ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ «ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΔΥΟ ΒΑΘΜΙΔΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΟΥΛΟΥ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Α.Μ.:5090 ΦΟΙΤΗΤΗ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Ε.ΤΑΤΑΚΗΣ, ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: /2008 ΠΑΤΡΑ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2008 1

2

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΔΥΟ ΒΑΘΜΙΔΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» ΤΟΥ ΦΟΙΤΗΤΗ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΜΟΥΛΟΥ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Α.Μ.:5090 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 7/10/2008 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αναπληρωτής καθηγητής Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνης Αλεξανδρίδης 3

4

Αριθμός διπλωματικής εργασίας: /2008 ΤΙΤΛΟΣ: «ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΔΥΟ ΒΑΘΜΙΔΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ» Φοιτητής: Επιβλέπων: Μουλός Χρήστος Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει την μελέτη, την εξομοίωση και την κατασκευή μιας νέας τοπολογίας για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης του δικτύου. Η διάταξη που επιλέχτηκε αποτελεί την πρώτη βαθμίδα σε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί μετατροπέα δύο βαθμίδων για την αντιστροφή της τάσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου έτσι ώστε να επιτευχθεί η σύνδεση του με το δίκτυο. Η βασική λειτουργία της διάταξης αυτής είναι η ανύψωση και η σταθεροποίηση της τάσης στην έξοδο. Το κύκλωμα που μελετήθηκε είναι τύπου Boost με έναν μετασχηματιστή αντί για το πηνίο. Το πρωτεύον του μετασχηματιστή τοποθετείται στη θέση του πηνίου και το δευτερεύον σε σειρά στην έξοδο, έτσι ώστε να επιτυγχάνετε η περαιτέρω ανύψωση της τάσης. Η κατασκευή του μετατροπέα πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο και ο έλεγχος της διάταξης έγινε με τη χρήση μικροελεγκτή (dspic30f4011). Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την θεωρητική ανάλυση που έγινε και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος μας. Ο βαθμός απόδοσης κρίνετε ικανοποιητικά υψηλός καθώς και το κέρδος τάσης του μετατροπέα. Η τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί με διάφορες παραλλαγές της και σε άλλα κυκλώματα επιτρέποντας έτσι την βελτίωση των χαρακτηριστικών τους όπως αύξηση της απόδοσης και του κέρδους τάσης. 5

6

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος 2006-2008 στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη, εξομοίωση και η κατασκευή μιας ολοκληρωμένης διάταξης (κύκλωμα ισχύος και κύκλωμα ελέγχου) που θα τροφοδοτεί το δίκτυο της χαμηλής τάσης από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Στόχος της είναι η βέλτιστη σχεδίαση ενός συστήματος που αποτελείται από δύο μετατροπείς (ή δύο στάδια). Εμείς ασχοληθήκαμε μόνο με την ανάλυση και την υλοποίηση του πρώτου σταδίου, δηλαδή του μετατροπέα ανύψωση τάσης. Στο 1 ο κεφάλαιο αναφέρεται γενικά στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Γίνεται μια σύντομη αναφορά σε όλα τα επιμέρους μέρη που απαρτίζουν ένα φωτοβολταϊκό σύστημα καθώς και στις βασικές εξισώσεις που είναι απαραίτητες για τη περαιτέρω ανάλυση του συστήματος που μελετήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας. Το 2 ο κεφάλαιο περιέχει τις κυριότερες εφαρμογές των φωτοβολταϊκών συστημάτων και τις κατηγορίες στις οποίες μπορούν να ταξινομηθούν βάσει των τεχνικών χαρακτηριστικών του κυκλώματος ισχύος. Ακολουθεί το 3 ο κεφάλαιο το οποίο συμπυκνώνει τη θεωρητική ανάλυση του μετατροπέα του πρώτου σταδίου (ανύψωσης τάσης), την εξαγωγή των βασικών εξισώσεων καθώς και την προσομοίωση της λειτουργίας του μετατροπέα με ιδανικά στοιχεία έτσι ώστε να συγκριθούν τα θεωρητικά μοντέλα με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Στο 4 ο κεφάλαιο περιγράφουμε τη διαδικασία κατασκευής του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Συγκεκριμένα αναλύεται η μεθοδολογία επιλογής των στοιχείων του κυκλώματος ισχύος και των λοιπών κυκλωμάτων καθώς και η σχεδίαση του μετασχηματιστή. Η λειτουργία και ο σχεδιασμός του συστήματος παλμοδότησης εξετάζονται στο 5 ο κεφάλαιο. Στο κεφάλαιο αυτό αναφέρεται επίσης η μετατροπή σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό και η παραγωγή παλμών, που είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη του προγράμματος παραγωγής των παλμών οδήγησης των ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. 7

Στο 6 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές κυματομορφές και σχήματα από την προσομοίωση του κυκλώματος μας με πραγματικά στοιχεία αλλά και από τη πειραματική διάταξη. Δίνονται επίσης και οι εικόνες του κυκλώματος που κατασκευάστηκε. Τέλος στο 7 ο κεφάλαιο αναφέρονται τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη, κατασκευή και εξομοίωση του κυκλώματος καθώς και οι προοπτικές της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο τέλος της εργασίας αυτής παραθέτουμε την βιβλιογραφία και τις βασικές αναφορές που κάναμε. Ακόμα αναφέρουμε στα παραρτήματα τα datasheet των στοιχείων τις τυπωμένες πλακέτες που χρησιμοποιήθηκαν και το πλήρες πρόγραμμα του μικροελεγκτή. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα αναπληρωτή καθηγητή Εμμανουήλ Τατάκη για την καθοδήγησή μου και για τις ώρες που αφιέρωσε στην ανάλυση της θεωρίας. Ακόμα, ευχαριστώ θερμά τον μεταπτυχιακό φοιτητή Γιάννη Κομπούγια για την βοήθεια που μου παρείχαν στα προβλήματα που παρουσιάστηκαν. Θέλω επίσης, να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους γονείς μου για την υλική στήριξη που μου παρείχαν όλα αυτά τα χρόνια. Μουλός Χρήστος Πάτρα 04/10/2008 8

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη...5 Πρόλογος...7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : Φωτοβολταϊκά Συστήματα 1.0 Εισαγωγή...11 1.1 Ηλιακή Ακτινοβολία...13 1.2 Δομή και Λειτουργία των Φωτοβολταϊκών στοιχείων...15 1.3 Περιγραφή Φωτοβολταϊκού συστήματος...19 1.3.1 Φωτοβολταϊκά Πλαίσια...21 1.3.2 Μηχανισμός κίνησης...24 1.3.3 Συσσωρευτές...24 1.3.4 Συστήματα Ρύθμισης Ισχύος...25 1.4 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκών πλαισίων...25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : Ταξινόμηση Φωτοβολταϊκών συστημάτων και εφαρμογές 2.1 Εφαρμογές...33 2.1.1 Συστήματα Διασυνδεδεμένα με το Δίκτυο...33 2.1.2 Συστήματα Απομονωμένα από το Δίκτυο...35 2.1.3 Υβριδικά Συστήματα...36 2.2 Τρόποι διασύνδεσης Φωτοβολταϊκών συστημάτων με το Δίκτυο...37 2.2.1 Κεντρικοποιημένη Τεχνολογία...38 2.2.2 Τεχνολογία Αλυσίδας...39 2.2.3 Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων...41 2.2.4 Τεχνολογία Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου ρεύματος...42 2.3 Ηλεκτρονικοί μετατροπείς για φωτοβολταϊκά πλαίσια...44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : Θεωρητική ανάλυση μετατροπέα Boost-Flyback 3.0 Εισαγωγή...49 9

3.1 Ανάλυση της λειτουργίας του μετατροπέα...49 3.2 Εξαγωγή βασικών εξισώσεων - Χαρακτηριστική εξόδου...57 3.3 Προσομοίωση της λειτουργίας του μετατροπέα με ιδανικά στοιχεία...60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : Κατασκευή του μετατροπέα 4.1 Εισαγωγή...65 4.2 Επιλογή των στοιχείων για το κύκλωμα ισχύος...66 4.3 Ανάλυση και σχεδίαση του μετασχηματιστή...69 4.4 Ανάλυση του κυκλώματος ενίσχυσης παλμών και λοιπών κυκλωμάτων...76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : Ανάλυση και σχεδιασμός του συστήματος παλμοδότησης 5.1 Γενικά...81 5.2 Ανάλυση του μικροεπεξεργαστή...82 5.3 Μετατροπή σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό...91 5.4 Παραγωγή παλμών...95 5.5 Ανάπτυξη του προγράμματος...104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : Προσομοίωση του μετατροπέα και πειραματικά αποτελέσματα 6.1 Προσομοίωση του μετατροπέα με πραγματικά στοιχεία...105 6.2 Πειραματική διάταξη...115 6.3 Πειραματικά αποτελέσματα του μετατροπέα...116 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο : Συμπεράσματα-Προοπτικές...127 Βιβλιογραφία...129 Παράρτημα Α Data sheet στοιχείων...131 Παράρτημα Β Τυπωμένες πλακέτες...159 Παράρτημα Γ Πλήρες πρόγραμμα του μικροελεγκτή...161 10

