Φωτοβολταϊκά

Γενικοί όροι

Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο

Τό φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο αφορά τήν μετατροπή τής ηλιακής ενέργειας σέ ηλεκτρική. Τό Φ/Β φαινόμενο ανακαλύφθηκε τό 1839 από τόν Εντμόντ Μπεκερέλ (Alexandre-Edmond Becquerel ). Περιληπτικά πρόκειται γιά τήν απορρόφηση τής ενέργειας τού φωτός από τά ηλεκτρόνια τών ατόμων τού Φ/Β στοιχείου καί τήν απόδραση τών ηλεκτρονίων αυτών από τίς κανονικές τους θέσεις μέ αποτέλεσμα τήν δημιουργία ρεύματος. Τό ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στό Φ/Β στοιχείο οδηγεί τό ρεύμα στό φορτίο.

Φωτοβολταϊκή Διάταξη

Τά Φ/Β πλαίσια έχουν ως βασικό μέρος τό ηλιακό στοιχείο (solar cell) που είναι ένας κατάλληλα επεξεργασμένος ημιαγωγός μικρού πάχους σέ επίπεδη επιφάνεια. Η πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργεί ηλεκτρική τάση καί μέ τήν κατάλληλη σύνδεση σέ φορτίο παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Τά Φ/Β στοιχεία ομαδοποιούνται κατάλληλα καί συγκροτούν τά φωτοβολταϊκά πλαίσια ή γεννήτριες (module), τυπικής ισχύος από 20W έως 300W. Οι Φ/Β γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά μεταξύ τους καί δημιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες (arrays).

Τεχνολογίες Φ/Β Στοιχείων

Τά φωτοβολταϊκά στοιχεία χωρίζονται σέ δυο βασικές κατηγορίες

1. Κρυσταλλικού Πυριτίου

Μονοκρυσταλλικού πυριτίου, μέ ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 14,5% έως 21%,

Πολυκρυσταλλικού πυριτίου, μέ ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 13% έως 14,5%.2.

2. Λεπτών Μεμβρανών

Άμορφου Πυριτίου, ονομαστικής απόδοσης ~7%.

Χαλκοπυριτών CIS / CIGS, ονομαστικής απόδοσης από 7% έως 11%.

Τό πυρίτιο (Si) είναι η βάση γιά τό 90% περίπου τής παγκόσμιας παραγωγής Φ/Β. Η κυριαρχία αυτή οφείλεται αρχικά στήν τεράστια παγκόσμια επιστημονική καί τεχνική υποδομή γιά τό υλικό αυτό από τήν δεκαετία τού '60. Μεγάλες κυβερνητικές καί βιομηχανικές επενδύσεις έγιναν σέ προγράμματα γιά τίς χημικές καί ηλεκτρονικές ιδιότητες τού Si, ώστε νά δημιουργηθεί ο εξοπλισμός που απαιτείται στά βήματα τής επεξεργασίας γιά τήν απόκτηση τής απαραίτητης καθαρότητας καί τής κρυσταλλικής δομής τού υλικού.

Η γνώση που προέκυψε έτσι γιά τό πυρίτιο, τά χαρακτηριστικά του καί η αφθονία του στήν γή, τό κατέστησαν ικανό καί συμφέρον μέσο γιά τήν εκμετάλλευση τής ηλιακής ενέργειας. Εντούτοις, λόγω τού ότι είναι εύθραυστο, τό πυρίτιο απαιτεί τόν σχηματισμό στοιχείων σχετικά μεγάλου πάχους. Αυτό σημαίνει ότι μερικά από τά ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται μετά τήν απορρόφηση τής ηλιακής ενέργειας πρέπει νά ταξιδέψουν μεγάλες αποστάσεις γιά νά ενταχθούν στήν ροή τού ρεύματος καί νά συνεισφέρουν στό ηλεκτρικό κύκλωμα. Συνεπώς, τό υλικό θα πρέπει νά έχει υψηλή καθαρότητα καί δομική τελειότητα, ώστε νά αποτρέψει τήν επιστροφή τών ηλεκτρονίων στίς φυσικές τους θέσεις. Οι ατέλειες πρέπει νά αποφευχθούν ώστε η ενέργεια τού ηλεκτρονίου νά μην μετατραπεί σέ θερμότητα. Η παραγωγή θερμότητας, η οποία είναι επιθυμητή στά ηλιακά θερμικά πλαίσια, όπου αυτή η θερμότητα μεταφέρεται σέ ένα ρευστό, είναι ανεπιθύμητη στά Φ/Β πλαίσια, όπου η ηλιακή ενέργεια θα πρέπει νά μετατραπεί σέ ηλεκτρική.

