ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙA

ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Αυτόνομο Αυτοκινούμενο Φωτοβολταϊκό Σύστημα «ΦΑΕΘΩΝ» Solar Tracker Autonomous Vehicle «PHAETHON» ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙA ΣΤΑΥΡΟΥ ΔΗΜΗΤΡΗΣ / ΤΡΙΦΥΛΛΗΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ Επιβλέπων: Καθηγητής Δ. Πογαρίδης Καβάλα 2009

1

Πρόλογος Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η κατασκευή ενός αυτόνομου αυτοκινούμενου φωτοβολταϊκού συστήματος (solar tracker vehicle) όπου χρησιμοποιείται για παραγωγή και αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοβολταϊκούς συλλέκτες. Η μέθοδος που υλοποιείται η τεχνική παρακολούθησης του ήλιου σ αυτή την εγασία, βασίζεται αποκλειστικά σε τέσσερις αισθητήρες. Η κίνηση γίνεται σε δυο άξονες κάθετο-οριζόντιο όπου πραγματοποιείται παράλληλα. Η ισχύς των αισθητηρίων μετράται καθ όλη την διάρκεια λειτουργίας του συστήματος από τον μικροελεγκτή αφού πρώτα μετατρέπει σε σήμα ικανό να οδηγηθεί σε αυτόν. Η διάταξη κινείται και στους δυο άξονες παράλληλα προς όλες τις κατευθύνσεις, με κλίση μέχρι 180 μοίρες και στην κατακόρυφή και στην οριζόντια, μέσω ενός ρομποτικού βραχίονα. Υπολογίζει την ισχύ σε όλες τις θέσεις μέχρι να καταλήξει σε μια καλή προσέγγιση της θέσης μέγιστης ισχύος. Η ανίχνευση του ήλιου επιτυγχάνεται σε πραγματικό χρόνο για τον λόγο ότι το σύστημα βρίσκεται σε όχημα όπου μπορεί να αλλάξει τοποθεσία οποιαδήποτε στιγμή. Η υλοποίηση περιλαμβάνει και επιλογές ελέγχου της διαδικασίας όπως χειροκίνητη χρήση του ηλιοστάτη, όπου επιτυγχάνεται η βέλτιστη τοποθεσία του με την χρήση μιας οθόνης lcd, οπού δείχνει κατάληλλες τιμές. Επιπλέον το σύστημα είναι αυτόνομο τροφοδοτούμενο μόνο με μπαταρίες όπου έχει την δυνατότητα φόρτισης από τον φωτοβολταϊκό συλλέκτη. Λέξεις κλειδιά Αυτόνομο σύστημα παρακολούθησης ήλιου, Παρακολούθηση ήλιου σε αυτοκινούμενο όχημα, Φωτοβολταϊκός ηλιοστάτης, Φωτοβολταϊκή τεχνολογία, Ανίχνευση θέσης ήλιου, Μικροελεγκτής AVR mega 32, Μοντέλο τροχιάς του ήλιου, Solar Tracker Vehicle, Photovoltaic system. 2

Ευχαριστίες Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον επιβλέποντα καθηγητή της πτυχιακής μας εργασίας κ. Δημήτρη Πογαρίδη για την ανάθεση, και την επίβλεψη της εργασίας και για την εμπιστοσύνη που μας έδειξε. Επίσης θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε την εταιρία MILTECH HELLAS για την βοήθεια της. Επίσης θα θελαμε να ευχαριστήσουμε τις οικογένειες μας, Σταύρου και Τριφύλλη που όλα αυτά τα χρόνια με την αγάπη και την ενθάρρυνση τους μας στήριξαν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στούς Παππούδες και στις Γιαγιάδες μας που συντέλεσαν και αυτοί με τον τρόπο τους. Αφιερώνουμε την πτυχιακή μας εργασία στον Νικόλαο Τριφύλλη, πατέρα και θείο. 3

Περιεχόμενα Πρόλογος... 2 Ευχαριστίες... 3 Περιεχόμενα... 4 Κεφάλαιο 1. Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο... 7 1.1 Γενικά... 7 1.2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ Φ/Σ... 8 1.3 Ηλιακή Ενέργεια... 9 1.3.1 Το Φώς... 9 1.3.2 Φάσμα και Χρώμα... 10 1.3.3 Απορρόφηση, σκέδαση και ανάκλαση του φωτός... 11 1.4 Γεωµετρία Ήλιου Γης... 12 1.4.1 Γεωµετρία Ήλιου Γης... 12 1.4.2 Η θέση του Ήλιου ως προς ένα σηµείο στη Γη... 13 1.4.3 Καθορισµός µίας τοποθεσίας στη Γη... 13 1.4.4 Το Οριζόντιο Σύστηµα... 14 1.4.5 Η θέση του Ήλιου... 15 1.4.6 Η ενέργεια που φτάνει στη Γη... 16 1.5 Υπολογισµός ακτινοβολίας σε συλλέκτη... 17 1.5.1 Υπολογισµός της φαινόµενης ακτινοβολίας σε ένα συλλέκτη... 17 1.5.2 Η γωνία πρόσπτωσης... 17 1.6 Ηλιακές κυψέλες... 18 1.6.1 Μέθοδος παραγωγής ηλιακών κυψελών... 19 1.6.2 Λειτουργία των ηλιακών κυψελών... 21 1.7 Φ/Β Πλαίσια (Συστοιχία)... 25 1.7.1 Συνιστώσες µιας Φ/Β συστοιχίας... 25 1.7.1.1 Η κυψέλη... 25 1.7.1.2 Συνδεσµολογία... 26 1.7.1.3 Πλαίσιο... 26 1.7.1.3 Ενθυλάκωση... 27 1.7.1.4 Δίοδοι... 28 1.7.1.5 Συστήµατα έδρασης / παρακολούθησης... 28 1.7.2 Λειτουργία των Φ/Β συστοιχιών... 29 1.7.2.1 Σύνδεση εν σειρά... 29 1.7.2.2 Σύνδεση εν παραλλήλω... 30 1.7.2.3 Δίοδοι... 32 Κεφάλαιο 2. Ανάλυση συστήματος... 33 2.1 Εισαγωγή... 33 2.2 Μηχανολογικό... 34 4

2.3 Μηχανολογικά σχέδια συστήματος... 41 2.4 Ηλεκτρολογικό... 45 2.4.1 Μικροελεγκτής... 45 2.4.1.1 Κύκλωμα τροφοδοσίας... 47 2.4.1.2 Κύκλωμα Μικροελεγκτή... 47 2.4.2 Κάρτα σύνδεσης περιφερειακών... 48 2.4.2.1 Κύκλωμα σύνδεσης PORT και τροφοδοσίας servo... 48 2.4.2.2 Κύκλωμα σύνδεσης φωτοβολταϊκών με συσσωρευτές και ADC... 51 2.4.3 Σύνδεση οθόνης... 53 2.4.4 Σύνδεση αντιστάσεων LDR... 53 Κεφάλαιο 3. Ο μικροελεγκτής AVR mega32... 56 3.1 Εισαγωγή... 56 3.2 Xαρακτηριστικά του μικροελεγκτή... 56 3.3 Η συχνότητα λειτουργίας..... 59 3.4 Επανεκκίνηση του μικροελεγκτή... 59 3.5 Εξωτερικές διακοπές (external interrupts)... 60 3.6 Αναλογικός/Ψηφιακός Μετατροπέας (ADC)... 61 3.7 Πόρτες Εισόδου/Εξόδου (Ι/Ο)... 65 3.8 Εναλλακτικές λειτουργίες Πόρτα Εισόδου/Εξόδου... 67 Κεφάλαιο 4. Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή... 70 4.1 Εισαγωγή... 70 4.2 Ο Κώδικας της εργασίας... 78 4.3 Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή. 84 Κεφάλαιο 5. Συμπεράσματα και βελτίωση... 85 Βιβλιογραφία... 86 Παράρτημα : Φύλλα δεδομένων(datasheets) 87 5

6

Κεφάλαιο 1 Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο 1.1 Γενικά Πέρα από τη µορφή της εµπεριεχόµενης διόδου, τα ηλιακά στοιχεία βασίζουν τη λειτουργία τους στη δηµιουργία ενός ηλεκτροστατικού φράγµατος δυναµικού το οποίο εκτείνεται σε όλο το πλάτος του στοιχείου που δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία Αυτό το φράγµα δυναµικού βρίσκεται κατανεµηµένο σε µικρό βάθος από την επιφάνεια και τοποθετείται από την πλευρά από την οποία προσπίπτει το φώς. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας µε ενέργεια ίση ή µεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ηµιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χηµικό δεσµό και να δηµιουργηθεί ένα ζεύγος ελεύθερων φορέων: δηλ ένα ηλεκτρόνιο της ζώνης αγωγιµότητας και µία οπή στη ζώνη σθένους. Η αναγκαιότητα ύπαρξης του ηλεκτροστατικού φράγµατος δυναµικού πηγάζει από την απαίτηση για διαχωρισµό των θετικών και αρνητικών φορέων φορτίου και την συγκέντρωση τους πάνω στις δύο όψεις του ηλιακού στοιχείου, δηλ την φωτιζόµενη και την πίσω όψη τους. Συγκεκριµένα, επειδή µερικά από τα ζεύγη των φορέων αυτών δηµιουργούνται µέσα ή/και δίπλα από τη περιοχή του ηλεκτροστατικού φράγµατος δυναµικού διαχωρίζονται προκειµένου να ελαχιστοποιήσουν την δυναµική τους ενέργεια. Για την κατανόηση του µηχανισµού µπορούµε να υποθέσουµε ότι τα ηλεκτρόνια συµπεριφέρονται σαν σφαίρες µάζας m e που κυλούν πάνω σε κεκλιµένο επίπεδο) ενώ οι οπές συµπεριφέρονται σαν φυσαλίδες (θέσεις στις οποίες απουσιάζει η µάζα ενός ηλεκτρονίου) που αιωρούνται µέσα σε ένα υγρό. Στο µοντέλο αυτό, το ηλεκτρόνιο (σφαίρα) ελαχιστοποιεί τη δυναµική του ενέργεια κινούµενο προς τα κάτω, ενώ η οπή (φυσαλίδα) ελαχιστοποιεί τη δυναµική της ενέργεια κινούµενη προς τα άνω σε ένα διάγραµµα δυναµικής ενέργειας. Για παράδειγµα, σε µια δίοδο ρ-π τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τµήµα τύπου π και οι οπές εκτρέπονται προς το τµήµα τύπου ρ, µε αποτέλεσµα να συσσωρεύονται φορτία στις δύο αντικρινές επιφάνειες και να δηµιουργείται µια διαφορά δυναµικού ανάµεσα στους ακροδέκτες των δύο τµηµάτων του ηλιακού στοιχείου, για όσο διάστηµα υπάρχει η οπτική διέγερση. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται φωτοβολταϊκό φαινόµενο. 7

