ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ιπλωµατική Εργασία του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΤΟΥ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Αριθµός Μητρώου: 5730 Θέµα «ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΓΙΑ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΟΝΑ ΑΣ» Επιβλέπουσα Περράκη Βασιλική, Λέκτορας Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούνιος 2011
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η ιπλωµατική Εργασία µε θέµα «ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΓΙΑ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΟΝΑ ΑΣ» Του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΤΟΥ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Αριθµός Μητρώου: 5730 Παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα Λέκτορας Περράκη Βασιλική Ο ιευθυντής του Τοµέα Καθηγητής Φακωτάκης Νικόλαος
Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: Θέµα: «ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΓΙΑ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΟΝΑ ΑΣ» Φοιτητής: Παπαδόπουλος Αθανάσιος Επιβλέπουσα: Περράκη Βασιλική
Οι απόψεις και τα συµπεράσµατα που περιέχονται σε αυτή τη ιπλωµατική εργασία εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερµηνεύεται ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσηµες θέσεις της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών.
Περίληψη Σκοπός της παρούσης διπλωµατικής εργασίας είναι η µελέτη της απόδοσης και του κόστους µιας τυπικής αυτόνοµης φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σε γεωργική καλλιέργεια χρησιµοποιώντας φωτοβολταϊκά πλαίσια. Στα πλαίσια αυτά, πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές µετρήσεις, στο χώρο της ταράτσας του κτιρίου του τµήµατος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών µε φωτοβολταϊκά πλαίσια πολυκρυσταλλικού πυριτίου, µονοκρυσταλλικού πυριτίου και CIS για πέντε µήνες (Οκτώβριο 2009-Φεβρουάριο 2010) και στη συνέχεια πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές µετρήσεις µε φωτοβολταϊκά πλαίσια πολυκρυσταλλικού πυριτίου για έξη µήνες (Μάρτιο 2010-Αύγουστο 2010), επειδή επιλέξαµε να χρησιµοποιήσουµε αυτόν τον τύπο φωτοβολταϊκών πλαισίων. Οι µετρήσεις πραγµατοποιούνταν µια φορά την εβδοµάδα υπό διάφορες συνθήκες ακτινοβολίας και θερµοκρασίας και για κλίση 38 o, µε σκοπό να αποκτήσουµε µια ολοκληρωµένη εικόνα της ενεργειακής τους συµπεριφοράς. Ο προσανατολισµός των πλαισίων ήταν πάντα προς το Νότο, ώστε να έχουµε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας, διότι η Ελλάδα είναι χώρα του βόρειου ηµισφαιρίου. Συµπεράσµατα βγήκαν για την επίδραση της θερµοκρασίας υπό σταθερή ακτινοβολία και της ακτινοβολίας υπό σταθερή θερµοκρασία για τα τρία πλαίσια. Λεπτοµερέστερα, έγινε επιλογή και µελετήθηκε η συµπεριφορά και η αποδιδόµενη ενέργεια του πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Με τη βοήθεια του προγράµµατος PV*Sol, κάναµε µια µοντελοποίηση του χρησιµοποιούµενου συστήµατος για να συγκρίνουµε µ' αυτή τα πειραµατικά µας αποτελέσµατα. Προτείναµε µια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση µε πλαίσια πολυκρυσταλλικού πυριτίου για την άντληση νερού και άρδευση µιας γεωργικής έκτασης. Υπολογίσαµε το συνολικό κόστος της εγκατάστασης, αφού πρώτα δώσαµε λύσεις για µείωση του κόστους. Τέλος κάναµε µια απλή φωτοβολταϊκή εγκατάσταση για πρακτική εµπειρία, συνδέοντας το φωτοβολταϊκό πλαίσιο µε ελεγκτή φόρτισης, µπαταρία και inverter. Λέξεις Κλειδιά : φωτοβολταϊκό πλαίσιο, µονοκρυσταλλικού πυριτίου, πολυκρυσταλλικού πυριτίου, γεωργική καλλιέργεια, µοντελοποίηση, άρδευση.
Abstract The objective of this diploma thesis is to calculate the efficiency and the cost of a typical photovoltaic installation in an agricultural cultivation using photovoltaic modules. Measurements of current and voltage have been realized on the roof of the building of the department of Electrical and Computer Engineering using a polycrystalline, a mono-crystalline and a CIS module during five months (October 2009-February 2010). Measurements of current and voltage have been also realized using a polycrystalline module during six months (March 2010-August 2010), as we have chosen to use this type of photovoltaic module. The measurements took place once a week and our goal was to obtain measurements under various conditions of radiation and temperature and at tilt angle of 38 o so that we acquire enough knowledge on their energy behavior. The orientation of the module was always South, in order to gain more hours of sunlight, as Greece is a country of the northern hemisphere. Conclusions were extracted about the effect of temperature and solar radiation for the three modules. Moreover, it was selected and calculated the behavior and the energy yield of the polycrystalline module. By using the computer modeling system "PV*sol", we tried to simulate our photovoltaic system, in order to compare the measured results to the experimental. We proposed a photovoltaic installation using polycrystalline modules in order to pump water and irrigate an agricultural extent. We calculated the total cost of installation, after first we gave solutions for reduction of cost. Finally we made a simple photovoltaic installation for practical experience, connecting photovoltaic module with charge controller, battery and inverter. Key Words: photovoltaic module, mono-crystalline module, polycrystalline module, agricultural cultivation, simulation, irrigation.
Πρόλογος Στην παρούσα διπλωµατική εργασία σκοπός µας είναι η ανάπτυξη µιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης για τροφοδοσία γεωργικών µονάδων και συγκεκριµένα για άντληση νερού και άρδευση µιας έκτασης καθώς και η µελέτη της όλης εγκατάστασης ως προς το κόστος. Για την υλοποίησή της πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις σε πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου, µονοκρυσταλλικού πυριτίου και CIS από τον Οκτώβριο του 2009 έως τον Φεβρουάριο του 2010 και µετρήσεις σε πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου από το Μάρτιο του 2010 έως τον Αύγουστο 2010. Αρχικά γίνεται µια βιβλιογραφική αναζήτηση και παρουσίαση στοιχείων της θεωρίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων και πλαισίων, των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων, καθώς και µια οικονοµική ανάλυση. Μετέπειτα αναλύονται οι πειραµατικές µετρήσεις και γίνεται και µοντελοποίηση αυτών για να κριθεί η αξιοπιστία τους. Τέλος, σχεδιάζεται µια εγκατάσταση για γεωργικές εφαρµογές, µε χρήση των αποτελεσµάτων των µετρήσεων, και στόχο την ελάττωση των απωλειών. Υπολογίζεται και το συνολικό κόστος. Σε αυτό το σηµείο θα ήθελα να εκφράσω τις ειλικρινείς µου ευχαριστίες στην επιβλέπουσα καθηγήτριά µου κ. Βασιλική Περράκη για την συνεργασία και την καθοδήγηση που µου προσέφερε κατά την εκπόνηση αυτής της διπλωµατικής εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω το Εργαστήριο Ασυρµάτου Τηλεπικοινωνίας του Τοµέα Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας της Πληροφορίας για την παροχή του εξοπλισµού που µου παρείχε. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τη φίλη και συνάδελφο Τσουραµάνη ήµητρα για την άψογη συνεργασία και τη βοήθειά της κατά την πραγµατοποίηση των πειραµατικών µετρήσεων. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον φίλο και συνάδελφο Τσόλκα Γεώργιο για την ανταλλαγή απόψεων και τις χρήσιµες συζητήσεις και αναλύσεις που κάναµε κατά τη διάρκεια των πειραµατικών µετρήσεων.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη Abstract Πρόλογος Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1.1 Γενικά......1 1.2 Ιστορική αναδροµή.....2 1.3 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα.... 4 Κεφάλαιο 2: Φυσική των φωτοβολταϊκών στοιχείων/πλαισίων 2.1 Ηλιακή ακτινοβολία....6 2.2 Ένωση p-n. 10 2.3 Πόλωση της διόδου...11 2.4 Το φωτοβολταϊκό φαινόµενο.... 13 2.5 Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών κυττάρων... 17 2.6 Φωτοβολταϊκά συστήµατα....26 2.7 Στοιχεία εγκαταστάσεων..29 Κεφάλαιο 3: Οικονοµική ανάλυση 3.1 Γενική ανάλυση 35 3.2 υνατότητες χρηµατοδότησης..36 3.3 Μέθοδοι εξόφλησης δανείων 37 Κεφάλαιο 4: Πειραµατικά αποτελέσµατα και µοντελοποίηση 4.1 Πειραµατική διάταξη....39 4.2 ιαδικασία µετρήσεων..44 4.3 Επεξεργασία µετρήσεων πρώτης φάσης...45 4.3.1 Μετρήσεις υπό σταθερή ακτινοβολία... 46 4.3.2 Μετρήσεις υπό σταθερή θερµοκρασία.....49 4.3.3 Συµπεράσµατα.. 53 4.4 Επεξεργασία µετρήσεων δεύτερης φάσης 54
4.4.1 Μηνιαία αποδιδόµενη ενέργεια....54 4.4.2 Παρουσίαση βασικών ηµερήσιων διαγραµµάτων....57 4.5 Μοντελοποίηση συστήµατος 66 4.5.1 Περιγραφή προγράµµατος....66 4.5.2 Μελέτη συστήµατος και αποτελέσµατα...68 Κεφάλαιο 5: Μελέτη εγκατάστασης 5.1 Εισαγωγή.. 73 5.2 Μέθοδος ποτίσµατος.....73 5.3 Εγκατάσταση....74 5.3.1 εξαµενή αποθήκευσης νερού..75 5.3.2 Κύρια εγκατάσταση και συνδεσµολογία πλαισίων..78 5.4 Εφαρµογή.. 91 5.5 Κόστος εγκατάστασης..92 Κεφάλαιο 6: Συµπεράσµατα....96 Παράρτηµα µετρήσεων....99 Βιβλιογραφία...113
Κεγάλαιο 1 Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Γενικά Στην εποχή µας, παραπάνω από 2 δις άνθρωποι, περίπου το 1/3 του παγκόσµιου πληθυσµού, δεν έχουν πρόσβαση στην ηλεκτρική ενέργεια. Την ίδια ώρα η αυξανόµενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας µε την ταυτόχρονη σηµαντική µείωση των αποθεµάτων των συµβατικών καυσίµων καθώς και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον από τη χρήση τους, έχουν ωθήσει στη χρήση των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Η παγκόσµια αυτή ενεργειακή κρίση αλλά και οι δυνατότητες που δηµιουργούνται από την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, έχει οδηγήσει στη συνεχιζόµενη ανάπτυξη και εξέλιξη των Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Μία από τις ανανεώσιµες πηγές είναι η ηλιακή ενέργεια, η οποία µπορεί να µετατραπεί αφ ενός σε θερµική (ηλιακοί θερµοσίφωνες) και αφ ετέρου σε ηλεκτρική µέσω των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Η αφθονία πρώτης ύλης, ηλιακή ακτινοβολία, η εύκολη εγκατάσταση σχεδόν σε οποιαδήποτε επιφάνεια και περιοχή, καθώς και η µηδαµινή περιβαλλοντική επιβάρυνση καθιστούν τα φωτοβολταϊκά ιδανική λύση. Στην Ελλάδα υπάρχουν µεγάλες απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια κυρίως τους καλοκαιρινούς µήνες που δύσκολα καλύπτονται. Όµως αν και η ηλιακή ενέργεια είναι άφθονη, οι επενδύσεις σε φωτοβολταϊκά είναι ακόµα µικρές. Αυτό οφείλεται στην ελλιπή ενηµέρωση για τα πλεονεκτήµατα των φωτοβολταϊκών, στη δυσκολία αδειοδότησης για δηµιουργία εγκαταστάσεων και στο κόστος αυτών. Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει βήµατα για να ξεπεραστούν τα προβλήµατα και µε την είσοδο πολλών εταιρειών στο χώρο αναµένεται γρήγορη αύξηση της χρήσης τους. Σε αυτή τη διπλωµατική εργασία στόχος µας είναι η δηµιουργία µιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης για τροφοδοσία γεωργικών µονάδων καθώς και η µελέτη της ως προς το κόστος. Για την µελέτη µας χρησιµοποιήθηκαν πειραµατικές µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν σε φωτοβολταϊκά πλαίσια, στη διάρκεια έντεκα Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 1
Κεγάλαιο 1 Εισαγωγή µηνών, στην ταράτσα του κτιρίου της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. 1.2 Ιστορική αναδροµή Η απ ευθείας µετατροπή της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια γίνεται µε τα ηλιακά κύτταρα, των οποίων η αρχή λειτουργίας στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο. Πρώτος ο Becquerel, το 1839, ανακάλυψε το φαινόµενο αυτό, όταν κατά τη διάρκεια πειραµάτων παρατήρησε την ανάπτυξη τάσεως µεταξύ δύο ηλεκτροδίων µέσα σ ένα ηλεκτρολύτη που το ηλιακό φώς έπεφτε επάνω τους [1]. Το 1873 ο Willoughby Smith παρατήρησε το φωτοβολταϊκό φαινόµενο στο στοιχείο σελήνιο (Se). Το επόµενο βήµα έγινε όταν ο Adams και ο φοιτητής του Day, το 1876, παρατήρησαν ότι µία ποσότητα ηλεκτρικού ρεύµατος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειµένο στο φώς. Αυτές οι δύο ανακαλύψεις αποτέλεσαν τα θεµέλια για την κατασκευή του πρώτου φωτοβολταϊκού κυττάρου από σελήνιο το 1877. Ο Charles Edgar Frits κατασκεύασε ένα φωτο-στοιχείο από σελήνιο που µοιάζει µε τα σηµερινά στοιχεία, το 1883 [1]. Επίσης ο Heinrich Hertz ανακάλυψε ότι η υπεριώδης ακτινοβολία άλλαζε την τάση στην οποία δηµιουργούνταν σπίθες µεταξύ δύο µεταλλικών ηλεκτροδίων. Ο συγγραφέας της πιο περιεκτικής θεωρητικής εργασίας για το φωτοβολταϊκό φαινόµενο ήταν ο Albert Einstein, ο οποίος περιέγραψε το φαινόµενο το 1904. Για αυτή την θεωρητική εξήγηση που ήταν και η πρώτη που δόθηκε, βραβεύτηκε µε το βραβείο Νόµπελ το 1921. Αυτή η θεωρητική εξήγηση αποδείχθηκε πειραµατικά από τον Robert Millikan το 1916. Το 1918 ο Πολωνός Czochralski, παρουσίασε τη µέθοδο παραγωγής ηµιαγωγού µονοκρυσταλλικού πυριτίου (mono-si), η οποία χρησιµοποιείται (µε βελτιώσεις) µέχρι σήµερα. Το 1932, παρατηρήθηκε το φωτοβολταϊκό φαινόµενο σε θειούχο κάδµιο (CdS), υλικό που ακόµη και στην εποχή µας αποτελεί σηµαντικό συστατικό της κατασκευής φωτοβολταϊκών κυττάρων τα οποία έχουν µεγάλο συντελεστή απόδοσης. Η επόµενη σηµαντική ανακάλυψη έγινε το 1949, όταν οι Mott και Schottky ανέπτυξαν τη θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Στο µεταξύ, η κβαντική θεωρία είχε ξεδιπλωθεί και ο δρόµος για τις πρώτες πρακτικές εφαρµογές είχε ανοίξει [1]. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 2
