ΕΥΧΑΚΣΤΚΕΣ. Καράνταγλθ Ελζνθ

ΕΥΧΑΚΣΤΚΕΣ Θ παροφςα διπλωματικι εργαςία πραγματοποιικθκε ςτα πλαίςια του Ρρογράμματοσ Μεταπτυχιακϊν Σπουδϊν ςτθν «Επιςτιμθ των Υλικϊν», τθσ Σχολισ Κετικϊν Επιςτθμϊν, του Ρανεπιςτθμίου Ρατρϊν. Θ εργαςία αποτελείται από δφο μζρθ. Το πειραματικό μζροσ εκπονικθκε ςτο Εργαςτιριο Θλιακισ Ενζργειασ του Τμιματοσ Φυςικισ, με επιβλζποντα κακθγθτι τον κ. Λ. Τρυπαναγνωςτόπουλο, και αντικείμενό τθσ είναι θ επίδραςθ τθσ αηιμοφκιασ γωνίασ και τθσ κλίςθσ των φωτοβολταϊκϊν ςτθν προςπίπτουςα θλιακι ακτινοβολία, ςτο πλαίςιο τθσ εφαρμογισ τουσ και τθσ ολιςτικισ ενεργειακισ κεϊρθςθσ των κτιρίων. Το υπολογιςτικό μζροσ εκπονικθκε ςτο Τμιμα Επιςτιμθσ των Υλικϊν, με επιβλζποντα κακθγθτι τον κ. Μ. Σιγάλα και αντικείμενο τθν μελζτθ περιοδικϊν και άλλων μικροδομϊν ςτθν επιφάνεια φβ pc-si. Ευχαριςτϊ κερμά τον κ. Μιχαιλ Σιγάλα, Αναπλθρωτι Κακθγθτι του Τμιματοσ Επιςτιμθσ των Υλικϊν και τον κ. Λωάννθ Τρυπαναγνωςτόπουλο, Κακθγθτι του Τμιματοσ Φυςικισ, για τθν εμπιςτοςφνθ τουσ, τθν πολφτιμθ και ουςιαςτικι κακοδιγθςι τουσ, και τθν εποικοδομθτικι ςυνεργαςία που μου παρείχαν. Επίςθσ κα ικελα να ευχαριςτιςω τον Ερευνθτι και πολφτιμο ςυνεργάτθ Αριςτοτζλθ Σγοφρο, μετά από τον οποίο παρζλαβα τθ ςκυτάλθ, ςτα πλαίςια του προγράμματοσ «Συνεργαςία 2011 - Συμπράξεισ παραγωγικϊν και ερευνθτικϊν φορζων ςε εςτιαςμζνουσ ερευνθτικοφσ και τεχνολογικοφσ τομείσ». Οι διευκρινιςεισ, οι ςυμβουλζσ και θ ερευνθτικι του δραςτθριότθτα αποτζλεςαν τθ βάςθ τθσ παροφςασ εργαςίασ. Ευχαριςτϊ επίςθσ, τον Υποψιφιο Διδάκτορα Γιϊργο Τρυπαναγνωςτόπουλο, με τον οποίον εργαςτικαμε παράλλθλα ςτα πλαίςια των πειραματικϊν διαδικαςιϊν, για τθ βοικεια και τθν άψογθ ςυνεργαςία που μου πρόςφερε, αλλά και για τθν ςυμπαράςταςθ και τθν θκικι υποςτιριξθ κατά τθ διάρκεια εκπόνθςθσ τθσ εργαςίασ, θ οποία ιταν καταλυτικι για τθν περάτωςθ τθσ διπλωματικισ εργαςίασ. Καράνταγλθ Ελζνθ

ΡΕΚΛΗΨΗ Τα κτίρια αποτελοφν τον ςθμαντικότερο τομζα κατανάλωςθσ ενζργειασ και κάκε βιμα για τον περιοριςμό τθσ και τθν αντικατάςταςι τθσ από ανανεϊςιμεσ πθγζσ ενζργειασ, κα ςυνδράμει ςτθν αντιμετϊπιςθ του ενεργειακοφ, περιβαλλοντικοφ και οικονομικοφ προβλιματοσ. Στθν παροφςα εργαςία εξετάηεται θ ενεργειακι ανακαίνιςθ κτιρίων, ωσ προχπόκεςθ για τθ βζλτιςτθ αξιοποίθςθ των φωτοβολταϊκϊν και των άλλων ενεργειακϊν τεχνολογιϊν για τθν επίτευξθ μιασ οικολογικισ ολιςτικισ ανακαίνιςθσ. Στα πλαίςια αυτά, μελετικθκε πειραματικά θ επίδραςθ τθσ γωνίασ πρόςπτωςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ, ςε ςυνκικεσ φυςικοφ θλιαςμοφ, ςτθν επιφάνεια των φωτοβολταϊκϊν πολυκρυςταλλικοφ πυριτίου (pc-si), κακϊσ και ςτθν απόδοςι τουσ. Ειδικότερα, εξετάηονται περιοδικζσ δομζσ ςτθν επιφάνεια φβ pc-si, με ςκοπό τθν ελαχιςτοποίθςθ τθσ ανάκλαςθσ του προςπίπτοντοσ φωτόσ, ιδιαίτερα για μεγάλεσ γωνίεσ πρόςπτωςθσ. Θ μελζτθ βαςίηεται ςτθν υπολογιςτικι μζκοδο «rigorous coupled-wave analysis (RCWA)», με τθν οποία υπολογίηονται τα ποςοςτά διζλευςθσ και ανάκλαςθσ του φωτόσ από αυτζσ τισ δομζσ. Συμπεραςματικά, ανακαινίηοντασ ενεργειακά ζνα κτίριο επιτυγχάνεται μείωςθ των απαιτιςεων χριςθσ ενεργθτικϊν ςυςτθμάτων, όπωσ είναι τα φωτοβολταϊκά. Αυξάνοντασ τθν απόδοςι των φωτοβολταικϊν, ιδίωσ ςτισ επιφάνειεσ με «δυςμενι» προςανατολιςμό, το κτίριο μπορεί να γίνει κτίριο (ςχεδόν) μθδενικισ κατανάλωςθσ (nzeb) ι και μθδενικισ κατανάλωςθσ (ΗΕΒ). ΛΕΞΕΚΣ-ΚΛΕΚΔΚΑ Ενεργειακι ανακαίνιςθ, ΗΕΒ, γωνία πρόςπτωςθσ, φωτοβολταϊκά, RCWA, μικροδομι.

ABSTRACT Building sector represents the most important sector of energy consumption. Every step to control and replace conventional energy sources by renewable sources, will help to face the energy, environmental and economic problems. This paper examines the energy building renovation, as a prerequisite for optimal use of photovotlaics and other energy technologies for achieving a holistic ecological renovation. In this context, studied experimentally the effect of the angle of incidence of solar radiation, in natural conditions of sunlight, on the surface of polycrystalline silicon photovoltaic (pc-si), and about on their performance. In particular, periodic structures on the PV pc-si surface had examined, in order to minimize the reflection of incident light, especially for large angles of incidence. The study is based on computational method «rigorous coupled-wave analysis (RCWA)», which counted the percentages of passage and reflection of sunlight for these structures. In conclusion, on an energy building renovation could be achieved a reduction of the requirements on the use of active systems such as photovoltaics. Increasing the performance of photovoltaic, especially in areas with "adverse" orientation, the building can become building (nearly) zero energy (nzeb) or zero energy (ZEB). KEYWORDS Energy renovation, ZEΒ, angle of incidence, photovoltaics, RCWA, microstructure.

ΡΕΚΕΧΟΜΕΝΑ ΕΚΣΑΓΩΓΗ 1 ΣΤΟΧΟΣ ΚΑΛ ΡΕΛΕΧΟΜΕΝΟ ΤΘΣ ΡΑΟΥΣΑΣ ΔΛΡΛΩΜΑΤΛΚΘΣ ΕΓΑΣΛΑΣ 1 ΔΟΜΘ ΤΘΣ ΡΑΟΥΣΑΣ ΔΛΡΛΩΜΑΤΛΚΘΣ ΕΓΑΣΛΑΣ 2 ΚΕΦΑΛΑΚΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΚΣΙΡΙΑ 3 1.1 ΕΛΣΑΓΩΓΘ ΣΤΑ ΚΤΛΛΑ ΜΘΔΕΝΛΚΘΣ ΕΝΕΓΕΛΑΚΘΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΘΣ 3 1.2 ΥΦΛΣΤΑΜΕΝΑ ΚΤΛΛΑ 4 1.3 ΕΝΕΓΕΛΑΚΘ ΑΝΑΚΑΛΝΛΣΘ 5 1.3.1 ΡΑΚΘΤΛΚΑ ΚΑΛ ΕΝΕΓΘΤΛΚΑ ΕΝΕΓΕΛΑΚΑ ΣΥΣΤΘΜΑΤΑ 9 1.3.2 ΕΦΑΜΟΓΘ ΟΛΛΣΤΛΚΘΣ ΟΛΚΟΛΟΓΛΚΘΣ ΑΝΑΚΑΛΝΛΣΘΣ 10 ΚΕΦΑΛΑΚΟ 2: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΑ 15 2.1 ΕΛΣΑΓΩΓΘ 15 2.2 ΕΛΣΑΓΩΓΘ ΣΤΘΝ ΘΛΛΑΚΘ ΑΚΤΛΝΟΒΟΛΛΑ 16 2.3 Θ ΚΛΝΘΣΘ ΤΟΥ ΘΛΛΟΥ, ΒΑΣΛΚΕΣ ΕΝΝΟΛΕΣ ΚΑΛ ΟΛΣΜΟΛ 22 2.4 ΑΚΤΛΝΟΒΟΛΛΑ ΡΑΝΩ ΣΕ ΚΕΚΛΛΜΕΝΘ ΕΡΛΦΑΝΕΛΑ 24 2.5 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΘΜΑΤΑ 30 2.5.1 ΕΛΣΑΓΩΓΘ ΣΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΛΝΟΜΕΝΟ 30 2.5.2 ΔΛΑΦΟΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΛΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΛΧΕΛΩΝ 30 2.5.3 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΛΚΑ ΣΤΟΛΧΕΛΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΘΜΑΤΩΝ 37 2.5.4 ΑΡΟΔΟΣΘ ΚΑΛ ΚΟΣΤΟΣ 39 2.5.5 ΟΛΚΟΛΟΓΛΚΕΣ, ΤΕΧΝΟΛΟΓΛΚΕΣ, ΑΛΣΚΘΤΛΚΕΣ, & ΚΟΛΝΩΝΛΚΟ-ΟΛΚΟΝΟΜΛΚΕΣ ΡΤΥΧΕΣ 41 2.5.6 ΤΥΡΟΛ ΣΥΣΤΟΛΧΛΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ 41 2.5.7 ΡΟΣΑΝΑΤΟΛΛΣΜΟΣ ΚΑΛ ΚΛΛΣΘ ΤΘΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΘΣ ΣΥΣΤΟΛΧΛΑΣ 43 2.5.8 ΡΑΑΓΟΝΤΕΣ ΡΟΥ ΕΡΘΕΑΗΟΥΝ ΤΘΝ ΕΝΕΓΕΛΑΚΘ ΑΡΟΔΟΣΘ ΤΩΝ ΦΒ ΡΛΑΛΣΛΩΝ 46 ΚΕΦΑΛΑΚΟ 3: ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΜΕΛΕΣΗ 48 3.1 ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΘ ΜΕΛΕΤΘ 48 3.2 ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΘ ΔΛΑΤΑΞΘ ΚΑΛ ΔΛΑΔΛΚΑΣΛΑ 49

3.3 ΥΡΟΛΟΓΛΣΜΟΛ ΚΑΛ ΕΡΕΞΕΓΑΣΛΑ ΡΕΛΑΜΑΤΛΚΩΝ ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 52 3.4 ΡΑΑΜΕΤΟΛ ΣΤΟΛΧΕΛΩΝ ΚΑΛ I-V ΚΑΜΡΥΛΕΣ 54 3.5 ΣΥΜΡΕΑΣΜΑΤΑ 62 ΚΕΦΑΛΑΚΟ 4: ΤΠΟΛΟΓΙΣΙΚΗ ΜΕΛΕΣΗ 66 4.1 ΕΛΣΑΓΩΓΘ 66 4.2 ΜΕΚΟΔΟΣ RCWA 67 4.3 ΣΧΕΔΛΑΣΘ ΤΩΝ ΜΛΚΟΔΟΜΩΝ 69 4.4 ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΛΑ ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΛΕΛΕΣ ΕΡΛΦΑΝΕΛΕΣ 70 4.4.1 ΔΛΣΚΛΑ ΑΡΟ Si 70 4.4.2 ΔΛΣΚΛΑ Si ΜΕ ΥΡΕΚΕΛΜΕΝΑ ΣΤΩΜΑΤΑ Si 3 N 4 /SiO 2 73 4.4.3 ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΣΤΩΜΑ AL 2 O 3 ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥ Si ΚΑΛ ΤΘΣ ΟΡΛΣΚΟΕΡΑΦΘΣ 76 4.5 ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΛΑ ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΕΡΛΦΑΝΕΛΑΚΕΣ ΜΛΚΟΔΟΜΕΣ ΟΛ ΟΡΟΛΕΣ ΔΕΝ ΕΡΘΕΑΗΟΥΝ ΤΟ ΣΤΩΜΑ ΤΟΥ Si 77 4.5.1 ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΚΟΛΩΝΕΣ ΣΤΟ ΣΤΩΜΑ ΤΟΥ SI3N4 77 4.5.2 ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΤΥΡΕΣ ΣΤΟ ΣΤΩΜΑ ΤΟΥ SI3N4 81 4.5.3 ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΡΥΑΜΛΔΕΣ ΣΤΟ ΣΤΩΜΑ ΤΟΥ SI3N4 85 4.5.4 ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΚΟΛΟΝΕΣ ΣΤΑ ΣΤΩΜΑΤΑ ΤΟΥ SI3N4 ΚΑΛ SIO2 88 4.6 ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΛΑ ΕΡΛΦΑΝΕΛΑΚΕΣ ΜΛΚΟΔΟΜΕΣ ΡΟΥ ΕΡΘΕΑΗΟΥΝ ΚΑΛ ΤΟ ΣΤΩΜΑ ΤΟΥ SI 92 4.6.1 ΜΛΚΟΔΟΜΕΣ ΣΕ ΔΛΣΚΛΑ ΑΡΟ SI 92 4.6.2 ΜΛΚΟΔΟΜΕΣ ΣΕ ΔΛΣΚΛΑ ΑΡΟ SI/SI3N4 96 4.6.3 ΜΛΚΟΔΟΜΕΣ ΣΕ ΔΛΣΚΛΑ ΑΡΟ SI/SI3N4/SIO2 101 4.7 ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΛΑ ΜΛΚΟΔΟΜΕΣ ΣΤΘΝ ΜΕΤΑΛΛΛΚΘ ΟΡΛΣΚΟΕΡΑΦΘ 104 4.7.1 ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΜΛΚΟΔΟΜΕΣ ΤΥΡΟΥ ΚΟΛΩΝΑΚΛΩΝ ΚΑΛ ΟΡΩΝ ΣΤΘΝ ΟΡΛΣΚΟΕΡΑΦΘ 104 4.7.2 ΔΛΣΚΛΑ ΜΕ ΜΛΚΟΔΟΜΕΣ ΤΥΡΟΥ ΚΟΛΩΝΑΚΛΩΝ ΚΑΛ ΟΡΩΝ ΣΤΘΝ ΟΡΛΣΚΟΕΡΑΦΘ&ΕΝΔΛΑΜΕΣΑ ΣΤΩΜΑΤΑ SI3N4 ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ SI ΚΑΛ AG 110 4.8 ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΛΑ ΜΛΚΟΣΦΑΛΛΔΛΑ ΡΟΛΥΣΤΥΕΝΛΟΥ ΣΤΘΝ ΕΡΛΦΑΝΕΛΑ ΤΩΝ ΔΛΣΚΛΩΝ 112 4.9 ΕΚΤΛΜΘΣΘ ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 114 ΣΥΜΡΕΑΣΜΑΤΑ 115 ΒΚΒΛΚΟΓΑΦΚΑ 117

ΕΚΣΑΓΩΓΗ Ρεριεχόμενο και Στόχοσ τθσ παροφςασ διπλωματικισ εργαςίασ Τα τελευταία χρόνια πραγματοποιείται εκτενισ ζρευνα με ςτόχο τθν ελαχιςτοποίθςθ των ενεργειακϊν καταναλϊςεων ςτον κτιριακό τομζα. Πςον αφορά τθν ανζγερςθ νζων κτιρίων, ςτα «βιοκλιματικά», «πακθτικά», «μθδενικισ κατανάλωςθσ ενζργειασ» και άλλα κτίρια, επιτυγχάνεται θ επικυμθτι ελάχιςτθ ζωσ μθδενικι ενεργειακι κατανάλωςθ. Δεδομζνθσ όμωσ τθσ μεγάλθσ ποςότθτασ των υφιςτάμενων κτιρίων, τα οποία είναι ιδιαίτερα ενεργοβόρα, κρίνεται απαραίτθτθ θ προςοχι ςε αυτά. Ανακαινίηοντασ ενεργειακά τα υπάρχοντα κτίρια, με εκτεταμζνθ μελζτθ και χριςθ ενεργθτικϊν, πακθτικϊν και περιβαλλοντικϊν τεχνικϊν μποροφν να αναβακμιςκοφν ενεργειακά με προοπτικι να προςεγγίηουν τθν δομι των κτιρίων μθδενικισ ι ςχεδόν μθδενικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ. Θ λφςθ του ενεργειακοφ προβλιματοσ ςτθν ανακαίνιςθ των κτιρίων, κα μποροφςε να επιτευχκεί με αποκλειςτικι χριςθ ΑΡΕ, αλλά λαμβάνοντασ υπόψθ τθν οικονομικά αποδοτικότερθ και περιβαλλοντικά ουςιαςτικότερθ ενεργειακι ανακαίνιςθ, κρίνεται ςκόπιμο να εξαντλθκεί θ εφαρμογι των πακθτικϊν ςτοιχείων των κτιρίων και ςτθ ςυνζχεια να ενιςχυκοφν επικουρικά με ενεργθτικά μζςα. Τα θλιακά κερμικά, τα φωτοβολταϊκά ι και τα φωτοβολταϊκά/κερμικά υβριδικά ςυςτιματα ωσ τεχνολογίεσ ΑΡΕ, που μποροφν εφκολα να ενταχκοφν ςτα κτίρια, ιδιαίτερα ςτα κτίρια των πόλεων - ςε ςχζςθ με άλλεσ τεχνολογίεσ, όπωσ τα γεωκερμικά ι τα αιολικά ςυςτιματα κτλ, απαιτοφν μεγάλθ επιφάνεια του εξωτερικοφ περιβλιματοσ του κτιρίου και κατάλλθλο προςανατολιςμό, που ςτισ περιςςότερεσ περιπτϊςεισ δεν διακζτουν. Στο Εργαςτιριο Θλιακισ Ενζργειασ, του τμιματοσ Φυςικισ, του Ρανεπιςτθμίου Ρατρϊν, πραγματοποιικθκαν πειράματα με ςτόχο τον προςδιοριςμό τθσ προςπίπτουςασ θλιακισ ακτινοβολίασ ςε φωτοβολταϊκά πλαίςια, τθσ ιςχφοσ και τθσ απόδοςισ τουσ, με οποιονδιποτε προςανατολιςμό. Με τα πειράματα αυτά, επιβεβαιϊκθκε ςε φυςικζσ ςυνκικεσ θλιαςμοφ θ επίδραςθ τθσ γωνίασ πρόςπτωςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςτθν 1

απόδοςθ των φωτοβολταϊκϊν, με ςκοπό θ ενεργειακι ανακαίνιςθ να καταςτιςει το κτίριο «μθδενικισ ενζργειασ» - με βάςθ τον προςανατολιςμό του υπάρχοντοσ κτιρίου. Ραρατθρϊντασ ότι ςτισ «δυςμενείσ» γωνίεσ προςανατολιςμοφ των κτιρίων θ απόδοςθ των φβ ςυςτθμάτων είναι ιδιαίτερα χαμθλι, και δεδομζνου ότι τα κτίρια είναι υφιςτάμενα και δεν είναι δυνατόν να αλλάξουν προςανατολιςμό, αναηθτικθκαν τρόποι επίλυςθσ. Ζτςι, ςτο Τμιμα Επιςτιμθσ των Υλικϊν, του Ρανεπιςτθμίου Ρατρϊν, ξεκίνθςε ζρευνα με τθ χριςθ υπολογιςτικισ μεκόδου, με ςτόχο τθν αφξθςθ τθσ απόδοςθσ των φβ ςυςτθμάτων. Στθν παροφςα διπλωματικι εργαςία αναλφονται και παρουςιάηονται τα αποτελζςματα τθσ ζρευνασ αυτισ, που βαςίςτθκαν ςτθν αλλαγι τθσ δομισ φβ πολυκρυςταλλικοφ πυριτίου (pc-si). Θ ζρευνα πραγματοποιικθκε ςτα πλαίςια του προγράμματοσ «Συνεργαςία 2011 - Συμπράξεισ παραγωγικϊν και ερευνθτικϊν φορζων ςε εςτιαςμζνουσ ερευνθτικοφσ και τεχνολογικοφσ τομείσ», και τα αποτελζςματά τθσ κατζλθξαν ςε ευρεςιτεχνία. Δομι τθσ παροφςασ διπλωματικισ εργαςίασ Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μια ειςαγωγι ςτα κτίρια μθδενικισ ι ςχεδόν μθδενικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ (ΗΕΒ ι nηεβ), που αποτελοφν και το ςτόχο τθσ ΕΕ για το 2020 όςον αφορά ςτα νζα κτίρια. Ζπειτα, παρατίκεται ο προβλθματιςμόσ ςχετικά με τα υφιςτάμενα κτίρια και τθν ενεργειακι ανακαίνιςθ τουσ, και παρουςιάηεται ζνα παράδειγμα εφαρμογισ. Το Κεφάλαιο 2, περιλαμβάνει το κεωρθτικό υπόβακρο πάνω ςτο οποίο βαςίηεται το πειραματικό και υπολογιςτικό τμιμα τθσ εργαςίασ. Επεξθγοφνται βαςικζσ ζννοιεσ και οριςμοί, με βάςθ τθν κίνθςθ του ιλιου, τθν θλιακι ακτινοβολία και τα οπτικά φαινόμενα. Ζπειτα, γίνεται μια αναφορά ςτα φωτοβολταϊκά ςυςτιματα και πωσ τα επθρεάηει ο προςανατολιςμόσ και θ κλίςθ εγκατάςταςισ τουσ. Στο Κεφάλαιο 3, παρουςιάηεται θ πειραματικι μελζτθ, που αφορά τθν επίδραςθ τθσ γωνίασ πρόςπτωςθσ τθσ θλιακισ ενζργειασ ςε υποκετικζσ εγκαταςτάςεισ φωτοβολταϊκϊν ςυςτθμάτων ςε ςτζγεσ και όψεισ κτιρίων. Συηθτοφνται τα αποτελζςματα και τα ςυμπεράςματα που προκφπτουν. 2

Στο Κεφάλαιο 4, εξετάηεται υπολογιςτικά μια λφςθ για τθν βελτίωςθ τθσ απόδοςθσ των φβ, βαςιηόμενθ ςτθν αλλαγι τθσ δομισ τουσ. Ραρατίκεται θ εκτενισ ζρευνα που πραγματοποιικθκε και αναλφονται τα αποτελζςματα. ΚΕΦΑΛΑΚΟ 1: Ενζργεια και Κτίρια 1.1 Ειςαγωγι ςτα κτίρια μθδενικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ Ο κτιριακόσ τομζασ είναι υπεφκυνοσ για το 40% τθσ ςυνολικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ παγκοςμίωσ κακϊσ και για το 33% των άμεςων και ζμμεςων εκπομπϊν αερίων του κερμοκθπίου *IEA, 2008+. Το γεγονόσ αυτό, ςε ςυνδυαςμό με τθν κλιματικι αλλαγι και τθ διαρκι μείωςθ των αποκεμάτων ορυκτϊν καυςίμων, οδθγεί ςτθν διεξαγωγι ζρευνασ για μζτρα, με ςκοπό τθ βελτίωςθ τθσ ενεργειακισ τουσ αποδοτικότθτασ. Στα πλαίςια τθσ προοπτικισ για μείωςθ τθσ ενεργειακισ κατανάλωςθσ του κτιριακοφ τομζα προζκυψε θ ανάγκθ τθσ δθμιουργίασ κτιρίων υψθλισ ενεργειακισ αποδοτικότθτασ με μθδενικι κατανάλωςθ ενζργειασ από ςυμβατικά καφςιμα (Zero Energy Buildings, ZEB). Θ ζννοια του κτιρίου μθδενικισ ενζργειασ ι μθδενικϊν εκπομπϊν δεν είναι καινοφρια. Ζχει εμφανιςτεί ςτθ βιβλιογραφία ιδθ από τισ δεκαετίεσ του 1970, 1980 και 1990 [1,2]. Ωςτόςο μετά το 2000 το παγκόςμιο ενδιαφζρον ςτράφθκε ςτα ZEB και αναπτφχκθκαν πολλά εκνικά και διεκνι προγράμματα για τθ μελζτθ και τθν εφαρμογι τουσ *3,4]. Τον Απρίλιο του 2010, θ Ευρωπαϊκι Επιτροπι εξζδωςε τθν ανακεϊρθςθ τθσ οδθγίασ για τθν ενεργειακι απόδοςθ των κτιρίων (EPBD), ςφμφωνα με τθν οποία όλα τα νζα κτίρια από τισ 31 Δεκεμβρίου 2020 πρζπει να είναι nearly Zero Energy Buildings (nzeb), δθλαδι κτίρια ςχεδόν μθδενικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ, ενϊ τα νζα κτίρια που ςτεγάηουν δθμόςιεσ αρχζσ ι είναι ιδιοκτθςίασ τουσ πρζπει να πλθροφν τα ίδια κριτιρια από τισ 31 Δεκεμβρίου 2018. Ραρά τισ πολυάρικμεσ δράςεισ προσ τθν κατεφκυνςθ των nzebs, ο οριςμόσ του κτιρίου μθδενικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ παραμζνει ςτισ περιςςότερεσ περιπτϊςεισ ακόμα γενικόσ και αςαφισ. Σχετικά καλφτερα ζχει δομθκεί ο οριςμόσ των «zero carbon homes» ςτο Θνωμζνο Βαςίλειο, αν και είναι λίγο περιοριςμζνοσ, κακϊσ αφορά ςτο πεδίο 3

των νζων κατοικιϊν, με ςτόχο όλα τα καινοφρια ςπίτια να είναι μθδενικϊν εκπομπϊν ωσ το 2016. Αν και ακόμα δεν υπάρχει ςαφισ οριςμόσ, θ ζννοια του nzeb ςυνοψίηεται ςτα εξισ ςθμεία: χαμθλζσ ενεργειακζσ απαιτιςεισ, υψθλι ενεργειακι αποδοτικότθτα, κάλυψθ ενεργειακϊν αναγκϊν από ΑΡΕ *5+. Θ κεντρικι ιδζα για το ΗΕΒ και το nzeb είναι θ παρακάτω *6]: Zero Energy Building (ZEB) είναι το κτίριο το οποίο είναι καταςκευαςμζνο ζτςι ϊςτε να εκμεταλλεφεται πλιρωσ τθν βιοκλιματικι αρχιτεκτονικι, να ζχει όςο το δυνατόν λιγότερεσ ενεργειακζσ απαιτιςεισ, και θ ειςερχόμενθ ενζργεια από το δίκτυο με τθν εξερχόμενθ ενζργεια να είναι ίςεσ κατά τθν διάρκεια ενόσ ζτουσ. nearly Zero Energy Building (nzeb) είναι το κτίριο το οποίο ζχει πολφ αποτελεςματικι ενεργειακι ςυμπεριφορά. Θ πολφ μικρι ποςότθτα ενζργειασ που χρειάηεται το κτίριο πρζπει να καλφπτεται ςτον μεγαλφτερο βακμό από ΑΡΕ που παράγονται επί τόπου ι κοντά ςτο χϊρο που βρίςκεται το κτίριο. Θ ενζργεια που ειςζρχεται ςτο ΗΕΒ πρζπει να παράγεται και αυτι από ΑΡΕ ςε ςτακμοφσ τθσ περιοχισ γφρω από το κτίριο. 1.2 Υφιςτάμενα κτίρια Ιδθ με απόφαςθ του 2002, προβλζπεται ότι από το 2019 όλα τα νζα κτίρια ςτθν Ευρϊπθ κα πρζπει να παράγουν όςθ ενζργεια καταναλϊνουν. Μπορεί να δίνεται περιςςότερθ ζμφαςθ ςτισ νζεσ καταςκευζσ, είναι κακοριςτικισ ςθμαςίασ ωςτόςο να τονιςτεί ότι θ καταςκευι των νζων κτιρίων με μθδενικι ι ςχεδόν μθδενικι κατανάλωςθ ενζργειασ δεν κα λφςει το πρόβλθμα ςτον κτιριακό τομζα, κακϊσ τα νζα κτίρια που καταςκευάηονται είναι πολφ λίγα και οι ρυκμοί κατεδάφιςθσ των παλαιϊν κτιρίων και καταςκευισ νζων αρκετά μικροί. Με αυτά τα δεδομζνα κα χρειάηονταν πολλά χρόνια για να ανανεωκεί το υπάρχον κτιριακό δυναμικό. Δεν μποροφν λοιπόν ςε καμία περίπτωςθ να παραβλεφκοφν οι ιδθ υπάρχουςεσ καταςκευζσ, οι οποίεσ αποτελοφν το μεγαλφτερο ποςοςτό του δομθμζνου περιβάλλοντοσ. Το ιδθ υπάρχον δομθμζνο περιβάλλον ευκφνεται για τθν κατανάλωςθ μεγάλων ποςοτιτων ενζργειασ, ενϊ παράλλθλα ζχει υψθλό δυναμικό εξοικονόμθςθσ ενζργειασ. Θ 4

