Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Η πρώτη παρατήρηση του φωτοβολταϊκού (ΦΒ) φαινομένου έγινε το 1839, από τον πειραματικό Φυσικό Edmund Becquerel, σε ηλεκτρολυτικά υγρά. Πέρασαν περισσότερο από εκατό χρόνια παρατηρήσεων και πειραματικών προσπαθειών για την ανάδειξη της σημασίας και του ρόλου του φαινομένου αυτού και την αξιοποίησή του για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Το 1954, παρασκευάστηκε η πρώτη ΦΒ κυψελίδα κρυσταλλικού Πυριτίου, με επαφή ημιαγωγών, με απόδοση 4,5% και μετά από μερικούς μήνες 6%, από τους D.M. Chapin, C.S. Fuller και G.L. Pearson. Έκτοτε εντατικοποιήθηκαν οι προσπάθειες για δημιουργία ΦΒ στοιχείων υψηλής και σταθερής απόδοσης. Σήμερα, η τεχνολογία των ΦΒ στοιχείων έχει φτάσει σε υψηλά επίπεδα ωριμότητας, που προδιαγράφουν με σιγουριά την ευρεία διείσδυσή τους, μέσα στην τρέχουσα δεκαετία, στο ενεργειακό δυναμικό κάθε χώρας. Ως πηγές ενέργειας έχουν ως κύρια χαρακτηριστικά την αέναη, αποδοτική και εξαιρετικά ήπια και φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Στις αναπτυγμένες βιομηχανικά χώρες, έχει δοθεί ήδη σημαντική βαρύτητα τόσο στον τομέα της έρευνας και ανάπτυξης της τεχνολογίας του βασικού κυττάρου μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, όσο και της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, που συμπληρώνουν μια ολοκληρωμένη ΦΒ εγκατάσταση. Την προηγούμενη δεκαετία, πολλές από τις χώρες αυτές προχώρησαν στην υλοποίηση πιλοτικών προγραμμάτων ΦΒ εφαρμογών μεγάλης κλίμακας, με στόχο την απόκτηση σχετικής τεχνογνωσίας και την προετοιμασία τους για δραστηριοποίηση σε έργα αντίστοιχα μεγάλης κλίμακας.
Στη χώρα μας, παρά το υψηλό ηλιακό δυναμικό, το μη ενθαρρυντικό θεσμικό περιβάλλον για τα φωτοβολταϊκά, σε συνδυασμό με το υψηλό, προς το παρόν, κόστος τους, περιορίζει το ενδιαφέρον των πολιτών για την τεχνολογία αυτή. Πρόσφατα, η προοπτική θέσπισης νέου, ευνοϊκότερου νομοθετικού πλαισίου για τις Α.Π.Ε. και ιδιαιτέρως για τα φωτοβολταϊκά, αναζωπύρωσε το ενδιαφέρον του κοινού, τόσο για αυτοπαραγωγή όσο και για επενδύσεις μεγάλης κλίμακας.
Παράλληλα, οι υψηλοί ρυθμοί εργοστασιακής παραγωγής ΦΒ πλαισίων διεθνώς καθώς και οι αυξανόμενοι ρυθμοί εγκατάστασής τους σε παγκόσμια κλίμακα, ενισχύουν την προοπτική ανάπτυξης νέων επαγγελματικών δραστηριοτήτων στο συγκεκριμένο τομέα. Στα πλαίσια αυτής της προοπτικής, η συμβολή των τριτοβάθμιων εκπαιδευτικών ιδρυμάτων της χώρας μας θα είναι καθοριστική στους τομείς της εκπαίδευσης και της τεχνολογικής έρευνας και ανάπτυξης.