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Φωτοβολταϊκά Συστήματα 1.0 Εισαγωγή Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως «φωτοβολταϊκά» ή «Φ/Β», αποτελούν μια προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο όρος «φωτο» προέρχεται από το φως, το δε «βολτ» οφείλεται στον Alessandro Volta (1745-1827), έναν πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού. Έτσι, «φωτοβολταϊκό» στην κυριολεξία σημαίνει «φωτο-ηλεκτρικό». Εννοιολογικά, στην απλούστερη της μορφή μια Φ/Β διάταξη είναι μια ηλιακά τροφοδοτούμενη μπαταρία, όπου το μόνο αναλώσιμο είναι το φως που την τροφοδοτεί. Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη, η λειτουργία είναι φιλική προς το περιβάλλον και εάν η διάταξη προστατεύεται σωστά από την επίδραση του περιβάλλοντος, κανένα τμήμα δεν υφίσταται φθορά. Το φως του ήλιου είναι διαθέσιμο παντού, έτσι οι φωτοβολταϊκές διατάξεις έχουν πολλά πρόσθετα οφέλη που τις καθιστούν εφαρμόσιμες και αποδεκτές από την πλειονότητα των χωρών. Τα Φ/Β συστήματα είναι πολύ-συναρτησιακά, οπότε η ηλεκτροπαραγωγή τους μπορεί τυπικά να προσαρμοστεί σε κάθε εφαρμογή, από καταναλωτικές χρήσεις χαμηλής ισχύος ρολόγια, μικρούς υπολογιστές χειρός και φορτιστές μικρών μπαταριών μέχρι σημαντικές απαιτήσεις, όπως η ηλεκτροπαραγωγή σε κεντρικούς σταθμούς των επιχειρήσεων ηλεκτρισμού. Επιπλέον, τα φωτοβολταϊκά συστήματα προσαρμόζονται εύκολα στις τυχόν προσθήκες ισχύος, σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους, όπως αυτές των ορυκτών ή των πυρηνικών καυσίμων, οι οποίες απαιτούν εγκαταστάσεις πολλών MWatt για να είναι οικονομικά εφικτές. Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνειας της γης είναι ίσο με 10000 φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση. Κατά μέσο όρο προσπίπτουν 1700KWh σε κάθε τετραγωνικό μέτρο κάθε χρόνο. Το φως του ήλιου που φθάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται κυρίως από δύο συνιστώσες, συγκεκριμένα το άμεσο φως και το έμμεσο φως. Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιμοποιούν όχι μόνο την άμεση συνιστώσα του φωτός αλλά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και με νεφοσκεπή 11

ουρανό. Συνεπώς, τα Φ/Β χρησιμοποιούν τόσο τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία όσο και το άμεσο φως του ήλιου. Μέσω των Φ/Β κυψελών, η ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Όταν το φως του ήλιου προσπίπτει σε μια κυψέλη παράγεται συνεχές τάση (Σ.Τ.) και, θέτοντας ένα ηλεκτρικό φορτίο από την άλλη, η τάση αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί. Πάντως δεν μπορεί να μετατραπεί όλο το φως σε ηλεκτρισμό, καθώς οι Φ/Β κυψέλες χρησιμοποιούν κυρίως το ορατό φως. Μεγάλο μέρος της ηλιακής ενέργειας κείται στην υπέρυθρη ή θερμή και την υπεριώδη ακτινοβολία, γεγονός που εξηγεί τις χαμηλές τιμές των θεωρητικών αποδοτικοτήτων μετατροπής (20-30%). Πρακτικές ατέλειες, π.χ. ανομοιογένειες, μπορούν να μειώσουν ακόμα περαιτέρω την απόδοση μιας Φ/Β κυψέλης. Το ποσό της ωφέλιμης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ένα Φ/Β στοιχείο σχετίζεται άμεσα με την ένταση της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει επάνω στην επιφάνεια μετατροπής. Έτσι, όσο μεγαλύτερος είναι ο διαθέσιμος ηλιακός πόρος, τόσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής. Για παράδειγμα, οι τροπικοί προσφέρουν έναν καλύτερο πόρο για παραγωγή ηλεκτρισμού από αυτόν που είναι διαθέσιμος σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Εξάλλου, είναι προφανές ότι ένα Φ/Β σύστημα δεν παράγει ηλεκτρισμό κατά τη διάρκεια της νύχτας, ενώ είναι σημαντικό να μην σκιάζονται τα στοιχεία. Εάν απαιτείται ηλεκτρισμός πέρα από τις ώρες που υφίσταται το φως της ημέρας, ή εάν αναμένονται εκτεταμένες περίοδοι κακοκαιρίας, είναι απαραίτητο κάποιο είδος συστήματος αποθήκευσης. Προκειμένου να απορροφηθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ενέργεια, η Φ/Β κυψέλη πρέπει να προσανατολίζεται προς τον ήλιο. Εάν οι κυψέλες έχουν σταθερή θέση, πρέπει να βελτιστοποιηθεί ο προσανατολισμός τους ως προς το νότο και η γωνία κλίσης τους ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Η βέλτιστη γωνία κλίσης κυμαίνεται σε ένα εύρος περίπου 15 ο του γεωγραφικού πλάτους της θέσης. Για παράδειγμα, η βέλτιστη γωνία κλίσης για τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα στη Δυτική Ευρώπη είναι περίπου 35 ο. Για περιοχές πλησιέστερα στον ισημερινό αυτή η γωνία κλίσης θα είναι μικρότερη, ενώ για περιοχές πλησιέστερα στους πόλους θα είναι μεγαλύτερη. Μια απόκλιση της γωνίας κλίσης κατά 30 μοίρες από τη βέλτιστη γωνία θα οδηγήσει σε απώλειες μικρότερες από 10% της μέγιστης παραγωγής. Τα Φ/Β στοιχεία είναι στην 12

πραγματικότητα πιο αποδοτικά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οπότε για να εξασφαλιστεί ότι δεν υπερθερμαίνονται, είναι σημαντικό να τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπεται στον αέρα να κινείται ελεύθερα γύρο από αυτά. Αυτό αποτελεί μια ιδιαίτερα σημαντική θεώρηση σε τοποθεσίες που το μεσημέρι είθισται να εμφανίζονται υψηλές θερμοκρασίες. Οι ιδανικές συνθήκες λειτουργίας ενός Φ/Β είναι οι σχετικά ψυχρές, φωτεινές και ηλιόλουστες ημέρες. 1.1 Ηλιακή ακτινοβολία Η ηλιακή ακτινοβολία που παράγεται στον ήλιο και φθάνει στη γη είναι η θεμελιώδης προϋπόθεση της ύπαρξης και συντήρησης της ζωής. Ο ήλιος είναι ουσιαστικά μια θερμή σφαίρα αερίων, στο εσωτερικό της οποίας γίνονται θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Οι αντιδράσεις αυτές γίνονται καθώς πρωτόνια (δηλαδή οι πυρήνες υδρογόνου) συγκρούονται και δημιουργούν πυρήνες ηλίου (πυρηνική σύντηξη). Αποτέλεσμα των αντιδράσεων αυτών είναι η παραγωγή ενέργειας, η οποία φτάνει στην επιφάνεια του ήλιου και στη συνέχεια στη γη. Με μια καλή προσέγγιση, ο ήλιος ενεργεί ως μια τέλεια πηγή ακτινοβολίας (σε μια θερμοκρασία κοντά στους 5.800 Κ). Η προσπίπτουσα ροή ενέργειας πάνω σε μια μονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα είναι γνωστή ως η ηλιακή σταθερά: S=1376 W/τ.μ. (1.1) Γενικότερα, η ολική ισχύς από μια πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη μονάδα επιφάνειας ονομάζεται ένταση ακτινοβολίας. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στη γήινη ατμόσφαιρα ένα μέρος της προσπίπτουσας ενέργειας παραμένει μη οφέλιμο λόγω της σκέδασης ή της απορρόφησης από τα μόρια του αέρα, τα σύννεφα και τα στερεά σωματίδια που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Η ακτινοβολία, η οποία δεν ανακλάται ή διασκορπίζεται και προσεγγίζει την επιφάνεια της γης άμεσα σε ευθεία γραμμή από τον ηλιακό δίσκο, ονομάζεται άμεση ή ακτινοβολία δέσμης. Η διασκορπισμένη ακτινοβολία η οποία προσεγγίζει το έδαφος ονομάζεται διαχεόμενη ακτινοβολία. Κάποια από τις ακτινοβολίες αυτές ίσως προσεγγίσει ένα δέκτη μετά την ανάκλασή της στο έδαφος, οπότε και ονομάζεται 13