1.2 Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά των Φ/Σ Η περιγραφή κάθε διάταξης και η κατανόηση της λειτουργίας της, µπορεί να γίνει µέσα από το ισοδύναµο ηλεκτρικό κύκλωµα. Ένα απλοποιηµένο ισοδύναµο κύκλωµα του φωτοβολταϊκού στοιχείου περιγράφεται στο σχήµα 1. Αποτελείται από µία πηγή ρεύµατος, που ελέγχεται οπό µία δίοδο. Σχήµα 1: Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτιζόμενου ηλιακού στοιχείου Εφαρµόζοντας τον νόµο ρευµάτων Kirchhoff στο σχήµα 2, προκύπτει ότι, ισχύει η σχέση Iφ = ll + ld όπου, lφ είναι το φωτόρρευµα που είναι ανάλογο προς τα φωτόνια που απορροφά το ηλιακό στοιχείο, ld το ρεύµα που διαρρέει τον κλάδο της διόδου, και ll το ρεύµα που διαρρέει το εξωτερικό φορτίο. 8

1.3 Ηλιακή Ενέργεια 1.3.1 Το φώς Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο µε 10.000 φορές περίπου την ετήσια παγκόσµια ενεργειακή κατανάλωση. Κατά µέσο όρο, προσπίπτουν 1700 kwh σε κάθε τετραγωνικό µέτρο κάθε χρόνο. Το φως του ήλιου που φθάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται κυρίως από δύο συνιστώσες, συγκεκριµένα το άµεσο φως και το έµµεσο ή διάχυτο φως, το οποίο είναι το φως που έχει διασκορπιστεί από τα µόρια της σκόνης και του νερού στην ατµόσφαιρα. Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιµοποιούν όχι µόνο την άµεση συνιστώσα του φωτός αλλά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και µε νεφοσκεπή ουρανό. Συνεπώς, αποτελεί παρεξήγηση ότι τα Φ/Β συστήµατα λειτουργούν µόνο µε απόλυτη ηλιοφάνεια, οπότε δεν είναι κατάλληλα για χρήση σε εύκρατα κλίµατα. Αυτό δεν ισχύει, αφού τα Φ/Β χρησιµοποιούν τόσο τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία όσο και το άµεσο φως του ήλιου. Για να προσδιοριστεί το δυναµικό ηλεκτροπαραγωγής ενός Φ/Β σε µια συγκεκριµένη θέση, είναι σηµαντικό να εκτιµηθεί η µέση συνολική ηλιακή ενέργεια που λαµβάνεται κατά τη διάρκεια ενός έτους, αντί να γίνεται αναφορά στη στιγµιαία ακτινοβολία. Μέσω των Φ/Β κυψελών, η ακτινοβολία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισµού. Όταν το φως του ήλιου προσπίπτει σε µια κυψέλη παράγεται συνεχές ρεύµα (ΣΡ) και, θέτοντας ένα ηλεκτρικό φορτίο από την άλλη, το ρεύµα αυτό µπορεί να αξιοποιηθεί. Πάντως, δεν µπορεί να µετατραπεί όλο το φως σε ηλεκτρισµό, καθώς οι Φ/Β κυψέλες χρησιµοποιούν κυρίως το ορατό φως. Μεγάλο µέρος της ηλιακής ενέργειας κείται στην υπέρυθρη - ή θερµή - και την υπεριώδη ακτινοβολία, γεγονός που εξηγεί τις χαµηλές τιµές των θεωρητικών αποδοτικοτήτων µετατροπής (20-30%). Πρακτικές ατέλειες, π.χ. ανοµοιογένειες, µπορούν να µειώσουν ακόµα περαιτέρω την απόδοση µιας Φ/Β κυψέλης. Το ποσό της ωφέλιµης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ένα Φ/Β στοιχείο σχετίζεται άµεσα µε την ένταση της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει επάνω στην επιφάνεια µετατροπής. Έτσι, όσο µεγαλύτερος είναι ο διαθέσι µος ηλιακός πόρος, τόσο µεγαλύτερο είναι το δυναµικό ηλεκτροπαραγωγής. Για παράδειγµα, οι τροπικοί προσφέρουν έναν καλύτερο πόρο για παραγωγή ηλεκτρισ µού από αυτόν που είναι διαθέσιµος σε µεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Εξάλλου, είναι προφανές ότι ένα Φ/Β σύστηµα δεν παράγει ηλεκτρισµό κατά τη διάρκεια της νύχτας, ενώ είναι σηµαντικό να µην σκιάζονται τα στοιχεία. Εάν απαιτείται ηλεκτρισµός πέρα από τις ώρες που υφίσταται το φως της ηµέρας, ή 9

εάν αναµένονται εκτεταµένες περίοδοι κακοκαιρίας, είναι απαραίτητο κάποιο είδος συστήµατος αποθήκευσης. Προκειµένου να αποληφθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ενέργεια, η Φ/Β κυψέλη πρέπει να προσανατολίζεται προς τον ήλιο. Εάν οι κυψέλες έχουν σταθερή θέση, πρέπει να βελτιστοποιηθεί ο προσανατολισµός τους ως προς το νότο και η γωνία κλίσης τους ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Η βέλτιστη γωνία κλίσης κυµαίνεται σε ένα εύρος περίπου 150 του γεωγραφικού πλάτους της θέσης. Για παράδειγµα, η βέλτιστη γωνία κλίσης για τα διασυνδεδε µένα Φ/Β συστήµατα στη Δυτική Ευρώπη είναι περίπου 350. Για περιοχές πλησιέστερα στον ιση µερινό αυτή η γωνία κλίσης θα είναι µικρότερη, ενώ για περιοχές πλησιέστερα στους πόλους θα είναι µεγαλύτερη. Μια απόκλιση της γωνίας κλίσης κατά 30 µοίρες από τη βέλτιστη γωνία θα οδηγήσει σε απώλειες µικρότερες από το 10% της µέγιστης παραγωγής. Τα Φ/Β στοιχεία είναι στην πραγµατικότητα πιο αποδοτικά σε χα µηλότερες θερ µοκρασίες, οπότε για να εξασφαλιστεί ότι δεν υπερθερ µαίνονται, είναι ση µαντικό να τοποθετούνται µε τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπεται στον αέρα να κινείται ελεύθερα γύρω από αυτά. Αυτό αποτελεί µια ιδιαίτερα ση µαντική θεώρηση σε τοποθεσίες που το µεσηµέρι είθισται να εµφανίζονται εξαιρετικά υψηλές θερ µοκρασίες. Οι ιδανικές συνθήκες λειτουργίας ενός Φ/Β είναι οι σχετικά ψυχρές, φωτεινές και ηλιόλουστες η µέρες. 1.3.2 Φάσμα και Χρώμα Το φως καλύπτει ένα ευρύ φάσµα ενεργειών. Ένα σύνολο φωτονίων µε διαφορετικές ενέργειες ονοµάζεται φάσµα. Η ακτινοβολία σε αυτήν την περίπτωση είναι το σύνολο όλων των φασµατικών συνεισφορών. Η ενέργεια ενός φωτονίου στην ορατή περιοχή µπορεί να εκτιµηθεί από το χρώµα του. Η σχέση ανάµεσά τους φαίνεται στο σχήµα 1.1. Σε αυτό το σχήµα καλύπτεται το εύρος του φάσµατος που µας ενδιαφέρει για τις περισσότερες ηλιακές εφαρµογές. Σχήμα 2: Σχέση ανάμεσα στην ενέργεια, το χρώμα και το μήκος κύματος 10

Το λευκό φως που βλέπουµε συνήθως είναι ένα µείγµα όλων των ενεργειακών καταστάσεων. Ο όρος φασµατική ακτινοβολία περιγράφει την ακτινοβολία σε ένα δεδοµένο εύρος ενέργειας και µετράται σε W/(m2 *nm) ή W/m 2 *ev). Γενικά, η προσθήκη του όρου φασµατικό µπροστά από µια έκφραση δείχνει ότι αυτή η ποσότητα υπολογίζεται ανά nm ή ανά ev. Στις πρακτικές εφαρµογές αναφερόµαστε συνήθως σε nm. 1.3.3 Απορρόφηση, σκέδαση και ανάκλαση του φωτός Το φως εξασθενεί καθώς διαπερνά την ύλη (και µετασχηµατίζεται σε µία άλλη µορφή ενέργειας). Απορροφάται σύµφωνα µε το νόµο Lambert-Βeer- Βοuguer: l(x) = l(x =O)e- aχ Όπου l(x) είναι η ένταση στην µελετούµενη θέση, σε βάθος x από την επιφάνεια του υλικού. Αυτή η συµπεριφορά µας οδηγεί στο συµπέρασµα ότι µεγάλο µέρος της ακτινοβολίας απορροφάται κοντά στην επιφάνεια, όπως φαίνεται στο Σχήµα 3. Σχήμα 3: Διάγραµµα µίας καµπύλης απορρόφησης. Το φως εισχωρεί στο υλικό στο σηµείο X = 0 µε ένταση I0 και απορροφάται σύµφωνα µε το νόµο Lambert-Beer-Bouguer. Η σταθερά απορρόφησης είναι συνάρτηση της συχνότητας του φωτός. Διασπορά είναι η απορρόφηση ενός φωτονίου ακολουθούµενη από την εκποµπή ενός άλλου φωτονίου. Σε αυτήν τη διαδικασία το φωτόνιο εκπέµπεται προς µία τυχαία κατεύθυνση, όχι απαραίτητα την αρχική. Στην ατµόσφαιρα τα φωτόνια απορροφούνται από άτοµα, οδηγώντας σε ένα σηµαντικό φασµατικό φαινόµενο, όπως θα φανεί αργότερα. 11

