Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Το Σχολικό Κτήριο Ερευνητική εργασία των μαθητών A’ τάξης του 10ου Γενικού Λυκείου Λάρισας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Το Σχολικό Κτήριο

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι η ενέργεια που προέρχεται από φυσικούς πόρους , όπως το φως του ήλιου, αέρας, βροχή, παλίρροιες, και γεωθερμική ενέργεια. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας διαφέρουν σε μεγάλο βαθμό σε σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας τους. Αν και το νερό, ο άνεμος, και άλλες ανανεώσιμες μορφές ενέργειας μπορεί να εμφανιστούν δωρεάν, το κόστος τους έρχεται στη συλλογή, αξιοποίηση, και τη μεταφορά της ενέργειας, έτσι ώστε να μπορεί να υπάρξει κέρδος.

Στόχοι της Εργασίας Να κατανοήσουν οι μαθητές ότι η αλόγιστη χρήση μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας οδήγησε σε ενεργειακή κρίση και σε τεράστια επιβάρυνση του περιβάλλοντος, με τη δημιουργία μιας σειράς σοβαρών προβλημάτων, που αν δε λυθούν, θα έχουν ως συνέπεια την παρεμπόδιση της ζωής στον πλανήτη. Να αντιληφθούν ότι υπάρχουν διαθέσιμες προς χρήση ενεργειακές πηγές ανανεώσιμες και καθαρές, να γνωρίσουν τα μέσα και τους τρόπους με τους οποίους αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν, ώστε μελλοντικά να συμβάλλουν στη λύση του ενεργειακού προβλήματος και να αναστρέψουν την κακή κατάσταση του περιβάλλοντος. Να διαμορφώσουν στάσεις και συμπεριφορές θετικές απέναντι στη συνετή χρήση και εξοικονόμηση ενέργειας και να αποκτήσουν τελικά την απαιτούμενη γνώση, που θα τους παρέχει τη δυνατότητα να διαμορφώσουν άποψη για το τι σημαίνει "ενέργεια" και "ζωή", έτσι ώστε να θελήσουν να συμβάλλουν στο σχεδιασμό ενός μέλλοντος, όπου η ζωή δε θα δηλητηριάζεται από την αλόγιστη χρήση ενέργειας.

Ιστορική αναδρομή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Βρισκόμαστε σε μια περίοδο όπου η διόγκωση των περιβαλλοντικών προβλημάτων σε συνδυασμό με την εξάντληση των ορυκτών ενεργειακών πόρων μας οδηγεί στο να ψάξουμε τρόπους και νέες πηγές ενέργειας για την κάλυψη των αναγκών μας. Οι πηγές αυτές είναι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η αιολική ενέργεια, και οι τρόποι όπως η χρήση των φωτοβολταϊκών ή του ηλιακού θερμοσίφωνα στα κτίρια. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΑΣ

Κατανάλωση Ηλ. Ρεύματος Συνολικό κόστος ηλ. ρεύματος το 2011: 3.336€ Συνολική κατανάλωση ηλ. ρεύματος το 2011: 18.850 kWh

Κατανάλωση Φυσ. Αερίου 2011 Συνολικό κόστος φυσ. Αερίου το 2011: 4.313€ Συνολική κατανάλωση φυσ. Αερίου το 2011: 78.356 kWh

Σχολικός χώρος

Φωτοβολταϊκά Συστήματα Υπάρχουν δύο τρόποι χρήσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων.: Ο πρώτος τρόπος χρήσης τους είναι το ονομαζόμενο διασυνδεδεμένο σύστημα, το οποίο είναι το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των φωτοβολταϊκών σε συνεργασία με το δίκτυο της ΔΕΗ. Ο καταναλωτής πουλάει το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στην ΔΕΗ για μία συγκεκριμένη τιμή η οποία είναι καθορισμένη από τον νόμο αλλά συνεχίζει να αγοράζει ρεύμα από την ΔΕΗ. Ο δεύτερος τρόπος είναι η εγκατάσταση τους με σκοπό την αυτόνομη χρήση και την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του σχολικού κτιρίου.

