1 Ηλιακή ακτινοβολία

1 Ηλιακή ακτινοβολία

Ο ήλιος ενεργεί σχεδόν, ως μια τέλεια πηγή ακτινοβολίας σε μια θερμοκρασία κοντά στους 5.800 °Κ. Η προσπίπτουσα (κατά μέσο όρο) ροή ενέργειας πάνω σε μια μονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα είναι γνωστή ως η ηλιακή σταθερά:

Εe0 = 1370 W/m2
Λόγο των διαφορών αποστάσεων μεταξύ γης και ήλιου, ανάλογα με την θέση της περιφοράς στην τροχιά, η τιμή αυτή εμφανίζει διακυμάνσεις των ±3,5%. Το ίδιο συμβαίνει και λόγο διαταραχών, όπως από ηλιακές κηλίδες, με διακυμάνσεις ±1,5%. Γενικότερα, η ολική ισχύς από μια πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη μονάδα επιφάνειας ονομάζεται ένταση ακτινοβολίας.
Η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην επιφάνεια της γης, αποτελεί μικρό μόνο ποσοστό εκείνης που υπάρχει στο ανώτατο όριο της ατμόσφαιρας. Ένα μέρος της, προσπίπτουσας ενέργειας αφαιρείται λόγω της σκέδασης ή της απορρόφησης από τα μόρια του αέρα, τα σύννεφα και το υλικό που συνήθως αναφέρεται (σχήμα 3.1).
Η ακτινοβολία, η οποία δεν ανακλάται ή διασκορπίζεται και προσεγγίζει την επιφάνεια της γης άμεσα σε ευθεία γραμμή από τον ηλιακό δίσκο, ονομάζεται άμεση ή ακτινοβολία δέσμης και οι επιφάνειες πρόσπτωσης θα πρέπει να προσανατολίζονται κατάλληλα για να δεχτούν το μεγαλύτερο μέρος της. Η διασκορπισμένη ακτινοβολία η οποία προσεγγίζει το έδαφος ονομάζεται διάχυτη ακτινοβολία. Κάποια από τις ακτινοβολίες αυτές ίσως προσεγγίσει ένα δεκτή μετά την ανάκλαση της στο έδαφος, οπότε και ονομάζεται ανακλώμενη ισχύς από το έδαφος. Η ολική ακτινοβολία η οποία αποτελείται από αυτά τα τρία στοιχεία ονομάζεται σφαιρική.
3.1 Ηλιακή ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα

Η ποσότητα της ακτινοβολίας η οποία φτάνει στο έδαφος είναι άκρως μεταβλητή.
3.2 Μέγιστη γωνία ύψους του ήλιου ,γsmax στη διάρκεια του έτους για 3 διαφορετικά πλάτη.

Επιπλέον περά από την όποια κανονική ημερήσια και ετήσια μεταβολή λόγω της φαινόμενης κίνησης του ήλιου, ακατάστατες μεταβολές (κάλυψη από σύννεφα) προκαλούνται από τις κλιματολογικές συνθήκες καθώς επίσης και τη γενικότερη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Για αυτό το λόγο, η σχεδίαση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος βασίζεται στη λήψη μετρούμενων δεδομένων που λαμβάνονται κοντά στην τοποθεσία της εγκατάστασης (σχήμα 3.3).

3.3 Η μέση ετήσια ακτινοβολία πάνω σε οριζόντιο επίπεδο ( σε W/m2 ) κατά μήκος του κόσμου

Ένα μέγεθος που χαρακτηρίζει την επίδραση της καθαρής ατμόσφαιρας πάνω στο ηλιακό φως είναι η μάζα αέρος ίση προς το σχετικό μήκος της διαδρομής της απευθείας δέσμης διαμέσου της ατμόσφαιρας. Στη διάρκεια μιας ηλιόλουστης καλοκαιρινής ημέρας στο επίπεδο της θάλασσας, η ακτινοβολία από τον ήλιο, όταν βρίσκεται στο Ζενίθ, αντιστοιχεί σε μάζα αέρος ΑΜ=1, σε άλλες περιπτώσεις, η μάζα αέρος είναι κατά προσέγγιση ίση προς το 1/αο§θΖ, όπου θz είναι η γωνία του Ζενίθ (σχήμα 3.4).
3.4 Επίδραση της ατμόσφαιρας στην ακτινοβολία

Το εξωγήινο φάσμα δηλώνεται ως ΑΜΟ, αυτό είναι σημαντικό για δορυφορικές εφαρμογές των ηλιακών ηλεκτρικών στοιχείων. Το ΑΜ=1,5 είναι ένα τυπικό ηλιακό φάσμα πάνω στην επιφάνεια της γης σε μια καθαρή ημέρα, με ολική ένταση του 1 kW/m2 , η οποία χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση των ηλιακών ηλεκτρικών στοιχείων και συστημάτων (σχήμα 3.5).
3.5 Το ηλιακό φάσμα μέσα και έξω από την ατμόσφαιρα

Μολονότι η ένταση μπορεί να φτάσει την τιμή του 1 kW/m2, η διαθέσιμη ένταση είναι συνήθως σημαντικά μικρότερη απ' αυτή της μέγιστης τιμής λόγωτης περιστροφής της γης και των αντίξοων καιρικών συνθηκών. Η μέγιστη μέση ακτινοβολία σημειώνεται κοντά στο γεωγραφικό πλάτος των τροπικών του Καρκίνου και του Αιγόκερω, ενώ είναι μικρότερη στις περιοχές του ισημερινού λόγω της κάλυψης του από σύννεφα. Σε υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη η ηλιακή ακτινοβολία είναι φυσικά ασθενέστερη λόγο της μικρής ηλιακής ανύψωσης.
Η ένταση της ακτινοβολίας, η ολοκληρωμένη σε μια χρονική περίοδο, ονομάζεται ηλιακή ακτινοβολία. Ιδιαίτερη σημασία για τη σχεδίαση των φωτοβολταϊκών συστημάτων έχει η ακτινοβολία μιας ημέρας. Σημειώστε ότι η εποχιακή μεταβολή γίνεται περισσότερο προβλέψιμη με την αύξηση του γεωγραφικού πλάτους. Ο μακροχρόνιος υπολογισμός της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης, είναι από δύσκολος έως αδύνατος.



3.6 Ηλιακή ενέργεια στην Ελλάδα , μέσος όρος ανά ημέρα σε kWh/m2

Η δυσκολία αυτή οφείλεται κυρίως στα διάφορα μετεωρολογικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα. Έτσι είμαστε υποχρεωμένοι για τον υπολογισμό των ηλιακών συστημάτων, να χρησιμοποιήσουμε πίνακες ηλιακής ακτινοβολίας που βασίζονται σε μακροχρόνιες μετρήσεις μετεωρολογικών σταθμών. Συνήθως οι διάφοροι μετεωρολογικοί σταθμοί μετρούν την ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο. Με τα στοιχεία αυτά στην συνέχεια υπολογίζεται η ηλιακή ακτινοβολία σε κεκλιμένο επίπεδο.
Η γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο σε μια ελλειπτική τροχιά. Ο χρόνος που απαιτείται για να συμπληρώσει η γη αυτή την τροχιά ορίζεται ως ένα έτος. Η σχετική θέση του ήλιου και της γης για ευκολία παρουσιάζεται υπό την μορφή μιας ουράνιας σφαίρας, γύρω από τη γη (σχήμα 3.7). Το επίπεδο του ισημερινού τέμνει την ουράνια σφαίρα στον ουράνιο ισημερινό και ο πολικός άξονας στους ουράνιους πόλους. Η κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο μπορεί τότε να αναπαρασταθεί μέσα από μια φαινόμενη κίνηση του ήλιου στην ελλειπτική η οποία είναι κεκλιμένη κατά 23.45° ως προς τον ουράνιο ισημερινό. Η γωνία μεταξύ της γραμμής που συνδέει τα κέντρα του ήλιου και της γης και του επιπέδου του ισημερινού ονομάζεται ηλιακή απόκλιση και δηλώνεται ως δ.
3.7 Ετήσια κίνηση του ήλιου

Αυτή η γωνία είναι μηδέν κατά τις ισημερίες: τη φθινοπωρινή (22/23 Σεπτεμβρίου) και την εαρινή (20/21 Μαρτίου). Αυτές τις ημέρες ο ήλιος ανατέλλει ακριβώς από την ανατολή και δύει ακριβώς στη δύση. Κατά το θερινό ηλιοστάσιο (21/22 Ιουνίου) η γωνία είναι δ = 23.45° και κατά το χειμερινό ηλιοστάσιο (21/23 Δεκεμβρίου) δ = -23.45°.
Η γη περιστρέφεται με ρυθμό μιας περιστροφής την ημέρα γύρω από τον άξονα της. Η ημερήσια περιστροφή της γης περιγράφεται από την περιστροφή της ουράνιας σφαίρας γύρω από τον πολικό άξονα ενώ η στιγμιαία θέση του ήλιου περιγράφεται από την ωριαία γωνία ω, τη γωνία μεταξύ του μεσημβρινού, που διέρχεται από τον ήλιο, και του μεσημβρινού της συγκεκριμένης τοποθεσίας. Η ωριαία γωνία είναι μηδέν κατά την ηλιακή μεσημβρία και αυξάνεται προς την ανατολή (σχήμα 3.8).

