Εφαρμογές φωτοβολταϊκών σε σκάφη & οχήματα

ϊ(pJι"Jn : ·Ι /•'5 · 0 \ . ^'2..ο\\

~rf porWJ : tο<11~ιι."""" ~}.. ·

~<cf>ναt~\s

Jφψοι.•βδ~

-f ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ

lbιι.ίVι\ι\) ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΝΙΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

ΑΝΑΣΤ ΑΣΟΠΟΥ ΛΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ

Α.Μ.

22827

ΘΕΜΑ:

Ε~ΑΡΜΟΓΕΣ

~ΩΤΟΒΟΛ Τ ΑΙΚΩΝ ΣΕ ΣΚΑ~Η & ΟΧΗΜΑΤΑ

ΠΤΥΧΙΑΚΉ ΕΡΓ ΑΣΙΑ

ΥΙΙΕΥΘΥΝΟΣ ΚΛΘΗΓΙΙΤΙ

L:L :

Λμ. ΚΛΙΙΟΙ ΊΛΝΝΙΙ:L ΛΝΛJ>t<:Λ:L

,

c,

ΓΙ l~J>rEXOM ΕΝ Α

Κι:φύ.λωυ Κυψελί.δων

11

Διαδρομ11 και η Εξέλιξη των Φωτοβολταϊκό)ν

1. 1

Τυ.Πρόηυ. !31Ίματα: 19οςΑιό)νας

1 .2 11

:c:ξ{:λιξη κω η ~:Ωρuίωση των φωτοr~ολτιϊι:ιcό)ν κυψελίδων.

1 .3

Ί'ο μέλλον των φωτοβολταϊκό)ν κυψελίδων.

Κεφύ.λυ.ιο

2 :

Γίδη και Τρόποι Κατασκευ1Ίς Φωτοβολταϊκό)V Συστημάτων

2. 1 Tu.

Είδη κυ.ι τα Συστατικύ. μίας Φωτοβολταϊκ1Ίς Κυψελίδας

2.2

Οι φωτοf3ολταϊκές κυψελίδες λεπτc!Jν ταινιci)ν

2.3

Λειτουργία των Φωτοβολταϊκc!Jν Κυψελίδων

2.4

Κυ.τασκευ1Ί Φωτοβολταϊκci)\1 Κυψελίδων.

2.5

Φωτοβυλταϊκtς Κ υψελί.6ι:ς. 2.:υστυιχίες

&

διατάξεις

2.6

Φωτcψολτu.ϊκύ. Lι>ση:~μυ.ω

2.6.

Ι Η Λειτουργίυ. εν6ς Φωτιψολταϊκού Συστϊ1ματος.

2.6 .2

Τί>ποι Φωτοβολταϊκci)ν Συστημάτων.

2.6 .2. 1

Τα u.υτόνομα φωτοβολτυ.ϊκ&. συσηΊματα

2. 7

Η Α γορrι. των Φωτοβολ ταϊκci)ν Συστημό.των.

3. 1

Οι Γ~φυ.ι)μογές στιι. ΟχιΊμu.τυ

3 . 1 . 1 Το

J

1 ρ<Jηο Ηλ ιu.κύ. Ί'ρ οφοδυτσι)μΕ νο Αυτοκ ίνητο 3. 1. 2

Ηλιυ.κ(ι ποb1lλ.ιιτα κιιι μοτοσικλέτες

3. 1 .3 Ι Ι λιu.κό Θι;ρμικ(J σύστημα γ ω. η λεκτρ ικύ. λεω φορε ία

3. 1.4 Αvαλύοvτα ς ΊΞ vα Ηλιακό. Τρ()φο bοταύμ.εvο Λυτοκίνητ) 3. J .4.

ι Τα ΧειριστιΊρια του Οδηγοί>

3.

ι

.4.2

Ηλεκτρικά ΣυσηΊματα

3 .1.4 .3

Σύστημα Μετάδοσης

3 .1.4 .4

Μηχανικά ~υστιΊματα

3 .1.4.5

1-[λιακή Διάταξη

3 .1.4.6

Αμαξό)ματα και Σασί

3.1.4.7

Αγό)νες Ηλιακό)ν Αυτοκιν1Ίτων.

3. 1 .5

Πρακτικές εφαρμογές

3.

ι.6 Χρ1Ίση Φωτοβολταϊκό)\ι σε t-:πι[3ατικά Αυτοκίνητίι

3.2

Οι Εφαρμογές στα Σκάφη

3 .2. 1

Η

1

στορία των Ηλεκτρικό)\ι Βαρκc.ί)ν

3.2.2

Χρήση Φωτοβολταϊκc.ί)ν σε Σκάφος

3.2 .3

Εφαρμογές

3 .2 .3 .

ι Ηλιακά τροφοδοτούμενο αυτόνομο υποβρύχιο

3.2.3.2

Το Ηλιακά Τροφοδοτούμενο ΓΙλοίο «ΚΑ

82» . 3.2.3.3

Το Καταμαράν « Sιιη2 Ι

».

3.2.3.4

Εφαρμογές Ηλιακό)ν Βαρκό)V στον Τουρισμό.

3.2.3 .5

Προϊόντα για εφαρμογές των φωτο[Jολταϊιcό)ν στα οχ1~~ματα και τα σιcάφη.

Εll.:ΛΙ'ΩΙΊΙ

Αν δω.τρέξουμε όλη την διαδρομ.11 του ανθρό)πινου γένους μέσα στους αιόΜ:ς, από την αρχαιότητα ως σήμερα

,

Οα παρατηρήσουμε ότι η εξέλιξη και η πρ6ο()ος τοι> πολιτισμοι'J όπως κω της οικονομίας ι::ίναι συνυφασμένη με την ειφr:τι'ι.λλι:υση ιcω την δι<ι.χείριση υ.πό τον 6.νθρωπο κάθε μορφ11ς ενέργειας, ίJπως της δύναμης του υ.έρα

1 : 1

της πτι))ση του νερού σ' έναν καταρράκτη.

~την σύγχρονη ιστοr)ίυ. κω ειδικότερα από την εποχ11 της βιομηχανικής ι:πuνύ.στυ.σης, τυ υρυκτύ. κω)σιμυ. κ<ι.ι κυρί.ως το πετρέλαιο και ο λιγνίτης ι'μυ.ν οι πηγi:ς ι:νiφγιιυ.ς οι οποίες επιιφίι.τησαν. Βέβαια, εκτός από τα

υ.ναμφισf31'μητα πλεονεκτι'~μιηυ. που έχουν, υπάρχουν και κάποια σοβαρά μειονεκτ~1ματu.. όπως η ρύπανση που προκαλούν τόσο στον αέρα όσο στη γη κω στον υδροφίφο ορίζοντυ.. ΊΞνιι. ακόμα σημαντικό μειονέκτημα είναι το γι;γον6ς ϊηι ω υ.ποΟi;ματα των καυσίμων υ:υτιJ)\ι δεν είναι ανεξάντλητα και δr:δομi:νοι> ότι υπύ.ρχουν υ.ποΟ{:μυ.τυ. μόνο σε μερικές περιοχές του κόσμου, f:χι.:ι ()ημιουργ1'1σει μί.α κ<ι.τ(ι.στιιση στην παγκόσμια οικονομί.α με πολλές και

σο[Jαρές γιωπολιτι κές συνi:πω:ς.

Η π1:η1ιλu.ϊκ~'1 κρίση ιωτ(ι. την 6ιύ.ρκεια της δεκαετίας το

1 970 ,

αλλά και η ρί)πυ.νση της ατμΛσφω.ρυ.ς <ι.πό αυτές τις πηγές ενέργειας οδ11γησε τους

<ι.νΟρc!Jπους ν<ι. στρυ.φοί>ν προς την ανύ.πτυξη νέων, ενιι.λλακτικcJ)ν πηγό)ν ι:;νίφγειu.ς γιυ. την πιφιι.γωγ11 ηλεκτρισμού. Στις ενιι.λλαιcτικές πηγές ενέργειας πι.:ριλυ.μ[3<ί.νοντω η u.ιολικ1Ί ενέργc:ιιι., η γεωθερμία, η καύση φυτικό)ν προϊόντων (βι.ομίiζα) ,ιιλλύ. και η ενέrηεια που παράγεται από την ηλιακ1Ί ιι.κτινοβολίυ..

'Οσον ωρορύ. την εκμι;ηί.λλευση της ηλω.κ1Ίς ακτινο[)ολίας για την ΠU.j)!ι.γωγ~'] 11λ::κφικϊ1ς ;:νέργ::ιιι.ς

-

που u.ποτc:λεί κu.ι πι:δίο έρευνας αυτ1Ίς της ψγιι.σίυ.ς φυ.ίν::τω νυ. f:χ::ι πολλ<'ι ιω.ι σημu.ντικ!ί. οφέλη τ6σο γιυ. τον ίδιο τον

<ί.νΟρωπο 6σο κω γ ιιι. τ η ν προστυσίu του πι:ριβύ.λλ οντος που τα τελε υταί.α

χρ6νιυ. αποτι:λr.ί μι:ίζον Οέμυ. γιυ. πολλές χcj)ρι:ς.

