ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ ΜΕ ΟΙΚΙΣΚΟΥΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ STUDY PHOTOVOLTAIC PARK WITH SUBSTATIONS ON PRODUCTION OF ELECTRIC ENERGY OF MEDIUM VOLTAGE ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΚΩΝΣΤΑΤΙΝΟΥ ΙΩΑΝΝΗΣ ΑΕΜ: 2180 ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ: ΒΟΡΔΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΚΑΒΑΛΑ 2013
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3 INDUCTION... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ & ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 Ενέργεια... 5 1.2 Οι πηγές ενέργειας σήμερα... 7 1.3 Κύριες πηγές ενέργειας σήμερα 8 1.4 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας... 10 1.5 Περιβάλλον και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. 17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 2.1 Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία... 20 2.2 Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα 20 2.3 Μέλαν σώμα. 22 2.4 Χαρακτηριστικά μεγέθη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 22 2.5 Ο ήλιος.. 25 2.6 Ηλιακή σταθερά 25 2.7 Ολική, απευθείας διάχυτη και διάχυτα ανακλώμενη ακτινοβολία... 27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΉ ΤΕΧΝΟΛΟΓΊΑ 3.1 Αρχή λειτουργίας φωτοβολταϊκού στοιχείου... 29 3.2 Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων... 31 3.2.1 Μονοκρυσταλλικά στοιχεία πυριτίου... 32 3.2.2 Πολυκρυσταλλικά στοιχεία πυριτίου 33 3.2.3 Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός.. 33 3.2.4 Στοιχεία άμορφου πυριτίου... 34 3.2.5 Τελουριούχο κάδμιο.. 35 3.2.6 Αρσενικούχο Γάλλιο. 35 3.2.7 Υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. 36 3.3 Βαθμός απόδοσης Απώλειες.. 36 3.4 Μοντελοποίηση ηλιακών κελιών. 38 3.5 Επίδραση έντασης ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. 41 3.6 Από τα φωτοβολταϊκά κελιά στα φωτοβολταϊκά πάνελ... 43 3.6.1 Παράλληλη σύνδεση κελιών. 43 3.6.2 Σύνδεση κελιών σε σειρά.. 45 3.7 Η επίδραση της σκίασης... 46 3.8 Φωτοβολταϊκά συστήματα 49 3.8.1 Εκτός δικτύου ή αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα 49 3.8.2 Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα... 50 3.8.3 Υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήματα 50 3.8.4 Φωτοβολταϊκά συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο 50 3.9 Αντιστροφέας Inverter... 51 3.9.1 Τεχνολογίες αντιστροφέων στα φωτοβολταϊκά συστήματα. 54 [1]
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ 4.1 Νομοθεσία αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας 56 4.2 Θεσμικοί φορείς... 59 4.3 Νομοθεσία σχετικά με την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας. 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΠΑΡΚΟΥ ΜΕ ΟΙΚΙΣΚΟΥΣ ΜΕΣΗΣ ΤΑΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 1.457,51kWp 5.1 Τοποθεσία... 67 5.2 Χωροθέτηση Υπολογισμός στοιχείων φωτοβολταϊκού πάρκου... 69 5.3 Αντικεραυνική προστασία Γειώσεις. 72 5.4 Βάσεις στήριξης φωτοβολταϊκών πάνελ.. 76 5.5 Μετατροπέας (Inverter)... 78 5.6 Φωτοβολταϊκά πάνελ... 79 5.7 Κατασκευή τραπεζιών. 80 5.8 Τοπικοί ηλεκτρολογικοί πίνακες.. 82 5.9 Γενικό μονογραμμικό σχέδιο ηλεκτρολογικής εγκαταστάτης. 87 5.10 Κατασκευή και λειτουργία υποσταθμών Μ.Τ. 89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 Συμπεράσματα... 98 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.. 99 ΥΠΟΜΝΗΜΑ Φωτογραφίες κατασκευής φωτοβολταϊκού πάρκου.. 101 Φυλλάδια ηλεκτρολογικού εξοπλισμού πάρκου 108 Σχέδια πάρκου. (Σε αρχεία PDF) Σχέδια πινάκων (Σε αρχεία PDF) [2]
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) ή ήπιες μορφές ενέργειας είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχεται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεμος, η γεωθερμία, η ενέργεια νερού, ηλιακή, αιολική, βιομάζα μπορούν να προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Είναι η πρώτη μορφή ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος πριν στραφεί έντονα στη χρήση των ορυκτών καυσίμων Ως Α.Π.Ε. θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας (π.χ. του πετρελαίου ή του άνθρακα), Οι ΑΠΕ πρακτικά είναι ανεξάντλητες, η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον ενώ η αξιοποίησή τους περιορίζεται μόνον από την ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών που θα έχουν σαν σκοπό την δέσμευση του δυναμικού τους. Το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη των τεχνολογιών αυτών εμφανίσθηκε αρχικά μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε μετά τη συνειδητοποίηση των παγκόσμιων σοβαρών περιβαλλοντικών προβλημάτων την τελευταία δεκαετία. Για πολλές χώρες, οι ΑΠΕ αποτελούν μια εγχώρια πηγή ενέργειας με ευνοϊκές προοπτικές συνεισφοράς στο ενεργειακό τους ισοζύγιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από το ακριβό εισαγόμενο πετρέλαιο και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού τους εφοδιασμού. Κάθε μορφή έχει τις δικές της ιδιομορφίες και μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε μεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας είτε σε μικρότερες μονάδες όπως στα κτίρια. Οι νέες τεχνολογίες που εξετάζονται σήμερα, κυμαίνονται με βάση την παραγωγή ποσών ενέργειας με παρονομαστή το κόστος, δηλαδή να είναι οικονομικά αποδεκτές και ταυτόχρονα να καλύπτουν υψηλά ποσά ενέργειας. Τελευταία από την Ευρωπαϊκή Ένωση αλλά και πολλά κράτη υιοθετούνται νέες πολιτικές για τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, που προάγουν τέτοιες εσωτερικές πολιτικές και για τα κράτη μέλη. Η παρούσα πτυχιακή εργασία αναφέρεται στη μελέτη εγκατάστασης Φωτοβολταϊκού σταθμού των 1.457,51kWp στην περιοχή της Θήβας. Η μελέτη περιλαμβάνει την διαστασιολόγηση και καθορισμό των παραγόντων του προς εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος, την ανάλυση των ηλεκτρολογικών πινάκων χαμηλής και μέσης τάσης καθώς επίσης και την κατασκευή των υποσταθμών που απατούνται για ένα τόσο μεγάλης ισχύος φωτοβολταϊκό πάρκο. [3]
INDUCTION Renewable energy sources (RES) or "soft power" is a viable form of energy derived from various natural processes, such as wind, geothermal, water power, solar, wind, biomass can provide alternative ways of producing energy. It is the first form of energy used by man before turning sharply to the use of fossil fuels as RES generally seen as alternatives to traditional energy sources (oil or coal), RES is practically inexhaustible, their use does not pollute the environment while its use is limited only by the development of reliable and economically viable technologies that will have commitment as to their potential. The interest in the development of these technologies first appeared after the first oil crisis in 1974 and was consolidated after worldwide awareness of the serious environmental problems in the past decade. For many countries, RES is a domestic energy source with favorable prospects contribution to their energy balance, helping to reduce dependence on expensive imported oil and increase the security of energy supply. Each format has its own peculiarities and can be implemented either in large plants producing electricity and thermal energy or in smaller units such as buildings. The new technologies are discussed, based on varying amounts of energy production costs in the denominator, that is economically acceptable while covering large amounts of energy. Latest from the European Union and many states adopted new policies for the use of renewable energy sources, such as promoting domestic policies and Member States. This thesis refers to the study of photovoltaic power plant 1.457,51 kwp in the area of Thebes. The study involves the sizing and determining factors for installation of photovoltaic systems, analyzing the electrical panel low and medium voltage as well as the construction of substations precedent for such a high power solar farm. [4]
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ & ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 Ενέργεια Η ενέργεια απετέλεσε και αποτελεί τον κινητήριο μοχλό κάθε ανθρώπινης δραστηριότητας. Σ όλη την ιστορική του πορεία, ο άνθρωπος χρησιμοποίησε με εφευρετικότητα τις δυνατότητές που του παρείχε απλόχερα η ίδια η φύση, τη δύναμη της φωτιάς, του νερού, του ανέμου και του ήλιου, με στόχο τη βελτίωση των συνθηκών της διαβίωσής του. Στους πιο πρόσφατους αιώνες, χρησιμοποίησε την ενέργεια από την καύση του κάρβουνου και του πετρελαίου και βρήκε τρόπο να την μετατρέπει στην περισσότερο εξευγενισμένη των μορφών της, τον ηλεκτρισμό. Στα μέσα του 20ου αιώνα, ένας νέος τρόπος παραγωγής ενέργειας ήρθε να δημιουργήσει ελπίδες, για ριζική επίλυση του παγκόσμιου ενεργειακού προβλήματος. Η πυρηνική ενέργεια. Πολύ γρήγορα, όμως, δραματικά γεγονότα ήλθαν να επιβεβαιώσουν, χωρίς περιθώρια αμφισβήτησης, την αδυναμία μας να διασφαλίσουμε την ελεγχόμενη παραγωγή της πυρηνικής ενέργειας. Συνάμα, άρχισαν να επιβεβαιώνονται, με επιστημονικά τεκμηριωμένο τρόπο, οι προβλέψεις για σημαντικές επιβαρυντικές συνέπειες της μέχρι σήμερα συμπεριφοράς του ανθρώπου στο οικοσύστημα, εξαιτίας κυρίως της αλόγιστης χρήσης των συμβατικών καυσίμων και πολλών, φαινομενικά αθώων, τεχνολογικών προϊόντων. Όλα τα μηνύματα έδειχναν πια καθαρά, ότι η συνέχιση της πορείας μας στο μέλλον επιβάλλει την αλλαγή της καθημερινής νοοτροπίας μας και την αναθεώρηση των αξιών της ζωής, σε συνδυασμό με τον επαναπροσδιορισμό της έννοιας και των στόχων της τεχνολογικής ανάπτυξης. Είναι πολύ σημαντικό και επιπλέον εξαιρετικά χρήσιμο για την ορθή επιλογή των μέτρων περιβαλλοντικής αποκατάστασης, να συνειδητοποιήσουμε το εντυπωσιακά μεγάλο μέγεθος της χρονικής απόκρισης του φυσικού μας κόσμου, σε κλιματικές μεταβολές. Απαιτούνται δεκαετίες για να διαπιστωθούν τα πρώτα [5]
ενθαρρυντικά θετικά αποτελέσματα, των όποιων σημερινών διορθωτικών επεμβάσεών μας στο οικολογικό σύστημα. Η αποδοχή των ριζικών αυτών αλλαγών στον τρόπο ζωής μας καθώς και στην τροποποίηση του είδους και του τρόπου παραγωγής ενέργειας και στόχων της τεχνολογίας, είναι η πιο δύσκολη φάση προσαρμογής μας στη νέα κατάσταση. Η ανησυχία και ο σκεπτικισμός των ολίγων οικολόγων, κάποτε, αποτελεί σήμερα καθημερινό προβληματισμό των περισσοτέρων. Η διάσκεψη στο Ρίο, το καλοκαίρι του 1992, προσδιόρισε το πρόβλημα στις πραγματικές του διαστάσεις, προδιαγράφοντας άμεσες ενέργειες και επεμβάσεις. Τα επιστημονικά στοιχεία για τη σχέση της βιομηχανικής δραστηριότητας με τις αρνητικές κλιματικές αλλαγές, την οικολογική υποβάθμιση και το δυσοίωνο μέλλον του πλανήτη μας, ήταν συντριπτικά. Παρά ταύτα, οι τρόποι αντιμετώπισης και ο έλεγχος εφαρμογής τους δεν βρήκαν όλες τις κυβερνήσεις σύμφωνες. Αιτία; Οι επαγόμενες συνέπειες από τον περιορισμό της δράσης της βιομηχανίας των αναπτυγμένων χωρών. Στην επόμενη διάσκεψη στο Κιότο της Ιαπωνίας, το Δεκέμβριο του 1997, υπεγράφη η πρώτη συμφωνία σε παγκόσμιο επίπεδο (Πρωτόκολλο του Κιότο) και τέθηκε τελικά σε ισχύ στις 16 Φεβρουαρίου 2005. Δυστυχώς, η εφαρμογή του δεν βρίσκει όλα τα κράτη πρόθυμα να ανταποκριθούν στις δεσμεύσεις που προβλέπει. Ο στόχος να μειωθούν οι εκπομπές ρυπογόνων αερίων μέχρι το 2012, κατά 5,2%, σε σχέση με τα επίπεδα του 1990, δεν φαίνεται, με τα σημερινά δεδομένα, εφικτός. Πάντως, παρά τις αντιδράσεις των ολίγων, αλλά ισχυρών αυτού του κόσμου, η ευαισθητοποίηση και η κινητοποίηση των πολιτών ολοένα και αυξάνει. Η εκφραζόμενη, ποικιλοτρόπως, πρόθεση αντιμετώπισης του θέματος σε διεθνή κλίμακα, δείχνει ότι συνειδητοποιούμε αργά, αλλά σταθερά, πως η τεχνολογία, ως καρπός ανώτερης πνευματικής εργασίας, πρέπει να έχει στόχο να θεραπεύει και να υπηρετεί τον άνθρωπο, με σεβασμό προς το οικοσύστημα που τον φιλοξενεί. Αυτό το οικοσύστημα, χώρος ανάπτυξης και διαβίωσης όλων των μορφών ζωής, δεν είναι υπόθεση μερικών ανθρώπινων γενεών. Χρειάστηκαν 5 δισεκατομμύρια χρόνια για να εξιδανικευτούν οι κλιματικές συνθήκες στον πλανήτη μας, σε τέτοιο βαθμό, που να συμβάλλουν στη δημιουργία της ζωής. Είναι γεγονός αδιαμφισβήτητο, η σημαντική συμβολή των πηγών ενέργειας μεγάλης ισχύος στην τεχνολογική πρόοδο, απ την οποία προέκυψαν πολλά θετικά αποτελέσματα. Μέσα από την ιστορική αναγκαιότητα των συμβατικών καυσίμων ξεπήδησαν νέες και συνεχώς βελτιώνονται παλαιότερες μέθοδοι, εξευγενισμένης παραγωγής ενέργειας, χωρίς πρακτικά [6]
οικολογικές επιβαρύνσεις. Ο ήλιος και ο άνεμος θα έχουν τον πρώτο λόγο στις επόμενες δεκαετίες. 1.2 Οι πηγές ενέργειας σήμερα Το σύνολο των πηγών ενέργειας, που ο άνθρωπος έχει στη διάθεσή του διακρίνεται σε δύο κύριες κατηγορίες. Στις πηγές εκείνες που βασίζονται σε υπάρχοντα αποθέματα μέσα στο στερεό φλοιό της Γης, με συγκεκριμένη διάρκεια ζωής και σ' αυτές που καθημερινά και αέναα μας παρέχονται σε βαθμό ήπιας εκμετάλλευσης. Στις πρώτες ανήκουν τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, κάρβουνο), αναφερόμενα και ως συμβατικά καύσιμα και η χαρακτηριστικά μη ήπια μορφή ενέργειας, η πυρηνική ενέργεια. Οι δεύτερες, έχουν βασική τους προέλευση τον Ήλιο. H ακτινοβολούμενη απ' τον Ήλιο ενέργεια, που φτάνει στη Γη, εκτός από τη γενικότερη συμβολή της στη δημιουργία, ανάπτυξη και διατήρηση της ζωής στον πλανήτη μας, δίδει ακατάπαυστα ενέργεια, με διάφορες μορφές αξιοποίησης. Άμεσα θερμαίνει, εξατμίζει μεγάλες ποσότητες θαλασσινού νερού και συντηρεί τον γνωστό φυσικό κύκλο, δημιουργώντας τις λίμνες και τα ποτάμια, που αποτελούν πρόσθετη πηγή ενέργειας (υδατοπτώσεις). Θέτει σε κίνηση τις αέριες μάζες της ατμόσφαιρας (Αιολική ενέργεια), δημιουργεί τα κύματα (Ενέργεια κυμάτων) και συμβάλλει στη δημιουργία των θαλασσίων ρευμάτων. Απορροφούμουνα από συνδυασμένα υλικά παράγει ηλεκτρισμό (Φωτοβολταϊκό φαινόμενο). Συμβάλλει στην ανάπτυξη της χλωρίδας, η καύση δε των φυτικών προϊόντων παράγει ενέργεια (βιομάζα). [7]
