Φωτοβολταϊκα Στοιχεία

Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως «φωτοβολταϊκά» ή «Φ/Β», αποτελούν μια προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο όρος «φωτο» προέρχεται από το φως, το δε «βολτ» οφείλεται στον Alessandro Volta (1745-1827), έναν πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού. Έτσι  «φωτοβολταϊκό» στην κυριολεξία σημαίνει «Φώτο-ηλεκτρικό». Εννοιολογικά, στην απλούστερη της μορφή μια Φ/Β διάταξη είναι μια ηλιακά τροφοδοτούμενη μπαταρία, όπου το μόνο αναλώσιμο είναι το φως που την τροφοδοτεί. Δεν υπάρχουν κινούμένα μέρη, η λειτουργία είναι φιλική προς το περιβάλλον και , εάν η διάταξη προστατεύεται σωστά από την επίδραση του περιβάλλοντος, κανένα τίμημα δεν υφίσταται φθορά.
  Επειδή το φως του ηλίου είναι διαθέσιμο παντού , οι φωτοβολταϊκές διατάξεις έχουν πολλά πρόσθετα οφέλη που τις καθιστούν εφαρμόσιμες και αποδεκτές από όλους τους κατοίκους του πλανήτη. Τα Φ/Β συστήματα είναι πολύ-συναρτησιακά, οπότε η ηλεκτροπαραγωγή τους μπορεί τυπικά να προσαρμοστεί σε κάθε εφαρμογή, από καταναλωτικές χρήσεις χαμηλής ισχύος (ρολόγια, μικρούς υπολογιστές χειρός, κ.α) μέχρι σημαντικές ενεργειακές απαιτήσεις, όπως η ηλεκτροπαραγωγή σε κεντρικούς σταθμούς των επιχειρήσεων ηλεκτρισμού.

Τα φωτοβολταϊκά εγγυώνται:

  • μηδενική ρύπανση

  • αθόρυβη λειτουργία

  • αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής (που φθάνει τα 30 χρόνια)

  • απεξάρτηση από την τροφοδοσία καυσίμων για τις απομακρυσμένες περιοχές

  • δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες

  • ελάχιστη συντήρηση

        Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό ισχύος 1 κιλοβάτ (kW) παράγει κατά μέσο όρο 1.200-1.500 κιλοβατώρες το χρόνο (ανάλογα με την ηλιοφάνεια της περιοχής) και αποτρέπει κατά μέσο όρο κάθε χρόνο την έκλυση 1.450 κιλών διοξειδίου του άνθρακα, όσο δηλαδή θα απορροφούσαν δύο στρέμματα δάσους.

Ηλιακή Ενέργεια

Βρισκόμαστε στη γειτονιά ενός αντιδραστήρα σύντηξης, στον Ήλιο μας, όπου, σε μια κόλαση φωτιάς, πυρήνες υδρογόνου μετατρέπονται σε πυρήνες ηλίου. Εξαιτίας της παραπάνω πυρηνικής αντίδρασης ο ήλιος μας χάνει 4,5 εκατομμύρια τόνους από τη μάζα του σε κάθε δευτερόλεπτο και τη μετατρέπει σε ισοδύναμη ενέργεια, σύμφωνα με την αρχή της ισοδυναμίας μάζας - ενέργειας της Θεωρίας της Σχετικότητας.

 Η ισχύς που ακτινοβολεί ο Ήλιος προς όλες τις κατευθύνσεις είναι ίση με 4Χ 1026 W. Φυσικά η περισσότερη διασκορπίζεται στο αχανές σύμπαν και μόνο ένα πολύ μικρό μέρος φτάνει στη Γη. Συγκεκριμένα, σε κάθε τετραγωνικό μέτρο του πλανήτη μας προσπίπτει ισχύς μόνο 1 kW. Παρόλο το μικρό μέγεθος της ισχύος αυτής, η ενέργεια που δέχεται η Γη σε όλη της την επιφάνεια είναι 20.000 φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που ξοδεύει όλη η ανθρωπότητα για τις ανάγκες της με οποιαδήποτε μορφή

 

 

Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείτε από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο με 10000 φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια ενεργειακοί κατανάλωση. Κατά μέσο όρο, προσπίπτουν 1700 kWh (1ΒΒL=1700kWh=6GJ) σε κάθε τετραγωνικό μέτρο κάθε χρόνο. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας κυμαίνεται σημαντικά και εξαρτάται από την εποχή (πχ. Για την Ελλάδα η μέση τιμή είναι 7 kwh/m² να ημέρα το καλοκαίρι και μόλις 2 kwh/m²  ανά ημέρα τον χειμώνα), τη γεωγραφική θέση και το υψόμετρο(αυξάνει  7 W/m² ανά 100m). Το σχήμα 1 παρουσιάζει την κατανομή της μέσης συνολικής ετήσιας έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, σε οριζόντιο επίπεδο, στις διάφορες περιοχές της Ελλάδος.

 Το φως του ήλιου που φθάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται κυρίως από δυο συνιστώσες, συγκεκριμένα το άμεσο φως και το έμμεσο ή διάχυτο φως, το οποίο είναι το φως που έχει διασκορπιστεί από τα μόρια της σκόνης και του νερού στην ατμόσφαιρα.

Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιμοποιούν όχι μόνο την άμεση συνιστώσα του φωτός αλλά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και με νεφοσκεπή ουρανό. Συνεπώς αποτελεί παρεξήγηση ότι τα Φ/Β συστήματα λειτουργούν μόνο με απόλυτη ηλιοφάνεια όποτε δεν είναι κατάλληλα για χρήση σε εύκρατα κλίματα. Για να προσδιοριστεί το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής ενός Φ/Β σε μια συγκεκριμένη θέση, είναι σημαντικό να εκτιμηθεί η μέση ηλιακή ενέργεια που λαμβάνεται κατά την διάρκεια ενός έτους, αντί να γίνεται αναφορά στη στιγμιαία ακτινοβολία.

Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο

  • Το φως συνίσταται από φωτόνια 'η σωματίδια ηλιακής ενέργειας

  • Όταν προσπίπτουν σε ένα κελί PV, μπορούν να ανακλαστούν, απορροφηθούν ή να διαπεράσουν το κελί.

  • Μόνο τα απορροφημένα φωτόνια παράγουν ηλεκτρισμό

  • Όταν συμβαίνει αυτό η ενέργεια του φωτονίου μετατρέπεται σε ένα ηλεκτρόνιο ενός ατόμου του στοιχείου.

  • Το ηλεκτρόνιο μπορεί να αποδράσει από τη θέση του δημιουργώντας μια "οπή".

Το φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται ουσιαστικά από δυο ή περισσότερες στιβάδες ημιαγωγών. Όταν πέσουν πάνω στο στοιχείο φωτόνια δημιουργούνται ιοντικά ζεύγη (ηλεκτρόνια και οπές). Αυτά τα φορτία κινούνται μέσα στο πλέγμα των ημιαγωγών και όταν περάσουν από τον έναν ημιαγωγό τον άλλο δημιουργούν ένα δυναμικό.

Μεγάλο μέρος της ηλιακής ενέργειας εκπέμπεται στην υπέρυθρη και την υπεριώδη ακτινοβολία, γεγονός που εξηγεί και τις χαμηλές τιμές των θεωρητικών αποδοτικοτήτων μετατροπής (20-30%).

 Ημιαγωγοί: Υλικά με ενδιάμεση ηλεκτρική αγωγιμότητα.(μεταξύ αγωγών και μονωτών). Από τα στοιχεία τα κυριότερα ημιαγώγιμα υλικά είναι το Γερμάνιο (Ge), το Πυρίτιο (Si) και το Σελήνιο (Se). Από αυτά το πιο σημαντικό είναι το πυρίτιο, γιατί βρίσκεται σε μεγαλύτερη αφθονία στη φύση (25%) μετά το Οξυγόνο (50%).

PV: Σύνδεση δύο λεπτών στιβάδων ημιαγωγών, ενος τύπου-p και ενός τύπου-n

Ένα άτομο πυριτίου έχει 4 σχετικά αδύναμα δέσμια ηλεκτρόνια (σθένους), τα οποία συνδέονται με γειτονικά άτομα.Εάν αντικατασταθεί ένα άτομο πυριτίου με ένα άτομο που έχει 3 ή 5 άτομα ηλεκτρόνια σθένους, θα παραχθεί με τον τρόπο αυτό είτε ένας χώρος χωρίς κανένα ηλεκτρόνιο (μια οπή), είτε ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο που μπορεί να κινείται πιο ελευθέρα από τα αλλά.

p-τύπου: Η δημιουργία πλεοναζόντων οπών επιτυγχάνεται με ενσωμάτωση στο πυρίτιο ατόμων με 3 ηλεκτρόνια σθένους, συνήθως βορίου

n-τύπου: Η δημιουργία προσθέτων ηλεκτρονίων επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση ενός ατόμου με 5 ηλεκτρόνια σθένους συχνότερα φωσφόρου

Παράγοντας κόστους

Συμβολή στο συνολικό κόστος

Φ/Β πλαίσια ή πάνελ για τη Φ/Β γεννήτρια

Στηρίγματα των Φ/Β συλλεκτών και ηλεκτρικές καλωδιώσεις των Φ/Β στοιχείων.

Συσσωρευτές αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας.

Διατάξεις ρυθμίσεων τάσης και ισχύος , μετατροπής τάσης , προστασίας ελέγχου κ.λ.π

Βοηθητική γεννήτρια

65%

5%

15%

12%

 

3%

Συσκευή

Ισχύς

Ώρες λειτουργείας

Ηλεκτρική κατάνάλ.

Φώτα

Ψυγείο

Τηλεόραση

Ηλεκτρική σκούπα

Στεγνωτήρας μαλλιών

Φρυγανιέρα

Πλυντήριο ρούχων

Σύνολο

1,0 ΚW

0,3 KW

0,2 KW

0,6 KW

 

0,4 KW

1,5 KW

3,5 KW

7,5 KW

3,0 h

9,0 h

4,0 h

0,5 h

 

0,5 h

0,2 h

0,2 h

3,0 KWh

2,7 KWh

0,8 KWh

0,3 KWh

 

0,2 KWh

0,3 KWh

0,7 KWh

8,0 KWh

 

© Psomadakis Panagiotis