Εγκατάσταση Φωτοβολταϊκών Στοιχείων στην Κατοικία Παπαβασιλείου Χρήστος Υπεύθυνος Κ.Π.Ε. Περτουλίου-Τρικκαίων Med Διαπολιτισμικής Εκπαίδευσης Med Γλωσσών & Φιλολογίας Νοτιανατολικής Ευρώπης Κόκκαλης Θωμάς Μέλος Π.Ο. Κ.Π.Ε. Περτουλίου-Τρικκαίων MSc Ηλεκτρονικής Φυσικής (Ραδιοηλεκτρολογίας) MSc Σχεδίασης Διαδραστικών και Βιομηχανικών Προϊόντων και Συστημάτων

Η παρουσίαση περιέχει: Ιστορική αναδρομή Αρχή λειτουργίας Φ/Β συστημάτων Υπάρχουσα Φ/Β τεχνολογία Εφαρμογές των Φ/Β συστημάτων και η κατάσταση που επικρατεί σήμερα Ηλιακή ακτινοβολία και τρόπο τοποθέτησης των Φ/Β Βασικά μέρη ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος Τεχνικοοικονομική μελέτη εγκατάστασης αυτόνομου Φ/Β Συμπεράσματα

Edmond Becquerel, το 1839 , Ανακάλυψη Φωτοβολταϊκό: Αυτό που σχετίζεται με την ύλη ή την συσκευή στην οποία ο ηλεκτρισμός παράγεται ως αποτέλεσμα έκθεσης στο φως Edmond Becquerel, το 1839 , Ανακάλυψη Charles Fritz, το1883 Κρύσταλλος σελήνιο Ο Albert Einstein, 1904, Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Schottky, το 1930, Θεωρία ημιαγωγών Chapin, Pearson και Fuller το 1953 Πυρίτιο Ο τεχνητός δορυφόρος, Vanguard I, το 1958 Οι Calson και Wronski το 1976 Άμορφο πυρίτιο

ημιαγωγού τύπου Ν ημιαγωγού τύπου P Αρχή λειτουργίας Φ/Β συστημάτων- Θεωρία ημιαγωγών Δημιουργία ημιαγωγών ημιαγωγού τύπου Ν ημιαγωγού τύπου P Οι προσμίξεις έχουν 3 ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους Οι προσμίξεις έχουν 5 ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους

Η επαφή PN Η περιοχή απογύμνωσης στην επαφή PN

Η κυψέλη, το πλαίσιο και μια Φ/Β συστοιχία Η δομή μιας Φ/Β κυψέλης Miα τυπική κυψέλη mono-Si έχει βαθύ μπλε χρώμα και ζυγίζει λιγότερο από 10 γρ Το πάχος της δεν ξεπερνάει τα 5mm. Η κυψέλη, το πλαίσιο και μια Φ/Β συστοιχία

Υπάρχουσα Φ/Β τεχνολογία Τεχνολογία κρυσταλλικού πυριτίου Μονοκρυσαταλλικό (sc-Si) Η απόδοση στη βιομηχανία φτάνει το 17%. Πολυκρυαταλλικό(mc-Si) Η απόδοση στη βιομηχανία φτάνει το 15%.

Η τεχνολογία λεπτού φιλμ Η βιομηχανική απόδοση τους είναι πολύ μικρότερη από αυτή του κρυσταλλικού πυριτίου, κυμαίνεται μεταξύ 6 και 11%. Τα είδη λεπτού φιλμ ανάλογα με το υλικό κατασκευής είναι : άμορφο πυρίτιο τελουριούχο κάδμιο δισελινιούχο Ινδικό χαλκό με διάφορες προσμίξεις Θειούχο κάδμιο Αρσενιούχο γάλλιο Δομή άμορφου πυριτίου

Μερίδια αγοράς της τεχνολογίας κυψελών το 2006 Απόδοση κυψέλης σε σχέση με την τεχνολογία και το υλικό κατασκευή της Μερίδια αγοράς της τεχνολογίας κυψελών το 2006

Οι εφαρμογές των Φ/Β συστημάτων και η κατάσταση που επικρατεί σήμερα Οι εφαρμογές των Φ/Β συστημάτων και η κατάσταση που επικρατεί σήμερα Αυτόνομα συστήματα Οικιακός εξοπλισμός, την παροχή ενέργειας σε κατοικίες για φωτισμό, τηλεόραση , ραδιόφωνο. Γεωργία: άντληση νερού, ηλεκτρική περίφραξη για εκτρεφόμενα ζώα. Κοινοτικό επίπεδο: Άντληση νερού, φωτισμός σε σχολεία , κέντρα υγειάς, Υγειονομική περίθλαση: Φωτισμός σε θαλάμους, ψύξη εμβολίων Μικρές επιχειρήσεις: Ηλεκτρική ισχύ για ελαφρύ εξοπλισμό.

Διασυδενδεμένο σύστημα Αυτόνομο υβριδικό Διασυδενδεμένο σύστημα Φ/Β συστήματα ενσωματωμένα σε πηγές σε στέγες, προσόψεις κτηρίων που είναι διασυνδεδεμένα με το δίκτυο της Δ.Ε.Η Διασυνδεδεμένα κεντρικά φωτοβολταϊκά συστήματα με το δίκτυο της Δ.Ε.Η.

Παρούσα κατάσταση στη Ελλάδα Η Ελλάδα είναι στην 7η θέση παγκοσμίως στην εγκατεστημένη ισχύς το 2012 Το 2009, δραστηριοποιούνται 900 εταιρείες που απασχολούν 2800 εργαζόμενους Σήμερα η παραγόμενη ισχύς της ηλεκτρικής ενέργειας είναι 1563 ΜW από τα 9,17ΜW του 2007

Ηλιακή ακτινοβολία Η έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας ίση με 1367W/m2 Το 18% απορροφάται Το 72% φθάνει στην γη απευθείας Το 10% διαχέεται Από το 10% που διαχέεται το 3% επιστρέφει στο διάστημα και το 7% φθάνει στη γη Τελικά το 79% της ηλιακής ακτινοβολίας φθάνει στη επιφάνεια της γης

Μεταβολή της έντασης στη διάρκεια του έτους

Μεταβολή της έντασης στη διάρκεια της ημέρας Το μήκος της διαδρομής της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μικρότερο όταν ο ήλιος είναι στο ζενίθ του τόπου. Τις πρωινές και απογευματινές ώρες η ένταση του ήλιου είναι μικρότερη από την ένταση όταν ο ήλιος είναι στο ζενίθ του τόπου

Η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών γεννητριών Για τον προσανατολισμό της Φ/Β πλάκας χρειάζονται δυο γωνίες: α) η κλίση η γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο της Φ/Β πλάκας καi τον ορίζοντα β) η αζιμούθια γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο, ανάμεσα στην προβολή της απόστασης ηλίου -Φ/Β πλάκας και το τοπικό Βορρά Νότο

Τοποθέτηση εξοχική κατοικία Γ.Π. = γεωγραφικό πλάτος Μόνιμη κατοικία Επιλογή κατά περίπτωση ή μεταβολή της κλίσης 2 φορές το έτος Χρήση περίοδος Κλίση (Ο) Αζιμούθιο Καλοκαιρινή περίοδος 21 Μαρτίου έως 21 Σεπτεμβρίου Γ.Π.-12 Νότος Χειμερινή περίοδος 21 Σεπτεμβρίου έως 21 Μαρτίου Γ.Π.+12