Κεγάλαιο 1 Εισαγωγή Μετά από εντατικές εργαστηριακές έρευνες, το 1951 κατασκευάστηκαν τα πρώτα κύτταρα από γερµάνιο. Αργότερα, το 1954 τα Bell's Laboratories δηµοσίευσαν τα αποτελέσµατα από την λειτουργία ηλιακών κυττάρων µε 4.5% απόδοση. Η τιµή αυτή αυξήθηκε στο 6% µετά από µερικούς µήνες. Το 1955 ξεκίνησε η προετοιµασία για διαστηµικές εφαρµογές των φωτοβολταϊκών και ειδικά για την τροφοδότηση δορυφόρων που βρίσκονται σε τροχιά. Το 1957 η Hoffman Electronics [3] παρουσίασε ένα ηλιακό κύτταρο µε 8% απόδοση. Το επόµενο χρόνο παρουσίασε άλλο ένα µε 9% απόδοση. Η πρώτη αξιόλογη εφαρµογή αναφέρεται στο δορυφόρο VANGUARD Ι (1958), ο οποίος λειτούργησε επιτυχώς για οχτώ ολόκληρα χρόνια και ήταν ένα από τα πρώτα φωτοβολταϊκά συστήµατα στο διάστηµα. Από αυτό το σηµείο και µετά, σχεδόν ολόκληρο το διαστηµικό πρόγραµµα στηρίχθηκε στη χρησιµοποίηση ηλιακών πλαισίων πυριτίου (Si). Το 1959 η Hoffman Electronics παρουσίασε για εµπορικούς σκοπούς κύτταρα µε 10% απόδοση και το 1960 η ίδια εταιρεία ανέβασε την απόδοση στο 14%. Το 1955 το πρώτο ηλιακό αυτοκίνητο παρουσιάστηκε στο Ιλινόις του Σικάγο. Το 1962, η µεγαλύτερη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση στον κόσµο πραγµατοποιείται στην Ιαπωνία από την Sharp, σε ένα φάρο, µε την εγκατεστηµένη ισχύ του συστήµατος να φτάνει τα 242 Wp [1]. ιαδοχικές τεχνολογικές βελτιώσεις έφτασαν το βαθµό απόδοσης στην τάξη του 15% και η πετρελαϊκή κρίση του 1973 έδωσε τη µεγάλη ώθηση για την ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας σε περισσότερες επίγειες εφαρµογές [1]. Στην αρχή, είχαν σκοπό να καλύψουν εφαρµογές που απαιτούσαν µικρή ισχύ, αλλά σύντοµα στράφηκαν σε εφαρµογές που απαιτούσαν µέση ισχύ (όπως άντληση νερού, άρδευση). Πολλά σηµαντικά γεγονότα έγιναν το 1980 στον τοµέα των φωτοβολταϊκών. Το Τµήµα Ενέργειας (Department of Energy) των Η.Π.Α. ξεκίνησε την έρευνα για φωτοβολταϊκά συστήµατα. Η ARCO Solar ήταν η πρώτη που δηµιούργησε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση µε µέγιστη ισχύ πάνω από 1 MW [2]. Η BP ήρθε στην αγορά των φωτοβολταϊκών και η ARCO Solar εγκατέστησε ένα σύστηµα 105.6 kw στην Πολιτεία της Γιούτα. Το 1981 εγκαταστάθηκε σύστηµα αφαλάτωσης σε συνδυασµό µε φωτοβολταϊκό σύστηµα µε ισχύ 10.8 kw στην Σαουδική Αραβία. Την ίδια χρονιά ιδρύθηκε η εταιρεία Helios Technology, η πιο παλιά Ευρωπαϊκή εταιρεία παραγωγής φωτοβολταϊκών. Το 1992 φωτοβολταϊκό κύτταρο πυριτίου κατασκευάστηκε µε απόδοση 20%. Το 1996 ιδρύθηκε το National Center for Photovoltaic στο Κολοράντο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 3
Κεγάλαιο 1 Εισαγωγή και αποτελεί βασικό εργαστήριο για έρευνα και ανάπτυξη φωτοβολταϊκών στην Αµερική [2], [3]. Σήµερα, οι εφαρµογές της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας έχουν εξαπλωθεί σε όλες τις ανεπτυγµένες χώρες, ενώ η περαιτέρω εξάπλωση της αγοράς των φωτοβολταϊκών, µπορεί να επιτευχθεί µέσω της µείωσης του κόστους τους και παράλληλα, της αύξησης της απόδοσής τους. Η µείωση του κόστους µπορεί να έρθει µέσω της µαζικής παραγωγής (κάτι που ακολουθεί η βιοµηχανία των φωτοβολταϊκών), αλλά και µέσω της έρευνας και της ανάπτυξης της τεχνολογίας. Εκτιµάται ότι µε την εξάπλωση της αγοράς, µπορεί να επιτευχθεί η εφαρµογή τους σε όλα τα επίπεδα, από τα αποµονωµένα συστήµατα, έως τα µεγάλα διασυνδεδεµένα (χρήση τους σε κεντρικούς σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας). Οι προβλέψεις για το άµεσο µέλλον όσον αφορά στην αγορά των φωτοβολταϊκών είναι ιδιαίτερα ευοίωνες, τόσο για την καθολική εξάπλωση της τεχνολογίας αυτής παγκοσµίως, όσο και για την καθοδική πορεία στις τιµές τους και την αύξηση της απόδοσής τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθενται οι κυριότερες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών σήµερα. 1.3 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε τη βοήθεια των φωτοβολταϊκών συστηµάτων, έχει µια σειρά από πλεονεκτήµατα [1]. Από τα βασικότερα είναι: Λειτουργούν αθόρυβα, χωρίς κατάλοιπα, αποφεύγοντας τη µόλυνση του περιβάλλοντος. Παρουσιάζουν ικανοποιητική απόδοση µετατροπής. Έχουν αρκετά µεγάλη διάρκεια ζωής (τουλάχιστον 25 χρόνια). Λειτουργούν χωρίς κινητά µέρη, µε ελάχιστη συντήρηση. Λειτουργούν χωρίς καύσιµα. Λειτουργούν µε νεφελώδη ουρανό (µε διάχυτη ακτινοβολία). εν χρησιµοποιούν υγρά ή αέρια, όπως τα θερµικά συστήµατα. Τα περισσότερα κατασκευάζονται από πυρίτιο, ένα από τα υπάρχοντα στη φύση στοιχεία. Είναι αποδοτικά σε χαµηλές θερµοκρασίες. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 4
Κεγάλαιο 1 Εισαγωγή Έχουν γρήγορη απόκριση σε ξαφνικές µεταβολές της ηλιοφάνειας. Αν ένα κοµµάτι πάθει βλάβη, το σύστηµα συνεχίζει να λειτουργεί µέχρι την αντικατάστασή του, επειδή είναι σπονδυλωτές εγκαταστάσεις. Έχουν δυνατότητες εφαρµογής σε ευρεία περιοχή ισχύων (από mw µέχρι MW). Έχουν µεγάλο λόγο ισχύος/βάρος, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για εφαρµογές στις στέγες. Είναι κατάλληλα για µικρές και αποµονωµένες εφαρµογές, όπου δεν υπάρχει ή δεν συµφέρει η επέκταση του ηλεκτρικού δικτύου. Ως µειονεκτήµατα των φωτοβολταϊκών αναφέρονται τα εξής: To υψηλό κόστος κατασκευής τους. Η δαπανηρή αποθήκευση της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας, που απαιτείται για τις περισσότερες εφαρµογές εξαιτίας της αστάθειας και της µεγάλης διακύµανσης της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ελάχιστη πρόοδος σχετικά µε την έρευνα για τις µονάδες αποθήκευσης. Η απαίτηση χρήσης µεγάλων επιφανειών, λόγω της µικρής πυκνότητας της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 5
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΦΥΣΙΚΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ/ΠΛΑΙΣΙΩΝ 2.1 Ηλιακή ακτινοβολία Η ηλιακή ενέργεια, είναι καθοριστική για την ύπαρξη της ζωής στη Γή. Καθορίζει τη θερµοκρασία στην επιφάνειά της και παρέχει ουσιαστικά το σύνολο της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία των φυσικών συστηµάτων. Ο ήλιος δηλαδή, ενεργεί ως µία τέλεια πηγή ακτινοβολίας (µέλαν σώµα) σε µία θερµοκρασία κοντά στους 5800 ο K. Η προσπίπτουσα ροή ενέργειας πάνω σε µία µονάδα επιφάνειας, που είναι κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσµης έξω από την ατµόσφαιρα, είναι γνωστή ως ηλιακή σταθερά: S=1367 W/m². Η ισχύς από µία πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη µονάδα επιφάνειας, ονοµάζεται ένταση ακτινοβολίας [4]. Κατά τη διέλευση των ηλιακών ακτίνων από την ατµόσφαιρα της Γής, η ένταση τους ελαττώνεται, αφού τα φωτόνια σκεδάζονται στα µόρια της ατµόσφαιρας, στα πολύ µικρής διαµέτρου d σωµατίδια, καθώς και στα µεγαλύτερης διαµέτρου αιωρήµατα, όπως υδρατµοί, σκόνη και καπνός. Ένα άλλο µέρος της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από συστατικά της ατµόσφαιρας. Για παράδειγµα, υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από τα µόρια του όζοντος στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας, ώστε η ένταση των ακτίνων αυτών στην επιφάνεια της γης, να είναι εξαιρετικά µειωµένη και η καρκινογόνος δράση της περιορισµένη. Άρα στην επιφάνεια της γης, φτάνουν δύο συνιστώσες του ηλιακού φωτός: α) η απευθείας ή άµεση B (Beam) και β) η σκεδαζόµενη στα µόρια του αέρα, που ονοµάζεται διάχυτη D (Diffuse). Η διάχυτη ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια, προέρχεται από όλο τον ουράνιο θόλο (πάνω από το φυσικό ορίζοντα). Εποµένως η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ένα συλλέκτη ή σε έναν αισθητήρα αποτελείται από την Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 6