μεγάλθ αξία των αναπτυςςόμενων τεχνολογιϊν για τα nzeb κα είναι θ εφαρμογι τουσ ςτα υφιςτάμενα κτίρια προσ τθν κατεφκυνςθ αποδοτικότερων κτιρίων, με βελτιωμζνθ ενεργειακι ςυμπεριφορά. Θ βελτίωςθ και θ ζνταξθ των υφιςτάμενων κτιρίων ςτα nηεβ αποτελεί πολφ μεγαλφτερθ πρόκλθςθ από τθν καταςκευι ενόσ νζου κτιρίου μθδενικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ, επομζνωσ, χρειάηονται ζναν ιδιαίτερο οριςμό ςτον οποίο κα μποροφν να εντάςςονται και αυτά *7]. Επιπλζον, αποτελεί ιδιαίτερθ περίπτωςθ θ δθμιουργία πολυϊροφων καταςκευϊν μθδενικοφ ενεργειακοφ ιςοηυγίου ςε πυκνά αςτικά περιβάλλοντα, οι οποίεσ είναι πρακτικά δφςκολο να παράγουν όλθ τθν ενζργεια που χρειάηονται για τθ λειτουργία τουσ από τα ςυςτιματα εκμετάλλευςθσ ανανεϊςιμων πθγϊν. Σε αυτι τθν περίπτωςθ ζχει ενδιαφζρον θ ςχεδίαςθ ςε κλίμακα ομάδων κτιρίων, οικοδομικϊν τετραγϊνων, ςυνοικιϊν ι ακόμα και πόλεων αντί για μεμονωμζνα κτίρια μθδενικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ *5+. Κα μποροφςαμε δθλαδι να μιλιςουμε για «zero-energy clusters» ι «zero-energy towns», τα οποία δεν κα αποτελοφνται από ζνα άκροιςμα κτιρίων μθδενικισ ενζργειασ, αλλά θ ςυνολικι παραγωγι ενζργειασ κα ιςοφαρίηει τθ ςυνολικι ηιτθςθ *9+. Σε τζτοια ςυγκροτιματα ι πόλεισ, κάποια κτίρια με υψθλό δυναμικό παραγωγισ ενζργειασ από ΑΡΕ κα μποροφςαν να αποτελοφν positive-energy buildings, να παράγουν δθλαδι περιςςότερθ ενζργεια από όςθ χρειάηονται τα ίδια, και με το πλεόναςμα ενζργειασ να καλφπτονται ανάγκεσ άλλων κτιρίων. Επιπλζον, θ κάλυψθ μζρουσ των ενεργειακϊν αναγκϊν του οικιςτικοφ ςυνόλου είναι δυνατόν να γίνεται από ενζργεια που παράγεται από ΑΡΕ ςε ςτακμοφσ τθσ γφρω περιοχισ. Θ προοπτικι αυτι βζβαια προχποκζτει κατάλλθλο αςτικό ςχεδιαςμό και βιοκλιματικό ςχεδιαςμό ςε πολεοδομικι κλίμακα *10]. 1.3 Ενεργειακι Ανακαίνιςθ Ο κτιριακόσ τομζασ ςυμμετζχει κατά 40% περίπου ςτθν ςυνολικι τελικι κατανάλωςθ ενζργειασ, επθρεάηοντασ αρνθτικά το περιβάλλον με ρφπουσ και CO 2 και ςυμβάλλοντασ ςτθν υπερκζρμανςθ του πλανιτθ και ςτθν κλιματικι αλλαγι *11+. Για τθν αντιμετϊπιςθ αυτοφ του προβλιματοσ αναπτφςςονται νζεσ τεχνολογίεσ για βελτίωςθ τθσ ενεργειακισ ςυμπεριφοράσ των κτιρίων, που ςυνοδεφονται με χριςθ ςυςτθμάτων αξιοποίθςθσ τθσ θλιακισ ενζργειασ και άλλων ΑΡΕ, για τθν κάλυψθ των ενεργειακϊν τουσ 5

αναγκϊν. Ραράλλθλα, ξεκίνθςαν να εφαρμόηονται πιο αυςτθρότεροι κανονιςμοί για τθν ενεργειακι κατανάλωςθ των κτιρίων *12]. Από το 2020 και μετά απαιτείται θ ελαχιςτοποίθςθ τθσ χριςθσ ενεργειακϊν πθγϊν άνκρακα ςτον κτιριακό τομζα, που ςτα νζα κτίρια πρζπει ςχεδόν να μθδενιςτεί. Θ κφρια δραςτθριότθτα ςτον κτιριακό τομζα αναμζνεται τα επόμενα χρόνια να είναι θ ανακαίνιςθ των υπαρχόντων κτιρίων και θ ενεργειακι τουσ βελτίωςθ. Με τθν λειτουργικι ανακαίνιςθ και πολφπλευρθ αποκατάςταςθ των κτιρίων, κα επιδιωχκεί θ επίτευξθ κτιρίων με χαμθλι κατανάλωςθ ενζργειασ και ελάχιςτεσ εκπομπζσ ρφπων. Μεταξφ των παρεμβάςεων κα είναι θ προςαρμογι πακθτικϊν τρόπων εξοικονόμθςθσ ενζργειασ με τθν βζλτιςτθ αποδοτικά, οικονομικά, λειτουργικά και αιςκθτικά εφαρμογι τεχνολογιϊν μείωςθσ των θλεκτρικϊν και κερμικϊν φορτίων των κτιρίων. Οι τεχνολογίεσ αυτζσ είναι τα φβ και οι κερμικοί θλιακοί ςυλλζκτεσ, ενϊ αναμζνονται για αργότερα οι μικρισ ιςχφοσ αιολικζσ μθχανζσ. Τα ςυςτιματα αυτά πρζπει όμωσ να ςυνδυάηονται λειτουργικά και αιςκθτικά με τθν εξωτερικι επιφάνεια και αρχιτεκτονικι των κτιρίων. Ο κατάλλθλοσ ςυνδυαςμόσ πακθτικϊν τεχνολογιϊν και ενεργθτικϊν ςυςτθμάτων ΑΡΕ κα βοθκιςει ςτθ μείωςθ τθσ απαίτθςθσ για μεγάλεσ διακζςιμεσ εξωτερικζσ επιφάνειεσ κτιρίων προσ εγκατάςταςι τουσ για τθν κάλυψθ των ενεργειακϊν φορτίων, με ςυνζπεια τθν ευρφτερθ πρακτικι εφαρμογι τουσ *8+. Στθν Ελλάδα, ωσ Μεςογειακι χϊρα με πολφ λιγότερεσ απαιτιςεισ ςε κζρμανςθ κατά τθ διάρκεια του χειμϊνα, οι ανάγκεσ για κζρμανςθ των κατοικιϊν ανζρχονται περίπου ςτο 70% τθσ ςυνολικισ ενεργειακισ κατανάλωςθσ. Θ κατανάλωςθ ενζργειασ για τισ οικιακζσ ςυςκευζσ, το μαγείρεμα, το φωτιςμό και τον κλιματιςμό ανζρχεται ςτο 18% του ςυνολικοφ ενεργειακοφ ιςοηυγίου *13+. Θ παραγωγι ηεςτοφ νεροφ χριςθσ είναι το υπόλοιπο 12% του ςυνολικοφ ποςοφ ενζργειασ. Οι ςθμαντικότερεσ καταναλϊςεισ τθσ ενζργειασ που προζρχεται από ςυμβατικζσ πθγζσ υδρογονανκράκων (πετρζλαιο, φυςικό αζριο) και θ παραγωγι αντίςτοιχα εκπομπϊν αερίων κερμοκθπίου, εντοπίηονται ςτο ςτάδιο τθσ χριςθσ του κτιρίου. Θ ενζργεια αυτι, για ενδεικτικι χριςθ του κτιρίου 50 χρόνια, είναι το 80 90% τθσ ςυνολικισ του ενζργειασ *14+. Δείκτεσ κατανάλωςθσ ενζργειασ από τον OECD (2010) αποδεικνφουν ότι ςτον τομζα των καταςκευϊν χρθςιμοποιείται το 25% - 40% τθσ ςυνολικισ ενζργειασ, ενϊ ςε μερικζσ χϊρεσ το ποςοςτό αυτό αγγίηει και το 50% *15+. Θ ενεργειακι κάλυψθ ενόσ κτιρίου απαιτεί κατάλλθλθ κερμικι προςταςία, φυςικό φωτιςμό και αεριςμό και μπορεί να επιτευχκεί με χριςθ ΑΡΕ 6

και κυρίωσ κερμικϊν θλιακϊν ςυλλεκτϊν, φωτοβολταϊκϊν, και πικανϊσ εγκατάςταςθ μικρϊν ανεμογεννθτριϊν. Οι προαναφερκείςεσ προχποκζςεισ είναι εφκολο να ικανοποιθκοφν ςτα νζα κτίρια για το 2020 και μετά με τθν ανζγερςθ πακθτικϊν βιοκλιματικϊν κτιρίων μθδενικισ ενζργειασ και αξιοποίθςθ φβ, κερμικϊν ςυλλεκτϊν, κλπ. Πμωσ, τα νζα κτίρια ςτθν Ευρϊπθ εκτιμάται ότι κα αντιςτοιχοφν ςε πολφ μικρό ποςοςτό των υφιςταμζνων κτιρίων και ειδικά για τθν Ελλάδα το ποςοςτό αυτό κα είναι ακόμθ μικρότερο λόγω τθσ τρζχουςασ κρίςθσ. Ζτςι, το μεγάλο ενδιαφζρον υπάρχει για τθν ενεργειακι αναβάκμιςθ των υφιςταμζνων κτιρίων και ιδιαίτερα αυτϊν που ζχουν δυςμενείσ ςυνκικεσ όπωσ: Δεν είναι διακζςιμεσ όλεσ οι εξωτερικζσ επιφάνειεσ του κτιρίου για αποδοτικι ενςωμάτωςθ φβ και κερμικϊν ςυλλεκτϊν, λόγω όμορων κτιρίων ι ςκίαςθσ από αυτά, ι φπαρξθ βλάςτθςθσ. Ο προςανατολιςμόσ του κτιρίου δεν ευνοεί τθν αποδοτικι τοποκζτθςθ φβ ςυςτθμάτων και κερμικϊν ςυλλεκτϊν. Οι ενεργειακζσ απαιτιςεισ του κτιρίου είναι μεγάλεσ και οι διακζςιμεσ επιφάνειεσ για εγκατάςταςθ θλιακϊν ςυςκευϊν είναι μικρζσ. Το κόςτοσ επζνδυςθσ για ΑΡΕ είναι υψθλότερο ςε ςχζςθ με τα ςυμβατικά ςυςτιματα. Το κτίριο είναι διατθρθτζο (ιςτορικό, αρχαιολογικό κτλ.) ι είναι ςε παραδοςιακό οικιςμό. Για τθν αντιμετϊπιςθ του κζματοσ τθσ ενεργειακισ αναβάκμιςθσ ενόσ υφιςταμζνου κτιρίου, χρειάηεται να γίνει αρχικά καταγραφι τθσ ενεργειακισ του κατάςταςθσ και να προςδιοριςτεί θ ενεργειακι του βακμίδα ςφμφωνα με τουσ υπάρχοντεσ κανονιςμοφσ (για τθν χϊρα μασ είναι ο ΚΕΝΑΚ). Στθ ςυνζχεια εξετάηονται οι προχποκζςεισ για τθν αφξθςθ τθσ ενεργειακισ του βακμίδασ, ςτοχεφοντασ ςτθν μζγιςτθ δυνατι. Για τθν επίτευξθ αυτοφ του ςτόχου μελετϊνται οι τεχνολογίεσ που κα βελτιϊςουν το ενεργειακό του αποτφπωμα ςε ςυνδυαςμό με τθν οπτικι και κερμικι άνεςθ των χρθςτϊν του, τον καλφτερο τρόπο ηωισ τουσ, τθν αξιοποίθςθ του χϊρου, κακϊσ και τθν οικονομικι πλευρά των αλλαγϊν ςτο κτίριο. Ωσ προσ τθν εξοικονόμθςθ ενζργειασ το πιο ςθμαντικό είναι ο περιοριςμόσ των κερμικϊν απωλειϊν του κτιρίου και θ εφαρμογι περιβαλλοντικά αποδεκτϊν ενεργειακϊν τεχνολογιϊν. Μεταξφ αυτϊν, θ εγκατάςταςθ, ι και θ ενςωμάτωςθ, των φωτοβολταϊκϊν 7

και κερμικϊν θλιακϊν ςυλλεκτϊν προχποκζτει μεγάλθ διακζςιμθ κατάλλθλθ επιφάνεια. Θ εφαρμογι τουσ όμωσ ςε μεγαλφτερθ κλίμακα, κα μειϊςει τθν ποςότθτα οικοδομικϊν υλικϊν, άρα και τθσ ενζργειασ και του νεροφ που περιζχουν και κα ωφελθκεί το περιβάλλον, περιορίηοντασ ι εξαλείφοντασ τισ επιπτϊςεισ προσ αυτό, ςυμβάλλοντασ ςτθν αντιμετϊπιςθ των προβλθμάτων που υπάρχουν. Μελετϊντασ το κτίριο ωσ ςφνολο, ο ςυνδυαςμόσ πακθτικϊν ενεργειακϊν ςυςτθμάτων με κατάλλθλα ςυςτιματα ΑΡΕ, μπορεί να επιτφχει τουσ ενεργειακοφσ, λειτουργικοφσ, αιςκθτικοφσ, περιβαλλοντικοφσ και οικονομικοφσ ςτόχουσ. Ελαχιςτοποιϊντασ τα φορτία ςε κζρμανςθ/ψφξθ, φωτιςμό και άλλεσ θλεκτρικζσ καταναλϊςεισ, τα ςυςτιματα ΑΡΕ μποροφν να καλφψουν τισ ενεργειακζσ ανάγκεσ που τϊρα είναι από ςυμβατικζσ ενεργειακζσ πθγζσ. Με τθν κεϊρθςθ αυτι, θ χριςθ τεχνολογιϊν και υλικϊν που είναι ιδθ διακζςιμα ςτθν αγορά, με τθν προςεκτικι διαχείριςθ των ςυςτθμάτων ψφξθσ και κζρμανςθσ, θ ενεργειακι κατανάλωςθ π.χ. μιασ κατοικίασ, μπορεί να μειωκεί ςε ποςοςτό 40-60%, διατθρϊντασ ι και βελτιϊνοντασ τισ ςυνκικεσ διαβίωςθσ και μειϊνοντασ ςθμαντικά τισ δαπάνεσ για ενεργειακι κάλυψθ. Με τον περιοριςμό των καταναλϊςεων μειϊνονται οι απαιτιςεισ ςτθν παραγόμενθ ενζργεια από φωτοβολταϊκά και κερμικοφσ θλιακοφσ ςυλλζκτεσ. Ζτςι, ςε μια ςυνικθ κατοικία, αντί να απαιτείται π.χ. εγκατάςταςθ 10 kw φβ, αυτι μπορεί να είναι μικρότερθ, π.χ. 6 kw και θ απαιτοφμενθ ποςότθτα εγκατεςτθμζνων φβ πάνελσ κα μειωκεί, επομζνωσ κα απαιτείται και χαμθλότερο κόςτοσ. Πμωσ, δεν ζχουν όλα τα κτίρια διακζςιμθ επιφάνεια με τον καλφτερο προςανατολιςμό ωσ προσ τον ιλιο. Για εγκατάςταςθ φβ ςε επικλινι ςτζγθ με ανατολικό, δυτικό ι ακόμθ χειρότερα με βόρειο προςανατολιςμό, το αναγκαίο θλεκτρικό φορτίο του κτιρίου απαιτεί περιςςότερα πανελσ, άρα και μεγαλφτερο κόςτοσ. Για τα κζματα αυτά, ςτο Ραν/μιο Ρατρϊν ζχουν αναπτυχκεί τεχνολογίεσ θλιακισ ενζργειασ για τθν βελτίωςθ τθσ αποδιδόμενθσ θλεκτρικισ ενζργειασ με χριςθ διάχυτων ανακλαςτιρων, εφαρμογι υβριδικϊν φβ/κ ςυςκευϊν *16,17+ και ζχουν γίνει αναλφςεισ και προτάςεισ ςτο κζμα αυτό ςτο παρελκόν *18+ και πρόςφατα *19+. Στθν παροφςα εργαςία παρουςιάηεται μια μελζτθ οικολογικισ ανακαίνιςθσ ενόσ κτιρίου, όπου θ ενεργειακι αναβάκμιςθ ςυνδυάηεται με εφαρμογι φβ και κερμικϊν ςυλλεκτϊν ςτοχεφοντασ ςε κτίριο ςχεδόν μθδενικισ κατανάλωςθσ ενζργειασ. 8

1.3.1 Ρακθτικά και Ενεργθτικά Ενεργειακά Συςτιματα Τα πακθτικά θλιακά ςυςτιματα ςτα κτίρια αξιοποιοφν τθν θλιακι ενζργεια για κζρμανςθ των χϊρων το χειμϊνα, για δροςιςμό το καλοκαίρι κακϊσ και για φυςικό φωτιςμό, λαμβάνοντασ υπόψθ το άμεςο και ζμμεςο θλιακό κζρδοσ. Γι αυτό και ο ςχεδιαςμόσ του κτιρίου πρζπει να γίνεται με τρόπο που να εκμεταλλεφεται τα χαρακτθριςτικά του περιβάλλοντοσ και του κτιρίου για τθν μζγιςτθ αξιοποίθςθ τθσ θλιακισ ενζργειασ *20+. Αυτό μπορεί να γίνει με το κατάλλθλο μζγεκοσ και προςανατολιςμό των ανοιγμάτων, τθν διαρρφκμιςθ των εςωτερικϊν χϊρων, τθν κερμικι προςταςία των εξωτερικϊν επιφανειϊν, τθν χριςθ ενεργειακϊν υαλοπινάκων και κουφωμάτων, τθν επαρκι θλιοπροςταςία και κερμικι μάηα με υλικά υψθλισ κερμικισ αγωγιμότθτασ και κερμοχωρθτικότθτασ για κερμικι αποκικευςθ (Phase Change Materials, PCM). Επιπλζον, αποτελεςματικι είναι και θ χριςθ φωτοςωλινων για τον φυςικό φωτιςμό των εςωτερικϊν χϊρων, κατά τθ διάρκεια τθσ θμζρασ. Εκτόσ από τα πακθτικά ςυςτιματα για μείωςθ των ενεργειακϊν απαιτιςεων ςτα κτίρια, είναι και θ εφαρμογι ενεργθτικϊν ενεργειακϊν ςυςτθμάτων. Τα ςυςτιματα αυτά μπορεί να είναι: φωτιςτικά ςτοιχεία LED, λζβθτεσ κεντρικισ κζρμανςθσ και διάφορεσ θλεκτρικζσ ςυςκευζσ με υψθλότερο βακμό απόδοςθσ και μικρότερθ κατανάλωςθ ενζργειασ (a-class/inverter), ζξυπνα ςυςτιματα διαχείριςθσ και ελζγχου ενζργειασ (BMS), θλιακοί κερμικοί ςυλλζκτεσ, φωτοβολταϊκά, υβριδικά ςυςτιματα, λζβθτεσ βιομάηασ, γεωκερμικζσ αντλίεσ κερμότθτασ και ενδεχομζνωσ μικρζσ ανεμογεννιτριεσ (ςε περίπτωςθ κτιρίων με υψθλό αιολικό δυναμικό). Θ κατάλλθλθ επιλογι των πακθτικϊν και ενεργθτικϊν ςυςτθμάτων κα ελαχιςτοποιιςει τισ ενεργειακζσ απαιτιςεισ του κτιρίου και κα οδθγιςει ςτθν επίτευξθ του κτιρίου ελάχιςτθσ ενεργειακισ κατανάλωςθσ, ζνα βιμα πριν τθν επίτευξθ του κτιρίου μθδενικισ κατανάλωςθσ ςυμβατικϊν ενεργειακϊν πθγϊν (Zero Energy Building, ZEB). Για να γίνουν ςτθ χϊρα μασ τα βιματα αυτά χρειάηεται θ εκτεταμζνθ υλοποίθςθ του ΚΕΝΑΚ και το επιτυχζσ πζραςμα από τθν ςθμερινι κατάςταςθ των «ςπάταλων» ενεργειακά κτιρίων ςτα αναβακμιςμζνα ενεργειακά κτίρια. Μεταξφ των παρεμβάςεων ςτισ εξωτερικζσ επιφάνειεσ του κτιρίου για τθν ενεργειακι του αναβάκμιςθ είναι τα ψυχρά υλικά, ελαςτομερι χρϊματα, αςφαλτικά υλικά, πολυμερικζσ μεμβράνεσ, θ φφτευςθ δϊματοσ και άλλεσ τεχνικζσ, που μειϊνουν τισ ενεργειακζσ απαιτιςεισ και ςυμβάλουν ςτθν ελαχιςτοποίθςθ των φορτίων κζρμανςθσ/ψφξθσ και απαίτθςθ για 9

μεγάλεσ επιφάνειεσ εγκατάςταςθσ ςυςτθμάτων θλιακισ ενζργειασ ςτθν πρόςοψθ και τθ ςτζγθ τουσ. Άλλεσ τεχνολογίεσ εξοικονόμθςθσ ενζργειασ είναι: επίςτρωςθ του κελφφουσ του κτιρίου με υλικά που αξιοποιοφν τον κερμοχρωμιςμό (μεταβάλλουν το χρϊμα τουσ ανάλογα με τθ κερμοκραςία του περιβάλλοντοσ). εκμετάλλευςθ τθσ ψφξθσ από εξάτμιςθ νεροφ ςε ςυνδυαςμό με τθν φωτοκαταλυτικι επίςτρωςθ TiOj (όπου θ υδροφιλικι ιδιότθτά του - όταν υποβλθκεί ςε μια ςτακερι ροι νεροφ - δθμιουργεί μια λεπτι μεμβράνθ νεροφ, που εξατμίηεται γριγορα απορροφϊντασ κερμότθτα από το περιβάλλον, μειϊνοντασ τθν εςωτερικι κερμοκραςία). εγκατάςταςθ ςτθν οροφι και ςτουσ εξωτερικοφσ τοίχουσ του κτιρίου υλικϊν αλλαγισ φάςθσ (PCM), που αποκθκεφουν μεγάλα ποςά κερμότθτασ τθν οποία μεταδίδουν ςτον εςωτερικό χϊρο μετά τθν παφςθ τθσ κζρμανςισ τουσ. χριςθ θλεκτροχρωμικϊν, φωτοχρωμικϊν, κερμοχρωμικϊν ι και φβ υαλοπινάκων, ενςωμάτωςθ κερμοκθπίων, θλιακϊν τοίχων Trombe, κλπ. ειδικι καταςκευι τθσ πρόςοψθσ του κτιρίου με μικροφικθ ςε βιοαντιδραςτιρεσ Στθν περιβαλλοντικι αναβάκμιςθ του κτιρίου, εκτόσ από τθν ενζργεια ςθμαντικό ρόλο ζχει και θ διαχείριςθ του νεροφ, ιδιαίτερα για τισ περιοχζσ ςε μικρά γεωγραφικά πλάτθ και μικρι βροχόπτωςθ, όπωσ είναι θ Ελλάδα και οι άλλεσ μεςογειακζσ χϊρεσ. Είναι απαραίτθτθ θ λειτουργία ειδικϊν διατάξεων ςυλλογισ βρόχινου νεροφ, ειδικά φίλτρα νεροφ, τεχνικζσ κακαριςμοφ και ανακφκλωςθσ του νεροφ, αξιοποίθςθ τθσ κερμότθτασ των απόβλθτων ποςοτιτων νεροφ, κτλ *21]. 1.3.2 Εφαρμογι Ολιςτικισ Οικολογικισ Ανακαίνιςθσ Θ πρόταςθ για ενεργειακι αναβάκμιςθ και οικολογικι ανακαίνιςθ των υπαρχόντων κτιρίων, με μεγάλο ποςοςτό κάλυψθσ για κζρμανςθ/ψφξθ και θλεκτριςμό, είναι πολφ ρεαλιςτικι για τα περιςςότερα κτίρια που είναι μονοκατοικίεσ και διπλοκατοικίεσ, κακϊσ ζχουν διακζςιμθ επιφάνεια για εγκατάςταςθ θλιακϊν ςυςκευϊν ςτθν οροφι τουσ και είναι ςυνικωσ κτιςμζνα ςε οικόπεδα με περιβάλλοντα χϊρο. Αυτι θ κατθγορία κατοικιϊν βρίςκεται ςυνικωσ ςτα προάςτια των πόλεων και ςτα χωριά, με δυνατότθτα εγκατάςταςθσ αρκετϊν τετραγωνικϊν μζτρων φωτοβολταϊκϊν και κερμικϊν θλιακϊν ςυλλεκτϊν ςτθν οροφι τουσ. Για τα υπόλοιπα κτίρια κατοικιϊν (πολυκατοικίεσ με 3-4 ορόφουσ ι 10

περιςςότερουσ) θ ενεργειακι αναβάκμιςθ είναι υλοποιιςιμθ, όχι όμωσ και θ κάλυψθ με ςυςτιματα θλιακισ ενζργειασ των φορτίων κζρμανςθσ/ψφξθσ και θλεκτριςμοφ. Για τθν ενεργειακι αναβάκμιςθ των κτιρίων αυτϊν και τθν ςθμαντικι μείωςθ των ενεργειακϊν απαιτιςεων μπορεί να γίνει εφκολα βελτίωςθ ςτθ κερμομόνωςθ, τοποκζτθςθ διπλϊν υαλοπινάκων, αλλαγι λζβθτα, θλεκτρικϊν ςυςκευϊν και φωτιςτικϊν, με μικρότερθσ κατανάλωςθσ ςυςκευζσ, χριςθ ψυχρϊν βαφϊν, χριςθ κερμικϊν θλιακϊν ςυλλεκτϊν για ηεςτό νερό χριςθσ και εγκατάςταςθ φωτοβολταϊκϊν για τθν κάλυψθ ενόσ ποςοςτοφ τθσ ηιτθςθσ ςε θλεκτριςμό. Εκτιμϊντασ ότι θ πιο πικανι περίπτωςθ για ανακαίνιςθ και ενεργειακι αναβάκμιςθ κτιρίου με υψθλό ποςοςτό κάλυψθσ ςε κερμότθτα και θλεκτριςμό ςτθν Ελλάδα είναι θ κατθγορία των μονοκατοικιϊν, επιλζχκθκε μια κατοικία 30 ετϊν, θ οποία βρίςκεται ςε τοποκεςία με ιπιεσ καιρικζσ ςυνκικεσ και κοντά ςτθ κάλαςςα. Θ κατοικία αυτι αφορά τθν διαμονι μιασ οικογζνειασ, ζχει τρία υπνοδωμάτια και ςυνολικό εμβαδόν 140 m 2. Στθν κατοικία αυτι χρθςιμοποιοφνται ςυμβατικοί λαμπτιρεσ πυρακτϊςεωσ, δεν ζχει επαρκι κερμομόνωςθ, ζχει κοινά διπλά τηάμια, ςυμβατικό ςφςτθμα κζρμανςθσ χϊρου με λζβθτα πετρελαίου και κερμαντικά ςϊματα, κακϊσ και κερμικά απροςτάτευτθ οροφι φψουσ 3.50 m. Στον πίνακα 1.1, παρουςιάηονται ςυνοπτικά οι λεπτομζρειεσ τθσ ενεργειακισ κατανάλωςθσ τθσ κατοικίασ ςε ζξι τομείσ. Ο υπολογιςμόσ ζγινε ςφμφωνα με το λογιςμικό ΤΕΕ-ΚΕΝΑΚ και τισ αντίςτοιχεσ τεχνικζσ οδθγίεσ του ΤΕΕ και ςε αυτόν τον πίνακα, θ ποςότθτα τθσ ενεργειακισ κατανάλωςθσ ςε θλεκτριςμό και κζρμανςθ δίνει μια εικόνα του επιπζδου ηιτθςθσ ενζργειασ τθσ κατοικίασ. Θ θλεκτρικι ενζργεια που αντιςτοιχεί ςε καταναλϊςεισ που ζχουν βαςικι προχπόκεςθ τον θλεκτριςμό, π.χ. φωτιςμόσ, θλεκτρικζσ ςυςκευζσ, κλπ είναι 6700 kwh ι το 28,27% τθσ ςυνολικισ κατανάλωςθσ ενζργειασ τθσ κατοικίασ. Για τθ κερμικι ενζργεια, που αντιςτοιχεί ςε καταναλϊςεισ καυςίμου (πετρζλαιο ι φυςικό αζριο) για κζρμανςθ χϊρων και ηεςτό νερό είναι 17000 kwh ι το 71,73% τθσ ςυνολικισ κατανάλωςθσ ενζργειασ. Θ πλειονότθτα των ελλθνικϊν κατοικιϊν ζχουν παρόμοιο ενεργειακό προφίλ κατανάλωςθσ. Γενικά, θ εγκατάςταςθ φωτοβολταϊκϊν πάνελ ςτθν οροφι των κατοικιϊν είναι μζχρι τϊρα περιοριςμζνθ ςε πλικοσ εγκαταςτάςεων και δεν επιτρζπεται να υπερβαίνει τα 10 kw. Γενικά, για τθν άδεια εγκατάςταςθσ των φωτοβολταϊκϊν δεν υπάρχει απαίτθςθ να ζχει γίνει προθγουμζνωσ ςθμαντικι ενεργειακι 11

