηλνβνιία παξάγεηαη ζπλερέο ξεχκα απφ ηελ δίνδν, ην νπνίν κπνξεί λα ηξνθνδνηήζεη έλα νπνηνδήπνηε θνξηίν ζπλερνχο ξεχκαηνο θαη θαηά ζπλέπεηα λα έρνπκε παξαγσγή ειεθηξηθήο ηζρχνο. Όηαλ δηαθνπεί ε αθηηλνβφιεζε ηεο δηφδνπ, ζηακαηάεη θαη ε παξαγσγή ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο. 3.1.1 Ηλεκτροςτατικό φράγμα δυναμικού Σα ειηαθά ζηνηρεία είλαη δίνδνη εκηαγσγνχ κε ηελ κνξθή ελφο δίζθνπ, πνπ δέρνληαη ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία. Πξφθεηηαη γηα δηφδνπο επαθήο ηχπνπ-n θαη ηχπνπ-p, νη νπνίεο εθηείλνληαη ζε φιν ην πιάηνο ηνπ δίζθνπ. Σα ειηαθά ζηνηρεία βαζίδνπλ ηε ιεηηνπξγία ηνπο ζηε δεκηνπξγία ελφο ειεθηξνζηαηηθνχ θξάγκαηνο δπλακηθνχ, ην νπνίν εθηείλεηαη ζε φιν ην πιάηνο ηνπ ζηνηρείνπ πνπ δέρεηαη ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία. Απηφ ην θξάγκα δπλακηθνχ βξίζθεηαη θαηαλεκεκέλν ζε κηθξφ βάζνο απφ ηελ επηθάλεηα θαη ηνπνζεηείηαη απφ ηελ πιεπξά απφ ηελ νπνία πξνζπίπηεη ην θψο. Κάζε θσηφλην ηεο πξνζπίπηνπζαο αθηηλνβνιίαο κε ελέξγεηα ίζε ή κεγαιχηεξε απφ ην ελεξγεηαθφ δηάθελν ηνπ εκηαγσγνχ, έρεη ηε δπλαηφηεηα λα απνξξνθεζεί ζε έλα ρεκηθφ δεζκφ θαη λα δεκηνπξγεζεί έλα δεχγνο θνξέσλ, δειαδή έλα ειεθηξφλην ηεο δψλεο αγσγηκφηεηαο θαη κηα νπή ηεο δψλεο ζζέλνπο. Γεκηνπξγείηαη έηζη, φζν δηαξθεί ε αθηηλνβφιεζε, κηα πεξίζζεηα απφ δεχγε θνξέσλ, πέξα απφ ηηο ζπγθεληξψζεηο πνπ αληηζηνηρνχλ ζε ζπλζήθεο ηζνξξνπίαο. Ζ αλαγθαηφηεηα χπαξμεο ηνπ ειεθηξνζηαηηθνχ δπλακηθνχ πεγάδεη απφ ηελ απαίηεζε γηα δηαρσξηζκφ ησλ ζεηηθψλ θαη αξλεηηθψλ θνξέσλ θνξηίνπ θαη ηελ ζπγθέληξσζή ηνπο πάλσ ζηηο δχν φςεηο ηνπ ειηαθνχ ζηνηρείνπ. πγθεθξηκέλα, επεηδή κεξηθά απφ ηα δεχγε ησλ θνξέσλ απηψλ δεκηνπξγνχληαη κέζα ή-θαη δίπια απφ ηελ πεξηνρή ηνπ ειεθηξνζηαηηθνχ θξάγκαηνο δπλακηθνχ δηαρσξίδνληαη πξνθεηκέλνπ λα ειαρηζηνπνηήζνπλ ηε δπλακηθή ηνπο ελέξγεηα. Μπνξνχκε λα ππνζέζνπκε φηη ηα ειεθηξφληα ζπκπεξηθέξνληαη ζαλ ζθαίξεο πνπ θπινχλ πάλσ ζε θεθιηκέλν επίπεδν, ελψ νη νπέο ζπκπεξηθέξνληαη ζαλ θπζαιίδεο πνπ αησξνχληαη κέζα ζε έλα πγξφ (ρήκα 3.1). ην κνληέιν απηφ, ην ειεθηξφλην ειαρηζηνπνηεί ηελ ελέξγεηα ηνπ θηλνχκελν πξνο ηα θάησ, ελψ ε νπή ειαρηζηνπνηεί ηελ ελέξγεηά ηεο θηλνχκελε πξνο ηα πάλσ ζε έλα δηάγξακκα δπλακηθήο ελέξγεηαο. 43
ε κηα δίνδν p-n ηα ειεχζεξα ειεθηξφληα εθηξέπνληαη πξνο ην ηκήκα ηχπνπn θαη νη νπέο εθηξέπνληαη πξνο ην ηκήκα ηχπνπ-p. Απνηέιεζκα είλαη λα ζπζζσξεχνληαη θνξηία ζηηο δχν αληηθξηλέο επηθάλεηεο θαη λα δεκηνπξγείηαη κηα δηαθνξά δπλακηθνχ αλάκεζα ζηνπο αθξνδέθηεο ησλ δχν ηκεκάησλ ηνπ ειηαθνχ ζηνηρείνπ, γηα φζν δηάζηεκα ππάξρεη νπηηθή δηέγεξζε, ε εκθάληζε δειαδή ηνπ θσηνβνιηατθνχ θαηλνκέλνπ. [5] ρήκα 3.1 Φσηνβνιηατθφ θαηλφκελν. Σν ειηαθφ ζηνηρείν απνηειείηαη απφ ηελ επαθή εκηαγσγνχ ηχπνπ-n θαη ηχπνπ-p. Σν ζρήκα παξνπζηάδεη ην δηάγξακκα ηεο δπλακηθήο ελέξγεηαο ζε ζπλάξηεζε κε ην βάζνο απφ ηελ επηθάλεηα. ην ειηαθφ ζηνηρείν πξνζπίπηεη ειεθηξνκαγλεηηθή αθηηλνβνιία κε ελέξγεηα E=h v E g, φπνπ E g =E cb -E vt ε ηηκή ηνπ ελεξγεηαθνχ δηαθέλνπ, E cb ν ππζκέλαο ηεο δψλεο αγσγηκφηεηαο θαη E vt ε θνξπθή ηεο δψλεο ζζέλνπο[11]. 3.1.2 Δημιουργία φωτορεύματοσ Όηαλ έλα θ/β ζηνηρείν δέρεηαη κηα θαηάιιειε αθηηλνβνιία, δηεγείξεηαη παξάγνληαο ειεθηξηθφ ξεχκα, ην θσηφξεπκα Η θ, πνπ ε ηηκή ηνπ είλαη αλάινγε πξνο ηα θσηφληα πνπ απνξξνθά θαη θαηά ζπλέπεηα αλάινγε πξνο ηε ειηαθή αθηηλνβνιία. Γηα ηνλ ππνινγηζκφ ηνπ κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ε παξαθάησ ζρέζε: 44
φπνπ e ην ζηνηρεηψδεο ειεθηξηθφ θνξηίν, R(ι) ν δείθηεο αλάθιαζεο γηα αθηηλνβνιία κήθνπο θχκαηνο ι, Φ(ι) ην πιήζνο ησλ θσηνλίσλ κε ελέξγεηα πνπ αληηζηνηρεί ζε κήθνο θχκαηνο απφ ι κέρξη ι+dι, S(ι) ε θαζκαηηθή απφθξηζε, δειαδή ην πιήζνο ησλ θσηνλίσλ ηεο αθηηλνβνιίαο πνπ δέρεηαη ην ζηνηρείν αλά κνλάδα επηθαλείαο θαη αλά κνλάδα ρξφλνπ, ι g ην κέγηζην κήθνο θχκαηνο αθηηλνβνιίαο ζε έλαλ εκηαγσγφ, ελεξγεηαθνχ δηαθέλνπ E g : ( ι = h c / E ) Ζ ηηκή ηνπ θσηνξεχκαηνο ελφο θσηνβνιηατθνχ ζηνηρείνπ εμαξηάηαη απφπνιινχο θαηαζθεπαζηηθνχο παξάγνληεο, φπσο ν ζπληειεζηήο αλάθιαζεο ζηελ επηθάλεηα ηνπ ζηνηρείνπ, ν ζπληειεζηήο απνξξφθεζεο θαη ην πάρνο ηνπ εκηαγσγνχ, ην πιήζνο ησλ επαλαζπλδέζεσλ ησλ θνξέσλ θιπ. [5] 3.2 ΤΛΙΚΑ & ΣΕΦΝΟΛΟΓΙΕ ΥΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΩΝ ΣΟΙΦΕΙΩΝ/ΚΤΧΕΛΩΝ (PV CELLS) Οη θχξηεο ηερλνινγίεο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ θαηαζθεπή θ/β ζηνηρείσλ είλαη: Σερλνινγία παξαγσγήο εκηαγψγηκσλ πιηθψλ κε θξπζηαιιηθή δνκή, ηελ πιεηνςεθία ησλ νπνίσλ απνηειεί ην ππξίηην. Σερλνινγία ιεπηψλ πκελίσλ (thin film), ε νπνία νλνκάδεηαη έηζη επεηδή ην πάρνο ησλ ζηνηρείσλ είλαη πνιχ κηθξφ (κεξηθά κφλν κm). Άιιεο ηερλνινγίεο πνπ ζθνπφ έρνπλ λα γίλεη ιηγφηεξν ελεξγνβφξα ε παξαγσγή ηνπ θαζαξνχ ππξηηίνπ, πεξηνξίδνληαο ηηο απψιεηεο ζε αθξηβφ θαζαξφ ππξίηην (π.ρ. κέζνδνο EFG, edge defined film fed growth θαη κέζνδνο String Process) Οη θξχζηαιινη θαη ε κνξθή ιεπηνχ θηικ δηαθέξνπλ κεηαμχ ηνπο φζνλ αθνξά ηελ απφδνζε απνξξφθεζεο ηνπ θσηφο,ηελ απφδνζε κεηαηξνπήο ηεο κηα κνξθήο ελέξγεηαο ζηελ άιιε, ηελ ηερλνινγία θαηαζθεπήο θαη ην θφζηνο θαηαζθεπήο. [5] 45
3.2.1 Σο Πυρίτιο (Si) Σν ππξίηην είλαη έλαο εκηαγσγφο κε έκκεζν ελεξγεηαθφ δηάθελν 1,1eV. Αλ θαη νη δχν απηέο ηδηφηεηέο ηνπ, δειαδή έκκεζν θαη ζρεηηθά κηθξή ηηκή ελεξγεηαθνχ δηαθέλνπ δελ είλαη ηδεψδεηο γηα ηελ θσηνβνιηατθή κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο, ην ππξίηην είλαη ν εκηαγσγφο πνπ θπξηάξρεζε απφ ηελ αξρή αιιά κέρξη θαη ζήκεξα, ζαλ πιηθφ θαηαζθεπήο θ/β ζηνηρείσλ. Οη ιφγνη γηα ηνπο νπνίνπο ζπκβαίλεη απηφ έρνπλ λα θάλνπλ κε ην γεγνλφο φηη ην ππξίηην είλαη ην θχξην πιηθφ ησλ δηαηάμεσλ ειεθηξνληθήο γηα πνιιέο δεθαεηίεο. Δπνκέλσο νη ηδηφηεηεο ηνπ είλαη θαιά κειεηεκέλεο θαη ην πιηθφ θπθινθνξεί ζηε αγνξά ζε αξθεηά κεγάιεο πνζφηεηεο, κε ηθαλνπνηεηηθή ρεκηθή θαζαξφηεηα θαη ηειεηφηεηα θξπζηαιιηθήο δνκήο, κε ηελ ρξεζηκνπνίεζε ηερλνινγηθψλ κεζφδσλ δνθηκαζκέλσλ κε επηηπρία. Δπηπιένλ ηα θ/β ζηνηρεία ππξηηίνπ έρνπλ ιεηηνπξγήζεη κε απφιπηα ηθαλνπνηεηηθή αμηνπηζηία ζε αθξαίεο θαηξηθέο ζπλζήθεο, ηφζν ζε δηαζηεκηθέο φζν θαη ζε επίγεηεο θαξκνγέο. Δθηφο ηνπ νμπγφλνπ, ην ππξίηην είλαη ην πην άθζνλν ζηνηρείν ζηελ επηθάλεηα ηνπ εδάθνπο. ρεδφλ πάληα, φκσο απαληάηαη κε ηε κνξθή νμεηδίνπ ζην πεξηβάιινλ, ζπγθεθξηκέλα σο δηνμείδην ηνπ ππξηηίνπ (SiO 2 ). Γηα ηελ αμηνπνίεζή ηνπ, επνκέλσο, απαηηείηαη επεμεξγαζία έηζη ψζηε λα απνθηήζεη πςειή θαζαξφηεηα. 