Φωτοβολταϊκά συστήματα Φοιτητές: Λαμπρόπουλος Νικόλαος, Επιβλέπων καθηγητής: Γκότσης Πασχάλης

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στόχος: Παρουσίαση και ανάλυση εφαρμογών φωτοβολταϊκών συστημάτων 1.Ανασκόπηση βιβλιογραφίας 2.Εμπειρική έρευνα Τα φωτοβολταϊκά έγιναν γνωστά το 1839 από τον Edmond Becquerel. Με την τεχνολογία αυτή ασχολήθηκαν επίσης ο Einstein και ο Czochralski.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ-ΟΡΙΣΜΟΣ Φωτοβολταϊκό φαινόμενο ονομάζεται η άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική τάση Το φωτοβολταϊκό σύστημα παράγει ηλεκτρική ενέργεια από την ηλιακή, εκμεταλλευόμενο την έκθεση σε φωτεινή ακτινοβολία μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου Η ένταση του Φ/Β φαινομένου είναι εξαρτώμενη από: α) τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού β) την πιθανότητα σύγκρουσης φωτονίου-ηλεκτρονίου και γ) την ικανότητα της σύγκρουσης να προσδώσει στο ηλεκτρόνιο κατάλληλη ταχύτητα και διεύθυνση ώστε να μεταπηδήσει στην πλευρά παγίδευσης Μπορούν να εφαρμοστούν σε επίπεδο κατοικίας, εμπορικού κτιρίου ή μικρού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ 1839: Ανακάλυψη φωτοβολταϊκού φαινομένου από τον Edmond Becquerel 1879: ο Adams και ο Day παρατήρησαν ότι μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φως. 1904: Einstein, περιγραφή φωτοηλεκτρικού φαινομένου 1918: Czochralski, μέθοδος παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si) 1949: Mott και Schottky, θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης 1954: Bell, πρώτο ηλιακό κελί 1958: Η τεχνολογία των Φ/Β συστημάτων προσαρτάται στον χώρο των διαστημικών εφαρμογών Το πρωτόκολλο του Κιότο έδωσε ώθηση στην εφαρμογή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Στην Ελλάδα υπάρχουν πλέον αρκετές εγκαταστάσεις Φ/Β.

ΑΠΕ Αιολική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια Βιομάζα Γεωθερμία Ηλιακή ενέργεια

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΙ ΑΡΧΗ Φ/Β Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την ατμόσφαιρα της γης διαφοροποιείται ανάλογα με την απόσταση της γης από τον ήλιο Παράγοντας που επηρεάζει σημαντικά την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης είναι οι μετεωρολογικές συνθήκες Σε καλές καιρικές συνθήκες η ακτινοβολία μπορεί να φτάσει και τα 1000 W/m2 στην επιφάνεια της γης Η μέγιστη ακτινοβολία που μπορεί να επιτευχθεί λόγω διάχυσης από περαστικά σύννεφα μπορεί να πάρει και τιμές έως 1400 W/m2. Η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει σε ένα επίπεδο στο έδαφος εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος, την κλίση και τον προσανατολισμό του επιπέδου

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΙ ΑΡΧΗ Φ/Β Η μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να γίνει είτε άμεσα χρησιμοποιώντας πυρανόμετρα ή Φ/Β αισθητήρες, είτε έμμεσα αναλύοντας εικόνες από δορυφόρους Τα πυρανόμετρα, αν και είναι αρκετά ακριβή, παρουσιάζουν αργή απόκριση επειδή βασίζονται σε θερμικά στοιχεία, έτσι δεν μπορούν να αντιληφθούν τις γρήγορες μεταβολές στην ακτινοβολία Οι Φ/Β αισθητήρες έχουν πολύ χαμηλότερο κόστος σε σχέση με τα πυρανόμετρα. Η ακρίβεια του όμως μειώνεται επειδή ένα ηλιακό κύτταρο δεν μπορεί να απορροφήσει ακτινοβολία όλων των μηκών κύματος του ηλιακού φάσματος Αρχή λειτουργίας Φ/Β: Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, μήκος διάχυσης.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Φ/Β Το κρυσταλλικό πυρίτιο (Si) αποτελεί το συνηθέστερο υλικό των Φ/Β στοιχείων στη σύγχρονη αγορά Για τα Φ/Β στοιχεία το Si πρέπει να είναι υψηλής καθαρότητας και με υψηλή ποιότητα κρυστάλλου Τα άτομα Si συνδέονται μεταξύ τους μέσω των ηλεκτρονίων σθένους για να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο Ο δεσμός των ηλεκτρονίων μπορεί να διασπαστεί υπό την επίδραση θερμότητας ή φωτός. Η ενδογενής ηλεκτρική αγωγιμότητα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού Η διαδικασία αυτή, κατά την οποία εισάγονται άτομα ενός τρίτου στοιχείου μέσα στον κρύσταλλο του Si με σκοπό την μεταβολή των ηλεκτρικών του ιδιοτήτων, ονομάζεται εμπλουτισμός (doping).

