ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Παρουσίαση με θέμα: "ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΠΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

2 Αγωγοί – Μονωτές - Ημιαγωγοί
Δομή του Ατόμου Η ύλη αποτελείται από ενώσεις ατόμων, δημιουργώντας τις πολυάριθμες χημικές ενώσεις. Τα άτομα έχουν ένα κεντρικό πυρήνα που αποτελείται από νετρόνια και πρωτόνια και γύρω απ' αυτόν κατανέμονται τα ηλεκτρόνια σε στιβάδες (Επιτρεπόμενες Ενεργειακές Στάθμες). Τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, που τα φορτία τους είναι ίσα κατά απόλυτη τιμή. Τα νετρόνια είναι ουδέτερα ή δεν έχουν φορτίο. Αφού το άτομο είναι ουδέτερο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων του είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων του. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

3 Αγωγοί – Μονωτές - Ημιαγωγοί
Στους αγωγούς, εν αντιθέσει με τους μονωτές, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην εξωτερική στιβάδα (που ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους), είναι χαλαρά συνδεμένα με τον πυρήνα και έτσι μπορούν να διαφεύγουν περιφερόμενα μέσα στο σώμα του αγωγού. Χάρη σ' αυτό το φαινόμενο οφείλεται η διέλευση ηλεκτρικών φορτίων, δηλαδή η αγωγιμότητα των αγωγών. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται εύκολα από το ένα άτομο στο άλλο και έτσι μπορούν να κινηθούν στον αγωγό με ελάχιστη διαφορά δυναμικού. Η συμπεριφορά των ημιαγωγών παρουσιάζει ιδιαιτερότητα καθώς η αγωγιμότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τη διαφορά δυναμικού. Η Ειδική Αντίσταση καθορίζει τη συμπεριφορά των υλικών ως προς την αγωγιμότητα τους: Μονωτές: Ειδική Αντίσταση ~ 1011 Ωhm Αγωγοί: Ειδική Αντίσταση ~ 10-8 Ωhm Ημιαγωγοί: Ειδική Αντίσταση ~ (10-6 έως 106) Ωhm Οι ειδικές αντιστάσεις των αγωγών και των μονωτών πρακτικά δε μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία σε αντίθεση με τους ημιαγωγούς στους οποίους η ειδική αντίσταση μεταβάλλεται σημαντικά Φωτοβολταϊκά Συστήματα

4 Μοντέλο ενεργειακών ζωνών
Μονωτής Ενεργειακό χάσμα Ενεργειακό χάσμα Αγωγός Ημιαγωγός Ζώνη αγωγιμότητας Φωτοβολταϊκά Συστήματα

5 Μοντέλο ενεργειακών ζωνών
Μονωτής Ενεργειακό χάσμα Ενεργειακό χάσμα Αγωγός Ημιαγωγός Ζώνη σθένους Φωτοβολταϊκά Συστήματα

6 Μοντέλο ενεργειακών ζωνών
Η κίνηση των ηλεκτρονίων εντός ενός ημιαγωγού πραγματοποιείται όταν εφαρμοστεί κατάλληλη διαφορά δυναμικού (ίση ή μεγαλύτερη του ενεργειακού χάσματος / φορτίο ηλεκτρονίου) Ενεργειακό χάσμα Ημιαγωγός Φωτοβολταϊκά Συστήματα

7 Μοντέλο ενεργειακών ζωνών
Αγωγός Ημιαγωγός Μονωτής Φωτοβολταϊκά Συστήματα

8 Ημιαγωγοί Το γερμάνιο (Ge) και το πυρίτιο (Si) έχουν στο άτομο τους τέσσερα ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους (εξωτερική στιβάδα) και είναι δυο παραδείγματα ημιαγωγών, όπως λέγονται, δηλαδή υλικών που δεν είναι ούτε αγωγοί αλλά ούτε μονωτές. Όταν τα άτομα πυριτίου συνδυάζονται για να σχηματίσουν στερεό, διατάσσονται αυτόματα, σε μια κανονική δομή που λέγεται κρύσταλλος. Σ' αυτή τη δομή, κάθε ένα ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στοιβάδας του ατόμου συνδέεται με ένα ηλεκτρόνιο από τα γειτονικά άτομα, σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς. Έτσι μ' αυτό τον τρόπο, το άτομο του πυριτίου καταφέρνει να συμπληρώσει την εξωτερική στοιβάδα με οκτώ ηλεκτρόνια, αποκτώντας χημική ευστάθεια. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

9 Ημιαγωγοί Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, τα άτομα των κρυστάλλων εκτελούν τυχαίες ταλαντώσεις γύρω από τη θέση ισορροπίας τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τόσο μεγαλύτερο γίνεται το πλάτος αυτών των ταλαντώσεων. Έτσι ορισμένοι ομοιοπολικοί δεσμοί με θερμική διέγερση σπάζουν και το αποδεσμευμένο ηλεκτρόνιο αποκτά επιπλέον ενέργεια ώστε να γίνει ελεύθερο και να κινείται εύκολα στον κρύσταλλο. Η απομάκρυνση του ηλεκτρονίου αφήνει ένα κενό στη στιβάδα σθένους που λέγεται οπή. Αυτή η οπή συμπεριφέρεται σαν θετικό φορτίο, με την έννοια ότι μπορεί να έλκει και να συλλαμβάνει κάθε ηλεκτρόνιο σθένους που βρίσκεται σε γειτονικό άτομο, δημιουργώντας οπή σ' αυτό. Έτσι η οπή καταφέρνει να κινείται στο σώμα του ημιαγωγού, και η κίνηση της θα διακοπεί όταν «επανασυνδεθεί» με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και αλληλοεξουδετερωθούν. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

10 Ενδογενείς Ημιαγωγοί Σε πολύ χαμηλή ενεργειακή κατάσταση (Τ = 0K) κάθε άτομο Si συνδέεται με άλλα 4 μέσω των 4 ηλεκτρονίων σθένους (Μονωτής). Με την απορρόφηση ενέργειας απελευθερώνονται κάποια ηλεκτρόνια και αποκτά αγωγιμότητα. Η προσφερόμενη ενέργεια για μια τέτοια διαδικασία μπορεί να είναι είτε θερμική είτε φωτεινή. Ανάλογα με το είδος του ημιαγωγού και τη θερμοκρασία πραγματοποιούνται συχνές επανενώσεις δεσμών εντός του υλικού Φωτοβολταϊκά Συστήματα

11 Βασική Κατάσταση του Ημιαγωγού
Ενδογενείς Ημιαγωγοί Βασική Κατάσταση του Ημιαγωγού Φωτοβολταϊκά Συστήματα