Τό πυρίτιο, ανάλογα μέ τήν επεξεργασία του, δίνει μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλικά ή άμορφα υλικά, από τά οποία παράγονται τά Φ/Β στοιχεία. Τά λεπτά υλικά είναι ένας τρόπος νά μειωθεί τό κόστος τών Φ/Β πλαισίων καί νά αυξηθεί η απόδοσή τους. Εκτός από τήν χρήση μικρότερης ποσότητας υλικού, ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι ολόκληρα πλαίσια μπορούν νά κατασκευαστούν παράλληλα μέ τήν διαδικασία απόθεσης. Αυτό είναι συμφέρον οικονομικά, αλλά επίσης πολύ απαιτητικό τεχνικά, επειδή η επεξεργασία χωρίς ατέλειες αφορά μεγαλύτερη επιφάνεια.

Στά πλεονεκτήματα τών λεπτών πλαισίων τά οποία αναφέρθηκαν παραπάνω, θα πρέπει νά αντιπαρατεθεί η χαμηλότερη ως τώρα απόδοσή τους, η οποία περιορίζεται στό 5-10%, ανάλογα μέ τό υλικό. Πάντως η τεχνολογία λεπτού στρώματος (thin film) είναι σέ φάση ανάπτυξης, αφού μέ διάφορες μεθόδους επεξεργασίας καί χρήση διαφορετικών υλικών αναμένεται αύξηση τής απόδοσης, σταθεροποίηση τών χαρακτηριστικών τους καί αύξηση τής διείσδυσης στήν αγορά. Σήμερα πάντως αποτελούν τήν πιό φθηνή επιλογή Φ/Β πλαισίων.

Δομή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος

Τό φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από ένα αριθμό μερών ή υποσυστημάτων:

(α) Τήν φωτοβολταϊκή γεννήτρια μέ τήν μηχανική υποστήριξη καί πιθανόν ένα σύστημα παρακολούθησης τής ηλιακής τροχιάς.

(β) Μπαταρίες (υποσύστημα αποθήκευσης)- πλέον δέν χρησιμοποιούνται, εκτός σέ απομακρυσμένες εγκαταστάσεις όπως είναι π.χ. οι Φάροι, διαφορετικά η σύνδεση τού πάνελ γίνεται απευθείας μέ τό υφιστάμενο δίκτυο τής ΔΕΗ.

(γ) Καθορισμό ισχύος καί συσκευή ελέγχου που περιλαμβάνει φροντίδα γιά μέτρηση καί παρατήρηση.

(δ) Εφεδρική γεννήτρια. Η επιλογή τού πως καί ποιά από αυτά τά στοιχεία ολοκληρώνονται μέσα στό σύστημα εξαρτάται από ποικίλες εκτιμήσεις.

