ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μέθοδοι βελτίωσης του βαθµού απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Μέτρηση του βαθµού απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων συναρτήσει της θερµοκρασίας. Ζαφειρίου Λάζαρος ΑΕΜ: 6315 Αποστόλου Αριστοτέλης ΑΕΜ: 5668 Επιβλέπων Καθηγητής: Χατζηαθανασίου Βασίλειος Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2010
Πρόλογος Ο βαθµός απόδοσης όλων των φωτοβολταϊκών πλαισίων που κυκλοφορούν σήµερα στη αγορά εξαρτάται από την θερµοκρασία. Με ανάπτυξη υψηλής θερµοκρασίας στα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουµε µείωση του βαθµού απόδοσης περίπου -0.45% ανά, γεγονός που συνεπάγεται σηµαντική πτώση της παραγόµενης ισχύος τους. Αντικείµενο της διπλωµατικής εργασίας είναι η θεωρητική και πειραµατική µελέτη της εφαρµογής µεθόδων ψύξης για την αύξηση του βαθµού απόδοσης. Συγκεκριµένα στο θεωρητικό µέρος αναλύονται οι κυριότεροι µέθοδοι ψύξης που εφαρµόζονται σήµερα, δηλαδή ο αέρας και το νερό καθώς επίσης και οι παράγοντες που επηρεάζουν τον βαθµό απόδοσης των ΦΒ πλαισίων αναλόγως της ψύξης. Στο πειραµατικό µέρος εφαρµόστηκαν δύο µέσα ψύξης, προκειµένου να γίνει εκτίµηση του εύρους µείωσης της θερµοκρασίας και του ποσοστού αύξησης της παραγόµενης ισχύος ανά βαθµό κελσίου. Τα µέσα ψύξης που χρησιµοποιήθηκαν για την απαγωγή θερµότητας ήταν το νερό και ο ξηρός πάγος. Το νερό χρησιµοποιήθηκε για να προσο- µοιώσει την ψύξη µέσω εξάτµισης που αναφέρεται στον επιφανειακό ψεκασµό των πλαισίων µε νερό υψηλής πίεσης, και ο ξηρός πάγος χρησιµοποιήθηκε για να βρεθεί η βέλτιστη θερµοκρασίας λειτουργίας των ΦΒ στοιχείων, δηλαδή η τιµή της θερµοκρασίας για την οποία ο βαθµός απόδοσης των ΦΒ στοιχείων θα είναι ίσος µε τον ονοµαστικό.
Περιεχόµενα ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α...2 1.1 Περιγραφή Α.Π.Ε... 2 1.1.1 Η ηλιακή ενέργεια...2 1.1.2 Η αιολική ενέργεια... 2 1.1.3 Η υδροηλεκτρική-κυµατική ενέργεια... 3 1.1.4 Η βιοµάζα... 3 1.1.5 Η γεωθερµία... 3 1.1.6 Η τεχνολογία υδρογόνου... 4 1.2 Οι ΑΠΕ στον Ελληνικό χώρο...4 1.2.1 : Βασικοί δείκτες ενεργειακής έντασης στην Ελλάδα... 4 1.2.2 Η συνεισφορά των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο... 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ... 12 2.1 Η δοµή του ήλιου...12 2.2 Ηλιακή ακτινοβολία και η ένταση της...13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΥΝΤΟΜΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ..15 3.1 Φωτοβολταϊκό φαινόµενο...15 3.2 Τύποι ηλιακών κυψελών και πλαίσια...17 3.3 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκής κυψέλης...18 3.3.1 Ισοδύναµο κύκλωµα...18 3.3.2 Τάση ανοιχτού κυκλώµατος ρεύµα βραχυκύκλωσης...19 3.3.3 Χαρακτηριστική καµπύλη Ι-V φωτοβολταϊκής κυψέλης...20 3.3.4 Σηµείο λειτουργίας µέγιστης ισχύος ( ΣΜΙ)...22 3.3.5 Καµπύλη φόρτου...23 3.3.6 Εξάρτηση ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ΦΒ στοιχείου από την πυκνότητα ισχύος της ΗΜ ακτινοβολίας...23 3.3.7 Παράγων πλήρωσης (FF Fill Factor)...24 3.3.8 Επίδραση θερµοκρασίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ΦΒ στοιχείου...25 3.3.9 Απόδοση φωτοβολταϊκής κυψέλης...27 3.4 Απόδοση ΦΒ πλαισίου και παράγοντες που την επηρεάζουν...28 3.4.1 Απόδοση ΦΒ πλαισίου...28 3.4.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση...30 3.4.2.1 Παράγον ή συντελεστής γήρανσης n,...30 3.4.2.2 Οπτικές ενεργειακές απώλειες...30 3.4.2.3 Θερµοκρασία ΦΒ κυψέλης...31 3.4.2.4 Συντελεστής απωλειών στη δίοδο αντεπιστροφής...31
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΤΡΟΠΟΙ ΨΥΞΗΣ ΦΒ 32 4.1 Ψύξη µε εξάτµιση...33 4.1.1 Φωτοβολταϊκά συστήµατα συγκέντρωσης (CPV)...34 4.1.1.1 Κατηγορίες των ΦΒ συστηµάτων συγκέντρωσης...36 4.1.2 Σωλήνες θερµότητας...37 4.1.3 Κατασκευαστικά στοιχεία των σωλήνων θερµότητας...38 4.1.3.1 Υλικά σωλήνων θερµότητας...38 4.1.3.2 Ρευστά λειτουργίας βάση των υλικών του σωλήνα θερµότητας...38 4.1.3.3 Σχεδίαση συστηµάτων σωλήνων θερµότητας...39 4.1.4 Εξάρτηση της παραγόµενης ισχύος συναρτήσει της κλίσης του CPV...40 4.2 Μέθοδος υδρόψυξης (Άµεση ψύξη)...42 4.2.1 Εισαγωγή στα υβριδικά ΦΒ συστήµατα νερού...42 4.2.1.1 Βασικές διατάξεις ΦΒ/Θ συλλεκτών νερού...43 4.2.2 Συµπεριφορά ΦΒ/Θ συλλέκτη σε πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας. 46 4.2.3 Περιορισµοί και παραδοχές υβριδικών ΦΒ/Θ συστηµάτων...48 4.2.4 Παρουσίαση βασικών υβριδικών συστηµάτων...50 4.2.4.1 Πειραµατική διαδικασία...51 4.2.5 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των ΦΒ/Θ συστηµάτων...53 4.2.5.1 Επίδραση από τον τύπο του κελιού (άµορφο και πολύκρυσταλλικό πυρίτιο)...54 4.2.5.2 Επίδραση της ροής µάζας του εργαζόµενου ρευστού...55 4.2.5.3 Επίδραση του συστήµατος συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας...59 4.2.5.4 Επίδραση του γυάλινου καλύµµατος σε ΦΒ/Θ συστήµατα αέρα και νερού...60 4.2.5.5 Επίδραση του γεωµετρικού λόγου W/D...63 4.2.6 Σύγκριση υβριδικών ΦΒ/Θ µε συµβατικά ΦΒ...63 4.2.7 Συµπεράσµατα...65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ.67 5.1 Χρησιµοποιούµενος εξοπλισµός.... 68 5.1.1 Φωτοβολταϊκή γεννήτρια.. 68 5.1.2 Καταγραφικό CR1000.......69 5.1.3 Πυρανόµετρο CMP3.... 70 5.1.4 Ξηρός Πάγος.........71 5.1.5 Σύρµα χρωµονικελίνης.....72 5.1.6 Αισθητήριο Pt100 τύπου φιλµ......72 5.1.7 Πιεστικό....73 5.1.8 Ψηφιακά πολύµετρα.....73
5.2 Πειραµατική διαδικασία...74 5.3 Υπολογιστικό µέρος...75 5.3.1 Υπολογισµός του I MPP και V MPP...75 5.3.2 Υπολογισµός του βαθµού απόδοσης.....76 5.4 Χαρακτηριστικές καµπύλες και σχολιασµός αποτελεσµάτων.78 5.4.1 Χαρακτηριστικές καµπύλες της φωτοβολταϊκής γεννήτριας µε τα δύο µέσα ψύξης..78 5.4.2 Χαρακτηριστικές καµπύλες και αποτελέσµατα από το σύνολο των µετρήσεων...82 5.5 Συµπεράσµατα...89 Βιβλιογραφία..90 Παράρτηµα.92