1.3 Κύριες πηγές ενέργειας σήμερα Το κάρβουνο: Απετέλεσε για πολλά χρόνια μέχρι σήμερα, την κύρια καύσιμη ύλη. Σ' αυτό βασίστηκε κατά κύριο λόγο, η βιομηχανική επανάσταση. Μεγάλο μέρος της σημερινής παγκόσμιας βιομηχανικής παραγωγής βασίζεται στην ενέργεια από την καύση του ορυκτού άνθρακα. Το πετρέλαιο: Ήταν γνωστό από την αρχαιότητα, στους Εβραίους και τους Αιγυπτίους. Στη Δύση, γινόταν περιορισμένη χρήση του σε φωτισμό και την ιατρική, μέχρι το τέλος του 15ου αιώνα, οπότε άρχισε η βιομηχανική του εκμετάλλευση. H παγκόσμια παραγωγή του εντατικοποιήθηκε από τα μέσα του 19ου αιώνα, ενώ από τα μέσα του 20ου, οι ρυθμοί εκμετάλλευσης πήραν εκρηκτικές διαστάσεις. Σήμερα, μετά από δύο πετρελαϊκές κρίσεις (1973 και 1979) και τη διαπίστωση ορατών πλέον επιπτώσεων στο περιβάλλον μας, συνειδητοποιούμε την ανάγκη αλλαγής του τρόπου ζωής μας και αναζήτησης λύσεων από το χώρο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Παράλληλα, αποκτά ιδιαίτερο νόημα η εφαρμογή αυστηρότερης πολιτικής στον τομέα της ορθολογικής χρήσης και εξοικονόμησης ενέργειας. Τα συμβατικά καύσιμα καλύπτουν το 85% της καταναλισκόμενης ενέργειας στις αναπτυγμένες χώρες και το 55%, στις υπό ανάπτυξη. Στις τελευταίες, το ποσοστό χρήσης πετρελαίου, ως ενεργειακής πηγής, συνεχίζει να αυξάνει, ενώ στις αναπτυγμένες χώρες παρατηρείται τάση μείωσής του, με σταδιακή διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Εκτιμάται ότι τα υπάρχοντα αποθέματά των πηγών αυτών θα επαρκέσουν ακόμα για περίπου 200 χρόνια για το κάρβουνο, 60 χρόνια για το φυσικό αέριο και 50 χρόνια για το πετρέλαιο. H καύση του άνθρακα, του πετρελαίου και των παραγώγων του δίδει, ως άμεσα προϊόντα, το CO2, τα οξείδια του αζώτου και του θείου. Οι αυξημένες ποσότητες των αερίων αυτών, που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα, αποτελούν πια μόνιμη απειλή για το μέλλον μας, προκαλώντας ισχυρές κλιματικές αλλαγές και επιβαρυντική απόκλιση από τις κανονικές συνθήκες ισορροπίας του φαινομένου του θερμοκηπίου. [8]
Η πυρηνική ενέργεια: Από το 1945 και μετά, προστέθηκε στις μεγάλης ισχύος πηγές ενέργειας, η πυρηνική, στην οποία αρχικά βασίστηκαν πολλές ελπίδες. H Γαλλία είναι από τις χώρες που έδωσαν μεγάλη έμφαση στην ανάπτυξη της, χρησιμοποιώντας, κατά την περίοδο της δεκαετίας του 70, το μη πειστικό πια επιχείρημα της παραγωγής καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας. Σήμερα αντιλαμβανόμαστε με απόγνωση, την αδυναμία μας να λύσουμε το πρόβλημα της ανεξέλεγκτης διασποράς των πυρηνικών όπλων ή της διασφαλισμένης αποθήκευσης των πυρηνικών αποβλήτων και αισθανόμαστε τρόμο για τα ολοένα και πιο πιθανά πυρηνικά ατυχήματα. Από τα πιο σημαντικά, εκείνο στον πυρηνικό σταθμό του Three Mile Island της Πενσυλβάνιας (HΠA), τον Απρίλιο του 1979 και εκείνο στο Tσέρνομπιλ της Ρωσίας, τον Απρίλιο του 1986, τρομοκράτησαν όλο τον κόσμο, ο οποίος συνειδητοποίησε με φρίκη την ανικανότητά του να αντιμετωπίσει ένα ύπουλο και αόρατο εχθρό, που μόνιμα τον απειλεί με αφανισμό. H πυρηνική ενέργεια προορίζεται, στο βαθμό που έχει αναπτυχθεί σήμερα, κυρίως για παραγωγή ηλεκτρισμού βάσης, δηλαδή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σταθερής ισχύος χωρίς δυνατότητα κάλυψης των διακυμάνσεων ζήτησης. Καλύπτει το 6,5% της παγκόσμιας ενεργειακής ζήτησης και το 17% της παγκοσμίως παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. H παραγόμενη παγκοσμίως ηλεκτρική ισχύς σε πυρηνικά εργοστάσια ανέρχεται σε ~370 GW (2006). Στην Ευρώπη ξεπερνά τα 158,4 GW, με τη Γαλλία στα 63,5 GW. Το περιορισμένο των κοιτασμάτων του βασικού υλικού (Ουράνιο 235), τα πυρηνικά απόβλητα και η απειλητική πιθανότητα ολοσχερούς καταστροφής του κόσμου μας, είτε από την υποτιθέμενη υπό έλεγχο πυρηνική αντίδραση είτε από την ανεξέλεγκτη διασπορά των πυρηνικών όπλων, βάζουν φρένο στη χρήση της. Όλες οι μεγάλης πυκνότητας ισχύος συμβατικές πηγές ενέργειας, εκτός από την αδιαμφισβήτητη προσφορά τους στην ανάπτυξη της τεχνολογίας και της επιστήμης και τη μεγάλη συμβολή τους στη βελτίωση της διαβίωσης του ανθρώπου, συνδέονται δυστυχώς με πολύ σοβαρές και εμφανώς αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Έτσι, ενισχύεται διεθνώς η άποψη για μερική, σε πρώτη φάση, αντικατάστασή τους με άλλες πηγές ενέργειας, που να μη ρυπαίνουν και να ενσωματώνονται φιλικά στο περιβάλλον, τις λεγόμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. [9]
1.4 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), έχουν κύρια γενεσιουργό αιτία την ηλιακή ακτινοβολία, με εξαίρεση εκείνη που αφορά στην ενέργεια των παλιρροϊκών κινήσεων που οφείλονται στη βαρυτική δράση, κυρίως της Σελήνης, πάνω στους υδάτινους όγκους που καλύπτουν την επιφάνεια της Γης, καθώς και τη γεωθερμική, όπου η ηλιακή ακτινοβολία παίζει δευτερεύοντα ρόλο. Υδατόπτωση: Αποτελεί έναν από τους πιο φυσικούς τρόπους παραγωγής μεγάλης ισχύος, οικολογικά καθαρής, ηλεκτρικής ενέργειας, με ανανεώσιμη συμπεριφορά. Εκμεταλλευόμαστε την ύπαρξη φυσικών λεκανών συλλογής των όμβριων υδάτων σε συγκεκριμένες Εικόνα 1: Υδροηλεκτρικός σταθμός Πολυφύτου Κοζάνης περιοχές, με κατάλληλη εδαφική διαμόρφωση, κατασκευάζοντας φράγματα. Η υδατόπτωση κινεί υδροστρόβιλους, που με τη σειρά τους θέτουν σε κίνηση ηλεκτρογεννήτριες. Η δημιουργία τεχνητών λιμνών με φράγματα έχει περιορισμένη εφαρμογή λόγω των απαιτούμενων ειδικών εδαφικών χαρακτηριστικών. Επιπλέον, σε πολλές περιπτώσεις η κατασκευή ενός φράγματος, παρότι η περιοχή καλύπτει τα τεχνικά κριτήρια, μπορεί να προκαλέσει σημαντική οικολογική καταστροφή και ενδεχομένως μετακίνηση πληθυσμού, λόγω της κατάκλισης με νερό εκτεταμένων εύφορων και με ιδιαίτερη φυσική ομορφιά περιοχών. Η υδροηλεκτρική παραγωγή ενέργειας καλύπτει, περίπου, το 7% της παγκόσμιας ενεργειακής παραγωγής. [10]
Ενέργεια κυμάτων, παλιρροϊκών κινήσεων και θαλασσίων ρευμάτων: H παραγωγή ενέργειας από τα κύματα ή τις παλιρροϊκές κινήσεις, έχει αξιοποιηθεί σε συγκεκριμένες θέσεις, όπου το ύψος των κυμάτων και η διάρκεια κυματισμού καθώς και η ταχύτητα των θαλασσίων ρευμάτων επιτρέπουν την ενεργειακή αξιοποίησή τους. Στη Βρετάνη της Γαλλίας λειτουργεί από το 1966 σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ισχύος 240 MW. Εντυπωσιακό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από κυματισμό είναι η διάταξη με το όνομα Pelamis (είδος θαλάσσιου φιδιού). Η διάταξη που δείχνεται στην (Εικόνα 2) αποτελείται από τέσσερις κυλίνδρους, με δυνατότητα αρθρωτής κίνησης μεταξύ τους, σε κατακόρυφο επίπεδο. Υπό την επίδραση του κυματισμού αλλάζει η γωνία μεταξύ τους με αποτέλεσμα την άσκηση δυνάμεων σε έμβολα τοποθετημένα άνω και κάτω, στις πλευρές που συνδέονται μεταξύ τους. Έχει δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ισχύ 750 kw. Σε προχωρημένο πειραματικό στάδιο βρίσκεται επίσης η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με υποθαλάσσιες ηλεκτρογεννήτριες, όπως δείχνεται στην (Εικόνα 3) Εικόνα 2: Διάταξη Pelamis Εικόνα 3: Υποθαλάσσια ηλεκτρογεννήτρια Βιομάζα: H βιομάζα καλύπτει σήμερα το 14% της παγκοσμίως απαιτούμενης ενέργειας. H καύση αποτελεί, ουσιαστικά, ουδέτερη διαδικασία από την άποψη του φαινομένου του θερμοκηπίου, αρκεί να μη διαταράσσεται η λεπτή ισορροπία στο φυσικό περιβάλλον. [11]