12 n = p = N∙exp[-(Eg/2∙K∙T)]
Ενδογενείς Ημιαγωγοί Αν στα ηλεκτρόνια σθένους προσφερθεί ενέργεια (π.χ. φωτόνια με ενέργεια hν) ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα, τότε διεγείρονται και μεταπηδούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Όταν η προσφερόμενη ενέργεια είναι μεγαλύτερη τότε Ek = hν-Εg, τότε μεταφέρεται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινητική ενέργεια η οποία γίνεται αντιληπτή ως θερμότητα (Αύξηση θερμοκρασίας του ημιαγωγού) Η συγκέντρωση των οπών και ελευθέρων ηλεκτρονίων σε έναν ημιαγωγό είναι ίσες μεταξύ τους: n = p = N∙exp[-(Eg/2∙K∙T)] Φωτοβολταϊκά Συστήματα

13 Εξωγενείς Ημιαγωγοί Οι ενδογενείς ημιαγωγοί έχουν ίσες συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών, γι' αυτό το λόγο οι εφαρμογές τους είναι περιορισμένες για το λόγο ότι η αντίσταση τους μεταβάλλεται πολύ έντονα όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία ή όταν φωτίζονται. Αν σε έναν ενδογενή ημιαγωγό προστεθεί μια πολύ μικρή ποσότητα ενός στοιχείου της τρίτης ή της πέμπτης ομάδας του περιοδικού πίνακα, ο ημιαγωγός αποκτά προσμίξεις. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

14 Ημιαγωγοί Τύπου Ν Οι ημιαγωγοί τύπου Ν δημιουργούνται όταν σε ένα ημιαγωγό όπως το πυρίτιο ή το γερμάνιο προστεθεί πολύ μικρή ποσότητα ενός στοιχείου της πέμπτης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Τα στοιχεία που συνήθως χρησιμοποιούνται ως προσμίξεις είναι το αρσενικό (As), ο φωσφόρος (P) και το αντιμόνιο (Sb) ενώ η ποσότητα που απαιτείται είναι της τάξης μερικών μερών στο εκατομμύριο, δηλαδή σε κάθε ένα εκατομμύριο άτομα πυριτίου ή γερμανίου υπάρχουν μερικά άτομα αρσενικού ή φωσφόρου. Τα άτομα της πρόσμιξης ενσωματώνονται στην κρυσταλλική δομή του ημιαγωγού, καταλαμβάνουν θέσεις των ατόμων του και σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα γειτονικά άτομα. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

15 Ημιαγωγοί Τύπου Ν Στη συνέχεια το άτομο της πρόσμιξης ιονίζεται και αποκτά θετικό φορτίο. Επειδή η απομάκρυνση του ηλεκτρονίου από το δότη είναι πολύ πιο εύκολη από ότι από ένα άτομο του ημιαγωγού, έχουμε ελεύθερα ηλεκτρόνια από τον δότη, ενώ ο «δανεισμός» ενός ηλεκτρονίου από κάποιο γειτονικό άτομο θα είναι δύσκολος και έτσι έχουμε ελάχιστες οπές. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το θετικό φορτίο να παραμένει ακίνητο στο δότη και στον ημιαγωγό να κινούνται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Έτσι η προσθήκη δοτών έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια και πολύ λίγες οπές στον ημιαγωγό. Συνεπώς σε ένα ημιαγωγό τύπου Ν το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρεται κυρίως από ένα είδος φορτίου, τα ηλεκτρόνια, τα οποία ονομάζονται και φορείς πλειονότητας ή πλειοψηφίας. Αντίθετα οι οπές στους ημιαγωγούς τύπου Ν ονομάζονται φορείς μειονότητας ή μειοψηφίας. Τέλος η αύξηση της συγκέντρωσης των δοτών σε ένα ημιαγωγό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της συγκέντρωσης των ηλεκτρονίων και συνεπώς της αγωγιμότητας του. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

16 Ημιαγωγοί Τύπου P Οι ημιαγωγοί τύπου Ρ δημιουργούνται όταν σε ένα ημιαγωγό όπως, το πυρίτιο ή το γερμάνιο, προστεθεί πολύ μικρή ποσότητα ενός στοιχείου της τρίτης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται συνήθως ως προσμίξεις είναι το βόριο (B), το γάλλιο (Ga) και το ίνδιο (In) ενώ η ποσότητα που απαιτείται είναι, όπως και στους ημιαγωγούς τύπου Ν, της τάξης των μερικών μερών στο εκατομμύριο. Τα άτομα της πρόσμιξης καταλαμβάνουν θέσεις των ατόμων του ημιαγωγού. Επειδή τα άτομα της τρίτης ομάδας του περιοδικού πίνακα έχουν τρία ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους, όταν καταλάβουν μια θέση ενός ατόμου του ημιαγωγού, θα χρησιμοποιήσουν όλα τα ηλεκτρόνια σθένους για το σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών. Έτσι θα παραμείνει ένα γειτονικό άτομο του ημιαγωγού, το οποίο θα απαιτεί ένα ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει την πλήρη δομή των οκτώ ηλεκτρονίων στην εξωτερική στοιβάδα του. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

17 Ημιαγωγοί Τύπου P Στους ημιαγωγούς τύπου Ρ υπάρχουν και ελεύθερα ηλεκτρόνια, των οποίων όμως η συγκέντρωση είναι πολύ μικρότερη από αυτή των οπών. Έτσι η προσθήκη αποδεκτών έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν πολλές οπές και πολύ λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια στον ημιαγωγό. Σε ένα ημιαγωγό τύπου Ρ οι φορείς πλειονότητας είναι οπές, ενώ οι φορείς μειονότητας τα ηλεκτρόνια. Τέλος, η αύξηση της συγκέντρωσης των αποδεκτών σε ένα ημιαγωγό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της συγκέντρωσης των οπών και συνεπώς της αγωγιμότητας του. Στους εξωγενείς ημιαγωγούς η τιμή της ειδικής αντίστασης είναι σταθερή σε μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών, εν αντιθέσει με τους ενδογενείς ημιαγωγούς που δεν είναι σταθερή. Αυτό προκύπτει από την ευκολία με την οποία παρέχουν φορείς οι δότες ή αποδέκτες σε ημιαγωγό τύπου Ν ή τύπου Ρ αντίστοιχα. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

18 Εξωγενείς Ημιαγωγοί Σε έναν ημιαγωγό γενικά το άθροισμά των ηλεκτρικών φορτίων είναι μηδέν, δηλαδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερος Φωτοβολταϊκά Συστήματα

19 Η Επαφή PΝ Οι ημιαγωγοί τύπου Ν έχουν περισσότερους αρνητικούς φορείς, δηλαδή έχουν περίσσεια ηλεκτρονίων και για το λόγο αυτό ονομάζονται τύπου Ν. Αντιθέτως οι ημιαγωγοί τύπου Ρ έχουν περίσσεια θετικών φορτίων ή οπών. Οι οπές είναι έλλειψη ηλεκτρονίων. Όταν ένα μικρό κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ν έλθει σ' επαφή με κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ρ, τότε δημιουργείται μια ένωση ΡΝ ή επαφή ΡΝ. Το σημείο της ένωσης παρίσταται με μια κάθετη διακεκομμένη γραμμή. Το τμήμα τύπου Ν αποτελείται από θετικά ιόντα πεντασθενούς στοιχείου και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Υπάρχει επίσης μικρός αριθμός οπών. Στο τμήμα τύπου Ρ υπάρχουν αρνητικά ιόντα τρισθενούς στοιχείου, αρκετές οπές και μικρός αριθμός ηλεκτρονίων. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

20 Η Επαφή PΝ Την στιγμή της δημιουργίας της επαφής ΡΝ, τα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό τύπου Ν που ευρίσκονται κοντά στο σημείο της ένωσης θα κινηθούν προς τον ημιαγωγό τύπου Ρ με σκοπό να επανασυνδεθούν με τις οπές που υπάρχουν εκεί. Έτσι δημιουργείται επανασύνδεση οπών και ηλεκτρονίων στα δυο τμήματα και έτσι δεξιά και αριστερά του σημείου επαφής και στο μεν ημιαγωγό τύπου Ν δημιουργείται ένα τμήμα με θετικά μόνο ιόντα χωρίς ηλεκτρόνια, στο δε ημιαγωγό τύπου Ρ δημιουργείται ένα τμήμα με αρνητικά μόνο ιόντα, χωρίς οπές. Αυτά τα δυο τμήματα είναι «απογυμνωμένα» από τους φορείς τους και αποτελούν μαζί την περιοχή απογύμνωσης. Έξω από την περιοχή απογύμνωσης η δομή των ημιαγωγών δεν έχει αλλάξει και αποτελείται από ιόντα και φορείς. Αυτό συμβαίνει διότι για να μπορέσει ένα ηλεκτρόνιο να επανασυνδεθεί με μια οπή ή αντίστροφα, πρέπει να υπερπηδήσει την περιοχή απογύμνωσης, η οποία όμως με τη συγκέντρωση των ιόντων σ' αυτήν, αποτελεί ένα εμπόδιο και δημιουργεί ένα φραγμό δυναμικού. Το δυναμικό φραγμού παριστάνεται με VO και είναι μια διαφορά δυναμικού που η πολικότητα της αντιτίθεται στη διάχυση των φορέων. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

21 Η Επαφή PΝ Η επαφή ΡΝ που δημιουργήθηκε με τον πιο πάνω τρόπο λέγεται δίοδος ΡΝ διότι αφήνει να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα από αυτήν μόνο προς μια κατεύθυνση. Για να δημιουργηθεί μια δίοδος ΡΝ, συνδέονται τα άκρα των δυο ημιαγωγικών τμημάτων τύπου Ρ και Ν με μεταλλικές επαφές και έτσι δημιουργείται η άνοδος της διόδου από την πλευρά του ημιαγωγού Ρ και η κάθοδος της διόδου στην πλευρά Ν. Η δίοδος ΡΝ συμβολίζεται με ένα βέλος στην πλευρά Ρ και μια γραμμή στην πλευρά Ν. Ο συμβολισμός αυτός, όπως θα δούμε στη συνέχεια, είναι καθοριστικός στη δημιουργία του ηλεκτρικού ανάλογου ηλεκτρικού κυκλώματος στο φωτοβολταϊκό. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

22 Η Επαφή PΝ Ο συνδυασμός n-τύπου και p-τύπου ημιαγωγών σε μια επαφή p-n έχει ως αποτέλεσμα τον συνδυασμό των διαφορετικών ενεργειακών ζωνών σε μια νέα κατανομή και τη δημιουργία ενός ηλεκτρικού πεδίου Φωτοβολταϊκά Συστήματα

23 Χαρακτηριστική Καμπύλη της Επαφής PΝ
Κατά την ορθή πόλωση της επαφής με την αύξηση της τάσης θα υπάρχει κατ΄ αρχήν ένα μικρό ρεύμα και μετά την τάση γόνατος Vγ μια μεγάλη αύξηση του ρεύματος. Αντίθετα, κατά την ανάστροφη φορά θα υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα, σχεδόν σταθερό, το οποίο θα αυξήσει ελάχιστα την τιμή του μέχρις ότου η τάση θα φθάσει μια ορισμένη τιμή, που καλείται τάση διάσπασης ή Zener, όποτε το ρεύμα αυξάνεται απότομα. Συνεπώς υπάρχουν τρεις περιοχές στη χαρακτηριστική καμπύλη I-V μιας επαφής: η περιοχή ορθής πόλωσης, η περιοχή ανάστροφης πόλωσης και η περιοχή διάσπασης. Η ηλεκτρική συμπεριφορά της επαφής PN όπως θα διαπιστώσουμε είναι ταυτόσημη με αυτή ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

24 Χαρακτηριστική Καμπύλη της Επαφής PΝ
Φωτοβολταϊκά Συστήματα

25 Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο
Σε μια επαφή p-n, σε κατάσταση ισορροπίας επικρατεί το ηλεκτροστατικό πεδίο της επαφής. Με την πρόσπτωση φωτονίων διεγείρονται ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας και δημιουργείται, όσο διαρκεί η ακτινοβόληση, μια περίσσεια από ζεύγη φορέων (+) και (-). Από το σύνολο των φωτονίων, μέρος αυτών ανακλάται χωρίς να εισέλθει στην διάταξη, άλλο ένα μέρος με ενέργεια μικρότερη του ενεργειακού χάσματος φτάνουν στην πίσω όψη και προκαλούν θερμικά αποτελέσματα. Τα φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη του ενεργειακού χάσματος προσδίδουν την περίσσεια ενέργεια στο ελεύθερο ηλεκτρόνιο και αυξάνουν τη θερμοκρασία του υλικού. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

26 Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο
Οι ελεύθεροι φορείς κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις λόγω της παρουσίας του ηλεκτροστατικού πεδίου στην περιοχή της επαφής. Τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς την επάνω επιφάνεια (n-τύπου ημιαγωγός) και οι οπές κινούνται προς την κάτω επιφάνεια (p-τύπου ημιαγωγός) δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού στους ακροδέκτες. Σε κλειστό εξωτερικό κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια φτάνουν στην πίσω όψη και ενώνονται με τις οπές δημιουργώντας φωτοβολταϊκό ρεύμα. Μέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν φτάνουν στο ηλεκτρόδιο, καθώς επανενώνονται με κάποιες από τις οπές εντός του υλικού. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

27 Το Φωτοβολταϊκό Στοιχείο (PV cell)
Το φωτοβολταϊκό στοιχείο περιλαμβάνει την επαφή p-n, τους ημιαγωγούς προσμίξεων (n-τύπου και p-τύπου), τις ηλεκτρικές επαφές (για τη μεταφορά των φορέων-ηλεκτρονίων), αντιανακλαστικό οπτικό μέσο (anti-reflection film) και τη μεταλλική επαφή (αγωγός) στο πίσω μέρος του στοιχείου. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

