«Απόδοση φωτοβολταϊκών στοιχείων και φωτοβολταϊκών συστημάτων υπό συνθήκες σκίασης και χαμηλής έντασης ακτινοβολίας»

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Κατεύθυνση Εφαρμοσμένης Φυσικής «Απόδοση φωτοβολταϊκών στοιχείων και φωτοβολταϊκών συστημάτων υπό συνθήκες σκίασης και χαμηλής έντασης ακτινοβολίας» ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ του Προδρομίδη Γεωργίου Επιβλέπων Καθηγητής : Π. Γιαννούλης ΠΑΤΡΑ 2009

Ευχαριστίες Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή εκπονήθηκε στο εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Ευχαριστώ θερμά τον επιβλέποντα Καθηγητή κ. Π. Γιαννούλη για την πολύτιμη επιστημονική βοήθεια που μου προσέφερε, τη συμβολή του στην πορεία εξέλιξης και ολοκλήρωσης της διατριβής, καθώς και για την άριστη συνεργασία μας τα δύο αυτά χρόνια. Ευχαριστίες επίσης οφείλονται στα υπόλοιπα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής που απαρτιζόταν από τον καθηγητή Περσεφόνη Πέτρο και τον αναπληρωτή καθ. Αργυρίου Αθανάσιο για τις συμβουλές τους κατά τη διάρκεια της διπλωματικής. Ευχαριστώ επιπλέον τους υποψήφιους διδάκτορες Συρροκώστα Γιώργο και Σπανό Γιάννη για τις επιστημονικές συζητήσεις μας, οι οποίες ήταν πολύ εποικοδομητικές καθώς και για τις γνώσεις που αποκόμισα επάνω στον προγραμματισμό του Data Logger και στο όλο στήσιμο της πειραματικής διάταξης. Τέλος μπορώ να πω με βεβαιότητα ότι αξιοσημείωτη ήταν και η αρμονική συνεργασία μας στο διάστημα των δύο ετών. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ολόψυχα τους γονείς μου, οι οποίοι στέκονται αρωγοί κάθε προσπάθειάς μου. Πάτρα 2009 Σελίδα 2

Αντικείμενο διπλωματικής εργασίας Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη λειτουργίας των φωτοβολταϊκών γεννητριών υπό συνθήκες χαμηλής έντασης ακτινοβολίας όχι όμως ελεγχόμενης, δηλαδή σε εσωτερικό χώρο, αλλά εκτεθειμένο σε εξωτερικό χώρο και με απρόβλεπτες εναλλαγές έντασης. Επιπλέον το υποβάλαμε σε μερική σκίαση με διαφορετική διάταξη κάθε φορά προκειμένου να διαπιστώσουμε τη λειτουργία του και το πώς αυτό συμπεριφέρεται, προκειμένου να κατανοήσουμε το πόσο σημαντικό είναι να ακολουθούνται οι προδιαγραφές εγκατάστασης για να παίρνουμε την μέγιστη απόδοση από τις φωτοβολταϊκές γεννήτριες. Για το σκοπό αυτό είχαμε στη διάθεσή μας ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, το οποίο αποτελούνταν από 36 στοιχεία και μια βάση κινητή για να το τοποθετήσουμε με σκοπό να το προσανατολίζουμε σωστά ακολουθώντας την πορεία του ηλίου και την οποία την κατασκευάσαμε εξ αρχής. Στη συνεχεία απαραίτητη ήταν η κατασκευή δύο κυκλωμάτων, ενός I V tracer και ενός Ramp Generator μέσα στο ίδιο κουτί, προκειμένου να συνδέσουμε επάνω σε αυτό όλες τις συσκευές μας για να καταγράψουμε τις σειρές των μετρήσεών μας που μας έδιναν οι διάφορες συσκευές μας καθώς και το φωτοβολταϊκό κατά τη διάρκεια της έκθεσής του στην ηλιακή ακτινοβολία. Ακόμα, σημαντικό κομμάτι αποτέλεσε και ο προγραμματισμός του Data Logger έτσι ώστε να καταγράφονται σωστά η τάση, το ρεύμα, οι θερμοκρασίες και η ακτινοβολία κάθε στιγμή του πειράματός μας για να τα εκμεταλλευτούμε και να εξαγάγουμε σωστά συμπεράσματα. Τέλος μπορούμε να πούμε πως η επιλογή ιδανικών ημερών ήταν ένα δύσκολο κομμάτι και η υπομονή που απαιτούσε το πείραμά μας ήταν ένας καλός σύμμαχος για την ολοκλήρωσή του. Πάτρα 2009 Σελίδα 3

Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγικά Στοιχεία Λειτουργίας και Κατασκευής Φωτοβολταϊκών Γεννητριών... 6 1.1 Κατασκευή και διάφορες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών... 6 1.2 Διατάξεις φωτοβολταϊκών στοιχείων και πλαισίων... 9 1.3 Προσανατολισμός φωτοβολταϊκών πλαισίων... 12 1.4 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων... 14 1.5 Περιγραφή φωτοβολταϊκού στοιχείου και χαρακτηριστικά μεγέθη... 15 Κεφάλαιο 2 : Έλεγχος Ορθής Λειτουργίας Φωτοβολταϊκού Πλαισίου και Πειραματικής Διάταξης... 22 2.1 Πειραματική διάταξη... 23 2.1.1 Περιγραφή διάταξης... 23 2.1.2 Ρυθμίσεις της πειραματικής διάταξης... 28 2.2 Ορθή λειτουργία φωτοβολταϊκού πλαισίου... 35 Κεφάλαιο 3 : Λειτουργία Φωτοβολταϊκού Πλαισίου Υπό Συνθήκες Χαμηλής Έντασης Ακτινοβολίας... 45 3.1 Μελέτη λειτουργίας φωτοβολταϊκού πλαισίου με ένταση ακτινοβολίας (100 1000W/m 2 )... 46 3.1.1 Μελέτη φωτοβολταϊκού για εντάσεις (1200 400W/m 2 )... 48 3.1.2 Μελέτη φωτοβολταϊκού για εντάσεις (470 70W/m 2 )... 49 3.1.3 Μεταβολές χαρακτηριστικών μεγεθών σε όλο το εύρος της ακτινοβολίας (1000 70W/m 2 )... 50 3.2 Δυσκολίες κατά τη διεξαγωγή του πειράματος και λύση αυτών... 53 Κεφάλαιο 4 : Συμπεριφορά Φωτοβολταϊκού Πλαισίου Υπό Συνθήκες Μερικής Ελεγχόμενης Σκίασης... 56 4.1 Φαινόμενο μαύρων κηλίδων (hot spot effect)... 58 4.2 Μερική σκίαση φωτοβολταϊκής γεννήτριας πυριτίου... 61 Πάτρα 2009 Σελίδα 4

4.2.1 Σκίαση στηλών του φωτοβολταϊκού πλαισίου... 61 4.2.2 Σκίαση γραμμών του φωτοβολταϊκού πλαισίου... 67 4.2.3 Σκίαση των φωτοβολταϊκών στοιχείων κάθε ενός χωριστά... 75 4.2.3.1 Σκίαση της πρώτης ομάδας φωτοβολταϊκών στοιχείων... 76 4.2.3.2 Σκίαση της δεύτερης ομάδας φωτοβολταϊκών στοιχείων... 81 4.2.3.3 Σκίαση της τρίτης ομάδας φωτοβολταϊκών στοιχείων... 85 4.2.3.4 Σκίαση της τέταρτης ομάδας φωτοβολταϊκών στοιχείων... 90 Κεφάλαιο 5 : Μέτρηση της Ακτινοβολίας... 96 5.1 Γενικά στοιχεία για όργανα μέτρησης της ακτινοβολίας... 97 5.2 Ακτινόμετρα... 98 5.2.1 Τρόποι βαθμονόμησης... 98 5.2.1.1 Απόλυτη βαθμονόμηση... 98 5.2.1.2 Σύγκριση με πρότυπα όργανα... 100 5.2.1.3 Καλιμπράρισμα πυρανομέτρου του πειράματός μας... 102 5.2.2 Τύποι μετρήσεων με ακτινόμετρα... 103 5.3 Περιγραφή του ακτινόμετρου του πειραματικού μέρους... 104 5.3.1 Μοντέλο πυρανομέτρου... 104 5.3.2 Χρησιμότητα... 106 Αναφορές Βιβλιογραφία... 108 Πάτρα 2009 Σελίδα 5

1 Εισαγωγικά Στοιχεία Λειτουργίας και Κατασκευής Φωτοβολταϊκών Γεννητριών 1.1 Κατασκευή και διάφορες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών Η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στα όρια της ατμόσφαιρας είναι παντού σταθερή, δεν συμβαίνει όμως το ίδιο και με αυτή που φτάνει στο έδαφος, η ισχύς της οποίας σπάνια ξεπερνά τα 1000 (W/m 2 ). Αυτή εξαρτάται από την εποχή του έτους, την ώρα της ημέρας, την παρουσία νεφών, ομίχλης και σκόνης, ενώ εξασθενεί ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσής της στην επιφάνεια του εδάφους και συνεπώς, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή της μέσα στην ατμόσφαιρα. Ο τελευταίος αυτός παράγοντας είναι και ο σημαντικότερος για τη διαμόρφωση της μέσης έντασης της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στο έδαφος. Γι αυτό, άλλωστε, το γεωγραφικό πλάτος και το υψόμετρο μιας περιοχής παίζουν τόσο σπουδαίο ρόλο στη διαμόρφωση του καιρού σε αυτήν, καθώς επίσης και των εποχών στα δύο ημισφαίρια της γης. Όσο πιο κοντά στον ισημερινό βρίσκεται αυτή, τόσο μικραίνει η διαδρομή της ηλιακής Πάτρα 2009 Σελίδα 6