ανακλώμενη ισχύς από το έδαφος. Η ολική ακτινοβολία η οποία αποτελείται από αυτά τα τρία στοιχεία ονομάζεται σφαιρική. Η ποσότητα της ακτινοβολίας η οποία φτάνει στο έδαφος είναι φυσικά άκρως μεταβλητή. Επιπλέον πέρα από την όποια κανονική ημερήσια και ετήσια μεταβολή λόγω της φαινόμενης κίνησης του ήλιου, ακατάστατες μεταβολές (κάλυψη από σύννεφα κτλ.) προκαλούνται από τις κλιματολογικές συνθήκες καθώς επίσης και τη γενικότερη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Γι αυτό το λόγο, η σχεδίαση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος βασίζεται στη λήψη μετρούμενων δεδομένων που λαμβάνονται κοντά στην τοποθεσία της εγκατάστασης. Παρ όλο που η ηλιακή ακτινοβολία έχει ήδη καταγραφεί σε διάφορες τοποθεσίες σε ολόκληρη τη γη, πρέπει να αναλυθεί και να επεξεργαστεί πριν πραγματοποιηθεί ένας ακριβής υπολογισμός της διαθέσιμης ηλιακής ακτινοβολίας για το φωτοβολταϊκό σύστημα που θα εγκατασταθεί. Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συνόλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται στην επιφάνειά τους. Ένα μέρος από την ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διαχέεται πάλι προς το περιβάλλον. Στη συνέχεια, από την ακτινοβολία που διεισδύει στον ημιαγωγό, προφανώς δεν μπορεί να απορροφηθεί το μέρος που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού. Για τα φωτόνια αυτά, ο ημιαγωγός συμπεριφέρεται σαν διαφανές σώμα. Έτσι, η αντίστοιχη ακτινοβολία διαπερνά άθικτη το ημιαγώγιμο υλικό του στοιχείου και απορροφάται τελικά στο μεταλλικό ηλεκτρόδιο που καλύπτει την πίσω όψη του, με αποτέλεσμα να το θερμαίνει. Αλλά και από τα φωτόνια που απορροφά ο ημιαγωγός, μόνο με το μέρος εκείνο της ενέργειάς τους που ισούται με το ενεργειακό διάκενο συμβάλλει, στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Το υπόλοιπο μεταφέρεται, σαν κινητική ενέργεια, στο ηλεκτρόνιο που ελευθερώθηκε από τον δεσμό, και τελικά μετατρέπεται επίσης σε θερμότητα. Η αύξηση της θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων επιδρά αρνητικά στην απόδοσή τους. 14

1.2 Δομή και Λειτουργία των Φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από ημιαγωγούς όπως είναι το πυρίτιο. Όταν το φως πέφτει πάνω σ ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, μια συγκεκριμένη ποσότητα απορροφάται από το υλικό του ημιαγωγού. Η ενέργεια αυτή απορροφάται από κάποια από τα ηλεκτρόνια, τα οποία αποδεσμεύονται από τον πυρήνα και κινούνται πλέον ελεύθερα. Ακόμα, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρικά πεδία τα οποία ενεργούν πάνω στα ελεύθερα ηλεκτρόνια ώστε να μετακινηθούν σε συγκεκριμένη κατεύθυνση. Η κίνηση αυτή των ηλεκτρονίων δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο μπορούμε να πάρουμε από ένα εξωτερικό κύκλωμα βάζοντας μεταλλικές επαφές στο πάνω και στο κάτω μέρος του στοιχείου. Το ρεύμα αυτό μαζί με την τάση του στοιχείου, η οποία είναι αποτέλεσμα του εσωτερικού του ηλεκτρικού πεδίου, καθορίζει την ισχύ του στοιχείου. Η παραπάνω διαδικασία δεν είναι τόσο απλή και στηρίζεται σε μια σειρά από φυσικά φαινόμενα. Πρώτα απ όλα, στηρίζεται στις ιδιότητες των ημιαγωγών (ομάδα 14 (IVΑ) του περιοδικού πίνακα) που έχει ειδικές χημικές ιδιότητες λόγω της κρυσταλλικής του δομής. Ο πιο γνωστός και διαδεδομένος ημιαγωγός είναι το άτομο του πυριτίου(si). Ένα άτομο πυριτίου έχει 14 ηλεκτρόνια κατανεμημένα σε τρεις στοιβάδες. Οι δύο πρώτες έχουν 2 και 8 ηλεκτρόνια αντίστοιχα και είναι πλήρως συμπληρωμένες, ενώ η τρίτη που είναι και η εξωτερική έχει μόλις 4. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το άτομο να επιδιώκει να συμπληρώσει την εξωτερική του στοιβάδα με σύνολο 8 ηλεκτρονίων. Για να γίνει αυτό εφικτό δημιουργεί ομοιοπολικούς δεσμούς με τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου. Έτσι δημιουργείται η κρυσταλλική δομή του πυριτίου, η οποία όμως δεν είναι καλός αγωγός του ρεύματος αφού κανένα από τα ηλεκτρόνια δεν είναι ελεύθερο να μετακινηθεί όπως για παράδειγμα συμβαίνει στον χαλκό. Όταν προσδίδεται ενέργεια στο καθαρό πυρίτιο, μπορεί να σπάσουν κάποιοι δεσμοί και να ελευθερωθούν κάποια ηλεκτρόνια οπότε αφήνουν πίσω τους μια οπή. Τα ηλεκτρόνια αυτά περιφέρονται στον κρύσταλλο μέχρι να επανασυνδεθούν σε κάποιον δεσμό (δηλαδή να δεσμευτούν σε κάποια οπή). Για την διάρκεια που κινούνται αποκαλούνται ελεύθεροι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος. Όμως στο πυρίτιο οι φορείς αυτοί είναι πολύ λίγοι οπότε και το ρεύμα που δημιουργούν μικρό και δεν είναι συμφέρον να φτιαχτούν φωτοβολταϊκά στοιχεία μόνο από άτομα πυριτίου. Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία χρησιμοποιείται πυρίτιο με ατέλειες, δηλαδή πυρίτιο με κάποιο άλλο στοιχείο τοποθετημένο ανάμεσα στα άτομα του, το οποίο αλλάζει ελαφρώς τις φυσικές ιδιότητες των κρυστάλλων. Τα στοιχεία που δύναται να τοποθετηθούν προέρχονται από τις ομάδες 13 (IIIA) και 15 (VA) του περιοδικού πίνακα. Ένα από τα 15

πιο διαδεδομένα στοιχεία της ομάδας 15 που χρησιμοποιούνται είναι ο φώσφορος (P) που έχει 5 αντί για 4 ηλεκτρόνια στην τελευταία του στοιβάδα. Με ένα άτομο P αντικαθιστούμε ένα άτομο ανά 1.000.000 άτομα πυριτίου διαδικασία που αποκαλείται ντοπάρισμα ή νόθευση του πυριτίου (σχήμα-1.1) [1]. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το άτομο του Ρ να συνδέεται με 4 δεσμούς με τα άτομα του πυριτίου και να του περισσεύει ένα αδέσμευτο ηλεκτρόνιο, το οποίο δεν συγκρατείται από ομοιοπολικό δεσμό. Αυτά τα ηλεκτρόνια για να αποδεσμευτούν χρειάζονται πολύ λιγότερη ενέργεια, οπότε ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερος απ ότι πριν. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται ημιαγωγοί τύπου n, οι οποίοι είναι πολύ καλύτεροι αγωγοί από το καθαρό πυρίτιο. Σχήμα 1.1 Άτομα φωσφόρου έχουν αντικαταστήσει άτομα πυριτίου δημιουργώντας έναν n-τύπου ημιαγωγό[1]. Με παρόμοιο τρόπο δημιουργούνται ημιαγωγοί τύπου-p όταν το πυρίτιο ντοπάρεται με στοιχεία της ομάδας 13, με πιο διαδεδομένο το βόριο (Β), οπότε και εμφανίζεται πληθώρα οπών που είναι κενές θέσεις χωρίς ηλεκτρόνια (σχήμα-1.2)[1]. 16

