ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ &ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ Τίτλος Διπλωματικής Εργασίας Οικονομοτεχνική Αξιολόγηση Επένδυσης Εγκατάστασης Φωτοβολταικών Συστημάτων Μικρής ή Μεσαίας Ισχύος ΣΤΕΦΑΝΙΑ ΝΤΙΓΡΙΝΤΑΚΗ Α.Μ:231/08072 Επιβλέποντες: Παπαγεωργίου Κων/νος Γκιάλας Ιωάννης Ανδρικόπουλος Ανδρέας 1
Χίος, Ιούνιος 2015 Στην οικογένεια και τους φίλους μου. 2
Ευχαριστίες Οφείλω να εκφράσω τις ευχαριστίες μου σε όλους τους ανθρώπους που μου αφιέρωσαν κάποιες ώρες από το χρόνο τους για να με βοηθήσουν να πάρω το επιθυμητό αποτέλεσμα της εργασίας μου. Συγκεκριμένα θέλω να ευχαριστήσω: Τον Κύριο Παπαγεωργίου Αναπληρωτή Καθηγητή του τμήματος Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης, Σχολή Επιστημών της Διοίκησης του Πανεπιστημίου Αιγαίου, και Επιβλέποντα Καθηγητή της διπλωματικής μουεργασίας,για την άριστη συνεργασία, τον πολύτιμο χρόνο που μου διέθεσε παρόλο το πιεστικό πρόγραμμα του, για την καθοδήγηση που χωρίς αυτή θα ήταν αδύνατη η εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Τον ΚύριοΑνδρικόπουλο Ανδρέα, Επίκουρος καθηγητής του τμήματος Διοίκησης Επιχειρήσεων,Σχολή Επιστημών της Διοίκησης του Πανεπιστημίου για την επίβλεψη, καθοδήγηση και τις προτάσεις του για πιο σωστή ανάλυση και προσέγγιση της οικονομοτεχνικής μελέτης καθώς και για τη συμμετοχή του στην εξεταστική επιτροπή. Τον κ. Γκιάλα Ιωάννη, Καθηγητή στο τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης, Σχολή Επιστημών της Διοίκησης του Πανεπιστημίου, για τον χρόνο που διέθεσε και την αποδοχή της πρόσκλησης να αποτελέσει μέλος της τριμελούς επιτροπής. Δεν θα μπορούσα να μην ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου για την συμπαράσταση όχι μόνο κατά την διάρκεια της εκπόνησης της εργασίας αλλά και κατά τη διάρκεια των χρόνων της φοιτητικής μου πορείας. 3
Περίληψη Η παρούσα διπλωματική έχει ως αντικείμενο την αξιολόγηση επένδυσης εγκατάστασης φωτοβολταικού συστήματος το οποίο θα καλύπτει τις ανάγκες μιας συστοιχίας θερμοκηπίων για την παραγωγή μανιταριών. Συλλέγοντας τα κατάλληλα στοιχεία σχετικά με τις ανάγκες των θερμοκηπίων σε ρεύμα και μελετώντας την οικονομοτεχνική μελέτη με βάση τις μεταβλητές μας θα ελέγξω τη βιωσιμότητα της εγκατάστασης. Λόγω της υψηλής απαίτησης της επιχείρησης σε ρεύμα θα μελετήσουμε μόνο το 1\10 αυτής. Αυτό θα το επιτύχουμε μέσω ενός αυτόνομου φωτοβολταικού συστήματος ονομαστικής ισχύς 5 kw. Αρχικά αναφέρονται κάποια στοιχεία σχετικά με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργεια και αναλυτικότερα την ηλιακή, στη συνέχεια περιγράφεται το φωτοβολταικό φαινόμενο και η τεχνολογία των φωτοβολταικών αλλά και η εξέλιξη αυτής της ανακάλυψης κατά την πάροδο του χρόνου. Έπειτα περιγράφονται πιο λεπτομερώς τα είδη φωτοβολταικών στοιχείων αλλά και άλλα στοιχεία και απαραίτητα εξαρτήματα που έχουν να κάνουν με την εγκατάσταση τους. Στο επόμενο και πιο σημαντικό κεφάλαιο γίνεται η διαστασιολόγηση του προβλήματος και αναλυτική περιγραφή της μελέτης περίπτωσης και κοστολόγηση του προβλήματος. Τέλος γίνεται η οικονομοτεχνική μελέτη του προβλήματος, μελέτη των δεικτών IRR και MPV και ανάλυση ευαισθησίας ως προς τις περισσότερες από τις παραμέτρους αυτές και εξάγονται τα τελικά συμπεράσματα για την ανθεκτικότητα και την οικονομική βιωσιμότητα της επένδυσης, σε περιπτώσεις αβεβαιότητας. 4
Abstract Present diplomatic has as object the evaluation of investment of installation of photovoltaic system which will cover the needs of a greenhouses for the production of mushrooms. Collecting the suitable elements for the needs of greenhouses in electricity and studying the financial assessment based on our variables, we will check the viability of installation. Because we have high requirement of electricity, we will only study 1\10 percent of the greenhouse needs. This we will achieve it by a autonomous solar system of low force which is 5kW. Initially are reported certain elements with regard to the renewable sources energy and more analytically solar energy, afterwards are described not only the photovoltaic phenomenon and the technology of solar panels system but also the development of this discovery at the byway of time. Then are described more at greater length the goods of photovoltaic elements and other essential elements that they have to do with the installation of the system. In the next and more important capital become the technical and energy analysis of our problem. Finally becomes the financial study of problem, with the use of indicators IRR and MPV and analysis of sensitivity as for most from this parameters and is exported the final conclusions on the resistibility and the economic viability of investment, in cases of uncertainty. 5
Εισαγωγή Είναι γνωστό ότι η κατοικούμε σε μια χώρα η οποία έχει κατάλληλες κλιματολογικές συνθήκες για την ανάπτυξη της αγοράς των φωτοβολταικών. Παρόλα αυτά η αγορά μέχρι και το 2008 βρισκόταν σε πολύ πρώιμο στάδιο. Από το 2009 και μετά όμως άρχισαν να εγκαθίστανται όλο και περισσότερα συστήματα φωτοβολταικών φτάνοντας στο αποκορύφωμα τους το προς το τέλος του 2012 πλησιάζοντας την συνολική ισχύ των 2,5 GW.Βέβαια από το 2013 και μετά υπάρχει μια στασιμότητα αφού δεν δίνονται πλέον άδειες εγκατάστασης και αυτό γιατί η Ελλάδα έχει φτάσει την επιθυμητή ποσότητα ισχύος βάση την ευρωπαϊκή ένωση. Φυσικά βάση για αυτή την θεαματική πρόοδο ήταν το ευνοϊκό νομοθετικό πλαίσιο αλλά και οι ανάπτυξη πολλών επιχειρήσεων γύρω από την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών. Αρχικά έγιναν ευρέως γνωστά τα αγροτικά φωτοβολταικά,εγκαταστάσεις δηλαδή οι οποίες στόχος τους είναι να καλύψουν την ανάγκες ηλεκτρισμούθερμοκηπίων, κτηνοτροφικών εγκαταστάσεων κλπ.αργότερα αναπτύχθηκαν και τα λεγόμενα οικιακά φωτοβολταικά τα οποία καλύπτουν τις ανάγκες των σπιτιών σε ρεύμα αλλά η ενέργεια που παράγεται πωλείται από των ιδιώτη στην ΔΕΗ. Ωστόσο η εγκατάσταση φωτοβολταικών δεν έχει να κάνει μόνο με την τεχνογνωσία γύρω από την εγκατάσταση αλλά και κατά πόσο μας ωφελεί σαν επένδυση. Όπως είναι λοιπόν κατανοητό για την εγκατάσταση τους είναι απαραίτητοι όχι μόνο μελετητές οι οποίοι έχουν να κάνουν με την εγκατάσταση τους αλλά και οικονομικοί σύμβουλοι οι οποίοι θα ελέγξουν τους κατάλληλους δείκτες επένδυσης ώστε να μας ενημερώσουν για τα οφέλη της. Στόχος λοιπόντης παρούσας διπλωματικής είναι η σύνδεση ανάμεσα στην πρακτική γνώση της αγοράς και της ακαδημαϊκής μεθόδου διερεύνησης και ανάλυσης. Στην συγκεκριμένη μελέτη περίπτωσης θα μελετηθεί εγκατάσταση φωτοβολταικών που θα πρέπει να καλύπτει της ετήσιες ανάγκες θερμοκηπίου. Έπειτα βάση κατάλληλων οικονομικών δεικτών θα γίνει η οικονομική ανάλυση για να ελέχθη η βιωσιμότητα μιας τέτοιας επένδυσης. 6