Το εισερχόµενο φως ανακλάται µερικώς σε κάθε σύνορο που υπάρχει ανάµεσα σε δύο διαφορετικά υλικά (διεπιφάνεια). Ένα µέρος εισέρχεται στο υλικό, ενώ το άλλο ανακλάται. Η ακριβής συµπεριφορά εξαρτάται από την οπτική πυκνότητα των υλικών και τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός. 1.4 Γεωµετρία Ήλιου - Γης 1.4.1 Γεωμετρία Ήλιου Γης Τα µαθηµατικά που καθορίζουν την κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο είναι ιδιαίτερα πολύπλοκα, αν λάβουµε υπ' όψιν µας ότι ο Ήλιος αποτελεί ένα σταθερό σηµείο ως προς τη Γη. Η Γη κινείται σε µία ελλειπτική τροχιά γύρω από τον Ήλιο. Το επίπεδο που περιέχει αυτήν την τροχιά ονοµάζεται εκλειπτικό επίπεδο (ecliptic plane). Η Γη χρειάζεται ένα χρόνο για να ολοκληρώσει µία περιστροφή γύρω από τον Ήλιο. Ακόµη, η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της, τον πολικό άξονα. Η γωνία που σχηµατίζεται ανάµεσα στο εκλλειπτικό επίπεδο και τον πολικό άξονα είναι ίση µε 23 μοίρες σε 45'. Αυτό σηµαίνει ότι η γωνία που σχηµατίζεται ανάµεσα στο επίπεδο του ισηµερινού και τη γραµµή που ενώνει το κέντρο της Γης µε το κέντρο του Ήλιου αλλάζει διαρκώς. Αυτή η γωνία είναι γνωστή ως ηλιακή απόκλιση δ. Αυτή η γωνία µπορεί να θεωρηθεί ότι είναι σταθερή στη διάρκεια µίας ηµέρας για τους περισσότερους υπολογισµούς, δεδοµένου ότι αλλάζει κατά λιγότερο από 0,5 μοίρες ανά ηµέρα. Οι εποχές δηµιουργούνται από την αλλαγή της κλίσης του άξονα περιστροφής της Γης ως προς τον άξονα της τροχιάς της Γης γύρω από τον Ήλιο. Το ύψος του Ήλιου (δηλ. η γωνία που σχηµατίζεται ανάµεσα στο οριζόντιο επίπεδο και τον Ήλιο) είναι πάντοτε µέγιστο το µεσηµέρι, αλλά για τροπικά γεωγραφικά πλάτη <23 μοίρες σε 27' από το επίπεδο του Ισηµερινού) ο µεσηµεριανός Ήλιος βρίσκεται σε κατακόρυφη θέση δύο φορές τον χρόνο, σε υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη ο Ήλιος πάντοτε βρίσκεται προς το επίπεδο του Ισηµερινού. Σε αρκτικές και ανταρκτικές περιοχές (> 90-23 μοίρες 27' από το επίπεδο του Ισηµερινού) ο Ήλιος βυθίζεται κάτω από τον ορίζοντα για παρατεινόµενες περιόδους τον χειµώνα και µένει πάνω από τον ορίζοντα για παρατεινόµενες περιόδους το καλοκαίρι. 12

Σχήµα 4: Αναπαράσταση του συστήµατος Ήλιου-Γης. Για τους περισσότερους υπολογισµούς της ηλιακής ενέργειας είναι πρακτικά χρήσιµο να υποθέσουµε ότι η Γη είναι σταθερή και ότι ο Ήλιος κινείται. Ο Ήλιος τότε ταξιδεύει σε ένα µεγάλο κύκλο γύρω από τη Γη, που ονοµάζεται ουράνια σφαίρα. Αυτή η κατάσταση παρουσιάζεται στο Σχήµα 4. 1.4.2 Η θέση του Ήλιου ως προς ένα σηµείο στη Γη Μέχρι τώρα εξετάζαµε την κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο. Ακολούθως θα παρουσιάσθούν τα µαθηµατικά που χρειάζονται για τον υπολογισµό της θέσης του Ήλιου. Η µέθοδος που περιγράφεται εδώ είναι επαρκή για τις περισσότερες τεχνολογικές εφαρµογές, ενώ για πιο εξελιγµένες εφαρµογές συνιστάται για το άρθρο των Holland και Mayer [Holland/Mayer (1988)] το οποίο παρέχει µία πολύ πιο ακριβή µέθοδο και περιλαµβάνει το αντίστοιχο πρόγραµµα του υπολογιστή. 1.4.3 Καθορισµός µίας τοποθεσίας στη Γη. Κάθε τοποθεσία στη Γη προσδιορίζεται από δύο σφαιρικές συντεταγµένες: το γεωγραφικό µήκος και το γεωγραφικό πλάτος. Το επίπεδο αναφοράς είναι το επίπεδο του Ισηµερινού, σε κάθετη θέση ως προς τον άξονα περιστροφής, που τέµνει την επιφάνεια της Γης κατά µήκος του Ισηµερινού. Οι κύκλοι που τέµνουν την επιφάνεια της Γης παράλληλα µε τον Ισηµερινό καθορίζουν το γεωγραφικό πλάτος. Το γεωγραφικό πλάτος ορίζεται ως η γωνία ανάµεσα στο επίπεδο του Ισηµερινού και τη νοητή γραµµή που ενώνει το κέντρο της Γης µε µία τοποθεσία που βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης. ΕξΌρισµού το γεωγραφικό πλάτος είναι θετικό στο Βόρειο ηµισφαίριο και αρνητικό στο Νότιο. Για τον προσδιορισµό του γεωγραφικού µήκους χρειαζόµαστε ένα επίπεδο σε κάθετη θέση ως προς τον Ισηµερινό που να περιλαµβάνει και τον άξονα περιστροφής. Αυτό το επίπεδο θα δηµιουργήσει έναν κύκλο τοµής, ή δύο ηµικύκλια από τον έναν πόλο στον άλλο 13

που ονοµάζονται µεσηµβρινοί. Στο γεωγραφικό µήκος µηδέν βρίσκεται εξόρισµού ο µεσηµβρινός που περνάει από το Greenwich στην Μ.Βρετανία. Το γεωγραφικό µήκος οποιασδήποτε τοποθεσίας καθορίζεται από τη γωνία που σχηµατίζεται ανάµεσα στο µεσηµβρινό µηδέν και το µεσηµβρινό που περνάει από την τοποθεσία αυτή. Στην περίπτωση αυτή, χρησιµοποιούνται θετικές αξίες για γεωγραφικά µήκη που βρίσκονται δυτικά του Greenwich. Οι ορισµοί αυτοί παρουσιάζονται στο Σχήµα 5 Σχήμα 5: Απεικόνιση του γεωγραφικού πλάτους Φ και του γεωγραφικού µήκους α. 1.4.4 Το Οριζόντιο Σύστηµα Το Οριζόντιο Σύστηµα θεωρεί ότι η Γη βρίσκεται στο κέντρο του σύµπαντος. Τα αστέρια, συµπεριλαµβάνοντας και τον Ήλιο, είναι στερεωµένα στην επιφάνεια της ουράνιας σφαίρας, ενώ οι αποστάσεις τους αγνοούνται. Αυτό το απλό πρότυπο µας βοηθά να κατανοήσουµε τις ηµερήσιες και τις ετήσιες κινήσεις του Ήλιου, ενώ η πρόβλεψη των κινήσεών του είναι επίσης σχετικά απλή. Αυτό φαίνεται στο Σχήµα 6. Το οριζόντιο σύστηµα αποτελεί το φυσικό σύστηµα συντεταγµένων για κάθε παρατηρητή. Το επίπεδο αναφοράς είναι το επίπεδο που εφάπτεται µε την επιφάνεια της Γης στην τοποθεσία του παρατηρητή. Αυτό το επίπεδο τέµνει την ουράνια σφαίρα στον ορίζοντα. Η τοµή της κάθετης σε αυτό το επίπεδο µε την ουράνια σφαίρα ονοµάζεται ζενίθ. Σε αυτό το σύστηµα συντεταγµένων η θέση του Ήλιου µπορεί να καθοριστεί από δύο γωνίες, το ύψος β (υπεράνω του ορίζοντα) και το αζιµούθιο Ζ. 14

Το ύψος είναι η γωνία υπό την οποία ο Ήλιος φαίνεται από έναν παρατηρητή. Το εύρος του µεταβάλλεται από -900 ως +900. Το ύψος είναι θετικό όταν ο Ήλιος βρίσκεται πάνω από τον ορίζοντα και αρνητικό όταν ο Ήλιος βρίσκεται από κάτω του. Η απόσταση από το ζενίθ ισούται µε 90 μοίρες - β. Το αζιµούθιο είναι η γωνία που σχηµατίζεται ανάµεσα σε µία ορισµένη κατεύθυνση και το αντικείµενο που περιγράφεται. Σε αυτήν την περίπτωση η κατεύθυνση αναφοράς είναι νότια. Οι γωνίες που κατευθύνονται προς την ανατολή θεωρούνται θετικές. Σχήµα 6: Οριζόντιο σύστηµα. 1.4.5 Η θέση του Ήλιου. Ο στόχος µας είναι να καθοριστεί η θέση του Ήλιου µε δύο γωνίες στο οριζόντιο σύστηµα, καθώς έτσι µας δίνεται η δυνατότητα να υπολογίσουµε σχετικά απλά την πρόσπτωση της ακτινοβολίας σε ένα συλλέκτη, όπως θα φανεί αργότερα. Η γωνία δ που σχηµατίζεται ανάµεσα στο επίπεδο του ουράνιου Ισηµερινού και τα κέντρα του Ήλιου και της Γης ονοµάζεται ηλιακή απόκλιση και υπολογίζεται µε τη βοήθεια της παρακάτω εξίσωσης: όπου Do Υ είναι η µέρα του χρόνου, η οποία µεταβάλλεται από 1 ως 365. 15

Η ηλιακή απόκλιση είναι µηδέν και στις δύο ισηµερίες, 23 μοίρες 27' κατά το θερινό ηλιοστάσιο και -23 μοίρες 27' κατά το χειµερινό ηλιοστάσιο. Σχήμα 7: Απεικόνιση των γωνιών που ορίζουν τη θέση του Ήλιου. Η γωνία ώρας ω είναι η γωνία που σχηµατίζεται ανάµεσα στο αζιµούθιο το µεσηµέρι και το φαινοµενικό αζιµούθιο του Ήλιου µε κάθε ώρα να αντιστοιχεί µε 15 μοίρες γεωγραφικού µήκους. Γνωρίζοντας το ω είµαστε σε θέση να υπολογισουµε το ύψος στο οποίο βρίσκεται ο Ήλιος, ως εξής: siη β = siη δ siη φ + cos δ cos φ cos ω = cos φ Ζ Στη συνέχεια, υπολογίζεται το αζιµούθιο ως εξής: 1.4.6 Η ενέργεια που φτάνει στη Γη Ο Ήλιος υποτείνεται σε γωνία 32 στη µέση απόσταση Ήλιου-Γης που είναι της τάξεως των 1,5x10^8 km.η γεωμετρία του παρουσιάζεται στο σχήμα 8. 16

Σχήμα 8: Γεωµετρία Ήλιου-Γης Λόγω της περιµέτρου των 40.000 km που διαθέτει η Γη η ισχύς που προσπίπτει πάνω της είναι της τάξεως των 174000 TW. Η εξασθένιση που προκαλείται από την ατµόσφαιρα έχει ως αποτέλεσµα µια µέγιστη ένταση 1 kw/m 2 στο επίπεδο της θάλασσας, δίνοντας ένα 24ωρο ετήσιο µέσο όρο της τάξεως των 0,2 kw/m^2 και µία 24ωρη ετήσια µέση ισχύ ίση µε 102 000 TW. Αυτό τροφοδοτεί το περιβάλλον, διατηρώντας το σύστηµα προστασίας της ζωής του γήινου οικοσυστήµατος και όλες τις µορφές ανανεώσιµης ενέργειας µε εξαίρεση την γεωθερµική ενέργεια. Το συνολικό ηλιακό απόθεµα ενέργειας ξεπερνά κατά 10 000 φορές την παρούσα παγκόσµια ενεργειακή ζήτηση. Όµως η παροχή αυτή χαρακτηρίζεται από τη χαµηλή πυκνότητα ισχύος και από τις γεωγραφικές ή/και χρονικές διακυµάνσεις. 1.5 Υπολογισµός ακτινοβολίας σε συλλέκτη 1.5.1 Υπολογισµός της φαινόµενης ακτινοβολίας σε ένα συλλέκτη Για την επίτευξη της μεγαλύτερης δυνατής συλλογής ο συλλέκτης πρέπει να είναι προσανατολισµένος προς τον ισηµερινό µε κλίση περίπου ίση µε το γεωγραφικό πλάτος. Για την επίτευξη της µέγιστης δυνατής απορρόφησης της χειµερινής ακτινοβολίας, η κλίση θα πρέπει να ορίζεται περίπου στο γεωγραφικό πλάτος + 10 μοίρες, ενώ για την αντίστοιχη της θερινής ακτινοβολίας, η κλίση θα πρέπει να ορίζεται περίπου ίση µε το γεωγραφικό πλάτος -10 μοίρες. Η γωνία του αζιµουθίου θα επηρεάσει την ηµερήσια κατανοµή της ακτινοβολίας. Κάθε 15 μοίρες της γωνίας του αζιµουθίου της επιφάνειας θα µετατοπίσουν την ηµερήσια κατανοµή της διατιθέµενης ενέργειας κατά µία περίπου ώρα προς το πρωί, αν η γωνία του αζιµουθίου από το Νότο είναι θετική και προς το απόγευµα αν η γωνία του αζιµουθίου από το Νότο είναι αρνητική. Οι πληροφορίες σχετικά µε την ηλιακή ακτινοβολία σε µια τοποθεσία δίνονται µε τη µορφή της συνολικής (άµεσης και διάχυτης) ακτινοβολίας σε µία οριζόντια επιφάνεια, Το albedo σε γενικές γραµµές δεν λαµβάνεται υπ' όψιν γιατί µπορεί να γίνει γνωστό µόνο όταν γνωρίζουµε το ακριβές περιβάλλον. Ο υπολογισµός πρέπει να εκτελεστεί σε δύο στάδια, πρώτα µε την εύρεση της 17

άµεσης και διάχυτης ακτινοβολίας και δεύτερον, µε τον ξεχωριστό υπολογισµό της επίδρασης της κλίσης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας για την κάθε µία συνιστώσα. 1.5.2 Η γωνία πρόσπτωσης. Είναι απαραίτητο σε πολλές εφαρµογές να γνωρίζουµε τη γωνία πρόσπτωσης γ που σχηµατίζεται ανάµεσα στην εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία και τον συλλέκτη. Ο συλλέκτης συνήθως βλέπει προς την κατεύθυνση του ισηµερινού, παρ'όλα αυτά εφαρµόζεται κάποιες φορές µία µικρή έλλειψη ευθυγράµµισης θ και έτσι μεγιστοποιείται συλλεγόµενη ενέργεια κατά τη διάρκεια µίας συγκεκριµένης περιόδου της µέρας. Η κλίση του συλλέκτη ορίζεται µε τη βοήθεια της γωνίας α. Αυτές οι σχέσεις παρουσιάζονται στο Σχήµα 9: Σχήμα 9: Ορισµός των γωνιών Η γωνία που σχηµατίζεται ανάµεσα στη δέσµη και τον συλλέκτη δίνεται από την εξίσωση: cos γ = sin δ sin φ cos α - sin δ cos φ sin α cos θ + cos δ cos φ cos α cos ω + cos δ cos φ sin α cos θ cos ω + cos δ sin α sin ω sin θ Η έκφραση αυτή φαίνεται πολύπλοκη, αλλά είναι βολική η χρήση της στις περισσότερες περιπτώσεις. Η εξίσωση είναι πολύ πιο απλή αν ο συλλέκτη; προσανατολίζεται ως προς το νότο: cos γ = sin δ sin (φ-α) + cos δ cos (φ-α) cos ω 18

1.6 Ηλιακές Κυψέλες Οι ηλιακές κυψέλες είναι συσκευές που µετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, είτε άµεσα µέσω του φωτοβολταϊκού φαινοµένου, είτε έµµεσα µε αρχική µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερµότητα ή χηµική ενέργεια. Οι πιο κοινές µορφές των ηλιακών κυψελών βασίζονται στο φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόµενο, κατά το οποίο το φως προσπίπτοντας σε µία ηµιαγωγική διάταξη δύο στρω µάτων παράγει µία φωτοτάση ή διαφορά δυναµικού µεταξύ των στρωµάτων. Αυτή η τάση είναι ικανή να οδηγήσει ένα ρεύµα µέσω ενός εξωτερικού κυκλώµατος, παράγοντας µε αυτόν τον τρόπο ωφέλιµο έργο. 1.6.1 Μέθοδος παραγωγής ηλιακών κυψελών Οι κυψέλες πυριτίου κατασκευάζονται µε τη χρήση µονοκρυσταλλικών ή πολυκρυσταλλικών δισκίων ή λεπτών µεµβρανών. Τα µονοκρυσταλλικά δισκία κόβονται σε φέτες (πάχους περίπου 1/3 έως 1/2 mm) από µια µεγάλη µονοκρυσταλλική ράβδο που έχει θερµανθεί περίπου σε 1400 C, η οποία είναι µια πολύ δαπανηρή διεργασία. Το πυρίτιο πρέπει να είναι πολύ υψηλής καθαρότητας και να έχει µια σχεδόν τέλεια κρυσταλλική δοµή (βλ. σχήµα 10 Α). Τα πολυκρυσταλλικά δισκία κατασκευάζονται µε µια διεργασία χύτευσης, κατά την οποία λειωµένο πυρίτιο χύνεται σε ένα καλούπι και αφήνεται να στερεοποιηθεί. Κατόπιν τεµαχίζεται σε δισκία (σχήµα 10 Β). Σχήμα 10: Ηλιακά Πλαίσια 19

Καθόσον τα πολυκρυσταλλικά δισκία κατασκευάζονται µε χύτευση, η παραγωγή τους είναι αρκετά φθηνότερη, αλλά δεν είναι τόσο αποδοτικά όσο τα µονοκρυσταλλικά, λόγω ατελειών στην κρυσταλλική δοµή που οφείλονται στη διεργασία της χύτευσης. Σχεδόν το ήµισυ του πυριτίου χάνεται ως σκόνη κοπής σ' αυτές τις δύο διεργασίες. Το άµορφο πυρίτιο, µία από τις τεχνολογίες λεπτής µεµβράνης, παράγεται µε την εναπόθεση πυριτίου από ένα αέριο αντιδραστήριο, όπως το σιλάνιο (SiH 4 ), επάνω σε ένα υπόστρωµα γυαλιού, όπως παρουσιάζεται στο σχήµα 10 Γ. Ο τύπος ηλιακής κυψέλης υπό µορφή λεπτής µεµβράνης µπορεί να εφαρµοστεί ως µεµβράνη σε χαµηλού κόστους υποστρώµατα, π.χ. γυαλί ή πλαστικό. Οι υπόλοιπες τεχνολογίες λεπτής µεµβράνης περιλαµβάνουν το λεπτό πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, κυψέλες δισεληνιούχου ινδικού χαλκού / θειούχου καδµίου, τελλουριούχου καδµίου / θειούχου καδµίου και αρσενιούχου γαλλίου. Οι κυψέλες αυτού του είδους διαθέτουν πολλά πλεονεκτήµατα, όπως είναι η ευκολότερη απόθεση και συναρµολόγηση, η ικανότητα να εναποτίθενται επάνω σε φθηνά υποστρώµατα ή υλικά οικοδοµών, η ευκολία για µαζική παραγωγή, και η καταλληλότητά τους σε µεγάλες εφαρµογές. Κατά την παραγωγή των ηλιακών κυψελών το πυρίτιο περιέχει άτοµα πρόσµιξης τα οποία εισάγονται έτσι ώστε να δηµιουργηθεί µια περιοχή ρ-τύπου και µία π-τύπου, οπότε εµφανίζεται µια επαφή ρ-π. Η πρόσµιξη αυτή µπορεί να επιτευχθεί µε διάχυση υπό υψηλή θερµοκρασία, κατά την οποία τα δισκία τοποθετούνται σε ένα φούρνο και το υλικό πρόσµιξης εισάγεται ως ατµός (υπάρχουν πολλές άλλες µέθοδοι πρόσµιξης του πυριτίου). Στην κατασκευή µερικών διατάξεων λεπτής µεµβράνης η εισαγωγή των προσµίξεων µπορεί να γίνει κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης των µεµβρανών ή των στρώσεων. Ένα άτοµο πυριτίου έχει 4 σχετικά αδύναµα δέσµια ηλεκτρόνια (σθένους), τα οποία συνδέονται µε γειτονικά άτοµα. Εάν αντικατασταθεί ένα άτοµο πυριτίου µε ένα άτοµο που έχει 3 ή 5 ηλεκτρόνια σθένους, θα παραχθεί µε τον τρόπο αυτό είτε ένας χώρος χωρίς κανένα ηλεκτρόνιο (µια οπή), είτε ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο που µπορεί να κινείται πιο ελεύθερα από τα άλλα. Αυτό αποτελεί τη βάση της πρόσµιξης. Κατά τη πρόσµιξη ρ-τύπου η δηµιουργία πλεοναζόντων οπών επιτυγχάνεται µε ενσωµάτωση στο πυρίτιο ατόµων µε 3 ηλεκτρόνια σθένους, συνήθως βορίου, ενώ στην πρόσµιξη π-τύπου η δηµιουργία πρόσθετων ηλεκτρονίων επιτυγχάνεται µε την ενσωµάτωση ενός ατόµου µε 5 ηλεκτρόνια σθένους, συχνότερα φωσφόρου (σχήµα 11). Από τη στιγµή που δηµιουργείται µια επαφή ρ-π, κατασκευάζονται ηλεκτρικές επαφές στην εµπρόσθια και την οπίσθια επιφάνεια της κυψέλης µε εξάτµιση ή επιφανειακή εκτύπωση µετάλλου επάνω στο δισκίο. Το οπίσθιο µέρος αυτού µπορεί να καλυφθεί πλήρως από µέταλλο, αλλά το εµπρόσθιο πρέπει να έχει κάποια δοµή πλέγµατος ή λεπτές γραµµές µετάλλου, ειδάλλως το µέταλλο θα 20

εµπόδιζε τον ήλιο να φθάσει στο πυρίτιο και δεν θα προέκυπτε οιαδήποτε παραγωγή από τα προσπίπτοντα φωτόνια. Σχήμα 11. Κρυσταλλικό πλέγµα πυριτίου µε άτοµα πρόσµιξης 1.6.2 Λειτουργία των ηλιακών κυψελών Για να γίνει αντιληπτή η λειτουργία µιας Φ/Β κυψέλης, πρέπει να κατανοηθεί η φύση τόσο του υλικού όσο και του ηλιακού φωτός. Οι ηλιακές κυψέλες αποτελούνται από δύο τύπους υλικών, συνήθως πυρίτιο ρ-τύπου και π- τύπου. Σε συγκεκριµένα µήκη κύµατος το φως είναι σε θέση να ιονίσει τα άτο µα στο πυρίτιο, και το εσωτερικό πεδίο που παράγεται από την επαφή ρ-π διαχωρίζει µερικά από τα θετικά φορτία ("οπές") από τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) µέσα στη φωτοβολταϊκή συσκευή. Οι οπές παρασύρονται στο θετικό ή ρ-στρώµα και τα ηλεκτρόνια στο αρνητικό ή πστρώµα. Παρότι τα αντίθετα φορτία έλκονται µεταξύ τους, τα περισσότερα από αυτά µπορούν να επανασυνδυαστούν µόνο εάν διέλθουν από ένα κύκλω µα έξωθεν του υλικού, εξαιτίας του εσωτερικού φράγµατος δυναµικού. Έτσι, εάν κατασκευαστεί ένα κύκλωµα, όπως αυτό του σχήµατος 12, είναι δυνατό να παραχθεί ηλεκτρική ισχύς από τις κυψέλες υπό φωτισµό, αφού τα ελεύθερα ηλεκτρόνια πρέπει να διέλθουν µέσω του φορτίου για τον επανασυνδυασµό τους µε τις θετικές οπές. 21

Σχήµα 12: Το φωτοβολταϊκό φαινόµενο σε µια ηλιακή κυψέλη Η ποσότητα της διάθεσιµης ισχύος από µια Φ/Β συσκευή καθορίζεται από: τον τύπο και την επιφάνεια του υλικού, την ένταση του ηλιακού φωτός (έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία), και το µήκος κύµατος του ηλιακού φωτός. Ο λόγος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από µια ηλιακή κυψέλη προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία είναι γνωστός ως αποδοτικότητα της κυψέλης. Οι ηλιακές κυψέλες µονοκρυσταλλικού πυριτίου, για παράδειγµα, δεν µπορούν προς το παρόν να µετατρέψουν περισσότερο από 25% της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια, επειδή η ακτινοβολία στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος δεν διαθέτει αρκετή ενέργεια για να διαχωρίσει τα θετικά και αρνητικά φορτία στο υλικό. Οι ηλιακές κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχουν αποδοτικότητα µικρότερη από 20% τη στιγµή αυτή, και οι κυψέλες άµορφου πυριτίου µόνο 10% περίπου, λόγω των µεγαλύτερων εσωτερικών απωλειών ενέργειας από αυτές του µονοκρυσταλλικού πυριτίου Για την ποσοτικοποίηση των επιδόσεων των ηλιακών κυψελών έχει διεξαχθεί πλήθος εργαστηριακών δοκιµών και έχουν καθιερωθεί κάποιες συνθήκες ως βιοµηχανικά πρότυπα για τις δοκιµές, οι Πρότυπες Συνθήκες Δοκιµών (ΠΣΔ), συγκεκριµένα: 22

Θερµοκρασία = 25 C Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας = 1000 W/m 2 Αέρια µάζα = ΑΜ 1,5. Η αέρια µάζα αναφέρεται στο πάχος της ατµόσφαιρας το οποίο διαπερνά το ηλιακό φως και αποτελεί ένα σηµαντικό δείκτη των χαρακτηριστικών του διαθέσιµου φωτός, αφού οι ηλιακές κυψέλες αξιοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία σε συγκεκριµένα µήκη κύµατος. Εάν ο ήλιος βρίσκεται κατ' ευθείαν από πάνω, η αέρια µάζα ισούται µε 1. Η ποσότητα του παραγόµενου ρεύµατος εξαρτάται από την τάση, και η σχέση αυτή απεικονίζεται στην καµπύλη ι-ν της κυψέλης. Αυτή χρησιµοποιείται για να καθοριστεί η απόδοση της κυψέλης και για τη σύγκριση µεταξύ τους κυψελών υπό ορισµένες συνθήκες. Στο σχήµα 13 παρουσιάζεται η καµπύλη ι-ν µίας κυψέλης κρυσταλλικού πυριτίου στις ΠΣΔ. Παρατηρείται ότι, αριστερά του γόνατος της καµπύλης το ρεύµα µεταβάλλεται ελάχιστα µε µεγάλες µεταβολές της τάσης, ενώ στα δεξιά µεταβάλλεται σηµαντικά µε µικρές µεταβολές αυτής. Γι' αυτόν τον τύπο κυψέλης εν γένει ισχύουν: I sc (ρεύµα βραχυκυκλώµατος) = 3,36 Α, V oc (τάση ανοιχτού κυκλώµατος) = 0,6 ν, P max (σηµείο µέγιστης ισχύος) = 1,5 W, I max (ρεύµα στο P max ) = 3 Α, V max (τάση στο P max ) = 0,5 ν. Σχήµα 13: Η καµπύλη I-V µιας τυπικής κυψέλης κρυσταλλικού πυριτίου σε ΠΣΔ Η παραγόµενη ισχύς από την κυψέλη είναι σχεδόν ευθέως ανάλογη προς την ένταση του ηλιακού φωτός (για παράδειγµα, εάν υποδιπλασιαστεί η ένταση του ηλιακού φωτός θα υποδιπλασιαστεί και η παραγόµενη ισχύς). Ένα σηµαντικό 23

γνώρισµα των Φ/Β κυψελών είναι ότι η τάση της κυψέλης δεν εξαρτάται από το µέγεθός της, και παραµένει σχετικά σταθερή µε τη µεταβολή της έντασης του φωτός. Εντούτοις, το ρεύµα σε µια διάταξη είναι σχεδόν ευθέως ανάλογο προς την ένταση του φωτός και το µέγεθός της. Αυτό παρουσιάζεται στο σχήµα 14. Σχήµα 14: Παραγωγή ρεύµατος και τάσης µιας ηλιακής κυψέλης υπό διαφορετικές εντάσεις φωτός Η παραγόµενη από µια ηλιακή κυψέλη ισχύς µπορεί να αυξηθεί αρκετά µε τη χρήση ενός µηχανισµού παρακολούθησης της τροχιάς που να διατηρεί τη Φ /8 διάταξη απευθείας κάθετη προς τις ακτίνες του ήλιου, ή συγκεντρώνοντας το φως του ήλιου µε τη βοήθεια φακών ή κατόπτρων. Εντούτοις, υπάρχουν όρια στη διαδικασία αυτή, λόγω της πολυπλοκότητας των µηχανισµών και της αναγκαίας ψύξης των κυψελών. Η παραγωγή ρεύµατος είναι σχετικά σταθερή σε υψηλότερες θερµοκρασίες αλλά η τάση µειώνεται (κατά 0,0023 Volts περίπου για κάθε αύξηση ενός βαθµού Κελσίου), προκαλώντας έτσι τη µείωση της ισχύος µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Το σχήµα 15 απεικονίζει τα χαρακτηριστικά µιας κυψέλης σε τρεις διαφορετικές θερµοκρασίες (οι άλλες συνθήκες παραµένουν ίδιες). Σχήµα 15: Επίδραση της θερµοκρασίας στις καµπύλες I-V µιας τυπικής κυψέλης κρυσταλλικού πυριτίου 24