Γεωθερμική ενέργεια: Αφορά στην ενέργεια των θερμών νερών (ή ατμών του νερού), που αναβλύζουν μέσα από ηφαιστειακές διόδους ή ρήγματα του υπεδάφους. Σύμφωνα με την επικρατέστερη θεωρία, η θέρμανση των γεωθερμικών ρευστών αποδίδεται κυρίως, στην εκλυόμενη ενέργεια κατά τη διάσπαση των ραδιενεργών ισοτόπων στο στερεό φλοιό της γης. Όταν η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών Εικόνα 4: Γεωθερμική γεώτριση στο N.Ξάνθης είναι χαμηλή, η ενέργειά τους χρησιμοποιείται κυρίως για θέρμανση κτιρίων, θερμοκηπίων, κτηνοτροφικών μονάδων, ιχθυοκαλλιεργειών, κ.α., ενώ στις περιπτώσεις που η θερμοκρασία των ατμών είναι υψηλή (>150 C), μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το γεωθερμικό δυναμικό που αφορά αποκλειστικά σε παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ανερχόταν παγκοσμίως, το 2003, σε 10 GW. Στη χώρα μας, η γεωθερμική ενέργεια αξιοποιείται κυρίως σε θερμοκηπιακές μονάδες, σε περιοχές της Βόρειας Ελλάδας και σε νησιά του Βορειοανατολικού και Κεντρικού Αιγαίου. Αιολική ενέργεια: H εγκατάσταση αιολικών συστημάτων για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο, με χρήση ανεμογεννητριών οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα πτερυγίων, βρίσκεται σήμερα σε εντυπωσιακή εξέλιξη. Η παγκοσμίως εγκαταστημένη ονομαστική ισχύς ανεμογεννητριών από 7,6 GW, το 1997, έφτασε τα 120,8 GW το 2008. Στην Ευρώπη, η αντίστοιχη ισχύς είναι κοντά στα 66,0 GW. Στη χώρα μας λειτουργούν αρκετά αιολικά πάρκα, με ισχύ από μερικές εκατοντάδες kw έως μερικές δεκάδες MW, κυρίως διασυνδεδεμένα με το δίκτυο της ΔEH. Η συνολική εγκαταστημένη ισχύς βρίσκεται στα 985 MW (2008), με στόχο τα 3,3 GW μέχρι το 2010. H ΔΕΗ έχει εγκαταστήσει στον Ελλαδικό χώρο, 24 MW κι απ αυτά αρκετά στα νησιά (Κύθνος 5 20 kw, Μύκονος 100 kw, Κάρπαθος 175 kw κ.α.). Τα υπόλοιπα έχουν εγκατασταθεί από άλλους φορείς, κυρίως από την Τοπική Αυτοδιοίκηση και ιδιώτες. Στην Κρήτη, όπου η ικανότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας των μονάδων της ΔΕΗ, φθάνει τα 700 MW, λειτουργούν, ήδη, σε αρκετές περιοχές του νησιού μερικά μεγάλα αιολικά [12]
πάρκα, συνολικής ισχύος ~152 MW2β (Λασίθι: Μονή Τοπλού (6,6 MW, Μιτάτο (10,2 MW), περιοχή Αχλάδια (συνολικά, ~30 ΜW), Χαντράς (9,9 MW), Ξερολίμνη (10,2 MW), Χώνος (συνολικά, ~20 MW) κ.α. μικρότερα. Ηράκλειο: Μεγάλη βρύση (~5 MW), Πρινιάς 3,4 MW)). Το αιολικό δυναμικό, δηλαδή η μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου, σε πολλά σημεία της χώρας μας βρίσκεται σε εξαιρετικά υψηλά επίπεδα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στα νησιά του Αιγαίου το αιολικό δυναμικό παρουσιάζει μια μέση ετησίως τιμή, από 7 έως 11 m/s, το οποίο υπερκαλύπτει την αποδοτική για τις ανεμογεννήτριες, περιοχή ταχυτήτων ανέμου και κατ επέκταση τις απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια των νησιών αυτών. Συνεπώς, ο νησιωτικός χώρος αποτελεί ιδανικό πεδίο εφαρμογής της τεχνολογίας των αιολικών συστημάτων. Εικόνα 5: Αιολικό πάρκο Χαντράς στην ανατολική Κρήτη ισχύος 9,9 MW [13]
Η φωτοβολταϊκή ηλεκτρική ενέργεια: Το φωτοβολταϊκό στοιχείο (photovoltaic cell) είναι, γενικά, ένα σύστημα δύο υλικών σε επαφή, το οποίο όταν φωτίζεται εμφανίζει στα άκρα του συνεχή ηλεκτρική τάση. Σήμερα, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία των οποίων η βιομηχανική παραγωγή έχει προωθηθεί, είναι αυτά που βασίζονται στη δημιουργία δύο ημιαγωγών στρωμάτων σε επαφή. Συνήθως, τα δύο στρώματα αποτελούνται από το ίδιο κύριο υλικό, το ένα στρώμα ημιαγωγός τύπου n και το Εικόνα 6: Τυπική μορφή φωτοβολταϊκού στοιχείου άλλο τύπου p. Εξωτερικά τοποθετούνται κατάλληλα ηλεκτρόδια. Η κατασκευή έχει τη μορφή μιας σχεδόν τετράγωνης πλάκας, ώστε η εσωτερική επαφή των ημιαγωγών να καταλαμβάνει όλη την επιφάνεια του πλακιδίου. Όταν το ΦΒ στοιχείο φωτίζεται προκαλείται στο εσωτερικό του ηλεκτρικό ρεύμα (φωτορεύμα), ανάλογο της πυκνότητας ισχύος του ηλιακού φωτός, που προσπίπτει στην επιφάνειά του. H αναπτυσσόμενη σε ένα τυπικό ΦB στοιχείο, συνεχής ηλεκτρική τάση ανοικτού κυκλώματος, βρίσκεται στην περιοχή 0,5 0,7 V, ενώ το αντίστοιχο ηλεκτρικό ρεύμα στην περιοχή των 10 40 ma/cm2, για πυκνότητα ισχύος ηλιακού φωτός 1 kw/m2. Η τεχνολογία των ΦΒ στοιχείων αναπτύχθηκε ραγδαία το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα, παρ ότι το ΦΒ φαινόμενο είχε παρατηρηθεί πολύ νωρίτερα από τον Becquerel, το 1839. To 1954 ανακοινώθηκε η πρώτη κατασκευή ηλιακού στοιχείου Πυριτίου Si, με σχηματισμό επαφής p-n, με διάχυση και με απόδοση 6%, από τους Fuller, Pearson και Chapin. Οι αρχικές εμπορικές κατασκευές, πολύ υψηλού κόστους (1000 $/Wp το 1956), με σχετικά μικρή απόδοση 5-10 %, παρασκευάστηκαν από κρυσταλλικά υλικά, κυρίως από κρυσταλλικό Πυρίτιο (c-si). Σήμερα οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών στοιχείων από κρυσταλλικό Πυρίτιο, βρίσκονται περί το 22%, για ΦB πλαίσια διαστημικών κατασκευών και στο διάστημα 14-18% για βιομηχανικήοικιακή χρήση, το δε κόστος των τελευταίων κυμαίνεται περί τα 4-5 C/Wp (peak Watt, η έννοια αυτή ορίζεται στην 3.4.3), για εγκαταστάσεις μικρών συστημάτων, μεγέθους μέχρι μερικά kwp. Στις εγκαταστάσεις σχετικά μεγάλης ισχύος αιχμής, το κόστος αγοράς ΦΒ πλαισίων, ανά Wp, μειώνεται σε συνάρτηση με το μέγεθος του συστήματος. [14]
Σε μεγάλα συστήματα, άνω του MWp, το κόστος αυτό μειώνεται σχεδόν στο ήμισυ του αντίστοιχου των εγκαταστάσεων μικρής ισχύος. Κατά τη δεκαετία του 1980, η τάση μείωσης του κόστους βιομηχανικής παραγωγής των ΦΒ στοιχείων, οδήγησε στη χρησιμοποίηση οικονομικότερων μεθόδων παρασκευής του βασικού φωτοαγώγιμου υλικού. Οι μέθοδοι αυτές χαρακτηρίζονται από τη δημιουργία πολύ λεπτών στρωμάτων ή υμενίων υλικού (films), κυρίως πυριτίου, σε επιμελημένα καθαρισμένη επιφάνεια, που επιτρέπει την πρόσφυση του αποτιθέμενου υλικού (άμορφο Πυρίτιο, a-si). Βασίζονται στη μεταφορά και εναπόθεση του υλικού, με τη μορφή ατόμων είτε από στερεό στόχο, με κρούσεις επαρκώς επιταχυνθέντων ιόντων πλάσματος (Sputtering), είτε από λιωμένο υλικό σε συνθήκες υψηλού κενού (Εξαέρωση) είτε κατά τη διάρκεια εκκένωσης αερίου ενώσεως του αποτιθέμενου στοιχείου (Glow Discharge, GD), είτε με καταλυτική θερμική διάσπαση υδρογονούχων ενώσεων Πυριτίου (Σιλάνιο). Οι προσπάθειες μείωσης του κόστους κατασκευής ενός ΦΒ στοιχείου οδήγησαν, τελικά, σε νέες διαφορετικές μεθόδους εναπόθεσης, με πολύ καλά αποτελέσματα. Π.