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών απευθείας, τη διάχυτη και την ανακλώµενη από το έδαφος. Η συνολική αυτή ακτινοβολία λέγεται ολική ακτινοβολία και συµβολίζεται µε G (Global Irradiation). Η ανακλώµενη ακτινοβολία εξαρτάται από τη µορφολογία και το χρώµα του εδάφους και την πυκνότητα των νεφών, ενώ η ολική, απευθείας και διάχυτη, εξαρτώνται από τους επόµενους παράγοντες: τη σύσταση της ατµόσφαιρας τη δεδοµένη χρονική στιγµή (π.χ. υγρασία, ατµοσφαιρικά αιωρήµατα). την ηµέρα κατά τη διάρκεια του έτους. τη γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων στην επιφάνεια του συλλέκτη (ύψος του ήλιου στη διάρκεια της ηµέρας). Κατά την ανατολή του ήλιου, η ζενίθια γωνία του ήλιου (Z=90 -EL, όπου E L (Elevation) το ύψος του ήλιου) είναι Z=90 (σχήµα 2.1), εποµένως η ολική οριζόντια πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας G, καθορίζεται κυρίως από τη διάχυτη συνιστώσα D. Καθώς το ύψος του ήλιου αυξάνει, η απευθείας κάθετη ακτινοβολία αυξάνει µέχρι το ηλιακό µεσηµέρι, ενώ µετά από αυτό ελαττώνεται περίπου κατά συµµετρικό τρόπο. Σχήµα 2.1: Το µήκος L που διανύουν οι ηλιακές ακτίνες µέσα στην ατµόσφαιρα πάχους H και η ζενίθια γωνία ζ. Όταν ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στη Γή, κατανέµεται ανοµοιόµορφα στις διάφορες περιοχές. Οι περιοχές πλησίον του Ισηµερινού λαµβάνουν περισσότερη ακτινοβολία. Η Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 7
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει σηµαντικά ανάλογα µε τις εποχές και εξαρτάται από την ώρα της ηµέρας, το κλίµα (τα σύννεφα σκεδάζουν τις ακτίνες του ήλιου) και την ατµοσφαιρική ρύπανση. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες επηρεάζουν το ποσό της ηλιακής ενέργειας που διατίθεται και προσπίπτει στα φωτοβολταϊκά συστήµατα. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία (kw/m 2 ) αθροίζεται κατά τη διάρκεια ενός έτους, προκύπτει η ετήσια ηλιακή ενέργεια (συνήθως σε kwh/m 2 ). Η τιµή αυτή διαφέρει σηµαντικά [5] ανάλογα της τοποθεσίας, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.2. Σχήµα 2.2: Χάρτης ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας των χωρών της Ευρώπης. Η χώρα µας βρίσκεται µεταξύ των χωρών υψηλής ακτινοβολίας. Αυτό είναι πλεονέκτηµα στην εφαρµογή των φωτοβολταϊκών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από το Κέντρο Ερευνών της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχουν γίνει µελέτες για την Ελλάδα που απεικονίζονται στους χάρτες των σχηµάτων 2.3 και 2.4. Οι χάρτες αντιπροσωπεύουν την ετήσια ποσότητα ενέργειας (kwh/m 2 ) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση (σχήµα 2.3) και υπό τη βέλτιστη γωνία κλίσης (σχήµα 2.4) και αφορούν διάστηµα 10 ετών από την περίοδο 1981-1990. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 8
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Σχήµα 2.3: Χάρτης µέσης ετήσιας ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στην Ελλάδα στο οριζόντιο επίπεδο, σε KWh/ m 2. Σχήµα 2.4: Χάρτης αθροίσµατος µέσης ετήσιας ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στην Ελλάδα στη βέλτιστη κλίση, σε KWh/m 2. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 9
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Η ενεργειακή απόδοση ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος εξαρτάται από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία αλλά και από την ικανότητα των στοιχείων αυτών να την µετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Για το λόγο αυτό εντείνονται συνεχώς οι ερευνητικές προσπάθειες, για να γίνει βελτίωση της ικανότητας µετατροπής των φωτοβολταϊκών στοιχείων, ώστε να είναι πιο ανταγωνιστικά σε σχέση µε τις συµβατικές τεχνολογίες. 2.2 Ένωση p-n Οι σηµαντικότερες ιδιότητες και εφαρµογές των διατάξεων ηµιαγωγών δεν προέρχονται από τη δηµιουργία φορέων, αλλά οφείλονται περισσότερο στη διάχυση των φορέων τους. Βασική διάταξη για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών είναι η επαφή p-n (σύνδεση, ένωση ή µετάβαση p-n) που σχηµατίζεται όταν έλθουν σε στενή επαφή ένα τεµάχιο ηµιαγωγού τύπου p µε ένα τεµάχιο ηµιαγωγού τύπου n. Τότε ένα µέρος από τις οπές του τεµαχίου τύπου p διαχέεται προς το τεµάχιο τύπου n, όπου οι οπές είναι λιγότερες, και ένα µέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τεµαχίου τύπου n διαχέεται προς το τεµάχιο τύπου p, όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι πολύ λιγότερα. Η ανάµιξη των φορέων και η αύξηση της συγκέντρωσης των φορέων µειονότητας στις περιοχές κοντά στη διαχωριστική επιφάνεια των τεµαχίων τύπου p και n, ανατρέπουν την κατάσταση ισορροπίας που υπήρχε. Η αποκατάσταση συνθηκών ισορροπίας γίνεται µε επανασυνδέσεις των φορέων, µέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιµές που να ικανοποιούν το νόµο δράσης των µαζών. Γι' αυτό η περιοχή γύρω από την ένωση p-n ονοµάζεται ζώνη εξάντλησης των φορέων. Η διάταξη ηµιαγωγών που αποτελείται από µία ένωση p-n και από µία ηλεκτρική σύνδεση στο κάθε τµήµα της ονοµάζεται δίοδος ηµιαγωγού ή απλά δίοδος [6]. Σε αντίθεση µε τους ευκίνητους φορείς των ηµιαγωγών (ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές) που τείνουν να διαχέονται προς τις περιοχές µε τη µικρότερη συγκέντρωση τους, η συγκέντρωση των αρνητικών ιόντων στα οποία µετατράπηκαν οι αποδέκτες στο τµήµα τύπου p, καθώς και η συγκέντρωση των θετικών ιόντων στα οποία µετατράπηκαν οι δότες στο τµήµα τύπου n, παραµένουν αµετάβλητες, αφού τα ιόντα Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 10