1.7 Φ/Β Πλαίσια (Συστοιχία) Ο όρος "συστοιχία" αναφέρεται συνήθως στις συνιστώσες που εξετάζονται σε αυτό το χωρίο, συγκεκριµένα αφορά όλα τα πλαίσια ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος, την καλωδίωση και τις διόδους τους, καθώς και τη βάση της συστοιχίας. 1.7.1 Συνιστώσες µιας Φ/Β συστοιχίας Οι κυψέλες οµαδοποιούνται σε πλαίσια και τα πλαίσια συναθροίζονται για να διαµορφώσουν µια συστοιχία, όπως αυτή που παρουσιάζεται στο σχήµα 16. Ανάλογα µε την εφαρµογή, η συστοιχία µπορεί να αποτελείται από µία κυψέλη, ένα πλαίσιο, ή πολλά πλαίσια. Σχήµα 16: Συνιστώσες µιας Φ/Β συστοιχίας 1.7.1.1. Η κυψέλη Μια τυπική ηλιακή κυψέλη µονοκρυσταλλικού πυριτίου έχει βαθύ µπλε χρώµα και ζυγίζει λιγότερο από 10gr. Το µήκος και το πλάτος της είναι περίπου 10cm, ανάλογα µε τον κατασκευαστή. Η µεµονωµένη κυψέλη παράγει, υπό βέλτιστες συνθήκες, κατά προσέγγιση 1,5 Watts στα 0,5 Volts. Από µόνο του αυτό δεν είναι πολύ χρήσιµο για τις περισσότερες ηλεκτρικές εφαρµογές. Προκειµένου να παραχθεί ωφέλιµη ισχύς, οι κυψέλες συνδέονται ηλεκτρικά µεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα, ενώ µερικές φορές κόβονται σε µικρότερα τεµάχια. Η κοπή των κυψελών γίνεται για δύο κυρίως λόγους. Ο πρώτος είναι για την αύξηση της τάσης. Εάν απαιτείται µόνο λίγο ρεύµα σε υψηλή τάση, τότε κόβοντας τις κυψέλες στη µέση και µε την καλωδίωσή τους σε σειρά µπορεί να δηµιουργηθεί ένα µικρό πλαίσιο. Κάθε κοµµάτι θα παράγει την ίδια τάση µε ολόκληρη την κυψέλη, αλλά µε λιγότερο ρεύµα (για παράδειγµα, εάν µια κυψέλη κοπεί στη µέση, το κάθε ήµισυ θα παράγει περίπου 0,5 Volts και 1,5 Amps). Ο άλλος λόγος για την κοπή των κυψελών είναι για την αύξηση της πυκνότητας συσκευασίας τους. 25

Οι κυψέλες µε εγκοπές δηµιουργούν µη ωφέλιµη επιφάνεια στις γωνίες τους και αυτό µπορεί να αντιµετωπισθεί κόβοντας τις κυψέλες σε ορθογώνια παραλληλόγραµµα. Το ίδιο γίνεται µερικές φορές και σε εφαρµογές όπου είναι κρίσιµες οι επιδόσεις και ο χώρος περιορισµένος. Τα µειονεκτήµατα της κοπής των κυψελών είναι ότι µε αυτή τη διεργασία συχνά σπαταλιόνται τµήµατα της κυψέλης, ενώ είναι ιδιαίτερα πιθανό ένα ποσοστό κυψελών να υποστεί βλάβη κατά την κοπή. Ο κατασκευαστής µπορεί να παρέχει δεδοµένα για τις ακριβείς διαστάσεις και ανοχές συγκεκριµένων κυψελών του. Κατά τον υπολογισµό του συνολικού εµβαδού της κυψέλης είναι σηµαντικό να λαµβάνεται υπόψη ότι µερικές κυψέλες έχουν γωνίες µε εγκοπές. 1.7.1.2 Συνδεσµολογία Οι κυψέλες συνδέονται ηλεκτρικά µεταξύ τους για να συστήσουν µια συνδεσµολογία, όπως συχνά ονοµάζεται αυτή η διάταξη. Οι κυψέλες διασυνδέονται µε συγκόλληση των ακροδεκτών τους από την κορυφή της µίας στη βάση της επόµενης. Αυτό γίνεται εν γένει εργοστασιακά µε ειδικές μηχανές. Είναι σηµαντικό να µην υφίστανται φθορές οι κυψέλες κατά τη διεργασία, να είναι ανθεκτικές οι συνδέσεις, και να διατηρείται το κατάλληλο διάστηµα µεταξύ των κυψελών. Εάν οι κυψέλες ακουµπούν µεταξύ τους µπορεί να προκύψουν προβλήµατα ηλεκτρικών βραχυκυκλωµάτων καθώς επίσης και προβλήµατα σκίασης, ενώ αυξάνεται η πιθανότητα ραγίσµατός τους. Τα υπερβολικά µεγάλα κενά µεταξύ των κυψελών σπαταλούν πολύτιµη επιφάνεια. 1.7.1.3 Πλαίσιο Οι ηλιακές κυψέλες συνδέονται συνήθως σε σειρά, διαµορφώνοντας ένα σύνολο που ονοµάζεται πλαίσιο. Το Φ/Β πλαίσιο εν γένει αποτελεί τη µικρότερη αυτοτελή µονάδα σε µια συστοιχία, καθώς είναι µία οµάδα κυψελών που έχουν συνδεθεί µεταξύ τους και στη συνέχεια τοποθετηθεί σε ένα κέλυφος ως αυτόνοµη µονάδα. Ο αριθµός των κυψελών ενός πλαισίου καθορίζεται συνήθως από τις ανάγκες τάσης του συστήµατος και οι περισσότεροι κατασκευαστές παράγουν πλαίσια τα οποία διαστασιολογούνται σύµφωνα µε τις τάσεις των χρησιµοποιούµενων µπαταριών. Ένα τυπικό πλαίσιο για φόρτιση µιας µπαταρίας 12 Volt έχει 33 έως 36 κυψέλες (πρέπει να παρέχει πάνω από 12 Volt για να φορτίσει τη µπαταρία). Σηµειώνεται ότι η λέξη πλαίσιο µπορεί να αναφέρεται είτε σε ένα µόνο πλαίσιο είτε σε ένα σύνολο πλαισίων. 26

1.7.1.3 Ενθυλάκωση Οι ηλιακές κυψέλες χρειάζονται προστασία και υποστήριξη. Για το λόγο αυτό σχεδόν πάντα τοποθετούνται σε κέλυφος, µε κάποιο τρόπο που να τις προστατεύει και να τις µονώνει ηλεκτρικά. Στο σχήµα 17 παρουσιάζεται η εγκάρσια τοµή ενός τυπικού πλαισίου που χρησιµοποιείται σε οικιακές ή αποµονωµένες εφαρµογές, ή σε Φ/Β σταθµούς ηλεκτροπαραγωγής. Τα περισσότερα πλαίσια ενθυλακώνονται σε κάποιο πολυµερές υλικό, όπως ο οξικός εστέρας αιθυλενίου-βινυλίου (EVA), το οποίο στη συνέχεια τοποθετείται µεταξύ γυαλιού στην επάνω επιφάνεια και Mylar ή Tedlar στην κάτω. Οι ακµές σφραγίζονται µε ένα στεγανωτικό παρέµβυσµα και υποστηρίζονται από ένα πλαίσιο. Έχουν γίνει επίσης κατασκευές από εύκαµπτα ελάσµατα. Σχήµα 17: Τοµή ενός τυπικού φωτοβολταϊκού πλαισίου Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί παράγοντες που εξετάζονται κατά την επιλογή των υλικών για την ενθυλάκωση, µε τη σηµασία τους να εξαρτάται από την εφαρµογή. Τα πιο σηµαντικά από τα χαρακτηριστικά της ενθυλάκωσης είναι τα εξής: Ηλεκτρική ειδική αντίσταση Το υλικό πρέπει να είναι ηλεκτρικός µονωτής. Είναι σηµαντικό να αποµονωθεί η τάση της συστοιχίας και να προστατεύεται η συστοιχία από οιεσδήποτε εξωτερικές τάσεις. Μετάδοση του φωτός Ιδανικά, η ενθυλάκωση δεν πρέπει να εµποδίζει το φως να προσεγγίσει τις κυψέλες. Μετάδοση της θερµότητας Οι ηλιακές κυψέλες είναι αποδοτικότερες σε χαµηλές θερµοκρασίες. Είναι χρήσιµο να υπάρχει, εάν είναι δυνατό, ένα υλικό ενθυλάκωσης µε υψηλή θερµική 27

