ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κώστα Κωνσταντίνου του Χριστόδουλου Αριθμός Μητρώου: 6647 «Μελέτη και κατασκευή συστήματος μετατροπής ενέργειας από φωτοβολταϊκή πηγή σε ηλεκτρική - παραλληλισμός με το δίκτυο 220V» Επιβλέπων: Επίκουρος Καθηγητής Επαμεινώνδας Μητρονίκας (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.-Μηχ. Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:. /2012 Πάτρα, Ιούλιος 2012
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη και κατασκευή συστήματος μετατροπής ενέργειας από φωτοβολταϊκή πηγή σε ηλεκτρική - παραλληλισμός με το μονοφασικό δίκτυο» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κώστα Κωνσταντίνου του Χριστόδουλου Αριθμός Μητρώου: 6647 παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 02/07/2012 Ο Επιβλέπων Επίκουρος Καθηγητής Επαμεινώνδας Μητρονίκας Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Δρ-Μηχ. Αντώνιος Αλεξανδρίδης
Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:.. /2012 Θέμα: Φοιτητής: Επιβλέπων: «Μελέτη και κατασκευή συστήματος μετατροπής ενέργειας από φωτοβολταϊκή πηγή σε ηλεκτρική-παραλληλισμός με το δίκτυο 220V» Κώστας Κωνσταντίνου Επίκουρος Καθηγητής Επαμεινώνδας Μητρονίκας (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.-Μηχ. Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) Περίληψη Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, το διεθνές ενδιαφέρον για την φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας αυξάνει συνεχώς. Έχει δοθεί ιδιαίτερη σημασία στην ανάπτυξη φωτοβολταϊκών συστημάτων για την σύνδεσή τους με το δίκτυο, έτσι ώστε να αξιοποιείται η ηλιακή ακτινοβολία για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη των φωτοβολταϊκών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και σκοπός αυτής είναι η κατασκευή ενός συστήματος μετατροπής συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη για τη διασύνδεση μιας πηγής συνεχούς τάσης με το μονοφασικό δίκτυο. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος διπλής βαθμίδας. Το πρώτο τμήμα είναι ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση υψηλότερης τιμής. Συγκεκριμένα, ο μετατροπέας αυτός ανυψώνει την τάση του φωτοβολταϊκού συστήματος του Εργαστηρίου στα 400V. Στη συνέχεια υπάρχει το δεύτερο τμήμα, αποτελούμενο από το σύστημα μετατροπής συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, το οποίο μετατρέπει την εισερχόμενη συνεχή τάση των 400V σε εναλλασσόμενη τάση συχνότητας 50 Hz και ενεργού τιμής 220V. Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.- Μηχ. Αθανασίου Σαφάκα. Αρχικά, αναλύεται η αρχή λειτουργίας των ηλιακών κυττάρων και περιγράφονται οι υπάρχουσες τεχνολογίες τους. Έπειτα γίνεται αναφορά στα φωτοβολταϊκά συστήματα και τους τρόπους που μπορεί να χρησιμοποιηθούν, δηλαδή συνδεδεμένα με το δίκτυο ή αυτόνομα. Στη συνέχεια, αναφέρονται και αναλύονται διάφορες τεχνικές συγχρονισμού μετατροπέων με το μονοφασικό δίκτυο και τρόποι ρύθμισης της ενεργού και αέργου ισχύoς που παρέχεται από τις πηγές ενέργειας στο δίκτυο. Παρατίθενται στοιχεία του μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή και γίνεται η μελέτη του μονοφασικού αντιστροφέα που πρόκειται να κατασκευαστεί. Επιπρόσθετα γίνεται προσομοίωση του συστήματός στο λογισμικό MATLAB/Simulink. Συγκρίνεται η λειτουργία του αντιστροφέα με τη μέθοδο παλμοδότησης SPWM (Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών) με διπολική και μονοπολική τάση εξόδου και παρουσιάζονται αποτελέσματα της προσομοίωσης για παραλληλισμό του συστήματος με το δίκτυο και προσφορά ισχύος από πηγή συνεχούς τάσης προς το δίκτυο. Αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και ο τρόπος κατασκευής των απαραίτητων κυκλωμάτων για την οδήγηση του. Τέλος, παρατίθενται πειραματικά αποτελέσματα από τη λειτουργία του συστήματος.
Abstract During the last decades, the international interest in the photovoltaic conversion of solar radiation is increasing. Special attention has been given to the development of photovoltaic systems for their connection to the utility grid, in order to use solar radiation for electricity generation in the best possible way. In this diploma thesis, the photovoltaic power generation is studied and the purpose of this work is to construct a single phase grid connected dc/ac converter system in order to connect a dc voltage source to the grid. This system consists of a dual-stage electronic power converter. The first part is a dc-dc converter, which converts a source of direct current (dc) from one voltage level to another, with an output voltage greater than its input voltage. Specifically, the dc/dc converter increases the voltage of the photovoltaic system, which is installed on the laboratory, to 400V DC. The second part consists of a dc/ac inverter, which converts the incoming voltage of 400V DC to 220V AC at 50Hz. The work presented on this diploma thesis was carried out at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, under the supervision of Emeritus Professor Dr.-Ing. Athanasios Safacas. Initially, the working principle of solar cells is analysed and its current technologies are described. Then, reference is given to the photovoltaic systems and their applications, i.e. standalone PV systems and grid-connected PV systems. Next, reference and analysis are given to the various grid synchronization techniques for single phase inverter systems and control methods to regulate the active and reactive power supplied from sources of energy into the grid. Data are presented about the dc/dc converter and the study of the single-phase inverter to be constructed. Additionally, the system is simulated with MATLAB/Simulink software and the simulation results of the specific system are presented. A comparison of the operation of the inverter is made using sinusoidal pulse width modulation technique ( SPWM ) with bipolar and unipolar output voltage and simulation results of the grid connected converter system are presented. The technical characteristics of the constructed inverter and the design of its necessary integrated circuits are analysed. Finally, experimental results from the operation of the grid connected dc/ac inverter are presented.
