3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
3.1.1. Ιστορικό
Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως "φωτοβολταϊκά" ή "Φ/Β", αποτελούν μία προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο όρος "φωτο" προέρχεται από το φως, το δε "βολτ" οφείλεται στον Alessandro Volta (1745-1827), έναν πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού. Έτσι, "φωτοβολταϊκό" στην κυριολεξία σημαίνει "φωτο-ηλεκτρικό". Εννοιολογικά, στην απλούστερή της μορφή μια Φ/Β διάταξη είναι μια ηλιακά τροφοδοτούμενη μπαταρία, όπου το μόνο αναλώσιμο είναι το φως που την τροφοδοτεί. Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη, η λειτουργία είναι φιλική προς το περιβάλλον και, εάν η διάταξη προστατεύεται σωστά από την επίδραση του περιβάλλοντος, κανένα τμήμα δεν υφίσταται φθορά.
Επειδή το φως του ήλιου είναι διαθέσιμο παντού, οι φωτοβολταϊκές διατάξεις έχουν πολλά πρόσθετα οφέλη που τις καθιστούν εφαρμόσιμες και αποδεκτές από όλους τους κατοίκους του πλανήτη. Τα Φ/Β συστήματα είναι πολυ-συναρτησιακά, οπότε η ηλεκτροπαραγωγή τους μπορεί τυπικά να προσαρμοστεί σε κάθε εφαρμογή, από καταναλωτικές χρήσεις χαμηλής ισχύος - ρολόγια, μικρούς υπολογιστές χειρός και φορτιστές μικρών μπαταριών - μέχρι σημαντικές ενεργειακές απαιτήσεις, όπως η ηλεκτροπαραγωγή σε κεντρικούς σταθμούς των επιχειρήσεων ηλεκτρισμού.
Επιπλέον, στα φωτοβολταϊκά συστήματα προσαρμόζονται εύκολα τυχόν προσθήκες ισχύος, σε αντίθεση με τις πιο συμβατικές μεθόδους, όπως αυτές των ορυκτών ή των πυρηνικών καύσιμων, οι οποίες απαιτούν εγκαταστάσεις πολλών MWatt για να είναι οικονομικά εφικτές. Τα Φ/Β συστήματα παρέχουν τόσα πολλά πλεονεκτήματα ώστε, μόλις μειωθεί κατά άλλη μία τάξη μεγέθους το σχετικά υψηλό αρχικό κόστος τους, η εξάπλωσή τους αναμένεται να είναι ευρύτατη στα τέλη του 21ου αιώνα.
3.1.2. Ηλιακή ενέργεια
Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο με 10.000 φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση. Κατά μέσο όρο, προσπίπτουν 1700 kWh σε κάθε τετραγωνικό μέτρο κάθε χρόνο. Το φως του ήλιου που φθάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται κυρίως από δύο συνιστώσες, συγκεκριμένα το άμεσο φως και το έμμεσο ή διάχυτο φως, το οποίο είναι το φως που έχει διασκορπιστεί από τα μόρια της σκόνης και του νερού στην ατμόσφαιρα.
Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιμοποιούν όχι μόνο την άμεση συνιστώσα του φωτός αλλά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και με νεφοσκεπή ουρανό. Συνεπώς, αποτελεί παρεξήγηση ότι τα Φ/Β συστήματα λειτουργούν μόνο με απόλυτη ηλιοφάνεια, οπότε δεν είναι κατάλληλα για χρήση σε εύκρατα κλίματα. Αυτό δεν ισχύει, αφού τα Φ/Β χρησιμοποιούν τόσο τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία όσο και το άμεσο φως του ήλιου. Για να προσδιοριστεί το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής ενός Φ/Β σε μια συγκεκριμένη θέση, είναι σημαντικό να εκτιμηθεί η μέση συνολική ηλιακή ενέργεια που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια ενός έτους, αντί να γίνεται αναφορά στη στιγμιαία ακτινοβολία.
Μέσω των Φ/Β κυψελών, η ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Όταν το φως του ήλιου προσπίπτει σε μια κυψέλη παράγεται συνεχές ρεύμα (ΣΡ) και, θέτοντας ένα ηλεκτρικό φορτίο από την άλλη, το ρεύμα αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί. Πάντως, δεν μπορεί να μετατραπεί όλο το φως σε ηλεκτρισμό, καθώς οι Φ/Β κυψέλες χρησιμοποιούν κυρίως το ορατό φως. Μεγάλο μέρος της ηλιακής ενέργειας κείται στην υπέρυθρη - ή θερμή - και την υπεριώδη ακτινοβολία, γεγονός που εξηγεί τις χαμηλές τιμές των θεωρητικών αποδοτικοτήτων μετατροπής (20-30%). Πρακτικές ατέλειες, πχ ανομοιογένειες, μπορούν να μειώσουν ακόμα περαιτέρω την απόδοση μιας Φ/Β κυψέλης.
Το ποσό της ωφέλιμης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ένα Φ/Β στοιχείο σχετίζεται άμεσα με την ένταση της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει επάνω στην επιφάνεια μετατροπής. Έτσι, όσο μεγαλύτερος είναι ο διαθέσιμος ηλιακός πόρος, τόσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής. Για παράδειγμα, οι τροπικοί προσφέρουν έναν καλύτερο πόρο για παραγωγή ηλεκτρισμού από αυτόν που είναι διαθέσιμος σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Εξάλλου, είναι προφανές ότι ένα Φ/Β σύστημα δεν παράγει ηλεκτρισμό κατά τη διάρκεια της νύχτας, ενώ είναι σημαντικό να μην σκιάζονται τα στοιχεία. Εάν απαιτείται ηλεκτρισμός πέρα από τις ώρες που υφίσταται το φως της ημέρας, ή εάν αναμένονται εκτεταμένες περίοδοι κακοκαιρίας, είναι απαραίτητο κάποιο είδος συστήματος αποθήκευσης.
Προκειμένου να αποληφθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ενέργεια, η Φ/Β κυψέλη πρέπει να προσανατολίζεται προς τον ήλιο. Εάν οι κυψέλες έχουν σταθερή θέση, πρέπει να βελτιστοποιηθεί ο προσανατολισμός τους ως προς το νότο και η γωνία κλίσης τους ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Η βέλτιστη γωνία κλίσης κυμαίνεται σε ένα εύρος περίπου 150 του γεωγραφικού πλάτους της θέσης. Για παράδειγμα, η βέλτιστη γωνία κλίσης για τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα στη Δυτική Ευρώπη είναι περίπου 350. Για περιοχές πλησιέστερα στον ισημερινό αυτή η γωνία κλίσης θα είναι μικρότερη, ενώ για περιοχές πλησιέστερα στους πόλους θα είναι μεγαλύτερη.
Μια απόκλιση της γωνίας κλίσης κατά 30 μοίρες από τη βέλτιστη γωνία θα οδηγήσει σε απώλειες μικρότερες από το 10% της μέγιστης παραγωγής. Τα Φ/Β στοιχεία είναι στην πραγματικότητα πιο αποδοτικά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οπότε για να εξασφαλιστεί ότι δεν υπερθερμαίνονται, είναι σημαντικό να τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπεται στον αέρα να κινείται ελεύθερα γύρω από αυτά. Αυτό αποτελεί μια ιδιαίτερα σημαντική θεώρηση σε τοποθεσίες που το μεσημέρι είθισται να εμφανίζονται εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Οι ιδανικές συνθήκες λειτουργίας ενός Φ/Β είναι οι σχετικά ψυχρές, φωτεινές και ηλιόλουστες ημέρες.
3.2. ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΕΣ
Οι ηλιακές κυψέλες είναι συσκευές που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, είτε άμεσα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου, είτε έμμεσα με αρχική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα ή χημική ενέργεια. Οι πιο κοινές μορφές των ηλιακών κυψελών βασίζονται στο φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο, κατά το οποίο το φως προσπίπτοντας σε μία ημιαγωγική διάταξη δύο στρωμάτων παράγει μία φωτο-τάση ή διαφορά δυναμικού μεταξύ των στρωμάτων. Αυτή η τάση είναι ικανή να οδηγήσει ένα ρεύμα μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος, παράγοντας με αυτόν τον τρόπο ωφέλιμο έργο.
3.2.1. Ιστορικό ανάπτυξης των ηλιακών κυψελών
Αν και πρακτικά οι ηλιακές κυψέλες είναι διαθέσιμες μόνο από τα μέσα της δεκαετίας του '50, η επιστημονική έρευνα του φωτοβολταϊκού φαινομένου άρχισε το 1839, όταν ο Γάλλος επιστήμονας Henri Becquerel ανακάλυψε ότι θα μπορούσε να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα εστιάζοντας μια πηγή φωτός επάνω σε ορισμένα χημικά διαλύματα. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε ένα στερεό υλικό (σε αυτήν την περίπτωση το μεταλλικό σελήνιο) το 1877.
Το υλικό αυτό χρησιμοποιήθηκε για πολλά χρόνια στα φωτόμετρα, τα οποία όμως απαιτούσαν πολύ μικρά ποσά ισχύος. Προτού γίνει δυνατή η κατασκευή αποδοτικών ηλιακών κυψελών ήταν αναγκαία η βαθύτερη κατανόηση των επιστημονικών αρχών, η οποία οφείλεται στους Einstein (1905) και Schottky (1930). Το 1954, οι Chapin, Pearson και Fuller ανέπτυξαν μία ηλιακή κυψέλη πυριτίου που μετέτρεπε το 6% του προσπίπτοντος σε αυτό ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια, και αυτό το είδος κυψέλης χρησιμοποιήθηκε από το 1958 σε εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως οι εν τροχιά διαστημικοί δορυφόροι.
Οι εμπορικά διαθέσιμες σήμερα ηλιακές κυψέλες πυριτίου μπορούν να μετατρέψουν σε ηλεκτρισμό το 18% περίπου του προσπίπτοντος σε αυτές ηλιακού φωτός, με κόστος κατά πολύ μικρότερο αυτού που είχαν πριν από τριάντα χρόνια. Τελευταία αναπτύχθηκε μια σειρά μεθόδων για την εφαρμοσμένη παραγωγή ηλιακών κυψελών πυριτίου (άμορφου, μονοκρυσταλλικού, πολυκρυσταλλικού), καθώς και κυψελών που κατασκευάζονται από άλλα υλικά με δυνατότητα εμπορικής εκμετάλλευσης, όπως είναι ο δισεληνιούχος ινδικός χαλκός (CUlnSe2), το τελλουριούχο κάδμιο (CdTe), κλπ.
