Πώς Λειτουργούν τα Φ/Β Συστήματα; Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική, χάρης το φωτοβολταϊκό φαινόμενο το οποίο ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Μπεκερέλ. Απορροφά την ενέργεια του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων των φωτοβολταϊκών καθώς και την απόδραση των ηλεκτρονίων από τις κανονικές τους θέσεις, με αποτέλεσμα την δημιουργία του ρεύματος. Έπειτα, το ηλεκτρικό πεδίο το οποίο προϋπάρχει στα φωτοβολταϊκά μεταφέρει το ρεύμα στο φορτίο.

Πληροφορίες Φωτοβολταϊκών

Το ηλιακό φως είναι ουσιαστικά μικρά πακετάκια ενέργειας ονομαζόμενα ως “Φωτόνια”. Τα φωτόνια λοιπόν του ηλιακού φωτός έχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας, αναλόγος το μήκος κύματος του ηλιακού ενεργειακού φάσματος. Όταν λοιπόν τα φωτόνια “συγκρουστούν” σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο άλλα ανακλώνται, κάποια άλλα το διαπερνούν και κάποια άλλα απλά απορροφώνται. Έτσι λοιπόν τα τελευταία (που απορροφώνται) αυτά είναι που δημιουργούν το ηλεκτρικό ρεύμα.

Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια- πάνελς έχουν ως βασικό μέρος το ηλιακό στοιχείο, ένας επεξεργασμένος ημιαγωγός λεπτού πάχους σε επίπεδη επιφάνεια.

Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία ομαδοποιούνται κατάλληλα και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ή ηλιογεννήτριες, τυπικής ισχύος από 10W έως 300W. Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά μεταξύ τους και δημιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες (pv-arrays).

Οι Τεχνολογίες Ηλιακών Φωτοβολταϊκών Στοιχείων-Φωτοβολταϊκών κυψελών

Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες :

1. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ PV ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ

• Φωτοβολταϊκά Μονοκρυσταλλικού πυριτίου με αποδόσεις πλαισίων 14,5% έως 21%
• Φωτοβολταϊκά Μονοκρυσταλλικού πυριτίου με αποδόσεις πλαισίων 13% έως 14,5%

2.  ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΛΕΠΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ (THIN FILM PV)

• Φωτοβολταϊκά από άμορφο πυρίτο aSi με ονομαστική απόδοση ~7%.
• Φωτοβολταϊκλά από Χαλκοπυρίτες CIS/CIGS, με ονομαστική απόδοση από 7% έως 11%.

Το πυρίτιο (Si) είναι η βάση για το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής Φωτοβολταϊκών. Το πυρίτιο, ανάλογα με την επεξεργασία του, δίνει μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλικά ή άμορφα υλικά, από τα οποία παράγονται τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Τα λεπτά υλικά είναι ένας τρόπος για να μειωθεί το κόστος και να αυξηθεί η απόδοσή τους. Η τεχνολογία φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτών μεμβρανών (thin film) βρίσκεται ακόμα σε αναπτυσσόμενο στάδιο αφού με διάφορες μεθόδους επεξεργασίας και χρήση διαφορετικών υλικών αναμένεται η αύξηση της απόδοσης, σταθεροποίηση των χαρακτηριστικών τους και αύξηση της διείσδυσης στην αγορά. Σήμερα πάντως αποτελούν την πιο φθηνή επιλογή φωτοβολταϊκών πλαισίων.

Πώς Λειτουργούν τα Φ/Β – ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΟΜΗΣ

Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από τα ακόλουθα τμήματα:

• Τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με τη Βάση στήριξης και ίσως (tracker), σύστημα παρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς.

• Μπαταρίες – συσσωρευτές φωτοβολταϊκών

• Ρυθμιστή φόρτισης για τον έλεγχο και προστασία των μπαταριών.

• Μετατροπέα τάσεως dc (12v/24v/48v) inverter για μετασχηματισμό στα 220V AC.

ΤΥΠΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Υπάρχουν τρείς κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων, το διασυνδεδεμένο (solar-pv) με το δίκτυο της ΔΕΗ και το αυτόνομο. Η απλούστερη μορφή του δεύτερου εκ των δυο αποτελείται απλώς από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία τροφοδοτεί με συνεχές ρεύμα ένα φορτίο οποτεδήποτε υπάρχει επαρκής φωτεινότητα. Αυτού του τύπου το σύστημα είναι κοινό σε εφαρμογές οικιακές ή γεωργικές. Σε άλλες περιπτώσεις το φωτοβολταϊκό σύστημα παρέχει δυνατότητα αποθήκευση ενέργειας στις μπαταρίες. Συχνά συμπεριλαμβάνεται μετατροπέας ισχύος της ηλεκτρικής ενέργειας, όπως στην περίπτωση που απαιτείται εναλλασσόμενο ρεύμα να εξέρχεται από το σύστημα. Σε μερικές περιπτώσεις το σύστημα περιέχει μια εφεδρική ηλεκτρογεννήτρια ή ανεμογεννήτρια (υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστημα).

Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να υποδιαιρεθούν σ’ε εκείνα στα οποία το δίκτυο ενεργεί απλώς ως μια βοηθητική τροφοδοσία (εφεδρικό δίκτυο) και εκείνα τα οποία ίσως λάβουν επίσης πρόσθετη ισχύ από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια (αλληλοεπιδρώμενο δίκτυο). Μέσα στους φωτοβολταϊκούς σταθμούς όλη η παραγόμενη ισχύς τροφοδοτείται στο δίκτυο.

Πώς Λειτουργούν τα Φ/Β – ΒΑΣΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ

Συνήθως τα φωτοβολταϊκά ηλιακά στοιχεία σε μια βασική μονάδα συνδέονται μεταξύ τους σε μια σειρά. Αυτό οφείλεται στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κάθε ηλιακού φωτοβολταϊκού στοιχείου. Ένα τυπικό (διαμέτρου 4 ιντσών) κρυσταλλικού πυριτίου ή ένα (10 cm * 10 cm) πολυκρυσταλλικό στοιχείο θα παρέχουν κάτω από κανονικές συνθήκες ισχύ μεταξύ 1 και 1.5 vatt, εξαρτώμενη από την απόδοση του ηλιακού στοιχείου. Αυτή η ισχύς παρέχεται συνήθως υπό τάση 0.5 ή 0.6 V. Από τη στιγμή που υπάρχουν πολύ λίγες εφαρμογές, οι οποίες εκτελούνται σε αυτή την τάση, η άμεση λύση είναι να συνδεθούν τα ηλιακά στοιχεία σε σειρά.

Ο αριθμός των ηλεκτρικών φωτοβολταϊκών στοιχείων μέσα σε μια βασική μονάδα ρυθμίζεται από την τάση της βασικής μονάδας. Η ονομαστική τάση λειτουργίας του φωτοβολταϊκού συστήματος συνήθως πρέπει να ταιριάζει με την ονομαστική τάση του υποσυστήματος αποθήκευσης. Οι περισσότερες από τις βασικές φωτοβολταϊκές μονάδες, που κατασκευάζονται βιομηχανικά έχουν, σταθερές διατάξεις, οι οποίες μπορούν να συνεργασθούν ακόμη και με μπαταρίες των 12Volt / 6Volt/ 2Volt. Προβλέποντας πιθανότητα υπέρτασης προκειμένου να φορτιστεί η φωτοβολταϊκή μπαταρία και να αντισταθμιστεί χαμηλότερη έξοδος, κάτω από συνθήκες χαμηλότερες των κανονικών. Έχει βρεθεί ότι μια ομάδα των 33 έως 36 ηλιακών στοιχείων σε σειρά συνήθως εξασφαλίζουν αξιόπιστη λειτουργία.

Τα τρία περισσότερο σημαντικά ηλεκτρικά φωτοβολταϊκά χαρακτηριστικά μιας βασικής μονάδας είναι το ρεύμα βραχυκυκλώματος, η τάση ανοικτού κυκλώματος και το σημείο μέγιστης ισχύος σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και την ακτινοβολία. Αυτά τα χαρακτηριστικά μοιάζουν με το Ι-V ενός ηλιακού στοιχείου, ωστόσο μερικές συγκεκριμένες ιδιομορφίες χρειάζεται να διασαφηνιστούν.

ΧΡΗΣΕΙΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ

Τα φωτοβολταϊκά είναι διατάξεις που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από την ακτινοβολία του Ηλίου. Το ηλεκτρικό αυτό ρεύμα χρησιμοποιείται για να δώσει ενέργεια σε μια συσκευή ή για τη φόρτιση της μπαταρίας του. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται ευρέως σε μικροϋπολογιστές τσέπης που λειτουργούν χωρίς μπαταρία, απλώς με την έκθεσή τους στο φως.

Τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται συχνά σε συστοιχίες για την παραγωγή ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα.

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΕ ΣΤΕΓΕΣ

Στην Ελλάδα έχουν ξεκινήσει κάποια φωτοβολταϊκά προγράμματα επιδότησης για επενδύσεις σε φωτοβολταϊκά σε στέγες, τα οποία παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που μεταπωλείται και εισάγεται στα δημόσια δίκτυα μεταφοράς ΔΕΗ. Τα προγράμματα αυτά έχουν στόχο τη διαφοροποίηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τη σταδιακή απεξάρτησή της από το πετρέλαιο.

Η θερμοκρασία είναι μια σημαντική παράμετρος λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Όπως έχουμε δει ο συντελεστής θερμοκρασίας για την τάση ανοικτού κυκλώματος είναι κατά προσέγγιση ίσος με -2.3 mV/◦C για καθένα ηλιακό στοιχείο. Ο συντελεστής τάσης μιας βασικής μονάδας είναι επομένως αρνητικός και πολύ μεγάλος από τη στιγμή που συνδέονται σε σειρά 33 έως 36 ηλιακά στοιχεία. Ο συντελεστής ρεύματος, από την άλλη πλευρά, είναι θετικός και μικρός +6 μΑ/◦C περίπου ανά τετραγωνικό εκατοστό της βασικής μονάδας. Συνεπώς, μόνο η μεταβολή τάσης σε σχέση μ’ αυτή της θερμοκρασίας λαμβάνεται υπόψη για πρακτικούς κυρίως υπολογισμούς ενώ για κάθε βασική μονάδα αποτελούμενη από nc ηλιακά στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά ισούται προς:

Όπως και για καθένα ηλιακό φωτοβολταϊκό πλαίσιο, το ρεύμα βραχυκυκλώματος ISC μιας βασικής μονάδας είναι ανάλογο προς την ακτινοβολία και επομένως θα ποικίλλει κατά τη διάρκεια της ημέρας κατά τον ίδιο τρόπο. Εφόσον η τάση είναι μια λογαριθμική συνάρτηση του ρεύματος, θα εξαρτάται επίσης λογαριθμικά και από την ακτινοβολία. Έτσι, κατά την διάρκεια της ημέρας η τάση θα μεταβάλλεται λιγότερο από ότι το ρεύμα. Στο σχεδιασμό της φωτοβολταϊκής γεννήτριας είναι συνηθισμένο να παραμελείτε η μεταβολή της τάσης και να λαμβάνεται το ρεύμα βραχυκυκλώματος ανάλογο προς την ακτινοβολία.

Η λειτουργία μιας βασικής φωτοβολταϊκής μονάδας θα πρέπει να βρίσκεται όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος. Είναι ένα σημαντικό γνώρισμα της βασικής μονάδας, το ότι η τάση του σημείου μεγίστης ισχύος Vm είναι σχεδόν ανεξάρτητη από την ακτινοβολία. Η μέση τιμή αυτής της τάσης κατά τη διάρκεια της ημέρας μπορεί να εκτιμηθεί στο 80% της τάσης ανοικτού κυκλώματος κάτω από κανονικές συνθήκες ακτινοβολίας. Αυτή η ιδιότητα είναι χρήσιμη για τη σχεδίαση της μονάδας ελέγχου της ισχύος της συσκευής.

Η NOCT (συνήθως μεταξύ 42°C και 46 °C) χρησιμοποιείται τότε για να καθορίσει τη θερμοκρασία του ηλιακού ηλεκτρικού φωτοβολταϊκού στοιχείου Tc κατά τη διάρκεια της λειτουργίας βασικής μονάδας. Συνήθως υποθέτουμε ότι η διαφορά μεταξύ Τc και θερμοκρασίας περιβάλλοντος Ta εξαρτάται γραμμικά από την ακτινοβολία Gr .

ΣΥΛΛΟΓΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΣΩ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Ένα σημαντικό κομμάτι στην εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι να στερεωθούν οι σταθερές βάσεις με γωνία 30-35 μοίρες και νότιο προσανατολισμό  ή οι προσανατολισμοί των φωτοβολταϊκών trackers να ακολουθούν (ιχνηλατούν) την κίνηση του ηλίου.

Στις περισσότερες διατάξεις οι βασικές μονάδες φωτοβολταϊκών στερεώνονται σε’ ένα σταθερό κεκλιμένο επίπεδο με την πρόσοψη προς τον ισημερινό. Αυτό έχει την αρετή της απλότητας, δηλαδή κανένα κινούμενο τμήμα και χαμηλό κόστος. H άριστη γωνία κλίσης εξαρτάται κυρίως από το γεωγραφικό πλάτος, την αναλογία της διάχυτης ακτινοβολίας στην τοποθεσία και το είδος του φορτίου.

Πώς Λειτουργούν τα Φ/Β – ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΤΗΡΙΞΗΣ

Στερεώνοντας τα φωτοβολταϊκά πάνω σε σύστημα με δύο άξονες παρακολούθησης του Ηλίου, μπορεί να συλλεχθεί μέχρι 25% περισσότερη ηλιακή ενέργεια κατά τη διάρκεια ενός έτους, σε σύγκριση με την εγκατάσταση σταθερής κλίσης. Κάτι τέτοιο όμως αυξάνει την πολυπλοκότητα και έχει ως αποτέλεσμα μια χαμηλότερης αξιοπιστίας και υψηλότερου κόστους συντήρηση. Η μονού άξονα παρακολούθηση (ιχνηλάτησης) tracker είναι λιγότερο σύνθετη αλλά παρουσιάζει μικρότερο κέρδος. Ο προσανατολισμός μπορεί να ρυθμίζεται χειροκίνητα, εκεί που η προσφορά εργασίας είναι διαθέσιμη, αυξάνοντας έτσι τις όποιες απολαβές. Έχει υπολογιστεί ότι σε κλίματα με ηλιοφάνεια μια διάταξη επίπεδης κινούμενης πλάκας που έχει κατάλληλη ρύθμιση ώστε να στρέφεται προς τον ήλιο δυο φορές την ημέρα και να παίρνει την κατάλληλη κρίση τέσσερις φορές το χρόνο, μπορεί να συλλαμβάνει το 95% της ενέργειας, που συλλέγετε με ένα σύστημα δυο αξόνων παρακολούθησης πλήρως αυτοματοποιημένο.

Το σύστημα παρακολούθησης είναι ιδιαίτερα σημαντικό συστήματα που λειτουργούν κάτω από συγκεντρωμένο ηλιακό φως. Η δομή αυτών των φωτοβολταϊκών εκτείνεται από έναν απλό σχεδιασμό βασισμένο πάνω σε πλευρικούς ενισχυτικούς καθρέπτες μέχρι τα συγκεντρωτικά συστήματα, τα οποία χρησιμοποιούν υπερσύγχρονες οπτικές τεχνικές, για να αυξήσουν την είσοδο φωτός προς τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία κατά μερικές τάξεις του μεγέθους. Αυτά τα συστήματα πρέπει να προνοούν για ένα σημαντικό γεγονός, ότι δηλαδή συγκεντρώνοντας την ηλιακή ενέργεια ελαττώνουν το γωνιακό άνοιγμα των ακτίνων, που το σύστημα μπορεί να δεχθεί. Η παρακολούθηση γίνεται απαραίτητη από τη στιγμή που ο λόγος συγκέντρωσης υπερβαίνει το 10 περίπου και το σύστημα μπορεί να μετατρέψει μόνο την άμεση συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας.