Φωτοβολταϊκά Συστήματα στο Σχολικό Περιβάλλον

 

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1^ο

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗΣ

ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

 Η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παράγεται στον ήλιο. Φτάνει σχεδόν αμετάβλητη στο ανώτατο στρώμα της ατμόσφαιρας του πλανήτη μας, διαμέσου του διαστήματος, και στη συνέχεια κατά τη διέλευσή της από την ατμόσφαιρα υπόκειται σε σημαντικές αλλαγές, που οφείλονται στην σύσταση της ατμόσφαιρας. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα σημείο στην επιφάνεια της γης μια δεδομένη χρονική στιγμή 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 έχ Η γη δέχεται ετήσια ηλιακή ενέργεια με ακτινοβολία της τάξης του 173x1015W. Η συνολική ακτινοβολία είναι ενέργειας 800-2500 KWh/m² ετησίως. Η ποσότητα αυτή είναι περίπου η διπλάσια από αυτή που θα μπορέσει ποτέ να ληφθεί από το σύνολο των μη ανανεώσιμων πηγών της Γης (πχ. Φυσικό αέριο, άνθρακα κτλ ) και περισσότερη από αυτή που καταναλώνει σήμερα ο άνθρωπος σε ένα χρόνο. Γι αυτό κρίνεται σκόπιμη η πρακτική εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας.

Η ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για:

1. Την άμεση παραγωγή θερμότητας, με ενεργητικά και παθητικά ηλιακά συστήματα. Αν η παραγόμενη θερμότητα είναι υψηλής θερμοκρασίας, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ατμού και στη συνέχεια μηχανικής ενέργειας (με ατμοστρόβιλους).Η μηχανική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Σε αυτή τη περίπτωση αναφερόμαστε σε θερμική παραγωγή ηλεκτρισμού από την ηλιακή ενέργεια.

 2. Την άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με δύο τρόπους: θερμικές και φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Η θερμική αξιοποίηση περιλαμβάνει συλλογή της ηλιακής ενέργειας για να παραχθεί θερμότητα κυρίως για θέρμανση νερού και μετατροπή του σε ατμό για την κίνηση ατμοστροβίλων.

Η δεύτερη εφαρμογή θα αναλυθεί λεπτομερώς σε επόμενο κεφάλαιο της εργασίας. Πλεονεκτήματα χρήσης της ηλιακής ενέργειας: Αποτρέπεται η κατανάλωση ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και κατά συνέπεια οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που προκαλούν τις παγκόσμιες κλιματικές αλλαγές.

Το φως του ήλιου είναι δωρεάν και διαθέσιμο σε όλο τον πλανήτη. Είναι ανανεώσιμη πηγή και δεν πρόκειται να εξαντληθεί. Η ηλιακή θερμική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί και να απελευθερώνεται αργά και σταδιακά. Η τοποθέτηση ενός ηλιακού συστήματος είναι απλή. Η δε συντήρηση που απαιτεί είναι ελάχιστη ενώ η ανθεκτικότητα τους φτάνει τα 25 και άνω έτη λειτουργίας.

  Πρόκειται για απλή και συμφέρουσα λύση καθώς με τη πάροδο του χρόνου τα ηλιακά συστήματα τείνουν να “πληρώνονται μόνα τους”.( μέσος χρόνος αποπληρωμής 4 ετών) Μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε μηχανήματα μικρής κλίμακας όσο και μεγάλης.  Είναι η εναλλακτική ενέργεια που φαίνεται ότι μπορεί να ανταποκριθεί καλύτερα στις ανάγκες του μέλλοντος. Τα συστήματα ηλιακής ενέργειας είναι γενικώς αθόρυβα. Τα black-out είναι σπάνια και η πλεονάζουσα ενέργεια μπορεί να επανατροφοδοτήσει το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας.  Το κόστος δε μεταβάλλεται με τη πάροδο του χρόνου όπως συμβαίνει πχ με τα ορυκτά καύσιμα Η ηλιακή τεχνολογία είναι μια καθ΄όλα ώριμη, δοκιμασμένη και αξιόπιστη τεχνολογία.  Είναι ιδανική για απομονωμένες περιοχές, μακριά από γεννήτριες.  Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη παραγωγή ηλεκτρισμού ακόμα κι όταν έχει συννεφιά.   Η ενέργεια δε χάνεται κατά τη μεταφορά από τα κεντρικά σημεία, όταν τα κατανεμημένα συστήματα βρίσκονται σε λειτουργία.   Το πυρίτιο το οποίο χρησιμοποιείται για ημιαγωγούς είναι το δεύτερο σε αφθονία ορυκτό στο πλανήτη.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑÏΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

 Η άμεση μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική πραγματοποιείται με τα φωτοβολταϊκά κύτταρα των οποίων η λειτουργία βασίζεται στο "φωτοβολταϊκό φαινόμενο". Η συγκεκριμένη τεχνολογία εμφανίστηκε το 1838 από ένα ζευγάρι Γάλλων επιστημόνων που εργαζόντουσαν για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω χημικών αντιδράσεων. Παρατήρησαν ότι εκθέτοντας την συσκευή που είχαν κατασκευάσει στο ηλιακό φως, αύξησαν την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Το 1954 τα εργαστήρια Bell ανακοίνωσαν τις εξελίξεις που μετέφεραν τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία από τα εργαστήρια στην καθημερινή πρακτική αξιοποίησης, την κατασκευή μίας μονής φωτοβολταϊκής κυψέλης από σιλικόνη. Πρώτη φορά εφαρμόστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 στα διαστημικά προγράμματα των ΗΠΑ. Η εξέλιξή της επέτρεψε τη μείωση του κόστους (~4% το χρόνο14) στην παραγωγή ηλεκτρισμού από $300 σε $4 ανά Watt. Λόγω της σχετικά χαμηλής απόδοσής τους και του συνεπαγόμενου υψηλού συνολικού κόστους, τα φωτοβολταϊκά συστήματα βρίσκουν κυρίως εφαρμογή ως μονάδες μικρής δυναμικότητας σε αγροτικές και απομακρυσμένες περιοχές όπου η σύνδεση με το δίκτυο είναι πολύ ακριβή.

Λειτουργία του φωτοβολταϊκού κυττάρου.

 Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα ή φωτοβολταϊκές κυψέλες είναι κρυσταλλοδίοδοι οι οποίοι αποτελούνται από ημιαγωγούς (φτιαγμένους από ημιαγώγιμα υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα της φωτοαγωγιμότητας, να απορροφούν δηλαδή φωτόνια και να μεταδίδουν την ενέργεια τους αυτή σε χωριστά ηλεκτρόνια. ). Το πυρίτιο είναι το πιο συχνό υλικό που χρησιμοποιείται στη κατασκευή ημιαγωγών για οικονομικούς και τεχνικούς λόγους.  Ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο δημιουργείται με την τοποθέτηση ενός λεπτού στρώματος πυριτίου ενισχυμένου με φώσφορο, σε επαφή με ένα στρώμα από πυρίτιο ενισχυμένο με Βόριο. Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό κύτταρο, μέρος της ακτινοβολίας διεγείρει ηλεκτρόνια τα οποία μπορούν να κινούνται σχετικά ελεύθερα μέσα στον ημιαγωγό. Η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου υποχρεώνει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς συγκεκριμένη κατεύθυνση, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα του οποίου η ισχύς καθορίζεται από τη ροή των ηλεκτρονίων και την εφαρμοζόμενη τάση στο φωτοβολταϊκό κύτταρο.  Κάθε άτομο πυριτίου έχει  ηλεκτρόνια κατανεμημένα σε τρεις διαφορετικές στοιβάδες. Οι δύο πρώτες είναι συμπληρωμένες με 2 και 8 άτομα αντίστοιχα. Η εξωτερική στοιβάδα περιλαμβάνει τα υπολειπόμενα 4 ηλεκτρόνια που συμμετέχουν σε δεσμούς με τα γειτονικά άτομα πυριτίου σχηματίζοντας την κρυσταλλική πυραμιδική δομή του καθαρού πυριτίου. Το καθαρό κρυσταλλικό πυρίτιο είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού καθώς δεν υπάρχουν ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια όπως στην περίπτωση του μεταλλικού πλέγματος. Όταν διοχετεύεται ενέργεια στο κρυσταλλικό πυρίτιο, κάποια ηλεκτρόνια διεγείρονται, σπάζουν τους δεσμούς τους και απομακρύνονται προς γειτονικά τους άτομα δημιουργώντας διαθέσιμες θετικά φορτισμένες "οπές" στη δομή του υλικού. Οι θέσεις αυτές καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια γειτονικών ατόμων και με τον τρόπο αυτό δημιουργείται ροή ηλεκτρονίων μέσα στο υλικό. Ο αριθμός όμως των ηλεκτρονίων που μπορούν να κινηθούν είναι σημαντικά περιορισμένος για να χρησιμεύσει στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Για το λόγο αυτό εισάγονται ετεροάτομα στην κρυσταλλική δομή, όπως π.χ. φωσφόρου. Η εξωτερική στοιβάδα του φωσφόρου έχει 5 ηλεκτρόνια εκ των οποίων τα 4 συμμετέχουν σε δεσμούς με τα γειτονικά άτομα πυριτίου, ενώ το πέμπτο συγκρατείται ηλεκτροστατικά από τα πρωτόνια του πυρήνα. Το συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο απαιτεί σημαντικά χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης για να κινηθεί στο κρυσταλλικό πλέγμα. Σαν αποτέλεσμα τα περισσότερα από αυτά τα ηλεκτρόνια ελευθερώνονται και γίνονται φορείς ηλεκτρικού ρεύματος που είναι πολύ περισσότεροι από αυτούς του κρυσταλλικού πυριτίου. Η πρόσμιξη του κρυσταλλικού πυριτίου με άτομα φωσφόρου δημιουργεί ημιαγωγό τύπου Ν. Όταν προστίθεται στο κρυσταλλικό πυρίτιο βόριο προκύπτουν ημιαγωγοί τύπου Ρ. Το βόριο έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 3 ηλεκτρόνια που συμμετέχουν σε δεσμούς με άτομα πυριτίου. Επειδή σε κάθε άτομο απαιτούνται 8 ηλεκτρόνια για τη συμπλήρωση της εξωτερικής τους στοιβάδας, στην εξωτερική στοιβάδα του βορίου υπάρχουν διαθέσιμες 2 ελεύθερες θέσεις ηλεκτρονίων, δημιουργώντας αντίστοιχες θετικά φορτισμένες "οπές" στη δομή του υλικού. Η κατάληψη των οπών από ηλεκτρόνια γειτονικών ατόμων δίνει την εικόνα διάδοσής τους στο υλικό ή μεταφοράς θετικών φορτίων στην κρυσταλλική δομή του ημιαγωγού.

Φέρνοντας σε επαφή τους ημιαγωγούς τύπου Ν και Ρ σχηματίζεται ηλεκτρικό πεδίο. Τα ηλεκτρόνια του πυριτίου τύπου Ν κινούνται προς τις κενές θέσεις του πυριτίου τύπου Ρ για να τις καλύψουν. Στην ένωση των δύο υλικών επιτυγχάνεται ισορροπία και δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσα στις δύο πλευρές. Το ηλεκτρικό πεδίο λειτουργεί σαν ηλεκτρόδιο, επιτρέποντας τα ηλεκτρόνια να περάσουν από το πυρίτιο Ρ στο Ν αλλά όχι αντίστροφα. Όταν φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας, κατάλληλου μήκους κύματος, προσπίπτουν σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο διεγείρουν ηλεκτρόνια και τα ελευθερώνουν δημιουργώντας παράλληλα αντίστοιχες οπές. Κάθε φωτόνιο με αρκετή ενέργεια θα ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο και θα δημιουργήσει μια οπή. Αν αυτό συμβεί κοντά στο ηλεκτρικό πεδίο ή αν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και μια οπή βρεθούν κοντά στην ένωση Ρ-Ν ημιαγωγών, το πεδίο θα εξαναγκάσει το ηλεκτρόνιο να πάει στον ημιαγωγό Ν και θα οδηγήσει την οπή στο πυρίτιο Ρ. Αυτό προκαλεί μεγαλύτερη ανισορροπία στην ηλεκτρική ουδετερότητα και αν χρησιμοποιηθεί μία εξωτερική αγώγιμη οδός τα ηλεκτρόνια θα περάσουν μέσα από αυτή για να πάνε στην αρχική τους θέση από όπου το ηλεκτρικό πεδίο τα απομάκρυνε. Η ροή αυτή των ηλεκτρονίων δημιουργεί το ρεύμα, και το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί την τάση του ρεύματος. Το μέγιστο θεωρητικό ποσό ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο είναι περίπου το 25% της ενέργειας που δέχεται, αλλά το πιο συνηθισμένο ποσοστό είναι λιγότερο από 15%. Καθώς η ηλιακή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δεν είναι μονοχρωματική, αποτελείται από φάσμα διαφορετικών μηκών κυμάτων, άρα και από φωτόνια διαφορετικών επιπέδων ενέργειας. Τα φωτόνια χαμηλού ενεργειακού περιεχομένου δεν μπορούν να διεγείρουν ηλεκτρόνια του ημιαγωγού και απλώς διέρχονται μέσα από το φωτοβολταϊκό κύτταρο. Μόνο τα φωτόνια που μεταφέρουν μεγαλύτερη ή ίση ενέργεια από ένα συγκεκριμένο ποσό που εξαρτάται από το υλικό που είναι κατασκευασμένο το κύτταρο μπορούν να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια. Η τεχνολογία των ημιαγώγιμων υλικών επέτρεψε την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας στην παραγωγή ηλεκτρισμού, καθώς ενδεχόμενη χρήση αγώγιμων υλικών, όπως τα μέταλλα, θα οδηγούσε μεν σε μεγαλύτερη ροή ηλεκτρονίων αλλά θα παρουσίαζε πολύ χαμηλή τάση πεδίου.