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στη σύγχρονη εποχή οι ανάγκες του ανθρώπου για ενέργεια έχουν αυξηθεί όσο ποτέ άλλοτε, τόσο η αύξηση του πληθυσµού της γης όσο και η αλµατώδης ανάπτυξη της τεχνολογίας έχουν οδηγήσει στην κατασπατάληση των φυσικών πόρων του πλανήτη για την ικανοποίηση των "ορέξεων" µας. Το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο, ο λιγνίτης (ορυκτά καύσιµα) που άφησε ως "προίκα" η γη κάποια στιγµή θα τελειώσουν οδηγώντας την ανθρωπότητα σε κρίση. Μια ενδεχόµενη ενεργειακή κρίση δεν είναι το µόνο πρόβληµα το οποίο καλείται να αντιµετωπίσει ο άνθρωπος, η καύση των ορυκτών καυσίµων και η εκποµπή ρυπαντών όπως το SO 2, CO, HC, τα NO x έχουν αρνητική επίδραση στον άνθρωπο -αναπνευστικές παθήσεις, καρκίνος- και στο περιβάλλον µε την µορφή της αύξησης της µέσης θερµοκρασίας της γης, γνωστό και ως φαινόµενο του θερµοκηπίου. Βέβαια, τα τελευταία χρόνια γίνονται κάποιες προσπάθειες για την αντιµετώπιση του φαινοµένου του θερµοκηπίου όπως το Πρωτόκολλο του Κιότο, και την πιο πρόσφατη παγκόσµια διάσκεψη για τις κλιµατικές αλλαγές στην Κοπεγχάγη. Είναι πλέον ανάγκη να στραφούµε σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας που δεν θα επιβαρύνουν το περιβάλλον και θα καλύπτουν και τις ενεργειακές µας ανάγκες. Ο ήλιος, το νερό, ο αέρας είναι στοιχεία της φύσης που ο άνθρωπος εκµεταλλεύτηκε στο παρελθόν πολύ πριν παρουσιαστεί ο πρώτος µετατροπέας θερµότητας σε µηχανική ενέργεια το έτος 1800µΧ. Τις τελευταίες δεκαετίες γίνονται προσπάθειες εκµετάλλευσης αυτών των στοιχείων για παραγωγή φιλικής προς το περιβάλλον ενέργειας. Αυτές οι λεγόµενες ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.) έχουν ως σηµαντικότερα µειονεκτήµατα το αυξηµένο κόστος κατασκευής, το µικρό βαθµό απόδοσης και την δυσκολία αποθήκευσης της ενέργειας που παράγουν µε αποτέλεσµα η παραγωγή της να είναι ακριβότερη από την παραγωγή µε συµβατική καύσιµη ύλη. Η αιολική, η ηλιακή ενέργεια, η βιοµάζα, η γεωθερµία η υδροηλεκτρική ενέργεια και η τεχνολογία υδρογόνου αποτελούν αντικείµενο µελέτης της επιστηµονικής κοινότητας και τα αποτελέσµατα τους έχουν συντελέσει στην εκµετάλλευση των ΑΠΕ. Σ' αυτήν την προσπάθεια θα προσπαθήσουµε να συµµετάσχουµε και εµείς παρουσιάζοντας στην εργασία µας τρόπους βελτίωσης της ηλεκτρικής απόδοσης φωτοβολταϊκών συστηµάτων. 1
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α Ανανεώσιµες πηγές ενέργειας ονοµάζονται όλες εκείνες οι πηγές που δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον και εκµεταλλεύονται ανεξάντλητα αποθέµατα όπως ο ήλιος και η γεωθερµία ή περιοδικά επαναλαµβανόµενους φυσικούς κύκλους όπως του αέρα και του νερού. Στις ΑΠΕ περιλαµβάνονται επίσης η βιοµάζα και η τεχνολογία υδρογόνου. Όπως αναφέραµε και στην εισαγωγή το Πρωτόκολλο του Κιότο (1997) που προβλέπει την µείωση των εκποµπών των έξι αερίων του θερµοκηπίου (διοξείδιο του άνθρακα, µεθάνιο, υποξείδιο του αζώτου, υδροφθοράνθρακες, πλήρως φθοριοµένοι υδρογονάνθρακες και εξαφθοριούχο θείο) οδήγησε στην ανάπτυξη των ΑΠΕ. 1.1 Περιγραφή Α.Π.Ε. 1.1.1 Η ηλιακή ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια είναι µια ανεξάντλητη µορφή ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο. Κύριες εφαρµογές της είναι για την παραγωγή θερµότητας και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στην πρώτη περίπτωση θερµαίνουµε κάποιο υγρό, συνήθως νερό, ενώ στην δεύτερη εκµεταλλευόµαστε τις ιδιότητες των φωτοβολταϊκών και µετατρέπουµε την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ισχύ. Επίσης παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µπορούµε να έχουµε χρησιµοποιώντας κάτοπτρα τα οποία συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ένα απορροφητή θερµότητας ο οποίος φέρει το ρευστό εργασίας (συνήθως συνθετικό έλαιο), το ρευστό θερµαίνεται και χρησιµοποιείται για την παραγωγή ατµού. 1.1.2 Η αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι και αυτή µία ανεξάντλητη µορφή ενέργειας που προέρχεται από την δύναµη του ανέµου. Η εκµετάλλευση του αιολικού δυναµικού γίνεται µε την χρήση ανεµογεννητριών που παράγουν ηλεκτρική ισχύ και τη διοχετεύουν είτε στο δίκτυο (αιολικά πάρκα) είτε σε οικιακούς καταναλωτές (µικρές εφαρµογές). 2
1.1.3 Η υδροηλεκτρική-κυµατική ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια όπως και οι παραπάνω αποτελεί αστείρευτη πηγή που εκµεταλλεύεται το νερό και χρησιµοποιείται ευρέως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιµοποιούνται υδροστρόβιλοι για την µετατροπή της κινητικής ή δυναµικής ενέργειας του νερού, και ανάλογα µε την υψοµετρική διαφορά του νερού διακρίνονται σε σταθµούς χαµηλής (0-20 m) µέσης (20-100 m) και υψηλής πίεσης (> 100 m). Οι υδροηλεκτρικοί σταθµοί (ΥΗΣ) κατασκευάζονται είτε σε ποταµούς και εκµεταλλεύονται την φυσική ροή είτε µε τεχνητά φράγµατα. Τα τελευταία χρόνια εκµεταλλευόµαστε και την ενέργεια των θαλάσσιων κυµάτων που αποτελεί µια σχετικά νέα τεχνολογία και βρίσκεται ακόµα σε πρώιµα στάδια εξέλιξης και ερευνών. 1.1.4 Η βιοµάζα Γενικά ως βιοµάζα ορίζεται η ύλη που έχει οργανική προέλευση, όπως φυτικές ύλες, φυτικά και ζωικά υποπροϊόντα και κατάλοιπα, ακόµα και βιολογικά αστικά λύµατα. Αποτελεί µια δεσµευµένη και αποθηκευµένη µορφή ενέργειας αποτέλεσµα του φαινοµένου της φωτοσύνθεσης. Η χρήση της βιοµάζας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησε στην καλλιέργεια ενεργειακών φυτών όπως το σιτάρι, το κριθάρι, ο αραβόσιτος, τα ζαχαρότευτλα, ο ηλίανθος και η ελαιοκράµβη. Αυτό είχε ως συνέπεια την αύξηση των τιµών των παραπάνω προϊόντων και ίσως έχει συντελέσει στην αποψίλωση δασικών εκτάσεων για την δηµιουργία ενεργειακών καλλιεργειών. 1.1.5 Η γεωθερµία Γεωθερµική ενέργεια είναι η θερµότητα της γης. Ανάλογα µε τη θερµοκρασία µε την οποία µεταφέρεται στην επιφάνεια, η γεωθερµική ενέργεια χρησιµοποιείται για παραγωγή ηλεκτρισµού (θ>80 ), για θέρµανση κτιρίων, για θέρµανση θερµοκηπίων και εδαφών, για ιχθυοκαλλιέργειες και για θερµά λουτρά. Η τεχνολογία εκµετάλλευσης της γεωθερµικής ενέργειας εξαρτάται από τη µορφή στην οποία βρίσκεται η γεωθερµική ενέργεια (ή γεωθερµικό δυναµικό) µέσα στη γη. Το γεωθερµικό δυναµικό µπορεί να ταξινοµηθεί σε θερµά ξηρά πετρώµατα µε θερµοκρασία 100-150ºC, σε υδροφόρους ορίζοντες µε θερµοκρασίες 150ºC ως 300+ºC που αποτελούν τα γεωθερµικά πεδία υψηλής ενθαλπίας, σε υδροφόρους ορίζοντες µε θερµοκρασίες 25ºC-100+ºC που αποτελούν τα γεωθερµικά πεδία χαµηλής ενθαλπίας, σε υδροφόρους ορίζοντες µε θερµοκρασίες 15ºC-30ºC και σε εδάφη µε σταθερή θερµοκρασία 15ºC παντού µερικά µέτρα κάτω από την επιφάνεια. Οι κυριότερες εφαρµογές είναι, για θέρµανση µε τη χρήση αντλιών θερµότητας για θερµοκρασίες µικρότερες των 25ºC, για άµεση θέρµανση για θερµοκρασίες µεγαλύτερες των 25ºC και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 3
