Μελέτη Συγκεντρωτικών Φωτοβολταϊκών-Θερμικών Ηλιακών...

Πανεπιστήμιο Πατρών Σχολή Θετικών Επιστημών

Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Εφαρμοσμένης Φυσικής

ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΩΝ

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ/ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ

ΓΕΩΡΓΟΣΤΑΘΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ

Α Μ. : 315

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Ι. ΤΡΥΠΑΝΑΓΝΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ

ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜ. ΦΥΣΙΚΗΣ

ΠΑΤΡΑ 2010

ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ

ΑΝΑΠΛ.ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΤΡΥΠΑΝΑΓΝΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ (ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ)

ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΓΙΑΝΝΟΥΛΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ

ΑΝΑΠΛ.ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΡΓΥΡΙΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ

Στου γονείς μου

Γιώργο και Ευτυχία

Περίληψη Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ηλιακή ενέργεια, μπορούν να

προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Κάθε μορφή ΑΠΕ έχει τις δικές

της ιδιομορφίες και μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε μεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής

ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας είτε σε μικρότερες μονάδες όπως στα κτίρια. Ενδιαφέρον

παρουσιάζει η συνδυασμένη αξιοποίηση των παραπάνω ενεργειακών πηγών, ιδίως για την

κάλυψη των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών των κτιρίων.

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη συγκεντρωτικών

συστημάτων χαμηλής συγκέντρωσης και των παραγόντων που επηρεάζουν την λειτουργία

τους, με την χρήση τριών γεωμετρικών συγκεντρωτικών μέσων, τα οποία είναι: το σύστημα

V-Trough, το σύστημα Fresnel γραμμικής εστίας και το κυλινδροπαραβολικό σύστημα

γραμμικής εστίας, με χρήση συμβατικών φωτοβολταϊκών για την παραγωγή ηλεκτρικής

ισχύος.

Όμως, από το την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία που συγκεντρώνεται στον

απορροφητή, ένα μέρος μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο μεταδίδεται

στο περιβάλλον με την μορφή θερμότητας. Έτσι, περαιτέρω μελέτη έγινε με βάση την

δημιουργία υβριδικού συγκεντρωτικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος, ταυτόχρονης

παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας χρησιμοποιώντας την βέλτιστη γεωμετρία, το

οποίο θα μπορούσε να δώσει ικανοποιητικά ποσά θερμικής ενέργειας, χωρίς να ζημιώνεται η

ηλεκτρική και το αντίστροφο, κάτι που θα καθιστούσε τα συστήματα αυτά ενεργειακώς και

οικονομικώς πιο ανταγωνιστικά.

Τα πειραματικά αποτελέσματα περιλαμβάνουν διαγράμματα ηλεκτρικών αποδοτικοτήτων

των πειραματικών συστημάτων καθώς και των μεγεθών Pmax, Vpmax, Voc, Ιpmax, Ιsc,

συναρτήσει της θερμοκρασίας λειτουργίας Tpv, κάτω από σταθερή ακτινοβολία G, θερμικών

αποδόσεων, προφίλ κατανομών συγκεντρωτικής ακτινοβολίας καθώς και χαρακτηριστικές

καμπύλες I-V για καθένα απ αυτά.

Λέξεις Κλειδιά Aνανεώσιμες πηγές ενέργειας, ηλιακή ενέργεια, φωτοβολταϊκά, θερμική ενέργεια, υβριδικά

συστήματα PV/T, συγκεντρωτικά συστήματα ηλιακής ενέργειας, σύστημα V-Trough, Fresnel,

κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής εστίας.

Abstract

The renewable energy sources (RES) like solar energy, can offer an alternative solution to

power production. Each form of RES, has its own specifications and they can be applied in

big installations of electric and thermal energy production or in smaller units as the buildings.

This thesis investigates the performance of three different types of solar concentrating

systems, which are: the V-Trough system, the linear Fresnel system and the Parabolic Trough

system, with usage of common photovoltaics, instead of concentrating photovoltaics, for the

electricity production.

However, only a small part of the incoming solar radiation it is changed by an absorber into

electric energy, while the rest is transmitted to the environment with the form of heat. Thus,

further study has been done with base of the creation of a hybrid concentrating

photovoltaic/thermal system, with simultaneous production of electric and thermal energy

using the most optimal geometry. This could give satisfactory sums of thermal energy,

without affecting the production of electric energy and vice versa, something that would

render this systems economically more competitively.

The experimental results include diagrams with the electric performance of the

experimental systems as well as values of Pmax, Vpmax, Voc, Ipmax, Isc, associated with

the operating temperature Tpv, under constant radiation G, thermal output, distribution

profiles of the concentrating radiation as well as characteristic curves I-V for each one of

them.

Key words

Renewable energy, solar energy, thermal energy, photovoltaics, solar hybrid systems PV/T,

solar concentrating systems, V-Trough, Parabolic Trough, Fresnel.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο ηλιακής

ενέργειας του Τμήματος Φυσικής, την χρονική περίοδο 2007-2009

Ευχαριστώ τον κ. Ιωάννη Τρυπαναγνωστόπουλο, Αναπληρωτή Καθηγητή του

Τμ. Φυσικής ο οποίος είχε την επίβλεψη της εργασίας, για τον χρόνο που διέθεσε, για

την καθοδήγηση του και την υπομονή του, όπως επίσης τον Καθηγητή κ. Παναγιώτη

Γιαννούλη και τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Αθανάσιο Αργυρίου, μέλη της τριμελούς

επιτροπής μου για τις χρήσιμες και εποικοδομητικές συμβουλές τους καθ’ όλη τη

διάρκεια της παρουσίας μου στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Πανεπιστημίου

Πατρών. Ευχαριστώ πολύ επίσης τον διδάκτορα Μανόλη Σουλιώτη, τους

μεταπτυχιακούς φοιτητές Μακρή Θεόδωρο και Ανδριοπούλου Συμεώνη και τον

προπτυχιακό φοιτητή Σαρρή Μάρκο για την πολύτιμη βοήθεια που προσέφεραν κατά

την διάρκεια υλοποίησης της εργασίας.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ_______________________________________________________________1

Περίληψη - Αντικείμενο της παρούσης εργασίας.....................................................................1

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ_______________________________________________________3

ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΑΠΕ

1.1 To ενεργειακό πρόβλημα.....................................................................................................3

1.2 Η ανάπτυξη των ΑΠΕ στην Ελλάδα....................................................................................5

1.3 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου...........................................................................................8

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ___________________________________________________ 11

ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

2.1 Γενικά ................................................................................................................................11

2.2 Ημιαγωγοί..........................................................................................................................14

2.3 Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο.................................................................................................17

2.4 Η απορρόφηση της ακτινοβολίας στα φωτοβολταϊκά στοιχεία .......................................18

2.5 Η δημιουργία του φωτορεύματος......................................................................................21

2.6 Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων.......................................23

2.7 Ο συντελεστής πλήρωσης.................................................................................................24

2.8 Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων - Δεύτερη προσέγγιση....26

2.9 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων.....................28

2.10 Φωτοβολταϊκά στοιχεία..................................................................................................31

2.11 Τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων....................................................................................33

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3__________________________________________________________________41

ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

3.1 Εισαγωγή..........................................................................................................................41

3.2 Βασικοί τύποι συγκεντρωτικών μέσων...........................................................................42

3.2.1 Τύποι οπτικών μέσων..............................................................................................42

3.2.2 Τύποι συστημάτων παρακολούθησης του ήλιου (solar trackers).............................44

3.3 Οπτική των συγκεντρωτικών μέσων................................................................................48

3.3.1 Βασικά ....................................................................................................................48

3.3.2 Ανάκλαση και διάθλαση..........................................................................................53

3.4 Κυλινδροπαραβολικό συγκεντρωτικό σύστημα..............................................................55

3.5 Συγκεντρωτικό σύστημα V-Trough.................................................................................59

3.6 Διαθλαστικοί φακοί Fresnel…………………………………………………….………62

3.7 Τύποι ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων………………………………………….64

3.8 Κυλινδροπαραβολικά συστήματα ……………………………………………..……….66

3.8.1 Ιστορική ανάδρομη………………………………………………………..………66

3.8.2 Περιγραφή λειτουργιάς του συστήματος………………………………….………67

3.9 Συστήματα ηλιακών πύργων ισχύος…………………………………………….………70

3.9.1 Ιστορική ανάδρομη…………………………………………………………..……70

3.9.2 Περιγραφή του συστήματος……………………………………………………….72

3.10 Παραβολικά συστήματα σημειακής εστίας (συστήματα δίσκου/μηχανής)…….………75

3.10.1 Περιγραφή του συστήματος………………………………………………………75

3.10.2 Η εξέλιξη στα συστήματα δίσκου / Sterling…………………………….......……77

3.11 Συστήματα Fresnel…………………………………………………………….……….81

3.11.1 Περιγραφή λειτουργιάς του συστήματος………………………………….………81

3.12 Υβριδικά συγκεντρωτικά συστήματα CPV/T…………….……………….…………….85

3.12.1 Συγκεντρωτικό υβριδικό σύστημα Power Spar……….……………………………85

3.12.2 Συγκεντρωτικό υβριδικό σύστημα Absolicon X10…….………….………………86

3.13 Επιστημονικές εργασίες συσχετιζόμενες με το αντικείμενο μελέτης

της εργασίας ……………………….……………………………………………………88

3.14 Εργασίες που έχουν πραγματοποιηθεί στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας…………...90

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4__________________________________________________________________93

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

4.1 Περιγραφή των πειραματικών συγκεντρωτικών συστημάτων……………....…………..93

4.1.1 Σύστημα V-Trough…………………………………………………....…………..93

4.1.2 Σύστημα Fresnel γραμμικής εστίας…………………………………....…………..96

4.1.3 Κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής εστίας……………………...…………97

4.2 Επιμέρους τμήματα των συγκεντρωτικών συστημάτων……………………..…....……102

4.2.1 Φωτοβολταϊκά …………………………………………………………...….…….102

4.2.2 Σύστημα ψύξης………………………………………….…………………....……104

2.2.3 Θερμικός απορροφητής.............................................................................................106

4.3 Μετρητικά όργανα παρακολούθησης…………………………………….…...…..……107

4.3.1 Πυρανόμετρο………………………………………….…………….……....……..107

4.3.2 Θερμοζεύγη και θερμόμετρα………………………….…………….....…….…….108

4.3.3 PVPM…………………………………………………………….…...…….……...109

4.3.4 Μετρητικά όργανα συγκέντρωσης (Cref)…………………..…….…...……...……110

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5_________________________________________________________________111

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑTA

5.1 Εισαγωγή.........................................................................................................................111

5.2 Σύστημα V-Through........................................................................................................112

5.2.1 Diffuse V-Trough Concentrating System L=10cm................................................113



5.2.4 Specular V-Trough Concentrating System L=10cm..............................................119



5.2.7 Συγκριτικά αποτελέσματα για το σύστημα V-Through……………………...…..125

5.3 Σύστημα Fresnel Γραμμικής Εστίας..............................................................................130

5.2.1 Fresnel Concentrating System R=25cm................................................................131






5.2.7 Συγκριτικά αποτελέσματα για το σύστημα Fresnel……………………......……..143

5.4 Κυλινδροπαραβολικό Σύστημα Γραμμικής Εστίας........................................................145

5.4.1 Cold Parabolic Concentrator 2x – Electrical.......................................................146




5.4.5 Cold Parabolic Concentrator 10x – Electrical.....................................................158



5.4.8 Συγκριτικά Αποτελέσματα Για Το Σύστημα Cold Parabolic Concentrator/

Electrical..............................................................................................................167

5.4.9 Mirror Parabolic Concentrator 2x- Electrical......................................................171




5.4.13 Mirror Parabolic Concentrator 10x- Electrical....................................................183



5.4.16 Συγκριτικά Αποτελέσματα Για Το Σύστημα Mirror Parabolic Concentrator/

Electrical..............................................................................................................192

5.5 Θερμικές Αποδόσεις Των Συστημάτων Parabolic Concentrator ...................................196

5.5.1 Cold Parabolic Concentrator 15x- Thermal...........................................................196

5.5.2 Mirror Parabolic Concentrator 15x- Thermal........................................................197

5.5.3 Συγκριτικά Αποτελέσματα Για Τα Συστήματα Mirror Και Cold Parabolic

Concentrator-Thermal.............................................................................................199

5.6 Υβριδικό Φωτοβολταϊκό/Θερμικό Συγκεντρωτικό Σύστημα.........................................200

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6__________________________________________________________________203

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ΑΠΕ (ηλιακή, αιολική, βιομάζα, ενέργεια νερού,

γεωθερμία), μπορούν να προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Κάθε

μορφή ΑΠΕ έχει τις δικές της ιδιομορφίες και μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε μεγάλες

εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας είτε σε μικρότερες μονάδες

όπως στα κτίρια. Οι νέες τεχνολογίες που εξετάζονται σήμερα, κυμαίνονται με βάση την

παραγωγή ποσών ενέργειας με παρονομαστή το κόστος, δηλαδή να είναι οικονομικά

αποδεκτές και ταυτόχρονα να καλύπτουν υψηλά ποσά ενέργειας. Τα συγκεντρωτικά ηλιακά

συστήματα, είτε ηλεκτρικής είτε θερμικής ενέργειας, έχουν κινήσει το ενδιαφέρον πολλών

ερευνητών, μιας και με την χρήση πολύ μικρότερης επιφάνειας απορροφητή, μπορούν να

παράγουν πολλαπλάσια ποσά ενέργειας, κάτι που μελλοντικά, σε μια ευρεία παραγωγή, τα

καταστήσει οικονομικώς αποδεκτά.

Αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη συγκεντρωτικών

συστημάτων χαμηλής συγκέντρωσης και των παραγόντων που επηρεάζουν την λειτουργία

τους. Χρησιμοποιήθηκαν τρία γεωμετρικά συγκεντρωτικά μέσα, τα οποία είναι το σύστημα

V-Trough, το σύστημα Fresnel γραμμικής εστίας και το κυλινδροπαραβολικό σύστημα

γραμμικής εστίας και συμβατικά φωτοβολταϊκά για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Όμως,

από το την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία που συγκεντρώνεται στον απορροφητή, ένα

μικρό μέρος μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο μεταδίδεται στο

περιβάλλον με την μορφή θερμότητας. Έτσι, μελετήθηκε υβριδικό συγκεντρωτικό

φωτοβολταϊκό/θερμικό σύστημα, ταυτόχρονης παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής

ενέργειας χρησιμοποιώντας την βέλτιστη γεωμετρία, το οποίο θα μπορούσε να δώσει

ικανοποιητικά ποσά θερμικής ενέργειας, χωρίς να ζημιώνεται η ηλεκτρική και το

αντίστροφο, μιας και όπως αναφέρεται παρακάτω, η αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας

ενός φωτοβολταϊκού, δρα αρνητικά στην απόδοση του.

Ένας δεύτερος απώτερος σκοπός της εργασίας αυτής, ήταν η μελέτη της ενεργειακής

συμπεριφοράς συγκεντρωτικής διάταξης ηλιακής ενέργειας με χρήση πιο φθηνών μέσων και

υλικών, για την επιδίωξη οικονομικότερων συσκευών.

1

Η εργασία χωρίζεται σε τρία μέρη, με το πρώτο να περιλαμβάνει την βιβλιογραφική

έρευνα που αφορά τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, την θεωρία που τα περιβάλλει, τα

συγκεντρωτικά συστήματα και την θεωρία της οπτικής και γεωμετρίας που τα απαρτίζουν,

το δεύτερο να περιγράφει τις τεχνικές προδιαγραφές της εγκατάστασης και το τρίτο μέρος να

παρουσιάζει τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών καθώς και τα συμπεράσματα της

εργασίας αυτής.

Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις ΑΠΕ, στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων

πηγών ενέργειας στον ελλαδικό χώρο και τέλος στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, ένα από τα

βασικότερα ζητήματα των χρόνων μας.

Το 2ο Κεφάλαιο περιλαμβάνει τη μελέτη για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία (φ/β).

Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται θεωρητικά στοιχεία σχετικά με τους ημιαγωγούς, το

φωτοβολταϊκό φαινόμενο, τα είδη των φωτοβολταϊκών στοιχείων, την λειτουργία ενός φ/β

και τους παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία τους.

Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κυριότερα συγκεντρωτικά συστήματα παραγωγής

ενέργειας που έχουν εγκατασταθεί καθώς και η εξελικτική τους πορεία. Γίνεται αναφορά στο

θεωρητικό υπόβαθρο της οπτικής και γεωμετρίας των συστημάτων που ερευνήθηκαν στην

εργασία αυτή καθώς επίσης και μια συνοπτική αναφορά στους βασικούς τύπους

συγκεντρωτικών μέσων.

Το 4ο Κεφάλαιο αναφέρεται στην πειραματική διαδικασία. Αρχικά παρατίθενται όλες

οι κατασκευαστικές λεπτομέρειες των συστημάτων που μελετήθηκαν με τα επιμέρους

τμήματά τους και εν συνεχεία μια αναφορά στα μετρητικά όργανα παρακολούθησης των

μονάδων.

Το 5ο Κεφάλαιο αναφέρεται αναλυτικά στην παρουσίαση των πειραματικών

αποτελεσμάτων όσων αναφορά τις ηλεκτρικές και θερμικές αποδόσεις και των μεγεθών της

ισχύς, τάσης και ρεύματος, των προφίλ της κατανομής (πειραματικά και μέσω λογισμικού)

και των συγκεντρωτικών συγκριτικών αποτελεσμάτων.

Τέλος στο 6ο Κεφάλαιο αναφέρονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την

εργασία αυτή και παρουσιάζονται μελλοντικές πιθανές εφαρμογές που μπορούν να γίνουν.

2

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΑΠΕ

1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ

Από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα, όταν άρχισαν οι εφαρμογές του ηλεκτρισμού,

μέχρι τις αρχές της 10ετίας του ‘70, παρατηρείται διεθνώς μία συνεχής συγκέντρωση της

παραγωγής σε συνεχώς μεγαλύτερους «Σταθμούς Παραγωγής» και παράλληλα ανάπτυξη

των δικτύων Μεταφοράς και Διανομής με συνεχώς μεγαλύτερες τάσεις, λόγω της ραγδαίας

αύξησης της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό συνέβη και στην χώρα μας με την

ανάπτυξη του Εθνικού Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας της Δημόσιας Επιχείρησης

Ηλεκτρισμού (ΔΕΗ), η οποία κατά την περίοδο 1956-63 (περίπου) εξαγόρασε τις 300

περίπου ηλεκτρικές εταιρείες που προμήθευαν τότε την ηλεκτρική ενέργεια με μικρά τοπικά

δίκτυα. Όμως, με αφορμή τις «πετρελαϊκές κρίσεις» της 10ετίας του ‘70, άρχισε να γίνεται

διεθνώς συνείδηση η ανάγκη καλύτερης αξιοποίησης της ενέργειας, αφενός μεν για να

αξιοποιούνται καλύτερα οι διατιθέμενοι ενεργειακοί πόροι, αφετέρου δε για να περιορίζεται

η ρύπανση του περιβάλλοντος. Άρχισε τότε σε διεθνές επίπεδο η αναζήτηση Εναλλακτικών

Πηγών Ενέργειας, σε αντιστάθμισμα των Συμβατικών Πηγών, όπως είναι το κάρβουνο και

το πετρέλαιο, καθώς και της πυρηνικής ενέργειας, η οποία βεβαίως παρουσιάζει τα γνωστά

προβλήματα. Παράλληλα άρχισε μία προσπάθεια για την εξοικονόμηση και γενικότερα την

καλύτερη και αποδοτικότερη χρήση της ενέργειας.

