|
Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) στοιχεία μετατρέπουν την ενέργεια του ορατού φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή αυτή γίνεται άμεσα μέσα στην ίδια τη φωτοβολταϊκή κυψέλη με μόνο αναλώσιμο στοιχείο το ηλιακό φως και παράγεται Συνεχές Ρεύμα (ΣΡ) ικανό να τροφοδοτήσει οποιαδήποτε συσκευή ΣΡ. Το πρώτο συνθετικό της λέξης φωτοβολταϊκό προέρχεται από τη λέξη φως, ενώ το δεύτερο χρησιμοποιείται προς τιμήν του ιταλού φυσικού Alessandro Volta (1745-1827), ενός πρωτοπόρου στη μελέτη του ηλεκτρισμού και γνωστότερου στο ευρύ κοινό από την ανάπτυξη των ηλεκτρικών συσσωρευτών ψευδαργύρου – χαλκού (Zn – Cu) με ηλεκτρολύτη θειικού οξέος (H2SO4).
Οι πιο απλές φωτοβολταϊκές κυψέλες κατασκευάζονται σήμερα από ημιαγώγιμα υλικά δύο στρωμάτων, με επικρατέστερο το πυρίτιο (Si). Με την πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού (τάση) μεταξύ των δύο αυτών στρωμάτων. Οι εμπορικά διαθέσιμες σήμερα ηλιακές κυψέλες πυριτίου μπορούν να μετατρέψουν σε ηλεκτρισμό το 18-19 % περίπου της ηλιακής ακτινοβολίας ορατού φάσματος. Οι ηλιακές κυψέλες πυριτίου διακρίνονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες. Ανάλογα με την επεξεργασία που επιδέχεται η πρώτη ύλη κατασκευής τους, κατασκευάζονται κυψέλες από άμορφο, μονοκρυσταλλικό και πολυκρυσταλλικό πυρίτιο.
Οι κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου απαιτούν πρώτη ύλη πολύ υψηλής καθαρότητας και έχουν την υψηλότερη απόδοση μετατροπής ηλιακής ακτινοβολίας προς ηλεκτρική ενέργεια, έχουν όμως και την υψηλότερη τιμή αγοράς.
Οι κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι φθηνότερες, επειδή βασίζονται σε απλούστερη μέθοδο παραγωγής, αλλά έχουν μικρότερο βαθμό απόδοσης σε σχέση με τις μονοκρυσταλλικές.
Το άμορφο πυρίτιο χρησιμοποιείται για την κατασκευή κυψελών υπό μορφή λεπτής μεμβράνης. Οι κυψέλες αυτές έχουν το μικρότερο βαθμό απόδοσης, όμως παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως αναφέρεται και στη συνέχεια.
Κυψέλες υπό μορφή λεπτής μεμβράνης κατασκευάζονται και από άλλα υλικά, όπως ο δισεληνιούχος ινδικός χαλκός (CuInSe2), το τελλουριούχο κάδμιο (CdTe) και το αρσενιούχο γάλλιο (GaAs). Η τεχνολογία αυτή επιτρέπει την εφαρμογή των ηλιακών κυψελών επί υποστρωμάτων χαμηλού κόστους όπως πλαστικό και γυαλί και την χρησιμοποίησή τους για την αντικατάσταση βασικών δομικών στοιχείων υφιστάμενων ή νέων κατασκευών.
Η φωτοβολταϊκή κυψέλη αποτελεί το βασικό δομικό στοιχείο των συστημάτων παραγωγής ενέργειας από τον ήλιο και αποδίδει, υπό βέλτιστες συνθήκες, ισχύ 1,5 W στα 0,5 V. Η απόδοση της κυψέλης μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος και με την αύξηση της γωνίας της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας.
Οι κυψέλες συνενώνονται ηλεκτρικά μεταξύ τους, διαμορφώνοντας την μικρότερη εμπορικά αξιοποιήσιμη αυτόνομη μονάδα, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Οι κυψέλες, οι οποίες αποτελούν το πλαίσιο, τοποθετούνται και ενθυλακώνονται σε κατάλληλο υλικό, συνήθως πλαστικό πολυμερές, ώστε να εξασφαλίζεται η κατάλληλη ηλεκτρική μόνωση και να παρέχεται η απαιτούμενη προστασία έναντι των καιρικών φαινομένων (βροχή, χαλάζι, πάγος, χαμηλές θερμοκρασίες). Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια εδράζονται σε κατάλληλες βάσεις διαφοροποιούμενες ανάλογα με την εφαρμογή. Έτσι κατασκευάζονται από απλές κατασκευές για τη συγκράτηση ενός πλαισίου σε μια στέγη, έως σύνθετες διατάξεις παρακολούθησης της τροχιάς του ήλιου δύο αξόνων.
|
|
Η συνηθέστερη τάση ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι τα 12 V, η οποία επαρκεί για τη φόρτιση κοινών συσσωρευτών. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ενώνονται μεταξύ τους είτε σε σειρά είτε παράλληλα, ανάλογα αν επιδιώκεται η αύξηση της τάσης ή του ρεύματος, σχηματίζοντας τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Συνδυασμός και των δύο συνδέσεων απαντάται σε μεγάλα συστήματα παραγωγής. Για την προστασία των κυψελών και των πλαισίων και την ομαλή ροή του ηλεκτρικού ρεύματος κατά τη συνδεσμολογία τους τοποθετούνται δίοδοι φραγής και δίοδοι παράκαμψης.
Τα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο μπορούν να λειτουργήσουν είτε αυτόνομα, είτε συνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο, είτε συνεργαζόμενα με κάποιο άλλο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (από άλλη ΑΠΕ ή συμβατικό). Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά μερικοί συνδυασμοί των παραπάνω.
Τα αυτόνομα ηλιακά συστήματα παραγωγής ενέργειας αποτελούν μια επωφελή και εύκολη λύση για την κάλυψη των αναγκών απομακρυσμένων από το δίκτυο οικισμών ή κατοικιών. Συνοδεύονται απαραίτητα από κάποιο μέσο αποθήκευσης ενέργειας (συνηθέστερα συσσωρευτές).
Τα αυτόνομα συνδυασμένα ηλιακά και αιολικά συστήματα έχουν το πλεονέκτημα ότι παράγουν ενέργεια από ανεμογεννήτριες κατά τις σκοτεινές ώρες του 24ώρου. Συνοδεύονται κι αυτά από κάποιο μέσο αποθήκευσης ενέργειας.
Τα αυτόνομα υβριδικά συστήματα συνήθως δεν απαιτούν μέσα αποθήκευσης (συσσωρευτές), παράγουν ενέργεια από εγκατεστημένη ντιζελογεννήτρια κατά τις ώρες απουσίας ήλιου ή/και αέρα και εξορθολογικοποιούν την εγκατεστημένη ισχύ των ηλιακών ή/και αιολικών μονάδων.
Στα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας συστήματα μπορεί να εξοικονομηθεί το κόστος της εναλλακτικής παραγωγής και παράλληλα, εφ όσον υπάρχει περίσσεια ισχύος, ο διαχειριστής του συστήματος (ΔΕΣΜΗΕ ή ΔΕΗ) αγοράζει την πλεονάζουσα ενέργεια σε εξαιρετικά προνομιακές τιμές. Δεδομένου ότι η παραγωγή από ΑΠΕ παρουσιάζει σημαντικές ωριαίες, ημερήσιες και εποχικές διακυμάνσεις, τα συστήματα αποθήκευσης στα διασυνδεδεμένα συστήματα διευκολύνουν τον καλύτερο συσχετισμό της τροφοδοσίας με τη ζήτηση.
Η ανάγκη μετατροπής του παραγόμενου από τις φωτοβολταϊκές κυψέλες Συνεχούς Ρεύματος (ΣΡ) σε Εναλλασσόμενο Ρεύμα (ΕΡ) συγκεκριμένων προδιαγραφών τάσης και συχνότητας, είτε για την τροφοδοσία συσκευών ΕΡ, είτε για τη διασύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο, καθιστά επιτακτική την παρεμβολή ηλεκτρονικών ισχύος για την προαναφερόμενη μετατροπή και τον έλεγχο των παραμέτρων του παραγόμενου ρεύματος. Ο συνηθέστερος εξοπλισμός αποτελείται από αντιστροφείς ΣΡ/ΕΡ, ελεγκτές φόρτισης συσσωρευτών, διατάξεις προστασίας από υπερφορτίσεις και βραχυκυκλώματα και ηλεκτρονικές μονάδες συνεχούς παρακολούθησης και ελέγχου του σταθμού παραγωγής και μετάδοσης δεδομένων σε απομακρυσμένα σημεία. |