Σκοπός του συγγράμματος και οργάνωση της ύλης του

Σκοπός και περίγραμμα ύλης
Κατευθυντήρια γραμμή για τη συγγραφή του βιβλίου αυτού απετέλεσε η επιδίωξη δημιουργίας ενός εκπαιδευτικού βοηθήματος, σε επίπεδο τριτοβάθμιας εκπαίδευσης, το οποίο, αφ’ ενός να καλύπτει επαρκώς το θεωρητικό και πρακτικό υπόβαθρο της τεχνολογίας των ΦΒ συστημάτων, αφ’ ετέρου να παρέχει στον εκπαιδευόμενο τα απαραίτητα εφόδια είτε για επαγγελματική αξιοποίηση είτε για μεταπτυχιακές σπουδές.
Δόθηκε βαρύτητα αφ’ ενός στην εννοιολογική θεμελίωση των θεμάτων που αφορούν στην ηλιακή ακτινοβολία, στο μηχανισμό εμφάνισης του ΦΒ φαινομένου και στη λειτουργία των ΦΒ στοιχείων, αφ’ ετέρου στη λεπτομερή μελέτη των ΦΒ συστημάτων και στο μεθοδολογικό καθορισμό του κατάλληλου μεγέθους τους, που ολοκληρώνεται με την εξέταση επιλεγμένων παραδειγμάτων τυπικών ΦΒ εφαρμογών. Η διάρθρωση της ύλης ακολουθεί τη μεθοδολογία της προσέγγισης του κύριου στόχου, δηλαδή της μεθοδολογίας υπολογισμού ενός ΦΒ συστήματος, αφού προηγουμένως μελετηθούν τα φαινόμενα, η τεχνολογία και οι φυσικές ποσότητες που αφορούν στο ΦΒ φαινόμενο. Η παρουσίαση των θεμάτων γίνεται με γνώμονα την κριτική αναζήτηση της σημασίας των εννοιών, στα πλαίσια, βεβαίως, του εκπαιδευτικού χαρακτήρα του βιβλίου. Ο ενδιαφερόμενος για περισσότερη ανάλυση και πληροφορία στο αντικείμενο, θα βρει πληθώρα πρόσφατων αναφορών σε κάθε ειδικού ενδιαφέροντος θέμα καθώς και αναφορές σε καταξιωμένα συγγράμματα που περιλαμβάνονται στον πίνακα βιβλιογραφίας.
Σε γενικές γραμμές, παρουσιάζεται αναλυτικά το ΦΒ φαινόμενο, η ερμηνεία του και οι παράγοντες που επηρεάζουν την εμφάνισή του. Εξετάζεται σύντομα η σχετική τεχνολογία παρασκευής της φωτοβολταϊκής κυψελίδας και των ΦΒ πλαισίων. Στη συνέχεια, μελετάται η μεθοδολογία υπολογισμού του μεγέθους ενός ΦΒ συστήματος, αρχικά για συνεχείς αίθριες ημέρες και στη συνέχεια, με δυνατότητα ορισμένων ημερών αυτονομίας, με εφαρμογή της διατήρησης της παρεχόμενης από τον ήλιο ενέργειας. Διατυπώνεται η σχέση εξάρτησης της παρεχόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τη ΦΒ συστοιχία, με βάση το ηλιακό δυναμικό, τις συνθήκες λειτουργίας και τις δυνατότητες του ΦΒ πλαισίου. Ομοίως, εξετάζεται ο προσδιορισμός των υπολοίπων τμημάτων ενός ΦΒ συστήματος. Η μελέτη ολοκληρώνεται με την παρουσίαση της μεθοδολογίας υπολογισμού των ΦΒ υβριδικών συστημάτων, αφού προηγουμένως μελετηθεί συνοπτικά η τεχνολογία της αιολικής ενέργειας.

Αναλυτική παρουσίαση του περιεχομένου των κεφαλαίων
Στην Εισαγωγή περιλαμβάνεται μια γενική παρουσίαση των συμβατικών καθώς και των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, στα χαρακτηριστικά, στη σημασία και στην αξιοποίησή τους, από την Αρχαιότητα μέχρι σήμερα.
Το πρώτο κεφάλαιο αναφέρεται στην ηλιακή ακτινοβολία. Εξετάζεται η προέλευσή της, τα χαρακτηριστικά της στην επιφάνεια της γης και η μεταβολή της κατά τη διάρκεια της ημερήσιας κίνησης του ήλιου. Διερευνάται, επίσης, η σημασία του προσανατολισμού και της κλίσης του συλλέκτη, για τη μεγιστοποίηση της συλλεγόμενης ενέργειας ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας και των εποχών.
Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται μια σύντομη αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο που αφορά στους ημιαγωγούς, δεδομένου ότι το ΦΒ φαινόμενο εμφανίζεται με έμφαση σ’ αυτούς. Ο στόχος είναι να αναδειχθεί η σημασία των χαρακτηριστικών της ύλης που συμβάλουν σ’ αυτή την ελπιδοφόρα μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η δίοδος ημιαγωγών, που έφερε την επανάσταση στο χώρο των ηλεκτρονικών, στις αρχές του δεύτερου μισού του 20ου αιώνα, σε συνδυασμό με το φως, δημιούργησε νέα προοπτική για την παραγωγή ηλεκτρισμού.
Το τρίτο κεφάλαιο αφιερώνεται στο φαινόμενο της γένεσης της ηλεκτρικής ενέργειας από το φως που απορροφάται από διάταξη υλικών. Εξετάζονται αναλυτικά όλοι οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοσή ενός ΦΒ στοιχείου κατά τη μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική και διερευνώνται τα όριά της. Θεμελιώνονται οι βασικές έννοιες και η ορολογία της ΦΒ παραγωγής ενέργειας και εξετάζεται η σχέση εξάρτησης της ισχύος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τους παράγοντες που την επηρεάζουν. Παρόμοια αναλυτική εξέταση γίνεται και για τη βιομηχανική μονάδα φωτοβολταϊκής παραγωγής, το ΦΒ πλαίσιο καθώς και τους συνδυασμούς τους σε ΦΒ συστοιχία.
Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η λειτουργία και οι δυνατότητες των ηλεκτρικών συσσωρευτών, δεδομένης της σημασίας τους στην αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Εξετάζεται, σε συντομία, η λειτουργία και η σημασία των ηλεκτρονικών συσκευών που απαιτούνται σ’ ένα ΦΒ σύστημα, προκειμένου να μεταφερθεί, να αποθηκευτεί ή να μετατραπεί η παραγόμενη ΦΒ ηλεκτρική ενέργεια.
Το πέμπτο κεφάλαιο αφορά στην παρουσίαση της μεθοδολογίας υπολογισμού των υποσυστημάτων ενός αυτόνομου ΦΒ συστήματος. Προηγείται θεωρητική ανάλυση για τον προσδιορισμό των βασικών χαρακτηριστικών τους, δηλαδή της ισχύος αιχμής της ΦΒ συστοιχίας και της χωρητικότητας του συσσωρευτή, με απαίτηση πλήρους κάλυψης του ημερήσιου φορτίου ζήτησης και δυνατότητα αυτονομίας αποθήκευσης ορισμένων ημερών το μήνα. Προσδιορίζονται επίσης οι ηλεκτρονικές διατάξεις ελέγχου και μετατροπής ηλεκτρικών τάσεων και το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, ως βοηθητική ενεργειακή πηγή σε περιόδους αδυναμίας του συστήματος. Το κεφάλαιο συμπληρώνεται με μερικά αντιπροσωπευτικά παραδείγματα ΦΒ εφαρμογών.
Το έκτο κεφάλαιο αναφέρεται στη μελέτη των ΦΒ υβριδικών συστημάτων. Εξετάζονται οι κύριες μεθοδολογίες προσδιορισμού του μεγέθους των βασικών υποσυστημάτων τους, δηλαδή της ΦΒ συστοιχίας, της ανεμογεννήριας (ΑΓ) και του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους (Η/Ζ), αν περιλαμβάνεται. Για διευκόλυνση της μελέτης τους, προηγείται μια σύντομη αναφορά στην αιολική ενέργεια και σκιαγραφείται η μεθοδολογία υπολογισμού του μεγέθους ανεμογεννήτριας για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων σχετικών εφαρμογών. Τα υβριδικά συστήματα παρουσιάζουν μειωμένη στοχαστικότητα σε σχέση με κάθε μια από τις συνδυαζόμενες ανανεώσιμες ενεργειακές πηγές κι αυτό αποτελεί το βασικό πλεονέκτημά τους. Η εξέταση του ολικού κόστους του υβριδικού συστήματος σ’ όλη τη διάρκεια ζωής του, με αναγωγή του σε ολικό κόστος πρώτου έτους εγκατάστασης (μέθοδος υπολογισμού κόστους κύκλου ζωής του συστήματος, LCC), οδηγεί στο βέλτιστο συνδυασμό των συνιστωσών του συστήματος, για την κάλυψη των φορτίων ζήτησης της εφαρμογής.
Κάθε κεφάλαιο ολοκληρώνεται με μια σειρά προτεινομένων ερωτήσεων και προβλημάτων, απαραίτητων για την εμπέδωση των θεμάτων του κεφαλαίου. Η προσεκτική επιλογή, εκ μέρους του διδάσκοντα, των θεμάτων που θεωρεί ως σημαντικότερα για τον τελικό σκοπό του μαθήματος, ως μέρους ενός συνολικού προγράμματος σπουδών, θα βοηθήσει ιδιαίτερα στην επιτυχία των στόχων του παρόντος συγγράμματος. Είναι γεγονός, πάντως, ότι η ουσιαστική αφομοίωση και κατανόηση των θεμάτων αυτών απαιτεί και εργαστηριακή εμπέδωσή τους, μέσα από μια σειρά καλά μελετημένων εργαστηριακών ασκήσεων, ώστε ο διδασκόμενος να αποκτήσει και πρακτική εμπειρία επί του αντικειμένου.

