ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΠΙΤΙ ΜΠΟΥΓΑΣ ΙΩΑΝΝΗΣ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΠΙΤΙ ΜΠΟΥΓΑΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Επιβλέποντες ΝΙΚΟΛΑ'Ι'ΔΗΣ ΣΠΥΡΙΔΩΝ Αναπληρωτής Καθηγητής ΝΙΚΟΛΑ'Ι'ΔΗΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ ΕΔΙΠ Θεσσαλονίκη 2015

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΠΙΤΙ ΜΠΟΥΓΑΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Επιβλέποντες ΝΙΚΟΛΑ'Ι'ΔΗΣ ΣΠΥΡΙΔΩΝ Αναπληρωτής Καθηγητής ΝΙΚΟΛΑ'Ι'ΔΗΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ ΕΔΙΠ Θεσσαλονίκη 2015

Πρόλογος Η παρούσα πτυχιακή εργασία πραγματεύεται την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας και δη με τη χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων. Καταρχήν γίνεται αναφορά στις διάφορες πηγές ενέργειας και πως σε Ελλάδα και Ευρώπη θα αφήσουμε πίσω τις παραδοσιακές πηγές ενέργειας και θα κάνουμε στροφή στις ανανεώσιμες πηγές. Γίνεται ανάλυση της κατασκευής ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου και πως αυτό μπορεί να συνδυαστεί μαζί με έναν μετατροπέα τάσης, έναν συσσωρευτή και έναν ηλιακό ρυθμιστή φόρτισης (των οποίων τα κυκλώματα αναλύονται εκτενώς) ώστε να δημιουργηθεί ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα με το οποίο μπορούμε να καλύψουμε βασικές ανάγκες κάνοντας οικονομία χρημάτων και προστατεύοντας το περιβάλλον. Τέλος γίνεται εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος στη λειτουργία ενός σπιτιού με ταυτόχρονη ανάλυση του τρόπου εγκατάστασης και συντήρησής του. Συνοψίζοντας κάνουμε πρακτική εφαρμογή ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος με χαμηλό κόστος και προστασία του περιβάλλοντος σε ένα σπίτι-μοντέλο μικρών διαστάσεων στο οποίο βάλαμε να λειτουργήσουν αρκετές συσκευές οι οποίες αποτελούν μέρος καθημερινής χρήσης και συνήθειας.

Abstract This project deals with the exploitation of solar energy and in particular with the use of photovoltaic cells. First, we refer to the various energy sources and how Greece and Europe can leave behind the traditional energy sources and make shift to renewable sources. Next, we analyze the construction of a photovoltaic cells and how,in combination with an inverter, a battery and a solar charge regulator (the circuits of which are analyzed extensively) we can construct an autonomous, money-saving and environmentally friendly photovoltaic system with which we can cover our basic electricity needs. Lastly, we applicate an autonomous photovoltaic system on a house and we also analyze the ways of installation and maintainance.to sum up,we did a practical application of an autonomous, low-cost, environmentally friendly photovoltaic system on a small house model which contains some basic, ordinary devices.

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 Κύριες πηγές ενέργειας...1 1.1.1 Λιγνίτης...1 1.1.2 Πυρηνική ενέργεια...1 1.1.3 Πετρέλαιο...2 1.2 Φαινόμενο του θερμοκηπίου...2 1.3 Ανανεώσιμες μορφές ενέργειας...3 1.3.1 Βιομάζα...3 1.3.2 Αιολική Ενέργεια...4 1.3.3 Γεωθερμική Ενέργεια...4 1.3.4 Υδραυλική ενέργεια...5 1.3.5 Ενέργεια κυμάτων-ωκεανών...5 1.3.5.1 Από τα κύματα...6 1.3.5.2 Από τις παλίρροιες...6 1.3.5.3 Θερμοκρασιακές Διαφορές του Νερού της Θάλασσας...6 1.3.6 Ηλιακή ενέργεια...6 1.4 Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας...7 1.5 Ευρωπαϊκό νομικό και θεσμικό πλαίσιο για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας...8 1.5.1 Πράσινη Βίβλος (96/576)...8 1.5.2 Κοινοτική οδηγία 96/92/ΕΚ...9 1.5.3 Κοινοτική οδηγία 2006/32/EΚ...9 1.5.4 Κοινοτική Οδηγία 2009/28/ΕΚ...9 1.5.5 Λευκή Βίβλος (97/599)...9 1.5.6 Κοινοτική οδηγία 2001/77/ΕΚ...9 1.5.7 Κοινοτική οδηγία 2003/30/ΕΚ...9 1.5.8 Κοινοτική οδηγία 2004/8/ΕΚ...9 1.6 Ενεργειακή κατάσταση στην Ελλάδα...10 1.7 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Ελλάδα...10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 Γενικά...12 2.2 Εκμετάλλευση Ηλιακής Ενέργειας...14 2.2.1 Ενεργητικά - Θερμικά Ηλιακά Συστήματα...14 2.2.2 Παθητικά Ηλιακά Συστήματα...14 2.2.3 Φωτοβολταϊκά Συστήματα...14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ 3.1 Γενικά...16 3.2 Ενδογενειακές ζώνες ημιαγωγών...19 3.3 Ημιαγωγοί προσμίξεων...21 3.3.1 Ημιαγωγοί τύπου Ν...22 3.3.2 Ημιαγωγοί τύπου P...23

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 4.1 Ιστορία και εξέλιξη...25 4.2 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο...27 4.3 Ηλιακές κυψέλες...28 4.3.1 Ιστορικό ανάπτυξης των ηλιακών κυψελών...28 4.3.2 Μέθοδος παραγωγής ηλιακών κυψελών...29 4.3.3 Λειτουργία των ηλιακών κυψελών...31 4.4 Φ/Β Πλαίσια (Συστοιχία)...32 4.4.1 Συνιστώσες μιας Φ/Β συστοιχίας...32 4.5 Η κυψέλη...32 4.5.1 Συνδεσμολογία...33 4.5.2 Πλαίσιο...33 4.5.3 Ενθυλάκωση...33 4.6 Λειτουργία των Φ/Β συστοιχιών...34 4.7 Συστήματα έδρασης / παρακολούθησης...34 4.8 Τα βασικά που πρέπει να ξέρει κανείς για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία...35 4.8.1 Watt, Volt, Ampere: Ισχύς, Τάση, Ένταση...35 4.8.2 Πάχος των καλωδίων...36 4.9 Σύνδεση φωτοβολταϊκών στοιχείων σε σειρά και παράλληλα...36 4.9.1 Σύνδεση εν σειρά...36 4.9.2 Σύνδεση εν παραλλήλω...38 4.9.3 Παραδείγματα...39 4.10 Πόσο ρεύμα παράγει ένα φωτοβολταϊκό;...41 4.11 Δίοδοι...41 4.11.1 Δίοδοι παράκαμψης...41 4.11.2 Δίοδοι φραγής...41 4.12 Η σωστή κλίση των φωτοβολταϊκών πάνελ...42 4.13 Κατηγορίες φωτοβολταϊκών στοιχείων...43 4.14 Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα...44 4.14.1 Βασικά μέρη και τεχνολογία...45 4.14.1.1Φωτοβολταϊκό πλαίσιο...45 4.14.1.2 Μετατροπείς (inverterς)...46 4.14.1.2.1 Μετατροπείς συνεχούς τάσης DC/DC...46 4.14.1.2.1.1 DC - DC μετατροπέας υποβιβασμού τάσης...48 4.14.1.2.1.2 DC - DC μετατροπέας ανύψωσης τάσης...52 4.14.1.2.1.3 Έλεγχος ΜΡΡΤ με τη χρήση DC - DC μετατροπέων...56 4.14.1.2.2 DC - AC μετατροπέας τάσης...58 4.14.1.3 Ρυθμιστής τάσης...59 4.14.1.4 Συσσωρευτές (Μπαταρίες)... 60 4.14.1.4.1 Δομή συσσωρευτών...60 4.14.1.4.2 Αρχή λειτουργίας συσσωρευτών...61 4.14.1.4.3 Αναγκαιότητα μπαταρίας στο αυτόνομο σύστημα...61 4.14.1.4.4 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μπαταρίας...62 4.14.1.4.5 Μπαταρίες Μολύβδου- Οξέος και Νικελίου-Καδμίου...63 4.14.1.4.6 Σχεδίαση κυκλώματος μπαταρίας...64 4.15 Συντήρηση φωτοβολταϊκών συστημάτων...64 4.16 Υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήματα...66 4.17 Διασυνδεδεμένα συστήματα...67 4.18 Τι φωτοβολταϊκό σύστημα χρειαζόμαστε για να καλύψουμε τις ανάγκες μας ;...68 4.19 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα-Όφελος...70 4.20 Περιβαλλοντικές θεωρήσεις...73