3.2.2. Μέθοδος παραγωγής ηλιακών κυψελών
Οι κυψέλες πυριτίου κατασκευάζονται με τη χρήση μονοκρυσταλλικών ή πολυκρυσταλλικών δισκίων ή λεπτών μεμβρανών. Τα μονοκρυσταλλικά δισκία κόβονται σε φέτες (πάχους περίπου 1/3 έως 1/2 mm) από μια μεγάλη μονοκρυσταλλική ράβδο που έχει θερμανθεί περίπου σε 1400°C, η οποία είναι μια πολύ δαπανηρή διεργασία. Το πυρίτιο πρέπει να είναι πολύ υψηλής καθαρότητας και να έχει μια σχεδόν τέλεια κρυσταλλική δομή (βλ. σχήμα 3.1.α). Τα πολυκρυσταλλικά δισκία κατασκευάζονται με μια διεργασία χύτευσης, κατά την οποία λειωμένο πυρίτιο χύνεται σε ένα καλούπι και αφήνεται να στερεοποιηθεί. Κατόπιν τεμαχίζεται σε δισκία (σχήμα 3.1.β).
3.1.1. Ιστορικό
Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως "φωτοβολταϊκά" ή "Φ/Β", αποτελούν μία προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο όρος "φωτο" προέρχεται από το φως, το δε "βολτ" οφείλεται στον Alessandro Volta (1745-1827), έναν πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού. Έτσι, "φωτοβολταϊκό" στην κυριολεξία σημαίνει "φωτο-ηλεκτρικό". Εννοιολογικά, στην απλούστερή της μορφή μια Φ/Β διάταξη είναι μια ηλιακά τροφοδοτούμενη μπαταρία, όπου το μόνο αναλώσιμο είναι το φως που την τροφοδοτεί. Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη, η λειτουργία είναι φιλική προς το περιβάλλον και, εάν η διάταξη προστατεύεται σωστά από την επίδραση του περιβάλλοντος, κανένα τμήμα δεν υφίσταται φθορά.
Επειδή το φως του ήλιου είναι διαθέσιμο παντού, οι φωτοβολταϊκές διατάξεις έχουν πολλά πρόσθετα οφέλη που τις καθιστούν εφαρμόσιμες και αποδεκτές από όλους τους κατοίκους του πλανήτη. Τα Φ/Β συστήματα είναι πολυ-συναρτησιακά, οπότε η ηλεκτροπαραγωγή τους μπορεί τυπικά να προσαρμοστεί σε κάθε εφαρμογή, από καταναλωτικές χρήσεις χαμηλής ισχύος - ρολόγια, μικρούς υπολογιστές χειρός και φορτιστές μικρών μπαταριών - μέχρι σημαντικές ενεργειακές απαιτήσεις, όπως η ηλεκτροπαραγωγή σε κεντρικούς σταθμούς των επιχειρήσεων ηλεκτρισμού.
Επιπλέον, στα φωτοβολταϊκά συστήματα προσαρμόζονται εύκολα τυχόν προσθήκες ισχύος, σε αντίθεση με τις πιο συμβατικές μεθόδους, όπως αυτές των ορυκτών ή των πυρηνικών καύσιμων, οι οποίες απαιτούν εγκαταστάσεις πολλών MWatt για να είναι οικονομικά εφικτές. Τα Φ/Β συστήματα παρέχουν τόσα πολλά πλεονεκτήματα ώστε, μόλις μειωθεί κατά άλλη μία τάξη μεγέθους το σχετικά υψηλό αρχικό κόστος τους, η εξάπλωσή τους αναμένεται να είναι ευρύτατη στα τέλη του 21ου αιώνα.
3.1.2. Ηλιακή ενέργεια
Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο με 10.000 φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση. Κατά μέσο όρο, προσπίπτουν 1700 kWh σε κάθε τετραγωνικό μέτρο κάθε χρόνο. Το φως του ήλιου που φθάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται κυρίως από δύο συνιστώσες, συγκεκριμένα το άμεσο φως και το έμμεσο ή διάχυτο φως, το οποίο είναι το φως που έχει διασκορπιστεί από τα μόρια της σκόνης και του νερού στην ατμόσφαιρα.
Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιμοποιούν όχι μόνο την άμεση συνιστώσα του φωτός αλλά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και με νεφοσκεπή ουρανό. Συνεπώς, αποτελεί παρεξήγηση ότι τα Φ/Β συστήματα λειτουργούν μόνο με απόλυτη ηλιοφάνεια, οπότε δεν είναι κατάλληλα για χρήση σε εύκρατα κλίματα. Αυτό δεν ισχύει, αφού τα Φ/Β χρησιμοποιούν τόσο τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία όσο και το άμεσο φως του ήλιου. Για να προσδιοριστεί το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής ενός Φ/Β σε μια συγκεκριμένη θέση, είναι σημαντικό να εκτιμηθεί η μέση συνολική ηλιακή ενέργεια που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια ενός έτους, αντί να γίνεται αναφορά στη στιγμιαία ακτινοβολία.
Μέσω των Φ/Β κυψελών, η ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Όταν το φως του ήλιου προσπίπτει σε μια κυψέλη παράγεται συνεχές ρεύμα (ΣΡ) και, θέτοντας ένα ηλεκτρικό φορτίο από την άλλη, το ρεύμα αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί. Πάντως, δεν μπορεί να μετατραπεί όλο το φως σε ηλεκτρισμό, καθώς οι Φ/Β κυψέλες χρησιμοποιούν κυρίως το ορατό φως. Μεγάλο μέρος της ηλιακής ενέργειας κείται στην υπέρυθρη - ή θερμή - και την υπεριώδη ακτινοβολία, γεγονός που εξηγεί τις χαμηλές τιμές των θεωρητικών αποδοτικοτήτων μετατροπής (20-30%). Πρακτικές ατέλειες, πχ ανομοιογένειες, μπορούν να μειώσουν ακόμα περαιτέρω την απόδοση μιας Φ/Β κυψέλης.
Το ποσό της ωφέλιμης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ένα Φ/Β στοιχείο σχετίζεται άμεσα με την ένταση της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει επάνω στην επιφάνεια μετατροπής. Έτσι, όσο μεγαλύτερος είναι ο διαθέσιμος ηλιακός πόρος, τόσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής. Για παράδειγμα, οι τροπικοί προσφέρουν έναν καλύτερο πόρο για παραγωγή ηλεκτρισμού από αυτόν που είναι διαθέσιμος σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Εξάλλου, είναι προφανές ότι ένα Φ/Β σύστημα δεν παράγει ηλεκτρισμό κατά τη διάρκεια της νύχτας, ενώ είναι σημαντικό να μην σκιάζονται τα στοιχεία. Εάν απαιτείται ηλεκτρισμός πέρα από τις ώρες που υφίσταται το φως της ημέρας, ή εάν αναμένονται εκτεταμένες περίοδοι κακοκαιρίας, είναι απαραίτητο κάποιο είδος συστήματος αποθήκευσης.
Προκειμένου να αποληφθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ενέργεια, η Φ/Β κυψέλη πρέπει να προσανατολίζεται προς τον ήλιο. Εάν οι κυψέλες έχουν σταθερή θέση, πρέπει να βελτιστοποιηθεί ο προσανατολισμός τους ως προς το νότο και η γωνία κλίσης τους ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Η βέλτιστη γωνία κλίσης κυμαίνεται σε ένα εύρος περίπου 150 του γεωγραφικού πλάτους της θέσης. Για παράδειγμα, η βέλτιστη γωνία κλίσης για τα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα στη Δυτική Ευρώπη είναι περίπου 350. Για περιοχές πλησιέστερα στον ισημερινό αυτή η γωνία κλίσης θα είναι μικρότερη, ενώ για περιοχές πλησιέστερα στους πόλους θα είναι μεγαλύτερη.
Μια απόκλιση της γωνίας κλίσης κατά 30 μοίρες από τη βέλτιστη γωνία θα οδηγήσει σε απώλειες μικρότερες από το 10% της μέγιστης παραγωγής. Τα Φ/Β στοιχεία είναι στην πραγματικότητα πιο αποδοτικά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οπότε για να εξασφαλιστεί ότι δεν υπερθερμαίνονται, είναι σημαντικό να τοποθετούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπεται στον αέρα να κινείται ελεύθερα γύρω από αυτά. Αυτό αποτελεί μια ιδιαίτερα σημαντική θεώρηση σε τοποθεσίες που το μεσημέρι είθισται να εμφανίζονται εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Οι ιδανικές συνθήκες λειτουργίας ενός Φ/Β είναι οι σχετικά ψυχρές, φωτεινές και ηλιόλουστες ημέρες.
3.2. ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΕΣ
Οι ηλιακές κυψέλες είναι συσκευές που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, είτε άμεσα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου, είτε έμμεσα με αρχική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα ή χημική ενέργεια. Οι πιο κοινές μορφές των ηλιακών κυψελών βασίζονται στο φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο, κατά το οποίο το φως προσπίπτοντας σε μία ημιαγωγική διάταξη δύο στρωμάτων παράγει μία φωτο-τάση ή διαφορά δυναμικού μεταξύ των στρωμάτων. Αυτή η τάση είναι ικανή να οδηγήσει ένα ρεύμα μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος, παράγοντας με αυτόν τον τρόπο ωφέλιμο έργο.
3.2.1. Ιστορικό ανάπτυξης των ηλιακών κυψελών
Αν και πρακτικά οι ηλιακές κυψέλες είναι διαθέσιμες μόνο από τα μέσα της δεκαετίας του '50, η επιστημονική έρευνα του φωτοβολταϊκού φαινομένου άρχισε το 1839, όταν ο Γάλλος επιστήμονας Henri Becquerel ανακάλυψε ότι θα μπορούσε να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα εστιάζοντας μια πηγή φωτός επάνω σε ορισμένα χημικά διαλύματα. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε ένα στερεό υλικό (σε αυτήν την περίπτωση το μεταλλικό σελήνιο) το 1877.
Το υλικό αυτό χρησιμοποιήθηκε για πολλά χρόνια στα φωτόμετρα, τα οποία όμως απαιτούσαν πολύ μικρά ποσά ισχύος. Προτού γίνει δυνατή η κατασκευή αποδοτικών ηλιακών κυψελών ήταν αναγκαία η βαθύτερη κατανόηση των επιστημονικών αρχών, η οποία οφείλεται στους Einstein (1905) και Schottky (1930). Το 1954, οι Chapin, Pearson και Fuller ανέπτυξαν μία ηλιακή κυψέλη πυριτίου που μετέτρεπε το 6% του προσπίπτοντος σε αυτό ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια, και αυτό το είδος κυψέλης χρησιμοποιήθηκε από το 1958 σε εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως οι εν τροχιά διαστημικοί δορυφόροι.
