∆ιερεύνηση Εφαρµογών Φωτοβολταϊκών Συστηµάτων για ηλεκτροπαραγωγή: Εφαρµογή στη Ν. Λέσβο
Περιβαλλοντική Πολιτική και ∆ιαχείριση
Πανεπιστήµιο Αιγαίου Τµήµα Περιβάλλοντος
Γκουρίδης Ανδρέας
Ιανουάριος 2008
∆ιερεύνηση Εφαρµογών Φωτοβολταϊκών Συστηµάτων για ηλεκτροπαραγωγή: Εφαρµογή στη Ν. Λέσβο
Περιβαλλοντική Πολιτική και ∆ιαχείριση
Πανεπιστήµιο Αιγαίου Τµήµα Περιβάλλοντος
Γκουρίδης Ανδρέας
Ιανουάριος 2008
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη των ηλιακών πηγών ενέργειας για ηλεκτροπαραγωγή στην περιοχή της Λέσβου. Ο στόχος του έργου επικεντρώνεται όχι µόνο στην τεχνική περιγραφή ενός Φ/Β σταθµού 200 Φ/Β πλαισίων µε 3 περιπτώσεις συστήµατος παρακολούθησης, αλλά και στην οικονοµική του ανάλυση καθώς και στη σύνδεση της παραγωγής ενέργειας µε την µέση κατανάλωση 10 οικιών των 80m2. Ο υπολογισµός της κατανάλωσης βασίζεται σε δεδοµένα της ∆ΕΗ για τους µήνες Ιανουάριο και Μάρτιο του 2003 και τα µετεωρολογικά δεδοµένα αντλούνται από τον µετεωρολογικό σταθµό Πολυχνίτου.
Με τη χρήση του λογισµικού PHANTASM του προγράµµατος TRNSYS γίνεται η ενεργειακή µελέτη του σταθµού και µε τη χρήση του λογισµικού πακέτου RETScreen International, γίνεται η οικονοµική και η περιβαλλοντική ανάλυση του σταθµού.
Λέξεις κλειδιά : Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας, Φωτοβολταϊκό πάρκο, Υβριδικό σύστηµα
ABSTRACT
The subject of the present thesis is the description of a photovoltaic park situated in the island of Lesvos. The analysis involves not only the technical description of the park, but the economic and environmental analysis as well. The park consists of 200 PV modules installed with a triple use tracking system. The output data of the park are finally compared with the consumption of 10 mediate houses in Lesvos. The consumption is based on true data from the Public Electricity Enterprise of Greece for the months of January and March of 2003.
Key Words : Renewable energy, Photovoltaics, Hybrid System, PHANTASM, TRNSYS, RETscreen International
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ...iv
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ...v
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ...vi
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ...2
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ...4
2.1. Γενικά...4
2.2. Προσανατολισµός...5
2.3. Είδη Φ/Β ανάλογα µε την σύνδεσή τους στο δίκτυο και εφαρµογές...6
2.4. Είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων ανάλογα µε το υλικό και την τεχνολογία κατασκευής τους...10
2.5. Εφαρµογές στην Ελλάδα...12
2.6. Ηλιακή ενέργεια στην Ελλάδα...13
2.7. Εφαρµογές...14
2.7.1. Φ/Β και νέες τεχνολογίες...14
2.7.2. Φ/Β και εφαρµογές τους σε διάφορες περιοχές ανά τον κόσµο...17
2.8. Το πρόγραµµα TRNSYS...20
2.9. Το µοντέλο PHANTASM του TRNSYS...21
2.10. Το πρόγραµµα RETScreen...22
2.11. Συµπεράσµατα...22
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΜΕΘΟ∆ΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ∆Ε∆ΟΜΕΝΑ...24
3.1. Μετεωρολογικά δεδοµένα...24
3.1.1. Εισαγωγή και παρεµβολή µετεωρολογικών δεδοµένων...24
3.1.2. Επεξεργασία µετεωρολογικών δεδοµένων...24
3.2. Τεχνική Περιγραφή...25
3.2.1. Χωροθέτηση...25
3.2.2. Παρακολούθηση τροχιάς διπλού άξονα...26
3.2.3. Παρακολούθηση τροχιάς µονού άξονα...28
3.2.4. Φ/Β πλαίσια σταθερής κλίσης. ...29
3.3. Εισαγωγή δεδοµένων στο µοντέλο Phantasm ...30
3.4. Παραµετρική ανάλυση...33 3.4.1. Εύρεση της βέλτιστης γωνίας για την εγκατάσταση σταθερού άξονα33
3.4.2. Σύγκριση του Φ/Β σταθµού για τις περιπτώσεις διαφορετικών
συστηµάτων παρακολούθησης τροχιάς(tracking systems) ...34
3.4.3. Καθηµερινή ακτινοβολία και παραγωγή ενέργειας από την Φ/Β εγκατάσταση...36
3.4.4. Φορτία της ∆ΕΗ και αναγωγή αυτών για υπολογισµό κατανάλωσης κατοικίας...38
3.4.5. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του Φ/Β πάρκου σε συνάρτηση µε την κατανάλωση οικιών...40
3.5. Οικονοµική Ανάλυση...44
3.6. Μελέτη για Φ/Β εγκατάσταση σταθερού άξονα...44
3.6.1. Ανάλυση κόστους...44
3.6.1.1. Αρχικά κόστη...45
3.6.1.2. Ετήσια κόστη...46
3.6.1.3. Περιοδικά κόστη...47
3.6.2. Οικονοµική Ανάλυση...47
3.6.2.1. Οικονοµικές Παράµετροι(Financial Parameters)...47
3.6.2.2. Κόστος έργου και εξοικονόµηση(Project costs and savings) ...48
3.6.2.3. Ανάλυση οικονοµικής σκοπιµότητας(Financial feasibility)...48
3.6.3. Ετήσια ρευστότητα(Yearly cash flows) ...49
3.7. Μελέτη για Φ/Β εγκατάσταση µονού και διπλού άξονα...51
3.8. Επιλογή της βέλτιστης οικονοµικά λύσης...51
3.9. Περιβαλλοντικά οφέλη...52
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ...55
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...58
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α. ΝΟΜΟΘΕΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ...64
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟ∆ΙΑΓΡΑΦΕΣ...78
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ
Πίνακας 3.1 : Ανάλυση για την βέλτιστη επιλογή µεγέθους µετατροπέα και κλίσης
Φ/Β...33
Πίνακας 3.2 : Απεικονίσεις ηλεκτρικής ενέργειας και µέσης ηµερησίας παραγοµένης ηλεκτρικής ενέργειας για τους µήνες Ιανουάριο(1-26) και Μάρτιο(1-20)...41
Πίνακας 3.3 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Φ/Β πάρκου για τις τρεις περιπτώσεις του συστήµατος παρακολούθησης και κατανάλωση συµπλέγµατος 10 οικιών 80m , για τους µήνες Ιανουάριο και Μάρτιο 2 ...43
Πίνακας 3.4 : Σύνοψη ποσοστών ενέργειας που θα µπορεί να παρέχει το Φ/Β πάρκο στις 10 οικίες των 80m για τους µήνες Ιανουάριο και Μάρτιο2 ...44
Πίνακας 3.5 : Αρχικά κόστη στο RETScreen...46
Πίνακας 3.6 : Οικονοµικές Παράµετροι του RETScreen...48
Πίνακας 3.7 : Ανάλυση οικονοµικής σκοπιµότητας στο RETScreen ...49
Πίνακας 3.8 : Ετήσιες ρευστότητες για την εγκατάσταση σταθερής κλίσης...50
