ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑÏΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΣΤΗ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: ΦΥΣΙΚΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑÏΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΣΤΗ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Επιβλέπων καθηγητής : Μπάης Αλκιβιάδης Αλεξοπούλου Αθηνά Α.Ε.Μ:12058 Θεσσαλονίκη 2010

Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η εκτίμηση της ετήσιας παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, από φωτοβολταϊκά πλαίσια,στη Σχολή Θετικών Επιστημών Θεσσαλονίκης. Από το Φωτοβολταϊκό Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών (PVGIS), προκύπτει η μηνιαία ηλιακή ενέργεια και η μηνιαία παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από φωτοβολταϊκά πλαίσια,για τη Θεσσαλονίκη, ως μέσος όρος της περιόδου 1981-1990.Στο Εργαστήριο Φυσικής Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ), του τμήματος Φυσικής Θεσσαλονίκης, η μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία μετρήθηκε από πυρανόμετρα σε κλίση 0 για την περίοδο 1993-2008.Αρχικά θα συγκρίνουμε τις τιμές της ηλιακής ενέργειας που προκύπτουν από το ΕΦΑ και από τη βάση δεδομένων PVGIS για κλίση 0, με σκοπό να υπολογίσουμε την απόκλιση των πραγματικών τιμών που μετρήθηκαν πειραματικά στο εργαστήριο, από τις τιμές που εισάγει η βάση δεδομένων PVGIS. Στη συνέχεια παίρνουμε από τη βάση δεδομένων τις τιμές της ηλιακής ενέργειας για κλίση 35 και κλίση 90 τις οποίες συγκρίνουμε με τις τιμές του ΕΦΑ έτσι ώστε να δούμε σε ποια κλίση έχουμε τη μεγαλύτερη ηλιακή ενέργεια και για ποιους μήνες του έτους. Στο τρίτο κεφάλαιο θα υπολογίσουμε την ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από φωτοβολταϊκά πλαίσια στη Σχολή Θετικών Επιστημών Θεσσαλονίκης. Υποθετικά θα τοποθετηθούν φωτοβολταϊκά στις στέγες των τμημάτων Βιολογίας και Χημείας σε κλίση 35 και στους τοίχους του τμήματος Φυσικής σε κλίση 90.Τέλος, δίνουμε μια ενδεικτική τιμή του κόστους των απαραίτητων για τη Σ.Θ.Ε. φωτοβολταϊκών πλαισίων. 2

Abstract The subject of this diploma thesis is to estimate the annual electricity which produced by photovoltaic panels, the School of Sciences, Thessaloniki. By the Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS), shows the monthly solar energy and the monthly electric energy produced by photovoltaic panels, for Thessaloniki, averaged over the period 1981-1990.At the Laboratory of Atmospheric Physics (LAP), the Department of Physics, Thessaloniki the monthly solar radiation measured by pyranometers at 0 inclination for the period 1993-2008.At first we will compare the measurements of solar energy generated by the LAP and the database for PVGIS at inclination 0, in order to calculate the divergence of actual values measured experimentally in the laboratory and the values entered the database PVGIS. Then we get the database values of solar energy at inclination 35 and 90 which compare the measurements of LAP in order to see what angle we have the largest solar power and for what months of the year. In the third section we will calculate the annual electricity produced by photovoltaic panels at the School of Sciences, Thessaloniki. Supposed to put solar panels on the roofs of Biology and Chemistry departments at 35 slope and walls of the Physics Department at inclination 90. Finally, we give an indicative price of the cost required for the School of Sciences solar panels. 3

Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή μου κ. Αλκιβιάδη Μπάη για την ανάθεση αυτής της διπλωματικής εργασίας,για την καθοδήγηση και τις συμβουλές που μου παρείχε κατά την εκπόνηση της. 4

Περιεχόμενα Περίληψη Abstract Ευχαριστίες ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1.ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 1.1. Ηλιακή Ενέργεια 1.2. Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο 1.3. Επαφή p-n 1.4. Ορθή και Ανάστροφη Πόλωση της διόδου 1.5.Πυρανόμετρο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2.ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΦΑ ΚΑΙ PVGIS 2.1. Φωτοβολταϊκό Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών (PVGIS) 2.2. Σύγκριση μετρήσεων ΕΦΑ και PVGIS για κλίση 0 2.3. Σύγκριση μετρήσεων ΕΦΑ και PVGIS για κλίση 35 2.4. Σύγκριση μετρήσεων ΕΦΑ και PVGIS για κλίση 90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3.ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΤΗΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗ Σ.Θ.Ε 3.1.Ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από Φ/Β πλαίσια κλίσης 35 3.2. Ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από Φ/Β πλαίσια κλίσης 90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4.ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1.Υπολογισμός κόστους των φωτοβολταϊκών πλαισίων που απαιτούνται για τη Σχολή Θετικών Επιστημών ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 5

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η εκτίμηση της ετήσιας παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, από φωτοβολταϊκά πλαίσια,στη Σχολή Θετικών Επιστημών Θεσσαλονίκης. Η βάση δεδομένων PVGIS μας δίνει τη δυνατότητα να έχουμε στη διάθεση μας τη μηνιαία ηλιακή ενέργεια καθώς και τη μηνιαία παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από φωτοβολταϊκά πλαίσια για οποιαδήποτε περιοχή επιλέξουμε,η οποία προκύπτει ως μέσος όρος της περιόδου 1981-1990.Από τις μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Φυσικής Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ), του τμήματος Φυσικής Θεσσαλονίκης, προέκυψαν οι τιμές τις ηλιακής ενέργειας για κάθε μήνα του έτους από το 1993 μέχρι και το 2008.Στο Εργαστήριο Φυσικής Ατμόσφαιρας η ηλιακή ακτινοβολία μετράται από πυρανόμετρα σε κλίση 0. Αρχικά θα συγκρίνουμε τις τιμές της ηλιακής ενέργειας που προκύπτουν από το ΕΦΑ και από τη βάση δεδομένων PVGIS για κλίση 0, έτσι ώστε να βρούμε κατά πόσο αποκλίνουν οι πραγματικές τιμές που μετρήθηκαν πειραματικά στο εργαστήριο, από τις τιμές που εισάγει η βάση δεδομένων PVGIS.Στη συνέχεια παίρνουμε από τη βάση δεδομένων τις τιμές της ηλιακής ενέργειας για κλίση 35 και κλίση 90 τις οποίες συγκρίνουμε με τις τιμές του ΕΦΑ έτσι ώστε να δούμε σε ποια κλίση έχουμε τη μεγαλύτερη ηλιακή ενέργεια και για ποιους μήνες του έτους. Στο τρίτο κεφάλαιο θα υπολογίσουμε την ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από φωτοβολταϊκά πλαίσια στη Σχολή Θετικών Επιστημών Θεσσαλονίκης. Υποθετικά θα τοποθετηθούν φωτοβολταϊκά στις στέγες των τμημάτων Βιολογίας και Χημείας σε κλίση 35 και στους τοίχους του τμήματος Φυσικής σε κλίση 90.Απο τη βάση δεδομένων PVGIS παίρνουμε την εκτιμώμενη μηνιαία παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια για την περιοχή της Θεσσαλονίκης για κλίση 35 και 90.Σε αυτή εισάγουμε την απαραίτητη διόρθωση έτσι ώστε να υπολογίσουμε τη συνολική πραγματική ετήσια ηλεκτρική ενέργεια στη Σ.Θ.Ε. Τέλος, δίνουμε μια ενδεικτική τιμή του κόστους των απαραίτητων για τη Σ.Θ.Ε. φωτοβολταϊκών πλαισίων. 6

1. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 1.1. Ηλιακή Ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια, αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την ύπαρξη της ζωής στη Γη. Καθορίζει τη θερμοκρασία στην επιφάνειά της και παρέχει ουσιαστικά το σύνολο της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία όλων των φυσικών συστημάτων. Με μία καλή προσέγγιση, ο ήλιος ενεργεί ως μία τέλεια πηγή ακτινοβολίας (μέλαν σώμα) σε μία θερμοκρασία κοντά στους 5.8000 K. Η προσπίπτουσα κατά μέσο όρο ροή ενέργειας πάνω σε μία μονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα, είναι γνωστή ως ηλιακή σταθερά και ισούται με S=1367 W/m 2. Γενικότερα, η ολική ισχύς από μία πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη μονάδα επιφάνειας, ονομάζεται ένταση ακτινοβολίας. Η ατμόσφαιρα της γης, μειώνει σημαντικά την ακτινοβολία με τους μηχανισμούς της ανάκλασης, απορρόφησης (από το όζον, τους υδρατμούς, το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα) και σκέδασης (από τα μόρια αέρα, σκόνης ή ρύπους). Όταν η ηλιακή ακτινοβολία αθροίζεται στη διάρκεια ενός έτους, προκύπτει η ετήσια ηλιακή ενέργεια, συνήθως σε kwh/m 2. Η τιμή αυτή διαφέρει σημαντικά ανάλογα με την τοποθεσία. Στο σχήμα 1.1, φαίνονται τα ποσά πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας ετησίως ανά τον κόσμο και στο σχήμα 1.2, όσον αφορά την Ελλάδα. Σχήμα 1.1: Παγκόσμιος χάρτης ετήσιας ηλιακής ενέργειας 7

Σχήμα 1.2: Χάρτης ετήσιας ηλιακής ενέργειας στην Ελλάδα Σχήμα 1.3: Ηλιακή ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρά 8

Η ακτινοβολία στην επιφάνεια της γης, συνίσταται από ένα μέρος άμεσης ακτινοβολίας και ένα μέρος διάχυτης. Η άμεση συνιστώσα της ακτινοβολίας, προέρχεται από την κατεύθυνση του ήλιου σε αντίθεση με τη διάχυτη, η οποία σκεδάζεται από τον ουράνιο θόλο και δεν έχει συγκεκριμένη κατεύθυνση. Η ποσότητα της ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος είναι φυσικά άκρως μεταβλητή. Επιπλέον, πέρα από την κανονική ημερήσια και ετήσια μεταβολή λόγω της φαινόμενης κίνησης του ήλιου, ακατάστατες μεταβολές (κάλυψη από σύννεφα) προκαλούνται από τις κλιματολογικές συνθήκες καθώς επίσης και τη γενικότερη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Γι' αυτό το λόγο, η σχεδίαση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος βασίζεται στη λήψη μετρούμενων δεδομένων που λαμβάνονται στην τοποθεσία εγκατάστασης ή κοντά σε αυτή. Ένα μέγεθος που χαρακτηρίζει την επίδραση της καθαρής ατμόσφαιρας στη διαδρομή του ηλιακού φωτός, είναι η μάζα αέρος (Α.Μ), ίση προς το σχετικό μήκος της διαδρομής της απευθείας δέσμης διαμέσου της ατμόσφαιρας. Στη διάρκεια μίας ηλιόλουστης καλοκαιρινής ημέρας στο επίπεδο της θάλασσας, η ακτινοβολία από τον ήλιο, όταν βρίσκεται στο Ζενίθ, αντιστοιχεί σε μάζα αέρος 1. Σε άλλες περιπτώσεις, η μάζα αέρος (Α.Μ), είναι κατά προσέγγιση ίση προς το 1/cosθ z, όπου θ z είναι η γωνία του Ζενίθ. Σχήμα 1.4: Ορισμός της μάζας αέρος Α.Μ Ανάλογα με τις συνθήκες συννεφιάς και την ώρα της ημέρας (γωνία ύψους του ήλιου), η άμεση και διάχυτη ακτινοβολία διαφοροποιούνται σημαντικά. Τις αίθριες ημέρες, η άμεση ακτινοβολία, είναι η μεγαλύτερη συνιστώσα της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας. Αντίθετα, σε πολύ συννεφιασμένες μέρες (κυρίως το χειμώνα), η συνολική ακτινοβολία οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη της διάχυτης συνιστώσας. 9

