Αναδρομή στην ιστορία για την ανάπτυξης στα φωτοβολταικα συστήματα - Solar Photovoltaic System

Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο( pv Solar cell) αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο που αφορά τα φωτοβολταικά στοιχεία (Photovoltaic Solar module) ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Μπεκερέλ (Becquerel). Το φωτοβολταικό φαινόμενο αφορά Περιληπτικά την απορρόφηση της ενέργειας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων των φωτοβολταϊκών στοιχείων και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ρεύματος. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στα φωτοβολταικα στοιχεια οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο.

Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο-Φωτοβολταϊκά Πληροφορίες

Το ηλιακό φως- ηλιακή ενέργεια (Solar energy power) είναι ουσιαστικά μικρά πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Τα φωτόνια του ηλιακού φωτός- ενέργειας περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού ενεργειακού φάσματος. Το γαλάζιο χρώμα ή το υπεριώδες π.χ. έχουν περισσότερη ενέργεια από το κόκκινο ή το υπέρυθρο. Όταν λοιπόν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο ( φωτοβολταϊκά στοιχεία ) (που είναι ουσιαστικά ένας “ημιαγωγός”), άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται από το φωτοβολταϊκό ή τα φωτοβολταϊκά. Αυτά τα τελευταία φωτόνια είναι που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα ( ενέργεια ). Τα φωτόνια αυτά αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του φωτοβολταϊκού ή των φωτοβολταϊκών, στοιχείων να μετακινηθούν σε άλλη θέση. Η βασική θεωρία του ηλεκτρισμού είναι η κίνηση των ηλεκτρονίων από το θετικό προς το αρνητικό. Σ’ αυτή την απλή αρχή της φυσικής λοιπόν βασίζεται μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρισμού στις μέρες μας Ηλιακή Φωτοβολταϊκή Διάταξη πλαισίων, τόξων, πάνελ (photovoltaic array)

Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια - φωτοβολταικα πάνελ έχουν ως βασικό μέρος το ηλιακό στοιχείο (solar cell) ηλιακά φωτοβολταικα στοιχεια που είναι ένας κατάλληλα επεξεργασμένος ημιαγωγός λεπτού πάχους σε επίπεδη επιφάνεια. Η πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργεί ηλεκτρική τάση και με την κατάλληλη σύνδεση σε φορτίο παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία ομαδοποιούνται κατάλληλα και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ή ηλιογεννήτριες ( pv module), τυπικής ισχύος από 10W έως 300W. Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά μεταξύ τους και δημιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες (pv-arrays).

Tεχνολογίες Ηλιακών Φωτοβολταϊκών Στοιχείων-Φωτοβολταικων κυψελων

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία - πλαίσια χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες

1.  ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ

α. Φωτοβολταικά Μονοκρυσταλλικού πυριτίου με αποδόσεις πλαισίων 14,5% έως 21%,
β. Φωτοβολταικά Πολυκρυσταλλικού πυριτίου με αποδόσεις πλαισίων 13% έως 14,5%.2. 

2. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΛΕΠΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ (thin film pv)

α. Φωτοβολταικά από Άμορφο Πυρίτιο a–Si, ονομαστική απόδοση ~7%. 
β. Φωτοβολταικά από Χαλκοπυρίτες CIS / CIGS, ονομαστική απόδοση από 7% έως 11%.

Το πυρίτιο (Si) είναι η βάση για το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής Φωτοβολτακών. Το πυρίτιο, ανάλογα με την επεξεργασία του, δίνει μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλικά ή άμορφα υλικά, από τα οποία παράγονται τα φωτοβολταικά στοιχεία (Photovoltaic Solar module). Τα λεπτά υλικά είναι ένας τρόπος να μειωθεί το κόστος των φωτοβολταικών πλαισίων και να αυξηθεί η απόδοσή τους.  Η τεχνολογία φωτοβολταικών πλαισίων thin film βρίσκεται σε αναπτυσσόμενο στάδιο αφού με διάφορες μεθόδους επεξεργασίας και χρήση διαφορετικών υλικών αναμένεται αύξηση της απόδοσης, σταθεροποίηση των χαρακτηριστικών τους και αύξηση της διείσδυσης στην αγορά. Σήμερα πάντως αποτελούν την πιο φθηνή επιλογή φωτοβολταϊκών πλαισίων.