Οι παραπάνω παράγοντες συνέβαλαν αποφασιστικά αφενός μεν στην ανάπτυξη των

Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), αφετέρου δε στην ανάπτυξη συστημάτων

Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (ΣΗΘ). Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

(ΑΠΕ) ορίζονται οι ενεργειακές πηγές (ο ήλιος, το νερό, ο άνεμος, η βιομάζα, κλπ.), οι

οποίες υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον. Είναι οι πρώτες μορφές ενέργειας

που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος, σχεδόν αποκλειστικά, μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα, οπότε

και στράφηκε στην εντατική χρήση του άνθρακα και των υδρογονανθράκων. Οι μορφές των

ΑΠΕ που είναι σήμερα τεχνικοοικονομικά εκμεταλλεύσιμες είναι οι ακόλουθες:

Ηλιακή Ενέργεια

3

Βιομάζα

Αιολική Ενέργεια

Γεωθερμική Ενέργεια

Υδροηλεκτρική Ενέργεια

Το ενδιαφέρον για την ευρύτερη αξιοποίηση των ΑΠΕ, καθώς και για την ανάπτυξη

αξιόπιστων και οικονομικά αποδοτικών τεχνολογιών που δεσμεύουν το δυναμικό τους

παρουσιάσθηκε αρχικά μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε την

τελευταία δεκαετία, μετά τη συνειδητοποίηση των παγκόσμιων περιβαλλοντικών

προβλημάτων. Τα εγγενή πλεονεκτήματα των ΑΠΕ και κυρίως η ουσιαστική συμβολή τους

στην ενεργειακή απεξάρτηση της ανθρωπότητας από τους εξαντλήσιμους ενεργειακούς

πόρους, επιτάσσουν αυτήν τη στροφή.

Για πολλές χώρες, οι ΑΠΕ αποτελούν μία σημαντική εγχώρια πηγή ενέργειας, με

μεγάλες δυνατότητες ανάπτυξης σε τοπικό και εθνικό επίπεδο. Συνεισφέρουν σημαντικά στο

ενεργειακό τους ισοζύγιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από το ακριβό και

εισαγόμενο πετρέλαιο και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού τους εφοδιασμού.

Παράλληλα, συντελούν και στην προστασία του περιβάλλοντος, καθώς έχει πλέον

διαπιστωθεί ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο πρωταρχικός υπεύθυνος για τη ρύπανση του

περιβάλλοντος.

Πραγματικά, σχεδόν το 95% της ατμοσφαιρικής ρύπανσης οφείλεται στην παραγωγή, το

μετασχηματισμό και τη χρήση των συμβατικών καυσίμων (άνθρακας και πετρέλαιο).

Φαίνεται συνεπώς ότι ο μόνος δυνατός τρόπος για να μπορέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση να

ανταποκριθεί στο φιλόδοξο στόχο που έχει θέσει, για σημαντικό περιορισμό των εκπομπών

του διοξειδίου του άνθρακα (CO2), είναι να επιταχύνει την ανάπτυξη των ΑΠΕ. Τα κύρια

πλεονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), είναι τα εξής:

Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της

εξάρτησης από εξαντλήσιμους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους.

Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής

ανεξαρτητοποίησης και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο.

Είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού

συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα κάλυψης των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και

περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας έτσι τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις

απώλειες από τη μεταφορά ενέργειας.

4

Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων,

καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα των ενεργειακών αναγκών των χρηστών (π.χ. ηλιακή

ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών, αιολική ενέργεια για

ηλεκτροπαραγωγή).

Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις

της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων.

Οι εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης των ΑΠΕ έχουν σχεδιαστεί για να καλύπτουν τις

ανάγκες των χρηστών και σε μικρή κλίμακα εφαρμογών ή σε μεγάλη κλίμακα,

αντίστοιχα, έχουν μικρή διάρκεια κατασκευής, επιτρέποντας έτσι τη γρήγορη

ανταπόκριση της προσφοράς προς τη ζήτηση ενέργειας.

Οι επενδύσεις των ΑΠΕ είναι εντάσεως εργασίας, δημιουργώντας σημαντικό αριθμό

νέων θέσεων εργασίας, ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο.

Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση

οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη,

με την προώθηση ανάλογων επενδύσεων (π.χ. θερμοκηπιακές καλλιέργειες με τη χρήση

γεωθερμικής ενέργειας).

Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά

αποδεκτή από το κοινό.

1.2 Η ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΑΠΕ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ

Η πρώτη προσπάθεια ανάπτυξης των ΑΠΕ έγινε με τον Ν. 1559/85, με τον οποίο δόθηκε

η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ σε ιδιώτες και τους ΟΤΑ

(αυτοπαραγωγούς), μέχρι το τριπλάσιο της ισχύος των εγκαταστάσεών τους και την πώληση

της περίσσειας στη ΔΕΗ. Η συνεισφορά του νόμου στην ανάπτυξη των ΑΠΕ ήταν μηδαμινή,

λόγω της χαμηλής τιμής αγοράς της ενέργειας από την ΔΕΗ αλλά και των πολύπλοκων

διαδικασιών αδειοδότησης: Το 1993 λειτουργούσαν ανεμογεννήτριες συνολικής ισχύος 27

MW, από τις οποίες 3 MW ανήκαν σε ιδιώτες, τους ΟΤΑ και τον ΟΤΕ, ενώ οι λοιπές στην

ΔΕΗ.

5

Σχήμα 1.1 : Κατανάλωση Τελικής Ενέργειας, κατανομή ανά τομέα και ενεργειακή μορφή 1998

Ένα επόμενο βήμα για την αξιοποίηση των ΑΠΕ έγινε με τον Ν.2244/94, με τον οποίο

δινόταν η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ και σε ιδιώτες και την

πώληση της παραγόμενης ενέργειας στη ΔΕΗ και παράλληλα αύξησε τις δυνατότητες

αυτοπαραγωγής. Όρισε επίσης σχετικά επαρκείς τιμές αγοράς της πωλούμενης στην ΔΕΗ

ενέργειας και δεκαετή διάρκεια συμβάσεων. Παράλληλα θεσπίστηκαν αναπτυξιακά κίνητρα

(Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Ενέργειας, Αναπτυξιακός Νόμος κ.ά.), τα οποία περιλάμβαναν

επιδοτήσεις των δαπανών εγκαταστάσεως ΑΠΕ και Συμπαραγωγής, ώστε παρά τα εμπόδια

λόγω των πολύπλοκων διαδικασιών αδειοδότησης, που δεν κατέστη δυνατόν να

ξεπεραστούν, να σημειωθεί σημαντική πρόοδος κατά τα τελευταία ιδίως έτη. Στο παρακάτω

διάγραμμα παρουσιάζεται το ηλιακό δυναμικό της Ελλάδας, που λόγω των ετήσιων μέσων

τιμών του, ευνοεί την εγκατάσταση των ΑΠΕ στον ελλαδικό χώρο.

6

Σχήμα 1.2: Ημερήσιες τιμές του ηλιακού δυναμικού στον ελλαδικό χώρο

Συμβολή στην ανάπτυξη των ΑΠΕ, αποτέλεσε και η δημιουργία του Κέντρου

Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας-ΚΑΠΕ, το οποίο από το 1989 που ιδρύθηκε μετέχει ενεργά

στην όλη προσπάθεια με μελέτες του δυναμικού των ΑΠΕ (αιολικού, ανάπτυξης μικρών

υδροηλεκτρικών κ.ά.) καθώς και των Πανεπιστημίων, για την εκτέλεση πάσης φύσεως

μετρήσεων και πιστοποιήσεων. Αξιόλογη επίσης υπήρξε η συμβολή της ΔΕΗ με την

εγκατάσταση των πρώτων ανεμογεννητριών, κυρίως σε νησιά, και γενικότερα την απόκτηση

των πρώτων εμπειριών. Τα κυριότερα από τα εμπόδια μιας μεγαλύτερης ανάπτυξης των

ΑΠΕ, ήταν τα ακόλουθα:

1. Οι χρονοβόρες και επίπονες διαδικασίες έκδοσης Αδειών Εγκατάστασης, που κυρίως

οφείλονται στην έλλειψη χωροταξικού σχεδιασμού, την μη επαρκή στελέχωση και

εκπαίδευση των αρμόδιων περιφερειακών υπηρεσιών και την πολυπλοκότητα και ασάφεια

των υφισταμένων ρυθμίσεων.

2. Την ανάγκη εκτεταμένων επεκτάσεων και ενισχύσεων των δικτύων της ΔΕΗ σε περιοχές

με υψηλό αιολικό δυναμικό (π.χ. Ν. Εύβοια, Λακωνία)

3. Την έλλειψη κτηματολογίου και γενικότερου σχεδιασμού της χρήσης γης, η οποία σε

συνδυασμό με την ελλιπή ενημέρωση των πολιτών για τα πλεονεκτήματα των ΑΠΕ, και

7

ακόμη τη μη απ’ αρχής πρόβλεψη κάποιου αντισταθμίσματος που θα ικανοποιούσε ανάγκες

των τοπικών κοινωνιών, οδήγησαν σε αντιδράσεις των κατοίκων.

4. Την αδυναμία πλήρους αξιοποίησης του υψηλού αιολικού δυναμικού των νησιών, λόγω

τεχνικών προβλημάτων συνεργασίας με τους υφιστάμενους Ντιζελοηλεκτρικούς σταθμούς.

Σχήμα 1.3: Αθροιστικά εγκαθιστάμενη ισχύς μονάδων ΑΠΕ3

1.3 ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου πρόκειται για ένα φυσικό φαινόμενο. Αυτό που αποτελεί

απειλή για το πλανήτη μας είναι η υπερβολική εμφάνιση του φαινομένου, η οποία οφείλεται

στις ανθρωπογενείς εκπομπές ρύπων. Έχει εξακριβωθεί ότι ορισμένα αέρια της ατμόσφαιρας

(γνωστά και ως αέρια θερμοκηπίου), επιτρέπουν την διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας

προς τη Γη, ενώ αντίθετα απορροφούν και επανεκπέμπουν προς το έδαφος ένα μέρος της

υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από την επιφάνεια της. Αυτή η παγίδευση της

υπέρυθρης ακτινοβολίας (η οποία διαφορετικά θα απελευθερωνόταν στο Διάστημα) από τα

συγκεκριμένα αέρια ονομάζεται «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Πρόκειται για ένα

γεωφυσικό φαινόμενο ουσιώδες και απαραίτητο για την ύπαρξη, τη διατήρηση και της

εξέλιξη της ζωής στον πλανήτη. Χωρίς αυτόν τον μηχανισμό η μέση θερμοκρασία της Γης

8

θα ήταν περίπου κατά 35°C χαμηλότερη, δηλαδή περίπου -20°C αντί για +15°C που είναι

σήμερα, και η ζωή θα ήταν αδύνατη, τουλάχιστον στη μορφή που τη γνωρίζουμε.

Σχήμα 1.4: Το φαινόμενο του θερμοκηπίου

Κατά συνέπεια, το εν λόγω φαινόμενο, στις φυσικές του διαστάσεις, δεν είναι επιβλαβές,

αντίθετα έχει ζωτική σημασία για τη διατήρηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη στους

15°C περίπου. Το ανησυχητικό είναι η ενίσχυση του ως αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής

ρύπανσης. Οι ανθρωπογενείς εκπομπές θερμοκηπικών αερίων αυξάνουν τη δυνατότητα της

ατμόσφαιρας να παγιδεύσει την υπέρυθρη ακτινοβολία της Γης. Η αύξηση αυτή οδηγεί στην

ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου και συνεπώς στην άνοδο της θερμοκρασίας του

πλανήτη. Τα αέρια εκείνα των οποίων οι συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα αυξάνονται

σημαντικά λόγω της ανθρώπινης παρέμβασης καθώς και ο βαθμός συνεισφοράς τους

αναφέρονται στις παρακάτω παραγράφους. Εμάς μας ενδιαφέρουν οι εκπομπές ρύπων που

προκαλούνται από τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τη χρήση της, άμεσα ή έμμεσα,

δηλαδή από τον ενεργειακό τομέα.

9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2

ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

2.1 ΓΕΝΙΚΑ

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν τις ρίζες τους στα διαστημικά προγράμματα και

χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά το 1960 σε δορυφόρους. Ακόμα εκπληρώνουν αυτό το

ρόλο. Ο άλλος πρώιμος τομέας που οδήγησε στην επέκταση της αγοράς ήταν εφαρμογές για

πολύ μικρές ποσότητες ισχύος όπως σε τηλεπικοινωνίες. Παρόλα αυτά, οι πολιτικές

υποστήριξης σε αρκετές χώρες έχουν παίξει σημαντικό ρόλο στην επέκταση των αγορών για

φωτοβολταϊκά στοιχεία και για δικτυακές και έξω-δικτυακές ηλεκτρικές παροχές στα

τελευταία χρόνια.

Σχήμα 2.1: Εγκατεστημένη Ισχύς φωτοβολταϊκών παγκοσμίως από 1995 έως 2005

Η ανάπτυξη της αγοράς σε παραδόσεις φωτοβολταϊκών στοιχείων φτάνουν κατά μέσο όρο

το 15% από τα μέσα του 1980 και στα τελευταία 5 χρόνια αυτό το ποσοστό αυξήθηκε σε

περίπου 30% το χρόνο με την ανάπτυξη να προσεγγίζει το 40% τα τελευταία 2 χρόνια. Αυτή

η ανάπτυξη έχει συσχετιστεί με την εξέλιξη των προοδευτικά μεγαλύτερων αποκλειστικά

κατασκευαστικών εργοστασίων.

11

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν μετακινηθεί από τα εξειδικευμένα εργαστήρια στα

εξειδικευμένα εργοστάσια. Αυτό έχει επιφέρει οικονομία στη κλίμακα και στην αύξηση της

αυτοματοποίησης και την τυποποίηση της κατασκευαστικής διαδικασίας. Το κόστος έχει

μειωθεί από αρκετές εκατοντάδες δολλάρια ανά peak Watt (Wp) στις αρχές του ’70 σε

λιγότερο από 6 σε είκοσι χρόνια (Anderson,1998), ενώ τώρα πλησιάζει το 1$. Επιπλέον η

επάρκεια μετατροπής των καλύτερων εμπορικά διαθέσιμων μοντέλων έχει αυξηθεί σταθερά

από κάτω του 10% το 1980, σε περίπου 14%-16% σήμερα.

Σχήμα 2.2: Κόστη και αποδόσεις μετατροπής τυπικών φωτοβολταϊκών στοιχείων

Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, μεγάλα ποσά ηλιακής ενέργειας μπορούν να

μετατραπούν σε ηλεκτρική με την χρησιμοποίηση κατασκευών που αποτελούνται από

φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Όταν το ηλιακό φως προσπέσει στα φωτοβολταϊκά στοιχεία ελευθερώνει ηλεκτρικά

φορτία στο εσωτερικό τους τα οποία με την ενέργεια που παίρνουν κινούνται ελεύθερα και

μπορούν να περάσουν από έναν καταναλωτή όπως είναι μια λάμπα ή ένας κινητήρας και να

τον θέσουν σε λειτουργία. Τα πρώτα φωτοβολταϊκά στοιχεία αναπτύχθηκαν από τη δεκαετία

του πενήντα για να τροφοδοτήσουν τους διαστημικούς δορυφόρους με την απαραίτητη

ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζονταν για την λειτουργία των συσκευών τους.

Από τότε μέχρι σήμερα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία βρήκαν πολλές επίγειες εφαρμογές σε

διάφορους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας για δύο βασικούς λόγους. Ο ένας είναι η

ευκολία με την οποία παράγουν την ηλεκτρική ενέργεια και ο άλλος τα διάφορα δισεπίλυτα

12

προβλήματα που παρουσιάζει ο κλασσικός τρόπος παραγωγής και διανομής της ηλεκτρικής

ενέργειας.

Τα βασικά χαρακτηριστικά των Φ/B συστημάτων, που τα διακρίνουν από τις άλλες

μορφές ΑΠΕ είναι:

Απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας , ακόμη και σε πολύ μικρή κλίμακα, π.χ. σε

επίπεδο μερικών δεκάδων Watt.

Είναι εύχρηστα. Σε μικρά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν από τους ίδιους τους

χρήστες .

Μπορούν να εγκατασταθούν μέσα στις πόλεις και δεν προσβάλλουν αισθητικά το

περιβάλλον.

Μπορούν να συνδυαστούν με άλλες πηγές ενέργειας (υβριδικά συστήματα).

Μπορούν να επεκταθούν ανά πάσα στιγμή για να αντιμετωπίσουν τις αυξημένες

ανάγκες των χρηστών.

Έχουν αθόρυβη λειτουργία και μηδενικές εκπομπές ρύπων.

Οι απαιτήσεις συντήρησης είναι σχεδόν μηδενικές.

Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιοπιστία.

Υψηλό κόστος επένδυσης.

Τα πλεονεκτήματα των Φ/Β συστημάτων

Υψηλή Αξιοπιστία – μεγάλη διάρκεια ζωής: Η αρχική τους κατασκευή ήταν για χρήση

στο διάστημα όπου οι επισκευές είναι δαπανηρές έως ακατόρθωτες. Οι φωτοβολταϊκοί

συλλέκτες σήμερα τροφοδοτούν με ρεύμα σχεδόν όλους τους δορυφόρους.

Μηδενικό κόστος λειτουργίας: Χρησιμοποιούν το φως του ήλιου για να παράγουν

ηλεκτρισμό. Δεν καταναλώνουν πρώτες ύλες.

Δεν απαιτείται συντήρηση: Τα Φωτοβολταϊκά συστήματα δεν απαιτούν κινούμενα

μέρη έτσι δεν χρειάζονται καθόλου συντήρηση κατά την λειτουργία τους.

Δεν μολύνουν το περιβάλλον: Δεν παράγουν υποπροϊόντα ούτε χρειάζονται καύσιμα

για να λειτουργήσουν. Επίσης δεν προκαλούν ηχορύπανση αφού η λειτουργία τους

είναι εντελώς αθόρυβη. Επίσης κατασκευάζονται από ανακυκλώσιμα υλικά (γυαλί,

αλουμίνιο, πυρίτιο) συνεπώς είναι περιβαλλοντικά καθαρά.

Ευελιξία: Τα φωτοβολταϊκά συστήματα τοποθετούνται ανάλογα με τις απαιτήσεις σε

ενέργεια. Σε περίπτωση που οι ανάγκες αυξηθούν πολύ εύκολα το σύστημα

αναβαθμίζεται για να καλύψει ενεργειακά την νέα ζήτηση.

13

Αυτονομία: Παρέχουν πλήρη ενεργειακή αυτονομία. Έτσι μπορούν να τοποθετηθούν

σε δύσβατες περιοχές, σε πλωτές εξέδρες και γενικά όπου το δίκτυο της ΔΕΗ είναι

οικονομικά ασύμφορο να φτάσει.

Η ενεργειακή ανεξαρτησία του χρήστη, όπου και να βρίσκεται αυτός είναι το μεγαλύτερο

πλεονέκτημα των Φ/B συστημάτων. Το κόστος των Φ/B πλαισίων είναι σήμερα το

μεγαλύτερο μειονέκτημα των Φ/Β συστημάτων. Όμως πρέπει να τονιστεί ότι υπάρχουν

σήμερα αρκετοί χρήστες για τους οποίους το Φ/B σύστημα είναι η πλέον ενδεδειγμένη

οικονομική λύση. Πρέπει να τονιστεί ότι η Φ/B τεχνολογία, όπως άλλωστε και οι

περισσότερες τεχνολογίες Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, παρουσιάζει ιδιαιτερότητες που

κάνουν δύσκολη τη σύγκριση της με τις συμβατικές τεχνολογίες, για παράδειγμα δεν

υπάρχει σαφής τρόπος αποτίμησης του περιβαλλοντικού κόστους των συμβατικών

τεχνολογιών. Το κόστος της ενέργειας από Φ/B συστήματα εξαρτάται πάρα πολύ από το

κόστος του χρήματος.

2.2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία όπως αναφέρθηκε προηγουμένως κατασκευάζονται κυρίως

από ημιαγωγούς που είναι στοιχεία τετρασθενή με τετραεδρική κρυσταλλική δομή όπως το

πυρίτιο (Si). Στα στοιχεία αυτά δεν υπάρχουν ελεύθεροι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος και δε

διαθέτουν ηλεκτρική αγωγιμότητα στην υποθετική περίπτωση που ο ημιαγωγός βρίσκεται

στη θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση, δηλαδή είναι εντελώς υποβαθμισμένος ενεργειακά.

Όταν όμως απορροφήσουν κάποια αξιόλογη ενέργεια, π.χ. με τη μορφή θερμότητας ή

ακτινοβολίας, πραγματοποιείται μια ριζική μεταβολή.

Σχήμα 2.3: Κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου με άτομα πρόσμιξης.

14

Η ενέργεια που παρέχεται στο σώμα και κατανέμεται στα άτομά του, προκαλεί την

ελευθέρωση πολλών ηλεκτρονίων από τους δεσμούς. Τα ηλεκτρόνια αυτά απομακρύνονται

από την περιοχή του δεσμού τους στο κρυσταλλικό πλέγμα, χάρη στην κινητική ενέργεια

που απόκτησαν και γίνονται ευκίνητοι φορείς του ηλεκτρισμού, δίνοντας στον ημιαγωγό μια

αξιόλογη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Είναι φανερό ότι το ενεργειακό διάκενο ανάμεσα στη

ζώνη σθένους και στη ζώνη αγωγιμότητας εκφράζει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για

τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους, ώστε να μετατραπεί σε ελεύθερο ηλεκτρόνιο, με

ταυτόχρονη δημιουργία μιας οπής.

Αν στα ηλεκτρόνια των δεσμών του κρυστάλλου προσφερθεί μια ποσότητα ενέργειας π.χ.

αν δεχθούν μια δέσμη ακτινοβολίας που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια hv μικρότερη

από το ενεργειακό διάκενο (Εg>hν), δε μπορούν να την απορροφήσουν και μένουν στη ζώνη

σθένους. Αν όμως τα ενεργειακά κβάντα που προσφέρονται είναι ίσα ή μεγαλύτερα από το

ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού (Εg<hv), τότε κάθε κβάντο μπορεί να απορροφηθεί από

ένα ηλεκτρόνιο σθένους και να διεγερθεί προς τη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας στη ζώνη

σθένους μία οπή. Ο παραπάνω μηχανισμός διέγερσης εξαρτάται και από το αν ο ημιαγωγός

είναι άμεσος ή έμμεσος.

Αν τώρα στον τετρασθενή ημιαγωγό Si, γίνει πρόσμιξη με κάποιο πεντασθενές στοιχείο

(φώσφορος, Ρ) ή με κάποιο τρισθενές στοιχείο (βόριο, Β), τότε παράγεται ημιαγωγός

προσμίξεως τύπου-n και τύπου-p αντίστοιχα. Τέσσερα από τα πέντε ηλεκτρόνια σθένους

κάθε ατόμου Ρ, θα ενωθούν με ηλεκτρόνια σθένους των γειτονικών ατόμων Si και θα

σχηματίσουν ομοιοπολικούς δεσμούς. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο (φορέας πλειονότητας) θα

συγκρατείται πολύ χαλαρά από το θετικό πυρηνικό φορτίο του Ρ και με λίγη ενέργεια μπορεί

να αποσπασθεί και να κινηθεί σαν ελεύθερο ηλεκτρόνιο, αφήνοντας ένα ανιόν (Ρ+) που

μένει ακίνητο στο πλέγμα. Δηλαδή το πεντασθενές άτομο συμπεριφέρεται στο πλέγμα σαν

δότης ηλεκτρονίων (τύπος-η ημιαγωγός). Αντίστοιχα, με την πρόσμιξη τρισθενών ατόμων Β

σε πλεγματικές θέσεις του Si, δημιουργούνται κενές θέσεις ηλεκτρονίων στους δεσμούς. Με

την απορρόφηση ενός μικρού ποσού ενέργειας, ένα ηλεκτρόνιο από ένα γειτονικό πλήρη

δεσμό μπορεί να καλύψει την κενή θέση, αφήνοντας παράλληλα στην προηγούμενη θέση

του μια οπή και μετατρέποντας το άτομο Β σε κατιόν (Β-). Δηλαδή το τρισθενές άτομο

συμπεριφέρεται σαν αποδέκτης ηλεκτρονίων (φορείς μειονότητας) ή δότης οπών (τύπος-p

ημιαγωγός).

15

Όταν σε μια περιοχή του ημιαγωγού υπάρχει δημιουργία ή έκχυση φορέων σε περίσσεια,

αυτοί διαχέονται προς τις άλλες περιοχές του ημιαγωγού όπου η συγκέντρωση των

αντίστοιχων φορέων είναι μικρότερη. Επίσης όταν ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου p έλθει σε

στενή επαφή με ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου n, δηλαδή σχηματιστεί μια ένωση p-n

(διάταξη διόδου ημιαγωγού), τότε ένα μέρος από τις οπές του τεμαχίου τύπου p διαχέεται

προς το τεμάχιο τύπου n όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα μέρος από τα

ελεύθερα ηλεκτρόνια του τεμαχίου τύπου n διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου p όπου τα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι πολύ λιγότερα. Η ανάμιξη αυτή των φορέων και η αύξηση της

συγκέντρωσης των φορέων μειονότητας στις περιοχές κοντά στη διαχωριστική επιφάνεια

(περιοχή αραίωσης) των τεμαχίων τύπου p και n, ανατρέπουν την ισορροπία που υπήρχε

πριν. Η αποκατάσταση των συνθηκών ισορροπίας γίνεται με επανασυνδέσεις των φορέων,

μέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιμές που να ικανοποιούν τον νόμο δράσης των

μαζών.

Η συγκέντρωση των κατιόντων στα οποία μετατράπηκαν οι αποδέκτες στο τμήμα τύπου

p και n, παραμένουν αμετάβλητες αφού τα ιόντα, όπως συνήθως όλα τα άτομα στα στερεά,

μένουν ακίνητα στο σώμα. Έτσι το υλικό χάνει τοπικά την ηλεκτρική ουδετερότητα και οι

δύο πλευρές της ένωσης p-n φορτίζονται με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία. Δημιουργείται

λοιπόν μια διαφορά δυναμικού, που η τιμή της είναι σχετικά μικρή, αλλά το ενσωματωμένο

αυτό ηλεκτροστατικό πεδίο εμποδίζει την παραπέρα διάχυση των φορέων πλειονότητας προς

το απέναντι τμήμα της ένωσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι η δίοδος που περιέχει την ένωση p-

n, παρουσιάζει εντελώς διαφορετική συμπεριφορά στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος,

ανάλογα με την φορά του. Στο Σχήμα 2.4 φαίνεται η υλοποίηση διόδου σε ένα κρυσταλλικό

ηλιακό κύτταρο πυριτίου.

Σχήμα 2.4 : Σχηματική διάταξη ενός Φ/Β στοιχείου. Ηλιακή ακτινοβολία (φωτόνια) προσπίπτει στην

εμπρόσθια επιφάνεια της δι-επαφής p-n όπως δείχνει το σχήμα. Το πάχος του στοιχείου μερικά μm.

16

2.3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

Είναι γνωστό ότι τα ηλιακά στοιχεία είναι δίοδοι ημιαγωγού με τη μορφή ενός δίσκου,

(δηλαδή η ένωση p-n εκτείνεται σε όλο το πλάτος του δίσκου), που δέχεται την ηλιακή

ακτινοβολία. Κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το

ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό

και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Δημιουργείται έτσι, όσο διαρκεί η ακτινοβολία, μία

περίσσεια από ζεύγη φορέων (ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές), πέρα από τις συγκεντρώσεις

που αντιστοιχούν στις συνθήκες ισορροπίας. Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο

στερεό (και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντιθέτου πρόσημου), μπορεί να

βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n οπότε θα δεχθούν την επίδραση του ενσωματωμένου

ηλεκτροστατικού πεδίου (Σχήμα 2.5).

Σχήμα 2.5: Το φωτοβολταϊκό Φαινόμενο

Τα φωτόνια της ακτινοβολίας, που δέχεται το στοιχείο στην εμπρός του όψη, τύπου n στο

παράδειγμα του σχήματος, παράγουν ζεύγη φορέων (ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές). Ένα

μέρος από τους φορείς αυτούς διαχωρίζεται με την επίδραση του ενσωματωμένου πεδίου της

διόδου και εκτρέπεται προς τα εμπρός (τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, e-) ή προς τα πίσω (οι οπές,

h+), δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις δυο όψεις του στοιχείου. Οι

υπόλοιποι φορείς επανασυνδέονται και εξαφανίζονται. Επίσης ένα μέρος της ακτινοβολίας

ανακλάται στην επιφάνεια του στοιχείου, ενώ ένα άλλος μέρος της διέρχεται από το στοιχείο

χωρίς να απορροφηθεί, μέχρι να συναντήσει το πίσω ηλεκτρόδιο.

17

Έτσι, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου Ω και οι οπές

εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου p, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά

δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Δηλαδή, η διάταξη

αποτελεί μία πηγή ηλεκτρικού ρεύματος που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του

ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού

ανάμεσα στις δύο 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. Εκτός από τις προσμίξεις των τμημάτων p και n

μιας ομοένωσης, δηλαδή υλικού από τον ίδιο βασικά ημιαγωγό, το ενσωματωμένο

ηλεκτροστατικό πεδίο, που είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την πραγματοποίηση ενός

ηλιακού στοιχείου, αλλά και κάθε φωτοβολταϊκής διάταξης, μπορεί να προέρχεται επίσης

και από διόδους άλλων. π.χ. από διόδους Σότκυ που σχηματίζονται όταν έρθουν σε επαφή

ένας ημιαγωγός με ένα μέταλλο.

2.4 Η ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΑ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΑ

Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του

συνόλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται στην επιφάνειά τους. Ένα μέρος από την

ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου και διαχέεται πάλι προς το

περιβάλλον. Στη συνέχεια, από την ακτινοβολία που διεισδύει στον ημιαγωγό, προφανώς δεν

μπορεί να απορροφηθεί το μέρος που αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από

το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. Για τα φωτόνια αυτά, ο ημιαγωγός συμπεριφέρεται

σαν διαφανές σώμα. Έτσι, η αντίστοιχη ακτινοβολία διαπερνά άθικτη το ημιαγώγιμο υλικό

του στοιχείου και απορροφάται τελικά στο μεταλλικό ηλεκτρόδιο που καλύπτει την πίσω

όψη του, με αποτέλεσμα να το θερμαίνει. Αλλά και από τα φωτόνια που απορροφά ο

ημιαγωγός, μόνο με το μέρος εκείνο της ενέργειάς τους που ισούται με το ενεργειακό χάσμα

συμβάλλει, όπως είδαμε, στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Το υπόλοιπο

μεταφέρεται, σαν κινητική ενέργεια, στο ηλεκτρόνιο που ελευθερώθηκε από τον δεσμό, και

τελικά μετατρέπεται επίσης σε θερμότητα. Όπως θα αναλυθεί όμως παρακάτω, η αύξηση της

θερμοκρασίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων επιδρά αρνητικά στην απόδοσή τους.

18

Η ενέργεια ενός φωτονίου Ε συνδέεται με τη συχνότητα της ακτινοβολίας ν και με το

μήκος κύματος λ με τις σχέσεις :

h hc /

όπου h είναι η σταθερά δράσης του plank (h=6,3xΙ0-34 Js) και c είναι η ταχύτητα του φωτός

(c = 3. 108 m/s). Επομένως, αν το ενεργειακό χάσμα είναι σε μονάδες ηλεκτρονιοβόλτ (eV)

και το μήκος κύματος σε μικρόμετρα (μm), τότε το μέγιστο χρησιμοποιήσιμο μήκος κύματος

ακτινοβολίας σε ένα ημιαγωγό, ενεργειακού χάσματος Εg , θα είναι :

g g1,238 /

θεωρώντας τώρα ότι στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού διεισδύει μια, μονοχρωματική δέσμη

ακτινοβολίας από όμοια φωτόνια ενέργειας hv, που έχει ροή (η ένταση) ίση με Η μονάδες

ισχύος ανά μονάδα επιφανείας. Η ροή των φωτονίων (Φ), δηλαδή το πλήθος των φωτονίων

ανά μονάδα επιφανείας και χρόνου, θα είναι :

/ hv / hc

Βλέπουμε όπως άλλωστε είναι αυτονόητο ότι, για σταθερή ένταση Η ροή Φ είναι

αντίστροφα ανάλογα με την ενέργεια των φωτονίων ή, που είναι το ίδιο, αυξάνει γραμμικά

με το λ.

Ας συμβολίσουμε, στη συνέχεια με Φο την αρχική τιμή της ροής των φωτονίων στην

επιφάνεια ενός ημιαγωγού, με x την απόσταση που διανύει η ακτινοβολία μέσα στον

ημιαγωγό, αρχίζοντας από την επιφάνειά του, και με Φ(x) την τιμή της ροής των φωτονίων

(δηλαδή το πλήθος των φωτονίων που δεν έχουν ακόμα απορροφηθεί) στο βάθος αυτό. Η

ευκολία με την οποία πραγματοποιείτε η απορρόφηση των φωτονίων, που είναι μια πολύ

σημαντική ιδιότητα για τη χρησιμοποίηση του ημιαγωγού ως υλικού κατασκευής ενός

φωτοβολταϊκού στοιχείου, θα δίνεται από το ρυθμό της μεταβολής της Φ με την αύξηση της

απόστασης που διανύει η ακτινοβολία. Ο ρυθμός αυτός έχει αρνητική τιμή, αφού η Φ

μειώνεται με την αύξηση του x, και είναι προφανώς ανάλογος με τη συγκεκριμένη τιμή της

Φ στο βάθος x, δηλαδή με τη Φ(x). Θα ισχύει επομένως η σχέση :

d / dx (x)

19

και η σταθερά της αναλογίας α, που δίνεται σε αντίστροφες μονάδες μήκους, ονομάζεται

συντελεστής απορρόφησης της υπόψη ακτινοβολίας.

Δοθέντος ότι για x=0 η Φ(x) παίρνει την τιμή Φο, η λύση της παραπάνω διαφορικής

εξίσωσης είναι :

( x)(x) exp

που ονομάζεται νόμος του ΒΕΕR.

Στη συνέχεια βρίσκουμε εύκολα ότι :

( x)d / dx exp

δηλαδή ότι ο ρυθμός της απορρόφησης των φωτονίων, επομένως και της δημιουργίας των

φορέων από την ακτινοβολία που δέχεται ο ημιαγωγός, είναι μεγαλύτερος κοντά στην

επιφάνειά του και εξασθενίζει με την απόσταση από αυτή.

Σχήμα 2.6: Η μεταβολή του συντελεστή απορρόφησης (α) σε συνάρτηση με το μήκος κύματος (λ) ή την

ενέργεια των φωτονίων (hv) της ακτινοβολίας, για τους κυριότερους ημιαγωγούς των φωτοβολταϊκών

διατάξεων

Όπως δείχνεται και στο σχήμα 2.6, η τιμή του συντελεστή απορρόφησης μεταβάλλεται σε

συνάρτηση με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, μηδενίζεται όταν το λ

20

υπερβαίνει το λg του ημιαγωγού, αφού για αυτά τα μήκη κύματος δεν πραγματοποιείται

καμιά απορρόφηση φωτονίων. Αντίθετα, παίρνει μεγάλες τιμές προς την πλευρά των μικρών

μηκών κύματος που σημαίνει ότι η απορρόφηση πρακτικά όλων των αντίστοιχων φωτονίων

γίνεται πολύ κοντά στην επιφάνεια του ημιαγωγού.

2.5 Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΡΕΥΜΑΤΟΣ

Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται μια κατάλληλη ακτινοβολία, διεγείρεται

παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα, το φωτορεύμα ΙΦ, που η τιμή του θα είναι ανάλογη προς τα

φωτόνια που απορροφά το στοιχείο. π.χ. ας υποθέσουμε ότι έχουν εξασφαλιστεί οι δύο

βασικές προϋποθέσεις για ένα καλό φωτοβολταϊκό στοιχείο, δηλαδή η ένωση p-n να

βρίσκεται σε κατάλληλη απόσταση από την όψη του στοιχείου και η μέση διάρκεια ζωής

των φορέων μειονότητας στον ημιαγωγό, από τον οποίο είναι κατασκευασμένο το στοιχείο,

να είναι αρκετά μεγάλο. Τότε, για την πυκνότητα του φωτορεύματος, ισχύει ικανοποιητικά η

σχέση :

n peg L L

όπου e είναι το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, g είναι ο ρυθμός δημιουργίας ζευγών φορέων

από τα φωτόνια της ακτινοβολίας (πλήθος ζευγών ηλεκτρονίων-οπών ανά μονάδα χρόνου

και μονάδα όγκου του ημιαγωγού), και Ln, Lp είναι τα μέσα μήκη διάχυσης των

ηλεκτρονίων και των οπών, αντίστοιχα.

Ένα χρήσιμο μέγεθος για τον υπολογισμό του φωτορεύματος είναι η φασματική

απόκριση S (ή απόδοση συλλογής ή κβαντική απόδοση), που ορίζεται ως το πλήθος των

φορέων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του φωτοβολταϊκού στοιχείου, σε σχέση με τη

φωτονική ροή Φ, δηλαδή με το πλήθος των φωτονίων της ακτινοβολίας που δέχεται το

στοιχείο ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου. Για ακτινοβολία μήκους κύματος λ, η

φασματική απόκριση S(λ) θα είναι :

S I / e

21

όπου Φ(λ) είναι το πλήθος των φωτονίων με ενέργεια που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος από

λ μέχρι λ+dλ, και επομένως το συνολικό φωτορεύμα του στοιχείου, όταν δέχεται

πολυχρωματική ακτινοβολία, θα είναι :

0( ) ( )

g

I e S d

Η τιμή της φασματικής απόκρισης, και συνεπώς του φωτορεύματος ενός φωτοβολταϊκού

στοιχείου, εξαρτάται από πολλούς κατασκευαστικούς παράγοντες, όπως ο συντελεστής

ανάκλασης στην επιφάνεια του στοιχείου, ο συντελεστής απορρόφησης και το πάχος του

ημιαγωγού, το πλήθος των επανασυνδέσεων των φορέων κλπ. Στο σχήμα 2.7 δείχνεται η

μεταβολή της φασματικής απόκρισης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου του εμπορίου σε

συνάρτηση με την ενέργεια των φωτονίων της ακτινοβολίας που δέχεται.

Σχήμα 2.7: Η μεταβολή της φασματικής απόκρισης S(ν) σε συνάρτηση με την ενέργεια των φωτονίων

της ακτινοβολίας, στις 3 περιοχές ενός φωτοβολταϊκού ηλιακού στοιχείου πυριτίου

Όταν το ποσοστό της επιφάνεια του στοιχείου δεν είναι αμελητέο γράφεται :

0( )[1 ( )] ( )

g

I e S R d

όπου R(λ) είναι ο δείκτης ανάκλασης για την ακτινοβολία μήκους κύματος λ.

22

2.6 ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Για να προχωρήσουμε σε μια πρώτη εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και της

λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, μπορούμε να το θεωρήσουμε ότι αποτελεί μια

πηγή ρεύματος που ελέγχεται από μία δίοδο, και ότι περιγράφεται από το πολύ

απλοποιημένο διάγραμμα του σχήματος 2.8.

Σχήμα 2.8. Απλοποιημένο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου

Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος, θα αποκατασταθεί μια ισορροπία όταν η τάση, που θα

αναπτυχθεί ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, θα προκαλεί ένα αντίθετο ρεύμα που θα

αντισταθμίζει το φωτορεύμα. Δηλαδή, σύμφωνα με αυτά που αναφέρθηκαν παραπάνω, θα

ισχύει η σχέση :

exp eV / kT 1

από την οποία βρίσκουμε ότι, η τιμή τάσης ανοιχτού κυκλώματος του στοιχείου Voc (από

την αγγλική έκφραση open –circuit Voltage ) θα είναι :

oc oV kT / e ln / 1

Κατά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων, η τιμή του ΙΦ είναι πολύ μεγαλύτερη

από το Ιο και επομένως η παραπάνω σχέση μπορεί να απλοποιηθεί στη :

oc oV kT / e ln /

που δείχνει τη λογαριθμική μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος σε συνάρτηση με το

φωτορεύμα, δηλαδή με την ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο.

23

Από τις σχέσεις για το Io που αναφέρθηκαν μπορούμε να βρούμε την εξάρτηση της Voc από

τις διάφορες ιδιότητες του ημιαγωγού, όπως το ενεργειακό χάσμα Εg, η ενδογενής

συγκέντρωση των φορέων ni, οι συγκεντρώσεις των προσμίξεων ΝΑ και ΝD κλπ.

Στην άλλη ακραία περίπτωση, δηλαδή σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψης

του στοιχείου το ρεύμα ΙSC (short-circuit current) θα ισούται με το παραγόμενο φωτορεύμα :

Isc I

Όταν όμως το κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου κλείσει διαμέσου μιας εξωτερικής

αντίστασης RL (από την αγγλική έκφραση Load resistance), το ρεύμα θα πάρει μια

μικρότερη τιμή IL που βρίσκεται με την λύση της εξίσωσης :

l o L LI exp eI R / KT 1

Προφανώς θα υπάρχει κάποια τιμή της αντίστασης (δηλαδή του φορτίου του κυκλώματος)

για την οποία η ισχύς που παράγει το φωτοβολταϊκό στοιχείο θα γίνεται μέγιστη. Στις

συνθήκες αυτές, θα αντιστοιχεί μια βέλτιστη τάση Vm, που δίνεται από την λύση της

εξίσωσης :

m m/ 1 1 eV / k exp eV / / kT

2.7 Ο ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣ (FILL FACTOR)

Ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος Ρm=ΙmVm προς το γινόμενο της

βραχυκυκλωμένης έντασης και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος Isc Voc ενός φωτοβολταϊκού

στοιχείου, ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης FF (από την αγγλική έκφραση fill factor).

Δηλαδή :

m m sc ocFF I V / I V

24

Σχήμα 2.9: Η χαρακτηριστική καμπύλη I-V ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου στο σκοτάδι και στο φως

Στο διάγραμμα του σχήματος 2.9, ο FF δίνεται από το λόγο του εμβαδού του μέγιστου

ορθογωνίου που μπορεί να εγγραφεί στη χαρακτηριστική καμπύλη I-V του στοιχείου, σε

συνθήκες ακτινοβολίας, προς το εμβαδόν που ορίζεται από τις τιμές Isc και Voc .

Οι τρεις παραπάνω παράμετροι, δηλαδή ο FF, Isc, και η Voc είναι τα κυριότερα μεγέθη για

την αξιολόγηση της συμπεριφοράς και της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων και

καθορίζουν την απόδοσή τους. Επιστρέφοντας στον συντελεστή απόδοσης στοιχείων (η)

μπορούμε τώρα να τον ορίσουμε με τη σχέση :

m m m sc ocn P / AG I V / AG FFI V / AG

όπου G είναι η ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται η επιφάνεια του Φ/β στοιχείου,

εμβαδού Α. Όπως βλέπουμε, για την πραγματοποίηση αυξημένων αποδόσεων , επιδιώκεται

οι τιμές των FF ,Isc και Voc να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερες.

Προφανώς θα ισχύει και η σχέση :

g mV /n

όπου Φ(Εg) είναι η ροή των φωτονίων με ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα του

ημιαγωγού, Φ είναι η συνολική φωτονική ροή στην ακτινοβολία που δέχεται το

φωτοβολταϊκό στοιχείο, και Εμ είναι η μέση ενέργεια των φωτονίων της ακτινοβολίας.

Στην ηλιακή ακτινοβολία, περίπου τα 2/3 των φωτονίων έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από

το ενεργειακό χάσμα του πυριτίου (1,1eV). Επίσης, η Vm των φωτοβολταϊκών στοιχείων

25

πυριτίου είναι περίπου ίση με το 1/3 της Εμ της ηλιακής ακτινοβολίας. Επομένως βρίσκουμε

πρόχειρα ότι η θεωρητική απόδοση των ηλιακών φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου είναι

περίπου .

n=2/3 1/3=22%

O συντελεστής απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου δεν είναι σταθερός αλλά

επηρεάζεται σημαντικά από τη σύσταση της ακτινοβολίας. Δηλαδή, μια δέσμη ακτινοβολίας

θα προκαλέσει σε ένα στοιχείο την παραγωγή λιγότερης ηλεκτρικής ενέργειας, σε σύγκριση

με μια άλλη ίσης ισχύος αλλά πλουσιότερη σε φωτόνια με ευνοϊκότερη ενέργεια για τον

ημιαγωγό, από τον οποίο είναι κατασκευασμένο το στοιχείο.

2.8 ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ-

ΔΕΥΤΕΡΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ

Μια σωστότερη προσέγγιση αποτελεί το ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 2.10, διότι

περιέχει και τις αναπόφευκτες σειριακές αντιστάσεις Rs (από την αγγλική έκφραση series

resistance) που παρεμβάλλονται στην κίνηση των φορέων μέσα στον ημιαγωγό (κυρίως στο

εμπρός επιφανειακό στρώμα του) και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια. Ακόμα, επειδή η

αντίσταση διαμέσου της διόδου δεν έχει άπειρη τιμή, αφού λόγω επίσης αναπόφευκτων

κατασκευαστικών ελαττωμάτων γίνονται διαρροές ρεύματος, το ισοδύναμο κύκλωμα

περιέχει και την παράλληλη αντίσταση Rsh (από την αγγλική έκφραση shunt resistance).

Συνήθως, στα φωτοβολταϊκά στοιχεία του εμπορίου η Rs είναι μικρότερη από 5Ω και η Rsh

είναι μεγαλύτερη από 500 Ω.

Σχήμα 2.10: Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου

26

Πάντως επηρεάζουν αισθητά την τάση VL και του ρεύματος IL που διαρρέει το φορτίο του

κυκλώματος RL, με αποτέλεσμα την αντίστοιχη μείωση της απόδοσης του στοιχείου. στην

περίπτωση αυτή ισχύει η σχέση :

L s sh o L L s L sh1 R / R exp e V R / k 1 V / R

Εκτός από τις αντιστάσεις Rs και Rsh, ένας άλλος παράγοντας που επιδρά αρνητικά στην

απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι η θερμοκρασία τους, όπως αναφέρεται και

παρακάτω. Συγκεκριμένα, με την αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αντίστοιχη αύξηση

της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα να

πραγματοποιούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων. Έτσι, εκδηλώνεται ισχυρό ρεύμα

διαρροής διαμέσου της διόδου, που συνεπάγεται μείωση της Voc και του FF. Παράλληλα

μειώνεται και η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου (Σχήμα 2.11).

Σχήμα 2.11: Τυπική απόκλιση της μεταβολής της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου σε

συνάρτηση με την θερμοκρασία λειτουργίας τους

Αν ο συντελεστής απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου σε μια δεδομένη

θερμοκρασία (π.χ. 20oC) είναι (n), η τιμή του σε μια διαφορετική θερμοκρασία (θ) θα είναι :

n

όπου σθ είναι ένας αδιάστατος συντελεστής της θερμοκρασίας διόρθωσης της απόδοσης. Στη

δεδομένη θερμοκρασία, ο σθ είναι ίσος με τη μονάδα, και μειώνεται κατά περίπου 0,005 ανά

βαθμό αύξησης θερμοκρασίας, για τα συνηθισμένα φωτοβολταϊκά ηλιακά στοιχεία πυριτίου

του εμπορίου.

27

2.9 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

- Η αύξηση της θερμοκρασίας του Φ/Β στοιχείου που επιδρά αρνητικά στην απόδοση του. Η

θερμοκρασία λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού καθορίζεται από μια ενεργειακή ισορροπία.

Η ηλιακή ενέργεια που απορροφάται από το φωτοβολταϊκό μετατρέπεται κατά ένα μέρος σε

ηλεκτρική που απομακρύνεται από τα στοιχεία μέσω του εξωτερικού κυκλώματος, και κατά

ένα μέρος σε θερμική. Η θερμική ενέργεια αυξάνει τη θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού και

λόγω διαφοράς με το περιβάλλον, η θερμότητα μεταφέρεται σε αυτό με ένα συνδυασμό

μηχανισμών θερμικής μεταφοράς. Η θερμική μεταφορά από το φωτοβολταϊκό πρέπει να

μεγιστοποιείται για να λειτουργούν τα στοιχεία με όσο το δυνατόν μικρότερη θερμοκρασία,

διότι, όσο μικρότερη είναι η θερμοκρασία λειτουργίας του φωτοβολταϊκού, τόσο μεγαλύτερη

είναι η απόδοσή του. Η ενεργειακή ισορροπία σε μια μοναδιαία περιοχή ενός

φωτοβολταϊκού το οποίο ψύχεται λόγω θερμικών απωλειών προς το περιβάλλον, μπορεί να

γραφεί ως:

( )T c T L C aG n G U T T

όπου τ είναι η διαπερατότητα του διαφανούς καλύμματος που είναι τοποθετημένο πάνω στα

στοιχεία, α είναι το ποσοστό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην επιφάνεια των στοιχείων

η οποία και απορροφάται, GT είναι η προσπίπτουσα ακτινοβολία, ηc είναι η απόδοση του

φωτοβολταϊκού στο να μετατρέπει την προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια

και Τc η θερμοκρασία λειτουργίας των στοιχείων. Αυτή η απόδοση κυμαίνεται από μηδέν

ως τη μέγιστη ηλεκτρική απόδοση, ανάλογα με το πόσο κοντά βρίσκεται σε συνθήκες

μέγιστης ισχύς. Ο συντελεστής απωλειών UL περιλαμβάνει θερμικές απώλειες από τη

φωτιζόμενη πλευρά και από τη μη φωτιζόμενη πλευρά του φωτοβολταϊκού προς το

περιβάλλον.

Η ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας των στοιχείων (ΝΟCΤ) καθορίζεται από τη

θερμοκρασία που φθάνουν τα φωτοβολταϊκά όταν τοποθετούνται με τον κανονικό τρόπο και

σε ένταση ηλιακής ακτινοβολίας 800 W/m2, σε ταχύτητα αέρα 1 m/sec., σε θερμοκρασία

περιβάλλοντος 20° C, και χωρίς φορτίο, nc = 0

Μετρήσεις της θερμοκρασίας των στοιχείων, της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και της

ηλιακής ακτινοβολίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να καθορίσουν το τα / UL,

28

, ,/ ( ) /L CU G 0 c NOCT

Η θερμοκρασία σε άλλες συνθήκες, όπου υποθέτουμε ότι το τα / UL,, να είναι σταθερό,

βρίσκεται από την σχέση

T = T + (G / U )(1 - n / )c a T L c

Το τα, που είναι ο τελευταίος όρος στην εξίσωση, δεν είναι γενικά γνωστός και χωρίς

σημαντικό σφάλμα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την τιμή 0.9, επειδή ο όρος ηc / τα είναι

μικρός σε σχέση με τη μονάδα.

Η τιμή του συντελεστή απορρόφησης μεταβάλλεται σε συνάρτηση με το μήκος κύματος

της ακτινοβολίας. Ο συντελεστής απορρόφησης μας δείχνει την ευκολία με την οποία

πραγματοποιείτε η απορρόφηση των φωτονίων από ημιαγώγιμο υλικό κατασκευής ενός

φωτοβολταϊκού στοιχείου.

Η απόσταση μεταξύ της όψης του στοιχείου και της ένωσης p – n.

Η μέση διάρκεια των φορέων μειονότητας στον ημιαγωγό, από τον οποίο είναι

κατασκευασμένο το στοιχείο θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη.

Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας επιδρά σημαντικά στην απόδοση της ηλιακής

κυψέλης.

Κάποιες χαρακτηριστικές καμπύλες I-V ενός φωτοβολταϊκού, για διαφορετικές τιμές

ακτινοβολίας και σταθερή θερμοκρασία λειτουργίας καθώς και το αντίστροφο

παρουσιάζονται παρακάτω:

29

Photovoltaic's I-V curves

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2V (Volt)

I (A

mp)

0

G=577W/m² Tpv=45.66ºC G=707W/m² Tpv=47.66ºCG=803W/m² Tpv=48.43ºCG=860W/m² Tpv=53.01ºCG=904W/m² Tpv=50.11ºCG=957W/m² Tpv=52.46ºCG=1011W/m² Tpv=42.48ºCG=1063W/m² Tpv=41.56ºCG=1138W/m² Tpv=46.8ºC

Σχήμα 2.12: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V ενός φωτοβολταϊκού, για διαφορετικές τιμές ακτινοβολίας

και σταθερή θερμοκρασία λειτουργίας

Photovoltaic's I-V curves

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20V (Volt)

I(am

p)

G=1049 W/m² Tmod=16.03 ºC

G=1051 W/m² Tmod=20.51 ºC

G=1051 W/m² Tmod=24.39 ºC

G=1048 W/m² Tmod=28.64 ºC

G=1048 W/m² Tmod=30.25 ºC

G=1064 W/m² Tmod=38.18 ºC

G=1078 W/m² Tmod=46.59 ºC

Σχήμα 2.13: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V ενός φωτοβολταϊκού, για διαφορετικές τιμές θερμοκρασία

λειτουργίας και σταθερή ακτινοβολία

30

2.10 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

Τα κύρια συστατικά των φωτοβολταϊκών και η καρδιά κάθε φωτοβολταϊκού συστήματος

μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι τα φωτοβολταϊκά

στοιχεία ή ηλιακά κύτταρα ή κυψελίδες. Αυτά είναι δίοδοι ημιαγωγών σε μορφή δίσκου, που

καθώς δέχονται στην επιφάνεια τους την ηλιακή ακτινοβολία, εκδηλώνουν μία διαφορά

δυναμικού ανάμεσα στην εμπρός και στην πίσω όψη τους. Ανάλογα με το υλικό κατασκευής

τους και την ένταση ακτινοβολίας που δέχονται, ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μπορεί να

δώσει μέχρι 0.5-1.0 V και πυκνότητα ρεύματος μέχρι 20-40mA ανά cm2 της επιφανείας του.

Σχήμα 2.14: Θεωρητικά μέγιστα επίπεδα της απόδοσης διαφόρων φωτοβολταϊκών κυττάρων σε

συνάρτηση με το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού από τον οποίο είναι κατασκευασμένα σε κανονικές

συνθήκες.

Το είδος του ημιαγωγού που επιλέγεται ως υλικό κατασκευής φωτοβολταϊκών

στοιχείων, καθορίζεται, με κυριότερο κριτήριο όπως φαίνεται και στη συνέχεια, από την τιμή

του ενεργειακού χάσματος του η οποία καθορίζει και την απόδοση του στοιχείου. Ως

συντελεστής απόδοσης ή απλούστερα ως απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου ορίζεται ο

λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το στοιχείο προς την ισχύ της ηλιακής

ακτινοβολίας που δέχεται στην επιφάνεια του. Στο σχήμα 2.14 καταδεικνύεται ότι οι

μεγαλύτερες θεωρητικές αποδόσεις μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας είναι περίπου

25% και μπορούν να πραγματοποιηθούν με φωτοβολταϊκά στοιχεία από ημιαγωγούς με

ενεργειακό χάσμα περίπου 1.5eV.

Το πυρίτιο (Si) αποτελεί το βασικότερο υλικό για την κατασκευή φωτοβολταϊκών

κυττάρων από τη στιγμή που αποτελεί το κυρίαρχο υλικό στην κατασκευή ημιαγωγών. Τα

φωτοβολταϊκά στοιχεία από πυρίτιο κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας είτε

μονοκρυσταλλικά ή πολυκρυσταλλικά wafer, είτε λεπτά films πυριτίου (άμορφο). Με τη

31

συνεχή αύξηση της παραγωγής ημιαγώγιμων υλικών και τη βελτίωση της τεχνολογίας

πυριτίου, η απόδοση των Φ/Β στοιχείων παρουσιάζει μια συνεχή αύξηση πλησιάζοντας τη

μέγιστη θεωρητική τιμή τους και με παράλληλη ραγδαία μείωση στο κόστος τους. Για την

εκτίμηση του κόστους των φωτοβολταϊκών στοιχείων χρησιμοποιείται συνήθως το κόστος

ανά watt αιχμής (Wp, peak watt) που είναι το κόστος που αντιστοιχεί στην παραγωγή

ηλεκτρικής ισχύος 1W όταν δέχεται ηλιακή ακτινοβολία με ένταση 1kW/m2.

Έτσι, το κόστος ηλιακού στοιχείου 10 €/Wp, σημαίνει πως το κόστος ενός ή

περισσοτέρων φωτοβολταϊκών στοιχείων που παράγουν ηλεκτρική ισχύ 1W, όταν εκτεθούν

σε ακτινοβολία πυκνότητας 1kW/m2, είναι 10€. Δηλαδή το Wp εκφράζει το συνδυασμό του

κόστους κατασκευής και της απόδοσης του ηλιακού στοιχείου. Στο σχήμα 2.15

παρουσιάζεται η πορεία ανάπτυξης των φωτοβολταϊκών στοιχείων, τόσο απ' την σκοπιά της

αύξησης της απόδοσης όσο και απ' την σκοπιά της μείωσης του κόστους.

Σχήμα 2.15: Κόστη και αποδόσεις μετατροπής τυπικών φωτοβολταϊκών στοιχείων

32

2.11 ΤΥΠΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία διακρίνονται σε τρεις κυρίως κατηγορίες, ανάλογα με το υλικό

παρασκευής, τη δομή του βασικού υλικού καθώς και τον τρόπο παρασκευής. Έτσι, έχουμε την

παρακάτω κατηγοριοποίηση:

Α. ΤΥΠΟΙ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ «ΜΕΓΑΛΟΥ ΠΑΧΟΥΣ»

1) Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (SingleCrystalline Silicon, sc-Si )

Το πάχος τους είναι γύρω στα 0,3 χιλιοστά. Η απόδοση τους στην βιομηχανία κυμαίνεται από 15 -

18% για το πλαίσιο. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7%.

Το μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης

σχέση απόδοσης/επιφάνειας ή "ενεργειακής πυκνότητας". Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι το υψηλό

κόστος κατασκευής σε σχέση με τα πολυκρυσταλλικά. Βασικές τεχνολογίες παραγωγής

μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών είναι η μέθοδος CZ (Czochralski) και η μέθοδος FZ (float zone).

Αμφότερες βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου. Το μονοκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό με την

υψηλότερη απόδοση στο εμπόριο σήμερα, έχει απόδοση πλαισίου 18,5%.

Εικόνα 2.1: Φωτοβολταϊκό στοιχείο μονοκρυσταλλικού πυριτίου

33

2) Φωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (MultiCrystalline Silicon, mc-Si)

Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3 χιλιοστά. Η μέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από

αυτήν των μονοκρυσταλλικών γι' αυτό και η τιμή τους είναι συνήθως λίγο χαμηλότερη. Οπτικά

μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο μεγαλύτερες είναι σε

έκταση οι μονοκρυσταλλικές περιοχές τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά

φωτοβολταϊκά κελιά. Σε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ στο

εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13 έως και 15% για τα

φωτοβολταϊκά πλαίσια (πάνελ). Βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι: η μέθοδος απ' ευθείας

στερεοποίησης DS (directional solidification) , η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου ("χύτευση"), και η

ηλεκτρομαγνητική χύτευση EMC.

Εικόνα 2.2: Φωτοβολταϊκό στοιχείο πολυκρυσταλλικού πυριτίου

3) Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon)

Πρόκειται για μια σχετικά νέα τεχνολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων. Προσφέρει έως και 50%

μείωση στην χρήση του πυριτίου σε σχέση με τις "παραδοσιακές τεχνικές" κατασκευής

μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών κυψελών πυριτίου. Η απόδοση για τα

φωτοβολταϊκά στοιχεία του έχει φτάσει πλέον γύρω στο 12-13% ενώ το πάχος του είναι περίπου 0,3

χιλιοστά. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις της τάξης του 18%.

34

Εικόνα 2.3: Φωτοβολταϊκό στοιχείο ταινίας πυριτίου

Β. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΥΛΙΚΑ ΛΕΠΤΩΝ ΕΠΙΣΤΡΩΣΕΩΝ, THIN FILM

1) Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CuInSe2 ή CIS, με προσθήκη γάλλιου CIGS)

Ο Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτων φως αλλά

παρόλα αυτά η απόδοση του με τις σύγχρονες τεχνικές κυμαίνεται στο 11%

(πλαίσιο). Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8% η οποία είναι και η

μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Με

την πρόσμιξη γάλλιου η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο CIGS. Το πρόβλημα που

υπάρχει είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στην φύση. Στα επόμενα χρόνια

πάντως αναμένεται το κόστος του να είναι αρκετά χαμηλότερο.

Εικόνα 2.4: Φωτοβολταϊκό στοιχείο τύπου CIS

35

2) Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon, a-Si)

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αυτά, έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο

προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την

εναπόθεση ημιαγωγού υλικού (πυρίτιο στην περίπτωση μας) πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης,

χαμηλού κόστους όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Έτσι και λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που

χρησιμοποιείται η τιμή τους είναι γενικότερα αρκετά χαμηλότερη. Ο χαρακτηρισμός άμορφο

φωτοβολταϊκό προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του

πυριτίου. Οι επιδόσεις που επιτυγχάνονται με χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά thin films πυριτίου

κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και

14%. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα για το φωτοβολταϊκό στοιχείο a-Si είναι το γεγονός ότι δεν

επηρεάζεται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης

του σε σχέση με τα κρυσταλλικά ΦΒ, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά).

Το μειονέκτημα των άμορφων πλαισίων είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα κάτι που σημαίνει

ότι για να παράγουμε την ίδια ενέργεια χρειαζόμαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα

κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Επίσης υπάρχουν αμφιβολίες όσων αφορά την διάρκεια ζωής

των άμορφων πλαισίων μιας και δεν υπάρχουν στοιχεία από παλιές εγκαταστάσεις αφού η τεχνολογία

είναι σχετικά καινούρια. Παρόλα αυτά οι κατασκευαστές πλέον δίνουν εγγυήσεις απόδοσης 20 ετών.

Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001 χιλιοστά ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3

χιλιοστά.

Εικόνα 2.5: Φωτοβολταϊκό στοιχείο άμορφου πυριτίου

36

3) Τελουριούχο Kάδμιο (CdTe)

Το Τελουριούχο Κάδμιο έχει ενεργειακό χάσμα γύρω στο 1eV το οποίο είναι πολύ κοντά στο

ηλιακό φάσμα κάτι που του δίνει σοβαρά πλεονεκτήματα όπως την δυνατότητα να απορροφά το 99%

της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου

γύρω στο 6-8%. Στο εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φθάσει το 16%.

Μελλοντικά αναμένεται το κόστος του να πέσει αρκετά. Τροχοπέδη για την χρήση του αποτελεί το

γεγονός ότι το κάδμιο σύμφωνα με κάποιες έρευνες είναι καρκινογόνο με αποτέλεσμα να

προβληματίζει το ενδεχόμενο της εκτεταμένης χρήσης του. Επίσης προβληματίζει ή έλλειψη του

Τελούριου. Σημαντικότερη χρήση του είναι ή ενθυλάκωση του στο γυαλί ως δομικό υλικό, κατάλληλο

για ενσωμάτωση στα κτίρια (BIPV Building Integrated Photovoltaic).

Εικόνα 2.6: Φωτοβολταϊκό στοιχείο τύπου CdTe

4) Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs)

Το Γάλλιο είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο

ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και από τον χρυσό. Το Αρσένιο δεν είναι σπάνιο άλλα έχει το

μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Το Αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό χάσμα 1,43eV που είναι

ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στην μορφή πολλαπλών

συνενώσεων (multijunction) είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα

φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες γεγονός που

επιβάλλει σχεδόν την χρήση τους σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων (solar

37

concentrators). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν σε πολύ υψηλές

ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας, για αυτό αλλά και λόγω της πολύ υψηλής απόδοσης του ενδείκνυται

για διαστημικές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό

κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs υποστρώματος.

Εικόνα 2.7: Φωτοβολταϊκό στοιχείο Αρσενικού Γαλλίου

Γ. ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

Μια άλλη κατηγορία είναι τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που αποτελούνται από στρώσεις υλικών

διαφόρων τεχνολογιών. - HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer). Τα ποιο γνωστά εμπορικά

πολυστρωματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου (πάνω

και κάτω) ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μια στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το μεγάλο πλεονέκτημα

αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου που φτάνει σε εμπορικές

εφαρμογές στο 17,2% και το οποίο σημαίνει ότι χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την

ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν απόδοση 19,7%. Άλλα

πλεονεκτήματα για τα πολυστρωματικά φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η υψηλή τους απόδοση σε

υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση στην διαχεόμενη ακτινοβολία. Φυσικά, αφού

τα φωτοβολταϊκά αυτά έχουν τα παραπάνω πλεονεκτήματα, είναι ακριβότερα σε σχέση με τα

συμβατικά φωτοβολταϊκά πλαίσια.

38

Δ. ΆΛΛΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ

Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών εξελίσσεται με ραγδαίους ρυθμούς και διάφορα εργαστήρια

στον κόσμο παρουσιάζουν νέες πατέντες. Κάποιες από τις τεχνολογίες στα φωτοβολταϊκά στοιχεία

που φαίνεται να ξεχωρίζουν και μελλοντικά πιθανώς να γίνει ευρεία η χρήση τους είναι:

Νανοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου (nc-Si)

Οργανικά/Πολυμερή στοιχεία

39

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3

ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Τα συγκεντρωτικά μέσα χρησιμοποιούν φακούς ή κάτοπτρα για να συγκεντρώσουν το φως του

ήλιου επάνω σε ένα δέκτη. Αυτό επιτρέπει την μείωση της επιφάνειας φωτοβολταϊκών κυττάρων που

απαιτείται για την παραγωγή ενός δεδομένου ποσού ισχύος. Ο στόχος είναι να μειωθεί σημαντικά το

κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται με την αντικατάσταση των φωτοβολταϊκών

κυττάρων, με το λιγότερο ακριβό οπτικό υλικό. Αυτό παρέχει επίσης την ευκαιρία να

χρησιμοποιηθούν φωτοβολταϊκά κύτταρα υψηλής απόδοσης, που θα ήταν απαγορευτικά ακριβά χωρίς

την χρήση συγκέντρωσης. Κατά συνέπεια, τα συγκεντρωτικά συστήματα μπορούν εύκολα να

υπερβούν την απόδοση ενεργειακής μετατροπής του 20%. Στο μέλλον, η χρήση των κυττάρων

multijunction, αναμένεται να αυξήσει την απόδοση πάνω από 30%. Ενώ η έννοια είναι απλή, και έχει

μελετηθεί από την αρχή που έκαναν τα φωτοβολταϊκά την εμφάνισή τους, η πρακτική έχει αποδειχθεί

απατηλά δύσκολη. Οι κεντρικές τεχνικές δυσκολίες, εντούτοις, οφείλονται στην ανάγκη των

συγκεντρωτικών συστημάτων για αντοχή κάτω από υψηλές τιμές ροής θερμότητας και στην μεγάλη

ηλεκτρική πυκνότητα ρεύματος, συν την ανάγκη για τα οικονομικώς πιο αποδοτικά και αξιόπιστα

συστήματα παρακολούθησης του ήλιου.

Τα κύρια εμπόδια εφαρμογής των συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών οφείλονται στο γεγονός ότι τα

συγκεντρωτικά συστήματα, που πρέπει στις περισσότερες περιπτώσεις να ακολουθούν τον ήλιο,

εξυπηρετούν την παραγωγή μεγάλων ενεργειακών φορτίων και όχι τις εφαρμογές στα κτίρια. Τα

συγκεντρωτικά συστήματα αναπτύχθηκαν με βασική ιδέα την παραγωγή μεγάλων ποσών μη

ρυπαντικής ανανεώσιμης ενέργειας. Μέχρι τώρα, το κόστος είναι υψηλό για να ανταγωνιστούν τα

συμβατικά καύσιμα. Το χάσμα του κόστους όμως στενεύει και εμφανίζεται μια ισχυρή πιθανότητα,

όπου τα μελλοντικά συγκεντρωτικά συστήματα θα είναι οικονομικώς αποδεκτά για την εφαρμογή

τους.

41

3.2 ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΩΝ ΜΕΣΩΝ

Τα συγκεντρωτικά συστήματα μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες κατηγορίες, ανάλογα με τα

οπτικά μέσα που χρησιμοποιούνται για να συγκεντρώσουν το φως του ήλιου, τον αριθμό των αξόνων

που κινούνται για να παρακολουθήσουν τον ήλιο και τον λόγο συγκέντρωσης. Οι σημαντικότεροι

τύποι παρουσιάζονται περιληπτικά παρακάτω, ενώ αναφερόμαστε πιο εκτεταμένα στα συγκεντρωτικά

συστήματα V-Trough, Fresnel και κυλινδροπαραβολικά, μιας και αποτελούν το προς μελέτη

αντικείμενο της παρούσης εργασίας.

3.2.1 ΤΥΠΟΙ ΟΠΤΙΚΩΝ ΜΕΣΩΝ

Τα περισσότερα συγκεντρωτικά συστήματα χρησιμοποιούν είτε τους φακούς είτε τα παραβολικά

και τα κυλινδροπαραβολικά κάτοπτρα. Οι φακοί οποιουδήποτε μεγέθους άνω των 5cm διαμέτρου

είναι πολύ παχιοί και δαπανηροί για να είναι πρακτικοί, επομένως, επιλέγονται συνήθως οι φακοί

Fresnel. Ένας φακός Fresnel είναι ο λεπτός φακός όπου σε κάθε σημείο ή τμήμα του, η διάθλαση των

προσπίπτων ακτίνων είναι διαφορετική, με αποτέλεσμα την σύγκλισή τους σε ένα εστιακό σημείο ή

γραμμή. Έτσι, οι φακοί Fresnel ανάλογα με την συμμετρία που έχουν, μπορούν να εστιάζουν το φως

σε ένα σημείο (κυκλική συμμετρία) ή σε μια γραμμή (x ή y συμμετρία). Οι φακοί σημειακής

εστίασης, χρησιμοποιούν συνήθως ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο πίσω από κάθε φακό, ενώ οι φακοί

γραμμικής εστίασης έχουν μια σειρά φωτοβολταϊκών κυττάρων. Το υλικό της επιλογής για το φακό

είναι το γυαλί ή το ακρυλικό πλαστικό (methacry-late polymethyl ή PMM), το οποίο έχει καλή

εφαρμογή και έχει παρουσιάσει μεγάλη αντοχή στις καιρικές συνθήκες

42

Σχήμα 3.1: Διαμορφώσεις φακών Fresnel. (α) Φακός Fresnel σημειακής εστίασης. (β) Γραμμικός φακός Fresnel ή γραμμικής εστίασης. (γ) Καλυμμένος δια θόλου γραμμικός φακός Fresnel

Μια εναλλακτική περίπτωση στη χρήση των φακών είναι η χρήση των κατόπτρων. Όπως είναι

γνωστό, μια ανακλαστική επιφάνεια με τη μορφή μιας παραβολής, θα κατευθύνει τις προσπίπτουσες

ακτίνες παράλληλα με τον άξονα της παραβολής, σε ένα σημείο που βρίσκεται στην εστία της

παραβολής. Όπως στους φακούς, υπάρχουν 2 είδη παραβολικών συγκεντρωτικών μέσων, αυτά της

σημειακής εστίασης (σφαιρικά κάτοπτρα), που διαμορφώνονται με την περιστροφή της παραβολής

γύρω από τον άξονά της και τη δημιουργία ενός παραβολοειδούς και αυτά της γραμμικής εστίασης

(κυλινδροπαραβολικά κάτοπτρα), που διαμορφώνονται με την επέκταση της παραβολής ως προς τον

άξονα της καθέτου της παραβολής). Οι σχηματικές αναπαραστάσεις, παρουσιάζονται στo παρακάτω

σχήμα:

Σχήμα 3.2: Ανακλαστικοί τύποι συγκεντρωτικών μέσων. (α) Ανακλαστικός σφαιρικής παραβολικής επιφάνειας, που εστιάζει σε ένα σημειακό απορροφητή. (β) γραμμικό κυλινδροπαραβολικό κάτοπτρο που εστιάζει σε μια γραμμική εστία

43

Μια άλλη γεωμετρία συγκεντρωτικών μέσων είναι αυτή του σύνθετου παραβολικού

συγκεντρωτικού μέσου (CPC), που παρουσιάζεται στο σχήμα 3.3. Εδώ οι πλευρές του

συγκεντρωτικού συστήματος είναι παραβολές, εντούτοις, η εστίαση για κάθε παραβολή είναι στην

αντίθετη πλευρά του απορροφητή και ο άξονας της παραβολής α είναι κατά μήκος της κατεύθυνσης

της μέγιστης γωνίας αποδοχής, θmax. Το σύστημα CPC είναι ενδιαφέρον, δεδομένου ότι παρέχει τη

μέγιστη συγκέντρωση συγκριτικά με το μέγεθος του οπτικού ανοίγματος, ή αλλιώς, για μια δεδομένη

μέγιστη γωνία αποδοχής. Για την υψηλή συγκέντρωση, ένα CPC πρέπει να είναι μακρύ και λεπτό, με

αποτέλεσμα η χρήση του να περιορίζεται για εφαρμογές στα συστήματα χαμηλής συγκέντρωσης είτε

ως δευτεροβάθμιο οπτικό μέσο συγκέντρωσης.

Σχήμα 3.3: Γεωμετρία του σύνθετου παραβολικού συγκεντρωτικού μέσου, όπου σε αυτήν την περίπτωση έχουμε

θmax , = 30o

3.2.2 ΤΥΠΟΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΤΟΥ ΉΛΙΟΥ (SOLAR TRACKERS)

Τα συγκεντρωτικά συστήματα, για την επίτευξη σημαντικών λόγων συγκέντρωσης ή ακόμα και για

την λειτουργία τους, απαιτούν την χρήση συστημάτων παρακολούθησης του ήλιου, τους ηλιακούς

ιχνηλάτες (solar trackers). Η οπτική σημειακής εστίασης γενικά απαιτεί την ιχνηλάτιση του ήλιου σε

δύο άξονες έτσι ώστε το σύστημα να είναι πάντα προσανατολισμένο, διότι μικρές αποκλίσεις από τον

44

προσανατολισμό, είναι καταστροφικές για το σύστημα. Από μια μηχανική σκοπιά, η ιχνηλάτιση του

ήλιου σε δύο άξονες είναι πιο σύνθετη από αυτή του μονού άξονα, αλλά τα συστήματα σημειακής

εστίασης μπορούν να επιτύχουν πολύ υψηλότερες συγκεντρώσεις του ήλιου και επομένως την χρήση

μικρότερης επιφάνειας απορροφητή. Τα κυλινδροπαραβολικά κάτοπτρα γραμμικής εστίασης

χρειάζονται την ιχνηλάτιση κατά μήκος ενός άξονα έτσι ώστε το είδωλο να περιορίζεται σύμφωνα με

τη γραμμή εστίασης. Τα γραμμικά συγκεντρωτικά συστήματα Fresnel υφίστανται οπτικές

παρεκκλίσεις όταν ο ήλιος δεν είναι κάθετος στο επίπεδο των φακών. Αυτό περιορίζει γενικά τα

γραμμικά συστήματα Fresnel στην χρήση ιχνηλάτων ηλίου διπλού άξονα.