Περιεχόμενα Ευχαριστίες...3 Περίληψη..4 Εισαγωγή..6 Περιεχόμενα...7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1:ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΕΣ ΤΗΣ.10 1.1:Εισαγωγή...10 1.2: Ορισμός ενέργειας 10 1.3:Αναλυτικότερα οι μορφές ενέργειας.11 1.4:Άλλες πηγές ενέργειας..13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2:ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 15 2.1:Εισαγωγή..15 2.2:Χαρακτηριστικά Α.Π.Ε.15 2.3:Τύποι Α.Π.Ε..16 2.4:Ρυθμός ανάπτυξης Α.Π.Ε..19 2.5:Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Α.Π.Ε 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3:ΗΛΙΑΚΗΕΝΕΡΓΕΙΑ..22 3.1:Εισαγωγή 22 3.2:Ηλιακή απόκλιση 23 3.3:Προσανατολισμός επιφάνειας.25 3.4:Ηλιακή ενέργεια και κύκλος ζωής...27 3.5:Χρήσεις ηλιακής ενέργειας.28 3.6:Ηλιακή ενέργεια και άλλες πηγές της.29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4:ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΑΙ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ..30 4.1:Εισαγωγή...30 4.2:Ιστορικήαναδρομή.30 7
4.3:Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.31 4.4:Ημιαγωγοί Κρύσταλλοι..32 4.5:Ημιαγωγοί p-n 33 4.6:Φωτοβολταικόφαινόμενο..34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5:ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ..35 5.1:Εισαγωγή.35 5.2:Είδη φωτοβολταικών συστημάτων..35 5.3:Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα φωτοβολταικής τεχνολογίας..37 5.4:Φωτοβολταική τεχνολογία στην Ελλάδα.39 5.5:Είδη φωτοβολταικών στοιχείων.. 40 5.6:Εξοπλισμός φωτοβολταικού συστήματος 44 5.6.1:Βάσεις στήριξης 44 5.6.2:Μπαταρίες.45 5.6.3:Ρυθμιστές φόρτισης..47 5.6.4:Αντιστροφείς.49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6:ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 51 6.1:Εισαγωγή.51 6.1.1:Εύρεση απαιτούμενης απόστασης μεταξύ συλλεκτών.51 6.1.2:Βαθμός απόδοσης φωτοβολταικού πλαισίου..53 6.1.3:Υπολογισμός ηλεκτρικής ενέργειας φωτοβολταικού πλαισίου 55 6.1.4:Μέγιστη αποδιδόμενη ηλεκτρική ενέργεια του φωτοβολταικού συστήματος 55 6.2: Διαστασιολόγηση της μελέτης περίπτωσης...56 6.2.1:Εισαγωγή.56 6.2.2:Επιλογή φωτοβολταικού πλαισίου..57 6.2.3:Ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του φωτοβολταικού συστήματος..59 6.2.4:Μεθοδολογία υπολογισμού με Pvest...60 6.3:Ανάλυση καταναλώσεων και αυτονομία συστήματος...64 8
6.3.1:Εισαγωγή.64 6.3.2:Συνολικές ανάγκες κατανάλωσης θερμοκηπίου.65 6.3.3:Χαρακτηριστικά και πλήθος μπαταριών..65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7:ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ.66 7.1:Βασικές έννοιες 66 7.1.1:Χρηματοροές 66 7.1.2:Πληθωρισμός 67 7.2:Μελέτη βιωσιμότητας της επένδυσης. 68 7.2.1:Οικονομικά χαρακτηριστικά της υπό μελέτη φωτοβολταικής εγκατάστασης...69 7.2.1.1:Εκτίμηση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.69 7.2.1.2:Κόστος Αρχικής εγκατάστασης.69 7.2.1.3:Λειτουργικά έξοδα.70 7.3:Κόστος ηλεκτρικής ενέργειας..70 7.4:Διαμόρφωση χρηµατοροών επιχείρησης μετά την εγκατάσταση...71 7.4.1:Χρηματοδότηση 71 7.4.2:Μορφές ανατοκισμού... 72 7.4.3:Χαρακτηριστικά δανείου..72 7.4.4:Τρόποι αποπληρωμής δανείου.73 7.5:Πηγές χρηματοδότησης για υλοποίηση εγκατάστασης.....73 7.5.1:Χρηματοδοτικό σχήμα 74 7.5.2:Ένταξη στο πρόγραμμα..75 7.6:Βιωσιμότητα επένδυσης.76 7.6.1:Εισαγωγή...76 7.6.2:Υπολογισμός καθαρών ταμειακών ροών...76 7.7:Οικονομικοί δείκτες...78 7.8:Ανάλυση ευαισθησίας...80 7.9:Προσδιορισμός Οικονομικών Δεικτών..81 9
7.9.1:Αξιολόγηση οικονομικών περίπτωση 1 η (Απόδοση ίδιων κεφαλαίων).. 82 7.9.2:Ανάλυση ευαισθησίας επενδυτικού σχεδίου...84 7.9.3:Αξιολόγηση οικονομικών δεικτών περίπτωση 2 η (Απόδοση του συνόλου των κεφαλαίων) 89 Συμπεράσματα...91 10
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1:ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΕΣ ΤΗΣ 1.1 Εισαγωγή Η ιστορία για το πώς η ενέργεια χρησιμοποιούνταν αλλά και χρησιμοποιείται μας αποδεικνύει την πολύτιμη σημασία της σε βασικές ανάγκες του ανθρώπου εδώ και εκατομμύρια χρόνια. Παίρνοντας ως αφετηρία τον ξυλάνθρακα ο οποίος χρησίμευε όπως ακόμα και σήμερα στο μαγείρεμα του φαγητού, προχωρώντας στην παραγωγή χαλκού και στην πυρίτιδα τον 13ºαιώνα, φτάνουμε στον πρώτο και δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο που ο κόσμος έρχεται αντιμέτωπος με την πυρηνική ενέργεια. Ας δούμε όμως αναλυτικά τον ορισμό της ενέργειας, πώς αυτή μετράται αλλά και τις διάφορες μορφές της. 1.2 Ορισμός Ενέργειας Η ενέργεια είναι μία έννοια με την οποία είμαστε εξοικειωμένοι στην καθημερινότητα μας. Στη φυσική η ενέργεια είναι ένα μέγεθος που μετρά ποσοτικά την κίνηση της ύλης και με το οποίο μπορούμε να περιγράψουμε τα φυσικά φαινόμενα. Οι νόμοι της βασίζονται στους νόμους του Newton [1] και αναφέρεται πάντα σε μια φυσική οντότητα όπως σωματίδιο, σύστημα σωμάτων, ηλεκτρομαγνητικό πεδίο κ.λπ.. Αποτελεί μία ιδιότητα του συστήματος το οποίοβάση του νόμου διατήρησης ενέργειας εάν χάσει ενέργεια θα κερδίσει ίση ποσότητα σε άλλες μορφές. Στην περίπτωση τώρα που ένα τέτοιο σύστημα ανταλλάξει ενέργειά με το περιβάλλον έχουμε μεταφορά κίνησης σε αυτό και αντίστροφα και συνεπώς μεταβολή της ενέργειας του συστήματος. Για αυτή την μεταβολή από σύστημα σε σύστημα δηλαδή χρησιμοποιούμε τον όρο έργο το οποίο πρόκειται για ένα μακροσκοπικό μηχανισμό διακίνησης ενέργειας, δεν αποτελεί ιδιότητα του συστήματος και απλά χαρακτηρίζει την κατάσταση του. Η ενέργεια με την οποία τροφοδοτείται ο πλανήτης μας προέρχεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από τον Ήλιο με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Βασικά χαρακτηριστικά της ενέργειας είναι: 11 Ότι οποιαδήποτε αλλαγή κατάστασης σε φυσικό, χημικό ή ακόμη και βιολογικό επίπεδο συνοδεύεται από αντίστοιχη ενεργειακή μεταβολή η ικανότητά της να παραμένει ποσοτικά αναλλοίωτη, μέσα από τους μετασχηματισμούς της κατά την εξέλιξη των διαφόρων φαινομένων οι 2 νόμοι θερμοδυναμικής που την διέπουν που κατά τον πρώτο νόμο θερμοδυναμικής η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί από το μηδέν και δεν μπορεί να καταστραφεί. Μπορεί να αλλάζει μόνο μορφή, αλλά το σύνολο της ενέργειας σε ένα κλειστό σύστημα είναι σταθερό και κατά τον δεύτερο νόμο θερμοδυναμικής δεν μπορούμε να εξοικονομήσουμε ενέργεια ανακυκλώνοντας