3.2.1.1 Μονοκρυςταλλικό Πυρίτιο Σν κνλνθξπζηαιιηθφ ππξίηην έρεη κηα νκνηφκνξθε κνξηαθή δνκή. πγθξηλφκελν κε πιηθά πνπ δελ είλαη ζε κνξθή θξπζηάιινπ, ε πςειή ηνπ νκνηνκνξθία έρεη σο απνηέιεζκα ηνλ πςειφηεξν βαζκφ απφδνζεο (δειαδή ηελ αλαινγία ηεο ειεθηξηθήο ηζρχνο πνπ παξάγεηαη απφ ην ειηαθφ ζηνηρείν πξνο ηελ δηαζέζηκε απφ ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία ηζρχ). Ζ απφδνζε ησλ κνλνθξπζηαιιηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ εκπνξίνπ θπκαίλεηαη απφ 14-18%. Παξαγσγηθή Γηαδηθαζία Σν δηνμείδην ηνπ ππξηηίνπ θαηά ηελ δηαδηθαζία εμεπκεληζκνχ ηνπ (αθαίξεζε ησλ πξνζκίμεσλ) ζεξκαίλεηαη ζηνπο 1800 ν C παξνπζία άλζξαθα. Σν κεηαιινπξγηθφ ππξίηην πνπ πξνθχπηεη απφ απηή ηελ δηαδηθαζία έρεη κηα θαζαξφηεηα ηεο ηάμεο ηνπ 98% θαη κπνξεί κελ λα ρξεζηκνπνηεζεί ζηελ κεηαιινπξγηθή βηνκεραλία, είλαη δε ηειείσο αθαηάιιειν σο εκηαγσγφο. Απαηηείηαη επνκέλσο πεξαηηέξσ επεμεξγαζία. ε πξψηε θάζε γίλεηαη αλάηεμε θαη ζηε ζπλέρεηα αληίδξαζε κε πδξνριψξην (HCl), κεηαηξέπνληαο ην κεηαιινπξγηθφ ππξίηην ζε ηξηρισξνζηιάλην (SiHCl 3 ) πνπ είλαη έλα πηεηηθφ πγξφ. Δλ ζπλερεία απνρσξίδεηαη απφ δηάθνξεο πξνζκίμεηο κέζσ θιαζκαηηθήο απφζηαμεο (κέζνδνο Siemens). Σέινο αλάγεηαη κε πδξνγφλν θαη 46
ζπκππθλψλεηαη. Πξέπεη λα ηνληζηεί φηη νη παξαπάλσ δηαδηθαζίεο είλαη εμαηξεηηθά ελεξγνβφξεο θαη ζπληεινχλ ζην πςειφ θφζηνο θαηαζθεπήο ησλ θ/β ζηνηρείσλ. Σν ηειηθφ πξντφλ είλαη έλα πςειήο θαζαξφηεηαο ππξίηην (κε ζπγθέληξσζε πξνζκίμεσλ κηθξφηεξε απφ 1 άηνκν αλά 10 12 άηνκα Si), πνπ δελ έρεη φκσο ηελ επηζπκεηή δνκή. ρήκα 3.2 Μέζνδνο Czochranski[5]. Αθνινπζεί ε θξπζηαιιηθή αλάπηπμε ηνπ ππξηηίνπ ζπλήζσο κε ηελ κέζνδν Czochranski (ρήκα 3.2), θαηά ηελ νπνία αξρηθά ηήθεηαη απηφ κέζα ζε έλα θπιηλδξηθφ δνρείν θαη ζε ζεξκνθξαζία κεγαιχηεξε