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Φ/Β Εάν ο ημιαγωγός τύπου p-n (Φ/Β στοιχείο) εκτεθεί στο φως, τα σωματίδια του φωτός απορροφούνται από τα ηλεκτρόνια Αυτή η εισροή ενέργειας σπάει τους δεσμούς των ηλεκτρονίων. Τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια μετακινούνται μέσω του ηλεκτρικού πεδίου προς τη n-περιοχή Οι οπές που σχηματίζονται μετακινούνται αντίθετα, στην p-περιοχή. Η διαδικασία αυτή, ονομάζεται Φ/Β φαινόμενο

ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΕΙΔΗ Φ/Β Τύποι: 1.Κρυσταλλικά πλαίσια (μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλικά) 2.Πλαίσια άμορφου πυριτίου (thin film) Είδη: 1.Διασυνδεμένα συστήματα 2.Αυτόνομα συστήματα (Χωρίς δυνατότητα αποθήκευσης, με δυνατότητα αποθήκευσης, υβριδικά) Υποσυστήματα Φ/Β: 1.Φ/Β πάνελ 2.Ρυθμιστής φόρτισης 3.Συσσωρευτές 4.Μετατροπέας τάσης 5.Μετρητής ενέργειας 6.Δίοδοι

ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑΤΑ

ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Εγκατάσταση ενός φ/β πάρκου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και η πώληση της παραγόμενης ενέργειας στη ΔΕΗ, Θεσσαλονίκη, δήμος Καλοχωρίου. Ωφέλιμη επιφάνεια προς κάλυψη είναι περίπου 170 m2 στο νοτιοδυτικό άκρο του οικοπέδου. Εκτίμηση εγκατεστημένης ισχύος: 20.5 kW Εκτίμηση ηλιακού δυναμικού: Βέλτιστη γωνία κλίσης η οποία είναι 25 ̊ Επιλογή αντιστροφέα SMA / SMC 7000TL Επιλογή Φ/Β πλαισίου: Guangyi GYP-185M

ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ

ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Τα Φ/Β strings θα παραλληλιστούν μεταξύ τους εντός ενός στεγανού πίνακα εξωτερικής χρήσεως (IP55), που θα περιέχει over voltage protection and lighting production Ο πίνακας θα είναι τοποθετημένος κοντά στα 3 strings Για τη σύνδεση κάθε σειράς Φ/Β στοιχείων µε τον αντιστροφέα θα χρησιμοποιηθεί καλώδιο τύπου DC Solar 1x6mm2 Για την μεταφορά της ισχύος από τους αντιστροφείς προς τον κεντρικό πίνακα θα χρησιμοποιηθούν καλώδια τύπου H07RN-F διατοµής 3x25mm2 Για την μεταφορά της ισχύος από τον κεντρικό πίνακα ως το σηµείο σύνδεσης µε την ∆ΕΗ επιλέγεται καλώδιο XLPE PVC/SWA/PVC (4.4) µε διατοµή 3x120 mm2 + 1x95 mm2 + 1x95 mm2 µε πρόσθετη μηχανική ενίσχυση

ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Τοποθέτηση πλαισίων με νότιο προσανατολισμό και κλίση 25ο από το οριζόντιο επίπεδο Το πλαίσιο με δεδομένο τον οριζόντιο προσανατολισμό τοποθέτησης, έχει μήκος (γ) 0,808 m και πλάτος 1,580 m: υ = γ sinβ – δ (m) =3*0,808*συν (25) = 0,320 m Ελεύθερη απόσταση: Για γεωγραφικό πλάτος φ = 40ο είναι (α/υ) = 3 οπότε α = 0,96 m.

ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Χωροθέτηση Φ/Β πλαισίων

ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Υπολογισμός ελεύθερης απόστασης:

ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Βάση Φ/Β στοιχείων:

ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Οικίσκος εγκατάστασης ηλεκτρολογικού εξοπλισμού:

Φ/Β ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Η Ελλάδα παρουσιάζει αξιοσημείωτες προϋποθέσεις για ανάπτυξη και εφαρμογή των Φ/Β συστημάτων Το 2014 τα Φ/Β κάλυψαν το 7% των αναγκών της χώρας σε ηλεκτρική ενέργεια, φέρνοντας την Ελλάδα στη δεύτερη θέση διεθνώς σε ότι αφορά στη συμβολή των Φ/Β στη συνολική κατανάλωση ενέργειας Το 2014 η παραγωγή ενέργειας από Φ/Β ήταν σε ποσοστό 98,2% στο ηπειρωτικό δίκτυο και 7,2% σε μη διασυνδεδεμένα νησιά Σήμερα στην Ελλάδα είναι εγκατεστημένα μεγαβάτ (MWp) Φ/Β, εκ των οποίων τα MWp επί εδάφους και τα υπόλοιπα σε στέγες κτιρίων. Περιβαλλοντικό αποτύπωμα (δέσμευση γης, κατανάλωση νερού, αποσόβηση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα).

Φ/Β ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ

ΕΥΧΑΡΙΣΤΟΥΜΕ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ!