HellasCams - Photovoltaic Fundamentals

Εισαγωγή στα Φωτοβολταϊκά

Η Σημερινή Τεχνολογία
Τα φωτοβολταϊκά (PV) ή ηλιακοί συλλέκτες όπως ονομάζονται, είναι συσκευές ημιαγωγών που μετατρέπουν το ηλιακό φως σε συνεχές ρεύμα. Πολλές φωτοβολταϊκές κυψέλες (όπως ονομάζονται) τοποθετούνται σε συστοιχίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη φόρτιση μπαταριών, τη λειτουργία κινητήρων και γενικότερα την ηλεκτροδότηση συσκευών. Με τον κατάλληλο εξοπλισμό μετατροπής, τα συστήματα PV μπορούν να παράγουν εναλλασσόμενο ρεύμα για τις συμβατικές ηλεκτρικές συσκευές, και να λειτουργούν παράλληλα με το δίκτυο της ΔΕΗ.

Ιστορία των Φωτοβολταϊκών
Οι πρώτες συμβατικές φωτοβολταϊκές κυψέλες κατασκευάστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 50 και μέσα στην επόμενη δεκαετία χρησιμοποιήθηκαν στους δορυφόρους τροχιάς. Στη δεκαετία του 70, βελτιώσεις στην κατασκευή, απόδοση και ποιότητα των φωτοβολταϊκών βοήθησαν να μειωθούν τα κόστη και άνοιξαν το δρόμο για τη χρήση τους σε επίγειες εφαρμογές όπως η φόρτιση μπαταριών συστημάτων πλοήγησης, τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού και άλλων συστημάτων με χαμηλές ανάγκες σε ενέργεια.
Στη δεκαετία του 80, τα φωτοβολταϊκά έγιναν μια δημοφιλής ενεργειακή πηγή για ηλεκτρονικές συσκευές του εμπορίου όπως οι υπολογιστές τσέπης, τα ρολόγια, τα ραδιόφωνα και άλλες μικροσυσκευές. Μετά την ενεργειακή κρίση του 70, αυξήθηκαν διεθνώς οι εφαρμογές των φωτοβολταϊκών για την ηλεκτροδότηση επαρχιακών κλινικών, ψυγείων, αντλιών νερού, τηλεπικοινωνιών και κατοικιών εκτός δικτύου ηλεκτροδότησης. Αυτές οι εφαρμογές παραμένουν ένα μεγάλο κομμάτι της σημερινής αγοράς φωτοβολταϊκών. Σήμερα η βιομηχανία φωτοβολταϊκών αυξάνεται κατά 25% το χρόνο και υιοθετείται με γρήγορους ρυθμούς η υλοποίηση φωτοβολταϊκών συστημάτων σε κτίρια.

Πως Λειτουργούν
Μια τυπική φωτοβολταϊκή κυψέλη πυριτίου αποτελείται από ένα λεπτότατο στρώμα πυριτίου βαπτισμένο σε φώσφορο (τύπος Ν) πάνω σε ένα πιο παχύ στρώμα πυριτίου, βαπτισμένο σε βόριο (τύπος Ρ). Κοντά στην κορυφή της κυψέλης όπου αυτά τα δύο υλικά εφάπτονται, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει στην επιφάνεια της κυψέλης, αυτό το ηλεκτρικό πεδίο παρέχει ορμή και κατεύθυνση σε ηλεκτρόνια που διεγείρονται από το φως, με αποτέλεσμα τη ροή ρεύματος όταν η κυψέλη είναι συνδεδεμένη σε ηλεκτρικό φορτίο.

Σχήμα (1). Φωτοβολταϊκή κυψέλη

Ασχέτως μεγέθους, μια τυπική φωτοβολταϊκή κυψέλη παράγει περίπου 0,5-0,6 βολτ συνεχούς ρεύματος σε συνθήκες μηδενικού φορτίου και ανοικτού κυκλώματος. Η ποσότητα ρεύματος που παράγει η κυψέλη εξαρτάται από την αποτελεσματικότητάς της και το μέγεθός της και είναι ανάλογη με την ένταση του ηλιακού φωτός που τη χτυπάει. Για παράδειγμα, κάτω από έντονο ηλιακό φως, μια τυπική PV κυψέλη με επιφάνεια 160 τετρ. εκατοστά παράγει περίπου 2 Watt μέγιστη ισχύ.