ησλ 1400 o C. Έπεηηα έλα πνιχ κηθξφ θνκκάηη θξπζηαιιηθνχ ππξηηίνπ ηνπνζεηείηαη ζε επαθή κε ηελ επηθάλεηα ηνπ ιησκέλνπ ππξηηίνπ, ελψ ην θπιηλδξηθφ δνρείν βξίζθεηαη ζε πεξηζηξνθηθή θίλεζε. Σν θνκκάηη ππξηηίνπ δξα ζαλ ππξήλαο θξπζηάιισζεο θαη έηζη ην ππξίηην επηθάζεηαη ζε απηφ κε απνηέιεζκα λα κεγαιψζεη θαη λα ζρεκαηηζζεί ζηαδηαθά έλαο λένο κεγάινο θξχζηαιινο ππξηηίνπ κε ηελ ζπλερή αλχςσζε απφ ην ιησκέλν ππξίηην. Απνηέιεζκα ηεο κεζφδνπ είλαη ην ππξίηην λα απνθηήζεη κηα θπιηλδξηθή κνξθή κε δηάκεηξν πεξίπνπ 10cm θαη κήθνπο 1m. Δλ ζπλερεία ν θχιηλδξνο απηφο πξέπεη λα θνπεί ζε πνιχ ιεπηνχο δίζθνπο (θπιηλδξηθέο πιάθεο), πάρνπο πνπ θπκαίλεηαη απφ 150κm κέρξη 500κm γηα ηηο ειηαθέο εθαξκνγέο. Ζ δηαδηθαζία είλαη εμαηξεηηθά δαπαλεξή, θαζψο ην ππξίηην είλαη πνιχ ζθιεξφ πιηθφ θαη επηπιένλ έλα πνζνζηφ ράλεηαη θαηά ηελ θνπή, πνπ θηάλεη κέρξη θαη ην 50%. Μηα κέζνδνο θνπήο πνπ πεξηνξίδεη θάπσο ηηο παξαπάλσ απψιεηεο θαίλεηαη ζην ρήκα 3.3 θαη ζηεξίδεηαη ζηε θνπή κε πνιχ ιεπηή δηακαληέληα ίλα. Οη δίζθνη έπεηηα ιεηαίλνληαη γηα ηελ απνκάθξπλζε ησλ ειαηησκάησλ ηεο θνπήο θαη δηακνξθψλνληαη ζε δηφδνπο ηχπνπ-p ή ηχπνπ-n κε επίηαμε, δηάρπζε ή εκθχηεπζε πξνζκίμεσλ. Σν ηειηθφ ζηάδην είλαη ε ζπγθφιιεζε ησλ 47
ειεθηξνδίσλ ζηελ εκπξφο θαη πίζσ φςε ηνπ δίζθνπ, ε αιιεινζχλδεζε ησλ έηνηκσλ πηα ζηνηρείσλ, ε θάιπςε ηεο εκπξφο επηθαλείαο ηνπο κε έλα αληηαλαθιαζηηθφ επίζηξσκα γηα ηελ κείσζε ηεο αλάθιαζεο ηνπ θσηφο θαη ε ζηεγαλή ζπζθεπαζία ζε πιαίζηα. ρήκα 3.3 Κνπή κε ηε κέζνδν ησλ πνιιαπιώλ ζπξκάησλ[5]. ρήκα 3.4 Καηακεξηζκφο ηνπ θφζηνο παξαγσγήο ελφο θ/β ζηνηρείνπ αλά δηαδηθαζία. Γεμηά αλαιχεηαη ην θφζηνο δεκηνπξγίαο δηζθηδίσλ ππξηηίνπ[5]. Σν θφζηνο αλά παξαγσγηθή δηαδηθαζία παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα 3.4, φπνπ θαίλεηαη φηη κεγάιν κέξνο απνηειεί ε παξαγσγή θαζαξνχ ππξηηίνπ ζε θξπζηαιιηθή δνκή (κέζνδνο Czochranski) θαη ε θνπή ηνπ ζε ιεπηά δηζθίδηα (πιάθεο). πγθεληξσηηθά ε δηαδηθαζία παξαγσγήο κνλνθξπζηαιιηθνχ ππξηηίνπ θαίλεηαη ζην δνκηθφ δηάγξακκα ζην ζρήκαηνο 3.5. 48