Όπως προαναφέραμε, όταν η ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στη γη, κατανέμεται ανομοιόμορφα στις διάφορες περιοχές. Οι περιοχές κοντά στον ισημερινό λαμβάνουν περισσότερη ακτινοβολία από οποιεσδήποτε άλλες. Η ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει σημαντικά ανάλογα με τις εποχές και εξαρτάται από την ώρα της ημέρας, το κλίμα (ιδιαίτερα τα σύννεφα που σκεδάζουν τις ακτίνες του ήλιου) και την ατμοσφαιρική ρύπανση. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες καθορίζουν το ποσό της ηλιακής ενέργειας που διατίθεται για τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Σχήμα 1.5: Συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας σε αίθριες και συννεφιασμένες ημέρες Το ποσό της ενέργειας που παράγει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, δεν εξαρτάται μόνο από τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία αλλά επηρεάζεται σημαντικά και από την ικανότητα των στοιχείων να μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια (conversion efficiency). Οι επιστήμονες έχουν επικεντρώσει τις προσπάθειες τους τα τελευταία χρόνια στη βελτίωση της ικανότητας μετατροπής των φωτοβολταϊκών στοιχείων με στόχο να γίνουν τα παραπάνω πιο ανταγωνιστικά σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες. 10

1.2. Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, αποτελεί τη βασική φυσική διαδικασία μέσω της οποίας ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα. Ημιαγώγιμα υλικά όπως το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο, το τελουριούχο κάδμιο, ο δισελινοϊνδιούχος χαλκός κλπ, χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό. Το στοιχείο του κρυσταλλικού πυριτίου ωστόσο παραμένει το ευρύτερα διαδεδομένο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Σχήμα 1.6: Λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων στηριζόμενη στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός υλικού, τότε ένα μέρος αυτού ανακλάται, ένα άλλο τη διαπερνά και το υπόλοιπο απορροφάται από το υλικό της επιφάνειας. Η απορρόφηση του φωτός, ουσιαστικά σημαίνει τη μετατροπή του σε άλλη μορφή ενέργειας η οποία συνήθως είναι θερμότητα. Παρ' όλα αυτά όμως, υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων που προσπίπτουν στην επιφάνειά τους, σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται η τεράστια τεχνολογική πρόοδος του τομέα της ηλεκτρονικής και του τομέα της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. 11

Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια - πακέτα ηλιακής ενέργειας. Τα φωτόνια αυτά, περικλείουν διαφορετικά ποσά ενέργειας που αντιστοιχούν στα διάφορα μήκη κύματος του ηλιακού φάσματος. Η σύγχρονη τεχνολογία, μας έδωσε τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας, με τη χρήση των ηλιακών φωτοβολταϊκών συστημάτων, που η λειτουργία τους στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αποτελούν διόδους ημιαγωγικών ενώσεων τύπου p-n με τη μορφή επίπεδης πλάκας. 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 ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο διαρκεί η ακτινοβολία, δημιουργείται περίσσεια φορέων, δηλαδή περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο στερεό και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντίθετου πρόσημου, δέχονται την επίδραση ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού πεδίου της ένωσης p-n. Εξαιτίας αυτού, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου n και οι οπές προς το τμήμα τύπου p, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μία διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Αν στους ακροδέκτες αυτούς συνδεθεί κατάλληλο ηλεκτρικό φορτίο, παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύματος και ισχύος από τη φωτοβολταϊκή διάταξη προς το φορτίο. Συμπερασματικά η όλη διάταξη, αποτελεί μία πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, που διατηρείται για όσο χρονικό διάστημα διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στους δύο ακροδέκτες της παραπάνω διάταξης, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. 12

1.3. Επαφή p-n Στη συνέχεια, γίνεται μία συνοπτική αναφορά του τρόπου λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Κάθε κρυσταλλικός ημιαγωγός, για να έχει ικανοποιητικές ιδιότητες για φωτοβολταϊκές και γενικότερα για ηλεκτρονικές εφαρμογές, θα πρέπει να είναι πολύ μεγάλης καθαρότητας και το κρυσταλλικό τους πλέγμα να μην έχει αταξίες δομής. Τα άτομα των ημιαγώγιμων υλικών, συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς οι οποίοι είναι δυνατόν να σπάσουν υπό την επίδραση της ακτινοβολίας ή θερμότητας, οπότε απελευθερώνονται ηλεκτρόνια (αρνητικοί φορείς n) και αφήνουν κενές θέσεις, τις οπές (θετικοί φορείς p). Οι σημαντικότερες ιδιότητες και εφαρμογές των διατάξεων ημιαγωγών, δεν προέρχονται κυρίως από τη δημιουργία φορέων αλλά οφείλονται περισσότερο στη διάχυση των φορέων τους. Βασική διάταξη για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών, είναι η ένωση p-n (possitive-negative) που μπορούμε να θεωρήσουμε ότι σχηματίζεται όταν έλθουν σε στενή επαφή ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου p με ένα τεμάχιο τύπου n. Αμέσως τότε, ένα μέρος από τις οπές του τεμαχίου τύπου p διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου n όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα μέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τεμαχίου τύπου n διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου p, όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι επίσης πολύ λιγότερα. Σχήμα 1.7: Επαφή p-n Δημιουργείται με αυτό τον τρόπο μία περιοχή στην οποία υπάρχουν λίγοι φορείς αγωγιμότητας, γνωστή ως ζώνη εξάντλησης φορέων ή περιοχή αραίωσης. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα ωστόσο παραμένουν στη περιοχή n και τα αρνητικά στην περιοχή p. Έτσι, δημιουργείται ένα εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο, το οποίο αντιτίθεται στην κίνηση των φορέων αγωγιμότητας, με αποτέλεσμα η παραπάνω διάχυση να μη συνεχίζεται επ' άπειρον. Η αποκατάσταση των συνθηκών ισορροπίας γίνεται με επανασυνδέσεις φορέων, μέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιμές που ικανοποιούν το νόμο δράσης των μαζών. Η διάταξη ημιαγωγών που αποτελείται από 13