Σχήμα 1.2 Άτομα βορίου έχουν αντικαταστήσει άτομα πυριτίου δημιουργώντας έναν p-τύπου ημιαγωγό[1]. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από τύπου-n και τύπου-p ημιαγωγούς ενωμένους οπότε στο εσωτερικό τους δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο (σχήμα-1.3)[2]. Στους ημιαγωγούς τύπου-n ο πλεονάζων αριθμός ηλεκτρονίων ισορροπούσε με τα πρωτόνια του Ρ, και στους ημιαγωγούς τύπου-p οι οπές ισορροπούσαν με το πρωτόνιο που έλειπε από τον πυρήνα του Β. Με την ένωση των δύο ημιαγωγών το p-n στοιχείο που δημιουργείται δεν θα λειτουργούσε σωστά χωρίς το ηλεκτρικό πεδίο που εμφανίζεται στην p-n επαφή, διότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που είναι στην n-πλευρά και «αναζητούν» οπές, «βλέπουν» όλες τις οπές της p-πλευράς και προσπαθούν να τις συμπληρώσουν. Αυτό που συμβαίνει όμως είναι ότι όταν στο σημείο επαφής των ημιαγωγών αναμειγνύονται οι οπές με τα ηλεκτρόνια, η ουδετερότητα των δύο ημιαγωγών διαταράσσεται και δημιουργείται ένα φράγμα δυναμικού το οποίο κάνει όλο και πιο δύσκολη την κίνηση των ηλεκτρονίων από την n-πλευρά στην p-πλευρά. Τελικά επιτυγχάνεται ισορροπία. Έχουμε ένα πεδίο μεταξύ των δύο περιοχών που συμπεριφέρεται σαν βαλβίδα επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να κινηθούν μόνο προς την μια κατεύθυνση (δίοδος). 17

Σχήμα 1.3 Ημιαγωγοί τύπου-n και τύπου-p ενωμένοι μεταξύ τους δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο[2] Όταν το φως πέφτει πάνω στο στοιχείο με την μορφή φωτονίου, η ενέργεια του απελευθερώνει ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων. Η διαδικασία αυτή αποτελεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Κάθε φωτόνιο που έχει αρκετή ενέργεια κανονικά θα απελευθερώσει ακριβώς ένα ηλεκτρόνιο, οπότε θα δημιουργηθεί και μία οπή. Εάν αυτό συμβεί αρκετά κοντά στο πεδίο ή εάν το ελεύθερο ηλεκτρόνιο και η οπή κινούνται στην ακτίνα επιρροής του, το πεδίο θα «ωθήσει» την οπή προς την p-πλευρά και το ηλεκτρόνιο προς την n-πλευρά. Αυτό δημιουργεί περαιτέρω διαταραχή της ηλεκτρικής ισορροπίας, οπότε εάν δώσουμε εξωτερική διέξοδο (σύνδεση με εξωτερικό κύκλωμα) στο ρεύμα, ηλεκτρόνια θα κινηθούν προς την p-πλευρά για να ενωθούν με οπές (σχήμα-1.4)[2]. Η κίνηση των ηλεκτρονίων δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα και ο χωρισμός των φορτίων μέσω του πεδίου δημιουργεί τάση. Έτσι και τα δύο μαζί παράγουν ισχύ P=VI. Η απόδοση από πλευράς ισχύος είναι της τάξης περίπου του 15%. Σχήμα 1. 4 Δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος και τάσης [2] Πάνω στα φωτοβολταϊκά στοιχεία πέφτει όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα του φωτός. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δεν είναι μονοχρωματική, αλλά αποτελείται από πολλά διαφορετικά μήκη κύματος που αντιστοιχούν σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Άρα 18

όταν το φως πέφτει στο στοιχείο έχει μεγάλη ποικιλία φωτονίων με διαφορετικές ενέργειες, οπότε κάποια απ αυτά δεν έχουν αρκετή ενέργεια να δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών και θα απορροφηθούν από το στοιχείο χωρίς να σπάσουν ομοιοπολικούς δεσμούς. Με τα φωτόνια που έχουν περισσότερη ενέργεια απ αυτή που χρειάζεται η περίσσια απορροφάται και γίνεται θερμότητα. Μόνο ένα συγκεκριμένο μέρος της ακτινοβολίας, μετρούμενο σε ev, θα απορροφηθεί από το στοιχείο και θα προκαλέσει το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Αυτή η συγκεκριμένη ποσότητα της ακτινοβολίας αποκαλείται ενεργειακό χάσμα και για κρύσταλλο πυριτίου είναι 1.1eV. Αυτές οι δύο περιπτώσεις ευθύνονται για το χάσιμο περίπου του 70% τις προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Λύση θα αποτελούσε η χρήση υλικού με μικρότερο ενεργειακό χάσμα οπότε θα μας ήταν ωφέλιμα περισσότερα φωτόνια. Όμως το χάσμα αυτό καθορίζει το πεδίο άρα και την τάση, οπότε με την απορρόφηση περισσοτέρων φωτονίων ναι μεν αυξάνεται το ρεύμα, αλλά χάνουμε έχοντας μικρότερη τιμή τάσης και η ισχύς τελικά παραμένει περίπου ίδια. Το ιδανικό χάσμα ισορροπώντας τα παραπάνω είναι 1.4eV για ένα απλό στοιχείο. Επίσης, υπάρχουν και άλλες απώλειες αφού τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινηθούν από την μια πλευρά του στοιχείου στην άλλη μέσω του εξωτερικού κυκλώματος. 1.3 Περιγραφή Φωτοβολταϊκού συστήματος Το βασικό δομικό στοιχείο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι η ηλιακή κυψέλη (solar cell). Μια ηλιακή κυψέλη παράγει μικρή ποσότητα ισχύος που είναι 1 με 2W. Για να αυξηθεί η ισχύς στην έξοδο των κυψέλη, τοποθετούμε πολλές κυψέλες μαζί (ενώνοντας την θετική επαφή του ενός με την αρνητική του επόμενου, δηλαδή εν σειρά, αυξάνουμε την τάση, ενώ ενώνοντας τις θετικές μεταξύ τους και τις αρνητικές μεταξύ τους, δηλαδή παράλληλα, αυξάνουμε το ρεύμα) και έτσι δημιουργούνται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Με την συνένωση πολλών πλαισίων μαζί δημιουργούνται μονάδες μεγαλύτερης ισχύος που λέγονται συστοιχίες. Το βασικό στοιχείο στο εμπόριο είναι το φωτοβολταϊκό (PV) πλαίσιο (module). Το μέγεθος ενός PV πλαισίου χαρακτηρίζεται από την ισχύ που μπορεί να παράγει και συγκεκριμένα με βάση την ισχύ που δίνει υπό καθορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας PV κυττάρου (25 ο C) και ακτινοβολίας (1000W/m 2 ) και είναι γνωστή ως «ισχύς αιχμής» (peak Watt, Wp). Για παράδειγμα, όταν μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια δύναται να παράγει 19

10 Wp αυτό σημαίνει ότι παράγει 10W για ηλιακή ακτινοβολία 1000W/m 2 και θερμοκρασία κυττάρου 25 ο C. Οι άλλες συσκευές που μπορούν να συνδέονται στο πλαίσιο μπορούν να ταξινομηθούν σε τέσσερις κατηγορίες: o Συσσωρευτές, που χρησιμεύουν στην αποθήκευση ενέργειας και στην απόδοσή της όταν αυτό απαιτείται (το βράδυ ή τις βροχερές μέρες). o Αντιστροφείς, που απαιτούνται για την αντιστροφή του συνεχούς ενέργεια (DC) που παράγεται στο φωτοβολταϊκό σε εναλλασσόμενη (AC). o Συστήματα ρύθμισης ισχύος, που διαχειρίζονται την αποθηκευμένη ενέργεια στον συσσωρευτή και διοχετεύουν ενέργεια στο φορτίο. o Κατασκευές, που απαιτούνται για την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών και των λοιπών συσκευών. Πρακτικά δεν είναι απαραίτητο να υπάρχουν όλες οι παραπάνω συσκευές σε όλα τα συστήματα. Για παράδειγμα, σε συστήματα συνεχούς ρεύματος δεν χρειάζεται αντιστροφέας. Για συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο δεν είναι απαραίτητος ο συσσωρευτής διότι το δίκτυο χρησιμεύει και για αποθήκευση. Δηλαδή, όταν υπάρχει περίσσεια ενέργειας στο σύστημα φωτοβολταϊκών πλαισίων-φορτίου, τότε αυτή διοχετεύεται στο δίκτυο, ενώ σε περίπτωση έλλειψης ενέργειας, η επιπλέον ενέργεια που απαιτείται λαμβάνεται από το δίκτυο. Κάποια συστήματα απαιτούν συσκευές που δεν σχετίζονται άμεσα με τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Όπως για παράδειγμα είναι μερικά απομονωμένα συστήματα που έχουν ντιζελογεννήτρια για την παροχή ρεύματος όταν εξαντληθεί η ενέργεια των συσσωρευτών. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με γεννήτριες φωτοβολταϊκών πλαισίων συνοδεύεται από πολλά πλεονεκτήματα, τα σημαντικότερα εκ των οποίων είναι : 1. Λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη και είναι απλά, απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και έχουν μεγάλη αξιοπιστία. 20