Το ι:νhιυφ:":ρον γιυ την 11λιωcι'1 ::ν{:ργι:ω. μι:γϊι.λωπc (ηαν δι.απιστιJ)Θηκι.:

ιιέσω τοι> φωτο [3ολτu.ϊκοι'> φαινομένου η ι.: υκολί.<ι. με την οποί.α μετατρ έπεται η

ενέργεια της ηλιακΊΊς ακτινοβολίας σε ηλεκτρικ1Ί ενέργc1α. Με την εξέλιξη και την εξοικεί.ωση των νέων τεχνολογιό)ν έγινε <5υνα11'1 η μι:ίωση του κ()στους αυτ~Ίς της μετατροπΊΊς, με αποτέλεσμα την αν(ιπτυξη των φωηψολταϊκών συστημάτων και την χρήση αυτό)ν σε πολλούς τομείς της ζω1Ίς του ανθρό)που στην σύγχρονη εποχ1Ί.

r - r

φωτοβολταϊκ1Ί μέθοδος μετατροπ1Ίς της ηλιακ1Ίς ενtργι:ιuς σι:

ηλεκτρικ1Ί έχει πολλά πλεονεκτr1ματα. όπως η πρακτικ6 απεριόριστη ϊιάριcι:t(J.

ζω~Ίς των ηλιακό)ν στοιχείων και η ανεξαρτησία που προσφέρουν από τα κεντρικά δίκτυα διανομ1Ίς ηλεκτρικής ενέργειας.

Κ~<Ι>Α Λ Α ΙΟ ΟΡΩΤΟ

11

Λιαδμομή και η Εξ{:λιξη των Φωτοβολταϊκών Κυψελίδων

1.1 Τα Η11ι:ί)τα Β~Ίματα: 19ος Αιώνας

Ο AlessHnclιΌ Voll<ι ανακάλυψε την πρόηη πρακτικ1Ί μέθοδο δημιουργίας ηλεκτpικ1Ίς ενέργι:ιας. Το

1800,

Ο AlessaπdιΌ

Volta

από την 1 τυ.λίυ. ϊ:χτω:: το f\ολτυ.ϊκ-() πτ1Jλο κυ.ι υ.νιικιί)ωψε την πρόηη πρακτικιΊ μέθοδο οημ ιοιφγίιι.ς ηλεκτρι κ·ϊ1ς εν~::ργι-:ως. Κατιισκευασμένος από εναλλασσόμενους Οίσιωυς ψι;υδ(ι.f. γυρου ιωι χυ.λιωύ, με κομμό.τω χαρτονιού που ενυδατcJ)νεται στην cιλμη μεταξύ των μετ(ι.λλων, ο βολτu.ϊκός στύλος παp1Ίγαγε ηλεκτρικό ρF.ι'ψυ.. Το ιιι:τc1.λλ1.1\<) τ(1ξο αγωγιιιc'>τητιις χρησιμοποιιΊθηκε για να μεταφέρει την 11λ::ιπr)ικ1Ί ινϊργιιυ σε μι:γαλ:ύτερη απόστιιση. Ο βολταϊκός στύλος του AlessHπclιϊ> Voltcι 1Ίταν η πρόηη μπατιφία που παρ1Ίγαγε ένα αξιόπιστο, σταθερό ρεύμα ηλεκτρικ1Ίς ενέργειας.

ΊΞνυ.ς σί>γχρονος του Α Ιcsscιπι\ι·ο

Vo l ta

ήταν ο Lιιίgί Galνani, στην πριι.γμ(ιτικίηητυ, 1'1ων η διωpωνίιι. του Vollίl με τη Οr:ωρί.α του Gc1lνcιni περί γιι.λf\υ.νικι!>ν (J.ποιφίσ::ων (()τι ο ζωικί>ς ιστϊJς πψΗ:ίχε μια μορφή ηλεκτρικ1Ίς ινέργειιι.ς) οΩιΊγησαν τον Vollί:i νυ. χτίσει τον βολταϊκό σωρό για να αποδείξει c'>τι η ηλr:κτρι κ1'1 ι:νi:ργι:ιυ. 6::ν προιΊλΟε u.π(J το ζωικό ι.στ6 αλλά. παρ1Ίχθη από την ι.;πυφι'1 των 61υ.φορ::τικι)Jν μπιί.λλων, ορείχαλκου κυ.ι σίδηρου, σε ένα υγρό π:;ριfiιί.λλον. Ι~ψωνικ(ϊ ιω.ι οι δύο επ1στ1Ίμονι.:ς είχαν δίκιο.

Κ(ι.ποια στοιχεία τυ οποίυ. προέκυψαν από τα πειράματά του και τις

πολυετ είς {:ρ ευν ες κcι.ι δοκιμές του ονομάστηκαν προς τιμήν του A l ess andω

Vollίl, 6πως:

1.

Ι~ολτ

(Vo lt ) :

Η μον(ί.?iυ. της ηλ1-:κτρι::γφηκ1Ίς δύναμης,

1 1

η διαφορά της δυνu.μικού. ιωι η οποiυ Ο(ι. προιω.λ~ω-:ι ρ::ι'ψυ. της τιί.ξης του ενός αμπέρ

(

Ι ΛιηtJι:ι·) ιωι Ου 6ιυ.τρΙ:ς1;1 μιιι. υ.ντiση1.π11 ι:ν(Jς Ωιι

(

Ι Οlιιη).

7

Φω τοf \ο λτ u.ϊκ n : Φωτοf\ ολωϊ κu ι:ίνω τα σ ι> σ τ1)ματα που μετατρέπουν

την ηλιu.ι<:ιΊ ενέr)γειυ. σι; ηλεκτρι κιΊ ενl:ι)γιιu.

Ο Λlessι:111ciι·o Vollί:l γενν1'1θηκ1; στο Cοιηο της Ιτιιλίας το

1745 .

Το

1 774,

δ ιορί στ η κ :: ως κυ.Οη γητιΊ ς φ1> σ 1 κ 1Ί ς στο f\ιι.σ ι λι κ ί'J σχολι: iο του c: ο ιη ο . Ε νιJ) ~'μαν

στο βασιλικό σχολείο, ο AlessandιΌ Υο1Lί1 σχεδίασε την πρόηη εφεύρεσι'1 του το electJΌpl1onιs το

1774,

μια συσκευ1Ί που παρ1Ίγαγε στατική ηλεκτρικιΊ ενέργεια. Για χρόνια στο Cοιηο, μελετσύσε κω πειραματίζονταν γω την ατμοσφαιρικ1Ί ηλεκτρικ1Ί ενέργεια με την <J.νίχφλεξη των στατι KcJ)\I σπινΟι'1ρων.

Το

1779 ,

ο Alessandω Yolt<Ί διορί.στηια; ως καΟηγητιΊς φυσ1κ1Ίς στο πανεπιστιΊμιο της Παβία και ΊΊταν εκεί ενό) εφηύρε τη πιο διόχ>ημη εφεύρεσr1 του, τον βολταϊκό στύλο.

Ένα ηλιακό ιcύτταρο είναι οποιαδ1Ίποτε συσκευ1Ί που μετατρέπει <Χμεσα την ενέργεια του φωτός σε ηλεκτρικιΊ ενέργπα μέσω της διαδικασίας των φωτοβολταϊκu)ν.

1 - 1

ανάπτυξη της τεχνολογίας φωτοβολταϊκό)\1 κυψελίδων αρχίζει με την έρευνα του γαλλικοίJ φυσικού Aπtoine-Ces<ιι· Becqueι·el το

1839.

Ο Becqυei-el παραηΊρησε τη φωτοβολταϊκ1Ί επίδραση πειραματιζόμενος με ένα στερεό ηλεκτρόδιο σε διάλυμα ηλεκτρολυτcί)ν (ηυν r;ίδΕ να αναπτύσσεται τό.ση όταν το φως πέφτει πάνω στο ηλεκτρόδιο. ΑυτιΊ η φωτοηλεκτριιαΊ επί.δραση χρησιμοποι1Ίθηκε στις πρόηΕς προσπάθειες για δημιουργία φωτοβολταϊκών κυψελίδων ,τα οποία 1'1ταν φτιαγμένα από σελ1Ίνιο προς το τέλος του

l

9ου αιό)να.

Ι-1 επίδραση μελεηΊΘηκε αρχικά σε στερεά, όπως το σελιΊνιο, από το Hei11Γicl1 Heι-tz στη δεκαετία του ι

870.

Αμέσως μετά, οι φωτοβολταϊκές κυψελίδες σεληνίου μετέτρεπαν το φως στην ηλεκτρικιΊ ενέργεια μι;

αποδοτικότητα της τ<iξεως του ένα με δύο τοις εκατό. l(ατcί. συνέπεια. το σελ1Ίνιο υιοθεηΊΘη κε γρήγορα στον αναπτυσσόμενο τομέα της φωτογραφίας

για χρι16η του στις συσκευές φωτομέτρησης.

Σι'ψφωνα μι: την εγκυκλοπαίδεια l31·itcιπ11ica

,

η πρ6ηη γν1Ίσια φωτοβολταϊκή ιcυψελίδα κατασκευάστηκε περiπου το

1883

από τον CΙ·1cιι·Ιes fΓitts, ο οποίος χρησιμοποίησε τις ενό)σεις που δημιουργηΘ1Ίκαν με επικάλυψη του σεληνίου (ένας ημιαγωγός) από ένα εξαιρετικά λεπτό στρu)μα χρυσού. Οι πρ6)tμες φωτοβολταϊκές κυψελίδες, εντούτοις, είχαν αποδοτικ6τητα ενεργειακ1Ίς μετατροπ1:1ς κάτω από ένα τοις εκατό.

1.2 11

~:ξ{:λιξη κιι.ι η ί:δραίωση των φωτοβολταϊκών κυψελίδων.

Το

194 1 .

η φωτο[3ολτυ.ϊκιi ΚΙ)ψελίδα πυριτίου εφευρέθηκε από το ΙΖιιssι::ΙΙ

0 1 11.

Σημαντικά βr1μ.ατα προς την εμπορευματοποίηση των φωτοβολτυ.ϊκό>ν κυψελίδων άρχισαν στη δεκαετί.α του

'40

και στις αρχές της δι:κω:τίας του

'50,

6ταν η Ωιαδικασί.α Czocl11ϊ:1lsl<.i αναπτύχθηκε για την πιφαγωγιi τοι> ιδιιι.ίτερα ιωΟιφσί> κρυστάλλινου πυριτίου.

Ενu> το

1954,

τρεις αμ;;ριιωνοί ερευνητές οι Geι<:ild Peaι·son, Calνin Ι··'ιιllcΓ κιι.ι i)(lι-yl α1c.ιρίπ οι οποίοι βασίστηκαν στη διαδικασία Czocl1nιlsl<.i γιυ. να 11.νu.πτϊ>ξουν ιιιυ. ιφηστίι.λ.λινη φωτοβολτιι.ϊιcιΊ ιcυψελίδα πυριτίου

-

σχΕΩίιι.σu.ν μ ίιι. φωτο[Jολ τιι.ϊκή κυψι;λίΩυ. πυριτίου ικανό για απόδοση ενεργι.:ιυ.κιiς μι:τατροπι'jς έξι τοις εκιι.τό .Οι τρεις εφευρέτες δημιούργησαν μια σι;ι.ρι1. δι.6.φορων λωρίδων από πυρίτιο

(

το κάΟε ένα στο μέγεθος μιας λάμας ξυραφιυι)

),

τοποΟετuJντιι.ς τι.:ς στον ι'Jλιο, συνέλαβαν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κιι.ι τυ. μι:τέτρ<:ψCΙ.ν σ<: ηλ<:κτριιcό ρι.:ύμu

..

Δημιοϊ>ργησαν τα πρόηα ηλιακά ρcιιιel.

Tu.

·ι3cll l.c1l10ΓaL01·ies'· στη Νέα Υόρκη ανι'Jγγειλαν την ιcατασκευ1Ί πρωτότυπων ηλιακό)ν μπατu.ριό)ν. Ο

Bel 1

είχε χρηματοδοτ~Ίσει την έρευνα. Η πρriηη δοκιμ1Ί 6ημ<\σιων υπηρ::ΌΊrJ)ν της

Bell

στην ηλιακ1Ί μπαταρία ό.ρχισε με i;νιι. σύστημιι. τηλι:φωνΙΙ((ίJν μι.:τυφορέων

(

Λιηι::ι·icιιs

,

GeoΓgicι) στις

4

Οκτωf\rίοι> τσι>

19 55 .

Μi:συ. σι: μcρικ<Ί. έτη, αυτές φωτοβολτιι.ϊκές κυψελίδες (Ι)V) τροφοδ ηοι)συ.ν τιι. διαστημικά σκάφη και τους δορυφόρους.

Οι πρuη<:ς συμβιι.τικές φωτοβολταϊκές κυψελίδες παρ·ιΊχΘησαν προς το τi:λος της ()<:ιω.ι.:τίιι.ς του

'50.

κω ιωΟ' 6λη τη διc!ρκι.:ια της δεκαετίας του

'60 .

Χρησιμοπο11'1Θηων κυρίως γιιι. νιι. τροφοδοηΊσουν με ηλεκτρικ1Ί c;νέργεια τους

δορυφόρους που ε ίναι σε τροχιύ. γύρω από την Γη. Στ η δεκαετία του '70,

βελτιιίJσ<:ις στην κu.τu.σκc;υι'~, την u.πόδοση και την ποιότητα των συστοιχιό)ν φωτο[)ολτυ.ϊιcών

( \ >V)

[3υ1'1Οησι1.ν u>σπ να μειcJ)σουν τις δαπάνες και να

δ ημιυι'φγησυ.ν ε ι) Ιω.ιρί.ες γ ιυ. τ φι χρη σιμωω ίη η του ς σε απομακr υσμ ένες

ι;πίγω;ς ι;φυ,rμογ(;ς, πιψ~ι;ι ι λιφ fJμγc tι ί:v η τη ς φύ ρτ σ ης μπαταριd)v γ ια

βοηΟ 1'Jμυ.τιι. πλο ι'nη σ ης, σ ιΊ ιι ιι.τιι. . ι.:ξ οπλι σμϊ) τ ηλι.:π ιιω ινων ιό)ν ιcιιι άλλων

ιφί

11 11

ιων. χιι.μ ψ.ι')~ ¹ (;χι'ιος ιι.νιί.γκτς. ::την ιι.κω.ουΟη γραφιι ιΊ παρά τu. η

πυ.ρουσω.ς:.:ω.ι η μ;:ίωση ιωτ1'1 μ:~σιι. στον χρόνο.

: ~\

'

~ . ..-,

'"

^ο _ο

r·~

·:·:

- ~i

~

~ ~:]

"'

u w

! \

Pl1otovoltaic

8 Ί

lj ·h-... ^{τ--•e· .. ~·· .. .,,,} 0 "'""""'""h~•--'f'-"'''"Ao-·-~ ,._. ... ''•'t"""••••-•• • ... ''' 1 ... _..._, ... ..,

Ειιc6να

1.1 :

Απεικόνιση της πορείας της μείωσης του κόστους των

φωτοβολταϊκό)ν κυ ψ ελ ίδων . rs ι Ι

Μια προσέγγιση στη μείωση του κόστους της μετατροπ1Ίς της ηλιακ1')ς ενέργειας σε ηλεκτριιCΙΊ είναι να αυξηθεί. η υ.ποδοτικότητυ. των κυψελίδων, δηλαδ1Ί η παραγωγ1Ί περισσότερης ενέργειας ανά δολάριο. Η αντίθετη προσέγγιση είναι να μειωθεί το κόστος παραγωγής, δηλαδϊ1 η παραγωγΊ1 ίοι.ου ποσσύ ενέργειας ανά. κυψελίδα με λιγότερα όμως χρ1')μrι.τα. Μια ηΨη προσέγγιση μειό)νει το κόστος των υπόλοιπων στοιχι-:ίων του σ~κrτ1Ίf ιιι.τος.

01

καινοτόμες οιαδικασίες και τα σχέδια φΘύ.νουν συνεχ6)ς στην αγορά και βοηθούν στην μείωση του κόστους, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγ1Ίς κυψελίδων τύπου fιlιη

,

και χρησιμοποίησης τους στα κεραμίδια των στεγό)ν, και σε παράθυρα με διαφαν1Ί tίlιη από άμοr φο πυρίτιο (α-Sί). Οι οικονομίες κλίμακας που εφαρμόζονται στην παγκόσμια αγορά των φωτοβολταϊκιJ)\1 κυψελίδων βοηθοί1ν επίσης στην ι::λαχιστυποί.ηση του κ6στους.

Στη δεκαετί.α του

'80 ,

τα φωτοβολταϊκcL έγιναν δημοφιλ1')ς πηγ1Ί ενέργειας γ~α τις ηλεκτρονικές συσκr.υi,ς, σ11μπεριλαμβανοfιΕ:νων των υπολογιστό)ν χειρός, ρολόγια, ραδιόφωνα, φανάρια και άλλες εφαρμογές μικρ1Ίς ανό.γκης σε κατανάλωση ισχί>0ς. Μετά από τις ενεργειακές κρίσεις της δ :καετίας του

'70,

σημαντικές προσπάθειες άρχισαν προς την ανάπτυξη συστημά.των φωτοβολταϊκό)ν για οιι ιακές και εμπ ψικές χρ1Ίσεις για αυτϊ ν μη

1

^{ι ο μαι υcτμέvη ι:;νέργ ια. Κατά τη}

^, , ,

"

ια κεια της ι. ω.ς περι.ο ου,

άντληση ί)δατος, τ ηλεπ ικοινωνί ες, και σπ ί.τια εκτός δ ι κτ\)ου μ έ πω

φωτοβολταϊι <ί ν

crnc

τημιiτων

-

αυξι']Οηι ωι ι-:vτυπω ιαι ίι., ι ^11.1 πιφ~;μι;ινιι.ν μια

σημιι.ντικιΊ μερίδu της πυ.ροϊ>συ.ς παγκόσμιας αγοράς για φωτοβολταϊκά προϊόντα. ~1'1μερυ., η πυ.ρυ.γωγιΊ της βιομηχανίας των φωτοβολταϊκό)ν υ.υξάνι:τυ.ι μc: ι)υθμί>

25

τοις εκατό ετησίως, και σημαντικά προγράμματα στις

1

!νωμ~:νι-:ς Ι Ιολιτείι-:ς ΑμεριιοΊς (ΗΠΑ), Ιαπωνία και Ευρό)πη συνεχό)ς αυξύ.νουν την εφu.ρμογ1Ί των συστημάτων φωτοβολταϊκcί)ν στα κτ~Ίρια και τη διασύνδεση στιι. δίκτυα κοιν1Ίς ωφέλειας.

!στυρικ<ί., οι περισσότερες εφαρμογές των φωτοβολταϊκόΝ ιcυψελίδων είνυ.ι για την τροφοδοσία των σπιτιό)ν σε απομακρυσμένες περιοχές

-

μία τi-:τοιυ. εφιφμογ1Ί φυ.iνεται στην εικόνυ.

2 -

σε κυψελοειδείς τηλεφωνικές συσιο:υf.:ς ι1.ποστολr1ς σηιιιί.των

,

στην οδιιαΊ σήμανση, υδραντλίες, και ι:κιηοιιιιι'φω των ηλιιι.κιί>ν rολογι6>ν κω των υπολογιστό)ν. Τα αναπτυσσόμενα ι':ί)νη f\λϊποι>ν:; τι1ν χ/)ι']ΟΊJ φωτοβολταϊκcί>ν κυψελίδων

(PV)

ως τρόπο να ίl.ποφϊ>γουν τα υ.ιφιr\cχ ηλεκτροφόρα καλcί)δια στις απομακρυσμένες περιοχές.

Ειιcϊινιι.

1.2 :

~υστοιχi::ς φωτοr\ολτυϊκcί)\ι ρcιπel (Ι>V) γι.u την τροφοδοσία ενός σπιτιού σ:; ιι.πομιι.ιφυσμ{:νη πψιοχιΊ. 1 ι-,1

ΓΙ ιο πρόσφατα, χuρη στο χυ.μ ηλότερο κόστος, στα ισχυρά κίνητρα, και της πολιτι κ1Ίς γιυ. κιι.Θυ.ρ6τερες μορφές ενέργειας η βιομηχανία

φωτcψ ο λταϊκών κυ ψ ι-:λί δων (PV) έχε ι εστιό.σ ει πε ρ ισσότερο στα σπίτια,

κυ.Οcί)ς κυ.ι στις επιχι.;ιριΊσεις. Lε μερικές περιοχές

,

είναι πιο συμφέρον να εγκατιωτυ.Θούν οι ηλιυ.ιωί σι>λλέκτες απ<) να αναβαθμιστεί το σύστημα μr:τάiSοσης και διανομ1Ίς γι.u να ικανοποηΊσει τη νέα απαίτηση ηλεκτριιοΊς

ι:ν έr)γε ιας. Ι-1 αγοριJ. φωτο rΙολταϊκι.ί>ν κυψελ ίδων (PV) συνεχίζε ι να

ι:πι.;κπiνπυ.ι κcι.ι η η/.ση προς την κcι.λυψη εκτάσεων γης με φωτοβολταϊιcές κυψc:λίδι:ς

(l

¹

V)

ιι.υξι/.νετιι.ι.

ΑυηΊ η προσέγγιση διανομ1Ίς

-

παραγωγ1Ίς παρέχει ένα νέο πρότυπο για τις χρ1Ίσεις του μέλλοντος. Μικρές γεννήτριες. σε όλη την πί)λη και ελεγχόμενες από υπολογιστές, Θα μπορσύσαν να αντιιcυ.τ<ωτιΊσουν τον άνθρακα και τις πυρηνικ{;ς εγκαταστά.σεις που έχουν το μεyαλ1ηερο ποσοστ{) στην αγορά ενέργειας

.

Σ' αυτό το σημείο πρέπει να αναφέρουμε τους κυρι.όηφους σταΟμ.σι'Jς στην εξέλιξη της φωτοf3ολταϊιc1'1ς μετατροπ1Ίς. ^Στον πυρα κϊι.τω πίνακα παρουσιάζονται τα γεγον6τα που 6.λλαξαν την οπτικγ1 γι)ρω απ(J τα φωτοβολταϊκά ηλιακά στοιχεία

.

.---,--- - -- -- - - - -- - -·-· - - -

-

1 839

Παρα111ρηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου σε μεταλλικά ηλεκτρόδια

( Pt , Ag)

βυθισμένα σε ηλεκτρολύτες (Becψιeι-el)

.

1- - -1- - -- -- - - - -·-- ·-·-··-·········· -··- ---·· ··

J

937

Κατασκευ1Ί ηλ1αιο~1ς φωτοβολταϊκΊΊς κυψελίδας από ρι)

S

(Ι·'iscl1e1·

&

Goιiden).

1 939

Κατασκευ1Ί ηλιακ1Ίς φωτοβολταϊκ1Ίς κυψελίδας από

Se

με απ6δοση

1 % (O hl).

---·-·--- - . - - - - -

·-

---··- . -··-·- . ··-· ·- -·.

--

. ·-

1941

Κατασκευ1Ί της πρόηης φωτοf\ολταϊκ1Ίς ιcυψελί.διις από

Si (0 111 ).

1952

Ανακάλυψη της μεθόδου της τηγμένης ζό)νης γtα την κατασκειηΊ στερεό)V πολ:ύ μεγάλης καθαρότητας (Ρf~ιπη).

____ ^, _ ___________ _

1 953

Αvακάλυψη της μεθόδου σχηματισμού εvό)σεων ρ-η με διάχυση

προσμίξεων (Γulle1-).

1 954- Κατ αιΊκευ1Ί cpωτ οβ ολ τ αϊκ1Ί ς ~cυ\ιι ~ι-:ϊδας- α~ό-S. ί μϊ σχηματισμό ένωσ η ς ρ ­

π με διάχυση προσμίξεων και απόδοση 6ι% (Fιιlleι·,PeaΓsoπ.Cl1nρin).

1---ι---·--- - - - --· . - . -

J 956

Εμπορικ1Ί παραγωγ{] φωτοβολταϊκό)\ι κυψελί.δων (Cταφεία ΗοΠiηΗππ).

--- --- ----·-- --- ·- ----

--

^-· .

Ι

958

Εκτόξευση του αμερικαv1κσύ τεχνητού δορυφόρου Vηπgιιί:1Γc1

1 ,

εξοπλισμένου με

6

μικρές κυψελίδες

Si,

ισχύος

5 111 W ,

ως f)οηθητ1ιc1~1 εvεργειακ1Ί πηγή.

. ·-

, ___ ^{, _ __}

^{- ·-· -·--···-}

^--

^{.. -- . -.... ·--·}

Ι

958

Εκτόξευση σοβιετικού τεχνητσύ δορυφόρου ^{με αποκλειστtκ1Ί}

τροφοδότη ση από φωτο β ολταϊκές κυψ ελ ίδες.

-·---·--- ---

1 959- ϊ(ατασι~~:;:;~- φ ωτ~β ολ~Ο.ϊκ~~ς κυ ψ ελίί)ας από CdS , με απόδοση 5%

(l - 1

θ π1111011c!).

ι---~---

---- - ----

ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ 1

ΤΕΙ ΠΕΙΡΑ1Α

1 972

ι<υτυ.ΩΊCΕυ1'1 τοt> ··ιιί)οους'· φωτο[3ολταϊι ~Ίς

1

υψελtδας

Si ,

με απ'δ η 14r;.ι;1 (ιiπc\ιηcιyα

& A lli so11 ).

-

1 976 Κατασ ι<ευ1Ί φωτοβολτ<.ϊίκ1Ίς κυ ψ ελίδας από άμορφο πυρίτιο ο.οι %

(Cc.ιΓlsoπ

&

Wι·oπsl<i

).

- - - ·- - - - · - - -- -- - - !

Ι 977 ι<α τυ.σιcευ ιΊ φωτοβολτ uϊκ1'1ς κυ ψελ ίδας από GaAs , με απ6δοση 1 6%

(Κ.a1ηctl1).

Ι

981

Πτι'1ση πάνω απ6 την Μάγχη του αεροπλάνου SolcιΓ Cl1al\e11geι-, εξοπλισμένου με

1 6 1 28

φωτοβολταϊκ1Ίς κυψελίδας

Si ,

ισχύος

2.7 l < W.

Ι 983 Ί ·:νυρ ξη [ μπcψικιΊς λΕιτουργ ίuζ- του -Ζρωτοβολταϊκού σταθ μού της 1 3

ικτροr>ιλ, ισχύος

1 1\11 W.

. - - - -- - - --- - - -- - -- - -- - - 1 Ι

984

ΊΞνυ.ρξη βιομηχανιις{1ς παραγοη·ιΊς φωτοβολταϊκό)ν ιcυψελίδων στην

Ιυ.πωνία από ίφ.ορφο πυρίτιο με απόδοση

5% .

11

ίναιως Οι κυριότεροι στυ.(:)μοί στην εξέλιξη της φωτοβολταϊκ1Ίς

' 1(>1

μ.ετατροπης.

J .3

Το μ{:λλον των φωτοβολτιϊίι(())ν κυψελίδων.