-I- Πρόλογος Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η ανάλυση της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Αρχικά αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας τους, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και αναλύεται το ηλεκτρικό κύκλωμα του ηλιακού κυττάρου. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η απόδοση των ηλιακών κυττάρων και του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Έπειτα, αναλύεται η δομή και οι εφαρμογές των ηλιακών κυττάρων, των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των φωτοβολταϊκών συστημάτων για την περαιτέρω κατανόηση της λειτουργίας τους. Στη συνέχεια, στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται τεχνικές συγχρονισμούπαραλληλισμού με το δίκτυο για μονοφασικά συστήματα. Αναλύεται η χρήση του βρόχου κλειδωμένης φάσης - PLL για μονοφασικές εφαρμογές και οι τρόποι ελέγχου της ροής ισχύος από πηγή ενέργειας στο δίκτυο. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας του συστήματος που έχει κατασκευαστεί για τη διασύνδεση του φωτοβολταϊκού συστήματος με το μονοφασικό δίκτυο τάσης 220 V και συχνότητας 50 Hz. Παρατίθενται στοιχεία για τον μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος κατασκευάστηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας του συναδέλφου Εμμανουήλ Κουφόπουλου. Επίσης παρουσιάζεται το σύστημα μετατροπής συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, καθώς γίνεται και ανάλυση της μεθόδου SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation). Στο τέλος αυτού του κεφαλαίου παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση του φίλτρου εξόδου που χρησιμοποιήθηκε, του μονοφασικού μετασχηματιστή ισχύος και παρατίθεται η διαστασιολόγηση του συστήματος που μελετήθηκε και κατασκευάστηκε. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη της λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος μέσω προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB/Simulink, παρουσιάζονται και συγκρίνονται οι δυο βασικές διαμορφώσεις SPWM. Αυτές είναι η διαμόρφωση SPWM με διπολική τάση εξόδου και η διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου. Τέλος, με τη χρησιμοποίηση της δεύτερης μεθόδου (διαμόρφωση SPWM με μονοπολική τάση εξόδου), η οποία παρουσιάζει τα περισσότερα πλεονεκτήματα, πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση του αντιστροφέα για τη σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής του μονοφασικού αντιστροφέα. Συγκεκριμένα, αναλύεται η μεθοδολογία επιλογής των στοιχείων του κυκλώματος ισχύος και των λοιπών κυκλωμάτων. Σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν: α) το κύκλωμα ισχύος του αντιστροφέα και όλα τα απαραίτητα περιφερειακά για τη λειτουργία του, β) το κύκλωμα παλμοδότησης του αντιστροφέα μαζί με το κύκλωμα ελέγχου, γ) ένα φίλτρο L-C, για την απορρόφηση των ανωτέρων αρμονικών της τάσης εξόδου του αντιστροφέα, δ) το κύκλωμα τροφοδοτικών συνεχούς τάσης για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται η διαδικασία παραγωγής παλμών με χρήση της μονάδας PWM του μικροελεγκτή dspic30f4011. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρατίθενται παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον.
-II-
-III- Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω αρχικώς τον επιβλέποντα Καθηγητή μου Δρ.-Μηχ. κ. Αθανάσιο Σαφάκα καθώς και τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Επαμεινώνδα Μητρονίκα, για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγηση που μου προσέφεραν καθ όλη την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Εμμανουήλ Τατάκη καθώς και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και ιδιαίτερα τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Σάββα Τσοτουλίδη, οι οποίοι με τις γνώσεις και τις συμβουλές που μου παρείχαν βοήθησαν ουσιαστικά στην επίλυση των δυσκολιών και των προβλημάτων που παρουσιάστηκαν. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου για την συμπαράσταση τους, τους συνάδελφους και φίλους Πρωιμάδη Ιωάννη, Κοζανίτη Νεκτάριο, Αλαφογιάννη Ηλία και ιδιαίτερα τον συνάδελφο και φίλο Ιωάννου Χριστάκη για την συνεργασία που είχαμε στην ολοκλήρωση αυτής της διπλωματικής εργασίας.
-IV-
-V- ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 1.2 Η ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ [1]... 1 1.3 ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ [2,3,4,5]... 2 1.3.1 Η ΦΥΣΙΚΗ ΑΡΧΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ... 3 1.3.2 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ... 3 1.3.3 ΝΟΘΕΥΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΚΑΙ ΕΠΑΦΗ p-n... 4 1.3.4 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΡΕΥΜΑΤΟΣ... 6 1.4 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ [4,6,12]... 7 1.5 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ [10,11]... 10 1.6 ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝ [4,8,11,16]... 14 1.7 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ [6,9,13,14,15]... 17 1.8 ΤΡΟΠΟΙ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ [20,13]. 20 1.8.1 ΣΤΗΡΙΞΗ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΗ ΓΩΝΙΑ ΚΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ... 21 1.8.2 ΣΤΗΡΙΞΗ ΜΕ ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΚΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ... 23 1.8.3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΗΜΕΡΗΣΙΑΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ, ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΑ (TRACKERS)... 24 1.9 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ [11,21,22,23,26]... 26 1.9.1 ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ... 26 1.9.2 ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ... 28 1.9.2.1 ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ... 29 1.9.2.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ... 31 1.10 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [25]... 32
-VI- ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 35 2.2 ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ-ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ... 35 2.3 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΥ ΓΙΑ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ [41,42,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55]... 36 2.3.1 ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΔΕΝΟΣ (ZERO CROSSING DETECTOR)... 36 2.3.2 ΒΡΟΧΟΣ ΚΛΕΙΔΩΜΕΝΗΣ ΦΑΣΗΣ - PLL ΓΙΑ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ... 37 2.3.2.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ PLL... 37 2.3.2.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΡΘΟΓΩΝΙΑΣ ΤΑΣΗΣ... 38 2.3.2.3 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ αβ-dq... 40 2.4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΑΠΟ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ [57,37,40,56,58,59,60,61,62].. 41 2.4.1 ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΟΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΤΑΣΗΣ... 41 2.4.2 ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΟΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΡΕΥΜΑΤΟΣ... 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑΛΑΣΣΟΜΕΝΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ 3.1 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ [27,28,38,39]... 47 3.2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ [29,30]... 48 3.3 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΣΥΝΕΧΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ [28,29,30]... 48 3.3.1 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΧΩΡΙΣ Μ/Τ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗΣ... 49 3.3.2 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΜΕ Μ/Τ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗΣ... 50 3.4 Ο ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ [28]... 51 3.5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΤΑΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗ [30,31,32,33]... 52 3.5.1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΠΛΗΡΟΥΣ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ.. 54 3.5.2 Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ (SPWM) ΜΕ ΔΙΠΟΛΙΚΉ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ (BIPOLAR)... 56 3.5.3 Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΟΥΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ (SPWM) ΜΕ ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΗ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ (UNIPOLAR)... 59