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΗΛΙΑΚΕΣ ΣΤΕΓΕΣ 5.1 Εγκατάσταση φωτοβολταϊκών στον οικιακό-κτιριακό τομέα...74 5.1.1 Τοποθέτηση Βάσεων Στήριξης...74 5.1.2 Στέγη...74 5.1.3 Βιοτεχνική - Βιομηχανική Στέγη...74 5.1.4 Ταράτσα...75 5.2 Καλωδίωση Ηλεκτρική εγκατάσταση Αντιστροφέας...75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΡΑΚΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ Μια πρόταση για εξοχικό, τροχόσπιτο, τροχοβίλα, αγροικία, αποθήκη, σκάφος. 6.1 Ο φωτισμός και η τηλεόραση με ηλιακή ενέργεια...76 6.2 Το ψυγείο...76 6.3 Οι συσσωρευτές (μπαταρίες)...76 6.4 Το φωτοβολταϊκό πάνελ...77 6.5 Τιμές (κόστος) φωτοβολταϊκού συστήματος...77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 7.1 Φωτοβολταϊκό πάνελ...78 7.2 Συσσωρευτής...78 7.3 Ηλιακός Ρυθμιστής, Ελεγκτής φόρτισης μπαταριών...78 7.4 Inverter...81 7.5 Σύστημα συναγερμού με χρήση Flasher Led, LDR και Timer 555...81 7.5.1 Φωτοαντίσταση LDR...82 7.5.2 Ολοκληρωμένο κύκλωμα χρονισμού (timer) 555...82 7.6 Συσκευές...84 DATA... 85 BC337-D BD139 irfz44n LM555 TL431 LDR_NSL19_M51 ΠΗΓΕΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1 1.1 Κύριες πηγές ενέργειας 1.1.1 Λιγνίτης Ο λιγνίτης, καλούμενος και φαιάνθρακας, είναι οργανικής προελεύσεως πέτρωμα, του οποίου το κύριο στοιχείο είναι ο άνθρακας. Περιέχει, επίσης, υδρογόνο, οξυγόνο και άζωτο. Είναι πέτρωμα χωρίς σχηματισμένους κρυστάλλους, δηλαδή άμορφο. Είναι χαμηλότερης περιεκτικότητας σε άνθρακα από τον λιθάνθρακα και θεωρείται το χειρότερης ποιότητας καύσιμο άνθρακα, ωστόσο έχει υψηλότερη περιεκτικότητα άνθρακα από την τύρφη. Προέρχεται από την εξανθράκωση κυρίως φυτικών οργανισμών, η δε θερμική αξία του είναι μικρότερη από του ανθρακίτη. Χρησιμοποιείται κυρίως στα ατμοηλεκτρικά εργοστάσια για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Άλλες χρήσεις του είναι για την παραγωγή οργανοχημικών λιπασμάτων, στην γεωργία κ.α. Το χρώμα του είναι καφέ-μαύρο και περιέχει 35-65% υγρασία. Λόγω της χαμηλής περιεκτικότητας σε ενέργεια και της υψηλής περιεκτικότητας σε υγρασία, ο λιγνίτης δεν μπορεί να μεταφερθεί εύκολα κι ως εκ τούτου χρησιμοποιείται από εργοστάσια που είναι πολύ κοντά σε ορυχεία λιγνίτη. Για τους ίδιους λόγους ο λιγνίτης δεν αποτελεί συχνό εμπόρευμα στη παγκόσμια αγορά, αλλά χρησιμοποιείται τοπικά από την κάθε χώρα εξόρυξής του. Το υψηλό ποσοστό υγρασίας του λιγνίτη τον κάνει εξαιρετικά επικίνδυνο για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία καθώς από την καύση του προκαλείται μεγάλη ατμοσφαιρική ρύπανση, κάτι που έχει κάνει διάφορους επιστήμονες να υποστηρίζουν ότι ο λιγνίτης πρέπει να μένει θαμμένος στη γη και να μην εξορύσσεται. Επιπρόσθετα, ο λιγνίτης συχνά προκαλεί πολιτικές διαμάχες καθώς ομάδες πληθυσμού μπορεί να είναι πολιτικά αντίθετες στην εγκατάσταση εργοστασίων λιγνίτη. 1.1.2 Πυρηνική ενέργεια Πυρηνική ενέργεια ή ατομική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν μετασχηματίζονται ατομικοί πυρήνες. Είναι δηλαδή η δυναμική ενέργεια που είναι εγκλωβισμένη στους πυρήνες των ατόμων λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που τα συνιστούν. Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη σχάση ή σύντηξη των πυρήνων και εφόσον οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι ελεγχόμενες (όπως συμβαίνει στην καρδιά ενός πυρηνικού αντιδραστήρα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει ενεργειακές ανάγκες. Σήμερα 31 χώρες διαθέτουν συνολικά 439 πυρηνικούς αντιδραστήρες σε λειτουργία παράγοντας το 14% του ηλεκτρισμού του κόσμου. Η Γαλλία, χάρη στους 58 αντιδραστήρες της αναδεικνύεται πρωταθλήτρια στον τομέα (ποσοστό ενεργειακής κάλυψης 78%). Για να τους «κινήσει» καταναλώνει περίπου 10.000 τόνους ουρανίου καυσίμου το χρόνο. Σήμερα σε όλο τον κόσμο κατασκευάζονται γύρω στους 64 αντιδραστήρες, οι 26 εκ των οποίων στην Κίνα, με δεύτερη τη Ρωσία με 10, και τρίτη την Ινδία με 6. Αρκετές ακόμα χώρες διαθέτουν πυρηνικούς αντιδραστήρες μικρής ισχύος για ερευνητικούς σκοπούς. Ανάμεσά τους η Ελλάδα με τον αντιδραστήρα ισχύος 5MW στο Κέντρο Έρευνας «Δημόκριτος».

1.1.3 Πετρέλαιο 2 Το πετρέλαιο (λατινικά petroleum), που μερικές φορές στην καθημερινή γλώσσα αποκαλείται και μαύρος χρυσός ή τσάι του Τέξας, είναι παχύρρευστο, μαύρο ή βαθύ καφετί ή πρασινωπό υγρό πέτρωμα, που αποτελεί και τη σπουδαιότερη σήμερα φυσική πηγή ενέργειας. H παγκόσμια παραγωγή του έγινε πιο έντονη στα μέσα του 19ου αιώνα και στα μέσα του 20 ου αιώνα, οι ρυθμοί εκμετάλλευσης έγιναν τεράστιοι. Τα συμβατικά καύσιμα καλύπτουν το 85% της καταναλισκόμενης ενέργειας στις αναπτυγμένες χώρες και το 55%, στις υπό ανάπτυξη στις οποίες μάλιστα η χρήση του πετρελαίου, ως ενεργειακή πηγή αυξάνει συνεχώς, ενώ στις αναπτυγμένες χώρες παρατηρείται τάση μείωσης του, με σταδιακή διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η καύση του πετρελαίου παράγει CO2, οξείδια αζώτου και θείου. Οι μεγάλες ποσότητες αυτών, που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα, αποτελούν πια μόνιμη απειλή, προκαλώντας ισχυρές κλιματικές αλλαγές και επιβαρυντική απόκλιση από τις κανονικές συνθήκες ισορροπίας του φαινομένου του θερμοκηπίου. 1.2 Φαινόμενο του θερμοκηπίου Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι ένα φυσικό φαινόμενο που η υπερβολική εμφάνιση του αποτελεί απειλή για τον πλανήτη μας και οφείλεται στις ανθρωπογενείς εκπομπές ρύπων. Έχει αποδειχθεί ότι κάποια από τα αέρια της ατμόσφαιρας, επιτρέπουν την διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας προς τη Γη, ενώ απορροφούν και ξανά εκπέμπουν προς το έδαφος ένα μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από την επιφάνεια της. Αυτή η δέσμευση της υπέρυθρης ακτινοβολίας από τα συγκεκριμένα αέρια καλείται «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Μιλάμε για ένα γεωφυσικό φαινόμενο ουσιώδες και απαραίτητο την εξέλιξη της ζωής στον πλανήτη. Χωρίς το «φαινόμενο του θερμοκηπίου» η μέση θερμοκρασία της Γης θα ήταν περίπου 35 C χαμηλότερη, δηλαδή περίπου -20 C αντί για +15 C που είναι σήμερα, κάτι που σημαίνει ότι η ζωή θα ήταν αδύνατη με τη σημερινή της μορφή. Εικόνα 1: Σχηματική αναπαράσταση φαινομένου θερμοκηπίου