Στο μέλλον προβλέπετυ.ι μίυ σημαντικιΊ αύξηση στην χρ1Ίση της ηλιυκιΊς εν:':ργc:ιυς οποί.ίι. ·ι')()η έχΕι ξεκ1ν1')σει ίι.πό τις u.ρχές του

2 1

ου αιό)νCJ.. Όλο κω περισσότερο οι αρχιτέκτονες κυ.ι οι ιω.τιι.σκευαστές αναγνωρίζουν την υ.ξίυ. το)ν φωτοrΙολτυ.ϊκών κυψελίδων ιωι μ.rι.θ<Lί.vουν πό)ς να τα ενσωματ<J)σουν υ.ποτελεσματικr.J. στην οικοδ6μηση των κτιρίων. Οι Οερμοσί.φωνες μπορούν να ιι.ντυ.γωνιστούν τιι. συμβιι.τικά συστιΊματα Θέρμανσης νερού σε μερικές περιοχές. Κω δε()ομι~νου (ηι το κ6στος της φωτοβολτι:ϊίιοΊς ιcυψελίδας

(

ρν) συνι:χίζει νυ. μΕιί!>νcται, αυτύ. τα συσηΊματα Θα εδραιωΟούν σε όλες τις μεγάλες

υ.γορ:':ς.

Γπι.Οπικίl οι κονομικ(1. κίνητρα στη

\

'ερμανία και την

1

απωνία έχουν

κύνα u.υτ{:ς τις χr!φcς

.

πυγκ()(>μ ιοι>ς ηγι:πς στην r,ξύ.πλωση της χρΊΊσης της Ι]λι(J.κι']ς ::νϊ1)γ1;ιυ.ς Λλλϊι.

01

Ι Ινr1ψί:ν1:ς Ι Ιολ1τ1:ί1:ς μπαίνuι>v δυναμικri στην υγcφr/. τΙ]ς ijλιυ.κι'1ς ιν:':ργ1;1υ.ς .γι:γονϊ)ς το οποίο είνυι ευχάι ιστο. Οι

ι:;παναλαμf3ανc' μενsς διαιcοπές ρ ύματος οι οποί ς έγιναν στην Ι<αλι<ι>ι·)

r

νια t()

2000

και

2001

και η κατακόρυφη αύξηση στην τιμιΊ του πεηχλα

. .

ίου

,.

^ι.χουν

παραιcιν1Ίσει τους ηγέτες της για να δημιουργ1Ίσουν νf_:α κίνητρu για ανανε;ό)σψες πηγές ενέργειας. Και άλλες πολιτείες ακολουθσύν το ίδιο χ/:. ιυ

. Η Αριζόνα, το Κολοράντο , το Νιου Ί "ζέρσεϋ κυ. ι η Γιενσυλ[Jανίιι. ι~χουν

συγ ιcεκριι ιέν

,..

ες απαιη1· σεις για π1ν τ1λιακ·ι'1 ενέnγι· εια

c

J >ς τμη

·

μα των

ανανεόJσιμων πηγόJν ενέργειας

.

Οι περισσ6πρες πολιτείι.:ς προσφέρουν εκπτό)σεις, κίνητρα παραγωγής, και φορολογικά κίνητρα, ίJπως κω προγρcχμματα δανείου και επιχορ1Ίγησης. Ακόμη και η ομοσπονδιαι ιΊ κυβέρνηση προσφέρει μια φορολογική πίστωση

30

τοις εκατό (μΙ;χρι $2.ΟΟί)) για την αγορά και την εγκατάσταση φωτοβολταϊκό)ν συστημάτων

(l)V)

σε κατοικίες και χρ1Ίση ηλιακό)ν Θερμοσιφό)VΟ)V.

Δεδομένου ότι η βιομηχανία των φωτοβολταϊκό)\/ συστημάτων συνεχίζr:ι να επεκτείνεται, Θα υπάρξουν περιστασιακι:ς συγιφσι'>σεις σιψφερ6ντων.

Παραδείγματος χάριν, η απαίτηση για κατασκειηΊ πυριτίου υψηλ1'1ς ποιότητυ.ς από τις βιομηχανίες ηλιακής ενέργειας και ημιαγωγό)ν έχει οοηγ1Ίσει στις ελλείψεις που έχουν ως αποτέλεσμα την προσωρινι'1 αύξηση της τιμ1Ίς των φωτοβολταϊκό)ν συστημάτων (ρV). Επιπλέον, υπrφχουν και μερικά εμπόδια στην εξάπλωση της χρ1Ίσης γης για παραγωγ1Ί ηλεκτρικ1Ίς ενέργειας από φωτοβολταϊκά συσηΊματα. Αλλά αυτά τα προβλ1Ίματα Θα υπερνικηθούν, και η ηλιακ1Ί ενέργεια Θα διαδραματίσει έναν σημαντικό ρόλο στην απαλλαγιΊ από την εξάρτηση μας από τα ορυκτά καύσιμα 6πως και στην καταπολέμηση της απειλ1Ίς της παγκόσμιας αύξησης της Θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου του Θερμοκηπίου, εξασφαλίζοντας ένα μέλλον βασισμένο στην ιωθαριΊ κω ανωιεό)σψη ενέργεια.

ΚΕ<Ι>ΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΙ)Ο

Είδη Ι(ω Τ f>δποι Κατασιο:υιΊς Φωτοβολταϊl(ών Συστημ<iτων

2.1

Τα Είδη Ι(αι τα L.υστατιιcιί. μίας <Ι>ωτοl)ολταϊιcής Κυψελίδας Τα σημαντικότερα συστατικά μίας φωτοβολταϊκ1Ίς ιcυψελίδας

(PV)

είνυι

()

_{1) 0} στρόψυ.τυ. τΩυ υλικσι) ημ ιαγωγό)ν που αποτελούνται συν1Ίθως από

ιφυστι'ιλλοΙJς πυριτίου. Οι ιφί>στuλλοι πυριτίου δεν είναι πολύ καλοί αγωγοί

της ηλεκτρικιΊς ενέργειας, το κατόηατο στρόJμα της φωτοβολταϊκ1Ίς κυψελίδας (ρV) στρόJνεται συν1Ίθως με βόριο, το οποί.ο συνδέεται με το πυρίτιο για να διευκολί>νει μια Οι:τιιο:1 ένωση(ρ). Το αν6ηερο στρόψα στρό)νεται με

φcί>σφορο. το οποίο σι>ν()(:::τυ.ι

f

ιι: το πιφίτιο για να ()ιευκολι)νει μια αρνητικ1Ί tνωση (ιι).Η ~:πιφcί.νι:ιu. μπu.ξι) των «Π-l)ιρe» κω <φ-l)ιρe» ενci)σεων καλείται σ-ϊ)\ιδcση ΙJΝ. Η μηωcίνηση ηλεκτρονίων σε αυηΊν την επιφάνεια παράγει ένα ηλεκτρικί> πεδίο που ι.:πιτρέπc:ι μόνο στυ. ηλεκτρόνια να περά.σουν από το στρ6ψ.cι. ρ-L)ιρe στο στρόψα ιΗyρe.

Οι τρεις f\u.σιιcοί τι'ητοι φωτοβολτυ.ϊκών κυψελίδων που παράγονται απ6 το πυρίτιο είναι

:

α) οι μονοιφυσταλλικές, β) οι πολυιφυσταλλικές και γ)

01 ύ.f ιορφες .

Οι μονοιφυστυλλικ{;ς κυψι;λ.ίδες γίνοντω σε μακρισύς ιcυλίνδρους και τεμυ.χίζοντυι σε στρογγυλi:ς ιΊ εξαγωνικές γκοφρέτες. \::νciJ αυηΊ η διαδικασία παrχi.γι-:ι υψηλή ωτόδοση, (>πως εικοσιπένη: τοις εκατό

(25%)

σε μερικές εργαστηριυ.κtς δοκιμές. Οι συσσωρευτές μπορούν να ωΟ1Ίσουν την απόδοση στο τριύ.ντυ. τοις εκυ.τ6 (30°/ι~)

.

Τα μοvοιφυσταλλικά κύτταρα αποτελούν το ι.:ίιcοσι εννι<ί. τοις ι.:ιωτ6

(29

<Υο) της παγκ6σμιας αγορ[Lς των φωτοf3ολταϊtcci)ν κυττύ.ρωv.

Οι πολυιφυστυ.λλιιci:ς κυψελίδες αποτελοίJνται από λει.ωμένο πυρίτιο.

\~νr.i1 οι cLπυ.ιτιΊσι:ις της πu.ραγωγ1Ίς είvυ.ι χαμηλότερες. η απόδοση των κυψελίδων ι:ίνω χυ.μηλότΕf η γύρω στο δεκαπ{:vτr, τοις εκατό

( 1 5%) .

Επειδ1Ί οι κυψελίδι:ς ::ίνυ.ι τετραγωνιιcί:ς, μποpσϊηι να συσκευαστούν μαζικci

.

Οι πολυιφυσταλλικές κυψελίδες αποτελούν το εξ1Ίντα δύο τοις εκατό

(62 %)

της παγκόσμ1ας αγοράς φωτοβολταϊκ<J)ν κυψελίδων (ρV).

Το άμορφο πυρίτιο (α-Sί) είναι μια ριζικά διαφορετιια'1 προσέγγιση. Το πυρίτιο ψεκάζεται ουσιαστικά επάνω σε μια επιφάνεια γυαλισύ

i 'i

μετάλλου στις λεπτές ταινίες

.

Αυτ~Ί η προσέγγιση είναι ελιiχιστα πιο αιcr ιβ1Ί, αλλά οδηγεί σε πολύ χαμηλ1Ί απόδοση, μόνο πέντε τοις εκατό

(5 %) .