Μελέτη αυτόνομου Φ/Β συστήματος σε μόνιμη κατοικία, για αυτονομία 3 ημερών

Ο συσσωρευτής Είναι μια συσκευή η οποία αποθηκεύει ηλεκτρική ενεργεία με τη μορφή χημικής ενέργειας. Μολύβδου υγρού καταλύτη ανοικτού τύπου ή κλειστού τύπου Φθηνές πολύ μικρή διάρκεια ζωής 170 € ( 100AH, 12 V) (3-5 έτη) Μολύβδου δεσμευμένου καταλύτη τύπου gelled 12V, ακριβές μεγάλη διάρκεια ζωής 250 € ( 100AH, 12 V)(9-10 έτη) OPzV 2V στοιχεία Πανάκριβα, αλλά έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής 650 € ( 100AH, 12 V) (13-14 έτη)

Ρυθμιστής φόρτισης Είναι η ηλεκτρονική διάταξη που επιβλέπει τη διαδικασία της φόρτισης και εκφόρτισης καθώς και την ενεργειακή κατάσταση των συσσωρευτών και παρεμβαίνει όποτε απαιτείται.

Ρυθμιστής φόρτισης MPPT (Maximum Power Point Tracking)

Αντιστροφέας ( inverters) Είναι μια συσκευή που μετατρέπει το συνεχές (DC) ρεύμα του φωτοβολταϊκού συστήματος σε εναλλασσόμενο (AC) ρεύμα 230V. Έτσι μπορούμε να τροφοδοτήσουμε από τη μπαταρία του φωτοβολταϊκού συστήματος όλες τις οικιακές συσκευές που απαιτούν 230 Volt.

Διαμορφωμένου ημιτόνου Είναι φθηνότερος από έναν με καθαρό ημίτονο και είναι κατάλληλος για τις περισσότερες συσκευές. Καταναλώνει όμως έως και 20% περισσότερη ενέργεια από τη μπαταρία σε σχέση με έναν μετατροπέα καθαρού ημίτονου. Επίσης, σε τηλεοράσεις και ηχοσυστήματα μέτριας ποιότητας θα ακούγεται ένα ελαφρύ βουητό. Καθαρού ημιτόνου Αν έχουμε ευαίσθητες ηλεκτρονικές συσκευές, καλό είναι να χρησιμοποιούμε για αυτές inverter με καθαρό ημίτονο. Απώλειες μόνο 3% Μειονέκτημα που έχουν οι inverter καθαρού ημίτονου είναι η τιμή τους, αφού είναι τρεις έως τέσσερις φορές ακριβότεροι από έναν αντίστοιχο με τροποποιημένο ημίτονο.

Πως υπολογίζω τις ανάγκες σε ηλεκτρισμό μιας αυτόνομης κατοικίας; Εξετάσουμε τις δυνατότητες για εξοικονόμηση ενέργειας. Ηλιακός θερμοσίφωνας αντί για ηλεκτρικός Κουζίνα υγραερίου αντί ηλεκτρικής Λάμπες οικονομίας αντί πυρακτώσεως

Υπολογισμός κατανάλωσης Πολλαπλασιάζουμε τα Watt κάθε συσκευής επί τον αριθμό των ωρών που θα λειτουργεί. Το άθροισμα όλων αυτών των γινομένων θα είναι η συνολική μας ημερήσια κατανάλωση σε Wh. Επειδή υπάρχουν απώλειες στο σύστημά μας αλλά και κρυφές καταναλώσεις από συσκευές που δεν υπολογίσαμε (π.χ. συσκευές που καταναλώνουν ρεύμα ακόμα και κλειστές ή σε αναμονή), πολλαπλασιάζουμε το προηγούμενο άθροισμα επί 1,2.