Φωτοβολταϊκά Συστήματα Κατάλληλες προϋποθέσεις για την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να τοποθετηθούν σε οικόπεδα και στέγες. Παρέχονται σε διάφορα μεγέθη και μπορούν για παράδειγμα να υποκαταστήσουν τμήμα μιας κεραμοσκεπής, μειώνοντας αντίστοιχα το κόστος της ή τα υαλοστάσια σε μια πρόσοψη. Επιπλέον, μπορούν να παίξουν και τον ρόλο σκιάστρων πάνω από παράθυρα. Ότι αφορά τον χώρο που απαιτείται για την εγκατάσταση των πάνελ, χρειάζεται 1 τετραγωνικό μέτρο για κάθε 100 Watt, αν χρησιμοποιηθούν τα συνηθισμένα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά του εμπορίου. Αν τοποθετηθούν άμορφα φωτοβολταϊκά, απαιτείται περίπου διπλάσια επιφάνεια. Εξάλλου, βασική προϋπόθεση αποτελεί ο χώρος που θα τοποθετηθεί το σύστημα να είναι κατά το δυνατόν 100% ασκίαστος καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας. Σε διαφορετική περίπτωση, το σύστημα θα λειτουργεί με μικρότερη απόδοση.

Φωτοβολταϊκά Συστήματα Εγκατάσταση Η εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών συστημάτων αποτελείται από.: τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (φωτοβολταϊκή γεννήτρια που ακουμπά σε κάποια μεταλλική βάση στήριξης), και τον αντιστροφέα που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα που παράγουν τα φωτοβολταϊκά σε εναλλασσόμενο της ίδιας ποιότητας με το ρεύμα της ΔΕΗ. Το ρεύμα αυτό περνά από ένα μετρητή και διοχετεύεται στο δίκτυο. Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από: Το υλικό για την ενθυλάκωση των στοιχείων Το ειδικό γυαλί στο εμπρόσθιο μέρος Το ειδικό φύλλο προστασίας στο πίσω μέρος Το πλαίσιο αλουμινίου Το κουτί σύνδεσης

Φωτοβολταϊκά Συστήματα Οι απαραίτητες διαδικασίες για την σύνδεση και την λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος είναι οι ακόλουθες: Επιλογή της εταιρίας που θα μας προμηθεύσει με τον κατάλληλο εξοπλισμό και θα αναλάβει την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Αίτηση κατάρτισης της Σύμβασης Σύνδεσης στην τοπική μονάδα της ΔΕΗ Υπογραφή της Σύμβασης Σύνδεσης και καταβολή της σχετικής δαπάνης στην τοπική μονάδα της ΔΕΗ. Η ΔΕΗ κατασκευάζει τα έργα σύνδεσης εντός 20 ημερών από την υπογραφή της σύμβασης σύνδεσης εφόσον δεν απαιτούνται νέα έργα Δικτύου (πέραν της εγκατάστασης νέου μετρητή). Αίτηση κατάρτισης Σύμβασης Συμψηφισμού στην τοπική μονάδα της ΔΕΗ. Υπογραφή της Σύμβασης Συμψηφισμού. Η Σύμβαση υπογράφεται εντός 15 ημερών από την παραλαβή του αιτήματος Αίτηση ενεργοποίησης της σύνδεσης στην τοπική μονάδα της ΔΕΗ. Πρέπει να έχει εγκατασταθεί το φωτοβολταϊκό σύστημα και να έχουν ολοκληρωθεί τα έργα σύνδεσης. Με τηλεφωνικό ραντεβού ορίζεται ημερομηνία διενέργειας ελέγχου της εγκατάστασης. Ενεργοποιείται η σύνδεση από τη ΔΕΗ. Γίνεται αμέσως μετά από την επιτυχή ολοκλήρωση του ελέγχου.

