Φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα παρουσιάζουν, λόγω της αυξημένης στη χώρα μας ηλιοφάνειας, μεγάλο ενδιαφέρον για τον τομέα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το ισχύον νομοθετικό πλαίσιο προωθεί μάλιστα την εγκατάσταση συστημάτων από ιδιώτες.

Οι φωτοβολταϊκοί μετατροπείς ενέργειας είναι διατάξεις που αποτελούνται από δυο ημιαγώγιμα στρώματα του ίδιου (ομοένωση) ή διαφορετικών (ετεροένωση) υλικών σε επαφή. Η αποδοτική λειτουργία τους στηρίζεται στο «φωτοβολταϊκό φαινόμενο», σύμφωνα με το οποίο μέρος της ενέργειας της προσπιπτόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του άνω ημιαγωγού μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ειδικότερα, μόνο η ενέργεια Ε της ηλιακής ακτινοβολίας που έχει μία συγκεκριμένη τιμή (μήκος κύματος, λ, μέχρι ένα όριο) απορροφάται από τους φωτοβολταϊκούς (Φ/Β) συλλέκτες και μετατρέπεται σε ηλεκτρική ισχύ. Αντίθετα, η ενέργεια Ε με μεγαλύτερα μήκη κύματος (είναι Ε<Ε) ή η περίσσεια της ενέργειας Ε της ηλιακής ακτινοβολίας με μικρότερο μήκος κύματος (είναι Ε>Ε) μετατρέπονται σε θερμότητα μέσα στο Φ/Β στοιχείο.

Τεχνολογίες παραγωγής Φ/Β στοιχείων

Τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ποικίλλουν, όπως και οι μέθοδοι κατασκευής τους. Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής φωτοβολταϊκών (Φ/Β) στοιχείων που κυρίως χρησιμοποιούνται σήμερα βασίζονται στο πυρίτιο και είναι:

Μονοκρυσταλλικού πυριτίου

Είναι το πιο διαδεδομένο είδος Φ/Β στοιχείων. Για την παραγωγή του γίνεται επεξεργασία των μεταλλευμάτων πυριτίου, το οποίο ακολούθως καθαρίζεται και τήκεται σε υψηλές θερμοκρασίες. Από το τήγμα ανασύρεται με αργούς ρυθμούς ο κρύσταλλος υπό μορφή ράβδου. Στην συνέχεια, η ράβδος κόβεται σε κυλίνδρους πολύ μικρού πάχους, περίπου 200μm. Αυτή η παραγωγική διαδικασία είναι πολύ δαπανηρή, αλλά εγγυάται ένα σχετικά υψηλό βαθμό απόδοσης.

Πολυκρυσταλλικού πυριτίου

Τα Φ/Β στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου  αποτελούν και αυτά μια πολύ διαδεδομένη τεχνολογία, η οποία, αντίθετα με την αντίστοιχη των μονοκρυσταλλικών στοιχείων είναι λιγότερο δαπανηρή. Σε αυτή την περίπτωση, ακολουθείται μία διαδικασία χύτευσης του πυριτίου σε ειδικά δοχεία και στερεοποίησης κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες. Κατά την διάρκεια της στερεοποίησης, σχηματίζονται κρυσταλλικές δομές διαφόρων μεγεθών, στα όρια των οποίων υπάρχουν ατέλειες του κρυσταλλικού πλέγματος του στοιχείου. Ως αποτέλεσμα της ατελούς κρυσταλλικής μορφής, η απόδοση του Φ/Β στοιχείου είναι μικρότερη.

Αμορφου πυριτίου (ή λεπτού υμενίου)