Μελέτη αυτόνομης κατοικίας Είδος ποσότητα Κατανάλωση (w) Διάρκεια (h) wh Λάμπα φθορισμού 4 15 5 300 τηλεόραση 1 40 160 Η/Υ 60 2 120 καφετιέρα 900 0,16 135 Τοστιέρα 700 0,2 140 Ανεμιστήρας οροφής 50 200 ψυγείο 90 6 540 Σύνολο   1595 Κατανάλωση =1595Wh x 1,2=1914Wh=1,9KWh

Υπολογισμός του μεγέθους των συσσωρευτών Υπολογίσαμε λοιπόν, ότι χρειαζόμαστε 1,9 KWh το 24ωρο. Για να έχουμε αυτονομία 3 ημερών χρειαζόμαστε 1,9 kwh X 3 = 5,7 kwh Οι συσσωρευτές αναγράφουν τη χωρητικότητά τους σε Ah (αμπέρ ανά ώρα). Σε Ah για 12V συσσωρευτή 5700wh/12V=475Ah

Υπολογισμός του κόστους συσσωρευτών Υπολογισμός του κόστους συσσωρευτών Αν ο συσσωρευτής έχει βάθος εκφόρτωσης 60% Χρειάζονται 475/60%≈ 800 Ah Επομένως απαιτούνται : 4 συσσωρευτές 200 Αh x 12V = 2,4kwh άρα 4Χ2,4kwh=9,6 kwh Κόστος 430€ ανά συσσωρευτή Συνολικό κόστος= 4x430=1720€

Υπολογισμός του μεγέθους των ηλιακών συλλεκτών Έστω ότι έχω ένα ηλιακός συλλέκτης των 120 watt/p ονομαστικά (ανά ώρα ηλιοφάνειας) Χειμώνας , θεωρώ 3 ώρες ηλιοφάνειας Αριθμός panel =κατανάλωση/ (ώρες ηλιοφάνειας x ισχύ panel) =1900wh / ( 3h x120w)≈ 5 Ισχύς φωτοβολταϊκού συστήματος= 5x120W= 600W 1 panel ( 120W, 12V)≈ 230€ Κόστος= 5X230€≈1150 €

Ρυθμιστής φόρτισης Ο ρυθμιστής φόρτισης θα πρέπει να διαχειρίζεται το άθροισμα των ρευμάτων των panel, και να έχει την ίδια τάση 12 V Δηλαδή 5 x 6,71A=33,55A Άρα θα χρησιμοποιήσω 1 ρυθμιστή φόρτισης MPPT με χαρακτηριστικά 12 V 45A ≈589€

Επιλογή inverter Η επιλογή του κατάλληλου inverter γίνεται βάσει της κατανάλωσης του συστήματος μας 1900 W άρα χρειάζομαι inverter με χαρακτηριστικά ( 12v , 220v 2000W) Τιμή ≈ 590€

Αντικατάσταση στη δεκαετία Συνολικό κόστος 20ετίας Στοιχεία Τιμή (€) Αρχικό κόστος Φωτοβολταϊκά panel 1150 συσσωρευτές 1720 Ρυθμιστής φόρτισης 589 inverter 590 Καλωδιώσεις –πίνακας 300 εργατικά Τρέχων συνολικό κόστος 4649 Αντικατάσταση στη δεκαετία 1967 Ετήσια συντήρηση 30 € 624 Συνολικό κόστος 20ετίας 7240 Ετήσιος πληθωρισμός 1,5% Μηνιαίο κόστος 7240/(12x20)=30,2€

Συμπεράσματα H φωτοβολταϊκή ενέργεια είναι μια καλή λύση για αυτόνομη, μη διασυνδεμένη με τη Δ.Ε.Η., κατοικία Οι συσσωρευτές αυξάνουν σημαντικά το κόστος της χρήσης των φωτοβολταϊκων Το κόστος εξαρτάται από την αν η κατοικία είναι εξοχική ή μόνιμη Από τις ημέρες αυτονομίας

Υλικά http://www.greenenergyparts.com/index.php/inverterwsg2000.html http://www.greenenergyparts.com/index.php/battery12v200ah.html http://ecowatt-shop.gr/el/fotovoltaika-panel/231-luxor-solo-line-120w-12v.html http://www.greenenergyparts.com/index.php/chargecontroller-ts45amppt.html http://www.greenenergyparts.com/index.php/inverterwsg2000.html