3.8 Σύστημα συντεταγμένων Ζενίθ – Ναδίρ που δείχνει την ημερήσια κίνηση του ήλιου


3.9 Ορισμός του αζιμούθιου (Ψ) , της ηλιακής ανύψωσης (α) και της γωνίας του ζενίθ (θΖ)

Για έναν παρατηρητή πάνω στη γήινη επιφάνεια σε μια θέση με γεωγραφικό πλάτος Φ, ένα κατάλληλο σύστημα συντεταγμένων ορίζεται από μια κατακόρυφη γραμμή προς την τοποθεσία η οποία τέμνει την ουράνια σφαίρα σε δύο σημεία, στο ζενίθ και στο ναδίρ και υποτείνει τη γωνία φ με τον πολικό άξονα. Ο μέγιστος κύκλος που είναι κάθετος προς τον κατακόρυφο άξονα είναι ο ορίζοντας. Η γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης του ήλιου και του ορίζοντα είναι η ανύψωση α της οποίας η συμπληρωματική είναι η γωνία ΘΖ (Σχήμα 3.9). Οι άλλες συντεταγμένες μέσα σ1 αυτό το σύστημα είναι το αζιμούθιο Ψ το οποίο είναι μηδέν κατά την ηλιακή μεσημβρία και αυξάνεται προς την ανατολή. Κατά τη διάρκεια της ημερήσιας κίνησης, η ηλιακή απόκλιση συνήθως θεωρείται σταθερή και ίση προς την τιμή της κατά το μέσο της ημέρας.

3 Τεχνολογίες φωτοκύτταρων

3 Τεχνολογίες φωτοκύτταρων

Υπάρχουν τρεις τεχνολογίες κατασκευής φωτοκύτταρων βασισμένες στο πυρίτιο, το μονοκρυσταλλικό, το πολυκρυσταλλικό, και το άμορφο. Η τεχνολογία που βασίζεται στο κρυσταλλικό πυρίτιο είναι η πλέον αξιόπιστη και η πλέον αναπτυγμένη Φώτο βολταϊκή τεχνολογία σήμερα. Δεν είναι, όμως, απλή και απαιτείται η χρήση υπερμοντέρνων συσκευών και σύνθετων τεχνολογικών μεθόδων. Τέσσερα βασικά στάδια χρειάζεται να ακολουθηθούν για να κατασκευασθούν φωτοβολταϊκές βασικές μονάδες από την άμμο:
1. Από την άμμο στο καθαρό πυρίτιο
2. Ανάπτυξη των κρυστάλλων πυριτίου
3. Από κυκλικά δισκία σε φωτοκύτταρα
4. Από φωτοκύτταρα σε βασικές μονάδες

Το υλικό κατασκευής του πυριτίου είναι πρακτικώς απεριόριστο, διότι το 60% του γήινου φλοιού είναι άμμος, στο μεγαλύτερο μέρος του, χαλαζίας ή διοξείδιο του πυριτίου (SiO2). Το πυρίτιο παράγεται σε μεγάλες ποσότητες, περίπου 600.000 τόνοι το χρόνο παγκοσμίως, προκειμένου να κατασκευασθούν ειδικό ατσάλι και κράματα. Αυτό το μεταλλουργικής κατηγορίας πυρίτιο λαμβάνεται με αναγωγή του χαλαζία με κάρβουνο μέσα σε κλιβάνους με ηλεκτρικό τόξο. Η καθαρότητα του είναι μόνο 99.0% - ανεπαρκής για ηλεκτρονικές εφαρμογές - αλλά η ενέργεια ή η δαπάνη (περίπου 50 kWh/kg) και το κόστος (περίπου 1,5 €/kg) είναι σχετικά μικρή. Στη συνέχεια με άλλες πολύπλοκες και ενεργοβόρες διαδικασίες το πυρίτιο αυτό καθαρίζεται ως που να γίνει κατάλληλο για χρήση στην ηλεκτρονική βιομηχανία.

2 Ηλιακό ηλεκτρικό στοιχείο

2 Ηλιακό ηλεκτρικό στοιχείο

Οι φωτοβολταϊκές κυψελίδες γνωστές και ως φωτοβολταϊκά στοιχεία μπορούν να χαρακτηριστούν σαν το στοιχειώδες μέσον άμεσης μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική.
Το υλικό κατασκευής τους ανήκει στους ημιαγωγούς. Στις πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται περισσότερο στοιχεία βασισμένα στο πυρίτιο (Si) σε διάφορες παραλλαγές του, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι δεν γίνονται δοκιμές και με άλλα στοιχεία.


2.1 Φωτοβολταΐκό φαινόμενο

Η λειτουργία των ηλιακών στοιχείων βασίζεται στην ικανότητα των ημιαγωγών να μετατρέπουν αμέσως το ηλιακό φως σε ηλεκτρισμό με τη βοήθεια του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Τα ηλιακά στοιχεία είναι δίοδοι ημιαγωγού με την μορφή ενός δίσκου, όπου η ένωση ρ-η εκτείνεται σε όλο το πλάτος του δίσκου και δέχεται την ακτινοβολία. Κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει την δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει το ηλεκτρόνιο. Δημιουργείται έτσι και για όσο διαρκεί η ακτινοβόληση, μια περίσσεια από ζεύγη φορέων ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών, πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν στις συνθήκες ισορροπίας. Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο στερεό μπορεί να βρεθούν στην περιοχή της ένωσης ρ-η οπότε θα δεχτούν την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού πεδίου. Έτσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου η και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου ρ, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των στο τμημάτων της διόδου. Δηλαδή η διάταξη αποτελεί μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, που διατηρείτε όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου.Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δυο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η αποδοτική λειτουργία των ηλιακών φωτοβολταϊκών στοιχείων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται στην πρακτική εκμετάλλευση του παραπάνω φαινομένου.





2.2 Ισοδύναμο κύκλωμα

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, σαν ημιαγωγά στοιχεία που είναι, περιγράφονται από ένα ισοδύναμο κύκλωμα (σχήμα 3.10). Η μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται από το φωτοκύτταρο περιλαμβάνει ωμικές απώλειες.

3.10 ισοδύναμο κύκλωμα


Η χαρακτηριστική εξίσωση του φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι:

I = IL - IO * [exp((U+I*RS)/a) - 1] - (U + I*RS) / RSh


Όπου: ΙL= φωτόρευμα, Ι0= ρεύμα ανάστροφης πόλωσης, α = η θερμική τάση σε volt , RS= αντίσταση σειράς, RSh= ισοδύναμη παράλληλη αντίσταση του φωτοβολταϊκού.

Η αντίσταση RSh δεν έχει επίδραση στην απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Το ρεύμα φορτίου ιβ διαρρέει και την εσωτερική αντίσταση RS με αποτέλεσμα να εμφανίζονται απώλειες ισχύος:
PA=RS*IB2

Η ρα μετατρέπεται σε θερμότητα που συμβάλει σημαντικά στην άνοδο της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου (Σχήμα 3.11). Η απώλεια αυτή είναι σημαντική ακόμα και για πολύ μικρές τιμές της RS · Η παρεχόμενη ωφέλιμη ισχύς από το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι: P0=RB*IB2
3.11 Επίδραση της αντίστασης σειράς RS πάνω στης χαρακτηριστική του φωτοκυττάρου .