28 Η Απορρόφηση της Ηλιακής Ακτινοβολίας στα Φωτοβολταϊκά Στοιχεία
Η Απορρόφηση της Ηλιακής Ακτινοβολίας στα Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Η Ενέργεια ενός φωτονίου συγκεκριμένης συχνότητας (ή μήκους κύματος): Το μέγιστο μήκος κύματος που είναι εκμεταλλεύσιμο για δεδομένο ημιαγωγό (με Ενεργειακό χάσμα Eg): Η ροή φωτονίων (πλήθος/m²): Στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού προσπίπτει μονοχρωματική δέσμη ακτινοβολίας (φωτόνια σταθερής ενέργειας hν) που η έντασή της (ροή) ισούται με H μονάδες ισχύος ανά μονάδα επιφάνειας και ανά μονάδα χρόνου. Αν θεωρήσουμε Φο την αρχική τιμή της ροής των φωτονίων στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού, x την απόσταση που διανύει η ακτινοβολία εντός του ημιαγωγού και Φ(x) την τιμή της ροής στο δεδομένο βάθος (απόσταση) τότε: -dΦ/dx = a∙Φ(x) Η σταθερά α (έχει μονάδες αντίστροφες του μήκους) ονομάζεται συντελεστής απορρόφησης της ακτινοβολίας Φωτοβολταϊκά Συστήματα

29 Η Απορρόφηση της Ηλιακής Ακτινοβολίας στα Φωτοβολταϊκά Στοιχεία
Η Απορρόφηση της Ηλιακής Ακτινοβολίας στα Φωτοβολταϊκά Στοιχεία -dΦ/dx = a∙Φ(x) Η λύση της παραπάνω διαφορικής εξίσωσης μας δίνει τη ροή των φωτονίων εντός του ημιαγωγού για βάθος x: Φ(x) = Φο∙exp(-aχ) Η παραπάνω λύση ονομάζεται και νόμος του BEER. Η μεταβολή αυτής της ροής εκφράζεται ως εξής: -dΦ/dx = a∙Φο∙exp(-ax) Φωτοβολταϊκά Συστήματα

30 Η Δημιουργία του Φωτορεύματος
Στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού προσπίπτει μονοχρωματική δέσμη ακτινοβολίας (φωτόνια Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται την κατάλληλη ακτινοβολία (κατάλληλο μήκος κύματος) μετακινούνται οι φορείς και παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα, το λεγόμενο φωτόρευμα Ιφ. Η τιμή του φωτορεύματος είναι ανάλογη προς τα φωτόνια που απορροφά το φωτοβολταϊκό στοιχείο. Για τον υπολογισμό του φωτορεύματος ορίζουμε την φασματική απόκριση S (εναλλακτικά ορίζεται ως απόδοση συλλογής ή κβαντική απόδοση). Η φασματική απόκριση ορίζεται ως το πλήθος των φορέων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σχέση με τη φωτονική ροή Φ. Για δεδομένο μήκος κύματος έχουμε: Το συνολικό φωτόρευμα υπολογίζεται: Εξαρτάται από τη ροή των φωτονίων και όχι από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας Φωτοβολταϊκά Συστήματα

31 Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά των Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
Για να κατανοηθεί η ηλεκτρική συμπεριφορά των φωτοβολταϊκών στοιχείων, είναι χρήσιμο να δημιουργηθεί ένα πρότυπο το οποίο είναι ηλεκτρικά ισοδύναμο, και βασίζεται σε διακριτά ηλεκτρικά στοιχεία των οποίων η συμπεριφορά είναι γνωστή. Σκοπός τους είναι να περιγράψουν με επαρκή ακρίβεια την καμπύλη I-V (δηλαδή ποια είναι η σχέση που συνδέει το παραγόμενο ρεύμα σε σχέση με τη διαφορά δυναμικού στα άκρα του φωτοβολταϊκού στοιχείο). Ήδη έχουμε μια εκτίμηση ότι ΔΕΝ πρόκειται για ηλεκτρικό στοιχείο με ωμική συμπεριφορά. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι η παραγόμενη ισχύς δεν είναι σταθερή. Πρέπει να καθοριστεί το σημείο μέγιστης ισχύος ανάλογα με τις συνθήκες θερμοκρασίας και έντασης ακτινοβολίας που υπάρχουν και να χρησιμοποιηθούν σε λειτουργία συσκευών ελέγχου και μέτρησης. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

32 Ισοδύναμα Ηλεκτρικά Κυκλώματα Ιδανικό Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα
Το διπλανό ηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα χαρακτηρίζεται ως ιδανικό. Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, θα αποκατασταθεί μια ισορροπία όταν η τάση, που θα αναπτυχθεί ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, θα προκαλεί ένα αντίθετο ρεύμα που θα αντισταθμίζει το φωτόρευμα. Δηλαδή πρέπει να ισχύει η σχέση : όπου Iph το φωτόρευμα, Io το ανάστροφο ρεύμα όρου, q το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο (1.6×10−19C), k η σταθερά Boltzmann (1.38×10−23 J / K ),Τ η απόλυτη θερμοκρασία σε βαθμούς Kelvin και A ένας συντελεστής που ανάλογα με την κατασκευή και την ποιότητα της διόδου παίρνει συνήθως τιμές μεταξύ 1 και 2. Από την παραπάνω σχέση βρίσκουμε ότι η τιμή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος Voc του στοιχείου είναι : Φωτοβολταϊκά Συστήματα

33 Ισοδύναμα Ηλεκτρικά Κυκλώματα Ιδανικό Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα
Κατά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων χωρίς φορτίο, η τιμή του Iph είναι πολύ μεγαλύτερη του Io οπότε η παραπάνω σχέση απλοποιείται στη: Σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, το ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc είναι ίσο με το φωτόρευμα Iph: Κατά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων υπό φορτίο, το ρεύμα φορτίου IL υπολογίζεται από τη λύση της εξίσωσης: Κατά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων στο σημείο μέγιστης ισχύος της καμπύλης I-V η βέλτιστη τάση είναι VL = Vmpp και δίνεται από τη λύση της εξίσωσης: Φωτοβολταϊκά Συστήματα

34 Ισοδύναμα Ηλεκτρικά Κυκλώματα
Ιδανικό Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα: Χαρακτηριστική Καμπύλη Ι-V Η μέγιστη τιμή της ισχύος λαμβάνεται με την κατάλληλη επιλογή της αντίστασης του φορτίου. Σε αντίθεση με άλλες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο η ηλεκτρική ισχύς από το φωτοβολταϊκό εξαρτάται από το φορτίο Φωτοβολταϊκά Συστήματα

35 Ισοδύναμα Ηλεκτρικά Κυκλώματα
Ιδανικό Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα Παράγοντας Πλήρωσης FF Ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος Pmmp προς το γινόμενο της βραχυκυκλωμένης έντασης Isc και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος Voc ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης FF (Fill Factor) Εκφράζει την ορθογωνιότητα της χαρακτηριστικής καμπύλης I-V (ΙΔΑΝΙΚΗ ΔΙΟΔΟΣ) Φωτοβολταϊκά Συστήματα