Διάκριση Φ/Β συστημάτων

Υπάρχουν δυο κύριες κατηγορίες συστημάτων, τό διασυνδεδεμένο μέ τό δίκτυο καί τό αυτόνομο. Η απλούστερη μορφή τού δεύτερου εκ τών δυο αποτελείται απλώς από μία φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία μόνη της τροφοδοτεί μέ συνεχές ρεύμα ένα φορτίο οποτεδήποτε υπάρχει επαρκής φωτεινότητα. Αυτού τού τύπου τό σύστημα είναι κοινό σέ εφαρμογές άντλησης. Σέ άλλες περιπτώσεις τό σύστημα περιέχει συνήθως μία φροντίδα γιά αποθήκευση ενέργειας από τίς μπαταρίες. Συχνά συμπεριλαμβάνεται κάποια μορφή ρύθμισης τής ισχύος, όπως στήν περίπτωση που απαιτείται εναλλασσόμενο ρεύμα νά εξέρχεται από τό σύστημα. Σέ μερικές περιπτώσεις τό σύστημα περιέχει μία εφεδρική γεννήτρια.

Τά συνδεδεμένα στό δίκτυο συστήματα μπορούν νά υποδιαιρεθούν σ’ εκείνα στά οποία τό δίκτυο ενεργεί απλώς ως μία βοηθητική τροφοδοσία (εφεδρικό δίκτυο) καί εκείνα τά οποία ίσως λάβουν επίσης πρόσθετη ισχύ από τήν Φ.Β. γεννήτρια (αλληλοεπιδρώμενο δίκτυο). Μέσα στούς Φ.Β. σταθμούς όλη η παραγόμενη ισχύς τροφοδοτείται στό δίκτυο.

Φωτοβολταϊκές βασικές μονάδες

Συνήθως τά ηλιακά στοιχεία σέ μία βασική μονάδα συνδέονται μεταξύ τους σέ μία βασική σειρά. Αυτό οφείλεται στά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τού κάθε ηλιακού στοιχείου. Ένα τυπικό (διαμέτρου 4 ιντσών) ηλιακό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου ή ένα (10 cm Χ 10 cm) πολυκρυσταλλικό στοιχείο θα παρέχουν κάτω από κανονικές συνθήκες ισχύ μεταξύ 1 καί 1,5 W, εξαρτώμενη από τήν απόδοση τού ηλιακού στοιχείου. Αυτή η ισχύς παρέχεται συνήθως υπό τάση 0,5 ή 0,6 V. Από τήν στιγμή που υπάρχουν πολύ λίγες εφαρμογές, οι οποίες μπορούν νά λειτουργούν σέ αυτή τήν τάση, η άμεση λύση είναι νά συνδεθούν τά ηλιακά στοιχεία σέ σειρά.

Ο αριθμός τών ηλεκτρικών στοιχείων μέσα σέ μία βασική μονάδα ρυθμίζεται από τήν τάση τής βασικής μονάδας. Η ονομαστική τάση λειτουργίας τού συστήματος συνήθως πρέπει νά ταιριάζει μέ τήν ονομαστική τάση τού υποσυστήματος αποθήκευσης. Οι περισσότερες εκ τών φωτοβολταϊκών βασικών μονάδων, που κατασκευάζονται βιομηχανικά έχουν, επομένως, σταθερές διατάξεις, οι οποίες μπορούν νά συνεργασθούν ακόμη καί μέ μπαταρίες τών 12Volt. Προνοώντας γιά κάποια υπέρταση προκειμένου νά φορτιστεί η μπαταρία καί νά αντισταθμιστεί χαμηλότερη έξοδος, κάτω από συνθήκες χαμηλότερες τών κανονικών, έχει βρεθεί ότι μία ομάδα τών 33 έως 36 ηλιακών στοιχείων σέ σειρά συνήθως εξασφαλίζουν αξιόπιστη λειτουργία.

Έτσι η ισχύς τών βασικών μονάδων πυριτίου συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 40 καί 60 W. Οι παράμετροι τής βασικής μονάδας καθορίζονται από τόν κατασκευαστή κάτω από τίς ακόλουθες κανονικές συνθήκες:

Ακτινοβολία 1 ΚW/m2

Φασματική κατανομή ΑΜ 1,5

Θερμοκρασία ηλιακού στοιχείου 25°C

Πρόκειται γιά τίς ίδιες συνθήκες μέ αυτές που χρησιμοποιούνται γιά νά χαρακτηρισθούν τά ηλιακά στοιχεία. Η ονομαστική έξοδος συνήθως ονομάζεται ισχύς κορυφής μίας βασικής μονάδας καί εκφράζεται σέ W κορυφής (W).

Τά τρία περισσότερο σημαντικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μίας βασικής μονάδας είναι τό ρεύμα βραχυκυκλώματος, η τάση ανοικτού κυκλώματος καί τό σημείο μέγιστης ισχύος σέ συνάρτηση μέ τήν θερμοκρασία καί τήν ακτινοβολία. Αυτές οι χαρακτηριστικές μοιάζουν μέ τήν χαρακτηριστική Ι-V ενός ηλιακού στοιχείου, ωστόσο υπάρχουν συγκεκριμένες ιδιομορφίες.

Χρήσεις

Τά φωτοβολταϊκά είναι διατάξεις που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από τήν ηλιακή ακτινοβολία. Τό ηλεκτρικό αυτό ρεύμα χρησιμοποιείται γιά νά δώσει ενέργεια σέ μία συσκευή ή γιά τήν φόρτιση μπαταρίας. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται ευρέως σέ μικροϋπολογιστές τσέπης που λειτουργούν χωρίς μπαταρία, απλώς μέ τήν έκθεσή τους στό φώς.

Τά φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται συχνά σέ συστοιχίες γιά τήν παραγωγή ενέργειας σέ μεγάλη κλίμακα. Σέ τέτοια μορφή χρησιμοποιούνται γιά νά δίνουν ενέργεια σέ δορυφόρους, διαστημόπλοια, αλλά καί σέ απλούστερες εφαρμογές, όπως γιά τήν ενεργειοδότηση απομακρυσμένων τηλεφώνων εκτάκτου ανάγκης σέ εθνικές οδούς, σέ σπίτια κλπ.

Σέ πολλές χώρες έχουν ξεκινήσει προγράμματα επιδότησης τών επενδύσεων σέ φωτοβολταϊκά, τά οποία παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που μεταπωλείται καί εισάγεται στά δημόσια δίκτυα μεταφοράς. Τά προγράμματα αυτά έχουν στόχο τήν διαφοροποίηση τής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καί τήν σταδιακή απεξάρτησή της από τό πετρέλαιο.

Η θερμοκρασία είναι μία σημαντική παράμετρος λειτουργίας ενός Φ/Β συστήματος. Όπως έχουμε δεί ο συντελεστής θερμοκρασίας γιά τήν τάση ανοικτού κυκλώματος είναι κατά προσέγγιση ίσος μέ -2.3 mV/◦C γιά καθένα ηλιακό στοιχείο. Ο συντελεστής τάσης μίας βασικής μονάδας είναι επομένως αρνητικός καί πολύ μεγάλος από τήν στιγμή που συνδέονται σέ σειρά 33 έως 36 ηλιακά στοιχεία. Ο συντελεστής ρεύματος, από τήν άλλη πλευρά, είναι θετικός καί μικρός , περίπου +6 μΑ/◦C ανά τετραγωνικό εκατοστό τής βασικής μονάδας. Συνεπώς, μόνο η μεταβολή τάσης σέ σχέση μ’ αυτή τής θερμοκρασίας λαμβάνεται υπόψη γιά πρακτικούς κυρίως υπολογισμούς, ενώ γιά κάθε βασική μονάδα αποτελούμενη από nc ηλιακά στοιχεία συνδεδεμένα σέ σειρά ισούται πρός:

Είναι σημαντικό νά σημειώσετε ότι η τάση καθορίζεται από τήν θερμοκρασία λειτουργίας τών ηλιακών στοιχείων, η οποία διαφέρει από τήν θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Όπως καί γιά καθένα ηλιακό στοιχείο, τό ρεύμα βραχυκυκλώματος Isc μίας βασικής μονάδας είναι ανάλογο πρός τήν ακτινοβολία καί επομένως θα ποικίλλει κατά τήν διάρκεια τής ημέρας κατά τόν ίδιο τρόπο. Εφόσον η τάση είναι λογαριθμική συνάρτηση τού ρεύματος, θα εξαρτάται επίσης λογαριθμικά καί από τήν ακτινοβολία. Κατά τήν διάρκεια τής ημέρας επομένως η τάση θα μεταβάλλεται λιγότερο από ότι τό ρεύμα. Στόν σχεδιασμό τής Φ/Β γεννήτριας είναι συνηθισμένο νά παραμελείται η μεταβολή τής τάσης καί νά λαμβάνεται τό ρεύμα βραχυκυκλώματος ανάλογο πρός τήν ακτινοβολία.

Η λειτουργία μίας βασικής μονάδας θα πρέπει νά βρίσκεται όσο τό δυνατόν πιό κοντά στό σημείο μέγιστης ισχύος. Είναι ένα σημαντικό γνώρισμα της χαρακτηριστικής τής βασικής μονάδας, τό ότι η τάση τού σημείου μεγίστης ισχύος Vm είναι σχεδόν ανεξάρτητη από τήν ακτινοβολία. Η μέση τιμή αυτής τής τάσης κατά τήν διάρκεια τής ημέρας μπορεί νά εκτιμηθεί στό 80% τής τάσης ανοικτού κυκλώματος κάτω από κανονικές συνθήκες ακτινοβολίας. Αυτή η ιδιότητα είναι χρήσιμη γιά τήν σχεδίαση τής μονάδας ελέγχου τής ισχύος τής συσκευής.

Ο χαρακτηρισμός τής βασικής Φ.Β. μονάδας συμπληρώνεται μέ τήν μέτρηση τής θερμοκρασίας ενός κανονικά λειτουργούντος ηλιακού στοιχείου (NOCT) (Normal Operating Cell Τemperature), οριζόμενης ως η θερμοκρασία τού ηλιακού στοιχείου, όταν η βασική μονάδα λειτουργεί κάτω από τίς ακόλουθες συνθήκες σέ ανοικτό κύκλωμα:

Ακτινοβολία 0,8

Φασματική κατανομή ΑΜ 1,5

Θερμοκρασία περιβάλλοντος 0°C

Ταχύτητα ανέμου 1 m/s

Η NOCT (συνήθως μεταξύ 42°C καί 46 °C) χρησιμοποιείται τότε γιά νά καθορίσει τήν θερμοκρασία τού ηλιακού ηλεκτρικού στοιχείου Tc κατά τήν διάρκεια τής λειτουργίας βασικής μονάδας. Συνήθως υποθέτουμε ότι η διαφορά μεταξύ Τc καί θερμοκρασίας περιβάλλοντος Ta εξαρτάται γραμμικά από τήν ακτινοβολία Gr.

Συλλογή τού ηλιακού φωτός

Ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει ο σχεδιαστής μίας διάταξης είναι τό που θα στερεωθούν οι βασικές μονάδες, αν θα στερεωθούν σέ σταθερές θέσεις ή οι προσανατολισμοί τους θα ακολουθούν (ιχνηλατούν) τήν κίνηση τού ηλίου.

Στίς περισσότερες διατάξεις οι βασικές μονάδες στερεώνονται σ’ ένα σταθερό κεκλιμένο επίπεδο μέ τήν πρόσοψη πρός τόν ισημερινό. Αυτό έχει τήν αρετή τής απλότητας, δηλαδή κανένα κινούμενο τμήμα καί χαμηλό κόστος. H άριστη γωνία κλίσης εξαρτάται κυρίως από τό γεωγραφικό πλάτος, τήν αναλογία τής διάχυτης ακτινοβολίας στήν τοποθεσία καί τό είδος τού φορτίου.

Στερεώνοντας τήν διάταξη πάνω σέ σύστημα μέ δύο άξονες παρακολούθησης τού Ηλίου, μπορεί νά συλλεχθεί μέχρι 25% περισσότερη ηλιακή ενέργεια κατά τήν διάρκεια ενός έτους, σέ σύγκριση μέ τήν εγκατάσταση σταθερής κλίσης. Κάτι τέτοιο όμως αυξάνει τήν πολυπλοκότητα καί έχει ως αποτέλεσμα μία χαμηλότερης αξιοπιστίας καί υψηλότερου κόστους συντήρηση. Η μονού άξονα παρακολούθηση (ιχνηλάτηση) είναι λιγότερο σύνθετη αλλά παρουσιάζει μικρότερο κέρδος. Ο προσανατολισμός μπορεί νά ρυθμίζεται χειροκίνητα, εκεί που η προσφορά εργασίας είναι διαθέσιμη, αυξάνοντας έτσι τίς όποιες απολαβές. Έχει υπολογιστεί ότι σέ κλίματα μέ ηλιοφάνεια μία διάταξη επίπεδης κινούμενης πλάκας που έχει κατάλληλη ρύθμιση ώστε νά στρέφεται πρός τόν ήλιο δυο φορές τήν ημέρα καί νά παίρνει τήν κατάλληλη κρίση τέσσερις φορές τό χρόνο, μπορεί νά συλλαμβάνει τό 95% τής ενέργειας, που συλλέγετε μέ ένα σύστημα δυο αξόνων παρακολούθησης πλήρως αυτοματοποιημένο.

Τό σύστημα παρακολούθησης είναι ιδιαίτερα σημαντικό στά συστήματα, που λειτουργούν κάτω από συγκεντρωμένο ηλιακό φώς. Η δομή αυτών τών συστημάτων εκτείνεται από έναν απλό σχεδιασμό βασισμένο πάνω σέ πλευρικούς ενισχυτικούς καθρέπτες μέχρι τά συγκεντρωτικά συστήματα, τά οποία χρησιμοποιούν υπερσύγχρονες οπτικές τεχνικές, γιά νά αυξήσουν τήν είσοδο φωτός πρός τά ηλιακά στοιχεία κατά μερικές τάξεις τού μεγέθους. Αυτά τά συστήματα πρέπει νά προνοούν γιά ένα σημαντικό γεγονός, ότι δηλαδή συγκεντρώνοντας τό ηλιακό φώς ελαττώνουν τό γωνιακό άνοιγμα τών ακτινών, που τό σύστημα μπορεί νά δεχθεί. Η παρακολούθηση γίνεται απαραίτητη από τήν στιγμή που ο λόγος συγκέντρωσης υπερβαίνει τό 10 περίπου καί τό σύστημα μπορεί νά μετατρέψει μόνο τήν άμεση συνιστώσα τής ηλιακής ακτινοβολίας.

Εξωτερικοί Σύνδεσμοι

Πληροφορίες γιά τά Φωτοβολταϊκά

Φωτοβολταϊκά Συστήματα, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών καί Εξοικονόμησης Ενέργειας

Φωτοβολταϊκά, Greenpeace

Ηλιακός ηλεκτρισμός στό σπίτι σας: Ένας πρακτικός οδηγός από τήν Greenpeace γιά τήν εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων

Φωτοβολταϊκά στίς στέγες, ΔΕΗ

Υπολογισμός Απόδοσης Φωτοβολταϊκών συστημάτων σέ διάφορες πόλεις τής Ελλάδας

Σχετικά άρθρα εφημερίδων

Μανταλένα Πίου (08/07/2009). "Οδηγός γιά φωτοβολταϊκά στίς στέγες". Ημερησία. http://www.imerisia.gr/article.asp?catid=12930&subid=2&pubid=10325137. Ανακτήθηκε τήν 17/07/2009. 

"Φωτοβολταϊκά στήν ταράτσα από 1ης Ιουλίου". Η Καθημερινή. 19/06/2009. http://portal.kathimerini.gr/4dcgi/_w_articles_tile2_1_19/06/2009_285057. Ανακτήθηκε τήν 17/07/2009.