Ειδικότερα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιµοποιούνται εγκαταστάσεις ξηρού ατµού στις οποίες ο ατµός πηγαίνει άµεσα στον στρόβιλο, εγκαταστάσεις τύπου "flash" στις οποίες το ρευστό ψεκάζεται σε µια δεξαµενή που κρατιέται σε µια πολύ χαµηλότερη πίεση από ότι είναι το ρευστό, αναγκάζοντας µέρος του ρευστού να ατµοποιείται γρήγορα και τέλος εγκαταστάσεις µε την χρήση δυαδικών συστηµάτων (π.χ. κύκλος Kalina) που εκµεταλλεύονται το χαµηλό σηµείο ζέσης και την υψηλή τάση ατµών σε χαµηλές θερµοκρασίες, ενός δευτερεύοντος ρευστού, σε σύγκριση µε τον υδάτινο ατµό. 1.1.6 Η τεχνολογία υδρογόνου Ουσιαστικά πρόκειται για κυψέλες καυσίµου που είναι µη στρεφόµενες συσκευές που παράγουν ηλεκτρική και θερµική ενέργεια από την χηµική αντίδραση οξείδωσης του υδρογόνου χωρίς καύση. Μια τυπική κυψέλη αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια που χωρίζονται από ένα κατάλληλο ηλεκτρολυτικό καταλύτη µε µορφή µεµβράνης. Το οξυγόνο οδηγείται στο ένα ηλεκτρόδιο (κάθοδος) και το υδρογόνο στο άλλο (άνοδος), το ρεύµα που παράγεται είναι συνεχές. Τα µειονεκτήµατα αυτών των διατάξεων είναι το υψηλό κόστος, η έλλειψη υποδοµών για παραγωγή, αποθήκευση και διανοµή υδρογόνου. 1.2 : Οι ΑΠΕ στον Ελληνικό χώρο 1.2.1 : Βασικοί δείκτες ενεργειακής έντασης στην Ελλάδα Σύµφωνα µε την ετήσια έκθεση του 2008 που εκπόνησε το Κ.Α.Π.Ε. (κέντρο ανανεώσιµων πηγών ενέργειας) είναι χαρακτηριστική, για το έτος 2007 η αύξηση της ενεργειακής έντασης (εκφράζει το λόγο της κατανάλωσης ενέργειας προς το Ακαθάριστο Εγχώριο Προϊόν µίας χώρας, ή αλλιώς το σύνολο των παραγοµένων αγαθών και υπηρεσιών) στα νοικοκυριά (εικόνα 1.1) κυρίως λόγω της αυξηµένης χρήσης κλιµατιστικών και οικιακών συσκευών. Αντίθετα παρατηρείται µείωση της κατανάλωσης στη βιοµηχανία µέχρι το 2006 λόγω εκσυγχρονισµού της, η οποία όµως παρουσιάζει µια αύξηση το 2007 (εικόνα 1.1). Εµφανή είναι επίσης και η µείωση της κατανάλωσης στον τοµέα των µεταφορών (εικόνα 1.1) που πρωτίστως οφείλεται στην αγορά νέων Ι.Χ. αλλά και στον εκσυγχρονισµό των µέσων µαζικής µεταφοράς. Τέλος παρατηρούµε και µια σταθερή τάση στο τριτογενή τοµέα το 2007, ο οποίος παρουσίαζε αύξηση µέχρι το 2006. Στις εικόνες 1.2 και 1.3 παρουσιάζεται η εξέλιξη της ενεργειακής έντασης στους ενεργοβόρους και µη ενεργοβόρους βιοµηχανικούς κλάδους ανά τοµέα παραγωγής. 4
Εικόνα 1.1: Ενεργειακή ένταση ανά τοµέα κατανάλωσης Εικόνα 1.2 : Ενεργειακή ένταση σε ενεργοβόρους βιοµηχανικούς κλάδους 5
Εικόνα 1.3 : Ενεργειακή ένταση σε µη ενεργοβόρους βιοµηχανικούς κλάδους 1.2.2 Η συνεισφορά των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο Η συνεισφορά των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο είναι της τάξης του 5% σε επίπεδο διάθεσης πρωτογενούς ενέργειας της χώρας και της τάξης του 15% σε επίπεδο εγχώριας παραγωγής πρωτογενούς ενέργειας. Στην παρακάτω διάγραµµα (εικόνα 1.4) φαίνεται η συνολική παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας από ΑΠΕ του έτους 2007 που ανέρχεται στα 1,7 Mtoe ( ες επίσης και πίνακας 3 -εικόνα 1.7). Εικόνα 1.4 :Επιµέρους παραγωγή των συνολικών 1,7 Mtoe Στην Ελλάδα η συνολική συνεισφορά από ΑΠΕ, αν αφαιρέσουµε την βιοµάζα και τα µεγάλα υδροηλεκτρικά, παρουσιάζει µια σταθερή ανοδική πορεία, λόγω των µέτρων οικονοµικής υποστήριξης. Η ηλεκτροπαραγωγή από συµβατικές ΑΠΕ (µη συµπεριλαµβανοµένων των µεγάλων υδροηλεκτρικών) παρουσιάζει αύξηση τα τελευταία χρόνια και αντιστοιχεί 6
στο 3,6% της ακαθάριστης εγχώριας ηλεκτρικής κατανάλωσης. Αφορά κυρίως σε αιολικά και µικρά υδροηλεκτρικά, σε µικρό βαθµό τη βιοµάζα, ενώ ήδη γίνεται αισθητή η συνεισφορά των βιοκαυσίµων των γεωθερµικών και φωτοβολταϊκών εφαρµογών. Αν λάβουµε υπόψη και τα µεγάλα υδροηλεκτρικά (εξαιρώντας την παραγωγή από άντληση) το ποσοστό αυτό ανεβαίνει στο 7,2% της ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγωγή θερµικής ενέργειας από ΑΠΕ προέρχεται κυρίως από τις θερµικές χρήσεις βιοµάζας, τα ενεργητικά ηλιακά και τις γεωθερµικές αντλίες θερµότητας. Η µεγάλη ανάπτυξη της βιοµηχανίας ηλιακών συλλεκτών κατά τις τελευταίες δεκαετίες είχε οδηγήσει την Ελλάδα στη δεύτερη θέση (για το έτος 2007) σε εγκατεστηµένη επιφάνεια συλλεκτών στη Ευρώπη. Η εγκατεστηµένη ισχύς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ (εξαιρουµένων των υδροηλεκτρικών σταθµών άνω των 10 MW), όπως φαίνεται στον πίνακα 1 και στην εικόνα 1.5, ήταν 1.725 MW στο τέλος του 2007 µε σταθερή αυξανόµενη εξέλιξη να έχουν τα αιολικά, τα µικρά υδροηλεκτρικά και η βιοµάζα. 7
Εικόνα 1.5 :Εξέλιξη εγκατεστηµένης ισχύος ΑΠΕ χωρίς µεγάλα υδροηλεκτρικά Η ακαθάριστη ηλεκτρική παραγωγή από ΑΠΕ το 2007 έφτασε τις 5,4 TWh (5.355 GWh) περίπου και προήλθε κατά 63% από υδροηλεκτρικούς σταθµούς (3.377 GWh), κατά 34% από αιολικά πάρκα (1.818 GWh), 3 % από βιοαέριο (160 GWh) ενώ υπήρχε και µία µικρή παραγωγή από φωτοβολταϊκούς σταθµούς (πίνακας 2) 8
Η ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για την ίδια χρονιά ήταν 63,5 TWh, η εξέλιξη της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ φαίνεται στην εικόνα 1.6. Εικόνα 1.6 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ χωρίς µεγάλα υδροηλεκτρικά 9
Εικόνα 1.7 :Πρωτογενής παραγωγή από ΑΠΕ Όπως αναφέραµε και παραπάνω η συνεισφορά των ΑΠΕ στην ακαθάριστη εγχώρια κατανάλωση είναι σταθερή και περίπου 5% (πίνακας 4), ο λόγος είναι ότι η παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας από ΑΠΕ οφείλεται κατά 66% στην εµπορική βιοµάζα και στα µεγάλα υδροηλεκτρικά. 10
11
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 2.1 Η δοµή του ήλιου Ο ήλιος είναι ένα τυπικό αστέρι, µε µάζα 2x10 30 kg, ακτίνα 700.000 Km ηλικία 5x10 9 χρόνια και υπολογίζεται ότι έχει µπροστά του άλλα 5 περίπου δισεκατοµµύρια χρόνια ζωής. Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η δοµή του ήλιου (εικόνα 2.1) και ξεχωρίζουν τα εξής τµήµατα: Πυρήνας: Βρίσκεται στο κέντρο και εκτείνεται σε διάµετρο ίση µε το 25% της συνολικής µε θερµοκρασίες που φτάνουν τους 15.000.000 Κ. Ζώνη ακτινοβολίας: Καταλαµβάνει το 55% της ακτίνας του ήλιου. Σε αυτή τη ζώνη η ενέργεια από τον πυρήνα µεταφέρεται προς τα έξω από τα φωτόνια. Ζώνη µεταφοράς: Εδώ υπάρχει σχετικά ψυχρό και αραιό αέριο και κυριαρχεί η µεταφορά ενέργειας µε συναγωγή. Φωτόσφαιρα: Αποτελεί τον ορατό δίσκο του ήλιου πάχους 500 Km Χρωµόσφαιρα: Είναι διαφανής στο φώς γιατί έχει πυκνότητα 1000 φορές µικρότερη από την φωτόσφαιρα. Στέµµα: Εκτείνεται προς το µεσοπλανητικό χώρο σχηµατίζοντας την ηλιόσφαιρα. Η επιφανειακή θερµοκρασία του ήλιου είναι περίπου 5.800 Κ και η εσωτερική περίπου 15.000.000 Κ. Αυτή η υψηλή θερµοκρασία οφείλεται στις αυτοσυντηρούµενες πυρηνικές αντιδράσεις που συµβαίνουν στο εσωτερικό του κατά τις οποίες µετατρέπεται το υδρογόνο σε ήλιο. Σύµφωνα µε την θεωρία αυτή η πυρηνική αντίδραση σύντηξης : 2 He + έ δικαιολογεί, µε το έλλειµµα µάζας, την εκλυόµενη ενέργεια µε βάση την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Υπολογίζεται ότι για κάθε γραµµάριο υδρογόνου που µετατρέπεται σε He εκλύεται ενέργεια ίση µε U = 1,67 x10 5 kwh. 12
