(εισαγωγικό - ενημερωτικό άρθρο)
ΓΕΝΙΚΑ
Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο
Το ΦωτοΒολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική.
Το Φ/Β φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Ανρί Μπεκερέλ. (Antoine Henri Becquerel, 15 Δεκεμβρίου 1852 - 25 Αυγούστου 1908, Γάλλος φυσικός βραβευμένος με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1903 για την ανακάλυψη της Ραδιενέργειας).
Πρόκειται για την απορρόφηση της ενέργειας του φωτός (μέσω των φωτονίων) από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Φ/Β στοιχείου και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στο Φ/Β στοιχείο οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο.
ΠΩΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΟΥΝ ΤΑ Φ/Β;
Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) είναι ημιαγωγοί, που μετατρέπουν το φως απευθείας σε ηλεκτρισμό. Συνήθως είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο που περιέχει ίχνη άλλων στοιχείων (π.χ. βόριο και φωσφόρο) και ανήκουν στην ίδια κατηγορία με τα τρανζίστορ, τις ηλεκτρονικές συσκευές υγρών κρυστάλλων (LED), τα μικροτσίπ υπολογιστών και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές.
(Ημιαγωγός είναι κάθε υλικό, όπως το γερμάνιο ή το πυρίτιο, που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από μέσα του με κάποιες προϋποθέσεις, όπως είναι αύξηση της θερμοκρασίας ή η πρόσπτωση φωτός. Η ειδική αντίσταση των ημιαγωγών κυμαίνεται μεταξύ των αγωγών και των μονωτών.
Ένας ημιαγωγός, όπως το πυρίτιο (Si), στην καθαρή κρυσταλλική του μορφή, είναι καλός μονωτής. Ωστόσο, όταν έστω και ένα άτομο μέσα σε εκατομμύρια αυτών αντικατασταθεί από μία πρόσμιξη (φωσφόρος ή αρσενικό) που προσθέτει ένα ηλεκτρόνιο από την κρυσταλλική δομή τότε η αγωγιμότητά τους αυξάνεται θεαματικά. Το ίδιο συμβαίνει αν η πρόσμιξη γίνει με άτομο που αφαιρεί ηλεκτρόνιο (βόριο, αργίλιο ή γάλλιο).
στην πρώτη περίπτωση, προκύπτει ημιαγωγός τύπου n (n από το negative καθώς έχουμε παραπάνω ηλεκτρόνια άρα και φορείς αρνητικού φορτίου)
και στη δεύτερη τύπου p (p από το positive καθώς έχουμε επιπλέον οπές που δηλώνουν απουσία ηλεκτρονίων άρα ύπαρξη θετικού φορτίου).
Αυτός ο τρόπος πρόσμιξης ονομάζεται doping (νόθευση).
Λεπτά στρώματα ημιαγωγών υλικών συσκευασμένα μαζί συνθέτουν διάφορους τύπους τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές που αφορούν, μεταξύ άλλων, τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Το τρανζίστορ, η κρυσταλλοδίοδος, η δίοδος Zener, η δίοδος Tunnel και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι μερικά από τα στοιχεία που ανήκουν στους ημιαγωγούς.)
Το φως είναι αποτέλεσμα της «ιδιόρρυθμης» κίνησης σωματιδίων που ονομάζονται φωτόνια, και η συχνότητα κίνησής τους εμπίπτει στη διέγερση των οπτικών νεύρων του εγκεφάλου των περισσότερων έμβιων οργανισμών. Όταν μία ακτίνα φωτός προσπίπτει στην Φ/Β κυψέλη, ένα μέρος από τα φωτόνια φτάνουν στην διεπιφάνεια των δύο στρωμάτων (θετικού και αρνητικού), απελευθερώνοντας ηλεκτρόνια στον κρύσταλλο του πυριτίου.
Εάν τα φωτόνια έχουν αρκετή ενέργεια (βλέπε παρακάτω στις συνθήκες τοποθέτησης Φ/Β για το πότε τα φωτόνια είναι «Δυνατά»…δηλ. το καλοκαίρι!), τα ηλεκτρόνια θα μπορέσουν να κινηθούν εντός του ηλεκτρικού πεδίου της διεπιφάνειας ( n, p ) και κατόπιν μέσω των ατόμων του πυριτίου στην κυψέλη και στο εξωτερικό κύκλωμα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος ! (δηλαδή έχουμε διαφορά δυναμικού – δηλαδή ΡΟΗ ηλεκτρονίων, γνωστή ως Ηλεκτρικό Ρεύμα !). Καθώς ρέουν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος, απελευθερώνουν την ενέργειά τους με τη μορφή ωφέλιμου έργου (περιστρέφοντας κινητήρες, ανάβοντας λάμπες, κ.λπ.) και επιστρέφουν στην ηλιακή κυψέλη. Η φωτοβολταϊκή διεργασία πραγματοποιείται απολύτως σε στερεά αγώγιμη κατάσταση και είναι αυτοτελής. Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη και δεν καταναλώνονται ούτε εκπέμπονται υλικά. Το φαινόμενο της παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από την ηλιακή ακτινοβολία με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και ανακαλύφθηκε από τον Αϊνστάιν το 1905. (για την ανακάλυψή του αυτή πήρε βραβείο Νόμπελ το 1921).
(Albert Einstein, 14 Μαρτίου 1879 – 18 Απριλίου 1955, ΓερμανοΕβραϊκός Φυσικός βραβευμένος με το βραβείο Νόμπελ το 1921
ΤΥΠΟΙ – ΕΙΔΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ
1) Μονοκρυσταλλικού Πυριτίου πλαίσια (στοιχεία)
Κατασκευάζονται από κυψέλες που έχουν κοπεί από ένα κυλινδρικό κρύσταλλο πυριτίου. Αποτελούν τα πιο αποδοτικά φωτοβολταϊκά με αποδόσεις της τάξεως του 15%. Η κατασκευή τους όμως είναι πιο πολύπλοκη γιατί απαιτεί την κατασκευή του μονοκρυσταλλικού πυριτίου με αποτέλεσμα το υψηλότερο κόστος κατασκευής.
2) Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου πλαίσια (στοιχεία)
Τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κατασκευάζονται από ράβδους λιωμένου και επανακρυσταλλομένου πυριτίου. Για την παραγωγή τους οι ράβδοι του πυριτίου κόβονται σε λεπτά τμήματα από τα οποία κατασκευάζεται η κυψέλη του φωτοβολταϊκού. Η διαδικασία κατασκευής τους είναι απλούστερη από εκείνη των μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών με αποτέλεσμα το φθηνότερο κόστος παραγωγής. Παρουσιάζουν όμως σε γενικές γραμμές μικρότερη απόδοση της τάξεως του 12%.
3) Αμορφου Πυριτίου πλαίσια (στοιχεία)
Τα φωτοβολταϊκά αυτής της κατηγορίας αποτελούνται από ένα λεπτό στρώμα πυριτίου που έχει εναποτεθεί ομοιόμορφα σε κατάλληλο υπόβαθρο. Σαν υπόβαθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια μεγάλη γκάμα υλικών από δύσκαμπτα μέχρι ελαστικά με αποτέλεσμα να βρίσκει μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών, ιδιαίτερα σε καμπύλες ή εύκαμπτες επιφάνειες.
Ενώ το άμορφο πυρίτιο παρουσιάζει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στην απορρόφηση του φωτός, εντούτοις η φωτοβολταϊκή απόδοση του είναι του μικρότερη των κρυσταλλικών, περίπου 6%. Το φθηνό όμως κόστος κατασκευής τους τα κάνει ιδανικά σε εφαρμογές όπου δεν απαιτείται υψηλή απόδοση.
4) Αλλα είδη
Μια σειρά από νέα υλικά που μπορούν να παραχθούν με φθηνότερες διαδικασίες από το κρυσταλλικό πυρίτιο όπως το CdTe(τελουριούχο κάδμιο) και το CIS (δισεληνιούχος χαλκός) έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα.
(εξέλιξη της απόδοσης των Φ/Β συστημάτων από το 1975 έως σήμερα)
ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ – ΕΦΑΡΜΟΓΗ - ΚΟΣΤΟΣ
Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χωρίζονται σε 2 πρακτικές κατηγορίες ως προς την τοποθέτηση. Αυτά που τοποθετούνται για (1) Οικιακή Χρήση και αυτά για (2) Αγροτική ή Επαγγελματική Χρήση.
Στην κατηγορία (1) της Οικιακής χρήσης ,έχουμε 2 υποκατηγορίες, αυτή της παραγωγής μέχρι 5 kWp (κιλοβάτ) μέσω μονοφασικής γραμμής και αυτή της παραγωγής μέχρι 10 kWp (κιλοβάτ) μέσω τριφασικής γραμμής.
Αυτά τοποθετούνται κυρίως σε στέγες, δώματα (ταράτσες) Η/Χ χώρους κατοικιών ή και οικοδομών ακόμα. Η τοποθέτησή τους είναι μια εξειδικευμένη εργασία που πραγματοποιείται ΜΟΝΟΝ από εγκεκριμένο ηλεκτρολόγο κατόπιν άδειας μικρής κλίμακας της Πολεοδομίας και έλεγχο από Διπλωματούχο Πολιτικό Μηχανικό περί της Στατικής επάρκειας του φέροντος στοιχείου όπου θα στερεωθεί το Φ/Β σύστημα.