2.3 Χαρακτηριστική φωτοβολταϊκού στοιχείου

Οι χαρακτηριστικές του φωτοκύτταρου υπό την επίδραση διαφορετικών επιπέδων ακτινοβολίας φαίνονται στο σχήμα 3.12. Όπως έχουμε ήδη δει, το φωτόρευμα είναι ανάλογο προς τη ροή των φωτονίων. Αυξάνοντας την ένταση του φωτισμού αυξάνεται, κατά την ίδια αναλογία, η ροή των φωτονίων η οποία, εν συνεχεία, παράγει ένα κατ1 αναλογία υψηλότερο ρεύμα. Επομένως, το ρεύμα βραχυκύκλωσης ενός φωτοκύτταρου είναι ανάλογο προς την ένταση του φωτισμού.
Η θερμοκρασία έχει μια σημαντική επίδραση πάνω στην ισχύ εξόδου του φωτοκύτταρου (σχήμα 3.13). Η πιο σημαντική είναι η εξάρτηση της τάσης από τη θερμοκρασία η οποία ελαττώνεται με την αύξηση αυτής (ο θερμοκρασιακός συντελεστής της είναι αρνητικός). Η μείωση της τάσης ενός φωτοκύτταρου πυριτίου είναι τυπικά 2,3 mV ανά °0. Η θερμοκρασιακή μεταβολή του ρεύματος ή του συντελεστή πληρότητας είναι πολύ μικρότερη και συνήθως κρίνεται αμελητέα στη σχεδίαση των φωτοβολταϊκών συστημάτων.
3.12 Επίδραση της έντασης φωτισμού πάνω στην χαρακτηριστική του φωτοκυττάρου


3.13 Επίδραση της θερμοκρασίας στην χαρακτηριστική του φωτοκυττάρου .

3.1 Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο

3.1 Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο

Το πυρίτιο έχει κάποιες χαρακτηριστικές ιδιότητες, ιδιαίτερα στην κρυσταλλική του μορφή. Το άτομο του πυριτίου έχει 14 ηλεκτρόνια, κατανεμημένα σε 3 στοιβάδες. Οι δύο πρώτες στοιβάδες, οι οποίες βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα, είναι συμπληρωμένες. Η εξωτερική στοιβάδα, είναι μισογεμάτη, έχοντας μόνο 4 ηλεκτρόνια. Το άτομο του πυριτίου, επιδιώκει πάντα να συμπληρώσει την εξωτερική του στοιβάδα, να αποκτήσει δηλαδή 8 ηλεκτρόνια. Για να το καταφέρει αυτό, δημιουργεί ομοιοπολικούς δεσμούς με 4 γειτονικά άτομα πυριτίου. Έτσι σχηματίζεται η κρυσταλλική δομή, η οποία είναι σημαντική για το συγκεκριμένο τύπο των φωτοκύτταρων .
Το καθαρό πυρίτιο είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού, για τον λόγο ότι κανένα από τα ηλεκτρόνια του δεν έχει ελευθερία κίνησης. Το πυρίτιο στα ηλιακά κύτταρα τροποποιείται ελαφρώς, έτσι ώστε να μπορέσει να λειτουργήσει.Το κύτταρο περιέχει πυρίτιο με προσθήκες άλλα άτομα, ανακατεμένα με τα άτομα πυριτίου, τα οποία μεταβάλλουν την λειτουργία του υλικού. Ας υποθέσουμε ότι στο πυρίτιο υπάρχουν διασπαρμένα άτομα φωσφόρου, ίσως ένα σε κάθε εκατομμύριο ατόμων πυριτίου. Ο φώσφορος έχει 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα και όχι 4. Παρόλα αυτά σχηματίζει δεσμούς με τα γειτονικά άτομα πυριτίου, άλλα έχει ένα ηλεκτρόνιο ελεύθερο. Αυτό δεν αποτελεί μέρος του δεσμού, αλλά υπάρχει ένα πρωτόνιο στον πυρήνα , το οποίο το κρατάει στην συγκεκριμένη θέση.
Όταν προσφέρουμε ενέργεια στο καθαρό πυρίτιο, μπορεί να προκληθεί το σπάσιμο των δεσμών και ο ιονισμός των ηλεκτρονίων που συμμετείχαν στους δεσμούς. Σε αυτές τις περιπτώσεις δημιουργούνται οι «οπές». Τα παραπάνω ηλεκτρόνια περιφέρονται σε τυχαίες κατευθύνσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα, αναζητώντας μια άλλη οπή για να δεσμευτούν. Αυτά τα ηλεκτρόνια ονομάζονται ελεύθεροι φορείς και μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Παρόλα αυτά, υπάρχουν πολλοί λίγοι από αυτούς στο καθαρό πυρίτιο, που δεν καταφέρνουν να φανούν χρήσιμοι. Το πυρίτιο με τις προσθήκες των ατόμων φωσφόρου λειτουργεί διαφορετικά. Σε αυτή την περίπτωση απαιτείται πολύ λιγότερη ενέργεια για να απελευθερωθεί ένα από τα επιπλέον ηλεκτρόνια του φωσφόρου, για τον λόγο ότι δεν ανήκουν σε δεσμό. Σαν αποτέλεσμα, περισσότερα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται κι έτσι έχουμε περισσότερους ελεύθερους φορείς από ότι είχαμε στο καθαρό πυρίτιο. Η διαδικασία προσθήκης ακαθαρσιών σκόπιμα, ονομάζεται ντοπάρισμα. Όταν προσθέτουμε φώσφορο, το πυρίτιο που δημιουργείται ονομάζεται τύπου-η λόγω της δημιουργίας ελεύθερων ηλεκτρονίων. Το πυρίτιο τύπου-η, είναι πολύ καλύτερος αγωγός ηλεκτρισμού από το καθαρό.

3.15 Κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου με άτομα πρόσμιξης


Ουσιαστικά, μόνο ένα μέρος του κελιού είναι τύπου-η. Στο υπόλοιπο μέρος έχει προστεθεί βόριο (σχήμα 3.15), το οποίο έχει 3 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα αντί 4, με τα οποία γίνεται τύπου-ρ πυρίτιο. Το πυρίτιο τύπου-ρ, έχει κενές οπές αντί για ελεύθερα ηλεκτρόνια. Οι οπές ουσιαστικά εκφράζουν την απουσία των ηλεκτρονίων και για αυτό είναι θετικά φορτισμένες. Περιφέρονται ακριβώς όπως τα ηλεκτρόνια.
Μέχρι τώρα το πυρίτιο ήταν ηλεκτρικά ουδέτερο. Τα επιπλέον ηλεκτρόνια εξισορροπούνται από τα επιπλέον πρωτόνια στον φώσφορο. Στο βόριο το
έλλειμμα των ηλεκτρονίων εξισορροπούνταν από το έλλειμμα των πρωτονίων. Όταν τα ηλεκτρόνια και οι οπές ενωθούν κατά την σύνδεση του πυριτίου τύπου η και ρ, διαταράσσεται η ουδετερότητα. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν γεμίζουν όλες τις κενές οπές επειδή δεν θα ήταν χρήσιμο. Στο σημείο της σύνδεσης, όμως ενώνονται και σχηματίζουν ένα φράγμα, κάνοντας όλο και δυσκολότερη τη διέλευση των ηλεκτρονίων από την η περιοχή στην ρ. Τελικά καταλήγουμε σε ισορροπία και δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο που διαχωρίζει τις δύο πλευρές. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο λειτουργεί σαν δίοδος, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να ρέουν από την ρ περιοχή στην η, αλλά όχι στην αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι έχουμε ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο λειτουργεί σαν μια δίοδος στην οποία τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν μόνο προς την μια κατεύθυνση.


3.16 Βασική διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλου


Όταν πέφτει φως, με τη μορφή φωτονίων στο ηλιακό κύτταρο, η ενέργεια του φωτός ελευθερώνει ζευγάρια ηλεκτρονίων-οπών. Κάθε φωτόνιο με αρκετή ενέργεια σε φυσιολογικές συνθήκες ελευθερώνει ακριβώς ένα ηλεκτρόνιο και καταλήγει σε μια κενή οπή. Αν αυτό συμβεί σε μικρή απόσταση από το ηλεκτρικό πεδίο ή αν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και κενές οπές, τα οποία να περιφέρονται στην περιοχή επίδρασης του, τότε το πεδίο στέλνει το ηλεκτρόνιο στην η περιοχή και την οπή στην ρ περιοχή. Αυτό προκαλεί μεγαλύτερη διαταραχή στην ουδετερότητα, και αν συνδέσουμε ένα εξωτερικό κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια θα αρχίσουν να ρέουν μέσα από το κύκλωμα προς την αρχική τους περιοχή (την ρ) για να ενωθούν με τις οπές που έχει στείλει το ηλεκτρικό πεδίο. Ή ροή των ηλεκτρονίων μας παρέχει ρεύμα και το ηλεκτρικό πεδίο του κελιού προκαλεί μια τάση. Ο συνδυασμός των δυο μας παρέχει ισχύ. Τα φωτοβολταϊκά μονοκρυσταλλικού, είναι κατασκευασμένα με χρήση της τεχνολογίας thick film . Για την κατασκευή φωτοβολταϊκών μονοκρυσταλλικού πυριτίου, χρησιμοποιούνται κύλινδροι ανάπτυξης του πυριτίου, οι οποίοι είναι γνωστοί από την κατασκευή του γυαλιού. Στη συνέχεια οι κύλινδροι αυτοί κόβονται σε λεπτές φέτες, με πάχος 200μηι, ώστε να σχηματιστούν τα λε­γόμενα wafers. Στο μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (C-Si) τα άτομα είναι τοποθετημένα σε ορισμένη κανονική δομή που επαναλαμβάνεται σε όλο το στερεό.

3.2 Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο

3.2 Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο

Τα φωτοβολταϊκά πολυκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευάζονται από χυτό πυρίτιο. Είναι ελαφρώς οικονομικότερα από τα αντίστοιχα μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο χρησιμοποιείται στην προσπάθεια μείωσης του κόστους κατασκευής, παρόλο που τα προερχόμενα κελιά του δεν είναι τόσο αποδοτικά όσο του μονοκρυσταλλικού πυριτίου.
3.17 Πυρίτιο
α)πολυκρυσταλλικό β) μονοκρισταλικό



Στο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (Ρ-Si) η κρυσταλλική δομή δεν είναι η ίδια σε όλο το στερεό αλλά παίρνει διαφορετικό προσανατολισμό σε διάφορες περιοχές του στερεού που χωρίζονται μεταξύ τους με συγκεκριμένες νοητές γραμμές (σχήμα 3.17).

3.4 Άλλες τεχνολογίες

3.4 Άλλες τεχνολογίες

Ηλιακά κύτταρα δισελινιούχου ινδιούχου χαλκού: Το ημιαγωγό υλικό του δισελινιούχου ινδιούχου χαλκού (CIS) είναι ένα ημιαγώγιμο υλικό, το οποίο μπορεί να είναι τύπου n ή ρ, και έχει μια άμεση οπτική απορρόφηση με τον υψηλότερο συντελεστή απορρόφησης που έχει μετρηθεί μέχρι σήμερα. Τα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά του CIS εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το λόγο χαλκού/ινδίου, ενώ ο καλός έλεγχος της στοιχειομετρίας του θεωρείται ουσιώδης για αποδοτικές διατάξεις.
Η συγχώνευση του γαλλίου μέσα στο CIS, έχει ένα αριθμό πλεονεκτημάτων. Το Γάλλιο αντικαθιστά το ίνδιο για να δώσει ένα πραγματικό κράμα - χαλκού ινδίου/γαλλίου δισεληνίου CIGS) - με ένα ενεργειακό χάσμα του αυξάνει με την αύξηση του ποσοστού του γαλλίου.
Ηλιακά Κύτταρα Καδμίου Τελλουριούχου Καδμίου; Είναι γνωστό από το 1950 ότι το Τελλουριούχο κάδμιο έχει το ιδανικό ενεργειακό χάσμα για ένα υλικό ηλιακής απορρόφησης και η αρχή της έρευνας πάνω σε αυτά τα ηλιακά κύτταρα μπορεί να ξεκινήσει από αυτόν το χρόνο. Αυτές οι προσπάθειες, όμως, ήταν μικρές και ασυντόνιστες και εμποδίζονταν από το χαμηλό επίπεδο τηςτεχνολογίας υλικών της ομάδας . Καθώς η τεχνολογία των υλικών της ομάδας II/VI βελτιώνονταν με την πάροδο των ετών, έγινε ευκρινές ότι η λειτουργία του CdTe περιορίζεται λόγω της μεγάλης συγκέντρωσης κέντρων επανασύνδεσης οφειλομένων σε ατέλειες στο μέσον του ενεργειακού χάσματος. Το κατόρθωμα στο τέλος του 1970 ήταν να αναπτυχθούν ειδικές κατεργασίες μετά την απόθεση, οι οποίες ελαττώνουν πολύ την πυκνότητα αυτών των κέντρων επανασύνδεσης. Το επίτευγμα τέλος της δεκαετίας του 1980 ήταν η επένδυση πάνω σε αυτή την πρόσφατη εργασία και η ανάπτυξη αποδοτικών ηλιακών κυττάρων και αποδοτικών σταθερών βασικών μονάδων.

3.3 ΄Αμορφο πυρίτιο

3.3 ΄Αμορφο πυρίτιο

Το άμορφο πυρίτιο δεν έχει κρυσταλλική μορφή. Τα φωτοβολταϊκά άμορφου πυριτίου κατασκευάζονται μέσω της τεχνολογίας των λεπτών υμενίων (thin film). Μακράν οικονομικότερα από τα υπόλοιπα, χρησιμοποιείται και αυτό στην προσπάθεια μείωσης του κόστους κατασκευής (σχήμα 3.18).
Το άμορφο πυρίτιο (a-Si) διαφέρει από το κρυσταλλικό πυρίτιο στο ότι τα άτομα του πυριτίου δεν είναι τοποθετημένα σε πολύ συγκεκριμένες αποστάσεις το ένα από το άλλο και οι γωνίες μεταξύ των δεσμών Si-Si δεν έχουν μια συγκεκριμένη μοναδική τιμή. Οι ενδοατομικές αποστάσεις ποικίλλουν και οι γωνίες δεσμών σε μια περιοχή τιμών αλλά και οποιαδήποτε συγκεκριμένη απόσταση Si-Si ή γωνία δεσμού παίρνει τυχαία οποιαδήποτε τιμή σε αυτή την περιοχή.
Αυτή η ακανόνιστη διάταξη μέσα στην ατομική διευθέτηση έχει μια σημαντική επίδραση πάνω στα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά του υλικού. Αυτό σημαίνει την δημιουργία υλικού με άμεσο (οπτικό) ενεργειακό χάσμα των 1.75 eV περίπου, καθώς μάλιστα οι ενεργειακές του ζώνες παρουσιάζουν μια πολύ υψηλή πυκνότητα καταστάσεων μέσα στο ενεργειακό χάσμα, που οφείλεται σε μεγάλο βαθμό και στις ελλιπείς συνδέσεις. Το 1969 βρέθηκε ότι η ένταξη υδρογόνου μέσα σε άμορφο πυρίτιο θα μπορούσε να απενεργοποιήσει τους

ελλιπείς δεσμούς και να ελαττώσει την πυκνότητα των καταστάσεων μέσα στο ενεργειακό χάσμα, σε τέτοιο βαθμό ώστε να μπορεί να κατασκευασθεί υλικό τύπου - n ή τύπου - ρ από την πρόσμειξη φωσφόρου ή βορίου. Εφ' όσον έγινε δυνατό να δημιουργηθούν επαφές ρ-η μέσα σε a-Si ο μεγάλος συντελεστής απορρόφησης του και η εύκολη βιομηχανική κατασκευή του το κάνει ελκυστικό υλικό για τα κύτταρα. Τόσο ο τύπος ρ όσο και ο τύπος η έχουν χαμηλές ιδιότητες μεταφοράς και τα ηλεκτρικά στοιχεία απλής επαφής ρ-n έχουν χαμηλές αποδόσεις. Η ενσωμάτωση ενδογενούς a-Si βελτιώνει τις ιδιότητες μεταφοράς και η ανάπτυξη των ηλιακών κυττάρων επαφής ρ-i-n οδηγεί σε ταχεία βελτίωση της λειτουργίας τους. Το στρώμα ϊ δεν είναι στην πραγματικότητα πλήρως ενδογενές αλλά ελαφρώς τύπου-n. Επομένως προτιμάται να έχουμε είσοδο φωτός στο ηλιακό κύτταρο διαμέσου ενός πολύ λεπτού στρώματος τύπου-ρ έτσι, ώστε η περιοχή της μέγιστης φωτογένεσης μέσα στο στρώμα ί να είναι επίσης η περιοχή του υψηλότερου ηλεκτρικού πεδίου, μεταξύ του βαριά ντοπαρισμένου στρώματος-ρ+ και του πολύ ελαφρά ντοπαρισμένου-η στρώματος-ί.
Η βέλτιστη δομή του ηλιακού κυττάρου a-Si είναι η ρ+-i-n, έχει μία διαφανή αγώγιμη επιφάνεια στο στρώμα -ρ+ και μία ωμική επαφή στο στρώμα -η. Δυστυχώς ένα οπτικά διαφανές υλικό υψηλής αγωγιμότητας τύπου-ρ δεν έχει ακόμα ανακαλυφθεί. Το διαφανές αγώγιμο υλικό που χρησιμοποιείται συνήθως είναι οξείδιο κασσιτέρου το οποίο είναι τύπου-η. Εντούτοις οι υψηλά ντοπαρισμένες ΤCΟ (διαφανές αγώγιμο οξείδιο) στοιβάδες σχηματίζουν μία επαφή σήραγγας με στρώμα ρ+ a-Si, έχοντας αντίσταση στην ροή του ρεύματος πολύ μικρή.