Εικόνα 2.1 : οµή ήλιου 2.2 Ηλιακή ακτινοβολία και η ένταση της Η ηλιακή ακτινοβολία ταξιδεύει προς την γη µε ταχύτητα 300.000 Km/sec και µεταφέρει ηλεκτροµαγνητική ενέργεια. Πραγµατοποιώντας φασµατοσκοπική ανάλυση εµφανίζονται τα διάφορα χρώµατα που περιέχονται σε αυτήν (εικόνα 2.2), το σύνολο των οποίων αποτελεί το ηλιακό φάσµα. Σε κάθε χρώµα του φάσµατος αντιστοιχεί και διαφορετική συχνότητα. Εικόνα 2.2 : Φάσµα ορατού φωτός Από όλες τις συχνότητες του ηλιακού φάσµατος µόνο οι µεγάλες συχνότητες στις οποίες έχουµε µεγάλη µεταφορά ηλεκτροµαγνητικής ενέργειας είναι δυνατό να προκαλέσουν ηλεκτρικό ρεύµα σε ένα φωτοβολταΐκό στοιχείο. Οι συχνότητες αυτές αποτελούν το 75% τουφάσµατος. Η εκπεµπόµενη ακτινοβολία αποµακρύνεται ακτινικά από τον αστέρα προς το διάστηµα και η ένταση της ακτινοβολίας του (το ποσό της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει σε 1 m 2 επιφανείας σε 1 sec) βάση της διατήρησης της ενέργειας ανά µονάδα χρόνου (διατήρηση ισχύος) προκύπτει από την σχέση : 4 (όπου d απόσταση απότην ήλιο, στην οποία µετράται η ένταση) 13
Ελάττωση της έντασης συµβαίνει σε όλη την διαδροµή της ηλιακής ακτινοβολίας µέσα στην ατµόσφαιρα της γης λόγω της απορρόφησης και της σκέδασης των µορίων του αέρα, της σκόνης και της υγρασίας. Τέλος ένας επίσης σηµαντικός παράγοντας που επηρεάζεται από την ατµόσφαιρα είναι και η κατανοµή της ενέργειας κατά µήκος του κύµατος. Γεγονός που επηρεάζει την απόδοση των φωτοβολταΐκών, που εξαρτάται από τα µήκη κύµατος που υπάρχουν στην προσπίπτουσα ακτινοβολία. Στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 2.3) φαίνεται η κατανοµή στο ηλιακό φάσµα έξω από την ατµόσφαιρα που είναι παρόµοια µε την κατανοµή ακτινοβολίας που προέρχεται από µαύρο (µελανό σώµα) θερµοκρασίας 5.900 Κ. Εικόνα 2.3 :Καµπύλες φασµατικής κατανοµής 14
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΤΟΜΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ Η µετατροπή της ηλεκτροµαγνητικής ενέργειας, που απορροφάται στο εσωτερικό µια διάταξής υλικών σε επαφή (ηµιαγωγοί), σε ηλεκτρική ονοµάζεται φωτοβολταΐκό φαινόµενο. Η διάταξη ονοµάζεται φωτοβολταΐκό στοιχείο και τα πιο συνηθισµένα υλικά από τα οποία είναι κατασκευασµένοι οι ηµιαγωγοί έχουν ως βασικό υλικό κυρίως το πυρίτιο (silicon) που κατέχει το 95% της παγκόσµιας παραγωγής (σύµφωνα µε στοιχεία του έτους 2006), είτε το γάλλιο (gallium arsenide), είτε το κάδµιο (cadmium telluride) είτε το χαλκό (copper indium diselenide). 3.1 Φωτοβολταϊκό φαινόµενο Στην περιοχή των ηµιαγωγών που είναι σε επαφή δηµιουργούνται σε όλο το χώρο ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών µε δύο τρόπους, θερµικά και µε την δράση εξωτερικού φωτισµού (φωτονίων), κατάλληλου µήκους κύµατος. ιακρίνουµε τα ζεύγη που δηµιουργούνται µέσα στην περιοχή επαφής, λόγω του ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου, αλλά και έξω από αυτήν πολύ κοντά όµως στα σύνορα των περιοχών τύπου n και p αντίστοιχα. Πολλοί από τους φορείς αυτούς έχουν πολύ µεγάλη πιθανότητα να φτάσουν στις περιοχές όπου υπερτερούν οι όµοιοι προς αυτούς φορείς (φορείς πλειονότητας), και να παραµείνουν ως "ελεύθεροι" ηλεκτρικοί φορείς αφού η πιθανότητα να συναντήσουν φορέα µειονότητας και να επανασυνδεθούν είναι πολύ 15
µικρή. Οι φορείς που θα συναντήσουν αντίθετο φορέα και θα επανασυνδεθούν δεν συµβάλουν στην δηµιουργία ηλεκτρικού ρεύµατος µέσα στην ηµιαγωγική διάταξη. Η περιοχή τύπου n έχει ως φορείς πλειονότητας τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, ενώ η περιοχή τύπου p τις οπές (εικόνα 3.1). Οι πρόσθετοι φορείς φορτίζουν τους χώρους που φτάνουν µε πλεονάζοντα φορτία, έτσι το δυναµικό στο χώρο p γίνεται θετικότερο ως προς το αντίστοιχο του χώρου n όπου έχουν καταλήξει τα ηλεκτρόνια που δηµιουργήθηκαν στην επαφή. Η συνεχής κίνηση των φωτοδηµιουργούµενων φορέων κάτω από την επίδραση του ισχυρού πεδίου αποτελεί ρεύµα µε φορά αυτή του ενδογενούς πεδίου, δηλαδή από τον ηµιαγωγό τύπου n στον ηµιαγωγό τύπου p και ονοµάζεται φωτόρευµα. Η τιµή του είναι ευθέως ανάλογη του πλήθους των απορροφηµένων φωτονίων το οποίο είναι ανάλογο των προσπιπτόντων φωτονίων των οποίων η συνολική ενέργεια ανά µονάδα χρόνου και επιφανείας αποτελεί την πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι αυξηµένες όµως πυκνότητες φορέων πλειονότητας, στις αντίστοιχες περιοχές, έχουν ως αποτέλεσµα την αύξηση του ρεύµατος διάχυσης των φορέων αυτών προς τις αντίθετες περιοχές που οι φορείς αυτοί αποτελούν µειονότητα. Το ρεύµα αυτό είναι ισχυρό και αποτελείται από δύο συνιστώσες (ηλεκτρονίων και οπών), προσδιορίζεται δε από την µεταβολή της συγκέντρωσης των φορέων µειονότητας της περιοχής, έχει φορά από τον ηµιαγωγό τύπου p στον ηµιαγωγό τύπου n (αντίθετης φοράς από το φωτόρευµα) και δεν διαφέρει σε τίποτα µε το ρεύµα που δηµιουργεί η εφαρµογή ορθής τάσης V F σε µη φωτιζόµενη δίοδο. Η διάχυση προκαλεί αύξηση των φορέων µειονότητας των αντίθετων περιοχών µε αποτέλεσµα να αυξάνεται ο ρυθµός επανασύνδεσης των φορέων µειονότητας µε τους φορείς πλειονότητας. Εικόνα 3.1 : ιάχυση ηλεκτρονίων οπών 16
3.2 Τύποι ηλιακών κυψελών και πλαίσια Στην εικόνα 3.2 παραθέτουµε διαγραµµατικά τους τύπους των ηλιακών κυψελών, όπως αναφέραµε και παραπάνω το υλικό που χρησιµοποιείται ευρύτατα στην βιοµηχανία είναι το πυρίτιο (silicon). Εικόνα 3.2 :Τύποι ηλιακών κυψελών Ένα σύνολο φωτοβολταΐκών κυψελών που συνδέονται σε σειρά ώστε να αποτελούν µια εύχρηστη σε µέγεθος µονάδα µε τα επιθυµητά ηλεκτρικά και µορφολογικά χαρακτηριστικά δηµιουργούν ένα φωτοβολταΐκό πλαίσιο. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια αποτελούν την βασική µονάδα µιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας (ή φωτοβολταϊκή γεννήτρια). Η επιλογή του αριθµού των φωτοβολταΐκών κυψελών είναι άµεση συνέπεια του τύπου των συσσωρευτών και της ονοµαστικής ηλεκτρικής τάσης αυτών. Ο λόγος είναι απλός, η φωτοβολταϊκή συστοιχία αποδίδει την ενέργεια της µε την µέγιστη ισχύ όταν φωτίζεται µε έναν ήλιο (1 ήλιος 1 kw/ m 2 ) και λειτουργεί στο λεγόµενο σηµείο µέγιστης ισχύος, το σηµείο αυτό φροντίζουµε να αντιστοιχεί σε τάση που να καλύπτει τη φόρτιση του συσσωρευτή. Οι συσσωρευτές Pb/H 2 SO 4 (µολύβδου θειικού οξέως), οι οποίοι κατέχουν την πρώτη θέση στην παγκόσµια αγορά, ονοµαστικής τάσης 12 V απαιτούν για την φόρτισή τους τάση 14,2 14,4 V. Αν υπολογίσουµε και την επιπλέον τάση 1-2 V που 17
απαιτείται για τις γραµµές µεταφοράς, τις ηλεκτρονικές διατάξεις που ελέγχουν τα όρια τάσης φόρτισης και εκφόρτισης του συσσωρευτή αλλά και την δίοδο αντεπιστροφής που τοποθετείται για να αποτρέπεται η εκφόρτιση του συσσωρευτή διαµέσου της ΦΒ συστοιχίας όταν αυτή δεν φωτίζεται αντιλαµβανόµαστε ότι το σηµείο της µέγιστης ισχύος ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου, σ ένα ήλιο, θα πρέπει να καλύπτει τουλάχιστον την τάση των 15-17 V (14,4 + 1 έως 2 V). 3.3 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκής κυψέλης 3.3.1 Ισοδύναµο κύκλωµα Το ισοδύναµο κύκλωµα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου δίνεται στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 3.3) και είναι µέσα στο πλαίσιο διακεκοµµένης γραµµής. Περιλαµβάνει µια πηγή σταθερού ρεύµατος I L σε συνδυασµό µε µια ιδανική δίοδο και το µη ιδανικό τµήµα του που αποτελείται από µια αντίσταση απωλειών διαρροής του ρεύµατος R sh µεταξύ των άκρων του στοιχείου παράλληλα συνδεδεµένη στα άκρα της διόδου και µια αντίσταση απωλειών στο δρόµο ροής του ρεύµατος της διόδου R s συνδεδεµένη σε σειρά µε αυτήν. Εικόνα 3.3 :Ισοδύναµο κύκλωµα ΦΒ. (α) Απλό και (β) Πλήρες Η αντίσταση R sh αφορά διαδροµές του ρεύµατος διαρροής στο εσωτερικό της επαφής p-n µεταξύ των σηµείων που βρίσκονται σε διαφορά δυναµικού ίση µε την τάση στα άκρα της διόδου. Αναλυτικότερα, οι διαδροµές αυτές αφορούν ρεύµατα: 1. ιαµέσου του σώµατος της διάταξης επαφής 2. ια των εξωτερικών επιφανειών της επαφής, παράλληλα προς το ηλεκτρικό πεδίο της επαφής και 3. ιαµέσου της ηλεκτρικής διάβασης που δηµιουργούν οι προσµίξεις της επαφής. Η αντίσταση R s αφορά στην αντίσταση που παρουσιάζει η επαφή : 1. Κατά την δίοδο του ηλεκτρικού ρεύµατος µέσα από το σώµα της διόδου και 18
2. Στις ωµικές αντιστάσεις των σηµείων πρόσφυσης των ηλεκτροδίων της επαφής καθώς και κατά µήκος των µεταλλικών κλάδων τους. Η επίδραση των αντιστάσεων R sh και R s φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 3.4) από την οποία γίνεται φανερό ότι µικρή R sh (< 500 Ω) έχει ως αποτέλεσµα την έντονη ελάττωση του ρεύµατος καθώς προχωρούµε προς την τάση V oc, ενώ µεγάλη R s οδηγεί σε µείωση της µέγιστης ισχύος λόγω ότι µια αύξηση της R s περιορίζει την περιοχή τάσεων στην οποία αντιστοιχεί σταθερό ρεύµα βραχυκύκλωσης. Εικόνα 3.4 :Επίδραση σειριακής και παράλληλης αντίστασης 3.3.2 Τάση ανοιχτού κυκλώµατος ρεύµα βραχυκύκλωσης Ανοιχτό κύκλωµα Στην περίπτωση που το φωτοβολταΐκό στοιχείο βρίσκεται σε ανοικτό κύκλωµα και κάτω από συνθήκες σταθερού φωτισµού τα ρεύµατα που κυκλοφορούν µέσα στην επαφή είναι αντίθετης φοράς και ίσα κατά απόλυτη τιµή I δ = - I L (εικόνα 3.5α). Αυτή η ισότητα ρευµάτων, τα οποία επιβάλλονται αφενός από την διάχυση, λόγω αύξησης των πυκνοτήτων των φορέων πλειονότητας, αφετέρου από την ηλεκτρική τάση του ενδογενούς ηλεκτρικού φραγµού,έχει ως αποτέλεσµα η τάση στα άκρα της επαφής p-n να προσεγγίζει το ύψος της τάσης V bi (τάση διάχυσης : η τάση που διακόπτει το φαινόµενο της διάχυσης από το ένα τµήµα της επαφής στο άλλο) µε φορά αντίθετη αυτής. Ονοµάζεται τάση ανοιχτού κυκλώµατος (V oc ) και ισχύει : V oc V bi η ισότητα αφορά την ιδανική περίπτωση που δεν συµβαίνουν επανασυνδέσεις 19
Κλειστό κύκλωµα Αν, τώρα, τα άκρα της επαφής p-n που φωτίζεται όπως και πριν κάτω από συνθήκες σταθερού φωτισµού, είναι βραχυκυκλωµένα (µε χάλκινο σύρµα πρακτικά µηδενικής αντίστασης), οι αυξηµένες πυκνότητες των φορέων πλειονότητας στα άκρα της επαφής δηµιουργούν έκχυση τους είτε µέσα από την επαφή, που παρουσιάζει φραγµό, είτε µέσα από το σύρµα, που δεν παρουσιάζει φραγµό. Άρα κατά το βραχυκύκλωµα το ρεύµα I L διέρχεται από τον αγωγό βραχυκύκλωσης (εικόνα 3.5β), οπότε ισχύει : I SC = I L Όταν όµως στα άκρα της επαφής συνδέσουµε µια αντίσταση R (εικόνα 3.5γ) αυτή θα διαρρέεται από ρεύµα I R =I L I δ, δηλαδή το ρεύµα I R εξαρτάται από την τιµή της αντίστασης που συνδέουµε στα άκρα της επαφής. Εικόνα 3.5 : Επαφή p-n 3.3.3 Χαρακτηριστική καµπύλη Ι-V φωτοβολταϊκής κυψέλης Όπως αναφέραµε και παραπάνω, φώς δεδοµένης πυκνότητας ισχύος και φάσµατος δηµιουργεί µέσα στο σώµα της φωτοβολταϊκής κυψέλης ηλεκτρικό ρεύµα I L. Το ρεύµα αυτό παραµένει σταθερό καθώς αλλάζει η ωµική αντίσταση που είναι συνδεδεµένη στα άκρα του. Έτσι η λειτουργία της ΦΒ κυψέλης είναι ισοδύναµη µε εκείνη που θα δηµιουργούσε η σύνδεση µιας πηγής σταθερού ρεύµατος στα άκρα της διόδου, όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.6, ειδικότερα θα µπορούσαµε να πούµε ότι η πηγή αυτή προσαρµόζει την τάση στα άκρα της ώστε να διατηρεί το ρεύµα πρακτικά σταθερό, για αυτό παρουσιάζεται και ως πηγή σταθερού ρεύµατος. Εικόνα 3.6 : (α) τυπικό ηλεκτρικό κύκλωµα που περιλαµβάνει ΦΒ στοιχείο (β) Αναλυτική παρουσίαση ρευµάτων στο κύκλωµα (γ) Το ισοδύναµο ηλεκτρικό κύκλωµα 20
Σύµφωνα µε προηγούµενη ανάλυση το ρεύµα I δ είναι σαν να προέρχεται από µια ορθή τάση V F, επειδή οφείλεται στην αύξηση των πυκνοτήτων των φορέων πλειονότητας. Συµπεραίνουµε λοιπόν ότι οι τιµές του I δ ακολουθούν την καµπύλη I-V της διόδου (εικόνα 3.7). Έτσι, για να κατασκευάσουµε την καµπύλη I-V της φωτιζόµενης διόδου πρέπει να προσθέσουµε την καµπύλη I-V της µη φωτιζόµενης διόδου και την ευθεία I= -I L, του φωτορεύµατος που αποτελεί την καµπύλη I-V της πηγής σταθερού ρεύµατος. Το ρεύµα I R όµως έχει αντίθετη φορά από το επιβαλλόµενο στη δίοδο ρεύµα από µία εξωτερική πηγή µε ορθή πόλωση, συνεπώς στο διάγραµµα I-V της µη φωτιζόµενης επαφής θα τοποθετήσουµε της τιµές I R στον αρνητικό ηµιάξονα και σε κάθε τιµή του I δ θα προσθέτουµε το -I L και θα βρίσκουµε το I R. 1 (όπου η ιδ ο παράγων ιδανικότητας της διόδου) Στην εικόνα 3.8α φαίνεται η καµπύλη I-V της φωτοβολταϊκής κυψέλης στο σκοτάδι (1) και στο φώς (2), ενώ στην εικόνα 3.8β δίνεται σε µεγέθυνση το τµήµα της καµπύλης που βρίσκεται στο τέταρτο τεταρτηµόριο ανεστραµµένο ως προς τις τιµές του ρεύµατος, στο οποίο η επαφή p-n συµπεριφέρεται ως φωτοβολταΐκό στοιχείο. Σε εκείνη την περιοχή η φωτοβολταΐκή κυψέλη φέρεται σαν πηγή ενέργειας και παρέχει ενέργεια σ ένα καταναλωτή (P =V I < 0). Εικόνα 3.7: Χαρακτηριστική καµπύλη Ι-V επαφής p-n, σε ορθή και ανάστροφη πόλωση 21
Εικόνα 3.8: (α) Η χαρακτηριστική καµπύλη Ι-V, ενός ΦΒ στοιχείου, στο σκοτάδι (1) και στο φώς (2) (β) Σε µεγέθυνση το τµήµα της καµπύλης στο τέταρτο τεταρτηµόριο 3.3.4 Σηµείο λειτουργίας µέγιστης ισχύος ( ΣΜΙ ) Για την καλύτερη εκµετάλλευση των δυνατοτήτων του φωτοβολταϊκού πρέπει να προσαρµόσουµε την αντίσταση του καταναλωτή ώστε η τάση και το ρεύµα σε αυτόν να αντιστοιχούν στο σηµείο µέγιστης λειτουργίας. Το συµπέρασµα αυτό γίνεται εµφανές αν στην καµπύλη I-V κατασκευάσουµε και την καµπύλη της ισχύος σε συνάρτηση µε την τάση στα άκρα του φωτοβολταϊκού, P =f (V), όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.9. Προφανώς στις ακραίες συνθήκες για τάση µηδέν και τάση ίση µε την V oc, η παρεχόµενη ισχύς είναι µηδέν συνεπώς είναι αναµενόµενο η καµπύλη της ισχύος να εµφανίζει µέγιστο, το οποίο παρουσιάζεται κοντά στο σηµείο που αρχίζει η έντονη πτώση του ρεύµατος. Εικόνα 3.9 : Ανεστραµµένη καµπύλη I-V στο τεταρτηµόριο που το ΦΒ στοιχείο παρέχει ενέργεια, καµπύλη ισχύος και ευθεία φόρτου ( ΕΦ ) 22
3.3.5 Καµπύλη φόρτου Καµπύλη φόρτου είναι η καµπύλη του ρεύµατος I που διαρρέει τη διάταξη σε συνάρτηση µε την τάση που εφαρµόζεται στην είσοδό της, I=f(V). Αν την τοποθετήσουµε στην καµπύλη I-V του φωτοβολταϊκού τότε το σηµείο τοµής αυτών των δύο µας δίνει το σηµείο λειτουργίας του συστήµατος. Στην εικόνα 3.9 φαίνεται η καµπύλη φόρτου (ΕΦ) για ωµική κατανάλωση, το οποίο είναι ταυτόσηµο µε το ΣΜΙ. Προφανώς αν µεταβληθεί η πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας η καµπύλη I-V αλλάζει και το σηµείο λειτουργίας για δεδοµένο φορτίο δεν συµπίπτει µε το ΣΜΙ (εικόνα 3.10). Εικόνα 3.10 : Χαρακτηριστική Ι-V συναρτήση ηλιακής ακτινοβολίας. Για να συµπίπτει το σηµείο λειτουργίας µε το ΣΜΙ, προφανώς θα πρέπει να αλλάξει η ωµική αντίσταση έτσι ώστε η νέα ευθεία φορτίου να περνά από το αντίστοιχο νέο ΣΜΙ. Η µέγιστη ισχύς που µπορεί να δώσει το ΦΒ στοιχείο είναι P m =V m I m, όπου V m και I m η µέγιστη τάση και ρεύµα στο σηµείο µέγιστης λειτουργίας. 3.3.6 Εξάρτηση ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ΦΒ στοιχείου από την πυκνότητα ισχύος της ΗΜ ακτινοβολίας Είναι προφανές παρατηρώντας την εικόνα 3.10 ότι η πυκνότητα ισχύος της ΗΜ ακτινοβολίας έχει άµεση εξάρτηση µε την µέγιστη ισχύ που µπορεί να προσφέρει το ΦΒ στοιχείο. Όσο λιγότερη είναι η ακτινοβολία τόσο λιγότερο είναι και το ρεύµα 23
που διαρρέει την διάταξη, αντιθέτως η τάση µέγιστου σηµείου ισχύος παραµένει σχετικά σταθερή. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.11 παρακάτω, παρατηρούµε ότι: 1. το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC είναι ανάλογο της πυκνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (γραµµική εξάρτηση) και 2. η τάση ανοιχτού κυκλώµατος V oc αρχικά αυξάνει ως συνάρτηση της ακτινοβολίας και παραµένει πρακτικά σταθερή για µεγαλύτερη αύξηση της πυκνότητας ισχύος της ακτινοβολίας. Εικόνα 3.11 : Τάση V oc και I SC σε συνάρτηση µε την πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ΗΜ ακτινοβολίας 3.3.7 Παράγων πλήρωσης (FF Fill Factor) Ο παράγων πλήρωσης FF της ΦΒ κυψέλης (εικόνα 3.12) δίνεται από την σχέση:, οι τιµές του καθορίζονται από το υλικό του ΦΒ και τις συνθήκες και είναι µεταξύ 0 και 1. Η τιµή αναφοράς ελέγχου δίνεται σε πρότυπες συνθήκες (STC) και όσο πιο κοντά στη µονάδα είναι τόσο η λειτουργία του ΦΒ πλησιάζει την ιδανική συµπεριφορά της πηγής σταθερού ρεύµατος στην περιοχή 0-V oc. Σε αυτήν την περίπτωση η διάταξη χαρακτηρίζεται από µικρή R s και µεγάλη R sh. Οι πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC) είναι : 1. Ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία πυκνότητας ισχύος 1 kw/m 2 και φάσµατος αντίστοιχου του ηλιακού µε ΑΜ1,5 (κάθετη πρόσπτωση) 2. Θερµοκρασία του ΦΒ στοιχείου ίση µε 25 ±2 24
Εικόνα 3.12 : Παράγων πλήρωσης 3.3.8 Επίδραση θερµοκρασίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ΦΒ στοιχείου Η θερµοκρασία της κυψέλης αυξάνεται µε τον φωτισµό, εξαιτίας της µετατροπής µέρους της ηλιακής ενέργειας σε θερµική (αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του υλικού). Στην περίπτωση που το ΦΒ στοιχείο είναι ενσωµατωµένο στο ΦΒ πλαίσιο η διαφορά θ c θ α, όπου θ c η θερµοκρασία λειτουργίας της κυψελίδας και θ α του περιβάλλοντα αέρα, αυξάνει σχεδόν γραµµικά ως συνάρτηση της πυκνότητας της ολικής ακτινοβολίας, Ε, µε τυπικό ρυθµό: 30 /, (όπου Ε η ακτινοβολία) Συνεπακόλουθα µεταβάλλεται το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC και η τάση ανοιχτού κυκλώµατος V oc. Παρατηρώντας την εικόνα 3.13 βλέπουµε ότι το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC αυξάνεται ελαφρώς µε την θερµοκρασία λόγω της αύξησης του µήκους διάχυσης των φωτοδηµιουργούµενων φορέων µειονότητας µε την θερµοκρασία, άρα και αύξηση του πλήθους των φορέων που καταφέρνουν να φτάσουν στους απέναντι χώρους της διάταξης, όπου οι φορείς αυτοί αποτελούν πλειονότητα. Το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC δίνεται από την σχέση:, 1 +, Όπου, ο θερµικός συντελεστής του ρεύµατος βραχυκύκλωσης του ΦΒ,, η τιµή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης σε STC (πρότυπες συνθήκες ελέγχου), Ε, πυκνότητα ισχύος ακτινοβολίας, 1000 και T =273 + θ 25
Εικόνα 3.13 : Μεταβολή της καµπύλης I V µε την αύξηση της θερµοκρασίας για ακτινοβολία 1000W/m 2 Αντίθετα η τάση ανοικτού κυκλώµατος V oc µειώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας και µάλιστα η ποσοστιαία ελάττωσή της, ανά βαθµό θερµοκρασίας είναι σχεδόν µία τάξη µεγέθους µεγαλύτερη της αντίστοιχης αύξησης του ρεύµατος βραχυκύκλωσης I SC. Αυτήη έντονη ελάττωση της V oc οφείλεται στην ισχυρή εξάρτηση του ρεύµατος κόρου,, I S, της διόδου από την θερµοκρασία. Η τάση ανοικτού κυκλώµατος V oc δίνεται από την σχέση : όπου,, 1 1 ln,, η τάση ανοικτού κυκλώµατος σε STC,, διορθωτικός παράγοντας της εξάρτησης V oc από την Ε και, ο θερµικός συντελεστής τάσης του ανοικτού κυκλώµατος του ΦΒ. Φυσικά η αύξηση της θερµοκρασίας έχει επιπτώσεις και στην ισχύ του ΦΒ στοιχείου. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.14 επιδρά αρνητικά µε αποτέλεσµα η ισχύς να µειώνεται σηµαντικά., 26
Εικόνα 3.14 : Μεταβολή της ισχύος σε συνάρτηση µε την θερµοκρασία για ακτινοβολία 1000W/m 2 3.3.9 Απόδοση φωτοβολταϊκής κυψέλης Η απόδοση ενεργειακής µετατροπής (βαθµός απόδοσης) του ΦΒ στοιχείου καθορίζεται από την σχέση :, και ορίζεται ως το πηλίκο της µέγιστης ηλεκτρικής ισχύος πουαποδίδεται από το φωτοβολταΐκό στοιχείο προς την ισχύ της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Επειδή αναφερόµαστε σε απόδοση ΦΒ στοιχείου το εµβαδό S αντιστοιχεί στην ενεργό επιφάνεια του ΦΒ µη λαµβάνοντας υπόψη την επιφάνεια της µεταλλικής σχάρας του. Σύµφωνα λοιπόν µε προηγούµενη ανάλυση η απόδοση αυξάνεται µε την αύξηση της πυκνότητας ισχύος της ακτινοβολίας Ε και µειώνεταιµε την αύξηση της θερµοκρασίας. Πολλές φορές, όταν γνωρίζουµε την ονοµαστική τιµή της απόδοσης στις πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC) και θέλουµε την απόδοση σε διαφορετική θερµοκρασία, για κάθετη πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας χρησιµοποιούµε την σχέση :,, όπου, 1, συντελεστής ή παράγων θερµοκρασίας του ΦΒ στοιχείου, ο θερµικός συντελεστής µέγιστης ισχύος του ΦΒ στοιχείου,, ονοµατική τιµή απόδοσης στις πρότυπες συνθήκες. Στην εικόνα 3.15 παρουσιάζεται το διάγραµµα Sankey που περιγράφει την ροή ενέργειας κατά την µετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια και προσδιορίζει την τελική απόδοση του ΦΒ στοιχείου. Το συγκεκριµένο διάγραµµα 27