μία ένωση p-n και από μία ηλεκτρική σύνδεση στο κάθε τμήμα της ονομάζεται δίοδος. 1.4. Ορθή και Ανάστροφη Πόλωση της διόδου Η μία περίπτωση είναι να επιβληθεί στη δίοδο p-n ορθή πόλωση, δηλαδή ο αρνητικός πόλος της πηγής να συνδεθεί με το τμήμα τύπου n της διόδου, και ο θετικός πόλος με το τμήμα τύπου p. Τότε, τα ηλεκτρόνια ρέουν ανεμπόδιστα από την πηγή, διαμέσου του τμήματος τύπου n, προς την περιοχή της ένωσης όπου επανασυνδέονται με τις οπές που σχηματίζονται με την απομάκρυνση ηλεκτρονίων προς το θετικό πόλο της πηγής, διαμέσου του τμήματος τύπου p. Σχήμα 1.8: Συνδεσμολογία ορθής και ανάστροφης πόλωσης Σχήμα 1.9: Χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης διόδου p-n 14

Αντίθετα, στην ανάστροφη πόλωση, δηλαδή αν ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδεθεί με το τμήμα τύπου p και ο θετικός με το τμήμα τύπου n, γίνεται επανασύνδεση των οπών του τμήματος τύπου p με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή και από την άλλη μεριά, απομάκρυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων του τμήματος τύπου n, προς το θετικό πόλο της πηγής. Έτσι, οι συγκεντρώσεις των φορέων μειώνονται πάρα πολύ, το πάχος της ζώνης εξάντλησης αυξάνει, και τα φορτισμένα άτομα των προσμίξεων δημιουργούν ένα ισχυρό εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο που είναι αντίθετο προς το πεδίο που επιβάλλει η πηγή. Το αποτέλεσμα είναι ότι τώρα η δίοδος προβάλει μεγάλη αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα. Δηλαδή μπορεί μια δίοδος που έχει σε ορθή πόλωση αντίσταση μόλις 10 Ω, να την αυξάνει στην αντίστροφη πόλωση σε 100 ΜΩ, δηλαδή να γίνεται δέκα εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη. 1.5.Πυρανόμετρο Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα, η οποία προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια και προέρχεται τόσο απευθείας από τον ήλιο, όσο και από τη σκέδαση στα συστατικά της ατμόσφαιρας. Τοποθετείται πλήρως οριζοντιωμένο και μετρά συγχρόνως την άμεση και τη διάχυτη συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας, οι οποίες όμως γίνονται αισθητές σαν το γινόμενο της ροής της ακτινοβολίας και του συνημίτονου της γωνίας πρόσπτωσης, λόγω της κλίσης της αισθητήριας επιφάνειας. Για την καλύτερη αξιοπιστία των παρατηρήσεων, τα πυρανόμετρα πρέπει να τοποθετούνται σε θέση με ελάχιστα εμπόδια, ώστε να δέχoνται ακτινοβολία από όσο το δυνατό μεγαλύτερο τμήμα του ουράνιου θόλου, να έχει δηλαδή ελεύθερο ορίζοντα. Τα πυρανόμετρα είναι τα όργανα που χρησιμοποιούνται κατεξοχήν για μετρήσεις σχετικά με την ηλιακή ενέργεια, λόγω του ότι ανταποκρίνονται σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα, η δε γεωμετρία τους προσομοιάζει την γεωμετρία πολλών από της διατάξεις συλλογής της ηλιακής ενέργειας. Συνήθως τα πυρανόμετρα τοποθετούνται οριζόντια, αλλά σε ειδικές περιπτώσεις μπορούν να τοποθετηθούν και υπό κλίση, ανάλογα με τις απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής. 15

2. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΦΑ ΚΑΙ PVGIS 2.1. Φωτοβολταϊκό Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών (PVGIS) Το PVGIS αποτελεί μια βάση δεδομένων που συνδυάζει γεωγραφικά, μετεωρολογικά και δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας σύμφωνα με τα οποία εκτιμάται η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από φωτοβολταϊκά συστήματα στην Ευρώπη, την Αφρική, και τη Νοτιοδυτική Ασία. Παρέχει χωρική διακριτική ικανότητα 100 m, γεγονός που οδηγεί σε ακριβέστερες εκτιμήσεις της έκθεσης στην ηλιακή ακτινοβολία, ειδικά σε ορεινές περιοχές όπου ο ακριβής υπολογισμός των σκιάσεων έχει μείζονα σημασία. Αφού εντοπίσουμε μέσω των δορυφορικών φωτογραφιών του google earth το αγροτεμάχιο που μας ενδιαφέρει, καταγράφουμε τη θέση( γεωγραφικό μήκος και πλάτος ) όπου βρίσκεται. Τα στοιχεία αυτά θα τα εισαγάγουμε στο PVGIS για την εκτίμηση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος. Η Ευρωπαϊκή βάση δεδομένων περιλαμβάνει: γεωγραφικά δεδομένα: ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο, τα διοικητικά όρια και παγκόσμια κάλυψη γης, των πόλεων, κ.λπ. κλιματολογικά δεδομένα που αντιπροσωπεύουν μηνιαίες και ετήσιες μέσες τιμές: του ημερήσιου ποσού της ολικής ακτινοβολίας για το οριζόντιο επίπεδο[wh/m 2 ], της ατμοσφαιρικής θολότητας, της διάχυτης ακτινοβολίας και της βέλτιστης γωνίας κλίσης των Φ/Β πλαισίων για τη μεγιστοποίηση απόδοσης της ενέργειας [μοίρες]. μέσες τιμές για τις κατοικημένες περιοχές: του ετήσιου συνόλου της ολικής ακτινοβολίας (σε οριζόντιο, κάθετο και σε κεκλιμένο επίπεδο [kwh],του ετήσιου εκτιμώμενου ποσού παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας (σε οριζόντιο, κάθετο και σε κεκλιμένο επίπεδο) [kwh] και της βέλτιστης γωνίας κλίσης του Φ/Β πλαισίων για τη μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης [μοίρες]. Οι μέσες τιμές της ακτινοβολίας αντιπροσωπεύουν την περίοδο 1981-1990 και υπολογίσθηκαν από 566 μετεωρολογικούς σταθμούς εδάφους. 16