3 Είναι ένα φαινόμενο το οποίο στις φυσικές του διαστάσεις, δεν αποτελεί απειλή, αντίθετα έχει ζωτική σημασία για τη διατήρηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη. Το πρόβλημα είναι η ενίσχυση του ως αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Οι ανθρωπογενείς εκπομπές ρύπων αυξάνουν τη δυνατότητα της ατμόσφαιρας να παγιδεύσει την υπέρυθρη ακτινοβολία της Γης. Αυτό οδηγεί στην ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου και την αύξηση της θερμοκρασίας στον πλανήτη. Εμείς στην παρούσα εργασία ενδιαφερόμαστε για τις εκπομπές ρύπων που προκύπτουν από τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 1.3 Ανανεώσιμες μορφές ενέργειας Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) έχουν οριστεί οι ενεργειακές πηγές, οι οποίες υπάρχουν εν αφθονία στο φυσικό περιβάλλον. Είναι η πρώτη μορφή ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος πριν στραφεί έντονα στη χρήση των ορυκτών καυσίμων. Οι ΑΠΕ πρακτικά είναι ανεξάντλητες, η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον ενώ η αξιοποίησή τους περιορίζεται μόνον από την ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών που θα έχουν σαν σκοπό την δέσμευση του δυναμικού τους. Το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη των τεχνολογιών αυτών εμφανίσθηκε αρχικά μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε μετά τη συνειδητοποίηση των παγκόσμιων σοβαρών περιβαλλοντικών προβλημάτων την τελευταία δεκαετία. Για πολλές χώρες, οι ΑΠΕ αποτελούν μια εγχώρια πηγή ενέργειας με ευνοϊκές προοπτικές συνεισφοράς στο ενεργειακό τους ισοζύγιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από το ακριβό εισαγόμενο πετρέλαιο και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού τους εφοδιασμού. Παράλληλα, συμβάλλουν στη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος, καθώς έχει πλέον διαπιστωθεί ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο κλάδος που ευθύνεται κατά κύριο λόγο για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Οι μορφές των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας που είναι σήμερα τεχνικοοικονομικά εκμεταλλεύσιμες είναι οι ακόλουθες: 1.3.1 Βιομάζα Καλύπτει σήμερα το 14% της παγκοσμίως απαιτούμενης ενέργειας. Με τον όρο βιομάζα χαρακτηρίζουμε οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς (όπως είναι το ξύλο και άλλα προϊόντα του δάσους, υπολείμματα καλλιεργειών, κτηνοτροφικά απόβλητα, απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων κ.λπ.) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας. Η ενέργεια που είναι δεσμευμένη στις φυτικές ουσίες προέρχεται από τον ήλιο. Με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια σε βιομάζα. Οι ζωικοί οργανισμοί προσλαμβάνουν αυτή την ενέργεια με την τροφή τους και αποθηκεύουν ένα μέρος της. Αυτή την ενέργεια αποδίδει τελικά η βιομάζα μετά την επεξεργασία και τη χρήση της, ενώ αποτελεί ανανεώσιμη πηγή ενέργειας γιατί στην πραγματικότητα είναι αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια που δεσμεύτηκε από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση. Η βιομάζα είναι η πιο παλιά και διαδεδομένη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Όλα τα παραπάνω υλικά, που άμεσα ή έμμεσα προέρχονται από το φυτικό κόσμο αλλά και τα υγρά απόβλητα και το μεγαλύτερο μέρος από τα αστικά απορρίμματα (υπολείμματα τροφών, χαρτί κ.ά.) των πόλεων και των βιομηχανιών μπορούν να μετατραπούν σε

4 ενέργεια. Η καύση της αποτελεί ουδέτερη διαδικασία αρκεί να μη διαταράσσεται η λεπτή ισορροπία στο φυσικό περιβάλλον. Στη χώρα μας τέτοιες μονάδες καύσης της βιομάζας υπάρχουν στη Θεσσαλονίκη, στο Ηράκλειο, στα Χανιά και στα Ψυτάλλεια Αττικής με συνολική εγκατεστημένη ισχύ 8000 KW. 1.3.2 Αιολική Ενέργεια Η αιολική ενέργεια δημιουργείται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία, γιατί η ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της γης προκαλεί τη μετακίνηση μεγάλων μαζών αέρα από τη μια περιοχή στην άλλη, δημιουργώντας με τον τρόπο αυτό τους ανέμους. Είναι μια ήπια μορφή ενέργειας, φιλική προς το περιβάλλον, πρακτικά ανεξάντλητη. Αν υπήρχε η δυνατότητα, με τη σημερινή τεχνολογία, να καταστεί εκμεταλλεύσιμο το συνολικό αιολικό δυναμικό της γης, εκτιμάται ότι η παραγόμενη σε ένα χρόνο ηλεκτρική ενέργεια θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες της ανθρωπότητας στο ίδιο διάστημα (Αιολική ενέργεια, ΚΑΠΕ 1998).Υπολογίζεται ότι στο 25 % της επιφάνειας της γης επικρατούν άνεμοι μέσης ετήσιας ταχύτητας πάνω από 5,1 m/sec, σε ύψος 10 m πάνω από το έδαφος. Η αιολική ενέργεια αξιοποιείται μέσω των ανεμογεννητριών που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια που παράγεται από τη δύναμη του ανέμου και μετατρέπεται σε απολήψιμη μηχανική ενέργεια και σε ηλεκτρική ενέργεια. Παγκοσμίως εγκαταστημένη ονομαστική ισχύς ανεμογεννητριών από 7,6 GW, το 1997,έφτασε τα 120,8 GW το 2008. Στην Ευρώπη, η αντίστοιχη ισχύς είναι κοντά στα 66,0 GW. 1.3.3 Γεωθερμική Ενέργεια Ως γεωθερμική ενέργεια χαρακτηρίζεται η ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης, μεταφέρεται στην επιφάνεια με αγωγή θερμότητας και με την είσοδο στο φλοιό της γης λιωμένου μάγματος από τα βαθύτερα στρώματά της, και γίνεται αντιληπτή με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού. Το γεωθερμικό δυναμικό κάθε περιοχής σχετίζεται με τις γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες της. Αποτελεί ήπια και σχετικά ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή που με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα μπορεί να καλύψει σημαντικές ενεργειακές ανάγκες. Η κύρια κατάταξη των γεωθερμικών πεδίων γίνεται με βάση τη θερμοκρασία τους. Πεδία χαμηλής ή μέσης θερμοκρασίας (50 150 C) αξιοποιούνται στη μεταφορά θερμότητας σε οικισμούς, θερμοκήπια, αλλά και μικρές βιομηχανικές μονάδες. Πεδία υψηλής θερμοκρασίας (άνω των 150 C) είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Οι γεωθερμικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος είναι ιδιαίτερα οικονομικές και η λειτουργία τους έχει μικρή περιβαλλοντική επίδραση. Παράγουν μόνο το 1/6 του CO2 από ό,τι θα παρήγαγε μια μονάδα ίσης δυναμικότητας που λειτουργεί με φυσικό αέριο, ενώ το κόστος της παραγόμενης ενέργειας

κυμαίνεται περίπου μεταξύ $0.015/kW και $0.35/kW. Σε παγκόσμια κλίμακα η συνολική δυναμικότητα των γεωθερμικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής ξεπερνά τα 8000 MWe και η αντίστοιχη θερμική τα 4000 MWtη. 1.3.4 Υδραυλική ενέργεια 5 Το νερό στη φύση, όταν βρίσκεται σε περιοχές με μεγάλο υψόμετρο, έχει δυναμική ενέργεια η οποία μετατρέπεται σε κινητική όταν το νερό ρέει προς χαμηλότερες περιοχές. Με τα υδροηλεκτρικά έργα (υδροταμιευτήρας, φράγμα, κλειστός αγωγός πτώσεως, υδροστρόβιλος, ηλεκτρογεννήτρια, διώρυγα φυγής) γίνεται δυνατή η εκμετάλλευση της ενέργειας του νερού για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος το οποίο διοχετεύεται στην κατανάλωση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Η μετατροπή της ενέργειας των υδατοπτώσεων με τη χρήση υδραυλικών τουρμπίνων παράγει την υδροηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή ταξινομείται σε υδροηλεκτρική ενέργεια μεγάλης και μικρής κλίμακας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια μικρής κλίμακας διαφέρει σημαντικά από αυτή της μεγάλης σε ότι αφορά τις επιπτώσεις της στο περιβάλλον. Οι υδροηλεκτρικές μονάδες μεγάλης κλίμακας απαιτούν τη δημιουργία φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών με σημαντικές επιπτώσεις στο οικοσύστημα και γενικότερα στο άμεσο περιβάλλον. Τα συστήματα μικρής κλίμακας τοποθετούνται δίπλα σε ποτάμια και κανάλια με αποτέλεσμα να έχουν λιγότερες επιπτώσεις στο περιβάλλον. Υδροηλεκτρικές μονάδες λιγότερες των 30 MW χαρακτηρίζονται μικρής κλίμακας και θεωρούνται ανανεώσιμες πηγές. Το γρήγορα κινούμενο νερό οδηγείται μέσα από τούνελ με σκοπό να θέσει σε λειτουργία τις τουρμπίνες παράγοντας έτσι μηχανική ενέργεια. Μια γεννήτρια μετατρέπει αυτή την ενέργεια σε ηλεκτρική. Σε αντίθεση με το ότι συμβαίνει με τα ορυκτά καύσιμα, το νερό δεν αχρηστεύεται κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλους σκοπούς. Φυσικά, μόνο σε περιοχές με σημαντικές υδατοπτώσεις, πλούσιες πηγές και κατάλληλη γεωλογική διαμόρφωση είναι δυνατόν να κατασκευασθούν υδατοταμιευτήρες. Συνήθως η ενέργεια που τελικώς παράγεται με τον τρόπο αυτό, χρησιμοποιείται μόνο συμπληρωματικά με άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας, σε ώρες αιχμής. Στη χώρα μας η υδροηλεκτρική ενέργεια ικανοποιεί περίπου το 10% των ενεργειακών μας αναγκών. 1.3.5 Ενέργεια κυμάτων-ωκεανών Η θάλασσα καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος της γης και είναι μια τεράστια αποθήκη κινητικής ενέργειας αποθηκευμένης στα κύματα, τις παλίρροιες και τα θαλάσσια ρεύματα. Οι ωκεανοί, ως φυσικοί αποταμιευτήρες μπορούν να μας προσφέρουν τεράστια ποσά ενέργειας. Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι για να εκμεταλλευτούμε την ενέργεια της θάλασσας: από τα κύματα τις παλίρροιες (μικρές και μεγάλες) από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού

1.3.5.1 Από τα κύματα 6 Η κινητική ενέργεια των κυμάτων μπορεί να περιστρέψει την τουρμπίνα, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Η ανυψωτική κίνηση του κύματος πιέζει τον αέρα προς τα πάνω, μέσα στο θάλαμο και θέτει σε περιστροφική κίνηση την τουρμπίνα έτσι ώστε η γεννήτρια να παράγει ρεύμα. Αυτός είναι ένας μόνο τύπος εκμετάλλευσης της ενέργειας των κυμάτων. 1.3.5.2 Από τις παλίρροιες Τα εισερχόμενα νερά της παλίρροιας στην ακτή μπορούν να παγιδευτούν σε φράγματα, οπότε τα αποθηκευμένα νερά ελευθερώνονται και κινούν υδροστρόβιλο, όπως στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Τα πλέον κατάλληλα μέρη για την κατασκευή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής είναι οι στενές εκβολές ποταμών. 1.3.5.3 Θερμοκρασιακές Διαφορές του Νερού της Θάλασσας Η θερμική ενέργεια των ωκεανών μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί με την εκμετάλλευση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ του θερμότερου επιφανειακού νερού και του ψυχρότερου νερού του πυθμένα. Η τεχνολογία μετατροπής της ωκεάνιας θερμικής ενέργειας, χρησιμοποιεί σε πρώτη φάση το θερμό νερό για να ζεστάνει σε ειδικό θάλαμο μια ποσότητα υγρού που έχει χαμηλό σημείο βρασμού, όπως η αμμωνία ή ένα μείγμα αμμωνίας και νερού. Όταν το μείγμα αυτό βράσει, το αέριο που απελευθερώνεται δημιουργεί αρκετή πίεση ώστε να οδηγήσει έναν αεριοστρόβιλο ο οποίος παράγει την ενέργεια. Στη συνέχεια το αέριο αυτό παγώνει καθώς διέρχεται μέσα από το ψυχρό νερό του πυθμένα του ωκεανού. 1.3.6 Ηλιακή ενέργεια Την ηλιακή ενέργεια την αφήσαμε για το τέλος γιατί είναι αυτή που θα μας απασχολήσει στην παρούσα εργασία οπότε και θα ασχοληθούμε με αυτή εκτενέστερα στη συνέχεια. Η αναφορά της όμως ανάμεσα στις υπόλοιπες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν θα μπορούσε να λείψει. Η ηλιακή ενέργεια αξιοποιείται μέσω φωτοβολταϊκών γεννητριών που μετατρέπουν μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια ή μέσω ηλιακών συλλεκτών για την επίτευξη υψηλών θερμοκρασιών και τελικά η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

1.4 Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας 7 Η χρήση και εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει πολλά πλεονεκτήματα τα οποία είναι πολύ σημαντικά για εμάς αλλά και για το περιβάλλον. οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητες και η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον, συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους εξαντλήσιμους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους, είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο, είναι γεωγραφικά διεσπαρμένες και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, οι επενδύσεις των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας δημιουργούν θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο, έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος, το οποίο επιπλέον δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων, μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, και είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. Παρά τα πολλά πλεονεκτήματα της χρήσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας δεν θα μπορούσαν να λείψουν και κάποια μειονεκτήματα τα οποία όμως όπως παρατηρούμε είναι σημαντικά λιγότερα από τα πλεονεκτήματα που έχουμε κάνοντας χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα μειονεκτήματα που μπορούμε να παρατηρήσουμε είναι: το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί σε μεγάλα μεγέθη ισχύος, να μεταφερθεί και να αποθηκευθεί, το κόστος επένδυσης ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος σε σύγκριση με τις σημερινές τιμές των συμβατικών καυσίμων είναι ακόμη υψηλό, για πολλές χώρες, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας και συνεπώς για παραγωγή μεγάλης ισχύος απαιτούνται συχνά εκτεταμένες εγκαταστάσεις, και συχνά γίνεται λόγος για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Κύριες μορφές επιπτώσεων είναι η οπτική και ηχητική ρύπανση, οι επιπτώσεις στις χρήσεις γης γύρω από τις περιοχές εγκατάστασης των αιολικών πάρκων.

8 1.5 Ευρωπαϊκό νομικό και θεσμικό πλαίσιο για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Το Ευρωπαϊκό νομικό και θεσμικό πλαίσιο για τις ΑΠΕ διαμορφώθηκε μέσα από μια σειρά Νόμων και διατάξεων με σκοπό την προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην ηλεκτροπαραγωγή. Η ανάπτυξη και η προστασία του περιβάλλοντος εξακολουθούν να αποτελούν το βασικό πυρήνα για την προώθηση των ΑΠΕ. 1.5.1 Πράσινη Βίβλος (96/576) Η Ευρωπαϊκή Ένωση με την Πράσινη Βίβλο (96/576) θέτει σε πρώτο πλάνο τους προβληματισμούς της για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και προσπαθεί να οδηγήσει τα κράτη-μέλη προς την απεξάρτηση τους από τις συμβατικές και ρυπογόνες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούν κατά κόρον και να τα στρέψει στη συστηματικότερη χρήση των φιλικών προς το περιβάλλον ΑΠΕ. Με την προώθηση και τη χρήση των ΑΠΕ είναι ανάγκη να προστατευθεί το περιβάλλον με τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα. Οι στόχοι που έθεσε και προώθησε η Πράσινη Βίβλος ήταν: Ο διπλασιασμός του ποσοστού χρήσεως των ΑΠΕ στο ενεργειακό πλαίσιο της Ε.Ε. μέχρι το 2010 γύρω στο 12%. Η ενθάρρυνση της συνεργασίας μεταξύ των κρατών-μελών σχετικά με τις ΑΠΕ. Η ενδυνάμωση των πολιτικών της Κοινότητας σχετικά με την πρόοδο και την εξέλιξη των ΑΠΕ, που ενδιαφέρει και ως οικονομικό μέγεθος. Η παρακολούθηση της προόδου που συντελείται ως προς την επίτευξη των στόχων που θέτει η Πράσινη Βίβλος, σχετικά με τη συστηματικότερη χρήση των ΑΠΕ.