Φωτοβολταϊκές Μονάδες και Συστοιχίες
Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα σε κυκλώματα για την παραγωγή μεγαλύτερης τάσης και ισχύος. Οι φωτοβολταϊκές μονάδες αποτελούνται από κυψέλες σφραγισμένες σε προστατευτικό έλασμα (module) και είναι η θεμελιώδης δομική μονάδα των συστημάτων PV. Τα φωτοβολταϊκά πάνελ περιέχουν μία ή περισσότερες μονάδες καλωδιωμένες και έτοιμες για εγκατάσταση. Μια φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι μία πλήρης μονάδα παραγωγής ρεύματος που μπορεί να περιέχει οποιονδήποτε αριθμό από πάνελ.

Σχήμα (2). Φωτοβολταϊκές κυψέλες, modules, panels και συστοιχίες.

Η ισχύς των φωτοβολταικών συστοιχιών εκτιμάται κάτω από κανονικές συνθήκες. Σαν κανονικές συνθήκες ορίζουμε τη λειτουργία μιάς κυψέλης σε θερμοκρασία 25 βαθμών Κελσίου και σε συγκεκριμένη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας και πυκνότητας αέρα. Επειδή αυτές οι συνθήκες δεν αντιπροσωπεύουν το σύνηθες περιβάλλον λειτουργίας μιάς κυψέλης, η πραγματική απόδοση είναι συνήθως 85 ως 90 % της ονομαστικής.Τα σημερινά φωτοβολταϊκά είναι εξαιρετικά ασφαλή και αξιόπιστα προϊόντα, με πολύ χαμηλά ποσοστά βλαβών και μέσο όρο ζωής τα 20 με 30 χρόνια. Οι περισσότεροι μεγάλοι κατασκευαστές προσφέρουν εγγύηση 20 ή περισσότερα χρόνια, στα οποία οι κυψέλες θα διατηρήσουν ένα υψηλό ποσοστό της ονομαστικής τους ισχύος.

Πως λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό σύστημα
Με απλά λόγια, τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι παρόμοια με οποιαδήποτε άλλα συστήματα παραγωγής ενέργειας, απλά ο εξοπλισμός διαφέρει. Ωστόσο, οι αρχές λειτουργίας και διασύνδεσης με άλλα ηλεκτρικά συστήματα παραμένουν οι ίδιες. Παρόλο που μια μονάδα PV παράγει ρεύμα όταν εκτίθεται σε ηλιακό φως, μια σειρά από άλλα στοιχεία είναι απαραίτητα ώστε να γίνουν σωστά ο έλεγχος, η μετατροπή, η διανομή και η αποθήκευση της ενέργειας που παράγεται από τη μονάδα. Αναλόγως με τις λειτουργικές απαιτήσεις του συστήματος, τα απαραίτητα συστατικά του μπορεί να περιέχουν μετατροπείς DC-AC (συνεχούς/ εναλλασσόμενου), συστοιχία μπαταριών, ρυθμιστές συστήματος και μπαταρίας, βοηθητικές πηγές ενέργειας κ.ο.κ. Επιπλέον μπορεί να είναι απαραίτητες μονάδες για την ασφάλεια του συστήματος όπως ειδική καλωδίωση, προστασία από υπερβολική τάση και άλλος εξοπλισμός επεξεργασίας ρεύματος. Το σχήμα 3 δείχνει ένα βασικό διάγραμμα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος και τη σχέση των ξεχωριστών μονάδων.

Σχήμα (3). Τα κυριότερα μέρη ενός Φωτοβολταϊκού συστήματος.