Για την κατασκευή αυτών των στοιχείων αποτίθεται με διάφορες τεχνικές ένα λεπτό στρώμα πυριτίου, πάχους μόλις 1μm περίπου (200 φορές μικρότερο πάχος υλικού σε σχέση με το πάχος του μονοκρυσταλλικού πυριτίου), σε ένα υπόστρωμα από γυαλί, μέταλλο ή πλαστικό. Το πυρίτιο αυτό λέγεται άμορφο λόγω της μεγάλης αταξίας της δομής του και της μή διάκρισης ορίων κόκκων. Ως εκ τούτου, η παραγωγική μέθοδος είναι απλή και σχετικά ανέξοδη εξαιτίας των μικρών ποσοτήτων πυριτίου που χρησιμοποιούνται, ωστόσο χαρακτηρίζεται από μειωμένο βαθμό απόδοσης σε σχέση με τις άλλες δυο τεχνολογίες και γι’ αυτό απαιτείται μεγαλύτερη επιφάνεια για την απόδοση της ίδιας ηλεκτρικής ισχύος. Επιπλέον, τα Φ/Β στοιχεία αυτού του τύπου παρέχουν μεγάλη πλαστικότητα στην μορφή τους και προσφέρουν πολλές δυνατότητες αξιοποίησης.

Γενικά και οι 3 Φ/Β τεχνολογίες ενδείκνυνται για ποικίλες εφαρμογές. Χαρακτηριστικά αναφέρεται η ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων σε μεγάλα κτίρια, γνωστά και ως Κτιριακά Ολοκληρωμένα Φ/Β στοιχεία, όπου αντικαθιστούν τα υαλοστάσια (έπειτα από επεξεργασία για την αύξηση της διαφάνειάς τους), συμβάλλοντας έτσι στην τροφοδοσία του κτιρίου με ηλεκτρική ενέργεια. Ακόμη, με περαιτέρω επεξεργασία των συγκεκριμένων Φ/Β έτσι ώστε να αποκτήσουν θερμομονωτικές ιδιότητες, μπορούν και επιτυγχάνουν πέραν της ηλεκτροπαραγωγής και εξοικονόμηση ενέργειας 15-30% σε σχέση με ένα κτίριο με συμβατικά υαλοστάσια.

Μία άλλη κατηγορία Φ/Β στοιχείων είναι τα λεγόμενα υβριδικά, στα οποία μελετάται ο συνδυασμός της χρήσης υποστρωμάτων χαμηλού κόστους και του υψηλής απόδοσης κρυσταλλικού πυριτίου. Ωστόσο, τα στοιχεία αυτά δεν είναι ακόμη εμπορικά διαθέσιμα, αν και εμφανίζουν υψηλή απόδοση.

Τέλος, στην προσπάθεια περαιτέρω μείωσης του κόστους κατασκευής και της βελτίωσης της απόδοσης, έχουν αναπτυχθεί τα στοιχεία πολλαπλών επαφών. Στην περίπτωση αυτή, χρησιμοποιούνται περισσότερα του ενός στρώματα διαφορετικών υλικών τα οποία απορροφούν ακτινοβολία διαφορετικής ενέργειας. Το υλικό που δεσμεύει ακτινοβολία υψηλότερης ενέργειας τοποθετείται στην επιφάνεια, επιτρέποντας συγχρόνως στην ακτινοβολία χαμηλότερης ενέργειας να απορροφηθεί από τα στρώματα υλικών που βρίσκονται από κάτω. Πρόκειται για μία μέθοδο που αναμένεται να επικρατήσει στο μέλλον.

Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των Φ/Β στοιχείων

1. Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας

Η διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας ή διαφορετικά η μεταβολή της έντασης ή πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται στην επιφάνειά του το Φ/Β πλαίσιο, κατά την διάρκεια της ημέρας αλλά και του έτους, καθιστά την τροφοδοσία του μή σταθερή η οποία αυξομειώνεται μεταξύ μιάς μέγιστης και της μηδενικής τιμής. Επομένως, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς του πλαισίου εξαρτάται από την χρονική μεταβολή της έντασης της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στην επιφάνειά του.

2. Θερμοκρασία του Φ/Β στοιχείου – Θερμοκρασία περιβάλλοντος

Τα Φ/Β στοιχεία λειτουργούν καλύτερα σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, όταν δηλαδή η θερμοκρασία τους δεν υπερβαίνει την συμβατικά σχεδιαζόμενη θερμοκρασία λειτουργίας, η οποία είναι 25^οC. Η θερμοκρασία τους όμως αυξάνεται και λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επικρατούν ιδιαίτερα κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, αλλά και εξαιτίας της μετατροπής μέσα σε αυτά μέρους της ηλιακής ενέργειας σε θερμική ενέργεια. Έτσι έχει αποδειχθεί ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του Φ/Β στοιχείου ελαττώνει τελικά την αποδιδόμενη από αυτό μέγιστη ισχύ κατά περίπου 0,3% ^οC.

3. Επίδραση της σκόνης

Η επίδραση της απόδοσης των Φ/Β στοιχείων από την ρύπανση και την σκόνη του περιβάλλοντος δεν είναι καθόλου αμελητέα. Αντίθετα, με την χρήση ενός αδιάστατου συντελεστή υπεισέρχεται και αυτή η παράμετρος στον υπολογισμό της μέγιστης απόδοσης. Ο παραπάνω συντελεστής παίρνει την τιμή 1 για περιβάλλον χωρίς ρύπανση και την τιμή 0,8 για περιβάλλον με υψηλό επίπεδο ρύπανσης. Πάντως, η κλίση με την οποία τοποθετούνται τα Φ/Β πλαίσια ευνοεί τον καθαρισμό της επιφάνειάς τους από την βροχή και τον αέρα, και έτσι περιορίζεται η επίδραση του συγκεκριμένου παράγοντα. Στις περιπτώσεις, όμως, που τα Φ/Β πλαίσια τοποθετούνται με οριζόντια κλίση, συνίσταται ο περιοδικός καθαρισμός τους.

Συνθήκες λειτουργίεας Φ/Β στοιχείων

Τα συνδεόμενα Φ/Β στοιχεία αποδίδουν την μέγιστη ηλεκτρική ισχύ όταν δέχονται την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας, αρκεί να πληρούνται οι εξής προϋποθέσεις:

1. Να υπάρχει επαρκής ελεύθερος και ασκίαστος χώρος.

Αυτή η απαίτηση είναι μείζονος σημασίας, καθώς η αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς είναι ευθέως ανάλογη του ποσού της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται η επιφάνεια του Φ/Β πλαισίου. Σε διαφορετική περίπτωση, το Φ/Β σύστημα θα λειτουργεί με μειωμένη απόδοση.

2. Να τίθενται σε νότιο προσανατολισμό.

Τα Φ/Β πλαίσια έχουν την μέγιστη απόδοση όταν έχουν νότιο προσανατολισμό, διότι δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία με την μέγιστη πυκνότητά της για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα στην διάρκεια της ημέρας. Αποκλίσεις από τον Νότο ως 45ο είναι αποδεκτές, μειώνουν προφανώς, όμως, την απόδοση. Τα παραπάνω φαίνονται και στον πίνακα 2 όπου παρουσιάζεται η απόδοση των Φ/Β πλαισίων σε διάφορες κλίσεις στους 4 προσανατολισμούς.

3. Να επιλέγεται η σωστή κλίση του Φ/Β πλαισίου σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο.

Όταν το Φ/Β πλαίσιο τοποθετείται πάνω σε σταθερή βάση στήριξης, τότε η βέλτιστη γωνία κλίσης του πλαισίου για μέγιστη ετήσια ενεργειακή απολαβή, σε τόπους με μέσα ή μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, λ, (πέραν των 20ο), βρίσκεται μέσα στην περιοχή λ± (10ο ως 15ο). Συγκεκριμένα, αν επιδιώκεται να παράγεται περισσότερη ενέργεια στην διάρκεια του καλοκαιριού, η κλίση του πλαισίου επιλέγεται 15ο μικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, ενώ για τον χειμώνα επιλέγεται κλίση 15ο μεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Όλα τα παραπάνω προκύπτουν σε συνδυασμό βέβαια με τις μετεωρολογικές συνθήκες που επικρατούν στον τόπο εγκατάστασης του πλαισίου. Τέλος, αν δεν υπάρχουν διαθέσιμα μετεωρολογικά δεδομένα, τότε το καλύτερο που μπορεί να γίνει είναι η επιλογή της κλίσης του πλαισίου κατά 10ο χαμηλότερα από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, η οποία -σύμφωνα με θεωρητικούς υπολογισμούς- προσεγγίζει την θέση καλύτερης δυνατής εκμετάλλευσης της ημερήσιας ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας.

Ακόμη, αναφέρεται ότι για την καλύτερη παρακολούθηση της κίνησης του ηλίου, το Φ/Β πλαίσιο δύναται να τοποθετείται πάνω σε κινητή βάση στήριξης με δυνατότητα εποχικής ή συχνότερης ρύθμισης της κλίσης του πλαισίου. Τονίζεται ότι ένα Φ/Β στοιχείο δέχεται την μέγιστη ισχύ της ακτινοβολίας όταν η κλίση του είναι τέτοια που η πρόσπτωση των ακτίνων του ηλίου είναι κάθετη στην επιφάνειά του.

Τύποι Φ/Β συστημάτων

Τα Φ/Β συστήματα, εκτός από την Φ/Β γεννήτρια, περιλαμβάνουν και άλλες διατάξεις, το είδος των οποίων καθορίζεται από τον τύπο του Φ/Β συστήματος. Έτσι, διακρίνονται τα:

Αυτόνομα Φ/Β συστήματα

Ένα αυτόνομο Φ/Β σύστημα τροφοδοτεί με ηλεκτρική ενέργεια ένα κτίριο το οποίο δεν είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο της Δ.Ε.Η. Οι επιμέρους διατάξεις ενός τέτοιου συστήματος είναι η συστοιχία συσσωρευτών που απαιτείται για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τα Φ/Β πλαίσια για μεταγενέστερη χρήση (την νύχτα ή όταν έχει συννεφιά κ.λ.π.), ο ρυθμιστής φόρτισης των συσσωρευτών που φροντίζει για την ομαλή εκφόρτισή τους και προστατεύει επίσης από υπερφόρτιση ή/και βαθιά εκφόρτισή τους. Ακόμη, λαμβάνεται μέριμνα για την ύπαρξη ενός αντιστροφέα, ο οποίος μετατρέπει την συνεχή τάση των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενη με κατάλληλα χαρακτηριστικά ώστε να λειτουργούν οι συσκευές εμπορίου αλλά και να μειώνει τις απώλειες που προκύπτουν από την μεταφορά συνεχούς ρεύματος έναντι του εναλλασσόμενου. Τέλος, τοποθετείται ένας πίνακας ελέγχου, ο οποίος περιλαμβάνει όλες τις αναγκαίες διατάξεις μετρήσεων και ελέγχου για την παρακολούθηση και σωστή λειτουργία του συστήματος. Σε αυτά τα συστήματα είναι απαραίτητο να διαστασιολογείται σωστά το σύστημα έτσι ώστε να επιλέγεται η ακριβής χωρητικότητα των συσσωρευτών για την συνολική κάλυψη των ενεργειακών αναγκών τις μέρες κατά τις οποίες η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια δεν επαρκεί.

Υβριδικά Φ/Β συστήματα

Επειδή η περίπτωση του αυτόνομου Φ/Β συστήματος οδηγεί στην επιλογή μεγάλου μεγέθους συσσωρευτών για την ασφαλή κάλυψη της ενεργειακής ζήτησης και δεδομένου ότι το κόστος αγοράς και το κόστος συντήρησης των συσσωρευτών είναι μεγάλο, συχνά επιλέγεται ο συνδυασμός του ανωτέρω συστήματος με την ύπαρξη ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους ή την τοποθέτηση ανεμογεννήτριας ως βοηθητικές πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Σε αυτήν την περίπτωση, το υπό διαστασιολόγηση Φ/Β σύστημα είναι μικρότερο και λειτουργεί συμπληρωματικά με κάποιο από τα παραπάνω συστήματα όταν δεν επαρκεί η παρεχόμενη από αυτό ενέργεια. Σε αυτήν την περίπτωση προστίθεται μία ακόμη διάταξη, η διάταξη ανόρθωσης, η οποία μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα που προέρχεται από την εξωτερική πηγή σε συνεχές ώστε να είναι κατάλληλο για την φόρτιση των συσσωρευτών. Τέλος, υπάρχει και ένας μετατροπέας συνεχούς ρεύματος για την μετατροπή των χαρακτηριστικών της συνεχούς τάσης των Φ/Β ώστε να εξασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία του υπόλοιπου κυκλώματος και να διατηρείται σταθερή η τάση εξόδου τους.

Διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα

Τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε κτίρια τα οποία είναι συνδεδεμένα και με το δίκτυο της Δ.Ε.Η. Σε αυτήν την περίπτωση δεν απαιτείται η χρήση συσσωρευτών για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας, καθώς αυτή διοχετεύεται στο δίκτυο της Δ.Ε.Η., η οποία το αγοράζει έναντι μιάς ορισμένης τιμής. Σε αντίθετη περίπτωση, δηλαδή όταν η παραγόμενη από Φ/Β ηλεκτρική ενέργεια δεν επαρκεί, οι ανάγκες συμπληρώνονται από το δίκτυο. Έτσι, στην εγκατάσταση προστίθεται ένας διπλός μετρητής για την καταμέτρηση της εισερχόμενης και εξερχόμενης ενέργειας, ενώ δεν απαιτείται διάταξη ανόρθωσης.

Φωτοβολταϊκά πάρκα

Τα Φ/Β πάρκα είναι Φ/Β σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλης ισχύος, τα οποία διοχετεύουν την συνολική παραγόμενη ενέργεια κατευθείαν στο δίκτυο έναντι μιάς ορισμένης και πάλι τιμής. Ως εκ τούτου, και εδώ δεν απαιτούνται συσσωρευτές, ενώ χρησιμοποιούνται αντιστροφείς δικτύου για την μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο.

Επισημαίνεται ότι ειδικά η περίπτωση των Φ/Β πάρκων αναμένεται να αυξήσει το ενδιαφέρον πολλών επενδυτών ύστερα από την ψήφιση του Νόμου 3468/2006 «Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) και Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης (Σ.Η.Θ.Υ.Α.) και λοιπές διατάξεις», ο οποίος πριμοδοτεί την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και ειδικότερα από Φ/Β συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Πλεονεκτήματα Φ/Β στοιχείων

Ανακεφαλαιώνοντας και συνοψίζοντας, κρίνεται σκόπιμο να αναφερθούν τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την παραγωγή ενέργειας με την χρήση Φ/Β συστημάτων ανεξάρτητα από την χρησιμοποιούμενη τεχνολογία. Έτσι, όλα τα Φ/Β συστήματα μοιράζονται τα εξής πλεονεκτήματα:

-Φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή ενέργειας–μηδενική ρύπανση.

-Εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, η οποία είναι ανεξάντλητη πηγή ενέργειας.

-Ασφάλεια και προβλεψιμότητα ενεργειακού εφοδιασμού.

-Αποκεντρωμένη παραγωγή ενέργειας–προσφορά «πράσινης» ενέργειας στο δίκτυο.

-Αθόρυβη λειτουργία.

-Αμελητέο κόστος λειτουργίας και συντήρησης στις περιπτώσεις που δεν απαιτούνται συσσωρευτές.

-Αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής.

-Ευέλικτο σύστημα–δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες.

-Διάθεση σε ποικιλία μεγεθών, χρωμάτων και σχημάτων -άνετη χρήση ως δομικά υλικά- δυνατότητα πρωτοποριακών αρχιτεκτονικών λύσεων.

-Εξομάλυνση των αιχμών φορτίου, αποφυγή black-out, καθώς η μέγιστη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας συμπίπτει χρονικά με τις ημερήσιες και τις εποχικές αιχμές ζήτησης.

Βιβλιογραφία:

Ι. Ε. Φραγκιαδάκης, Φωτοβολταϊκά Συστήματα, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 2004.

Κ. Καγκαράκης, Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία, Εκδόσεις Συμμετρία, Αθήνα, 1992.

Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδος, Σεμινάριο «Φωτοβολταϊκές Εφαρμογές», Βιβλιοθήκη Τ.Ε.Ε., Αθήνα, Ιούνιος 1994.

Δ. Μπούρης, Εισαγωγή στα Φωτοβολταϊκά Συστήματα, Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας.

Φ.Ε.Κ. Α΄ 129/27-6-06, «Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης και λοιπές διατάξεις».

 

Πηγές στο διαδίκτυο:

www.rae.gr

www.helapco.gr