2.2. Σύγκριση μετρήσεων ΕΦΑ και PVGIS για κλίση 0 Στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ) του τμήματος Φυσικής στη Θεσσαλονίκη, γίνονται καθημερινά μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας [kjoules/m 2 /day] από πυρανόμετρα,για κλίση 0. Έτσι για τη χρονική περίοδο 1993-2008, έχουμε στη διάθεση μας τη μηνιαία ηλιακή ενέργεια για κάθε έτος [kwh/ m 2 /month] για κλίση 0. Από το PVGIS παίρνουμε τις τιμές της ηλιακής ενέργειας για κλίση 0 για την περιοχή της Θεσσαλονίκης με σκοπό να τις συγκρίνουμε με τις τιμές που μετρήθηκαν στο ΕΦΑ, έτσι ώστε να βρούμε κατά πόσο αποκλίνουν οι πραγματικές τιμές που μετρήθηκαν πειραματικά στο εργαστήριο από τις τιμές που εισάγει η βάση δεδομένων PVGIS. Στον πίνακα 1 και στο διάγραμμα 1 που ακολουθούν παρουσιάζεται η κατανομή της οριζόντιας ηλιακής ενέργειας για κάθε μήνα του έτους,έτσι όπως υπολογίζεται από το PVGIS. PVGIS ΜΗΝΑΣ [kwh/m 2 /month] 1 48,06 2 66,96 3 97,29 4 141,03 5 167,31 6 199,02 7 193,47 8 169,77 9 130,92 10 93,33 11 56,97 12 35,16 Μ.Ο. 116,6075 ΑΘΡΟΙΣΜΑ 1399,29 kwh/m 2 250 200 150 100 50 0 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ PVGIS[kWh/m 2 /month] ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ΜΗΝΑΣ Διάγραμμα 1. Πίνακας 1. 17

Στο διάγραμμα 2 φαίνεται η κατανομή της ηλιακής ενέργειας που προκύπτει από το PVGIS ως προς την ηλιακή ενέργεια που μετρήθηκε στο ΕΦΑ. Σε κάθε μηνιαία τιμή PVGIS αντιστοιχούν 15 τιμές ΕΦΑ για τον αντίστοιχο μήνα,οι οποίες μετρήθηκαν κατά την περίοδο 1993-2008. PVGIS[kWh/m 2 /month] 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 0 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 ΕΦΑ[kWh/m 2 /month] Διάγραμμα 2. Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζεται η μηνιαία κατανομή του λόγου των μετρήσεων της ηλιακής ενέργειας ΕΦΑ/PVGIS για κλίση 0. ΕΦΑ/PVGIS 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 ΜΗΝΙΑΙΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΛΟΓΟΥ ΕΦΑ/PVGIS ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ΜΗΝΑΣ Διάγραμμα 3. 18

Παρατηρούμε ότι στους πρώτους και τους τελευταίους μήνες του έτους ο λόγος ΕΦΑ/PVGIS απέχει κατά πολύ από τη μονάδα και στις περισσότερες περιπτώσεις είναι μεγαλύτερος της μονάδας. Συμπεραίνουμε για τους χειμερινούς μήνες ότι, οι τιμές της ηλιακής ενέργειας PVGIS είναι μικρότερες από αυτές που μετρήθηκαν στο εργαστήριο. Η διαφορά αυτή οφείλεται στα μετεωρολογικά δεδομένα που εισάγει το PVGIS, όπως η ισχυρή νέφωση,η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στο έδαφος. Κατά τους καλοκαιρινούς μήνες η απόκλιση του λόγου από τη μονάδα δεν είναι τόσο μεγάλη άρα το εργαστήριο και το PVGIS βρίσκονται σε σχετική συμφωνία. Στη συνέχεια υπολογίζουμε για κάθε χρόνο το μέσο όρο της ηλιακής ενέργειας ΕΦΑ και το διαιρούμε με το μέσο όρο PVGIS. Στον πίνακα 2 και στο διάγραμμα 4 που ακολουθούν φαίνεται η κατανομή του λόγου ΕΦΑ/PVGIS για το μέσο όρο κάθε έτους. ΕΤΟΣ M.O.ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS 1993 1,12 1994 1,08 1995 1,05 1996 1,00 1997 1,09 1998 1,09 1999 1,10 2000 1,16 2001 1,11 2002 1,07 2003 1,11 2004 1,09 2005 1,14 2006 1,12 2007 1,17 2008 1,14 Μ.Ο. 1,10 Πίνακας 2. 19

Μ.Ο. ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS 1,18 1,16 1,14 1,12 1,10 1,08 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 ΕΤΗΣΙΟΣ ΛΟΓΟΣ M.O.ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 0 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 ΕΤΟΣ Διάγραμμα 4. Παρατηρούμε ότι οι μέσες τιμές είναι ίσες για το έτος 1996 ενώ για όλες τις υπόλοιπες χρονιές οι ετήσιες μέσες τιμές του εργαστηρίου είναι μεγαλύτερες από αυτές του PVGIS.Η διαφορά αυτή πιθανότατα οφείλεται στην υψηλή νέφωση που εισάγει η βάση δεδομένων για τον υπολογισμό της ηλιακής ενέργειας. Ο μέσος όρος του λόγου [M.O.ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS] είναι 1.10 που σημαίνει ότι, οι τιμές που δίνονται από το PVGIS είναι κατά μέσο όρο 10% μικρότερες από τις τιμές του εργαστηρίου. Επομένως,αυτή η διαφορά εισάγεται και στα δεδομένα της ηλιακής ενέργειας για κλίση 35 και 90. 20