3.5 Βαθμός απόδοσης

3.5 Βαθμός απόδοσης

Ο βαθμός απόδοσης ενός ηλιακού στοιχείου δίνεται από την σχέση:
η = Pηλ / E
Όπου Ρηλ είναι η ηλεκτρική ισχύς στην έξοδο του φωτοβολταϊκού στοιχείου
και Ε η προσπίπτουσα σε αυτό ηλιακή ενέργεια.
Τα πρώτα φωτοβολταϊκά είχαν βαθμό απόδοσης 1% με 2%. Τα φωτοβολταϊκά που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά έχουν βαθμό απόδοσης που φτάνει μέχρι και τα 17%. Γα φωτοβολταϊκά αυτά είναι αρκετά ακριβά για αυτό και τα πιο συμφέροντα σε απόδοση-τιμή είναι αυτά που ο βαθμός απόδοσης κυμαίνεται στα 10-13%. Βέβαια, δεν πρέπει να παραλείψουμε να αναφέρουμε ότι έχουν κατασκευαστεί φωτοβολταϊκά με βαθμό απόδοσης που ανέρχεται περίπου στα 33%, με τη διαφορά ότι αυτά χρησιμοποιούνται σε διαστημικές εφαρμογές, όπως για παράδειγμα σε δορυφόρους.


Υλικά φωτοβολταϊκών στοιχείων
Θεωρητική βέλτιστη απόδοση (%)
Πραγματική απόδοση (%)
Μονοκρυσταλλικό
24
15
Πολυκρυσταλλικό
18
12
Άμορφο πυρίτιο
12
5
Μεμβράνες GaAs
23
-
Μεμβράνες CuO
20
-
Μεμβράνες Cd-Τe
24
-



Τα φωτοβολταϊκά μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι τα πλέον διαδεδομένα στην αγορά. Ο βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών αυτών θεωρητικά ανέρχεται στα 24%, όμως αυτά που κυκλοφορούν στην αγορά έχουν βαθμό α­πόδοσης γύρω στα 15-18%.
Τα φωτοβολταϊκά πολυκρυσταλλικού πυριτίου θεωρητικά έχουν χαμηλότερο βαθμό απόδοσης στα 18%, ο οποίος όμως στην πράξη φτάνει τα 12-15%. Τα φωτοβολταϊκά άμορφου πυριτίου έχουν χαμηλότερο βαθμό απόδοσης που ανέρχεται στα 5-10%, για αυτό και κύριο πεδίο εφαρμογής τους είναι τα ηλιακά ρολόγια και τα κομπιουτεράκια.

4.1 Πάνελ

4.1 Πάνελ
Αποτελεί τη βασική μονάδα κατασκευής της φωτοβολταϊκής γεννήτριας (σχήμα 3.20). Τα ηλιακά στοιχεία σε μια βασική μονάδα συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά. Αυτό οφείλεται στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κάθε ηλιακού στοιχείου. Ένα τυπικό (διαμέτρου 10cm ) ηλιακό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου ή ένα (10 cm * 10 cm) πολυκρυσταλλικό στοιχείο θα παρέχουν κάτω από κανονικές συνθήκες ισχύ μεταξύ 1 και 1,5 watt, εξαρτώμενη από την απόδοση του ηλιακού στοιχείου. Αυτή η ισχύς παρέχεται συνήθως υπό τάση 0.5 ή 0.6 V. Από τη στιγμή που υπάρχουν πολύ λίγες εφαρμογές, οι οποίες εκτελούνται σε αυτή την τάση, η άμεση λύση είναι να συνδεθούν τα ηλιακά στοιχεία σε σειρά. Ο αριθμός των ηλεκτρικών στοιχείων μέσα σε μια βασική μονάδα ρυθμίζεται από την τάση της βασικής μονάδας. Η ονομαστική τάση λειτουργίας του συστήματος συνήθως πρέπει να ταιριάζει με την ονομαστική τάση του υποσυστήματος αποθήκευσης. Οι περισσότερες εκ των φωτοβολταϊκών βασικών μονάδων, που κατασκευάζονται βιομηχανικά έχουν, επομένως, σταθερές διατάξεις, οι οποίες μπορούν να συνεργασθούν ακόμη και με μπαταρίες των 12 volt. Προνοώντας για κάποια υπέρταση προκείμενου να φορτιστεί η μπαταρία και να αντισταθμισθεί χαμηλότερη έξοδος, κάτω από
συνθήκες χαμηλότερες των κανονικών, έχει βρεθεί ότι μια ομάδα των 33 έως 36 ηλιακών στοιχείων σε σειρά συνήθως εξασφαλίζουν αξιόπιστη λειτουργία.
Έτσι η ισχύς των βασικών μονάδων πυριτίου συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 40 και 70 watt . Οι παράμετροι της βασικής μονάδας καθορίζονται από τον κατασκευαστή κάτω από τις ακόλουθες κανονικές συνθήκες:
Ακτινοβολία 1 KW/m2
Φασματική κατανομή ΑΜ1,5
θερμοκρασία ηλιακού στοιχείου 25 °C

Πράγματι, αυτές είναι οι ίδιες συνθήκες με αυτές που χρησιμοποιούνται για να χαρακτηρισθούν τα ηλιακά στοιχεία. Η ονομαστική έξοδος συνήθως ονομάζεται ισχύς κορυφής μιας βασικής μονάδας και εκφράζεται σε watt κορυφής.
Τα τρία περισσότερο σημαντικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μιας βασικής μονάδας είναι το ρεύμα βραχυκυκλώματος, η τάση ανοικτού κυκλώματος και το σημείο μέγιστης ισχύος σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και την ακτινοβολία. Αυτές οι χαρακτηριστικές μοιάζουν με τη χαρακτηριστική Ι-ΙΙ ενός ηλιακού στοιχείου, ωστόσο μερικές συγκεκριμένες ιδιομορφίες χρειάζεται να διασαφηνιστούν.
Η θερμοκρασία είναι μια σημαντική παράμετρος λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Όπως έχουμε δει, ο συντελεστής θερμοκρασίας για την τάση ανοικτού κυκλώματος είναι κατά προσέγγιση ίσος με -2.3 mV/OC για καθένα ηλιακό στοιχείο. Ο συντελεστής τάσης μιας βασικής μονάδας είναι επομένως αρνητικός και πολύ μεγάλος από τη στιγμή που συνδέονται σε σειρά 33 έως 36 ηλιακά στοιχεία. Ο συντελεστής ρεύματος, από την άλλη πλευρά, είναι θετικός και μικρός +6 μΑ/°0 περίπου ανά τετραγωνικό εκατοστό της βασικής μονάδας. Συνεπώς, μόνο η μεταβολή τάσης σε σχέση με αυτή της θερμοκρασίας λαμβάνεται υπόψη για πρακτικούς κυρίως υπολογισμούς ενώ για κάθε βασική μονάδα αποτελούμενη από κ ηλιακά στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά ισούται προς:
ΔVL/ΔΤ = -2,3 * κ (mV/OC)

Είναι σημαντικό να σημειώσετε ότι η τάση καθορίζεται από τη θερμοκρασία λειτουργίας των ηλιακών στοιχείων, η οποία διαφέρει από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Όπως και για καθένα ηλιακό στοιχείο, το ρεύμα βραχυκυκλώματος Ικ μιας βασικής μονάδας είναι ανάλογο προς την ακτινοβολία και επομένως θα ποικίλλει κατά τη διάρκεια της ημέρας κατά τον ίδιο τρόπο. Εφόσον η τάση είναι μια λογαριθμική συνάρτηση του ρεύματος, θα εξαρτάται επίσης λογαριθμικά και από την ακτινοβολία. Κατά τη διάρκεια της ημέρας επομένως η τάση θα μεταβάλλεται λιγότερο από ότι το ρεύμα. Στο σχεδιασμό της φωτοβολταϊκής γεννήτριας είναι συνηθισμένο να παραμελείται η μεταβολή της

τάσης και να λαμβάνεται το ρεύμα βραχυκυκλώματος ανάλογο προς την ακτινοβολία: .