-VII- 3.6 ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ... 61 3.7 ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ [35]... 62 3.8 ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΜΕΓΕΘΩΝ ΤΟΥ ΠΡΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ 4.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΤΡΟΦΟΔΟΤΩΝΤΑΣ ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ... 65 4.1.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕ SPWM ΜΕ ΔΙΠΟΛΙΚΗ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ... 66 4.1.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕ SPWM ΜΕ ΜΟΝΟΠΟΛΙΚΗ ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ... 73 4.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ [41]... 81 4.2.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΤΑΣΗΣ... 82 4.2.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟ ΠΛΑΙΣΙΟ dq.... 92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 111 5.2 ΚΥΚΛΩΜΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ... 111 5.2.1 ΕΠΙΛΟΓΗ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ... 111 5.2.2 ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΣΤΗΝ ΕΙΣΟΔΟ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ... 113 5.2.3 ΑΠΑΓΩΓΟΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (ΨΥΚΤΙΚΟ)[30,17,18]... 114 5.3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ [17]... 117 5.3.1 TΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ 6Ν137... 118 5.3.2 TΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ 74HCT04... 118 5.3.3 TΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ IR2113... 119 5.3.3.1 ΚΥΚΛΩΜΑ BOOTSTRAP [7]... 120 5.3.4 ΤΟ ΜΕΤΡΗΤΙΚΟ ΤΑΣΗΣ LV 25-P ΤΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ AD580 ΚΑΙ Ο ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ AD622 [17]... 123
-VIII- 5.3.5 ΖΩΝΟΔΙΑΒΑΤΟ ΦΙΛΤΡΟ «BUTTERWORTH» [43]... 124 5.3.6 ΚΥΚΛΩΜΑ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΔΕΝΟΣ (ZERO CROSSING DETECTOR) [17]... 129 5.3.7 ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ [17]... 130 5.4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ [30,17,36]... 131 5.5 ΜΟΝΑΔΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ... 135 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΛΜΟΔΟΤΗΣΗΣ [33,17] 6.1 ΓΕΝΙΚΑ... 141 6.2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ dspic30f4011 ΚΑΙ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ MPLAB IDE... 142 6.3 ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ dspic30f4011... 148 6.3.1 ΘΥΡΕΣ ΕΙΣΟΔΟΥ/ΕΞΟΔΟΥ... 149 6.3.2 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ (Α/D)... 150 6.3.3 ΜΟΝΑΔΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ PWM ΠΑΛΜΩΝ... 153 6.3 ΤΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΤΟΥ ΚΩΔΙΚΑ... 161 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 7.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ... 163 7.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ... 164 7.3 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ... 173 7.4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ... 174 7.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ... 184 Βιβλιογραφία... 187
-IX- ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΣΧΕΔΙΑ ΠΛΑΚΕΤΩΝ... 193 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΛΑΚΕΤΕΣ ΠΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΘΗΚΑΝ... 197 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ... 201
-X-
-1- ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση αυξάνεται με ραγδαίους ρυθμούς τα τελευταία χρόνια, οδηγώντας την παγκόσμια κοινότητα μπροστά σε δύο σοβαρότατα προβλήματα: α) τη μόλυνση του περιβάλλοντος και β) την εξάντληση των ορυκτών καυσίμων, από τα οποία εξαρτάται ως επί το πλείστον η παγκόσμια παραγωγή ενέργειας. Είναι προφανές πλέον, ότι τα ορυκτά καύσιμα σύντομα θα εξαντληθούν, ενώ η αξιοποίηση τους, σχεδόν πάντοτε, συνοδεύεται από εκπομπή ρύπων, που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Τα τελευταία χρόνια οι τιμές του πετρελαίου, του φυσικού αερίου και του ουρανίου έχουν αυξηθεί σημαντικά όπως και οι τιμές του άνθρακα. Το γεγονός ότι τα ορυκτά καύσιμα είναι πεπερασμένα, ενώ η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας ολοένα και αυξάνεται, οδήγησε πολλές κυβερνητικές υπηρεσίες και διεθνείς οργανισμούς να εκπονήσουν μελέτες προς αναζήτηση και εκμετάλλευση άλλων ενεργειακών πηγών. Λύση σ' αυτά τα προβλήματα καλούνται να δώσουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). Οι ΑΠΕ είναι φυσικοί διαθέσιμοι ενεργειακοί πόροι, που υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον και μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια. Μάλιστα η μετατροπή αυτή γίνεται χωρίς να επιβαρύνεται το περιβάλλον με ρύπους, όπως συμβαίνει με τις μετατροπές των ορυκτών καυσίμων. Οι βασικότερες ΑΠΕ είναι η ηλιακή, η αιολική και η υδροηλεκτρική, ενώ υπάρχουν και άλλες όπως η γεωθερμική, η ενέργεια των κυμάτων και της παλίρροιας κ.α. Παρά τις προοπτικές που παρουσιάζει κάθε μία από της ΑΠΕ προς αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος, για διάφορους λόγους δεν υφίσταται σήμερα ευρεία χρήση των ΑΠΕ στην παραγωγή ενέργειας, τουλάχιστο στη χώρα μας. Όμως τα τελευταία χρόνια, υπάρχει ένας σημαντικός ρυθμός αύξησης της εγκατεστημένης ενέργειας, που προέρχεται από ΑΠΕ, ιδιαίτερα από αιολική και ηλιακή ενέργεια. Σ' αυτό το κεφάλαιο, γίνεται αναφορά ιδιαίτερα στον τρόπο εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά συστήματα και στις εφαρμογές της. 1.2 Η ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ [1] Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο. Τέτοιες είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα ή θερμική ενέργεια καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο, και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου και χρόνου για την εκμετάλλευσή της. Όσον αφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσαμε να πούμε ότι
-2- χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: α) τα παθητικά ηλιακά συστήματα, β) τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, και γ) τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Σχήμα 1.1: Εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας [1]. 1.3 ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ [2,3,4,5] Οι φωτοβολταϊκές διατάξεις είναι ο πιο άμεσος τρόπος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια και βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, το οποίο για πρώτη φορά έχει παρατηρηθεί από τον Alexandre-Edmond Becquerel το 1839. Ο δεκαεννιάχρονος τότε Γάλλος φυσικός, καθώς πειραματιζόταν με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης, παρατήρησε την ανάπτυξη μιας ηλεκτρικής τάσης μεταξύ δύο ηλεκτροδίων που συνδέονται μέσα σε ηλεκτρολύτη όταν ηλιακό φως πέσει σε ένα από αυτά. Στα στερεά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο παρατηρήθηκε αρχικά στο σελήνιο (1876) και αργότερα σε άλλα υλικά (Cu 2 O, CdS). Το ορόσημο όμως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλιακή ήταν η ανακάλυψη του φωτοβολταϊκού φαινομένου στο πυρίτιο στα εργαστήρια της Bell το 1954 [2]. Στα επόμενα χρόνια η κύρια εφαρμογή των ηλιακών κυττάρων πυριτίου ήταν σε διαστημικά προγράμματα. Η επίγεια εφαρμογή των φωτοβολταϊκών συστημάτων αναπτυσσόταν πολύ αργά και η χρήση τους άρχισε ουσιαστικά μετά το 1975. Η παραγωγή ενέργειας με την βοήθεια των φωτοβολταϊκών
-3- συστημάτων συνάρπασε όχι μόνο τους ερευνητές αλλά και το ευρύ κοινό με βασικά πλεονεκτήματα τους τα εξής: - Η άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. - Δεν υπάρχουν μηχανικά κινούμενα μέρη, δεν υπάρχει κανένας θόρυβος. - Αποδοτικά σε υψηλές θερμοκρασίες. - Δεν μολύνουν το περιβάλλον. - Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής με ελάχιστη συντήρηση, κυρίως επειδή λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη. - Εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια που δεν έχει κόστος αγοράς, είναι κατανεμημένη σε κάθε σημείο του πλανήτη και είναι ανεξάντλητη. - Τα φωτοβολταϊκά είναι μία πολύ ευέλικτη πηγή ενέργειας, η ισχύς τους κυμαίνεται από mw μέχρι MW. 1.3.1 Η ΦΥΣΙΚΗ ΑΡΧΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Η λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική δεν στηρίζεται μόνο στην ηλιακή ακτινοβολία αλλά επίσης στις βασικές ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών. Οι ημιαγωγοί είναι στερεά και όπως τα μέταλλα η ηλεκτρική αγωγιμότητά τους είναι βασισμένη στα κινητά ηλεκτρόνια. Οι ιοντικοί αγωγοί δεν εξετάζονται εδώ. Η αρχική εκτίμηση εδώ είναι το επίπεδο αγωγιμότητας: - αγωγοί σε μια αγωγιμότητα σ > 10 4 (Ωcm) 1 - ημιαγωγοί σε μια αγωγιμότητα 10 4 > σ > 10 8 (Ωcm) 1 - (μονωτές) σε μια αγωγιμότητα σ < 10 8 (Ωcm) 1 Η θερμική συμπεριφορά της αγωγιμότητας αποτελεί τη βάση για την ταξινόμηση. Εκεί τα μέταλλα και οι ημιαγωγοί συμπεριφέρονται με αντίθετο τρόπο. Εκτιμώντας την αγωγιμότητα των μετάλλων, αυτή μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας ενώ σε ημιαγωγούς αυξάνει σε μεγάλο βαθμό. Οι ημιαγωγοί έχουν την ικανότητα να απορροφούν το φως και να παραδίδουν ένα μέρος της ενέργειας των απορροφώμενων φωτονίων στους φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος. Η βάση της φωτοβολταϊκής μετατροπής επομένως είναι, η απορρόφηση φωτονίων κατάλληλης ενέργειας από το αντίστοιχο ημιαγωγικό υλικό. Η φυσική αρχή των φωτοβολταϊκών, κατά κανόνα, βασίζεται σε κρυσταλλικούς ημιαγωγούς και ειδικότερα κρυσταλλικού πυριτίου. 1.3.2 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Το άτομο του πυριτίου έχει 14 ηλεκτρόνια τοποθετημένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε τα 4 εξωτερικά, που λέγονται και ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να δοθούν, να γίνουν αποδεκτά ή να μοιρασθούν με ένα άλλο άτομο. Ένας μεγάλος αριθμός ατόμων, μέσω των ηλεκτρονίων σθένους, μπορούν να αλληλοσυνδεθούν με δεσμούς και να σχηματίσουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα δημιουργώντας ένα στερεό (σχήμα 1.2). Όταν ηλιακό φως πέσει σε κρυσταλλικό πυρίτιο, είναι δυνατόν να ανακλαστεί, να διαπεράσει τον κρύσταλλο ή να απορροφηθεί. Στη τελευταία περίπτωση, αν το φως είναι
-4- χαμηλής ενέργειας, τα άτομα του πυριτίου ταλαντώνονται περί την σταθερή θέση τους χωρίς να χαλαρώνουν οι δεσμοί μεταξύ τους, ενώ τα ηλεκτρόνια των δεσμών αποκτώντας μεγαλύτερη ενέργεια ανεβαίνουν σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες που δεν είναι ευσταθείς, οπότε τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν σύντομα στις αρχικές χαμηλότερες ενεργειακές στάθμες, αποδίδοντας υπό μορφή θερμότητας την ενέργεια που είχαν κερδίσει. Από την άλλη μεριά, αν το φως έχει αρκετή ενέργεια είναι δυνατόν να αλλάξει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του κρυστάλλου. Έτσι, το ηλεκτρόνιο ενός δεσμού είναι δυνατόν να αποχωρισθεί τη θέση του στον κρύσταλλο και να μετακινηθεί στη ζώνη αγωγιμότητας αφήνοντας πίσω στη ζώνη σθένους ένα δεσμό από τον οποίον λείπει ένα ηλεκτρόνιο, που καλείται οπή (σχήμα 1.3). Αυτή η οπή λειτουργεί σαν ένα θετικό φορτίο το οποίο κινείται μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα, καθώς κάποιο άλλο ηλεκτρόνιο από γειτονικό άτομο συμπληρώνει το δεσμό, αφήνοντας πίσω του μια νέα οπή κ.ο.κ. Παρόλα αυτά, τα ηλεκτρόνια και οι οπές που δημιουργούνται μ αυτόν τον τρόπο δεν είναι αρκετά για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, αφενός γιατί η κίνηση των φορτίων είναι τυχαία και αφετέρου γιατί σε μικρό χρονικό διάστημα τα ηλεκτρόνια και οι οπές επανασυνδέονται αποδίδοντας θερμική ενέργεια. Έτσι, για τη παραγωγή ρεύματος είναι απαραίτητος και ένας άλλος μηχανισμός, το φράγμα δυναμικού. Σχήμα 1.2: Κρυσταλλική δομή του πλέγματος του πυριτίου [4]. Σχήμα 1.3: Δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρονίων- Παραγωγή [4]. 1.3.3 ΝΟΘΕΥΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΚΑΙ ΕΠΑΦΗ p-n Το φράγμα δυναμικού μπορεί να επιτευχθεί τεχνικά με τη λεγόμενη επαφή p n. Αυτή η επαφή προκύπτει από την ένωση δύο διαφορετικών τύπων νοθευμένου ημιαγωγού. Νοθεύοντας ένα κρύσταλλο πυριτίου με ένα πεντασθενές υλικό (συνήθως φώσφορο), αντικαθίστανται κάποια άτομα πυριτίου στο κρυσταλλικό πλέγμα με άτομα
-5- φωσφόρου. Τα 4 από τα 5 ηλεκτρόνια σθένους ενός ατόμου φωσφόρου σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα γειτονικά άτομα πυριτίου, ενώ το πέμπτο ηλεκτρόνιο δε συμμετέχει σε δεσμό μεταξύ ατόμων. Τα επιπλέον ηλεκτρόνια βρίσκονται σε μια ενδιάμεση κατάσταση σε σχέση με τη ζώνη σθένους και τη ζώνη αγωγιμότητας, πλησιάζοντας ενεργειακά τη δεύτερη. Έτσι δημιουργείται ένας κρύσταλλος με περίσσεια ηλεκτρονίων, χωρίς να υπάρχει αντίστοιχος αριθμός οπών, άρα και πιθανότητα επανασύνδεσης με αυτές. Αντίστοιχα, αν νοθεύσουμε έναν κρύσταλλο πυριτίου με τρισθενές υλικό (συνήθως βόριο), αντικαθίστανται κάποια άτομα πυριτίου με άτομα βορίου. Τα τρία ηλεκτρόνια σθένους ενός ατόμου βορίου σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τρία γειτονικά άτομα πυριτίου, ενώ ο τέταρτος δεσμός μένει χωρίς ηλεκτρόνιο, σχηματίζοντας μία οπή, που βρίσκεται από ενεργειακή άποψη λίγο πιο πάνω από τη ζώνη σθένους. Έτσι δημιουργείται κρύσταλλος με περίσσεια οπών, οι οποίες κινούνται ελεύθερα μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα, χωρίς κίνδυνο επανασύνδεσης με ηλεκτρόνια. Ο κρύσταλλος με προσμίξεις που δίνουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο λέγεται τύπου n και ο κρύσταλλος με προσμίξεις που έχουν ένα ηλεκτρόνιο λιγότερο λέγεται τύπου p. Η δομή των κρυστάλλων των δύο τύπων φαίνεται στο σχήμα 1.4. Σε ένα υλικό τύπου n τα ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτία) αποτελούν τους φορείς πλειονότητας, ενώ οι οπές τους φορείς μειονότητας. Αντίστροφα, σε ένα υλικό τύπου p τους φορείς πλειονότητας αποτελούν οι οπές (θετικά φορτία), ενώ τους φορείς μειονότητας τα ηλεκτρόνια. Αν φέρουμε σε επαφή έναν κρύσταλλο τύπου n με έναν κρύσταλλο τύπου p, αρχίζει διάχυση ηλεκτρονίων από την περιοχή p στην περιοχή τύπου n και διάχυση οπών προς την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι στην περιοχή γύρω από την επαφή των δύο κρυστάλλων έχουμε μαζική επανασύνδεση οπών με ηλεκτρόνια. Αυτή η διαδικασία έχει σαν αποτέλεσμα την απογύμνωση της περιοχής από φορείς πλειονότητας, γι αυτό καλείται περιοχή απογύμνωσης. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται θετικό φορτίο στην πλευρά τύπου n της περιοχής απογύμνωσης, καθώς στα άτομα του φωσφόρου αντιστοιχεί ένα ηλεκτρόνιο λιγότερο και δημιουργείται θετικό φορτίο, ενώ από την άλλη, στην πλευρά τύπου p στα άτομα του βορίου αντιστοιχεί ένα ηλεκτρόνιο περισσότερο οπότε δημιουργείται αρνητικό φορτίο. Τελικά δημιουργείται ένα φράγμα δυναμικού, που μεγαλώνει όσο συνεχίζεται η διάχυση των φορέων, μέχρι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου να αποτρέπει την περεταίρω διάχυση φορέων, οπότε και σταθεροποιείται η επαφή p n (σχήμα 1.4). Πάντως το ολικό φορτίο του κρυστάλλου παραμένει μηδενικό, καθώς δεν έχουν εξαφανιστεί ή προστεθεί φορτία. Απλά έχουν αναδιαταχθεί γύρω από την περιοχή απογύμνωσης.
-6- Σχήμα 1.4: Περιοχή απογύμνωσης και δημιουργία φράγματος δυναμικού [5]. 1.3.4 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΡΕΥΜΑΤΟΣ Το ηλιακό κύτταρο αποτελείται στο εσωτερικό του από κρυστάλλους νοθευμένου πυριτίου που σχηματίζουν μεταξύ τους επαφή p n. Όταν το ηλιακό κύτταρο εκτίθεται σε φως, τότε τα φωτόνια, με ενέργεια ικανή να μεταφέρει ένα ηλεκτρόνιο από τη ζώνη σθένους του πυριτίου στη ζώνη αγωγιμότητας, δημιουργούν ζεύγη οπής ηλεκτρονίου. Έστω ότι δημιουργείται ένα τέτοιο ζευγάρι στην περιοχή τύπου n. Η οπή που δημιουργείται, πολύ γρήγορα επανασυνδέεται με κάποιο από τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε περίσσεια στην περιοχή, με απόδοση της ενέργειας του ηλεκτρονίου στο υλικό με τη μορφή θερμότητας. Αν όμως το ζεύγος οπής ηλεκτρονίου δημιουργηθεί μέσα ή πολύ κοντά στην περιοχή απογύμνωσης, ώστε η οπή να βρεθεί μέσα σ αυτήν, πριν επανασυνδεθεί, τότε θα επιταχυνθεί από το ηλεκτρικό πεδίο της περιοχής απογύμνωσης προς την περιοχή τύπου p. Την ίδια στιγμή το ηλεκτρόνιο θα καταλήξει στην περιοχή τύπου n. Αντίστοιχη κατάληξη θα έχουν τα περισσότερα ζεύγη που θα προκύψουν κοντά ή μέσα στην περιοχή απογύμνωσης. Έτσι δημιουργείται μεγάλο πλεόνασμα οπών στην περιοχή p και ηλεκτρονίων στην περιοχή n με αποτέλεσμα την εμφάνιση τάσης στα άκρα του ηλιακού κυττάρου και την εμφάνιση ρεύματος, εφόσον συνδεθούν τα άκρα του κυττάρου σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Αρνητικά φορτία ρέουν από το ηλεκτρόδιο που βρίσκεται στο υλικό τύπου n, μέσω του φορτίου (παράγοντας ωφέλιμο έργο στο φορτίο) στο υλικό τύπου p, όπου επανασυνδέονται με οπές κοντά στο ηλεκτρόδιο (σχήμα 1.5).
-7- Σχήμα 1.5: Φως παράγει ζεύγη ηλεκτρονίων οπών, το φράγμα δυναμικού διαχωρίζει τους φορείς στις δύο απέναντι πλευρές του κυττάρου, δημιουργώντας μια τάση που κυκλοφορεί ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα [4]. 1.4 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ [4,6,12] Για να κατανοηθεί η ηλεκτρική συμπεριφορά των ηλιακών κυττάρων, είναι χρήσιμο να δημιουργηθεί ένα πρότυπο το οποίο είναι ηλεκτρικά ισοδύναμο, και βασίζεται σε διακριτά ηλεκτρικά στοιχεία των οποίων η συμπεριφορά είναι γνωστή. Ένα ιδανικό ηλιακό κύτταρο μπορεί να μοντελοποιηθεί από μία πηγή ρεύματος παράλληλα συνδεδεμένη με μία δίοδο. Στην πράξη όμως δεν υπάρχει ιδανικό ηλιακό κύτταρο, έτσι προστίθενται στο μοντέλο μία σε σειρά αντίσταση R S (παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή των φορέων στη δίοδο) και μία παράλληλα συνδεδεμένη αντίσταση R SH (οφείλεται σε απώλειες διαρροής του ρεύματος μεταξύ των άκρων του ΦΒ στοιχείου). Το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα 1.6. Σχήμα 1.6: Ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου [6].
-8- Από το ισοδύναμο κύκλωμα διαπιστώνεται ότι, το ρεύμα που παράγεται από το ηλιακό κύτταρο ισούται με αυτό που παράγεται από την πηγή ρεύματος μείον το ρεύμα της διόδου και μείον το ρεύμα που περνά από την αντίσταση R SH. Η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου σε στατικές καταστάσεις περιγράφεται από την εξίσωση (1.1). (1.1) όπου: V T k T Q n cell I cell V cell I Lcell = η θερμική τάση (σε V). Δίνεται από τη σχέση V T = kt, για θερμοκρασία q δωματίου (27 0 C = 300 Kelvin) ισούται με 25.85 mv. = σταθερά Boltzmann (1, 38* 10 23 Joule/Kelvin). = απόλυτη θερμοκρασία του κυττάρου σε βαθμούς Kelvin (0 0 C = 273 Kelvin). = φορτίο ηλεκτρονίου (1,6022 10 19 Coulomb). = συντελεστής διόρθωσης, που οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης και μη ιδανικής διάχυσης, τα οποία συμβαίνουν στην περιοχή της p-n επαφής. Λαμβάνει τιμές μεταξύ 1 και 2. = το ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου. = η τάση στην έξοδο του κυττάρου. = φωτόρευμα, δηλαδή το ρεύμα που παράγεται λόγω του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός επί του κυττάρου. I ocell = ρεύμα κόρου της διόδου με τιμές μεταξύ 10 4-10 15 A. R s,cell = σε σειρά αντίσταση του κυττάρου. Παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά την ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό που βρίσκεται στην πλευρά που προσπίπτει το φως και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού-ωμικής επαφής και την ωμική επαφή. Η αντίσταση R s,cell είναι συνήθως μικρότερη από 1 Ω. R sh,cell = είναι αντίσταση παράλληλη στο φωτοβολταϊκό κύτταρο και οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν είτε στην επαφή p-n ( επανασύνδεση ), είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου ( επιφανειακή διαρροή ), είτε σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλη την επιφάνεια του κυττάρου ούτε μεταξύ δύο ομοίων κυττάρων. Η αντίσταση είναι συνήθως της τάξης των KΩ.
-9- Η αναπαράσταση της I V χαρακτηριστικής του κυττάρου γίνεται στο πρώτο τεταρτημόριο όπως φαίνεται στο σχήμα 1.7 μαζί με τη γραφική της ισχύος: Σχήμα 1.7: Καμπύλες I-V και P-V φωτοβολταϊκού στοιχείου Si για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας [6]. Στην χαρακτηριστική καμπύλη I V υπάρχει ένα σημείο (V m, I m ) στο οποίο η ισχύς λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της (σχήμα 1.7). Το σημείο αυτό ονομάζεται σημείο μέγιστης ισχύς (maximum power point, MPP). Η μέγιστη ισχύς των φωτοβολταϊκών στοιχείων δίνεται από τη σχέση (1.2) P m= I m V m. (1.2) Η μέγιστη ισχύς P m δίνεται από τους κατασκευαστές μετρημένη υπό ειδικές σταθερές συνθήκες (Standard Test Condition, STC), οι οποίες αντιστοιχούν σε ακτινοβολία 1000 W/m 2, τιμή αέριας μάζας ΑΜ=1.5 και θερμοκρασία 25 0 C. Ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι ο συντελεστής πληρώσεως (Fill Factor, FF), που υπολογίζεται από το πηλίκο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος P m, προς το γινόμενο του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc και της τάσης V oc ανοιχτού κυκλώματος και δίνεται από τη σχέση (1.3) Ο συντελεστής αυτός είναι ένα μέτρο του πόσο «τετράγωνη» είναι η I V καμπύλη. Τυπικές τιμές βρίσκονται μεταξύ 0.7 και 0.85. (1.3)
-10- Σχήμα 1.8: Χαρακτηριστικές καμπύλες Ι V, I P του φωτοβολταϊκού στοιχείου [6]. Ο βαθμός απόδοσης του ηλιακού κυττάρου δίνεται από τη σχέση (1.4) P V I FF I V η = = = P G A G A m m m sc oc in, (1.4) όπου G είναι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω στην επιφάνεια A του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Η απόδοση η, εξαρτάται από το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc, την τάση ανοιχτού κυκλώματος V oc και το συντελεστή πλήρωσης FF και ισούται με το λόγο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος του φωτοβολταϊκού στοιχείου, προς την προσπίπτουσα ακτινοβολία ανά μονάδα επιφανείας. Παρατηρώντας τις χαρακτηριστικές του φωτοβολταϊκού στοιχείου, (σχήμα 1.7 και 1.8) φαίνεται ότι η μέγιστη τιμή της ισχύος, επιτυγχάνεται για ένα συγκεκριμένο ζεύγος τιμών τάσης V m και ρεύματος I m, για το οποίο η χαρακτηριστική (P V) της ισχύος ως προς την τάση παρουσιάζει μέγιστο. Διαφορετικά μπορεί να ειπωθεί, ότι για τις τιμές αυτές των V m, I m, το εμβαδόν του ορθογωνίου που σχηματίζεται από την I V καμπύλη και τους άξονες τάσης και έντασης ρεύματος, γίνεται μέγιστο. 1.5 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ [10,11] Τύποι φωτοβολταϊκών συστημάτων πυριτίου «μεγάλου πάχους» : 1. Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου ( Single Crystalline siicon, sc-si ) Το πάχος τους είναι γύρω στα 0,3 χιλιοστά. Η απόδοση τους στην βιομηχανία κυμαίνεται από 15-18% για το πλαίσιο. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7%. Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέση απόδοσης/επιφάνειας ή «ενεργειακής
-11- πυκνότητας». Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι το υψηλό κόστος κατασκευής σε σχέση με τα πολυκρυσταλλικά. Βασικές τεχνολογίες παραγωγής μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών είναι η μέθοδος CZ (Czochralski) και η μέθοδος FZ (Float Zone). Αμφότερες βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου. 2. Φωτοβολταϊκά κελιά πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Multi Crystalline silicon, mc-si) Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3 χιλιοστά. Η μέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από αυτήν των μονοκρυσταλλικών γι' αυτό και η τιμή τους είναι συνήθως λίγο χαμηλότερη. Οπτικά μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση οι μονοκρυσταλλικές περιοχές τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κελιά. Σε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ στο εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13 έως και 15% για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (πάνελ). Βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι: η μέθοδος απ' ευθείας στερεοποίησης DS (Directional Solidification), η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου («χύτευση»), και η ηλεκτρομαγνητική χύτευση EMC. 3. Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Πρόκειται για μια σχετικά νέα τεχνολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων. Αναπτύσσεται από την Evergreen Solar. Προσφέρει έως και 50% μείωση στην χρήση του πυριτίου σε σχέση με τις «παραδοσιακές τεχνικές» κατασκευής μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών κυψελών πυριτίου. Η απόδοση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία του έχει φτάσει πλέον γύρω στο 12-13% ενώ το πάχος του είναι περίπου 0,3 χιλιοστά. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις της τάξης του 18%. Τύποι φωτοβολταϊκών συστημάτων λεπτής στρώσης (thin film): 1. Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός (CuInSe2 ή CIS με προσθήκη Γαλλίου CIGS) Ο Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτον φως, αλλά παρόλα αυτά η απόδοσή του με τις σύγχρονες τεχνικές κυμαίνεται στο 11% (πλαίσιο). Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8%, η οποία είναι και η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Με την πρόσμιξη Γάλλιου CIGS η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο. Το πρόβλημα που υπάρχει είναι ότι το Ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στην φύση. 2. Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (Thin film silicon - a-si) Αυτά τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων, οι οποίες
-12- παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού (πυρίτιο στην περίπτωση μας) πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης, χαμηλού κόστους όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Έτσι και λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται η τιμή τους είναι γενικότερα αρκετά χαμηλότερη. Ο χαρακτηρισμός «άμορφο φωτοβολταϊκό» προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Οι επιδόσεις που επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά thin films πυριτίου κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14%. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα για το φωτοβολταϊκό στοιχείο a-si είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζεται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης του σε σχέση με τα κρυσταλλικά ΦΒ, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). Το μειονέκτημα των άμορφων πλαισίων είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα κάτι που σημαίνει ότι για να παράγουμε την ίδια ενέργεια χρειαζόμαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Επίσης υπάρχουν αμφιβολίες όσων αφορά την διάρκεια ζωής των άμορφων πλαισίων μιας και δεν υπάρχουν στοιχεία από παλιές εγκαταστάσεις αφού η τεχνολογία είναι σχετικά καινούρια. Παρόλα αυτά οι κατασκευαστές πλέον δίνουν εγγυήσεις απόδοσης 20 ετών. Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001 χιλιοστά ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3 χιλιοστά. 3. Τελουριούχο Κάδμιο (CdTe) Το Τελουριούχο Κάδμιο έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο 1eV το οποίο είναι πολύ κοντά στο ηλιακό φάσμα κάτι που του δίνει σοβαρά πλεονεκτήματα, όπως τη δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8%. Στο εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φθάσει το 16%. 4. Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Το Γάλλιο είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και από τον χρυσό. Το Αρσένιο δεν είναι σπάνιο άλλα έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Το αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43eV που είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στην μορφή πολλαπλών συνενώσεων (multijunction) είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες γεγονός που επιβάλλει σχεδόν την χρήση τους σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων (solar concentrators). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν σε πολύ υψηλές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας, για αυτό αλλά και λόγω της πολύ υψηλής απόδοσης του ενδείκνυται για διαστημικές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs υποστρώματος.