Ανάλυση δομής ενός φωτοβολταϊκού συστήματος

Το φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από τα ακόλουθα τμήματα:

• (α) Τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια (φωτοβολταικο πλαισιο) με τη Βάση στήριξης και ίσως (tracker), σύστημα παρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς.
• (β) Μπαταρίες - συσσωρευτές φωτοβολταϊκών
• (γ) Ρυθμιστή φόρτισης για τον έλεγχο και προστασία των μπαταριών.
• (δ) Μετατροπέα τάσεως dc (12v/24v/48v) inverter για μετασχηματισμό στα 220V AC.

Τύποι Φωτοβολταικών συστημάτων

Υπάρχουν τρείς κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων, το διασυνδεδεμένο φωτοβολταικό σύστημα με το δίκτυο της ΔΕΗ και το αυτόνομο φωτοβολταικό σύστημα. Η απλούστερη μορφή του δεύτερου εκ των δυο αποτελείται απλώς από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια φωτοβολταϊκό πλαίσιο, η οποία μόνη της τροφοδοτεί με συνεχές ρεύμα ένα φορτίο οποτεδήποτε υπάρχει επαρκής φωτεινότητα. Αυτού του τύπου το σύστημα είναι κοινό σε εφαρμογές οικιακές ή γεωργικές, άντληση. Σε άλλες περιπτώσεις το φωτοβολταικό σύστημα παρέχει δυνατότητα αποθήκευση ενέργειας στις μπαταρίες. Συχνά συμπεριλαμβάνεται μετρατροπέας ισχύος της ηλεκτρικής ενέργειας, όπως στην περίπτωση που απαιτείται εναλλασσόμενο ρεύμα να εξέρχεται από το σύστημα. Σε μερικές περιπτώσεις το σύστημα περιέχει μια εφεδρική ηλεκτρογεννήτρια ή ανεμογεννήτρια ( υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστημα).

Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο φωτοβολταικά συστήματα μπορούν να υποδιαιρεθούν σ’ εκείνα στα οποία το δίκτυο ενεργεί απλώς ως μια βοηθητική τροφοδοσία (εφεδρικό δίκτυο) και εκείνα τα οποία ίσως λάβουν επίσης πρόσθετη ισχύ από τη φωτοβολταική γεννήτρια (αλληλοεπιδρώμενο δίκτυο). Μέσα στους φωτοβολταικούς σταθμούς ( φωτοβολταϊκά πάρκα) όλη η παραγόμενη ισχύς τροφοδοτείται στο δίκτυο.

Φωτοβολταϊκές βασικές μονάδες

Συνήθως τα φωτοβολταικα ηλιακα στοιχεια σε μια βασική μονάδα συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά. Αυτό οφείλεται στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κάθε ηλιακού φωτοβολταϊκού στοιχείου. Ένα τυπικό (διαμέτρου 4 ιντσών) ηλιακό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου ή ένα (10 cm * 10 cm) πολυκρυσταλλικό στοιχείο θα παρέχουν κάτω από κανονικές συνθήκες ισχύ μεταξύ 1 και 1.5 βαττ, εξαρτώμενη από την απόδοση του ηλιακού στοιχείου. Αυτή η ισχύς παρέχεται συνήθως υπό τάση 0.5 ή 0.6 V. Από τη στιγμή που υπάρχουν πολύ λίγες εφαρμογές, οι οποίες εκτελούνται σε αυτή την τάση, η άμεση λύση είναι να συνδεθούν τα ηλιακά στοιχεία σε σειρά.