Οι εμπορικά διαθέσιμες σήμερα ηλιακές κυψέλες πυριτίου μπορούν να μετατρέψουν σε ηλεκτρισμό το 18% περίπου του προσπίπτοντος σε αυτές ηλιακού φωτός, με κόστος κατά πολύ μικρότερο αυτού που είχαν πριν από τριάντα χρόνια. Τελευταία αναπτύχθηκε μια σειρά μεθόδων για την εφαρμοσμένη παραγωγή ηλιακών κυψελών πυριτίου (άμορφου, μονοκρυσταλλικού, πολυκρυσταλλικού), καθώς και κυψελών που κατασκευάζονται από άλλα υλικά με δυνατότητα εμπορικής εκμετάλλευσης, όπως είναι ο δισεληνιούχος ινδικός χαλκός (CUlnSe2), το τελλουριούχο κάδμιο (CdTe), κλπ.
3.2.2. Μέθοδος παραγωγής ηλιακών κυψελών
Οι κυψέλες πυριτίου κατασκευάζονται με τη χρήση μονοκρυσταλλικών ή πολυκρυσταλλικών δισκίων ή λεπτών μεμβρανών. Τα μονοκρυσταλλικά δισκία κόβονται σε φέτες (πάχους περίπου 1/3 έως 1/2 mm) από μια μεγάλη μονοκρυσταλλική ράβδο που έχει θερμανθεί περίπου σε 1400°C, η οποία είναι μια πολύ δαπανηρή διεργασία. Το πυρίτιο πρέπει να είναι πολύ υψηλής καθαρότητας και να έχει μια σχεδόν τέλεια κρυσταλλική δομή (βλ. σχήμα 3.1.α). Τα πολυκρυσταλλικά δισκία κατασκευάζονται με μια διεργασία χύτευσης, κατά την οποία λειωμένο πυρίτιο χύνεται σε ένα καλούπι και αφήνεται να στερεοποιηθεί. Κατόπιν τεμαχίζεται σε δισκία (σχήμα 3.1.β).
Σχήμα 3.1. Ηλιακά πλαίσια
Καθόσον τα πολυκρυσταλλικά δισκία κατασκευάζονται με χύτευση, η παραγωγή τους είναι αρκετά φθηνότερη, αλλά δεν είναι τόσο αποδοτικά όσο τα μονοκρυσταλλικά, λόγω ατελειών στην κρυσταλλική δομή που οφείλονται στη διεργασία της χύτευσης. Σχεδόν το ήμισυ του πυριτίου χάνεται ως σκόνη κοπής σ' αυτές τις δύο διεργασίες. Το άμορφο πυρίτιο, μία από τις τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης, παράγεται με την εναπόθεση πυριτίου από ένα αέριο αντιδραστήριο , όπως το σιλάνιο (SiH.), επάνω σε ένα υπόστρωμα γυαλιού, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 3.1.γ.
Ο τύπος ηλιακής κυψέλης υπό μορφή λεπτής μεμβράνης μπορεί να εφαρμοστεί ως μεμβράνη σε χαμηλού κόστους υποστρώματα, Π.χ. γυαλί ή πλαστικό. Οι υπόλοιπες τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης περιλαμβάνουν το λεπτό πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, κυψέλες δυσεληνιούχου ινδικού χαλκού / θειούχου καδμίου, τελλoυριoύxoυ καδμίου / θειούχου καδμίου και αρσενιούχου γαλλίου. Οι κυψέλες αυτού του είδους διαθέτουν πολλά πλεoνεκτήματα, όπως είναι η ευκολότερη απόθεση και συναρμολόγηση, η ικανότητα να εναποτίθενται επάνω σε φθηνά υποστρώματα ή υλικά οικοδομών, η ευκολία για μαζική παραγωγή, και η καταλληλότητά τους σε μεγάλες εφαρμογές.
Κατά την παραγωγή των ηλιακών κυψελών το πυρίτιο περιέχει άτομα πρόσμιξης τα οποία εισάγονται έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια περιοχή ρ-τύπου και μία n-τύπου, οπότε εμφανίζεται μια επαφή ρ-n. Η πρόσμιξη αυτή μπορεί να επιτευχθεί με διάχυση υπό υψηλή θερμοκρασία, κατά την οποία τα δισκία τοποθετούνται σε ένα φούρνο και το υλικό πρόσμιξης εισάγεται ως ατμός (υπάρχουν πολλές άλλες μέθοδοι πρόσμιξης του πυριτίου). Στην κατασκευή μερικών διατάξεων λεπτής μεμβράνης η εισαγωγή των η προσμίξεων μπορεί να γίνει κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης των μεμβρανών ή των στρώσεων.
Ένα άτομο πυριτίου έχει 4 σχετικά αδύναμα δέσμια ηλεκτρόνια (σθένους), τα οποία συνδέονται με γειτονικά άτομα. Εάν αντικατασταθεί ένα άτομο πυριτίου με ένα άτομο που έχει 3 ή 5 ηλεκτρόνια σθένους, θα παραχθεί με τον τρόπο αυτό είτε ένας χώρος χωρίς κανένα ηλεκτρόνιο (μια οπή), είτε ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο που μπορεί να κινείται πιο ελεύθερα από τα άλλα. Αυτό αποτελεί τη βάση της πρόσμιξης. Κατά τη πρόσμιξη ρ-τύπου η δημιουργία πλεοναζόντων οπών επιτυγχάνεται με ενσωμάτωση στο πυρίτιο ατόμων με 3 ηλεκτρόνια σθένους, συνήθως βορίου, ενώ στην πρόσμιξη n-τύπου η δημιουργία πρόσθετων ηλεκτρονίων επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση ενός ατόμου με 5 ηλεκτρόνια σθένους, συχνότερα φωσφόρου (σχήμα 3.2).
Από τη στιγμή που δημιουργείται μια επαφή p-n, κατασκευάζονται ηλεΚΤρικές επαφές στην εμπρόσθια και την οπίσθια επιφάνεια της κυψέλης με εξάτμιση ή επιφανειακή εκτύπωση μετάλλου επάνω στο δισκίο. Το οπίσθιο μέρος αυτού μπορεί να καλυφθεί πλήρως από μέταλλο, αλλά το εμπρόσθιο πρέπει να έχει κάποια δομή πλέγματος ή λεπτές γραμμές μετάλλου, ειδάλλως το μέταλλο θα εμπόδιζε τον ήλιο να φθάσει στο πυρίτιο και δεν θα προέκυπτε οιαδήποτε παραγωγή από τα προσπίπτοντα φωτόνια .
Σχήμα 3.2. Κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου με άτομα πρόσμιξης
3.2.3. Λειτουργία των ηλιακών κυψελών
Για να γίνει αντιληπτή η λειτουργία μιας Φ/Β κυψέλης, πρέπει να κατανοηθεί η φύση τόσο του υλικού όσο και του ηλιακού φωτός. Οι ηλιακές κυψέλες αποτελούνται από δύο τύπους υλικών, συνήθως πυρίτιο ρ-τύπου και n-τύπου. Σε συγκεκριμένα μήκη κύματος το φως είναι σε θέση να ιονίσει τα άτομα στο πυρίτιο, και το εσωτερικό πεδίο που παράγεται από την επαφή p-n διαχωρίζει μερικά από τα θετικά φορτία ("οπές") από τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) μέσα στη φωτoβoλταϊκή συσκευή.
Οι οπές παρασύρονται στο θετικό ή ρ-στρώμα και τα ηλεκτρόνια στο αρνητικό ή n-στρώμα. Παρότι τα αντίθετα φορτία έλκoνται μεταξύ τους, τα περισσότερα από αυτά μπορούν να επανασυνδυαστούν μόνο εάν διέλθουν από ένα κύκλωμα έξωθεν του υλικού, εξαιτίας του εσωτερικού φράγματος δυναμικού. Έτσι , εάν κατασκευαστεί ένα κύκλωμα, όπως αυτό του σχήματος 3.3, είναι δυνατό να παραχθεί ηλεκτρική ισχύς από τις κυψέλες υπό φωτισμό, αφού τα ελεύθερα ηλεκτρόνια πρέπει να διέλθουν μέσω του φορτίου για τον επανασυνδυασμό τους με τις θετικές οπές.
Σχήμα 3.3. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο σε μια ηλιακή κυψέλη
Η ποσότητα της διαθέσιμης ισχύος από μια Φ/Β συσκευή καθορίζεται από:
• τον τύπο και την επιφάνεια του υλικού,
• την ένταση του ηλιακού φωτός (έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία), και
• το μήκος κύματος του ηλιακού φωτός.
Ο λόγος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από μια ηλιακή κυψέλη προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινoβoλία είναι γνωστός ως αποδοτικότητα της κυψέλης.
Οι ηλιακές κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου, για παράδειγμα, δεν μπορούν προς το παρόν να μετατρέψουν περισσότερο από 25% της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια, επειδή η ακτινoβoλία στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρoμαγνητικoύ φάσματος δεν διαθέτει αρκετή ενέργεια για να διαχωρίσει τα θετικά και αρνητικά φορτία στο υλικό. Οι ηλιακές κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχουν αποδοτικότητα μικρότερη από 20% τη στιγμή αυτή, και οι κυψέλες άμορφου πυριτίου μόνο 10% περίπου, λόγω των μεγαλύτερων εσωτερικών απωλειών ενέργειας από αυτές του μονοκρυσταλλικού πυριτίου.
Για την ποσοτικοποίηση των επιδόσεων των ηλιακών κυψελών έχει διεξαχθεί πλήθος εργαστηριακών δοκιμών και έχουν καθιερωθεί κάποιες συνθήκες ως βιομηχανικά πρότυπα για τις δοκιμές, οι Πρότυπες Συνθήκες Δοκιμών (ΠΣΔ), συγκεκριμένα:
• Θερμοκρασία" 25°C,
• Έντα ση ηλιακής ακrινoβoλίας " 1000 W/m2,
• Αέρια μάζα =ΑΜ 1,5.
Η αέρια μάζα αναφέρεται στο πάχος της ατμόσφαιρας το οποίο διαπερνά το ηλιακό φως και αποτελεί ένα σημαντικό δείκτη των χαρακτηριστικών του διαθέσιμου φωτός, αφού οι ηλιακές κυψέλες αξιοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Εάν ο ήλιος βρίσκεται κατ' ευθείαν από πάνω, η αέρια μάζα ισούται με 1.
Η ποσότητα του παραγόμενου ρεύματος εξαρτάται από την τάση, και η σχέση αυτή απεικονίζεται στην καμπύλη I-V της κυψέλης. Αυτή χρησιμοποιείται για να καθοριστεί η απόδοση της κυψέλης και για τη σύγκριση μεταξύ τους κυψελών υπό ορισμένες συνθήκες. Στο σχήμα 3.4 παρουσιάζεται η καμπύλη I-V μίας κυψέλης κρυσταλλικού πυριτίου στις ΠΣΔ. Παρατηρείται ότι, αριστερά του γόνατος της καμπύλης το ρεύμα μεταβάλλεται ελάχιστα με μεγάλες μεταβολές της τάσης, ενώ στα δεξιά μεταβάλλεται σημαντικά με μικρές μεταβολές αυτής. Γι' αυτόν τον τύπο κυψέλης εν γένει ισχύουν:
• Isc (ρεύμα βραχυκυκλώματος) =3,36 Α,
• Voc (τάση ανοιχτού κυκλώματος) =0,6 v,
• Pmax (σημείο μέγιστης ισχύος) =1,5 W,
• Imax (ρεύμα στο Pmax) =3 Α,
• Vmax (τάση στο Pmax) =0,5 v.