χ. με σχηματισμό ταινιών υλικού, από λειωμένη φάση, παρασκευάστηκαν ΦΒ στοιχεία, με εργαστηριακή απόδοση _15%. Η επιφάνειά τους εμφανίζει μονοκρυσταλλικότητα κατά περιοχές, το δε υλικό ονομάζεται πολύ-κρυσταλλικό. Το πολύ-κρυσταλλικό Πυρίτιο (mc-si), χρησιμοποιείται για την παρασκευή ΦΒ στοιχείων, που μπορούν να καλύψουν μεγάλη επιφάνεια, με βιομηχανική απόδοση (ΦΒ πλαίσιο) 12-13%, πολύ κοντά στη βιομηχανική απόδοση των ΦΒ στοιχείων κρυσταλλικού Πυριτίου. Οι προηγούμενες τιμές απόδοσης είναι ενδεικτικές, εξαρτώμενες από το βασικό υλικό και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες της διάταξης. Πολλά ΦB στοιχεία (33 36) συνδέονται σε σειρά, ώστε, όταν η διάταξη αυτή φωτίζεται, να προκύπτει συνολική τάση ανοικτού κυκλώματος (Open circuit) 17 22V. Το πλήθος των ΦΒ στοιχείων επιλέγεται έτσι ώστε να ταιριάζει με την απαιτούμενη τάση φόρτισης ενός κοινού ηλεκτρικού συσσωρευτή μολύβδου-θειικού οξέως (Pb/H2SO4), ονομαστικής τάσης 12V. H ολοκληρωμένη αυτή φωτοβολταϊκή διάταξη ονομάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο (module), αποτελεί δε τη βασική μονάδα σύνθεσης μεγαλυτέρων συστημάτων, που ονομάζονται συστοιχίες. Χρησιμοποιείται επίσης, σπανιότερα, η ορολογία, φωτοβολταϊκή γεννήτρια (Photovoltaic generator), όταν αναφερόμαστε στο κύριο τμήμα του ΦΒ σταθμού, το οποίο παράγει τη ΦΒ ηλεκτρική ενέργεια. H εμπρός επιφάνεια του πλαισίου προστατεύεται από γυάλινη πλάκα, ενώ η πίσω πλευρά καλύπτεται από υγρομονωτική ουσία, υψηλής αντοχής στο χρόνο. [15]
Η ηλεκτρική ισχύς που αποδίδει ένα ΦB πλαίσιο, κάτω από δεδομένη πυκνότητα ισχύος ηλιακής ακτινοβολίας, μπορεί να πάρει μέγιστη τιμή, όταν συνδεθεί στα άκρα του καταναλωτής κατάλληλης αντίστασης. Η μέγιστη ισχύς σε καθορισμένες συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας ΦΒ στοιχείου (πρότυπες συνθήκες), αποτελεί ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του και ονομάζεται ισχύς αιχμής ( 3.2.7 και 3.4.3). Στο εμπόριο διατίθενται ΦB πλαίσια κρυσταλλικού Πυριτίου σε ευρεία περιοχή τιμών ισχύος αιχμής. Μικρές κατασκευές ΦΒ στοιχείων, μερικών Wp, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που δεν απαιτούν υψηλή ηλεκτρική ισχύ, όπως λ.χ. οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές τσέπης. Σε εφαρμογές αυτόνομων ή συνδεδεμένων στο δίκτυο της ΔΕΗ, ΦΒ συστημάτων, χρησιμοποιούνται, συνήθως, ΦΒ πλαίσια ισχύος αιχμής από 30 έως 200 Wp. Εικόνα 7: Φωτοβολταϊκό πάρκο [16]
1.5 Περιβάλλον και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Μόλις πριν από 250 χρόνια ο άνθρωπος στήριζε τη διαβίωσή του αποκλειστικά σε φυσικές πηγές ενέργειας: ζώα έσερναν άροτρα, ανεμόμυλοι άλεθαν το σιτάρι, η μυϊκή δύναμη κατασκεύαζε υλικά. Σήμερα, το τεράστιο δίκτυο παραγωγής αγαθών και υπηρεσιών στηρίζεται στην αυξανόμενη χρήση ορυκτών καυσίμων πετρέλαιο-κάρβουνο και στην πυρηνική ενέργεια, πηγές που έχουμε εκμεταλλευτεί σαν να ήταν ανεξάντλητες και που μας έχουν οδηγήσει σε ένα σύνθετο ζήτημα: Περιβαλλοντικό, λόγω των σοβαρών προβλημάτων ατμοσφαιρικής ρύπανσης, υπερθέρμανσης του πλανήτη, διάθεσης των πυρηνικών αποβλήτων, Οικονομικό, με απειλούμενο φρένο στην ανάπτυξη, λόγω της διαρκούς αύξησης της τιμής του πετρελαίου. Η συνεχής, συνεπώς, υποβάθμιση του περιβάλλοντος, οι κλιματικές αλλαγές και η εξάντληση των συμβατικών καυσίμων είναι από τα σοβαρότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει σήμερα ο πλανήτης μας. Τα θέματα αυτά βρίσκονται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος παγκόσμιων οργανισμών, κυβερνήσεων, ερευνητικών κέντρων, των ενδιαφερόμενων παραγωγών και χρηστών ενέργειας, αλλά και όλων των ενημερωμένων πολιτών. Ειδικοί επιστήμονες και αξιόπιστες εκθέσεις τεκμηριώνουν ότι η αλλαγή του παγκόσμιου κλίματος είναι αποτέλεσμα ανθρωπογενών δραστηριοτήτων που ευθύνονται για τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου (με βασικό επιβαρυντή τον τομέα της ενέργειας) και περιγράφουν τις δυσμενείς επιπτώσεις των κλιματικών αλλαγών στην υγεία, το περιβάλλον, τους φυσικούς πόρους, την οικονομία και τις ανθρώπινες κοινωνίες. Οι προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε σήμερα είναι υπαρκτές και σοβαρές. Με πιθανότητα που υπερβαίνει το 50% οι θερμοκρασίες του πλανήτη θα αυξηθούν πάνω από 5 C στη διάρκεια του αιώνα. Αυτήν την περίοδο η Ευρώπη είναι υπόλογη για το 14% των παγκόσμιων εκπομπών αερίων θερμοκηπίου, ενώ οι ΗΠΑ και η Κίνα ευθύνονται για το 40%. Στην Ε.Ε., σύμφωνα με τις υπάρχουσες εκτιμήσεις, η ενεργειακή πολιτική και η πολιτική μεταφορών οδηγούν όχι σε μείωση των εκπομπών, αλλά σε αύξηση κατά 5% περίπου μέχρι το 2030. Με τις ισχύουσες τάσεις και πολιτικές, η εξάρτηση της Ε.Ε. από τις εισαγωγές ενέργειας θα φθάσει το 2030 από το 50% στο 65% του συνόλου της κατανάλωσης ενέργειας. [17]
Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή, προκειμένου να αντιμετωπισθούν οι κλιματικές αλλαγές και να ενισχυθεί η ενεργειακή ασφάλεια και η ανταγωνιστικότητα της Ε.Ε., έχει επιλέξει μια δέσμη μέτρων με χρονικό ορίζοντα το 2020, η οποία θέτει διάφορους φιλόδοξους στόχους σχετικά με τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου και τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), στοχεύοντας στην ανάπτυξη μιας οικονομίας με χαμηλές εκπομπές άνθρακα και τη μείωση των εκπομπών της κατά 20% τουλάχιστον σε σχέση με τα επίπεδα του 1990. Καθίσταται πλέον σαφές και ευρύτερα αποδεκτό πως για να διασφαλίσουμε ένα βιώσιμο ενεργειακό μέλλον πρέπει να επιταχύνουμε την ανάπτυξη και την αποτελεσματική χρήση νέων τεχνολογιών και να ενδυναμώσουμε περαιτέρω τα προγράμματά μας για την πλήρη εκμετάλλευση των ΑΠΕ. Οι λόγοι είναι πολλοί και σημαντικοί. Οι ΑΠΕ είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς ενεργειακούς πόρους και στην ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού, ενώ απαντούν στο ενεργειακό πρόβλημα για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και των υπόλοιπων αερίων που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Επιπλέον, η υποκατάσταση των σταθμών παραγωγής ενέργειας από συμβατικές πηγές οδηγεί σε ελάττωση εκπομπών από άλλους ρυπαντές, π.χ. τα οξείδια θείου και αζώτου, που προκαλούν την όξινη βροχή. Οι ΑΠΕ είναι γεωγραφικά διάσπαρτες και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας έτσι τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις απώλειες από τη μεταφορά ενέργειας. Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος, που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας, ενώ οι σχετικές επενδύσεις δημιουργούν σημαντικό αριθμό νέων θέσεων εργασίας και μπορούν, σε πολλές περιπτώσεις, να αποτελέσουν πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση ανάλογων επενδύσεων (π.χ. καλλιέργειες θερμοκηπίου με τη χρήση γεωθερμικής ενέργειας). Η Ελλάδα κατέχει την 11η θέση στις 25 χώρες της διευρυμένης Ε.Ε. σε σχέση με το δείκτη συμμετοχής των ΑΠΕ στην εγχώρια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα περιθώρια, ωστόσο, για μεγαλύτερη ανάπτυξη των ΑΠΕ είναι τεράστια. Αντίθετα, η χώρα μας είναι προτελευταία στον δείκτη ενεργειακής έντασης, δηλαδή στην ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή αγαθών ή υπηρεσιών. Επίσης, έχει πολύ μεγάλη εξάρτηση από εισαγόμενες πηγές ενέργειας (κυρίως πετρέλαιο, αλλά και φυσικό αέριο), σε ποσοστό που φθάνει το 80%. [18]