αναβάκμιςθ του κτιρίου εκτόσ από τθν προχπόκεςθ να ζχει εγκαταςτακεί θλιακό κερμικό ςφςτθμα για ηεςτό νερό. Ζτςι, θ κατανάλωςθ ενζργειασ των νοικοκυριϊν αυτϊν είναι υψθλι, ακόμθ και αν υπάρχουν εγκατεςτθμζνα φωτοβολταϊκά ςυνδεδεμζνα ςτο δίκτυο και λειτουργοφν υπό το μετρθτικό κακεςτϊσ του δικτφου. Ζνασ βαςικόσ ςκοπόσ τθσ ανακαίνιςθσ τθσ κατοικίασ που λιφκθκε ςαν αναφορά για τθν παροφςα εργαςία, είναι να βελτιϊςει και το ενεργειακό αποτφπωμα τθσ. Για τον ςκοπό αυτό επιλζχτθκε θ εφαρμογι χαμθλοφ κόςτουσ τροποποιιςεων εξοικονόμθςθσ ενζργειασ και θ χριςθ φωτοβολταϊκϊν και κερμικϊν θλιακϊν ςυλλεκτϊν, για τθν κάλυψθ - ςε ετιςια βάςθ - όλων των ενεργειακϊν αναγκϊν του κτιρίου ςε θλεκτριςμό και κερμότθτα. Με τθν εφαρμογι των ενεργειακϊν τροποποιιςεων και τθν χριςθ τεχνολογιϊν εξοικονόμθςθσ ενζργειασ, επιδιϊχτθκε θ μείωςθ των απαιτιςεων ςτον αρικμό των φβ πάνελ που πρζπει να εγκαταςτακοφν. Στθν περίπτωςθ αυτι, θ αποτελεςματικι ανακαίνιςθ τθσ κατοικίασ με τισ τροποποιιςεισ εξοικονόμθςθσ ενζργειασ και τθν χριςθ των φωτοβολταϊκϊν για τθν κάλυψθ των θλεκτρικϊν αναγκϊν και λειτουργία αντλίασ κερμότθτασ, ζχει ζνα κετικό αποτζλεςμα ςτον τομζα τθσ ενζργειασ, του περιβάλλοντοσ και του ιδιοκτιτθ, για το χρόνο αποπλθρωμισ του κόςτουσ επζνδυςθσ. Με τθν αντλία κερμότθτασ παρζχεται κζρμανςθ ςτθν κατοικία τον χειμϊνα, περιορίηοντασ τθν καφςθ πετρελαίου μόνο ςε ζκτακτεσ περιπτϊςεισ και καλφπτοντασ επίςθσ και τθν ψφξθ το καλοκαίρι. Για τθν ενεργειακι αναβάκμιςθ είναι αρχικά απαραίτθτθ θ αντικατάςταςθ των λαμπτιρων πυρακτϊςεωσ με λαμπτιρεσ χαμθλισ κατανάλωςθσ ενζργειασ ι λαμπτιρεσ LED, για να ελαχιςτοποιθκεί θ κατανάλωςθ θλεκτρικισ ενζργειασ ςτο φωτιςμό. Επόμενο βιμα είναι θ αντικατάςταςθ των παλαιϊν θλεκτρικϊν ςυςκευϊν (υψθλισ κατανάλωςθσ ενζργειασ), με ςυςκευζσ υψθλότερθσ απόδοςθσ (a-class) και επομζνωσ χαμθλισ κατανάλωςθσ θλεκτρικισ ενζργειασ, ςτθν κουηίνα, για τον κακαριςμό, τθν ψφξθ, κ.λ.π. Σχετικά με τθ ενεργειακι ηιτθςθ για κζρμανςθ χϊρων, είναι απαραίτθτθ θ βελτίωςθ τθσ κερμικισ μόνωςθσ ςτον φζροντα οργανιςμό και ςτθν τοιχοποιία πλιρωςθσ. Επιπλζον, το τυπικό τηάκι μπορεί να βελτιωκεί ςε ενεργειακά αποδοτικό, ςυμβάλλοντασ ςτο ενεργειακό φορτίο τθσ κζρμανςθσ του χϊρου. Με αυτόν τον τρόπο θ ηιτθςθ ενζργειασ για τθ κζρμανςθ του χϊρου τθσ κατοικίασ κα μειωκεί και μπορεί να καλυφκεί ζτςι αποτελεςματικά από τθν αντλία κερμότθτασ, με τθ χριςθ τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ από τα φωτοβολταϊκά. 12

Ρίνακασ 1.1: Ενεργειακι κατανάλωςθ κατοικίασ χωρίσ παρεμβάςεισ kwh % Φωτιςμόσ 1600 6,75% Μαγείρεμα 2100 8,86% Ρλφςιμο 1400 5,91% Ηλ. εξοπλιςμόσ 900 3,80% Ιζρμανςθ 17000 71,73% Κλιματιςμόσ 700 2,95% Συνολικι ενεργειακι κατανάλωςθ ( kwh) 23700 100,00% Ρίνακασ 1.2: Ενεργειακι κατανάλωςθ με παρεμβάςεισ kwh % Φωτιςμόσ 500 4,35% Μαγείρεμα 1400 12,17% Ρλφςιμο 200 1,74% Ηλ. Εξοπλιςμόσ 600 5,22% Ιζρμανςθ 8300 72,17% Κλιματιςμόσ 500 4,35% Συνολικι ενεργειακι κατανάλωςθ ( kwh) 11500 100,00% Επίςθσ, είναι απαραίτθτθ θ εγκατάςταςθ κερμικϊν θλιακϊν ςυλλεκτϊν για ηεςτό νερό για το μπάνιο, τθν κουηίνα, το πλυντιριο πιάτων, το πλυντιριο ροφχων, και αλλοφ. Το ςφςτθμα αυτό μπορεί να ςυμβάλει και ςτθ κζρμανςθ των χϊρων κατά τθ διάρκεια του χειμϊνα, όταν υπάρχει πλεόναςμα τθσ κερμότθτασ κατά τισ θλιόλουςτεσ θμζρεσ. Μια θλιακι εγκατάςταςθ κερμικϊν θλιακϊν ςυλλεκτϊν επιφανείασ 5 m 2 εκτιμάται ότι μπορεί να παρζχει κερμότθτα 1.700 kwh κατά τθν περίοδο τθσ ηιτθςθσ για κζρμανςθ χϊρων. Με αυτζσ τισ παρεμβάςεισ εξοικονόμθςθσ ενζργειασ και τθν αλλαγι του ςυςτιματοσ κζρμανςθσ χϊρου και νεροφ χριςθσ, κα υπάρξει μείωςθ τθσ κατανάλωςθσ ενζργειασ, θ οποία ςε ετιςια βάςθ κα είναι 51,18% ςυνολικά. Το νζο προφίλ τθσ κατανάλωςθσ ενζργειασ του ςπιτιοφ, μετά τισ παρεμβάςεισ ανακαίνιςθσ, παρουςιάηεται ςτον Ρίνακα 1.2. Υπολογίηεται ότι μετά τισ παρεμβάςεισ, θ εξοικονόμθςθ τθσ κατανάλωςθσ ενζργειασ ςε 13

ετιςια βάςθ, κατά κατθγορία, είναι: 68,75% για φωτιςμό, 33,33% για το μαγείρεμα, 33,33% για θλεκτρικζσ ςυςκευζσ, 85,71% για το πλφςιμο, 51,18% για τθ κζρμανςθ χϊρου και 28,57% για το χϊρο ψφξθσ του αζρα με το ςφςτθμα κλιματιςμοφ. Για τθν φωτοβολταϊκι εγκατάςταςθ υπολογίςτθκε ότι τα φβ είναι τφπου pc-si με απόδοςθ 14% και με τισ ιδανικζσ προχποκζςεισ τθσ κζςθσ και τθσ κλίςθσ τθσ εγκατάςταςθσ (τυπικό ςφςτθμα με νότιο προςανατολιςμό και κλίςθ 25 ο ) παρζχοντασ 1.300 kwh ανά εγκατεςτθμζνο kwp (μζςθ ετιςια παραγωγι ενζργειασ 160 kwh/m 2 ). Με αυτι τθν εγκατάςταςθ υπολογίςτθκε ότι για τισ ςυνολικζσ θλεκτρικζσ ανάγκεσ τθσ κατοικίασ μετά τθν ενεργειακι αναβάκμιςθ χρειάηεται φβ ιςχφσ 4.59 kw και επιφάνεια εγκατάςταςθσ 38.4 m 2 (Ρίνακασ 1.3). Με αυτι τθν εγκατάςταςθ και τθν θλιοκερμικι των 5 m 2 καλφπτονται όλεσ οι ενεργειακζσ ανάγκεσ τθσ κατοικίασ. Κεωρϊντασ ότι θ ςυνολικι ενεργειακι κατανάλωςθ τθσ κατοικίασ πριν τθν ανακαίνιςθ κα καλφπτεται από φβ πάνελσ και υποκζτοντασ (όπωσ ςτθν ανακαινιςμζνθ κατοικία) χριςθ αντλίασ κερμότθτασ για κζρμανςθ, θ φβ εγκατάςταςθ τθσ αναβακμιςμζνθσ κατοικίασ κα είναι μικρότερθ κατά 4.92 kw και 40 m 2. Ο υφιςτάμενοσ λζβθτασ πετρελαίου μπορεί να διατθρθκεί ωσ εφεδρικό ςφςτθμα κζρμανςθσ χϊρου, όταν το φβ ςφςτθμα δεν μπορεί να παρζχει, όποτε χρειαςτεί, τθν αναγκαία θλεκτρικι ενζργεια ςτθν αντλία κερμότθτασ. Στον Ρίνακα Γ, δείχνεται θ εξοικονόμθςθ ενζργειασ και το κόςτοσ τθσ φβ εγκατάςταςθσ. Για τουσ υπολογιςμοφσ, κεωρικθκε ότι τα φορτία κζρμανςθσ χϊρου των πινάκων 1.1 και 1.2 ςε κερμικζσ kwh ζχουν μετατραπεί ςε θλεκτρικζσ kwh με ςυντελεςτι μετατροπισ 3, κεωρϊντασ ότι θ αντλία κερμότθτασ που χρθςιμοποιεί τθν θλεκτρικι ενζργεια των φβ πάνελσ ζχει COP = 3. Ρίνακασ 1.3: Ενεργειακό κζρδοσ και οικονομικά δεδομζνα Α - Χωρίσ B - Με Πφελοσ παρεμβάςεισ παρεμβάςεισ kwh/ζτοσ 12367 5967 6400 Κόςτοσ θλεκτριςμοφ ( ) 1731 835 896 Επιφάνεια φβ (m 2 ) 78,4 38,4 40 Φβ πάνελ 49 24 25 Κόςτοσ Φβ πάνελ ( ) 225 225 Τελικό κόςτοσ Φβ πάνελ ( ) 11025 5400 5625 14

Σε αυτι τθν περίπτωςθ, υπολογίηεται ότι θ ανακαίνιςθ τθσ κατοικίασ με τα αναβακμιςμζνα ενεργειακά ςυςτιματα μειϊνει ςθμαντικά τον αναγκαίο αρικμό φβ πάνελσ για τθν κάλυψθ του ςυνολικοφ ετιςιου θλεκτρικοφ φορτίου. Επίςθσ, τα οικονομικά ςτοιχεία υπολογίςκθκαν για τιμι θλεκτρικισ kwh ίςθ με 0.14 (τιμολόγιο γενικισ κατοικίασ Γ21- ΔΕΘ). Το κόςτοσ αυτό επθρεάηει τθν θλεκτρικι ενζργεια και ςτισ δφο περιπτϊςεισ και όπωσ δείχνεται ςτον Ρίνακα 1.3, ςτθν περίπτωςθ Α παρουςιάηονται οι υπολογιςμοί τθσ ενζργειασ/κόςτοσ για το κτίριο πριν τισ παρεμβάςεισ και ςτθν περίπτωςθ Β για το κτίριο μετά τισ παρεμβάςεισ. Τα αποτελζςματα δείχνουν ότι με τθν ανακαίνιςθ και τθν βζλτιςτθ εγκατάςταςθ φβ το οικονομικό όφελοσ είναι διπλάςιο. Με τον ίδιο τρόπο μπορεί να μελετθκεί και θ εξοικονόμθςθ ενζργειασ μζςω πιο πολφπλοκων τεχνικϊν, με βάςθ τα περιβαλλοντικά, οικονομικά, λειτουργικά και αιςκθτικά αποτελζςματα, τα οποία μποροφν να εφαρμοςτοφν και ςε άλλουσ τφπουσ κτιρίων. ΚΕΦΑΛΑΚΟ 2: Ηλιακι Ενζργεια και Φωτοβολταϊκά 2.1 Ειςαγωγι Θ ςχεδίαςθ ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςυςτιματοσ ςτθρίηεται πάνω ς ζναν προςεκτικό υπολογιςμό τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςε μια ςυγκεκριμζνθ τοποκεςία. Ραρ όλο που θ θλιακι ακτινοβολία ζχει ιδθ καταγραφεί ςε διάφορεσ τοποκεςίεσ ςε ολόκλθρο τον κόςμο, πρζπει να αναλυκεί και να επεξεργαςτεί πριν πραγματοποιθκεί ζνασ ακριβισ υπολογιςμόσ τθσ διακζςιμθσ θλιακισ ακτινοβολίασ για το φωτοβολταϊκό ςφςτθμα που κα δθμιουργθκεί. Το κεφάλαιο 2, περιλαμβάνει τα χαρακτθριςτικά και τισ διαφορετικζσ ςυνιςτϊςεσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ πάνω ςτθ γθ. Θ αςτρονομικι ςχζςθ μεταξφ του ιλιου και τθσ γθσ κα περιγραφεί ςτθ ςυνζχεια και ορίηονται τα ςχετικά μεγζκθ, με τα οποία χαρακτθρίηεται θ φαινόμενθ κίνθςθ του ιλιου. Ζπειτα, γίνεται αναφορά ςτα φωτοβολταϊκά ςυςτιματα και ςτο πωσ αυτά επθρεάηονται από τον προςανατολιςμό και τθν γωνία κλίςθσ τθσ εγκατάςταςισ τουσ. 15

2.2 Ειςαγωγι ςτθν Ηλιακι Ακτινοβολία Ο Ιλιοσ είναι ζνα τυπικό αςτζρι, αποτελοφμενο κυρίωσ από υδρογόνο (Θ): 71 % και ιλιο (He): 27 % κατά μάηα, με ακτίνα R ʘ = 696,000 Km (ο δείκτθσ ʘ αποτελεί το Αςτρονομικό ςφμβολο του Ιλιου). Θ Θλιακι ακτινοβολία παράγεται ςτον πυρινα του Ιλιου ( 0.1 R ʘ ) μζςω κερμοπυρθνικισ ςφντθξθσ με τον κφκλο πρωτονίου-πρωτονίου (ι p- p cycle). Κάκε δευτερόλεπτο, ςυμβαίνουν ςτον πυρινα 9 10 37 κερμοπυρθνικζσ αντιδράςεισ ςφντθξθσ, μζςω των οποίων το υδρογόνο μετατρζπεται ςε ιλιο και ακτινοβολία. Κάκε δευτερόλεπτο, 4.4 10 6 tn υδρογόνου «καίγονται» αποδίδοντασ 3.84 10 26 J ενζργειασ υπό μορφι ακτινοβολίασ. Αυτι θ ςυνολικά παραγόμενθ ενζργεια από τον πυρινα, λζγεται και λαμπρότθτα (luminocity) του Ιλιου και ςυμβολίηεται L ʘ. Επειδι θ ιςχφσ P είναι ο ρυκμόσ παραγωγισ ενζργειασ (P= de/dt), ζπεται από τα παραπάνω ότι θ παραγωγι ιςχφοσ ςτον πυρινα του Ιλιου ανζρχεται ςε P ʘ = 3.84 10 26 W. Θ ενζργεια E που μεταφζρει κάκε φωτόνιο εξαρτάται από τθ ςυχνότθτα f, το μικοσ κφματοσ λ, και μπορεί να βρεκεί μζςω των ςχζςεων Ε=h f = (h c)/λ, όπου h= 6.626 10 34 θ ςτακερά του Plank, c= 2.9979 10 8 m/s θ ταχφτθτα των φωτονίων ςτο κενό, λ το μικοσ κφματόσ τουσ και f = c/λ θ ςυχνότθτά τουσ. Θ ακτινοβολία (πίνακασ 2.1) που χαρακτθρίηεται από ζνα μόνο μικοσ κφματοσ λζγεται μονοχρωματικι ακτινοβολία (monochromatic radiation). Πταν ςε μια ακτινοβολία, όπωσ εκείνθ του Θλιακοφ φωτόσ, υπάρχουν φωτόνια διαφόρων μθκϊν κφματοσ, τότε αναφζρεται ωσ πολυχρωματικι ι ευρυηωνικι (broadband) ακτινοβολία. 16

Ρίνακασ 2.1: Φαςματικι Ρεριοχι Ακτινοβολίασ Επειδι τα φωτόνια τθσ Θλιακισ ακτινοβολίασ κινοφνται ςτο κενό με τθν ταχφτθτα του φωτόσ, ςυνεπάγεται ότι διαμζςου κάκε επιφάνειασ Α διζρχεται κάκε δευτερόλεπτο ζνασ πολφ μεγάλοσ αρικμόσ φωτονίων. Με βάςθ τθν ευςτομθχανικι, θ διζλευςθ φωτονίων διαμζςου τθσ Α, αποτελεί μια ροι φωτονίων (κατά τον ίδιο τρόπο που τα μόρια του νεροφ περνϊντασ από τθν διατομι μιασ ςωλινασ δθμιουργοφν ροι ι παροχι νεροφ). Επειδι κάκε φωτόνιο μεταφζρει ενζργεια E, είναι φανερό ότι θ διζλευςθ (ροι) φωτονίων δια μζςου τθσ Α, ιςοδυναμεί τελικά με ροι ενζργειασ (radiant energy flux) μζςα από τθν Α. Ρρόκειται δθλαδι για ζνα πολφ βαςικό μζγεκοσ που μασ δείχνει πόςα Joules ενζργειασ παρζχονται κάκε δευτερόλεπτο από τθν Θλιακι Ακτινοβολία, όταν αυτι διζρχεται ι φωτίηει μια επιφάνεια Α με εμβαδόν 1 m². Το μζγεκοσ αυτό ονομάηεται πυκνότθτα ιςχφοσ (power density) ι πολφ ςυχνότερα, Irradiance και μετριζται ςε (J/s)/m². Επειδι 1 J/s = 1 Watt, οπότε θ πυκνότθτα ιςχφοσ ι ζνταςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ μετριζται ςε W/m². 17

Εικόνα 2.1: Θλιακι ςτακερά I r Με μια καλι προςζγγιςθ, ο ιλιοσ ενεργεί ωσ μια τζλεια πθγι ακτινοβολίασ (μζλαν ςϊμα) ςε μια κερμοκραςία κοντά ςτουσ 5.800 Κ. Θ πρoςπίπτoυςα (κατά μζςο όρο) ροι ενζργειασ πάνω ςε μια μονάδα επιφάνειασ κάκετθ προσ τθ διεφκυνςθ τθσ δζςμθσ ζξω από τθ γιινθ ατμόςφαιρα (εικόνα 2.1) είναι γνωςτι ωσ θ θλιακι ςτακερά: I r = 1367W/m 2 Γενικότερα, θ ολικι ιςχφσ από μια πθγι ακτινοβολίασ που πζφτει πάνω ςτθ μονάδα επιφάνειασ ονομάηεται ζνταςθ ακτινοβολίασ. Πταν θ θλιακι ακτινοβολία ειςζρχεται ςτθ γιινθ ατμόςφαιρα (εικόνα 2.2)ζνα μζροσ τθσ προςπίπτουςασ ενζργειασ αναιρείται λόγω τθσ ςκζδαςθσ ι τθσ απορρόφθςθσ από τα μόρια του αζρα, τα ςφννεφα και το υλικό που ςυνικωσ αναφζρεται ωσ αερολφματα (aerosols). [22] 18

Εικόνα 2.2: Θλιακι ακτινοβολία μζςα ςτθν ατμόςφαιρα Στθν εικόνα 2.2 διακρίνεται θ άμεςθ ι ακτινοβολία δζςμθσ και θ διάχυτθ ακτινοβολία [24]. Θ ποςότθτα τθσ ακτινοβολίασ θ οποία φτάνει ςτο ζδαφοσ είναι φυςικά μεταβλθτι. Επιπλζον πζρα από τθν όποια κανονικι θμεριςια και ετιςια μεταβολι λόγω τθσ φαινόμενθσ κίνθςθσ του ιλιου, ακατάςτατεσ μεταβολζσ (κάλυψθ από ςφννεφα) προκαλοφνται από τισ κλιματολογικζσ ςυνκικεσ κακϊσ επίςθσ και τθ γενικότερθ ςφνκεςθ τθσ ατμόςφαιρασ. Γι αυτό το λόγο, θ ςχεδίαςθ ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςυςτιματοσ βαςίηεται ςτθ λιψθ μετροφμενων δεδομζνων που λαμβάνονται κοντά ςτθν τοποκεςία τθσ εγκατάςταςθσ [23]. Ζνα μζγεκοσ που χαρακτθρίηει τθν επίδραςθ τθσ κακαρισ ατμόςφαιρασ πάνω ςτο θλιακό φωσ είναι θ αζριοσ μάηα (ΑΜ, Air Mass) ίςθ προσ το ςχετικό μικοσ τθσ διαδρομισ τθσ απευκείασ δζςμθσ διαμζςου τθσ ατμόςφαιρασ. Στθ διάρκεια μιασ θλιόλουςτθσ καλοκαιρινισ θμζρασ ςτο επίπεδο τθσ κάλαςςασ, θ ακτινοβολία από τον ιλιο, όταν βρίςκεται ςτο Ηενίκ, αντιςτοιχεί ςε αζρια μάηα 1, ςε άλλεσ περιπτϊςεισ, θ μάηα αζροσ είναι κατά προςζγγιςθ ίςθ προσ το 1/cosκz, όπου κz είναι θ γωνία του Ηενίκ θ οποία κα αναλυκεί περιςςότερο ςτθ ςυνζχεια [25,52]. 19

Εικόνα 2.3: Ζννοια τθσ μάηασ αζροσ Θ επίδραςθ τθσ ατμόςφαιρασ (όπωσ εκφράηεται από τθ μάηα αζροσ) πάνω ςτο θλιακό φάςμα φαίνεται ςτθν εικόνα 2.3, όπου παρουςιάηονται και οι κφριεσ ηϊνεσ απορρόφθςθσ των μορίων του αζρα. Το εξωγιινο φάςμα δθλϊνεται ωσ ΑΜ 0, αυτό είναι ςθμαντικό για δορυφορικζσ εφαρμογζσ των θλιακϊν θλεκτρικϊν ςτοιχείων. Το ΑΜ 1.5 είναι ζνα τυπικό θλιακό φάςμα πάνω ςτθν επιφάνεια τθσ γθσ ςε μια κακαρι θμζρα, με ολικι ζνταςθ του 1 KW/m2, θ οποία χρθςιμοποιείται για τθ ρφκμιςθ των θλιακϊν θλεκτρικϊν ςτοιχείων και ςυςτθμάτων. Μολονότι θ ζνταςθ μπορεί να φτάςει τθν τιμι του 1 ΚW/m 2, θ διακζςιμθ ζνταςθ είναι ςυνικωσ ςθμαντικά μικρότερθ απ αυτι τθσ μζγιςτθσ τιμισ λόγω τθσ περιςτροφισ τθσ γθσ και των αντίξοων καιρικϊν ςυνκθκϊν. Θ εικόνα 2.4, δείχνει τθ μζςθ ετιςια ζνταςθ τθσ ακτινοβολίασ ςε διαφορετικά μζρθ του κόςμου. Θ μζγιςτθ μζςθ ακτινοβολία ςθμειϊνεται κοντά ςτο γεωγραφικό πλάτοσ των τροπικϊν του Καρκίνου και του Αιγόκερω, ενϊ είναι μικρότερθ ςτισ περιοχζσ του ιςθμερινοφ λόγω τθσ κάλυψισ του από ςφννεφα. Σε υψθλότερα γεωγραφικά πλάτθ θ θλιακι ακτινοβολία είναι φυςικά αςκενζςτερθ λόγω τθσ μικρισ θλιακισ ανφψωςθσ. 20

Εικόνα 2.4: Θλιακό φάςμα Εικόνα 2.5: Θ μζςθ ετιςια ακτινοβολία πάνω ς ζνα οριηόντιο επίπεδο (ςε W/m 2 ) Θ ζνταςθ τθσ ακτινοβολίασ, θ ολοκλθρωμζνθ ςε μια χρονικι περίοδο, ονομάηεται θλιακι ακτινοβολία. Λδιαίτερθ ςθμαςία για τθ ςχεδίαςθ των φωτοβολταϊκϊν ςυςτθμάτων ζχει θ ακτινοβολία μιασ θμζρασ. Θ ετιςια μεταβολι τθσ θμεριςιασ θλιακισ ακτινοβολίασ, τόςο τθσ απ ευκείασ όςο και τθσ διαχεόμενθ, πάνω ς ζνα οριηόντιο επίπεδο για τρεισ περιοχζσ, που εκτείνονται από τθν ζρθμο τθσ Σαχάρασ ζωσ τθ βορειότερθ Ευρϊπθ φαίνεται ςτθν εικόνα 2.5. Σθμειϊνεται ότι θ εποχιακι μεταβολι γίνεται περιςςότερο προβλζψιμθ με τθν αφξθςθ του γεωγραφικοφ πλάτουσ. 21

2.3 Η κίνθςθ του Θλιου, βαςικζσ ζννοιεσ και οριςμοί Θ I r ι I sc ι S είναι γνωςτι ωσ Ηλιακι ςτακερά (Solar constant). Στθν πραγματικότθτα θ Θλιακι ςτακερά αποτελεί μια μζςθ τιμι κατά τθν διάρκεια ενόσ ζτουσ. Λόγω τθσ ελλειπτικισ τροχιάσ τθσ, θ Γθ βρίςκεται πλθςιζςτερα ςτο Ιλιο ςτισ 2 Λανουαρίου (περιιλιο) και κατά 2 10 6 Km μακρφτερα ςτισ 2 Λουλίου (αφιλιο). Αποτζλεςμα αυτοφ είναι θ πυκνότθτα ιςχφοσ να μεταβάλλεται περίπου κατά 105 W/m² κατά τθν διάρκεια του ζτουσ, από 1,270 εωσ 1,375 W/m². Θ μζςθ τιμι των 1,366 W/m² (εικόνα 2.6) επιτυγχάνεται περί τισ 3 Απριλίου και 5 Οκτωβρίου, όπου θ Γθ ζχει απόςταςθ από τον Ιλιο ίςθ με τθν μζςθ τροχιακι τθσ ακτίνα των 149,598 10 6 Km [26]. Εικόνα 2.6: Σχετικι κζςθ Ιλιου και Γθσ Θ γθ περιςτρζφεται γφρω από τον ιλιο ςε μια ελλειπτικι τροχιά (που προςεγγίηει πολφ τθν κυκλικι), με τον ιλιο ςε μια από τισ εςτίεσ τθσ. Το επίπεδο αυτισ τθσ τροχιάσ ονομάηεται εκλειπτικι. Ο χρόνοσ που απαιτείται για να ςυμπλθρϊςει θ γθ αυτι τθν τροχιά ορίηεται ωσ ζνα ζτοσ. Θ ςχετικι κζςθ του ιλιου και τθσ γθσ, παρουςιάηεται υπό τθν μορφι μιασ ουράνιασ ςφαίρασ γφρω από τθ γθ (εικόνα 2.6). Το επίπεδο του ιςθμερινοφ τζμνει τθν ουράνια ςφαίρα ςτον ουράνιο ιςθμερινό και ο πολικόσ άξονασ ςτουσ ουράνιουσ πόλουσ. Θ κίνθςθ τθσ γθσ γφρω από τον ιλιο μπορεί τότε να αναπαραςτακεί μζςα από μια φαινομζνθ κίνθςθ του ιλιου ςτθν ελλειπτικι, θ οποία είναι κεκλιμζνθ κατά 23.45 ο ωσ προσ τον ουράνιο ιςθμερινό. Θ γωνία μεταξφ τθσ γραμμισ που ςυνδζει τα κζντρα του ιλιου και τθσ γθσ και του επιπζδου του Λςθμερινοφ ονομάηεται θλιακι απόκλιςθ και δθλϊνεται ωσ δ [26]. 22

Εικόνα 2.7: Θ ουράνια ςφαίρα με τθ φαινόμενθ ετιςια κίνθςθ του ιλιου Αυτι θ γωνία είναι μθδζν κατά τισ Λςθμερίεσ: τθ φκινοπωρινι (22/23 Σεπτεμβρίου) και τθν εαρινι (20/21 Μαρτίου). Αυτζσ τισ θμζρεσ ο ιλιοσ ανατζλλει ακριβϊσ από τθν ανατολι και δφει ακριβϊσ ςτθ δφςθ. Κατά το κερινό θλιοςτάςιο (21/22 Λουνίου) θ γωνία είναι δ = 23.45 ο και κατά το χειμερινό θλιοςτάςιο (21/23 Δεκεμβρίου) δ = -23.45 ο. Εικόνα 2.8: Το τοπικό ςφςτθμα ςυντεταγμζνων Ηενίκ - Ναδίρ το οποίο δεικνφει τθ φαινόμενθ θμεριςια κίνθςθ του ιλιου 23

Θ γθ περιςτρζφεται με ρυκμό μιασ περιςτροφισ τθν θμζρα γφρω από τον άξονά τθσ. Θ θμεριςια περιςτροφι τθσ γθσ περιγράφεται από τθν περιςτροφι τθσ ουράνιασ ςφαίρασ γφρω από τον πολικό άξονα, ενϊ θ ςτιγμιαία κζςθ του ιλιου περιγράφεται από τθν ωριαία γωνία ω, τθ γωνία μεταξφ του μεςθμβρινοφ, που διζρχεται από τον ιλιο, και του μεςθμβρινοφ τθσ ςυγκεκριμζνθσ τοποκεςίασ. Θ ωριαία γωνία είναι μθδζν κατά τθν θλιακι μεςθμβρία και αυξάνεται προσ τθν ανατολι (εικόνα 2.8). Για ζναν παρατθρθτι πάνω ςτθ γιινθ επιφάνεια, ςε μια κζςθ με γεωγραφικό πλάτοσ Φ, ζνα κατάλλθλο ςφςτθμα ςυντεταγμζνων ορίηεται από μια κατακόρυφθ γραμμι προσ τθν τοποκεςία, θ οποία τζμνει τθν ουράνια ςφαίρα ςε δφο ςθμεία, ςτο ηενίκ και ςτο ναδίρ και υποτείνει τθ γωνία φ με τον πολικό άξονα. Ο μζγιςτοσ κφκλοσ που είναι κάκετοσ προσ τον κατακόρυφο άξονα είναι ο ορίηοντασ. Θ γωνία μεταξφ τθσ κατεφκυνςθσ του ιλιου και του ορίηοντα είναι θ ανφψωςθ α τθσ οποίασ θ ςυμπλθρωματικι είναι θ γωνία κz. Οι άλλεσ ςυντεταγμζνεσ μζςα ς αυτό το ςφςτθμα είναι θ αηιμοφκια γ s θ οποία είναι μθδζν κατά τθν θλιακι μεςθμβρία και αυξάνεται προσ τθν ανατολι. Κατά τθ διάρκεια τθσ θμεριςιασ κίνθςθσ, θ θλιακι απόκλιςθ ςυνικωσ κεωρείται ςτακερι και ίςθ προσ τθν τιμι τθσ κατά το μζςο τθσ θμζρασ. Θ εξίςωςθ τθσ ετιςιασ μεταβολισ τθσ εξωατμοςφαιρικισ πυκνότθτασ ιςχφοσ ςτθ διάρκεια του ζτουσ, όπου D n ο αφξων αρικμόσ τθσ θμζρασ είναι: I(D n =(1+ 0.033 cos(360 D n /365.25)) I sc 2.4 Ακτινοβολία πάνω ςε κεκλιμζνθ επιφάνεια Τα δεδομζνα τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ, όταν είναι διακζςιμα, παρζχονται ςυχνά υπό τθ μορφι τθσ ολικισ ακτινοβολίασ πάνω ςε μία οριηόντια επιφάνεια ςτθ δεδομζνθ τοποκεςία, όπωσ για παράδειγμα, ολικι θμεριςια ακτινοβολία (G) μιασ τυπικισ θμζρασ οποιουδιποτε μινα *27+. Επειδι τα φβ πλαίςια τοποκετοφνται ςυνικωσ υπό γωνία ωσ προσ τον ορίηοντα, θ ενεργειακι είςοδοσ του ςυςτιματοσ πρζπει να υπολογιςτεί από τα δεδομζνα αυτά. Το ςχθματικό διάγραμμα ενόσ τυπικοφ υπολογιςμοφ για τον κακοριςμό τθσ θμεριςιασ ακτινοβολίασ πάνω ςε μια κεκλιμζνθ επιφάνεια φαίνεται ςτθν εικόνα 2.9. Ο 24