2. Λειτουργούν αθόρυβα και χωρίς την χρήση καυσίμων που τα καθιστά φιλικά προς το περιβάλλον. 3. Εύκολα μπορεί να επιτευχθεί οποιαδήποτε ηλεκτρική ισχύς όσο μικρή ή μεγάλη κι αν είναι (από mw μέχρι MW). 4. Λειτουργούν ακόμα και με νεφελώδη ουρανό αξιοποιώντας την διάχυτη ακτινοβολία. 5. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής (10-20 χρόνια) 6. Μπορούν να μας παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς τη διαμεσολάβηση του δικτύου της Δ.Ε.Η. 1.3.1 Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο πυριτίου αποτελείται από 36 ηλιακά κύτταρα σε σειρά, έχει έξοδο με συνεχές ρεύμα και συνεχή τάση. Συνήθως τροφοδοτεί συσσωρευτή τάσης 17V. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.5[2] στην επιφάνεια που είναι προς τον ήλιο καλύπτεται από γυάλινο κάλυμμα που είναι ανθεκτικό στις καιρικές συνθήκες και στην υπεριώδη ακτινοβολία, προφυλάσσει τις κυψέλες και τις ηλεκτρικές επαφές από την βροχή, το χαλάζι και το χιόνι που μπορούν να προκαλέσουν διάβρωση. Κάτω από το γυάλινο κάλυμμα υπάρχει αντί-ανακλαστική μεμβράνη, ώστε να μειωθεί το ποσοστό της ανακλούμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Πάνω και κάτω από την επιφάνεια του πυριτίου υπάρχουν ηλεκτρικές επαφές από υλικό μικρής θερμικής αντίστασης που το συνδέουν με το εξωτερικό κύκλωμα. Τέλος, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ασφαλίζεται μέσα σε μια μεταλλική θήκη αλουμινίου. Σχήμα 1. 5 Τυπική δομή φωτοβολταϊκού πλαισίου [2] 21

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: α) στα κλασσικά επίπεδα συστήματα και β) στα συστήματα συγκεντρωτικών συλλεκτών. Συστήματα Επίπεδων Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Πρόκειται για τον πιο κοινό τύπο φωτοβολταϊκών πλαισίων. Τα πλαίσια μπορούν είτε να είναι μόνιμα σε μια σταθερή γωνία κλίσης είτε να είναι κινητά και να ακολουθούν την κίνηση του ήλιου. Απορροφούν και την διάχυτη και την άμεση ακτινοβολία. Η σημαντικότητα του παραπάνω φαίνεται από το γεγονός ότι ακόμα και με καθαρό ουρανό η διάχυτη ακτινοβολία είναι το 10 με 20% της συνολικής, σε επίπεδη επιφάνεια. Σε μερικώς συννεφιασμένες μέρες το ποσοστό αυτό φτάνει το 50% και σε τελείως συννεφιασμένες μέρες φτάνει το 100%. Τα πιο απλά επίπεδα πλαίσια είναι σε σταθερή θέση. Τα πλεονεκτήματα των σταθερών πλαισίων είναι ότι δεν έχουν κινητά μέρη, πρακτικά δεν υπάρχει ανάγκη για επιπλέον εξοπλισμό, και είναι σχετικά ελαφριά. Αυτά τα χαρακτηριστικά τα κάνουν κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν σε μια σειρά από περιπτώσεις, όπως είναι και οι στέγες των σπιτιών. Ο προσανατολισμός των πλαισίων αυτών ώστε να αποδίδουν ικανοποιητικά πρέπει να είναι προς το Νότο και η κλίση (φ+15 ο )±5 ο όπου φ είναι το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. Τα επίπεδα πλαίσια με μηχανισμό κίνησης επιτυγχάνουν μεγαλύτερη απορρόφηση ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας αφού μπορούν και έχουν την βέλτιστη γωνία κλίσης και προσανατολισμού κάθε χρονική στιγμή. Όμως έχουν επιπλέον κόστος (αγορά και συντήρηση) και βάρος λόγω του μηχανισμού κίνησης. Βρίσκοντας μια ισορροπία μεταξύ των δύο μπορεί να γίνει η σωστή επιλογή για την κάθε περίπτωση. Συστήματα Συγκεντρωτικών Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Ο κύριος λόγος χρήσης συστημάτων συγκεντρωτικών Φ/Β πλαισίων είναι η ικανότητά τους να χρειάζονται λιγότερες ηλιακές κυψέλες από τα επίπεδα συστήματα την παραγωγή της ίδιας ισχύος. Οι κυψέλες αποτελούν το πιο ακριβό τμήμα ενός συστήματος μετρώντας το κόστος ανά μονάδα επιφάνειας. Για το σύστημα συγκέντρωσης της ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται φθηνά υλικά, όπως είναι πλαστικά κάτοπτρα και 22

μεταλλικές θήκες, που συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια από μια συγκριτικά μεγάλη επιφάνεια και την εστιάζουν σε μια μικρότερη επιφάνεια στην οποία βρίσκεται η κυψέλη. Για την συγκέντρωση του φωτός χρησιμοποιούνται οι ανακλαστήρες και οι φακοί που έχουν διατομή σαν δόντι πριονιού για να συγκεντρώσουν το εισερχόμενο φως. Όμως, δεν υπάρχει φακός που να μπορεί να μεταφέρει το 100% του προσπίπτοντος φωτός αλλά συνήθως μεταφέρεται 90-95% ή και λιγότερο (λόγω απορρόφησης και ανακλάσεως). Αρκετά είναι τα πλεονεκτήματα των συγκεντρωτικών συστημάτων έναντι των επίπεδων. Έχουν αυξημένη ισχύ εξόδου και η απόδοση του συστήματος είναι μεγαλύτερη έχοντας ταυτόχρονα μικρότερο μέγεθος κυψελών ή μικρότερο αριθμό κυψελών. Το πόσο θα αυξηθεί η απόδοση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό απ το σχήμα της κυψέλης και από το υλικό που είναι κατασκευασμένη. Ακόμα, η δυνατότητα χρήσης μικρών κυψελών αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα διότι είναι πιο δύσκολο να παραχθούν κυψέλες μεγάλης επιφάνειας με μεγάλη απόδοση απ ότι μικρής επιφάνειας. Απ την άλλη πλευρά, υπάρχουν αρκετά μειονεκτήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν στο μέλλον. Για παράδειγμα τα απαιτούμενα οπτικά του συστήματος είναι σημαντικά πιο ακριβά από τα καλύμματα των επίπεδων συστημάτων. Επιπλέον, δεν μπορούν να εκμεταλλευτούν την διάχυτη ακτινοβολία, δηλαδή ακόμη και σε μία ηλιόλουστη μέρα χάνεται το 20% της ακτινοβολίας, οπότε χρειάζεται να ακολουθούν την κίνηση του ήλιου καθ όλη την διάρκεια της μέρας και συνολικά του έτους. Άρα, για την επίτευξη μεγαλύτερης απόδοσης πρέπει ο μηχανισμός κίνησης να είναι μεγαλύτερης ακρίβειας από αυτούς που χρησιμοποιούνται στα επίπεδα συστήματα. Ένα άλλο πρόβλημα είναι αυτό της υπερθέρμανσης των κυψελών που παράγεται από την μεγάλη συγκέντρωση ακτινοβολίας που γενικά είναι επιθυμητή. Η θερμοκρασία των κυψελών πρέπει να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα διότι με την αύξηση όχι μόνο μειώνεται η απόδοσή τους αλλά και μακροπρόθεσμα μπορεί να διαταραχθεί η σταθερότητα στη λειτουργία τους ή ακόμα και να καταστραφούν πρόωρα. Μια από τις πιο σημαντικές προσπάθειες για διατήρηση χαμηλής θερμοκρασίας αποτελεί η ελαχιστοποίηση της ηλεκτρικής αντίστασης των επαφών που μεταφέρουν το ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας επαφές μεγαλύτερης επιφάνειας, το οποίο έχει όμως σαν αποτέλεσμα να προκαλείται σκίαση στην κυψέλη. Γι αυτό υπάρχουν δύο λύσεις. Η μια είναι η τοποθέτηση πρισματικού καλύμματος πάνω από την επαφή οπότε το φως που θα προσέπιπτε στην επαφή, τώρα προσπίπτει στο πρίσμα, εκτρέπεται και διοχετεύεται στην κυψέλη. Η άλλη λύση είναι να τοποθετηθούν και οι δύο 23