ακτινοβολίας και αυξάνει η γωνία πρόσπτωσης έως τις 90 ο, με αποτέλεσμα οι συνέπειες της να γίνονται πιο έντονες [30]. Από αυτή την άποψη, η Ελλάδα είναι μία από τις πλέον ευνοημένες περιοχές του πλανήτη μας. Ο συνδυασμός του γεωγραφικού πλάτους και της υψηλής ηλιοφάνειας έχει ως αποτέλεσμα να προσπίπτουν ημερησίως, κατά μέσο όρο, 4,3kWh ηλιακής ενέργειας σε κάθε τετραγωνικό μέτρο οριζόντιας επιφάνειάς της. Το φωτοβολταϊκό ηλιακό στοιχείο, λοιπόν, είναι φτιαγμένο κυρίως από ένα ημιαγώγιμο υλικό. Ανάλογα με το είδος της πρόσμιξης που θα χρησιμοποιηθεί, ο ημιαγωγός χαρακτηρίζεται είτε ως τύπου n (negative αρνητικού), είτε ως τύπου p (positive θετικού). Οι ημιαγωγοί τύπου p διαθέτουν περίσσεια θετικών φορτίων ή οπών, ενώ στους ημιαγωγούς τύπου n πλειοψηφούν τα αρνητικά φορτία, δηλαδή τα ηλεκτρόνια. Όταν τα δύο αυτά διαφορετικά στρώματα των ημιαγωγών έρθουν σε επαφή, στο σημείο επαφής δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο, καθώς από τη μια πλευρά υπάρχουν ελεύθερα θετικά φορτία (τύπου p) και από την άλλη ελεύθερα αρνητικά (τύπου n). Συνήθως ο ημιαγωγός που εκτίθεται στην ηλιακή ακτινοβολία είναι ο τύπου n, και έτσι τα ηλεκτρόνια που ελευθερώνονται από τον ημιαγωγό τύπου n οδηγούνται στον ημιαγωγό τύπου p, μέσω της επαφής p n. Αν αυτές οι δύο επιφάνειες των ημιαγωγών συνδεθούν μεταξύ τους μέσω κάποιων ακροδεκτών και παρεμβληθεί ανάμεσά τους μία αντίσταση φορτίου, είναι προφανές ότι τα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό τύπου p θα κινηθούν μέσω των καλωδίων προς τον ημιαγωγό τύπου n, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος [30]. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα μπορούν να κατασκευαστούν με πολλούς τρόπους, αλλά και με διάφορα υλικά. Το πιο διαδεδομένο υλικό κατασκευής όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω είναι το πυρίτιο, κάτι λογικό, Πάτρα 2009 Σελίδα 7

αφού η έρευνα στα ημιαγώγιμα υλικά που απαρτίζουν τα φωτοβολταϊκά κύτταρα για πολλά χρόνια είχε επικεντρωθεί σε αυτό. Έτσι, κατασκευάζονται φωτοβολταϊκά κύτταρα από μονό κρυσταλλικό ή πολύκρυσταλλικό πυρίτιο, όπως και από άμορφο πυρίτιο. Φωτοβολταϊκά κύτταρα όμως κατασκευάζονται και από συνδυασμούς άλλων υλικών, όπως Γαλλίου Αρσενίου (GaAs), Καδμίου Τελλουρίου (CdTe) και Χαλκού Ινδίου Δισεληνίου (CuInSe2 ή CIS). Έτσι, παρέχεται μια μεγάλη γκάμα φωτοβολταϊκών που διαφέρουν τόσο σε κόστος, όσο και σε βαθμό απόδοσης. Ανάλογα με την τεχνολογία κατασκευής τους, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα μπορούν να διακριθούν σε δύο διαφορετικές ομάδες. Η πρώτη ομάδα, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως σε οικιακές εφαρμογές, χρησιμοποιεί την τεχνολογία thick film, ενώ η δεύτερη ομάδα χρησιμοποιεί την τεχνολογία των λεπτών μεμβρανών (thin film) [30]. Όμως σε πολλά εργαστήρια σε όλον τον κόσμο, τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν καθοδηγηθεί στην ανάπτυξη των πολλαπλών στρωμάτων ημιαγωγών (multi junction cells) άμορφου πυριτίου. Τα φωτοβολταϊκά πολλαπλών στρωμάτων ημιαγωγών εκμεταλλεύονται και τα φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας, αφού το κάθε υλικό έχει διαφορετικό φράγμα δυναμικού, δηλαδή απαιτείται διαφορετικό έργο εξόδου για τον κάθε ημιαγωγό ώστε να διαφύγουν τα ηλεκτρόνια. Συνήθως το υλικό με το υψηλότερο φράγμα δυναμικού τοποθετείται στην κορυφή, ενώ στη συνέχεια ακολουθούν οι υπόλοιποι αγωγοί κατά φθίνουσα σειρά του έργου εξόδου. Έτσι, ένα φωτόνιο που δεν θα απορροφηθεί από ένα στρώμα ημιαγωγού του φωτοβολταϊκού στοιχείου, ενδέχεται να απορροφηθεί από κάποιο από τα επόμενα στρώματα ημιαγωγών, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η απόδοση του φωτοβολταϊκού. Σήμερα, τα φωτοβολταϊκά πολλαπλών στρωμάτων ημιαγωγών χρησιμοποιούν Πάτρα 2009 Σελίδα 8

τουλάχιστον μία επαφή Γαλλίου Αρσενίου (GaAs). Ο βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών αυτών αγγίζει τα 33%. Άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται σε διατάξεις με πολλαπλούς ημιαγωγούς χρησιμοποιούν άμορφο πυρίτιο ή επαφές Χαλκού Ινδίου Δισεληνίου (CuInSe2). 1.2 Διατάξεις φωτοβολταϊκών στοιχείων και πλαισίων Μια φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι μια πλήρης μονάδα ισχύος, που αποτελείται από οποιοδήποτε αριθμό φωτοβολταϊκών πλαισίων. Μια μορφή της φωτοβολταϊκής συστοιχίας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 1. Φωτοβολταϊκό στοιχείο, μονάδα, πλαίσιο και διάταξη. Πάτρα 2009 Σελίδα 9

Ανάλογα με τον βαθμό πολυπλοκότητας στην κατασκευή και τη λειτουργία, μπορούμε να κατατάξουμε τις φωτοβολταϊκές διατάξεις σε τρεις κυρίως κατηγορίες: 1. Τις απλές διατάξεις, όπου τα ηλιακά κύτταρα είναι τοποθετημένα σε σταθερά επίπεδα πλαίσια και δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία με την φυσική πυκνότητα και διακύμανση στη διάρκεια της ημέρας. 2. Τις διατάξεις με κινητά πλαίσια που περιστρέφονται αυτόματα και παρακολουθούν συνεχώς την πορεία του ήλιου στον ουρανό, ώστε τα ηλιακά κύτταρα να δέχονται κάθετα την ηλιακή ακτινοβολία σε όλη τη διάρκεια της ημέρας. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται η ηλεκτρική ενέργεια που παράγει ένα ηλιακό κύτταρο μέχρι 50% περίπου, αφού δέχεται πυκνότερη ακτινοβολία, ανά μονάδα εμβαδού της επιφανείας του. 3. Τις διατάξεις που με τη χρησιμοποίηση φακών ή κατόπτρων συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία και την στέλνουν πολύ συμπυκνωμένη πάνω στα ηλιακά κύτταρα. Για την αποφυγή θέρμανσης, στις συγκεντρωτικές διατάξεις απαιτείται συνήθως η τεχνητή ψύξη των ηλιακών κυττάρων με κυκλοφορία ψυχρού αέρα ή ψυκτικών. Οι αλληλοσυνδέσεις των ηλιακών κυττάρων, επάνω στα πλαίσια έχουν τρεις διατάξεις και είναι οι εξής: 1. Σε απλές παράλληλες σειρές (series parallel, SP). 2. Σε διατάξεις αθροιστικές σταυρωτού δεσμού (total crossed tied, TCT), που προκύπτει από την SP διάταξη συνδέοντας τα ηλεκτρικά συστήματα σταυρωτά σε κάθε σειρά του σημείου συνάντησης. 3. Σε διάταξη γεφυρωτής διασύνδεσης (bridge linked) στην οποία όλα τα κύτταρα αλληλοσυνδέονται με γεφυρωτή διαμόρφωση ανορθωτή (ρεύματος). Πάτρα 2009 Σελίδα 10

Εικόνα 2: Παράλληλη σύνδεση φ/β στοιχείων Εικόνα 3: Σύνδεση στοιχείων σε σειρά σε ένα τυπικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο Επιπλέον ρόλο παίζει και η παράθεση των στοιχείων επάνω στο στην φωτοβολταϊκή μονάδα. Οι αντίστοιχοι συντελεστές κάλυψης είναι 0.78, 0.88 και 0.98 ανά περίπτωση με την σειρά που εμφανίζονται στις εικόνες. Εικόνα 4: Σχηματική παράθεση στοιχείων Πάτρα 2009 Σελίδα 11