Σχήμα 3.4. Η καμπύλη I-V μιας τυπικής κυψέλης κρυσταλλικού πυριτίου σε ΠΣΔ
Η παραγόμενη ισχύς από την κυψέλη είναι σχεδόν ευθέως ανάλογη προς την ένταση του ηλιακού φωτός (για παράδειγμα, εάν υποδιπλασιαστεί η ένταση του ηλιακού φωτός θα υποδιπλασιαστεί και η παραγόμενη ισχύς). Ένα σημαντικό γνώρισμα των Φ/Β κυψελών είναι ότι η τάση της κυψέλης δεν εξαρτάται από το μέγεθός της, και παραμένει σχετικά σταθερή με τη μεταβολή της έντασης του φωτός. Εντούτοις, το ρεύμα σε μια διάταξη είναι σχεδόν ευθέως ανάλογο προς την ένταση του φωτός και το μέγεθός της. Αυτό παρουσιάζεται στο σχήμα 3.5.
Σχήμα 3.5. Παραγωγή ρεύματος και τάσης μιας ηλιακής κυψέλης υπό διαφορετικές εντάσεις φωτός
Η παραγόμενη από μια ηλιακή κυψέλη ισχύς μπορεί να αυξηθεί αρκετά με τη χρήση ενός μηχανισμού παρακολούθησης της τροχιάς που να διατηρεί τη Φ/Β διάταξη απ'ευθείας κάθετη προς τις ακτίνες του ήλιου, ή συγκεντρώνοντας το φως του ήλιου με τη βοήθεια φακών ή κατόπτρων. Εντούτοις, υπάρχουν όρια στη διαδικασία αυτή, λόγω της πολυπλοκότητας των μηχανισμών και της αναγκαίας ψύξης των κυψελών. Η παραγωγή ρεύματος είναι σχετικά σταθερή σε υψηλότερες θερμοκρασίες αλλά η τάση μειώνεται (κατά 0,0023 Volts περίπου για κάθε αύξηση ενός βαθμού Κελσίου), προκαλώντας έτσι τη μείωση της ισχύος με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το σχήμα 3.6 απεικονίζει τα χαρακτηριστικά μιας κυψέλης σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες (οι άλλες συνθήκες παραμένουν ίδιες).
Σχήμα 3.6. Επίδραση της θερμοκρασίας στις καμπύλες I-V μιας τυπικής κυψέλης κρυσταλλικού πυριτίου
3.3. Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΑ (ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ)
Ο όρος "συστοιχία " αναφέρεται συνήθως στις συνιστώσες που εξετάζονται σε αυτό το χωρίο, συγκεκριμένα αφορά όλα τα πλαίσια ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, την καλωδίωση και τις διόδους τους, καθώς και τη βάση της συστοιχίας.
3.3.1. Συνιστώσες μιας Φ/Β συστοιχίας
Οι κυψέλες ομαδοποιούνται σε πλαίσια και τα πλαίσια συναθροίζονται για να διαμορφώσουν μια συστοιχία, όπως αυτή που παρουσιάζεται στο σχήμα 3.7. Ανάλογα με την εφαρμογή, η συστοιχία μπορεί να αποτελείται από μία κυψέλη, ένα πλαίσιο, ή πολλά πλαίσια.
Σχήμα 3.7. Συνιστώσε.ς μιας Φ/Β συστοιχίας
3.3.1.1. Η κυψέλη
Μια τυπική ηλιακή κυψέλη μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχει βαθύ μπλε χρώμα και ζυγίζει λιγότερο από 10 gr. Το μήκος και το πλάτος της είναι περίπου 10cm, ανάλογα με τον κατασκευαστή. Η μεμονωμένη κυψέλη παράγει, υπό βέλτιστες συνθήκες, κατά προσέγγιση 1,5 Watts στα 0,5 Volts. Από μόνο του αυτό δεν είναι πολύ χρήσιμο για τις περισσότερες ηλεκτρικές εφαρμογές Προκειμένου να παραχθεί ωφέλιμη ισχύς, οι κυψέλες συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα , ενώ μερικές φορές κόβονται σε μικρότερα τεμάχια.
Η κοπή των κυψελών γίνεται για δύο κυρίως λόγους Ο πρώτος είναι για την αύξηση της τάσης. Εάν απαιτείται μόνο λίγο ρεύμα σε υψηλή τάση, τότε κόβοντας τις κυψέλες στη μέση και με την καλωδίωσή τους σε σειρά μπορεί να δημιουργηθεί ένα μικρό πλαίσιο. Κάθε κομμάτι θα παράγει την ίδια τάση με ολόκληρη την κυψέλη, αλλά με λιγότερο ρεύμα (για παράδειγμα, εάν μια κυψέλη κοπεί στη μέση, το κάθε ήμισυ θα παράγει περίπου 0,5 Volts και 1,5 Amps). Ο άλλος λόγος για την κοπή των κυψελών είναι για την αύξηση της πυκνότητας συσκευασίας τους.
Οι κυψέλες με εγκοπές δημιουργούν μη ωφέλιμη επιφάνεια στις γωνίες τους και αυτό μπορεί να αντιμετωπισθεί κόβοντας τις κυψέλες σε ορθογώνια παραλληλόγραμμα. Το ίδιο γίνεται μερικές φορές και σε εφαρμογές όπου είναι κρίσιμες οι επιδόσεις και ο χώρος περιορισμένος. Τα μειονεκτήματα της κοπής των κυψελών είναι ότι με αυτή τη διεργασία συχνά σπαταλούνται τμήματα της κυψέλης, ενώ είναι ιδιαίτερα πιθανό ένα ποσοστό κυψελών να υποστεί βλάβη κατά την κοπή . Ο κατασκευαστής μπορεί να παρέχει δεδομένα για τις ακριβείς διαστάσεις και ανοχές συγκεκριμένων κυψελών του. Κατά τον υπολογισμό του συνολικού εμβαδού της κυψέλης είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη ότι μερικές κυψέλες έχουν γωνίες με εγκοπές.
3.3.1.2. Συνδεσμολογία
Οι κυψέλες συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους για να συστήσουν μια συνδεσμολογία, όπως συχνά ονομάζεται αυτή η διάταξη. Οι κυψέλες διασυνδέονται με συγκόλληση των ακροδεκτών τους από την κορυφή της μίας στη βάση της επόμενης Αυτό γίνεται εν γένει εργοστασιακά με ειδικές μηχανές. Είναι σημαντικό να μην υφίστανται φθορές οι κυψέλες κατά τη διεργασία, να είναι ανθεκτικές οι συνδέσεις, και να διατηρείται το κατάλληλο διάστημα μεταξύ των κυψελών, Εάν οι κυψέλες ακουμπούν μεταξύ τους μπορεί να προκύψουν προβλήματα ηλεκτρικών βραχυκυκλωμάτων καθώς επίσης και προβλήματα σκίασης, ενώ αυξάνεται η πιθανότητα ραγίσματός τους. Τα υπερβολικά μεγάλα κενά μεταξύ των κυψελών σπαταλούν πολύτιμη εηιφονεια.
3.3.1.3. Πλαίσιο
Οι ηλιακές κυψέλες συνδέονται συνήθως σε σειρά, διαμορφώνοντας ένα σύνολο που ονομάζεται πλαίσιο. Το Φ/Β πλαίσιο εν γένει αποτελεί τη μικρότερη αυτοτελή μονάδα σε μια συστοιχία, καθώς είναι μία ομάδα κυψελών που έχουν συνδεθεί μεταξύ τους και στη συνέχεια τοποθετηθεί σε ένα κέλυφος ως αυτόνομη μονάδα. Ο αριθμός των κυψελών ενός πλαισίου καθορίζεται συνήθως από τις ανάγκες τάσης του συστήματος και οι περισσότεροι κατασκευαστές παράγουν πλαίσια τα οποία διαστασιολογούνται σύμφωνα με τις τάσεις των χρησιμοποιούμενων μπαταριών. Ένα τυπικό πλαίσιο για φόρτιση μιας μπαταρίας 12 Volt έχει 33 έως 36 κυψέλες (πρέπει να παρέχει πάνω από 12 Volt για να φορτίσει τη μπαταρία), Σημειώνεται ότι η λέξη πλαίσιο μπορεί να αναφέρεται είτε σε ένα μόνο πλαίσιο είτε σε ένα σύνολο πλαισίων.
3.3.1.4. Ενθυλάκωση
Οι ηλιακές κυψέλες χρειάζονται προστασία και υποστήριξη, Για το λόγο αυτό σχεδόν πάντα τοποθετούνται σε κέλυφος, με κάποιο τρόπο που να τις προστατεύει και να τις μονώνει ηλεκτρικά , Στο σχήμα 3,8 παρουσιάζεται η εγκάρσια τομή ενός τυπικού πλαισίου που χρησιμοποιείται σε οικιακές ή απομονωμένες εφαρμογές, ή σε Φ/Β σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής Τα περισσότερα πλαίσια ενθυλακώνονται σε κάποιο πολυμερές υλικό, όπως ο οξικός εστέρας αιθυλενίου-βινυλίου (EVA), το οποίο στη συνέχεια τοποθετείται μεταξύ γυαλιού στην επάνω επιφάνεια και Mylar ή Tedlar στην κάτω. Οι ακμές σφραγίζονται με ένα στεγανωτικό παρέμβυσμα και υποστηρίζονται από ένα πλαίσιο, Έχουν γίνει επίσης κατασκευές από εύκαμπτα ελάσματα.
Σχήμα 3.8. Τομή ενός τυπικού φωτοβολταϊκού πλαισίου
Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί παράγοντες που εξετάζονται κατά την επιλογή των υλικών για την ενθυλάκωση, με τη σημασία τους να εξαρτάται από την εφαρμογή. Τα πιο σημαντικά από τα χαρακτηριστικά της ενθυλάκωσης είναι τα εξής :
• Ηλεκτρική ειδική αντίσταση
Το υλικό πρέπει να είναι ηλεκτρικός μονωτής. Είναι σημαντικό να απομονωθεί η τάση της συστοιχίας και να προστατεύεται η συστοιχία από οιεσδήποτε εξωτερικές τάσεις.
• Μετάδοση του φωτός
Ιδανικά, η ενθυλάκωση δεν πρέπει να εμποδίζει το φως να προσεγγίσει τις κυψέλες.