Πίνακας 3.9 : Ανάλυση οικονοµικής σκοπιµότητας για σύστηµα παρακολούθησης µονού και διπλού άξονα...51
Πίνακας 3.10 : Συγκεντρωτικά αποτελέσµατα οικονοµικής σκοπιµότητας...51
Πίνακας 3.11 : Ποσοστά συµβολής πρώτων υλών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και συντελεστές αέριων ρύπων(RETScreen) ...53
Πίνακας 3.12 : Πίνακας αποφυγής ρύπων του RETScreen...53
Πίνακας Β.1 : Μηχανικά χαρακτηριστικά...78
Πίνακας Β.2 : Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά...78
Πίνακας Β.3 : Τυπικά δεδοµένα σε συνθήκες ονοµαστικής θερµοκρασίας λειτουργίας κυττάρων...79
Πίνακας Β.4 : Συντελεστές Θερµοκρασίας...79
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ
Σχήµα 2.1: Τυπικό αυτόνοµο Φωτοβολταϊκό σύστηµα(Πηγή : Κοσµόπουλος, 2004). 7 Σχήµα 2.2: Τυπικό διασυνδεδεµένο φωτοβολταϊκό σύστηµα(Πηγή : Κοσµόπουλος,
2004). ...8
Σχήµα 2.3 : υβριδικό σύστηµα ηλιακής και αιολικής ενέργειας(Πηγή :Kalogirou, 2000) ...8
Σχήµα 2.4 : Φωτοβολταϊκή γεννήτρια µονοκρυσταλλικού πυριτίου(Πηγή : Μπάκος, 2004) ...10
Σχήµα 2.5 : Φωτοβολταϊκή γεννήτρια πολυκρυσταλλικού πυριτίου(Πηγή : Μπάκος, 2004) ...11
Σχήµα 2.6 : Κτίρια µε ενσωµατωµένα BIPVs(Πηγή : Κατσαρός, 2004). ...11
Σχήµα 2.7: Ζώνες παρόµοιων µετεωρολογικών συνθηκών(Πηγή :Μαλαµής,1999)...13
Σχήµα 2.8: Φ/Β µονάδα διπλής όψης(Πηγή : Robles – Ocampo et al.,2007) ...15
Σχήµα 2.9 : Επίπεδες ανακλαστικές επιφάνειες(Πηγή : Robles – Ocampo et al.,2007) ...15
Σχήµα 3.1 : Πλαίσιο στήριξης των Φ/Β κυττάρων σε δύο άξονες. ...26
Σχήµα 3.2 : Πλάγια όψη των Φ/Β πλαισίων...27
Σχήµα 3.3 : Κάτοψη του Φ/Β πάρκου µε παρακολούθηση διπλού άξονα. ...28
Σχήµα 3.4 : Κάτοψη του Φ/Β πάρκου µε παρακολούθηση µονού άξονα. ...29
Σχήµα 3.5 : Πλάγια όψη Φ/Β µε σταθερή κλίση...30
Σχήµα 3.6 : Κάτοψη Φ/Β πάρκου µε σταθερή κλίση...30
Σχήµα 3.7 : Εισαγωγή χρονικών, γεωγραφικών και µετεωρολογικών δεδοµένων στο Phantasm...31
Σχήµα 3.8 : Χαρακτηριστικά αντιστροφέα...31
Σχήµα 3.9 : Εισαγωγή Φ/Β πλαισίων και είδος συστήµατος παρακολούθησης(tracking system) ...32
Σχήµα Α.1 : Άδεια Παραγωγής και Προµήθειας ηλεκτρικής ενέργειας.[Πηγή : Μπουλαξής(2005)] ...66
Σχήµα Α.2 : Άδεια εγκατάστασης σταθµών ΑΠΕ.(Πηγή : Μπουλαξής,2005) ...68
Σχήµα Α.3 : Άδεια λειτουργίας σταθµών ΑΠΕ. (Πηγή : Μπουλαξής,2005) ...69
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ
∆ιάγραµµα 3.1 : Ωριαία παραγόµενη αθροιστική ηλεκτρική ενέργεια(MWh) για τις τρεις διαφορετικές περιπτώσεις συστήµατος παρακολούθησης...34
∆ιάγραµµα 3.2 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας(MWh) για Φ/Β πάρκο σταθερής κλίσης...35
∆ιάγραµµα 3.3 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας(MWh) για Φ/Β πάρκο µονού άξονα...35
∆ιάγραµµα 3.4 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας(MWh) για Φ/Β πάρκο διπλού άξονα...35
∆ιάγραµµα 3.5 : Ετήσια ηλιακή ακτινοβολία(Wh/m ) στο οριζόντιο επίπεδο2 ...36
∆ιάγραµµα 3.6 : Ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο(W/m ) και παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια(kWh) για την Φ/Β εγκατάσταση συστήµατος παρακολούθησης σταθερής κλίσης για τις 10 πρώτες µέρες του Ιανουαρίου.
2
...37
∆ιάγραµµα 3.7 : Ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο(W/m ) και παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια(kWh) για την Φ/Β εγκατάσταση συστήµατος παρακολούθησης µονού άξονα για τις 10 πρώτες µέρες του Ιανουαρίου.
2
...37
∆ιάγραµµα 3.8 : Ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο(W/m ) και παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια(kWh) για την Φ/Β εγκατάσταση συστήµατος παρακολούθησης διπλού άξονα για τις 10 πρώτες µέρες του Ιανουαρίου.
2
...38
∆ιάγραµµα 3.9 : Μέσοι όροι ωριαίων καταναλώσεων Ιανουαρίου και Φεβρουαρίου39
∆ιάγραµµα 3.10 : Καταναλώσεις οικίας 80m κατά τη διάρκεια της ηµέρας2 ...39
∆ιάγραµµα 3.11 : Απεικόνιση µέσης ηµερήσιας ωριαίας παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας σε kWh, για τους τρεις τύπους της εγκατάστασης, για τις 26 πρώτες µέρες του Ιανουαρίου 2003...40
∆ιάγραµµα 3.12 : Απεικόνιση µέσης ηµερήσιας ωριαίας παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας σε kWh, για τους τρεις τύπους της εγκατάστασης, για τις 20 πρώτες µέρες του Μαρτίου 2003...41
∆ιάγραµµα 3.13 : Ωριαία παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια σε kW για τον Φ/Β σταθµό διπλού, µονού και σταθερού άξονα και ωριαία κατανάλωση 10 οικιών 80m η καθεµία για τον Ιανουάριο………...
2
42
∆ιάγραµµα 3.14 : Ωριαία παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια σε kW για τον Φ/Β σταθµό διπλού, µονού και σταθερού άξονα και ωριαία κατανάλωση 10 οικιών 80m η καθεµία για τον Μάρτιο
2
...42
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Ο άνθρωπος από αρχαιοτάτων χρόνων εκµεταλλεύεται την ενέργεια για την ανάπτυξη του βιοτικού του επιπέδου. Τις πρώτες περιόδους γινόταν απλή χρήση της ανάβοντας φωτιά, αλλά µε το πέρασµα των αιώνων οι χρήσεις της ενέργειας ήταν ολοένα και περισσότερες.
Πλέον η κατάσταση έχει φύγει από το επίπεδο της χρήσης της για την ικανοποίηση των πρώτων αναγκών της ανθρωπότητας και βρίσκει εφαρµογή σε όλα τα πλαίσια της καθηµερινής ζωής των ανθρώπων(Ψωµάς, 2003).
Η τάση όµως του ανθρώπου για αλόγιστη χρήση ηλεκτρικής κυρίως ενέργειας οδηγεί τον κόσµο σε ραγδαία κατανάλωση των πρώτων υλών, που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή της, αλλά και σε σηµαντική µόλυνση του περιβάλλοντος καθ' ότι αυξάνονται οι ρύποι που οξύνουν το πρόβληµα του θερµοκηπίου. Το γεγονός αυτό οδήγησε τους επιστήµονες στην αναζήτηση πιο ήπιων πηγών ενέργειας που υπάρχουν σε αφθονία, αλλά και δεν επιφέρουν αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Τέτοιες ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) τις τελευταίες δεκαετίες βρίσκουν εφαρµογή σ' ολόκληρο τον κόσµο(Κοσµόπουλος, 2005).