Φωτοβολταϊκά Συστήματα ΚΟΣΤΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝA kW Όλα τα κόστη συμπεριλαμβάνονται στο λεγόμενο κόστος ανά εγκατεστημένο kW που είναι περίπου τα 5.000 € ανά kW (και με καλή έρευνα αγοράς μπορεί να περιοριστεί στα 4.000 € ανά kW). Σε έναν συνηθισμένο τύπο ταράτσας 100 τ.μ. μπορεί να εγκατασταθεί άνετα ένα σύστημα 5-7 kW τεχνολογίας Το κόστος μπορεί να περιοριστεί κάτω από τα 25.000- 35.000 € (5.000€/kw) και η απόσβεση συναρτάται με την τιμή αποζημίωσης της παραγόμενης μονάδας ενέργειας (0,55 €/ kWh) και την παραγόμενη ενέργεια (1 kW παράγει κατά μ.ο. 1.300 kWh/ ετησίως). 5 Kw * 1300 kwh* 0,55 €/kwh = 3.575 € έσοδα/ετησίως Από αυτά αφαιρούνται περί τα 1.500 € αποπληρωμή δάνειου και συντήρηση του εξοπλισμού. Οπότε, καθαρά έσοδα 2.100 €/ ετησίως, που σημαίνει απόσβεση των δικών του χρημάτων σε 5-6 χρόνια. Από την άλλη ένα μέσο νοικοκυριό (με ηλεκτρικές συσκευές και φωτισμό) καταναλώνει μ.ο. 5.000 kWh/ετησίως. 5.000 kwh* 0,12 €/kwh= 600 € κόστος/ετησίως. Που σημαίνει για το σχολείο μας ότι αν εγκαταστήσουμε στη ταράτσα του σχολείου 10 kW (που είναι και το όριο) το κόστος θα είναι περίπου 45.000 €. Με την παραγωγή ρεύματος κάθε μέρα θα μπορέσουμε αποσβέσουμε το ποσό των 45.000 € σε 12,5 χρόνια χωρίς τα έξοδα της συντήρησης.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Η πρώτη επαφή του ανθρώπου με το φωτοβολταϊκό έγινε το 1839 όταν ο Γάλλος φυσικός Edmond Becquerel (1820 - 1891) ανακάλυψε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο κατά την διάρκεια πειραμάτων του με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε το 1876 όταν ο Adams (1836 - 1915) και ο φοιτητής του Day παρατήρησαν ότι μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φως. Το 1918 ο Πολωνός Czochralski (1885 - 1953) πρόσθεσε την μέθοδο παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si) με την σχετική έρευνα του και η οποία μάλιστα χρησιμοποιείται βελτιστοποιημένη ακόμα και σήμερα. Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε επίσης το 1949 όταν οι Mott και Schottky ανέπτυξαν την θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Το πρώτο ηλιακό κελί ήταν γεγονός στα εργαστήρια της Bell το 1954 από τους Chapin, Fuller και Pearson. Τέσσερα χρόνια μετά, το 1958 η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συστημάτων προσαρτάται στον χώρο των διαστημικών εφαρμογών όταν τοποθετήθηκε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα στον δορυφόρο Vanguard I . Το σύστημα αυτό λειτούργησε επιτυχώς για 8 ολόκληρα χρόνια και ήταν ένα από τα πρώτα φωτοβολταϊκά συστήματα. Το 1962 η μεγαλύτερη φωτοβολταϊκών εγκατάσταση στον κόσμο γίνεται στην Ιαπωνία από την Sharp, σε έναν φάρο. Η εγκατεστημένη ισχύς του συστήματος είναι 242Wp. Πλέον Κυριότερος πελάτης των φωτοβολταϊκών τις δεκαετίες που ακολούθησαν είναι η NASA. Η πρώτη εγκατάσταση φωτοβολταικών που φτάνει στα επίπεδα του 1MW (μεγαβατ) γίνεται στην Καλιφόρνια το 1980 από την ARCO Solar χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα και σύστημα παρακολούθησης της τροχιάς του ηλίου 2 αξόνων. Το 1999 η εταιρία Spectrolab σε συνεργασία με το NREL αναπτύσσουν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο με απόδοση 32,3%!!!. Το στοιχείο αυτό είναι συνδυασμός τριών υλικών (στρώσεων) και ειδικό για εφαρμογές σε συγκεντρωτικά συστήματα. Σήμερα με οικονομίες μεγάλης κλίμακας έχουν επιτευχθεί μεγάλες αποδόσεις στα κρυσταλλικά κυρίως υλικά και αρκετές χώρες με πρωτοπόρες την Γερμανία και την Ιαπωνία έχουν ήδη επενδύσει τεράστια κονδύλια με σκοπό την ευρύτερη εκμετάλλευση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας.

ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Είναι ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Η ενέργεια αυτή χαρακτηρίζεται "ήπια μορφή ενέργειας" και περιλαμβάνεται στις "καθαρές" πηγές, όπως συνηθίζονται να λέγονται οι πηγές ενέργειας που δεν εκπέμπουν ή δεν προκαλούν ρύπους. Η αιολική ενέργεια δημιουργείται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία, γιατί η ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της γης προκαλεί τη μετακίνηση μεγάλων μαζών αέρα από τη μια περιοχή στην άλλη, δημιουργώντας έτσι τους ανέμους..

ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ: Η συστηματική εκμετάλλευση του πολύ αξιόλογου αιολικού δυναμικού της χώρας μας θα συμβάλει: στην αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ταυτόχρονη εξοικονόμηση σημαντικών ποσοτήτων συμβατικών καυσίμων, που συνεπάγεται συναλλαγματικά οφέλη σε σημαντικό περιορισμό της ρύπανσης του περιβάλλοντος στη δημιουργία πολλών νέων θέσεων εργασίας, αφού εκτιμάται ότι για κάθε νέο Μεγαβάτ αιολικής ενέργειας δημιουργούνται 14 νέες θέσεις εργασίας.

ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Οι ανεμογεννήτριες μπορεί να προκαλέσουν τραυματισμούς ή θανατώσεις πουλιών, κυρίως αποδημητικών γιατί τα ενδημικά «συνηθίζουν» την παρουσία των μηχανών και τις αποφεύγουν. Επίσης ένα σημαντικό μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας είναι ότι εξαρτάται άμεσα από την ύπαρξη ικανοποιητικών ταχυτήτων ανέμου. Τι γίνεται όμως όταν δεν φυσάει άνεμος; Επειδή δεν υπάρχουν δυνατότητες για οικονομική αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, επιβάλλεται να υπάρχει εφεδρεία συμβατικών σταθμών για το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος των ανεμογεννητριών.

ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ: Που μπορεί να εγκατασταθεί μια μικρή ανεμογεννήτρια 50 kW; Σχετικά με την τοποθεσία εγκατάστασης μιας μικρής ανεμογεννήτριας απαραίτητη προϋπόθεση είναι φυσικά η ύπαρξη ανεκτού αιολικού δυναμικού. Άλλες εξίσου σημαντικές προϋποθέσεις είναι η ύπαρξη δικτύου σε κοντινή απόσταση και η δυνατότητα πρόσβασης ενώ συνιστάται η αποφυγή μεγάλων εμποδίων στον χώρο εγκατάστασης, όπως ψηλά κτίρια ή δέντρα. Πόσο χώρο απαιτεί η εγκατάστασή της; Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ακόμα και για τις μικρές ανεμογεννήτριες με τις μεγαλύτερες διαστάσεις οι απαιτήσεις για δέσμευση χώρου είναι ελάχιστες, καθώς ο απαραίτητος χώρος είναι μόλις αυτός που χρειάζεται από το συνεργείο για την εγκατάσταση Τι περιορισμοί υπάρχουν; Είναι προτεινόμενο η εγκατάσταση να μη γίνεται σε απόσταση μικρότερη των 35 μέτρων από πολυσύχναστους δρόμους (κυρίως για λόγους ασφαλείας), όπως και σε απόσταση μικρότερη των 150 μέτρων από την κοντινότερη κατοικημένη οικία (κυρίως για λόγους οπτικής / ακουστικής όχλησης σε μικρότερες αποστάσεις). Πόσο πρέπει να φυσάει; Ο καθορισμός του ανεκτού δυναμικού για την εγκατάσταση μιας ανεμογεννήτριας εξαρτάται από το μέγεθος της και την τεχνολογία της

ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΠΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ: Σημαντικό ρόλο παίζει ο τόπος εγκατάστασης των ανεμογεννητριών. Η ύπαρξη ανωμαλιών του εδάφους, κτιρίων, δέντρων ή εμποδίων γενικά μπορεί να δημιουργήσει στροβιλισμούς και να μειώσει την αποδοτικότητα. Πριν την επιλογή της περιοχής απαιτείται μελέτη στατιστικών μετεωρολογικών δεδομένων για τις κατευθύνσεις των κυρίαρχων ανέμων για περίοδο ενός χρόνου. ΚΟΣΤΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ: Για την εγκατάσταση μικρής ανεμογεννήτριας 2,7 kW με δύο έτη δωρεάν συντήρησης χρειάζονται 14.000€. Για μία αντίστοιχη 3,6 kW χρειάζονται 17.100€.

ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Το σχολείο μας δεν γίνεται να τοποθετήσει ανεμογεννήτριες στον προαύλιο χώρο είτε στην στέγη διότι: Δεν διαθέτει καλό αιολικό δυναμικό καθώς υπάρχουν πολλά κτίρια και δέντρα τριγύρω και καθώς ο μέσος όρος της έντασης των ανέμων όπως υπολογίζεται από την ΕΜΥ είναι 6,06 m/s,μικρότερη δηλαδή των 15 m/s και άνω που θεωρείται εκμεταλλεύσιμη, Θα ενοχλούνται οι γείτονες και Μπορεί να οδηγήσει στον θάνατο πολλών πουλιών. Το χρηματικό ποσό που πρέπει να καταβληθεί δεν μπορεί να διατεθεί από το σχολείο

Και τώρα λίγη.. ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Και τώρα λίγη.. ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

Ήλιος Ο ήλιος είναι μια τεράστια πύρινη σφαίρα η οποία αποτελείται από αέρια κυρίαρχα των οποίων είναι το υδρογόνο και το ήλιο. Οι θερμοκρασίες που επικρατούνε είναι τόσο μεγάλες ώστε να εξαερώνονται ακόμα και τα μέταλλα. Η ηλικία του είναι περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια και θα συνεχίσει να ζει για άλλα τόσα!

Η ενέργεια του Ήλιου Έχει προσδιοριστεί πως σε κάθε δευτερόλεπτο ο Ήλιος εκπέμπει τόση ενέργεια όση θα έδινε μια έκρηξη 4 δισεκατομμυρίων βομβών υδρογόνου των 100 μεγατόνων η κάθε μία. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω κάθε δευτερόλεπτο περίπου 655 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου από τη μάζα του ήλιου μετατρέπονται σε 650 εκατομμύρια τόνους ηλίου που συνεχίζουν να αποτελούν μάζα του Ήλιου. Από τη διαφορά αυτή 4,6 εκατομμύρια τόνοι μετατρέπονται σε ενέργεια.

Ο πυρήνας του Ήλιου και οι αντιδράσεις στο εσωτερικό του Ο πυρήνας δηλαδή των άστρων αποτελείται από μίγμα ελεύθερων πυρήνων και ελεύθερων ηλεκτρονίων. Και επειδή το υδρογόνο(Η) είναι το κύριο συστατικό των άστρων, αυτό σημαίνει πως το αστρικό πλάσμα αποτελείται κυρίως από ελεύθερα πρωτόνια που θα πρέπει να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν το στοιχείο ήλιο(He). Έτσι ο Ήλιος δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας τεράστιος θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας που μετατρέπει το υδρογόνο σε ήλιο. Σε κάθε δευτερόλεπτο μετατρέπει σε ενέργεια 4,6 εκατομμύρια τόνους από τη μάζα του αλλά όντας τόσο τεράστιος όσα δισεκατομμύρια χρόνια και αν περάσουν θα χάσει μόλις το ένα εκατοστό της μάζας του!

Φωτοβολταϊκά Συστήματα Τα φωτοβολταϊκά βασίζονται στην άμεση μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια σε ατομικό επίπεδο. Μερικά υλικά παρουσιάζουν μια ιδιότητα γνωστή ως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο που τους προκαλεί να απορροφούν τα φωτόνια του φωτός και να απελευθερώνουν ηλεκτρόνια. Όταν συλλαμβάνονται αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, προκύπτει ένα ηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρική ενέργεια. Ένας αριθμός από φωτοβολταϊκά κύτταρα μπορούν να συνδεθούν και να αποτελέσουν μια φωτοβολταϊκή μονάδα ή ένα πάνελ.

Απόδοση των Φ/Β συστημάτων Ο βαθμός απόδοσης εκφράζει το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Τα πρώτα φωτοβολταϊκά συστήματα που σχεδιάστηκαν τον 19ο αιώνα είχαν παρά 1-2% απόδοση. Αργότερα, με την δημιουργία Φ/Β στοιχείων πυριτίου η απόδοση ανέβηκε στο 6%, ποσοστό ακόμα σχετικά χαμηλό. Σήμερα ο βαθμός απόδοσής τους έχει αγγίξει το 13-19%. Ωστόσο τα Φ/Β συστήματα πρέπει να καταλαμβάνουν μεγάλη επιφάνεια προκειμένου να αποδώσει την επιθυμητή ηλεκτρική ισχύ. Η απόδοσή τους μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με την τοποθέτηση των Φ/Β σε ηλιοστάτη.

Απόδοση Φ/Β συστημάτων στον ελλαδικό χώρο Οι προϋποθέσεις αξιοποίησης των Φ/Β συστημάτων στην Ελλάδα είναι από τις καλύτερες στην Ευρώπη, αφού η συνολική ενέργεια που δέχεται κάθε τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας στην διάρκεια ενός έτους κυμαίνεται από 1400-1800 kWh.

Φωτόνια, Ηλεκτρόνια και Οπές Το ηλιακό φως αποτελείται από φωτόνια, τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως "πακέτα" της ενέργειας (το ποσό της ενέργειας σε ένα φωτόνιο είναι ανάλογο με τη συχνότητα του φωτός του). Όταν τα φωτόνια χτυπήσουν ένα ηλιακό κύτταρο, η συντριπτική πλειοψηφία είτε αντανακλάται είτε απορροφάται. Όταν ένα φωτόνιο απορροφάται, η ενέργεια του μεταφέρεται στον ημιαγωγό - ιδίως, σε ένα ηλεκτρόνιο ενός ατόμου του κυττάρου. Εάν μεταφερθεί αρκετή ενέργεια, το ηλεκτρόνιο μπορεί να δραπετεύσει από την κανονική του θέση. Κατά τη διαδικασία αυτή, δημιουργείται μια οπή στη θέση που βρισκόταν το ηλεκτρόνιο. Κάθε φωτόνιο με αρκετή ενέργεια θα ελευθερώσει κανονικά ακριβώς ένα ηλεκτρόνιο, και μια οπή. Αξίζει να σημειωθεί ότι και τα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι κινητές, και ως τέτοια μπορεί να είναι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος.