Έτσι, έχουν αναπτυχθεί διάφοροι τύποι συστημάτων παρακολούθησης, του ήλιου. Δύο μεγάλες

κατηγορίες διαχωρισμού των συστημάτων αυτών είναι βάση της κίνησής τους, δηλαδή μονού ή

διπλού άξονα, ενώ μια δεύτερη κατηγοριοποίηση είναι βάση του άξονα συντεταγμένων που κινούνται

(ύψος, αζιμούθιο, πολικός άξονας) και της δομής που χρησιμοποιούν. Οι σημαντικότεροι τύποι

παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω:

45

Σχήμα 3.4: Τύποι ιχνηλάτισης του ήλιου σε διπλό άξονα. (α) Ιχνηλάτης δύο αξόνων με την παρακολούθηση των συντεταγμένων του ύψους και αζιμούθιου που τοποθετείται σε ένα βάθρο. (β) Ρύθμιση παρακολούθησης περιστροφής-κλίσης που χρησιμοποιεί τον κεντρικό σωλήνα ροπής. (γ) Ρύθμιση παρακολούθησης περιστροφής-κλίσης που χρησιμοποιεί πλαίσια μονάδων. (δ) Ιχνηλάτης δύο αξόνων περιστροφικών επιφανειών.

Σχήμα 3.5: Τύποι ιχνηλατικής του ήλιου ένας άξονα. (α) Οριζόντιος ιχνηλάτης ενός άξονα με την κυλινδροπαραβολικό κάτοπτρο. (β) πολικός ιχνηλάτης ενός άξονα με το κυλινδροπαραβολικό κάτοπτρο.

46

Αξίζει να σημειώσουμε πως υπάρχουν γεωμετρικές διατάξεις συγκεντρωτικών συστημάτων που

δεν χρησιμοποιούν ιχνηλάτιση του ήλιου. Σε γενικές γραμμές, είναι δυνατό να υπάρξει συγκέντρωση

χωρίς την χρήση ιχνηλάτισης του ήλιου. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν συνήθως την μη

γραμμική οπτική όπως το σύνθετο παραβολικό συγκεντρωτικό σύστημα (CPC) που παρουσιάζεται

στο σχήμα 3.6

Σχήμα 3.6:Μια από τις πολλές στατικές γεωμετρίες συγκεντρωτικών μέσων. Σε αυτήν την περίπτωση ένας διπλής όψης απορροφητής, είναι τοποθετημένος στο σημείο εστίασης ενός συστήματος CPC. Η γοητεία των ακίνητων συγκεντρωτικών συστημάτων είναι πράγματι μεγάλη, λόγω της μη

απαιτούμενης παρακολούθησης του ήλιου, με αποτέλεσμα την οικονομικά αποδοτικότερη χρήση τους

για συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Δυστυχώς όμως, κανένα σχέδιο

ακίνητων συγκεντρωτικών μέσων δεν έχει βρεθεί ακόμα όπου το προστιθέμενο κόστος του

συγκεντρωτικού μέσου να είναι λιγότερο από το επιπρόσθετο ενεργειακό κέρδος που επιτυγχάνεται

μέσω της συγκέντρωσης. Η ανακάλυψη και η ανάπτυξη ενός πρακτικού, οικονομικώς αποδοτικού

ακίνητου συγκεντρωτικού μέσου θα ήταν μια σημαντική συμβολή για την ανάπτυξη των

φωτοβολταϊκών.

47

3.3 ΟΠΤΙΚΗ ΤΩΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΩΝ ΜΕΣΩΝ Η βασική ιδέα της χαμηλής συγκέντρωσης με χρήση των ανακλαστικών ή διαθλαστικών μέσων

είναι εννοιολογικά απλή. Αυτό που επιδιώκεται είναι να συγκεντρωθεί το φως του ήλιου όσο το

δυνατόν αποτελεσματικότερα επάνω σε έναν δέκτη που είναι μικρότερος από το άνοιγμα εισόδων του

συγκεντρωτικού μέσου. Σαν περαιτέρω απαίτηση, είναι να φωτιστεί ο δέκτης όσο το δυνατόν πιο

ομοιόμορφα καθώς και η γωνία αποδοχής του συστήματος να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη .

Αυτό ελαχιστοποιεί την ακρίβεια με την οποία το συγκεντρωτικό μέσο πρέπει να προσανατολίζεται

ως προς τον ήλιο. Αυτοί οι παράγοντες, που είναι γενικά διαφορετικοί από αυτούς που

αντιμετωπίζονται για τον σχεδιασμό κλασσικών οπτικών συστημάτων, κέντρισαν το ενδιαφέρον

πολλών ερευνητών και έκαναν την αρχή για έναν νέο κλάδο της οπτικής, την αποκαλούμενη οπτική

μη ευκρινούς ειδώλου.

3.3.1 ΒΑΣΙΚΑ Ένα από τα πιο αξιοπρόσεκτα θεωρήματα της οπτικής μη ευκρινούς ειδώλου είναι ότι υπάρχει μια

σχέση μεταξύ της μέγιστης γωνίας αποδοχής του συγκεντρωτικού συστήματος και της μέγιστης

εφικτής συγκέντρωσης, Cmax. Εξετάζοντας τη παρακάτω γενικευμένη σχηματική αναπαράσταση ενός

συγκεντρωτικού συστήματος που παρουσιάζεται στο σχήμα 3.7, βλέπουμε πως το φως που εισέρχεται

από το άνοιγμα εισόδου, εμβαδού Aconc διαγωνίως, με γωνία μικρότερη της θmax,in,, διαβιβάζεται στο

άνοιγμα εξόδου όπου βρίσκεται ο δέκτης επιφάνειας Arec, και εξέρχεται διαγωνίως με γωνία

μικρότερη της θmax,out. Για τα συγκεντρωτικά συστήματα ενός άξονα, ή αλλιώς δισδιάστατα, ισχύει η

σχέση:

max,outconcmax

rec max ,in

sin( )

sin( )

AC C

A

Για τα συγκεντρωτικά συστήματα δύο αξόνων, ή αλλιώς τρισδιάστατα, ισχύει η σχέση:

48

2max,outconc

max 2rec max ,in

sin ( )

sin ( )

AC C

A

Εάν ο δέκτης είναι βυθισμένος σε ένα διηλεκτρικό μέσο με δείκτη διάθλασης n, οι παραπάνω σχέσεις παίρνουν την μορφή:

max,outconcmax

rec max ,in

sin( ) n

sin( )

AC C

A

Σχήμα 3.7: Σχηματική αναπαράσταση ενός γενικευμένου συγκεντρωτικού μέσου

Και

2max,out2conc

max 2rec max ,in

sin ( )

sin ( )

AC C n

A

Ένα συγκεντρωτικό σύστημα που επιτυγχάνει αυτό το μέγιστο καλείται ιδανικό συγκεντρωτικό

σύστημα.

49

Προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη συγκέντρωση, είναι απαραίτητο να υπάρξει μια γωνία

θmax,out τόσο μεγάλη όσο και πρακτική. Το μέγιστο που θα μπορούσε να είναι 90ο, αλλά ακόμη και για

γωνίες που πλησιάζουν την τιμή αυτή, παρουσιάζονται προβλήματα πρακτικότητας, μιας και οι

ακτίνες μπορούν εύκολα να αποκλίνουν από το στόχο, εξ αιτίας μηχανικών λαθών ευθυγράμμισης. Οι

ανωτέρω εξισώσεις συναντώνται συχνά, για θmax,out = 90o, και γίνονται:

concmax

rec max ,in

sin( )

A nC C

A

και

2conc

max 2rec max ,in

sin ( )

A nC C

A

στην δισδιάστατη και τρισδιάστατη περίπτωση, αντίστοιχα. Δηλαδή, ένα συγκεντρωτικό σύστημα το

οποίο έχει γωνία αποδοχής τη μισή γωνία του ήλιου όπως φαίνεται από τη γη, περίπου 1/4o, θα

μπορούσε να επιτύχει μια μέγιστη συγκέντρωση ίση με 200 στη δισδιάστατη περίπτωση και 40.000

στην τρισδιάστατη περίπτωση. Ένα τέτοιο συγκεντρωτικό σύστημα, θα δεχόταν το φως μόνο άμεσα

από τον ηλιακό δίσκο (άμεση ακτινοβολία), ενώ ακτινοβολία από την υπόλοιπη περιοχή του ουρανού

(διάχυτη ακτινοβολία), δεν θα έφθανε στο δέκτη. Άρα, μια συγκέντρωση της τάξης του 40.000

επιτυγχάνει στο δέκτη ακτινοβολία, πυκνότητας ισχύος της τιμής της επιφάνειας του ήλιου. Αυτό

οδηγεί σε μια απλή απόδειξη των ανωτέρω εξισώσεων. Υποθέτοντας ότι έχουμε ένα θερμό σφαιρικό

σώμα, ξέρουμε ότι έχουμε μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία (ακτινοβολία μέλαν σώματος). Ένα

μέρος της ακτινοβολίας παρεμποδίζεται από ένα συγκεντρωτικό σύστημα, όπως φαίνεται στο

παρακάτω σχήμα 3.8.

50

Σχήμα 3.8: Γεωμετρία ενός θερμού σφαιρικού σώματος που ακτινοβολεί και ενός συγκεντρωτικού συστήματος

Εάν r1 είναι η ακτίνα του θερμού σώματος και r2 είναι η απόσταση του συγκεντρωτικού

συστήματος από το κέντρο του θερμού σώματος, είναι σαφές ότι sinθmax, in = r1/r2.Υποθέτοντας ότι το

θερμό σώμα συμπεριφέρεται σαν μέλαν σώμα, τότε η συνολική πυκνότητα ισχύος στην επιφάνεια του

θερμού σώματος είναι Prad = σTs4, όπου σ είναι η σταθερά του Stefan Boltzmann και TS είναι η

θερμοκρασία του θερμού σώματος. Με την χρήση απλής γεωμετρίας υπολογίζεται ότι η πυκνότητα

ισχύος στην είσοδο του συγκεντρωτικού μέσου είναι, Pcοnc = (r1/r2)2 Prad=sin2θmax in, Prad. Η

πυκνότητα ισχύος στο δέκτη είναι απλά αυτή της εισόδου του συγκεντρωτικού μέσου,

πολλαπλασιασμένη με τον λόγο συγκέντρωσης, δηλαδή Prec=Csin2θmax inPrad. Υποθέτοντας ότι ο

δέκτης είναι ένα μέλαν σώμα που μονώνεται έτσι ώστε η μόνη απώλεια θερμότητάς του είναι μόνο

μέσω θερμικής ακτινοβολίας από την πίσω επιφάνεια, ο δέκτης θα θερμανθεί έως ότου ο ρυθμός

απώλειας ενέργειας μέσω θερμικής ακτινοβολίας, να εξισορροπηθεί με τον ρυθμό απολαβής. Αυτό θα

51

συμβεί όταν ο δέκτης βρεθεί σε μια θερμοκρασία τέτοια, ώστε Prec = σTr4. Εξισώνοντας αυτό με την

σχέση της ισχύος που λαμβάνει ο δέκτης, έχουμε:

4 2 2

rec r max,in rad max,in sP = σT =C sin θ P = C sin θ σT 4

ή

4T 1r4 2T sin θ

s max

C

,in

Όσο αναφορά το θερμοδυναμικό μέρος, πρέπει να ισχύει TR < TS, ειδάλλως θα υπήρχε μεταφορά

θερμότητας από μια πηγή χαμηλότερης θερμοκρασίας, σε έναν δέκτη υψηλότερης θερμοκρασίας

χωρίς κατανάλωση έργου, κάτι που θα ερχόταν σε παραβίαση με τον δεύτερο νόμο της

θερμοδυναμικής. Η παρεμβολή αυτής της ανισότητας στην ανωτέρω εξίσωση δίνει:

max 2max,in

1

sin θC C

Η προέλευση του n2 στην εξίσωση συγκέντρωσης μπορεί να φανεί από το γεγονός ότι σε ένα

διηλεκτρικό μέσο, ο νόμος του Stefan Boltzmann γίνεται P = n2σT4. Ο παράγοντας n2 προέρχεται

από το γεγονός ότι η τρισδιάστατη ηλεκτρομαγνητική πυκνότητα αυξάνεται κατά n3, εξ αιτίας της

μείωσης του μήκους κύματος και κατά συνέπεια της ταχύτητας του φωτός κατά 1/n. Επομένως, στη

θερμική ισορροπία, η πυκνότητα των φωτονίων αυξάνεται κατά n3, αλλά ο αριθμός φωτονίων που

διαπερνούν μια επιφάνεια ανά μονάδα χρόνου, και ως εκ τούτου η δύναμη που διασχίζει αυτήν την

επιφάνεια, αυξάνεται μόνο κατά n2.

Η ιστορία των συγκεντρωτικών συστημάτων είναι κορεσμένη με προτεινόμενα συγκεντρωτικά

συστήματα που επιτυγχάνουν τιμές υψηλής συγκέντρωσης χωρίς την παρακολούθηση του ήλιου,

δηλαδή να δέχεται το σύστημα το φως από οποιοδήποτε σημείο στον ουρανό. Οι περισσότερες

αναφορές μέγιστης θεωρητικής συγκέντρωσης είναι βασισμένες στη γεωμετρική οπτική, αλλά η

θερμοδυναμική υπόσταση αυτού του θεωρήματος όμως, δείχνει ότι η αναζήτηση ενός

συγκεντρωτικού συστήματος υψηλής συγκέντρωσης χωρίς την χρήση ηλιακού ιχνηλάτη είναι

52

δύσκολη, έως απίθανη. Με τον περιορισμό των γωνιών αποδοχής στην περιοχή του ουρανού όπου ο

ήλιος βρίσκεται πραγματικά, είναι δυνατές οι συγκεντρώσεις της τάξης του 2-2,5. Εάν ο δέκτης είναι

βυθισμένος σε έναν διηλεκτρικό μέσο με n = 1,4, μπορεί ακόμα να επιτευχθεί αύξησης στο 3-4. Αυτό

σημαίνει ότι είναι δυνατό σε γενικές γραμμές να επιτευχθούν λόγοι συγκέντρωσης για ένα εύρος 2-4,

χωρίς την χρήση ηλιακού ιχνηλάτη για λειτουργία της συσκευής καθ όλη την διάρκεια του έτους.

3.3.2 ΑΝΑΚΛΑΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΘΛΑΣΗ

Τα περισσότερα συγκεντρωτικά συστήματα χρησιμοποιούν την ανάκλαση, τη διάθλαση, ή έναν

συνδυασμό και των δύο για να επιτύχουν τη συγκέντρωσή τους καθώς και την γεωμετρική οπτική για

την ανάλυσή τους. Μερικοί τύποι συστημάτων χρησιμοποιούν συστήματα σύνθετης διάθλασης ή

υλικά μεταβλητού δείκτη διάθλασης. Οι νόμοι που διέπουν τις προσπίπτουσες ηλιακές ακτίνες στις

ανακλαστικές και διαθλαστικές επιφάνειες είναι γνωστοί: η γωνία ανάκλασης, είναι ίση με τη γωνία

πρόσπτωσης στην περίπτωση της ανακλαστικής επιφάνειας και του νόμου Snell στην περίπτωση της

διαθλαστικής επιφάνειας. Για την τρισδιάστατη ανάλυση, μια διανυσματική διατύπωση είναι

απαραίτητη. Τα σχήματα 3.9 και 3.10 απεικονίζει τις προσπίπτουσες και ανακλώμενες ακτίνες σε μια

ανακλαστική επιφάνεια με μοναδιαίο διάνυσμα n. Μια διανυσματική μορφή που εκφράζει αυτό είναι

η εξής:

r i ir = r + 2(n · r )

Στην περίπτωση όπου μια ακτίνα προσπίπτει στο όριο μεταξύ δύο διηλεκτρικών μέσων, ισχύει ο

νόμος του Snell. Αυτό εκφράζεται ως n2sinθ2 = n1sinθ1. Μια διανυσματική μορφή που εκφράζει αυτό

είναι εξής:

1 1 2 2n r n = n r n

53

Οι απλές γεωμετρικές μορφές μπορούν εύκολα να αναλυθούν χρησιμοποιώντας αυτές τις σχέσεις,

αλλά η σύγχρονη τεχνική υποδεικνύει την χρήση προγραμμάτων ανίχνευσης ακτίνων (ray-tracing)

που λύνουν αυτές τις εξισώσεις αριθμητικά. Αυτό επιτρέπει την ενσωμάτωση διάφορων ατελειών,

όπως την κυματώδη των επιφανειών και μπορεί να δώσει γραφικές αναπαραστάσεις την έντασης στο

δέκτη, και τα λοιπά. Μια τέτοια εφαρμογή παρουσιάζεται παρακάτω, στο πειραματικό μέρος της

εργασίας αυτής.