1.5.2 Κοινοτική οδηγία 96/92/ΕΚ 9 Η Οδηγία 96/92/ΕΚ έθεσε κάποια νέα πρότυπα στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής. Συγκεκριμένα, ήταν η πρώτη Οδηγία που καθόρισε το βασικό πλαίσιο ρύθμισης της απελευθερωμένης αγοράς. 1.5.3 Κοινοτική οδηγία 2006/32/EΚ Η Οδηγία 2006/32/ΕΚ για την Ενεργειακή Απόδοση κατά την τελική χρήση και τις Ενεργειακές Υπηρεσίες θέτει ως ενδεικτικό στόχο εξοικονόμησης ενέργειας στα κράτη-μέλη 9% μέσα στα επόμενα εννέα χρόνια και, επίσης, υποχρεώνει τα κράτη-μέλη να εκπονήσουν Σχέδια Δράσης Ενεργειακής Απόδοσης (Σ.Δ.Ε.Α.). Πολύ σημαντική Οδηγία είναι η 2002/91/ΕΚ για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων λόγω της προώθησης των παθητικών συστημάτων και ΑΠΕ στον κτιριακό τομέα. 1.5.4 Κοινοτική Οδηγία 2009/28/ΕΚ Η Οδηγία 2009/28/ΕΚ αφορά την προώθηση της χρήσης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και τροποποιεί τις Οδηγίες 200/77/ΕΚ και 2003/30/ΕΚ. Η Οδηγία καθορίζει ένα υποχρεωτικό ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση ενέργειας κάθε κράτους-μέλους έως το 2020 και προβλέπει την κατάρτιση εθνικών σχεδίων δράσης για τις ΑΠΕ. 1.5.5 Λευκή Βίβλος (97/599) Αφού προηγήθηκαν όλες οι πολιτικές ζυμώσεις που απαιτούνται εντός της Ε.Ε., ακολούθησε η Λευκή Βίβλος για μια κοινοτική στρατηγική και ένα σχέδιο δράσης (97/599) που σχετικά με τις ΑΠΕ προέβλεπε, καταρχήν, την ανάγκη μιας κοινοτικής στρατηγικής στην παραγωγή ενέργειας από ΑΠΕ. Στη Λευκή Βίβλο η στρατηγική της Ε.Ε. και το σχέδιο δράσης έχουν ως στόχο την αύξηση συμμετοχής των ΑΠΕ από 5,4% το 1997 στο 12% επί του συνόλου της ενεργειακής κατανάλωσης πρωτογενών πηγών ενέργειας (στην ΕΕ-15) για το 2010. 1.5.6 Κοινοτική οδηγία 2001/77/ΕΚ Η κοινοτική οδηγία 2001/77/ΕΚ έθεσε τις βάσεις για την προώθηση των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή. Για πρώτη φορά τέθηκαν συγκεκριμένοι δεσμευτικοί κανονισμοί για κάθε κράτος-μέλος της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Το ποσοστό αυτό στην Ευρωπαϊκή Ένωση θα πρέπει να φθάνει το 22,1% της συνολικής ηλεκτροπαραγωγής. Επίσης, τα κράτη-μέλη πρέπει να εξασφαλίσουν καλύτερη πρόσβαση και σύνδεση στα δίκτυα για τις ΑΠΕ και να διευκολύνουν τις σχετικές διαδικασίες αδειοδότησης. 1.5.7 Κοινοτική οδηγία 2003/30/ΕΚ Η Οδηγία 2003/30/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου της 8ης Μαΐου 2003 καθορίζει τιμή αναφοράς έως τις 31-12-2005 το 2%, βάσει του ενεργειακού περιεχομένου επί του συνόλου της βενζίνης και του πετρελαίου κίνησης που διατίθεται προς χρήση στις μεταφορές. Έως τις 31-12-2010 το ποσοστό αυτό θα πρέπει να έχει ανέλθει σε 5,75%. 1.5.8 Κοινοτική οδηγία 2004/8/ΕΚ Η Οδηγία 2004/8/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου της 11ης Φεβρουαρίου 2004 έθεσε τις βάσεις για την προώθηση της συμπαραγωγής(παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού) ενέργειας βάσει της ζήτησης για χρήσιμη θερμότητα στην εσωτερική αγορά ενέργειας.

10 1.6 Ενεργειακή κατάσταση στην Ελλάδα Η κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας το 2004 στην Ελλάδα έφτασε τα 32,7 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου πετρελαίου. Πρωταθλητής στο ενεργειακό μείγμα αναδείχθηκε το πετρέλαιο με περίπου 20 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου πετρελαίου και 61,2%, ακολούθησαν ο λιγνίτης με 9,3 εκατομμύρια τόνους και 28,5%, το φυσικό αέριο με 2,2 εκατομμύρια και 6,8% και τέλος τα υδροηλεκτρικά και οι λοιπές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με 1,1 εκατομμύρια και 3,5%. Με λίγα λόγια τα ορυκτά καύσιμα καλύπτουν το 93% της πρωτογενούς ενέργειας και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα. 1.7 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Ελλάδα Εικόνα 2: Φωτοβολταϊκό δυναμικό της Ελλάδας

11 Καθώς ο πλανήτης αντιμετωπίζει ποικίλα και προκλητικά ερωτήματα σχετικά με την παραγωγή και παροχή ενέργειας, η Ελλάδα λαμβάνει κεντρική θέση στην οργάνωση του ενεργειακού μέλλοντος, ως στρατηγικό ενεργειακό κέντρο της Νοτιοανατολικής Ευρώπης και ελκυστικό επενδυτικό τόπο. Η ενεργειακή πολιτική της Ελλάδας ευνοεί μεγάλες επενδύσεις στον ιδιωτικό τομέα. Η Παγκόσμια Τράπεζα εκτιμά ότι θα χρειαστούν επενδύσεις άνω των 30 δισεκατομμυρίων Ευρώ μέχρι το 2020 για την αναβάθμιση και κατασκευή μονάδων παραγωγής ενέργειας, για μεταφορά και διανομή ενέργειας και για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). Η ενεργειακή πολιτική της Ελλάδας, με στόχο να δημιουργήσει βιώσιμες, ανταγωνιστικές και ασφαλείς πηγές ενέργειας, έχει αναπτύξει ένα περιεκτικό ρυθμιστικό πλαίσιο και πλαίσιο αγοράς για τον τομέα της ενέργειας. Σε συνδυασμό με το νομοθετικό πλαίσιο επενδύσεων της Ελλάδας, προβλέπονται εξαιρετικές ευκαιρίες για επενδύσεις σε διάφορους τομείς. Με το Νόμο 2773/1999 απελευθερώθηκε η αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, με αποτέλεσμα η εγχώρια παραγωγή, μεταφορά και διανομή ενέργειας να είναι ανοικτές σε ιδιωτικούς επενδυτές. Η αλλαγή αυτή μεταμόρφωσε την αγορά ηλεκτρισμού και ενέργειας της Ελλάδας σε έναν από τους πιο ελκυστικούς τομείς ανάπτυξης και ευκαιριών στην Ευρώπη. Ενώ, κατά το παρελθόν, η ΔΕΗ κατείχε το μονοπώλιο της παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας, σήμερα εταιρείες από όλο τον κόσμο σπεύδουν να εκμεταλλευτούν αυτή την εξαιρετική ευκαιρία στην ελληνική ενεργειακή αγορά. Η στρατηγική γεωοικονομική θέση της Ελλάδας ανάμεσα σε παραγωγούς ενέργειας της Μέσης Ανατολής, της Βορείου Αφρικής και της περιοχής της Κασπίας Θάλασσας, και πάνω στους καίριους διαύλους μεταφορών του Αιγαίου Πελάγους και της Ανατολικής Μεσογείου, την καθιστούν ως κύριο ενεργειακό κόμβο μεταξύ Ανατολής και Δύσης. Η Ελλάδα έχει θέσει σε εφαρμογή μεγάλα εγχειρήματα σε πετρέλαιο, φυσικό αέριο και εναλλακτικές πηγές ενέργειας, κερδίζοντας έτσι τον κεντρικό ρόλο στον ενεργειακό άξονα της Νοτιοανατολικής Ευρώπης.

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 Γενικά Σχεδόν οτιδήποτε συμβαίνει στη Γη απαιτεί κάποιου είδους ενέργεια. Ο ήλιος είναι η βασική πηγή ζωτικής ενέργειας του πλανήτη μας, καθώς δίνει ζωή σε κάθε οργανισμό της βιόσφαιρας, είναι ένα ελεύθερο αγαθό, χαρίζει φως και θερμότητα και είναι η πηγή όλης σχεδόν της ενέργειας που χρησιμοποιούμε. Στην Ελλάδα, υπάρχει σε αφθονία και ακτινοβολεί μία μεγάλη ποσότητα ενέργειας, με μηδενικό κόστος και χωρίς βλαβερές εκπομπές για το περιβάλλον. Ως ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι η φωτεινή ενέργεια, η θερμική ενέργεια καθώς και η ενέργεια ακτινοβολίας. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου και χρόνου για την εκμετάλλευσή της. Η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παράγεται στον ήλιο. Ο ήλιος είναι αστέρας μέσου μεγέθους όπου, λόγω των μεγάλων θερμοκρασιών που επικρατούν (μερικών εκατομμυρίων ), τα μόρια και άτομα των στοιχείων που τον συνθέτουν βρίσκονται σε κατάσταση νέφους θετικών και αρνητικών ιόντων ή κατάσταση ιονισμένου πλάσματος, όπως ονομάστηκε. Σε αυτές τις θερμοκρασίες οι ταχύτατα κινούμενοι πυρήνες υδρογόνου συσσωματώνονται, υπερνικώντας τις μεταξύ τους απωστικές ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και δημιουργούν πυρήνες του στοιχείου ηλίου. Η πυρηνική αυτή σύντηξη είναι ισχυρά εξώθερμη και οι παραγόμενες τεράστιες ποσότητες ενέργειας ακτινοβολούνται προς όλες τις κατευθύνσεις στο διάστημα. Η γη συλλαμβάνει το ένα δισεκατομμυριοστό της εκπεμπόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, που όμως αντιστοιχεί σε τεράστια ενεργειακή ποσότητα αν αναλογιστούμε ότι η ηλιακή ενέργεια που φτάνει στη γη σε μία εβδομάδα είναι περίπου ίση με τη συνολικά αποθηκευμένη ενέργεια όλων των καυσίμων του πλανήτη. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα σημείο στην επιφάνεια της γης μια δεδομένη χρονική στιγμή χαρακτηρίζεται από την ένταση και την διεύθυνση πρόσπτωσης. Στην επιφάνεια της γης φτάνει μόνο ένα μέρος της ακτινοβολίας που προέρχεται άμεσα από τον ήλιο (άμεση ηλιακή ακτινοβολία), ενώ το υπόλοιπο είτε απορροφάται από τα συστατικά της ατμόσφαιρας είτε ανακλάται πάλι προς το διάστημα ή προς την επιφάνεια της γης. Η ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης μετά από διαδοχικές ανακλάσεις δεν έχει συγκεκριμένη διεύθυνση και καλείται διάχυτη ακτινοβολία.