• Μετάδοση της θερμότητας
Οι ηλιακές κυψέλες είναι αποδοτικότερες σε χαμηλές θερμοκρασίες. Είναι χρήσιμο να υπάρχει, εάν είναι δυνατό, ένα υλικό ενθυλάκωσης με υψηλή θερμική αγωγιμότητα, έτσι ώστε να είναι δυνατή η απομάκρυνση της θερμότητας από τις κυψέλες.
• Θερμική διαστολή
Σε μερικές θέσεις η θερμοκρασία του πλαισίου είναι αρκετά χαμηλότερη του σημείου πήξης το χειμώνα και αρκετά επάνω από τους 40°C το καλοκαίρι. Είναι, επομένως, σημαντικό η ενθυλάκωση να μην συστέλλεται ή διαστέλλεται σημαντικά λόγω των θερμοκρασιακών μεταβολών.
• Βάρος
Για μερικές εφαρμογές, το βάρος αποτελεί έναν από τους παράγοντες επιλογής του υλικού ενθυλάκωσης.
• Ανθεκτικότητα
Πολλά πλαίσια τοποθετούνται σε εξωτερικό χώρο καθ' όλη τη διάρκεια του έτους και υπόκεινται σε ανέμους, βροχές, ήλιο, χαλάζι, και χιόνια. Αυτά όμως αναμένεται να λειτουργήσουν για είκοσι τουλάχιστον έτη, οπότε το υλικό ενθυλάκωσης πρέπει να είναι ικανό να αντεπεξέλθει σε αυτές τις συνθήκες χωρίς σημαντικό βαθμό φθοράς.
3.3.1.5. Δίοδοι
Οι ηλιακές συστοιχίες μερικές φορές διαθέτουν διόδους φραγής και παράκαμψης. Αυτές είναι μικρές συσκευές που περιορίζουν την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος και αναλύονται περαιτέρω στο σχετικό με τη λειτουργία των συστοιχιών χωρίο.
3.3.1.6. Συστήματα έδρασης / παρακολούθησης
Μερικές συσκευές, όπως τα ηλιακά ρολόγια ή οι υπολογιστές χειρός, ενσωματώνουν την ηλιακή κυψέλη στην ίδια τη συσκευή. Με τις πρόσφατες εξελίξεις στα υλικά των ηλιακών κυψελών, αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα ως υλικά κατασκευής της στέγης των κτιρίων. Εντούτοις, οι περισσότερες εφαρμογές των Φ/Β χρειάζονται κάποια βάση για την υποστήριξη και τοποθέτησή τους. Οι βάσεις αυτές μπορεί να είναι από απλές κατασκευές για τη συγκράτηση ενός πλαισίου σε μια στέγη (πιθανώς με μόνιμη κλίση υπό κάποια γωνία), μέχρι σύνθετες διατάξεις παρακολούθησης της τροχιάς του ήλιου σε δύο άξονες. Η πολυπλοκότητα της βάσης στήριξης καθορίζεται από τις ανάγκες του συστήματος και το διαθέσιμο κεφάλαιο. Περαιτέρω πληροφορίες παρατίθενται στο χωρίο για τη λειτουργία των συστοιχιών.
3.3.2. Λειτουργία των Φ/Β συστοιχιών
Γενικά, ένα Φ/Β πλαίσιο ή μια συστοιχία επηρεάζεται από το περιβάλλον με τον ίδιο τρόπο που επηρεάζεται και μία Φ/Β κυψέλη. Η τάση μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία και το ρεύμα αυξάνεται καθώς αυξάνεται η έκθεση στις ηλιακές ακτίνες.
3.3.2.1. Σύνδεση εν σειρά
Όταν ηλιακές κυψέλες (ή πλαίσια) συνδέονται εν σειρά, μπορεί να γίνει μια εκτίμηση της παραγόμενης ισχύος της συνδεσμολογίας με τις μεθόδους που περιγράφονται στη συνέχεια. Αυτό προϋποθέτει ότι οι συνθήκες λειτουργίας για τις κυψέλες είναι οι ίδιες και ότι οι κυψέλες έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά I-V.
• Ρεύμα
Το ρεύμα σε μία εν σειρά συνδεσμολογία κυψελών είναι το ίδιο σε κάθε σημείο της συνδεσμολογίας, ίδιο με αυτό που παράγεται από μία κυψέλη. Εάν μία κυψέλη με χαρακτηριστικά χαμηλού ρεύματος συνδεθεί σε μια συνδεσμολογία με άλλες κυψέλες που έχουν χαρακτηριστικά υψηλότερου ρεύματος, η συνδεσμολογία θα περιοριστεί στο ρεύμα της κυψέλης χαμηλού ρεύματος.
Ισειράς = (lmax μίας κυψέλης) (3.1)
• Τάση
Η τάση σε μία συνδεσμολογία κυψελών είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων κάθε κυψέλης. Υποθέτοντας όμοιες κυψέλες, η τάση μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο:
Vσειράς =(Αριθμός κυψελών) * (Vmax μίας κυψέλης) (3.2)
• Ισχύς
Η παραγόμενη ισχύς από μία συνδεσμολογία κυψελών ισούται με το ρεύμα της συνδεσμολογίας - σχέση (3.1) - πολλαπλασιαζόμενο με την τάση της σχέσης (3.2):
Ρσειράς = Ισειράς Χ Vσειράς =>
Ρσειράς = (lmax μίας κυψέλης) * (Αριθμός κυψελών) * (νmax μίας κυψέλης) (3.3)
Σημειώνεται ότι, μπορεί οι μεμονωμένες κυψέλες να λειτουργούν σε διαφορετικές τάσεις, αλλά κάθε μία κυψέλη θα λειτουργεί με το ίδιο ρεύμα όπως και οι άλλες στη συνδεσμολογία. Το σχήμα 3.9 παρουσιάζει το πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά I-V των μεμονωμένων κυψελών για να διαμορφώσουν την καμπύλη ι-ν της εν σειρά συνδεσμολογίας. Στο σχήμα 3.10 παρουσιάζεται μία εν σειρά συνδεσμολογία από τέσσερις κυψέλες και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος αυτών.
Σχήμα 3.9. Τυπικές καμπύλες I-V για μία και τέσσερις κυψέλες συνδεδεμένες εν σειρά
Σχήμα 3.10. Τέσσερις ηλιακές κυψέλες συνδεδεμένες εν σειρά
3.3.2.2. Σύνδεση εν παραλλήλω
Εάν οι κυψέλες (ή τα πλαίσια) συνδεθούν παράλληλα, μπορεί να γίνει μία εκτίμηση του ρεύματος, της τάσης και της ισχύος τους με τις μεθόδους που περιγράφονται στη συνέχεια, υποθέτοντας και πάλι ότι οι συνθήκες λειτουργίας είναι οι ίδιες και ότι οι κυψέλες έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά I-V.
• Ρεύμα
Το παραγόμενο ρεύμα από μια ομάδα κυψελών συνδεδεμένων παράλληλα ισούται με το άθροισμα των μεμονωμένων ρευμάτων κάθε κυψέλης. Υποθέτοντας παρόμοιες κυψέλες, το ρεύμα μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση:
Ιπαράλληλα = (Αριθμός κυψελών) * (lmax μίας κυψέλης) (3.4)
• Τάση
Η τάση μεταξύ δύο κόμβων μιας ομάδας κυψελών συνδεδεμένων εν παραλλήλω είναι ίση με την τάση κάθε κυψέλης:
Vπαράλληλα = (Vmax μίας κυψέλης) (3.5)
• Ισχύς
Η παραγόμενη ισχύς από κυψέλες εν παραλλήλω είναι ίση με το παράλληλο ρεύμα εξίσωση (3.4) - πολλαπλασιασμένο με την παράλληλη τάση της εξίσωσης (3.5):
Pπαράλληλα = Ιπαράλληλα * Vπαράλληλα =>
Pπαράλληλα = (Αριθμός κυψελών) * (lmax μίας κυψέλης) * (Vmax μίας κυψέλης) (3.6)
Σημειώνεται ότι, όταν μια ομάδα κυψελών συνδέεται παράλληλα, οι μεμονωμένες κυψέλες μπορεί να παράγουν διαφορετικά ρεύματα, αλλά κάθε κυψέλη θα λειτουργεί στην ίδια τάση. Στο παρακάτω σχήμα 3.11 παρουσιάζεται το πώς συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά I-V των μεμονωμένων κυψελών για να διαμορφώσουν την καμπύλη I-V της ομάδας των κυψελών εν παραλλήλω. Στο σχήμα 3.12 απεικονίζονται ομάδες κυψελών εν παραλλήλω και τα χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος αυτών.
Σχήμα 3.11. Καμπύλες I-V για μία και τέσσερις κυψέλες συνδεδεμένες παράλληλα
Σχήμα 3.12. Μία, δύο, και τρεις κυψέλες συνδεδεμένες παράλληλα
3.3.2.3. Δίοδοι
• Δίοδοι παράκαμψης
Οι δίοδοι παράκαμψης χρησιμοποιούνΤαι για την προστασία των συνδεσμολογιών εν σειρά των κυψελών. Εν γένει, ένα πλαίσιο προσφέρεται από τον κατασκευαστή με ενσωματωμένη μια δίοδο παράκαμψης, η οποία συνδέεται παράλληλα με ολόκληρο το πλαίσιο. Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, η δίοδος δεν κάνει τίποτα εκτός από το να καταναλώνει μία ελάχιστη ποσότητα ισχύος. Εάν σκιαστεί ή υποστεί βλάβη μέρος του πλαισίου, η δίοδος παράκαμψης εκτρέπει το ρεύμα μέσω αυτής και γύρω από το πλαίσιο. Χωρίς τη δίοδο, το πλαίσιο που σκιάζεται ή έχει υποστεί βλάβη διαχέει το ρεύμα υπό μορφή θερμότητας και τελικά καταστρέφεται.
• Δίοδοι φραγής
Οι δίοδοι φραγής εγκαθίστανται για να αποτρέψουν την αντιστροφή της ροής του ρεύματος προς τα πλαίσια. Μια δίοδος φραγής συνδέεται συνήθως εν σειρά μεταξύ της συστοιχίας και των μπαταριών. Αντ' αυτού, εάν ένας αριθμός συνδεσμολογιών συνδέονται εν σειρά, οι δίοδοι φραγής μπορούν να συνδεθούν εν σειρά με κάθε μία συνδεσμολογία. Ενίοτε ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στα Φ/Β συστήματα για τη ρύθμιση της ισχύος εξαλείφει την ανάγκη προσθήκης μιας διόδoυ φραγής.