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών µένουν ακίνητα στο σώµα. Έτσι το υλικό χάνει τοπικά την ηλεκτρική ουδετερότητα και οι δύο πλευρές της ένωσης p-n φορτίζονται µε αντίθετα ηλεκτρικά φορτία. ηµιουργείται λοιπόν µία διαφορά δυναµικού, που η τιµή της είναι µικρή (συνήθως περίπου 0.3 µέχρι 0.5 V, ανάλογα µε τις συγκεντρώσεις των προσµίξεων), αλλά το ενσωµατωµένο αυτό ηλεκτροστατικό πεδίο εµποδίζει την παραπέρα διάχυση των φορέων πλειονότητας προς το απέναντι τµήµα της ένωσης. Το αποτέλεσµα είναι ότι η δίοδος που περιέχει την ένωση p-n παρουσιάζει εντελώς διαφορετική συµπεριφορά στη ροή του ηλεκτρικού ρεύµατος, ανάλογα µε τη φορά του. Σχήµα 2.5: Οι συγκεντρώσεις των φορέων κατά µήκος της p-n επαφής. 2.3 Πόλωση της διόδου Η µία περίπτωση είναι να επιβληθεί στη δίοδο p-n ορθή πόλωση, δηλαδή ο αρνητικός πόλος της πηγής να συνδεθεί µε το τµήµα τύπου n της διόδου και ο θετικός πόλος µε το τµήµα τύπου p (σχήµα 2.6). Τότε τα ηλεκτρόνια ρέουν ανεµπόδιστα από την πηγή, διαµέσου του τµήµατος τύπου n, προς την περιοχή της ένωσης όπου επανασυνδέονται µε τις οπές που σχηµατίζονται µε την αποµάκρυνση ηλεκτρονίων προς το θετικό πόλο της πηγής, διαµέσου του τµήµατος τύπου p. Στην ανάστροφη πόλωση, δηλαδή αν ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδεθεί µε το τµήµα τύπου p και ο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 11
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών θετικός µε το τµήµα τύπου n, γίνεται επανασύνδεση των οπών του τµήµατος τύπου p µε τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή και αποµάκρυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων του τµήµατος τύπου n προς το θετικό πόλο της πηγής. Οι συγκεντρώσεις των φορέων µειώνονται πάρα πολύ, το πάχος της ζώνης εξάντλησης αυξάνει και τα φορτισµένα άτοµα των προσµίξεων δηµιουργούν ισχυρό εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο που είναι αντίθετο προς το πεδίο που επιβάλλει η πηγή. Το αποτέλεσµα είναι ότι η δίοδος προβάλει µεγάλη αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύµα. ηλαδή µπορεί µια δίοδος που έχει σε ορθή πόλωση αντίσταση µόλις 10 Ω, να την αυξάνει στην αντίστροφη πόλωση σε 100 ΜΩ, δηλαδή γίνεται δέκα εκατοµµύρια φορές µεγαλύτερη. Σχήµα 2.6: Συνδεσµολογία ορθής και ανάστροφης πόλωσης. Σχήµα 2.7: I-V χαρακτηριστική επαφής p-n. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 12
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Το διάγραµµα του σχήµατος 2.7 δείχνει ακριβώς την ιδιόµορφη µεταβολή της έντασης του ρεύµατος που διαρρέει µια δίοδο ένωσης p-n, σε συνάρτηση µε την τιµή της τάσης και το είδος της πόλωσης που εφαρµόζεται. 2.4 Το φωτοβολταϊκό φαινόµενο Το φωτοβολταϊκό φαινόµενο είναι η βασική φυσική διαδικασία κατά την οποία ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο µετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική. Ηµιαγώγιµα υλικά όπως το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο ή ο δισελινοϊνδιούχος χαλκός χρησιµοποιούνται για το σκοπό αυτό. Το κρυσταλλικό πυρίτιο ωστόσο παραµένει το πιο διαδεδοµένο υλικό για τη δηµιουργία φωτοβολταϊκών στοιχείων. Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια υλικού, τότε ένα µέρος αυτού ανακλάται, ένα άλλο τη διαπερνά και το υπόλοιπο απορροφάται από το υλικό. Η απορρόφηση του φωτός έχει ως αποτέλεσµα τη µετατροπή του σε άλλη µορφή ενέργειας, που συνήθως είναι θερµότητα. Όµως υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να µετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων, που προσπίπτουν στην επιφάνειά τους, σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά είναι οι ηµιαγωγοί στους οποίους οφείλεται επίσης σε µεγάλο βαθµό η τεχνολογική πρόοδος του τοµέα της ηλεκτρονικής, της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια, δηλαδή πακέτα ηλιακής ενέργειας. Τα φωτόνια περικλείουν διαφορετικά ποσά ενέργειας που αντιστοιχούν στα διάφορα µήκη κύµατος του ηλιακού φάσµατος. Η τεχνολογία µας επέτρεψε την εκµετάλλευση της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας µε τη χρήση φωτοβολταϊκών συστηµάτων. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αποτελούν διόδους ηµιαγωγικών ενώσεων τύπου p-n µε τη µορφή επίπεδης πλάκας. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας µε ενέργεια ίση ή µεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ηµιαγωγού, µπορεί να απορροφηθεί σε χηµικό δεσµό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο διαρκεί η πρόσπτωση της ακτινοβολίας δηµιουργείται περίσσεια φορέων (περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών). Οι φορείς κυκλοφορούν στο στερεό και αν δεν Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 13
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών επανασυνδεθούν µε φορείς αντίθετου προσήµου δέχονται την επίδραση του ηλεκτροστατικού πεδίου της ένωσης p-n. Σχήµα 2.8: Λειτουργία φωτοβολταϊκών κυττάρων στηριζόµενη στο φωτοβολταϊκο φαινόµενο. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κατευθύνονται προς το τµήµα τύπου-n και οι οπές προς το τµήµα τύπου-p, έτσι δηµιουργείται διαφορά δυναµικού ανάµεσα στους ακροδέκτες των δύο τµηµάτων της διόδου. Αν στους ακροδέκτες συνδεθεί κατάλληλο ηλεκτρικό φορτίο, παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύµατος από τη φωτοβολταϊκή διάταξη προς το φορτίο (σχήµα 2.8). Η όλη διάταξη αποτελεί µία πηγή ηλεκτρικού ρεύµατος που διατηρείται για όσο χρονικό διάστηµα διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του κυττάρου. Η ύπαρξη της διαφοράς δυναµικού ανάµεσα στους δύο ακροδέκτες της παραπάνω διάταξης, που αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση διόδου, ονοµάζεται φωτοβολταϊκό φαινόµενο [7], [8]. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 14
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Επίδραση της θερµοκρασίας στις χαρακτηριστικές παραµέτρους των φωτοβολταϊκών στοιχείων Η θερµοκρασία λειτουργίας ενός στοιχείου έχει άµεση επίδραση στη µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η αύξηση της θερµοκρασίας σε ένα ηλιακό πλαίσιο, επιδρά αρνητικά. ηλαδή, η αύξηση της θερµοκρασίας έχει ως επακόλουθο την µείωση παραγωγής ισχύος του πλαισίου. Συγκεκριµένα, η µείωση αυτή οφείλεται στην µεγάλη µείωση της τάσης ανοικτού κυκλώµατος και εποµένως της τάσης του σηµείου µέγιστης ισχύος V MPP, ενώ η αµυδρή αύξηση του ρεύµατος βραχυκύκλωσης, συνεπώς και του I MPP, δεν είναι ικανή να ανατρέψει το αποτέλεσµα. Το σχήµα 2.9 παρουσιάζει µερικές I-V χαρακτηριστικές καµπύλες για διαφορετικές θερµοκρασίες ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου [9]. Από το διάγραµµα αυτό βλέπουµε ότι αυξανοµένης της θερµοκρασίας, το σηµείο µέγιστης ισχύος MPP µετατοπίζεται προς τα αριστερά, δηλαδή παίρνει χαµηλότερες τιµές, κυρίως λόγω της σηµαντικής µείωσης της τάσης V MPP. Το ρεύµα που αποδίδει το ηλιακό κύτταρο δίνεται από τη διαφορά: I = I ph - I D (2.1) Όπου I ph είναι το φωτόρευµα και I D είναι το ρεύµα της διόδου, το οποίο δίνεται από τον τύπο: qv KT I D = Io( e 1) (2.2) I ο : ρεύµα κόρου της διόδου Σε περίπτωση βραχυκυκλώµατος το ρεύµα είναι I sc = I ph, το οποίο είναι και το µέγιστο ρεύµα που µπορούµε να πετύχουµε, ενώ σε περίπτωση ανοιχτοκυκλώµατος η τάση είναι: V OC = KT I ph ln( 1) q I + o (2.3) Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 15