αγωγιµότητα, έτσι ώστε να είναι δυνατή η αποµάκρυνση της θερµότητας από τις κυψέλες. Θερµική διαστολή Σε µερικές θέσεις η θερµοκρασία του πλαισίου είναι αρκετά χα µηλότερη του σηµείου πήξης το χειµώνα και αρκετά επάνω από τους 40 C το καλοκαίρι. Είναι, εποµένως, σηµαντικό η ενθυλάκωση να µην συστέλλεται ή διαστέλλεται σηµαντικά λόγω των θερµοκρασιακών µεταβολών. Βάρος Για µερικές εφαρµογές, το βάρος αποτελεί έναν από τους παράγοντες επιλογής του υλικού ενθυλάκωσης. Ανθεκτικότητα Πολλά πλαίσια τοποθετούνται σε εξωτερικό χώρο καθ' όλη τη διάρκεια του έτους και υπόκεινται σε ανέµους, βροχές, ήλιο, χαλάζι, και χιόνια. Αυτά όµως αναµένεται να λειτουργήσουν για είκοσι τουλάχιστον έτη, οπότε το υλικό ενθυλάκωσης πρέπει να είναι ικανό να αντεπεξέλθει σε αυτές τις συνθήκες χωρίς σηµαντικό βαθµό φθοράς. 1.7.1.4 Δίοδοι Οι ηλιακές συστοιχίες µερικές φορές διαθέτουν διόδους φραγής και παράκαµψης. Αυτές είναι µικρές συσκευές που περιορίζουν την κατεύθυνση της ροής του ρεύµατος και αναλύονται περαιτέρω στο σχετικό µε τη λειτουργία των συστοιχιών χωρίο. 1.7.1.5 Συστήµατα έδρασης / παρακολούθησης Μερικές συσκευές, όπως τα ηλιακά ρολόγια ή οι υπολογιστές χειρός, ενσωµατώνουν την ηλιακή κυψέλη στην ίδια τη συσκευή. Με τις πρόσφατες εξελίξεις στα υλικά των ηλιακών κυψελών, αυτές µπορούν να χρησιµοποιηθούν άµεσα ως υλικά κατασκευής της στέγης των κτιρίων. Εντούτοις, οι περισσότερες εφαρµογές των Φ/Β χρειάζονται κάποια βάση για την υποστήριξη και τοποθέτησή τους. Οι βάσεις αυτές µπορεί να είναι από απλές κατασκευές για τη συγκράτηση ενός πλαισίου σε µια στέγη (πιθανώς µε µόνιµη κλίση υπό κάποια γωνία), µέχρι σύνθετες διατάξεις παρακολούθησης της τροχιάς του ήλιου σε δύο άξονες. Η 28

πολυπλοκότητα της βάσης στήριξης καθορίζεται από τις ανάγκες του συστήµατος και το διαθέσιµο κεφάλαιο. Περαιτέρω πληροφορίες παρατίθενται στο χωρίο για τη λειτουργία των συστοιχιών. 1.7.2 Λειτουργία των Φ/Β συστοιχιών Γενικά, ένα Φ/Β πλαίσιο ή µια συστοιχία επηρεάζεται από το περιβάλλον µε τον ίδιο τρόπο που επηρεάζεται και µία Φ/Β κυψέλη. Η τάση µειώνεται καθώς αυξάνεται η θερµοκρασία και το ρεύµα αυξάνεται καθώς αυξάνεται η έκθεση στις ηλιακές ακτίνες. 1.7.2.1 Σύνδεση εν σειρά Όταν ηλιακές κυψέλες (ή πλαίσια) συνδέονται εν σειρά, µπορεί να γίνει µια εκτίµηση της παραγόµενης ισχύος της συνδεσµολογίας µε τις µεθόδους που περιγράφονται στη συνέχεια. Αυτό προϋποθέτει ότι οι συνθήκες λειτουργίας για τις κυψέλες είναι οι ίδιες και ότι οι κυψέλες έχουν παρόµοια χαρακτηριστικά ι-ν. Ρεύµα Το ρεύµα σε µία εν σειρά συνδεσµολογία κυψελών είναι το ίδιο σε κάθε σηµείο της συνδεσµολογίας, ίδιο µε αυτό που παράγεται από µία κυψέλη. Εάν µία κυψέλη µε χαρακτηριστικά χαµηλού ρεύµατος συνδεθεί σε µια συνδεσµολογία µε άλλες κυψέλες που έχουν χαρακτηριστικά υψηλότερου ρεύµατος, η συνδεσµολογία θα περιοριστεί στο ρεύµα της κυψέλης χαµηλού ρεύµατος. lσειράς = (lmax µίας κυψέλης) (1.1) Τάση Η τάση σε µία συνδεσµολογία κυψελών είναι ίση µε το άθροισµα των τάσεων κάθε κυψέλης. Υποθέτοντας όµοιες κυψέλες, η τάση µπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο: ν σειράς = (Αριθµός κυψελών) χ (ν max µίας κυψέλης) (1.2) Ισχύς Η παραγόµενη ισχύς από µία συνδεσµολογία κυψελών ισούται µε το ρεύµα της συνδεσµολογίας - σχέση (1.1) - πολλαπλασιαζόµενο µε την τάση της σχέσης (1.2): Ρ σειράς = Ι σειράς χ ν σειράς -> (1.3) Ρσειράς = (Imax µίας κυψέλης}» (Αριθµός κυψέλων}«(v max µίας κυψέλης) 29

Σηµειώνεται ότι, µπορεί οι µεµονωµένες κυψέλες να λειτουργούν σε διαφορετικές τάσεις, αλλά κάθε µία κυψέλη θα λειτουργεί µε το ίδιο ρεύµα όπως και οι άλλες στη συνδεσµολογία. Το σχήµα 18 παρουσιάζει το πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά ι-ν των µεµονωµένων κυψελών για να διαµορφώσουν την καµπύλη ι-ν της εν σειρά συνδεσµολογίας. Στο σχήµα 19 παρουσιάζεται µία εν σειρά συνδεσµολογία από τέσσερις κυψέλες και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύµατος αυτών. Σχήµα 18: Τυπικές καµπύλες I-V για µία και τέσσερις κυψέλες συνδεδεµένες εν σειρά Σχήµα 19: Τέσσερις ηλιακές κυψέλες συνδεδεµένες εν σειρά 1.7.2.2 Σύνδεση εν παραλλήλω Εάν οι κυψέλες (ή τα πλαίσια) συνδεθούν παράλληλα, µπορεί να γίνει µία εκτίµηση του ρεύµατος, της τάσης και της ισχύος τους µε τις µεθόδους που περιγράφονται στη συνέχεια, υποθέτοντας και πάλι ότι οι συνθήκες λειτουργίας είναι οι ίδιες και ότι οι κυψέλες έχουν παρόµοια χαρακτηριστικά ι-ν. 30

Ρεύµα Το παραγόµενο ρεύµα από µια οµάδα κυψελών συνδεδεµένων παράλληλα ισούται µε το άθροισµα των µεµονωµένων ρευµάτων κάθε κυψέλης. Υποθέτοντας παρόµοιες κυψέλες, το ρεύµα µπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: Ιπαράλληλα = (Αριθµός κυψελών) χ (lmax µίας κυψέλης) (1.4) Τάση Η τάση µεταξύ δύο κόµβων µιας οµάδας κυψελών συνδεδεµένων εν παραλλήλω είναι ίση µε την τάση κάθε κυψέλης: Vπαράλληλα = (V max µίας κυψέλης) (1.5) Ισχύς Η παραγόµενη ισχύς από κυψέλες εν παραλλήλω είναι ίση µε το παράλληλο ρεύµα εξίσωση (1.4) - πολλαπλασιασµένο µε την παράλληλη τάση της εξίσωσης (1.5): Ρ παράλληλα = Ιπαράλληλα χ ν παράλληλα -> (1.6) Ρπαράλληλα = (Αριθµός κυψελών)χ(ιmaχ µίας κυψέλης)χ(ν maχ µίας κυψέλης) Σηµειώνεται ότι, όταν µια οµάδα κυψελών συνδέεται παράλληλα, οι µεµονωµένες κυψέλες µπορεί να παράγουν διαφορετικά ρεύµατα, αλλά κάθε κυψέλη θα λειτουργεί στην ίδια τάση. Στο παρακάτω σχήµα 20 παρουσιάζεται το πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά I-V των µεµονωµένων κυψελών για να διαµορφώσουν την καµπύλη I-V της οµάδας των κυψελών εν παραλλήλω. Στο σχήµα 21 απεικονίζονται οµάδες κυψελών εν παραλλήλω και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύµατος αυτών. Σχήµα 20: Καµπύλες I-V για µία και τέσσερις κυψέλες συνδεδεµένες παράλληλα 31

Σχήµα 21: Μία, δύο, και τρεις κυψέλες συνδεδεµένες παράλληλα 1.7.2.3 Δίοδοι Δίοδοι παράκαµψης Οι δίοδοι παράκαµψης χρησιµοποιούνται για την προστασία των συνδεσµολογιών εν σειρά των κυψελών. Εν γένει, ένα πλαίσιο προσφέρεται από τον κατασκευαστή µε ενσωµατωµένη µια δίοδο παράκαµψης, η οποία συνδέεται παράλληλα µε ολόκληρο το πλαίσιο. Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, η δίοδος δεν κάνει τίποτα εκτός από το να καταναλώνει µία ελάχιστη ποσότητα ισχύος. Εάν σκιαστεί ή υποστεί βλάβη µέρος του πλαισίου, η δίοδος παράκαµψης εκτρέπει το ρεύµα µέσω αυτής και γύρω από το πλαίσιο. Χωρίς τη δίοδο, το πλαίσιο που σκιάζεται ή έχει υποστεί βλάβη διαχέει το ρεύµα υπό µορφή θερµότητας και τελικά καταστρέφεται. Δίοδοι φραγής Οι δίοδοι φραγής εγκαθίστανται για να αποτρέψουν την αντιστροφή της ροής τ ου ρεύµατος προς τα πλαίσια. Μια δίοδος φραγής συνδέεται συνήθως εν σειρά µεταξύ της συστοιχίας και των µπαταριών. Αντ' αυτού, εάν ένας αριθµός συνδεσµολογιών συνδέονται εν σειρά, οι δίοδοι φραγής µπορούν να συνδεθούν εν σειρά µε κάθε µία συνδεσµολογία. Ενίοτε ο εξοπλισµός που χρησιµοποιείται στα Φ/Β συστήµατα για τη ρύθµιση της ισχύος εξαλείφει την ανάγκη προσθήκης µιας διόδου φραγής. 32