Φωτοβολταϊκά Κύτταρα Τα απλούστερα φωτοβολταϊκά κύτταρα έχουν 3 ενεργά στρώματα - ένα ανώτερο στρώμα (φτιαγμένο από ημιαγωγό τύπου Ν), ένα στρώμα απορρόφησης (τύπου PN), και ένα πίσω στρώμα φτιαγμένο από ημιαγωγό (τύπου Ρ). Χάρη στην επαφή PN, το κύτταρο έχει το δικό του ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο παρέχει την τάση που απαιτείται για να αναγκάσει τα ηλεκτρόνια και τις τρύπες που ελευθερώνονται από την απορρόφηση του φωτός να κινηθούν προς τις δικές τους κατευθύνσεις (τα ηλεκτρόνια προς την πλευρά τύπου Ν, και τις τρύπες προς την πλευρά τύπου Ρ). Εάν παρέχουμε μία εξωτερική αγώγιμη διαδρομή, τα ηλεκτρόνια θα εισρεύσουν μέσω αυτής της διαδρομής στην αρχική (τύπου Ρ) πλευρά τους για να ενωθούν με τις οπές που έστειλε εκεί το ηλεκτρικό πεδίο. Η ροή ηλεκτρονίων παρέχει το ρεύμα, και το ηλεκτρικό πεδίο του κυττάρου δημιουργεί την απαιτούμενη τάση.

Φωτοβολταϊκά Κύτταρα Απαιτούνται δύο πρόσθετα στρώματα στο κύτταρο για να μπορεί το ρεύμα να κινείται από και προς το κύτταρο. Το ηλεκτρικό στρώμα επαφής στο μέρος του κυττάρου από όπου το φως εισέρχεται έχει τη μορφή ενός πλέγματος από μέταλλο. Το σχέδιο πλέγματος δεν πρέπει να καλύπτει όλη την επιφάνεια του κυττάρου για να μη παρεμποδίζεται το φως. Η πίσω επιφάνεια μπορεί να καλύπτεται ολόκληρη. Πρόσθετα απαιτείται μια επίστρωση της επιφάνειας που θα αποτρέπει την ανάκλαση και επομένως την απώλεια της φωτεινής ενέργειας καθώς και κάποιο άλλο κάλυμμα για την προστασία του κυττάρου από μηχανικές κακώσεις.

Πολυστρωμάτωση Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται περισσότερο σήμερα, χρησιμοποιούν ένα φιλέτο ημιαγωγών προκειμένου να δημιουργηθεί το απαιτούμενο ηλεκτρικό πεδίο σε μια κυψέλη. Σε αυτή την περίπτωση όμως αξιοποιούνται μόνο τα φωτόνια που έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από την οριακή ενέργεια που είναι χαρακτηριστική του απορροφώντος υλικού. Με αυτό τον τρόπο μένουν αναξιοποίητα φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας. Προκειμένου να ξεπεραστεί αυτή η δυσκολία χρησιμοποιούνται σε κατάλληλη στρωμάτωση δύο ή περισσότερα φωτοβολταϊκά κύτταρα με διαφορετική τιμή οριακής ενέργειας (multijunction). Η κορυφή των κυττάρων συλλαμβάνει υψηλής ενέργειας φωτόνια και περνάει το υπόλοιπο των φωτονίων για να απορροφηθεί από τις χαμηλότερες ζώνες. Με αυτό τον τρόπο μεγαλώνει η απόδοση του φωτοβολταϊκού. Ένα μεγάλο μέρος της έρευνας σήμερα στα multijunction κύτταρα επικεντρώνεται στο αρσενικούχο γάλλιο ως ένα (ή όλα) από τα κύτταρα του συστατικού. Τέτοια κύτταρα έχουν φθάσει σε αποδόσεις της τάξης του 35% υπό συγκεντρωμένη ηλιακή ακτινοβολία.

Στην εργασία συμμετείχαν οι : A’ Ομάδα Κερμελίδης Θεόδωρος Σκαραφίγκας Κων/νος Τσουμπανάκης Κων/νος Φακίρης Κων/νος B’ Ομάδα Ντόνας Θεόδωρος Ρούστας Βασίλης Τσιόγκας Σπύρος Χαλκίδης Κων/νος Γ’ Ομάδα Καραδένδρος Κων/νος Νταής Βασίλης Παπακώστας Νίκος Χουλιάρας Θανάσης Κλεισιάρης Κων/νος Δ’ Ομάδα Καρασίμου Στέλλα Κριστάκη Ελευθερία Σάντο Μαρινέλα Φωτίου Δέσποινα Υπεύθυνοι καθηγητές: Γαργάλας Κων/νος Ζάχος Κων/νος