Η παρούσα µεταπτυχιακή διατριβή επικεντρώνεται στην µελέτη εγκατάστασης ενός Φ/Β σταθµού στη Ν. Λέσβο. Η µελέτη σχετίζεται µε το κατά πόσο το έργο είναι βιώσιµο στον οικονοµικό και περιβαλλοντικό τοµέα
Στο Κεφάλαιο 2 αναπτύσσεται η βιβλιογραφική έρευνα. Αυτή περικλείει την θεωρητική µελέτη των Φ/Β συστηµάτων στην Ελλάδα καθώς και την παρουσίαση ποικίλων άρθρων σχετικά µε την ανάπτυξη των Φ/Β στην Ελλάδα και στο εξωτερικό, σε επίπεδο τεχνολογίας, βελτίωσης της απόδοσης, κοινωνικής αποδοχής και στρατηγικής χωροθέτησης αυτών.
Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται αρχικά ανάλυση και µετατροπή των µετεωρολογικών δεδοµένων από τον σταθµό του Πολυχνίτου. Στη συνέχεια ακολουθεί τεχνική περιγραφή του έργου καθώς και µελέτη χωροθέτησής του. Ακολουθεί η παραµετρική ανάλυση του έργου και η καταγραφή των αποτελεσµάτων και η συσχέτιση αυτών µε καταναλώσεις σπιτιών της Λέσβου. Τέλος παρατίθεται η οικονοµική και περιβαλλοντική µελέτη του έργου.
Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα τελικά συµπεράσµατα από την όλη µελέτη καθώς και προτάσεις για µελλοντικές εργασίες.
Στο Παράρτηµα Α παρατίθεται το σύνολο του ισχύοντος νοµοθετικού πλαισίου στην Ελλάδα και στο Παράρτηµα Β παρουσιάζονται οι προδιαγραφές των Φ/Β που χρησιµοποιήθηκαν.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ
2.1. Γενικά
Ήδη από τον περασµένο αιώνα, για την ακρίβεια το 1839 παρατηρήθηκε ότι η ηλιακή ακτινοβολία αλλάζει τις ιδιότητες ορισµένων υλικών, των ηµιαγωγών. Αυτά όταν φωτίζονται, µπορούν να παράγουν ηλεκτρικό ρεύµα, µέσω του «φωτοβολταϊκού φαινοµένου». Εάν σε ένα κοµµάτι ηµιαγώγιµου υλικού (συνήθως εµπλουτισµένος κρύσταλλος πυριτίου) τοποθετηθούν δύο ηλεκτρόδια στις άκρες τους λαµβάνεται το παραγόµενο ηλεκτρικό ρεύµα. Η σχετικά απλή διάταξη που προκύπτει ονοµάζεται φωτοβολταϊκό (Φ/Β) στοιχείο. Αυτό αποτελεί την κύρια συνιστώσα ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος, όπως ονοµάζεται το σύστηµα που εκµεταλλεύεται την ηλιακή ακτινοβολία για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος(Ψωµάς, 2003).
Οι πρώτες εφαρµογές των φωτοβολταϊκών συστηµάτων αναπτύχθηκαν µόλις τη διαστηµική δεκαετία του '50, µε σκοπό την ηλεκτροδότηση δορυφόρων. Το υψηλό τους κόστος όµως, εµπόδισε την περαιτέρω διάδοση τους την εποχή εκείνη. Στις αρχές της δεκαετίας του '70 µετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, έγινε ιδιαιτέρως αισθητή παγκοσµίως η ανάγκη απεξάρτησης από τις συµβατικές πηγές ενέργειας. Υπήρξαν τότε τα κίνητρα για την ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής βιοµηχανίας και έτσι άρχισε δειλά η µαζική παραγωγή φωτοβολταϊκών στοιχείων για ευρύτερη καταναλωτική χρήση(Μπάκος, 2004α).
Η µέγιστη απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων, ανάλογα µε το υλικό κατασκευής τους κυµαίνεται από 7% (ηλιακά στοιχεία άµορφου πυριτίου) έως 12-15% (ηλιακά στοιχεία µονοκρυσταλλικού πυριτίου) (Κοσµόπουλος και Αγγελίδης, 2005). Το σηµαντικότερο γεγονός είναι ότι η ενέργεια που παράγεται µε αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατό να αποθηκευτεί σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές (µπαταρίες).
Η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε µία επιφάνεια 1m2 µια ηλιόλουστη µέρα µπορεί να φθάσει το 1kW. Η ενέργεια η οποία προσπίπτει συνολικά σε ένα έτος σε µια επιφάνεια εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση και τον προσανατολισµό της επιφάνειας. Επειδή η ενέργεια που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι περιορισµένη και προκειµένου να παραχθεί µία σηµαντική ποσότητα ηλεκτρικού ρεύµατος, πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία µαζί συνδέονται µεταξύ τους ηλεκτρονικά, σχηµατίζοντας έτσι µία φωτοβολταϊκή γεννήτρια ή συστοιχία (PV module). Για λόγους
µηχανικής αντοχής και ευχρηστίας, τα στοιχεία αυτά έχουν ενσωµατωµένα στο περίγραµµα τους µεταλλικά ελάσµατα ανωδιωµένου αλουµινίου και για λόγους προστασίας, είναι αεροστεγώς και υδατοστεγώς κλεισµένα µέσα σε ειδικό τζάµι και ειδικό µονωτικό πλαστικό. Η συνολική ηλεκτρική ισχύς µιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας είναι ίση µε το άθροισµα της ισχύος των φωτοβολταϊκών στοιχείων που την αποτελούν(Μαλαµής, 1999).
Σε ορισµένες περιπτώσεις τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται επάνω σε περιστρεφόµενα στηρίγµατα που ακολουθούν την τροχιά του ήλιου. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνεται η µεγιστοποίηση της προσπίπτουσας στα φωτοβολταϊκά πλαίσια ακτινοβολίας και συνακόλουθα, η µεγιστοποίηση της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας.
Ένα τέτοιο κινητό σύστηµα µπορεί να έχει από 15% έως 25% καλύτερη απόδοση σε σχέση µε τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά πλαίσια όταν είναι τοποθετηµένα σε σταθερά στηρίγµατα(ICAP 2000).
Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία παράγουν πάντοτε ηλεκτρικό ρεύµα συνεχούς τάσης και ανάλογα µε την εφαρµογή, αυτό είτε χρησιµοποιείται απευθείας ως έχει, είτε µετατρέπεται σε ρεύµα εναλλασσόµενης τάσης. Ανεξάρτητα όµως από την εφαρµογή, οι συλλέκτες συνδυάζονται και µε άλλες κύριες ή βοηθητικές ηλεκτρονικές συσκευές, σχηµατίζοντας τα λεγόµενα φωτοβολταϊκά συστήµατα. Ο κύριος διαχωρισµός των συστηµάτων αυτών είναι σε συνδεδεµένα και αυτόνοµα, ανάλογα µε το εάν είναι συνδεδεµένα στο κεντρικό δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ή όχι, αντίστοιχα(Σ.Ε.Φ., 2003).