επαφές πίσω από την κυψέλη το οποίο όμως απαιτεί πολύ καλής ποιότητος υλικό πυριτίου. 1.3.2 Μηχανισμός Κίνησης Ο μηχανισμός κίνησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου μπορεί να επιτρέπει την κίνηση σε έναν ή σε δύο άξονες. o Τα συστήματα ενός άξονα είναι σχεδιασμένα να ακολουθούν την πορεία του ήλιου από την ανατολή στη δύση. Χρησιμοποιούνται κυρίως με συστήματα επίπεδων φωτοβολταϊκών πλαισίων και μερικές φορές με συστήματα συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών πλαισίων. o Τα συστήματα δύο αξόνων όχι μόνο κάνουν την παραπάνω λειτουργία, αλλά και παρακολουθούν την μεταβολή της απόκλισης του ήλιου κατά την διάρκεια του έτους. Χρησιμοποιούνται κυρίως με συγκεντρωτικά πλαίσια. Τα συστήματα δύο αξόνων είναι πιο πολύπλοκα, πιο ακριβά και χρειάζονται μεγαλύτερη συντήρηση σε σύγκριση με αυτά του ενός άξονα. 1.3.3 Συσσωρευτές Σε συστήματα απομονωμένα από το δίκτυο, το φωτοβολταϊκό σύστημα πρέπει να παρέχει την ενέργεια κάθε φορά που απαιτείται ανεξαρτήτως αν έχει ήλιο ή όχι. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται συσσωρευτές που αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργειας. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι τύποι μπαταριών είναι οι μολύβδου-ασβεστίου και μολύβδου-αντιμονίου. Για περιπτώσεις όπου ο συσσωρευτής είναι εκτεθειμένος σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών χρησιμοποιούνται οι νικελίου-καδμίου. Εξαιτίας της συνεχώς μεταβαλλόμενης τιμής της ηλιακής ακτινοβολίας και του φορτίου, οι συσσωρευτές πρέπει να περνούν από πολλούς κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης χωρίς να χάνουν τις ιδιότητές τους γρήγορα. Το ποσοστό της χωρητικότητας του συσσωρευτή που μπορεί να εκφορτιστεί χωρίς να καταστραφεί ονομάζεται βάθος εκφόρτισης και εξαρτάται από τον τύπο του. Οι μολύβδου-ασβεστίου είναι μικρού βάθους εκφόρτισης και αντέχουν 20% εκφόρτιση σε κάθε κύκλο. Οι νικελίου-καδμίου είναι μεγάλου βάθους εκφόρτισης και αντέχουν 80% εκφόρτιση σε κάθε κύκλο. Οι συσσωρευτές χρειάζονται αλλαγή κάθε 5 με 10 χρόνια ανάλογα με τον αριθμό των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης που κάνουν. 24

Οι συσσωρευτές παρέχουν αυτονομία στο σύστημα από μερικές μέρες μέχρι δύο βδομάδες. Η χρονική διάρκεια εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κάθε συστήματος, δηλαδή από την τοποθεσία του, την ύπαρξη ή όχι γεννήτριας και από το φορτίο. Οι συσσωρευτές χαρακτηρίζονται από την τάση τους, η οποία συνήθως είναι πολλαπλάσιο των 12V, και από την χωρητικότητά τους, που μετριέται σε αμπερώρια (Ah). Οι συσσωρευτές, πέραν της μείωσης της απόδοσης που προκαλούν, χρειάζονται περιοδική συντήρηση (έλεγχο υγρών) και έναν μεγάλο χώρο για να αποθηκευτούν. Ο σωστός υπολογισμός του μεγέθους του συσσωρευτή του συστήματος είναι καθοριστικός για την επίτευξη μεγάλης διάρκειας ζωής του, για την ιδανική απόδοση και για την επίτευξη ονομαστικού κόστους κύκλου ζωής του συστήματος. 1.3.4 Συστήματα Ρύθμισης Ισχύος Υπάρχουν αρκετά ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμεύουν στον έλεγχο και στην ρύθμιση της ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το φωτοβολταϊκό. Πιο συγκεκριμένα είναι: o Οι ρυθμιστές φόρτισης μπαταριών για την ρύθμιση των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης της συσσωρευτή. Όταν ο συσσωρευτής είναι τελείως φορτισμένος, ο ρυθμιστής δεν αφήνει άλλο ρεύμα να εισρεύσει από το φωτοβολταϊκό στοιχείο στον συσσωρευτή. Ομοίως, όταν ο συσσωρευτής έχει αδειάσει σε ένα προαποφασισμένο επίπεδο, το οποίο ελέγχεται με μέτρηση της τάσης του συσσωρευτή, ο ελεγκτής δεν επιτρέπει να δώσουν άλλο ρεύμα οι συσσωρευτές προτού επαναφορτιστούν. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την επιμήκυνση του χρόνου ζωής του συσσωρευτή. o Ο ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος (ΜΡΡΤ), η οποία είναι μια συσκευή που επεξεργάζεται κατάλληλα το ρεύμα και την τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού, ώστε σε κάθε χρονική στιγμή το σύστημα, να απορροφά τη μέγιστη δυνατή ισχύ από το φωτοβολταϊκό. 1.4 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από ένα τυπικό Φ/Β κύτταρο είναι αρκετά μικρή για να ανταποκριθεί στην τροφοδότηση των συνηθισμένων ηλεκτρικών φορτίων. Για το λόγο αυτό, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους και τοποθετούνται 25

σε ενιαίο δομικό στοιχείο με κοινή ηλεκτρική έξοδο, συγκροτώντας έτσι ένα Φ/Β πλαίσιο. Η μέγιστη τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού πλαισίου καθορίζεται από τον αριθμό των εν σειρά συνδεδεμένων ηλιακών στοιχείων, ενώ το μέγιστο ρεύμα εξόδου προσδιορίζεται από τον αριθμό των κυττάρων (ή των εν σειρά συνδεδεμένων ομάδων κυττάρων) που συνδέονται παράλληλα. Συνεπώς η διαφοροποίηση των Φ/Β πλαισίων, πέρα από το υλικό κατασκευής τους, μπορεί να πραγματοποιηθεί επιπλέον με βάση τα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα κάθε Φ/Β πλαίσιο συνοδεύεται από ένα πίνακα στον οποίο αναφέρονται οι τιμές της μέγιστης δυνατής αποδιδόμενης ισχύος P MP, της τάσης V MP και του ρεύματος I MP στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος, της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V oc, καθώς και του ρεύματος βραχυκυκλώματος I SC. Τα μεγέθη αυτά μετρούνται για συγκεκριμένες συνθήκες έντασης ηλιακής ακτινοβολίας (1000W/m 2 ), θερμοκρασίας (25 C) και αέριας μάζα (1.5). Η αέρια μάζα αναφέρεται στο πάχος της ατμόσφαιρας το οποίο διαπερνά το ηλιακό φως και αποτελεί ένα σημαντικό δείκτη των χαρακτηριστικών του διαθέσιμου φωτός, διότι οι ηλιακές κυψέλες αξιοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Οι τιμές των παραπάνω συνθηκών ονομάζονται Πρότυπες Συνθήκες Δοκιμών (Standard Test Conditions, STC). Η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός φωτοβολταϊκού περιγράφεται από την ακόλουθη κλασσική εξίσωση [1]: (1.2) V T : θερμική τάση (σε V). Για θερμοκρασία δωματίου(v T,27oC = 25,85 mv) k : σταθερά Boltzmann (1.38 10-23 Jouloe/Kelvin) T : απόλυτη θερμοκρασία του κυττάρου σε βαθμούς Kelvin (0 C = 273 Kelvin) 26

q : φορτίο ηλεκτρονίου (1.6022 10-19 Coulomb) n cell : συντελεστής διόρθωσης, που οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης και μη ιδανικής διάχυσης, τα οποία συμβαίνουν στην περιοχή της Ρ-Ν επαφής. Λαμβάνει τιμές μεταξύ 1 και 2. I cell : το ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου V cell : η τάση στην έξοδο του κυττάρου I L,cell : φωτόρευμα, δηλαδή το ρεύμα που παράγεται λόγω του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός επί του κυττάρου. I O,cell : Ρεύμα κόρου της διόδου με τιμές μεταξύ 10-4 -10-15 Α R S,Cell : σε σειρά αντίσταση του κυττάρου. Παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά την ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό (συνήθως τύπου Ν), που βρίσκεται στην πλευρά που προσπίπτει το φως και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού - ωμικής επαφής και την ωμική επαφή. R SH,Cell : παράλληλη αντίσταση. Οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν είτε στην επαφή Ρ-Ν (επανασύνδεση), είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου (επιφανειακή διαρροή), είτε σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλη την επιφάνεια του κυττάρου ούτε μεταξύ δυο ομοίων κυττάρων. Στην περίπτωση ενός πλαισίου, αν θεωρήσουμε ότι έχουμε N S ίδια ηλιακά κύτταρα σε σειρά (αλυσίδα-string) και N P ίδιες αλυσίδες παράλληλα, τότε η σχέση (1.3) γίνεται: (1.3) 27