Σχήμα 3.9: Διανυσματική απεικόνιση της ανάκλασης

Σχήμα 3.10: Διανυσματική απεικόνιση της διάθλασης

54

3.4 ΚΥΛΙΝΔΡΟΠΑΡΑΒΟΛΙΚΟ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

Ένα βασικό γεωμετρικό σχήμα συγκεντρωτικού μέσου είναι το ανακλαστικό

κυλινδροπαραβολικό συγκεντρωτικό σύστημα που παρουσιάζεται στο σχήμα 3.11. Η

κάτοψη αυτή, αντιπροσωπεύσει την προβολή, είτε μιας δισδιάστατης γραμμικής

παραβολικής κοιλότητας, είτε την προβολή τμήματος ενός παραβολικού ‘πιάτου’ σημειακής

εστίας. Η εξίσωση που συνδέει τα στοιχεία x και y της παραβολικής επιφάνειας είναι y =

1/4Fx2, όπου F είναι το εστιακό μήκος της παραβολής. Μπορεί να αποδειχθεί εύκολα ότι

όλες οι ακτίνες που προσπίπτουν κάθετα στην χορδή της παραβολής θα διέλθουν μέσω του

εστιακού σημείου. Εάν D είναι η διάμετρος ή το πλάτος της παραβολής, τότε ισχύει:

21= ( )

D/2 8 D/2

y x

f

όπου f = F/D ο χαρακτηριστικός αριθμός της παραβολής. Εάν f = 1/4, τότε όταν x = D/2,

ισχύει y = D/4 = F. Με άλλα λόγια, για f = 1/4, το ύψος της παραβολής είναι ίσο με το

εστιακό μήκος. Μια άλλη χρήσιμη σχέση που αφορά την απόσταση του εστιακού σημείου

και της παραβολικής επιφάνειας r, για την γωνία πρόσπτωσης της ακτίνας στο δέκτη, θr,

είναι:

2

1 cos r

Fr

Και

2 sin sin

1 cosr

rr

Fx r

Από αυτό αποδεικνύεται ότι όταν x = D/2 και η γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων στο δέκτη

είναι μέγιστη, ισχύει:

max,r

max,r

1 + cosθ1f =

4 sinθ

F

D

55

Σχήμα 3.11: Κάτοψη ενός κυλινδροπαραβολικού ανακλαστικού συγκεντρωτικού μέσου

Εξετάζοντας μια ακτίνα που προσπίπτει με μια μικρή γωνία θin ως προς τον κάθετο

άξονα, υπολογίζεται ότι θα παρεκκλίνει από το δέκτη κατά μια απόσταση s, που δίνεται από

την σχέση:

in

r r

sinθ 2Fsinθs =

cosθ cosθ (1+cosθ )inr

r

Οι ακτίνες που προσπίπτουν το παραβολικό κάτοπτρο στο σημείο x = D/2, θα έχουν τη

μεγαλύτερη μετατόπιση s. Πρέπει να σημειωθεί, ότι το μέγεθος του δέκτη, S, που απαιτείται

για να συλλέξει όλες τις ακτίνες που προσπίπτουν στο σύστημα για γωνίες πρόσπτωσης

±θmax,in , είναι S = 2smax, έτσι:

max, in max, in

max,r max, max,r max,r

4Fsinθ sinθ

cosθ (1+cosθ ) cosθ sinθr

S D

Για ένα δισδιάστατο παραβολικό κάτοπτρο, ο λόγος συγκέντρωσης είναι C = D/S. Έτσι:

56

max,rmax,r

max, in

sinθcosθ

sinθC

Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η μέγιστη συγκέντρωση για ένα κυλινδροπαραβολικό

κάτοπτρο χωρίς έναν δευτεροβάθμιο σύστημα συγκέντρωσης, εμφανίζεται για μια γωνία των

45ο (τόξο κυλινδροπαραβολικού κατόπτρου), που αντιστοιχεί σε μια τιμή f=0.6, και ισούται

με:

max, in

1 1C =

2 sinθ

Όταν η θmax ισούται με 1/4ο, η παραπάνω εξίσωση δίνει έναν μέγιστο λόγο

συγκέντρωσης 100. Βλέπουμε ότι η παραβολή δεν είναι ένα ιδανικό συγκεντρωτικό

σύστημα, αλλά για μια γωνία των 45ο, επιτυγχάνει τη μισή από τη μέγιστη δυνατή

συγκέντρωση. Δεδομένου ότι το μήκος της παραβολής γίνεται μικρό, πλησιάζει πραγματικά

ένα ιδανικό συγκεντρωτικό σύστημα επειδή cosθr ~ 1, αλλά μειώνεται παράλληλα και ο

λόγος συγκέντρωσης. Μια παραβολική κοιλότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό

με διάφορα δευτεροβάθμια συγκεντρωτικά μέσα που βρίσκονται στο δέκτη, για να αυξήσουν

τη συγκέντρωση σε τιμές πλησίον του μεγίστου. Εάν έχουμε ένα ιδανικό δευτεροβάθμιο

συγκεντρωτικό μέσο που μετασχηματίζει την θmax,r σε θmax, out ,θα είχαμε μια συγκέντρωση

Csecondary = sinθmax,out / sinθmax,r. Η συνδυασμένη συγκέντρωση της παραβολής και

δευτεροβάθμιου συστήματος, ισούται με:

max,sec max,

max,

sincos

sinout

tot ondary parabola rin

C C C

Αυτό διαφέρει από ένα ιδανικό συγκεντρωτικό σύστημα υψηλής συγκέντρωσης και

μέγιστης θout, κατά το συνημίτονο της παραβολικής κοιλότητας και πλησιάζει ένα ιδανικό

σύστημα για μικρές τιμές αυτής. Για το δευτεροβάθμιο συγκεντρωτικό σύστημα, η τιμή του f

κυμαίνεται σε ένα εύρος τιμών 0,7-1.

Για τα τρισδιάστατα παραβολικά συγκεντρωτικά συστήματα, οι ανωτέρω σχέσεις

παίρνουν την μορφή:

57

max,r2 2max,r

max, in

sinθcos θ ( )

sinθC

και για γωνία 45o,

2

max, in

1 1( )

4 sinθC

Αυτό δίνει έναν μέγιστο λόγο συγκέντρωσης 10.000 για έναν παραβολοειδή με f = 0.6.

Τα παραβολικά «πιάτα» (παραβολικά συστήματα σημειακής εστίας) μπορούν να

επιτύχουν υψηλές τιμές συγκέντρωσης. Στην πράξη όμως, λάθη ως προς την κλίση ή

κυματισμοί της ανακλαστικής επιφάνειας, μειώνουν την απόδοση. Αυτό μπορεί να αναλυθεί

σε πρώτη προσέγγιση με το ότι ένα λάθος στην κλίση της τάξης της θs, θα αναγκάσει την

απεικονισμένη ακτίνα να παρεκκλίνει από την πορεία της κατά 2θs, και να προστεθεί στη

γωνία πρόσπτωσης θin,max. Ένα τέτοιο σύστημα, για να θεωρείται υψηλής ποιότητας, όσο

αναφορά την ηλιακή χρήση, πρέπει να έχει γωνία θs = 1/8ο, διπλασιάζοντας κατά συνέπεια

την απόκλιση του ηλιακού φωτός από το 1/4ο στο 1/2ο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την

μείωση της συγκέντρωσης κατά το ένα τέταρτο (2500), για έναν τρισδιάστατο

συγκεντρωτικό σύστημα, ή στο μισό (50) για μια δισδιάστατη παραβολική κοιλότητα.

58

3.5 ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ V-TROUGH Το CPC, ενώ κατά γενική ομολογία θεωρείται ιδανικό συγκεντρωτικό σύστημα, έχει

μερικά μειονεκτήματα. Ένα από αυτά είναι ότι το προφίλ της έντασης στο οπτικό άνοιγμα

είναι αρκετά ανομοιόμορφο υπό συνήθη συνθήκες φωτισμού. Αντίστοιχα, η ένταση ισχύος

είναι ομοιόμορφη όταν ο φωτισμός είναι ομοιόμορφος ως προς όλες τις κατευθύνσεις μέσα

στο εύρος του οπτικού ανοίγματος. Κάτι τέτοιο όμως στην πράξη δεν είναι εφικτό, επειδή ο

ήλιος κινείται σε μια εντοπισμένη περιοχή του ουρανού που είναι πολύ φωτεινότερη σε

σύγκριση με την περιβάλλουσα περιοχή. Η κάτοψη που παρουσιάζεται στο σχήμα 3.12,

χρησιμοποιεί τους επίπεδους ανακλαστήρες και καλείται V-Trough. Ένα τέτοιο

συγκεντρωτικό σύστημα V-Trough, μπορεί να επιτύχει μια μέγιστη συγκέντρωση 3.

Σχήμα 3.12: Γεωμετρία ενός V-Trough συγκεντρωτικού μέσου

Αναφερόμενοι στην απεικόνιση του σχήματος 3.12, μερικοί απλοί υπολογισμοί δείχνουν ότι

ο λόγος συγκέντρωσης του συγκεντρωτικού συστήματος V-Trough, είναι:

m i

i m

2 sinθ cos(θ + 2θ )1

sin(θ + θ )C m

Όταν θi=0, ισχύει ότι C = 1 + 2cos(2θm), έτσι το συγκεντρωτικό σύστημα, σαφώς δεν είναι

ιδανικό και στην πραγματικότητα, φθάνει σε μια μέγιστη συγκέντρωση 3 για μικρό θm

59

Γενικότερα, ισχύουν 5 γεωμετρικές αναλύσεις του συστήματος, όσο αναφορά το μήκος της

ανακλαστικής επιφάνειας και του λόγου συγκέντρωσης, με βάση το παρακάτω σχέδιο:

Σχήμα 3.13: Γεωμετρία του V-Trough συγκεντρωτικού μέσου για τα πέντε μοντέλα

CONCENTRATING RATIO (CR)

REFLECTOR HIGHT

Μοντέλο Α Mannan, (1978)

sin(3 )

sin( )CR

2cos(2 )

cos(3 )

H

A

Μοντέλο Β Burkhard,

(1978)

sin[(2 1) )

sin( )

nCR

sin[(2 1) ] sin( )

2sin( )sin

H n

B

Μοντέλο C Fraidenraich,

(1998)

2sin( ) cos( 1) tan tan( 1)1

tansin( ) 1tan

n n nCR

Μοντέλο D Burkhard,

(1978)

sin(2 1)

sin( )

nCR

sin[(2 )cot 1

sin

H n

B

Μοντέλο E Irshid, (1988)

sin(2 1)

sin( )

nCR

1

( ) cot2

H A B

Μοντέλο Α:Ο Mannan (1978) παρουσίασε το σχέδιο του συγκεντρωτικού συστήματος V-Trough βασισμένο σε εποχιακές ρυθμίσεις της κλίσης. Σε αυτήν την περίπτωση, η ακραία ακτίνα που φθάνει στην αριστερή άκρη του ανακλαστικού μέσου, πρέπει να χτυπήσει το δέκτη στην αντίθετη γωνία και ως εκ τούτου, οι υπόλοιπες ακτίνες θα χτυπήσουν το δέκτη με μια ή λιγότερη ανάκλαση. Μοντέλο Β: Ο Burkhard (1978) παρήγαγε μια έκφραση σαν συνάρτηση της γωνίας αποδοχής και τον αριθμό αντανακλάσεων (n), για το συγκεντρωτικό σύστημα V-Trough. Η οπτική συμπεριφορά που παρουσιάζεται εδώ, είναι παρόμοια με αυτή του μοντέλου Α, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, εξετάζονται οι πολλαπλάσιες ανακλάσεις.

60

Μοντέλο C: Ο Fraidenraich (1998) περιγράφει την οπτική συμπεριφορά ενός συγκεντρωτικού συστήματος V-Trough με κίνηση στον άξονα βορρά-νότου. Εδώ, πρέπει ο φωτισμός της απορροφητικής επιφάνειας να γίνεται εξ’ολοκλήρου μέσα από ένα γωνιακό εύρος της γωνίας αποδοχής, ώστε να επιτευχθεί ένα καλό οπτικό ταίριασμα μεταξύ του συγκεντρωτικού κατόπτρου και του PV. Μοντέλο D: Ο Burkhard (1978) παρουσίασε μια αναλυτική έκφραση του λόγου συγκέντρωσης για έναν αυθαίρετο αριθμό ανακλάσεων. Σε αυτήν την περίπτωση, ο δέκτης τοποθετείται στο επίπεδο που καθορίζεται από τη διατομή της ακραίας ακτίνας με την πλευρά του κώνου, μετά από την nth ανάκλαση και πρέπει να επιτευχθεί η μέγιστη συγκέντρωση μετά από n ανακλάσεις,. Μοντέλο Ε: Ο Irshid (1988) μελέτησε τον υψηλό λόγο συγκέντρωσης για το συγκεντρωτικό σύστημα V-Trough για την περίπτωση όπου το σύστημα ακολουθεί την ημερήσια κίνηση του ήλιου, χρησιμοποιώντας έναν ιχνηλάτη δύο αξόνων. Η οπτική συμπεριφορά είναι παρόμοια με αυτή του μοντέλου D.

Για ευρείες γωνίες αποδοχής και μέγιστες γωνίες εξόδου, όπως 60ο, τα V-Through

πλησιάζουν πολύ τα ιδανικά συγκεντρωτικά συστήματα. Παραδείγματος χάριν, για θi = 30ο

και θm = 15ο, τότε θout = 60ο και C = 1.37. Αυτό αποτελεί το 79% της ιδανικής

συγκέντρωσης. Δηλαδή, εάν το σύστημα επιτρέπει τις πολλαπλές ανακλάσεις, το V-Through

πλησιάζει έναν ιδανικό συγκεντρωτικό σύστημα για μικρές τιμές του θm, που αυτό οδηγεί σε

ένα επίμηκες και στενό σχήμα με πολλαπλές ανακλάσεις.

Τα συγκεντρωτικά συστήματα V-Through με κίνηση στους δύο άξονες,

κατασκευάζονται είτε με την περιστροφή των V-Through κατά τον κάθετο άξονά του που

διχοτομεί τον απορροφητή, είτε με την διαμόρφωση μιας κωνικής τομής, είτε με τον κάθετο

συνδυασμό δύο V-Through και χρησιμοποιούνται συχνά ως δευτεροβάθμια συγκεντρωτικά

μέσα για τους φακούς Fresnel σημειακής εστίασης.

61

3.6 ΔΙΑΘΛΑΣΤΙΚΟΙ ΦΑΚΟΙ FRESNEL

Οι διαθλαστικοί φακοί αποτελούν μια εναλλακτική χρήση, έναντι των ανακλαστικών

συστημάτων. Ένας τέτοιος φακός παρουσιάζεται στο σχήμα 3.14. Οι φακοί μπορούν να

αναλυθούν με την τεχνική ray-tracing χρησιμοποιώντας το νόμο του Snell. Στην

συγκεκριμένη περίπτωση του παρακάτω σχήματος, ένας επιπεδόκυρτος φακός, μπορεί να

αναλυθεί με χρήση της αρχής του Fermat, η οποία δηλώνει ότι όλες οι ακτίνες που

προσπίπτουν στην εστία, διανύουν το ίδιο οπτικό μήκος.

Σχήμα 3.14: Γεωμετρία διαθλαστικών φακών

Εξισώνοντας το οπτικό μήκος των δύο ακτίνων του σχήματος 11.28, ισχύει:

2 2F + (n - 1)t = (F - y) + x ny

Αυτή είναι η εξίσωση της υπερβολής. Ένας τέτοιος φακός καλείται μη-σφαιρικός για να

διαφοροποιηθεί από τον κλασσικό σφαιρικό φακό, που είναι μια προσέγγιση του ανωτέρω,

για μεγάλο F και μικρό x. Το πάχος του φακού, μπορεί να συσχετιστεί με το παράγοντα f ,

θέτοντας x = D/2. Έτσι έχουμε:

2 2F /D +1/4 /

1

t F

D n

D

62

Ένα σοβαρό πρόβλημα σε έναν τέτοιο φακό, είναι ότι γίνεται παχύς για μικρές τιμές του f .

Παραδείγματος χάριν, για F/D = 1 και n = 1.5, υπολογίζεται ότι t/D = 0.24. Εάν ο φακός έχει

μια διάμετρο 10 cm, κατόπιν το πάχος θα είναι 2.4 cm, με συνέπεια την ύπαρξη

κατασκευαστικών δυσκολιών. Για μικρούς φακούς, με διάμετρο της τάξης μερικών

εκατοστών, το πάχος είναι ικανοποιητικό.

Για τους μεγαλύτερους φακούς χρησιμοποιείται μια κατασκευαστική τεχνική, πολλών

επιφανειών, διαφορετικού μήκους και γωνίας πρόσπτωσης, που διαμορφώνουν το φακό

Fresnel του σχήματος 3.13. Λόγω της ανάγκης για υψηλές οπτικές επιφάνειες στις κοίλες

πλευρές, έχει αποδειχθεί δύσκολο να κατασκευαστούν τέτοιοι φακοί υψηλής

διαπερατότητας.

Σχήμα 3.15: Κάτοψη ενός φακού Fresnel

Οι φακοί Fresnel δεν συγκεντρώνουν όλο το φως που προσπίπτει σ 'αυτούς, στην εστία.

Κατ' αρχάς, η ανάκλαση από τις οπτικές διεπαφές του Fresnel, προκαλεί την απώλεια ενός

ποσοστού 8% των ακτίνων φωτός που προσπίπτουν στο σύστημα. Αυτό μπορεί ενδεχομένως

να μειωθεί με την χρήση αντι-ανακλαστικών επιφανειών. Δεύτερον, οι κάθετες περιοχές

63

μεταξύ των επιφανειών, δεν μπορούν να είναι απολύτως κάθετες με αποτέλεσμα, το φως που

χτυπά αυτήν την περιοχή, να εκτρέπεται από την εστία. Έτσι, όσο μικρότερες είναι οι

επιφάνειες διάθλασης, τόσο σημαντικότερη αυτή η απώλεια είναι. Οι σύγχρονες

κατασκευαστικές μέθοδοι έχουν επιτύχει οπτική διαπερατότητα της τιμής του 85%.

3.7 ΤΥΠΟΙ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Οι τεχνολογίες ηλιακής συγκέντρωσης είναι διατάξεις που συγκεντρώνουν την ηλιακή

ενέργεια εστιάζοντας την ηλιακή ακτινοβολία σ’ ένα σημείο ή μια γραμμή εστίασης. Τα

συστήματα παραγωγής ενέργειας, με χρήση της ηλιακής συγκέντρωσης, βρίσκονται ήδη στο

στάδιο της εμπορευματοποίησης, και μονάδες ισχύος πολλών MW παράγουν τη φθηνότερη

ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια παγκοσμίως τα τελευταία 15 έτη. Τα τελικά στάδια

ηλεκτροπαραγωγής με χρήση συστημάτων ΗΣΣ είναι όμοια με αυτά της συμβατικής

ηλεκτροπαραγωγής, καθώς η τελική διεργασία ενεργειακής μετατροπής βασίζεται στη χρήση

ατμού ή αερίου για την περιστροφή στροβίλων η την κίνηση ενός εμβόλου σε μια μηχανή

Stirling. Σε ένα σύστημα ΗΣΣ ο ατμός ή το θερμό αέριο παράγεται μέσω της συγκέντρωσης

της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας.

Όλες οι τεχνολογίες ηλιακής θερμικής ηλεκτροπαραγωγής περιλαμβάνουν έναν

αριθμό βασικών σταδίων:

Συλλογή της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας μέσω ενός συστήματος συλλεκτών.

Συγκέντρωση (ή εστίαση) της ακτινοβολίας σε έναν δέκτη.

Μετατροπή της από το δέκτη σε θερμική ενέργεια.

Μεταφορά της θερμικής ενέργειας στο σύστημα ενεργειακής μετατροπής.

Μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρισμό.

64

Σχήμα 3.16: Βασικές αρχές της τεχνολογίας Ηλεκτροπαραγωγής με Ηλιακή Συγκέντρωση.

Πολλά τέτοια συστήματα είναι δυνατά, τα οποία μάλιστα μπορούν να συνδυάζονται

με άλλες ανανεώσιμες και μη τεχνολογίες σε υβριδικά συστήματα. Ωστόσο θεωρείται,

ειδικότερα από το πρόγραμμα SolarPaces της Διεθνούς Επιτροπής Ενέργειας (ΙΕΑ), ότι οι

τέσσερις πολλά υποσχόμενες αρχιτεκτονικές θερμικής ηλιακής ηλεκτροπαραγωγής, οι οποίες

χαρακτηρίζονται από την τεχνική που χρησιμοποιείται για τη συγκέντρωση της ηλιακής

ενέργειας και είναι οι πιο διαδεδομένες, είναι:

τα κοίλα παραβολικά κάτοπτρα,

οι ηλιακοί πύργοι ισχύος,

τα συστήματα δίσκου, και

οι φακοί Fresnel.

65

3.8 ΚΥΛΙΝΔΡΟΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

3.8.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Η οργανωμένη, μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη των ηλιακών συλλεκτών, άρχισε στις

ΗΠΑ στα μέσα της δεκαετίας του '70 υπό την Διοίκηση Έρευνας και Ανάπτυξης της

Ενέργειας (ERDA, Research and Development Administration) και συνεχίστηκε με την

καθιέρωση του αμερικάνικου Οργανισμού Ενέργειας (DOE, Department of Energy) το 1978.

Συλλέκτες κοίλων παραβολικών κατόπτρων ικανοί για θερμοκρασίες μεγαλύτερες από

500ºC (932ºF), αναπτύχθηκαν αρχικά για βιομηχανικές εφαρμογές. Μεγάλο μέρος της

πρόωρης ανάπτυξης διεξάχθηκε ή υποστηρίχτηκε μέσω των εθνικών εργαστηρίων Sandia

στο Albuquerque του Νέου Μεξικού. Τέθηκαν σε λειτουργία πολυάριθμες εφαρμογές, των

οποίων η περιοχή των συλλεκτών κυμαίνεται σε μέγεθος από μερικά εκατοντάδες έως και

5000 m2. Οι εταιρείες Acurex, SunTec, και Solar Kinetics αποτέλεσαν τους βασικούς

κατασκευαστές παραβολικών κατόπτρων στις Ηνωμένες Πολιτείες κατά τη διάρκεια αυτής

της περιόδου.