την ίδια την ενέργεια αφού η ενέργεια κατά τις μετατροπές της υποβαθμίζεται και η εντροπία αυξάνεται. Και τέλος η πολυμορφία της,ανάλογα δηλαδή με τον τρόπο που έχει αποκτηθεί, ανταλλαχθεί ή αποθηκευτεί, μπορούμε να μιλήσουμε για πολλές μορφές ενέργειας όπως: i. Μηχανική ενέργεια, που συνδυάζει την κινητική και τη δυναμική. ii. Ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, που συνδυάζει την ηλεκτρική και τη φωτεινή ή ενέργεια ακτινοβολίας, iii. Πυρηνική ενέργεια iv. Θερμική ενέργεια v. Χημική ενέργεια Κύρια μονάδα μέτρησης της Ενέργειας, Θερμότητας, Έργου στο SI είναι το joule (J), ΙσχύειJ = Ν * mδηλ 1 Joule = 1 Newton * 1 Meter[2]. 1.3 Αναλυτικότερα οι μορφές ενέργειας: Κινητική ενέργεια Είναι η ενέργεια που έχει ένα σώμα όταν κινείται και αναφέρεται στην ικανότητά του να παράγει έργο και εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες: τη μάζα και την ταχύτητα ενός κινούμενου σώματος. Δυναμική ενέργεια Ως δυναμική ενέργεια ορίζεται η ενέργεια που κατέχει ένα σώμα λόγω της θέσεως ή της κατάστασής του, είναι δηλαδή η δυνατότητα του σώματος να παράγει έργο επειδή βρίσκεται μέσα σε κάποιο πεδίο δυνάμεων. Συγκεκριμένα, η δυναμική ενέργεια διακρίνεται σε ενέργεια θέσεως (π.χ. ένα σώμα σε πεδίο βαρύτητας που έχει τη δυνατότητα να κινηθεί σε χαμηλότερη θέση παράγοντας έργο) και ενέργεια μορφής η αλλιώς παραμόρφωσης, που εμφανίζεται όταν συστρέφουμε, συμπιέζουμε, τεντώνουμε ή λυγίζουμε ένα υλικό αλλάζοντας τη φυσική του μορφή (π.χ. το παραμορφωμένο ελατήριο ή λάστιχο). Στην περίπτωση αυτή, το σώμα μπορεί να παράγει έργο επανερχόμενο στη "φυσική" του μορφή.. Στην περίπτωση ενός ομογενούς δυναμικού πεδίου, δηλαδή ενός πεδίου όπου η δύναμη είναι σταθερή σε όλη την έκτασή του, η δυναμική ενέργεια ενός σώματος ορίζεται ως το γινόμενο της δύναμης που ασκείται επάνω του επί την απόστασή του από την περιοχή του πεδίου, όπου θεωρούμε συμβατικά ότι η δυναμική ενέργεια έχει μηδενική τιμή [2]: 12
F dr όπου F = δύναμη του πεδίου που ασκείται στο σώμα,dr = απόσταση από το σημείο με μηδενική δυναμική ενέργεια. Εάν το πεδίο δεν είναι ομογενές, δηλαδή η δύναμη μεταβάλλεται κατά μέτρο και φορά από σημείο σε σημείο, ο παραπάνω ορισμός γίνεται: Για να έχει νόημα η δυναμική ενέργεια, πρέπει ο παραπάνω υπολογισμός να μην εξαρτάται από τη διαδρομή που ακολουθήσαμε μεταξύ των δύο σημείων. Ένα δυναμικό πεδίο με την ιδιότητα αυτή ονομάζεται στατικό. Μηχανική ενέργεια Η Κινητική και η Δυναμική ενέργεια θεωρούνται ως οι δύο μορφές της Μηχανικής ενέργειας. Κατά την κίνηση ενός σώματος ή φορτίου σε συντηρητικό πεδίο δυνάμεων, και εφόσον δεν υπάρχουν τριβές, η δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και το αντίστροφο, το άθροισμά τους όμως είναι πάντα σταθερό και ίσο με τη μηχανική ενέργεια που αρχικά είχε το σώμα. Πυρηνική ενέργεια ή Ατομική ενέργεια Ονομάζεται η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν μετασχηματίζονται ατομικοί πυρήνες. Είναι δηλαδή η δυναμική ενέργεια που είναι εγκλεισμένη 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. Θερμική ενέργεια Η θερμική ενέργεια, το σύνολο δηλαδή της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που συγκροτούν τα υλικά σώματα, καθώς αυτά κινούνται στο εσωτερικό τους. Με τον όρο θερμότητα εννοούμε ειδικά την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα υψηλής θερμοκρασίας σε άλλο με χαμηλότερη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η κινητική ενέργεια των σωματιδίων του.η θερμική ενέργεια μπορεί να είναι αποτέλεσμα της ηλιακής ενέργειας. 13
Ηλεκτρική ενέργεια Η ηλεκτρική ενέργεια, που αναφέρεται στην κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων (ηλεκτρικό ρεύμα), λόγω της ύπαρξης διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός αγωγού. Χημική ενέργεια Η χημική ενέργεια, το σύνολο της δυναμικής ενέργειας που απαιτήθηκε για τη συγκρότηση μορίων χημικών ουσιών από διάφορα άτομα, κάτω από την αλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Η χημική ενέργεια αποδίδεται συνήθως ως θερμική ή ηλεκτρική, όταν τα μόρια διασπώνται και πάλι σε άτομα ή μετασχηματίζεται στους οργανισμούς σε θερμική και κινητική, με βιολογικούς μηχανισμούς, και ονομάζεται ζωική ενέργεια. 1.4 Άλλες πήγες ενέργειας Όσον αφορά στους φυσικούς πόρους - πηγές που χρησιμοποιούμε για να την αποκτήσουμε, η ενέργεια διακρίνεται σε ανανεώσιμη και μη ανανεώσιμη ή συμβατική. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) είναι[18]: Ηλιακή ενέργεια Αιολική ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια Βιομάζα Ηλεκτρομαγνητική Οι μη ανανεώσιμες ή Συμβατικές προέρχονται από ορυκτά καύσιμα τα οποία διακρίνονται σε: Στερεά (άνθρακας) Υγρά (πετρέλαιο) Αέρια (φυσικό αέριο) Στις μη ανανεώσιμες ανήκει και η Πυρηνική ενέργεια, καθότι για την παραγωγή της καίμε το ορυκτό καύσιμο Ουράνιο 235 ή το τεχνητό Πλουτώνιο 238 ή άλλα ασταθή στοιχεία, τα οποία μετατρέπονται σε ελαφρύτερα στοιχεία. 14
Αναλυτικά στοιχεία για τα ποσοστά ενέργειας δίνονται στo παρακάτω διάγραμμα. Σχήμα 1.1:Ποσοστά πηγών ενέργειας 15
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2:ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 Εισαγωγή Λόγω των επικίνδυνων κλιματικών αλλαγών που οφείλονται στη καύση των ορυκτών πόρων η ανάγκη για στροφή στις καθαρές πηγές ενέργειας είναι αναγκαία. Οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας (ΑΠΕ) ή ήπιες μορφές ενέργειας, είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχονται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεμος, η γεωθερμία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Συγκεκριμένα ως ενέργεια από ανανεώσιμες μη ορυκτές πηγές θεωρείται η αιολική, ηλιακή, αεροθερμική, γεωθερμική, υδροθερμική και ενέργεια των ωκεανών, υδροηλεκτρική, από βιομάζα, από τα εκλυόμενα στους χώρους υγειονομικής ταφής αέρια, από αέρια μονάδων επεξεργασίας λυμάτων και από βιοαέριο. 2.2 Χαρακτηριστικά ΑΠΕ Ο όρος «ήπιες» αναφέρεται σε 3 βασικά χαρακτηριστικά τους. Αρχικά, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση, όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση, όπως με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας, αλλά απλώς η εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. Δεύτερον, πρόκειται για «καθαρές» μορφές ενέργειας, πολύ «φιλικές» που δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον και δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα, όπως οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα και γι αυτό θεωρούνται η αφετηρία για την επίλυση των οικολογικών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η γη. Τρίτον, οι ΑΠΕ χαρακτηρίζονται ως η λύση του προβλήματος της αναμενόμενης εξάντλησης των (μη ανανεώσιμων) αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων αφού πρακτικά είναι ανεξάντλητες και η αξιοποίησή τους περιορίζεται μόνον από την ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών που θα έχουν σαν σκοπό την δέσμευση του δυναμικού τους. 2.3 Τύποι ΑΠΕ Γενικά οι ήπιες μορφές ενέργειας βασίζονται κατ' ουσίαν στην ηλιακή ακτινοβολία, με εξαίρεση τη γεωθερμική ενέργεια, η οποία είναι ροή ενέργειας από το εσωτερικό του φλοιού της γης, και την ενέργεια απ' τις παλίρροιες που εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα. Οι βασιζόμενες στην ηλιακή ακτινοβολία ήπιες πηγές ενέργειας είναι ανανεώσιμες, μιας και δεν πρόκειται να εξαντληθούν όσο υπάρχει ο ήλιος, δηλαδή για μερικά ακόμα δισεκατομμύρια χρόνια. Ιδιαίτερα στη χώρα μας έχουμε προνομιακή θέση στον τομέα αυτό αφού τα ποσοστά ηλιοφάνειας είναι μεγάλα και πρέπει να εκμεταλλευτούμε αυτό το τεράστιο δυναμικό το οποίο μένει ακόμα αναξιοποίητο[1] [4]. 16
ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Χρησιμοποιείται περισσότερο για θερμικές εφαρμογές (ηλιακοί θερμοσίφωνες και φούρνοι) ενώ η χρήση της για την παραγωγή ηλεκτρισμού έχει αρχίσει να κερδίζει έδαφος, με την βοήθεια της πολιτικής προώθησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας από το ελληνικό κράτος και την Ευρωπαϊκή Ένωση. Εικόνα 2.1:Αξιοποίηση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω φωτοβολταικών γεννητριών ΒΙΟΜΑΖΑ Βιομάζα ονομάζουμε οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς, όπως τα φυτά, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της φωτοσύνθεσης κατά την οποία τα φυτά έχουν δεσμεύσει ηλιακή ενέργεια στους ιστούς τους και μέσα από αυτά η από σπόρους τους μπορούν να παραχθούν υγρά καύσιμα. Τέτοια καύσιμα είναι η βιοαιθανόλη και το βιοντίζελ. Εικόνα 2.2:Καύση βιομάζας για θέρμανση οικίας ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 17
Η αιολική εκμεταλλεύεται τους ανέμους που προκαλούνται απ' τη θέρμανση του αέρα ενώ αυτές που βασίζονται στο νερό εκμεταλλεύονται τον κύκλο εξάτμισης-συμπύκνωσης του νερού και την κυκλοφορία του. Παλαιότερα χρησιμοποιούσαμε ανεμόμυλους για την άλεση σιταριού, πλέον χρησιμοποιούνται ανεμογεννήτριες οι οποίες ανάλογα με την ταχύτητα του αέρα μετατρέπουν την αντίστοιχη ενέργεια του σε ηλεκτρική. Εικόνα 2.3:Αιολικό πάρκο ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ. Είναι τα γνωστά υδροηλεκτρικά έργα, που στο πεδίο των ήπιων μορφών ενέργειας εξειδικεύονται περισσότερο στα μικρά υδροηλεκτρικά. Είναι η πιο διαδεδομένη μορφή ανανεώσιμης ενέργειας. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΗ ΘΑΛΑΣΣΑ i. Ενέργεια από παλίρροιες: Εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Το νερό αποθηκεύεται καθώς ανεβαίνει και για να ξανακατέβει αναγκάζεται να περάσει μέσα από μια τουρμπίνα, παράγοντας ηλεκτρισμό. Έχει εφαρμοστεί στην Αγγλία, τη Γαλλία, τη Ρωσία και αλλού. ii. Ενέργεια από κύματα: Εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας. iii. Ενέργεια από τους ωκεανούς: Εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, κάνοντας χρήση θερμικών κύκλων. Βρίσκεται στο στάδιο της έρευνας. 18
Εικόνα 2.6:Διαδικασία παραγωγής ενέργειας μέσω γεννήτρια από την θάλασσα 2.4 Ρυθμός ανάπτυξης ΑΠΕ Η πρώτη επαφή με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έγινε από τους προγόνους μας οι οποίοι διαπίστωσαν ότι μπορούν να εκμεταλλευτούν τον άνεμο, τη φωτιά και το νερό. Φτιάχνοντας έτσι εργαλεία και μηχανήματα που μείωσαν την δίκη τους χειρονακτική εργασία. Έτσι προετοιμάζεται το έδαφος για την εμφάνιση χρόνια μετά των θερμικών μηχανών και των ατμομηχανών. Τα επόμενα χρόνια περνάμε πλέον στην εκμετάλλευση καύσιμων υλών, του αργού πετρελαίου και των προϊόντων του δηλαδή, τα οποία είναι στις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Βλέποντας όμως τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που κάποιες από τις βασικές είναι η κλιματική αλλαγή, οι υψηλότερες ακραίες θερμοκρασίες, οι ξηρασίες καθώς και η άνοδος της στάθμης της θάλασσας, ο άνθρωπος αρχίζει να αναζητά εναλλακτικές πηγές ενέργειας[3]. Μετά λοιπόν την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 [5] αρχίζει η ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας 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. Παρολ αυτά όμως λόγω του υψηλού κόστους τους ξεκίνησαν σαν πειραματικές εφαρμογές. Σήμερα όμως υιοθετούνται νέες τεχνολογίες και πολιτικές για την χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας οι οποίες παίζουν σημαντικό ρόλο στους επίσημους σχεδιασμούς των ανεπτυγμένων κρατών και αποτελούν τη βάση του μοντέλου οικονομικής ανάπτυξης της πράσινης οικονομίας. Παγκοσμίως συνεισφέρουν σε επίπεδο περίπου 18% της παραγωγής ενέργειας. Το 15% προέρχεται από μεγάλους υδροηλεκτρικούς σταθμούς και το 3,4% από τις νέες 19
ΑΠΕ οι οποίες είναι η μικρή υδροηλεκτρική, η βιομάζα, η ηλιακή, αιολική, γεωθερμική και τα βιοκαύσιμα [30]. Η Ελλάδα η συνολική εγκατεστημένη ισχύ είναι 4.160,8 MW. Από τα οποία 2.312,5MW είναι σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, ακολουθούν τα αιολικά με συνολική καθαρή ισχύ 1.494,7 MW, τα μικρά υδροηλεκτρικά με 217,9 MW, η βιομάζα με 45,6 MW και η συμπαραγωγή με 90,1 MW [19]. Στην παρακάτω εικόνα εμφανίζεται σχηματικά η ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας κατά την πάροδο των χρόνων στην Ελλάδα. Σχήμα 2.1:Ρυθμός ανάπτυξης ΑΠΕ στην Ελλάδα 2.5 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα: 1. Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας ουσιαστικά μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. 2. Δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. 3. Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς και να αποτελέσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου[3]. 4. Είναι ευέλικτες εφαρμογές, που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσμού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής ενέργειας (καταρχήν για την ύπαιθρο) αλλά και για μεταφορά της ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις[4]. 20