2.3. Σύγκριση μετρήσεων ΕΦΑ και PVGIS για κλίση 35 Στον πίνακα 3 και στο διάγραμμα 5 που ακολουθούν παρουσιάζεται η κατανομή της ηλιακής ενέργειας για κάθε μήνα του έτους,έτσι όπως υπολογίζεται από το PVGIS για κλίση 35. PVGIS ΜΗΝΑΣ [kwh/m 2 /month] 1 75 2 84 3 119 4 151 5 169 6 184 7 191 8 182 9 154 10 132 11 86 12 52 Μ.Ο. 131,58 ΑΘΡΟΙΣΜΑ 1579 Πίνακας 3. kwh/m 2 ΜΗΝΙΑΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ PVGIS [kwh/m 2 /month] ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 35 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Διάγραμμα 5. ΜΗΝΑΣ Στο διάγραμμα 6 φαίνεται η κατανομή της ηλιακής ενέργειας που προκύπτει από το PVGIS για κλίση 35 ως προς την ηλιακή ενέργεια που μετρήθηκε στο ΕΦΑ για κλίση 0. Επειδή οι τιμές PVGIS αποτελούν μέσο όρο της περιόδου 1981-1990 παρατηρούμε στο διάγραμμα ότι σε κάθε μία από αυτές τις τιμές αντιστοιχούν 15 διαφορετικές τιμές ΕΦΑ. PVGIS[kWh/m 2 /month] 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 35 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 ΕΦΑ[kWh/m 2 /month] Διάγραμμα 6. 21

Στη συνέχεια για κλίση 35 παρουσιάζεται η μηνιαία κατανομή του λόγου των μετρήσεων της ηλιακής ενέργειας ΕΦΑ/PVGIS. ΕΦΑ/PVGIS 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 ΜΗΝΙΑΙΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΛΟΓΟΥ ΕΦΑ/PVGIS ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 35 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ΜΗΝΑΣ Διάγραμμα 7. Παρατηρούμε ότι στους πρώτους και τους τελευταίους μήνες του έτους ο λόγος ΕΦΑ/PVGIS είναι μικρότερος της μονάδας άρα η ηλιακή ενέργεια που υπολογίζεται από το PVGIS είναι μεγαλύτερη. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη χειμερινή περίοδο του έτους η ηλιακή ενέργεια είναι μεγαλύτερη σε κλίση 35 από ότι σε κλίση 0.Αντίθετα το καλοκαίρι, η ηλιακή ενέργεια είναι μικρότερη σε κλίση 35 από ότι σε κλίση 0. Στη συνέχεια διαιρούμε τον ετήσιο μέσο όρο της ηλιακής ενέργειας ΕΦΑ με το μέσο όρο PVGIS για κλίση 35. Στον πίνακα 4 και στο διάγραμμα 8 που ακολουθούν φαίνεται η κατανομή του λόγου ΕΦΑ/PVGIS για το μέσο όρο κάθε έτους (M.O.ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS). 22

M.O.ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 M.O.ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS ΕΤΟΣ 0,99 1993 0,95 1994 0,92 1995 0,89 1996 0,96 1997 0,96 1998 0,98 1999 1,02 2000 0,98 2001 0,94 2002 0,98 2003 0,96 2004 1,01 2005 0,99 2006 1,03 2007 1,01 2008 0,97 Μ.Ο. Πίνακας 4. ΕΤΗΣΙΟΣ ΛΟΓΟΣ M.O.ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 35 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 ΕΤΟΣ Διάγραμμα 8. Παρατηρούμε ότι στα έτη 1993, 2005 και 2008 ο λόγος (M.O.ΕΦΑ/Μ.Ο.PVGIS) πλησιάζει ικανοποιητικά τη μονάδα. 23

2.4. Σύγκριση μετρήσεων ΕΦΑ και PVGIS για κλίση 90 Στον πίνακα 5 και στο διάγραμμα 9 που ακολουθούν παρουσιάζεται η κατανομή της ηλιακής ενέργειας για κάθε μήνα του έτους,έτσι όπως υπολογίζεται από το PVGIS για κλίση 90 και Νότιο προσανατολισμό. PVGIS ΜΗΝΑΣ [kwh/m 2 /month] 1 72 2 72 3 86 4 88 5 80 6 75 7 82 8 95 9 104 10 110 11 81 12 49 Μ.Ο. 82,83 ΑΘΡΟΙΣΜΑ 994 Πίνακας 5. kwh/m 2 120 100 80 60 40 20 0 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ PVGIS[kWh/m 2 /month] ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ΜΗΝΑΣ Διάγραμμα 9. Παρατηρούμε ότι η κατανομή της ηλιακής ενέργειας για κλίση 90 χωρίζεται σε δύο κανονικές κατανομές σε αντίθεση με τις κατανομές της ενέργειας για κλίση 0 και 35 οι οποίες είναι κανονικές. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι για κλίση 90 έχουμε υψηλές τιμές ενέργειας την άνοιξη και το φθινόπωρο και μέσες το καλοκαίρι και το χειμώνα. Για κλίση 0 και 35 έχουμε υψηλές τιμές ενέργειας το καλοκαίρι οι οποίες μειώνονται προς τους εαρινούς και φθινοπωρινούς μήνες ελαχιστοποιούνται στους χειμερινούς. Στο διάγραμμα 10 φαίνεται η κατανομή της ηλιακής ενέργειας που προκύπτει από το PVGIS για κλίση 90 ως προς την ηλιακή ενέργεια που μετρήθηκε στο ΕΦΑ για κλίση 0. Επειδή οι τιμές PVGIS αποτελούν μέσο όρο της περιόδου 1981-1990 παρατηρούμε στο διάγραμμα ότι σε κάθε μία από αυτές τις τιμές αντιστοιχούν 15 διαφορετικές τιμές ΕΦΑ. 24

120 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 90 100 PVGIS[kWh/m 2 ] 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 ΕΦΑ[kWh/m 2 /month] Διάγραμμα 10. Στη συνέχεια για κλίση 90 παρουσιάζεται η μηνιαία κατανομή του λόγου των μετρήσεων της ηλιακής ενέργειας ΕΦΑ/PVGIS. 4,00 ΜΗΝΙΑΙΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΟΥ ΛΟΓΟΥ ΕΦΑ/PVGIS ΓΙΑ ΚΛΙΣΗ 90 ΕΦΑ/PVGIS 3,00 2,00 1,00 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ΜΗΝΑΣ Διάγραμμα 11. Παρατηρούμε ότι από τον Φεβρουάριο μέχρι το Σεπτέμβριο ο λόγος ΕΦΑ/PVGIS ξεπερνά κατά πολύ τη μονάδα άρα η ηλιακή ενέργεια για κλίση 0 που μετράται στο εργαστήριο είναι μέχρι και τρεις φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια για κλίση 90.Τον Οκτώβριο, Νοέμβριο, Δεκέμβριο και Ιανουάριο για κλίση 90 μετράμε μεγαλύτερες τιμές ενέργειας. 25

3.ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΤΗΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗ Σ.Θ.Ε. 3.1.Ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από Φ/Β πλαίσια κλίσης 35 Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε την ηλεκτρική ενέργεια που αναμένεται να παραχθεί σε ένα έτος από φωτοβολταϊκά πλαίσια με κλίση 35,τα οποία υποθετικά θα τοποθετηθούν στις ταράτσες των τμημάτων Βιολογίας και Χημείας της Σχολής Θετικών Επιστημων Θεσσαλονίκης. Από το Φωτοβολταϊκό Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών (PVGIS) προκύπτει μια πρώτη εκτίμηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β κρυσταλλικού πυριτίου, εγκατεστημένης μέγιστης ισχύος 1 kwp, με απώλειες συστήματος 14%,κλίση Φ/Β μοντέλου 35 και Νότιο προσανατολισμό (0 ) για την περιοχή της Θεσσαλονίκης. Στην παράγραφο 2.2,στο διάγραμμα 3, παρουσιάσαμε τη μηνιαία κατανομή του λόγου των μετρήσεων της ηλιακής ενέργειας ΕΦΑ ( για κλίση 0 ) ως προς την ηλιακή ενέργεια PVGIS για κλίση 0 (ΕΦΑ/ PVGIS).Μετά υπολογίσαμε το μηνιαίο μέσο όρο του λόγου ΕΦΑ/ PVGIS με σκοπό να τον πολλαπλασιάσουμε με την εκτιμώμενη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το PVGIS ώστε να προκύψει η διορθωμένη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ PVGIS 35 [kwh/m 2 /month] Μ.Ο. (ΕΦΑ/PVGIS) 0 ΔΙΟΡΘΩΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 35 [kwh/m 2 /month] ΜΗΝΑΣ 61 1,1 67,1 1 68 1,18 80,24 2 94 1,21 113,74 3 117 1,07 125,19 4 128 1,12 143,36 5 136 1,1 149,6 6 140 1,11 155,4 7 133 1,1 146,3 8 116 1,09 126,44 9 102 0,96 97,92 10 68 0,99 67,32 11 42 1,23 51,66 12 [kwh/m 2 /year] Μ.Ο. [kwh/m 2 /year] 100,42 1,11 110,96 Πίνακας 6. 26

Εικόνα 1.Σχολή Θετικών Επιστημών Θεσσαλονίκης Υπολογίσαμε λοιπόν τη διορθωμένη ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται για κλίση Φ/Β ίση με 35 [kwh/m 2 /month].στη συνέχεια θα υπολογίσουμε το εμβαδό του δώματος των τμημάτων βιολογίας και χημείας. Μέσω του λογισμικού Google Earth μετρήσαμε το μήκος και το ύψος των δωμάτων που μας ενδιέφεραν και αφαιρέσαμε από αυτά 1m γιατί,τα φωτοβολταϊκά πρέπει να απέχουν 1m από το στηθαίο του δώματος των κτιρίων. Ε=ΜΗΚΟΣ*ΥΨΟΣ Τμήμα βιολογίας: Εβιολ.=(65,57-1)*(16,45-1)=997,6065 m 2 Τμήμα χημείας: Ε 1= (30,27-1)*(53,75-1)=1543,9925 m 2 Ε 2= (14,74-1)*(44,71-1)=600,5754 m 2 Ε 3= (16,91-1)*(29,16-1)=448,0256 m 2 Εχημ.=2592,5935 m 2 27

Στη συνέχεια πολλαπλασιάζουμε τη διορθωμένη ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται για κλίση Φ/Β ίση με 35 [kwh/m 2 /month] με το εμβαδό της ταράτσας του τμήματος βιολογίας και χημείας για να βρούμε την παραγόμενη [kwh/month] στο κάθε τμήμα. ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΜ.ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ [kwh/month] ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΜ.ΧΗΜΕΙΑΣ [kwh/month] ΜΗΝΑΣ 66939,63 173963 1 80048,23 208029,7 2 113468,2 294881,6 3 124890,8 324566,8 4 143017,4 371674,2 5 149242,5 387852 6 155028,6 402889 7 145950,3 379296,4 8 126137,8 327807,5 9 97685,97 253866,8 10 67159,11 174533,4 11 51536,53 133933,4 12 [kwh/year] [kwh/year] 110698,9 287684,8 Πίνακας 7. ηλεκτρική ενέργεια 3.2.Ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από Φ/Β πλαίσια κλίσης 90 Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε την ηλεκτρική ενέργεια που αναμένεται να παραχθεί σε ένα έτος από φωτοβολταϊκά πλαίσια με κλίση 90,τα οποία υποθετικά θα τοποθετηθούν στους τοίχους του τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημων Θεσσαλονίκης. Από το Φωτοβολταϊκό Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών (PVGIS) προκύπτει μια πρώτη εκτίμηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β κρυσταλλικού πυριτίου, εγκατεστημένης μέγιστης ισχύος 1 kwp, με απώλειες συστήματος 14%, κλίση Φ/Β μοντέλου 90 και Νότιο προσανατολισμό (0 ) για την περιοχή της Θεσσαλονίκης. Υπολογίσαμε το μηνιαίο μέσο όρο του λόγου ΕΦΑ/ PVGIS για κλίση 0 με σκοπό να τον πολλαπλασιάσουμε με την εκτιμώμενη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για κλίση 90 από το PVGIS ώστε να προκύψει η διορθωμένη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. 28

ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ PVGIS 90 [kwh/m 2 /month] Μ.Ο. (ΕΦΑ/PVGIS) 0 ΔΙΟΡΘΩΜΕΝΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 90 [kwh/m 2 /month] ΜΗΝΑΣ 58,5 1,1 64,35 1 57,9 1,18 68,322 2 67,5 1,21 81,675 3 66,4 1,07 71,048 4 57,3 1,12 64,176 5 50,6 1,1 55,66 6 55,9 1,11 62,049 7 67,2 1,1 73,92 8 77,2 1,09 84,148 9 84,8 0,96 81,408 10 64,7 0,99 64,053 11 39,7 1,23 48,831 12 [kwh/m 2 /year] Μ.Ο. [kwh/m 2 /year] 62,31 1,11 68,85 Πίνακας 8. Υπολογίσαμε λοιπόν τη διορθωμένη ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται για κλίση Φ/Β ίση με 90 [kwh/m 2 /month].στη συνέχεια θα υπολογίσουμε το εμβαδό επιφάνειας των τοίχων του τμήματος φυσικής. Κάθε όροφος έχει μέσο ύψος 3m,το τμήμα φυσικής έχει έξι ορόφους άρα έχει ύψος 18m. Μέσω του λογισμικού Google Earth μετρήσαμε το μήκος κάθε τοίχου που μας ενδιαφέρει και αφαιρέσαμε 1m από αυτό γιατί,τα φωτοβολταϊκά πρέπει να τοποθετούνται 1m πιο μέσα από τα όρια των τοίχων. Πολλαπλασιάζουμε το μήκος με το ύψος για να βρούμε το εμβαδόν κάθε τοίχου: Ε=ΜΗΚΟΣ*ΥΨΟΥΣ Ε 1 =(14,36-1)*(18-1)=227,12 m 2 Ε 2 =(14,89-1)*(18-1)=236,13 m 2 Εφ=227,12+236,13=463,25 m 2 Στη συνέχεια πολλαπλασιάζουμε τη διορθωμένη ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται για κλίση Φ/Β ίση με 90 [kwh/m 2 /month] με το εμβαδό των τοίχων του τμήματος Φυσικής για να βρούμε την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια [kwh/month] σε αυτό. 29

Στον πίνακα 9 παρουσιάζονται οι μηνιαίες και οι η ετήσιες τιμές της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας για τα τμήματα Φυσικής, Βιολογίας,Χημείας και συνολικά της Σχολής Θετικών Επιστημών Θεσσαλονίκης. ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΜ.ΦΥΣΙΚΗΣ [kwh/month] ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΜ.ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ [kwh/month] ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΜ.ΧΗΜΕΙΑΣ [kwh/month] ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΘΕ [kwh/month] ΜΗΝΑΣ 29810,14 66939,63 173963 270712,8 1 31650,17 80048,23 208029,7 319728,1 2 37835,94 113468,2 294881,6 446185,7 3 32912,99 124890,8 324566,8 482370,6 4 29729,53 143017,4 371674,2 544421,1 5 25784,5 149242,5 387852 562878,9 6 28744,2 155028,6 402889 586661,8 7 34243,44 145950,3 379296,4 559490,2 8 38981,56 126137,8 327807,5 492926,9 9 37712,26 97685,97 253866,8 389265 10 29672,55 67159,11 174533,4 271365,1 11 22620,96 51536,53 133933,4 208090,9 12 [kwh/year] [kwh/year] [kwh/year] [kwh/year] 31895,94 110698,9 287684,8 430279,6 Πίνακας 9. 30

4.ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1.Υπολογισμός κόστους των φωτοβολταϊκών πλαισίων που απαιτούνται για τη Σχολή Θετικών Επιστημών Δεδομένα Επιφάνεια Φ/Β πλαισίου =9 m 2 Κόστος Φ/Β πλαισίου =5.000 Τμήμα φυσικής : Ε 1 =227,12 m 2 άρα Ε 1 / (Επιφάνεια Φ/Β)= 227,12 m 2 /9 m 2 =25 Φ/Β Ε 2 =236,13 m 2 άρα Ε 2 / (Επιφάνεια Φ/Β)= 236,13 m 2 /9 m 2 =26 Φ/Β Στο τμήμα φυσικής απαιτούνται συνολικά 51 Φ/Β πλαίσια. Τμήμα βιολογίας: Εβιολ.=997,6065 m 2 άρα Εβιολ./(Επιφάνεια Φ/Β)=997,6065 m 2 /9 m 2 =110 Φ/Β Τμήμα χημείας: Ε 1 =1543,9925 m 2 άρα Ε 1 / (Επιφάνεια Φ/Β)= 1543,9925 m 2 /9 m 2 = 171 Φ/Β Ε 2 =600,5754 m 2 άρα Ε 2 / (Επιφάνεια Φ/Β)= 600,5754 m 2 /9 m 2 =66 Φ/Β Ε 3 =448,0256 m 2 άρα Ε 3 / (Επιφάνεια Φ/Β)= 448,0256 m 2 /9 m 2 = 49 Φ/Β Στο τμήμα χημείας απαιτούνται συνολικά 286 Φ/Β πλαίσια. Τελικά,στη ΣΘΕ απαιτούνται συνολικά 447 Φ/Β πλαίσια τα οποία στοιχίζουν 447*5000 =2.235.000 και παράγουν 430.279,6 kwh/year. Στη χώρα μας σύμφωνα με τα στατιστικά στοιχεία της ΔΕΗ, η ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας που αναλογεί σε κάθε κάτοικο είναι 4.970 kwh/year. Άρα, η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από τη Σχολή Θετικών Επιστημών αντιστοιχεί σε 86 εργαζομένους του πανεπιστημίου. 31

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ http://nemertes.lis.upatras.gr Αλκιβιάδη Μπάη: Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον,Τμήμα Εκδόσεων, Θεσσαλονίκη 2004 http://sunbird.jrc.it/pvgis 00 http://www.dei.gr/ 32