Κεφάλαιο 2 Ανάλυση Συστήματος 2.1 Εισαγωγή Παραπάνω αναφέρθηκε όλη η θεωρητική υποδομή, όπου απαρτίζει το σύστημα. Παρακάτω υπάρχει η σχεδίαση και η ανάλυση του συστήματος σε μηχανολογική και ηλεκτρολογική υποδομή, όπου υλοποιεί την τεχνική solar tracking. Το σύστημα αποτελείται από τα εξής μέρη: Μηχανολογικά o Τα μοτέρ κίνησης (με δυο μοτέρ για την επίτευξη του ρομποτικού βραχίονα), o Το φωτοβολταϊκό πάνελ, o Την κατασκευή των μηχανικών συνδέσεων και στηρίξεων(plexiglas, αποστάτες, Τρύπες, Σπειρώματα, o Το αυτοκινούμενο όχημα, o Φωτοαντιστάσεις LDR. Ηλεκτρολογικό o Τον Μικροελεγκτή, o Την κάρτα διασύνδεσης Hardware (Servo, Sensor, Καλωδιώσεις, Lcd, buttons, Led s) με το Software (AtMega32), o Κάρτες για την ισοστάθμιση του ρεύματος και την σωστή λειτουργία του συστήματος (Regulators), o LCD οθόνη πληροφοριών. 33

2.2 Μηχανολογικό Το σύστημα από μηχανολογικής πλευράς απαρτίζεται από: Αυτοκινούμενο όχημα με ερπήστριες και με όλα τα παρελκόμενα όπως gear box, τηλεκατεύθυνση. Plexiglas στο οποίο βρίσκονται μέσα όλα τα απαραίτητα κυκλώματα, τροφοδοσία απο μπαταρίες, ο μικροελεγκτής, και οι καλωδιώσεις. Το ρομποτικό βραχίονα ο οποίος αποτελείται απο δύο σερβοκινητήρες των 5volt ο κάθε ένας και τα ανάλογα servo brackets. Το φωτοβολταϊκο πάνελ το οποίο αποτελείται απο δυο πανελ συνδεδεμένα σε παράλληλη διάταξη για μέγιστη απόδοση. Τις φωτοαντιστάσεις(2x2 LDR) απο τις οποίες γίνεται η ανάλογη διαδικασία παρακολούθησης του φωτός. Παρακάτω αναλύονται ένα προς ένα τα μηχανολογικά εξαρτήματα του συστήματος αλλά και τα μηχανολογικά σχέδια. Αυτοκινούμενο όχημα Η βάση του συστήματος είναι το αυτοκινούμενο όχημα όπου του δίνει και την ανάλογη κίνηση προς όλες τις κατευθύνσεις ανάλογα με την εντολή που θα του δώσει ο χρήστης. Παρακάτω απεικονίζεται το όχημα: Εικόνα 1: Αυτοκινούμενο όχημα με ερπήστριες 34

Το όχημα αποτελείται από ερπήστριες οι οποίες χρησιμεύουν στο να κινηθεί προς οποιαδήποτε κατεύθυνση προσβάσιμη ή μη προσβάσιμη τοποθεσία και σε αυτό βοηθούν οι αναρτήσεις με τις οποίες είναι εφοδιασμένο το όχημα. Η κίνηση στο όχημα πραγματοποιήται απο το gear box(2 Μοτερ) που είναι τοποθετημένο μέσα του. Η κίνηση εκτελείται και απο τις δύο πλευρές του οχήματος. Το όχημα δέχεται εντολές κίνησης από τηλεκατεύθηνση που χειρίζεται ο χρήστης. Plexiglas Στο πάνω μέρος του οχήματος έχει τοποθετηθεί Plexiglas για λόγους προστασίας των κυκλωμάτων αλλα και ευδιάκριτης εμφάνισης αυτών. Παρακάτω απεικονίζεται το εν λόγο μηχανολογικό εξάρτημα: Ρομποτικός βραχίονας Εικόνα 2: Plexiglas τοποθετημένο πάνω στο όχημα Στη βάση του Plexiglas είναι τοποθετημένος ο ρομποτικός βραχίονας. Η χρησιμότητα του ρομποτικού βραχίονα είναι να προσανατολίζει κατάλληλα το φωτοβολταϊκό πάνελ προς την υπολογιζόμενη κατεύθινση που του δίνουν τα αισθητήρια. Παρακάτω παρουσιάζεται ο ρομποτικός βραχίονας: 35

Εικονα 3: Ρομποτικός βραχίονας 36

Ο ρομποτικός βραχίονας όπως απεικονίζεται αποτελείται, απο 2 σερβοκινητήρες οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι μέσα στα servo brackets(μοχλοί κίνησης). Τα δύο servo brackets είναι τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο με αντίθετη στρεπτική κίνηση. Η κίνηση των δύο κομματιών του βραχίονα εκτελείται μέχρι 180 μοίρες για το κάθε ένα. Επίσης έχουν τοποθετηθεί βάσεις τερματισμού των σερβοκινητήρων για λόγους ασφάλειας. Τέλος ο βραχίονας παίρνει εντολές από τον μικροελεγκτή για το που θα στραφεί μετά από την ανάλογη διεργασία των αισθητηρίων. Φωτοβολταϊκό πάνελ Στο ρομποτικό βραχίονα είναι τοποθετημένο το φωτοβολταϊκό πάνελ του συστήματος μαζί με τα αισθητήρια(ldr). Το πλαίσιο του πάνελ αποτελείται από πλαστικό υλικό για την προστασία του διότι είναι εύθραυστο. Ακολουθεί εικόνα του φωτοβολταϊκό πάνελ: Εικόνα 4: Φωτοβολταϊκό πάνελ 37

Φωτοαντιστάσεις LDR Στα πλαϊνά του φωτοβολταϊκού πάνελ βρίσκονται τα αισθητήρια(ldr). Ο ρόλος των αισθητηρίων(ldr) είναι να δέχονται φώς. Έπειτα καταλήγουν ώς είσοδοι στον μικροκοελεγκτή, όπου γίνεται η κατάλληλη επεξεργασία. Τέλος ο μικροελεγκτής στέλνει την ανάλογη εντολή στα servo. Παρακάτω απεικονίζεται ένα αισθητήριο LDR: Εικόνα 5: LDR φωτοαντίσταση 38

Ακολουθεί συνολική εικόνα συστήματος: Εικόνα 6: Τελική φωτογραφία συστήματος 39

Ακολουθεί σε 3D απεικόνιση η συνολική εικόνα του συστήματος: Εικόνα 7: 3D απεικόνιση συστήματος 40

2.3 Μηχανολογικά σχέδια συστήματος Κάτοψη 41

Πλάγια απεικόνιση 42

Πρόσοψη 43

Κινούμενο μέρος ρομποτικού βραχίονα Σταθερό μέρος ρομποτικού βραχίονα Συνολικό βάρος συστήματος: 3,5kg 44

2.4 Ηλεκτρολογικό Το ηλεκτρολογικό μέρος αποτελείται από τις εξής κάρτες: Μικροελεγκτής Κάρτα σύνδεσης περιφερειακών Σύνδεση οθόνης Σύνδεση αντιστάσεων LDR. 2.4.1 Μικροελεγκτής Ο μικροελεγκτής αποτελείται από μια κάρτα στην οποία είναι τοποθετημένα το κύκλωμα τροφοδοσίας, οι συνδετήρες για τα PIN/PORT του μικροελεγκτή, ένα διακόπτη reset, διακόπτη ενεργοποίησης, εξωτερικό κρύσταλλο 8Mhz, ένα led ενεργοποίησης και συνδετήρες για τον ISP programmer. Για την λειτουργία του συστήματος επιλέχθηκε ο ATMEGA32. Ακολουθεί το ηλεκτρολογικό σχέδιο του μικροελεγκτή. 45

Σχήμα 3.1 Κύκλωμα μικροελεγκτή Atmega32 46

2.4.1.1 Κύκλωμα τροφοδοσίας Σχήμα 3.2 Κύκλωμα τροφοδοσίας μικροελεγκτή Το κύκλωμα τροφοδοσίας αποτελείται από έναν ρυθμιστή τασής IC7805 ο οποίος μετατρέπει τα 12 με 15 volt σε 5 volt. Η πηγή του μικροελεγκτή του συστήματος είναι στα 9 volt. Δίνει από 150ma ρεύμα, αλλά με κατάλληλη προστασία κατά της θερμότητας (ψύκτρα βιδωμένη στο ίσο μερος του IC 7805) μπορεί να δώσει και παραπάνω από 1 Α. Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται για την εξομάλυνση της τάσης για να μην υπάρχουν τυχόν μη αποδεκτές διακυμάνσεις. Επίσης περιέχει ένα Led λειτουργίας που δείχνει την λειτουργία του τροφοδοτικού και έναν διακόπτη για την ενεργοποίηση. 2.4.1.2 Κύκλωμα Μικροελεγκτή Το κυρίως κύκλωμα του μικροελεγτή αποτελείται από ένα DIP Socket 40 pin όπου τοποθετείται ο μικροελεγκτής AtMega 32. Κάθε PORT έχει και τον δικό του συνδετήρα. Ο κάθε συνδετήρας περιέχει 10 pin και η αρίθμιση των PORT ξεκινάνε από πάνω προς τα κάτω όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1. Αυτό ισχύει για όλα τα PORT εκτός του PORTC. Το ρολόι του συστήματος αποτελείται από έναν εξωτερικό κρύσταλλο XTAL Crystal/resonator των 8MHz, ο οποίος βρίσκεται κόντα στις είσοδους του μικροελεγκτή XTAL1-XTAL2 και συνοδεύεται από δύο πυκνωτές χωρητικότητας 27pF. Οι τιμές των πυκνωτών για τον συγκεκριμένο μικροελεγκτή εξαρτώνται από την συχνότητα του κρυστάλλου οι οποίες κυμαίνονται 12pF -27pF σύμφωνα με τον κατασκευαστή. Για τον προγραμματισμό του υπάρχουν 10 pin τα οποία συνδέονται με τα 10 pin του ISP programmer του STK 500 (σχήμα 3.1) για πιο ευέλικτο προγραμματισμό. 47