-13- Υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία: Ένα υβριδικό φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται από στρώσεις υλικών διαφόρων τεχνολογιών, HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer). Τα ποιο γνωστά εμπορικά υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου (πάνω και κάτω) ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μια στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου που φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές στο 17,2% και το οποίο σημαίνει ότι χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν απόδοση 19,7%. Άλλα πλεονεκτήματα για τα υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η υψηλή τους απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση στην διαχεόμενη ακτινοβολία. Φυσικά, αφού προσφέρει τόσα πολλά, το υβριδικό φωτοβολταϊκό είναι και κάπως ακριβότερο σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πλαίσια. Σύγκριση της απόδοσης και της επιφάνειας των διαφόρων τεχνολογιών φωτοβολταϊκών κυττάρων που κυκλοφορούσαν στην αγορά στις αρχές 2011 (Πίνακας 1.9). Πίνακας 1.9: Συγκριτικός πίνακας φωτοβολταϊκών τεχνολογιών [11].
-14-1.6 ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝ [4,8,11,16] Φωτοβολταϊκό στοιχείο ή φωτοβολταϊκό κύτταρο (PV cell): Είναι η ηλεκτρονική διάταξη που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν δέχεται ακτινοβολία (σχήμα 1.10). Λόγω της μικρής ατομικής ισχύoς των ηλιακών κυττάρων, κρίνεται απαραίτητη η σύνδεση πολλών ηλιακών κυττάρων για να επιτευχθεί η απαραίτητη ισχύς εξόδου. Η τάση εξόδου σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο δεν υπερβαίνει τα 0.7 V και το ρεύμα εξόδου δεν υπερβαίνει το 1 Α, μεγέθη πολύ μικρά για χρήση. Λόγω της μικρής ισχύος του, κρίνεται απαραίτητη η σύνδεση πολλών ηλιακών κυττάρων σε σειρά ή παράλληλα ή σε συνδυασμό των δυο συνδεσμολογιών, κατασκευάζοντας έτσι ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Σχήμα 1.10: Φωτοβολταϊκά κύτταρα [11]. Στη συνέχεια δίνονται κάποιοι βασικοί ορισμοί ομαδοποιημένων ηλιακών κυττάρων: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο (module): Ένα σύνολο φωτοβολταϊκών στοιχείων που είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα και αποτελεί τη βασική δομική μονάδα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας φαίνεται στο σχήμα 1.11. Σχήμα 1.11: Φωτοβολταϊκό πλαίσιο [11].
-15- Φωτοβολταϊκό πάνελ (PV panel): Ένα ή περισσότερα φωτοβολταϊκά πλαίσια, που έχουν προκατασκευαστεί και συναρμολογηθεί σε ενιαία κατασκευή, έτοιμη για να εγκατασταθεί σε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση παρουσιάζεται στο σχήμα 1.12. Σχήμα 1.12: Φωτοβολταϊκό πάνελ [16]. Φωτοβολταϊκή ή Ηλιακή συστοιχία (PV array): Αποτελείται από ένα σύνολο φωτοβολταϊκών πλαισίων συνδεδεμένων μεταξύ τους και πάνω σε μια βάση στήριξης, ώστε να σχηματίζουν μια μονάδα παροχής ισχύος, υπό συνεχή τάση (σχήμα 1.13). Σχήμα 1.13: Ηλιακή συστοιχία [11]. Στο σχήμα 1.14 παρατηρείται η αλλαγή που προκύπτει στις ηλεκτρικές παραμέτρους και η χαρακτηριστική I-V καμπύλη ενός συνόλου ίδιων ηλιακών στοιχείων συνδεδεμένων σε σειρά και παράλληλα.
-16- Σχήμα 1.14: I-V χαρακτηριστική καμπύλη ενός συνόλου ίδιων ηλιακών στοιχείων συνδεδεμένων σε σειρά και παράλληλα [4]. Είναι γνωστό ότι υπό ιδανικές συνθήκες δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές τάσης σε σειρά προστίθενται όπως προστίθενται και δύο ή περισσότερες πηγές ρεύματος που συνδέονται παράλληλα. Για τον λόγο αυτό τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που προορίζονται για τη συγκρότηση φωτοβολταϊκών γεννητριών συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα και τοποθετούνται σε ενιαίο πλαίσιο με κοινή ηλεκτρική έξοδο ώστε να τροφοδοτούν στην έξοδο τους με την επιθυμητή από τον κατασκευαστή τάση και ισχύ. Όταν τα ηλιακά κύτταρα έχουν τα ίδια ακριβώς χαρακτηριστικά, η μέγιστη ισχύς που παίρνουμε από ένα Φ/Β πλαίσιο ισούται με το γινόμενο της μέγιστης ισχύος που μπορεί να τροφοδοτήσει κάθε στοιχείο ξεχωριστά, επί τον αριθμό των στοιχείων. Η μέγιστη τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού πλαισίου προσδιορίζεται από τον αριθμό των συγκεκριμένων ηλιακών στοιχείων που συνδέονται σε σειρά και το μέγιστο ρεύμα στην έξοδο (για κανονικά επίπεδα ηλιοφάνειας) προσδιορίζεται από τον αριθμό των στοιχείων (ή ομάδα εν σειρά στοιχείων) που συνδέονται παράλληλα. Τα στάδια δημιουργίας Ηλιακής Συστοιχίας φαίνονται στο σχήμα 1.15.
-17- Σχήμα 1.15: Ηλιακό κύτταρο, ηλιακό πλαίσιο, ηλιακό πάνελ και ηλιακή συστοιχία [8]. 1.7 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ [6,9,13,14,15] Για να λειτουργήσουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα επιτυχώς κατά τη διάρκεια μιας αναμενόμενης διάρκειας ζωής, απαιτείται έρευνα σε όλες τις πτυχές. Οι εκτιμήσεις ισχύος των φωτοβολταϊκών συστημάτων δεν δίνουν συνήθως μια ακριβή ένδειξη της απόδοσης τους. Τα αποτελέσματα ερευνών, επίσης, έδειξαν ότι οι μετεωρολογικές συνθήκες θα μπορούσαν να προκαλέσουν μείωση μέχρι και 18% της πιθανής ισχύος τους. Η θερμοκρασία και η ηλιακή ακτινοβολία είναι οι δυο βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Άλλοι περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως ο αέρας, η βροχή, η κάλυψη σύννεφων και η διανομή του ηλιακού φάσματος, επηρεάζουν τη θερμοκρασία, κάτω από την οποία τα συστήματα λειτουργούν, καθώς και την αναμενόμενη προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Ορισμένοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι: 1. Θερμοκρασία Η απόδοση των φωτοβολταϊκών συστημάτων επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα λειτουργούν ιδανικά συνήθως σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 C. Τις περισσότερες φορές όμως, η θερμοκρασία του συστήματος υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας διαφέρει σημαντικά κυρίως κατά την διάρκεια των θερινών μηνών. Οι υψηλές θερμοκρασίες της κυψέλης έχουν αρνητική επίδραση στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διαφοράς δυναμικού της ηλιακής κυψέλης με αποτέλεσμα, όταν ένα φορτίο συνδεθεί στα άκρα του, η διαφορά δυναμικού να είναι αισθητά μειωμένη. Σε περίπτωση που τα φωτοβολταϊκά συστήματα λειτουργούν σε θερμοκρασίες πάνω από την ενδεικτική τιμή, τότε η δυναμική παραγωγική ενέργεια τους μπορεί να μειώνεται περισσότερο από το 14%.