Δι6φορα εξωτικά. υλικά εκτός απ6 το πυρίτιο είναι ηπϊ) ο.νr'ιπτυξη. όπως το αρσενίδ10 γαλλίου

(G a-As).

Λυτά τυ. υλικι'ι. προσφf:ρουν ιιψηλ6η:rι:ς αποδόσεις και άλλες ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Με τη συσσ<Jφευση των κυψελίδων στα πολλαπλά στρό)ματα, μπορεί να απορροφηΟεί περισσ6τεr η ηλιακ1Ί ενέργεια. Αν και το αρσενίδιο γαλλίου

(Ga-As)

αποτελεί μόνο το πέντε τοις εκατό

(5%)

της παγκόσμιας αγοράς, εμφανίζεται να είναι το συστυ.τικ6 γω.

τις μελλοντικές μειό)σεις δαπανό)ν και την ανάπτυξη.

Οι φωτοβολταϊκές κυψελίδες είναι ένα εργαλείο που υπόσχεται την γρ1Ίγορη, ασφαλ1Ί και μεγάλη διάδοση της χρ11σης της ηλιαιCΊΊς ενέργειας και αυτό Θα επιτευχθεί με την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας. Με την χρ1'1ση της Θα υπά.ρξει βελτίωση στην απόδοση της μεταηJοπ1Ίς της ηλιακ~'1ς ενέργειας σε ηλεκτρικϊ1 μέσω των φωτοβολταϊκό)ν συστημάτων. Το

200 1 ,

αναφέρθηκr.

απόδοση της τάξεως του έντεκα τοις εκατό

( 1 1

¹

%)

για τα φωτο-ηλεκτροχημικά (ρl1oto-elect1Όcl1eιηical) στοιχεία τα οποία 1'μαν κατυ.σκι~υασμένα ωrϊ>

νανοκρυστάλλους( 11anocι-ystalline) .Τόψα. ερευνητές στο πανεπιστ1Ίμιο του NotΓe Daιη (Νότρ Νταμ) έχουν αναπτύξει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα που κατασκευάζεται από τα κβαντικά σημεία σεληνιδίου καδμίου

(CdSe)

που συγκεντρό)\ιονται επάνω στο διοξείδιο τιτανί.ου (Τί02).

Ι-1 χρ1Ίση των κβαντικό)ν σημείων

(QOs)

στην επι.:ξεργασίu των φωτοβολταϊκό)ν κυψελίδων υπόσχεται όχι μόνο υψηλές αποδόσεις στην μετατροπή της ενέργειας, αλλά καt μεγά.λο είφος βελτίωσης

.

Επr.ιδ1Ί nι

ιδιότητες απορρόφησης των κβαντιιcιί)ν σημείων ημιαγωγό)ν είνω εξαρτό)μενο μέγεΟος, τα μόρια του σεληνιδίου καδμίου

(CdS e)

μποροί>ν να συντονιστούν από την από τα

650

ΝΜ έως τα

400

ΝΜ με τη μείωση της διαμέτρου των μορίων. Με τη συγκέντρωση των μορίων σε μια τακτικ1Ί διαμόρφωση. η

.·

απίJκριση της φωτοβολτιϊίκ1Ίς κυψελίδας μπορεί. να μετατραπεί βελτιό)νοντας την φυ.σμυ.τικ1Ί απύιφιση όπως η λειτουργί.υ. του μ~Ίκους κύματος.

').f:Ι

l

1 i ' ^•. 1· ^J \

ι:.>

υ ι:.:

ι'1 ..ο σ.ι1

ο

ιn Ω

<{

().~

υ. u ι·

ι}Ι"!ί_!

e tl

c b

'1

:::.;.ιe1

aίJcde

a. · 11111 Ι ifJ

/) . •J .: ..

11111 1 (.ι. ·>:::: 1<_;,, {;. ·:; ~·-ι.ιf"·"' Ι i(.ί :..'~.a.:.;e cl. 1· JΓlι ! 1:'"J;_.,:Γ • .-J':;ι.:

e. 2-,,111 · ~) · r.rJ~:O,o.

71):'! vvavelength (nιη)

Εικι'>νυ.

2.1:

Λπι.:ικ(Jνιση της σχέσης υ.πορρίJφησης της ηλιακΊΊς ακτινοβολίας

ιω ι του μ~'1ιω υ ς κί>μυ.το ς των μ υρ ίω ν το'\J σι~ληνιδ ί ου καδμ ί ου (CdSe).

152 1

Α ντίΟr:τυ. υπϊJ το'\Jς ιωινοίJς ημιαγωγούς. το ιcβυ.ντι κό σημείο κατέχει επίσης μιυ. μονυ.διιc1Ί δυνυ.τότητυ.. ΜποροίJν να παραχΟούν πολλαπλά ζευγάρια ι.:νεργc:ιu.κuJν μεταφορέων με ένα ενιυ.ίο υψηλ1Ίς ενέργειας φωτόνιο. Στους συμf1u.τικοί>ς ημ ιαγωγοι'>ς, πυ.ριί.γι:τω ένυ. ενιαίο ζευγάρι ανά. απορροφημένο φωτ6νιο. Αυτό σημαίνει ίJτι ιωι τα υψηλ1Ίς και τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια

δημ ιουργοίJ\ι μίJνο ϊνιι ενιυ.ίυ ζευγά.ρι των ενεργειακόJν μεταφορέων

.

Απλοί>στερα, η πρόσΟετη ενέργειυ. των ιωντινu)ν στη ακτινοβολία

UV

φωτονίων δεν χρησιμοποιείται πλ1'1ρως κυ.τά την χρ11ση 1ωινu)ν ημιαγωγu)ν. Σε κf\αντικιί. σημι:ίυ.

,

εντοι'ηοις, τιι. υψηλ1'1ς ενέργειας φωτ6νιυ. μπορούν να παρυ.γrί.γουν πολλυ.πλιί.σω ι:νί:ργωι. μι-: μ ιιι. δωδι κασία γνωσ11'1 ως ιονισμός iιηιι'1ι:l. Uέτοντιι.ς το ι'Jριο για την ι;πίτευξη απόδοσης μεγυλύτι.:ρης από

100%

στην μπυ.τροπ1Ί του φωτονίου. Τα κ[:Jαντικά. σημεία σεληνιδίου καδμίου (CΊ!Sι:) σιJν6ί:οντω μι τις τu.ινίι:ς nωξειοίοι> τιτανίου (lϊ02) υπό ένα μόριο σύνbι:σης με σκοπό τη μετυ.τροπ{1 των φωτονίων που ιι.πορροφu)νται από τα κβu.ντι κύ. σημεία στα ηλεκτρόνιιι..Οταν το πιiχος των φωτο-ηλεκτροχημι κu)ν

( ρl10Lo- c Ι ι:ι:ιωcl 1cιη ί cί1

I)

φωτοf3ολ ταϊιc<!Jν ταινι<J)ν αυξάνεται, ^η

υ.πορροφητικίηητυ. των ιc[3υ.ντ1κu)ν σημείων υυξίι.νεται, όπως παρατηρείται με το fιu.ι'φισμιι. τοι> χμι!ψυ.τος ίπυ.ρψf\ολt'1).

Όταν το πάχος του συνδεδεμένου κβαντικοίJ σημεί.ου του σι;ληνιδίου ιcαδμίου

(CdSe QDs)

ιcαι διοξειδίου τιτανί.ου (Τί02) αυξάνεται, αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι ταινίες του διοξειδίου τιτανίου (Τί02) να αυξάνονται, τύτι:: η απορροφητιιcότητα σεληνιδίου ιcαδμίου (CιJSe) αυξό.νεται ιcαι η ταινία εμφανίζεται σιcοτεινότερη. Η αυξανόμενη απορροφητικότητα οφείλι;ται στο μεγαλύτερο αριθμό περιοχό)ν συνδέσεων που είναι διαΟ~:σψ<:ς μέσα στις παχύτερες ταινίες του διοξειδίου τιτανί.ου (Τί02)

,

πρό.γμα που επιτρf.:πει την αυξανόμενη απόδοση της απορρόφησης για τα φωτ6νια.

Αν ιcαι οι ερευνητές είνα~ αιc6μα μαιφιά απc) το στ6χο γιιι. αποδίJσυς

μεγαλύτερες από

1 00%,

η εργασία τους κιιταΩcικνύΕι τη δυνατότητα των σειρό)V κβαντικού σημείου του σεληνιδίου καδμίου

(QI) Cc !Se)

να συγκεντρωθούν τα φωτόνια και να παραχθεί φορτίο σε μια φωτο ηλειcτροχημικ1Ί

(photo -

eiectωcl1e111ical) ιcυψελίδα. Όπως αναφέρει ο ιcαθηγητ1Ίς ιc. l)ΓasJ1a11t Ka111cιt: «Το μέγεθος και οι εξαρτc!)μενες ιδι6τητες των ιcβαντιιcό)ν σημείων

(QD s)

παρέχουν μια μοναδικι'1 ευκαιρία να προσαρμοστούν οι ιδιότητες των φωτο

-

ηλεκτροχημικc))ν (ρl1oto

-

electωcJ1e111icc1I) 1Ί φωτοβολταϊιcό)V ιαιψελίδων. Αυτό είναι το πρόηο βιΊιια στην προσπό.θειά μας στα ιcβαντικά σημεία καλωδίων με τους μοριακοι'Jς συνδετιιcοίJς ιcρί.κους για την παραγωγ1Ί φορτίου. Είναι ο στ6χος μιι.ς γιιι. νο.