Ικ (Ε) = Ικ (με 1 kW/m2) * Ε (σε kW/m2)

Η λειτουργία μιας βασικής μονάδας θα πρέπει να βρίσκεται όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος (ΜΡΡ). Είναι ένα σημαντικό γνώρισμα της χαρακτηριστικής της βασικής μονάδας, το ότι η τάση του σημείου μεγίστης ισχύος Υιη είναι σχεδόν ανεξάρτητη από την ακτινοβολία. Η μέση τιμή αυτής της τάσης κατά τη διάρκεια της ημέρας μπορεί να εκτιμηθεί στο 80% της τάσης ανοικτού κυκλώματος κάτω από κανονικές συνθήκες ακτινοβολίας. Αυτή η ιδιότητα είναι χρήσιμη για τη σχεδίαση της μονάδας ελέγχου της ισχύος της συσκευής.
Ο χαρακτηρισμός της βασικής φωτοβολταϊκής μονάδας συμπληρώνεται με τη μέτρηση της θερμοκρασίας ενός κανονικά λειτουργούντος ηλιακού στοιχείου (ΝΟΟΤ) (normal operating cell temperature ), οριζόμενης ως η θερμοκρασία του ηλιακού στοιχείου, όταν η βασική μονάδα λειτουργεί κάτω από τις ακόλουθες συνθήκες σε ανοικτό κύκλωμα:
Ακτινοβολία 0.8 kW/m2
Φασματική κατανομή ΑΜ 1,5
Θερμοκρασία περιβάλλοντος 20 °C
Ταχύτητα ανέμου 1 m/s
Η ΝΟΟΤ (συνήθως μεταξύ 42 °C και 46 °C) χρησιμοποιείται τότε για να καθορίσει τη θερμοκρασία του ηλιακού ηλεκτρικού στοιχείου ΤC κατά τη διάρκεια της λειτουργίας βασικής μονάδας. Συνήθως υποθέτουμε ότι η διαφορά μεταξύ Τa και θερμοκρασίας περιβάλλοντος Τc εξαρτάται γραμμικά από την ακτινοβολία Ε κατά τον ακόλουθο τρόπο:

4.1 Πάνελ
Αποτελεί τη βασική μονάδα κατασκευής της φωτοβολταϊκής γεννήτριας (σχήμα 3.20). Τα ηλιακά στοιχεία σε μια βασική μονάδα συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά. Αυτό οφείλεται στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κάθε ηλιακού στοιχείου. Ένα τυπικό (διαμέτρου 10cm ) ηλιακό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου ή ένα (10 cm * 10 cm) πολυκρυσταλλικό στοιχείο θα παρέχουν κάτω από κανονικές συνθήκες ισχύ μεταξύ 1 και 1,5 watt, εξαρτώμενη από την απόδοση του ηλιακού στοιχείου. Αυτή η ισχύς παρέχεται συνήθως υπό τάση 0.5 ή 0.6 V. Από τη στιγμή που υπάρχουν πολύ λίγες εφαρμογές, οι οποίες εκτελούνται σε αυτή την τάση, η άμεση λύση είναι να συνδεθούν τα ηλιακά στοιχεία σε σειρά.







Ο αριθμός των ηλεκτρικών στοιχείων μέσα σε μια βασική μονάδα ρυθμίζεται από την τάση της βασικής μονάδας. Η ονομαστική τάση λειτουργίας του συστήματος συνήθως πρέπει να ταιριάζει με την ονομαστική τάση του υποσυστήματος αποθήκευσης. Οι περισσότερες εκ των φωτοβολταϊκών βασικών μονάδων, που κατασκευάζονται βιομηχανικά έχουν, επομένως, σταθερές διατάξεις, οι οποίες μπορούν να συνεργασθούν ακόμη και με μπαταρίες των 12 volt. Προνοώντας για κάποια υπέρταση προκείμενου να φορτιστεί η μπαταρία και να αντισταθμισθεί χαμηλότερη έξοδος, κάτω από
συνθήκες χαμηλότερες των κανονικών, έχει βρεθεί ότι μια ομάδα των 33 έως 36 ηλιακών στοιχείων σε σειρά συνήθως εξασφαλίζουν αξιόπιστη λειτουργία.
Έτσι η ισχύς των βασικών μονάδων πυριτίου συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 40 και 70 watt . Οι παράμετροι της βασικής μονάδας καθορίζονται από τον κατασκευαστή κάτω από τις ακόλουθες κανονικές συνθήκες:
Ακτινοβολία 1 KW/m2
Φασματική κατανομή ΑΜ1,5
θερμοκρασία ηλιακού στοιχείου 25 °C

Πράγματι, αυτές είναι οι ίδιες συνθήκες με αυτές που χρησιμοποιούνται για να χαρακτηρισθούν τα ηλιακά στοιχεία. Η ονομαστική έξοδος συνήθως ονομάζεται ισχύς κορυφής μιας βασικής μονάδας και εκφράζεται σε watt κορυφής.
Τα τρία περισσότερο σημαντικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μιας βασικής μονάδας είναι το ρεύμα βραχυκυκλώματος, η τάση ανοικτού κυκλώματος και το σημείο μέγιστης ισχύος σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και την ακτινοβολία. Αυτές οι χαρακτηριστικές μοιάζουν με τη χαρακτηριστική Ι-ΙΙ ενός ηλιακού στοιχείου, ωστόσο μερικές συγκεκριμένες ιδιομορφίες χρειάζεται να διασαφηνιστούν.
Η θερμοκρασία είναι μια σημαντική παράμετρος λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Όπως έχουμε δει, ο συντελεστής θερμοκρασίας για την τάση ανοικτού κυκλώματος είναι κατά προσέγγιση ίσος με -2.3 mV/OC για καθένα ηλιακό στοιχείο. Ο συντελεστής τάσης μιας βασικής μονάδας είναι επομένως αρνητικός και πολύ μεγάλος από τη στιγμή που συνδέονται σε σειρά 33 έως 36 ηλιακά στοιχεία. Ο συντελεστής ρεύματος, από την άλλη πλευρά, είναι θετικός και μικρός +6 μΑ/°0 περίπου ανά τετραγωνικό εκατοστό της βασικής μονάδας. Συνεπώς, μόνο η μεταβολή τάσης σε σχέση με αυτή της θερμοκρασίας λαμβάνεται υπόψη για πρακτικούς κυρίως υπολογισμούς ενώ για κάθε βασική μονάδα αποτελούμενη από κ ηλιακά στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά ισούται προς:
ΔVL/ΔΤ = -2,3 * κ (mV/OC)

Είναι σημαντικό να σημειώσετε ότι η τάση καθορίζεται από τη θερμοκρασία λειτουργίας των ηλιακών στοιχείων, η οποία διαφέρει από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Όπως και για καθένα ηλιακό στοιχείο, το ρεύμα βραχυκυκλώματος Ικ μιας βασικής μονάδας είναι ανάλογο προς την ακτινοβολία και επομένως θα ποικίλλει κατά τη διάρκεια της ημέρας κατά τον ίδιο τρόπο. Εφόσον η τάση είναι μια λογαριθμική συνάρτηση του ρεύματος, θα εξαρτάται επίσης λογαριθμικά και από την ακτινοβολία. Κατά τη διάρκεια της ημέρας επομένως η τάση θα μεταβάλλεται λιγότερο από ότι το ρεύμα. Στο σχεδιασμό της φωτοβολταϊκής γεννήτριας είναι συνηθισμένο να παραμελείται η μεταβολή της

τάσης και να λαμβάνεται το ρεύμα βραχυκυκλώματος ανάλογο προς την ακτινοβολία: .

Ικ (Ε) = Ικ (με 1 kW/m2) * Ε (σε kW/m2)

Η λειτουργία μιας βασικής μονάδας θα πρέπει να βρίσκεται όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος (ΜΡΡ). Είναι ένα σημαντικό γνώρισμα της χαρακτηριστικής της βασικής μονάδας, το ότι η τάση του σημείου μεγίστης ισχύος Υιη είναι σχεδόν ανεξάρτητη από την ακτινοβολία. Η μέση τιμή αυτής της τάσης κατά τη διάρκεια της ημέρας μπορεί να εκτιμηθεί στο 80% της τάσης ανοικτού κυκλώματος κάτω από κανονικές συνθήκες ακτινοβολίας. Αυτή η ιδιότητα είναι χρήσιμη για τη σχεδίαση της μονάδας ελέγχου της ισχύος της συσκευής.
Ο χαρακτηρισμός της βασικής φωτοβολταϊκής μονάδας συμπληρώνεται με τη μέτρηση της θερμοκρασίας ενός κανονικά λειτουργούντος ηλιακού στοιχείου (ΝΟΟΤ) (normal operating cell temperature ), οριζόμενης ως η θερμοκρασία του ηλιακού στοιχείου, όταν η βασική μονάδα λειτουργεί κάτω από τις ακόλουθες συνθήκες σε ανοικτό κύκλωμα:
Ακτινοβολία 0.8 kW/m2
Φασματική κατανομή ΑΜ 1,5
Θερμοκρασία περιβάλλοντος 20 °C
Ταχύτητα ανέμου 1 m/s
Η ΝΟΟΤ (συνήθως μεταξύ 42 °C και 46 °C) χρησιμοποιείται τότε για να καθορίσει τη θερμοκρασία του ηλιακού ηλεκτρικού στοιχείου ΤC κατά τη διάρκεια της λειτουργίας βασικής μονάδας. Συνήθως υποθέτουμε ότι η διαφορά μεταξύ Τa και θερμοκρασίας περιβάλλοντος Τc εξαρτάται γραμμικά από την ακτινοβολία Ε κατά τον ακόλουθο τρόπο:

4.2 Σύνδεση

4.2 Σύνδεση

Η σύνδεση σε σειρά χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις που θέλουμε να επιτύχουμε τάση μεγαλύτερη από την τάση που παρέχει κάθε φωτοβολταϊκό πλαίσιο χωριστά. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που θα συνδεθούν σε σειρά πρέπει να έχουν το ίδιο ρεύμα βραχυκυκλώματος (Ικ) και το ίδιο ρεύμα μέγιστης ισχύος.
Η παράλληλη σύνδεση χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις που θέλουμε να επιτύχουμε ρεύμα μεγαλύτερο από το ρεύμα που παρέχει κάθε φωτοβολταϊκό πλαίσιο χωριστά. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που θα συνδεθούν παράλληλα πρέπει να έχουν την ίδια τάση ανοικτού κυκλώματος (UL ).
Με τη μικτή σύνδεση πετυχαίνουμε να αυξήσουμε το ρεύμα και την τάση ταυτόχρονα, σε τιμές που δεν είναι διαθέσιμες από απλά φωτοβολταϊκά πλαίσια. Από τεχνικής απόψεως η μικτή σύνδεση είναι συνδυασμός της σύνδεσης σε σειρά και της παράλληλης σύνδεσης και κατά συνέπεια ισχύει ότι ισχύει σε αυτές τις συνδέσεις. Η τάση της συστοιχίας αυτής καθορίζεται από τα στοιχεία που είναι συνδεδεμένα σε σειρά ενώ το συνολικό ρεύμα από τις παράλληλες ομάδες.
3.21 σύνδεση στοιχείων και μεταβολή των χαρακτηριστικών λειτουργίας τους.
Ένα σχηματικό διάγραμμα μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας που αποτελείται από αρκετές βασικές μονάδες με διάφορους τρόπους σύνδεσης παρουσιάζεται στο σχήμα 3.22. Επιπρόσθετα, πέρα από τις φωτοβολταϊκής βασικές μονάδες η γεννήτρια περιέχει διόδους παράκαμψης και παρεμπόδισης. Αυτές οι δίοδοι προστατεύουν τη βασική μονάδα και αποτρέπουν τη γεννήτρια από το να ενεργεί ως ένα φορτίο στο σκοτάδι. Οι βασικές μονάδες συνδέονται σε σειρά για να σχηματίσουν ταινίες, στις οποίες ο αριθμός των βασικών μονάδων Ν5 καθορίζεται από την επιλεγμένη τάση DC που υπάρχει στους αγωγούς διέλευσης και ο αριθμός των παράλληλων ταινιών ΝΡ δίνεται από το ρεύμα που απαιτείται από τη γεννήτρια. Για τη γεννήτρια στο σχήμα 3.22 ( c ), Νs = 2 και ΝΡ = 2. Η τάση εξόδου επομένως θα μπορούσε να είναι διπλάσια της τάσης της βασικής μονάδας -και το ρεύμα αυτής δυο φορές μεγαλύτερο από αυτό της βασικής μονάδας.



3.22 τρόποι σύνδεσης πλαισίων
α . σύνδεση σε σειρά
β. παράλληλη σύνδεση
γ. μικτή σύνδεση

Αυτή η ανάλυση προϋποθέτει ότι όλες οι βασικές μονάδες είναι όμοιες. Πρακτικά οι βασικές μονάδες (και τα ηλιακά στοιχεία) δεν είναι όμοια και οι παράμετροι τους παρουσιάζουν ένα συγκεκριμένο βαθμό διαφοροποίησης για δυο κυρίως λόγους:

Τα ηλιακά στοιχεία και οι βασικές μονάδες ποικίλλουν σε ποιότητα, καθώς αυτή είναι αποτέλεσμα της διαδικασίας της βιομηχανοποίησης. Γενικότερα το ρεύμα που παράγεται από εμπορικές βασικές μονάδες παρουσιάζει μεγαλύτερη διαφοροποίηση από την τάση.
Διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες ίσως υπάρχουν σε διαφορετικά τμήματα της φωτοβολταϊκής διάταξης. Για παράδειγμα, μπορεί να υπάρχει διαφορετική καθαρότητα των διαφόρων τμημάτων της φωτοβολταϊκής γεννήτριας ή μερικές βασικές μονάδες ίσως σκιάζονται από ένα σύννεφο το οποίο καλύπτει μόνο ένα μέρος της σειράς.
Αυτή η διαφοροποίηση των παραμέτρων ενός στοιχείου έχει δυο σημαντικά αποτελέσματα. Πρώτα η ισχύς εξόδου της γεννήτριας είναι μικρότερη από το άθροισμα των τιμών που αντιστοιχούν σε όλες τις βασικές μονάδες του συστήματος. Αυτό προκαλεί απώλειες λόγω της κακής προσαρμογής. Αυτές οι απώλειες μπορούν να ελαχιστοποιηθούν βραχυκυκλώνοντας τις βασικές μονάδες πριν την εσωτερική σύνδεση τους και σχηματίζοντας σειρές από βασικές μονάδες με όμοιες τιμές του ρεύματος βραχυκυκλώματος.
Κατά δεύτερον, υπάρχει η δυνατότητα υπερθέρμανσης του "φτωχότερου" ηλεκτρικού στοιχείου μιας σειράς. Σε μερικές περιπτώσεις ένα στοιχείο μπορεί να λειτουργεί ως "φορτίο" για τα άλλα στοιχεία που ενεργούν ως "γεννήτριες". Συνεπώς, αυτό το στοιχείο καταναλώνει ενέργεια και η θερμοκρασία του αυξάνεται. Εάν η θερμοκρασία του ηλεκτρικού στοιχείου αυξηθεί πάνω από ένα όριο (85 - 100 ΟC), τα στερεωτικά υλικά μπορεί να πάθουν βλάβη και αυτό θα μειώσει την αποτελεσματικότητα όλης της βασικής μονάδας. Αυτό ονομάζεται σχηματισμός "ζεστής κηλίδας".
Αυτό το φαινόμενο αυτό μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, όταν το στοιχείο σκιάζεται. Είναι γνωστό ότι ένα ηλεκτρικό στοιχείο στο σκοτάδι ενεργεί ως μια δίοδος. Η σκίαση ενός ηλεκτρικού στοιχείου, το μετατρέπει σε μια δίοδο κάτω από ανάστροφη πόλωση, μηδενίζοντας με αυτόν τον τρόπο την παραγωγή ρεύματος από όλη την ταινία. Ακόμη περισσότερο, το σκιασμένο στοιχείο θα καταναλώσει όλη την παραγόμενη ισχύ των φωτισμένων στοιχείων στην ταινία, η οποία μπορεί να είναι σημαντική, εάν η ταινία είναι μεγάλη.
Η κοινή τεχνική που χρησιμοποιείται για να απαλύνει αυτό το φαινόμενο είναι η χρησιμοποίηση διόδων παράκαμψης, οι οποίες συνδέονται στα άκρα ομάδας αρκετών στοιχείων μιας ταινίας. Αυτό περιορίζει την ισχύ, που καταναλώνεται σε αυτή την ομάδα, και παρέχει μια οδό χαμηλής αντίστασης για το ρεύμα της βασικής μονάδας.