-18- Η αύξηση της θερμοκρασίας επιδρά στην αποτελεσματικότητα των ηλιακών κυψελών και μάλιστα η σχέση των δυο αυτών μεγεθών είναι αντιστρόφως ανάλογη. Στο σχήμα 1.16 παρουσιάζεται η εξάρτηση της χαρακτηριστικής Ι-V από τη θερμοκρασία. Σχήμα 1.16: Επίδραση της θερμοκρασίας στις ηλεκτρικές ιδιότητες του φωτοβολταϊκού στοιχείου [14]. 2. Ηλιακή ακτινοβολία Η ενέργεια που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα σε ετήσια βάση, είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία και ως εκ τούτου, εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση εγκατάστασης του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, όταν αναφέρεται ο όρος ηλιακή ακτινοβολία εννοείται η σύσταση της ακτινοβολίας. Δηλαδή, δυο δέσμες ακτινοβολίας ίδιας ισχύος αλλά διαφορετικού μήκους κύματος μπορούν να προκαλέσουν σε μια κυψέλη διαφορετική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και επομένως να διαμορφώσουν διαφορετικό βαθμό απόδοσης. Η επιρροή της ηλιακής ακτινοβολίας διαφέρει για τις διάφορες παραμέτρους εξόδου. Η επίδραση μπορεί να εξηγηθεί καλύτερα λαμβάνοντας υπ' όψιν την διαφορά του ρεύματος και της ηλεκτρικής τάσης που δημιουργείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Η αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος που οφείλεται στην αυξανόμενη παραγωγή ηλεκτρονίων (λόγω της αυξανόμενης ροής των φωτονίων) και ως εκ τούτου, μεγαλύτερη παραγόμενη ισχύ. 3. Ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου Η ταχύτητα του ανέμου, μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου καθότι μεγάλες ταχύτητες, έχουν ως αποτέλεσμα χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας του. Όταν οι ανεμισμοί είναι ψυχροί, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με αυτές
-19- που θα λειτουργούσαν εάν υπήρχε άπνοια, υπό τα ίδια ποσοστά της προσπίπτουσας ακτινοβολίας με συνέπεια να αυξάνεται η απόδοσή τους. 4. Ρύπανση Η ηλεκτροπαραγωγή των φωτοβολταϊκών πλαισίων μπορεί να μειωθεί από την επικάθηση σκόνης, φύλλων, χιονιού, αλατιού από τη θάλασσα, εντόμων και άλλων ακαθαρσιών στην επιφάνειας τους. Η μείωση είναι σημαντικότερη σε αστικές και βιομηχανικές περιοχές λόγω της αιθάλης που αιωρείται στην ατμόσφαιρα και προσκολλάται ισχυρά στη γυάλινη ή πλαστική επιφάνεια των φωτοβολταϊκών πλαισίων, χωρίς να μπορεί η βροχή να την ξεπλύνει αρκετά. Στις περιπτώσεις αυτές χρειάζεται να γίνεται περιοδικός καθαρισμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων με απορρυπαντικό. Πάντως, σε περιοχές με συχνές χιονοπτώσεις ή ανεμοθύελλες, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται συνήθως με κλίση 90 ο (κάθετοι), για την αποφυγή συσσώρευσης χιονιού, ή τουλάχιστον 45 ο για να μην συγκρατείται η σκόνη. Όταν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια βρίσκονται σε μία περιοχή που εκτιμάτε ότι ο βαθμός ρύπανσης είναι σημαντικός, είναι σκόπιμο να προβλέπεται στους υπολογισμούς η αντίστοιχη μείωση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 5. Σκίαση Ένας άλλος παράγοντας επίδρασης της DC ενεργειακής απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι η σκίαση. Το φαινόμενο της σκίασης εμφανίζεται είτε σε περιπτώσεις που συναντώνται εμπόδια στον ορίζοντα των πλαισίων όπως παρακείμενα κτήρια, βλάστηση κλπ, είτε σε περιπτώσεις με περιορισμένη έκταση εγκατάστασης όπως για παράδειγμα στις στέγες κτηρίων, όπου προκαλείται σκίαση από τη μία σειρά στην επόμενη. Ιδιαίτερα στη δεύτερη περίπτωση, οι επιπτώσεις της σκίασης μπορεί να είναι σημαντικές και για το λόγο αυτό, είναι αναγκαίος ο λεπτομερής προσδιορισμός των απωλειών που προκαλούν. Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο, αποτελείται από ηλιακές κυψέλες όμοιων ηλεκτρικών χαρακτηριστικών συνδεδεμένων σε σειρά. Συνεπώς, η σκίαση ή η βλάβη μιας και μόνο ηλιακής κυψέλης, θα μπορούσε να επιφέρει ολική αχρήστευση του πλαισίου. Μια σκιασμένη κυψέλη, συμπεριφέρεται κατά βάση όπως η δίοδος, η οποία, όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, δέχεται από τις υπόλοιπες κυψέλες, οι οποίες δεν αντιμετωπίζουν αστοχίες, μία υψηλή ανάστροφη τάση. Αν οι υπόλοιπες ηλιακές κυψέλες του πλαισίου είναι μεγάλου πλήθους, αυτή η τάση μπορεί να φτάσει την τάση διάσπασης της σκιασμένης διόδου, προκαλώντας την καταστροφή της. Στην πράξη, για τα τυπικά φωτοβολταϊκά πλαίσια, η σκιασμένη κυψέλη λειτουργεί ως μία μεγάλη αντίσταση, όπου αποδίδεται η ενέργεια που προσφέρουν τα υπόλοιπα. Παρατεταμένος σκιασμός μιας κυψέλης σε συνδυασμό με έντονο φωτισμό των υπολοίπων μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή της κυψέλης αυτής και κατά συνέπεια στην αχρήστευση όλου του πλαισίου, επειδή δεν υπάρχει δυνατότητα αντικατάστασης μιας «κατεστραμμένης» κυψέλης. Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται ως φαινόμενο hot spot (φαινόμενο θερμής κηλίδας). Για να αποτραπεί μία τέτοια εξέλιξη, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο εφοδιάζεται με διόδους (δίοδοι παράκαμψης), οι οποίες συνδέονται παράλληλα σε τμήματα των κυψελών που είναι συνδεδεμένες σε σειρά, επιτρέποντας έτσι την χρησιμοποίηση του