Γιατί σε ορισμένα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται μπαταρίες;

Οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται συχνά σε φωτοβολταϊκά συστήματα με σκοπό την αποθήκευση της ενέργειας που παράγεται την ημέρα, ώστε να παρέχουν ενέργεια στα ηλεκτρικά φορτία κατά τη διάρκεια της νύχτας και σε περιόδους συννεφιάς. Άλλοι λόγοι περιλαμβάνουν τη λειτουργία της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στην μέγιστή της ισχύ, την παροχή σταθερών τάσεων στα ηλεκτρικά φορτία και την παροχή σταθερών ρευμάτων στους μετατροπείς. Στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιείται ένας ρυθμιστής φόρτισης σε τέτοια συστήματα ώστε να προστατεύεται η μπαταρία από υπερφόρτιση και πλήρη εκφόρτιση (σχήμα 6).

Τύποι Φωτοβολταϊκών Συστημάτων

Πώς κατηγοριοποιούνται τα φωτοβολταϊκά συστήματα;

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα γενικά κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τις λειτουργικές απαιτήσεις τους, τη διαμόρφωση των συστατικών τους μονάδων και τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται σε άλλες πηγές ενέργειας και ηλεκτρικά φορτία. Οι δύο βασικές κατηγορίες είναι τα συνδεόμενα στο δίκτυο ρεύματος της ΔΕΗ και τα ανεξάρτητα συστήματα. Τα συστήματα PV μπορούν να παρέχουν συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα, να λειτουργούν διασυνδεδεμένα ή ανεξάρτητα από το δίκτυο παροχής ρεύματος της ΔΕΗ και να συνδέονται με άλλες ενεργειακές πηγές και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.Τα συνδεόμενα στο δίκτυο συστήματα είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν παράλληλα και διασυνδεδεμένα με το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Το βασικό συστατικό ενός τέτοιο συστήματος είναι ο μετατροπέας. Η μονάδα αυτή μετατρέπει το συνεχές ρεύμα (DC) που παράγεται από το σύστημα σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) με προδιαγραφές ίδιες με αυτές του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας της ΔΕΗ. Το φωτοβολταϊκό σύστημα συνδέεται με το δίκτυο με ένα ειδικό τρόπο, και παρέχει ενέργεια για την τροφοδότηση των ηλεκτρικών φορτίων, μειώνοντας ή μηδενίζοντας έτσι την ενέργεια που χρειάζεται να αντλούμε από το δίκτυο της ΔΕΗ. Τη νύχτα και σε περιόδους που τα ηλεκτρικά φορτία είναι μεγαλύτερα από την ισχύ που παράγει το σύστημα, αντλείται ισχύς από το δίκτυο της ΔΕΗ.

Σχήμα (4). Διάγραμμα φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο με το δίκτυο της ΔΕΗ.

Ανεξάρτητα Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Τα ανεξάρτητα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν ανεξάρτητα από το δίκτυο παροχής ρεύματος της ΔΕΗ και είναι γενικά κατασκευασμένα ώστε να τροφοδοτούν φορτία συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος. Αυτοί οι τύποι συστημάτων μπορεί να τροφοδοτούνται μόνο από μια συστοιχία φωτοβολταϊκών ή μπορεί να χρησιμοποιούν τον άνεμο ή ηλεκτρογεννήτριες σαν βοηθητική πηγή ενέργειας, οπότε και ονομάζονται Υβριδικά Φωτοβολταϊκά συστήματα. Ο πιο απλός τύπος ανεξάρτητου συστήματος είναι τα συστήματα άμεσης ζεύξης, όπου το συνεχές ρεύμα της εξόδου του φωτοβολταϊκού οδηγείται απευθείας σε ένα φορτίο συνεχούς ρεύματος (σχήμα 5). Επειδή δεν υπάρχει αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας στα συστήματα αυτά, το φορτίο λειτουργεί μόνο κατά τη διάρκεια της ηλιοφάνειας, κάνοντας το σύστημα αυτό ιδανικό για εφαρμογές όπως ανεμιστήρες εξαερισμού, αντλίες νερού, και μικρούς κυκλοφορητές για ηλιακούς θερμοσίφωνες. Το ακριβές ταίριασμα της ωμικής αντίστασης του ηλεκτρικού φορτίου με την μέγιστη ισχύ εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας είναι ένα κρίσιμο βήμα στο σχεδιασμό συστημάτων άμεσης ζεύξης με ικανοποιητική απόδοση.