Στην κατηγορία (2) της Αγροτικής ή Επαγγελματικής χρήσης έχουμε την παραγωγή από 100 kWp και μέχρι μερικά ΜWp (μεγαβάτ). Για αυτά απαιτούνται πλήθος ειδικών αδειών από φορείς του Δημοσίου και χρειάζεται η συνδρομή ειδικών (Διπλωματούχου Πολιτικού Μηχανικού, Ηλεκτρολόγου κλπ.) για την κατασκευή τέτοιων μεγάλης έκτασης μονάδων ηλεκτρικής παραγωγής.
Όσον αφορά την εφαρμογή τους έχουμε πάλι 2 κατηγορίες.
Αυτά που είναι (1) Αυτόνομα, δηλ. η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνεται αποκλειστικά και μόνο από τον ιδιοκτήτη του Φ/Β συστήματος μέσω συνδέσεων με μεγάλη συστάδα συλλεκτών-μπαταριών (αυτά βρίσκουν εφαρμογή σε εξοχικές κατοικίες και περισσότερο στις αυθαίρετες όπου δεν είναι δυνατή η σύνδεση με το δίκτυο της ΔΕΗ).
Και αυτά που είναι (2) Διασυνδεδεμένα, δηλ. αυτά που συνδέονται με το δίκτυο της ΔΕΗ και η ηλεκτρική ενέργεια πωλείται προς τη ΔΕΗ έχοντας ο ιδιοκτήτης σημαντικό οικονομικό όφελος (χρηματικό έσοδο σε Ευρώ) μέσω ειδικών αδειών με τη ΔΕΗ συνήθως 25ετίας.
Σημαντικό κριτήριο για την μέγιστη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η ύπαρξη ηλιακής ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι το Φ/Β μπορεί να τοποθετηθεί επάνω σε σταθερή βάση και να έχει συγκεκριμένη απόδοση ή να τοποθετηθεί επάνω σε έναν ανιχνευτή (tracker) έτσι ώστε να ακολουθεί συνεχώς την πορεία κίνησης του ήλου και να μας δίνει τη μέγιστη απόδοση όλη την ημέρα.
Για τα σταθερά συστήματα της Ελλάδος ορθό είναι να τοποθετούνται αυτά με κλίση 30 έως 35 μοιρών σε Νότια θέση (να «κοιτάνε» δηλ. τον Ισημερινό.). Μέγιστη απόδοση έχουμε σε εξωτερική θερμοκρασία από 42 οC έως 46 oC βαθμών Κελσίου.
Ενώ για συστήματα σε χώρες που βρίσκονται κάτω από τον Ισημερινό όπως η νότια Αφρική, Αυστραλία κλπ. τα Φ/Β συστήματα πρέπει να «κοιτάνε» στο Βορρά !
Το κόστος ενός Φ/Β ποικίλλει από πολλούς παράγοντες όπως του τύπου, θέσης, διάταξης, ως αναφέρθηκαν παραπάνω. Ένας μέσος εμπειρικός κανόνας πάντως για το κόστος και την απόδοσης ενός Φ/Β συστήματος είναι ότι :
Φ/Β για παραγωγή 1kWpà απαιτεί 15 τετρ. μέτρα επιφάνειας,
κοστίζει 6000 Ευρώ,
παράγει 1300 kWh ανά έτος.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Το γενικό συμπέρασμα είναι ότι η ήλιος μας παρέχει δωρεάν ενέργεια όπου με τη σειρά μας μπορούμε -μέσω της τεχνολογίας που έχει αναπτυχθεί από το 1975 για την κατασκευή Φ/Β συστημάτων- να τη μετατρέψουμε σε ηλεκτρική. Το κόστος φυσικά αγοράς και τοποθέτησης ενός τέτοιου συστήματος στις μέρες μας είναι σημαντικό.
Τρόποι χρηματοδότησης μπορούν να βρεθούν και μέσω των τραπεζών πλέον. Ενώ η οικονομική απόσβεση σε 5 έως 7 χρόνια το καθιστά μια συμφέρουσα επένδυση τόσο για το περιβάλλον όσο και για τον οικογενειακό μας προϋπολογισμό.
Σημαντική παράμετρος επίσης είναι να απευθυνθούμε σε κάποιο τεχνικό γραφείο ή εταιρία που να γνωρίζει επ’ακριβώς το αντικείμενο της μελέτης και τοποθέτησης Φ/Β, για να έχουμε τη μέγιστη ασφάλεια και απόδοση του Φωτοβολταϊκού μας συστήματος που θα επιθυμούσαμε να τοποθετήσουμε είτε για ιδιωτική είτε για επαγγελματική χρήση.
(Βιβλιογραφία : Internet)
Σωτήριος Θ. Γουδουσάκης
Διπλ. Πολιτικός Μηχανικός
ALBUM
ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΩΝ
.jpg)