1.3 Προσανατολισμός φωτοβολταϊκών πλαισίων Για έναν παρατηρητή στη γη ο ήλιος εκτελεί δύο κινήσεις, την ημερήσια, από την ανατολή προς τη δύση και την εποχιακή, κατά την οποία μεταβάλλει καθημερινά το μεσημβρινό του ύψος. Ο συλλέκτης για να έχει όλη τη μέρα τη μέγιστη απόδοση, θα πρέπει να δέχεται συνεχώς τη μέγιστη ακτινοβολία, δηλαδή οι ηλιακές ακτίνες θα πρέπει να προσπίπτουν πάντα κάθετα στην επιφάνειά του. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι ηλιακές ακτίνες τότε έχουν την μεγαλύτερη πυκνότητα στην μονάδα επιφάνειας και δεν ανακλώνται στην γυάλινη επικάλυψη του συλλέκτη. Για να επιτευχθεί όμως αυτό στην πράξη θα πρέπει ο συλλέκτης να παρακολουθεί συνεχώς την κίνηση του ήλιου και επομένως να στρέφεται σε δύο άξονες αφενός για να παρακολουθεί την ημερήσια τροχιά του ήλιου από την ανατολή προς τη δύση και αφετέρου να μεταβάλλει την γωνία του ως προς το οριζόντιο επίπεδο για να παρακολουθεί την μεταβολή του ύψους του ήλιου προς τον ορίζοντα [3,30]. Πάτρα 2009 Σελίδα 12

Εικόνα 5: Τρόποι κίνησης φωτοβολταϊκού πλαισίου Αυτό όμως για πρακτικούς λόγους δεν είναι εύκολο. Μπορούμε όμως να δώσουμε στον συλλέκτη σταθερό προσανατολισμό, φροντίζοντας να είναι ο προσφορότερος. Έτσι λοιπόν για το βόρειο ημισφαίριο τοποθετείται ο συλλέκτης με τη επιφάνεια του στραμμένη ακριβώς προς το Νότο, δηλαδή με αζιμούθια γωνία στις 180 ο και αντίστοιχα 0 ο για το νότιο ημισφαίριο, οπότε την μεσημβρία θα δέχεται κάθετα τις ηλιακές ακτίνες, εφόσον και η κλίση του προς το οριζόντιο επίπεδο είναι κατάλληλη για το εποχιακό ύψος του ήλιου δηλαδή 90 ο h. Εικόνα 6: Βέλτιστες γωνίες σταθερού προσανατολισμού Πάτρα 2009 Σελίδα 13

1.4 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων Για να λειτουργήσουν οι φωτοβολταϊκές συσκευές επιτυχώς κατά τη διάρκεια μιας αναμενόμενης διάρκειας ζωής τριάντα ετών, απαιτείται έρευνα σε όλες τις πτυχές αυτών των συσκευών. Οι εκτιμήσεις ισχύος των φωτοβολταϊκών συσκευών δεν δίνουν συνήθως μια ακριβή ένδειξη της υπαίθριας απόδοσής τους. Τα αποτελέσματα ερευνών, επίσης, έδειξαν ότι οι μετεωρολογικές συνθήκες θα μπορούσαν να προκαλέσουν μέχρι και μείωση 18% της πιθανής ισχύος των υπομονάδων. Η θερμοκρασία και η ηλιακή ακτινοβολία είναι οι δύο βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών συσκευών. Άλλοι περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως ο αέρας, η βροχή, η κάλυψη σύννεφων και η διανομή του ηλιακού φάσματος, με τον ένα τρόπο ή με τον άλλο, επηρεάζουν τη θερμοκρασία κάτω από την οποία οι συσκευές λειτουργούν καθώς και την επικείμενη ηλιακή ακτινοβολία των συσκευών [3,4,30]. Θερμοκρασία Οι φωτοβολταϊκές υπομονάδες λειτουργούν ιδανικά συνήθως σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 C [3,11,30], σε περίπτωση που λειτουργούν σε θερμοκρασίες πάνω από την ενδεικτική τιμή τότε μπορεί να χάνεται περισσότερο από το 14% της δυναμικής τους παραγωγικής ενέργειας. Χαρακτηριστικά, η ονομαστική λειτουργική θερμοκρασία των κυττάρων (nominal operating cell temperature NOCT) μιας μονής κρυσταλλικής υπομονάδας πυριτίου υπερβαίνει κατά πολύ τους 40 C. Η ονομαστική λειτουργική θερμοκρασία των κυττάρων καθορίζεται ως κακή θερμοκρασία επιφανειών επαφής ηλιακών κυττάρων στο πρότυπο περιβάλλον αναφοράς (standard reference environment SRE). Πάτρα 2009 Σελίδα 14

Η αύξηση της θερμοκρασίας επιδρά στην αποτελεσματικότητα των ηλιακών κυττάρων και πιο συγκεκριμένα στα κρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα, όπου συμβαίνουν τα εξής: Αύξηση της ταλάντωσης της κρυσταλλικής δομής, με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατή η συγκράτηση των ηλεκτρονίων και τότε να διασκορπιστούν. Μείωση της φόρτισης της κινητικότητας του φορέα. Μείωση στην ένωση p n της ενσωματωμένης τάσης και της ικανότητας της ένωσης να διαχωρίσει τα ηλεκτρόνια από τις οπές στα ζευγάρια των παράγωγων φωτονίων. Ηλιακή ακτινοβολία Η επιρροή της ηλιακής ακτινοβολίας διαφέρει για τις διάφορες παραμέτρους εξόδου. Η επίδραση μπορεί να εξηγηθεί καλύτερα λαμβάνοντας υπ όψιν την διαφορά του ρεύματος και της ηλεκτρικής τάσης που δημιουργείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Παρατηρείται, μια γραμμική αύξηση στο ρεύμα που οφείλεται στην αυξανόμενη παραγωγή ηλεκτρονίων (λόγω της αυξανόμενης ροής των φωτονίων). 1.5 Περιγραφή φωτοβολταϊκού στοιχείου και χαρακτηριστικά μεγέθη Αφού αναφέραμε ορισμένα στοιχεία τα οποία αφορούν τις φωτοβολταϊκές γεννήτριες φτάσαμε πλέον στο σημείο να παρουσιάσουμε ορισμένα δεδομένα που αφορούν το φωτοβολταϊκό πλαίσιο πάνω στο οποίο θα δουλέψουμε για αυτή την εργασία. Το πλαίσιο λοιπόν που είχαμε στη διάθεσή μας για την διεκπεραίωση της παρούσας εργασίας αποτελείται από 36 φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si). Πάτρα 2009 Σελίδα 15

Εικόνα 7: Διάταξη ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Η διάταξη με βάση την οποία κατασκευάζονται αυτά τα στοιχεία και αποτελούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, δεν είναι τυχαία αλλά αυτές οι ασημένιες γραμμές, όπως φαίνονται στην εικόνα, παίζουν η κάθε μια το δικό τους σημαντικό ρόλο στην λειτουργία του πλαισίου και στην εμφάνιση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Αυτή λοιπόν τη λειτουργία θα προσπαθήσουμε να περιγράψουμε παρακάτω. Σε αυτό λοιπόν το σημείο είναι απαραίτητο να πούμε πως οι οριζόντιες ασημένιες γραμμές, όπως παρουσιάζονται στην Εικόνα 7 και είναι πάρα πολλές σε σχέση με τις κάθετες ονομάζονται fingers και είναι αυτά τα στοιχεία που μαζεύουν ουσιαστικά τα ηλεκτρόνια που διεγείρονται και αποτελούν το ρεύμα. Στη συνέχεια διοχετεύουν στις κάθετες γραμμές το ρεύμα, που ονομάζονται busbars και είναι συνδεδεμένα όλα αυτά μεταξύ τους από όλα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που αποτελούν το πλαίσιο μας και τα οποία καταλήγουν στη μονάδα την Πάτρα 2009 Σελίδα 16

οποία ουσιαστικά θέλουμε να τροφοδοτήσουμε με ρεύμα. Στην περίπτωσή μας όμως καταλήγουν σε δύο ακροδέκτες και αυτοί στη συνέχεια καταλήγουν στο κύκλωμα που έχουμε συνδέσει το πλαίσιο μας προκειμένου να παίρνουμε τα πειραματικά μας δεδομένα. Όλα αυτά που μόλις περιγράψαμε φαίνονται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 8: Λεπτομερής ανάλυση της διάταξης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου Πριν αρχίσουμε να κάνουμε αναφορά των διάφορων χαρακτηριστικών μέσω των οποίων φανερώνεται η λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου σημαντικό είναι να γνωρίζουμε πως όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δεν φωτίζεται τότε έχει τα ίδια ηλεκτρικά χαρακτηριστικά με μια μεγάλη δίοδο. Πάτρα 2009 Σελίδα 17

Εικόνα 9: Χαρακτηριστική καμπύλη διόδου Όταν τώρα αρχίζει να φωτίζεται και να παράγει ηλεκτρική ενέργεια τότε παίρνουμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες I V όπως τις γνωρίζουμε και παραθέτουμε μια από αυτές στην παρακάτω εικόνα [30]. Εικόνα 10: Χαρακτηριστική καμπύλη I-V φ/β στοιχείου Πάτρα 2009 Σελίδα 18

Καιρός πλέον είναι να ασχοληθούμε και να περιγράψουμε τα χαρακτηριστικά ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου που αφορούν τη λειτουργία του. Αυτά λοιπόν είναι : Ρεύμα βραχυκυκλώσεως : Isc (Εικόνα 10). Τάση ανοιχτού κυκλώματος : Voc (Εικόνα 10). Σημείο μέγιστης λειτουργίας : Vm, Im (Εικόνα 10). Μέγιστη τάση : Pmax (Εικόνα 10). Παράγοντας πλήρωσης : FF Απόδοση : n. Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος τάσης (I V) ενός ιδανικού φωτοβολταϊκού στοιχείου, όπως φαίνεται στην Εικόνα 10, περιγράφεται από την εξίσωση του Shockley [3,30]: qv qv I = Iph I01 exp 1 Ι02 exp 1 kt 2kT (1) Όπου : Iph : είναι το ρεύμα που δημιουργείται λόγω φωτισμού, φωτόρευμα. I01 : είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου της διόδου 1. I02 : είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου της διόδου 2. q : το φορτίο του ηλεκτρονίου (1.6*10 19 C). k : σταθερά Boltzmann (1.38*10 23 J/K). T : η απόλυτη θερμοκρασία του φ/β στοιχείου σε βαθμούς Κ. Μπορούμε επιπλέον να πούμε πως ένα ιδανικό φωτοβολταϊκό στοιχείο μπορεί να μοντελοποιηθεί μέσω ενός κυκλώματος που περιλαμβάνει μια ιδανική πηγή ρεύματος συνδεδεμένη παράλληλα με δύο διόδους, η μία έχει ιδανικό παράγοντα 1 και η άλλη με ιδανικό Πάτρα 2009 Σελίδα 19

παράγοντα 2 οι οποίοι φαίνονται στην παραπάνω εξίσωση στους παρανομαστές των εκθετικών, όπως φαίνεται στην Εικόνα 11. Εικόνα 11: Ισοδύναμο κύκλωμα φ/β στοιχείου Βέβαια στην εξίσωση (1) μπορούμε να υποθέσουμε πως οι όροι 1 μέσα στις αγκύλες μπορούν να παραληφθούν διότι το εκθετικό είναι πολύ μεγαλύτερο της μονάδας (>>1) εκτός από τάσεις μικρότερες των 100 mv. Επιπλέον είναι απαραίτητο να αναφέρουμε πως στην ιδανική περίπτωση το ρεύμα βραχυκυκλώσεως Isc είναι ίσο με το φωτόρευμα Iph. Σε ανοιχτό κύκλωμα (I = 0), όλο το φωτόρευμα, Iph, ρέει κατά μήκος της πρώτης διόδου, έτσι λοιπόν η τάση ανοιχτού κυκλώματος μπορεί να γραφεί και να υπολογιστεί μέσω του τύπου [3,30]: V oc kt I + I kt I = ln q I q I ph 01 ph ln, 01 01 όπου Iph >> I01. Πάτρα 2009 Σελίδα 20

Όσον αφορά τον παράγοντα πλήρωσης Fill Factor (FF), μπορούμε να πούμε ότι είναι μια παράμετρος η οποία προσδιορίζει την μέγιστη ισχύ ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου. Γραφικά ο FF φαίνεται στην Εικόνα 10 και είναι η περιοχή που καλύπτει το μεγαλύτερο ορθογώνιο παραλληλόγραμμο το οποίο ταιριάζει μέσα στην καμπύλη I V. Ο τύπος που μας δίνει τον παράγοντα αυτό είναι : FF Vm Im Pmax = = Voc Isc Voc Isc Ένα πολύ σημαντικό ηλεκτρικό χαρακτηριστικό των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι και η απόδοση τους, n, την οποία μπορούμε να υπολογίσουμε με την βοήθεια των υπόλοιπων χαρακτηριστικών μεγεθών που έχουμε προαναφέρει και δίνεται από τον τύπο : n Pmax FF Voc Isc = =, Pin Pin όπου Pin εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού στοιχείου καθώς και από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας [30]. Όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά που είτε τα συναντάμε σε μια χαρακτηριστική καμπύλη τάσης ρεύματος (I V) είτε προκύπτουν από τα χαρακτηριστικά μιας τέτοιας καμπύλης περιγράφουν τη λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου και κατά συνέπεια ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου. Πάτρα 2009 Σελίδα 21

2 Έλεγχος Ορθής Λειτουργίας Φωτοβολταϊκού Πλαισίου και Πειραματικής Διάταξης Εισαγωγή Σε αυτό λοιπόν το σημείο αρχίζει το πείραμά μας προκειμένου να διαπιστώσουμε την συμπεριφορά των φωτοβολταϊκών πλαισίων κάτω από οποιεσδήποτε περιβαλλοντικές συνθήκες. Επομένως κρίνεται απαραίτητο σε αυτό το σημείο να γίνει η αναλυτική περιγραφή της πειραματικής μας διάταξης και η παρουσίαση των οργάνων που χρησιμοποιήθηκαν για τα πειραματικά μας δεδομένα. Στη συνέχεια θα ελέγξουμε την λειτουργία του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου και θα συγκρίνουμε τα πειραματικά μας αποτελέσματα με αυτά του κατασκευαστή προκειμένου να διαπιστώσουμε το κατά πόσο συμφωνούν έτσι ώστε να τα χρησιμοποιήσουμε για την διεκπεραίωση της παρούσας εργασίας. Πάτρα 2009 Σελίδα 22

2.1 Πειραματική διάταξη 2.1.1 Περιγραφή διάταξης Αρχικά είναι αναγκαίο να αναφέρουμε πως στην διάθεσή μας είχαμε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, LUXOR / module type : LX 80M / 125 36B, το οποίο αποτελείται από 36 φωτοβολταϊκά στοιχεία που είναι κατασκευασμένα από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (Si) συνδεδεμένα σε σειρά τα χαρακτηριστικά του οποίου είναι : Η τάση ανοιχτού κυκλώματος : Voc = 22V και το ρεύμα βραχυκυκλώσεως : Isc = 4,9A. Επιπλέον χαρακτηριστικά μεγέθη αποτελούν η μέγιστη ισχύς που μας δίνει υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας (STC) [3,11,30], Pmax = 80W με Vm = 18V και Im = 4,5A. Προκειμένου λοιπόν να μπορούμε να παίρνουμε τις σειρές μετρήσεων χρησιμοποιήσαμε έναν Data Logger CR_10, ο οποίος έχει τον δικό του κώδικα προγραμματισμού και χρειάστηκε να φτιάξουμε ένα πρόγραμμα μέσω του οποίου θα δώσουμε τις διάφορες εντολές για την λειτουργία ολόκληρου του συστήματός μας. Εικόνα 12: Data Logger CR_10 Πάτρα 2009 Σελίδα 23

Χρήσιμο εργαλείο για την διεκπεραίωση του πειράματος μας αποδείχθηκε ακόμα και ένας Multiplexer AM416 που μας επέτρεψε να πολλαπλασιάσουμε τα κανάλια εισόδου, διότι θέλαμε στο φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο να τοποθετήσουμε έξι θερμοζεύγη προκειμένου να ελέγχουμε κάθε στιγμή τη μέση θερμοκρασία του πλαισίου μας. Εικόνα 13: ΑΜ416 / RELAY MULTIPLEXER Το σημαντικότερο όμως κομμάτι της πειραματικής μας διάταξης έπρεπε να το δημιουργήσουμε μόνοι μας από την αρχή, επάνω βέβαια στο οποίο θα ενωθούν όλα τα επιμέρους κομμάτια και οι παραπάνω συσκευές που περιγράψαμε προκειμένου να πάρουμε σωστές μετρήσεις από το πλαίσιό μας κατά την έκθεσή του στην ηλιακή ακτινοβολία. Έπρεπε να φτιάξουμε δύο ολοκληρωμένα κυκλώματα και να τα βάλουμε μέσα στο Πάτρα 2009 Σελίδα 24

ίδιο κουτί. Το ένα λοιπόν κύκλωμα ονομάζεται ramp generator και το άλλο I V tracer. Το κύκλωμα του ramp generator είναι υπεύθυνο στο να ελέγχει την συχνότητα του παλμού που στέλνουμε στο κύκλωμα από τον Data Logger. Καθορίζει επιπλέον το κατώτερο και το ανώτερο όριο της ράμπας του παλμού. Το σήμα το οποίο καθορίζεται από τον Data Logger καθ όλη τη διάρκεια του πειράματός μας είναι σταθερό. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ενός κώδικα που διαβάζεται μόνο από τον Data Logger και έχουμε εισάγει το ύψος του παλμού εξ αρχής μέσα σε αυτό το πρόγραμμα. Τέλος επάνω στον I V tracer συνδέουμε το φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο και μέσω αυτού του κυκλώματος παίρνουμε τα πειραματικά μας δεδομένα που εμφανίζονται στον υπολογιστή και φυσικά χρειάζονται μετατροπή για να πάρουμε την τάση του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου σε (V) και το ρεύμα αντίστοιχα σε (Α). (βλέπε υποκεφάλαιο 2.1.2 Ρυθμίσεις) Εικόνα 14: Κουτί με τα 2 ολοκληρωμένα κυκλώματα Πάτρα 2009 Σελίδα 25

Επιπλέον στοιχεία για τη σωστή λειτουργία της διάταξής μας αποτελούν τρεις μπαταρίες των 12V, ένα πυρανόμετρο, ένας φορητός υπολογιστής για να μπορούμε να παρακολουθούμε τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου σε πραγματικό χρόνο αλλά και για να μαζεύουμε τις σειρές των μετρήσεών μας καθώς και μια βάση κινούμενη για να τοποθετήσουμε επάνω όλα αυτά τα εργαλεία. Η κινούμενη βάση μας βοήθησε να ακολουθήσουμε την πορεία του ήλιου καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Ακολουθούν ορισμένες φωτογραφίες προκειμένου ο αναγνώστης να καταλάβει ακριβώς την πειραματική μας διάταξη. Εικόνα 15: Όλες οι συσκευές μας ενωμένες κατά τη διάρκεια των μετρήσεων μας Πάτρα 2009 Σελίδα 26