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Σχήµα 2.9: I-V χαρακτηριστικές καµπύλες για διαφορετικές θερµοκρασίες ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου. Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στις χαρακτηριστικές παραµέτρους των φωτοβολταϊκών στοιχείων Ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, µετατρέπει την ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνειά του σε ηλεκτρική. Όσο µεγαλύτερη είναι η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας σε W/m 2, τόση περισσότερη ισχύ µπορούµε να λάβουµε στη DC λειτουργία, εάν η αύξηση της θερµοκρασίας δεν είναι τόσο µεγάλη ώστε να µειώσει κατά πολύ την απόδοση του ηλιακού πλαισίου. Άρα, κατά την τοποθέτηση των πλαισίων, πρέπει να προσέξουµε κάθε παράγοντα που προκαλεί µείωση του ποσοστού της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει σ αυτά. Για παράδειγµα, τέτοιοι παράγοντες είναι η κλίση στην οποία είναι τοποθετηµένα τα πλαίσια (και πρέπει να είναι τέτοια ώστε να επιτυγχάνουµε βέλτιστη πρόσπτωση της ακτινοβολίας) και η σκίαση που µπορεί να υποστούν (είτε λόγω του περιβάλλοντα χώρου είτε λόγω µικρής ενδιάµεσης απόστασης µεταξύ τους). Στο σχήµα 2.10 παρουσιάζονται µερικές I-V χαρακτηριστικές καµπύλες για διαφορετικές τιµές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας [9]. Παρατηρούµε ότι το ρεύµα βραχυκύκλωσης I SC αυξάνεται ευθέως ανάλογα µε την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώµατος V OC αυξάνεται σε µικρότερο ποσοστό επειδή είναι λογαριθµική συνάρτηση του I ph. Η καµπύλη πάνω στην οποία κινείται το σηµείο µέγιστης ισχύος MPP, δηλαδή η µέγιστη παραγόµενη ισχύς P MPP, βεβαιώνει ότι Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 16
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών αυτή αυξάνεται µε την αύξηση της ακτινοβολίας. Σχήµα 2.10: I-V χαρακτηριστικές καµπύλες για διαφορετικές τιµές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας 2.5 Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών κυττάρων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η βασική δοµική µονάδα κάθε φωτοβολταϊκού συστήµατος. Οµάδες φωτοβολταϊκών στοιχείων, συνδεδεµένων σε σειρά ή παράλληλα ώστε να δίνουν την επιθυµητή τάση εξόδου, συνιστούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, που επίσης µπορούν να συνδεθούν µεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα για να αποτελέσουν φωτοβολταϊκή συστοιχία. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κατασκευάζονται από ηµιαγώγιµα υλικά. Η καταλληλότητα ενός ηµιαγωγού για χρησιµοποίηση σε φωτοβολταϊκά στοιχεία εξαρτάται από το ενεργειακό κενό µεταξύ των περιοχών σθένους και αγωγιµότητας. Το εύρος του ενεργειακού κενού καθορίζει τη διαφορά δυναµικού που θα δηµιουργηθεί, ενώ όσο µικρότερο είναι το κενό, τόσο περισσότερα είναι τα ζεύγη φορτίων που µπορούν να δηµιουργηθούν και άρα η ένταση του παραγοµένου ρεύµατος. Το ζητούµενο είναι το γινόµενο αυτών των δύο µεγεθών, διαφορά δυναµικού (τάση) και ένταση ρεύµατος, δηλαδή η ισχύς, να είναι το µέγιστο δυνατό. Λόγω του ενεργειακού Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 17
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών του διακένου, ο πιο κατάλληλος ηµιαγωγός για παραγωγή ρεύµατος από τη µετατροπή της ηλιακής ενέργειας είναι το αρσενιούχο γάλλιο ( θεωρητική δυνατότητα απόδοσης µέχρι 31%). Εντούτοις, το πιο κοινό υλικό που χρησιµοποιείται είναι το πυρίτιο, λόγω του χαµηλού του κόστους και της προχωρηµένης τεχνολογίας που το συνοδεύει, που οφείλεται στην ευρεία χρήση του στη βιοµηχανία των ηλεκτρονικών. Άλλο πλεονέκτηµα του πυριτίου είναι ότι µπορεί να βρεθεί πάρα πολύ εύκολα στην φύση, είναι το δεύτερο σε αφθονία υλικό που υπάρχει στον πλανήτη µετά το οξυγόνο. Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) και ο χαλαζίτης αποτελούν το 28% του φλοιού της γης. Το πυρίτιο είναι ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον, ενώ µπορεί εύκολα να λιώσει και να µορφοποιηθεί. Επίσης είναι σχετικά εύκολο να µετατραπεί στην µονοκρυσταλλική του µορφή. Οι ηλεκτρικές του ιδιότητες µπορούν να διατηρηθούν µέχρι και στους 125 o C, κάτι που επιτρέπει την χρήση του σε ιδιαίτερα δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτός είναι και ο λόγος που τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου ανταπεξέρχονται σε ένα ιδιαίτερα ευρύ φάσµα θερµοκρασιών. Είναι ίσως και το µοναδικό υλικό που παράγεται µε τόσο µαζικό τρόπο. Το πυρίτιο σήµερα αποτελεί την πρώτη ύλη για το 90% της αγοράς των φωτοβολταϊκών. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφορες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών κυττάρων [8]. Φωτοβολταϊκά στοιχεία παχέων επιστρόσεων 1) Φωτοβολταϊκά στοιχεία µονοκρυσταλλικού πυριτίου (SingleCrystalline Silicon, sc-si) Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 18
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Το πάχος των κυττάρων αυτών είναι γύρω στα 0,3 χιλιοστά. Η απόδοση τους στην βιοµηχανία κυµαίνεται από 15-18% για το πλαίσιο. Εργαστηριακά έχουν επιτευχθεί ακόµα µεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7% [10].Τα µονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτηµα της καλύτερης σχέσης απόδοσης/επιφάνειας ή "ενεργειακής πυκνότητας". Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι το υψηλό κόστος κατασκευής σε σχέση µε τα πολυκρυσταλλικά. Βασικές τεχνολογίες παραγωγής µονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών είναι η µέθοδος CZ (Czochralski) και η µέθοδος FZ (float zone). Αµφότερες βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου. Το µονοκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό στοιχείο υψηλότερης απόδοσης στο εµπόριο σήµερα, είναι της SunPower µε απόδοση πλαισίου 18,5%. Είναι το µοναδικό που έχει τις µεταλλικές επαφές στο πίσω µέρος του πάνελ αποκοµίζοντας έτσι µεγαλύτερη επιφάνεια αλληλεπίδρασης µε την ηλιακή ακτινοβολία. 2) Φωτοβολταϊκα στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (MultiCrystalline Silicon, mc-si) Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3 χιλιοστά. Η µέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από αυτήν των µονοκρυσταλλικών γι' αυτό και η τιµή τους είναι λίγο χαµηλότερη. Οπτικά µπορούµε να παρατηρήσουµε τις επιµέρους µονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο µεγαλύτερες είναι σε έκταση οι µονοκρυσταλλικές περιοχές τόσο µεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταικά κύτταρα. Σε εργαστηριακές εφαρµογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ στο εµπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται µε αποδόσεις από 13 έως και 15% για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι η µέθοδος Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 19