Σχόλια του συγγραφέα για τη 2η έκδοση του βιβλίου
Στα πλαίσια της προετοιμασίας της δεύτερης έκδοσης του συγγράμματος έγιναν σημαντικές βελτιώσεις στα κείμενα της πρώτης έκδοσης, με σκοπό την ολοκληρωμένη παρουσίασή του. Στην προσπάθεια αυτή, πολύτιμες υπήρξαν οι εύστοχες παρατηρήσεις και υποδείξεις πολλών συναδέλφων, που μου έκαναν την τιμή να το μελετήσουν με κριτική διάθεση, καθώς και των σπουδαστών που το χρησιμοποίησαν ως διδακτικό βοήθημα. Αισθάνομαι την υποχρέωση να τους ευχαριστήσω εγκαρδίως για τη σημαντική βοήθειά τους. Ιδιαιτέρως, θέλω να ευχαριστήσω το συνάδελφο Φώτη Μαυροματάκη, Επίκουρο Καθηγητή του Γ.Τ.Θ.Ε. του ΤΕΙ Κρήτης και τον Δρ. Φυσικό κ. Εμμ. Στρατάκη, Επιστημονικό Συνεργάτη του ΤΕΙ Κρήτης, για τις εύστοχες και ουσιαστικές υποδείξεις τους.
Έχω την ελπίδα, η προσπάθεια αυτή να επιτύχει του στόχου της και η δεύτερη έκδοση του συγγράμματος να ανταποκριθεί πλήρως, τόσο στις επιστημονικές και εκπαιδευτικές απαιτήσεις και ανησυχίες διδασκόντων και σπουδαστών, όσο και στις προσδοκίες εκείνων που θα το αξιοποιήσουν στις επαγγελματικές τους δραστηριότητες, ως πηγή αναφοράς στα θέματα της Φωτοβολταϊκής τεχνολογίας και των εφαρμογών της.

Περιεχόμενα

Eισαγωγή: Οι συμβατικές και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

1. Η ενέργεια ως στόχος και ως προοπτική ανάπτυξης
2. Οι πηγές ενέργειας σήμερα
3. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
4. H ενεργειακή πολιτική στη χώρα μας και διεθνώς

1o Κεφάλαιο: Η Ηλιακή ακτινοβολία

1. Hλεκτρομαγνητική ακτινοβολία
2. Η ηλιακή ακτινοβολία και η επίδραση της ατμόσφαιρας της γης
3. Όργανα μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας και της φασματικής της κατανομής
4. H κίνηση της γης γύρω απ’ τον ήλιο. Οι συντεταγμένες της θέσης του ήλιου σε σύστημα παρατηρητή
5. Hμερήσια ενεργειακή απολαβή από τον ήλιο
6. Ηλιοφάνεια
7. Τυπικό Μετεωρολογικό Έτος
8. Εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας
9. Προσανατολισμός του συλλέκτη
10. ΦΒ συλλέκτες ειδικής διαμόρφωσης
11. Ελάχιστη απόσταση μεταξύ συστοιχιών ΦB συγκροτήματος
    Eρωτήσεις και προβλήματα

2o Κεφάλαιο: Στοιχεία από τη Φυσική Στερεάς Κατάστασης. Η επαφή ημιαγωγών τύπου p και n

1. Η έννοια της διάχυσης
2. Το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή της επαφής δύο σωμάτων
3. Ημιαγωγοί. Επαφή p-n ημιαγωγών
4. Ηλεκτρική συμπεριφορά της επαφής p-n
   Eρωτήσεις και προβλήματα

3o Κεφάλαιο: Φωτοβολταϊκή ηλεκτρική ενέργεια

1. Απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από την ύλη
2. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο
3. Η τεχνολογία του ΦΒ στοιχείου
4. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ΦΒ στοιχείου
5. Mείωση κόστους των ΦB στοιχείων με την εξέλιξη της τεχνολογίας
6. Τρόποι σύνδεσης ΦΒ στοιχείων
7. Το Φωτοβολταϊκό πλαίσιο
8. Απόδοση του ΦΒ πλαισίου και παράγοντες που την επηρεάζουν
9. Προβλήματα σκίασης ή βλάβης ενός ΦΒ στοιχείου του πλαισίου. Διατάξεις προστασίας της λειτουργίας των ΦΒ πλαισίων
10. Επιμερισμός του κόστους κατασκευής του ΦΒ πλαισίου
11. Το ΦΒ σύστημα
    Eρωτήσεις και προβλήματα

4o Κεφάλαιο: Aποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας και διαχείριση ισχύος σε ΦB συστήματα

1. Οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές
2. Τα ηλεκτρονικά των φωτοβολταϊκών
   Eρωτήσεις και προβλήματα

5o Κεφάλαιο: Φωτοβολταϊκά συστήματα

1. Χαρακτηριστικά, κατηγορίες και σύνθεση των ΦΒ συστημάτων
2. Αυτόνομα ΦΒ συστήματα
3. Kαθορισμός της ΦB συστοιχίας
4. Προσδιορισμός αυτόνομου ΦΒ συστήματος με απαίτηση αυτονομίας ορισμένων ημερών
5. Παραδείγματα υπολογισμού αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος με βάση την αυτονομία του συσσωρευτή
   Eρωτήσεις και προβλήματα

6o Κεφάλαιο: ΦB Yβριδικά Συστήματα

1. Aιολική ενέργεια
2. ΦB υβριδικά συστήματα
   Eρωτήσεις και προβλήματα

Παραρτήματα

1. Aναγωγή τιμών πυκνότητας ισχύος και ενεργειακής απολαβής ηλιακής ακτινοβολίας, από οριζόντιο σε κεκλιμένο επίπεδο
2. Θερμικό πρότυπο ΦB πλαισίου
3. Xάρτες κατανομής απολαβής ηλιακής ακτινοβολίας
4. Tεχνικά στοιχεία ΦB συστημάτων
5. Φωτοβολταϊκά συστήματα στην Ελλάδα
6. Oρολογία Φωτοβολταϊκής τεχνολογίας