Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Φωτοβολταϊκά Συστήματα"

Όφελος Δάβης
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Φωτοβολταϊκά Συστήματα 2 ο Γενικό Λύκειο Ναυπάκτου Ερευνητική Εργασία(Project) 1 ου τετραμήνου Υπεύθυνοι Καθηγητές : Κριαράς Νικόλαος Ιωάννου Μαρία 26/01/2012

2 Φωτοβολταϊκά Συστήματα Ο όρος φωτοβολταϊκό χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1890 έχοντας ως συνθετικά τις λέξεις: Photo (από την ελληνική λέξη φως) και Volt, η οποία συνδέεται με τον πρωτοπόρο στην ανάπτυξη του ηλεκτρισμού Allessandro Volta. Φωτοβολταϊκό φαινόμενο: Η εμφάνιση διαφοράς δυναμικού στα άκρα μιας διόδου η οποία ακτινοβολείται με ηλιακή ενέργεια.

3 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Η πρώτη γνωριμία του ανθρώπου με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έγινε το 1839 όταν ο Γάλλος φυσικός Edmond Becquerel ( ) το ανακάλυψε κατά την διάρκεια πειραμάτων του με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε το 1876 όταν ο Adams ( ) και ο φοιτητής του Day παρατήρησαν ότι μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φως. Το 1918 ο Πολωνός Czochralski ( ) πρόσθεσε τη μέθοδο παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si) με την σχετική έρευνα του και η οποία μάλιστα χρησιμοποιείται βελτιστοποιημένη ακόμα και σήμερα.

4 Ηλεκτρικό ρεύμα: Είναι η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων ή γενικότερα φορτισμένων σωματιδίων. Το πυρίτιο έχει 4 eˉ στην εξωτερική στιβάδα. Για να δημιουργήσουμε ημιαγωγό τύπου -p γίνεται πρόσμειξη με Βόριο που έχει 3 eˉ στην εξωτερική στιβάδα. Για να δημιουργήσουμε ημιαγωγό τύπου -n γίνεται πρόσμειξη με Φώσφορο που έχει 5 eˉ στην εξωτερική στιβάδα.

5 Φέρνουμε σε επαφή τους ημιαγωγούς -p και -n και στο σημείο επαφής δημιουργείται ένα πολύ λεπτό φράγμα δυναμικού.

6 Το ηλιακό φως αποτελείται από φωτόνια ίδιας ταχύτητας αλλά διαφορετικής ενέργειας. Όταν προσπίπτει στον ημιαγωγό ηλιακή ακτινοβολία, τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια- υπέρυθρη ακτινοβολία- τον διαπερνούν χωρίς καμιά επίδραση. Όσα φωτόνια απορροφώνται μπορούν να διεισδύσουν σε ένα άτομο Si και, παρέχοντας την απαιτούμενη ενέργεια, εκδιώκουν κάποια ηλεκτρόνια από τις τροχιές τους, δημιουργώντας και τις αντίστοιχες οπές.

7 Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται μέσα στον κρύσταλλο αναζητώντας τις οπές τους και, όταν διέλθουν από το φράγμα δυναμικού, συσσωρεύονταν στην αρνητικά φορτισμένη πλευρά, ενώ οι οπές παραμένουν στην άλλη. Συνδέοντας εξωτερικούς ακροδέκτες στις δύο αυτές πλευρές και κλείνοντας το κύκλωμα με μία ηλεκτρική συσκευή ( π.χ. Ένα λαμπτήρα), τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται στο κύκλωμα και περνώντας από τη συσκευή, όπου παράγουν έργο, καταλήγουν στην άλλη πλευρά του ημιαγωγού, για να συνδυαστούν με τις οπές που άφησαν πίσω( παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από φωτοβολταϊκό στοιχείο).

8 Απόδοση φωτοβολταϊκών

10 Οι φυσικοί πόροι ως πηγή πράσινης/ ανανεώσιμης ενέργεια Ηλιακή Ενέργεια ΔΟΜΗ ΕΝΟΣ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Πλεονεκτήματα

11 Ηλιακή Ενέργεια Η Ηλιακή Ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο. Όσον αναφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσαμε να πούμε ότι χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα και τα φωτοβολταϊκα συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκα συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινόμενου.

12 ΔΟΜΗ ΕΝΟΣ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από ένα αριθμό μερών ή υποσυστημάτων. Τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με τη μηχανική υποστηρικτή και πιθανόν ένα σύστημα παρακολούθησης της ηλιακής ενέργειας. Μπαταρίες ( πλέον δεν χρησιμοποιούνται, η σύνδεση του πάνελ γίνεται απευθείας με το δίκτυο της ΔΕΗ. Καθορισμό ισχύος και συσκευή έλεγχου που περιλαμβάνει φροντίδα για μέτρηση και παρατήρηση. Εφεδρική γεννήτρια. Η επιλογή του πώς και ποια από αυτά τα στοιχεία ολοκληρώνονται μέσα στο σύστημα εξαρτάται από ποικίλες εκτιμήσεις.

13 ΔΙΑΚΡΙΣΗ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες συστημάτων, το διασυνδεδεμένο με το δίκτυο και το αυτόνομο. Η απλούστερη μορφή του δεύτερου εκ των δύο αποτελείται απλώς από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία μόνη της τροφοδοτεί με συνεχές ρεύμα ένα φορτίο οποτεδήποτε υπάρχει επικής φωτεινότητα. Αυτού του τύπου το σύστημα είναι κοινό σε εφαρμογές άντλησης. Σε άλλες περιπτώσεις το σύστημα περιέχει συνήθως μια φροντίδα για αποθήκευση ενέργειας από τις μπαταρίες. Συχνά συμπεριλαμβάνεται κάποια μορφή ρύθμισης της ισχύος όπως στην περίπτωση που απαιτείται εναλλασσόμενο ρεύμα να εξέρχεται από το σύστημα. Σε μερικές περιπτώσεις το σύστημα περιέχει μια εφεδρική γεννήτρια. Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα μπορούν να υποδιαιρεθούν σε εκείνα στα οποία το δίκτυο ενεργεί απλώς ως μία βοηθητική τροφοδοσία ( εφεδρικό δίκτυο) και εκείνα τα οποία ίσως λάβουν επίσης πρόσθετη ισχύ από τη Φ/Β γεννήτρια (αλληλοεπιδρώμενο δίκτυο). Μέσα στους σταθμούς όλη η παραγόμενη ισχύwτροφοδοτείται στο δίκτυο.

15 Ένα κιλοβάτ φωτοβολταϊκών αποτρέπει κάθε χρόνο την έκλυση 1,3 τόνων διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Χρειάζονται 2 στρέμματα δάσους ή περίπου 100 δέντρα για να απορροφήσουν αυτή την ποσότητα CO2. Για να παραχθεί η ίδια ηλεκτρική ενέργεια με πετρέλαιο,απαιτούνται 2,2 βαρέλια πετρελαίου κάθε χρόνο. Από περιβαλλοντική άποψη,αποφεύγοντας κιλά CO2 ετησίως είναι σαν να κάνει ένα μέσο αυτοκίνητο7.000 χιλιόμετρα λιγότερα κάθε χρόνο.

16 Διαδικασία: 1.Κατασκευή των δισκίων πυριτίου(wafers) 2. Κατασκευή solar cells

17 1.Κατασκευή των δισκίων πυριτίου (wafers)

18 Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2)κόβεται σε μικρά κομμάτια. Τοποθετείται σε καλούπια όπου θερμαίνεται και λιώνει. Βγαίνει από τα καλούπια και με ειδική επεξεργασία καθαρίζεται σε βαθμό μεγαλύτερο των 99,9%.

19 Δημιουργία bricks. Bricks κόβονται σε πολύ λεπτά δισκία πυριτίου(wafers).

20 2. Κατασκευή solar cells

21 wafer μη- Τοποθέτηση ανακλαστικής επιφάνειας και επίστρωσης αλουμινίου. solar cells Ένωση Modules

22 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΙΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ:

23 Τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών είναι αδιαμφισβήτητα. Κάθε κιλοβατώρα που παράγεται από φωτοβολταϊκά, και άρα όχι από συμβατικά καύσιμα, συνεπάγεται την αποφυγή έκλυσης ενός περίπου κιλού διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (με βάση το σημερινό ενεργειακό μείγμα στην Ελλάδα και τις μέσες απώλειες του δικτύου). Ένα κιλοβάτ φωτοβολταϊκών αποτρέπει κάθε χρόνο την έκλυση 1,3 τόνων διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Χρειάζονται 2 στρέμματα δάσους ή περίπου 100 δέντρα για να απορροφήσουν αυτή την ποσότητα CO2. Για να παραχθεί η ίδια ηλεκτρική ενέργεια με πετρέλαιο, απαιτούνται 2,2 βαρέλια πετρελαίου κάθε χρόνο. Από περιβαλλοντική άποψη, αποφεύγοντας κιλά CO2 ετησίως είναι σαν να κάνει ένα μέσο αυτοκίνητο χιλιόμετρα λιγότερα κάθε χρόνο.

24 Μπορώ να απαλλαγώ από τη ΔΕΗ αν στραφώ στην ηλιακή ενέργεια; Ναι, αλλά δεν είναι απαραίτητο, ούτε σκόπιμο τις περισσότερες φορές. Ας δούμε γιατί. Υπάρχουν δύο τρόποι να χρησιμοποιήσει κανείς τα φωτοβολταϊκά. Σε συνεργασία με το δίκτυο της ΔΕΗ ή ανεξάρτητα από αυτό.

25 Ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρισμού με φωτοβολταϊκά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με το δίκτυο της ΔΕΗ (διασυνδεδεμένο σύστημα). Στην περίπτωση αυτή, πουλάει κανείς το ηλιακό ρεύμα στο δίκτυο έναντι μιας ορισμένης από το νόμο τιμής και συνεχίζει να αγοράζει ρεύμα από τη ΔΕΗ όπως και σήμερα για να καλύψει τυχόν ανάγκες του. Έχει δηλαδή ένα διπλό μετρητή για την καταμέτρηση της εισερχόμενης και εξερχόμενης ενέργειας.

29 Τύποι φωτοβολταϊκών πάνελ Μονοκρυσταλλικού Πυριτίου Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου Άμορφου Πυριτίου

30 ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΎ ΠΥΡΙΤΊΟΥ ΠΛΑΙΣΙΑ (ΣΤΟΙΧΕΙΑ) 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.

31 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%.

32 Άμορφου 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.

33 Άμορφου Πυριτίου πλαίσια (στοιχεία) Ενώ το άμορφο πυρίτιο παρουσιάζει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στην απορρόφηση του φωτός, εντούτοις η φωτοβολταϊκή απόδοση του είναι μικρότερη των κρυσταλλικών, περίπου 6%. Το φθηνό όμως κόστος κατασκευής τους τα κάνει ιδανικά σε εφαρμογές όπου δεν απαιτείται υψηλή απόδοση.

34 Άλλα είδη Μια σειρά από νέα υλικά που μπορούν να παραχθούν με φθηνότερες διαδικασίες από το κρυσταλλικό πυρίτιο έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα.

35 Βιβλιογραφία Dept. Chemical Engineering University of Patras ΚΑΠΕ ( Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας) Σύνδεσμος Εταιριών Φωτοβολταϊκών

36 Μαθητές που εργάστηκαν: 1 η ομάδα Τσαρούχης Ηλίας Κόγγος Νικόλαος Κριαράς Κων/νος Λιόνας Παναγιώτης 2 η ομάδα Ράμμου Αντωνία Αδαμοπούλου Αλεξάνδρα Καραμούστου Βασιλική Ζαχαρή Κατερίνα Φούντα Γεωργία 3 η ομάδα Ευθυμιοπούλου Μαρία Δαβανέλλου Γεωργία Στούμπος Ελευθέριος Τσίπρας Νικηφόρος 4 η ομάδα Γράψιας Χρήστος Δανιάς Αναστάσιος Μίχος Βασίλειος Παναγόπουλος Δημήτριος

Σχετικά έγγραφα

ΟΝΟΜΑΤΑ ΜΑΘΗΤΩΝ Δέσποινα Δημητρακοπούλου Μαρία Καραγκούνη Δημήτρης Κασβίκης Θανάσης Κατσαντώνης Νίκος Λουκαδάκος

ΟΝΟΜΑΤΑ ΜΑΘΗΤΩΝ Δέσποινα Δημητρακοπούλου Μαρία Καραγκούνη Δημήτρης Κασβίκης Θανάσης Κατσαντώνης Νίκος Λουκαδάκος ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αιολική Ενέργεια Βιομάζα Γεωθερμική Ενέργεια Κυματική Ενέργεια