υπολογιςμόσ ακολουκεί τρία βιματα. Στο πρϊτο βιμα τα δεδομζνα για μια τοποκεςία χρθςιμοποιοφνται για να κακορίςουν τθ ξεχωριςτι ςυνειςφορά τθσ διάχυςθσ και τθσ απευκείασ δζςμθσ ςτθ ςυνολικι ακτινοβολία, ςτο οριηόντιο επίπεδο. Αυτό γίνεται χρθςιμοποιϊντασ τθν κοςμικι θμεριςια ακτινοβολία Βο ωσ μια αναφορά και υπολογίηοντασ το λόγο ΚΤ = G/B o που είναι γνωςτόσ ωσ δείκτθσ διαφάνειασ και περιγράφει τθν εξαςκζνθςθ (κατά μζςο όρο) τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ από τθν ατμόςφαιρα ςε μια ςυγκεκριμζνθ τοποκεςία κατά τθ διάρκεια ενόσ ςυγκεκριμζνου μινα. Κατά τθν αξιολόγθςθ του Β o θ μεταβολι τθσ κοςμικισ ακτινοβολίασ, λόγω τθσ εκκεντρικότθτασ τθσ τροχιάσ τθσ γθσ (κατά προςζγγιςθ ±3%), λαμβάνεται ςυνικωσ υπόψθ. Στο δεφτερο βιμα, θ διαχεόμενθ ακτινοβολία βρίςκεται χρθςιμοποιϊντασ τον εμπειρικό κανόνα ότι το κλάςμα διάχυτθσ D/G τθσ ςυνολικισ ακτινοβολίασ είναι μια παγκόςμια ςυνάρτθςθ του δείκτθ τθσ διαφγειασ Κτ. Επειδι Β = G - D αυτι θ διαδικαςία κακορίηει τόςο τθ διάχυτθ όςο και τθν άμεςθ ακτινοβολία πάνω ςτο οριηόντιο πεδίο. Στο τρίτο βιμα θ κατάλλθλθ γωνιακι εξάρτθςθ του κάκε ςτοιχείου χρθςιμοποιείται για να κακοριςτεί θ διάχυτθ και θ άμεςθ ακτινοβολία πάνω ςε μία κεκλιμζνθ επιφάνεια. Λαμβάνοντασ υπόψθ και τθν ανακλαςτικότθτα τθσ περιβάλλουςασ περιοχισ θ ανακλϊμενθ ιςχφσ από μια επιφάνεια μπορεί επίςθσ να κακοριςτεί. Θ ολικι θμεριςια ακτινοβολία πάνω ςε μια κεκλιμζνθ επιφάνεια επιτυγχάνεται προςκζτοντασ τθ ςυμβολι και των τριϊν ςυνιςτωςϊν. Με περιςςότερεσ λεπτομζρειεσ τϊρα, θ διαδικαςία υπολογιςμοφ ζχει ωσ ακολοφκωσ: Τα δεδομζνα για τον υπολογιςμό είναι θ ολικι θμεριςια ακτινοβολία G για μια θμζρα ςτο μζςον περίπου κάκε μινα του χρόνου *πλαίςιο 1+, θ θλιακι ςτακερά S και οι μεταβολζσ τθσ ανάλογα με τθν εκκεντρότθτα τθσ γιινθσ τροχιάσ * πλαίςιο 2+, το γεωγραφικό πλάτοσ τθσ τοποκεςίασ και θ θλιακι απόκλιςθ δ για τισ θμζρεσ του χρόνου που εξετάηουμε *πλαίςιο 3+. Κατά τθ διάρκεια του υπολογιςμοφ πρζπει να λθφκεί υπόψθ θ κλίςθ β και θ ανακλαςτικότθτα ρ τθσ περιβάλλουςασ περιοχισ *Ρλαίςιο 8+. Μερικζσ τυπικζσ τιμζσ τθσ επιφανειακισ ανακλαςτικότθτασ δίνονται ςτθν εικόνα 2.9 [28]. 25

Εικόνα 2.9: Συνολικι ακτινοβολία πάνω ς ζνα κεκλιμζνο πεδίο. Εικόνα 2.10: Θμεριςια ακτινοβολία ςτο γεωγραφικό πλάτοσ περίπου 40 ο κλίςθσ πλαιςίου. ωσ μια λειτουργία τθσ 26

Για το ςκοπό αυτό ςτθν εικόνα 2.10 φαίνεται ο μζςοσ όροσ τθσ θμεριςιασ ακτινοβολίασ ςε γεωγραφικό πλάτοσ περίπου 40 ο κατά τθ διάρκεια διαφορετικϊν εποχϊν του ζτουσ (καλοκαίρι, χειμϊνασ και ο ετιςιοσ μζςοσ όροσ τουσ) ςε ςυνάρτθςθ με τθν κλίςθ του πλαιςίου. Αυτό μάσ επιτρζπει να επιλζξουμε τθν καταλλθλότερθ κλίςθ [29]. Σε μερικά ςυςτιματα (για παράδειγμα αυτά που ςυνδζονται ςτο δίκτυο), θ προςπάκεια είναι να ςυλλεχκεί θ μζγιςτθ ενζργεια κατά τθ διάρκεια ενόσ ζτουσ. Μπορεί να αποδειχκεί ότι θ καταλλθλότερθ γωνία πλαιςίου, θ οποία μεγιςτοποιεί τον ετιςιο μζςο όρο ακτινοβολίασ είναι μεταξφ 30 ο και 40 ο. Γενικότερα, αυτι βρίςκεται ςυνικωσ κοντά ςτθ γωνία γεωγραφικοφ πλάτουσ. Σε πολλά αυτόνομα ςυςτιματα, τα οποία βαςίηονται ςτθν αποκικευςθ ενζργειασ ςε μπαταρίεσ, το κφριο ενδιαφζρον εςτιάηεται όχι ςτθ λαμβανόμενθ ολικι ενζργεια αλλά ςτθν θμεριςια ακτινοβολία κατά τθ διάρκεια του μινα με τθν ελάχιςτθ θλιοφάνεια (εδϊ το Δεκζμβρθ). Σ αυτι τθν περίπτωςθ, κάποιοσ μπορεί να επιλζξει μια γωνία μεταξφ 60 ο και 70 ο. Ο θλιακόσ θλεκτριςμόσ ταιριάηει καλφτερα ςε εφαρμογζσ, που θ μεγαλφτερθ κατανάλωςθ ςθμειϊνεται κατά τθ διάρκεια του καλοκαιριοφ. Εδϊ μια γωνία πλαιςίου κοντά ςτισ 25 ο κα μποροφςε να είναι θ καλφτερθ επιλογι. Τελικά, για τον υπολογιςμό τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςτο κεκλιμζνο επίπεδο, απαιτοφνται: θ κλίςθ τθσ θλιακισ ςυςκευισ (γωνία β) θ θμζρα και ο μινασ του ζτουσ (γωνία δ n ) θ κζςθ του τόπου (γεωγραφικό πλάτοσ φ) θ κζςθ του ιλιου ςτον ορίηοντα (ωριαία γωνία ω) θ ποςότθτα τθσ θλιακισ ενζργειασ ςτα όρια τθσ ατμόςφαιρασ 27

Αν τοποκετθκεί μια θλιακι ςυςκευι ςε οριηόντιο επίπεδο ι με κλίςθ β (από 0 μζχρι 90 ) ωσ προσ το οριηόντιο επίπεδο ςτθν επιφάνεια τθσ γθσ, ορίηονται οι παρακάτω γωνίεσ: Κλίςθ β τθσ επιφάνειασ τθσ θλιακισ ςυςκευισ, ωσ προσ το οριηόντιο επίπεδο, θ γωνία που ςχθματίηεται ανάμεςα ςτθν επιφάνεια τθσ θλιακισ ςυςκευισ και το οριηόντιο επίπεδο Ζενικιακι γωνία κz: Θ γωνία που ςχθματίηεται μεταξφ τθσ κακζτου ςτο οριηόντιο επίπεδο ενόσ τόπου και ςτθν διεφκυνςθ τθσ άμεςθσ θλιακισ ακτινοβολίασ cosκ z = cosφ cosδ n cosω+sinφ sinδ n Γωνία πρόςπτωςθσ, κ: Θ γωνία που ςχθματίηεται ανάμεςα ςτθν διεφκυνςθ τθσ άμεςθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςε ζνα επίπεδο και ςτθν κάκετο ςτο επίπεδο (όταν β= 0 τότε κ z = κ). cosκ =sinδ n sinφ cosβ sinδ n cosφ sinβ cosγ s +cosδ n cosφ cosβ cosω+cosδ n sinφ sinβ cosγ s cosω+cos δ n sinβ sinγ s sinω Αηιμοφκια γωνία γ s επιφάνειασ του ςυλλζκτθ, που όταν θ θλιακι ςυςκευι είναι προςανατολιςμζνθ ακριβϊσ ςτο νότο θ γωνία γ s είναι ίςθ με μθδζν (τοπικόσ μεςθμβρινόσ). Θ γωνία γ s ανατολικά είναι αρνθτικι με τιμζσ από 0 μζχρι -180 ο και δυτικά κετικι από 0 μζχρι 180. (-180 γs 180 ). sinγ S cosδ n sinω/sinκ z Ωριαία γωνία ω: Θ γωνία ανάμεςα ςτον μεςθμβρινό του τόπου και τθ κζςθ του ιλιου (γωνιακι μετατόπιςθ του ιλιου ανατολικά ι δυτικά του μεςθμβρινοφ, όπου κz=90 ). Υπολογίηεται από τθν ςχζςθ: cosω S =-tanφ tanδ n και είναι αρνθτικι για τθν ανατολι και κετικι για τθν δφςθ. Απόκλιςθ, δn: Θ γωνιακι κζςθ του ιλιου κατά τθν θλιακι μεςθμβρία ςε ςχζςθ με το ιςθμερινό επίπεδο και λαμβάνεται κετικι προσ βορρά. (-23,45 δn 23,45 ). δ n =23,45 sin(360 (284+D n )/365)) 28

Εικόνα 2.11: Χαρακτθριςτικζσ γωνίεσ Το μικοσ τθσ θμζρασ ςε ϊρεσ είναι: Ν=(2/15) cos 1 (-tanφ tanδ n ) Ο υπολογιςμόσ τθσ ωριαίασ γωνίασ ω του ιλιου γίνεται με βάςθ τον Αλθκι Ηλιακό Χρόνο (ΑΘΧ), ο οποίοσ ςχετίηεται με τον Τοπικό Ωρολογιακό Χρόνο (ΤΩΧ), τον τόπο, τθν θμζρα και τθν κζςθ του ιλιου ςφμφωνα με τθν ςχζςθ: ΑΗΧ=ΤΩΧ 4(L st -L loc )+E, όπου L st : ο μεςθμβρινόσ που μετράται ο χρόνοσ και L loc : ο τοπικόσ μεςθμβρινόσ. Για τθν Ελλάδα L st = 30 και θ προθγοφμενθ ςχζςθ γράφεται: ΑΗΧ=ΤΩΧ 4(30 L loc )+E, όπου E=0.0172+0.4278 cosβ 7.3456 sinβ 3.3468 cos2β 9.3544 sin2β (ςε min). B=360(D n 1)/365, n θμζρα του ζτουσ (1 D n 365). 29

Με τθν τιμι του ΑΘΧ ςε min υπολογίηεται θ ωριαία γωνία του ιλιου ω από τθν ςχζςθ: ω=15 *(ΑΗΧ 720)/60] (ςε μοίρεσ). Θ τιμι 720 αντιςτοιχεί ςτον ΑΘΧ τθσ μεςθμβρίασ του τόπου [30]. 2.5 Φωτοβολταϊκά Συςτιματα 2.5.1 Ειςαγωγι ςτο φωτοβολταϊκό φαινόμενο Θ άμεςθ μετατροπι τθσ θλιακισ ενζργειασ ςε θλεκτριςμό γίνεται με τα θλιακά κφτταρα και βαςίηεται ςτο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το φαινόμενο αυτό ςτθρίηεται ςτθν εμφάνιςθ διαφοράσ δυναμικοφ όταν το φωσ πζςει ςε υλικό ςτο οποίο υπάρχει εςωτερικό θλεκτρικό πεδίο. Αυτό ςυμβαίνει όταν ζρκουν ςε επαφι δφο υλικά με διαφορετικζσ προςμίξεισ. Θ επαφι p-n αυτϊν των δφο θμιαγϊγιμων υλικϊν, είναι θ επαφι του υλικοφ p τφπου, που ζχει πλεόναςμα θλεκτρονίων και θ επαφι n τφπου, που ζχει πλεόναςμα οπϊν (άτομα με ζλλειμμα θλεκτρονίων). Λόγω τθσ διαφοράσ θλεκτρονίων ςτο εςωτερικϊν των δφο αυτϊν υλικϊν, εμφανίηεται εςωτερικό θλεκτρικό πεδίο, από τθν περιοχι n προσ τθν p. Το πεδίο αυτό ςτθν περιοχι τθσ επαφισ ζχει τζτοια φορά ϊςτε να οδθγεί τουσ δθμιουργθμζνουσ φορείσ θλεκτριςμοφ μζςα ςτο υλικό, θλεκτρόνια ι οπζσ, ςτθν n ι p περιοχι αντίςτοιχα. Οι φορείσ αυτοί δθμιουργοφνται όταν το θλιακό φωσ προςπζςει ςτθν περιοχι τθσ επαφισ και διεγείρει τα θλεκτρόνια [31,38]. 2.5.2 Διάφορεσ τεχνολογίεσ φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων Τα θλιακά ςτοιχεία, διακζτουν υψθλι αξιοπιςτία λειτουργίασ και μεγάλθ διάρκεια ηωισ και ωσ κφριοι ςτόχοι βελτίωςθσ παραμζνουν ςυνικωσ θ απόδοςθ και το κόςτοσ τουσ [32+. Σκοπόσ λοιπόν τθσ εξζλιξθσ τθσ φωτοβολταϊκισ τεχνολογίασ είναι θ δθμιουργία πλαιςίων με υψθλότερο κατά το δυνατό βακμό απόδοςθσ και χαμθλό κόςτοσ. Οι τεχνολογίεσ των φωτοβολταϊκϊν που ςυναντϊνται ςιμερα ποικίλουν ωσ προσ το βαςικό υλικό καταςκευισ, τθν ικανότθτα μετατροπισ και το κόςτοσ τουσ. Μία ςυνοπτικι αναφορά των κυριότερων χαρακτθριςτικϊν τουσ ακολουκεί ςτθ ςυνζχεια. Το υλικό που χρθςιμοποιείται περιςςότερο για να καταςκευαςτοφν φωτοβολταϊκά ςτοιχεία ςτθ βιομθχανία είναι το πυρίτιο. Είναι ίςωσ και το μοναδικό υλικό που παράγεται με τόςο μαηικό τρόπο. Το πυρίτιο ςιμερα αποτελεί τθν πρϊτθ φλθ για το 90% τθσ αγοράσ 30

των φωτοβολταϊκϊν. Τα διάφορα είδθ φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων πυριτίου παρατίκενται ςτθ ςυνζχεια. Φωτοβολταϊκά πλαίςια Μονοκρυςταλλικοφ πυριτίου: Το μονοκρυςταλλικό πυρίτιο είναι ζνα υλικό με εφροσ ηϊνθσ 1.12eV [33]. Θ απόδοςθ των φωτοβολταϊκϊν μονοκρυςταλλικοφ πυριτίου, κυμαίνεται από 15-18%. Σε εργαςτθριακζσ δοκιμζσ ζχουν επιτευχκεί ακόμα μεγαλφτερεσ αποδόςεισ ζωσ και 24.7% [34]. Τα μονοκρυςταλλικά φωτοβολταϊκά ςτοιχεία χαρακτθρίηονται από το πλεονζκτθμα τθσ καλφτερθσ ςχζςθσ απόδοςθσ-επιφάνειασ ι ενεργειακισ πυκνότθτασ. Ζνα άλλο χαρακτθριςτικό, είναι το υψθλό κόςτοσ καταςκευισ ςε ςχζςθ με τα πολυκρυςταλλικά. Βαςικζσ τεχνολογίεσ παραγωγισ μονοκρυςταλλικϊν φωτοβολταϊκϊν είναι θ μζκοδοσ Czochralski (CZ) και θ μζκοδοσ float zone (FZ). Αμφότερεσ, βαςίηονται ςτθν ανάπτυξθ ράβδου πυριτίου. Ζχει μεταλλικζσ επαφζσ ςτο πίςω μζροσ του πάνελ εξαςφαλίηοντασ ζτςι μεγαλφτερθ επιφάνεια αλλθλεπίδραςθσ με τθν θλιακι ακτινοβολία. Εικόνα 2.12: Κφτταρο μονοκρυςταλλικοφ πυριτίου [34] Φωτοβολταϊκά πλαίςια Ρολυκρυςταλλικοφ πυριτίου: Θ μζκοδοσ παραγωγισ τουσ είναι φκθνότερθ από αυτιν των μονοκρυςταλλικϊν γι' αυτό θ τιμι τουσ είναι ςυνικωσ λίγο χαμθλότερθ. Οπτικά, μπορεί κανείσ να παρατθριςει τισ επιμζρουσ μονοκρυςταλλικζσ περιοχζσ, δθλαδι το μζγεκοσ των κρυςταλλικϊν κόκκων. Πςο μεγαλφτερεσ είναι ςε ζκταςθ οι μονοκρυςταλλικζσ περιοχζσ, τόςο μεγαλφτερθ είναι και θ απόδοςθ για τα πολυκρυςταλλικά φωτοβολταϊκά κφτταρα. Σε εργαςτθριακζσ εφαρμογζσ, ζχουν επιτευχκεί αποδόςεισ ζωσ και 20%, ενϊ ςτο εμπόριο τα πολυκρυςταλλικά ςτοιχεία διατίκενται με αποδόςεισ από 13 ζωσ 15% για τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Βαςικότερεσ τεχνολογίεσ παραγωγισ είναι θ μζκοδοσ απευκείασ ςτερεοποίθςθσ, directional solidification (DS), θ ανάπτυξθ λιωμζνου πυριτίου («χφτευςθ») 31

και θ θλεκτομαγνθτικι χφτευςθ EMC. Για τθν πειραματικι και υπολογιςτικι μελζτθ τθσ παροφςασ εργαςίασ επιλζχκθκε θ ςυγκεκριμζνθ κατθγορία φωτοβολταϊκϊν, εξαιτίασ τθσ μεγάλθσ παραγωγισ και ευρείασ χριςθσ τουσ. Εικόνα 2.13: Κφτταρο πολυκρυςταλλικοφ πυριτίου [34] Φωτοβολταϊκά πλαίςια Άμορφου πυριτίου: Το άμορφο πυρίτιο, ζχει εφροσ ηϊνθσ που κυμαίνεται μεταξφ 1.7-1.8 ev [33+. Τα φωτοβολταϊκά ςτοιχεία άμορφου πυριτίου, ζχουν αιςκθτά χαμθλότερεσ αποδόςεισ ςε ςχζςθ με τισ δφο προθγοφμενεσ κατθγορίεσ. Ρρόκειται για ταινίεσ λεπτϊν επιςτρϊςεων οι οποίεσ παράγονται με τθν εναποκζτθςθ θμιαγωγοφ υλικοφ (πυρίτιο), πάνω ςε υπόςτρωμα υποςτιριξθσ χαμθλοφ κόςτουσ όπωσ γυαλί ι αλουμίνιο. Ζτςι και λόγω τθσ μικρότερθσ ποςότθτασ πυριτίου που χρθςιμοποιείται, θ τιμι τουσ είναι γενικότερα αρκετά χαμθλότερθ. Ο χαρακτθριςμόσ άμορφο φωτοβολταϊκό, προζρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμζνα τα άτομα του πυριτίου. Οι επιδόςεισ που επιτυγχάνονται χρθςιμοποιϊντασ φωτοβολταϊκά αυτοφ του τφπου, κυμαίνονται για το πλαίςιο από 6% ζωσ 8%, ενϊ ςτο εργαςτιριο ζχουν επιτευχκεί αποδόςεισ ακόμα και 14% *34]. Το ςθμαντικότερο πλεονζκτθμα για το άμορφο πυρίτιο είναι το γεγονόσ ότι δεν επθρεάηεται πολφ από τισ υψθλζσ κερμοκραςίεσ. Επίςθσ, πλεονεκτεί ςτθν αξιοποίθςθ τθσ απόδοςθσ του ςε ςχζςθ με τα κρυςταλλικά φωτοβολταϊκά, όταν υπάρχει διάχυτθ ακτινοβολία (ςυννεφιά). Το μειονζκτθμα των πλαιςίων άμορφου πυριτίου, είναι θ χαμθλι τουσ ενεργειακι πυκνότθτα, κάτι που ςθμαίνει ότι για να παράγουμε τθν ίδια ενζργεια χρειαηόμαςτε ςχεδόν διπλάςια επιφάνεια ςε ςχζςθ με τα κρυςταλλικά φωτοβολταϊκά ςτοιχεία. Επίςθσ, υπάρχουν αμφιβολίεσ όςον αφορά τθ διάρκεια ηωισ των πλαιςίων άμορφου πυριτίου 32

αφοφ δεν υπάρχουν ςτοιχεία από παλιζσ εγκαταςτάςεισ. Ραρ' όλα αυτά, οι καταςκευαςτζσ πλζον δίνουν εγγυιςεισ απόδοςθσ 20 ετϊν. Εικόνα 2.14: Κφτταρο άμορφου πυριτίου [34] Φωτοβολταϊκά πλαίςια Διςελθνοϊνδοφχου χαλκοφ (CuInSe2 ι CIS και με προςκικθ γαλλίου CIGS): Ο διςελθνοϊνδοφχοσ χαλκόσ ζχει κατά προςζγγιςθ ενεργειακό χάςμα 1eV [33+. Ζχει εξαιρετικι απορροφθτικότθτα ςτο προςπίπτον φωσ αλλά παρ' όλα αυτά, θ απόδοςθ του με τισ ςφγχρονεσ τεχνικζσ κυμαίνεται ςτο 11% *34+ για το πλαίςιο. Εργαςτθριακά ζγινε εφικτι απόδοςθ ςτο επίπεδο του 18.8% *34+, θ οποία είναι θ μεγαλφτερθ που ζχει επιτευχκεί μεταξφ των τεχνολογιϊν λεπτισ επίςτρωςθσ. Με τθν πρόςμιξθ γαλλίου (CIGS), θ απόδοςθ του μπορεί να αυξθκεί ακόμα περιςςότερο. Ρρόβλθμα είναι ότι το ίνδιο υπάρχει ςε περιοριςμζνεσ ποςότθτεσ ςτθ φφςθ. Στα επόμενα χρόνια αναμζνεται το κόςτοσ να είναι αρκετά χαμθλότερο. Εικόνα 2.15: Κφτταρο διςελθνοϊνδοφχου χαλκοφ [34] 33

Φωτοβολταϊκά πλαίςια Τελουριοφχου Καδμίου (CdTe): Το τελουριοφχο κάδμιο, ζχει ενεργειακό χάςμα ςτο 1.44 ev *33+, και ζχει τθ δυνατότθτα να απορροφά το 99% τθσ προςπίπτουςασ ακτινοβολίασ. Ραρόλα αυτά οι ςφγχρονεσ τεχνικζσ, μασ προςφζρουν αποδόςεισ πλαιςίου τελουριοφχου καδμίου γφρω ςτο 6-8%. Στο εργαςτιριο, θ απόδοςθ ςτα φωτοβολταϊκά ςτοιχεία ζχει φτάςει το 16% [34]. Μελλοντικά, αναμζνεται μείωςθ του κόςτοσ. Τροχοπζδθ για τθ χριςθ του, αποτελεί το γεγονόσ ότι το κάδμιο ςφμφωνα με κάποιεσ ζρευνεσ είναι καρκινογόνο με αποτζλεςμα να προβλθματίηει το ενδεχόμενο τθσ εκτεταμζνθσ χριςθσ του. Επίςθσ πρόβλθμα είναι και θ ζλλειψθ του τελλουρίου. Σθμαντικότερθ χριςθ του είναι θ ενκυλάκωςθ του ςτο γυαλί ωσ δομικό υλικό με τθν εφαρμογι του ςε κτίρια (Building Intergrated Photovoltaic, BIPV). Εικόνα 2.16: Φωτοβολταϊκό πλαίςιο CdTe [34] Φωτοβολταϊκά πλαίςια Αρςενιοφχου Γαλλίου (GaAs): Το αρςενιοφχο γάλλιο, είναι ζνα κράμα μετάλλων που περιζχει εκτόσ από γάλλιο, μζταλλα όπωσ το αλουμίνιο και ο ψευδάργυροσ. Είναι πιο ςπάνιο ακόμα και από το χρυςό. Το αρςενικό δεν είναι ςπάνιο άλλα ζχει το μειονζκτθμα ότι είναι δθλθτθριϊδεσ. Το αρςενικοφχο γάλλιο ζχει ενεργειακό χάςμα 1.42 ev [33] και είναι ιδανικό για τθν απορρόφθςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ. Θ απόδοςθ του ςτθ μορφι πολλαπλϊν ςυνενϊςεων (multijunction) είναι θ υψθλότερθ που ζχει επιτευχκεί και αγγίηει το 29% *34+. Επίςθσ τα φωτοβολταϊκά ςτοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανκεκτικά ςτισ υψθλζσ κερμοκραςίεσ γεγονόσ που επιβάλλει ςχεδόν τθ χριςθ τουσ ςε εφαρμογζσ ςυγκεντρωτικϊν ςυςτθμάτων (solar concentrators). Τα 34

φωτοβολταϊκά ςτοιχεία GaAs ζχουν το πλεονζκτθμα ότι αντζχουν τισ υψθλζσ ποςότθτεσ θλιακισ ακτινοβολίασ και γι' αυτό αλλά και λόγω τθσ πολφ υψθλισ απόδοςισ τουσ ενδείκνυνται για διαςτθμικζσ εφαρμογζσ. Το μεγαλφτερο μειονζκτθμα αυτισ τθσ τεχνολογίασ είναι το υπερβολικό κόςτοσ του μονοκρυςταλλικοφ GaAs υποςτρϊματοσ. Εικόνα 2.17: Κφτταρο αρςενιοφχου γαλλίου [34] Φωτοβολταϊκά ςτοιχεία ετεροεπαφισ HIT (Heterojunction with Istrinsic Thin-layer): Τα πιο γνωςτά εμπορικά φωτοβολταϊκά ςτοιχεία ετεροεπαφισ, αποτελοφνται από δφο ςτρϊςεισ άμορφου πυριτίου (πάνω και κάτω), ενϊ ενδιάμεςα υπάρχει μία ςτρϊςθ μονοκρυςταλλικοφ πυριτίου. Το βαςικό πλεονζκτθμα αυτισ τθσ τεχνολογίασ είναι ο υψθλόσ βακμόσ απόδοςθσ του πλαιςίου που φτάνει ςε εμπορικζσ εφαρμογζσ ςτο 17.2% *34+ και το οποίο ςθμαίνει ότι χρειαηόμαςτε μικρότερθ επιφάνεια για να ζχουμε τθν ίδια εγκατεςτθμζνθ ιςχφ. Άλλα πλεονεκτιματα για τα φωτοβολταϊκά ςτοιχεία ετεροεπαφισ είναι θ υψθλι τουσ απόδοςθ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ αλλά και θ μεγάλθ τουσ απόδοςθ ςτθ διάχυτθ ακτινοβολία. Φυςικά, αφοφ προςφζρει τόςα πολλά, το φωτοβολταϊκό ςτοιχείο ετεροεπαφισ είναι και κάπωσ ακριβότερο ςε ςχζςθ με τα ςυμβατικά φωτοβολταϊκά πλαίςια. Φωτοβολταϊκά πλαίςια εφκαμπτθσ βάςθσ: Μία νζα τεχνολογία, αποτελεί το πρωτοποριακό προϊόν spheral solar, που βαςίηεται ςε υλικό που αντίκετα με τα ςυμβατικά φωτοβολταϊκά κφτταρα, δεν επικάκεται ςε άκαμπτθ βάςθ πυριτίου αλλά είναι φτιαγμζνο από χιλιάδεσ πολφ οικονομικά ςφαιρίδια πυριτίου, εγκλωβιςμζνα ανάμεςα ςε δφο φφλλα αλουμινίου. Τα ςφαιρίδια αυτά, καταςκευάηονται από υπολείμματα πυριτίου που προκφπτουν από τθ βιομθχανία των 35

chips των θλεκτρονικϊν υπολογιςτϊν. Κάκε ςφαιρίδιο, λειτουργεί ωσ ανεξάρτθτο μικροςκοπικό φωτοβολταϊκό κφτταρο, απορροφϊντασ τθν θλιακι ακτινοβολία και μετατρζποντάσ τθν ςε θλεκτριςμό. Τα φφλλα αλουμινίου εξαςφαλίηουν ςτο υλικό τθ φυςικι αντοχι που χρειάηεται, του επιτρζπουν να είναι εφκαμπτο αλλά και ελαφρφ, ενϊ ταυτόχρονα παίηουν το ρόλο θλεκτρικισ επαφισ. Θ γεμάτθ φυςαλίδεσ επιφάνεια που δθμιουργοφν τα ςφαιρίδια επιτρζπει πολφ μεγαλφτερθ απορρόφθςθ θλιακοφ φωτόσ, χαρίηοντασ ςτο υλικό αποδοτικότθτα τθσ τάξθσ του 11% *34+. Οι εφευρζτεσ του υποςτθρίηουν ότι μπορεί να καλφψει οποιουδιποτε ςχιματοσ επιφάνειεσ, αυξάνοντασ κατά πολφ τουσ χϊρουσ όπου μπορεί να παραχκεί θλεκτρικι ενζργεια και δίνοντασ ςτουσ αρχιτζκτονεσ τθ δυνατότθτα να ςχεδιάςουν κτίρια με καμπφλεσ που κα μποροφν να είναι εξοπλιςμζνα με φωτοβολταϊκά, χωρίσ μάλιςτα να απαιτοφνται ενιςχυμζνεσ καταςκευζσ για τθν ςτιριξι τουσ όπωσ αυτό ςτθν εικόνα 2.18. Εικόνα 2.18: Εικονικι εφαρμογι εφκαμπτων φωτοβολταϊκϊν Ρίνακασ 2.2: Συγκριτικόσ πίνακασ φωτοβολταϊκϊν τεχνολογιϊν [35] 36