Ο αριθμός των ηλεκτρικων φωτοβολταικων στοιχειων μέσα σε μια βασική μονάδα ρυθμίζεται από την τάση της βασικής μονάδας. Η ονομαστική τάση λειτουργίας του φωτοβολταϊκού συστήματος συνήθως πρέπει να ταιριάζει με την ονομαστική τάση του υποσυστήματος αποθήκευσης. Οι περισσότερες εκ των φωτοβολταϊκών βασικών μονάδων, που κατασκευάζονται βιομηχανικά έχουν, επομένως, σταθερές διατάξεις, οι οποίες μπορούν να συνεργασθούν ακόμη και με μπαταρίες των 12Volt / 6Volt/ 2Volt. Προβλέποντας πιθανότητα υπέρτασης προκειμένου να φορτισθεί η φωτοβολταική μπαταρία και να αντισταθμιστεί χαμηλότερη έξοδος, κάτω από συνθήκες χαμηλότερες των κανονικών, έχει βρεθεί ότι μια ομάδα των 33 έως 36 ηλιακών στοιχείων σε σειρά συνήθως εξασφαλίζουν αξιόπιστη λειτουργία.

Τα τρία περισσότερο σημαντικά ηλεκτρικά φωτοβολταικα χαρακτηριστικα μιας βασικής μονάδας είναι το ρεύμα βραχυκυκλώματος, η τάση ανοικτού κυκλώματος και το σημείο μέγιστης ισχύος σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και την ακτινοβολία. Αυτές οι χαρακτηριστικές μοιάζουν με τη χαρακτηριστική Ι-V ενός ηλιακού στοιχείου ωστόσο μερικές συγκεκριμένες ιδιομορφίες χρειάζεται να διασαφιστούν.

Χρήσεις

Τα φωτοβολταϊκά είναι διατάξεις που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από την ηλιακή ακτινοβολία. Το ηλεκτρικό αυτό ρεύμα χρησιμοποιείται για να δώσει ενέργεια σε μια συσκευή ή για τη φόρτιση μπαταρίας. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται ευρέως σε μικροϋπολογιστές τσέπης που λειτουργούν χωρίς μπαταρία, απλώς με την έκθεσή τους στο φως.

Τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται συχνά σε συστοιχίες για την παραγωγή ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΣΕ ΣΤΕΓΕΣ

Στην Ελλάδα έχουν ξεκινήσει φωτοβολταικά προγράμματα επιδότησης των επενδύσεων σε ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΣΕ ΣΤΕΓΕΣ, τα οποία παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που μεταπωλείται και εισάγεται στα δημόσια δίκτυα μεταφοράς δεη. Τα προγράμματα αυτά έχουν στόχο τη διαφοροποίηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τη σταδιακή απεξάρτησή της από το πετρέλαιο.

Η θερμοκρασία είναι μια σημαντική παράμετρος λειτουργίας ενός φωτοβολταικού συστήματος. Όπως έχουμε δει ο συντελεστής θερμοκρασίας για την τάση ανοικτού κυκλώματος είναι κατά προσέγγιση ίσος με -2.3 mV/◦C για καθένα ηλιακό στοιχείο. Ο συντελεστής τάσης μιας βασικής μονάδας είναι επομένως αρνητικός και πολύ μεγάλος από τη στιγμή που συνδέονται σε σειρά 33 έως 36 ηλιακά στοιχεία. Ο συντελεστής ρεύματος, από την άλλη πλευρά, είναι θετικός και μικρός +6 μΑ/◦C περίπου ανά τετραγωνικό εκατοστό της βασικής μονάδας. Συνεπώς, μόνο η μεταβολή τάσης σε σχέση μ’ αυτή της θερμοκρασίας λαμβάνεται υπόψη για πρακτικούς κυρίως υπολογισμούς ενώ για κάθε βασική μονάδα αποτελούμενη από nc ηλιακά στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά ισούται προς:

Σημαντικό κατά την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι να στερεωθούν οι σταθερές βάσεις με γωνία 30-35 μοίρες και νότιο προσανατολισμό  ή οι προσανατολισμοί των φωτοβολταικών trackers θα ακολουθούν (ιχνηλατούν) την κίνηση του ηλίου.