Εικόνα 16: Πίσω μέρος της πειραματικής μας διάταξης Εικόνα 17: Μπροστινό μέρος που εκτίθεται στην ηλιακή ακτινοβολία Πάτρα 2009 Σελίδα 27

2.1.2 Ρυθμίσεις της πειραματικής διάταξης Η μελέτη η οποία έγινε σε αυτό το σημείο αφορά την ρύθμιση της ρυθμιστικής αντίστασης την οποία μεταβάλλουμε στο εξωτερικό μέρος του κυκλώματος μας (κουτιού) στην μπροστινή πλευρά (Εικόνα 18) προκειμένου να πετυχαίνουμε μεγαλύτερη διασπορά σημείων στις γραφικές παραστάσεις για να κρίνουμε με μεγαλύτερη ευκολία την συμπεριφορά του φωτοβολταϊκού μας. Πήραμε διαδοχικές σειρές μετρήσεων τοποθετώντας τη ρυθμιστική μας αντίσταση σε έξι θέσεις σχεδόν συμμετρικές προκειμένου να αποφασίσουμε το σημείο στο οποίο τη θέλουμε για να μας δίνει το κουτί τα πιο σωστά αποτελέσματα, δηλαδή την καλύτερη I V και P V καμπύλη. Εικόνα 18: Το κουτί του κυκλώματος και η ρυθμιστική αντίσταση για την οποία έγινε η παρακάτω μελέτη Πάτρα 2009 Σελίδα 28

Στο ένα αρχείο που δημιουργήσαμε με όνομα δεδομένα με καινούριο κουτί ρυθμιστική μπροστά εμφανίζονται τρία φύλλα εργασίας. Στο φύλλο εργασίας με τίτλο δεδομένα από Data Logger είναι τα πειραματικά μας δεδομένα όπως τα πήραμε από τον Data Logger. Αναλυτικά μπορούμε να αναφέρουμε ότι στην αρχή κάθε σειράs μετρήσεων στις δύο πρώτες γραμμές στην στήλη Β εμφανίζεται η ημέρα του έτους κατά την οποία πήραμε την εκάστοτε μέτρηση π.χ. 83 η, στην στήλη C η ώρα της μέτρησης π.χ. 1617 (τέσσερις και δεκαεπτά λεπτά), στην στήλη Ε η ένταση της ακτινοβολίας π.χ. 922 (W/m 2 ) ενώ στην δεύτερη γραμμή και στις στήλες D I εμφανίζονται οι ενδείξεις των έξι θερμοζευγών που έχουμε τοποθετήσει επάνω στο φωτοβολταϊκό μας προκειμένου να παίρνουμε και την αλλαγή της θερμοκρασίας του με κάθε μέτρηση, στις συγκεκριμένες όμως μετρήσεις επειδή δεν μας ενδιαφέρει προς το παρών η μεταβολή της θερμοκρασίας είναι αποσυνδεδεμένα με αποτέλεσμα να παίρνουμε αυτές τις περίεργες τιμές π.χ. 6999. Μια ακόμα και μάλιστα η σημαντικότερη παρατήρηση την οποία είναι απαραίτητο να κάνουμε σε αυτό το σημείο είναι ότι από την τρίτη γραμμή, κάθε σειράς μετρήσεων, ξεκινούν στις στήλες Β και C οι τιμές της τάσης και του ρεύματος αντίστοιχα, οι οποίες μάλιστα δεν είναι σε (V) και (Α) αντίστοιχα αλλά χρειάζονται μετατροπή, την οποία φυσικά θα την εξηγήσουμε αναλυτικά παρακάτω και βρίσκεται στο φύλλο του Excel με όνομα πρόγραμμα υπολογισμού. Πάτρα 2009 Σελίδα 29

Εικόνα 19: Παρουσίαση των δεδομένων από τον data logger Έτσι λοιπόν για αυτό τον λόγο δημιουργήσαμε ένα φύλλο εργασίας με το όνομα πρόγραμμα υπολογισμού στο οποίο μπορούμε να Πάτρα 2009 Σελίδα 30

πάρουμε όπως είναι αυτούσιες τις μετρήσεις από τον Data Logger και να τις τοποθετήσουμε στις στήλες Α και B. Απευθείας λοιπόν στη στήλη C διαιρούνται οι τιμές της Α με το 69 και μετατρέπονται σε (V) ενώ στη στήλη D οι τιμές της Β διαιρούνται με το 100 και μετατρέπονται σε (Α), θα πρέπει να πούμε πως αυτοί οι παράγοντες είναι σταθεροί για τον συγκεκριμένο Data Logger. Όσον αφορά τα αποτελέσματα στη στήλη Ε είναι το γινόμενο των τιμών των στηλών C και D που μας δίνει την ισχύ σε (W). Στην στήλη F επιλέγεται και καταχωρείται αυτόματα η μέγιστη τιμή της ισχύος από την στήλη E προκειμένου να υπολογιστεί και να καταχωρηθεί στη συνέχεια αυτόματα στη στήλη H η απόδοση (n%) μέσω του τύπου : n = Pmax 100 G 0.504 Απαραίτητη προϋπόθεση είναι να καταχωρήσουμε στη στήλη G χειροκίνητα την ένταση της ακτινοβολίας που αντιστοιχεί στην εκάστοτε σειρά μετρήσεων. Επιπλέον στον παρανομαστή του κλάσματος που υπολογίζει την απόδοση εμφανίζεται ένας συντελεστής ο 0.504 ο οποίος είναι η επιφάνεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου σε m 2. Θα πρέπει να τονίσουμε πως είναι η καθαρή επιφάνεια που καλύπτουν τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που συνθέτουν το φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο. Τέλος στο συγκεκριμένο φύλλο εργασίας τοποθετούνται αυτόματα οι τιμές του ρεύματος, της ισχύς και της τάσης στην γραφική μας παράσταση προκειμένου να πάρουμε τις επιθυμητές καμπύλες I V και P V. Δηλαδή θα λέγαμε πως αυτό το φύλλο εργασίας είναι ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο στηρίζεται επάνω σε ένα είδη υπάρχον λογισμικό το Excel. Πάτρα 2009 Σελίδα 31

Εικόνα 20: Παράδειγμα επεξεργασίας με το αυτόματο πρόγραμμα μιας σειράς μετρήσεων Στο τελευταίο φύλλο εργασίας με τίτλο τελική μελέτη έχουμε εισάγει τα τελικά επεξεργασμένα αποτελέσματα τα οποία τα Πάτρα 2009 Σελίδα 32

παρουσιάζουμε πιο κάτω προκειμένου να δούμε που παίρνουμε τις ιδανικές καμπύλες I V και P V για να αφήσουμε σε εκείνο το σημείο την αντίσταση για όλη την διάρκεια των πειραματικών μετρήσεων της παρούσας εργασίας. Πάτρα 2009 Σελίδα 33

Πάτρα 2009 Σελίδα 34

Εικόνα 21: Γραφικές παραστάσεις αποτελεσμάτων Ύστερα λοιπόν από μια προσεκτική παρατήρηση των παραπάνω γραφικών παραστάσεων καταλήξαμε στο γεγονός ότι η θέση της ρυθμιστικής μας αντίστασης θα πρέπει να είναι αυτή που αντιστοιχεί στην γραφική με τίτλο από αριστερά και άλλο προς τα δεξιά, διότι εδώ παρουσιάζεται μια ικανοποιητική διασπορά σημείων αλλά και η καμπύλη I V εμφανίζει μια ομαλή πορεία, δηλαδή το ρεύμα και η τάση έχουν μια ομοιόμορφη συμπεριφορά κατά την διάρκεια της μέτρησης μας. 2.2 Ορθή λειτουργία φωτοβολταϊκού πλαισίου Πριν προχωρήσουμε στο κύριο κομμάτι της εργασίας που είναι, η λειτουργία του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου υπό συνθήκες χαμηλής έντασης ακτινοβολίας και μερική σκίασή του, είναι απαραίτητο να διαπιστώσουμε εάν η πειραματική μας διάταξη λειτουργεί σωστά και εάν μας δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα για το συγκεκριμένο πλαίσιο που έχουμε στη διάθεσή μας. Έτσι λοιπόν, αναγκαίο είναι να το εκθέσουμε Πάτρα 2009 Σελίδα 35