Στον πίνακα 2.2, παρουςιάηονται οι πιο διαδεδομζνεσ τεχνολογίεσ φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων που αναφζρκθκαν μζχρι τϊρα. Γίνεται μία ςφγκριςθ μεταξφ τουσ, όςον αφορά τθν απόδοςθ, τθν απαιτοφμενθ επιφάνεια ανά kwp, τθ μζςθ ετιςια παραγωγι ενζργειασ ςε kwh ανά kwp και ςε kwh ανά m 2, κακϊσ και τθ μζςθ ετιςια μείωςθ εκπομπϊν διοξειδίου του άνκρακα. 2.5.3 Καταςκευαςτικά ςτοιχεία φωτοβολταϊκϊν ςυςτθμάτων Το υλικό καταςκευισ των περιςςότερων φωτοβολταϊκϊν κυττάρων (ςτοιχείων) είναι το πυρίτιο. Ζνασ αρικμόσ φωτοβολταϊκϊν κυττάρων (ςυνικωσ 36) ςυνδεμζνων ςε ςειρά, ϊςτε να εμφανίηουν ςυγκεκριμζνθ τάςθ ανοικτοφ κυκλϊματοσ (ζωσ 22V), τοποκετοφνται ςε επίπεδθ γυάλινθ πλάκα, προςαρμοςμζνθ ςε μεταλλικό πλαίςιο, ςυνικωσ από αλουμίνιο, υψθλισ αντοχισ. Το πίςω μζροσ καλφπτεται από ειδικό πλαςτικό υλικό ενκυλάκωςθσ. Θ τελικι καταςκευι πλθροί ειδικζσ προδιαγραφζσ, ϊςτε να διακζτει τθν απαραίτθτθ μθχανικι αντοχι, τισ κατάλλθλεσ υποδοχζσ ςτιριξθσ και επιπλζον τθν αυξθμζνθ ςτεγανότθτα για προςταςία από τθν υγραςία. Επίςθσ, πρζπει να είναι ιδιαιτζρωσ ανκεκτικι ςε ατμόςφαιρα υψθλισ περιεκτικότθτασ ςε άλμθ, ςε δυνατζσ κροφςεισ χαλαηόπτωςθσ και ςε κερμικζσ καταπονιςεισ. Θ διάταξθ αυτι αποτελεί τθν τυπικι βιομθχανικι μονάδα και ονομάηεται φωτοβολταϊκό πλαίςιο (Photovoltaic Module). Το φωτοβολταϊκό πλαίςιο αποτελεί τθν βαςικι δομικι μονάδα κάκε μεγαλφτερθσ εγκατάςταςθσ παραγωγισ θλεκτρικισ φωτοβολταϊκισ ενζργειασ, δθλαδι τθσ φωτοβολταϊκισ γεννιτριασ (Photovoltaic Generator). Οι τυπικζσ τιμζσ ιςχφοσ αιχμισ ενόσ μικροφ τυπικοφ φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου κυμαίνονται από 25W ζωσ 85W και τθσ μεγαλφτερθσ επιφάνειασ και μεγαλφτερθσ ιςχφοσ ακόμα και 240 W. Θ αρχικι μορφι των φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων ςτο πλαίςιο ιταν θ κυκλικι (κυκλικά wafers από το κυλινδρικό ingot τθσ μεκόδου Kzochralski), με αποτζλεςμα να μζνει αρκετι μθ χρθςιμοποιοφμενθ επιφάνεια. Σιμερα τα φωτοβολταϊκά που χρθςιμοποιοφνται ςτα πλαίςια ζχουν ςχιμα τετραγωνικό (p-si) ι τετραγωνικό με κομμζνεσ τισ γωνίεσ του (c-si), ϊςτε θ ενεργόσ επιφάνεια να προςεγγίηει τθν γεωμετρία τθσ επιφάνειασ του πλαιςίου [37]. 37

Θ όψθ του φωτοβολταϊκοφ καλφπτεται από διαφανι ουςία (π.χ. SiO, Al O, TiO, 2 2 3 2 Si N, MgF ). Θ μεμβράνθ αυτι χαρακτθρίηεται από δείκτθ διάκλαςθσ τζτοιο ϊςτε, για μια 3 4 2 περιοχι μθκϊν κφματοσ, ςυνικωσ γφρω ςτα 600 nm, κοντά ςτο μζγιςτο τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ (480 nm), να ελαχιςτοποιείται το ανακλϊμενο φωσ (αντιανακλαςτικι επίςτρωςθ). Επιπλζον, τα μεταλλικά θλεκτρόδια ςυλλογισ των φορζων, πρζπει να βρίςκονται κοντά ςτθν ενεργό περιοχι. Το πίςω θλεκτρόδιο καλφπτει όλθ τθν ζκταςθ του φωτοβολταϊκοφ και ςυνικωσ αποτελείται, για λόγουσ κόςτουσ και βάρουσ τθσ διάταξθσ, από λεπτό και ςχετικά πυκνό μεταλλικό πλζγμα. Ενϊ το μεταλλικό πλζγμα, που τοποκετείται ςτθν όψθ του φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου, όπου προςπίπτει το φωσ, πρζπει να ζχει το ςχιμα αραιισ μεταλλικισ ςχάρασ ζτςι ϊςτε οι ελεφκεροι θλεκτρικοί φορείσ να ςυλλζγονται απ όλθ τθν ζκταςθ τθσ επιφάνειάσ του, προκαλϊντασ ταυτόχρονα τθν ελάχιςτθ δυνατι μείωςθ ςτθ διζλευςθ του φωτόσ [38]. Τα φωτοβολταϊκά πλαίςια μποροφν να ςυνδεκοφν μεταξφ τουσ ςε ςειρά ι παράλλθλα. Ο ςυνδυαςμόσ πολλϊν φωτοβολταϊκϊν πλαιςίων ςε μια επίπεδθ ςυνικωσ πλάκα, ςτακερι ι περιςτρεφόμενθ, αποτελεί τθν φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία (array). Ζνα ςυνεργαηόμενο ςφνολο ςυςτοιχιϊν αποτελοφν ζνα φωτοβολταϊκό ςυγκρότθμα ι φωτοβολταϊκό πάρκο. Για τθν εγκατάςταςθ των φωτοβολταϊκϊν ςυςτθμάτων εμφανίηονται δφο βαςικοί τφποι : τα αυτόνομα φβ ςυςτιματα και τα ςυνδεδεμζνα με το δίκτυο φβ ςυςτιματα Τα αυτόνομα φβ ςυςτιματα δεν είναι ςυνδεδεμζνα με το κεντρικό δίκτυο και ςυνδυάηονται ςυχνά με θλεκτρικό ςυςςωρευτι. Θ ιςχφσ του εναλλαςςόμενου ρεφματοσ από ζνα ςφςτθμα ςυνδεδεμζνο με το δίκτυο καταλιγει ςτο κτίριο μζςω ενόσ μετατροπζα, ο οποίοσ γενικά ςυνδζεται με το τοπικό θλεκτρικό δίκτυο. Στισ περιςςότερεσ περιπτϊςεισ αυτόνομων ςυςτθμάτων, απαιτείται αποκικευςθ τθσ παραγόμενθσ θλεκτρικισ ενζργειασ ι/και μετατροπι τθσ ςε ενζργεια εναλλαςςόμενου ρεφματοσ. Συνεπϊσ, θ μελζτθ και ο ςχεδιαςμόσ ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςυςτιματοσ, επιβάλει τον προςδιοριςμό των κατάλλθλων θλεκτρικϊν και θλεκτρονικϊν ςυςτθμάτων. Οι θλεκτρικοί ςυςςωρευτζσ και τα θλεκτρονικά ιςχφοσ, όπωσ οι μετατροπείσ ςυνεχοφσ τάςεωσ ςε ςυνεχι ι ςε 38

εναλλαςςόμενθ και τα ςυςτιματα ελζγχου λειτουργίασ φόρτιςθσ αποτελοφν τα βαςικότερα τμιματα ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςτακμοφ [36]. 2.5.4 Απόδοςθ και κόςτοσ Θ παραγωγι των φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων ςιμερα αυξάνεται με γριγορουσ ρυκμοφσ. Αυτό οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι αυξάνεται θ απόδοςθ των φωτοβολταϊκϊν και μειϊνεται το κόςτοσ τουσ, λόγω τθσ ραγδαίασ ανάπτυξθσ τθσ τεχνολογίασ αυτϊν των ςυςτθμάτων. Επίςθσ, κακοριςτικόσ παράγοντασ τθσ ανάπτυξθσ των φωτοβολταϊκϊν αποτζλεςε θ ευρφτερθ εφαρμογι τουσ. Σιμερα, θ απόδοςθ των φωτοβολταϊκϊν πλαιςίων από κρυςταλλικό πυρίτιο (c-si), κυμαίνεται ςτα ποςοςτά του 14-17% ενϊ τα φωτοβολταϊκά από άμορφο πυρίτιο (a-si:h), φκάνει το 10%. Τα φωτοβολταϊκά ςτοιχεία πολυκρυςταλλικοφ πυριτίου (mc-si) ςυνδυάηουν καλι ποιότθτα καταςκευισ, καλι απόδοςθ ~13-14% και μικρότερο κόςτοσ καταςκευισ από τα μονο-κρυςταλλικά, με τα οποία ζχουν τον ίδιο, περίπου, χρόνο ηωισ. Χαρακτθριςτικό είναι το γεγονόσ ότι ςιμερα δίνεται εγγφθςθ καλισ λειτουργίασ, για περιςςότερο από 25 χρόνια, αλλά και εγγυιςεισ για αντικατάςταςθ όςων πλαιςίων μειϊνεται θ απόδοςθ περιςςότερο του 10% ςτθ δεκαετία ι περιςςότερο του 20% ςτα 25 χρόνια. Θ απόδοςθ του φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου αυξάνεται με τθν αφξθςθ τθσ πυκνότθτασ τθσ ακτινοβολίασ και μειϊνεται με τθν αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ. Θ κερμοκραςία του ςτοιχείου αυξάνεται κατά το φωτιςμό του, εξαιτίασ τθσ μετατροπισ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςε κερμικι ενζργεια (αφξθςθ τθσ εςωτερικισ ενζργειασ του υλικοφ). Θ αναπτυςςόμενθ υψθλι κερμοκραςία των φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων του πλαιςίου, οι καταςτάςεισ κερμοφ ςθμείου, θ ειςχϊρθςθ υγραςίασ ςτο εςωτερικό τουσ και οι ςυνακόλουκεσ αλλοιϊςεισ δομισ του φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου, μειϊνουν ςταδιακά τθν ενεργειακι απόδοςι τουσ. Το μζγεκοσ τθσ επίδραςθσ εξαρτάται από το υλικό του φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου τον τφπο του και τθ διαχρονικι αξιοπιςτία τθσ μθχανικισ καταςκευισ και των θλεκτρολογικϊν και μονωτικϊν υλικϊν. Επίςθσ ςκόνεσ και άλλα ςϊματα ςτθν επιφάνεια όψθσ των πλαιςίων, μειϊνουν τθν απόδοςι τουσ. Αφξθςθ τθσ απόδοςθσ των φωτοβολταϊκϊν κα επζλκει εάν μειωκεί θ κερμοκραςία που δθμιουργείται, λόγω τθσ υψθλισ θλιακισ ακτινοβολίασ. Για τθν μείωςθ τθσ 39

κερμοκραςίασ, πρζπει να γίνεται ςωςτόσ αεριςμόσ. Επομζνωσ, το φωτοβολταϊκό δεν κα πρζπει να ζρχεται ςε επαφι με τθν επιφάνεια τοποκζτθςισ του, αλλά να δθμιουργείτε ζνα διάκενο ανάμεςα ςτο πάνελ και τθν επιφάνεια. Ζνασ άλλοσ τρόποσ αφξθςθσ τθσ ςυνολικισ απόδοςθσ μετατροπισ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ των φωτοβολταϊκϊν είναι θ χριςθ υβριδικϊν φωτοβολταϊκϊν/κερμικϊν. Τα φωτοβολταϊκά μετατρζπουν μόνο ζνα μζροσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςε θλεκτρικι, ενϊ το υπόλοιπο γίνεται κερμότθτα, θ οποία μειϊνει τθν απόδοςθ του ςυςτιματοσ. Επομζνωσ ζνα μζροσ αυτισ τθσ κερμότθτασ μζςω μιασ κερμικισ μονάδασ που κα βρίςκεται κάτω από το φωτοβολταϊκό πλαίςιο, μπορεί να χρθςιμοποιθκεί για να ηεςτακεί αζρασ ι νερό. Ωσ αποτζλεςμα κα προκφψει διπλό όφελοσ. Απ τθ μια, κα μειωκεί θ κερμοκραςία του φωτοβολταϊκοφ και κατά ςυνζπεια κα αυξθκεί θ απόδοςι του και απ τθν άλλθ, κα παραχκεί κερμόσ αζρασ ι κερμό ερό για διάφορεσ χριςεισ. Το κόςτοσ των φωτοβολταϊκϊν ςυςτθμάτων εκφράηεται ςυνικωσ ςε /W p αιχμισ. Το κόςτοσ για ζνα ςφςτθμα κατανζμεται, ωσ προσ τα τμιματά του ωσ εξισ: φωτοβολταϊκά πλαίςια: 40-60%, ςυςςωρευτζσ: 15-25%, αντιςτροφείσ: 10-15%, υποδομι ςτιριξθσ: 10-15%,ςχεδιαςμόσ και εγκατάςταςθ: 8-12%. Για τα κρυςταλλικά και πολυ-κρυςταλλικά φωτοβολταϊκά, θ παραςκευι τθσ πρϊτθσ φλθσ, απαιτεί το 30 35 % του ςυνολικοφ κόςτουσ και το υπόλοιπο 30-35 %, θ παραςκευι του φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου. Για τα φωτοβολταϊκά ςτοιχεία άμορφου πυριτίου, το κόςτοσ παραςκευισ τθσ πρϊτθσ φλθσ, ελαττϊνεται περίπου ςτο μιςό (18%). Το μεταλλικό πλαίςιο, μαηί με τα υλικά ενκυλάκωςθσ των φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων, τον υαλοπίνακα και το κιβϊτιο με τισ θλεκτρικζσ απολιξεισ, απαιτεί το υπόλοιπο 30 40 % του ςυνολικοφ κόςτουσ τθσ μονάδασ. Τα φωτοβολταϊκά πλαίςια πυριτίου ζχουν διάρκεια ηωισ ποφ ξεπερνάει τα 30 ζτθ χωρίσ ιδιαίτερθ ςυντιρθςθ, ενϊ ςε αυτό το διάςτθμα οι ςυςςωρευτζσ αντικακίςτανται 4-5 φορζσ. Σθμαντικοί παράγοντεσ που επθρεάηουν το κόςτοσ ενόσ ςυςτιματοσ είναι το είδοσ τθσ εφαρμογισ και το αν το ςφςτθμα είναι ςυνδεδεμζνο ςτο δίκτυο ι όχι. Το κόςτοσ είναι ςυνικωσ χαμθλότερο για ςυςτιματα ςυνδεδεμζνα με το δίκτυο και θ διαφορά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι, ςε αντίκεςθ με τα αυτόνομα ςυςτιματα, δεν απαιτοφν ςυςςωρευτζσ. Επίςθσ, το κόςτοσ ανά W p μειϊνεται με τθν αφξθςθ του μεγζκουσ του φωτοβολταϊκοφ 40

ςυςτιματοσ. Ραρά το ςχετικά υψθλό κόςτοσ των φωτοβολταϊκϊν πλαιςίων, ςιμερα, προβλζπεται μζςα ςτθ δεφτερθ δεκαετία του 21 ου αιϊνα ικανοποιθτικι μείωςθ του κόςτουσ τουσ, με προοπτικι το κόςτοσ τθσ φωτοβολταϊκισ κιλοβατϊρασ να καταςτεί ςυγκρίςιμο με το κόςτοσ που κα ζχει θ κιλοβατϊρα από ςυμβατικά καφςιμα. 2.5.5 Οικολογικζσ, τεχνολογικζσ, αιςκθτικζσ, και κοινωνικο-οικονομικζσ πτυχζσ Τα φωτοβολταϊκά ςιμερα προςφζρουν ολοζνα και περιςςότερα οφζλθ. Πςον αφορά τθν οικολογικι πτυχι, ςυμβάλλουν αναμφιςβιτθτα ςτθν άμεςθ μετατροπι τθσ θλιακισ ενζργειασ ςε θλεκτρικι χωρίσ καταςτροφικζσ ςυνζπειεσ. Τα φωτοβολταϊκά κεωροφνται περιβαλλοντικά αποδοτικά, δεδομζνου ότι ζχουν περιβαλλοντικι απόςβεςθ περίπου ςε τζςςερα χρόνια και ανακτοφν τθν ενζργεια που χρθςιμοποιικθκε για τθν παραγωγι των φωτοβολταϊκϊν κυττάρων αρκετζσ φορζσ ακόμα. Ραράγουν θλεκτρικι ενζργεια χωρίσ πολλζσ εκπομπζσ βλαβερϊν ουςιϊν και ρφπων (CO 2, NOx και SOx) και δεν προκαλοφν θχορφπανςθ αφοφ ζχουν ακόρυβθ λειτουργία. Τα ςυςτιματα των φωτοβολταϊκϊν μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν για τθν προςταςία του κτιρίου από τισ καιρικζσ ςυνκικεσ, με τθν τοποκζτθςι τουσ ςτο κζλυφόσ του, ςε τμιμα των τοίχων ι τθσ ςτζγθσ. Τα φωτοβολταϊκά αντζχουν ςτθν ζκκεςθ ςτον ιλιο, ςτθ βροχι, τον αζρα, και άλλεσ κλιματολογικζσ ςυνκικεσ, ενϊ παράλλθλα παρζχουν κερμομόνωςθ και θχομόνωςθ. Επιπλζον θ λειτουργία τουσ κεωρείται τεχνικά αξιόπιςτθ και θ όψθ τουσ με ιδιαίτερα αιςκθτικά χαρακτθριςτικά [38]. 2.5.6 Τφποι ςυςτοιχιϊν φωτοβολταϊκϊν Οι φωτοβολταϊκζσ ςυςτοιχίεσ, διακρίνονται ςε τρεισ διαφορετικοφσ τφπουσ, με βάςθ τθ διάταξθ τοποκζτθςισ τουσ ωσ προσ το ζδαφοσ και τθ ςχετικι τουσ κζςθ ωσ προσ τον ιλιο. Ριο ςυγκεκριμζνα, μπορεί να ζχουν ςτακερι κλίςθ, δθλαδι να είναι ςτακερά τοποκετθμζνα ωσ προσ το ζδαφοσ, ι να διακζτουν ςφςτθμα ανίχνευςθσ του ιλιου, ενόσ ι δφο αξόνων, με διάταξθ που ονομάηεται θλιοτρόπιο. Στθν εικόνα 2.19, φαίνεται μία φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία με ςτακερι κλίςθ ωσ προσ το ζδαφοσ, προςανατολιςμζνθ προσ το νότο. Θ απουςία κινθτϊν μερϊν κατά τθ ςτιριξθ 41

τθσ ςυςτοιχίασ με ςτακερι κλίςθ, προςδίδει ςτθ διάταξθ επαρκι μθχανικι αντοχι, ιδιαίτερα μάλιςτα αν πρόκειται για περιοχζσ όπου επικρατοφν ιςχυροί άνεμοι. Εικόνα 2.19: Φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία με ςτακερι κλίςθ άξονα Εικόνα 2.20: Σφςτθμα ανίχνευςθσ ιλιου ενόσ άξονα (αριςτερά) και δφο αξόνων (δεξιά) Στθν εικόνα 2.20 αριςτερά, απεικονίηεται μία φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία με ςτρεφόμενθ βάςθ ανίχνευςθσ θλίου ενόσ άξονα, επίςθσ προςανατολιςμζνθ προσ το νότο. Θ ςυςτοιχία αυτι, ιχνθλατεί τον ιλιο από ανατολι προσ δφςθ πάνω ςτον άξονα περιςτροφισ τθσ. Θ γωνία κλίςθσ τθσ διάταξθσ αυτισ, παραμζνει ςτακερι κατά τθν θμεριςια κίνθςθ του άξονα. Τζλοσ, ςτθν εικόνα 2.20 δεξιά, φαίνεται μία φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία με ςφςτθμα ανίχνευςθσ θλίου δφο αξόνων. Θ ςυςτοιχία αυτι, ιχνθλατεί τον ιλιο από τθν ανατολι προσ τθ δφςθ, ενϊ παράλλθλα αλλάηει τθ γωνία κλίςθσ τθσ από το ζδαφοσ κατά τθ διάρκεια τθσ 42

θμζρασ. Κάτι τζτοιο, επιτρζπει τθ ςυνεχι παρακολοφκθςθ τθσ κίνθςθσ του ιλιου, με αποτζλεςμα θ ςυςτοιχία να λαμβάνει το μεγαλφτερο κατά το δυνατόν ποςοςτό τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ κακ' όλθ τθ διάρκεια τθσ θμζρασ. Θ διάταξθ ανίχνευςθσ θλίου, μοιάηει ιδανικι κακότι επιτρζπει το μεγαλφτερο δυνατό ποςό λαμβανόμενθσ θλιακισ ενζργειασ. Ραρουςιάηει όμωσ το μειονζκτθμα τθσ οικονομικισ επιβάρυνςθσ για τθν καταςκευι των μθχανολογικϊν και θλεκτρονικϊν τμθμάτων τθσ, κακϊσ και τθσ ζκκεςθσ τθσ ςυςτοιχίασ ςτον κίνδυνο καταςτροφισ εξαιτίασ ιςχυρϊν ανζμων [39]. 2.5.7 Ρροςανατολιςμόσ και κλίςθ τθσ φωτοβολταϊκισ ςυςτοιχίασ Κατά τθν εγκατάςταςθ ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςυςτιματοσ, απαραίτθτθ προχπόκεςθ είναι ο προςανατολιςμόσ του θλιακοφ ςυλλζκτθ ςε ςχζςθ με τθν κατεφκυνςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ (βλζπε ενότθτα 2.4). Θ κζςθ του ιλιου ςτον ουρανό και ο προςανατολιςμόσ ενόσ επιπζδου ςτθν επιφάνεια τθσ γθσ, περιγράφονται από δφο γωνίεσ: τθν κλίςθ β και τθν αηιμοφκια γωνία γ όπωσ παρουςιάηονται ςτθν εικόνα 2.21. Θ κλίςθ του ςυλλζκτθ β, είναι θ δίεδρθ γωνία που ςχθματίηεται ανάμεςα ςτο επίπεδο του ςυλλζκτθ και ςτον ορίηοντα. Εικόνα 2.21: Θ κλίςθ β και θ αηιμοφκια γωνία γ, που χαρακτθρίηουν τον προςανατολιςμό ενόσ επιπζδου θλιακοφ ςυλλζκτθ ςτθν επιφάνεια τθσ γθσ 43

Θ αηιμοφκια γωνία του ςυλλζκτθ γ, είναι θ γωνία που ςχθματίηεται πάνω ςτο οριηόντιο επίπεδο μεταξφ τθσ προβολι τθσ κατακορφφου του ςυλλζκτθ και του τοπικοφ μεςθμβρινοφ βορρά-νότου. Θ πυκνότερθ ιςχφσ μίασ δζςμθσ θλιακισ ακτινοβολίασ πάνω ςε ζνα επίπεδο ςυλλζκτθ κα πραγματοποιείται όταν θ επιφάνειά του είναι κάκετθ προσ τθν κατεφκυνςθ τθσ ακτινοβολίασ, δθλαδι όταν θ γωνία πρόςπτωςθσ κ που φαίνεται ςτθν εικόνα 2.21 είναι 0 0. Θ ςυνκικθ όμωσ αυτι δεν είναι εφκολο να εξαςφαλιςτεί, κακϊσ ο ιλιοσ ςυνεχϊσ μετακινείται ςτον ουρανό κατά τθ διάρκεια τθσ θμζρασ. Οι μθχανικζσ διατάξεισ που αναφζραμε προθγουμζνωσ, μπορεί να προςανατολίηουν ςυνεχϊσ το ςυλλζκτθ αλλά είναι δαπανθρζσ και για το λόγο αυτό χρθςιμοποιοφνται μόνο ςε ειδικζσ περιπτϊςεισ εφαρμογϊν, όπωσ ςτα ςυςτιματα ςυγκεντρωμζνθσ ακτινοβολίασ με φακοφσ ι κάτοπτρα [32]. Στισ ςυνθκιςμζνεσ περιπτϊςεισ, οι ςυλλζκτεσ τοποκετοφνται ςε ςτακερι κλίςθ και αηιμοφκια γωνία, που επιλζγονται ϊςτε θ γωνία πρόςπτωςθσ κ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ να είναι όςο το δυνατόν μικρότερθ κατά τθ διάρκεια του ζτουσ. Εικόνα 2.22: Ραράδειγμα τθσ εξάρτθςθσ τθσ μζςθσ θμεριςιασ ακτινοβολίασ που δζχεται μία επίπεδθ επιφάνεια κατά τθ διάρκεια των διαφόρων μθνϊν του ζτουσ, ςε ςυνάρτθςθ με τθν κλίςθ τθσ. Το διάγραμμα αναφζρεται ςε Γεωγραφικό Ρλάτοσ 40 0. 44

Εικόνα 2.23: Θ βζλτιςτθ κλίςθ ενόσ θλιακοφ ςυλλζκτθ ςτο κερινό (21 Λουνίου) και το χειμερινό (21 Δεκεμβρίου) θλιοςτάςιο και τθν εαρινι (21 Μαρτίου) και φκινοπωρινι ( 21 Σεπτεμβρίου) ιςθμερία, ςε μία τοποκεςία με Γεωγραφικό Ρλάτοσ 38 0 όπωσ θ Ράτρα. Τα φψθ θλίου που απεικονίηονται αφοροφν αντίςτοιχα θλιακά μεςθμζρια Στο βόρειο θμιςφαίριο, θ βζλτιςτθ κλίςθ τοποκζτθςθσ ενόσ φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου για τθ διάρκεια ολόκλθρου του ζτουσ, είναι ίςθ με τθ γεωγραφικι παράλλθλο του τόπου και θ αηιμοφκια γωνία είναι 0 0 (προσ το νότο). Λόγω όμωσ τθσ μεταβολισ τθσ απόκλιςθσ του ιλιου ςτθ διάρκεια του ζτουσ, θ βζλτιςτθ κλίςθ του ςυλλζκτθ αλλάηει κάκε εποχι. Στθν εικόνα 2.22, φαίνεται θ εξάρτθςθ αυτι τθσ μζςθσ θμεριςιασ ακτινοβολίασ από τθ γωνία κλίςθσ του πλαιςίου κάκε μινα του χρόνου. Πταν το φωτοβολταϊκό ςφςτθμα, επιδιϊκεται να παράγει όςο το δυνατό περιςςότερθ ενζργεια ςτθ διάρκεια του καλοκαιριοφ, θ κλίςθ του ςυλλζκτθ επιλζγεται περίπου 10 0 ζωσ 15 0 μικρότερθ από τθν παράλλθλο του τόπου, ενϊ για το χειμϊνα θ κλίςθ επιλζγεται περίπου 10 0 με 15 0 μεγαλφτερθ. Στθν εικόνα 2.23 δίνεται ζνα παράδειγμα τθσ βζλτιςτθσ κλίςθσ για τον θλιακό ςυλλζκτθ ςτισ χαρακτθριςτικζσ θμερομθνίεσ του ζτουσ [32]. 45

2.5.8 Ραράγοντεσ που επθρεάηουν τθν ενεργειακι απόδοςθ των φβ πλαιςίων Θ κεωρθτικι εκτίμθςθ τθσ αναμενόμενθσ ενεργειακισ απόδοςθσ ενόσ φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου ι ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςτακμοφ, δεν λαμβάνει υπόψθ μία ςειρά από παράγοντεσ οι οποίοι ςυχνά ςυνεπάγονται το ςθμαντικό περιοριςμό τθσ. Θ ιςχφσ που παράγεται από ζνα φωτοβολταϊκό ςφςτθμα εξαρτάται από ζνα ςφνολο παραγόντων που πρζπει κατά κφριο λόγο να εξετάηονται κατά τθ φάςθ του ςχεδιαςμοφ ενόσ ςυςτιματοσ. Θ ετιςια ενεργειακι απόδοςθ αποτελεί τθν πιο κατάλλθλθ παράμετρο ςτο ςχεδιαςμό φωτοβολταϊκϊν ςυςτθμάτων κακϊσ επίςθσ και το καλφτερο μζτρο για τθν παρακολοφκθςθ τθσ μακροχρόνιασ ςυμπεριφοράσ τουσ. Οι παράγοντεσ επίδραςθσ αυτοί, μπορεί να ςχετίηονται με το ίδιο το πλαίςιο ι από τα περιβαλλοντικά χαρακτθριςτικά τθσ κζςθσ εγκατάςταςθσ. Οι ςθμαντικότεροι από αυτοφσ αναλφονται ςτθ ςυνζχεια. Ρριν όμωσ αναφζρουμε τουσ κυριότερουσ παράγοντεσ μείωςθσ τθσ απόδοςθσ των θλιακϊν πλαιςίων, να ςθμειϊςουμε πωσ για λόγουσ ςφγκριςθσ των χαρακτθριςτικϊν που παρουςιάηουν ζχουν κακοριςτεί κάποιεσ ςυνκικεσ αναφοράσ (Standard Test Conditions, STC), κάτω από τισ οποίεσ δίνονται οι χαρακτθριςτικζσ παράμετροι τουσ. Αυτζσ είναι οι εξισ: Κερμοκραςία Στοιχείου : 25 0 C Θλιακι Ακτινοβολία: 1000 W/m 2 Α.Μ (Air Mass): 1.5 Οι κυριότεροι παράγοντεσ μείωςθσ τθσ ενεργειακισ απόδοςθσ που πρζπει να λαμβάνουμε υπόψθ μασ κατά το ςχεδιαςμό ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςυςτιματοσ, είναι οι εξισ: Επίδραςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ Ιερμοκραςία κυττάρου Ταχφτθτα και κατεφκυνςθ ανζμου φπανςθ Σκίαςθ Γιρανςθ Απϊλειεσ του φωτοβολταϊκοφ ςυςτιματοσ και οι Οπτικζσ απϊλειεσ: 46

Στθν παροφςα εργαςία γίνεται αναφορά ςτθν επίδραςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ και ςτισ οπτικζσ απϊλειεσ: Επίδραςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ: Θ ενζργεια που παράγεται από ζνα φωτοβολταϊκό πλαίςιο ςε ετιςια βάςθ, είναι άμεςα ςυνδεδεμζνθ με τθ διακζςιμθ θλιακι ακτινοβολία και ωσ εκ τοφτου, εξαρτάται από τθ γεωγραφικι κζςθ εγκατάςταςθσ του ςυςτιματοσ. Θ θλιακι ενζργεια που προςπίπτει ςτθν επιφάνεια ενόσ ςυλλζκτθ είναι με τθ ςειρά τθσ άμεςα εξαρτϊμενθ από τον προςανατολιςμό του πλαιςίου ωσ προσ τον ιλιο. Για τθ μεγαλφτερα λαμβανόμενα ποςά τθσ θλιακισ ενζργειασ, όπωσ ζχουμε ιδθ αναφζρει, τα πλαίςια πρζπει να προςανατολίηονται κατάλλθλα και να είναι τοποκετθμζνα ςτθ βζλτιςτθ γωνία κλίςθσ (εφόςον δεν χρθςιμοποιοφνται ςτρεφόμενεσ βάςεισ ενόσ ι δφο αξόνων). Θ αφξθςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ζχει ωσ αποτζλεςμα μεγαλφτερθ παραγωγι θλεκτρικοφ ρεφματοσ και ωσ εκ τοφτου, μεγαλφτερθ παραγόμενθ ιςχφ. Οπτικζσ απϊλειεσ: Με τον όρο οπτικζσ απϊλειεσ εννοοφμε τθ διαφοροποίθςθ τθσ ανακλαςτικότθτασ του φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου (υαλοπίνακασ, αντανακλαςτικό επίςτρωμα, υλικό φωτοβολταϊκϊν κυττάρων) ςε ςχζςθ με τθν αντίςτοιχθ ςε STC. Θ ανακλαςτικότθτα του οπτικοφ ςυςτιματοσ όψεωσ του φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου, ςε ςχζςθ με τθν αντίςτοιχθ τιμι ςε Ρρότυπεσ Συνκικεσ Αναφοράσ, αυξάνει κακϊσ αυξάνει θ γωνία πρόςπτωςθσ των θλιακϊν ακτίνων ςτθν επιφάνειά του, ιδιαίτερα ςε γωνίεσ πρόςπτωςθσ μεγαλφτερεσ των 60 0. Επίςθσ, οπτικζσ απϊλειεσ ζχουμε και με τθ διαφοροποίθςθ του φάςματοσ τθσ ακτινοβολίασ. Κακϊσ το Α.Μ=1.5 θλιακό φάςμα που κακορίηεται από τισ STC, χρθςιμοποιείται ωσ αναφορά για τισ προδιαγραφζσ απόδοςθσ των πλαιςίων, θ ετιςια παραγωγι του πλαιςίου κεωρείται ςχετικά ανεξάρτθτθ από τισ μεταβολζσ του θλιακοφ φάςματοσ γιατί οι διακυμάνςεισ που παρατθροφνται ςτθν απόδοςθ των φωτοβολταϊκϊν πλαιςίων κατά τθ διάρκεια τθσ θμζρασ, εξαλείφονται κατά μζςο όρο ςε ετιςια βάςθ. Αυτά όςον αφορά φωτοβολταϊκά ευρείασ φαςματικισ περιοχισ. Για φωτοβολταϊκά ςτενισ φαςματικισ περιοχισ οι ετιςιεσ απϊλειεσ είναι ςθμαντικότερεσ. 47

Επιπλζον, υπάρχουν απϊλειεσ λόγω διαφοροποίθςθσ τθσ πόλωςθσ τθσ προςπίπτουςασ θλιακισ ακτινοβολίασ κατά τθ διάρκεια τθσ θμζρασ. Θ μζςθ ετιςια επίδραςθ του παράγοντα αυτοφ προςδιορίηεται γφρω ςτο 2%. Τζλοσ, οπτικζσ απϊλειεσ παρατθροφνται και λόγω χαμθλϊν τιμϊν τθσ πυκνότθτασ ιςχφοσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ. Θ απόδοςθ του θλιακοφ κυττάρου μειϊνεται ςτισ χαμθλζσ τιμζσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ, ιδιαίτερα κάτω από τθν τιμι των 200 W/m 2. Οι οπτικζσ απϊλειεσ, αποδεικνφονται μικρισ ςθμαςίασ για εμπορικά πλαίςια καλισ ποιότθτασ. Σε άλλεσ όμωσ περιπτϊςεισ οι ενεργειακζσ αυτζσ απϊλειεσ αποδεικνφονται ςχετικά ςθμαντικζσ και γενικά υπολογίηονται ςε 3%, κατά μζςο όρο ςτο ζτοσ. ΚΕΦΑΛΑΚΟ 3: Ρειραματικι Μελζτθ 3.1 Ρειραματικι Μελζτθ Στο Εργαςτιριο Θλιακισ Ενζργειασ, του Τμιματοσ Φυςικισ, του Ρανεπιςτθμίου Ρατρϊν, πραγματοποιικθκαν πειράματα ςε ςυνκικεσ φυςικοφ θλιαςμοφ, για τον προςδιοριςμό τθσ προςπίπτουςασ θλιακισ ακτινοβολίασ και τθσ αποδιδόμενθσ ιςχφοσ και απόδοςθσ, ςε προςομοίωςθ δίριχτθσ ςτζγθσ, διαφόρων προςανατολιςμϊν, με εγκατάςταςθ φωτοβολταϊκϊν και ςτισ δφο πλευρζσ. Ο ςτόχοσ των πειραμάτων περιλάμβανε τθν εφρεςθ τθσ απόδοςθσ και τθσ ιςχφοσ και για τισ τζςςερεισ χαρακτθριςτικζσ περιόδουσ του ζτουσ (21 Λουνίου, 21 Μαρτίου-Σεπτεμβρίου και 21 Δεκεμβρίου). Τα αποτελζςματα μποροφν να βοθκιςουν ςτθν κατανόθςθ τθσ ςυμπεριφοράσ μίασ παρόμοιασ εγκατάςταςθσ κακ όλθ τθ διάρκεια του ζτουσ και να υπολογιςτεί καλφτερα ο βζλτιςτοσ ςυνδυαςμόσ κόςτουσ εγκατάςταςθσ - ενεργειακισ κάλυψθσ από τθ χριςθ φωτοβολταϊκϊν ςε κτίρια με δίριχτθ ςτζγθ. 48

3.2 Ρειραματικι διάταξθ και διαδικαςία Για το πειραματικό μζροσ τθσ εργαςίασ χρθςιμοποιικθκαν πανομοιότυπα φβ πλαίςια πολυκρυςταλλικοφ πυριτίου τθσ εταιρίασ Conergy Q50PI (εικόνα 3.1), με τα χαρακτθριςτικά του πάνελ να φαίνονται ςτον πίνακα 3.1. Εικόνα 3.1: φβ πλαίςιο Ρίνακασ 3.1: Χαρακτθριςτικά φβ πλαιςίου ΧΑΑΚΤΗΚΣΤΚΚΑ pc-si P mpp (W) 50 I sc (A) 3.47 V oc (V) 20 I mpp (A) 3.04 V mpp (V) 16.5 Διαςτάςεισ πλαιςίου (cm 2 ) 68x64 Ενεργι επιφάνεια (cm 2 ) 65.5x61 Για τθ διεξαγωγι των πειραμάτων χρθςιμοποιικθκαν ψθφιακά πολφμετρα Mastech MS8229 για τθ μζτρθςθ τθσ αποδιδόμενθσ τάςθσ (V) και ρεφματοσ (I) του φβ πλαιςίου και δφο ροοςτάτεσ αντίςταςθσ 0-6 Ω και 0-100 Ω ςε ςειρά με μια αντίςταςθ 0,47 Ω. 49

Για τθ μζτρθςθ τθσ ζνταςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ χρθςιμοποιικθκε ζνα πυρανόμετρο Theodor Friedrichs & Co με ευαιςκθςία c=13,02 μv/(w m -2 ), ςυνδεδεμζνο με ψθφιακό πολφμετρο TEE CM2500. Για τθ μζτρθςθ τθσ κερμοκραςίασ του περιβάλλοντοσ και του φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου χρθςιμοποιικθκαν ζνα ψθφιακό κερμόμετρο Hanna Instruments, ζνα ψθφιακό κερμόμετρο Summit Digital Thermometer SDT30 και κερμοηεφγθ τφπου Τ (Cu(+) / Constantan(-)) (εικόνα 3.2). (α) (β) (γ) (δ) Εικόνα 3.2: (α) Ψθφιακό πολφμετρο Mastech MS8229, (β) Ρυρανόμετρο Theodor Friedrichs & Co, (γ) ψθφιακό κερμόμετρο Hanna Instruments, (δ) ψθφιακό κερμόμετρο Summit Digital Thermometer SDT30 50

Εικόνα 3.3: Μζτρθςθ I-V του φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου Καταςκευάςτθκε κυλιόμενθ μεταλλικι βάςθ, θ οποία προςομοίαηε δίριχτθ ςτζγθ κτιρίου με κλίςθ 25, και τοποκετικθκαν ςε αυτι τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Εικόνα 3.4: Θ πειραματικι ςυςκευι, με ανακλινόμενο φωτοβολταϊκά πάνελ ςε διαφορετικζσ γωνίεσ αηιμοφκιου Κατά τθν πειραματικι διαδικαςία λαμβάνονταν μετριςεισ κερμοκραςίασ φωτοβολταϊκοφ (ςτθν εμπρόσ και ςτθν πίςω πλευρά του πάνελ) και περιβάλλοντοσ υπό 51

ςκιά, προςπίπτουςα ακτινοβολία ςτο φωτοβολταϊκό πάνελ, αποδιδόμενθ τάςθ και ζνταςθ ρεφματοσ από κάκε πάνελ. Οι ςυγκεκριμζνεσ μετριςεισ λαμβάνονταν για κάκε διαφορετικι γωνία γ ξεχωριςτά όπωσ και για κάκε εποχι. Για τθν εγκυρότθτα και τθν ςυγκριςιμότθτα των μετριςεων, θ πειραματικι διάταξθ προςαρμοηόταν πάντα για λειτουργία ςε χρονικι ςτιγμι θλιακοφ μεςθμεριοφ, ϊςτε να κζτουμε ωσ ςτακερι βάςθ το μζγιςτο τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ για τθν κάκε εποχι. Μετρικθκαν κατά ςειρά προςανατολιςμοί γωνίασ γ για: 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315. Θ διαδικαςία επαναλιφκθκε για κάκε μία από τισ προαναφερκείςεσ τζςςερισ χαρακτθριςτικζσ θμζρεσ του ζτουσ. Στθν αρχι, αλλά και ςτο τζλοσ των πειραμάτων λιφκθκαν αντίςτοιχεσ μετριςεισ ελζγχου, των χρθςιμοποιοφμενων ςτο πείραμα πάνελ. 3.2 Υπολογιςμοί και επεξεργαςία Ρειραματικϊν Αποτελεςμάτων Για τθ κερμοκραςία του φωτοβολταϊκοφ (Σ PV ) υπολογίςτθκε ο μζςοσ όροσ των κερμοκραςιϊν ςτθν μπροςτά (Σ PVfr ) και ςτθν πίςω (Σ PVb ) επιφάνειά του. T PV C T PVfr C T C 2 PVb Για τον υπολογιςμό τθσ αποδιδόμενθσ ιςχφοσ (P outmax ), από τα διαγράμματα I-V (εικόνα 3.9) για κάκε περίπτωςθ, ςθμειϊνεται το ςθμείο καμπισ (μζγιςτο γινόμενο του I με το V) και ιςχφει ότι: P out max W I A V ( V ) με Ι(Α) τθν ζνταςθ του ρεφματοσ και V(V) τθν τάςθ. Για τον υπολογιςμό τθσ προςπίπτουςασ θλιακισ ακτινοβολίασ, χρθςιμοποιοφμε τθν ζνδειξθ του πυρανομζτρου R(mV) και με τον ςυντελεςτι c = 13,02 μv/(w m -2 ), βρίζκοσμε ηην ένηαζη ηης ακηινοβολίας ηοσ ήλιοσ (I r ) από ηον ηύπο: I r W m 2 R( mv ) c( V / W m 2 ) 52

Θ ιςχφσ τθσ προςπίπτουςασ θλιακισ ακτινοβολίασ (P in ), εξαρτάται από τθν επιφάνεια του απορροφθτι (φωτοβολταϊκό πάνελ) και υπολογίηεται από τον τφπο: P in 2 2 W A m I W m όπου Α θ επιφάνεια του φωτοβολταϊκου πάνελ (Α=0,39955m 2 ). r Τελικά, η ηλεκηρική απόδοζή (η el ) ηοσ θωηοβοληαϊκού δίνεηαι από ηον ηύπο: el P out max P in W W Ρίνακασ 3.2: Αποτελζςματα για τθν περίοδο που αντιςτοιχεί ςτισ μετριςεισ τθσ 21θσ Λουνίου. Αηιμοφκια Ϊρα P out (W) θ el I r (W/m 2 ) T pv ( ο C) T a ( ο C) γ=0 11:43 36,72 0,1059 867,90 56.3 30 γ=45 12:05 35,84 0,1062 844,85 49.2 33 γ=90 12:23 38,50 0,1045 921,66 49.05 32 γ=135 12:43 37,52 0,1082 867,90 49.95 33 γ=180 11:43 36,74 0,1041 883,26 50.1 30 γ=225 12:05 37,30 0,1048 890,94 48.2 33 γ=270 12:23 37,65 0,1031 913,98 50.6 32 γ=315 12:43 37,69 0,1032 913,98 51.7 33 53

Ρίνακασ 3.3: Αποτελζςματα για τισ περιόδουσ που αντιςτοιχοφν ςτισ μετριςεισ τθσ 21 Μαρτίου / 21 Σεπτεμβρίου. Αηιμοφκια Ϊρα P out (W) θ el I r (W/m 2 ) T pv ( ο C) T a ( ο C) γ=0 13:00 39,64 0,1068 929,34 47.9 32 γ=45 13:13 38,39 0,1088 883,26 49.5 34.3 γ=90 13:23 33,50 0,1070 783,41 40.95 31 γ=135 13:35 31,92 0,1072 745,01 39.9 30 γ=180 13:00 29,77 0,1115 668,20 42.05 32 γ=225 13:13 32,44 0,1036 783,41 46.45 34.3 γ=270 13:23 34,57 0,1063 814,13 44.1 31 γ=315 13:35 38,56 0,1056 913,98 44.1 30 Ρίνακασ 3.4: Αποτελζςματα για τθν περίοδο που αντιςτοιχεί ςτισ μετριςεισ τθσ 21 Δεκεμβρίου Αηιμοφκια Ϊρα P out (W) θ el I r (W/m 2 ) T pv ( ο C) T a ( ο C) γ=0 14:05 37,02 0,1097 844,85 43.15 32.4 γ=45 14:25 42,54 0,1075 990,78 43.55 33 γ=90 14:40 40,43 0,1062 952,38 44.3 32 γ=135 14:52 32,90 0,0998 468,51 39.85 33 γ=180 14:05 18,20 0,0956 476,19 38.15 32.4 γ=225 14:25 28,37 0,1027 691,24 41.15 33 γ=270 14:40 32,90 0,1011 814,13 42.45 32 γ=315 14:52 38,16 0,1072 890,94 44.9 33 3.4 Ραράμετροι ςτοιχείων και I-V καμπφλεσ Για να προχωριςουμε ςε μία εκτίμθςθ των θλεκτρικϊν χαρακτθριςτικϊν ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου, μποροφμε να το παραςτιςουμε με ζνα ιςοδφναμο κφκλωμα που περιγράφει τθ λειτουργία του. Το ιςοδφναμο κφκλωμα που ακολουκεί, καλείται πλιρεσ μοντζλο μίασ διόδου και είναι αυτό που χρθςιμοποιείται τυπικά για τθ μελζτθ των φωτοβολταϊκϊν. 54

Εικόνα 3.5: Το ιςοδφναμο κφκλωμα ενόσ θλιακοφ κυττάρου που περιλαμβάνει μία γεννιτρια ρεφματοσ ςτα αριςτερά θ οποία ςυνδζεται παράλλθλα με μία δίοδο και τθν αντίςταςθ R SH. Θ ςυνολικι αντίςταςθ του κυττάρου, ςυνδζεται ςε ςειρά και παρίςταται από τθν ποςότθτα R S. Κατά τθ μετακίνθςθ των φορζων αγωγιμότθτασ, παρατθρείται μία πτϊςθ τάςθσ από τον θμιαγωγό προσ τισ θλεκτρικζσ επαφζσ. Θ αντίςταςθ R S, αντιπροςωπεφει τθν αντίςταςθ που οφείλεται ςτθν κίνθςθ αυτι. Επίςθσ, θ αντίςταςθ διαμζςου τθσ διόδου δεν είναι άπειρθ, αφοφ λόγω αναπόφευκτων καταςκευαςτικϊν ελαττωμάτων γίνονται διαρροζσ ρεφματοσ. Για το λόγο αυτό, το ιςοδφναμο κφκλωμα περιζχει και τθν παράλλθλθ αντίςταςθ R SH. Συνικωσ, ςτα φωτοβολταϊκά ςτοιχεία του εμπορίου, θ αντίςταςθ R S είναι μικρότερθ των 5 Ω και θ αντίςταςθ R SH είναι μεγαλφτερθ από 500 Ω *40+. Με τθ βοικεια αυτοφ του κυκλϊματοσ, είναι δυνατόσ ο υπολογιςμόσ των χαρακτθριςτικϊν I-V καμπφλων για διάφορα επίπεδα ακτινοβολίασ. Σε μία δίοδο, μπορεί να παραχκεί ρεφμα ςτο ςκοτάδι, χωρίσ να παράγεται κανζνασ φορζασ υπό το φωσ του ιλιου *40]. 55

Εικόνα 3.6: Θ χαρακτθριςτικι καμπφλθ ρεφματοσ-τάςθσ ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου ςτο ςκοτάδι και ςτο φωσ. Θ τάςθ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ V OC και το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ I SC, βρίςκονται ςτα ςθμεία τομισ των αξόνων και θ μζγιςτθ ιςχφσ εξάγεται από τα ςθμεία V MPP και I MPP. Στθν εικόνα 3.6, φαίνονται τζςςερισ ςθμαντικζσ παράμετροι των φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων. Το ρεφμα ςε μθδενικι τάςθ καλείται ρεφμα βραχυκφκλωςθσ I SC, ενϊ θ τάςθ ςε μθδενικό ρεφμα καλείται τάςθ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ V OC. Το ςθμείο όπου θ παραγωγι ιςχφοσ βρίςκεται ςτο μζγιςτο, είναι γνωςτό ωσ το γόνατο τθσ I-V χαρακτθριςτικισ καμπφλθσ, MPP (Maximum Power Point). Οι αντίςτοιχεσ τιμζσ του ρεφματοσ και τθσ τάςθσ φαίνονται ςτθν εικόνα 3.6 και είναι οι ποςότθτεσ I MPP και V MPP. Κατά τθ λειτουργία ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου ςε ςυνκικεσ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ, αποκακίςταται μία ιςορροπία όταν θ τάςθ που αναπτφςςεται ανάμεςα ςτισ δφο όψεισ του, προκαλεί ζνα αντίκετο ρεφμα που αντιςτακμίηει το φωτόρευμα *40]. Θ μεταβολι τθσ τάςθσ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ ςε ςυνάρτθςθ με το φωτορεφμα είναι λογαρικμικι, δθλαδι θ ζνταςθ τθσ ακτινοβολίασ που δζχεται το φωτοβολταϊκό ςτοιχείο. 56

Εικόνα 3.7: Εξάρτθςθ ρεφματοσ βραχυκυκλϊςεωσ I SC και τάςθσ ανοικτοκυκλϊςεωσ V OC από τθν ακτινοβολία Φαίνεται ότι το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ μεταβάλλεται γραμμικά με τθν ακτινοβολία, ενϊ θ τάςθ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ μζνει πρακτικά ςτακερι ςτισ μεταβολζσ τθσ ακτινοβολίασ. Μακθματικά, θ εξάρτθςθ τάςθσ-ακτινοβολίασ είναι λογαρικμικι. Θ I-V καμπφλθ ενόσ θλιακοφ κυττάρου μετατοπίηεται ανάλογα με τισ τιμζσ των χαρακτθριςτικϊν αντιςτάςεων R S και R SH του ιςοδφναμου θλεκτρικοφ κυκλϊματοσ. Μεγάλεσ τιμζσ τθσ R S προκαλοφν μείωςθ του ρεφματοσ ενϊ μικρζσ τιμζσ τθσ R SH αντίςταςθσ μειϊνουν τθν τάςθ. Οι απϊλειεσ λόγω των αντιςτάςεων R S και R SH διαμορφϊνουν τθν χαρακτθριςτικι καμπφλθ με αποτζλεςμα να αλλάηει και το εμβαδόν V MPP *I MPP από το οποίο εξαρτάται ο ςυντελεςτισ ποιότθτασ FF. Ο ςυντελεςτισ FF (Fill Factor), περιγράφει τθν ποιότθτα των φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων. Ορίηεται ωσ ο λόγοσ τθσ μζγιςτθσ θλεκτρικισ ιςχφοσ προσ το γινόμενο τθσ βραχυκυκλωμζνθσ ζνταςθσ και τθσ ανοιχτοκυκλωμζνθσ τάςθσ ενόσ φωτοβολταϊκοφ ςτοιχείου. Στθν εικόνα 3.8, ο FF δίνεται από το λόγο του εμβαδοφ του μζγιςτου ορκογωνίου που μπορεί να εγγραφεί ςτθ χαρακτθριςτικι καμπφλθ I-V του ςτοιχείου ςε ςυνκικεσ ακτινοβόλθςθσ, προσ το εμβαδόν που ορίηεται από τισ τιμζσ I SC και V OC. 57

Εικόνα 3.8: Ρροςδιοριςμόσ του ςυντελεςτι ποιότθτασ FF Οι τρεισ πιο πάνω παράμετροι, δθλαδι το ρεφμα I SC, θ τάςθ V OC και ο FF, είναι τα κυριότερα μεγζκθ για τθν αξιολόγθςθ τθσ ςυμπεριφοράσ και τθσ λειτουργίασ των φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων και κακορίηουν τθν απόδοςθ τουσ. Ο βακμόσ απόδοςθσ ενόσ φωτοβολταϊκοφ, ιςοφται με το λόγο τθσ εξερχόμενθσ θλεκτρικισ ιςχφοσ προσ τθν ειςερχόμενθ ιςχφ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ που προςπίπτει ςτθν επιφάνεια του πλαιςίου (βλζπε ενότθτα 3.2). Ο παρακάτω τφποσ προςδιορίηει τθν ποςότθτα αυτι. P max A I r I V A I MPP r MPP I SC V OC A I FF r όπου P MAX, θ αποδιδόμενθ ιςχφσ (W), I r θ ζνταςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ (W/m 2 ) και Α το εμβαδόν τθσ φωτοβολταϊκισ επιφάνειασ. Από τον τφπο αυτό, διαπιςτϊνουμε πωσ για τθν πραγματοποίθςθ αυξθμζνων αποδόςεων, επιδιϊκεται οι τιμζσ των FF, I SC και V OC να είναι όςο το δυνατόν μεγαλφτερεσ. Στθν εικόνα 3.9, φαίνεται το μζγεκοσ τθσ προςπίπτουςασ ακτινοβολίασ ανάλογα με τισ εποχζσ και για τισ δφο πλευρζσ τθσ ςτζγθσ, αλλά και τθν γωνία με τθν οποία τθν δζχεται θ ςτζγθ. Κατά προςζγγιςθ, θ αναλογία τθσ προςπίπτουςασ θλιακισ ακτινοβολίασ για τισ τρεισ περιπτϊςεισ είναι: 55-45% (καλοκαίρι), 65-35% (φκινόπωρο άνοιξθ), 80-20% (χειμϊνα). 58

Εικόνα 3.9: Ρροςπίπτουςα ακτινοβολία ανά εποχι Στισ εικόνεσ 3.10(α)-(δ), παρατθροφνται οι καμπφλεσ I-V, όπωσ προζκυψαν από τθν πειραματικι διαδικαςία, ςτισ τζςςερισ χαρακτθριςτικζσ χρονικζσ περιόδουσ του ζτουσ, για γωνίεσ γ ίςεσ με 0 ο, 45 ο, 90 ο και 180 ο αντίςτοιχα. Εικόνα 3.10(α): Αναφορά ςτον προςανατολιςμό τθσ επιφάνειασ οροφισ (νότιοσ προςανατολιςμόσ) 59

Εικόνα 3.10(β): Αναφορά ςτον προςανατολιςμό τθσ επιφάνειασ οροφισ (νοτιοδυτικόσ προςανατολιςμόσ) Εικόνα 3.10(γ): Αναφορά ςτον προςανατολιςμό τθσ επιφάνειασ οροφισ (δυτικόσ προςανατολιςμόσ) 60

Εικόνα 3.10(δ): Αναφορά ςτον προςανατολιςμό τθσ επιφάνειασ οροφισ (βορινόσ προςανατολιςμόσ) Είναι λοιπόν φανερό πωσ θ γωνία με τθν οποία δζχεται το φωτοβολταϊκό πανελ τθν θλιακι ακτινοβολία, κα κακορίςει και τθν αποδοτικότερθ χριςθ του. 61

3.5 Συμπεράςματα Εικόνα 3.10: Θ παραγωγι ενζργειασ από τθ χριςθ ενόσ φωτοβολταϊκοφ πάνελ pc-si ςε ςχζςθ με τθν αηιμοφκια γωνία, για τα θλιακά θλιοςτάςια και τθν ιςθμερία. Με μια πρϊτθ ανάλυςθ των αποτελεςμάτων παρουςιάηεται θ ςθμαντικι διαφορά ςε απόδοςθ και παραγόμενθ ιςχφ για τισ αντίκετεσ γωνίεσ γ (135, 180, 225 ). Από τθν άλλθ πλευρά, θ 21θ Δεκεμβρίου (με μπλε) παράγει ςυνολικά λιγότερθ ιςχφ, ςε ςχζςθ με τισ άλλεσ τρεισ περιόδουσ. Βζβαια, δεν μποροφμε να μθν ςθμειϊςουμε πωσ για γωνία γ ςτισ 45 και 315 εμφανίηεται αφξθςθ τθσ ιςχφοσ, κατά τθν περίοδο του χειμϊνα. Επί του ςυνόλου των πειραμάτων χωρίσ επιρροι από τθν γωνία γ, και με μεγάλθ ςτακερότθτα ςτθν απόδοςθ, παρουςιάηεται θ περίοδοσ που αντιςτοιχεί ςτισ μετριςεισ τθσ 21θσ Λουνίου (με κόκκινο). Για τισ ενδιάμεςεσ περιόδουσ, που αντιςτοιχοφν ςτισ μετριςεισ τθσ 21θσ Μαρτίου και 21θσ Σεπτεμβρίου (με πράςινο), παρατθροφμε μικρζσ διακυμάνςεισ ςτθν παραγόμενθ ιςχφ, αλλά καλφτερθ εκμετάλλευςθ τθσ προςπίπτουςασ ακτινοβολία. 62

Θ καλοκαιρινι περίοδοσ ζχει τα περιςςότερα περικϊρια εκμετάλλευςθσ τθσ ενζργειασ, λόγω γωνίασ πρόςπτωςθσ και αποδίδει περιςςότερθ ιςχφ. Θ θλεκτρικι απόδοςθ όμωσ είναι μειωμζνθ, κάτι ςτο οποίο ςυμβάλει και θ κερμοκραςία. Ζτςι, ςτθν περίοδο Άνοιξθ - Φκινόπωρο το φωτοβολταϊκό λειτουργεί καλφτερα, με υψθλότερεσ θλεκτρικζσ αποδόςεισ, αλλά λίγο χαμθλότερθ παραγωγι ρεφματοσ. Τθ χειμερινι περίοδο εκτόσ τθσ μειωμζνθσ ζνταςθσ θλιακισ ακτινοβολίασ που δζχεται το φωτοβολταϊκό, εμφανίηεται και θ απϊλεια ενζργειασ εξαιτίασ των ανακλάςεων. Θ γωνία με τθν οποία προςπίπτει θ θλιακι ακτινοβολία ςτισ αντίκετεσ γωνίεσ (135, 180, 225 ) είναι τζτοια ϊςτε θ ανάκλαςθ που ςυμβαίνει να ελαχιςτοποιεί τθ λιψθ φωτονίων από τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Στθν εικόνα 3.12, παρατθρείται θ παραγωγι ενζργειασ, από τθ χριςθ ενόσ φωτοβολταϊκοφ πάνελ pc-si, ςε ςχζςθ με τθ γωνία πρόςπτωςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ. Εικόνα 3.12: Θ εξάρτθςθ τθσ παραγωγι ενζργειασ από τθ γωνία πρόςπτωςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ Είναι προφανζσ ότι κακϊσ αυξάνεται θ γωνία πρόςπτωςθσ (εικόνα 3.12) μειϊνεται θ παραγόμενθ ιςχφσ. Πμωσ, κακϊσ επιδιϊκεται θ ευρεία χριςθ των θλιακϊν ςυςτθμάτων, για εφαρμογζσ με γωνίεσ πρόςπτωςθσ, από 30 ο μζχρι 60 ο δεν είναι απαγορευτικι θ χριςθ τουσ, αφοφ για τισ 60 ο θ παραγόμενθ ιςχφσ είναι πάνω από το 50% ςε ιδανικζσ ςυνκικεσ. 63