13 Σχήμα 1: Πρόσπτωση και ανάκλαση ηλιακών ακτίνων Η γη δέχεται ετήσια ηλιακή ενέργεια με ακτινοβολία της τάξης του 173x1015W. Σε ένα 24ωρο κάθε τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας της γης δέχεται κατά μέσο όρο 4-6 KWh ηλιακής ενέργειας με ακτινοβολία 800-2500 ετησίως. Η ποσότητα αυτή είναι περίπου η διπλάσια από αυτή που θα μπορέσει ποτέ να ληφθεί από το σύνολο των μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας της Γης και περισσότερη από αυτή που καταναλώνει σήμερα ο άνθρωπος σε ένα χρόνο. Γι αυτό κρίνεται σκόπιμη η πρακτική εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Όσον αφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσαμε να πούμε ότι διακρίνεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Σχήμα 2: Συστήματα εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας

2.2 Εκμετάλλευση Ηλιακής Ενέργειας 14 2.2.1 Ενεργητικά - Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Η πιο απλή και διαδεδομένη μορφή των ενεργητικών - θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι οι γνωστοί σε όλους μας ηλιακοί θερμοσίφωνες. Απορροφούν την ηλιακή ενέργεια και στη συνέχεια, τη μεταφέρουν με τη μορφή θερμότητας σε κάποιο ρευστό, όπως το νερό. Η απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας γίνεται μέσω ηλιακών συλλεκτών, σκουρόχρωμων επιφανειών (επιλεκτικών ή κενού) και καλά προσανατολισμένων στον ήλιο, οι οποίες βρίσκονται σε επαφή με νερό και του μεταδίδουν μέρος της θερμότητας που παρέλαβαν. Το παραγόμενο ζεστό νερό χρησιμοποιείται για απλή οικιακή ή πιο σύνθετη βιομηχανική χρήση, τελευταία δε ακόμη και για τη θέρμανση και ψύξη χώρων μέσω κατάλληλων διατάξεων. 2.2.2 Παθητικά Ηλιακά Συστήματα Τα παθητικά ηλιακά συστήματα αποτελούνται από δομικά στοιχεία, κατάλληλα σχεδιασμένα και συνδυασμένα μεταξύ τους, ώστε να υποβοηθούν την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τον φυσικό φωτισμό των κτιρίων ή για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας μέσα σε αυτά. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα αποτελούν την αρχή της Βιοκλιματικής Αρχιτεκτονικής και μπορούν να εφαρμοσθούν σε όλους σχεδόν τους τύπους κτιρίων. 2.2.3 Φωτοβολταϊκά Συστήματα Τα φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία είναι και αυτά που θα αναλύσουμε εκτενώς στη παρούσα εργασία είναι συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια και που, εδώ και πολλά χρόνια, χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση μη διασυνδεδεμένων στο ηλεκτρικό δίκτυο καταναλώσεων. Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν τα φωτοβολταϊκά συστήματα για την ηλεκτροδότησή τους. Ο ήλιος η πρώτη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος δεν πρόκειται να εξαντληθεί. Πολύ σύντομα, το ρεύμα από τη στέγη θα είναι φθηνότερο απ' ο,τι το ρεύμα από την πρίζα. Ως εκ τούτου, η ηλιακή ενέργεια βαδίζει στο σωστό δρόμο, ώστε να καταστεί η τεχνολογία-κλειδί για ανανεώσιμη οικονομική ανάπτυξη, σε αντιστοιχία με την ατμομηχανή, το αυτοκίνητο ή τον ηλεκτρονικό υπολογιστή στο παρελθόν. Η ηλιακή ενέργεια δεν εξαρτάται από ηλεκτρικά δίκτυα και καύσιμα. Αποτελεί την ιδανική πηγή για μια ως επί το πλείστον ιδιωτική, αποκεντρωμένη, οικολογική, δίκαιη και παντού διαθέσιμη ηλεκτρική τροφοδοσία.

15 Εξάντληση πόρων, καταστροφή του περιβάλλοντος και βλαπτική επίδραση στο κλίμα, αυτά είναι τα προφανέστερα μειονεκτήματα του πετρελαίου, του αερίου και του λιγνίτη. Επιπλέον, οι ορυκτές πρώτες ύλες, οι σταθμοί παραγωγής και τα ηλεκτρικά δίκτυα κάνουν την κοινωνία μας να εξαρτάται από μεγαλοομίλους. Για τις αναπτυσσόμενες χώρες, τα κεφάλαια για τέτοιου είδους γιγαντιαίες υποδομές είναι ούτως ή άλλως αδύνατον να ανεβρεθούν. Συνεπώς, μια οικολογική και κοινωνικά αποδεκτή ενεργειακή τροφοδοσία μπορεί στο μέλλον να διασφαλιστεί μόνο μέσα από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ούτε καν η ατομική ενέργεια αποτελεί εναλλακτική λύση, αφού όχι μόνο ενέχει υψηλό κίνδυνο, αλλά στην πραγματικότητα είναι ακριβή, πεπερασμένη και σε καμία περίπτωση ασφαλής για το περιβάλλον. Σχήμα 3: Αποθέματα ενέργειας Τα φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούν όπως αναφέρθηκε και παραπάνω μια από τις εφαρμογές των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, με τεράστιο ενδιαφέρον για την Ελλάδα. Εκμεταλλευόμενο το φωτοβολταϊκό φαινόμενο το φωτοβολταϊκό σύστημα παράγει ηλεκτρική ενέργεια από την ηλιακή ενέργεια. Αρχικά θα δούμε τι είναι το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και πως ανακαλύφθηκε και στη συνέχεια θα δούμε πως λειτουργεί ένα ολοκληρωμένο φωτοβολταϊκό σύστημα και θα εστιάσουμε στην ανάλυση των κυκλωμάτων και τη λειτουργία των επιμέρους(φωτοβολταϊκό πάνελ, inverter, φορτιστής, μπαταρία).