3.3.2.4. Παρακολούθηση της τροχιάς του ήλιου
Ένα πλαίσιο το οποίο φέρεται κάθετα στις ακτίνες του ήλιου λαμβάνει περισσότερο φως από ένα άλλο που δεν είναι προσανατολισμένο προς τον ήλιο. Η πορεία του ήλιου στον ουρανό αλλάζει τόσο με την ώρα της ημέρας όσο και με την ημέρα του έτους. Αυτό σημαίνει ότι, για να παράγει ένα πλαίσιο τη μέγιστη ποσότητα ενέργειας, πρέπει να είναι σε θέση να περιστραφεί για να ακολουθήσει την τροχιά του ήλιου. Τα σταθερά πλαίσια τοποθετούνται ώστε να αντικρίζουν τον ισημερινό υπό μια ορισμένη γωνία και δεν κινούνται. Αν και τα πλαίσια αυτά δεν μπορούν να παράγουν τόση ισχύ όση τα πλαίσια με παρακολούθηση της τροχιάς, έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι πιο οικονομικά και συντηρούνται ευκολότερα. Η πλειοψηφία των πλαισίων είναι σταθερά.
Σε μερικές περιπτώσεις, τα σταθερά πλαίσια ρυθμίζονται χειροκίνητα. Αυτό μπορεί να γίνει μερικές φορές το χρόνο ώστε να ληφθούν υπόψη οι εποχιακές αλλαγές της πορείας του ήλιου ή, ενίοτε, μερικές φορές την ημέρα. Με τη χειροκίνητη ρύθμιση των πλαισίων μπορεί να αποληφθεί ένα σημαντικό μέρος του φωτός που θα συλλεγόταν μέσω ενός συστήματος παρακολούθησης. Τα συστήματα αυτά μπορούν σχεδόν να διπλασιάσουν την παραγωγή μιας συστοιχίας (σχήμα 3.13), ενίοτε όμως απαιτείται προσεκτική ανάλυση για να προσδιοριστεί εάν το αυξημένο κόστος και η μηχανική πολυπλοκότητα της χρήσης ενός τροχιοδεικτικού συστήματος είναι συμφέρουσα.
Σχήμα 3.13. Παραγόμενη ισχύς από μία συστοιχία με και χωρίς σύστημα παρακολούθησης της τροχιάς του ήλιου
Στην παρακολούθηση τροχιάς μονού άξονα τα πλαίσια κινούνται κατά μήκος ενός άξονα για να ακολουθούν την πορεία του ήλιου (σχ. 3.14 - αριστερά). Σχεδόν πάντα ακολουθείται η μεταβαλλόμενη ανύψωση του ήλιου στον ουρανό, αντί της κίνησής του από ανατολή προς δύση. Στην παρακολούθηση τροχιάς δiπλoύ άξονα (σχ. 3.14 δεξιά) τα πλαίσια κινούνται κατά μήκος δύο αξόνων. Μερικές συστοιχίες, όπως αυτές με συγκεντρωτικές κυψέλες, απαιτούν παρακολούθηση της τροχιάς σε δύο άξονες, επειδή οι, κυψέλες χρησιμοποιούν μόνο την άμεση ακτινοβολία και η απόδοσή τους μειώνεται σημαντικά εάν δεν είναι ακριβώς κάθετες στις ακτίνες του ήλιου.
Σχήμα 3.14 Παρακολούθηση μονού άξονα (αριστερά) και συγκεντρωτικές κυψέλες με παρακολούθηση τροχιάς διπλού άξονα (δεξιά)
3.4. Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ
3.4.1. Οι αγορές των Φ/Β
Πολλοί άνθρωποι τελευταία ενδιαφέρονται για το μέλλον του πλανήτη. Οι συμβατικές ενεργειακές τεχνολογίες αναγνωρίζονται ευρέως ως κύριοαίτιο της καταστροφής του περιβάλλοντος από την άποψη τόσο της εξάντλησης των φυσικών πόρων όσο και της ρύπανσης. Τα Φ/Β και οι άλλες ανανεώσιμες ενεργειακές τεχνολογίες κερδίζουν ευρεία αποδοχή ως ένας τρόπος διατήρησης και βελτίωσης του βιωτικού επιπέδου χωρίς να βλάπτεται το περιβάλλον. Όλο και περισσότερες εταιρείες παραγωγής ενέργειας ανταποκρίνονται στις επιθυμίες των καταναλωτών συμπεριλαμβάνοντας τα Φ/Β στον παραγωγικό μηχανισμό τους.
Η ενσωμάτωση Φ/Β σε στέγες και προσόψεις κτιρίων αναμένεται να αποτελέσει μία κύρια εφαρμογή τους σε πολλές βιομηχανικές χώρες (σχ. 3.15). Ήδη η Ιαπωνία, η Γερμανία, η Ολλανδία και η Ελβετία σημειώνουν πρόοδο προς την κατεύθυνση των κατανεμημένων Φ/Β συστημάτων. Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι μπορούν να αποτρέψουν διάφορα κόστη, όπως την αγορά γης και οικοδομικών υλικών και τις δαπάνες μεταφοράς και διανομής, είτε πλήρως είτε μερικώς. Το συνολικά διαθέσιμο δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής από στέγες στις χώρες του ΟΟΣΑ υπολογίζεται ότι είναι περίπου 1100 GWp το οποίο επαρκεί για να καλύψει το 14-19% της συνολικής ετήσιας κατανάλωσης ηλεκτρισμού των χωρών αυτών που εκτιμάται σε 6800 TWh.
Παρ' όλα αυτά, οι εγκαταστάσεις μέσης και μεγάλης κλίμακας θα αποτελέσουν τη σημαντικότερη εφαρμογή των Φ/Β. Οι ΗΠΑ και η lταλία πρωτοπορούν διεθνώς στην ανάπτυξη Φ/Β συστημάτων μεγάλης κλίμακας. Κάποιες χώρες επίσης επιζητούν την εξέλιξη "περίσσειας" εκτάσεων, για παράδειγμα κατά μήκος των αυτοκινητοδρόμων και των σιδηροτροχιών, με την ενσωμάτωση Φ/Β σε ηχοφράκτες (σχήμα 3.16). Αναπτύσσονται επίσης Φ/Β συγκεντρωτές για εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας, οι οποίοι χρησιμοποιούν μεγάλους ανακλαστήρες για τη συγκέντρωση του ηλιακού φωτός επάνω σε κυψέλες μικρού εμβαδού. Αυτό μειώνει την ποσότητα του Φ/Β υλικού που απαιτείται και μπορεί να οδηγήσει σε χαμηλότερα κόστη.
Σχήμα 3.15. Κατοικία μηδενικών ενεργειακών αναγκών στο Zandνoort (Ολλανδία)
Σχήμα 3.16. Ηχοφράκτης με Φ/Β πλαίσια στο επάνω μισό κατά μήκος του αuτοΚινητόδρομου Α27 στην Ουτρέχτη (Ολλανδία)
Σύμφωνα με στοιχεία του 1998, η παγκόσμια παραγωγή Φ/Β κυψελών και πλαισίων ανέρχεται σε 135 MW περίπου, σταθερά και εντυπωσιακά πάνω από τα μόλις 40 MW το 1990. Οι παγκόσμιες πωλήσεις αυξάνονταν με ένα μέσο ρυθμό 15% κατ' έτος κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, αν και αυτός ο ρυθμός ποικίλλει ανάλογα με την περιοχή και την εφαρμογή. Εν γένει υφίσταται μια ρεαλιστική δυνατότητα για συνέχιση της επέκτασης της αγοράς με ένα ρυθμό 15-20% την επόμενη δεκαετία. Με αυτό το ρυθμό, η παγκόσμια παραγωγή θα ανέλθει στο επίπεδο των 1.000 MW μέχρι το 201Ο, και τα Φ/Β μπορούν να καταστούν μια βιομηχανία της τάξης των 5 έως 8 δισεκατομμυρίων δολαρίων.
3.4.2. Αυτόνομα συστήματα
Για πολλές αναπτυσσόμενες χώρες, όπου το ηλεκτρικό δίκτυο κατά μεγάλο μέρος περιορίζεται στις κύριες αστικές περιοχές και ένα σημαντικό ποσοστό του αγροτικού πληθυσμού δεν έχει πρόσβαση στις πλέον βασικές ενεργειακές υπηρεσίες, τα Φ/Β σήμερα θεωρούνται ευρέως ως το καλύτερο και πιο οικονομικό μέσο παροχής ενός μεγάλου μέρους των στερούμενων υπηρεσιών. Με βάση τις ελάχιστες ενεργειακές απαιτήσεις για παροχή των βασικών ενεργειακών υπηρεσιών σε κάθε κάτοικο του αναπτυσσόμενου κόσμου, το αντίστοιχο δυναμικό των Φ/Β εκτιμάται ότι ανέρχεται σε 16 GWp (περίπου 15 Wp ανά κάτοικο).
Τα Φ/Β πλαίσια μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις ακόλουθες εφαρμογές :
• Συστήματα άντλησης για παροχή νερού σε χωριά, για άρδευση του εδάφους ή πότισμα εκτρεφομένων ζώων.
• Συστήματα ψύξης ιδιαίτερα για τη συντήρηση εμβολίων, αίματος και άλλων αναλώσιμων ζωτικής σημασίας σε προγράμματα υγειονομικής περίθαλψης.
• Φωτισμός για κατοικίες και κοινοτικά κτίρια, όπως σχολεία και κέντρα υγείας, ώστε να επιτραπεί και μετά τη δύση του ηλίου η συνέχιση των εκπαιδευτικών και παραγωγικών δραστηριοτήτων.
• Σταθμοί φόρτισης μπαταριών: για την επαναφόρτιση των μπαταριών οι οποίες χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία ηλεκτρικών συσκευών, από φακούς και ραδιόφωνα έως τηλεοράσεις και συστήματα φωτισμού.
• Ηλιακά συστήματα κατοικιών: για παροχή ενέργειας στον οικιακό φωτισμό και σε άλλες συσκευές ΣΡ, όπως τηλεοράσεις, ραδιόφωνα, ραπτομηχανές, κλπ.
Στον πίνακα 3.1 παρέχονται και άλλα παραδείγματα αυτών των εφαρμογών.
Πινάκας 3.1. Αυτόνομες εφαρμογές σε αναπτυσσόμενες χώρες
3.4.2.1. Συνιστώσες και συντήρηση
Τα Φ/Β συστήματα είναι πολυσυναρτησιακά, το οποίο δεν σημαίνει μόνο εύκολη μεταφορά και γρήγορη εγκατάσταση, αλλά επιτρέπει επίσης την εύκολη επέκτασή τους εάν αυξηθούν οι απαιτήσεις ισχύος. Τα συστήματα για αυτόνομες εφαρμογές (σχήμα 3.17) μπορεί να περιλαμβάνουν όλες ή μερικές από τις ακόλουθες βασικές συνιστώσες :
• Μία Φ/Β γεννήτρια (ένα μόνο πλαίσιο ή μία συστοιχία αρκετών πλαισίων) και ένα σύστημα υποστήριξης.
• Εξοπλισμό ρύθμισης της ισχύος (προαιρετικά - συνήθως περιέχονται μετατροπείς ΣΡ/ΕΡ και εξοπλισμός ελέγχου και προστασίας).