Κακϊσ όμωσ θ εγκατάςταςθ λειτουργεί ςε ετιςια βάςθ και επειδι θ επίτευξθ του ςτόχου για zero-energy Building, απαιτεί και τθν παραγωγι ενζργειασ που κα καλφπτει τισ ανάγκεσ και για τθν δφςκολθ περίοδο του χειμϊνα, κα πρζπει να αναηθτθκεί μια λφςθ που να ςτοχεφει ςτθν πιο ομαλι παραγωγι θλεκτρικοφ ρεφματοσ ςε όλεσ τισ εποχζσ του χρόνου. Αφοφ δεν γίνεται να προςτεκεί επιπλζον ποςότθτα θλιακισ ακτινοβολίασ, ο ςτόχοσ που προκφπτει είναι να βελτιωκεί ο τρόποσ που εκμεταλλεφεται το φωτοβολταϊκό πάνελ τθν θλιακι ακτινοβολία, όταν θ γωνία πρόςπτωςθσ είναι μεγάλθ. Ουςιαςτικά, το επόμενο ςτάδιο είναι θ μείωςθ τθσ ανάκλαςθσ για μεγάλεσ γωνίεσ πρόςπτωςθσ. Ζνασ τρόποσ για τθν επίτευξθ αυτοφ είναι οι μετατροπζσ τθσ μικροδομισ τθσ επιφάνειασ του φωτοβολταϊκοφ, όπου και αναλφεται ςτθν παροφςα εργαςία. Μία από τισ νζεσ κατευκφνςεισ ςτα φωτοβολταϊκά, που αφορά τθν βελτίωςθ τθσ οπτικισ απόδοςισ τουσ, ςχετίηεται με νανοδομζσ. Υπάρχουν διάφοροι τφποι των νανοδομϊν, που κατθγοριοποιοφνται ανάλογα με τθ γεωμετρία τουσ, τθ μορφι, τισ διαςτάςεισ, τθν περιοδικότθτα, οπτικζσ ιδιότθτεσ, κλπ. Αυτζσ οι νανοδομζσ επθρεάηουν τθν απορρόφθςθ τθσ θλιακισ ενζργειασ από τα φωτοβολταϊκά κφτταρα, ανάλογα με το μικοσ κφματοσ και τθν γωνία πρόςπτωςθσ, για να επιτφχουν υψθλότερθ απόδοςθ. Ρροσ τθν κατεφκυνςθ αυτι, οι διαφορετικζσ παράμετροι που επθρεάηουν τθν οπτικι απορρόφθςθ εξετάςτθκαν ςτθν παροφςα εργαςία. Μια ποικιλία μεκόδων νανοκλίμακασ, για παγίδευςθ του φωτόσ είναι υπό ζρευνα, ςυμπεριλαμβανομζνων των φωτονικϊν κρυςτάλλων, πλαςμονικϊν νανοδομϊν, νανοςυρμάτων, και ςχαρϊν. Οι νανοδομζσ μπορεί να είναι μεταλλικζσ, διθλεκτρικζσ, ι ζνα τμιμα του ίδιου του θμιαγωγοφ. Μια ποικιλία ςυςτθμάτων ενςωμάτωςθσ υφίςτανται, ςυμπεριλαμβανομζνθσ τθσ ενςωμάτωςθσ των νανοδομϊν ςτισ επαφζσ ι ςτισ αντιανακλαςτικζσ επιςτρϊςεισ, με εναπόκεςθ πάνω ςτισ υφιςτάμενεσ ςτρϊςεισ, ι με ενςωμάτωςθ μζςα ςτθν ενεργό περιοχι. Θ θλεκτρομαγνθτικι μοντελοποίθςθ ζχει γίνει ζνα ςθμαντικό εργαλείο για τθ βελτιςτοποίθςθ του ςχιματοσ και τθσ διάταξθσ των νανοδομϊν με ςτόχο τθν ενίςχυςθ τθσ απορρόφθςθσ. Μια ποικιλία από υπολογιςτικζσ τεχνικζσ και τεχνικζσ προςομοίωςθσ ζχουν 64

χρθςιμοποιθκεί, όπωσ θ μζκοδοσ των πεπεραςμζνων ςτοιχείων, θ «finite difference time domain» μζκοδοσ (FDTD), θ «rigorous coupled wave analysis» (RCWA), οι μζκοδοι των πινάκων μεταφοράσ, θ διακριτι προςζγγιςθ δίπολου «discrete dipole approximation» και άλλεσ θμι-εμπειρικζσ μζκοδοι. [41] 65

ΚΕΦΑΛΑΚΟ 4: Υπολογιςτικι Μελζτθ 4.1 Ειςαγωγι Στο κεφάλαιο 4, παρακζτονται αποτελζςματα προςομοιϊςεων τθσ θλιακισ απορρόφθςθσ ςε διςκία (wafers) πολυκρυςταλλικοφ πυριτίου (pc-si), με μεταλλικζσ οπιςκοεπαφζσ από αςιμι (Ag) κακϊσ και οριςμζνεσ περιπτϊςεισ με οπιςκοεπαφζσ από Ag/Al 2 O 3. Ράνω ς αυτά τα διςκία προςτίκενται αντιανακλαςτικά υπερκείμενα ςτρϊματα από νιτρίδιο του πυριτίου (Si 3 N 4 ) και διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). Οι δομζσ που εξετάςτθκαν περιλάμβαναν περιοδικζσ κακϊσ και τυχαία διατεταγμζνεσ μικροδομζσ ι/και νανοδομζσ ςτθν επιφάνειά τουσ, όπωσ οπζσ, κολόνεσ, και πυραμίδεσ. Επιπρόςκετα διερευνικθκαν και μερικζσ περιπτϊςεισ με μικροςφαιρίδια πολυςτυρενίου ςτθν επιφάνεια των διςκίων κακϊσ και αρκετζσ περιπτϊςεισ με μικροδομζσ ςτθν μεταλλικι οπιςκοεπαφι, μζςω των οποίων βελτιϊνεται δραςτικά θ απορρόφθςθ ςτα μεγαλφτερα μικθ κφματοσ. Στθν πλειοψθφία τουσ οι μικροδομζσ αυτζσ χαρακτθρίηονταν από κυκλικζσ διατομζσ, ενϊ εξετάςτθκαν και οριςμζνεσ μικροδομζσ με τετραγωνικζσ διατομζσ χωρίσ ωςτόςο να παρατθρθκοφν ουςιαςτικζσ διαφορζσ. Ρροθγοφμενεσ μελζτεσ βαςιςμζνεσ κυρίωσ ςε φωτοβολταϊκά (φβ) λεπτοφ ςτρϊματοσ πυριτίου - τθσ τάξεωσ του 1 μικρομζτρου, δείχνουν ότι μπορεί να αυξθκεί ςθμαντικά θ απορρόφθςθ τθσ θλεκτρομαγνθτικισ ακτινοβολίασ λαμβάνοντασ υπόψθ: τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ [42-44], τθ δθμιουργία μικροδομϊν ςτθν επιφάνεια του πυριτίου [45,46], κακϊσ και τθ δθμιουργία περιοδικϊν δομϊν τθσ τάξεωσ του ενόσ μικροφ ςτθν μεταλλικι οπιςκοεπαφι, [41,47]. Ραρόμοιεσ δομζσ ζχουν κατατεκεί ςε διπλϊματα ευρεςιτεχνίασ των ΘΡΑ *48]. Το αντικείμενο τθσ παροφςασ εργαςίασ, όπωσ προαναφζρκθκε, είναι διςκία πυριτίου (Si) με μεταλλικζσ οπιςκοεπαφζσ και αντιανακλαςτικά υπερκείμενα ςτρϊματα από νιτρίδιο του πυριτίου και διοξείδιο του πυριτίου, με περιοδικζσ δομζσ τθσ τάξθσ των νανομζτρων ι/και μικρoμζτρων ςτθν επιφάνεια των διςκίων, είτε ςτθν διεπιφάνεια που ορίηεται μεταξφ του μετάλλου και του Si, προσ τθν βελτίωςθ τθσ απορρόφθςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ, για όλεσ γωνίεσ πρόςπτωςθσ (ανά 5 ο ) και κυρίωσ για τισ μεγάλεσ γωνίεσ, άνω των 60 ο. 66

Θ μζκοδοσ που χρθςιμοποιικθκε ιταν θ rigorous coupled-wave analysis (RCWA) [49,50+, ςτο υπολογιςτικό πακζτο MATLAB [51]. 4.2 Μζκοδοσ RCWA Θ μζκοδοσ RCWA [49,50+ αποτελεί μια θμι-αναλυτικι μζκοδο τθσ υπολογιςτικισ θλεκτρομαγνθτικισ θ οποία εφαρμόηεται προσ τθν επίλυςθ προβλθμάτων διάχυςθσ ςε περιοδικζσ διθλεκτρικζσ δομζσ. Στθν μζκοδο αυτι γίνεται χριςθ του χϊρου Φουριζ οπότε θ εκάςτοτε δομι αναπαριςτάται ωσ ακροίςματα χωρικϊν αρμονικϊν. Οι δομζσ χωρίηονται ςε ςτρϊςεισ ομοιογενείσ κατά τον κατακόρυφο άξονα, ενϊ προκειμζνου να προςομοιωκοφν δομζσ διαφόρων καμπυλοτιτων χρθςιμοποιείται θ προςζγγιςθ των ςκαλοπατιϊν (staircase approximation). Θ επίλυςθ του προβλιματοσ ςυντελείται μζςω τθσ αντιςτοίχθςθσ των ςυνοριακϊν ςυνκθκϊν μεταξφ των ςτρϊςεων, χρθςιμοποιϊντασ τεχνικζσ όπωσ αυτι των πινάκων διαςποράσ (scattering matrixes). Ρροκειμζνου να προςδιοριςτεί θ διάδοςθ των θλεκτρομαγνθτικϊν κυμάτων ςε περιοδικά διθλεκτρικά μζςα, θ οποία εξαρτάται από το κυματάνυςμα του προςπίπτοντοσ επιπζδου κφματοσ, οι εξιςϊςεισ του Maxwell αλλά και οι ςυνοριακζσ ςυνκικεσ αναπτφςςονται ςε ςυναρτιςεισ Floquet με αποτζλεςμα να προκφπτουν αναπτφγματα με άπειρουσ όρουσ. Ζτςι, παραλείποντασ όρουσ μεγαλφτερων τάξεων (λαμβάνοντασ υπόψθ τθν ακρίβεια και τθν ςφγκλιςθ που απαιτείται για τθν κάκε εφαρμογι), οι εξιςϊςεισ γίνονται πεπεραςμζνεσ, οπότε και μποροφν να επιλυκοφν υπολογιςτικά. Εικόνα 4.1: Θ γεωμετρία του προβλιματοσ τθσ ςκζδαςθσ ςε μεταλλικά υλικά με επιφανειακά ορκογϊνια ανάγλυφα. 67

Στθν εικόνα 4.1, αναπαριςτάται ςχθματικά το πρόβλθμα ςκζδαςθσ θλεκτρομαγνθτικισ ακτινοβολίασ ςε ανάγλυφα μεταλλικά υλικά. Το θλεκτρικό πεδίο ςτισ περιοχζσ Λ, ΛΛ και ΛΛΛ τθσ εικόνασ 4.1 δίνεται από τισ παρακάτω εξιςϊςεισ *49]: Ππου, k xi = k x0 -ik (K=2π/Λ) Από τισ ςυνοριακζσ ςυνκικεσ των εφαπτόμενων των E και H ςτα ςθμεία z=0 και z=d, επιλφεται ζνασ 2Nx2Ν πίνακασ, όπου το N ιςοφται με τθν μζγιςτθ τιμι του ςτα παραπάνω ακροίςματα. Με τθν αφξθςθ του αρικμοφ ελευκζρων κυμάτων (Ν) θ ςφγκλιςθ βελτιϊνεται, ωςτόςο το υπολογιςτικό κόςτοσ (CPU και memory) αυξάνεται ραγδαία. Τα μζταλλα χρειάηονται ~2-3 φορζσ μεγαλφτερο Ν προκειμζνου να ςυγκλίνουν. Στθν περίπτωςι μασ υπολογίςτθκαν τα φάςματα απορρόφθςθσ τθσ θλεκτρομαγνθτικισ ακτινοβολίασ ςε όλο τον όγκο του υλικοφ για μικθ κφματοσ (λ) από 0.3 1.117 μm (1.11 ev, το ενεργειακό διάκενο του Si ςε κερμοκραςία T=300K). Ρροκειμζνου να ποςοτικοποιθκοφν τα διαγράμματα απορρόφθςθσ ζγινε χριςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ, όπωσ υπολογίηεται από τθν παρακάτω εξίςωςθ: Ππου, abs λ θ ςυνάρτθςθ απορρόφθςθσ και AM1.5 λ το φάςμα τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ για air mass = 1.5 [52]. (1) 68

Οι διθλεκτρικζσ ςτακερζσ των Si, Si 3 N 4, SiO 2, Al 2 O 3, PS και του μετάλλου (Ag) ειςιχκθκαν από τθν βιβλιογραφία *53-58]. Ραρόλα αυτά, και λόγω του ότι θ απορρόφθςθ υπολογίηεται ςε όλο τον όγκο τθσ δομισ, το φανταςτικό μζτρο τθσ διθλεκτρικισ ςτακεράσ του Ag τθσ οπιςκοεπαφισ εξιςϊκθκε με το μθδζν προκειμζνου να μθδενιςτεί θ απορρόφθςθ από αυτό, κακϊσ δεν ςυντελεί ςτθν βελτίωςθ τθσ ωφζλιμθσ απορρόφθςθσ. 4.3 Σχεδίαςθ των μικροδομϊν Στθν εικόνα 4.2 αναπαριςτϊνται ςχθματικά οι παράμετροι των μικροδομϊν που μελετικθκαν ςτισ επιφάνειεσ των διςκίων Si. Οι βαςικζσ παράμετροι που εξετάςτθκαν ιταν θ απόςταςθ μεταξφ των μικροδομϊν (a, Lattice Periodicity), θ διάμετρόσ τουσ (D), το φψοσ των κολονακίων (Pillar Height) είτε το βάκοσ των οπϊν (Hole Depth), τα πάχθ των διαφόρων ςτρωμάτων, όπωσ τα Si 3 N 4 και SiO 2, κακϊσ και θ γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ δζςμθσ. Σε όλεσ τισ περιπτϊςεισ, τα διςκία περιλάμβαναν ζνα ςτρϊμα Si πάχουσ 150 μm κακϊσ και ζνα ςτρϊμα από αςιμι (οπιςκοεπαφι) πάχουσ 1 μm. 69

Εικόνα 4.2: Σχθματικι αναπαράςταςθ των παραμζτρων των επιφανειακϊν νανοδομϊν που μελετικθκαν: (α) Μια τομι ενόσ διςκίου με κολονάκια ςτο ςτρϊμα του Si3N4, (β) Ρροοπτικι οπτικοποίθςθ τθσ επιφάνειασ ενόσ μορφοποιθμζνου διςκίου, (γ) Αναπαράςταςθ τθσ γωνίασ πρόςπτωςθσ και τθσ πόλωςθσ του φωτόσ πάνω ςε μια μικροδομι, (δ) Μικροδομζσ τφπου οπϊν, κολονακίων και πυραμίδασ, (ε) Αναπαράςταςθ τθσ επιφάνειασ ενόσ διςκίου με περιοδικι και τοπικά απεριοδικι διάταξθ των μικροδομϊν. 4.4 Αποτελζςματα για διςκία με λείεσ επιφάνειεσ 4.4.1 Διςκία από Si Στο πρϊτο ςτάδιο εξετάςτθκε θ απορρόφθςθ ςε δομζσ οι οποίεσ περιλάμβαναν αποκλειςτικά Si και Ag, όπωσ αναπαριςτϊνται ςτθν εικόνα 4.3 (για μθδενικά πάχθ των Si 3 N και SiO 2 ). Εικόνα 4.3: Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου με Si/Si 3 N 4 /SiO 2 και οπιςκοεπαφι από αςιμι Ag. Το φάςμα απορρόφθςθσ του Si ςτθν εικόνα 4.4(α) (μαφρθ γραμμι) εμφανίηει μζγιςτθ απορρόφθςθ για μικθ κφματοσ λ 0.9 μm, ενϊ για μικθ κφματοσ μεγαλφτερα του ενεργειακοφ χάςματοσ του Si (1.117 μm για T=300K) θ απορρόφθςθ λαμβάνει πολφ χαμθλζσ τιμζσ. Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ του φάςματοσ απορρόφθςθσ του Si υπολογίςτθκε από τθν ςχζςθ(1) ςε α=60%. 70

(α) (β) Εικόνα 4.4: (α) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si (μαφρθ γραμμι) και ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 (ερυκρζσ κουκίδεσ). (β) Διάγραμμα (πίνακα 4.1): Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. Ζπειτα εξετάςτθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του Si από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ. Ππωσ φαίνεται και ςτθν εικόνα 4.4(β), για 71

γωνίεσ 0-60, θ απορρόφθςθ δεν φαίνεται να μεταβάλλεται, ενϊ για μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 70 ελαττϊνεται, μζχρι που μθδενίηεται ςτθν περίπτωςθ τθσ κάκετθσ πρόςπτωςθσ (90 ο ). Αναλυτικότερα, ςτον πίνακα 4.1 παρουςιάηεται θ γωνία πρόςπτωςθσ τθσ ακτινοβολίασ ανά 5 ο και παρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=59.7%, ςτισ 55 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α=60.2%, ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 70 ο και 80 ο, ςε α=57.9% και 51.8%, αντίςτοιχα. Ρίνακασ 4.1: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. Εικόνα 4.5: Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 55 ο με α=60.2%. 72

4.4.2 Διςκία Si με υπερκείμενα ςτρϊματα Si 3 N 4 /SiO 2 Εικόνα 4.6: Εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ (α) από το πάχουσ του ςτρϊματοσ Si 3 N 4 για διςκία Si/Si 3 N 4. Στθν εικόνα 4.6 απεικονίηεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ α από το πάχοσ του υπερκείμενου ςτρϊματοσ Si 3 N 4 (όπωσ φαίνεται ςτθ εικόνα 4.3 για μθδενικά πάχθ του SiO 2 ) για διςκία από Si και Si 3 N 4. Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ παρουςιάηει μζγιςτθ τιμι ίςθ με α=83% για πάχθ του Si 3 N 4 ίςα με 0.076 μm, ενϊ για μεγαλφτερα πάχθ παρουςιάηει αυξομειϊςεισ κοντά ςτθν τιμι α=73%. Θ δομι αυτι κα κεωρθκεί ωσ πρότυπθ, και ο μζγιςτοσ δείκτθσ απορρόφθςθσ: κα χρθςιμοποιθκεί ωσ μζτρο ςφγκριςθσ με τουσ δείκτεσ απορρόφθςθσ των δομϊν που κα αναλυκοφν ςτθν ςυνζχεια. Το φάςμα απορρόφθςθσ για το βζλτιςτο πάχοσ του Si 3 N 4 αναπαριςτάται ςτθν εικόνα 4.4(α) (ερυκρζσ κουκίδεσ). Ρροςκζτοντασ επιπλζον ςτρϊματα SiO 2 θ απορρόφθςθ μπορεί να αυξθκεί περαιτζρω. Στον πίνακα 4.2 αναγράφεται ο δείκτθσ απορρόφθςθσ για διςκία Si με 73

υπερκείμενα ςτρϊματα Si 3 N 4 /SiO 2 ςυναρτιςει του πάχουσ των ςτρωμάτων αυτϊν. Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ παρουςιάηει μζγιςτο για πάχθ των Si 3 N 4 και SiO 2 ίςα με 0.06 μm και 0.07 μm αντίςτοιχα και λαμβάνει τθν τιμι α max =84.8% (+1.8% αφξθςθ από τθν βζλτιςτθ περίπτωςθ που υπάρχει μόνο Si 3 N 4 ). Ρίνακασ 4.2: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τα πάχθ των υπερκείμενων ςτρωμάτων Si 3 N 4 και SiO 2. Ζπειτα εξετάςτθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του διςκίου Si / Si 3 N 4 / SiO 2 από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτον πίνακα 4.3 και ςτθν εικόνα 4.7(α). Στθν εικόνα 4.7(β) παρουςιάηεται το φάςμα απορρόφθςθσ τθσ καλφτερθσ περίπτωςθσ, λαμβάνοντασ υπόψθ και τθν γωνία πρόςπτωςθσ. Ραρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=84.8%, ςτισ 10 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =85.3% (+2.3% από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=81%, 72.5% και 53%, αντίςτοιχα. 74

Ρίνακασ 4.3: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 /SiO 2. (α) (β) Εικόνα 4.7: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 /SiO 2 (με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι) και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 /SiO 2, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 10 ο, με α=85.3%. 75

4.4.3 Διςκία με ςτρϊμα Al 2 O 3 μεταξφ του Si και τθσ οπιςκοεπαφισ Στα πλαίςια των επίπεδο διςκίων εξετάςτθκαν και οριςμζνεσ περιπτϊςεισ ςτισ οποίεσ μεταξφ του ςτρϊματοσ Si/Si 3 N 4 και τθσ οπιςκοεπαφισ Ag περιλαμβάνεται και ζνα λεπτό ςτρϊμα Al 2 O 3. Στον πίνακα 4.4 αναγράφονται οι τιμζσ του δείκτθ απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με ςτρϊμα Al 2 O 3 μεταξφ του Si και του Ag, ςυναρτιςει του πάχουσ των Si 3 N 4 και Al 2 O 3. Από τουσ υπολογιςμοφσ αυτοφσ φαίνεται ότι τα ςτρϊματα Al 2 O 3 δεν επιφζρουν ουςιαςτικζσ αλλαγζσ ςτον δείκτθ απορρόφθςθσ τθσ δομισ. Αναλυτικότερα, κατά τθν αφξθςθ του πάχουσ του Al 2 O 3 από 0 0.1 μm ο δείκτθσ απορρόφθςθσ φκίνει ελάχιςτα και παρουςιάηει μεταβολζσ τθσ τάξθσ των 0.1-0.8%. Ρίνακασ 4.4: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τα πάχθ των ςτρωμάτων Si 3 N 4 και Al 2 O 3 76

4.5 Αποτελζςματα για διςκία με επιφανειακζσ μικροδομζσ οι οποίεσ δεν επθρεάηουν το ςτρϊμα του Si Στο κεφάλαιο αυτό κα ςυηθτθκοφν αποτελζςματα για διςκία Si/Si 3 N 4 /SiO 2 με επιφανειακζσ μικροδομζσ οι οποίεσ δεν επθρεάηουν το ςτρϊμα του Si. 4.5.1 Διςκία με κολόνεσ ςτο ςτρϊμα του Si 3 N 4 Στθν εικόνα 4.8 αναπαριςτάται ςχθματικά μια τομι ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με επιφανειακζσ μικροδομζσ ςτο ςτρϊμα του Si 3 N 4. Εικόνα 4.8: Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με μικροδομζσ τφπου κολονακίων ςτο ςτρϊμα του Si 3 N 4. Οι παράμετροι που μελετικθκαν ιταν το πάχοσ του Si 3 N 4 (Si 3 N 4 ), το φψοσ των κολόνων (Si 3 N 4 -Pillar), θ ςτακερά περιοδικότθτασ (a) και οι διάμετροι των κολονακίων (D), οι οποίεσ ςυηθτικθκαν ςτθν ενότθτα 3. Στον πίνακα 4.5 αναπαρίςταται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το πάχοσ του Si 3 N 4 και του φψουσ των κολονακίων, για ςτακερά a=0.4μm και D/a=0.6. Με βάςθ τουσ υπολογιςμοφσ αυτοφσ θ βζλτιςτεσ τιμζσ του δείκτθ απορρόφθςθσ είναι τθσ τάξθσ των α=85.9% και είναι ςυγκεντρωμζνεσ ςτθν διαγϊνιο του 77

πίνακα 4.5, όπου θ διαφορά του πάχουσ του ςτρϊματοσ Si 3 N 4 με το φψοσ των κολονακίων είναι περίπου ίςθ με 0.06-0.08 μm. Στον πίνακα 4.6 παρουςιάηεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τα a και D/a για ςτακερζσ τιμζσ του πάχουσ του Si 3 N 4 και του φψουσ των κολονακίων, ίςεσ με 0.23 μm και 0.15 μm αντίςτοιχα. Οι βζλτιςτεσ τιμζσ των a και D/a εντοπίηονται ςτισ περιοχζσ (a,d/a) (0.35 μm, 0.55) και (a,d/a) (0.60 μm, 0.70) με μζγιςτθ τιμι του δείκτθ απορρόφθςθσ ςτα 86.2% (+3.2% αφξθςθ από τθν α reff ). Κα πρζπει εδϊ να ςθμειωκεί ότι ςτισ περιπτϊςεισ των πινάκων 4.5 και 4.6 ζγιναν και άλλεσ προςομοιϊςεισ με χαμθλότερθ ωςτόςο ακρίβεια χωρίσ ωςτόςο να παρατθρθκεί κάποια βελτίωςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ. Επίςθσ εκτόσ των περιπτϊςεων με κυκλικζσ διατομζσ εξετάςτθκαν και περιπτϊςεισ με τετραγωνικζσ διατομζσ των κολονακίων, εμφανίηονται ωςτόςο παραπλιςια ςυμπεριφορά. Ρίνακασ 4.5: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει του πάχουσ του Si 3 N 4 (Si 3 N 4 -Layer) και του φψουσ των κολόνων (Si 3 N 4 -Pillars) για ςτακερά a=0.4μm και D/a=0.6. 78

Ρίνακασ 4.6: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει των a και D/a για ςτακερά Si 3 N 4 -Layer =0.23 μm και Si 3 N 4 -Pillar =0.15 μm. Στθν εικόνα 4.9 παρουςιάηεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ςε μια δομι με (Si 3 N 4 -Layer, Si 3 N 4 -Pillar, a, D/a) = (0.23μm, 0.15μm, 0.35μm, 0.55). Για γωνίεσ πρόςπτωςθσ από 0-45 θ δείκτθσ απορρόφθςθσ φαίνεται να παραμζνει ςτακερόσ ενϊ για μεγαλφτερεσ γωνίεσ αρχίηει να φκίνει μζχρι που μθδενίηεται ςτθν περίπτωςθ τθσ κάκετθσ πρόςπτωςθσ. Αναλυτικότερα, ςτον πίνακα 4.7 παρουςιάηεται θ γωνία πρόςπτωςθσ τθσ ακτινοβολίασ ανά 5 ο και παρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=86.2%, ςτισ 10 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =86.5% (+3.5% αφξθςθ από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=83.4%, 76.2% και 58.4%, αντίςτοιχα. 79

Ρίνακασ 4.7: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 -Pillars, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (α) (β) Εικόνα 4.9: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 -Pillars (με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι) και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 -Pillars, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 10 ο, με α=86.5%. 80

Στθν εικόνα 4.10 αναπαρίςταται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει τθσ τοπικισ διατάραξθσ από τθν περιοδικότθτα (disorder) των μικροδομϊν. Πταν το disorder ιςοφται με το μθδζν, οι δομζσ είναι περιοδικά διατεταγμζνεσ, ενϊ όταν ιςοφται με τθν μονάδα οι μικροδομζσ μποροφν να μετακινθκοφν τυχαία ζωσ και κατά το ζνα τζταρτο τθσ ςτακεράσ περιοδικότθτασ. Με βάςθ το διάγραμμα τθσ εικόνασ 4.10, μικρζσ διαταραχζσ από τθν περιοδικότθτα φαίνονται να ελαττϊνουν ελάχιςτα τθν απορρόφθςθ των διςκίων Si/Si 3 N 4 με επιφανειακζσ μικροκολόνεσ. Συγκεκριμζνα για disorder = 0.8 ο δείκτθσ απορρόφθςθσ μεταβάλλεται από 86.2% ςε 86.0±0.01%, με το ςφάλμα να αντιςτοιχεί ςτθν μζςθ απόκλιςθ από τθν μζςθ τιμι από δζκα προςομοιϊςεισ με διαφορετικζσ τυχαίεσ μετατοπίςεισ. Κα πρζπει επίςθσ να ςθμειωκεί ότι για Disorder>0.8, οι μικροδομζσ μπορεί να εμφάνιηαν αλλθλοεπικαλφψεισ κακϊσ θ διάμετροσ είναι μεγαλφτερθ από το ιμιςυ τθσ ςτακεράσ περιοδικότθτασ. Εικόνα 4.10: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει τθσ διατάραξθσ τθσ περιοδικότθτασ (disorder) των μικροδομϊν. Πταν το disorder ιςοφται με τθν μονάδα οι μικροδομζσ μποροφν να μετατοπιςτοφν τυχαία ζωσ και a/4, όπου a θ ςτακερά περιοδικότθτασ. Σε όλεσ τισ περιπτϊςεισ οι παράμετροι Si 3 N 4 -Layer, Si 3 N 4 -Pillar, a και D/a ιςοφνται αντίςτοιχα με = 0.23μm, 0.15μm, 0.35μm και 0.55. 4.5.2 Διςκία με τρφπεσ ςτο ςτρϊμα του Si 3 N 4 Στθν εικόνα 4.11 αναπαρίςταται ςχθματικά θ τομι ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με επιφανειακζσ μικροδομζσ τφπου οπϊν. Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το πάχοσ του Si 3 N 4 και το βάκοσ των οπϊν (Si 3 N 4 -Holes) είναι παρόμοια με αυτιν των κολονακίων που ςυηθτικθκε ςτθν προθγοφμενθ υποενότθτα. Θ βζλτιςτεσ τιμζσ τθσ απορρόφθςθσ είναι 81