2.2. Προσανατολισµός
Συνήθως, στα Φ/Β συστήµατα που εγκαθίστανται στο έδαφος δίνεται ο προσανατολισµός και η κλίση που θα επιτρέπει την βέλτιστη εκµετάλλευση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτό είναι επιθυµητό και στις εφαρµογές των Φ/Β σε κτίρια, παρόλα αυτά αυτό δεν είναι συνήθως δυνατό καθόσον υπάρχουν περιορισµοί από τις δεδοµένες επιφάνειες του κτιρίου. Έτσι δεν γίνεται πάντα η βέλτιστη εκµετάλλευση ηλιακής ακτινοβολίας. Όµως οι απώλειες από το µη σωστό προσανατολισµό µπορούν να µην είναι τόσο σηµαντικές, σε σχέση µε τα οφέλη που προκύπτουν από την χρήση των πλαισίων σε αντικατάσταση άλλων δοµικών στοιχείων του κτιρίου. Αυτό που είναι σηµαντικό είναι να µη δηµιουργούνται σκιασµοί στην επιφάνεια των Φ/Β πλαισίων από παρακείµενα κτίρια η αντικείµενα, κυρίως τις ώρες υψηλής ακτινοβολίας, διότι έστω και µικρός σκιασµός των
Φ/Β πλαισίων προκαλεί σηµαντική µείωση της παραγόµενης ισχύος. Σε περιπτώσεις που η ακτινοβολία δεν προσπίπτει οµοιόµορφα σε όλα τα Φ/Β πλαίσια, συνιστάται η σύνδεση των Φ/Β πλαισίων σε µικρές συστοιχίες µε οµοιόµορφη πρόσπτωση ακτινοβολίας. Σε µια συστοιχία µε µη οµοιόµορφη πρόσπτωση ακτινοβολίας η σε περίπτωση µερικού σκιασµού αυτής, η απόδοση ολόκληρης της συστοιχίας καθορίζεται από την απόδοση του πλαισίου µε τη µικρότερη απόδοση (ΚΑΠΕ, 2004).
Σύµφωνα µε έρευνες(Hussein et al., 2004), η ετήσια απόδοση µιας συστοιχίας Φ/Β προβλέφθηκε χρησιµοποιώντας ένα υποπρόγραµµα σε fortran, το οποίο συνδέθηκε µε τον εξοµοιωτή TRNSYS. Το πρόγραµµα στη fortran δοκιµάστηκε σε διάφορες µετεωρολογικές συνθήκες και µε διάφορες κλίσεις στο Cairo της Αιγύπτου. Αποτέλεσµα των πειραµάτων τους ήταν πως οι καλύτερες τιµές εξόδου ενέργειας µπορούν να εξαχθούν µε τα Φ/Β να προσανατολίζονται στο νότο µε γωνία µεταξύ 200 και 300 µοιρών (Hussein et al., 2004).
2.3. Είδη Φ/Β ανάλογα µε την σύνδεσή τους στο δίκτυο και εφαρµογές
Τα Φ/Β µπορούν να χωριστούν ανάλογα µε την σύνδεση τους µε το δίκτυο, σε(Μαλαµής, 1999):
• Αυτόνοµα Φωτοβολταϊκά Συστήµατα
• ∆ιασυνδεδεµένα Φωτοβολταϊκά Συστήµατα
• Υβριδικά Συστήµατα
Ένα τυπικό αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα αποτελείται από το Φ/Β πλαίσιο (είδος ηλιακού συλλέκτη), το σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας (µπαταρίες-για αυτόνοµα συστήµατα) και τα ηλεκτρονικά συστήµατα που ελέγχουν την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει η Φ/Β συστοιχία (Σχήµα 2.1).
Σχήµα 2.1: Τυπικό αυτόνοµο Φωτοβολταϊκό σύστηµα(Πηγή : Κοσµόπουλος, 2004).
Τα αυτόνοµα φωτοβολταϊκά συστήµατα αποτελούνται από(Κοσµόπουλος 2004):
• Φωτοβολταϊκούς συλλέκτες (solar modules): Οι Φωτοβολταϊκοί Συλλέκτες παράγουν απευθείας από τον ήλιο συνεχές ρεύµα (DC). Η παραγόµενη τάση και ισχύς εξαρτάται από τον αριθµό των συλλεκτών που συνδέθηκαν µεταξύ τους (στη σειρά ή παράλληλα). Έτσι το σύστηµα µπορεί να παράγει 12-24-36-48... V και να φορτίζει µπαταρίες αντίστοιχης τάσης.
• Ρυθµιστή φόρτισης (charge controller): Ο ρυθµιστής φόρτισης είναι µια προγραµµατιζόµενη ηλεκτρονική µονάδα φόρτισης µπαταριών. Είναι απαραίτητη συσκευή για την µακροχρόνια χρήση της µπαταρίας και την σωστή λειτουργία της.
• Συσσωρευτές (Batteries): Αποθηκεύουν την παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια από Φ/Β συλλέκτες ή ανεµογεννήτριες και την διαθέτουν µόλις η κατανάλωση το απαιτήσει. Ανάλογα µε την χωρητικότητα τους εξαρτάται και η αυτονοµία του συστήµατος η οποία υπολογίζεται συνήθως για 3-4 ηµέρες για τα δεδοµένα της Ελλάδας. ∆ιακρίνονται σε υγρών και gel ανάλογα µε το είδος του ηλεκτρολύτη.
• Μετατροπέα (inverter): Συνδέεται στην µπαταρία και µετατρέπει την τάση της από 12-24-36-48-.. .VDC σε 230VAC. Η έξοδος του µετατροπέα (σταθεροποιηµένη 230VAC ή 400VAC) συνδέεται απευθείας στον ηλεκτρολογικό πίνακα χωρίς επιπλέον αλλαγές στην ηλεκτρολογική εγκατάσταση.
Ωστόσο ένα τυπικό διασυνδεδεµένο φωτοβολταϊκό σύστηµα αποτελείται µόνο από το Φ/Β πλαίσιο (είδος ηλιακού συλλέκτη) και τα ηλεκτρονικά συστήµατα που ελέγχουν την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει η Φ/Β συστοιχία (Σχήµα 2.2). Η έξοδος της Φ/Β συστοιχίας συνδέεται µέσω κατάλληλων µετατροπέων στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Σχήµα 2.2: Τυπικό διασυνδεδεµένο φωτοβολταϊκό σύστηµα(Πηγή : Κοσµόπουλος, 2004).
Η ηλεκτρική ενέργεια η οποία παράγεται από το Φ/Β σύστηµα χρησιµοποιείται για τη κάλυψη µέρους των αναγκών του κτιρίου ενώ οι υπόλοιπες καλύπτονται από το ηλεκτρικό δίκτυο. Έτσι ο ιδιοκτήτης ωφελείται από τη µειωµένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο. Αν υπάρχουν περίοδοι που η παραγωγή από τα Φ/Β είναι µεγαλύτερη από το φορτίο του κτιρίου, το πλεόνασµα της ενέργειας µπορεί να πωλείται στο δίκτυο µε τη προβλεπόµενη τιµή. Για τη σύνδεση των Φ/Β συστοιχιών µε το ηλεκτρικό δίκτυο χρησιµοποιούνται µετατροπείς οι οποίοι µετατρέπουν το συνεχές ρεύµα που παράγουν τα Φ/Β σε εναλλασσόµενο (Τεχνική Επιθεώρηση, 2006).
Τα υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήµατα είναι αυτόνοµα συστήµατα που αποτελούνται από τη Φ/Β συστοιχία σε συνδυασµό µε άλλες πηγές ενέργειας, όπως µια γεννήτρια πετρελαίου ή άλλη µορφή ΑΠΕ (Σχήµα 2.3).
Σχήµα 2.3 : υβριδικό σύστηµα ηλιακής και αιολικής ενέργειας(Πηγή :Kalogirou, 2000)
Έχουν εκπονηθεί διάφορες µελέτες που έχουν να κάνουν µε υβριδικά φωτοβολταϊκά- θερµικά συστήµατα. Μια τέτοια µελέτη(Kalogirou, 2000) προτείνει ένα σύστηµα που συνδυάζει µια κανονική Φ/Β συστοιχία στο πίσω µέρος της οποίας τοποθετείται ένας µετατροπέας θερµότητας µε πτερύγια. Το πλεονέκτηµα αυτού του συστήµατος είναι πώς η συστοιχία λειτουργεί σε χαµηλότερες θερµοκρασίες και πιο αποτελεσµατικά, όµως συγχρόνως παράγεται και ζεστό νερό. Το όλο σύστηµα αποτελείται από µια σειρά Φ/Β, µια µπαταρία και έναν µετατροπέα (inverter), ενώ το θερµικό µέρος του συστήµατος αποτελείται από έναν κύλινδρο αποθήκευσης ζεστού νερού, µια αντλία και έναν διαφορικό θερµοστάτη. Η µοντελοποίηση έγινε µε το λογισµικό TRNSYS και τα µετεωρολογικά δεδοµένα εισήχθησαν για τη Λευκωσία της Κύπρου. Τα αποτελέσµατα δείχνουν πως η απόδοση µεγιστοποιείται όταν ο βαθµός ροής του συστήµατος είναι 26l/h. Το υβριδικό σύστηµα αυξάνει την ετήσια απόδοση από 2.8% σε 7,7% και επίσης καλύπτει το 49% των αναγκών για ζεστό νερό ενός σπιτιού (Kalogirou, 2000).
Χρήσεις των υβριδικών συστηµάτων µπορούν να υπάρξουν και στη βιοµηχανία, στην οποία απαιτούνται µεγάλες ποσότητες ενέργειας για θερµότητα αλλά και για ηλεκτρικό ρεύµα και τα Φ/Β-θερµικά συστήµατα απαντούν αυτές τις απαιτήσεις. Το προτεινόµενο σύστηµα(Kalogirou et al.,2006) βασίζεται και πάλι στο δίπολο Φ/Β συστηµάτων µε εξαγωγή ζεστού νερού. Τα συστήµατα αναλύονται και πάλι µε το TRNSYS για τρεις τοποθεσίες σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη. Πρόκειται για την Λευκωσία(Κύπρος), την Αθήνα και το Madison(USA). Το σύστηµα αποτελείται από 300m2 υβριδικών Φ/Β- θερµικών συλλεκτών που παράγουν ηλεκτρικό ρεύµα και θερµική ενέργεια και από µια δεξαµενή νερού 10 m2. Η µελέτη βασίζεται σε µια βιοµηχανική διαδικασία που λειτουργεί σε δυο υποτιθέµενες θερµοκρασίας των 60 0C και των 80 0C. Τα αποτελέσµατα δείχνουν πως η παραγωγή ηλεκτρικού του συστήµατος, που έχει να κάνει µε πολυκρυσταλλικές µονάδες είναι µεγαλύτερη από τις άµορφες µονάδες, αλλά η θερµική συνεισφορά είναι λίγο µικρότερη. Ένα µη υβριδικό σύστηµα παράγει περίπου 25% περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια αλλά το προτεινόµενο σύστηµα καλύπτει επίσης, ανάλογα µε την τοποθεσία, ένα µεγάλο µέρος της θερµικής ενέργειας που απαιτείται από την βιοµηχανία. Η οικονοµική βιωσιµότητα του συστήµατος είναι υπαρκτή, αφού διασφαλίζονται θετικοί κύκλοι ζωής στα υβριδικά συστήµατα και το πλεόνασµα εσόδων µεγαλώνει για εφαρµογές υψηλών φορτίων και θερµοκρασιών. Επίσης αν και τα πλαίσια από άµορφη σιλικόνη είναι λιγότερο αποδοτικά, έχεις καλύτερη οικονοµική απόδοση λόγω του χαµηλού αρχικού κόστους (Kalogirou et al., 2006).
Ένα υβριδικό σύστηµα που συνδυάζει την ηλιακή ενέργεια µε την ενέργεια του υδρογόνου ανήκει στην κατηγορία των αυτόνοµων συστηµάτων, που µπορούν να παρέχουν ενέργεια σε σπίτια χαµηλής κατανάλωσης. Με το TRNSYS είναι δυνατόν να πραγµατοποιηθούν παραµετρικές αναλύσεις για να βρεθούν διαφορετικές ρυθµίσεις του υβριδικού συστήµατος για διαφορετικό κλίµα και για διάφορα φορτία. Το σύστηµα για το οποίο γίνεται η προσοµοίωση(Ulleberg et al.,1997) αποτελείται από φωτοβολταϊκά στοιχεία, από έναν ηλεκτρολύτη, από µια αποθήκη H2 ,από έναν καταλυτικό καυστήρα, από µετατροπείς DC/DC,DC/AC, από διόδους και από µία δεξαµενή αποθήκευσης νερού. Τα πειράµατα εφαρµόζονται σε κατοικίες χαµηλής κατανάλωσης µε διαφορετικές ρυθµίσεις του συστήµατος. Προκύπτει πως το µέγεθος του υβριδικού συστήµατος θα πρέπει να είναι πολύ µεγάλο για ένα σπίτι στο Trondheim, Νορβηγία (630Ν). Αυτό κυρίως οφείλεται στις υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις, αλλά και στη µικρή διαθέσιµη ηλιακή έκθεση. Οι προσοµοιώσεις πού πραγµατοποιήθηκαν σε ίδια σπίτια αλλά σε χαµηλότερα γεωγραφικά µήκη, δείχνουν πώς το µέγεθος των συστηµάτων µπορεί να µειωθεί σηµαντικά. Πολύ σηµαντική είναι επίσης για ένα τέτοιο σύστηµα η όσο το δυνατόν αρχική ελαχιστοποίηση των θερµικών και ηλεκτρικών φορτίων, πριν την εγκατάσταση του συστήµατος (Ulleberg et al.,1997).
2.4. Είδη φωτοβολταϊκών στοιχείων ανάλογα µε το υλικό και την τεχνολογία κατασκευής τους
Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής φωτοβολταϊκών στοιχείων που κυρίως χρησιµοποιούνται σήµερα είναι οι ακόλουθες(Μπάκος, 2004) :
• Μονοκρυσταλλικού πυριτίου
Είναι τα πιο διαδεδοµένα στην αγορά και κατασκευάζονται σε κυλίνδρους ανεπτυγµένου πυριτίου. Οι κύλινδροι αυτοί κόβονται σε λεπτές φέτες, γνωστές ως wafers, µε πάχος µόλις 200µm (Σχήµα 2.4). Ο βαθµός απόδοσης τους στα εργαστήρια φθάνει το 24%, ενώ στο εµπόριο αγγίζει το 15%.
Σχήµα 2.4 : Φωτοβολταϊκή γεννήτρια µονοκρυσταλλικού πυριτίου(Πηγή : Μπάκος, 2004)
• Πολυκρυσταλλικού πυριτίου
Κατασκευάζονται από χυτό πυρίτιο. Έχουν βαθµό απόδοσης γύρω στο 15%. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία γαλλίου-Αρσενίου (GaAs) διακρίνονται για τον υψηλό βαθµό απόδοσης τους, γι' αυτό χρησιµοποιούνται κατά κόρον στις διαστηµικές εφαρµογές και στα συστήµατα εκµετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας(Σχήµα 2.5). Η απόδοση τους αγγίζει το 25%, όταν δέχονται την άµεση ηλιακή ακτινοβολία και το 28% όταν δέχονται και την διάχυτη ακτινοβολία. Σε ερευνητικό στάδιο ο βαθµός απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων GaAs έχει ξεπεράσει το 30%.
Σχήµα 2.5 : Φωτοβολταϊκή γεννήτρια πολυκρυσταλλικού πυριτίου(Πηγή : Μπάκος, 2004)
• Άµορφου πυριτίου(a-Si)
Τα φωτοβολταϊκά αυτά στοιχεία κατασκευάζονται από άµορφο πυρίτιο. ∆ιακρίνονται από την πολύ µικρή κατανάλωση πυριτίου κατά την κατασκευή τους, ενώ ευκολότερες είναι και οι κατασκευαστικές διαδικασίες µε αποτέλεσµα το κόστος τους να είναι πολύ µικρότερο. Το κυριότερο µειονέκτηµα τους είναι η πολύ χαµηλή τους απόδοση που δεν ξεπερνά το 10%. Χρησιµοποιούνται συνήθως σε ηλιακά ρολόγια και σε αριθµητικούς υπολογιστές. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η χρήση της τεχνολογίας άµορφου πυριτίου σε µεγάλα κτήρια, γνωστά και ως Κτιριακά Ολοκληρωµένα Φ/Β στοιχεία (Building Integrated Photovoltaics, BIPVs), όπου αντικαθιστούν τα τζάµια, (µετά από επεξεργασία για την αύξηση της διαφάνειας τους) συµβάλλοντας έτσι στην τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας στο κτήριο (Σχήµα 2.6)(Κατσαρός, 2004).
Σχήµα 2.6 : Κτίρια µε ενσωµατωµένα BIPVs(Πηγή : Κατσαρός, 2004).
Οι άλλες τεχνολογίες Φ/Β στοιχείων αποτελούν µόνο το 9-10% της συνολικής παγκόσµιας παραγωγής και αναφέρονται σε τεχνολογίες άµορφου πυριτίου και λεπτού υµενίου (Thin Film Transistor, TFT).
2.5. Εφαρµογές στην Ελλάδα
Η Ελλάδα είναι µία από τις πλέον ευνοηµένες περιοχές διότι ο συνδυασµός του γεωγραφικού της πλάτους και της υψηλής ηλιοφάνειας έχει ως αποτέλεσµα να προσπίπτουν ηµερησίως κατά µέσο όρο 4,3kWh ηλιακής ενέργειας σε κάθε τετραγωνικό µέτρο οριζόντιας επιφάνειας της. Στο µεγαλύτερο τµήµα της Ελλάδας η ηλιοφάνεια διαρκεί περισσότερες από 2700 ώρες το χρόνο.
Αυτόνοµα φωτοβολταϊκά συστήµατα εµφανίζονται σε πολλές περιοχές της Ελλάδας. Η σηµαντικότερη χρήση των Φ/Β συστηµάτων αφορά τη λειτουργία σταθµών ηλεκτροπαραγωγής µεσαίου ή µεγάλου µεγέθους, όπου το ηλεκτρικό ρεύµα αυτοκαταναλώνεται από τον παραγωγό ή διοχετεύεται στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο ή συµβαίνουν και τα δύο παράλληλα ανάλογα µε τις ανάγκες (Μπάκος, 2004α).
Στο Κιλκίς έχει ξεκινήσει η κατασκευή του πρώτου εργοστασίου κατασκευής Φ/Β συστηµάτων. Ωστόσο λείπουν ακόµη βασικά κίνητρα για την ανάπτυξη των Φ/Β στη χώρα µας (ΤΕΕ, 2006α).
Σε σύγκριση µε τις άλλες Ευρωπαϊκές χώρες η Ελλάδα παρουσιάζει αξιοσηµείωτες προϋποθέσεις για την ανάπτυξη και την εφαρµογή των φωτοβολταϊκών συστηµάτων, πλήθος νησιωτικών κυρίως περιοχών µη συνδεδεµένων µε το δίκτυο της ∆ΕΗ και αυξηµένες ενεργειακές ανάγκες, κυρίως σε τουριστικές περιοχές. Η ∆ΕΗ έχει εγκαταστήσει κεντρικούς και αποµονωµένους (σε επίπεδο κατοικίας) φωτοβολταϊκούς σταθµούς σε νησιά για την ηλεκτροδότηση των τοπικών κοινοτήτων (Κύθνος, Σίφνος, Γαύδος, Αρκοί. κάτω Κουφονήσια). Επίσης, το Πολεµικό Ναυτικό έχει εγκαταστήσει περισσότερα από 360 φωτοβολταϊκά φαρικά συστήµατα στο Αιγαίο (ICAP, 2000).
Στην παρακάτω µελέτη(Spanos et al.,2004) διερευνώνται τα κόστη ηλεκτρικής ενέργειας που παράγονται από γεννήτριες Φ/Β, στο Ηνωµένο Βασίλειο και στην Ελλάδα. Οι τύποι των κτιρίων που εξετάζονται περιέχουν σπίτια µέσου µεγέθους, έως 4 ατόµων, µικρές επιχειρήσεις και ξενοδοχεία(µόνο στην Ελλάδα). Οι συγκεκριµένες µελέτες εκπονήθηκαν για καινούρια ή ανακαινισµένα. Η ανάλυση επιτεύχθηκε µε το λογισµικό PVSYST. Τα κόστη εξήχθησαν για µια περίοδο 25 ετών. Εκτός από αυτό, µέσω ανάλυσης ευαισθησίας
υπολογίστηκε η σχέση µεταξύ της τιµής της παραγοµένης ενέργειας και της τιµής που αυτή θα αγοράζεται για τα επόµενα 10 χρόνια. Ο κύριος στόχος είναι να υπολογιστεί πότε η τιµή τις παραγοµένης ενέργειας από Φ/Β πλαίσια θα είναι ελκυστική για πιθανούς πελάτες. Η ανάλυση ευαισθησίας επικεντρώθηκε σε διαφορετικά σενάρια και τα αποτελέσµατα δείχνουν πως η περίοδος στην οποία η εγκατάσταση Φ/Β θα είναι µια πραγµατικότητα είναι από το 2007-2011. Μέσα στην περίοδο αυτή οι εγκαταστάσεις ολοκληρωµένων συστηµάτων Φ/Β θα είναι επικερδείς στο Ηνωµένο Βασίλειο πριν από τις αντίστοιχες στην Ελλάδα(Spanos et al.,2004).
2.6. Ηλιακή ενέργεια στην Ελλάδα
Η ποσότητα της ακτινοβολίας η οποία φτάνει στο έδαφος είναι µεταβλητή. Εκτός από την κανονική ηµερήσια και ετήσια µεταβολή λόγω της κίνησης της γης προκαλούνται µεταβολές από τις κλιµατολογικές συνθήκες (κάλυψη από σύννεφα) και τη γενικότερη σύνθεση της ατµόσφαιρας. Για το λόγο αυτό η σχεδίαση ηλιακών συστηµάτων βασίζεται σε µετρούµενα δεδοµένα που λαµβάνονται από µετεωρολογικούς σταθµούς κοντά στην τοποθεσία της εγκατάστασης. Για τον προσδιορισµό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο οριζόντιο επίπεδο και όταν δεν απαιτείται εξαιρετική ακρίβεια γίνεται χρήση διαγραµµάτων που χωρίζουν την Ελλάδα σε ζώνες (Σχήµα 2.7). Τοποθεσίες που εντάσσονται στην ίδια ζώνη χαρακτηρίζονται από παρόµοιες µετεωρολογικές (ηλιακές) συνθήκες(Μαλαµής 1999).
Σχήµα 2.7: Ζώνες παρόµοιων µετεωρολογικών συνθηκών(Πηγή :Μαλαµής,1999).
2.7. Εφαρµογές
2.7.1. Φ/Β και νέες τεχνολογίες
Τα ολοκληρωµένα συστήµατα Φ/Β(BIPV’s), παράγουν ηλεκτρικό ρεύµα, αλλά και θερµότητα η οποία συνήθως πάει χαµένη και µειώνει την απόδοση της παραγωγής. Μια µονάδα ανάκτησης θερµότητας µπορεί να συνδυαστεί µε το σύστηµα για να χρησιµοποιήσει την χαµένη αυτή ενέργεια και να δηµιουργήσει συµπαραγωγή. ∆υο διαφορετικοί τύποι κελιών συνδυάζονται µε την µονάδα ανάκτησης θερµότητας και αναλύονται σε σχέση µε τον κύκλο ζωής της κατανάλωσης ενέργειας για να καθοριστεί η περίοδος αποπληρωµής. Οι περίοδοι αποπληρωµής υπολογίστηκαν ανάµεσα στα 4 και 16.5 χρόνια, ανάλογα µε το ολοκληρωµένο σύστηµα. Η ενέργεια που ενσωµατώνεται στα συστήµατα Φ/Β είναι σηµαντική και παρέχει µια νέα µατιά στα παραδοσιακά ολοκληρωµένα συστήµατα Φ/Β(Crawford et al., 2004).