4.3 Παρακολούθηση της τροχιάς του ήλιου

4.3 Παρακολούθηση της τροχιάς του ήλιου

Υπάρχουν δυο περιπτώσεις κίνησης των πλαισίων. Η πιο απλή είναι η παρακολούθηση τροχιάς μονού άξονα, όπου τα πλαίσια κινούνται κατά μήκος ενός άξονα για να ακολουθούν την πορεία του ήλιου (σχήμα 3.23). Σχεδόν πάντα ακολουθείται η μεταβαλλόμενη ανύψωση του ήλιου στον ουρανό, αντί της κίνησης του από ανατολή προς δύση.
Στην παρακολούθηση τροχιάς διπλού άξονα (σχήμα 3.24) τα πλαίσια κινούνται κατά μήκος δύο αξόνων. Μερικές συστοιχίες, όπως αυτές με συγκεντρωτικές κυψέλες, απαιτούν παρακολούθηση της τροχιάς σε δύο άξονες, επειδή οι κυψέλες χρησιμοποιούν μόνο την άμεση ακτινοβολία και η απόδοση τους μειώνεται σημαντικά εάν δεν είναι ακριβώς κάθετες στις ακτίνες του ήλιου.
3.23 Παρακολούθηση τροχιάς ενός άξονα κίνησης του ήλιου
3.24 πλήρης παρακολούθησης τροχιάς κίνησης του ήλιου.

Ένα πλαίσιο το οποίο φέρεται κάθετα στις ακτίνες του ήλιου λαμβάνει περισσότερη ακτινοβολία από ένα άλλο που δεν είναι προσανατολισμένο προς τον ήλιο. Η πορεία του ήλιου στον ουρανό αλλάζει τόσο με την ώρα της ημέρας όσο και με την ημέρα του έτους. Αυτό σημαίνει ότι, για να παράγει ένα πλαίσιο τη μέγιστη ποσότητα ενέργειας (σχήμα 3.25), πρέπει να είναι σε θέση να περιστραφεί για να ακολουθήσει την τροχιά του ήλιου. Τα σταθερά πλαίσια τοποθετούνται ώστε να αντικρίζουν τον ισημερινό υπό μια ορισμένη γωνία και δεν κινούνται. Αν καν τα πλαίσια αυτά δεν μπορούν να παράγουν τόση ισχύ όση τα πλαίσια με παρακολούθηση της τροχιάς, έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι πιο οικονομικά και συντηρούνται ευκολότερα. Η πλειοψηφία των πλαισίων είναι σταθερά.
3.25 Διαφορές παραγόμενης ενέργειας από γεννήτρια σταθερή και με σύστημα παρακολούθησης τροχιάς του ήλιου σε 2 διαφορετικές πόλεις.
3.26 παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια κατά την διάρκεια ενός έτους από γεννήτρια σταθερή και με σύστημα παρακολούθησης τροχιάς του ήλιου σε 2 διαφορετικές πόλεις.
Σε μερικές περιπτώσεις, τα σταθερά πλαίσια ρυθμίζονται χειροκίνητα. Αυτό μπορεί να γίνει μερικές φορές το χρόνο ώστε να ληφθούν υπόψη οι εποχιακές αλλαγές της πορείας του ήλιου ή ενίοτε, μερικές φορές την ημέρα. Με τη χειροκίνητη ρύθμιση των πλαισίων μπορεί να απολειφτεί ένα σημαντικό μέρος του φωτός που θα συλλεγόταν μέσω ενός συστήματος παρακολούθησης. Τα συστήματα αυτά μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την παραγωγή μιας συστοιχίας (σχήμα 3.26), όμως απαιτείται προσεκτική ανάλυση για να προσδιοριστεί εάν το αυξημένο κόστος και η μηχανική πολυπλοκότητα της χρήσης ενός τροχιοδεικτικού συστήματος είναι συμφέρουσα.

4.4 Συγκεντρωτικά συστήματα

4.4 Συγκεντρωτικά συστήματα


Η συγκέντρωση του ηλιακού φωτός εύκολα επιδεικνύεται κρατώντας ένα μεγεθυντικό φακό προς τον ήλιο. Η φωτεινή εστίαση του φωτός, που σχηματίζεται, είναι αρκετά έντονη ώστε να βάλει φωτιά σε χαρτί ή σε ξύλο. Τοποθετώντας ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο σ' αυτή την εστία, έχουμε ένα συγκεντρωτικό φωτοβολταϊκό σύστημα (σχήμα 3.27).


3.27 κανονικό ηλιακό στοιχείο (α) και συγκεντρωτικό (β)


Ο κυριότερος λόγος ανάπτυξης των συγκεντρωτικών συστημάτων είναι για να ελαττώσουμε το κόστος του κυττάρου κάνοντας το μικρότερο, ενώ εμείς συλλέγουμε φως από μια μεγάλη περιοχή. Για να έχει αυτό νόημα ο συγκεντρωτής πρέπει να είναι φθηνότερος από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία του ίδιου μεγέθους. Άλλος λόγος είναι ότι, από τη στιγμή που παράγουμε ηλεκτρισμό από μικρά κύτταρα, φαίνεται ενδιαφέρον να χρησιμοποιήσουμε περισσότερο πολύπλοκους και υψηλότερης αποτελεσματικότητας τύπους ηλιακών κυττάρων, οι οποίοι ενδεχομένως να είναι πολύ ακριβοί για να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλες ποσότητες. Τέτοια, για παράδειγμα, είναι η περίπτωση των στοιχείων γαλλίου αρσενικού.
Τα ηλιακά στοιχεία που σχεδιάσθηκαν για να λειτουργήσουν στα συστήματα συγκέντρωσης έχουν υψηλότερη απόδοση από αυτή των στοιχείων που δεν ανήκουν σε συστήματα συγκέντρωσης του ηλιακού φωτός. Έως τώρα, με αυτόν τον τρόπο, έχει επιτευχθεί απόδοση έως 34% χρησιμοποιώντας εκατονταπλή συγκέντρωση του ηλιακού φωτός. Με τρεις τύπους ηλιακών στοιχείων και συγκέντρωση, οι ερευνητές ελπίζουν να αυξήσουν την απόδοση στο 40%, μέσα στα επόμενα λίγα χρόνια.
Οι αποδόσεις για το ηλιακό στοιχείο και το συγκεντρωτή μαζί είναι χαμηλότερες, εξαιτίας της απώλειας του φωτός μέσα στο συγκεντρωτή και της Θέρμανσης του ηλιακού στοιχείου, τα οποία και τα δύο ελαττώνουν την απόδοση. Η μέγιστη απόδοση για τις πρωτότυπες φωτοβολταϊκές μονάδες είναι, επομένως, μόνο γύρω στο 23%.
Συγκεκριμένα μειονεκτήματα έχουν έως τώρα εμποδίσει τα συστήματα συγκέντρωσης να κάνουν σημαντική διείσδυση στην παγκόσμια αγορά φωτοβολταϊκών. Συγκεκριμένα:
• Οι συγκεντρωτές χρησιμοποιούν μόνο την άμεση δέσμη φωτός αλλά όχι το διαχεόμενο φως που σκορπίζεται από τα σύννεφα και την ατμόσφαιρα. Αυτό σημαίνει ότι είναι χρήσιμοι μόνο όπου υπάρχει μια μεγάλη ποσότητα άμεσου φωτός. Ακόμη και για ένα συννεφιασμένο ουρανό, το διαχεόμενο φως μπορεί να αποτελέσει το 15 - 30% της διαθέσιμης ηλιακής ακτινοβολίας.
• Οι συμπυκνωτές πάντοτε πρέπει να έχουν κατεύθυνση προς τον ήλιο. Το μηχανικό σύστημα που δίνει την απαιτούμενη κίνηση ονομάζεται ηλιακός ιχνηλάτης. Η πρόσθετη πολυπλοκότητα του ιχνηλάτη έχει έως τώρα αποθαρρύνει τη χρήση σε απομακρυσμένες περιοχές λόγω της ελαττωμένης αξιοπιστίας και της αυξημένης ανάγκης συντήρησης.
Αυτά τα δύο μειονεκτήματα δεν εφαρμόζονται σε συγκεκριμένους τύπους στατικών συγκεντρωτών, μιας και αυτοί δεν είναι ικανοί για συγκέντρωση ηλιακού φωτός περισσότερο από 10 φορές περίπου, σε αντίθεση με τους συγκεντρωτές ιχνηλάτησης που μπορούν να επιτύχουν υψηλότερες συγκεντρώσεις.