Η τεχνολογική κατάσταση των φωτοβολταϊκών στην Ελλάδα  

Η Ηλιακή ενέργεια καθαρή, ήπια και ανανεώσιμη μορφή ενέργειας από τον ήλιο. Διαθέσιμη στον καθένα χωρίς κόστος και πρακτικά ανεξάντλητη. Η Ελλάδα ως χώρα είναι ιδιαίτερα ευνοημένη αφού μπορεί να εκμεταλλευτεί τα περισσότερα είδη των ήπιων μορφών ενέργειας-και ιδιαίτερα την ηλιακή- γιατί διαθέτει πολλές ώρες ηλιοφάνειας τις περισσότερες ημέρες του χρόνου. Στο μεγαλύτερο τμήμα της χώρα μας η ηλιοφάνεια διαρκεί περισσότερες από 2700 ώρες το χρόνο. Στη Δυτική Μακεδονία και την Ήπειρο εμφανίζει τις μικρότερες τιμές κυμαινόμενη από 2200 ως 2300 ώρες, ενώ στη Ρόδο και τη νότια Κρήτη ξεπερνά τις 3100 ώρες ετησίως. Η ουσιαστική ώθηση για τα φωτοβολταϊκά όπως και για τις υπόλοιπες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, δόθηκε μέσα από κυβερνητικά προγράμματα με την μορφή επιδοτήσεων των δραστηριοτήτων παραγωγής ενέργειας (κυρίως ηλεκτρικής) με την χρήση "πράσινων" τεχνολογιών (ΑΠΕ). Η περισσότερo γνωστή από αυτές είναι η ευνοϊκή τιμολόγηση της ενέργειας που παράγεται από Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, γνωστή και ως feed - in - tarrif. Η Ελλάδα έχει υιοθετήσει και αυτή με την σειρά της κίνητρα για την προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, τα οποία μάλιστα ήταν (και είναι?) ΙΔΙΑΙΤΕΡΑ ελκυστικά για τους υποψήφιους επενδυτές.  Όμως η παροιμιώδης τσαπατσουλιά, ανικανότητα και διαφθορά που μαστίζει τους κρατικούς φορείς, κατάφερε την πιο ελπιδοφόρα τεχνολογία της εποχής μας να την κάνει να χαρακτηρίστει ως "φούσκα" (και μάλιστα από την οπτική γωνία κάποιων, δυστυχώς δικαιολογημένα). Εκατοντάδες αιτήσεις για άδειες παραγωγής ενέργειας στην ΡΑΕ και άλλες τόσες αιτήσεις αδειών - εξαιρέσεων προς επιδότηση από τον επενδυτικό νόμο, περιμένουν καρτερικά σε κάποια συρτάρια την ώρα (ή την χρονιά) της κρίσης τους. Παρόλα αυτά, ευτυχώς δεν φαίνεται να "κατόρθωσε" ο κρατικός μηχανισμός να αναχαιτίσει στην χώρα μας την παγκόσμια δυναμική των φωτοβολταίκών, αφού η εφευρετικότητα του έλληνα κατασκευαστή αλλά και η "προνοητικότητα" κάποιων επενδυτών έχουν ήδη "στείλει" κάποιες μεγαβατώρες στο δίκτυο της ΔΕΗ. Επίσης, πέρα από τις επενδύσεις σε διασυνδεδεμένα συστήματα μια άλλη αγορά ΦΒ που αναπτύσσεται είναι αυτή των αυτόνομων συστημάτων , αφού η τιμή της φωτοβολταϊκής κιλοβατώρας πλέον ανταγωνίζεται με αξιώσεις αυτήν του πετρελαίου και μάλιστα παρουσιάζει και αρκετά πλεονεκτήματα έναντι αυτής. Τα περισσότερα αυτόνομα συστήματα προς το παρόν βρίσκονται στο Αγιο Όρος, αλλά πλέον υπάρχουν πολλές Φ/Β εγκαταστάσεις σε εξοχικές κατοικίες , απομακρυσμένους τηλεπικοινωνιακούς σταθμούς, φάρους, κτηνοτροφικές μονάδες κλπ.

Το μέλλον των φωτοβολταϊκών συστημάτων

Πολλοί παρόλα αυτά κρίνουν ότι η διείσδυση των φωτοβολταίκών έγινε με πολύ αργό ρυθμό παίρνοντας μάλιστα αφορμή από τον εκρηκτικό τρόπο που εξελίχθηκε μια άλλη βιομηχανία ημιαγωγών υλικών, αυτή των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Αυτή η καθυστέρηση οφείλεται κυρίως στις τεχνικές (και οικονομικές) δυσκολίες που αντιμετωπίζουν οι κατασκευαστές στην παραγωγική διαδικασία κατά την προσπάθεια τους να δημιουργήσουν καθαρά ημιαγωγά υλικά (κρυσταλλικό πυρίτιο). Στα φωτοβολταϊκά συστήματα ο όγκος του απαιτούμενου υλικού (κρυσταλλικού πυριτίου) είναι πολύ μεγάλος και η παραγωγή του είναι ιδιαίτερα ενεργοβόρος. Επίσης απαιτούνται υπέρογκα κεφάλαια για το κόστος του εξοπλισμού αλλά και της ενέργειας που καταναλώνεται κατα την παραγωγική διαδικασία. Για τον λόγο αυτό άλλωστε η τάση που φαίνεται ότι θα καταλάβει ένα μεγάλο μερίδιο στην αγορά των φωτοβολταϊκών μετά από κάποια χρόνια (σε σχέση με αυτό που έχει σήμερα) είναι οι τεχνολογίες λεπτού υμενίου (thin film) στις οποίες επιτυγχάνεται σημαντική μείωση του απαιτούμενου όγκου πυριτίου (ή των άλλων τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται) και συνεπώς μείωση συις τιμές των φωτοβολταικων. Σε καμία περίπτωση πάντως δεν πρόκειται να αμφισβητηθούν τα πρωτεία των τεχνολογιών κρυσταλλικού πυριτίου. Αυτό επιβεβαιώνεται και από τα εκατοντάδες εκατομμύρια ευρώ που έχουν επενδυθεί παγκοσμίως για την κατασκευή εργοστάσιων παραγωγής:

 1. πολυπιριτίου (polysilicon)

 2. ράβδων (μόνο και πόλυ) κρυσταλλικού πυριτίου (solar ingot)

 3.φωτοβολταϊκών στοιχείων (solar wafers)

 4.φωτοβολταϊκών κυψελλών (solar cells)

 5. φωτοβολταϊκών πλαισίων (solar panels - modules) ή αλλιώς (πανέλων - τζαμιών - καθρεπτών κλπ).

Οι προβλέψεις για το άμεσο μέλλον όσον αφορά την αγορά των φωτοβολταΙκών είναι ιδιαίτερα ευοίωνες, τόσο για την καθολική εξάπλωση της φωτοβολταικης τεχνολογίας παγκοσμίως, όσο και για την καθοδική πορεία στις τιμες των φωτοβολταϊκών πλαισίων

Ποσοστά παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκά

Το μέγιστο θεωρητικό ποσό ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο είναι περίπου το 25% της ενέργειας που δέχεται, αλλά το πιο συνηθισμένο ποσοστό είναι λιγότερο από 15%. Καθώς η ηλιακή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δεν είναι μονοχρωματική, αποτελείται από φάσμα διαφορετικών μηκών κυμάτων, άρα και από φωτόνια διαφορετικών επιπέδων ενέργειας. Τα φωτόνια χαμηλού ενεργειακού περιεχομένου δεν μπορούν να διεγείρουν ηλεκτρόνια του ημιαγωγού και απλώς διέρχονται μέσα από το φωτοβολταϊκό κύτταρο. Μόνο τα φωτόνια που μεταφέρουν μεγαλύτερη ή ίση ενέργεια από ένα συγκεκριμένο ποσό που εξαρτάται από το υλικό που είναι κατασκευασμένο το κύτταρο μπορούν να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια. Η τεχνολογία των ημιαγώγιμων υλικών επέτρεψε την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας στην παραγωγή ηλεκτρισμού, καθώς ενδεχόμενη χρήση αγώγιμων υλικών, όπως τα μέταλλα, θα οδηγούσε μεν σε μεγαλύτερη ροή ηλεκτρονίων αλλά θα παρουσίαζε πολύ χαμηλή τάση πεδίου. Η μέγιστη πραγματική απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων, ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους, κυμαίνεται από 7% (ηλιακά στοιχεία άμορφου πυριτίου) έως 12-15% (ηλιακά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου). (Μαλαμής Β, 1999).21 Η απόδοση επίσης εξαρτάται από τη τοποθεσία, το προσανατολισμό και τη κλίση. Τα φωτοβολταϊκά έχουν τη μέγιστη απόδοση όταν έχουν νότιο προσανατολισμό.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2^ο

ΠΛΗΡΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΣΧΟΛΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ

1     ΣΥΣΤΗΜΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΊΚΩΝ ΠΑΝΕΛ 

1   ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΚΑΙ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ

 

1    ΚΥΚΛΩΜΑ (ΠΛΑΚΕΤΑ) ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ (ΛΑΜΠΑ ΦΩΤΙΣΜΟΥ) 

  

ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ 

  

1

         ΚΥΚΛΩΜΑ ΑΜΠΕΡΟΜΕΤΡΟΥ

  

1    ΕΠΙΔΙΟΡΘΩΣΗ ΠΛΑΚΕΤΑΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3^ο

ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ & ΤΕΧΝΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑ

Στο σχολείο μας είναι εγκατεστημένο ένα σύστημα  φωτοβολταϊκών στοιχείων αποτελούμενο από τέσσερα πάνελ τα οποία είναι εγκαταστημένα στην πλάκα του χώρου του εργαστηρίου Γεωπονίας. Ακριβώς δίπλα είναι ο χώρος στον οποίο είναι εγκαταστημένο το σύστημα λειτουργίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου για τη τροφοδοσία φωτεινού προβολέα κα τα τις νυχτερινές ώρες. Δηλαδή θέλαμε να κατασκευάσουμε ένα αυτόνομο ηλεκτρικό σύστημα, που με τη χρήση χρονοδιακόπτη να ενεργοποιεί ένα προβολέα. Βέβαια το σύστημα είναι συνδεδεμένο και σε παροχή της ΔΕΗ για περιπτώσεις που η τάση των μπαταριών λόγω παρατεταμένης χρήσης και έλλειψης ηλιοφάνειας να μην αφήνει το προβολέα κλειστό. Κατά τη μελέτη συντήρησης διαπιστώθηκε πως τα τρανζίστορ ισχύος ήτανε καμένα και ως τούτου το σύστημα σε δούλευε. Με αντικατάσταση της πλακέτας με ένα σύστημα inverter, αλλά και αντικατάσταση των καμένων τρανζίστορ παράλληλα με το inverter, πετύχαμε την ομαλή λειτουργία του προβολέα. Τα πάνελ καθαρίστηκαν , καθώς και οι μπαταρίες φόρτισης. Τις εργασίες τις ανέλαβε ομάδα μαθητών των 4 ατόμων με την επίβλεψη των επιβλεπόντων του προγράμματος. Από την εμπειρία του προγράμματος διαπιστώθηκε πως κάθε χρόνο είναι απαραίτητη η συντήρηση του συστήματος ( καθαρισμός πάνελ, μπαταριών). Επίσης είναι λογικό ο χρόνος ζωής των μπαταριών φόρτισης να μειώνεται και σε μία πενταετία το πολύ αυτές να χρήζουν αντικατάστασης.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1.       Antonio Luque, Steven Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley 2002

2.       C. Edwin Witt, Richard L. Mitchell, Holly P. Thomas, Martha Symko-Davies, Terrestrial photovoltaic technologies update, Renewable energy vol. 23, 2001

3.       C. Kittel and H. Kroemer, Thermal Physics, W.H. Freeman and Company, New York, Second Edition, 1980

4.       International Solar Energy Society, Solar Energy-Special Issue Large Scale Solar Heating, 2000

5.       J. Twidell and T.Weir, Renewable Energy Resourses, W&FN Spon, 2000.

6.       Jan-Olof Dalenback, Solar Heating with Seasonal Storage, Goteborg 1993

7.       M.S. Imamura, P. Helm and Pazl, Photovoltaic System Technology, A European Handbook Commission of the European Communities 1992

8.       Markvart Tomas, Practical handbook of photovoltaics: Fundamentals and Applications, Elsevier, 2003

9.       Markvart Tomas, Solar electricity, second edition, Wiley 1994

10.   Photovoltaics: Technology overview, Green. Energy Policy, 28:989–998, (2000)

11.   REN21. Renewables 2007, Global Status Report. (http://www.ren21.net ), 2007

12.   Αντωνόπουλος Α. Κίμων, Θερμικά – Ηλιακά συστήματα, Μέρος πρώτο, Αθήνα 2004

13.   Ειδικό Πλαίσιο Χωροταξικού Σχεδιασμού και Αειφόρου Ανάπτυξης για τις ΑΠΕ-ΕΠΧΣΑΑ/ΑΠΕ(2008),

14.   Μπουτέτσιου Ε., Ενεργειακή Αξιοποίηση Δασικής Βιομάζας: Η Περίπτωση του Μετσόβου, Μεταπτυχιακή Διατριβή, ΔΠΜΣ ΕΜΠ: «Περιβάλλον και Ανάπτυξη Ορεινών Περιοχών», Αθήνα, 2010.