στην ηλιακή ακτινοβολία προκειμένου να πάρουμε μια σειρά μετρήσεων με συνθήκες που προσεγγίζουν τις κανονικές συνθήκες (STC), δηλαδή ηλιακή ακτινοβολία κοντά στα 1000 (W/m 2 ), θερμοκρασία 25 ο C και Α.Μ 1.5G, στη συνέχεια να μετατρέψουμε με κάποιους τύπους αυτές τις μετρήσεις σε κανονικές συνθήκες και τέλος να τις συγκρίνουμε με αυτά τα αποτελέσματα που αναγράφονται στο πίσω μέρος του πλαισίου μας και αποστέλλονται μαζί με το φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο από τον κατασκευαστή [3]. Αρχικά είναι απαραίτητο να βρούμε τους συντελεστές θερμοκρασίας για την τάση και το ρεύμα χωριστά (temperature coefficient), οι οποίοι είναι πολύ χρήσιμοι για την μετατροπή των πειραματικών μας δεδομένων σε κανονικές συνθήκες (STC) [3,4,30]. Αυτό πραγματοποιήθηκε με το να εκθέσουμε το φωτοβολταϊκό μας στην ηλιακή ακτινοβολία και να το αφήσουμε για όση ώρα χρειάζεται προκειμένου να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία του. Θα ξεκινήσουμε τις μετρήσεις από θερμοκρασία περιβάλλοντος και θα το αφήσουμε να φτάσει στη μέγιστη προκειμένου να δούμε σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών πως αλλάζει η τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc καθώς και το ρεύμα βραχυκυκλώσεως Isc σε σχέση με τη θερμοκρασία. Στους πίνακες που θα παραθέσουμε παρακάτω προκειμένου να δείξουμε την μεταβολή των μεγεθών θα δούμε να εμφανίζονται δύο τιμές ανά λεπτό. Αυτό το έχουμε ρυθμίσει εμείς μέσω του προγράμματος που έχουμε στείλει στον Data Logger διότι η αύξηση της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου είναι πολύ γρήγορη κυρίως κατά τη διάρκεια των πρώτων σειρών μετρήσεων και θέλουμε μεγαλύτερη ακρίβεια που θα μας χρειαστεί στις γραφικές παραστάσεις. Πάτρα 2009 Σελίδα 36

ΩΡΑ I sc (A) μέση T πλαισίου ( o C) 12.02 4,619 28,6317 4,619 31,1567 12.03 4,613 33,0117 4,593 34,7017 12.04 4,619 36,3233 4,619 37,8467 12.05 4,632 39,2300 4,619 40,1050 12.06 4,626 40,4783 4,632 41,3367 12.07 4,632 42,2583 4,652 42,8617 12.08 4,652 43,6667 4,646 44,3033 12.09 4,652 44,9233 4,639 45,6533 12.10 4,606 45,7150 4,593 45,8350 12.11 4,606 46,2067 4,646 46,7233 12.12 4,626 47,3283 4,639 47,2400 12.13 4,613 48,0817 4,613 48,1650 12.14 4,639 48,3067 4,665 49,0650 12.15 4,679 49,0917 4,632 49,2267 12.16 4,665 49,2317 4,699 49,6717 12.17 4,639 49,8167 4,646 49,8300 12.18 4,672 50,4017 4,665 50,6267 12.19 4,659 50,7267 4,639 50,7883 12.20 4,632 50,7933 4,626 51,2600 12.21 4,639 51,5683 4,639 51,5867 Η γραφική λοιπόν παράσταση η οποία αντιστοιχεί στον παραπάνω πίνακα και μέσω της οποίας θα βρούμε το συντελεστή θερμοκρασίας του ρεύματος είναι : Πάτρα 2009 Σελίδα 37

Αφού λοιπόν κάναμε και τη γραφική παράσταση πλέον είναι εύκολο να βρούμε τον συντελεστή θερμοκρασίας του ρεύματος αφού είναι ουσιαστικά η κλίση αυτής. Συντελεστής θερμοκρασίας ρεύματος : α = 0,0018 (Α/ ο C). Ενώ για τον συντελεστή θερμοκρασίας της τάσης θα έχω αντίστοιχα τον παρακάτω πίνακα : Πάτρα 2009 Σελίδα 38

ΩΡΑ V oc (V) μέση T πλαισίου ( o C) 12.02 21,79710 28,6317 21,59420 31,1567 12.03 21,46377 33,0117 21,33333 34,7017 12.04 21,21739 36,3233 21,13043 37,8467 12.05 21,02899 39,2300 20,97101 40,1050 12.06 20,92754 40,4783 20,88406 41,3367 12.07 20,82609 42,2583 20,76812 42,8617 12.08 20,71014 43,6667 20,68116 44,3033 12.09 20,62319 44,9233 20,57971 45,6533 12.10 20,55072 45,7150 20,55072 45,8350 12.11 20,52174 46,2067 20,52174 46,7233 12.12 20,47826 47,3283 20,47826 47,2400 12.13 20,40580 48,0817 20,40580 48,1650 12.14 20,37681 48,3067 20,33333 49,0650 12.15 20,34783 49,0917 20,30435 49,2267 12.16 20,31884 49,2317 20,28986 49,6717 12.17 20,30435 49,8167 20,28986 49,8300 12.18 20,26087 50,4017 20,23188 50,6267 12.19 20,21739 50,7267 20,21739 50,7883 12.20 20,23188 50,7933 20,17391 51,2600 12.21 20,17391 51,5683 20,20290 51,5867 Η γραφική λοιπόν παράσταση η οποία αντιστοιχεί στον παραπάνω πίνακα και μέσω της οποίας θα βρούμε το συντελεστή θερμοκρασίας της τάσης είναι : Πάτρα 2009 Σελίδα 39

Μέσω λοιπόν της κλίσης της γραφικής παράστασης έχουμε, Συντελεστής θερμοκρασίας τάσης : β = 0,07 (V/ o C). Στη συνέχεια της μελέτης μας για τη σωστή λειτουργία του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου θα πρέπει να δούμε ποια ώρα της ημέρας έχουμε μάζα αέρα, A.M : 1.5G. Περίπου στις 12.00 το μεσημέρι και όταν ο ήλιος είναι στο μέγιστο ύψος του διαπιστώνουμε ότι υπάρχει η επιθυμητή μάζα αέρα [3]. Επομένως θα εκθέσουμε το φωτοβολταϊκό μας εκείνη την ώρα για να πάρουμε την απαραίτητη σειρά μετρήσεων την οποία θα επεξεργαστούμε στη συνέχεια. Τα έξι θερμοζεύγη τα οποία είχαμε τοποθετήσει στο πλαίσιό μας κατά τη διάρκεια της μέτρησης, μας έδωσαν μέση θερμοκρασία πλαισίου Τ = 28,632 ο C. Ενώ η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ήταν G = 941,814 (W/m 2 ). Πάτρα 2009 Σελίδα 40

Η σειρά μετρήσεων η οποία μας ενδιαφέρει μπορεί να παρουσιαστεί μέσω ενός φύλλου του προγράμματος Excel : Εικόνα 22: Η σειρά μετρήσεων που χρειαζόμαστε μετά την επεξεργασία Πάτρα 2009 Σελίδα 41

Ενώ όσον αφορά την γραφική παράσταση που περιλαμβάνει όλα αυτά τα σημεία θα έχω : Ο κατασκευαστής λοιπόν του πλαισίου δίνει για τα χαρακτηριστικά του ότι παρουσιάζει : Pmax = 80W με V = 18V και I = 4,5A σε κανονικές συνθήκες (STC). Με βάση όμως το πείραμα έχω : Pmax = 74,406W με V = 17,536V και I = 4,243A. Ένα ακόμα στοιχείο που θα ελέγξω είναι και το ρεύμα βραχυκυκλώσεως : Isc κατασκευαστή = 4,9Α ενώ Isc πειράματος = 4,62Α. Εάν τώρα μετατρέψω τα πειραματικά μου δεδομένα σε κανονικές συνθήκες (STC) και μου προκύψουν τα αποτελέσματα του κατασκευαστή τότε σημαίνει ότι το φωτοβολταϊκό μου πλαίσιο λειτουργεί σωστά και είμαι έτοιμος να προχωρήσω στα επόμενα πειράματά μου. Τύποι μετατροπής σε STC συνθήκες [3]: Πάτρα 2009 Σελίδα 42

' Ιsc Ι sc = 1000 + ( 25 T ) Gref α (1) 1000 I I I T ' 2 = 1 + sc 1 + α 25 module Gref ( ) ( 25 ) V2 = V1 Rs I2 I1 + β Tmodule (3) (2) Χρησιμοποιώντας τον τύπο (1) θα μετατρέψω το πειραματικό ρεύμα βραχυκυκλώσεως σε STC συνθήκες : ' 4.62 = 1000 + ( 25 28.632) 0.0018 = 4.894 941.814 I sc Βλέπουμε λοιπόν πως η τιμή του κατασκευαστή είναι Isc = 4,9Α και το πείραμά μας, μας έδωσε Isc = 4,894A, άρα συμπίπτουν. Με βάση τον τύπο (2) θα έχω για την μετατροπή μου : I 2 1000 = 4.243 + 4.896 1 + 0.0018 ( 25 28.632) = 941.814 4.243 + 0.302 0.007 = 4.538 Διαπιστώνουμε με αυτό τον τρόπο ότι ο κατασκευαστής δίνει Imp = 4,5A και το πείραμα μας έδειξε Imp = 4,538A. Τέλος με βάση τον τύπο (3) θα έχω για την μετατροπή : ( ) ( ) V 2 = 17.536 0.5 4.538 4.243 + 0.07 25 28.632 = 17.536 0.148 + 0.254 = 17.642 Ο κατασκευαστής για την τάση δίνει Vmp = 18V και το πείραμα μας έδωσε Vmp = 17,642V. Τελικά με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα και υπολογίζοντας και την διορθωμένη Pmax = 80,06W όταν ο κατασκευαστής δίνει Pmax = 80W, εύκολα κατανοούμε πως το φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο λειτουργεί πολύ σωστά και με μεγάλη ακρίβεια. Συμπληρωματικά και πριν κλείσουμε το κεφάλαιο για την διερεύνηση της σωστής λειτουργίας του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου είναι απαραίτητο να αναφερθούμε και στον υπολογισμό του παράγοντα Πάτρα 2009 Σελίδα 43