5. Ο εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει πολύ μεγάλο χρόνο ζωής[4]. 6. Επιδοτούνται από τις περισσότερες κυβερνήσεις. Μειονεκτήματα: 1. Έχουν αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 30% και χαμηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας. Συνεπώς για μεγάλες ποσότητες ισχύος απαιτείται αρκετά μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια της γης. Γι' αυτό το λόγο μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται ως συμπληρωματικές πηγές ενέργειας[4]. 2. Για τον παραπάνω λόγο προς το παρόν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων[3]. 3. Παρουσιάζουν διακυμάνσεις στη διαθεσιμότητά τους που μπορεί να είναι μεγάλης διάρκειας, απαιτώντας την εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών ή διαφορετικά την ύπαρξη δαπανηρών συστημάτων αποθήκευσης. Η χαμηλή διαθεσιμότητά τους οδηγεί σε χαμηλό συντελεστή χρησιμοποίησης των εγκαταστάσεών τους[4]. 4. Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους, αλλά και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. 5. Για τις αιολικές μηχανές υπάρχει η άποψη ότι δεν είναι κομψές από αισθητική άποψη κι ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Με την εξέλιξη όμως της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης (π.χ. σε πλατφόρμες στην ανοιχτή θάλασσα) αυτά τα προβλήματα έχουν σχεδόν λυθεί. 6. Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω από το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. 21 KEΦΑΛΑΙΟ 3: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 3.1 Εισαγωγή Ο ήλιος είναι η βασική πηγή ζωής στον πλανήτη. Περιστρέφεται στον άξονα του κάθε 4 εβδομάδες, ο ισημερινός διαρκεί περίπου 27 ημέρες και οι πολικές περιοχές χρειάζονται περίπου 30 ημέρες για κάθε περιστροφή. Είναι απλανής αστέρας [5] μεμάζα 2 10 30 διάμετρο 1,39 10 9 και μέσω όρο απόστασης από την γη 1,5 10 11 που λόγω των μεγάλων θερμοκρασιών των στοιχείων που τον συνθέτουν, μεταξύ των οποίων είναι και το υδρογόνο, τα μόρια αλλά και τα άτομα τού βρίσκονται σε μία κατάσταση νέφους. Η επιφανειακή θερμοκρασία του υπολογίζεται στα 5777K, ενώ η εσωτερική 15.000.000Κ και η πυκνότητα του υπολογίζεται περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή του νερού. Ο ήλιος είναι στην πραγματικότητα ένας συνεχής
αντιδραστήρας μέσα στον οποίο οι πυρήνες υδρογόνου (Η) νικώντας τις μεταξύ τους απωστικές ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις ενώνονται και σχηματίζουν πυρήνες ηλίου (Ηe). Η παραπάνω αντίδραση είναι εξώθερμη και οφείλεται για τις τεράστιες ποσότητες ηλιακής ενέργειας που εκπέμπονται σε όλο το διάστημα. Η ηλιακή ενέργεια που δέχεται επιφάνεια ίση προς 1cm² όταν εκτεθεί κάθετα σε ηλιακές ακτίνες 1min ονομάζεται ηλιακή σταθερά και σύμφωνα με το παγκόσμιο κέντρο ακτινοβολίας (WRC) υπολογίζεται 1367W/m² [5]. Η ενέργεια αυτή εισέρχεται στα οικοσυστήματα ως μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Από το ποσό της ηλιακής ενέργειας που εισρέει στο οικοσύστημα μόνο μια μικρή ποσότητα απορροφάται από τους φωτοσυνθετικούς μηχανισμούς των φυτών και των βακτηρίων για την φωτοσύνθεση, ενώ το υπόλοιπο μέρος χάνεται στο περιβάλλον ως θερμότητα. Συγκεκριμένα στη στον πλανήτη μας την γη μόνο το 15% της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στην επιφάνεια της απορροφάται ενώ το υπόλοιπο ανακλάται και επιστρέφει στο διάστημα. Παρολ αυτά αυτό το ποσοστό είναι αρκετό για να δημιουργηθεί και να διατηρηθεί ο κύκλος ζωής πάνω στη γη. Εικόνα 3.1:Διάσπαση ηλιακής ακτινοβολίας 3.2 Ηλιακή απόκλιση Η εκκεντρικότητα της τροχιάς της γης είναι τέτοια ώστε η απόσταση μεταξύ του ήλιου και της γης να ποικίλει κατά 17%.Η τροχιά που διαγράφει η γη γύρω από τον ήλιο είναι ελλειπτική, η οποία ονομάζεται εκλειπτική. Ο άξονας της γης μετατοπίζεται περίπου παράλληλα προς τον εαυτό του σχηματίζοντας σχεδόν σταθερή γωνία με την εκλειπτική. Το επίπεδου ισημερινού της γης, που είναι κάθετο στον άξονα της, σχηματίζει με το επίπεδο της εκλειπτικής γωνία ίση με 23,45º. Έτσι καθώς η γη αλλάζει θέση στην ετήσια τροχιά της περί τον ήλιο, αλλάζει το ύψος μεσουράνησης 22
του ήλιου σε κάθε τόπο στην επιφάνεια της. Η μέση απόσταση τώρα ήλιου και γης, υποτείνει κατά γωνία 32 προς τη γη και ακτινοβολεί με σχεδόν σταθερή ένταση έξω από την γήινη ατμόσφαιρα. Η θέση του ήλιου στον ουράνιο θόλο, μια δεδομένη, μπορεί να καθοριστεί με βάση δύο συντεταγμένες γωνίες οι οποίες είναι [12]: Το ύψος του ήλιου, (το οποίο συμβολίζεται με E ) είναι η γωνία μεταξύ L της ευθείας από το κέντρο της γης, προς τον ήλιο, με το οριζόντιο επίπεδο. Ισούται με τη συμπληρωματική γωνία της ζενιθίας απόστασης του ήλιου,z, δηλαδή της γωνίας μεταξύ της ευθείας από το κέντρο της γης-ήλιου και της κατακόρυφου από το κέντρο της, ( E L =90º-z). Ζενίθείναι η κατακόρυφη από το κέντρο της γης με κατεύθυνση προς τα επάνω, ενώ Ναδίρ είναι η κατακόρυφη από το κέντρο της αλλά προς τα κάτω. Το αζιμούθιο ή αζιμουθιακή γωνία του ήλιο, που αφορά στην αντίστοιχη γωνία μεταξύ του κατακόρυφου επιπέδου, που περιέχει τον ήλιο και του γεωγραφικού μεσημβρινού, συμβολίζεται συνήθως με Α. Μετρείται κατά τη φορά κίνησης των δεικτών του ρολογιού, με αναφορά την κατεύθυνση του βορρά, από 0 έως 360º. Στα φωτοβολταικά συστήματα, συνηθίζεται η αναφορά του αζιμούθιου του ήλιου, ως προς την κατεύθυνση του νότου, ανατολικά, από 0 έως 180º και δυτικά από 0 έως -180º. Όπως εύκολα μπορούμε να συμπεράνουμε, το άθροισμα των αζιμουθιακών γωνιών, ως προς τις κατευθύνσεις αναφοράς βορρά και νότου, αντιστοίχως, έχουν άθροισμα 180º. Αυτό εξηγεί τη προσήμανση της αζιμουθιακής γωνίας ως προς τον νότο. Το ύψος και το αζιμούθιο του ήλιου προσδιορίζονται από τις επόμενες σχέσεις: ημel= ημλ ημδ+συνλ συνδ συνω και ημα=- E L 23 Όπου: λ:τογ.π. του τόπου δ:η απόκλιση του ήλιου τη δεδομένη μέρα και ω:η ωριαία γωνία του ήλιου τη χρονική στιγμή ta (ηλιακός χρόνος), όταν το ύψος και το αζιμούθιο του είναι και Α. Ηωριαία γωνία προσδιορίζεται από τη σχέση: 12 t Ω= A 360 24
Η γωνία που σχηματίζουν οι ακτίνες του ήλιου κατά τη μεσουράνηση του κάθε μέρα, με το επίπεδο του ισημερινού, δηλαδή, με την ευθεία από το κέντρο της γηςονομάζεται απόκλιση του ήλιου και συμβολίζεται με δ. Μεταβάλλεται ημιτονικά μεταξύ των τιμών -23,5º και 23,5º, με το χρόνο εκφρασμένο σε αριθμό ημερών, κατά τη διάρκεια του έτους. Εικόνα 3,2:H τροχιά της γης γύρω από τον ήλιο και η κλίση του άξονα της. 24 3.3 Προσανατολισμός επιφάνειας Ένα από τα βασικότερα στοιχεία ενός συστήματος το οποίο χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του ήλιο, είναι ο προσανατολισμός της επιφάνειας σε σχέση με την κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας. Για νε έχουμε το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα θα πρέπει να μελετήσουμε κάποια βασικά στοιχεία που έχουν να κάνουν με τον τρόπο εγκατάστασης του συστήματος ανάλογα την περιοχή που θα την εγκαταστήσουμε. Γεωγραφικό πλάτος (latitude, φ) ενός τόπου στην επιφάνεια της γης ονομάζεταιη γωνία που σχηματίζεται από τον Ισημερινό έως το ζητούμενο σημείο.τογεωγραφικό πλάτος χαρακτηρίζεται Βόρειο Β (North N) ή Νότιο Ν (South S)ανάλογα σε ποιό ημισφαίριο βρίσκεται ο τόπος. Τόποι του ίδιου ημισφαιρίου έχουνομώνυμα πλάτη σε αντίθεση με τόπους διαφορετικού ημισφαιρίου πουέχουν ετερώνυμα πλάτη. Το γεωγραφικό πλάτος παίρνει τιμές από -90º έως 90º με θετικές τιμές προς το βορρά και αρνητικές προς το νότο.