Στον σχεδιασµό φωτοβολταϊκών συνδεδεµένων στο δίκτυο (grid connected), εµφανίζεται πάντα το πρόβληµα µεγέθους του µετατροπέα. Έχουν εκπονηθεί µελέτες για τον βέλτιστο λόγο Φ/Β - µετατροπέα. Μια από αυτές (Jayanta et al.,2006) εξετάζει το λόγο αυτό σε επιλεγµένες Ευρωπαϊκές τοποθεσίες σε σχέση µε τη συνολική παραγωγή στην έξοδο, µε συγκεκριµένα κόστη συστηµάτων, µε ετήσια έξοδα ενός συστήµατος, µε την διεύθυνση των Φ/Β, την κλίση, το σύστηµα διεύθυνσης, µε τα χαρακτηριστικά του µετατροπέα, µε την έκθεση στον ήλιο και µε το λόγο κόστους των Φ/Β-µετατροπέα. Η µέγιστη συνολική έξοδος του συστήµατος καθορίστηκε για οριζόντιες, κάθετες και επιφάνειες 450, για µετατροπέα χαµηλής απόδοσης µε λόγο µεγέθους 1.5, 1.8 και 1.3 αντίστοιχα. Για µετατροπέα µέσης απόδοσης µε λόγους µεγέθους 1.4 , 1.5 και 1.2 η επιφανειακή διεύθυνση των Φ/Β έχει µικρή επίπτωση στην απόδοση µετατροπέων υψηλής απόδοσης.
Για διάφορα συστήµατα παρακολούθησης του ήλιου και για διάφορα είδη µετατροπέων ο βέλτιστος λόγος µεγέθους είναι µεταξύ 1.1 και 1.3. Οι λόγοι κόστους Φ/Β-µετατροπέα και οι κύκλοι ζωής αυτών έχουν µεγάλη επίδραση στον βέλτιστο λόγο µεγέθους που είναι και το ζητούµενο (Jayanta et al., 2006).
Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε θερµικά-Φ/Β υβριδικά συστήµατα µπορούν να εµπλουτιστούν µε την χρησιµοποίηση µε Φ/Β µονάδων διπλής όψης(Σχήµα 2.8). Για να χρησιµοποιηθούν και οι δύο ενεργές επιφάνειες της διπλής µονάδας, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας επίπεδος συλλέκτης θερµού νερού και ένα σετ επίπεδων ανακλαστικών επιφανειών(Σχήµα 2.9),(Robles-Ocampo et al., 2007). Ο συλλέκτης
θερµότητας είναι διάφανος στο ορατό και στο υπέρυθρο τµήµα του φάσµατος , το οποίο τον καταστεί συµβατό µε την Φ/Β µονάδα από κρυσταλλικό πυρίτιο(Si). Η υπολογιζόµενη ολική απόδοση της εφαρµογής είναι της τάξης του 60%, µε ηλεκτρική απόδοση που φτάνει το 16.4%(Robles-Ocampo et al., 2007).
Σχήµα 2.8: Φ/Β µονάδα διπλής όψης(Πηγή : Robles – Ocampo et al.,2007)
Σχήµα 2.9 : Επίπεδες ανακλαστικές επιφάνειες(Πηγή : Robles – Ocampo et al.,2007)
Μια νέα προσέγγιση µεγέθους παρουσιάζεται παρακάτω για αυτόνοµα συστήµατα Φ/Β, η οποία στηρίζεται στον σχεδιασµό τους χωρίς απώλεια φορτίου(Fragaki et al., 2008). Η έρευνα βασίζεται στον υπολογισµό της ελάχιστης ποσότητας αποθήκευσης και στην εκτενή ανάλυση των καµπύλων µεγέθους. Η µελέτη επίσης αποκαλύπτει την σηµαντικότητα των καθηµερινών µετρήσεων µετεωρολογικών δεδοµένων, αντί των µηνιαίων µέσων τιµών. Καταρχάς σχεδιάζονται οι καµπύλες µεγέθους για τρεις περιοχές:
Λονδίνο(Ηνωµένο Βασίλειο), Salzburg(Αυστρία) και Ηράκλειο Κρήτης, βασιζόµενες σε
δεκαετή στοιχεία ηλιακής ακτινοβολίας. Στη συνέχεια υπολογίζεται η ελάχιστη ζήτηση αποθήκευσης για τις περιοχές Efford(Ηνωµένο Βασίλειο) και Portsdam(Γερµανία).
Χρησιµοποιώντας ένα µοντέλο βασισµένο στο καθηµερινό ενεργειακό ισοζύγιο µπορούν να παραχθούν οι ρυθµίσεις του συστήµατος, για την χρονική περίοδο που είναι διαθέσιµα τα µετεωρολογικά στοιχεία. Τα αποτελέσµατα της µελέτης δείχνουν πώς η αβεβαιότητα της ελάχιστης χωρητικότητας αποθήκευσης µπορεί να µειωθεί σηµαντικά διαλέγοντας έναν συνδυασµό µεγάλου Φ/Β µε µικρού µεγέθους αποθήκη ενέργειας. Ένας τέτοιος συνδυασµός µικραίνει την πιθανότητα της απώλειας φορτίου σε καταστάσεις απρόβλεπτων αλλαγών στην συνέχεια της ηλιακής ακτινοβολίας(Fragaki et al., 2008).
Περιοχές της βόρειας Ευρώπης όπως η Εσθονία(γεωγραφικό πλάτος : 600), δέχονται 980kWh/m-2y-1 ηλιακής ακτινοβολίας περίπου. Τα χαµηλά αυτά επίπεδα απαιτούν από τους συλλέκτες να είναι εξοπλισµένοι µε µηχανισµούς παρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς για την αύξηση της απόδοσης. Οι κλασσικές µέθοδοι παρακολούθησης του ήλιου είναι αρκετά πολύπλοκες και απαιτητικές σε ενέργεια, µειώνοντας τα πλεονεκτήµατα χρήσης των Φ/Β. Η παρακάτω µελέτη(Tomson, 2007) περιγράφει την απόδοση των Φ/Β µε καθηµερινή παρακολούθηση δύο θέσεων. Οι συµµετρικές και ασύµµετρες θέσεις σχετικά µε τον βόρειο-νότιο άξονα αναλύονται σε σχέση µε τις θέσεις του ήλιου το πρωί και το απόγευµα. Ο µηχανισµός είναι απλός και απαιτεί µια ελάχιστη ποσότητα ενέργειας κατά την κίνηση του συστήµατος. Τα αποτελέσµατα δείχνουν πώς η εποχιακή ενεργειακή απόδοση αυξάνεται από 10-20%, σε σχέση µε Φ/Β σταθερού άξονα που είναι στραµµένα προς το νότο, στην βέλτιστη γωνία. Όλα τα στοιχεία βασίζονται σε µακράς διάρκειας δεδοµένα στον µετεωρολογικό σταθµό του Tartu-Toravere στην Εσθονία(Tomson, 2007).
Στην παρακάτω δουλειά προσοµοιώνονται επιφανειακά καλύµµατα Φ/Β στοιχείων µε διαφορετικά πρότυπα, µε σκοπό να συγκριθεί η οπτική απόδοση(απορρόφηση φωτός) αυτών των προτύπων σε διαφορετικές συνθήκες(Sanchez-Illescas et al., 2007). Αν και το ανακλώµενο φως εκπροσωπεί ένα µικρό ποσοστό της ολικής ενέργειας εισροής, υπάρχει µία σηµαντική αύξηση στην τελική ενέργεια που φτάνει στην κυψέλη, ειδικά για µεγάλες γωνίες πρόσπτωσης φωτός. Πιο συγκεκριµένα αναλύονται δυο διαφορετικά καλύµµατα.