Ήδη, σε πρόσφατη έρευνα της κοινής γνώμης, το 71% των πολιτών δηλώνει την ατμοσφαιρική ρύπανση ως 1ο πρόβλημα στην Ελλάδα (με βασικό υπαίτιο την ενέργεια). Ως υπαίτιο, το 83% των πολιτών που ερωτήθηκαν θεωρεί τον καθένα από μας και το 78%, το κράτος. Η μεγαλύτερη συμβολή όλων μας και η βασική ένδειξη της ευαισθητοποίησής μας είναι η προσπάθεια για Εξοικονόμηση Ενέργειας, που αποτελεί και τη μεγαλύτερη Ανανεώσιμη Πηγή Ενέργειαςˮ. Ένας συνδυασμός υποχρεωτικών μέτρων (δηλαδή ένα νοικοκύρεμα), ενημέρωσης των πολιτών και οικονομικών κινήτρων μπορεί να αποφέρει τεράστια οφέλη. Για παράδειγμα, μικρές ή μεγαλύτερες βελτιώσεις στα δημόσια κτίρια μπορούν να εξοικονομήσουν ενέργεια τουλάχιστον κατά 20%. Στην πραγματικότητα, το να εγκαταστήσει κανείς αποδοτικούς λαμπτήρες, να μονώσει καλύτερα τα κτίρια ή να ακολουθήσει άλλες πρακτικές εξοικονόμησης είναι συχνά τρεις φορές φθηνότερο από το να πληρώνει την αντίστοιχη ενέργεια. Εδώ θα πρέπει να σημειώσουμε πόσο καθοριστικός είναι ρόλος των νέων ανθρώπων στην παγκόσμια προσπάθεια για τη σωτηρία του πλανήτη μας. Ο Γενικός Γραμματέας του ΟΗΕ, ο κ. Ban Ki-moon, στην ομιλία του για την Παγκόσμια Ημέρα της Νεολαίας τόνισε πως οι νέοι, που προσαρμόζονται εύκολα και υιοθετούν και διαδίδουν με ταχύτητα νέες συνήθειες και τεχνολογίες, μπορούν να συμβάλουν αποφασιστικά στην πάλη ενάντια στην αλλαγή κλίματος, και να κάνουν τον οικολογικό, «χαμηλής εκπομπής ρύπων» τρόπο ζωής μέρος της καθημερινότητάς τους. Στη νεολαία πρέπει, επομένως, να δοθεί η δυνατότητα να συμμετέχει ενεργά στη λήψη αποφάσεων σε τοπικό, εθνικό και διεθνές επίπεδο. Εκτός και αν κάνουμε ριζικές αλλαγές στον τρόπο που ζούμε, ώσπου να φθάσει η σημερινή νεολαία στην ηλικία μου, ο κόσμος θα είναι ένα μάλλον αφιλόξενο μέροςˮ, ανέφερε χαρακτηριστικά ο Γ.Γ. του ΟΗΕ. Η μεσοπρόθεσμη επιδίωξη για την ανθρωπότητα πρέπει να είναι η καθαρότερη και αποδοτικότερη χρήση των συμβατικών καυσίμων σε συνδυασμό με τη μεγαλύτερη δυνατή αξιοποίηση των ΑΠΕ και την εξοικονόμηση ενέργειας. Η πρόκληση είναι να πεισθούν οι πολιτικές ηγεσίες, παγκοσμίως, για τη δημιουργία ισχυρής πολιτικής βούλησης, σταθερών πολιτικών και οικονομικών εργαλείων και να ευαισθητοποιηθεί ο πολίτης προς αυτή την κατεύθυνση. Η εκπλήρωση των στόχων που έχουν τεθεί για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής και η στροφή σε ένα μοντέλο ασφαλούς και αειφορικής ανάπτυξης είναι ευθύνη και υποχρέωση όλων μας. [19]
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 2.1 Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι εκπομπή στον χώρο ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας υπό μορφή κυμάτων που ονομάζονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι συγχρονισμένα ταλαντούμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία τα οποία ταλαντώνονται σε κάθετα επίπεδα μεταξύ τους και κάθετα προς την διεύθυνση διάδοσης. Διαδίδονται στο κενό με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός (c=299.792.458 m/s) αλλά και μέσα στην ύλη με ταχύτητα λίγο μικρότερη απ' την ταχύτητα του φωτός. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται από επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία. Δημιουργούνται επίσης όταν ένα ηλεκτρόνιο κάποιου ατόμου χάνει μέρος της ενέργειάς του και μεταπίπτει σε χαμηλότερη τροχιά ή ενεργειακή στάθμη κοντά στον πυρήνα. Αυτό έχει ως συνέπεια να δημιουργηθεί μια ταλάντωση που διαδίδεται πλέον στο χώρο με τη μορφή ενός ταυτόχρονα ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Τα δύο αυτά πεδία είναι, αφενός μεν, κάθετα μεταξύ τους, αφετέρου και κάθετα με τη διεύθυνση διάδοσης του παραγόμενου κύματος, του λεγόμενου ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Όταν το ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσκρούσει σε κάποιο άτομο τα δύο συνδυαζόμενα αυτού πεδία μπορούν να προσφέρουν μεταφερόμενη ενέργεια σε ένα ηλεκτρόνιο με αποτέλεσμα να το εξαναγκάσουν να μεταπηδήσει αυτό σε ανώτερη ενεργειακή στάθμη. 2.2 Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ονομάζεται το εύρος της περιοχής συχνοτήτων που καλύπτουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα εκτείνεται θεωρητικά από σχεδόν μηδενικές συχνότητες έως το άπειρο. Με βάση κάποιες χαρακτηριστικές ιδιότητες των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα χωρίζεται σε επιμέρους ζώνες. [20]
Αυτές είναι τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, η υπέρυθρη ακτινοβολία, η ορατή ακτινοβολία (φως), η υπεριώδης ακτινοβολία, οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γ. Φασματικό Διάγραμμα Συχνοτήτων Ζώνες ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Περιοχή του φάσματος Περιοχή συχνοτήτων Ενέργεια φωτονίων Ραδιοκύματα 0 300 MHz 0 10-5 ev Μικροκύματα 300 MHz 300 GHz 10-5 10-3 ev Υπέρυθρη ακτινοβολία 300 GHz 400 THz 10-3 1,6 ev Ορατή ακτινοβολία 400 800 THz 1,6 3,2 ev Υπεριώδης ακτινοβολία 800 THz 3 10 17 Hz 3 2000 ev Ακτίνες X 3 10 17 Hz - 5 10 19 Hz 1200 2,4 10 5 ev Ακτίνες γ 5 10 19 Hz - 3 10 22 Hz 10 5 10 7 ev [21]
2.3 Μέλαν σώμα Ο όρος μέλαν σώμα στη φυσική, περιγράφει ένα ιδανικό σώμα το οποίο απορροφά όλο το φως που προσπίπτει πάνω του (και κατ' επέκταση, όλη την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία). Αυτό σημαίνει ότι ένα τέτοιο σώμα δεν ανακλά ούτε διαχέει το προσπίπτον σε αυτό φως (ή άλλης μορφής ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) ούτε αφήνει το φως να το διαπεράσει και γι' αυτές του τις ιδιότητες ονομάζεται μέλαν σώμα. Ωστόσο, σε αντίθεση με την εικόνα που δίνεται από την ονομασία του, το ίδιο το σώμα εκπέμπει κάποια ακτινοβολία, το φάσμα της οποίας εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία του. Στην ουσία το μέλαν σώμα αποτελεί ένα εξιδανικευμένο μοντέλο της ύλης, που επινοήθηκε για να διευκολυνθεί η μελέτη της θερμικής ακτινοβολίας των πραγματικών σωμάτων. Ο όρος εισήχθη από τον Γκούσταβ Ρόμπερτ Κίρχοφ (γερμ. Gustav Robert Kirchhoff) το 1860 και η μελέτη της ακτινοβολίας του έπαιξε μεγάλο ρόλο στη ανάπτυξη της κβαντομηχανικής. Γενικά, ένα οποιοδήποτε σώμα, σε κάποια μη μηδενική θερμοκρασία, εκπέμπει ακτινοβολία. Αν είναι τέλειο μέλαν σώμα, ο συντελεστής εκπομπής του θα είναι ίσος με την μονάδα. Για κάθε πραγματικό σώμα όμως ο συντελεστής εκπομπής είναι μικρότερος από την μονάδα. Ως συντελεστής εκπομπής ενός σώματος ορίζεται ο λόγος της ακτινοβολούμενης ενέργειας από το σώμα σε σχέση με την ακτινοβολούμενη ενέργεια ενός μελανού σώματος που βρίσκεται στην ίδια θερμοκρασία. Έτσι, το μέλαν σώμα αποτελεί ένα όριο το οποίο μπορούν να προσεγγίσουν σε κάποιο βαθμό τα φυσικά σώματα. Ο συντελεστής εκπομπής ενός πραγματικού σώματος μεταβάλλεται με την θερμοκρασία, την γωνία εκπομπής και το εξεταζόμενο μήκος κύματος. Πολλές φορές όμως είναι χρήσιμο να υποθέτουμε ότι είναι σταθερός. Αυτή παραδοχή αποτελεί ένα άλλο εξιδανικευμένο μοντέλο για τα υλικά σώματα, και για να περιγραφεί αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται ο όρος «φαιό σώμα». 2.4 Χαρακτηριστικά μεγέθη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Η ακτινοβολία των σωμάτων που οφείλεται στην θερμοκρασία τους περιγράφεται ποσοτικά με χρήση χαρακτηριστικών μεγεθών που αφορούν την ίδια και την πηγή ακτινοβολίας. Αντίστοιχα μεγέθη χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της φωτεινής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε δεδομένη επιφάνεια. [22]