Σχήμα (5). Διάγραμμα συνεχούς ζεύξης.

Σε πολλά ανεξάρτητα φωτοβολταϊκά συστήματα, χρησιμοποιούνται μπαταρίες για αποθήκευση ενέργειας. Το σχήμα 6 δείχνει ένα διάγραμμα ενός τυπικού ανεξάρτητου συστήματος με μπαταρίες, το οποίο τροφοδοτεί φορτία συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος. Το σχήμα 7 δείχνει πως μπορεί να σχεδιαστεί ένα τυπικό υβριδικό σύστημα.

Σχήμα (6). Ανεξάρτητο φωτοβολταϊκό σύστημα με αποθήκευση σε μπαταρία η οποία τροφοδοτεί καταναλωτές συνεχούς και εναλλασσομένου ρεύματος.

Πλεονεκτήματα

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν έναν αριθμό από μοναδικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας. Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να σχεδιαστούν για μια πληθώρα εφαρμογών και λειτουργικών απαιτήσεων, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε για κεντρική είτε για κατανεμημένη παραγωγή ισχύος. Τα συστήματα αυτά δεν έχουν κινούμενα μέρη, είναι εύκολα επεκτάσιμα, ακόμη και μεταφέρσιμα σε μερικές περιπτώσεις. Η ενεργειακή ανεξαρτησία και η συμβατότητα με το περιβάλλον είναι δύο από τα ελκυστικότερα χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Το καύσιμο (ηλιακό φως) είναι δωρεάν και δεν παράγεται θόρυβος ή μόλυνση από τη λειτουργία του συστήματος. Γενικά, τα φωτοβολταϊκά συστήματα που είναι καλά σχεδιασμένα και σωστά εγκατεστημένα, απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής.
Λόγω της διαχυτικής φύσης του ηλιακού φωτός και της ενεργειακής απόδοσης των σημερινών φωτοβολταϊκών, οι απαιτήσεις σε εμβαδό των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων είναι της τάξης των 8 έως 12 τετραγωνικών μέτρων ανά KW ενέργειας.

Ερώτηση: Μπορούν τα φωτοβολταϊκά συστήματα να λειτουργήσουν κανονικά συνδεόμενα στο δίκτυο της ΔΕΗ αλλά να μπορούν να σηκώσουν μεγάλα φορτία όταν διακοπεί η παροχή από το δίκτυο της ΔΕΗ;

Aπάντηση: Ναι, ωστόσο πρέπει να χρησιμοποιηθούν μπαταρίες για αποθήκευση. Αυτού του τύπου το σύστημα είναι εξαιρετικά δημοφιλές σε μονοκατοικίες και μικρές επιχειρήσεις όπου απαιτείται εφεδρική πηγή ενέργειας για κρίσιμα φορτία/καταναλωτές (ψυγεία, αντλίες νερού, φωτισμός) στην περίπτωση διακοπής της ηλεκτροδότησης από το δίκτυο της ΔΕΗ. Υπό κανονικές συνθήκες το σύστημα λειτουργεί διασυνδεδεμένο με το δίκτυο της ΔΕΗ, κρατώντας τις μπαταρίες πάντα γεμάτες και τροφοδοτώντας ένα ποσοστό του φορτίου με την ενέργεια που απομένει. Στην περίπτωση που το δίκτυο υποστεί βλάβη και διακοπεί η τροφοδοσία, τα κυκλώματα ελέγχου συνδέουν το σύστημα με τα κρίσιμα φορτία/καταναλωτές που έχουν προεπιλεγεί, τα οποία τώρα λειτουργούν από τις μπαταρίες. Το σχήμα 7 δείχνει πώς ένα φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να σχεδιαστεί ώστε να λειτουργεί σαν διασυνδεμένο στο δίκτυο και επίσης να τροφοδοτεί κρίσιμα φορτία/καταναλωτές όταν το δίκτυο απενεργοποιηθεί.

Σχήμα (7). Διάγραμμα φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο με το δίκτυο της ΔΕΗ με δυνατότητα τροφοδοσίας κρίσιμων μονάδων.

« Επιστροφή