36 Ισοδύναμα Ηλεκτρικά Κυκλώματα
Αποτελεσματικό Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα Το διπλανό σχήμα απεικονίζει το ισοδύναμο κύκλωμα ως το αποτελεσματικό μοντέλο φωτοβολταϊκού στοιχείου. Περιέχει την αντίσταση Rpv η οποία είναι ο συνδυασμός των Rs και Rsh και δεν είναι ωμική αφού παίρνει είτε θετικές είτε αρνητικές τιμές. Η περιγραφή αυτού του μοντέλου απαιτεί τέσσερις παραμέτρους των φωτοβολταϊκών στοιχείων: την αντίσταση Rpv, τη θερμοκρασία Τ, το ρεύμα I0 και το φωτόρευμα Iph. Η Rpv υπολογίζεται από τη σχέση: Το ρεύμα IL υπολογίζεται μέσω της σχέσης: Οι παράμετροι Iph , Rpv και Α ποικίλουν ανάλογα τη θερμοκρασία και εξαρτώνται από τις ανοχές του κατασκευαστή. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

37 Ισοδύναμα Ηλεκτρικά Κυκλώματα
Αποτελεσματικό Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα Σκοπός του ισοδύναμου κυκλωμάτων, είναι να περιγράψουν με επαρκή ακρίβεια την καμπύλη Ι-V και να δείξουν τη λειτουργία συσκευών ελέγχου και μέτρησης που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα (π.χ. ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος, ΜPPT). Επίσης με την βοήθεια του ισοδύναμου κυκλώματος, μπορεί να καθοριστεί το σημείο μέγιστης ισχύος στο φωτοβολταϊκό, ανάλογα με τις συνθήκες θερμοκρασίας και ακτινοβολίας που επικρατούν. Για να βρούμε αυτό το σημείο αρχικά θα πρέπει να υπολογιστεί η κλίση Μ της χαρακτηριστικής καμπύλης. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

38 Ισοδύναμα Ηλεκτρικά Κυκλώματα
Αποτελεσματικό Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα Εναλλακτικά μπορούμε να υπολογίσουμε την κλίση Μ: Φωτοβολταϊκά Συστήματα

39 Ισοδύναμα Ηλεκτρικά Κυκλώματα
Αποτελεσματικό Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα Κατά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων χωρίς φορτίο, η VL = Voc και IL = 0. Οπότε η παραπάνω σχέση γίνεται : Κατά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων στο σημείο μέγιστης ισχύος της καμπύλης I-V η βέλτιστη τάση είναι VL = Vmpp και IL = Impp δίνεται από τη λύση της εξίσωσης : Σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, το ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc είναι ίσο με το ρεύμα IL και τελικά προκύπτει: Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιείται για μεγάλη ακρίβεια και σε προσομοιώσεις Φωτοβολταϊκά Συστήματα

40 Χαρακτηριστική Καμπύλη Ι-V
Το φωτοβολταϊκό στοιχείο ως πηγή παραγωγής ηλεκτρική ενέργειας έχει αρκετά ασυνήθιστη συμπεριφορά. Ενώ οι περισσότερες ηλεκτρικές πηγές διατηρούν τη τάση τους σταθερή στην περιοχή κανονικής λειτουργίας τους, στα φωτοβολταϊκά στοιχεία η τάση μεταβάλλεται μη γραμμικά σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος ακόμα και αν η ακτινοβολία παραμένει σταθερή. Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για μεταβαλλόμενες τιμές της αντίστασης του κυκλώματος που τροφοδοτεί το φωτοβολταϊκό στοιχείο, η τάση και η ένταση του ρεύματος του φωτοβολταϊκού στοιχείου παίρνουν ενδιάμεσες τιμές ανάμεσα στις ακραίες που αντιστοιχούν σε μηδενική αντίσταση (Το κύκλωμα είναι βραχυκυκλωμένο και έχει μέγιστη τιμή ρεύματος Isc και μηδενική τάση) και σε άπειρη αντίσταση (Το κύκλωμα είναι ανοιχτο και έχει μηδενική τιμή ρεύματος και μέγιστη τιμή τάσης Voc), όπως παρουσιάζεται στην παρακάτω χαρακτηριστική. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

41 Χαρακτηριστική Καμπύλη Ι-V
Παράγοντες που επηρεάζουν τη χαρακτηριστική καμπύλη Ένταση Ακτινοβολίας Η ένταση του ρεύματος που παρέχει στο κύκλωμα το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι πρακτικά ανάλογη προς την ποσότητα της ακτινοβολίας που δέχεται, δηλαδή προς το γινόμενο της έντασης (της πυκνότητας της ισχύος) της ακτινοβολίας επί το εμβαδόν της επιφάνειάς του. Το ρεύμα βραχυκυκλώματος Isc μεταβάλλεται γραμμικά με την ακτινοβολία, ενώ η τάση του ανοιχτού κυκλώματος Voc μένει σχεδόν σταθερή στις μεταβολές της ακτινοβολίας για μεγάλες σχετικά τιμές ακτινοβολίας. Μαθηματικά, η εξάρτηση τάσης-ακτινοβολίας είναι λογαριθμική, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα σύμφωνα με τη σχέση: Φωτοβολταϊκά Συστήματα

42 Χαρακτηριστική Καμπύλη Ι-V
Παράγοντες που επηρεάζουν τη χαρακτηριστική καμπύλη Θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου Τ Η θερμοκρασία επηρεάζει την χαρακτηριστική I-V με δύο τρόπους: Άμεσα, μέσω του Τ που βρίσκεται στον εκθετικό όρο της χαρακτηριστικής εξίσωσης: Έμμεσα μέσω της επίδρασης του Io. Ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει το μέγεθος του εκθέτη, το μέγεθος του Io αυξάνεται εκθετικά με την αύξηση θερμοκρασίας. Η πιο σωστή επίδραση είναι να μειωθεί η Voc γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το μέγεθος αυτής της μείωσης είναι αντιστρόφως ανάλογο προς την Voc δηλαδή τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με τις υψηλότερες τιμές της Voc υφίστανται τις μικρότερες μειώσεις της τάσης με την αυξανόμενη θερμοκρασία. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

43 Χαρακτηριστική Καμπύλη Ι-V
Παράγοντες που επηρεάζουν τη χαρακτηριστική καμπύλη Θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου Τ Για τα περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου η αλλαγή στην Voc με τη θερμοκρασία είναι της τάξης του -0,5%/°C ενώ για τα υψηλής απόδοσης είναι της τάξης του -0,3%/°C. Η τιμή του φωτορεύματος Iph αυξάνεται αργά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία λόγω της αύξησης των φορέων στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Πάντως αυτή η επίδραση είναι μικρή της τάξης του 0.065%/°C για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου και 0.09%/°C για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου. Στα περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου μειώνεται η απόδοσή τους κατά 0.50%/°C και στα περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου μειώνεται κατά %/°C Φωτοβολταϊκά Συστήματα