• Αποθήκευση ενέργειας (προαιρετικά - συνήθως παρέχεται από μπαταρίες).
• Καλωδιώσεις.
• Ένα φορτίο (π.χ. φωτιστικά, αντλίες, ψυγεία, ραδιόφωνο, τηλεόραση).
Σχήμα 3.17. Σχηματική παράσταση ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος
Ο εξοπλισμός ηλεκτροπαραγωγής των Φ/Β δεν διαθέτει κινούμενα μέρη, το οποίο γενικά περιορίζει τις απαιτήσεις για συντήρηση στο ελάχιστο και οδηγεί σε μακρούς χρόνους λειτουργίας. Καθαυτά τα πλαίσια συνήθως λειτουργούν για είκοσι περίπου έτη και οι απαιτήσεις τους περιορίζονται στον περιστασιακό καθαρισμό τους ώστε να αφαιρούνται οι επικαθίσεις ρύπων. Η πλειοψηφία των άλλων συνιστωσών, συχνά καλούμενες και εξοπλισμός εξισορρόπησης (BOS), χρήζουν συντήρησης κάθε δέκα ή περισσότερα έτη, εάν ακολουθούνται απλά μέτρα προληπτικής συντήρησης.
Οι μπαταρίες που απαιτούνται συνήθως στις περισσότερες εκτός δικτύου εφαρμογές, εκτός από την άντληση ύδατος, αποτελούν την περίοδο αυτή το αδύνατο σημείο των Φ/Β συστημάτων και εν γένει χρειάζονται αντικατάσταση κάθε πέντε περίπου χρόνια.
Είναι σημαντικό οι μπαταρίες, αλλά και όλες οι συνιστώσες του συστήματος, να είναι αποδεκτής ποιότητας. Όπου έχουν αποτύχει κατά το παρελθόν τα Φ/Β συστήματα για τεχνικούς λόγους, αυτό γενικά οφειλόταν σε ελλιπή σχεδιασμό του συστήματος ή σε ανεπιτυχή επιλογή των συνιστωσών BOS, παρά σε αστοχία ενός Φ/Β πλαισίου. Ως εκ τούτου, αξιόλογες ερευνητικές προσπάθειες διεθνώς στοχεύουν αυτή τη στιγμή στη βελτίωση της απόδοσης των συνιστωσών BOS.
3.4.2.2. Κόστη και οικονομικά στοιχεία
Από την άποψη του μέσου μοναδιαίου ενεργειακού κόστους, που υπολογίζεται με τη χρήση των παραδοσιακών λογιστικών τεχνικών, η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από Φ/Β δεν μπορεί ακόμα να ανταγωνιστεί τις αποδοτικές συμβατικές κεντρικές εγκαταστάσεις παραγωγής. Εξάλλου, η μεγάλη πλειοψηφία των Φ/Β εγκαταστάσεων μέχρι σήμερα χρησιμοποιούνταν για εφαρμογές μικρής σχετικά ισχύος σε θέσεις που δεν έχουν άμεση πρόσβαση σε κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. Στις περιπτώσεις αυτές, τα Φ/Β επιλέγονται επειδή προσφέρουν μια ασφαλή και αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ισχύος, και αποτελούν συχνά τη φθηνότερη ενεργειακή επιλογή.
Όπως και σε κάθε παρόμοιο αγαθό, η συνολική τιμή αγοράς ενός Φ/Β συστήματος προκύπτει από όλα τα εγγενή κόστη για την παραγωγή των επιμέρους συνιστωσών, τη μεταφορά και την εγκατάστασή τους. Μπορεί επίσης να υπάρξουν κόστη σχετικά με τη σχεδίαση και την τεχνική μελέτη του συστήματος, καθώς και για την αγορά γης - ειδικά στα έργα μεγάλης κλίμακας. Εντούτοις, υπάρχουν πολλοί άλλοι παράγοντες που πρέπει να εξετάζονται:
• Οι περισσότεροι κατασκευαστές Φ/Β συστημάτων προσφέρουν κάποια μορφή έκπτωσης για συμφωνίες μαζικής αγοράς.
• Ο εισαγόμενος από ξένες χώρες εξοπλισμός υπόκειται σε φόρο εισαγωγής.
• Όταν τα συστήματα αγοράζονται μέσω αντιπροσώπου, συνήθως υφίσταται μια προσαύξηση για τη διεκπεραίωση, και γενικά θα πρέπει να καταβληθεί κάποιου είδους φόρος επί των πωλήσεων.
Έτσι είναι δύσκολο να καθοριστεί η συνολική τιμή, η οποία ποικίλει ανάλογα με την εφαρμογή, το μέγεθος του συστήματος και τη θέση τοποθέτησης. Πάντως, το κόστος της Φ/Β συστοιχίας είναι σημαντικός παράγοντας και αποτελεί συνήθως το 30-50% του συνολικού κόστους, ενώ τα BOS συνεισφέρουν κατά ένα αντίστοιχο ποσοστό. Για παράδειγμα, ένα μικρό οικιακό σύστημα φωτισμού για τροφοδοσία δύο ή τριών λαμπτήρων φθορισμού είναι τυπικά της τάξης των 50 Wp και κοστίζει περίπου €500, ενώ ένα Φ/Β ψυγείο για διατήρηση εμβολίων μπορεί να απαιτεί μια συστοιχία 200 Wp, της οποίας η συνολική τιμή ανέρχεται περίπου σε €5000.
Κατά συνέπεια, τα Φ/Β συστήματα αποτελούν μια ελκυστική επιλογή σε αγροτικές περιοχές όπου δεν είναι διαθέσιμη σύνδεση με το δίκτυο, αν και υπό όρους απλής αποπληρωμής τα Φ/Β μπορεί συχνά να παρουσιάζονται ως μη ελκυστικά, λόγω των υψηλών αρχικών τους δαπανών. Εντούτοις, με την κοστολόγηση σε όλο τον κύκλο ζωής, στην οποία υπολογίζονται όλες οι δαπάνες αντικατάστασης καυσίμων και εξοπλισμού που υφίστανται σε όλη τη ζωή του συστήματος, τα Φ/Β συγκρίνονται συχνά ευνοϊκά με τις εναλλακτικές επιλογές, οι οποίες τείνουν να έχουν μικρότερα αρχικά κόστη αλλά απαιτούν σημαντικά μεγαλύτερες λειτουργικές δαπάνες.
Η υποκατάσταση των συμβατικών τεχνολογιών με Φ/Β μπορεί να επιφέρει διάφορες θετικές επιπτώσεις που είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν άμεσα σε οικονομικούς όρους, αλλά εντούτοις παρέχουν σημαντικά οικονομικά και κοινωνικά οφέλη. Για παράδειγμα, σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς λαμπτήρες κηροζίνης, τα Φ/Β μπορούν να παρέχουν καλύτερα επίπεδα φωτισμού, καθιστώντας εφικτή τη συνέχιση των εκπαιδευτικών και παραγωγικών δραστηριοτήτων και μετά τη δύση του ηλίου με τη μείωση του κινδύνου πυρκαγιάς και την αποφυγή των επιβλαβών αναθυμιάσεων.
Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας έχει επισημάνει ότι τα Φ/Β προσφέρουν μια πιο αξιόπιστη υπηρεσία ψύξης σε σχέση με άλλες επιλογές ηλεκτρικής τροφοδοσίας. Αυτό έχει οδηγήσει σε αυξημένη δραστικότητα των αποθεμάτων εμβολίων, το οποίο με τη σειρά του έχει βοηθήσει στη μείωση της θνησιμότητας. Όταν συγκρίνονται τα Φ/Β με τις εναλλακτικές λύσεις πρέπει να εξετάζονται παράγοντες αυτού του είδους, ακόμα και εάν δεν είναι εύκολο να αξιολογηθεί η ανταποδοτικότητα του κόστους.
3.4.2.3. Υβριδικά ΦΙΒ συστήματα
Αν και τα Φ/Β συστήματα γενικά διαθέτουν μέσα αποθήκευσης της ενέργειας για να καλύψουν μια καθορισμένη περίοδο ανεπαρκούς ηλιοφάνειας, μπορεί να υπάρξουν παρατεταμένες περίοδοι κακοκαιρίας οπότε απαιτείται μια εναλλακτική πηγή ώστε να εξασφαλιστεί η παραγωγή ισχύος. Τα υβριδικά Φ/Β συστήματα συνδυάζουν μια Φ/Β γεννήτρια με μια άλλη πηγή ισχύος, συνήθως μια ντιζελογεννήτρια, ή και με κάποια άλλη ανανεώσιμη πηγή, πχ μια ανεμογεwήτρια. Η Φ/Β γεννήτρια διαστασιολογείται συνήθως ώστε να ικανοποιεί τη ζήτηση φορτίου βάσης, ενώ η εναλλακτική παροχή τίθεται σε λειτουργία μόνο όταν είναι αναγκαίο. Αυτή η ρύθμιση παρέχει όλα τα οφέλη των Φ/Β όσον αφορά το χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης, αλλά επιπλέον εξασφαλίζει μια εγγυημένη τροφοδοσία.
Τα υβριδικά μπορούν επίσης να αποτελέσουν μια λογική προσέγγιση σε καταστάσεις όπου οι περιστασιακές αιχμές ζήτησης είναι σημαντικά υψηλότερες από τη ζήτηση φορτίου βάσης. Δεν έχει νόημα να διαστασιολογείται ένα σύστημα ώστε να μπορεί να ικανοποιεί τη ζήτηση αποκλειστικά με Φ/Β εάν, για παράδειγμα, το κανονικό φορτίο είναι μόνο το 10% του μέγιστου. Αντίστοιχα, μια ντιζελογεwήτρια διαστασιολογημένη έτσι ώστε να ικανοποιεί τη ζήτηση αιχμής θα λειτουργούσε υπό μερικό φορτίο μη αποδοτικά τον περισσότερο χρόνο. Σε μια τέτοια κατάσταση, ένα υβριδικό σύστημα Φ/Β-ντίζελ θα ήταν ο ιδανικός συνδυασμός.
3.4.3. Διασυνδεδεμένα συστήματα
Μια διαφορετική προσέγγιση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας είναι η εφαρμογή των διασυνδεδεμένων Φ/Β συστημάτων, στα οποία η ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτείται στο δίκτυο. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με δύο διαφορετικούς τύπους συστημάτων:
• Οι αυτοπαραγωγοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν για την ίδια κατανάλωσή τους μικρά διαδραστικά Φ/Β συστήματα. Το πλεόνασμα της ενέργειας τροφοδοτείται στο δίκτυο, ενώ σε περιόδους έλλειψης (π.χ. τη νύχτα) καταναλώνεται ενέργεια από το δίκτυο.
• Στους εμπορικής κλίμακας κεντρικούς σταθμούς με πεδία Φ/Β συστοιχιών, τους οποίους διαχειρίζονται οι εταιρίες ηλεκτρισμού όπως και τις άλλες εγκαταστάσεις ηλεκτροπαραγωγής, όλη η παραγωγή ΣΡ του πεδίου των συστοιχιών, που γενικά είναι της τάξης των MW, μετατρέπεται σε ΕΡ και στη συνέχεια τροφοδοτείται στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο, απ' όπου κατόπιν διανέμεται στους πελάτες.
Σ' ένα διασυνδεδεμένο σύστημα (σχήμα 3.18) το δίκτυο ενεργεί όπως μία μπαταρία με απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης. Επομένως, η συνολική αποδοτικότητα ενός διασυνδεδεμένου Φ/Β συστήματος θα είναι καλύτερη από την αποδοτικότητα ενός αυτόνομου συστήματος αφού, λαμβάνοντας υπόψη ότι πρακτικά δεν υπάρχει όριο στη ικανότητα αποθήκευσης, η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί πάντοτε να αποθηκεύεται, ενώ στις αυτόνομες εφαρμογές οι μπαταρίες θα είναι ενίοτε πλήρως φορτισμένες οπότε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει να αποβληθεί.
Σχήμα 3.18. Σχηματική παράσταση διασυνδεδεμένου Φ/Β συστήματος
Στις βιομηχανικές χώρες, όπου γενικά είναι εύκολη η σύνδεση στο κύριο δίκτυο, τα Φ/Β συστήματα δεν αποτελούν μια οικονομικά ελκυστική επιλογή. Ένα Φ/Β σύστημα στέγης 1,5 kWp, για παράδειγμα, έχει τυπικό κόστος εγκατάστασης περίπου €10.000. Το κόστος του παραγόμενου ηλεκτρισμού εξαρτάται από τη συνολική αποδοτικότητα και τη διάρκεια ζωής του συστήματος, τη διαθεσιμότητα της πηγής, και το εικαζόμενο προεξοφλητικό επιτόκιο, αλλά ενδεικτικά κυμαίνεται μεταξύ €0,35-0,65/kWh. Πάντως, αυτό δεν απεικονίζει ακριβώς την πραγματικότητα, αφού συχνά δεν προσδίδεται κάποια νομισματική αξία στα οφέλη που αποφέρουν τα Φ/Β. Η πιο αποδεκτή "προστιθέμενη αξία" του ηλιακού ηλεκτρισμού είναι ότι δεν μολύνει το περιβάλλον.
3.5. ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΓΙΑ ΤΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ
3.5.1. Οικονομικά στοιχεία των Φ/Β
Προκειμένου να υπάρξει ευρεία χρήση των φωτοβολταϊκών, τα κόστη τους πρέπει να είναι ανταγωνιστικά με εκείνα των συμβατικών μορφών ηλεκτρισμού. Η μέση τιμή του ηλεκτρισμού είναι €0,017 - 0,15 ανά kWh, ενώ τα Φ/Β παράγουν σήμερα ηλεκτρική ενέργεια με €0,5 - 0,6/kWh. Επομένως, τα κόστη πρέπ ει να μειωθούν κατά πέντε φορές περίπου για να είναι ανταγωνιστικά στη χονδρική αγορά ηλεκrρισμoύ. Όπως προκύπτει από το σχήμα 3.19, όπου απεικονίζεται το σχετικό ποσοστό του κόστους κάθε στοιχείου ενός Φ/Β συστήματος, οι κυψέλες συνιστούν ένα σημαντικό ποσοστό του τελικού κόστους, κυρίως λόγω της απαίτησης για υψηλής καθαρότητας πυρίτιο.
Σχήμα 3.19. Κόστη ενός Φ/Β συστήματος και μείωση αυτών με το χρόνο
Το κόστος της φωτoβoλταlKής ενέργειας επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, με πιο σημαντικούς την αποδοτικότητα του πλαισίου, τη διάρκεια ζωής και το κόστος ανά μονάδα επιφάνειας. Το σχήμα 3.20 παρουσιάζει τις συσχετίσεις του κόστους και της αποδοτικότητας του πλαισίου που οδηγούν σε ειδικά κόστη του ηλεκτρισμού, για διάρκεια ζωής 30 ετών του πλαισίου και βάσει δiάφoρων οικονομικών υποθέσεων. Από αυτές προκύπτει ότι τα πλαίσια μικρότερης αποδοτικότητας πρέπει να κοστίζουν λιγότερο από τα πλαίσια υψηλής αποδοτικότητας για την παραγωγή ηλεκrρισμoύ με το ίδιο κόστος. Συνεπώς, υπάρχει μια επιβάρυνση για την υψηλότερη αποδοτικότητα.
Σχήμα 3.20. Συσχετίσεις μεταξύ του κόστους και της αποδοτικότητας των πλαισίων που οδηγούν σε ειδικά κόστη ηλεκrpΙKής ενέργειας
Παρόμοιες καμπύλες ισχύουν για τα συγκεντρωτικά συστήματα, αλλά σ' αυτά είναι αναγκαίες υψηλότερες αποδοτικότητες ώστε να αντισταθμιστούν τα υψηλότερα κόστη των συστημάτων εξισορρόπησης που σχετίζονται με τους απαραίτητους φακούς ή κάτοπτρα και τα τροχιοδεικτικά συστήματα. Και στις δύο περιπτώσεις, μπορεί να αντισταθμιστεί η αποδοτικότητα με τα σχετικά με τη θέση εγκατάστασης κόστη (πχ για τις γαίες, την καλωδίωση και τη δομή στήριξης) ώστε να επιτευχθεί το ίδιο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας. Η εγγυημένη ανθεκτικότητα των Φ/Β ενισχύει την οικονομική αποδοτικότητά τους, ειδικά σε εφαρμογές όπου η συντήρηση αποτελεί κύριο μέλημα.
Η παγκόσμια εμπορική παραγωγή φωτοβολταϊκών ετησίως ανέρχεται σε 60 MW και κατανέμεται περίπου εξίσου στις ΗΠΑ, την Ιαπωνία και την Ε.Ε. Οι περισσότερες από τις αγορές υπάγονται στην κατηγορία υψηλής αξίας, δηλαδή είναι αγορές όπου τα σημερινά Φ/Β συστήματα ανταγωνίζονται τους παραδοσιακούς τρόπους παροχής της ηλεκτρικής ισχύος. Οι εφαρμογές αυτές είναι κατά κύριο λόγο απομακρυσμένες από το ηλεκτρικό δίκτυο, εξυπηρετώντας ανάγκες όπως η άντληση νερού, η εξ αποστάσεως επικοινωνία, η ψύξη, οι φωτεινοί σηματοδότες, ο φωτισμός έκτακτης ανάγκης, η προστασία σωληνώσεων από τη διάβρωση και η ηλεκτροδότηση χωριών.
Ανταγωνισμός υπάρχει κυρίως με τις ντιζελογεwήτριες και με την επέκταση των ηλεκτρικών γραμμών μεταφοράς. Το κόστος επέκτασης του δικτύου είναι τέτοιο που, εάν ένα ηλεκτρικό φορτίο βρίσκεται σε απόσταση μεγαλύτερη του μισού χιλιομέτρου από την υπάρχουσα γραμμή, τα Φ/Β θα είναι οικονομικώς αποδοτικά συγκρινόμενα με την επέκταση της γραμμής. Καθώς μειώνεται το κόστος των Φ/Β συστημάτων, ο αριθμός των οικονομικά αποδοτικών εφαρμογών τους αυξάνεται. Ο τελικός στόχος, δηλαδή η μαζική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αναμένεται να επιτευχθεί στα επόμενα 10 έως 20 χρόνια, όταν οι τιμές των Φ/Β θα πέσουν κάτω από το €0,1/kWh. Εξάλλου, αναμένεται να δρομολογηθούν διάφορες αγορές από τις επιχειρήσεις ηλεκτρισμού πριν την επέκταση αυτών των αγορών μεγάλης ισχύος.
Η ανάπτυξη της αγοράς συνδέεται άμεσα με τη συνεχή ελάττωση του κόστους των Φ/Β σε σχέση με τις συμβατικές παροχές. Η βιομηχανία θα πρέπει να κατασκευάσει μεγαλύτερες και πιο επικερδείς εγκαταστάσεις παραγωγής που να εκμεταλλεύονται τις διαθέσιμες οικονομίες κλίμακας. Οι επενδύσεις σε αυτές τις νέες εγκαταστάσεις θα απαιτήσουν την εξεύρεση βιώσιμων αγορών. Την απαραίτητη ώθηση στην αγορά θα μπορούσε να δώσει η ανάληψη πολλών και μεγάλης αξίας εφαρμογών, μεταξύ των οποίων και τα διεθνή προγράμματα εξηλεκτρισμού των αγροτικών περιοχών.
3.5.2. Περιβαλλοντικές θεωρήσεις
Τα Φ/Β συστήματα προκαλούν ελάχιστα περιβαλλοντικά προβλήματα. Ο εξοπλισμός παραγωγής παράγει ηλεκτρισμό αθόρυβα και δεν εκπέμπει κανενός είδους επιβλαβή αέρια κατά τη λειτουργία του. Το βασικό υλικό για τα πιο συνήθη πλαίσια (πυρίτιο) είναι εντελώς αβλαβές και διατίθεται εν αφθονία. Πιθανοί κίνδυνοι πάντως υπάρχουν, σχετιζόμενοι με την παραγωγή ορισμένων από τις λιγότερο συνήθεις τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης. Οι δύο πιο ελπιδοφόρες επιλογές, το τελλουριούχο κάδμιο και ο δισεληνιούχος ινδικός χαλκός, περιέχουν μικρές ποσότητες σουλφιδίου του καδμίου, το οποίο θέτει ενδεχόμενους κινδύνους από το κάδμιο κατά την παραγωγή των πλαισίων. Ευτυχώς, υφίστανται δοκιμασμένες μέθοδοι που διέπουν την διαχείριση τέτοιων σύνθετων ουσιών, οι οποίες υιοθετούνται καθ' όλη τη διαδικασία παραγωγής.
Μια κριτική σχετικά με τα πρώτα Φ/Β πλαίσια ήταν ότι κατανάλωναν περισσότερη ενέργεια κατά την παραγωγή τους από όση παρήγαγαν κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Με τις σύγχρονες μεθόδους παραγωγής και τις βελτιωμένες αποδοτικότητες λειτουργίας αυτός ο ισχυρισμός πλέον δεν ευσταθεί. Η ακριβής ενεργειακή απολαβή εξαρτάται προφανώς από τον διαθέσιμο ηλιακό πόρο και τον βαθμό στον οποίο το σύστημα είναι λειτουργικό. Τα υψηλά επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας και ένας υψηλός συντελεστής αξιοποίησης αποφέρουν πιο γρήγορες ενεργειακές απολαβές απ' ό,τι εάν υπάρχει λιγότερο ηλιακό φως και λιγότερη χρήση, αλλά συνήθως η απόσβεση επιτυγχάνεται εντός δύο ετών.