Στην δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιείται ο όρος φωτομετρία. Αν και στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών στοιχείων χρησιμοποιούνται κατ αποκλειστικότητα τα γενικά μεγέθη ακτινοβολίας για λόγους πληρότητας της παρουσίασης και αντιδιαστολής εννοιών μεταξύ των δύο κατηγοριών μεγεθών. α. Ισχύς ή ροή ακτινοβολίας, P (Radiant Power) Ορίζεται ως το πηλίκο της ακτινοβολούμενης σε χρόνο dt, ενέργειας du, μέσα σε στερεά γωνία dω. P = du dt Η μονάδα μέτρησης της ισχύος της ακτινοβολίας στο SI είναι το 1W β. Πυκνότητα ισχύος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. E (Irradiance Emittance) Το μέγεθος αυτό καθορίζεται από την συνολική και από διάφορες κατευθύνσεις ροή ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μια επιφάνεια ή διαπερνά την μονάδα της επιφάνειας, ανεξάρτητα από τη γωνία των ακτινών ως προς την επιφάνεια αυτή. Προσδιορίζεται από τη σχέση: E = dp ds Όπου ds είναι η στοιχειώδης επιφάνεια μέσα από την οποία διέρχεται ή πάνω στην οποία προσπίπτει ή από την οποία εκπέμπεται η στοιχειώδης ισχύς ακτινοβολίας dp. Η μονάδα μέτρησης της στο SI είναι το 1W/m 2. [23]
γ. Ένταση ακτινοβολίας J Ένταση ακτινοβολίας ονομάζουμε την ισχύ που διαπερνά κάθετα την μονάδα επιφάνειας τοποθετημένη στην θέση προσδιορισμού και δίνεται από την σχέση: J = dp ds Όπου dp η στοιχειώδης ισχύς ακτινοβολίας η οποία διαπερνά κάθετα την επιφάνεια ds. Μονάδα μέτρησης της έντασης ακτινοβολίας στο SI είναι το 1W/m 2. δ. Γωνιακή κατανομή ροής ή ισχύς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας I (Radiant Intensity) Καθορίζει το ποσό της ροής ακτινοβολίας dp ανά μονάδα στερεάς γωνίας και υπολογίζεται από την σχέση: I = dp dω Η μονάδα μέτρησής της στο SI είναι το 1W/sr. ε. Γωνιακή αφετική ικανότητα L (Radiance) Το μέγεθος αυτό αφορά είτε την εκπομπή ακτινοβολίας από επιφάνεια είτε τη δίοδο της ακτινοβολίας από επιφάνεια και ιδιαίτερα αναφέρεται σε εκτεταμένες πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ορίζεται ως η ισχύς ακτινοβολίας dp ανά μονάδα φαινόμενης επιφάνειας και ανά μονάδα στερεάς γωνίας. L = d2 P ds dω = d 2 P ds συνθ dω [24]
Όπου ds (φαινόμενη επιφάνεια), η προβολή της στοιχειώδους επιφάνειας της πηγής ds, σε επίπεδο κάθετο στην διεύθυνση παρατήρησης ή μέτρησης της διαδιδόμενης ροής και Θ η γωνία της κατεύθυνσης παρατήρησης και της καθέτου στην επιφάνεια της πηγής. Η μονάδα μέτρησής της στοsi είναι το 1W/m 2 sr. 2.5 Ο ήλιος Ο ήλιος είναι ένα τυπικό αστέρι, με μάζα 2 10 30 kg, ακτίνα 700.000km ηλικία 5 10 9 χρόνια και υπολογίζεται ότι έχει μπροστά του άλλα 5 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια ζωής. Η επιφανειακή θερμοκρασία του είναι περίπου 5.800 βαθμοί Κέλβιν ενώ η εσωτερική περίπου 15.000.000 βαθμοί Κέλβιν. Η υψηλή θερμοκρασία του ήλιου οφείλεται στις αυτοσυντηρούμενες πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο εσωτερικό του κατά τις οποίες μετατρέπεται το υδρογόνο σε ήλιο. Ο ήλιος δεν περιστρέφεται σαν στερεό σώμα. Η ύλη της φωτόσφαιρας στην περιοχή του ισημερινού κινείται ταχύτερα απ ότι στους πόλους. Αυτή η διαφορετική περιστροφή του ήλιου επηρεάζει το μαγνητικό πεδίο του. Στο συνδυασμό διαφορετικής περιστροφής και μαγνητικού πεδίου οφείλεται όλοι οι εντυπωσιακοί σχηματισμοί που παρατηρούνται στην επιφάνειά του, όπως κηλίδες, βρόχοι, προεξοχές, εκλάμψεις. 2.6 Ηλιακή σταθερά Ηλιακή σταθερά ενός πλανήτη είναι η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που αντιστοιχεί στη μέση απόσταση πλανήτη ήλιου, ενός συστήματος. Για την Γη η πρότυπη τιμή της ηλιακής σταθεράς είναι 13671W/m 2. Η τιμή της ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάτε από την απόσταση μεταξύ ήλιου και γης, από την εμφάνιση ηλιακών κηλίδων και από την περιστροφή του ήλιου γύρω από τον άξονά του. [25]
Η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης του σημείου που μετράμε. Μονάδα της είναι το 1W/m 2 που προκύπτει από τη σχέση: J = dp ds Και για την περίπτωση της ομόκεντρης σφαιρικής επιφάνειας ακτίνας R και εμβαδού S=4πR 2, η σχέση γίνεται ως εξής: J = P 4πR 2 Όπου P είναι η ολική ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από όλη την επιφάνειά του σε όλα τα μήκη κύματος. Η ηλιακή ακτινοβολία μετριέται συνήθως με πυρανόμετρο (Εικόνα 1) ή με πυρηλιόμετρο (Εικόνα 2). Το πυρανόμετρο χρησιμοποιείται για την μέτρηση της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα, η οποία προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια και προέρχεται τόσο απευθείας από τον ήλιο όσο και από την σκέδαση στα συστατικά της ατμόσφαιρας. Είναι σχεδιασμένο να δέχεται ακτινοβολία από ένα οπτικό πεδίο 180 μοιρών και δεν απαιτεί τροφοδοσία για να λειτουργήσει. Τοποθετείται πλήρως οριζοντιωμένο και μετρά συγχρόνως την άμεση και τη διάχυτη συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας, οι οποίες όμως γίνονται αισθητές σαν το γινόμενο της ροής της ακτινοβολίας και του συνημίτονου της γωνίας πρόσπτωσης λόγο της κλίσης της αισθητήριας επιφάνειας σε σχέση με τις ακτίνες του φωτός. Για την καλύτερη αξιοπιστία των μετρήσεων το πυρανόμετρο πρέπει να τοποθετείτε σε θέση με ελάχιστα εμπόδια ώστε να δέχεται ακτινοβολία από όσο το δυνατόν μεγαλύτερο τμήμα του ουράνιου θόλου, να έχει δηλαδή ελεύθερο ορίζοντα. [26]
Τα πυρανόμετρα είναι τα όργανα που χρησιμοποιούνται κατεξοχήν για μετρήσεις σχετικές με την ηλιακή ενέργεια, λόγω του ότι ανταποκρίνονται σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα, η δε γεωμετρία τους προσομοιάζει τη γεωμετρία πολλών από τις διατάξεις συλλογής της ηλιακής ενέργειας. Συχνά το πυρανόμετρο τοποθετείται στο ίδιο επίπεδο με τα Φωτοβολταϊκά στοιχεία ώστε να είναι σε θέση να μετράει την επικείμενη ολική ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτή την επιφάνεια. Το ακτινόμετρο που μετρά την άμεση ακτινοβολία επειδή σκοπεύει τον ήλιο ονομάζεται και πυρηλιόμετρο. Τέτοιο όργανο είναι και το πυρηλιόμετρο Kipp and Zonnen ή Kipp-Zonnen του οποίου η χρήση είναι ευρύτατη. Εικόνα 8: Πυρανόμετρο Εικόνα 9: Πυρηλιόμετρο 2.7 Ολική, απ ευθείας διάχυτη και διάχυτα ανακλώμενη ακτινοβολία Η ακτινοβολία αρχικά χωρίζεται στις παρακάτω κατηγορίες: Ολική ακτινοβολία Απευθείας ακτινοβολία Διάχυτη ακτινοβολία Διάχυτα ανακλώμενη ακτινοβολία [27]