όπου, n = N S n cell Ι = N P I cell,το ρεύμα στην έξοδο του Φ/Β V = N S V cell,η τάση στην έξοδο του Φ/Β πλαισίου I L = N P I L,cell,το συνολικό ισοδύναμο φωτόρευμα του Φ/Β πλαισίου ΙΟ = N P IO,cell,το συνολικό ισοδύναμο ρεύμα κόρου της διόδου R S = (Ν S /Ν P ) R S,cell,η ισοδύναμη εν σειρά αντίσταση του Φ/Β πλαισίου R SH = (Ν S /Ν P ) R SH,cell,η ισοδύναμη παράλληλη αντίσταση του Φ/Β πλαισίου Η εξίσωση αυτή είναι μη γραμμική της μορφής I = f (I, V) και είναι πεπλεγμένη. Αποτελεί το μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει την ηλεκτρική συμπεριφορά, σε στατικές καταστάσεις. Στο σχήμα 1.6 παρουσιάζονται οι τυπικές ποιοτικές χαρακτηριστικές καμπύλες τάσης-ρεύματος (χαρακτηριστική V-Ι) και τάσης- ισχύος (χαρακτηριστική V-Ρ) ενός Φ/Β πλαισίου και πάνω σε αυτές σημειώνονται τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά ηλεκτρικά του μεγέθη. Συγκεκριμένα για δεδομένες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας, η μέγιστη τιμή της τάσης στα άκρα της φωτογεννήτριας συμβολίζεται με V OC και εμφανίζεται στην περίπτωση που τα άκρα της είναι ανοιχτοκυκλωμένα (Ι PV =0), ενώ αντίστοιχα η μέγιστη τιμή της έντασης του ρεύμα που μπορεί να παραχθεί συμβολίζεται με Ι SC και παρουσιάζεται όταν η έξοδος της φωτογεννήτριας βραχυκυκλωθεί (V PV =0). Συνεπώς, στα δύο παραπάνω σημεία λειτουργίας της φωτογεννήτριας (ζεύγος τιμών τάσης και ρεύματος), η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς μηδενίζεται. Αντίθετα, η μέγιστη τιμή της P MP, επιτυγχάνεται για ένα συγκεκριμένο ζεύγος τιμών τάσης V MP και ρεύματος I MP, όπως αποδεικνύεται και από τη χαρακτηριστική V-P. Από τη μελέτη του σχήματος 1.6, διαπιστώνεται ότι οι 28

φωτοβολταϊκές γεννήτριες παρουσιάζουν μια αρκετά ιδιόμορφη συμπεριφορά συγκριτικά µε τις συνήθεις πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, σε αντίθεση µε τις περισσότερες κοινές ηλεκτρικές πηγές, οι οποίες διατηρούν περίπου σταθερή την τιμή της τάση τους στην περιοχή κανονικής λειτουργίας τους, η τάση των φωτογεννητριών μεταβάλλεται δραστικά και μάλιστα μη γραμμικά συναρτήσει της έντασης του ρεύματος που παρέχουν σε κάποιο εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα, ακόμα και για σταθερές συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Μια προσεκτικότερη μελέτη της χαρακτηριστικής V-I, αποδεικνύει ότι αριστερά του γονάτου της καμπύλης, η ένταση του ρεύματος που παρέχεται από το Φ/Β πλαίσιο σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα μεταβάλλεται ελάχιστα για μεγάλες μεταβολές της τάσης, ενώ αντίθετα δεξιά του γονάτου το ρεύμα μεταβάλλεται σημαντικά για μικρές μεταβολές της τάσης. Σχήμα 1.6 Ποιοτικές καμπύλες τάσης-ρεύματος και τάσης- ισχύος ενός Φ/Β πλαισίου Λαμβάνοντας υπόψη ότι η τάση που εμφανίζεται στα άκρα ενός ηλιακού κυττάρου καθορίζεται από τις ιδιότητες του υλικού κατασκευής του, ενώ το ρεύμα που δύναται να παράσχει σε ένα εξωτερικό κύκλωμα είναι, σχεδόν, ευθέως ανάλογο προς την 29

ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, καταλήγουμε στα ακόλουθα συμπεράσματα για την εξάρτηση της λειτουργικής συμπεριφοράς των φωτογεννητριών από τις τιμές της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας: α) Υπό την προϋπόθεση ότι η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς όπως και η τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης I SC μεταβάλλονται ευθέως ανάλογα µε την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η τιμή της V OC δεν επηρεάζεται αξιοσημείωτα. Συνεπώς, η μορφή των χαρακτηριστικών V-I και V-P δεν εξαρτώνται από τις μεταβολές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας αλλά σημειώνεται παράλληλη μετατόπιση των χαρακτηριστικών ως προς τον κατακόρυφο άξονα. β) Η αύξηση της θερμοκρασίας, υπό την προϋπόθεση ότι η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας διατηρείται σταθερή, επιδρά αρνητικά στην απόδοση των φωτοβολταϊκών γεννητριών. Συγκεκριμένα, η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση του ενεργειακού χάσματος του ημιαγώγιμου υλικού και αύξηση του αριθμού των επανασύνδεα μένων φορέων φορτίου. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η αισθητή μείωση της V OC και η ελαφριά αύξηση της τιμής του I SC. Απόρροια αυτών των μεταβολών, είναι αφενός μεν η μείωση της ισχύος εξόδου της Φ/Β γεννήτριας αφετέρου δε η αλλοίωση της μορφής της χαρακτηριστικής V-I (το γόνατο της καμπύλης αποκτά πιο στρογγυλεμένη μορφή). Η επίδραση της θερμοκρασίας στις τιμές της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος εξόδου της Φ/Β γεννήτριας, προσδιορίζεται από τρεις συντελεστές. Οι δύο πρώτοι εκφράζουν σε απόλυτα μεγέθη τη μείωση της V OC και την αύξηση του I SC αντίστοιχα για μεταβολή της θερμοκρασίας λειτουργίας της φωτογεννήτριας ανά βαθμό Κελσίου, ενώ ο τρίτος την επί της εκατό μεταβολή του P MP για ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας. Οι συντελεστές αυτοί παρέχονται συνήθως από τον κατασκευαστή μαζί µε τα υπόλοιπα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του Φ/Β πλαισίου. Μετά από έρευνα αγοράς βρέθηκε ότι τα Φ/Β πλαίσια είναι στην γκάμα των 15-19 V κατά 62,3% και 33-37 V κατά 21% όπως φαίνεται στο σχήμα 1.7[3]. 30

Σχήμα 1.7 Κατηγοριοποίηση Φ/Β πλαισίων βάσει της τάσης εξόδους τους[3]. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας αποφασίστηκε να κατασκευαστεί διάταξη ανύψωσης τάσης για Φ/Β πλαίσιο 125Wp, 17V τα αναλυτικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του οποίου φαίνονται στο σχήμα 1.8[4]. 31

Σχήμα 1.8 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φ/Β πλαισίου της εφαρμογής[4]. 32