Κλίση του συλλέκτη (β ), είναι δίεδρη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στον συλλέκτη και στον ορίζοντα. Δείχνει πόσο γέρνει ο συλλέκτης και μπορεί να πάρει τιμές από 0 έως 180º. Για γωνίες β 90º το επίπεδο του συλλέκτη είναι στραμμένο προς τα κάτω. Η αζιμούθια γωνία του συλλέκτη (θ ), είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στον οριζόντιο επίπεδοανάμεσα στη προβολή της κατακόρυφου του συλλέκτη και στο τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου. Παίρνει τιμές από -180º μέχρι και +180º. Η γωνία -180º(που συμπίπτει με την +180) αντιστοιχεί σε τοποθέτηση του συλλέκτη προς το βορρά, η γωνία -90º προς την ανατολή, η γωνία 0 προς τον νότο και η γωνία +90º προς τη δύση. Προφανώς η πυκνότερη ισχύς μίας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας πάνω σε ένα επίπεδο συλλέκτη θα πραγματοποιείται όταν η επιφάνεια του είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσής (θ) είναι 0. Επειδή όμως αυτό δεν είναι εύκολο να εξασφαλιστεί αφού ο ήλιος μετακινείται κατά τη διάρκεια της ημέρας, έχουν κατασκευαστεί μηχανές διάταξης που επαναπροσανατολίζουν συνεχώς τους συλλέκτες ώστε αυτοί να είναι πάντα κάθετοι στον ήλιο. Γωνία πρόσπτωσής (θ) ορίζουμε την γωνία μεταξύ της άμεσης ακτινοβολίας και της καθέτου στην επιφάνεια που μας ενδιαφέρει. Στις συνηθισμένες περιπτώσεις οι συλλέκτες τοποθετούνται με σταθερή κλίση και αζιμούθια γωνία, που επιλέγεται ώστε η γωνία της πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας να είναι όσο το δυνατό μικρότερη, κατά τη διάρκεια του έτους. Η γωνία πρόσπτωσης συνδέεται με τις άλλες γωνίες που προαναφέρθηκαν με την παρακάτω σχέση: συνθ= συνβ ημβ συν(θ -θ) + ημβ ημβ Στο βόρειο ημισφαίριο η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη για τη διάρκεια ολόκληρου του έτους, είναι ίση με το γεωγραφικό παράλληλο του τόπου, και η αζιμούθια γωνία είναι 0(προς το νότο). Αλλά λόγω της μεταβολής της απόκλισης του ήλιου στη διάρκεια του έτους, η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη είναι διαφορετική για κάθε εποχή. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού η κλίση του συλλέκτη επιλέγεται περίπου 10º με 15º μικρότερη από το παράλληλο του τόπου, ενώ για τον χειμώνα περίπου 10º με 15º μεγαλύτερη. 25
Εικόνα 3,3:Σχηματική αναπαράσταση της προσπίπτουσας γωνίας (θ), της κλίσης (β) και της αζιμουθιακής γωνίας του συλλέκτη (γ). Εικόνα 3,4:Αλλαγή κλίσης του συλλέκτη ανάλογα την εποχή 26 3.4 Ηλιακή ενέργεια και κύκλος ζωής στη γη Η σημασία λοιπόν αυτής της ενέργειας που φτάνει στη γη είναι όπως είπαμε όχι απλά σημαντική αλλά αναγκαία για την ύπαρξη ζωής πάνω στη γη. Η τροφική αλυσίδα η οποία δίνει ζωή στα ζώα και τον άνθρωπο αρχίζει από τα φυτά (οι παραγωγοί) τα οποία αποτελούν το πρώτο τροφικό επίπεδο ενός οικοσυστήματος. Τα φυτά αναπτύσσονται με τη βοήθεια του ήλιου (ηλιακή ενέργεια) μέσα από τη διεργασία της φωτοσύνθεσης. Κατά τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης παράγονται οι υδατάνθρακες (χημική ενέργεια). Οι υδατάνθρακες χρησιμεύουν ως ενεργειακές πηγές και δομικά συστατικά των οργανισμών στο δεύτερο και τρίτο τροφικό επίπεδο, στα
οποία κατατάσσονται τα φυτοφάγα και σαρκοφάγα ζώα αντίστοιχα (οι καταναλωτές). Οι καταναλωτές προμηθεύονται την ενέργεια που χρειάζονται για όλες τις λειτουργίες τους από την αποθηκευμένη χημική ενέργεια της φυτικής ύλης. Η ενέργεια που χρησιμοποιούν οι οργανισμοί (παραγωγοί, καταναλωτές και αποικοδομητές) για να διεξάγουν τις βιολογικές τους λειτουργίες είναι η χημική ενέργεια που περιέχεται στη γλυκόζη και απελευθερώνεται στα κύτταρα των οργανισμών μέσα από μια χημική διαδικασία, την αερόβια αναπνοή. Όλη αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται φαινόμενο του θερμοκηπίου η οποία είναι μια φυσική διαδικασία. Δίχως αυτό, η Γη θα ήταν κρύα (περίπου στους -20ºC) και δεν θα μπορούσε να υπάρχει ζωή. Αντιθέτως λόγω του φαινομένου αυτού, η μέση θερμοκρασία της γης διατηρείται στο επίπεδο των 15ºC. Σε απόσταση 25 χιλιομέτρων από την επιφάνεια της Γης υπάρχει ένα λεπτό στρώμα αποτελούμενο κυρίως από CO² και υδρατμούς, το οποίο δρα όπως το γυαλί ενός θερμοκηπίου. Δηλαδή, ενώ επιτρέπει την είσοδο της θερμότητας που μεταφέρει η υπεριώδης ακτίνα του ηλίου, εμποδίζει την έξοδο της θερμότητας προς το διάστημα. Έτσι η επιφάνεια της Γης συγκρατεί ένα ποσό θερμότητας και διατηρεί σταθερή τη μέση θερμοκρασία της [21]. 3.5 Χρήσεις ηλιακής ενέργειας Τα οφέλη που έχουμε λόγω της ηλιακής ενέργειας δεν είναι μόνο ζωτικά και οικονομικά. Μέσω της ηλιακής ενέργεια μπορούμε να κάνουμε τομείς της ζωής μας πιο εύκολους. Κάποιες χρήσεις τις ηλιακής ενέργειας που συμβάλουν σε όλα τα παραπάνω είναι οι εξής [20] : 1. Τα ενεργητικά ή θερμικά ηλιακά συστήματα όπου συλλέγουν ηλιακή ακτινοβολία και τη μετατρέπουν σε θερμότητα σε κάποια θερμομονωμέμη δεξαμενή. Η απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας γίνεται μέσω ηλιακών συλλεκτών, σκουρόχρωμων δηλαδή επιφανειών 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. Οι γνωστοί δηλαδή σε όλους μας θερμοσίφωνες. Εικόνα 3.5: Ηλιακοί θερμοσίφωνες 27
2. Παθητικά ηλιακά συστήματα δηλαδή δομικά στοιχεία κτιρίων με τα οποία εκμεταλλευόμαστε την ηλιακή ενέργεια για κάλυψη αναγκών τους όπως 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 3. Φωτοβολταικά συστήματα τα οποία μετατρέπουν κατευθείαν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική και που, εδώ και πολλά χρόνια, χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση μη διασυνδεδεμένων στο ηλεκτρικό δίκτυο καταναλώσεων. Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν παραδοσιακά τα φωτοβολταϊκά για την ηλεκτροδότησή τους. Στην Ελλάδα, η προοπτική ανάπτυξης και εφαρμογής των φωτοβολταικών συστημάτων είναι τεράστια, λόγω του ιδιαίτερα υψηλού δυναμικού ηλιακής ενέργειας. Εικόνα 3.6: Φωτοβολταικά συστήματα 3.5 Ηλιακή ενέργεια και άλλες πηγές της Με το όρο Ηλιακή Ενέργεια χαρακτηρίζουμε το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Το φώς και η θερμότητα που ακτινοβολούνται, απορροφούνται από στοιχεία και ενώσεις στη Γη και μετατρέπονται σε άλλες μορφές ενέργειας. Αυτές οι μορφές ενέργειας κατατάσσονται σε πρωτογενείς, δευτερογενείς, μη ανανεώσιμες (συμβατικές) και ανανεώσιμες. Πρωτογενείς πηγές ενέργειας είναι αυτές που συναντώνται άμεσα στη φύση, ενώ δευτερογενείς ενεργειακές μορφές είναι αυτές που λαμβάνονται από τη μετατροπή πρωτογενών πηγών. Τέτοιες πρωτογενείς μορφές ενέργειας δημιουργήθηκαν κατά την πάροδο των χρόνων μέσω της ηλιακής ενέργειας. Αυτό επιτεύχθηκε μέσω της ενέργειας που 28
δεσμεύουν τα φυτά για την φωτοσύνθεση τους αφού πριν εκατοντάδες χρόνια πεθαίνοντας κάποια φυτά δημιουργήθηκε το κάρβουνο. Με τη σειρά του δημιουργήθηκε και το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο αφού ψάρια που έτρωγαν αυτά τα φυτά πεθαίνοντας δημιούργησαν τα παραπάνω στοιχεία. Κατά την μετατροπή βέβαια μιας διαθέσιμης πρωτογενούς μορφής ενέργειας σε μιαν άλλη, δεν προκύπτουν μόνο οι επιθυμητές μορφές ενέργειας αλλά πιθανά και άλλες μορφές ενέργειας. Αυτές οι ανεπιθύμητες μορφές ονομάζονται απώλειες ενέργειας και αυτό συμβαίνει γιατί στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν μηχανές και ιδανικά συστήματα μετατροπής. Αυτές οι απώλειες διακρίνονται σε : Τελική Ενέργεια: Είναι το ενεργειακό περιεχόμενο, το οποίο αναφέρεται στην ενέργεια που χρησιμοποιείται από τον τελικό χρήστη, μειωμένο κατά τις απώλειες από τις διάφορες χρήσεις και μετατροπές ενέργειας. Ωφέλιμη ενέργεια: Είναι η ενέργεια η οποία είναι διαθέσιμη για χρήση μετά τις τελευταίες μετατροπές στα μηχανήματα και στις διεργασίες τελικής χρήσης, π.χ. η τεχνική μορφή ενέργειας η οποία θα χρησιμοποιηθεί τελικά από τον καταναλωτή (θερμότητα, μηχανική ενέργεια, φως) προέρχεται από την τελική μορφή ενέργειας μειωμένη κατά τις απώλειες των τελευταίων μετατροπών. 29
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4:ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΑΙ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ 4.1 Εισαγωγή Η τεχνολογία των φωτοβολταικών άργησε να αναπτυχθεί σχετικά με άλλες τεχνολογίες. Αυτή η καθυστέρηση οφείλεται κυρίως στις τεχνικές δυσκολίες που αντιμετωπίζουν οι κατασκευαστές στην παραγωγική διαδικασία κατά την προσπάθεια τους να δημιουργήσουν καθαρά ημιαγωγά υλικά (κρυσταλλικό πυρίτιο) αφού η τεχνογνωσία εμφύτευσης ιόντων άργησε να αναπτυχθεί. Επίσης υπήρχαν και οικονομικές δυσκολίες αφού η κατασκευή αλλά και εγκατάσταση τέτοιου είδους συστημάτων είναι δαπανηρή. Οι προβλέψεις για το άμεσο μέλλον όσον αφορά την αγορά των φωτοβολταικών είναι ιδιαίτερα ευοίωνες, τόσο για την καθολική εξάπλωση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας παγκοσμίως. Ας δούμε λοιπόν αναλυτικά πώς τέθηκαν οι βάσεις για να είναι εφικτή η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας αλλά και την πορεία της. 30 4.2 Ιστορική αναδρομή Αφετηρία αυτής της ανακάλυψης ήταν το 1839όταν ο Γάλλος EdmondBecquerel(1820-1891) κατά τη διάρκεια πειραμάτων με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη με 2 μεταλλικά ηλεκτρόδια παρατηρεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Με τη σειρά του ένας από τους φοιτητές του Becquerel το 1876 παρατηρεί ότι το σελήνιο εκτεθειμένο στο φώς παράγει μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος. Το 1918 με σχετική έρευνα που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα ο Πολωνός Czochralski(1885-1953) προσθέτει τη μέθοδο παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου(si).έπειτα το 1949 οι MottandScotty αναπτύσσουν τη θεωρία διόδου σταθερής κατάστασης την ίδια χρονική στιγμή που η μελέτη και κατανόηση της κβαντικής θεωρίας είναι σε πρώιμα στάδια. Έχοντας λοιπόν πειραματιστεί, κατανοήσει και θεμελιώσει όλες τις παραπάνω θεωρίες το πρώτο κελί είναι πλέον γεγονός το 1954 στα εργαστήρια της Bell από τους Chapin,Fuller και Pearson. Η απόδοση αυτού του κελίου ήταν 6% αφού όπως καταλαβαίνουμε η έρευνα ήταν ακόμα σε πολύ αρχικά στάδια. Με την πάροδο των χρόνων όμως και συνεχίζοντας εκτενώς τις έρευνες ξεκίνησαν από το 1958 κιόλας οι εφαρμογές των πρώτων αυτόνομων συστημάτων. Πρώτη εφαρμογή έγινε στο δορυφόρο vanguard 1 και ακολούθησαν εγκαταστάσεις στην Ιαπωνία το 1962 από την Sharp ισχύος 242 Wp. Λόγω του υψηλού κόστους εγκατάστασης αλλά και των υψηλών τιμών των φωτοβολταικών η αποδοχή αρχικά δεν ήταν τόσο μεγάλη και γι αυτό κύριος πελάτης ήταν η NASA. Στη συνέχεια όμως και μετά από έρευνες που είχαν βελτιώσει σημαντικά την απόδοση των φωτοβολταικών,η τεχνολογία και εγκατάσταση τους άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως. Εκτός από την τεχνογνωσία και τεχνολογία των φωτοβολταικών που είχε συνεχείς αλλαγές και βελτιώσεις, οι τιμές τους ήταν επίσης αυτές που κατά τη διάρκεια των χρόνων μειωνόταν ώστε να γίνονται προσιτά προς όλους. Οι τιμή το 1956 ήταν 500$ ανά εγκατεστημένο Watt πέφτοντας στα 100$/Watt το 1970 και
φτάνοντας στα 50$/Watt το 1973. Η μείωση της τιμής τους κάνει πλέον και δυνατή την πρώτη εγκατάσταση PV η οποία γίνεται το 1980 στην Καλιφόρνια από την ArcoSolar και είναι ισχύος 1 MW. Στην συγκεκριμένη εγκατάσταση χρησιμοποιήθηκαν και συστήματα παρακολούθησης της τροχιάς του ηλίου 2 αξόνων(dual-axistrackers). Μέσα σε τρία χρόνια φτάνοντας στο 1983 η συνολική παγκόσμια παραγωγή πλέον έχει φτάσει στα 22MW. Αποκορύφωμα για την φωτοβολταϊκή τεχνολογία εκείνης της εποχής και συγκεκριμένα το 1999 είναι η δημιουργία φωτοβολταικού στοιχείου με απόδοση 32,3% που προκύπτει από την συνεργασία των Soectrolab και Nrel. Το στοιχείο αυτό είναι συνδυασμός 3 υλικών και ειδικό για εφαρμογές σε συγκεντρωτικά συστήματα CPV. Την ίδια χρονιά η συνολική παραγωγή έχει ανέβει στα 200MW. Έχοντας λοιπόν θεμελιωθεί σωστά οι παραπάνω βάσεις για την τεχνολογία των φωτοβολταικών έχουμε πλέον το 2004 μαζική είσοδο μεγάλων εταιρειών και όπως είναι επόμενο και μαζική παραγωγή φτάνοντας την τιμή των διασυνδεδεμένων συστημάτων στα 6,5 /WP. Κύριοι κατασκευαστές είναι η Ιαπωνία και η Γερμανία αλλά παράλληλα έχουν αρχίσει και άλλες ανεπτυγμένες χώρες να κατασκευάζουν είτε να παράγουν εξοπλισμό για την εγκατάσταση φωτοβολταικών ε αποτέλεσμα η παραγωγή να έχει φτάσει στα 1200 MW και ο συνολικός τζίρος στα 6.500.000.000$. σήμερα πλέον κυρίως σε Γερμανία και Ιαπωνία έχουν επενδυθεί τεράστια κονδύλια και αυτό απορρέει από το γεγονός ότι έχουν επιτευχθεί μεγάλες αποδόσεις και η εγκατάσταση φωτοβολταικών είναι πλέον μια επικερδής επένδυση [21]. 4.3 Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη ενότητα η πρώτη παρατήρηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έγινε αρχικά από τον Becquerel(1820-1891) [11] ο οποίος έπειτα από σειρά πειραμάτων πρόσεξε ότι ρίχνοντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κατάλληλης συχνότητας πάνω σε ένα μέταλλο από αυτό βγαίνουν ηλεκτρόνια (e ) τα οποία ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια. Αυτή η ακτινοβολία ονομάζεται φωτόνιο και χαρακτηρίζεται από το γινόμενο h v, όπου h η σταθερά του Plank και v η συχνότητα ακτινοβολίας. Αργότερα την αναλυτική ερμηνεία του φαινομένου έδωσε ο Albert Ainstein ο οποίος έκανε τρείς βασικές παρατηρήσεις απαραίτητες για την δημιουργία του : 1. Για να φύγει ένα ηλεκτρόνιο από το μέταλλο χρειάζεται να του δώσουμε τόση ενέργεια όση η ενέργεια του έργου εξαγωγής b που εξαρτάται από το υλικό που έχουμε σε κάθε περίπτωση. 2. Ένα φωτόνιο συγκρούεται μόνο με ένα ηλεκτρόνιο και δίνει σε αυτό όλη την ενέργεια του. 3. Όταν η συχνότητα v είναι τέτοια ώστε to γινόμενο h v να είναι ίσο με b, το ηλεκτρόνιο θα βγει αλλά δεν θα κινηθεί. Δεν θα αποκτήσει επομένως κινητική ενέργεια. Επομένων συνοψίζοντας όλα τα παραπάνω καταλήγουμε στον παρακάτω τύπο: 31