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ 16 3.1 Γενικά Μια ιδιότητα των σωμάτων είναι η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα. Στα στερεά η αγωγιμότητα είναι άμεσα συνδεδεμένη με τα ηλεκτρόνια των ατόμων και μάλιστα αυτά που βρίσκονται στις εξωτερικές ηλεκτρονικές στιβάδες. Έτσι σε ορισμένα υλικά, που ονομάζονται αγωγοί η δράση ηλεκτρικού πεδίου προκαλεί τη σχετικά ελεύθερη μετακίνηση των εξωτερικών ηλεκτρονίων(ελεύθερα ηλεκτρόνια) από άτομο σε άτομο και η κίνηση αυτή είναι συνεχής εφόσον υπάρχει το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στον αγωγό. Αγωγοί συνήθως είναι τα μέταλλα όπως ο χαλκός και ο άργυρος. Σε μερικά άλλα υλικά ο δεσμός των ηλεκτρονίων με τον πυρήνα είναι αρκετά ισχυρός και η δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου έχει σαν αποτέλεσμα να τείνει τον δεσμό ηλεκτρονίου - πυρήνος, παρά να τον σπάσει. Τα υλικά αυτά πολώνονται και στην πραγματικότητα η αγωγιμότητά τους είναι εξαιρετικά χαμηλή. Γι' αυτό το λόγο ονομάζονται μονωτές ή διηλεκτρικά και τέτοια είναι π.χ. ο αδάμας και ο χαλαζίας. Ανάμεσα στις δύο αυτές ακραίες περιπτώσεις υλικών, τους αγωγούς και τους μονωτές, υπάρχει μια τρίτη κατηγορία υλικών, οι ημιαγωγοί. Η κατηγορία αυτή των υλικών μας ενδιαφέρει περισσότερο στην παρούσα εργασία διότι από αυτά τα υλικά αποτελούνται τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που θα μελετήσουμε αναλυτικά. Οι ημιαγωγοί από την άποψη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας πλησιάζουν περισσότερο προς τους μονωτές, η αγωγιμότητά τους όμως αυξάνει όταν αυξάνει η θερμοκρασία τους. Αυτό συμβαίνει γιατί με την αύξηση της θερμοκρασίας, όλο και περισσότερα ηλεκτρόνια ελευθερώνονται από τα άτομα, συμβάλλοντας έτσι στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού. Αντίθετα στα μέταλλα η αγωγιμότητα μικραίνει με την αύξηση της θερμοκρασίας. Οι πλέον κοινοί ημιαγωγοί είναι το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge). Αυτά τα δύο στοιχεία βρίσκονται στην τέταρτη στήλη του περιοδικού πίνακα και έχουν αρκετές ιδιότητες που είναι κοινές με εκείνες του άνθρακα. Έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα και κάθε ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια συνδέεται με ένα ηλεκτρόνιο από κάθε κοντινό γειτονικό άτομο, δηλαδή σχηματίζουν τέσσερις ομοιοπολικούς δεσμούς. Έτσι κάθε άτομο αποκτά οκτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα που επιτρέπει το σχηματισμό σταθερών δεσμών και το σχηματισμό κρυστάλλων στους οποίους τα άτομα βρίσκονται σε συγκεκριμένες θέσεις. Στο Σχήμα 4 απεικονίζεται η δημιουργία των ομοιοπολικών δεσμών πυριτίου ή γερμανίου με τη συνεισφορά των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στοιβάδας ενώ στο Σχήμα 5, απεικονίζεται, σε δυο διαστάσεις, η δομή κρυστάλλου τους.

17 Σχήμα 4: Δημιουργία ομοιοπολικών δεσμών πυριτίου ή γερμανίου Πρέπει να σημειωθεί ότι με αντίστοιχο τρόπο δημιουργούνται οι δύο γνωστές κρυσταλλικές δομές του άνθρακα, ο γραφίτης και το διαμάντι. Όταν τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας δεν μπορούν να απομακρυνθούν από τα άτομα δεν θα υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια μέσα στο υλικό και συνεπώς δεν είναι δυνατή και η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτό. Σε αυτή λοιπόν την περίπτωση το υλικό συμπεριφέρεται σαν μονωτής. Σχήμα 5: Δομή κρυστάλλου πυριτίου ή γερμανίου

18 Στο πυρίτιο και το γερμάνιο, λόγω μεγέθους των ατόμων, η σύνδεση των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στοιβάδας με το άτομο είναι χαλαρότερη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, σε θερμοκρασία δωματίου, κάποια από τα ηλεκτρόνια να απομακρυνθούν με θερμικό τρόπο από τα άτομα (βλέπε Σχ. 6) και να κινηθούν ελεύθερα μέσα στον κρύσταλλο του ημιαγωγού μέχρις ότου να συναντήσουν κάποιο άλλο άτομο από το οποίο λείπει ένα ηλεκτρόνιο. Η κίνηση που εκτελούν αυτά τα ηλεκτρόνια είναι εντελώς τυχαία με αποτέλεσμα το μέσο ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στον ημιαγωγό να είναι μηδέν. Αν στον ημιαγωγό εφαρμοστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, με τη βοήθεια μιας εξωτερικής ηλεκτρικής πηγής, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα κινηθούν υπό την επίδραση του πεδίου με αποτέλεσμα να διέλθει μέσα από τον ημιαγωγό ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Το μητρικό άτομο που έχει χάσει, λόγω θερμικής διέγερσης, ένα ηλεκτρόνιο παύει να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και αποκτά θετικό φορτίο. Επειδή το άτομο αυτό δεν μπορεί να μετακινηθεί, το έλλειμμα του αρνητικού φορτίου μπορεί να αντισταθμιστεί με "δανεισμό" ενός ηλεκτρονίου από ένα γειτονικό άτομο, το οποίο στη συνέχεια θα αποκτήσει θετικό φορτίο. Αυτό μπορεί να επαναληφθεί στη συνέχεια με ένα άλλο γειτονικό άτομο κ.ο.κ. Σε ένα ομογενές υλικό όλα τα άτομα και τα ηλεκτρόνια είναι ίδια και όπως προαναφέρθηκε το έλλειμμα ηλεκτρονίου, δηλαδή το θετικό φορτίο, μετακινείται με τυχαίο τρόπο, όπως τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτό το "ελεύθερα" κινούμενο θετικό φορτίο ονομάζεται οπή (hole). Η κίνηση μιας οπής θα διακοπεί όταν "επανασυνδεθεί με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και αλληλοεξουδετερωθούν. Σχήμα 6: Κίνηση ηλεκτρονίων

19 Αυτή η "επανασύνδεση είναι η δέσμευση του ελευθέρου ηλεκτρονίου από ένα άτομο το οποίο έχει έλλειμμα ηλεκτρονίου. Όταν εφαρμοστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, η οπή θα κινηθεί με κατεύθυνση αντίθετη από εκείνη του ηλεκτρονίου. Έτσι σε ένα καθαρό ημιαγωγό, του οποίου όλα τα άτομα είναι ίδια, το ηλεκτρικό ρεύμα που το διαρρέει, και μετράται με τη βοήθεια ενός αμπερομέτρου, έχει δύο συνιστώσες: ενός ρεύματος ηλεκτρονίων και ενός ρεύματος οπών. Επιπλέον σε ένα καθαρό ημιαγωγό ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ελεύθερων οπών. Ένας τέτοιος ημιαγωγός ονομάζεται ενδογενής ημιαγωγός (intrinsic semiconductor). Σε έναν ημιαγωγό η συγκέντρωση (αριθμός/κυβικό εκατοστό) των ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών δεν αυξάνεται συνεχώς λόγω θερμικής διέγερσης. O μηχανισμός επανασύνδεσης, που είναι ανάλογος των συγκεντρώσεων τους, οδηγεί σε μια κατάσταση ισορροπίας όπου οι ρυθμοί γένεσης και επανασύνδεσης εξισώνονται. Αυτή η διαδικασία καθορίζει τις συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών σε ένα καθαρό ημιαγωγό σε κάθε θερμοκρασία και κατ' επέκταση την αγωγιμότητα και ειδική αντίσταση του σε κάθε θερμοκρασία. Πρέπει να σημειωθεί ότι σε έναν καθαρό ημιαγωγό η αντίσταση ελαττώνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία. 3.2 Ενδογενειακές ζώνες ημιαγωγών Η ποσοτική ερμηνεία των ηλεκτρικών, οπτικών και οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων των ημιαγωγών μπορεί να γίνει μόνο με τη βοήθεια της θεωρίας των "ενεργειακών ζωνών" (energy bands). Γενικότερα οι ενεργειακές ζώνες μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε καλύτερα το μηχανισμό που καθορίζει αν ένα υλικό θα είναι μονωτής, ημιαγωγός ή μέταλλο. Οι ενεργειακές ζώνες ορίζουν τις επιτρεπόμενες στάθμες, οι οποίες μπορούν να καταληφθούν από ηλεκτρόνια σε ένα κρυσταλλικό ή ακόμα και άμορφο υλικό. Για να γίνει κατανοητή η έννοια των ενεργειακών ζωνών, χωρίς τη χρήση της κβαντικής φυσικής, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι σε ένα απομονωμένο άτομο τα ηλεκτρόνια κατανέμονται στις διάφορες στιβάδες, δηλαδή κάθε ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε μία εντελώς καθορισμένη ενεργειακή στάθμη. Σε ένα σύστημα πολλών ατόμων, όπως ένας κρύσταλλος ημιαγωγού ή άλλου υλικού, η αλληλεπίδραση που προκύπτει από τη μικρή απόσταση μεταξύ των ατόμων και τη συνεισφορά κάθε ατόμου με ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια για τη δημιουργία των χημικών δεσμών έχει ως αποτέλεσμα τη διαπλάτυνση των ενεργειακών στιβάδων και τη μετατροπή τους σε ενεργειακές ζώνες. Είναι γνωστό ότι σε ένα άτομο ο αριθμός των στοιβάδων είναι μεγάλος. Ο αριθμός των στιβάδων που είναι πλήρως ή μερικά κατειλημμένος από ηλεκτρόνια εξαρτάται από τον αριθμό των πρωτονίων του πυρήνα του ατόμου. Επίσης είναι γνωστό ότι η κατάληψη των στιβάδων με ηλεκτρόνια αρχίζει από αυτές που βρίσκονται πλησιέστερα στον πυρήνα, δηλαδή αυτές που έχουν χαμηλότερη ενέργεια. Αντίστοιχα σε ένα κρυσταλλικό υλικό οι χαμηλότερες ενεργειακές ζώνες είναι πλήρως κατειλημμένες με ηλεκτρόνια. Σε μία τέτοια ζώνη ένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να κινηθεί διότι όλες οι δυνατές θέσεις είναι κατειλημμένες. Ένα ηλεκτρόνιο θα μπορεί να κινηθεί μόνο όταν υπάρχουν ελεύθερες θέσεις σε μία ενεργειακή ζώνη, δηλαδή μόνο όταν μέρος της είναι κατειλημμένο με ηλεκτρόνια. Οι ενεργειακές ζώνες οι οποίες ενεργειακά βρίσκονται υψηλότερα από εκείνη των ηλεκτρονίων σθένους είναι κενές.

20 Όπως σε ένα μεμονωμένο άτομο μεταξύ των στιβάδων υπάρχουν τα ενεργειακά χάσματα έτσι και μεταξύ των ενεργειακών ζωνών υπάρχουν τα αντίστοιχα ενεργειακά χάσματα (band gaps) ή απαγορευμένες ζώνες (forbidden bands), στα οποία δεν υπάρχουν επιτρεπόμενες θέσεις για ηλεκτρόνια (βλ. Σχ. 7). Συνεπώς τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν θέσεις μόνο στις ενεργειακές ζώνες και με ενεργειακά άλματα μεταβαίνουν από μία ζώνη σε άλλη, πράγμα που γίνεται με απορρόφηση ενέργειας για να μεταβούν σε μία υψηλότερη ή με εκπομπή ενέργειας για να μεταβούν σε μια χαμηλότερη, εφόσον εκεί υπάρχουν ελεύθερες θέσεις. Η ενέργεια αυτή μπορεί να είναι θερμική ή να αντιστοιχεί σε φωτόνιο, όπως π.χ. στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και τη φωτοαγωγιμότητα όταν απορροφάται ενέργεια ή κατά την εκπομπή φωτός στις διόδους LED. Σχήμα 7: Ενδογενειακές ζώνες ημιαγωγών Από όλες τις ενεργειακές ζώνες σε ένα υλικό, δυο παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Αυτή που αντιστοιχεί στη στιβάδα των ηλεκτρόνιων σθένους και ονομάζεται ζώνη σθένους (valence band) και η αμέσως επόμενη, η οποία αντιστοιχεί σε υψηλότερη ενέργεια, και ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας (conduction band). Το εύρος κάθε ενεργειακού χάσματος, το οποίο μετράται σε ηλεκτρονιοβόλτ (ev) και το ποσοστό κατάληψης της ζώνης αγωγιμότητας καθορίζονται από το υλικό. Με βάση τις ενεργειακές ζώνες και τα χάσματα ενέργειας είναι δυνατός ο επανακαθορισμός των όρων μονωτής, ημιαγωγός και μέταλλο.

21 Σχήμα 8 Στην περίπτωση ενός μονωτή όπως το διαμάντι(βλ. Σχ. 8), η ζώνη σθένους είναι πλήρως κατειλημμένη και το εύρος του ενεργειακού χάσματος μεταξύ ζώνης σθένους και αγωγιμότητας είναι μεγάλο (6 ev). Έτσι δεν είναι δυνατή η θερμική διέγερση ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας και το υλικό είναι μη αγώγιμο, δηλαδή μονωτής. Στην περίπτωση ενός ημιαγωγού όπως το πυρίτιο(βλ. Σχ. 8), το εύρος του ενεργειακού χάσματος μεταξύ ζώνης σθένους και αγωγιμότητας δεν είναι μεγάλο (1.2 ev). Σ' αυτή την περίπτωση είναι δυνατή η θερμική διέγερση ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας και το υλικό είναι μερικά αγώγιμο, δηλαδή ημιαγωγός. Στην περίπτωση ενός μετάλλου(βλ. Σχ. 8), το εύρος του ενεργειακού χάσματος μεταξύ ζώνης σθένους και αγωγιμότητας είναι μηδενικό, δηλαδή υπάρχει αλληλοεπικάλυψη μεταξύ των ζωνών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ύπαρξη πολύ μεγάλου αριθμού ελεύθερων ηλεκτρονίων και διαθέσιμων ελευθέρων θέσεων στη ζώνη αγωγιμότητας, γεγονός που καθιστά το υλικό πολύ αγώγιμο, δηλαδή μέταλλο. 3.3 Ημιαγωγοί προσμίξεων Οι ενδογενείς ημιαγωγοί έχουν ίσες συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών, γι' αυτό το λόγο οι εφαρμογές τους είναι περιορισμένες και καθορίζονται από το ότι η αντίσταση τους μεταβάλλεται πολύ έντονα όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία ή όταν φωτίζονται. Αν σε έναν ενδογενή ημιαγωγό προστεθεί μια πολύ μικρή ποσότητα ενός στοιχείου της τρίτης ή της πέμπτης ομάδας του περιοδικού πίνακα, ο ημιαγωγός αποκτά προσμίξεις (impurities). Η διαδικασία προσθήκης προσμίξεων ονομάζεται εμπλουτισμός (doping) και το υλικό εμπλουτισμένος ημιαγωγός (doped semiconductor). Σε ένα τέτοιο ημιαγωγό όπου οι προσμίξεις καθορίζουν τις συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών, ο ημιαγωγός παύει να είναι ενδογενής. Επειδή οι συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών καθορίζονται πλέον από έναν εξωγενή παράγοντα, δηλαδή τις προσμίξεις, ο ημιαγωγός ονομάζεται και εξωγενής ημιαγωγός (extrinsic semiconsductor). Το είδος των προσμίξεων που θα χρησιμοποιηθεί θα καθορίσει αν η συγκέντρωση των ηλεκτρόνιων θα είναι μεγαλύτερη από εκείνη των οπών ή αντίθετα. Στην πρώτη περίπτωση ο ημιαγωγός καλείται τύπου

22 Ν και στη δεύτερη τύπου Ρ, από το γεγονός ότι τα φορτία που άγουν τη ηλεκτρικό ρεύμα είναι ηλεκτρόνια, δηλ. αρνητικά (Negative) ή οπές δηλ. θετικά (Positive), αντίστοιχα. Σε ένα τέτοιο ημιαγωγό οι προσμίξεις καταλαμβάνουν θέσεις των ατόμων του υλικού και σχηματίζουν δεσμούς. 3.3.1 Ημιαγωγοί τύπου Ν Οι ημιαγωγοί τύπου Ν δημιουργούνται όταν σε ένα ημιαγωγό όπως το πυρίτιο ή το γερμάνιο προστεθεί πολύ μικρή ποσότητα ενός στοιχείου της πέμπτης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Τα στοιχεία που συνήθως χρησιμοποιούνται ως προσμίξεις είναι το αρσενικό, ο φωσφόρος και το αντιμόνιο ενώ η ποσότητα που απαιτείται είναι της τάξης των μερικών μερών στο εκατομμύριο, δηλαδή σε κάθε ένα εκατομμύριο άτομα πυριτίου ή γερμανίου υπάρχουν μερικά άτομα αρσενικού ή φωσφόρου. Τα άτομα της πρόσμιξης ενσωματώνονται στην κρυσταλλική δομή του ημιαγωγού, καταλαμβάνουν θέσεις των ατόμων του και σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα γειτονικά άτομα. Επειδή τα άτομα της πέμπτης ομάδας του περιοδικού πίνακα έχουν πέντε ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους, όταν καταλάβουν μία θέση σε ένα άτομο του ημιαγωγού θα χρησιμοποιήσουν τα τέσσερα για το σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών και θα παραμείνει αδιάθετο ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο θα περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα της πρόσμιξης. Σχήμα 9: Ηλεκτρόνιο σε ημιαγωγούς τύπου N Το ηλεκτρόνιο αυτό μπορεί, σε θερμοκρασία δωματίου, να απομακρυνθεί πολύ πιο εύκολα από ότι ένα ηλεκτρόνιο στον ενδογενή ημιαγωγό (βλ. Σχ. 9). Επειδή το πεντασθενές στοιχείο πρόσμιξης "δίνει" στον ημιαγωγό ηλεκτρόνια, ονομάζεται δότης (donor). Στη συνέχεια το άτομο της πρόσμιξης ιονίζεται και αποκτά θετικό φορτίο. Επειδή η απομάκρυνση του ηλεκτρονίου από το δότη είναι πολύ πιο εύκολη από ότι από ένα άτομο του ημιαγωγού, ο "δανεισμός" ενός ηλεκτρονίου από κάποιο γειτονικό άτομο θα είναι δύσκολος. Επιπλέον η πιθανότητα να βρίσκεται κοντά ένας άλλος δότης που θα μπορούσε εύκολα να "δανείσει" ένα ηλεκτρόνιο είναι αμελητέα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το θετικό φορτίο να