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Ταξινόμηση φωτοβολταϊκών συστημάτων και εφαρμογές 2.1 Εφαρμογές Τα φωτοβολταϊκά συστήματα βρίσκουν εφαρμογή σε μία μεγάλη γκάμα περιπτώσεων. Τα συστήματα χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: Συστήματα που είναι διασυνδεδεμένα με το δίκτυο. Συστήματα που είναι απομονωμένα από το δίκτυο. Υβριδικά συστήματα 2.1.1 Συστήματα Διασυνδεδεμένα με το Δίκτυο Εναλλασσομένου ρεύματος Στα διασυνδεδεμένα συστήματα η φωτοβολταϊκή συστοιχία τροφοδοτεί απευθείας με ηλεκτρική ενέργεια το δίκτυο, οπότε δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη συσσωρευτή. Τα συστήματα αυτά μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: 1. Στα φωτοβολταϊκά εργοστάσια παραγωγής (τα οποία η ισχύς τους είναι μεγαλύτερη από 100KW). 2. Σε Φ/Β σταθμούς παραγωγής τα οποία βρίσκονται κοντά στα σημεία όπου κάνουμε χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας (20-100KW). 3. Οικιακά Φ/Β (1-10KW). Στις πρώτες δύο περιπτώσεις έχουμε ολόκληρες μονάδες παραγωγής που αποτελούνται από συστοιχίες φωτοβολταϊκών οι οποίες συνδέονται με υποσταθμούς και μετά με το δίκτυο. Αυτές αποτελούν κεντρικές μονάδες παραγωγής όπου τροφοδοτούν μεγάλες περιοχές που έχουν απαίτηση σε μεγάλα ποσά ενέργειας.. Οι μονάδες αυτές εγκαθίστανται και συνδέονται εύκολα με το δίκτυο, οπότε κατασκευάζονται πολύ πιο γρήγορα από τις συμβατικές. Ακόμα, μπορούν να τοποθετηθούν κοντά στα σημεία του δικτύου όπου υπάρχει μεγαλύτερη ανάγκη και μπορεί να αυξηθεί το μέγεθός τους προσθέτοντας συστοιχίες όταν αυξηθεί η ζήτηση. Έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν καταναλώνουν καύσιμα, δεν παράγουν καυσαέρια ή 33

απόβλητα και επιπλέον είναι αθόρυβες. Τέτοιου είδους μονάδες παρουσιάζουν απώλειες μεταφοράς ενέργειας λόγω της απόστασης από τη κατανάλωση της ενέργειας αλλά επίσης πρέπει να εξασφαλιστεί μεγάλος χώρος έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί η εγκατάσταση. Τέλος, πρόβλημα δημιουργεί το ότι η παραγωγή δεν μπορεί να ακολουθήσει την ζήτηση την νύχτα ή όταν δεν έχει ηλιοφάνεια. Στην τρίτη περίπτωση ο καταναλωτής-ιδιοκτήτης που έχει τη συστοιχία, μπορεί να παίρνει και να δίνει ενέργεια κάθε χρονική στιγμή. Είναι σε θέση να παίρνει την ενέργεια που χρειάζεται από τη συστοιχία και να χρησιμοποιεί το δίκτυο μόνο όταν είναι απαραίτητο (κατά την διάρκεια της νύχτας, σε πολύ συννεφιασμένες μέρες ή όταν έχει μεγάλο φορτίο). Αυτό γίνεται εφικτό με την χρήση κατάλληλου μετρητή που έχει την ιδιότητα να είναι αμφίδρομος (διπλό ρολόι). Όταν η συστοιχία τροφοδοτεί το φορτίο του κτιρίου και της περισσεύει ενέργεια, την δίνει στο δίκτυο. Όταν το φορτίο είναι μεγαλύτερο από την παραγωγή της συστοιχίας τότε η ζήτηση ικανοποιείται με εισαγωγή ενέργειας από το δίκτυο. Έτσι, το δίκτυο δρα σαν μονάδα αποθήκευσης για το φωτοβολταϊκό σύστημα. Τυπικές τιμές για οικιακά φωτοβολταϊκά είναι 1 με 4 kwp (σχήμα 2.1)[5] ενώ για μεγάλα δημόσια κτίρια είναι 100kWp ή και περισσότερο. Σχήμα 2.1 Διασυνδεδεμένο σύστημα με το δίκτυο χαμηλής τάσης της ΔΕΗ [5] 34

Τα πλεονεκτήματα των παραπάνω συστημάτων είναι η προβλεπόμενη μείωση του κόστους παραγωγής ενέργειας και η προστασία του περιβάλλοντος. Με την παραγωγή ενέργειας κοντά στο σημείο ζήτησης μειώνεται η απόσταση που πρέπει να διανύσει το ρεύμα και επιτυγχάνεται μείωση των ενεργειακών απωλειών και των απωλειών ισχύος στο δίκτυο. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να αποφευχθεί ή να αργήσει σημαντικά η ανάγκη για αναβάθμιση το δικτύου μεταφοράς αφού σε πολλές περιπτώσεις η αιχμή της ζήτησης ταυτίζεται με την μεγαλύτερη παραγωγή των φωτοβολταϊκών όπως είναι π.χ. τις ώρες 11:00-16:00 το καλοκαίρι. Επίσης, γίνεται προσπάθεια μείωσης του κόστους δομικών υλικών κτιρίων όπως είναι κεραμίδια με προσαρμογή πάνω τους φύλλων φωτοβολταϊκών πλαισίων, ώστε να γίνουν πιο συμφέροντα των συμβατικών δομικών υλικών και να χρησιμοποιηθούν ευρέως. 2.1.2 Συστήματα Απομονωμένα από το Δίκτυο Στα απομονωμένα συστήματα το φωτοβολταϊκό δεν διασυνδέεται με το δίκτυο. Τέτοιου είδους φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει AC δίκτυο είτε επειδή έχει μεγάλο κόστος να εγκατασταθεί γραμμή διασύνδεσης του φωτοβολταϊκού συστήματος μεταξύ της περιοχής και του AC δικτύου είτε τέλος η σύνδεση δεν είναι εφικτή λόγω μεγάλης απόστασης από τις μονάδες παραγωγής. Τα συστήματα αυτά είναι μικρής ισχύος, συνήθως λιγότερο από 10 kwp (σχήμα 2.2)[5]. Σχήμα 2.2 Σύστημα Απομονωμένο από το Δίκτυο (Αυτόνομο σύστημα)[5] 35

Μπορεί να αποτελούνται μόνο από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία ή να έχουν και συσσωρευτή ή αντλία νερού ή ακόμα και γεννήτρια. Τα συστήματα που αποτελούνται μόνο από μία φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι συστήματα που δεν χρειάζονται μονίμως ενέργεια. Εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι οι ηλιόλουστες μέρες που κάνουν το σύστημα να έχει μεγάλη παραγωγή ισχύος παράλληλα προκαλούν αυξημένες ανάγκες για ψύξη και εξαερισμό χώρων. Έτσι, συνδέοντας τη συστοιχία με ανεμιστήρες εξαερισμού βελτιώνονται οι συνθήκες του χώρου. Στη περίπτωση ύπαρξης συσσωρευτή (σχήμα-2.2) το φωτοβολταϊκό σύστημα παρέχει την ενέργεια κάθε φορά που απαιτείται ανεξαρτήτως αν έχει ήλιο ή όχι διότι οι συσσωρευτές αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργειας όταν αυτή υπάρχει και την επιστρέφουν όταν χρειάζεται. Το πόση ενέργεια θα επιστρέψει εξαρτάται από το μέγεθος και το είδος του συσσωρευτή. Χρησιμοποιούνται για φωτισμό ή και για άλλες συσκευές, κυρίως σε τροχόσπιτα και ιστιοφόρα. 2.1.3 Υβριδικά συστήματα Τα υβριδικά συστήματα είναι συνδυασμός φωτοβολταϊκού συστήματος με άλλου είδους γεννήτρια. Η γεννήτρια μπορεί να είναι πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Στα συστήματα αυτά η γεννήτρια και το φωτοβολταϊκό αλληλοσυμπληρώνονται. Το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος (Η/Ζ), συνήθως ενεργοποιείται αυτόματα σε έκτακτες περιπτώσεις για να υποβοηθήσει το φωτοβολταϊκό σύστημα. Αν το υβριδικό σύστημα είναι σε συνδυασμό με το κεντρικό δίκτυο, τότε το κεντρικό δίκτυο χρησιμοποιείται ως εφεδρική πηγή σε περίπτωση ανάγκης. Τα υβριδικά συστήματα απευθύνονται σε μεγαλύτερες οικιακές ή επαγγελματικές εφαρμογές. Κυρίως χρησιμοποιούνται για την αδιάλειπτη λειτουργία στρατηγικής σημασίας ηλεκτρικών φορτίων ή ευαίσθητων φορτίων, σε περιοχές όπου το κεντρικό δίκτυο παρουσιάζει προβλήματα (διακοπές ή μεταβολή τάσης). Το πλεονέκτημα των συστημάτων αυτών είναι ότι για να έχουμε επάρκεια σε χρονικές περιόδους μικρής ηλιοφάνειας αντί να βάλουμε φωτοβολταϊκή συστοιχία μεγαλύτερης επιφάνειας και συσσωρευτή μεγαλύτερης χωρητικότητας, παίρνουμε την ισχύ από την γεννήτρια. Επίσης, η κατανάλωση της γεννήτριας και το κόστος συντήρησής της είναι μικρότερο σε σχέση με ένα ίδιας ισχύος συστήματος παραγωγής με μια μόνο γεννήτρια. 36