αναφέρεται σε κρυσταλλικό πυρίτιο, περιγράφει όµως και την γενικότερη συµπεριφορά των ΦΒ στοιχείων ανεξάρτητα από το υλικό παρασκευής και τον τύπο του. Εικόνα 3.15 : ιάγραµµα ροής ενέργειας κατά την µετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια (διάγραµµα Sankey) 3.4 Απόδοση ΦΒ πλαισίου και παράγοντες που την επηρεάζουν 3.4.1 Απόδοση ΦΒ πλαισίου Ο στιγµιαίος συντελεστής απόδοσης ενός ΦΒ πλαισίου, εµβαδού S, προσδιορίζεται από το πηλίκο της αποδιδόµενης µέγιστης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα στο πλαίσιο ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας E S, όπου E η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του πλαισίου: Εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής του, την θερµοκρασία των ΦΒ κυψελών και την πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση τους είναι µικρότερη της αντίστοιχης της ΦΒ κυψέλης (ΦΒ στοιχείο) εργαστηριακής παραγωγής επειδή: 1. η µη πλήρης κάλυψη της επιφάνειας του από ΦΒ κυψέλες, η οποία καθορίζεται από τον παράγοντα κάλυψης (PF Packing Factor), που αποτελεί το πηλίκο της πραγµατικής επιφάνειας των ΦΒ κυψελών προς την επιφάνεια του ΦΒ πλαισίου (εικόνα 3.16). 28
Εικόνα 3.16 : Παραδείγµατα διαφορετικής διάταξης ΦΒ κυψελών 2. η ανοµοιογένεια των ΦΒ κυψελών που συνθέτουν το ΦΒ πλαίσιο και 3. η ανακλαστικότητα του υαλοπίνακα του πλαισίου. Η υψηλή θερµοκρασία των ΦΒ στοιχείων του πλαισίου και η εισχώρηση υγρασίας στο εσωτερικό του µε αποτέλεσµα την αλλοίωση της δοµής της κυψελίδας καθώς και η ρύπανση της επιφάνειας του, όπως π.χ. από τη σκόνη, µειώνουν την ενεργειακή απόδοση του. Εν συντοµία οι κυριότερες απώλειες που συντελούν στην µείωση του στιγµιαίου συντελεστή απόδοσης του ΦΒ πλαισίου είναι: η γήρανση του ΦΒ πλαισίου οι απώλειες οπτικού δρόµου και θερµοκρασίας κυψελίδας και στις απώλειες στη δίοδο αντεπιστροφής. Στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 3.17) παρουσιάζονται οι ενεργειακές απώλειες µε την µορφή διαγράµµατος Sankey. Εικόνα 3.17 : ιάγραµµα Sankey για τη ροή ενέργειας σε ΦΒ πλαίσιο Ο συντελεστής απόδοσης µπορεί να αποδοθεί και ως γινόµενο των επιµέρους στιγµιαίων συντελεστών ενεργειακών απωλειών από την σχέση:,, όπου, : Συντελεστής καθαρότητας υαλοπίνακα ΦΒ πλαισίου 29
:Συντελεστής απόκλισης λόγω διαφοροποίησης της ανακλαστικότητας σε γωνίες πρόσπτωσης διάφορες της καθέτου του ΦΒ πλαισίου : Συντελεστής απόκλισης στην περιοχή χαµηλών τιµών πυκνότητας ισχύος της ακτινοβολίας : Συντελεστής φασµατικής απόκλισης λόγω διαφορετικού φάσµατος σε σχέση µε το φάσµα ΑΜ1,5 (STC) : Συντελεστής απόκλισης εξαιτίας της πόλωσης της ηλιακής ακτινοβολίας : Συντελεστής απόκλισης της απόδοσης του ΦΒ πλαισίου εξαιτίας της διαφοροποίησης της θερµοκρασίας της κυψέλης σε σχέση µε την θερµοκρασία αναφοράς 25. : Συντελεστής απωλειών στη δίοδο αντεπιστροφής, : Συντελεστής απόδοσης ΦΒ πλαισίου σε πρότυπες συνθήκες (STC) Η τελική τιµή του συντελεστή απόδοσης καθορίζεται και από τον παράγοντα γήρανσης του ΦΒ πλαισίου,. 3.4.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση 3.4.2.1 Παράγον ή συντελεστής γήρανσης, Αφορά στη µείωση της απόδοσης των ΦΒ πλαισίων στο χρόνο ζωής τους και εκφράζεται συνήθως µε το ποσοστό γήρανσης ανά έτος χρήσης. Προσδιορίζει την ελάττωση της απόδοσής τους άρα και της ισχύος αιχµής και οφείλεται κυρίως σε υπερθερµάνσεις των ΦΒ κυψελών που καταστρέφουν την δοµή του υλικού τους. 3.4.2.2 Οπτικές ενεργειακές απώλειες Αποτελούν όλες εκείνες τις απώλειες που καθορίζονται από την απόκλιση της απόδοσης σε σχέση µε τις πρότυπες συνθήκες, λόγω των παρακάτω αιτιών: ιαφοροποίηση ανακλαστικότητας ΦΒ πλαισίου σε σχέση µε την αντίστοιχη σε STC. Επίδραση διαφοροποίησης φάσµατος ακτινοβολίας σε σχέση µε το AM1,5 (STC) Απώλειες διαφοροποίησης της πόλωσής Απώλειες χαµηλών τιµών πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας Καθαρότητα όψεως του ΦΒ πλαισίου 30
3.4.2.3 Θερµοκρασία ΦΒ κυψέλης Περιγράφει τη διαφοροποίηση της απόδοσης του ΦΒ πλαισίου, λόγω της διαφορετικής θερµοκρασίας λειτουργίας της κυψέλης σε σχέση µε την θερµοκρασία της στις πρότυπες συνθήκες (STC) και δίνεται από την ίδια σχέση που χρησιµοποιείτε στην περίπτωση µεµονωµένου ΦΒ στοιχείου : όπου, 1 +,, ο θερµικός συντελεστής µέγιστης ισχύος του ΦΒ στοιχείου,, θερµοκρασία κυψέλης θεωρούµενη ίδια για όλες τις κυψέλες. Μια αναλυτική έκφραση για την εξάρτηση της θερµοκρασίας της κυψέλης από τις συνθήκες περιβάλλοντος, είναι: + + +, όπου,, η θερµοκρασία του περιβάλλοντα αέρα, η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του ΦΒ πλαισίου Β, εµπειρικός συντελεστής ws, η ταχύτητα του ανέµου Τ 1, Τ 2, εµπειρικοί συντελεστές που υπολογίζονται βάση τις οριακές τιµές της θερµοκρασίας της κυψέλης σε χαµηλές και υψηλές ταχύτητες ανέµου αντίστοιχα και θ, η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ της κυψέλης και της πίσω επιφάνειας του ΦΒ πλαισίου. 3.4.2.4 Συντελεστής απωλειών στη δίοδο αντεπιστροφής Περιγράφει τις απώλειες που προέρχονται από την δίοδο αντεπιστροφής που τοποθετείται για να αποτρέπεται η εκφόρτιση του συσσωρευτή διαµέσου της ΦΒ συστοιχίας όταν αυτή δεν φωτίζεται. 31
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΡΟΠΟΙ ΨΥΞΗΣ ΦΒ Το µεγαλύτερο µέρος της απορροφούµενης ηλιακής ακτινοβολίας από τα ΦΒ, όπως αναφέραµε προηγουµένως, δεν µετατρέπεται σε ηλεκτρισµό αλλά σε θερµότητα η οποία συντελεί στην αύξηση της θερµοκρασίας τους και µείωση της ηλεκτρικής τους απόδοσης. Έτσι η ψύξη τους καθίσταται αναγκαία. Η απαγωγή της θερµότητας δεν συντελεί µόνο στην βελτίωση του ηλεκτρικού βαθµού απόδοσης αλλά και στην αύξηση της συνολικής τους ενεργειακής απόδοσης µε την χρήση συνδυασµένων συστηµάτων που εκµεταλλεύονται την θερµότητα που απάγεται. Οι πιο διαδεδοµένοι τρόποι ψύξης είναι µε την χρήση νερού ή αέρα. Η ψύξη µε νερό γίνεται µε δύο τρόπους, ο πρώτος τρόπος είναι µε ψύξη µέσω εξάτµισης µε σωλήνες θερµότητας (heatpipes) και ο δεύτερος τρόπος είναι µε άµεση ψύξη. Η ψύξη µε την χρήση σωλήνων θερµότητας εφαρµόζεται κυρίως στα ΦΒ συστήµατα συγκέντρωσης (CPV). Τα CPV είναι συστήµατα τα οποία λειτουργούν µε ένταση ηλιακής ακτινοβολίας πολλαπλάσια των συµβατικών ΦΒ συστηµάτων και αυτό διότι χρησιµοποιούν φακούς µικρής αντανάκλασης ή φακούς Fresnel σε αντίθεση µε το πυρίτιο που χρησιµοποιούν τα συµβατικά. Η φυσική ή βεβιασµένη κυκλοφορία αέρα, αν και είναι απλή και οικονοµική, για την αποµάκρυνση της θερµότητας δεν αποτελεί πρακτική λύση για χώρες όπως η Ελλάδα, αφού η θερµοκρασία του αέρα τους περισσότερους µήνες του χρόνου είναι µεγαλύτερη από 20 αλλά και γιατί ο αέρας έχει µικρή πυκνότητα µε αποτέλεσµα η ψύξη να µην είναι αποδοτική. Από την άλλη το νερό ως ψυκτικό µέσο, µε την χρήση εναλλάκτη θερµότητας στη πίσω επιφάνεια του ΦΒ, είναι πιο αποδοτικό αφού το νερό του δικτύου έχει µια σταθερή θερµοκρασία γύρω στους 20 όλο το έτος, αποτελεί όµως µια διαδικασία ακριβότερη από την απαγωγή θερµότητας µε την χρήση αέρα. Τα τελευταία χρόνια γίνεται προσπάθεια το ρευστό απολαβής της θερµότητας να µην χρησιµοποιείται µόνο για την ψύξη του ΦΒ αλλά και για άλλες πρακτικές εφαρµογές, σ' αυτήν την περίπτωση λοιπόν συνιστούν τα φωτοβολταϊκά θερµικά συστήµατα (ΦΒ/Θ ή PV/T) αέρα ή νερού. Αυτές οι διατάξεις αποτελούνται από τα ΦΒ πλαίσια και τις θερµικές µονάδες και µετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρισµό και θερµότητα, µε αποτέλεσµα να αυξάνεται τόσο ο ηλεκτρικός βαθµός απόδοσης αλλά και η ολική ενέργεια που αποδίδουν. 32