44 Βαθμός Απόδοσης των Φωτοβολταϊκών
Ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος Pmmp προς το γινόμενο της επιφάνειας Α του φωτοβολταϊκού στοιχείου και της έντασης ακτινοβολίας G μας δίνει το βαθμό απόδοσης. Η απόδοση αυτή είναι πάντοτε μικρότερη από τη μέγιστη θεωρητική απόδοση ηmax,th: φ(Eg) είναι η ροή των φωτονίων με ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, φ είναι η συνολική φωτονική ροή στην ακτινοβολία που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο και Εμ είναι η μέση ενέργεια των φωτονίων της ακτινοβολίας. Vm των φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου είναι περίπου ίση με το 1/3 της Εμ της ηλιακής ακτινοβολίας. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

45 Βαθμός Απόδοσης των Φωτοβολταϊκών
Παράγοντες που επηρεάζουν το βαθμό απόδοσης των φωτοβολταϊκών Αντίσταση Σειράς Rs Η αντίσταση Rs είναι ένας σημαντικός παράγοντας που παίζει ρόλο στο βαθμό απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ της όψης του στοιχείου και της ένωσης p-n τόσο μεγαλύτερη είναι και η αντίσταση άρα και οι απώλειες ισχύος. Γήρανση Λόγω της φθοράς των φωτοβολταϊκών πλαισίων καθώς και των υπόλοιπων μερών που απαρτίζουν το φωτοβολταϊκό σύστημα αναμένεται ότι με την πάροδο του χρόνου θα παρουσιάζεται μία μικρή βαθμιαία πτώση στην ποσότητα παραγωγής της ηλεκτρικής ισχύος, που συνήθως υπολογίζεται από 1% ως 2% για κάθε έτος. Οπτικές Απώλειες Με τον όρο οπτικές απώλειες εννοούμε τη διαφοροποίηση της ανακλαστικότητας του φωτοβολταϊκού πλαισίου (υαλοπίνακας, αντανακλαστικό επίστρωμα, υλικό φωτοβολταϊκών στοιχείων) σε σχέση με την αντίστοιχη σε STC (Standard Testing Conditions). Επίσης, οπτικές απώλειες έχουμε και με τη διαφοροποίηση του φάσματος της Ακτινοβολίας σε ετήσια βάση. Επιπλέον, υπάρχουν απώλειες λόγω διαφοροποίησης της πόλωσης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας καθώς και λόγω χαμηλών τιμών της πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

46 Βαθμός Απόδοσης των Φωτοβολταϊκών
Παράγοντες που επηρεάζουν το βαθμό απόδοσης των φωτοβολταϊκών Χωροταξική Τοποθέτηση Η χωροταξική τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών στοιχείων μεταξύ τους έχει σημασία αφού όσο πιο πυκνά είναι τοποθετημένα μεταξύ τους τόσο μεγαλύτερος είναι και ο συντελεστής κάλυψης σκ του πλαισίου, ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της συνολικής ενεργού επιφάνειας των ηλιακών στοιχείων, δηλαδή της επιφάνειας του ημιαγωγού όπου γίνεται η απορρόφηση και μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας, προς τη συνολική επιφάνεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Δίοδος Αντεπιστροφής Η δίοδος αντεπιστροφής εμποδίζει την εκφόρτιση του ηλεκτρικού συσσωρευτή διαμέσου του φωτοβολταϊκού πλαισίου, όταν αυτό δε φωτίζεται και προκαλεί απώλειες ενέργειας της τάξης του 1%. Ο συντελεστής απωλειών της διόδου αντεπιστροφής είναι σδ = 0,99 Φωτοβολταϊκά Συστήματα

47 Βαθμός Απόδοσης των Φωτοβολταϊκών
Παράγοντες που επηρεάζουν το βαθμό απόδοσης των φωτοβολταϊκών Ακτινοβολία Η ενέργεια που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο σε ετήσια βάση, είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία και ως εκ τούτου, εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση εγκατάστασης του συστήματος. Η αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και ως εκ τούτου, μεγαλύτερη παραγόμενη ισχύ. Σκίαση Το φαινόμενο της σκίασης εμφανίζεται είτε σε περιπτώσεις που συναντώνται εμπόδια στον ορίζοντα των πλαισίων όπως παρακείμενα κτήρια, βλάστηση κλπ, είτε σε περιπτώσεις με περιορισμένη έκταση εγκατάστασης όπως για παράδειγμα στις στέγες κτηρίων όπου προκαλείται σκίαση από τη μία σειρά στην επόμενη. Ιδιαίτερα στη δεύτερη περίπτωση, οι επιπτώσεις της σκίασης μπορεί να είναι σημαντικές και για το λόγο αυτό είναι αναγκαίος ο λεπτομερής προσδιορισμός των απωλειών που προκαλούν. Στην πράξη, για τα τυπικά φωτοβολταϊκά πλαίσια, το σκιασμένο στοιχείο λειτουργεί ως μία μεγάλη αντίσταση, όπου αποδίδεται η ενέργεια που προσφέρουν τα υπόλοιπα. Παρατεταμένος σκιασμός ενός στοιχείου σε συνδυασμό με έντονο φωτισμό των υπολοίπων μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή του στοιχείου αυτού και κατά συνέπεια στην αχρήστευση όλου του πλαισίου, επειδή δεν υπάρχει δυνατότητα αντικατάστασης ενός κατεστραμμένου στοιχείου. Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται ως φαινόμενο Hot Spot (κατάσταση “θερμής κηλίδας”). Φωτοβολταϊκά Συστήματα

48 Βαθμός Απόδοσης των Φωτοβολταϊκών
Παράγοντες που επηρεάζουν το βαθμό απόδοσης των φωτοβολταϊκών Θερμοκρασία Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αντίστοιχη αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα να πραγματοποιούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων. Έτσι, εκδηλώνεται ισχυρό ρεύμα διαρροής διαμέσου της διόδου, που συνεπάγεται μείωση της Voc και του FF. Παράλληλα μειώνεται και η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Άνεμος Ρύπανση Ηλεκτρικές Απώλειες Η ταχύτητα του ανέμου, μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της θερμοκρασίας του στοιχείου καθότι μεγάλες ταχύτητες, έχουν ως αποτέλεσμα χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων μπορεί να μειωθεί από ρύπανση της επιφάνειάς τους, από την επικάθιση σκόνης, φύλλων, χιονιού, αλατιού από τη θάλασσα, εντόμων και άλλων ακαθαρσιών. Η μείωση είναι σημαντικότερη σε αστικές και βιομηχανικές περιοχές Οι ηλεκτρικές απώλειες εντοπίζονται στους αγωγούς που συνδέουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια στις συστοιχίες, καθώς και τις συνδέσεις τους με άλλα μέρη του συστήματος, όπως διατάξεις ρύθμισης, προστασίας και ελέγχου, συσσωρευτές, μετατροπείς κλπ. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

49 Είδη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
Α. Τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου μεγάλου πάχους 1. Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Single Crystalline Silicon, sc-Si ) Το πάχος τους είναι γύρω στα 0,3mm. Η απόδοση τους στην βιομηχανία κυμαίνεται από % για το πλαίσιο. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 24,7%. Το μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέση απόδοσης. Ένα μειονέκτημά τους είναι το υψηλό κόστος κατασκευής Φωτοβολταϊκά Συστήματα

50 Είδη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
Α. Τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου μεγάλου πάχους 2. Φωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Multi Crystalline Silicon, mc-Si ) Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3mm. Η μέθοδος παραγωγής τους κοστίζει φθηνότερα σε σύγκριση με αυτή των μονοκρυσταλλικών γι' αυτό και η τιμή πώλησής τους είναι συνήθως λίγο χαμηλότερη. Οπτικά μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ στο εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13 έως και 15% για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (πάνελ). Φωτοβολταϊκά Συστήματα

51 Είδη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
Α. Τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου μεγάλου πάχους 3. Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Σε αυτά τα στοιχεία εφαρμόζεται νέα τεχνολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων. Προσφέρει έως και 50% μείωση στην χρήση του πυριτίου σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου. Η απόδοση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία του έχει φτάσει πλέον γύρω στο 12-13% ενώ το πάχος του είναι περίπου 0,3mm. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 18% Φωτοβολταϊκά Συστήματα

52 Είδη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
B. Φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών υμενίων, THIN FILM 1. Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CuInSe2 ή CIS, με προσθήκη γάλλιου CIGS) Ο Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτον φως αλλά παρόλα αυτά η απόδοση του με τις σύγχρονες τεχνικές κυμαίνεται στο 11% (πλαίσιο). Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8% η οποία είναι και η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Με την πρόσμιξη γάλλιου η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο CIGS. Το πρόβλημα που υπάρχει είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στην φύση. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

53 Είδη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
B. Φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών υμενίων, THIN FILM 2. Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon, a-Si) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αυτά, έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης, χαμηλού κόστους όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Ο χαρακτηρισμός άμορφο φωτοβολταϊκό προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Οι επιδόσεις που επιτυγχάνονται με χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά thin films πυριτίου κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14%. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

54 Είδη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
B. Φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών υμενίων, THIN FILM 3. Τελουριούχο Kάδμιο (CdTe) Το τελουριούχο κάδμιο έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο 1eV το οποίο είναι πολύ κοντά στο ηλιακό φάσμα κάτι που του δίνει σοβαρά πλεονεκτήματα όπως την δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8%. Στο εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φθάσει το 16%. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

55 Είδη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
B. Φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών υμενίων, THIN FILM 4. Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Το γάλλιο είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και από τον χρυσό. Το αρσενικό δεν είναι σπάνιο άλλα έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Το αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43eV που είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στην μορφή πολλαπλών συνενώσεων (multijunction) είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες γεγονός που επιβάλλει σχεδόν την χρήση τους σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων (solar concentrators). Φωτοβολταϊκά Συστήματα

56 Είδη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Γ. Πολυστρωματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία
Μια άλλη κατηγορία είναι τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που αποτελούνται από στρώσεις υλικών διαφόρων τεχνολογιών HIT (Heterojunction with Intrinsic Thinlayer – Ετεροενώσεις με ενδογενή λεπτά στρώματα). Τα πιο γνωστά εμπορικά πολυστρωματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου (πάνω και κάτω) ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μια στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου που φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές στο 17,2% και το οποίο σημαίνει ότι χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν απόδοση 19,7%. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

57 Συνδέσεις Φωτοβολταϊκών Στοιχείων
Ο τρόπος συνδεσμολογίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη διαφορετικής τάσης λειτουργίας του πλαισίου και διαφορετικής ισχύος Φωτοβολταϊκά Συστήματα

58 Δομή Φωτοβολταϊκού Πλαισίου
Ειδικό γυαλί Συμπυκνωμένο πολυμερές υλικό (Ethylene Vinyl Acetate (EVA) Sheet) για ενθυλάκωση των στοιχείων Ηλιακά στοιχεία Συμπυκνωμένο υλικό (EVA) Κενό αέρος Φωτοβολταϊκά Συστήματα

59 Δομή Φωτοβολταϊκής Εγκατάστασης
Ο τρόπος συνδεσμολογίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη διαφορετικής τάσης λειτουργίας του πλαισίου και διαφορετικής ισχύος Φωτοβολταϊκά Συστήματα

60 Είδη Φωτοβολταϊκών Εγκαταστάσεων Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά Συστήματα

61 Είδη Φωτοβολταϊκών Εγκαταστάσεων Διασυνδεδεμένα Φωτοβολταϊκά Συστήματα

62 Φωτοβολταϊκή Εγκατάσταση του Εργαστηρίου ΑΠΕ Μετεωρολογικός Σταθμός
Φωτοβολταϊκά Φωτοβολταϊκά Συστήματα

63 Φωτοβολταϊκή Εγκατάσταση του Εργαστηρίου ΑΠΕ
Controller Χρονοδιακόπτες Ηλεκτρονικά Ισχύος Inverter Διαιρέτης Τάσης Διακόπτες Φορτίο Κατανάλωσης Μπαταρίες Shunt Μπαταρίες Φωτοβολταϊκά Συστήματα

64 Συνδεσμολογία Φωτοβολταϊκής Εγκατάστασης
Φωτοβολταϊκά Συστήματα

65 Φωτοβολταϊκή Εγκατάσταση του Εργαστηρίου ΑΠΕ
Μετεωρολογικός Σταθμός Πυρανόμετρο Αλεξικέραυνο Ανεμοδείκτης Πυρανόμετρο Data Logger Ανεμόμετρο Υγρασιόμετρο Μετεωρολογικός Σταθμός Multiplexer Data Logger Φωτοβολταϊκά Συστήματα

66 Συνδεσμολογία PV – Όργανα - Data Logger
Φωτοβολταϊκά Συστήματα

67 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 1: «Χαρακτηριστική Καμπύλη Φωτοβολταϊκού Πλαισίου» Σκοπός της Εργαστηριακής Άσκησης 1: Χάραξη της χαρακτηριστικής καμπύλης I-V ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Υπολογισμός της μέγιστης ηλεκτρικής απόδοσης λειτουργίας, καθώς και των χαρακτηριστικών παραμέτρων (Τάση ανοικτού κυκλώματος, Ρεύμα βραχυκύκλωσης, Συντελεστή Πλήρωσης). Γραφική απεικόνιση της μεταβολής της ηλεκτρικής απόδοσης συναρτήσει τόσο της έντασης της πυκνότητας ηλιακής ισχύος (Ηλιακή Ακτινοβολία) όσο και της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Συσχέτιση των παραμέτρων. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

68 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 1: «Χαρακτηριστική Καμπύλη Φωτοβολταϊκού Πλαισίου» Πειραματική Διαδικασία: Υλοποιείστε ένα από τα ηλεκτρικά κυκλώματα, όπως παρουσιάζονται ακολούθως: Προτεινόμενο Κύκλωμα Φωτοβολταϊκά Συστήματα

69 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 1: «Χαρακτηριστική Καμπύλη Φωτοβολταϊκού Πλαισίου» Πειραματική Διαδικασία: Προσανατολίζουμε κατάλληλα το φωτοβολταϊκό πλαίσιο και μεταβάλλουμε τη ρυθμιστική αντίσταση RL λαμβάνοντας ζεύγη τιμών Ι (Α) και V (V) μέσω του αμπερομέτρου και του βολτομέτρου (πολύμετρα), αντίστοιχα. Στη δεδομένη περίπτωση η ρυθμιστική αντίσταση RL αντιστοιχεί σε τρεις ρυθμιστικές αντιστάσεις (διαφορετικές μεταξύ τους), συνδεδεμένες σε σειρά. Ρυθμιστικές Αντιστάσεις Πολύμετρο Φωτοβολταϊκά Συστήματα

70 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 1: «Χαρακτηριστική Καμπύλη Φωτοβολταϊκού Πλαισίου» Πειραματική Διαδικασία: Μετράμε τις διαστάσεις της ενεργής επιφάνειας (πλάτος και μήκος) του φωτοβολταϊκού πλαισίου και μετράμε σε τακτά χρονικά διαστήματα την ένταση της πυκνότητας ισχύος μέσω του πυρανομέτρου που διατίθεται. Υπολογίζουμε την εισερχόμενη ηλιακή ισχύς G (Watts) στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Μετράμε τη θερμοκρασία της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου μέσω του ψηφιακού θερμομέτρου που διατίθεται. Μεταβάλουμε την κλίση του φωτοβολταϊκού πλαισίου ή τον προσανατολισμό του, προκειμένου να λάβουμε διαφορετικές τιμές πυκνότητας ηλιακής ενέργειας στην επιφάνειά του, και επαναλαμβάνουμε τα βήματα 2 και 3 της πειραματικής διαδικασίας. Πυρανόμετρο Θερμόμετρο Φωτοβολταϊκά Συστήματα

71 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 1: «Χαρακτηριστική Καμπύλη Φωτοβολταϊκού Πλαισίου» Υπολογισμοί και Αναφορά Χάραξη των χαρακτηριστικών καμπυλών I-V και P-V του φωτοβολταϊκού πλαισίου για το σύνολο των σειρών μετρήσεων σε ενιαία γραφική παράσταση. Υπολογισμός της μέγιστης ηλεκτρικής απόδοσης λειτουργίας του φωτοβολταϊκού, καθώς και των χαρακτηριστικών παραμέτρων (Τάση ανοικτού κυκλώματος, Voc και Ρεύμα βραχυκύκλωσης, Isc) για κάθε σειρά μετρήσεων. Αντίστοιχος υπολογισμός του συντελεστή πλήρωσης (Fill Factor, FF) και της αντίστασης Rpv (υιοθετώντας το αποτελεσματικό ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα όπως παρουσιάστηκε παραπάνω). Γραφική απεικόνιση της μεταβολής της ηλεκτρικής απόδοσης συναρτήσει τόσο της έντασης της πυκνότητας ηλιακής ισχύος (Ηλιακή Ακτινοβολία) όσο και της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Συσχέτιση των παραμέτρων και σχολιασμός αποτελεσμάτων. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

72 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 2: «Πειραματική Μελέτη Αυτόνομου Φωτοβολταϊκού Συστήματος» Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης 2 είναι: Καταγραφή σε πραγματικό χρόνο των βασικών παραμέτρων της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης και των μετεωρολογικών δεδομένων του μετεωρολογικού σταθμού. Υπολογισμός σε πραγματικό χρόνο της μέγιστης ηλεκτρικής απόδοσης λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων αλλά και της συνολικής ηλεκτρικής απόδοσης του συστήματος. Υπολογισμός σε πραγματικό χρόνο των ηλεκτρικών απωλειών του αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος από το σημείο παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας έως το σημείο κατανάλωσης στο επιλεγόμενο ηλεκτρικό φορτίο. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

73 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 2: «Πειραματική Μελέτη Αυτόνομου Φωτοβολταϊκού Συστήματος» Πειραματική Διαδικασία: Σας δίνεται ένα αρχείο πειραματικών δεδομένων (αρχείο excel) το οποίο περιέχει όλα τα μετεωρολογικά δεδομένα του σταθμού του Εργαστηρίου ΑΠΕ (Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας στο οριζόντιο και στο κεκλιμένο επίπεδο του φωτοβολταϊκού συστήματος, ταχύτητας του πνέοντος ανέμου, θερμοκρασίας περιβάλλοντος), καθώς επίσης τη θερμοκρασία επιφάνειας του φωτοβολταϊκού συστήματος (σε δύο σημεία) και τις τιμές έντασης του ρεύματος κατά τη μεταφορά της ηλεκτρικής ισχύος από το σημείο παραγωγής (φωτοβολταϊκό σύστημα) έως το σημείο κατανάλωσης (inverter + ηλεκτρικό φορτίο κατανάλωσης). Οι τιμές τις έντασης του ρεύματος (τρεις στο σύνολο) λαμβάνονται: στο φωτοβολταϊκό σύστημα, μεταξύ του controller και μπαταριών καθώς και μεταξύ των μπαταριών και inverter. Φωτοβολταϊκά Συστήματα

74 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 2: «Πειραματική Μελέτη Αυτόνομου Φωτοβολταϊκού Συστήματος» Πειραματική Διαδικασία: Μετρούμε τις διαστάσεις της ενεργής επιφάνειας (μήκος και πλάτος) του φωτοβολταϊκού συστήματος προκειμένου να υπολογίσουμε το εμβαδό. Σας δίνεται ως δεδομένο ότι η διαφορά δυναμικού που βρίσκονται όλα τα ηλεκτρικά στοιχεία του κυκλώματος είναι 24 Volts και το φορτίο κατανάλωσης πέραν του Inverter είναι 10 Watts. Σε όλους τους υπολογισμούς που θα πραγματοποιηθούν να ληφθεί υπόψη αποκλειστικά η ημερήσια λειτουργία του συνολικού συστήματος και πιο συγκεκριμένα όταν η ηλιακή ακτινοβολία κυμαίνεται μεταξύ της μέγιστης τιμής της και τα 500 W/m². Φωτοβολταϊκά Συστήματα

75 Εργαστηριακές Ασκήσεις
Εργαστηριακή Άσκηση 2: «Πειραματική Μελέτη Αυτόνομου Φωτοβολταϊκού Συστήματος» Υπολογισμοί και Αναφορά Απεικονίστε γραφικά τις μεταβολές όλων των πειραματικών δεδομένων ως συνάρτηση του χρόνου. Δεν υπάρχει κάποιος περιορισμός του αριθμού και του είδους των γραφικών παραστάσεων. Απεικονίστε γραφικά τη μεταβολή της απόδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος ως συνάρτηση του χρόνου. Απεικονίστε γραφικά τις ηλεκτρικές απώλειες ισχύος ως συνάρτηση του χρόνου. Καταγράψτε αναλυτικά τα βήματα των υπολογισμών σας. Σχολιάστε τα αποτελέσματα. Φωτοβολταϊκά Συστήματα