Ένα ασυνεχές και τραχύ πρότυπο τριγωνικής µορφής και ένα εξοµαλυσµένο ηµιτονοειδούς µορφής, µε σκοπό να εκτιµηθούν και να συγκριθούν οι ιδιότητες µετάδοσης φωτός. Και οι δύο κατασκευές µελετώνται διαφοροποιώντας τις γεωµετρικές τους παραµέτρους, σε διάφορες γωνίες και µε διαφορετικούς συντελεστές απορρόφησης. Εν τέλει η χρήση τέτοιων ειδών καλυµµάτων βοηθάει στην αύξηση της απόδοσης των
ηλιακών κυψελών, µέσω της µεγαλύτερης συσσώρευσης ηλιακού φωτός(Sanchez-Illescas et al., 2007).
Η χρήση Φ/Β για άντληση νερού είναι κατάλληλη και έχει νόηµα αφού συχνά υπάρχει µια φυσική σχέση µεταξύ της διαθεσιµότητας της ηλιακής ενέργειας και της ζήτησης νερού αφού η ζήτηση αυξάνεται σε ζεστές περιόδους, όταν η ακτινοβολία άρα και η απόδοση των Φ/Β είναι µέγιστη. Η προτεινόµενη µέθοδος (Kou et al.,1998) χρησιµοποιεί πληροφορίες µόνο από τις προδιαγραφές του Φ/Β και της αντλίας νερού. Τα µετεωρολογικά δεδοµένα παράγονται από µηνιαίες µέσες τιµές οριζόντιας ακτινοβολίας και θερµοκρασίας περιβάλλοντος χρησιµοποιώντας γνωστές τιµές. Η µέθοδος προβλέπει τη µηνιαία ποσότητα νερού που αντλείται µε βάση τα αποτελέσµατα τα οποία εξάγονται από το TRNSYS. Τα αποτελέσµατα δείχνουν πως µόνο σε πολύ υψηλές µέσες τιµές ακτινοβολίας και θερµοκρασίας το σύστηµα θα είναι βιώσιµο και το νερό που αντλείται θα δικαιολογεί το κόστος της εγκατάστασης των Φ/Β (Kou et al.,1998).
2.7.2. Φ/Β και εφαρµογές τους σε διάφορες περιοχές ανά τον κόσµο
Η τελική έξοδος µιας µονάδας Φ/Β στο πεδίο είναι µια συνάρτηση που περιέχει στοιχεία όπως ο προσανατολισµός, η ακτινοβολία, η φασµατική ακτινοβολία, η ταχύτητα του ανέµου, η θερµοκρασία της επιφάνειας, οι φθορές καθώς και οι κάθε είδους απώλειες. Σε αστικές περιοχές η µείωση της ηλιακής ακτινοβολίας, λόγω της ρύπανσης του αέρα είναι κάτι παραπάνω από προφανής, άρα το ηλιακό φάσµα αλλάζει. Η αστική θερµοκρασία του αέρα είναι συνήθως µεγαλύτερη από αυτή των περιχώρων και η ταχύτητα του ανέµου συνήθως µικρότερη. Τρία διαφορετικά µοντέλα Φ/Β προτείνονται(Tian et al., 2006) για να ερευνηθεί η επίδραση του αστικού κλίµατος. Τα αποτελέσµατα δείχνουν πώς η µείωση της ακτινοβολίας λόγω της ρύπανσης της ατµόσφαιρας στο αστικό περιβάλλον είναι η κύρια αιτία της µείωσης της εξόδου των Φ/Β, χρησιµοποιώντας κλιµατολογικά δεδοµένα για αστικές περιοχές της Πόλης του Μεξικού για το έτος 2003. Η αστική βέβαια δυνατότητα µετατροπής της ηλιακής ενέργειας είναι µεγαλύτερη από αυτή σε εξοχικές περιοχές λόγω διαφοράς θερµοκρασίας(Tian et al., 2006).
Οι γεννήτριες ολοκληρωµένων συστηµάτων Φ/Β είναι συνήθως µικρές και τα Φ/Β στοιχεία δεν πιάνουν επίσης χώρο αφού ενσωµατώνονται πάνω στο κτίριο. Μια ευρύτερη χρησιµοποίηση Φ/Β συνδεδεµένων σε δίκτυο είναι δύσκολη λόγω της µειούµενης, αλλά ακόµη αρκετά υψηλής τιµής της kWh και την έλλειψη ενηµέρωσης των ωφελειών που
προκύπτουν από την χρησιµοποίηση αυτής σε αστικό περιβάλλον. Όταν τοποθετηθούν σε στρατηγικές θέσεις οι γεννήτριες ενσωµατωµένες σε κτίρια και στέγες µε χαµηλά ποσοστά διείσδυσης, µπορούν να ωφελήσουν τους ντόπιους καταναλωτές µε τα διαµοιραζόµενα αυτά ‘αρνητικά’ φορτία(Jardim et al.,2007). Στη µελέτη που γίνεται υπολογίζεται το δυναµικό της παραγωγής από ολοκληρωµένα συστήµατα κτιριακών Φ/Β συνδεδεµένα σε δίκτυο για την πόλη Florianopolis, Νότια Βραζιλία. Η σύγκριση γίνεται µεταξύ έξι διαφορετικών, εµπορικά διαθέσιµων, τεχνολογιών Φ/Β σε σχέση µε την ολική διαθεσιµότητα επιφάνειας σε στέγες, µε τις ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας και µε την µέτρηση των φορτίων τοπικά όπου και βρίσκεται η περιοχή ενδιαφέροντος. (Jardim et al.,2007).
Στα αποµονωµένα νησιά συνήθως οι γεννήτριες Diesel παράγουν ηλεκτρικό ρεύµα. Όµως προκύπτουν και κάποια προβλήµατα όπως για παράδειγµα ή έλλειψη καυσίµου ή η µόλυνση του περιβάλλοντος. Η παρακάτω µελέτη (Tomonobu et al.,2007) έγινε για το νησί Miyako της Ιαπωνίας, στο οποίο εγκαταστάθηκαν εργοστάσια παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιµες πηγές. Προτείνεται λοιπόν µια βέλτιστη διαµόρφωση των συστηµάτων παραγωγής ενέργειας µε γεννήτριες Diesel, µε τουρµπίνες, µε Φ/Β και µπαταρίες.
Χρησιµοποιώντας την προτεινόµενη µέθοδο, υπολογίζεται ο βέλτιστος αριθµός ηλιακών πάνελ, τουρµπίνων και µπαταριών. Επιπλέον η στρατηγική θα µπορεί να προσαρµόζεται µε την αλλαγή της ακτινοβολίας, της ταχύτητας του ανέµου, της διαφορετικής απαίτησης για ενέργεια και την αλλαγή σε αρχικά κόστη εγκατάστασης(Tomonobu et al.,2007).
Το βασίλειο της Σαουδικής Αραβίας, λόγω των υψηλών ποσοστών σε προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, αποτελεί έναν κατάλληλο τόπο για εγκατάσταση ηλιακών Φ/Β συστηµάτων. Σύµφωνα µε µελέτες στην Σαουδική Αραβία(Shaahid et al., 2006), τα οικοδοµήµατα καταναλώνουν 10-45% της τοπικής ηλεκτρικής ενέργειας. Η µηνιαία µέση προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία κυµαίνεται ανάµεσα στα 3.61 και 7.96kWh/m2. Το λογισµικό HOMER(Hybrid Optimization Model for Electric Renewable) της NREL(National Renewable Energy Laboratory), χρησιµοποιήθηκε για τη µελέτη. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης δείχνουν, για ένα υβριδικό σύστηµα που αποτελείται από ένα Φ/Β σύστηµα 4 kWp µαζί µε µια γεννήτρια diesel 10kW και µια µπαταρία αυτονοµίας 3h, ότι η Φ/Β διείσδυση για µια τυπική κατοικία είναι 22%. Το κόστος της παραγόµενης ενέργειας (COE, US $/kWh), από το παραπάνω υβριδικό σύστηµα βρέθηκε πως είναι 0,179 $/kWh (µε υποτιθέµενη τιµή καυσίµου για την Σαουδική Αραβία στο 0.1$/Lt). Το ποσοστό µείωσης των εκποµπών CO2 είναι 19%, αν συγκριθεί µε το σενάριο