τθσ τάξθσ των 84.9% (+2.9% αφξθςθ από τθν α reff ) και είναι ςυγκεντρωμζνεσ ςτθν διαγϊνιο του πίνακα 4.8, όπου θ διαφορά των Si 3 N 4 -Layer και Si 3 N 4 -Holes ιςοφται με 0.06-0.07 μm. Εικόνα 4.11: Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με μικροδομζσ τφπου όπωσ ςτο ςτρϊμα του Si 3 N 4. Στον πίνακα 4.9 αναγράφεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τα a και D/a για ςτακερά πάχθ του Si 3 N 4 και βάκθ των οπϊν. Με βάςθ τον πίνακα αυτό ο δείκτθσ απορρόφθςθσ παρουςιάηει μζγιςτο για a=0.3μm και a=0.8μm και για μεγάλο λόγο D/a (ίςο με 0.9). Πςο αυξάνει ο λόγοσ D/a τόςο περιςςότερο πλθςιάηουν οι οπζσ μεταξφ τουσ. Πταν οι οπζσ βρεκοφν πολφ κοντά και αρχίηουν να αλλθλεπικαλφπτονται (D/a 1) τότε προςεγγίηουν τθν περίπτωςθ των κολονακίων (χωρίσ ωςτόςο να ζχουν κυκλικι διατομι). Ζτςι, οι οπζσ φαίνονται να εμφανίηουν χειρότερθ ςυμπεριφορά από τα κολονάκια με τθν μζγιςτθ μετροφμενθ του δείκτθ απορρόφθςθσ ςτα a max =84.9% (+1.9% αφξθςθ από τθν α reff ). 82

Ρίνακασ 4.8: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει του πάχουσ του Si 3 N 4 (Si 3 N 4 -Layer) και του βάκουσ των οπϊν (Si 3 N 4 -Holes) για ςτακερά a=0.8μm και D/a=0.9. Ρίνακασ 4.9: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει των a και D/a για ςτακερά Si 3 N 4 -Layer =0.23 μm και Si 3 N 4 -Hole =0.15 μm. Ζπειτα εξετάςτθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του διςκίου Si/Si 3 N 4 -Holes από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτον πίνακα 4.10 και ςτθν εικόνα 4.12(α). Ραρατθρείται μεταξφ των 0 ο και 5 ο ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α max =84.9% (+1.9% αφξθςθ από τθν α reff ), όπου και παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ (το φάςμα απορρόφθςθσ τθσ οποίασ απεικονίηεται ςτθν εικόνα 4.12(β)), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=81%, 74.4% και 57%, αντίςτοιχα. 83

Ρίνακασ 4.10: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 -Holes, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (β) (α) Εικόνα 4.12: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 -Holes (με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι) και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 -Holes, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ μεταξφ των 0 ο και των 5 ο, με α=84.9%. 84

4.5.3 Διςκία με πυραμίδεσ ςτο ςτρϊμα του Si 3 N 4 Εκτόσ των κολονακίων και των οπϊν εξετάςτθκαν και οριςμζνεσ περιπτϊςεισ με μικροδομζσ τφπου πυραμίδασ ςτθν επιφάνεια του Si/Si 3 N 4. Μζςα από διάφορεσ δοκιμζσ βρζκθκε ότι προκειμζνου να υπάρχει ςφγκλιςθ ςτθν τιμι του δείκτθ απορρόφθςθσ για πάχθ μζχρι και 30 μm, ο βζλτιςτοσ αρικμόσ ςκαλοπατιϊν τθσ πυραμίδασ, είναι επτά ςκαλοπάτια. Θ ςυμπεριφορά των πυραμίδων φαίνεται να είναι παρόμοια με αυτι των κολονακίων (υποενότθτα 4.5.1). Οι βζλτιςτεσ τιμζσ του δείκτθ απορρόφθςθσ είναι τθσ τάξθσ των 87.7% (+3.7% αφξθςθ από τθν α reff ) και είναι ςυγκεντρωμζνεσ ςτθν διαγϊνιο του πίνακα 4.11 για Si 3 N 4 -Layer Pyramid-Height 0.27 μm. Εικόνα 4.13: Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με μικροδομζσ τφπου πυραμίδων ςτο ςτρϊμα του Si 3 N 4. Με βάςθ τον πίνακα 4.12 οι βζλτιςτεσ τιμζσ των a και D/a είναι ςτα 0.6 μm και 0.7 αντίςτοιχα. Ο μζγιςτοσ δείκτθσ απορρόφθςθσ των μικροδομϊν τφπου πυραμίδασ είναι ελαφρϊσ καλφτεροσ από τθν περίπτωςθ των κολονακίων (87.7% ζναντι των 86.2%, ςτισ 0 ο ). Κα πρζπει να ςθμειωκεί ότι διεξιχκθκαν αρκετζσ ακόμα προςομοιϊςεισ χαμθλότερθσ ακρίβειασ χωρίσ ωςτόςο να παρατθρθκεί κάποια βελτίωςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ. 85

Ρίνακασ 4.11: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει του πάχουσ του Si 3 N 4 (Si 3 N 4 -Layer) και του φψουσ των πυραμίδων (Pyr-Height) για ςτακερά a=0.6μm και D/a=0.7. Ρίνακασ 4.12: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει των a και D/a για ςτακερά Si 3 N 4 -Layer =0.33 μm και Pyr-Height =0.27 μm. Ζπειτα, εξετάςτθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του διςκίου Si/Si 3 N 4 - Pyramid από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτον πίνακα 4.13 και ςτθν εικόνα 4.13(α). Το φάςμα απορρόφθςθσ τθσ καλφτερθσ περίπτωςθσ απεικονίηεται ςτθν εικόνα 4.13(β). Ραρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=87.7%, ςτισ 5 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =87.8% (+4.8% αφξθςθ από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=80.5%, 71.1% και 52%, αντίςτοιχα. 86

Ρίνακασ 4.13: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 -Pyramid, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (β) (α) Εικόνα 4.13: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 -Pyramid (με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι) και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 -Pyramid, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 5 ο, με α=87.8%. 87

4.5.4 Διςκία με κολόνεσ ςτα ςτρϊματα του Si 3 N 4 και SiO 2 Στθν υποενότθτα αυτι αναφζρονται αποτελζςματα του δείκτθ απορρόφθςθσ ςε διςκία Si με επιφανειακζσ μικροδομζσ ςτα υπερκείμενα ςτρϊματα Si 3 N 4 /SiO 2, όπωσ αναπαρίςταται και ςχθματικά ςτθν εικόνα 4.14. Εικόνα 4.14. Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με μικροδομζσ τφπου κολονακίων ςτα ςτρϊματα των Si 3 N 4 και SiO 2. Ρροκειμζνου να βελτιωκεί θ προςζγγιςθ των δομϊν αυτϊν, τα κολονάκια περιβάλλονταν από ζνα λεπτό ςτρϊμα SiO 2 (SiO 2 Side) το πάχοσ του οποίου είναι ανάλογο του πάχουσ του υπερκείμενου ςτρϊματοσ SiO 2 (SiO 2 -Layer). Ο λόγοσ SiO 2 -Layer/SiO 2 -Side ελζγχκθκε για τιμζσ του από 0 ζωσ 1 και βρζκθκε ότι δεν επιδρά ςθμαντικά ςτθν τιμι του δείκτθ απορρόφθςθσ, οπότε το SiO 2 -Side τζκθκε να είναι το μιςό του SiO 2 -Layer. 88

Εικόνα 4.15: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το πάχοσ του ςτρϊματοσ SiO 2 ςε διςκίο Si/Si 3 N 4 /SiO 2 με μικροδομζσ τφπου κολονακίων και (Si 3 N 4 -Layer, Pillar-Height, a,d/a) = (0.22μm, 0.16μm,0.4μm, 0.4) Στθν εικόνα 4.15, παριςτάνεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το πάχοσ του υπερκείμενου ςτρϊματοσ SiO 2, για (Si 3 N 4 -Layer, Pillar-Height, a, D/a) = (0.22μm, 0.16μm, 0.4μm, 0.4). Με βάςθ το διάγραμμα αυτό, βρζκθκε ότι ο δείκτθσ απορρόφθςθσ λαμβάνει τθν μζγιςτθ τιμι του για SiO 2 = 0.04 μm. Στον πίνακα 4.14 αναγράφονται οι τιμζσ του δείκτθ απορρόφθςθσ (α) ςυναρτιςει του πάχουσ του ςτρϊματοσ Si 3 N 4 και του φψουσ των κολονακίων για ςτακερά a, D/a, και SiO 2 -Layer ενϊ ςτον πίνακα 4.15 παρίςτανται οι τιμζσ του α ςυναρτιςει των a και D/a για ςτακερά πάχθ των Si 3 N 4, SiO 2 και του φψουσ των κολονακίων. Με βάςθ τουσ πίνακεσ αυτοφσ θ βζλτιςτθ μετροφμενθ τιμι του δείκτθ απορρόφθςθσ είναι a=87%, τιμι που βρίςκεται κοντά ςτον βζλτιςτο δείκτθ απορρόφθςθσ των διςκίων Si/Si 3 N 4 με κολόνεσ (α=86.2%). 89

Ρίνακασ 4.14: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει του πάχουσ του Si 3 N 4 (Si 3 N 4 -Layer) και του φψουσ των κολονακίων (Pillar-Height) για ςτακερά a=0.4μm, D/a=0.4 και SiO 2 -Layer=0.06 μm. Ρίνακασ 4.15: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει των a και D/a για ςτακερά Si 3 N 4 _Layer=0.22 μm, SiO 2 -Layer=0.04 μm και Pillar-Height=0.16 μm. Ζπειτα, εξετάςτθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του διςκίου Si/Si 3 N 4 - Pyramid από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτον πίνακα 4.16 και ςτθν εικόνα 4.16(α). Το φάςμα απορρόφθςθσ τθσ καλφτερθσ περίπτωςθσ παρουςιάηεται ςτθν εικόνα 4.16(β). Ραρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α max =87% (+4% αφξθςθ από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=81.6%, 73.2% και 55.2%, αντίςτοιχα. 90

Ρίνακασ 4.16: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 /SiO 2 -Pillars, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (β) (α) Εικόνα 4.16: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si/Si 3 N 4 /SiO 2 -Pillars (με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι) και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 /SiO 2 -Pillars, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 0 ο, με α=87%. 91

4.6 Αποτελζςματα για επιφανειακζσ μικροδομζσ που επθρεάηουν και το ςτρϊμα του Si * 4.6.1 Μικροδομζσ ςε διςκία από Si Εικόνα 4.17: Σχθματικι αναπαράςταςθ δφο διςκίων Si με επιφανειακζσ μικροδομζσ τφπου (α) κολονακίων και (β) οπϊν. Στισ εικόνεσ 4.17(α) και 4.17(β) παρίςτανται ςχθματικά δφο διςκία Si με επιφανειακζσ μικροδομζσ τφπου κολόνων και οπϊν αντίςτοιχα. Στθν εικόνα 4.18(α) αναπαριςτάται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το φψοσ των κολόνων πυρίτιο των διςκίων 4.17(α), ενϊ ςτθν εικόνα 4.18(β) φαίνεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το βάκοσ των οπϊν ςτο πυρίτιο (βλζπε εικόνα 4.17(β)). Εικόνα 4.18: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ (α) από το φψοσ των κολόνων πυριτίου και (β) από το βάκοσ των οπϊν ςτο Si. *(Τοποκετείται παρζνκεςθ ςτθν ονοματολογία όταν επθρεάηεται και το ςτρϊμα του Si) 92

Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ παρουςιάηει αξιοςθμείωτθ αφξθςθ ςτθν περίπτωςθ των κολονακίων, από α=59.7% ςτθν περίπτωςθ τθσ λείασ επιφάνειασ ςτα 84.9% για κολόνεσ Si με φψθ 0.18 μm. Στθν περίπτωςθ των οπϊν θ αφξθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ αν και υψθλι (από 59.7% ςτα 75.0%) είναι μικρότερθ από τθν περίπτωςθ των κολονακίων. Κατόπιν, παρουςιάηεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του διςκίου Si-Pillar και Si-Hole, από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτουσ πίνακεσ 4.17 και 4.18, κακϊσ και ςτισ εικόνεσ 4.19(α) και 4.20(α), αντίςτοιχα. Το φάςμα απορρόφθςθσ των καλφτερων περιπτϊςεων απεικονίηεται ςτισ εικόνεσ 4.19(β) και 4.20(β). Για τα διςκία Si-Pillars, παρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=84.9%, ςτισ 15 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =86.5% (+3.5% αφξθςθ από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=76.9%, 68% και 47.8%, αντίςτοιχα. Ρίνακασ 4.17: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si- Pillars, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (α) 93

(β) Εικόνα 4.19: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si- Pillars, με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si-Pillars, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 15 ο, με α=86.5%. Για τα διςκία Si-Holes, παρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=75.2%, ςτισ 5 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =76%, ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=70.7%, 65.3% και 51.7%, αντίςτοιχα. 94

Ρίνακασ 4.18: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si Holes, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (β) (α) Incident angle ( ) Εικόνα 4.20: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si- Holes, με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si-Pillars, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 5 ο, με α=76%. 95

4.6.2 Μικροδομζσ ςε διςκία από Si/Si 3 N 4 Εικόνα 4.21: Σχθματικι αναπαράςταςθ δφο διςκίων Si/Si 3 N 4 με επιφανειακζσ μικροδομζσ τφπου (α) κολονακίων και (β) οπϊν. Ππωσ κα δειχκεί παρακάτω τα υπερκείμενα ςτρϊματα Si 3 N 4 μποροφν να βελτιϊςουν ςθμαντικά τθν απορρόφθςθ των διςκίων. Στισ εικόνεσ 4.21(α) και 4.21(β) παρίςτανται ςχθματικά δφο διςκία Si/Si 3 N 4 με επιφανειακζσ μικροδομζσ τφπου κολόνων και οπϊν αντίςτοιχα. Ππωσ φαίνεται από τα δεδομζνα των πινάκων 4.19 και 4.20, ςτθν περίπτωςθ των κολόνων ο δείκτθσ απορρόφθςθσ μπορεί να αυξθκεί ςτα 93% για a=0.4 μm, D/a=0.6, Si 3 N 4 -Layer=0.065 μm και Si 3 N 4 -Pillar=0.190 μm, τιμι θ οποία είναι κατά 10% μεγαλφτερθ από τθν αreff. Ρίνακασ 4.19: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει των a και D/a για ςτακερά Si 3 N 4 -Layer=0.065 μm, και Pill-Height=0.19 μm. 96

Ρίνακασ 4.20: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει του πάχουσ του Si 3 N 4 (Si 3 N 4 -Layer) και του φψουσ των κολονακίων (Pill-Height) για ςτακερά a=0.5μm, D/a=0.6. Στθν περίπτωςθ των οπϊν ςτα διςκία Si/Si 3 N 4, θ αφξθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ αν και μεγάλθ, είναι μικρότερθ από τθν περίπτωςθ των κολονακίων. Συγκεκριμζνα θ μζγιςτθ τιμι του δείκτθ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςτα 90.8% (αφξθςθ κατά 7.8% ςε ςχζςθ με τθν α reff ), για a=0.7 μm, D/a=0.8, Si 3 N 4 -Layer=0.07 μm και Si 3 N 4 -Pillar=0.2 μm, όπωσ αναπαριςτάται και ςτον πίνακα 4.21. Ρίνακασ 4.21: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει των a και D/a για ςτακερά Si 3 N 4 _Layer=0.07 μm, και Hole-Depth =0.20 μm. 97

Στθ ςυνζχεια, παρουςιάηεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ των διςκίων Si(Si 3 N 4 )-Pillar και Si(Si 3 N 4 )-Hole, από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτουσ πίνακεσ 4.22 και 4.23,κακϊσ και ςτισ εικόνεσ 4.22(α) και 4.23(α), αντίςτοιχα. Επίςθσ, ςτισ εικόνεσ 4.22(β) και 4.23(β), παρατθρείται το φάςμα απορρόφθςθσ των καλφτερων περιπτϊςεων. Για τα διςκία Si(Si 3 N 4 )-Pillars, παρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=93%, ςτισ 20 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =93.6% (+10.6% αφξθςθ από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=86.2%, 78.2% και 57%, αντίςτοιχα. Ρίνακασ 4.22: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si(Si 3 N 4 )-Pillars, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (α) 98

(β) Εικόνα 4.22: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si(Si 3 N 4 )-Pillars, με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si(Si 3 N 4 )-Pillars, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 20 ο, με α=93.6%. Για τα διςκία Si(Si 3 N 4 )-Holes, παρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=91.2%, ςτισ 5 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =92.1% (+9.1% αφξθςθ από τθν α reff ),ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=83.5%, 75.4% και 53.6%, αντίςτοιχα. 99

Ρίνακασ 4.23: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si(Si 3 N 4 )-Holes, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (α) (β) Εικόνα 4.23: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si(Si 3 N 4 )-Holes, με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si(Si 3 N 4 )-Pillars, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 5 ο, με α=92.1%. 100

4.6.3 Μικροδομζσ ςε διςκία από Si/Si 3 N 4 /SiO 2 Στθν ενότθτα αυτι μελετάται θ επίδραςθ των υπερκείμενων ςτρωμάτων SiO 2 ςε διςκία Si/Si 3 N 4 με επιφανειακζσ μικροδομζσ τφπου κολονακίων. Οι δομζσ αυτζσ αναπαριςτϊνται ςχθματικά ςτθν εικόνα 4.24. Εικόνα 4.24: Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 SiO 2 με επιφανειακζσ μικροδομζσ τφπου κολονακίων. 101

Ρίνακασ 4.24: Ο δείκτθσ απορρόφθςθσ ςυναρτιςει των ςτρωμάτων Si 3 N 4 και SiO 2 και του φψουσ των κολονακίων για ςτακερά a=0.5 μm και D/a=0.6. Ρροκειμζνου να μελετθκοφν τα διςκία αυτά θ ςτακερά περιοδικότθτασ του πλζγματοσ a κακϊσ και ο λόγοσ D/a διατθρικθκαν ςτακερά, ελζγχοντασ ζτςι τθν εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το φψοσ των κολονακίων και τα πάχθ των ςτρωμάτων Si 3 N 4 και SiO 2. Τα αποτελζςματα των υπολογιςμϊν μασ. Με βάςθ τουσ υπολογιςμοφσ μασ οι οποίοι ςυνοψίηονται ςτον πίνακα 4.24, θ προςκικθ SiO 2 δεν μπορεί να επιφζρει αιςκθτζσ βελτιϊςεισ ςτθν απορρόφθςθ, τουλάχιςτον ςτο εφροσ τιμϊν των παραμζτρων που μελετικθκαν. Θ μζγιςτθ τιμι του δείκτθ απορρόφθςθσ εντοπιςτικι για Pill-Height=0.20μm, 102

Si 3 N 4 -Layer=0.05 μm και SiO 2 -Layer=0.04 μm και βρζκθκε ίςθ με 92.4%. Θ τιμι αυτι είναι χαμθλότερθ από τθν περίπτωςθ απουςίασ του ςτρϊματοσ SiO 2, όπωσ ςυηθτικθκε ςτθν προθγοφμενθ υποενότθτα. Ζπειτα, εξετάςτθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του διςκίου Si(Si 3 N 4 /SiO 2 )- Pillars, από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτον πίνακα 4.25 κακϊσ και ςτθν εικόνα 4.25(α). Στθν εικόνα 4.25(β) παρουςιάηεται το φάςμα απορρόφθςθσ τθσ καλφτερθσ περίπτωςθσ. Ραρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=92.4%, ςτισ 20 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =93.8% (+10.8% αφξθςθ από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=86.5%, 77.7% και 56.5%, αντίςτοιχα. Ρίνακασ 4.25: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si(Si 3 N 4 /SiO 2 )-Pillars, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (α) 103

(β) Εικόνα 4.25: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Si(Si 3 N 4 /SiO 2 )-Pillars με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Si(Si 3 N 4 /SiO 2 )-Pillars, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 20 ο, με α=93.8%. 4.7 Αποτελζςματα για μικροδομζσ ςτθν μεταλλικι οπιςκοεπαφι 4.7.1 Διςκία με μικροδομζσ τφπου κολονακίων και οπϊν ςτθν οπιςκοεπαφι Εκτόσ από διςκία με επιφανειακζσ μικροδομζσ μελετικθκαν και διςκία Si/Si 3 N 4 με μικροδομζσ πάνω ςτθν μεταλλικι οπιςκοεπαφι. Σε όλεσ τισ περιπτϊςεισ το πάχοσ του υπερκείμενου ςτρϊματοσ Si 3 N 4 ιςοφταν με 0.076 μm, κακϊσ το πάχοσ παρζχει τθν μεγαλφτερθ απορρόφθςθ ςτθν περίπτωςθ των λείων επιφανειϊν (βλζπε υποενότθτα 4.2). Στθν εικόνα 4.26 αναπαριςτάται ζνα διςκίο Si με μικροδομζσ τφπου κολόνων ςτθν οπιςκοεπαφι του. Οι παράμετροι που εξετάςτθκαν ςτουσ υπολογιςμοφσ αυτοφσ ιταν το φψοσ τθσ κολόνασ, θ ςτακερά περιοδικότθτασ (a) και ο λόγοσ D/a. 104

Με βάςθ τον πίνακα 4.26, ςτον οποίο ςυνοψίηονται τα αποτελζςματα των προαναφερκζντων υπολογιςμϊν, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ λαμβάνει τθν τιμι a=89.3%, για a=0.8 μm, D/a=0.8 και Metal-Pillar=0.076 μm. Με βάςθ τον πίνακα 4.27 όπου ζγινε μια λεπτομερζςτερθ ανάλυςθ γφρω από τθν γειτονιά των παραμζτρων του βζλτιςτου δείκτθ απορρόφθςθσ βρζκθκε ότι ο δείκτθσ απορρόφθςθσ μπορεί να φτάςει τα α=90%, τιμι θ οποία είναι κατά 7% μεγαλφτερθ από τθν α reff. Εικόνα 4.26: Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με μικροδομζσ (α) τφπου κολονακίων και (β) τφπου οπϊν ςτθν μεταλλικι του οπιςκοεπαφι. Ρίνακασ 4.26: Ραράκεςθ τθσ εξάρτθςθσ του δείκτθ απορρόφθςθσ για διςκία Si/Si 3 N 4 με κολονάκια ςτθν μεταλλικι οπιςκοεπαφι από τα a, D/a και Metal-Pillar. 105

Ρίνακασ 4.27: Ραράκεςθ τθσ εξάρτθςθσ του δείκτθ απορρόφθςθσ για διςκία Si/Si 3 N 4 με κολονάκια ςτθν μεταλλικι οπιςκοεπαφι από τα a, και Metal-Pillar για ςτακερό λόγο D/a=0.8. Ζπειτα, εξετάςτθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του διςκίου Metal-Pillar, από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτον πίνακα 4.28 και ςτθν εικόνα 4.27(α). Στθν εικόνα 4.27(β) παρουςιάηεται το φάςμα απορρόφθςθσ τθσ καλφτερθσ περίπτωςθσ. Ραρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ παρουςιάηει μζγιςτο που υπολογίςτθκε ςε α max =89.3% (+7.3% αφξθςθ από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=82%, 72.7% και 52.1%, αντίςτοιχα. 106

Ρίνακασ 4.28: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Metal-Pillars, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (β) (α) Εικόνα 4.27: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Metal-Pillars με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Metal-Pillars, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 0 ο, με α=89.3%. 107

Στθν περίπτωςθ των οπϊν ο δείκτθσ απορρόφθςθσ παρουςιάηει παραπλιςια ςυμπεριφορά, κακϊσ λαμβάνει τθν ίδια περίπου τιμι για παρόμοιεσ τιμζσ των παραμζτρων a, D/a και metal-pillar. Με βάςθ τον πίνακα 4.29 ο δείκτθσ απορρόφθςθσ λαμβάνει τθν μζγιςτθ τιμι του (α=89%) για a=0.8 μm, D/a=0.8 και Hole-Depth=0.08 μm. Ρίνακασ 4.29: Ραράκεςθ τθσ εξάρτθςθσ του δείκτθ απορρόφθςθσ για διςκία Si/Si 3 N 4 με οπζσ ςτθν μεταλλικι οπιςκοεπαφι από τα a, D/a και Metal-Holes. Ομοίωσ, εξετάςτθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ του διςκίου Metal-Hole, από τθν γωνία πρόςπτωςθσ τθσ διερχόμενθσ ακτινοβολίασ, θ οποία αποτυπϊνεται ςτον πίνακα 4.30 και ςτθν εικόνα 4.28(α). Στθν εικόνα 4.28(β) παρουςιάηεται το φάςμα απορρόφθςθσ τθσ καλφτερθσ περίπτωςθσ. Ραρατθρείται ότι ςτισ 0 ο, ο δείκτθσ απορρόφθςθσ υπολογίςτθκε ςε α=88.1%, ςτισ 5 ο παρουςιάηεται θ καλφτερθ περίπτωςθ με α max =88.6% (+3.6% αφξθςθ από τθν α reff ), ενϊ για τισ μεγαλφτερεσ γωνίεσ των 60 ο, 70 ο και 80 ο, ςε α=82%, 72.5% και 51.7%, αντίςτοιχα. 108

Ρίνακασ 4.30: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Metal-Holes, με ςτρϊμα (Layer) πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι. (α) (β) Εικόνα 4.28: (α) Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από τθν γωνία πρόςπτωςθσ ενόσ Διςκίου Metal-Hole με ςτρϊμα πυριτίου πάχουσ 150 μm με αςθμζνια οπιςκοεπαφι και (β) Το φάςμα απορρόφθςθσ ενόσ διςκίου Metal-Hole, ςτθν καλφτερθ περίπτωςθ των 5 ο, με α=88.6%. 109

4.7.2 Διςκία με μικροδομζσ τφπου κολονακίων και οπϊν ςτθν οπιςκοεπαφι και ενδιάμεςα ςτρϊματα Si 3 N 4 μεταξφ των Si και Ag. Στθν εικόνα 4.29 αναπαριςτάται ςχθματικά ζνα διςκίο Si με μικροδομζσ τφπου κολόνων ςτθν οπιςκοεπαφι του, και ζνα ενδιάμεςο ςτρϊμα Si 3 N 4 (Si 3 N 4 -Bot) μεταξφ των Si και Ag. Εικόνα 4.29: Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με μικροδομζσ τφπου κολονακίων ςτθν μεταλλικι του οπιςκοεπαφι και ζνα ενδιάμεςο ςτρϊμα Si 3 N 4 μεταξφ του Si και του μετάλλου. Στουσ υπολογιςμοφσ αυτοφσ θ ςτακερά περιοδικότθτασ a και ο λόγοσ D/a διατθρικθκαν ςτακερά και ίςα με 0.9 μm και 0.8 αντίςτοιχα, ενϊ μελετικθκε θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το φψοσ των κολονακίων (Metal-Pillars) και το πάχοσ του ενδιάμεςου ςτρϊματοσ Si 3 N 4 (Si 3 N 4 -Bot). Ππωσ φαίνεται ςτον πίνακα 4.31, θ μεταβολι του πάχουσ του Si 3 N 4 Bot ςτο εφροσ τιμϊν από 0 ζωσ και 0.09 μm, επθρεάηει ελάχιςτα τθν τιμι του δείκτθ απορρόφθςθσ, κακϊσ παρατθροφνται μικρζσ μεταβολζσ ςτο τρίτο του δεκαδικό ψθφίο (τθσ τάξθσ του 0.2%). 110

Ρίνακασ 4.31: Ραράκεςθ τθσ εξάρτθςθσ του δείκτθ απορρόφθςθσ για διςκία Si/Si 3 N 4 με κολονάκια ςτθν μεταλλικι οπιςκοεπαφι και ενδιάμεςο ςτρϊμα Si 3 N 4 μεταξφ του Si και του μετάλλου, ςυναρτιςει Metal-Pillar και το πάχοσ του ενδιάμεςου ςτρϊματοσ (Si 3 N 4 -Bot) για ςτακερά a=0.9 μm και λόγο D/a=0.8. 111

4.8 Αποτελζςματα για μικροςφαιρίδια πολυςτυρενίου ςτθν επιφάνεια των διςκίων Θ τελευταία διάταξθ που μελετικθκε ιταν διςκία Si/Si 3 N 4 τα οποία περιλάμβαναν ςτθ επιφάνειά τουσ μικροςφαιρίδια πολυςτυρενίου διαμζτρων από 0.1-1.0 μm. To 2014 o Guan-Jhong Lin και οι ςυνεργάτεσ του ζδειξαν ότι θ χριςθ μικροςφαιριδίων πολυςτυρενίου μπορεί να ελαττϊςει τθν αντανάκλαςθ των διςκίων και να βελτιϊςει ςθμαντικά τθν εξωτερικι κβαντικι απόδοςθ *59]. Εικόνα 4.30: (α) Σχθματικι αναπαράςταςθ ενόσ διςκίου Si/Si 3 N 4 με μικροςφαιρίδια πολυςτυρενίου ςτθν επιφάνειά του. (β) Αναπαράςταςθ του τρόπου ςτοίβαξθσ των ςφαιριδίων. (γ) Ρροςζγγιςθ τθσ ςφαιρικισ γεωμετρίασ των μικροςφαιριδίων με εννιά ςκαλοπάτια με ανόμοια πάχθ. Στθν εικόνα 4.30(α) αναπαριςτάται ςχθματικά ζνα διςκίο Si/Si 3 N 4 με μικροςφαιρίδια πολυςτυρενίου ςτθν επιφάνειά του. Ο τρόποσ ςτοίβαξθσ των μικροςφαιριδίων είναι αυτόσ που εικονίηεται ςτθν εικόνα 4.30(β) ενϊ προκειμζνου να 112

προςεγγιςτοφν τα μικροςφαιρίδια χρθςιμοποιικθκαν 9 ςκαλοπάτια με ανόμοια πάχθ όπωσ φαίνεται και ςτθν εικόνα 4.30(γ). Στον πίνακα 4.32 απεικονίηεται θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ από το πάχοσ του υπερκείμενου ςτρϊματοσ Si 3 N 4 και από τθν διάμετρο των μικροςφαιριδίων. Για πάχθ του Si 3 N 4 ζωσ και 0.12 μm και για διαμζτρουσ των μικροςφαιριδίων ζωσ και 1 μm εντοπίςτθκαν τρία τοπικά μζγιςτα του δείκτθ απορρόφθςθσ ςτα ~85% για τισ τιμζσ των παραμζτρων Si 3 N 4, D ps : (i) 0.07 μm, 0.1 μm, (ii) 0.09 μm, 0.4 μm και (iii) 0.09 μm, 0.8 μm αντίςτοιχα. Ρίνακασ 4.32: Θ εξάρτθςθ του δείκτθ απορρόφθςθσ διςκίων Si/Si 3 N 4 τα οποία περιλάμβαναν ςτθ επιφάνειά τουσ μικροςφαιρίδια πολυςτυρενίου, ςυναρτιςει του πάχουσ του Si 3 N 4, και τθσ διαμζτρου των μικροςφαιριδίων. 113