Για να είναι δυνατή όμως η επίτευξη του φαινομένου αυτού εκτός από την θεμελίωση του παραπάνω τύπου,απαραίτητο κομμάτι της διαδικασίας είναι οι ημιαγωγοί αφού χωρίς αυτούς το φαινόμενο δεν μπορεί να λειτουργήσει. Στην παρακάτω ενότητα λοιπόν θα δούμε αναλυτικά την δομή και λειτουργία τους. Εικόνα 4.1: Διαδικασία φωτοηλεκτρικού φαινομένου 32 4.4 Ημιαγωγοί κρύσταλλοι Απαραίτητο λοιπόν κομμάτι για την δημιουργία του φωτοβολταικού φαινομένου όπως είπαμε είναι οι ημιαγωγοί ή αλλιώς ημιαγωγοί κρύσταλλοι τα οποία είναι στοιχεία με ενδιάμεση ηλεκτρική αγωγιμότητα και είναι ανάμεσα στους αγωγούς (δηλαδή τα μέταλλα) και στους μονωτές (δηλ τα πολυμερή ). Οι κυριότεροι ημιαγωγοί είναι τετρασθενή στοιχεία όπως το πυρίτιο ή χημικές ενώσεις όπως το αρσενιούχο γάλλιο με τετραεδρική κρυσταλλική δομή. Βασικό τους χαρακτηριστικό είναι ότι πραγματοποιώντας κατάλληλες τεχνικές με αγωγούς μεγαλύτερου ή μικρότερου σθένους, ή απορροφώντας κάποια αξιόλογη ενέργεια με την μορφή ακτινοβολίας η θερμότητας μπορούν να άγουν μερικώς το ηλεκτρικό ρεύμα. Κάποιες από τις τεχνικές είναι πρόσμιξη αρσενικού(as)το οποίο είναι σθένους 5 σε πυρίτιο(si) που είναι σθένους 4 και η πρόσμιξη πυριτίου με μόλυβδο(pb) που είναι σθένους 3. Με τις προσμίξεις αυτές τα στοιχεία μας δημιουργούν ομοιοπολικούς δεσμούς αφήνοντας ένα ηλεκτρόνιο ελεύθερο και δημιουργούν ημιαγωγούς τύπου n ή μια θέση ηλεκτρονίου κενή που ονομάζονται ημιαγωγοί τύπου p. Αντίστοιχα με την μεταβολή της θερμότητας όπως προαναφέρθηκε έχουμε το ίδιο αποτέλεσμα και αυτό γιατί η μεταβολή της θερμοκρασίας προκαλεί την ελευθέρωση πολλών ηλεκτρόνιων από τους δεσμούς. Τα ελεύθερα αυτά ηλεκτρόνια τα οποία έχουν απομακρυνθεί από την περιοχή του δεσμού γίνονται λόγω της κινητικής ενέργειας που έχουν αποκτήσει ευκίνητοι φορείς ηλεκτρισμού [11] [12].
Εικόνα 4.2: Διαφορές δομής μετάλλων,ημιαγωγών και μονωτές 4.5 Ημιαγωγοί τύπου p-n Ας εξετάσουμε τώρα την περίπτωση που ένας ημιαγωγός τύπου n και ένας ημιαγωγός τύπου p έρχονται σε επαφή. Κατά την επαφή αυτή λοιπόν ηλεκτρόνια μεταβαίνουν από τον ημιαγωγό n-si στον ημιαγωγό p-si με διάχυση. Συνεπώς στο τμήμα n-si από εκεί δηλαδή που έφυγαν τα ηλεκτρόνια παραμένουν θετικά φορτισμένα ιόντα. Ομοίως οπές του χώρου p περνούν στην απέναντι μεριά αφήνοντας ακάλυπτα αρνητικά ιόντα στο χώρο τους. Οπότε έχοντας αρνητικά ιόντα στη περιοχή του ημιαγωγού p και θετικά ιόντα στη περιοχή n δημιουργείται μια περιοχή ανάμεσα στους 2 ημιαγωγούς που ονομάζεται περιοχή απογύμνωσης. Επίσης έχοντας αυτή την προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων όπως είναι επόμενο στη περιοχή επαφής έχουμε ηλεκτρικό πεδίο [12]. 4.3: Επαφή p-n Εικόνα 4.6 Φωτοβολταικό φαινόμενο 33
Έχοντας κατανοήσει λοιπόν την διαδικασία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου από το οποίο προέρχεται το φωτοβολταικό και ξέροντας πλέον την λειτουργία των ημιαγωγών p-n θα αναλύσουμε εκτενέστερα το φωτοβολταικό φαινόμενο. Όπως προαναφέρθηκε στην ενότητα του φωτοηλεκτρικού όταν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πέσει πάνω σε μέταλλο δημιουργούνται πρόσθετοι φορείς, δηλαδή ηλεκτρόνια και στις 2 περιοχές p και n. Αυτά με τη σειρά τους θα απωθηθούν από την περιοχή p αφού θα έχει δημιουργηθεί στη περιοχή απογύμνωσης αρνητικό φορτίο και θα πάνε στον ημιαγωγό n. Έτσι καθώς ο ημιαγωγός μας με την πάροδο του χρόνου εκτίθεται στον ήλιο θα δημιουργηθεί περίσσεια αρνητικών στην n και θετικών την p. Συνδέοντας τώρα με δύο ηλεκτρόδια την μπροστινή μεριά του n και την πίσω μεριά του p θα έχω προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων που ισοδυναμεί με ηλεκτρικό ρεύμα και αυτή η διαδικασία αντιπροσωπεύει το φωτοβολταικό φαινόμενο. Επιπρόσθετα για τα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού p που θα περάσουν στην περιοχή n δεν υπάρχει επιστροφή λόγω του θα πρέπει η ενέργεια των φωτονίων που προσπίπτουν στην επιφάνεια μας να είναι μεγαλύτερη από αύτη του ενεργειακού διάκενου στη περιοχή απογύμνωσης. Δηλαδή μόνο τα φωτόνια εκείνα που η τιμή της συχνότητας τους θα είναι μεγαλύτερη από την τιμή της ενέργειας του ενεργειακού διακένου θα είναι ικανά να βγάλουν ηλεκτρόνια από μία περιοχή. Τα υπόλοιπα φωτόνια που δεν έχουν την κατάλληλη συχνότητα είτε θα ανακλώνται είτε θα απορροφώνται από τον ημιαγωγό Ρ, με αποτέλεσμα θέρμανση του ηλεκτροδίου που είναι συνδεδεμένο στην πίσω μεριά του. Το οποίο είναι κάτι που όπως έχει παρατηρηθεί μειώνει την απόδοση των πλαισίων και γι αυτό ίσως χρειαστεί σε τέτοιες περιπτώσεις να πάρουμε μέτρα ψύξης [11] [12]. Εικόνα 4.4: διαδικασία φωτοβολταικού φαινομένου 34
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5:ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ,ΕΙΔΗ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ 5.1 Εισαγωγή Με τον όρο φωτοβολταϊκή τεχνολογία χαρακτηρίζουμε την τεχνική μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα δηλαδή ηλεκτρική ενέργεια Ο όρος φωτοβολταικό προέρχεται από την ελληνική λέξη φώς και την μονάδα μέτρησης SI για την ηλεκτρική τάση Volt. Ο άνθρωπος λοιπόν δύναται να εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια αξιοποιώντας τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία χρησιμοποιώντας ηλιακά ηλεκτρικά στοιχεία, πλαίσια ηλιακών κυψελίδων και γιγαντιαία κάτοπτρα ώστε να παράγει ηλεκτρική ενέργεια καλύπτοντας μέρος των ενεργειακών του αναγκών. Όλα τα παραπάνω χρησιμοποιώντας βέβαια τον κατάλληλο εξοπλισμό ώστε να έχουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα της εγκατάστασης μας. Στη χώρα μας συγκεκριμένα η εξέλιξη αυτής της τεχνολογίας είναι ραγδαία τα τελευταία χρόνια μιας και μας ευνοεί η θέση μας στο γεωγραφικό χάρτη. 5.2 Είδη φωτοβολταικών συστημάτων Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να αξιοποιηθούν ως [13]: Αυτόνομα, όπου η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται μόνο για κάλυψη των αναγκών του χρήστη. Εφαρμόζονται για τη δημιουργία μικρών τοπικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, εξοικονομώντας σημαντικό κόστος από την εγκατάσταση νέων δικτύων και γραμμών μεταφοράς ηλεκτρισμού σε περιοχές που δεν καλύπτει το υφιστάμενο δίκτυο. Απαραίτητο κομμάτι αυτών των συστημάτων είναι το σύστημα αποθήκευσης ενέργεια που γίνεται μέσω συσσωρευτών. Εκτός από τους συσσωρευτές βασικά κομμάτια της εγκατάστασης μας είναι τα εξής : Πίνακας ελέγχου Αντιστροφέας (inverter) Ρυθμιστής φόρτισης 35