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών κατευθυντικής στερεοποίησης DS (directional solidification), η ανάπτυξη λιωµένου πυριτίου ("χύτευση") και η ηλεκτροµαγνητική χύτευση EMC. 3) Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Πρόκειται για µια σχετικά νέα τεχνολογία. Αναπτύσεται από την Evergreen Solar. Προσφέρει έως και 50% µείωση στην χρήση του πυριτίου σε σχέση µε τις "παραδοσιακές τεχνικές" κατασκευής µονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου. Η απόδοση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία του έχει φτάσει πλέον γύρω στο 12-13% ενώ το πάχος του είναι περίπου 0,3 χιλιοστά. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις της τάξης του 18%. Φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών επιστρόσεων (thin film) 1) ισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CuInSe 2 ή CIS, µε προσθήκη γάλλιου CIGS) Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 20
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Ο ισεληνοϊνδιούχος Χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτων φως αλλά παρόλα αυτά η απόδοση του µε τις σύγχρονες τεχνικές κυµαίνεται στο 11% (πλαίσιο). Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8%, που είναι και η µεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί µεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Με την πρόσµιξη γάλλιου CIGS η απόδοση του µπορεί να αυξηθεί ακόµα περισσότερο. Το πρόβληµα είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισµένες ποσότητες στην φύση. Στα επόµενα χρόνια πάντως αναµένεται το κόστος του να είναι αρκετά χαµηλότερο. 2) Λεπτά Φιλµ άµορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon, a-si) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αυτά, έχουν αισθητά χαµηλότερες αποδόσεις σε σχέση µε τις δύο προηγούµενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται µε την εναπόθεση ηµιαγωγού υλικού (πυρίτιο στην περίπτωση µας) πάνω σε υπόστρωµα υποστήριξης χαµηλού κόστους, όπως γυαλί ή αλουµίνιο. Λόγω της µικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιµοποιείται η τιµή τους είναι γενικότερα αρκετά χαµηλότερη. Ο χαρακτηρισµός άµορφο φωτοβολταϊκό προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο µε τον οποίο είναι διατεταγµένα τα άτοµα του πυριτίου και το γεγονός ότι δεν υπάρχει κρυσταλλική συµµετρία σε µικροεπίπεδο. Οι επιδόσεις που επιτυγχάνονται χρησιµοποιώντας φωτοβολταϊκά thin films πυριτίου, κυµαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8%, ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόµα και 14%. Το σηµαντικότερο πλεονέκτηµα για το φωτοβολταϊκό στοιχείο a-si είναι ότι δεν Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 21
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών επηρεάζεται πολύ από υψηλές θερµοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης του σε σχέση µε τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). Το µειονέκτηµα των άµορφων πλαισίων είναι η χαµηλή τους ενεργειακή πυκνότητα, κάτι που σηµαίνει ότι για να παράγουµε την ίδια ενέργεια χρειαζόµαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση µε τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία, καθώς και η υποβάθµιση των ιδιοτήτων τους αµέσως µετά την έκθεσή τους σε ηλιακή ακτινοβολία. Επίσης υπάρχουν αµφιβολίες όσον αφορά την διάρκεια ζωής των άµορφων πλαισίων, αφού δεν υπάρχουν στοιχεία από παλιές εγκαταστάσεις γιατί η τεχνολογία είναι σχετικά καινούρια. Παρόλα αυτά οι κατασκευαστές πλέον δίνουν εγγυήσεις απόδοσης 20 ετών. Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001 χιλιοστά ενώ το υπόστρωµα µπορεί να είναι από 1 έως 3 χιλιοστά. 3) Τελουριούχο Kάδµιο (CdTe) Το Τελουριούχο Κάδµιο έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο 1eV, το οποίο του δίνει σοβαρά πλεονεκτήµατα, όπως την δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όµως προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8%. Στο εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φθάσει το 16%. Μελλοντικά αναµένεται το κόστος του να πέσει αρκετά. Σηµαντικότερος κατασκευαστής για φωτοβολταϊκα στοιχεία CdTe, είναι η First Solar. Τροχοπέδη για την χρήση του αποτελεί το γεγονός ότι το κάδµιο, σύµφωνα µε κάποιες έρευνες, είναι καρκινογόνο, µε αποτέλεσµα να προβληµατίζει το ενδεχόµενο της εκτεταµένης χρήσης Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 22
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών του. Ήδη η Greenpeace έχει εναντιωθεί στην χρήση του. Επίσης προβληµατίζει ή έλλειψη του Τελλουρίου. Σηµαντικότερη χρήση του είναι ή ενθυλάκωση του στο γυαλί ως δοµικό υλικό στα φωτοβολταϊκά πλαίσια που ενσωµατώνονται στα κτίρια (BIPV Building Integrated Photovoltaic). 4) Αρσενιούχο Γάλλιο (GaAs) Το Γάλλιο είναι παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων µετάλλων, όπως το αλουµίνιο και ο ψευδάργυρος και είναι πιο σπάνιο ακόµα και από τον χρυσό. Το Αρσένιο δεν είναι σπάνιο, άλλα έχει το µειονέκτηµα ότι είναι δηλητηριώδες. Το αρσενιούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43eV, που είναι ιδανικό για την απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στην µορφή πολλαπλών συνενώσεων (multijunction), είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερµοκρασίες, γεγονός που επιβάλλει σχεδόν την χρήση τους σε εφαρµογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστηµάτων (solar concentrators). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτηµα ότι αντέχουν σε πολύ υψηλές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας και έχουν πολύ υψηλή απόδοση, γι αυτό ενδείκνυνται για διαστηµικές εφαρµογές. Το µεγαλύτερο µειονέκτηµα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του µονοκρυσταλλικού GaAs. Φωτοβολταϊκά στοιχεία ετεροεπαφών Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο ετεροεπαφής αποτελείται από στρώσεις υλικών διαφόρων τεχνολογιών. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 23