4.1 Ψύξη µε εξάτµιση Η µέθοδος της ψύξης µε εξάτµιση είναι βασισµένη στη θεωρία του σωλήνα θερµότητας. Σε αυτήν την µέθοδο, η ψύξη της ΦΒ κυψέλης γίνεται µε ελεγχόµενη κυκλοφορία αερίου που ρέει µέσα από τους σωλήνες θερµότητας. Το σχήµα του ΦΒ πάνελ είναι τετραγωνικής ή κυλινδρικής µορφής. Το επιλεγµένο ψυκτικό ρευστό απορροφά το µεγαλύτερο µέρος της παραγόµενης θερµότητας και εξατµίζεται. Τέλος, θα συµπυκνωθεί µέσα στο συµπυκνωτή και θα επιστρέψει σε υγρή µορφή στην ΦΒ κυψέλη µέσω των σωλήνων θερµότητας όπου και θα ξαναεξατµιστεί. Αυτή η διαδικασία επαναλαµβάνεται. Με την αύξηση της θερµοκρασίας, αυξάνεται η ποσότητα των ατµών που συµπυκνώνονται στον συµπυκνωτή. Στις περισσότερες εφαρµογές χρησιµοποιείται ο σωλήνας θερµότητας κυλινδρικής γεωµετρίας, αλλά ανάλογα τις απαιτήσεις µπορεί να έχουµε και σωλήνες θερµότητας τετραγωνικής ή ορθογώνιας γεωµετρίας. Ο σωλήνας θερµότητας είναι µια συσκευή µε πολύ υψηλή θερµική αγωγιµότητα, και χρησιµοποιείται για τη µεταφορά θερµότητας από µια θέση σε µια άλλη µε µικρή απόκλιση της θερµοκρασίας. Τα κύρια µέρη από τα οποία αποτελείται ο σωλήνας θερµότητας φαίνονται στην εικόνα 4.1. Αποτελείται από τρία τµήµατα τα οποία είναι: 1. Τµήµα εξάτµισης. 2. Τµήµα συµπυκνωτών. 3. Αδιαβατικό τµήµα που διαχωρίζει το τµήµα εξάτµισης και το τµήµα του συµπυκνωτή. Η σχεδίαση και ο αριθµός των σωλήνων θερµότητας εξαρτώνται από την απαιτούµενη ποιότητα της θερµότητας που πρέπει να µεταφερθεί και από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Εικόνα 4.1 : Μέρη από τα οποία αποτελείται ο σωλήνας θερµότητας. 33
4.1.1 Φωτοβολταϊκά συστήµατα συγκέντρωσης (CPV) Τα συµβατικά φωτοβολταϊκά συστήµατα (PV) λειτουργούν µε ένταση ηλιακής ακτινοβολίας ενός ηλίου, όπου ένταση ηλιακής ακτινοβολίας ενός ηλίου είναι περίπου 1000 W/m 2, µε ολόκληρη την επιφάνεια των φωτοβολταϊκών να καλύπτεται µε ηλιακές κυψέλες. Το υλικό των ΦΒ είναι ακριβό, έτσι το κόστος ολόκληρου του συστήµατος είναι αρκετά υψηλό. Σαν εναλλακτική λύση, τα φωτοβολταϊκά συστήµατα συγκέντρωσης (CPV) χρησιµοποιούν οπτικά στοιχεία χαµηλότερου κόστους όπως οι καθρέφτες µίνι-αντανάκλασης ή ο φακός Fresnel όπου συγκεντρώνουν ηλιακή ένταση από 200 έως 1000 ήλιους, µε συνέπεια να έχουµε ένα φωτοβολταϊκό σύστηµα µε 200 έως 1000 φορές λιγότερο υλικό ηµιαγωγών πυριτίου. Τα τετραγωνικά µέτρα του πυριτίου αντικαθίστανται µε τετραγωνικά µέτρα φακών ή ανακλαστήρων χαµηλότερου κόστους τα οποία είναι και αρκετά αποδοτικότερα από τα συµβατικά ηλιακά κύτταρα πυριτίου. Η συγκεντρωµένη ηλιακή ενέργεια που παραδίδεται στην ηλιακή κυψέλη είναι από 20 έως 75 W/cm 2. Η ενέργεια που δεν µετατρέπεται σε ηλεκτρική πρέπει να απελευθερωθεί για να αποτρέψει την υπερβολική θέρµανση των κυττάρων και για να αυξήσει την αποδοτικότητα τους. Εποµένως, η ψύξη ηλιακών κυψελών είναι ένα αναπόσπαστο τµήµα του συστήµατος CPV. Πρώτον γιατί η απόδοση των ηλιακών κυψελών είναι εξαρτώµενη της θερµοκρασίας των κυψελών διότι µε µείωση της θερµοκρασίας έχουµε αύξηση της απόδοσης. εύτερον, γιατί το ηλιακό κύτταρο πρέπει να κρατηθεί κάτω από το σηµείο τήξης της βάσης στην οποία στηρίζεται για να µην οδηγήσει το ΦΒ σύστηµα συγκέντρωσης σε αποτυχία και τρίτον, η αξιοπιστία και η διάρκεια ζωής της ηλιακής κυψέλης είναι συνάρτηση του αριθµού θερµικών κύκλων και του µεγέθους της θερµότητας που αναπτύσσεται στην επιφάνεια της. Μια σχηµατική αναπαράσταση του συστήµατος CPV µε έναν σωλήνα θερµότητας παρουσιάζεται στην εικόνα 4.2. Το ηλιακό κύτταρο τοποθετείται πάνω σε µια αλουµινένια βάση. Η ηλιακή ακτινοβολία πριν φθάσει στην ηλιακή κυψέλη έχει γίνει 500 φορές µεγαλύτερη µέσω του φακού Fresnel. Η συγκεντρωµένη ροή χτυπά τη ηλιακή κυψέλη, παράγοντας έτσι ηλεκτρική ενέργεια. Η θερµική ενέργεια που παράγεται περνά από την κυψέλη µέσω της σέλας, και από εκεί στον σωλήνα θερµότητας, έπειτα διανέµεται από το σωλήνα θερµότητας σε µια σειρά πτερυγίων, όπου και αφαιρείται µε φυσική µετάδοση. Εικόνα 4.2: Φωτοβολταϊκό σύστηµα συγκέντρωσης µε φακούς Fresnel. 34
Στην εικόνα 4.3 φαίνεται ένα CPV τύπου GEN 1 της εταιρίας EMCORE. Όπως φαίνεται στα αριστερά της εικόνας, το σύστηµα της EMCORE αποτελείται από πολλές ηλιακές κυψέλες, όπου η καθεµία έχει επιφάνεια 1cm 2. Κάθε κυψέλη σφραγίζεται σε ένα κιβώτιο και τοποθετείται σε µια αλουµινένια βάση πάχους 0,5cm. Όπως φαίνεται στη δεξιά εικόνα, οι κυψέλες τοποθετούνται σε ένα σύστηµα δύο αξόνων όπου η κατεύθυνση τους είναι πάντα προς τον ήλιο. Τα ηλιακά πάνελ ακολουθούν τον ήλιο µε περιστροφή γύρω από έναν κάθετο άξονα. Τα κύτταρα περιστρέφονται και γύρω από έναν οριζόντιο άξονα. Αυτό βοηθάει στη σχεδίαση των σωλήνων θερµότητας, εφόσον ο σωλήνας θερµότητας είναι οριζόντιος για όλες τις συνθήκες λειτουργίας, απλοποιώντας έτσι τη σχεδίαση τους. Εικόνα 4.3: Φωτοβολταϊκό σύστηµα συγκέντρωσης της EMCORE Οι απαιτήσεις ψύξης των κυψελών δίνονται στον πίνακα 4.1. Η ψύξη γίνεται µε φυσική µετάδοση θερµότητας, δεδοµένου ότι η εξαναγκασµένη µετάδοση απαιτεί ανεµιστήρα, και η ισχύς που απαιτείται για να τροφοδοτήσει τον ανεµιστήρα µειώνει την συνολική απόδοση του συστήµατος. ιαστάσεις κελιού Συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας Απαγωγή θερµότητας σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας ιαφορά θερµοκρασίας µεταξύ σωλήνα θερµότητας και περιβάλλοντος σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας ιάρκεια ζωής Τρόπος ψύξης 1 cm x 1 cm Περίπου 500 ήλιοι Περίπου 40 W 25 20 µε 30 χρόνια Παθητική Πίνακας 4.1: Απαιτήσεις ψύξης των ΦΒ κυψελών συγκέντρωσης Ενώ η φυσική µετάδοση επιτρέπει την παθητική αφαίρεση της θερµότητας, η απαγωγή θερµότητας µε φυσική µετάδοση είναι από 10 έως 100 φορές χειρότερη από την ψύξη µε εξαναγκασµένη µετάδοση. Όσο αυξάνεται το µέγεθος του αποδέκτη θερµότητας (ψήκτρα), αυξάνονται και οι απώλειες µετάδοσης θερµότητας µε αποτέλεσµα να πέφτει η απόδοση του CPV. Επειδή η φυσική µεταφορά απαιτεί µεγάλο αποδέκτη θερµότητας, οι απώλειες αυτές αναµένεται να είναι σηµαντικές. Οι 35