πλήρωσης (FF) που και μέσω αυτού φαίνεται η ορθή λειτουργία του πλαισίου μας [30]. Στο υποκεφάλαιο 1.5 είδαμε τον τύπο του FF : FF Vm Im Pmax = = Voc Isc Voc Isc Έτσι λοιπόν με βάση τα στοιχεία του κατασκευαστή έχουμε : 80 FF = = 22 4,9 0,742 Ενώ με βάση την αναγωγή των στοιχείων του πειράματος μας σε STC συνθήκες για τον παράγοντα πλήρωσης έχουμε : 80,06 FF = = 21,63 4,894 0,756 Συμπερασματικά για την ολοκλήρωση της παρούσας μελέτης αναφέρουμε πως όλα τα αποτελέσματά μας έχουν μια πολύ μικρή απόκλιση από τα χαρακτηριστικά που μας έδωσε ο κατασκευαστής και αυτή δεν είναι κάτι σημαντικό διότι βρίσκεται μέσα στο όριο των σφαλμάτων που έχουν τα όργανά μας αλλά και αυτών που παρουσιάζονται από τις εκάστοτε περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια της συγκεκριμένης μέτρησης. Πάτρα 2009 Σελίδα 44

3 Λειτουργία Φωτοβολταϊκού Πλαισίου Υπό Συνθήκες Χαμηλής Έντασης Ακτινοβολίας Εισαγωγή Η ανάγκη εγκατάστασης ολοκληρωμένων φωτοβολταϊκών συστημάτων σε περιοχές με βορειότερο γεωγραφικό πλάτος απαιτεί να συμπεριληφθεί στο σχεδιασμό τέτοιων συστημάτων η επίδραση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην απόδοση αυτών. Πολλά μοντέλα φωτοβολταϊκών συστημάτων περιλαμβάνουν μόνο μία ή δύο παραμέτρους, συνήθως την θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών στοιχείων και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας από τη στιγμή που υποθέτουν ότι οι υπόλοιπες παράμετροι είναι ασήμαντες. Αυτό είναι γενικά σωστό για συστήματα που κατασκευάζονται για μέγιστη ενέργεια εξόδου [1]. Όταν φωτοβολταϊκές γεννήτριες εγκαθίστανται σε κτήρια πολλές σχεδιαστικές μελέτες αισθητικής ανταγωνίζονται με την μεγιστοποίηση της παραγόμενης ενέργειας. Έτσι συναντάμε πολλές φορές να τοποθετούνται φωτοβολταϊκά πλαίσια κάθετα ως προς το οριζόντιο επίπεδο αντικαθιστώντας γυάλινες κτηριακές επιφάνειες και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να ανακλάται μέρος της προσπίπτουσας ηλιακής Πάτρα 2009 Σελίδα 45

ακτινοβολίας και να έχουμε το φαινόμενο της λειτουργίας φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων υπό συνθήκες χαμηλής έντασης ακτινοβολίας [1]. 3.1 Μελέτη λειτουργίας φωτοβολταϊκού πλαισίου με ένταση ακτινοβολίας (100 1000 W/m 2 ) Η απόδοση των φωτοβολταϊκών γεννητριών είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος για την εγκατάστασή τους σε αυτόνομα ενεργειακά συστήματα. Η απόδοση μπορεί να γίνει ο κύριος γνώμονας για το κατά πόσο είναι εφικτό να εγκατασταθεί ένα σύστημα που σαν μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας θα έχει φωτοβολταϊκά στοιχεία. Μελέτες έχουν γίνει πάρα πολλές επάνω στην βιωσιμότητα τέτοιων αυτόνομων συστημάτων [1,8]. Το πρόβλημα όμως παρουσιάζεται και τέτοια μοντέλα γίνονται πολύ πιο πολύπλοκα όταν η ένταση της ακτινοβολίας αρχίζει να μειώνεται αισθητά. Διαφορετικές εντάσεις ακτινοβολίας μπορούν να μας δώσουν μια πιο λεπτομερή εικόνα επάνω στα χαρακτηριστικά λειτουργίας μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας από αυτή που δίνουν τα στοιχεία που συνοδεύουν την γεννήτρια από τα εργοστάσια σε STC συνθήκες [8]. Αρκετές μελέτες έχουν γίνει επάνω στην έκθεση φωτοβολταϊκών στοιχείων σε χαμηλές εντάσεις ακτινοβολίας, σε εργαστηριακό όμως επίπεδο. Δηλαδή η ακτινοβολία ήταν ελεγχόμενη, προερχόταν από τεχνητές πηγές φωτισμού που ονομάζονται ηλιακοί εξομοιωτές και η μείωση της έντασης προερχόταν προφανώς μέσω κάποιου Πάτρα 2009 Σελίδα 46

ποτενσιόμετρου, έτσι ώστε να μπορεί ο οποιοσδήποτε να την μεταβάλει κατά βούληση [5,6,7,8]. Ύστερα λοιπόν από όλα αυτά που αναφέραμε μπορούμε πλέον να πούμε πως μια από τις καινοτομίες της παρούσας εργασίας είναι η έκθεση μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας, σε περιβαλλοντικές συνθήκες με συνεχή πτώση της ηλιακής ακτινοβολίας όπως αυτή συμβαίνει με φυσικό τρόπο. Για την διεκπεραίωση του πειράματός μας εκμεταλλευτήκαμε την κάλυψη του ουρανού από σύννεφα που άλλοτε ήταν πιο αραιά και άλλοτε πιο πυκνά προκειμένου να κατανοήσουμε και να μελετήσουμε την συμπεριφορά του φωτοβολταϊκού μας κάτω από αντίξοες καιρικές συνθήκες. Η κυριότερη δυσκολία την οποία συναντήσαμε ήταν οι απότομες αλλαγές στην ένταση της ακτινοβολίας διότι ο ουρανός ήταν αρκετά ευμετάβλητος, δηλαδή εκεί που τα σύννεφα ήταν πολύ πυκνά και η ένταση ήταν περίπου στα 200 W/m 2 ξαφνικά εμφανιζόντουσαν ανοίγματα του ουρανού και μέσα σε λιγότερο από ένα λεπτό η ακτινοβολία εκτινασσόταν στα 1000 W/m 2. Όπως λοιπόν είναι εύκολα κατανοητό τα παιχνίδια του καιρού μας χάλασαν πολλές σειρές μετρήσεων για αυτό ήταν αναγκαίο να πάρουμε πάρα πολλές σειρές και να επιλέξουμε με προσοχή αυτές που αντιστοιχούσαν στην πιο σταθερή ένταση της μετρούμενης ακτινοβολίας. Πάτρα 2009 Σελίδα 47

3.1.1 Μελέτη φωτοβολταϊκού για εντάσεις ( 1200 400 W/m 2 ) Αυτό το οποίο εύκολα διαπιστώνουμε μέσα σπο την μελέτη των παραπάνω γραφημάτων είναι η εντυπωσιακή πτώση της τιμής του Πάτρα 2009 Σελίδα 48

ρεύματος που δίνει το φωτοβολταϊκό μας πλαισίο καθώς και την πτώση της συνολικής του ισχύς όσο μειώνεται η ένταση της ακτινοβολίας. Με μια πιο λεπτομερή ματιά είμαστε σε θέση να πούμε πως όταν η ένταση πέφτει από τα σχεδόν 1200W/m 2 στα 800W/m 2 η μείωση του ρεύματος είναι περίπου 3Α, δηλαδή σχεδόν στο μισό, κάτι που δεν παρατηρείται για χαμηλότερες εντάσεις. Ακριβώς την ίδια συμπεριφορά έχει και η ισχύ από τα σχεδόν 80W πέφτει απότομα κοντά στα 40W. Μια αντίστοιχη όμως μείωση της ακτινοβολίας κάτω από τα 800W/m 2, δηλαδή της τάξης των 400W/m 2, δεν επηρεάζει τόσο πολύ τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πλαισίου μας και η μείωση ανέρχεται στο 30% της προηγούμενης, που σημαίνει ότι έχουμε μείωση κοντά στο 1Α για το ρεύμα και 10W για την ισχύ. 3.1.2 Μελέτη φωτοβολταϊκού για εντάσεις ( 470 70 W/m 2 ) Πάτρα 2009 Σελίδα 49

Είναι πλέον φανερό από την παράθεση των προηγούμενων γραφικών παραστάσεων πόσο επηρεάζεται το φωτοβολταίκό μας πλαισίο όταν εκτίθεται σε χαμηλές εντάσεις ακτινοβολίας, που φανερώνονται κυρίως κατά τους χειμερινούς μήνες ή σε περιοχές που βορειότερο γεωγραφικό πλάτος από ότι η Ελλάδα. Είναι απαραίτητο επιπλέον να αναφέρουμε πως εντάσεις ακτινοβολίας της τάξης των 100W/m 2 και μικρότερες συναντάμε σε κλειστούς εσωτερικούς χώρους [8] για αυτό το λόγο και δεν μας αφορούν άμεσα τέτοια μεγέθη. Απλά έτυχε μια ημέρα να παίρνουμε τόσο χαμηλές εντάσεις και ήταν αρκετα ενδιαφέρον να δούμε και τόσο χαμηλά πως συμπεριφέρεται το φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο. 3.1.3 Μεταβολές χαρακτηριστικών μεγεθών σε όλο το εύρος της ακτινοβολίας (1000 70 W/m 2 ) Δύο επιπλέον στοιχεία στα οποία είναι αξιοσημείωτο να αναφερθούμε είναι η μεταβολή της τάσης ανοιχτούς κυκλώματος Voc και Πάτρα 2009 Σελίδα 50