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών - HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer). Τα πιο γνωστά τέτοια φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από δύο στρώσεις άµορφου πυριτίου, ενώ ενδιάµεσα υπάρχει µια στρώση µονοκρυσταλλικού πυριτίου. Κατασκευάζεται από την Sanyo Solar. Μεγάλο πλεονέκτηµα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθµός απόδοσης του πλαισίου που φτάνει σε εµπορικές εφαρµογές στο 17,2%, το οποίο σηµαίνει ότι χρειαζόµαστε µικρότερη επιφάνεια για να έχουµε την ίδια εγκατεστηµένη ισχύ. Τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν απόδοση 19,7%. Άλλα πλεονεκτήµατα για αυτά τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η υψηλή τους απόδοση σε µεγάλες θερµοκρασίες αλλά και η µεγάλη τους απόδοση στην διαχεόµενη ακτινοβολία. Φυσικά, αφού προσφέρει τόσα πολλά, αυτό το φωτοβολταϊκό είναι και ακριβότερο σε σχέση µε τα συµβατικά φωτοβολταϊκά πλαίσια. Φωτοβολταϊκά πλαίσια εύκαµπτης βάσης Μία τελείως νέα τεχνολογία αποτελεί το πρωτοποριακό προϊόν spheral solar, που βασίζεται σε υλικό, που αντίθετα µε τα συµβατικά φωτοβολταϊκά κύτταρα, δεν επικάθεται σε άκαµπτη βάση πυριτίου, αλλά είναι φτιαγµένο από χιλιάδες πάµφθηνα σφαιρίδια πυριτίου, εγκλωβισµένα ανάµεσα σε δύο φύλλα αλουµινίου. Τα σφαιρίδια κατασκευάζονται από υπολείµµατα πυριτίου που προκύπτουν από τη βιοµηχανία των chips των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Κάθε σφαιρίδιο, λειτουργεί ως ανεξάρτητο µικροσκοπικό φωτοβολταϊκό κύτταρο απορροφώντας την ηλιακή ακτινοβολία και µετατρέποντάς την σε ηλεκτρισµό. Τα φύλλα αλουµινίου εξασφαλίζουν στο υλικό τη φυσική αντοχή που χρειάζεται, το κάνουν εύκαµπτο αλλά και ελαφρύ, ενώ ταυτόχρονα παίζουν το ρόλο ηλεκτρικής επαφής. Η γεµάτη φυσαλίδες επιφάνεια που δηµιουργούν τα σφαιρίδια επιτρέπει µεγαλύτερη απορρόφηση ηλιακού φωτός, χαρίζοντας στο υλικό αποδοτικότητα της τάξης του 11%. Μπορεί να καλύψει οποιουδήποτε σχήµατος επιφάνειες, αυξάνοντας κατά πολύ τις επιφάνειες όπου µπορεί να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια και δίνοντας στους αρχιτέκτονες τη δυνατότητα να σχεδιάσουν κτήρια µε καµπύλες που θα µπορούν να είναι επενδεδυµένα µε φωτοβολταϊκά, χωρίς να απαιτούνται ενισχυµένες κατασκευές για την στήριξή τους, όπως αυτό στο σχήµα 2.11. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 24
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Σχήµα 2.11: Εφαρµογή φωτοβολταϊκών εύκαµπτων βάσεων. Στον πίνακα 2.1 παρουσιάζονται οι πιο διαδεδοµένες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων που αναφέρθηκαν µέχρι τώρα. Γίνεται µία σύγκριση µεταξύ τους όσον αφορά την απόδοση, την απαιτούµενη επιφάνεια ανά kwp, τη µέση ετήσια παραγωγή ενέργειας σε kwh ανά kwp και σε kwh ανά m 2, καθώς και τη µέση ετήσια µείωση εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα. Πίνακας 2.1: Συγκριτικός πίνακας φωτοβολταϊκών τεχνολογιών. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 25
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών Άλλες τεχνολογίες Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών εξελίσσεται µε ραγδαίους ρυθµούς και διάφορα εργαστήρια στον κόσµο παρουσιάζουν νέες πατέντες. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων που φαίνεται να ξεχωρίζουν και µελλοντικά πιθανώς να γίνει ευρεία η χρήση τους, είναι τα Νανοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου (nc-si), καθώς και τα Οργανικά/Πολυµερή στοιχεία. Τα ηλιακά κύτταρα ενδιάµεσης ζώνης ( Intermadiate band solar cell ) χρησιµοποιούν quantum dots για αύξηση της επιφάνειας συλλογής και του εύρους ακτινοβολίας. Οι θεωρητικές αποδόσεις που αναφέρονται είναι της τάξεως 50-60 % και σκοπός είναι να επιτευχθούν αποδόσεις η>25% υπό 1 ήλιο έως το 2015 [10]. 2.6 Φωτοβολταϊκά συστήµατα Ένα φωτοβολταϊκό σύστηµα, που παράγει ηλεκτρική ενέργεια για να εξυπηρετήσει τη ζήτηση κάποιων φορτίων, αποτελείται από πολλές επιµέρους µονάδες. Εδώ γίνεται µια επισκόπηση των δύο βασικών φωτοβολταϊκών συστηµάτων [6]. Αυτά είναι το αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα, στην κατηγορία του οποίου ανήκει και το υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστηµα, καθώς και το διασυνδεδεµένο φωτοβολταϊκό σύστηµα. Αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα Οι αυτόνοµες ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, αποτελούν ίσως τις πληρέστερες εφαρµογές της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Είναι εγκαταστάσεις που λειτουργούν αυτοδύναµα για την τροφοδότηση καθορισµένων καταναλώσεων χωρίς να συνδέονται µε κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανοµής από τα οποία θα µπορούσαν να αντλούν συµπληρωµατική ενέργεια ή να στέλνουν την περίσσεια της παραγόµενης. Είναι η ιδανικότερη λύση για περιοχές που βρίσκονται µακριά από το κεντρικό δίκτυο και η διασύνδεσή τους µε αυτό θα απαιτούσε τεράστια οικονοµικά κεφάλαια. Ειδικότερα για τον Ελλαδικό χώρο, ο οποίος έχει πολυάριθµα µικρά νησιά και µικρούς οικισµούς, τα Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 26
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών αυτόνοµα φωτοβολταϊκά συστήµατα έχουν πολλές εφαρµογές, ενώ υπάρχουν ακόµα πολλές δυνατότητες ανάπτυξης. Στο σχήµα 2.12 φαίνεται το απλοποιηµένο διάγραµµα ενός τέτοιου συστήµατος. Αποτελείται από φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία είναι η βασικότερη µονάδα του συστήµατος, αφού εκεί γίνεται η µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Περιλαµβάνει συσσωρευτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας και για την χρησιµοποίησή της όταν η παραγωγή είναι ανεπαρκής. Μπορεί να υπάρχει µια βοηθητική γεννήτρια (συνήθως ντηζελογεννήτρια), η οποία τίθεται σε λειτουργία όταν είναι αναγκαίο, να έχουµε δηλαδή υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστηµα. Βοηθητική γεννήτρια µπορεί να είναι επίσης και µια ανεµογεννήτρια. Τα υβριδικά συστήµατα µπορούν επίσης να αποτελέσουν λογική προσέγγιση σε καταστάσεις όπου οι περιστασιακές αιχµές ζήτησης είναι σηµαντικά υψηλότερες από τη ζήτηση φορτίου βάσης. Τέλος, µονάδες ενός αυτόνοµου συστήµατος είναι και διατάξεις για την µετατροπή της παραγόµενης ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία σε µορφή κατάλληλη για την τροφοδότηση των φορτίων, οι οποίες περιέχουν έναν DC/DC µετατροπέα σε συνδυασµό µε έναν ανιχνευτή µέγιστης ισχύος(μρρτ) και έναν DC/AC αντιστροφέα. Σχήµα 2.12: Απλοποιηµένο διάγραµµα αυτόνοµου φωτοβολταϊκού συστήµατος και υβριδικού φωτοβολταϊκού συστήµατος. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 27
Κεφάλαιο 2 Θεωρία φωτοβολταϊκών ιασυνδεδεµένο φωτοβολταϊκό σύστηµα Μια διαφορετική εφαρµογή της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας αποτελούν τα διασυνδεδεµένα φωτοβολταϊκά συστήµατα, στα οποία η ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτείται στο δίκτυο. Υπάρχουν δύο διαφορετικές υλοποιήσεις, ανάλογα µε το αν τροφοδοτείται κάποιο φορτίο απευθείας από το σύστηµα ή αν όχι (Σχήµα 2.13). Στο διασυνδεδεµένο σύστηµα το δίκτυο ενεργεί όπως µια µπαταρία απεριόριστης ικανότητας αποθήκευσης. Εποµένως, η συνολική αποδοτικότητα ενός διασυνδεδεµένου φωτοβολταϊκού συστήµατος είναι καλύτερη από την αποδοτικότητα ενός αυτόνοµου συστήµατος, αφού το δίκτυο έχει πρακτικά απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης και εποµένως η παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια µπορεί πάντοτε να αποθηκεύεται. Αντιθέτως στις αυτόνοµες εφαρµογές οι συσσωρευτές θα είναι ενίοτε πλήρως φορτισµένοι, όποτε η παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει µε κάποιο τρόπο να αποβάλλεται. Σχήµα 2.13: Απλοποιηµένο διάγραµµα διασυνδεδεµένου φωτοβολταϊκού συστήµατος. Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σελίδα 28