Η ολική ακτινοβολία αναλύεται σε τρεις υποκατηγορίες: o Κάθετη ολική ακτινοβολία η οποία υπολογίζεται σε συλλέκτη προσανατολισμένο κάθετα στην απευθείας ακτινοβολία του ήλιου. Αποτελείται από την απευθείας ακτινοβολία και τη διάχυτη από όλα τα σημεία του ουράνιου θόλου πάνω από το επίπεδο του συλλέκτη καθώς και από τη διάχυτα ανακλώμενη στο έδαφος. o Οριζόντια ολική ακτινοβολία η οποία απαρτίζεται από την απευθείας και διάχυτη από όλα τα σημεία του ουράνιου θόλου καθώς και διάχυτα ανακλώμενη από τα σημεία του εδάφους που είναι πάνω από το επίπεδο του συλλέκτη, ο οποίος είναι τοποθετημένος οριζόντια. o Ολική ακτινοβολία στο επίπεδο του συλλέκτη η οποία απαρτίζεται από την απευθείας και διάχυτη απ όλα τα σημεία του ουράνιου θόλου καθώς και διάχυτα ανακλώμενη από τα σημεία του εδάφους που είναι πάνω από το επίπεδο του συλλέκτη. Η απευθείας ακτινοβολία αναλύεται και αυτή σε τρεις υποκατηγορίες: o Απευθείας κάθετη ακτινοβολία στην οποία η επιφάνεια του συλλέκτη προσανατολίζεται κάθετα προς τις ακτίνες της απευθείας ακτινοβολίας. o Απευθείας οριζόντια ακτινοβολία στην οποία η επιφάνεια του συλλέκτη προσανατολίζεται οριζόντια προς τις ακτίνες της απευθείας ακτινοβολίας. o Απευθείας στο επίπεδο του συλλέκτη η οποία αφορά στην απευθείας συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του συλλέκτη. Η διάχυτη ακτινοβολία αναλύεται και αυτή σε δυο υποκατηγορίες: o Διάχυτη ακτινοβολία σε οριζόντιο συλλέκτη o Διάχυτη ακτινοβολία σε κεκλιμένο συλλέκτη Η διάχυτα ανακλώμενη ακτινοβολία αναλύεται και αυτή σε δύο υποκατηγορίες: o Από το έδαφος στον κεκλιμένο συλλέκτη o Από τα σύννεφα Και οι δύο αυτές υποκατηγορίες αναφέρονται σε ακτινοβολία η οποία προέρχεται από το διάχυτα ανακλώμενο φως στο έδαφος και σε ότι το καλύπτει (π.χ. φυτά, κτιριακές κατ [28]
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 Αρχή λειτουργίας φωτοβολταϊκού στοιχείου Το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ένα σύστημα δύο υλικών σε επαφή, το οποίο όταν φωτίζεται εμφανίζει στα άκρα του συνεχή ηλεκτρική τάση. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι ουσιαστικά δύο ημιαγώγιμα στρώματα τα οποία βρίσκονται σε επαφή, τύπου (p) και τύπου (n), και εξωτερικά αυτών τοποθετούνται ηλεκτρόδια. Η πρώτη γνωριμία του ανθρώπου με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έγινε το 1839 όταν ο Γάλλος φυσικός Edmond Becquerel (1820 1891) ανακάλυψε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο κατά τη διάρκεια πειραμάτων του με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δυο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε 1876 όταν οι Adams (1836 1915) και ο φοιτητής του Day παρατήρησαν ότι μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φώς. Το 1918 ο Πολωνός Czochralski (1885 1953) πρόσθεσε την μέθοδο παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si) με την σχετική έρευνά του και η οποία μάλιστα χρησιμοποιείται βελτιωμένη ακόμα και σήμερα. Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε επίσης το 1949 όταν οι Mott και Schottky ανέπτυξαν την θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Στο μεταξύ η κβαντική θεωρία είχε ξεδιπλωθεί. Ο δρόμος πλέον για τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές είχε ανοίξει. Το πρώτο ηλιακό κελί ήταν γεγονός στα εργαστήρια της Bell το 1954 από τους Chapin, Fuller και Pearson. Η απόδοση του ήταν 6% εκμετάλλευση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. [29]
Το ηλιακό φως είναι ουσιαστικά μικρά πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. Το ηλιακό φώς είναι ουσιαστικά μικρά πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. Τα φωτόνια περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού φάσματος. Το γαλάζιο χρώμα ή το υπεριώδες π.χ. έχουν περισσότερη ενέργεια από το κόκκινο ή το υπέρυθρο. Όταν λοιπόν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, που είναι ουσιαστικά ένας «ημιαγωγός», μερικά ανακλώνται, μερικά το διαπερνούν και τα υπόλοιπα απορροφώνται από το φωτοβολταϊκό. Τα φωτόνια που απορροφώνται είναι αυτά που παράγουν το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτόνια αυτά αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του φωτοβολταϊκού να μετακινηθούν σε άλλη θέση και ως γνωστόν ο ηλεκτρισμός δεν είναι τίποτε άλλο παρά κίνηση ηλεκτρονίων. Σ αυτή την απλή αρχή της φυσικής λοιπόν βασίζεται μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρισμού στις μέρες μας. Εάν φέρουμε σε επαφή δύο κομμάτια πυριτίου τύπου (n) και τύπου (p) το ένα απέναντι από το άλλο δημιουργείται μια δίοδος η αλλιώς ένα ηλεκτρικό πεδίο στην επαφή των δύο υλικών το οποίο επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων προς μια κατεύθυνση μόνο. Τα επιπλέον ηλεκτρόνια της επαφής (n) έλκονται από τις «οπές» τις επαφής (p). Αυτό το ζευγάρι των δύο υλικών είναι το δομικό στοιχείο του φωτοβολταϊκού κελιού και η βάση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. [30]
3.2 Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Το υλικό που χρησιμοποιείται για να κατασκευαστούν φωτοβολταϊκά στοιχεία στην βιομηχανία είναι το πυρίτιο. Είναι ίσως το μοναδικό υλικό που παράγεται με τόσο μαζικό τρόπο. Το πυρίτιο σήμερα αποτελεί την πρώτη ύλη για το 90% της αγοράς των φωτοβολταϊκών. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του πυριτίου είναι: Α. Μπορεί να βρεθεί πάρα πολύ εύκολα στην φύση. Είναι το δεύτερο σε αφθονία υλικό που υπάρχει στον πλανήτη μετά το οξυγόνο. Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) (ή κοινός η άμμος) και ο χαλαζίτης αποτελούν το 28% του φλοιού της γης. Είναι ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Β. Μπορεί εύκολα να λιώσει και να μορφοποιηθεί. Επίσης είναι σχετικά εύκολο να μετατραπεί στην μονοκρυσταλλική του μορφή. Γ. Οι ηλεκτρικές του ιδιότητες μπορούν να διατηρηθούν μέχρι τους 125 κάτι που επιτρέπει τη χρήση του πυριτίου σε ιδιαίτερα δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτός είναι και ο λόγος που τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου ανταπεξέρχονται σε ένα ιδιαίτερο ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Πολύ σημαντικό στοιχείο που συνέβαλε στην γρήγορη ανάπτυξη τα φωτοβολταϊκά στοιχεία τα τελευταία χρόνια ήταν η ήδη αναπτυγμένη τεχνολογία, στην βιομηχανία της επεξεργασίας του πυριτίου, στον τομέα της ηλεκτρονικής (υπολογιστές, τηλεοράσεις κλπ.) Τα 2007 μάλιστα ήταν η πρώτη φορά που υπήρχε μεγαλύτερη ζήτηση (σε τόνους κρυσταλλικού πυριτίου) στην αγορά των φωτοβολταϊκών στοιχείων σε σχέση με αυτή των ημιαγωγών της ηλεκτρονικής. Μια κατηγοριοποίηση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία θα μπορούσε να γίνει με βάση το πάχος του υλικού που χρησιμοποιείται. [31]