εδραιωθεί περαιτέρω σε μερικές από αυτές τις μοναδικές ιδιότηπς των κβαντικό)V σημείων

(Q.Ds)

και να προετοιμάσει το έδαφος για τις φωτοβολταϊκές κυψελίδες της επόμενης γενιάς.»

2.2

Οι φωτοβολταϊι(ές κυψελίδες λεπτών ταινιάη¹

(T11 in - Fil m

I>J10tovolt~ιic)

Αντιπροσωπεύουν την πιο ελπιδοφόρα τεχνολογί.α για σημαντικ1Ί μείωση του κόστους των ηλιακόJν ηλεκτρικ<J)ν συστημάτων. Αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να πραγματοποnΊσει την χρ1Ίση της ηλιαιοΊς ενέργειας με χαμηλότερο κόστος με τη χρησιμοποί:ηση των φωτοβολ ταϊκιJ)ν κυψελίδων χωρίς πυρίτιο, πλαστικά υποστρόJματα χαμηλότερου κόστους που είναι διαθέσιμα σ~Ίμερα σε μεγάλη ποσότητα και ανέξο6ες τεχνικές κατασκευιΊς.

Οι πu.ραδοσιακοί ιω.τu.σκευαστές κυψελίδων πυριτίου έχουν περιοριστεί από την έλλειψη του πυριτίου ,τις υψηλές τιμές του πυριτίου και την δυσκολία στην επεξψγυσίυ του.

Ί'α λι:πτύ. Ιί Ι 111 φωτοr\ολ ταϊκό)ν συστοιχιό)ν κατασκευάζονται από εναπ6Θεση πολύ λεπτιi)ν στρωμό.των υλικοϊJ ημιαγωγό)ν σε ένα γυαλί

11

σε ένα λcπτί) στμόψ.cι. ανοξεί.δωτου χϊι.λυ[3υ. σε αεροστεγές κελί

.

Ένα χαρακτικό λέιζερ χρησιμοπο11:-:ίτω γιυ. νυ χωρίσει και να ενι))σει τις ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των μψονuψένων κυττίφων σε μια συστοιχία. Τα φωτοβολταϊκά που

u.ποτελσύνται ιι.π6 λεπτά Ιϊlιη προσφέρονται γω τη μείωση των απαιτ~Ίσεων σε υλικ(ι. ιω.1 φθηνίηερη κατασκευ1Ί για τις συστοιχίες και κατ' επέκταση σε πιο προσ1τύ. φωτοβολταϊκά συσηΊματα.

Ειι((Ίνα 2.2 : Λ επτύ. Ιίlιη φωτοβολταϊκci)V 1

⁵:;J

Υπ<ί.ρχουν στο εμπc'φ10 κυψελίδες

c li Se lenide

γαλλίου ίνδιου από χαλκό τυ. οπυί<ι. ι:ίνω λεπτές τωνίr~ς χωρίς πυρίτιο

(C IGS)

που κατατίθενται σε ~;να ανοξείδωτο φύλλο υ.λουμινί.ου

.

. •,' ..,

Ειι((Ίνα

2.3:

ϊΊ1ίπ

-

Ιίlιη φωτοr)ολταϊιc1i κtJψελίδα κατασκευασμένη από

ί;.μορφο πιφίτιο. 1 1 71

Οι λΕπτές κυψελίδες επ6μενης γενιάς είναι βασισμένες στους

ημ 1υ.γωγούς χωρί.ς πtφίτ10.

01

οποίοι μπορσι)ν να απορροφ1iσουν το ίδιο ποσ6

φωτός του 1Ίλιου με τους ιcρυστάλλους πυριτίου. Αυτές οι φωτοf3ολτυϊκtς κυψελίδες λεπτό)ν

ti l111

αποτελούνται από τα στρόψατα ι.;νύς υλικού ημιαγωγό)ν όπως Γίlιη χωρίς πυρίτιο

(ClGS),

diSeJeπi.cle i.νδιου χαλκοί> (ΚΑΚ) 1Ί TelluΓide καδμίου

(Cd T e ),

ιcαι εφαρμόζονται σε ένα χαμηλού κόστους υπόστρωμα, όπως το πλαστικό. Το οικονομικό όφελος των κυψελίδων λεπτ6Jν filιη είναι ότι χρησιμοποιούν πολύ λιγότερο υλιιcό ημιαγωγcJ)\1 σε σχέση με τις κυψελίδες από κρυστάλλους πυριτίου και μπορεί να χρησιμ.οπο1.1'1σει τις λιγότερο δαπανηρές μεθόδους ιcατασκευ1Ίς.

Οι φωτοβολταϊιcές ιcυψελίδες έχουν ιcατασκευαστεί παραΩοσιακά χρησιμοποιό)ντας κρυστάλλους πυριτίου, το οποίο απαιτεί. ακριβ1Ί επεξεργασία και οδηγεί σε ογκ())δη, άκαμπτα ηλιακά πλαίσια. Η δυνατότητα «να τυπωθούν» τα ακριβότερα στρόψατα εν6ς ηλιακού ιcυττά.ρου Επάνω σε ένα χαμηλού κόστους

,

εύκαμπτο πλαστικό υπόστρωμα πιθανό να μει<J)σει το κόστος παραγωγ1Ίς. Οι διαδικασίες εκτύπωσης είναι απλές σε σύγκριση με άλλες λεπτές τεχνικές απόθεσης. Η διαδικασία το καθιστά πιθανό να παραγάγει τα ηλιακά κύτταρα που μπορούν να παραδό)σουν μεγάλο ποσό ενέργειας και διάρκεια ζΟJΊ'jς όσο και τα συμβατιιcό. ιcύτταρα πυριτίου και να επιτύχουν πρωτοφαν1Ί πλεονεκη'jματα μεi.ωσης του όγκου δαπαν<J)ν κω της παραγωγ1Ίς.

Αυτό οδηγεί πολύ στον ανταγωνι.σμ6 τιμ<!Jν των φωτοf3ολταϊ1αίJν κυψελίδων ακόμα κι αν η απόδοση των κυψΕλi.δων λεπτόJν J:ίl1η μπορεί. να εί.ναι λιγότερο απ' ό, τι για τις 1cυψελίδες από κρυστάλλους πυριτίου.

0 1

κατασκευαστές κυψελίδων λεπτό)ν f:ίl111 δεν μιλούν για την τιμ1Ί των προϊόντων τους δεδομένου ότι τα προϊόντα δεν είναι γενικά διαθέσιμα στην αγοριi, εκτός από μερικές εξειδικευμένες εφαρμογές.

2.3

Λειτο1φγία των Φωτοβολταϊ1<ών Κυψελίδων.

Μ ίυ. χαραιcτηριστικιΊ φωτοβnλ ταϊιc1Ί ιcυψελίδα

(l)V)

πυριτίου απαρτίζεται από μια λεπηΊ γιcοφρέτα που αποτελείται από ένα πολύ λεπτό στριί)μα ψποτισμένου φωσφόρου πυριτίου (Ν-t)ιρe) π6νω από ένα παχύτερο στρciψυ Εμποησμ~;νου βορίου πυριτίου (ρ-l)ιρe). Ένα ηλειcτρικά φορτισμένο

πι·δίο οημ ιοιφγι;ίται κοντά στην ανιiηερη Ε:πιφι.lνειu. της κυψελίδας όπου αυτά τα δϊJο υλικC:ι είναι σε επαψιΊ, που καλείται σύνδεση ι>Ν. Όταν το φως του 1Ίλ.1ου χτυπύ. την επιφιίν:::ια μιας φωτοβολταϊκιΊς ιcυψελίδας, αυτό το ηλειcτριιcό

π:;δίο πυρέχι:ι uρμ

1 ' 1

κυι ιcαη:ι)θυνση στα φωτοδιεγειρόμενα ηλειcτρόνια, με συνέπεια μ ιcι. ρο{] ρι::ϊψυ.τος όταν συνδέεται η φωτοβολταϊιαΊ ιcυψελίδα με ένα ηλεκτρικό φορτίο.

Ji:ικϊJνιι. 2.4 : Τρι'Jπος λε ι τuυργ ί.ας ι.: νός φωτοβολτυϊιωύ ιcυττάρου.

¹⁵³¹

Ανεξάρτητα από το μέγεθος, μία φωτοβολταϊιcιΊ ιcυψελίδα πυριτίου πυ.ράγει περί.που

0.5 - O.G vo ll

σε ανοιχτό ιcύιcλωμα. Ίο ρεύμα που παράγει μία φωτοf3ολταϊκιΊ ιcυψελί.δα εξαr τά.ται ιlπό την αποδοτιιcότητα ιcαι το μέγεθ6ς του (περωχι'1 ι:πιφϊι.ν<.:ιας), και είναι αν(ι.λογο με την ένταση του φωτός του 1Ίλιου που χτυπά. την Επιφϊινειυ. του κυττάρου. Παραδείγματος χύ.ριν, υπό την μέγιστη ηλιοφύ.νι:ιυ. μίυ. τυπιιcιΊ φωτοβολταϊκ1Ί κυψελίδα με μια περιοχ1Ί υτιφίί.νεως

1

^(j() πτρυγωνι κιi)ν ειωτοστciJν

(

cπi-· 7

)

Οα παρυ.γάγει περίπου ιιέγιστη ισχ~'J

2

Wcιιι Ι·:<iν η i:νταση φωτϊJς του 1Ίλιου ~Ίταν

40

τοις εκατό

(40 %)

της μϊγιστης ηλιοφάνειας, αυτιΊ η κυψελίδα Ου. παρ1Ίγαγε περίπου

0.8 Watt.

2.4

Κατασκευ11 Φωτοβολταϊκών Κηψελίδων.