της απόδοσης σαν συνάρτηση της έντασης της ακτινοβολίας. Για σωστά συμπεράσματα είναι απαραίτητο να επιλέξουμε σωστά τις σειρές μετρήσεων που θα αξιοποιήσουμε διότι ακόμα και αμελητέες διαφορές που πιθανόν να υπάρχουν είναι πολύ σημαντικές για την εξαγωγή των επιθυμητών αποτελεσμάτων. Με βάση λοιπόν τη θεωρία περιμένουμε την τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc να ελλατώνεται όσο μειώνεται η ένταση της ακτινοβολίας και μάλιστα αισθητά όταν φτάνει η ένταση σε μεγέθη τάξης μικρότερης των 50W/m 2 [1]. Το πείραμά μας, μας έδωσε την παραπάνω γραφική παράσταση που βλέπουμε πως αν και η τάση ανοιχτού κυκλώματος παραμένει σταθερή γύρω από μια τίμη σχεδόν μέχρι τα 200W/m 2 δεν παύει να υπάρχει και μια ανεπαίσθητη πτώση που όσο ασήμαντη και αν φαίνεται δεν είναι ενώ μάλιστα παίζει σημαντικό ρόλο στην διεξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων [1]. Πάτρα 2009 Σελίδα 51

Ένα επιπλέον κομμάτι το οποίο επιβεβαιώνεται από τα πειραματικά μας δεδομένα είναι η σταθερότητα που παρουσιάζει η απόδοση μέχρι τα 100 W/m 2 που μέχρι εκεί μας ενδιαφέρει ενώ μετά εμφανίζεται μια γραμμική μείωση. Όλα αυτά παρατηρούνται αν κάνουμε την γραφική παράστση της αποδόσης σαν συνάρτηση της ακτινοβόλιας και βάλουμε λογαριθμική κλίμακα στον άξονα της έντασης [8]. Η γραφική παράσταση που θα παραθέσουμε στη συνέχεια θα έχει αυτή τη μορφή διότι φαίνεται ότι υπάρχει εκθετική μείωση της απόδοσης από μια ορισμένη ένταση και κάτω [8]. Φυσικά στο πείραμά μας δεν μας ενδιαφέρει να παρουσιάσουμε την συμπεριφορά κάτω από τα 100W/m 2, αλλά οφείλουμε να παρουσιάσουμε αυτή τη μορφή διαγράμματος για πιο ασφαλή συμπεράσματα. Εικόνα 23: Γραφική παράσταση n(g) για δύο τύπους κρυσταλλικού πυριτίου [8] Τα πειραματικά μας δεδομένα μας δίνουν την παρακάτω γραφική παράσταση που μέχρι τα 100W/m 2 που μας ενδιαφέρουν παρουσιάζεται ακριβώς η ίδια συμπεριφορά της απόδοσης. Πάτρα 2009 Σελίδα 52

3.2 Δυσκολίες κατά την διεξαγωγή του πειράματος και λύση αυτών Όπως έχουμε προαναφέρει ενώ τα όργανα που χρησιμοποιήσαμε για την διεξαγωγή του πειράματος λειτουργούσαν πολύ σωστά οι καιρικές συνθήκες και οι απότομες αλλάγες αυτών ήταν που δημιούργησαν τα μεγαλύτερα προβλήματα. Η ένταση της ακτινοβολίας ήταν πολύ δύσκολο να μείνει σταθερή όταν είχαμε στον ουρανό σύννεφα διότι η διαπερατότητά τους δεν μπορεί να είναι σταθερή. Αποτέλεσμα αυτού είναι να έχουμε απότομες αλλαγές της έντασης της ακτινοβολίας σε πολύ μικρο χρονικό διάστημα ακόμα και μέσα σε λιγότερο από τριάντα δευτερόλεπτα που μας κατάστρεφε πολλές σειρές μετρήσεων ακόμα και το τελευταίο δευτερόλεπτο. Πάτρα 2009 Σελίδα 53

Εικόνα 24: Λανθασμένη σειρά μετρήσεων με αλλαγή της έντασης μια φορά Κατά τη διάρκεια της παραπάνω μέτρησης αλλάξε η ακτινοβολία μια φορά και αυτό είναι εμφανές από το γεγονός ότι όπως αρχίζει η καμπύλη ρεύματος τάσης φαίνεται ότι θα καταλήξει κοντά στα 2,5Α αλλά αυτή φτάνει στα 4,0Α και μας δίνει το πυρανόμετρο μετρούμενη ένταση ακτινοβολίας σχεδόν 940W/m 2 που προφανώς είναι λάθος. Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από το εγονός πως όταν άρχισε η σειρά μετρήσεων που διαρκεί τριάντα δευτερόλεπτα η ακτινοβολία ήταν πολύ χαμηλή και ξαφνικά στο τέλος εκτινάχτηκε κοντά στα 940 W/m 2 και μας χάλασε την μέτρηση. Πρέπει εδώ να πούμε πως ο Data Logger καταγράφει στο τέλος της κάθε σειράς την ένταση της ακτινοβολίας για αυτό μας έδωσε και αυτή τη μέτρηση. Ένα ακόμα παράδειγμα χαρακτηριστικής αλλαγής της έντασης της ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια των τριάντα δευτερολέπτων και μάλιστα Πάτρα 2009 Σελίδα 54

δύο φορές μέσα στην ίδια μέτρηση εμφανίζεται στην παρακάτω γραφική παράσταση. Εικόνα 25: Λανθασμένη σειρά μετρήσεων με δύο αλλαγές της έντασης Προκειμένου να περιορίσουμε αυτό το φαινόμενο που παρουσιάζεται από αστάθμητους παράγοντες, όπως είναι το περιβάλλον, πρώτον αλλάξαμε το πρόγραμμα του Data Logger προκειμένου να παίρνει πιο γρήγορα σειρές μετρήσεων έτσι ώστε να πετυχαίνουμε διαστήματα όσο γίνεται σταθερής έντασης ακτινοβολίας και δεύτερον αφήσαμε το φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο πολλές ώρες εκτεθειμένο στην ηλιακή ακτινοβολία για να έχουμε στην διάθεσή μας όσο περισσότερα στοιχεία μπορούσαμε και άντεχε φυσικά και η μνήμη του Data Logger. Πάτρα 2009 Σελίδα 55

4 Συμπεριφορά Φωτοβολταϊκού Πλαισίου Υπό Συνθήκες Μερικής Ελεγχόμενης Σκίασης Εισαγωγή Στο προηγούμενο κεφάλαιο είδαμε το περιβάλλον πως επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού μας πλαισίου, δηλαδή το πως συμπεριφέρεται όταν εκτίθεται ολόκληρο κάτω από την χαμηλή ένταση της ακτινοβολίας. Τώρα λοιπόν έφτασε η ώρα να συνεχίσουμε το πείραμά μας και να εξομοιώσουμε ορισμένες δύσκολες αληθινές καταστάσεις κάτω από τις οποίες μπορούν να βρεθούν οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες κατά τη διάρκεια ενός έτους. Αυτό σημαίνει ότι κάποιο κομμάτι του φωτοβολταϊκού πλαισίου ή ακόμα και ένα στοιχείο του μπορεί να σκιάζεται από κάποιο παράγοντα που δεν έχουμε υπολογίσει κατά την εγκατάσταση του ενώ το υπόλοιπο να εκτίθεται κανονικά σε μεγάλη ένταση ακτινοβολίας που προσεγγίζει τα 1000W/m 2 [23,28]. Τέτοιες συνθήκες μπορεί να προέλθουν από μια χιονόπτωση, από συσσωρευμένη σκόνη σε κάποιο σημείο του φωτοβολταϊκού πλαισίου και κυρίως όταν τοποθετούνται με κλίση κοντά στην κάτω ακμή του ή ακόμα Πάτρα 2009 Σελίδα 56

και από μεταφορά σωματιδίων τα οποία αφήνονται στην ατμόσφαιρα από τα διάφορα εργοστάσια που πιθανόν να βρίσκονται κοντά στην περιοχή εγκατάστασης μιας φωτοβολταϊκής διάταξης [23,28]. Εμείς λοιπόν εξομοιώσαμε τέτοιες συνθήκες με το να καλύπτουμε το φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο με μαύρα καλύμματα σε διάφορα σημεία και να παρακολουθούμε την συμπεριφορά του. Για να το πετύχουμε αυτό έπρεπε να επιλέξουμε ημέρες κατά τις οποίες η ένταση της ακτινοβολίας ήταν σταθερή, δηλαδή να έχουμε καθαρό ουρανό χωρίς σύννεφα έτσι ώστε η ακάλυπτη επιφάνεια να εκτίθεται κάτω από ομοιόμορφη κατανομή έντασης της ακτινοβολίας. Εικόνα 26: Μερική κάλυψη φωτοβολταϊκού πλαισίου από χιόνι Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να θυμίσουμε στον αναγνώστη πως το φωτοβολταϊκό μας πλαίσιο αποτελείται από 36 φωτοβολταϊκά στοιχεία τα οποία είναι τοποθετημένα σε μια διάταξη 4 στηλών και 9 γραμμών. Άρα πλέον μπορούμε να πούμε ότι το πείραμά μας χωρίστηκε σε 3 κύρια μέρη. Πάτρα 2009 Σελίδα 57