/-{

διαδικασία κατασκευ1'1ς των συμ βατι κcίJν ενιαί.ων κω

πολυκρυσταλλικόJv φωτοβολταϊιcόJv κυψελίδων πυριτίου αρχίζει με το πολίJ καθαρό ημιαγωγό πολυπυριτίου, ένα υλικό που παράγεται από την επεξεργασία του χαλαζία και που χρησιμοποιείται εκτεv<J)ς σι; όλη τη βιομηχανία της ηλεκτροvιιαΊς. Το πολυπυρί.τιο έπειτα Θερμαίνεται σε θερμοκρασία ηΊξης, και μικρά ποσ<Χ βορίου προστίθενται στο λειωμινο πολυπυρίτιο για να δημιουργηθεί το P-t)¹ρe ημιαγ<J)γψο υλικό. Τ·:πειτα, ί:.να πλίvθωμα, ή καλούπι του πυριτίου διαμορφόJνεται. συv1ΊΟως χρησιμοποι<jJντας

τη μια από τις δί>ο ακόλουθες μι:θόδους:

1 )

με την ανάπτυξη εvϊ>ς ιcαΟαροίJ κρυσταλλικού πλιvθό)ματος πυριτί.ου που προέρχεται από το λειωμί:νο πολυπυρίτιο

11 2)

με η1 ρίψη του λειωμινου πολυπυριτίου σε i;ναν καλοι'>πι, δημιουργό)vτας ένα πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Οι ανεξάρτητες γκοφr){;τες τεμαχίζονται έπειτα από τα πλιvθό)ματα χρησιμοποι6Jvτας πρι6vια καλωδίων

και υποβάλλονται σε μια διαδικασία χαρακτικi1ς της επιφάνειας τους. Αφότου καθαρίζονται οι γιωφρέτες, τοποθετούνται σε έναν φούρνο διάχυσης φωσφόρου, δημιουργ6)vτας έτσι ένα λεπτό στρόJμα ημιαγωγό)v N-tyρe γίψω από ολόκληρη την εξωτερικ1Ί επιφάνεια της ιcυψελί.δας. Κατ6πιv, {,νυ αντί­

αvταvακλαστικό επίστρωμα εφαρμόζεται στην επιφάνεια της κυψελί.δας. και οι.

ηλεκτρικές επαφές αποτυπό)vοvται στην μπροστιv1Ί αρνητικγ1 επιφι1.νεια της κυψελίδας. Ένα επαργυλωμέvο αγό)γψο υλικό κατατίθεται στην Οετικ1Ί πί.σω επιφάνεια κrLθε ιcυψελίδας, αποκαθιστόJvτας τις ιδιότητες του JJ-l)'\)C της πίσω

επιφάνειας με τη μετατόπιση του διασκορπισμένου στρό)ματος φωσφόρου.

Κάθε κυψελίδα έπειτα εξετάζεται ηλεκτρικά, ταξινομείται ανάλογα με την παραγωγ11 ρεύματος, και συνδέεται ηλεκτρικά με τις άλλες κυψελίδες για τον σχηματισμό κυκλωμάτων για τη συναρμολόγηση των φωτοβολταϊκόJν συστοιχιό)V.

,

Antireflective F ront Contact Coatirig

\

;/ · . ! ··

/ Ι

Negativc Positiνc L.1yer Laycr

Sunligh!

B<ιck

CQntact

Γ. ικόνα

2. 5:

Λ πεικ6νι.ση των μερc!Jν που αποτελοϊJν μία φωτοβολ ταϊιαΊ

ιωψι;λί.δυ.. ¹~³¹

2.5

Φωτοf·~ολταϊι<f:ς Κυψελίδες, Συστοιχίες

&

διατάξεις

Οι. φωτοβολταϊκές κυψελίδες συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά

11

παρύ.λληλu. σε ιcυκλc.Jψατα για να πυ.ραγάγουν τα υψηλότερα επίπεδα τάσης, ρεύματος και ισχύς. Οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες αποτελούνται από κuκλι)Jμωιι. φωτοβολτιι.ϊκών κιιψι:λίδων που σφραγί.ζονται σε ένα π:.:ριf\υ.λλοντικιJ. προστιι.τευτιιc<'J φύλλο πλυ.στι.ιωύ, και c;ίναι η Θεμελιό)δης

οομικιi μονcι.δυ. των φωτοβολτυ.ϊκό)\ι συστημάτων Οι φωτοβολταϊκοί πίνακες πι.:ριλυ.μβύ.νουν μιυ. ιΊ περισσότιφες ενϊηητες φωτοβολταϊκόJν κυψελίδων που σuνυ.ρμολοyοϊιντυ.ι ως πr)(1κu.λωΩιυμ~:νες, tτοιμες προς εγκατάσταση μονάδες.

fVI ιιι. φωτοf3ολτυϊκι'1 ΩιιJ.τυ.ξη ι:ίναι η πλι1ρης μονάδα κατασκευ1Ίς ι:νi:ργεω.ς. που αποτελείτω υ.πό οποιοi51Ίποτε αριθμό φωτοβολταϊκόJν

συστοιχι.ιi1ν κυ.ι πι.ν(ι.κων.

' Ι

Π1Ο<Jιιlc

1 . . 1

ΕΞΞ3

Εικϊ1να

2.6:

</>ιιίνι:τω

11

σχtση ιι.νιί.μι.:σu. στις φωτο{3ολτιι.ϊκές ιcυψελί.δι.:ς και την οι(ι.τυ.ςη ι"1 σ\)στοιχίυ. (1\)TcJ)\I. 1~³¹

Η απόδοση των φωτοβολταϊκών διατάξεων εκτιμάται σίψ.φω νιι με τη μ i:γ ι στ η

παραγωγ1Ί

DC

ισχύς τους

(W;:1tt)

υπό τους τυποποιημένους όρους δοκιμ~Ίς

(STC).

Οι τυποποιημένοι όροι δοκιμ1Ίς καθορίζονται από μια Οερμοιφασίυ.

λειτουργίας συστοιχίας

25 0

βαθμούς Κελσίου

(77

βαΟμούς Φαρενϊιι.τ) ιωι από το ηλιακό επίπεδο ακτινοβολίας

1000

Wθtt/ιη2. Δεδομ{:νου ότι αυτ{:ς οι συνθ1Ίκες δεν είναι πάντα οι συνηθισμένες που λι.:ιτουργσύν οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες και οι διατάξεις στο χωράφι, η πρίιγματικ1Ί απόδοση εί.ναι συν1ΊΟως

85

έως

90

τοις εκατό

(85 % - 90 %)

της εκτίμησης

STC.

Οι σημερινές φωτοβολταϊιcές συστοιχίες είναι εξαιρετικά ασφαλιΊ κω αξιόπιστα προϊόντα, με τα ελάχιστα ποσοστό. βλcχβης και προf·~λεπ6μενη διάρκεια ζω1Ίς της τάξεως των

20

έως

30

ετιJ)ν. Οι περωσότιφοι <>ημαντιιωί ιcατασιcευαστ{;ς προσφf.ρουν εγγύηση είκοσι 1Ί πι.:ρισσ6τcρων πιJ>ν για τη διαηΊρηση ενός υψηλού ποσοστού της αρχικιΊς εκτψ.ιJ)μενης παρυ.γωγιΊς

ισχύος.

2.6

Φωτοβολταϊκ<i Συστήματα

2.6.1

Η Λειτουργία ενός Φωτοβολτιϊίιω{) Συστήματος.

Τα ηλιακά ρcιnel είναι συσκευές που μετατρέπουν το φως σε ηλεκτριιcι'1 ενέργεια. Οι φωτοβολταϊιcές κυψελίδες ρy στηρί.ζονται στη φωτοf~ολταϊιc1Ί επίδραση να απορροφ1'1σουν την ενέργεια του 1Ίλιου και να δημωυργ1']σουν τάση μεταξύ δύο αντίθετα φορτισμένων στρωμάτων.

Με απλά λόγια. τα συσηΊματα είναι όπως οποιοδ1Ίποτε σύστημα που παράγει ηλεκτρικ1Ί ενέργεια, αλλά ο χρησιμοποισύμενος εξοπλισμός είναι διαφορετικός από αυτόν που χρησιμοποιείται για τα συμβατικά.

ηλεκτρομηχανικά παραγωγικά συσηΊματα. Εντούτοις, οι αρχές της λειτουργίας και της διασύνδεσης παραμένουν οι ίδιες, και καθοδηγούνται. απ6 ένα καθιερωμένο σύνολο ηλεκτρικό)ν μεθόδων και προτύπων.

Παρόλα αυτά όμως μια φωτοβολταϊκή διάταξη παράγει. ενέργεια όταν εκτίθεται στο φως του ήλιου, έτσι κάποια άλλα υποσυσηΊματα χρειύ.ζονται για