Η ανάπτυξη των παραβολικών κατόπτρων πραγματοποιήθηκε επίσης στην Ευρώπη

και κατέληξε με την κατασκευή από την Διεθνή Υπηρεσία Ενέργειας (International Energy

Agency, IEA) του συγκροτήματος Μικρό Πρόγραμμα Συστημάτων Ηλιακής

Ενέργειας/Κατανεμημένο Σύστημα Συλλεκτών (Small Solar Power Systems

Project/Distributed Collector System, SSPS/DCS) της IEA στην PSA, στην Αλμερία της

Ισπανία, το 1981. Το συγκρότημα αυτό απαρτίστηκε από δύο ηλιακά πεδία παραβολικών

κοίλων με μια συνολική επιφάνεια ανοίγματος καθρεφτών 7602 m2 (η έννοια της επιφάνειας

ανοίγματος γίνεται ευκολότερα κατανοητή από το σχήμα 2.8). Τα πεδία χρησιμοποίησαν

συλλέκτες μονού άξονα παρακολούθησης του ήλιου της εταιρείας Acurex και συλλέκτες

διπλού άξονα παρακολούθησης της γερμανικής εταιρείας M.A.N. Το 1982, η εταιρεία Luz

International Limited (Luz) ανέπτυξε ένα συλλέκτη παραβολικών κατόπτρων για

βιομηχανικές εφαρμογές που βασίστηκε κατά ένα μεγάλο μέρος στην εμπειρία που

αποκτήθηκε από την DOE/Sandia και τα προγράμματα SSPS.

Οι υπεύθυνοι κατασκευής και ανάπτυξης παρόμοιων συστημάτων παραβολικών

κατόπτρων στη δεκαετία του '70 και τη δεκαετία του '80, συνάντησαν κάποια εμπόδια για

την εφαρμογή των τεχνολογιών τους. Κατ' αρχάς, απαιτούνταν μια σχετικά υψηλή

66

προσπάθεια για προώθηση και τεχνικές μελέτες ακόμη και για τα μικρά προγράμματα. Και

επίσης υπήρχαν βραδυκίνητες διαδικασίες κατά τη λήψη των αποφάσεων.

Το 1983, η εταιρεία Southern California Edison (SCE) ανακοίνωσε την κατασκευή

εννέα ηλιακών μονάδων κοίλων παραβολικών κατόπτρων στην έρημο Mojave της

Καλιφόρνιας. Οι εγκαταστάσεις αυτές, που είναι γνωστές ως SGES, κατασκευάστηκαν

μεταξύ του 1984 και του 1991 και αποτέλεσαν το πρώτο μεγάλου μεγέθους σύστημα

παραβολικών κοίλων. Το μέγεθος των πρώτων μονάδων ήταν 30 MW, ενώ αργότερα

αυξήθηκε σε 80MW. Ο πίνακας 2.1 παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά των εννέα

εγκαταστάσεων SEGS που χτίστηκαν από την Luz.

Πίνακας 3.1: Χαρακτηριστικά των εγκαταστάσεων SEGS 1-9

3.8.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Η τεχνολογία κοίλων παραβολικών κατόπτρων είναι αυτήν την περίοδο η πιο ώριμη

τεχνολογία ηλιακής θερμικής ηλεκτροπαραγωγής. Αυτό οφείλεται πρωτίστως σε εννέα

μεγάλες εμπορικού επιπέδου ηλιακές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, η πρώτη εκ των

οποίων έχει τεθεί σε εφαρμογή στην έρημο της Καλιφόρνιας Mojave από το 1984. Αυτές οι

εγκαταστάσεις, που συνεχίζουν να λειτουργούν σε καθημερινή βάση, κυμαίνονται σε

μέγεθος από 14 έως 80 MW, ενώ το συνολικό εγκατεστημένο δυναμικό τους είναι 354 MW.

Τα μεγάλα πεδία των συλλεκτών παραβολικών κατόπτρων παρέχουν τη θερμική ενέργεια

που χρησιμοποιείται για να παράγει ατμό για έναν κύκλο στροβίλων/γεννητριών κύκλου

Rankine.

67

Σχήμα 3.17: Διαγράμματα λειτουργίας ενός σταθμού κυλινδροπαραβολικών ηλιακών συλλεκτών

κύκλου Rankine

Τα σχήματα 3.17 παρουσιάζουν ένα διάγραμμα λειτουργίας που είναι

αντιπροσωπευτικό της πλειοψηφίας των ηλιακών εγκαταστάσεων παραβολικών κατόπτρων

που βρίσκονται σε λειτουργία σήμερα. Το ηλιακό πεδίο αποτελείται από πολλές παράλληλες

σειρές ηλιακών συλλεκτών που ευθυγραμμίζονται οριζόντια ώστε να παρακολουθούν τον

ήλιο κατά μήκος ενός άξονα - συνήθως κατά τον άξονα βορά-νότου. Κάθε ηλιακός

συλλέκτης αποτελείται από μια ανακλαστική επιφάνεια παραβολικού σχήματος η οποία

συγκεντρώνει την άμεση ηλιακή ακτινοβολία σε έναν σωληνωτό δέκτη που είναι

τοποθετημένος κατά μήκος της εστιακής γραμμής του κοίλου. Ένα ρευστό μεταφοράς

θερμότητας θερμαίνεται καθώς κυκλοφορεί διαμέσου του δέκτη και καταλήγει σε μια σειρά

εναλλακτών θερμότητας (γεννήτρια ατμού) που παράγουν υπέρθερμο ατμό περίπου στους

400°C. Ο υπέρθερμος ατμός τροφοδοτείται μετά σε έναν συμβατικό ατμοστρόβιλο για την

παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από την έξοδο του στροβίλου ο ατμός οδηγείται σε έναν

εναλλάκτη θερμότητας, τον συμπυκνωτή, στο δευτερεύον του οποίου ρέει μέσα σε σωλήνες

68

69

ψυχρό νερό, με αποτέλεσμα την συμπύκνωση του ατμού σε κορεσμένο υγρό. Το ψυχρό νερό

του συμπυκνωτή ρέει σε κλειστό κύκλωμα, ψυχόμενο σε πύργους ψύξης, οι οποίοι είναι και

αυτοί εναλλάκτες θερμότητας με ψυκτικό μέσον τον αέρα του περιβάλλοντος. Το κορεσμένο

υγρό νερό από το συμπυκνωτή συμπιέζεται από τις αντλίες τροφοδοσίας του λέβητα και

οδηγείται στο διαχωριστή ατμού, απ' όπου η υγρή φάση του νερού οδηγείται στην γεννήτρια

του ατμού και κλείνει έτσι ο κύκλος του νερού.

Ιστορικά, οι εγκαταστάσεις παραβολικών κατόπτρων έχουν σχεδιαστεί για να

χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια ως πρωταρχική πηγή για να παραγάγουν ηλεκτρική

ενέργεια. Οι εγκαταστάσεις μπορούν να λειτουργήσουν σε πλήρη ισχύ χρησιμοποιώντας

μόνο την επαρκή ηλιακή είσοδο. Κατά τη διάρκεια των θερινών μηνών, οι εγκαταστάσεις

λειτουργούν συνήθως για 10 έως 12 ώρες ημερησίως σε ονομαστική ηλεκτρική έξοδο.

Εντούτοις, μέχρι σήμερα, όλες οι εγκαταστάσεις είναι υβριδικές. Δηλαδή έχουν έναν

εφεδρικό λέβητα ατμού, που λειτουργεί με ορυκτά καύσιμα και χρησιμοποιείται για να

συμπληρώσει την ηλιακή έξοδο κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλής ηλιακής ακτινοβολίας.

Επίσης παράλληλα με τη γεννήτρια ατμού μπορούν να χρησιμοποιηθούν προαιρετικοί

βοηθητικοί αναθερμαντές ορυκτών καυσίμων. Το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που

παράγεται από τον ατμολέβητα ορυκτών καυσίμων είναι περιορισμένο σε κάποια λογικά

όρια. Τα όρια αυτά διαφέρουν από χώρα σε χώρα: 25% στη Καλιφόρνια, 15% στην Ισπανία,

κανένα όριο στην Αλγερία. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται επίσης ότι η θερμική αποθήκευση είναι

μια προαιρετική δυνατότητα που μπορεί να προστεθεί για την κάλυψη των αναγκών

τροφοδοσίας με ηλεκτρική ενέργεια.

Εικόνα 3.1: Εγκατεστημένες μονάδες ηλιακών κυλινδροπαραβολικών συλλεκτών

3.9 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΙΑΚΩΝ ΠΥΡΓΩΝ ΙΣΧΥΟΣ

3.9.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Τα συστήματα ηλιακού πύργου, ή διαφορετικά συστήματα κεντρικού δέκτη, είναι

πλέον σε θέση να αναπτύξουν την πρώτη γενιά εμπορικών διασυνδεδεμένων στο δίκτυο

εγκαταστάσεων. Η τεχνολογία των συστημάτων πύργου ισχύος μπορεί να θεωρηθεί ως

αρκετά ώριμη μετά από την αποκτηθείσα εμπειρία αρκετών πρωτοποριακών,

πειραματικών εγκαταστάσεων δυναμικού 0,5-10 MW στις αρχές της δεκαετίας του '80,

70

και τη μετέπειτα βελτίωση βασικών συνιστωσών τους όπως είναι οι ηλιοστάτες και οι

ηλιακοί δέκτες σε πολλά πιο πρόσφατα προγράμματα, κατά τη διάρκεια των τελευταίων

20 ετών. Στον πίνακα 3.1 παρατίθενται μερικές από τις πειραματικές εγκαταστάσεις μαζί

με κάποια από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά τους. Ηλιακές μόνο εγκαταστάσεις

όπως η Solar Tres και το PS10 αλλά και υβριδικές διατάξεις όπως οι σταθμοί Solgas,

ConSolar και SOLGATE έχουν παρουσιάσει ένα σημαντικό αριθμό εναλλακτικών

λύσεων για την κατασκευή των πρώτων μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεων κατά την

περίοδο 2005-2010.

Πρόγραμμα Χώρα

Ισχύς

εξόδου

(MWe)

Ρευστό

μεταφοράς

θερμότητας

Μέσο

αποθήκευσης

Έτος

ένταξης

SSPS Ισπανία 0.5 Υγρό νάτριο Νάτριο 1981

EURELIOS Ιταλία 1 Ατμός Νιτρικό

άλας/νερό 1981

SUNSHINE Ιαπωνία 1 Ατμός Νιτρικό

άλας/νερό 1981

Solar One Η.Π.Α. 10 Ατμός Έλαιο 1982

CESA-1 Ισπανία 1 Ατμός Νιτρικό άλας 1983

MSEE/Cat

B Η.Π.Α. 1

Τηγμένο

άλας Νιτρικό άλας 1984

THEMIS Γαλλία 2.5 Άλας Hi-Tec Άλας Hi-Tec 1984

SPP-5 Ρωσία 5 Ατμός Νερό/Ατμός 1986

TSA Ισπανία 1 Ατμοσφαιρι-

κός αέρας Κεραμικά 1993

Solar Two Η.Π.Α. 10 Τηγμένο

νιτρικό άλας Νιτρικό άλας 1996

Πίνακας 3.2: Πειραματικοί σταθμοί ηλιακών πύργων

71

3.9.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Στους πύργους ισχύος, οι ηλιοστάτες παρακολουθούν την τροχιά του ήλιου ώστε

να ανακλάται και να συγκεντρώνεται το άμεσο ηλιακό φως σε έναν κεντρικό δέκτη

(εναλλάκτη θερμότητας) τοποθετημένο στην κορυφή ενός πύργου (σχήμα 3.18). Εκεί η

ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική, καθώς θερμαίνεται ένα ρευστό μεταφοράς

θερμότητας. Το τελευταίο διοχετεύεται προαιρετικά στο σύστημα αποθήκευσης και, εν

τέλει, στο σύστημα ηλεκτροπαραγωγής που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε

ηλεκτρισμό και τροφοδοτεί το δίκτυο.

Σχήμα 3.18: Πεδίο ηλιοστατών που συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ένα σύστημα

ηλιακού πύργου.

Σχήμα 3.19 : Εγκατάσταση παραγωγής ενέργειας με ηλιακό πύργο ισχύος

72

Ο χαρακτηριστικός λόγος συγκέντρωσης των συστημάτων αυτών κυμαίνεται από

200 έως 1000. Ενώ το μέγεθος τους φτάνει από 10 ως 200 MW. Η υψηλή προσπίπτουσα

ηλιακή ροή στο δέκτη (κατά μέσο όρο μεταξύ 300 και 1000 kW/m2) επιτρέπει τη

λειτουργία σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες μέχρι και 1000°C. Τα συστήματα ηλιακού

πύργου μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα σε συμβατικές θερμικές εγκαταστάσεις με

ορυκτά καύσιμα για υβριδική λειτουργία. Ακόμα, λόγω της δυνατότητας για θερμική

αποθήκευση, μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με υψηλούς ετήσιους

συντελεστές δυναμικού (το ποσοστό του έτους που η τεχνολογία μπορεί να αποδώσει

ηλιακή ενέργεια στην ονομαστική ισχύ). Δηλαδή σταθμοί πύργου ισχύος που

περιλαμβάνουν σύστημα αποθήκευσης μπορούν να σχεδιαστούν για ετήσιο συντελεστή

δυναμικού της τάξης του 60-70% (περίπου 4500 ώρες λειτουργίας ετησίως) όταν οι

σταθμοί χωρίς αποθήκευση περιορίζονται σε αντίστοιχες τιμές κοντά στο 25%. Τα

βασικά χαρακτηριστικά των συστημάτων αυτών συνοψίζονται στον πίνακα 3.3.

Τυπικό μέγεθος 10-200MWa

Θερμοκρασία λειτουργίας

Rankine 565 oC

Brayton 800 oC

Ετήσιος συντελεστής δυναμικού 20-77 %a

Απόδοση αιχμής 16-23 %a

Ετήσια καθαρή απόδοση 12-20 %a

Εμπορική κατάσταση Επίδειξη κλιμακωτής αύξησης (10-30

MW)

Ρίσκο ανάπτυξης της τεχνολογίας Μεσαίο

Διαθέσιμο μέσο αποθήκευσης Νιτρικό άλας για δέκτες τηγμένου

άλατος

κεραμική επίπεδη επιφάνεια για δέκτες

ατμοσφαιρικού αέρα

Υβριδικά σχέδια Ναι

Κόστος επένδυσης

$ W-1 4.4-2.5a

Οι τιμές με δείκτη “a” υποδηλώνουν την αναμενόμενη πρόοδο από το παρόν μέχρι το 2030.

Πίνακας 3.3: Βασικά χαρακτηριστικά συστημάτων πύργου ισχύος.

73

Λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών τους, τα συστήματα ηλιακού πύργου ήταν σε

θέση να χρησιμοποιήσουν μια ποικιλία θερμικών ρευστών, όπως αέρα, νερό/ατμό,

τηγμένο νιτρικό άλας και υγρό νάτριο. Η επιλογή του θερμικού ρευστού σε συνδυασμό

με την επιλογή της τεχνολογίας του δέκτη καθορίζουν και τον τρόπο λειτουργίας του

συστήματος. Για το λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητο να περιγράψουμε πρώτα τις βασικές

συνιστώσες (πεδίο ηλιοστατών, δέκτης) ενός συστήματος ηλιακού πύργου και στη

συνέχεια να αναλύσουμε τους διαφορετικούς τρόπου λειτουργίας.

Εικόνα 3.2: Εγκαταστάσεις ηλιακών πύργων ισχύος

74

3.10 ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΗΜΕΙΑΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ (ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

ΔΙΣΚΟΥ/ΜΗΧΑΝΗΣ)

3.10.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Στα συστήματα δίσκου/μηχανής ένας δίσκος παρακολουθεί τον ήλιο και

συγκεντρώνει την άμεση ηλιακή ενέργεια σε έναν δέκτη στο εστιακό του σημείο, όπου

απορροφάται και μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Μια θερμική μηχανή (συνήθως η

μηχανή Stirling) μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανική. Η μηχανική ενέργεια

μετατρέπεται σε ηλεκτρική με τη βοήθεια μιας γεννήτριας που είναι ενσωματωμένη πάνω

στο δέκτη. Οι δίσκοι παρακολουθούν την τροχιά του ήλιου σε δύο άξονες και, για το λόγο

αυτό, είναι τα πιο αποδοτικά συστήματα συλλεκτών, καθώς είναι συνεχώς στραμμένα προς

τον ήλιο. Στο σχήμα 3.21 παρουσιάζεται ένα σύστημα δίσκου/μηχανής.

Τα συστήματα αυτά χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση, δυνατότητα αρθρωτής,

σπονδυλωτής κατασκευής (δηλαδή μια μονάδα μπορεί να αποτελείται από πολλαπλά

κάτοπτρα-υπομονάδες), αυτονομία λειτουργίας, και από μια εγγενή υβριδική δυνατότητα,

δηλαδή η ικανότητα να λειτουργούν είτε με ηλιακή ενέργεια είτε με ορυκτά καύσιμα είτε και

με τα δύο μαζί. Από όλες τις ηλιακές τεχνολογίες, ο μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης

μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό έχει αναφερθεί στα συστήματα

δίσκου/μηχανής (29,4%), και για το λόγο αυτό έχουν το δυναμικό να καταστούν μια από τις

λιγότερο ακριβές πηγές ανανεώσιμης ενέργειας. Η πολυσυναρτησιακότητα των συστημάτων

δίσκου/μηχανής επιτρέπει την αυτόνομη χρήση τους για απόμακρες εφαρμογές ή την

ομαδοποίησή τους για εφαρμογές ηλεκτροδότησης σε μικρά δίκτυα ή απομονωμένα σημεία

του δικτύου. Τα συστήματα δίσκου μπορούν επίσης να λειτουργούν υβριδικά με κάποιο

συμβατικό καύσιμο ώστε να παρέχουν εμπορεύσιμη ισχύ. Η τεχνολογία αυτή βρίσκεται στο

στάδιο της τεχνικής εξέλιξης και απομένουν κάποια προβλήματα προς επίλυση που

αφορούν τις ηλιακές συνιστώσες και την εμπορική διαθεσιμότητα μιας τέτοιας θερμικής

μηχανής ικανής να εκτίθεται σε ηλιακές ακτίνες.

Η συνολική απόδοση του συστήματος μπορεί να οριστεί ως:

η = ηc ηR ηEng ηGen = I

P

C,

75

όπου ηc είναι η απόδοση του συλλέκτη-συγκεντρωτικού μέσου , ηR είναι η απόδοση του

δέκτη, ηEng είναι η απόδοση της μηχανής, ηGen είναι η απόδοση της γεννήτριας, P είναι η

παραγόμενη ισχύς, Ac είναι το εμβαδόν της επιφάνειας του συγκεντρωτικού μέσου, και Ι

είναι η άμεση κάθετη ακτινοβολία.

Σχήμα 3.20: Σχηματική παράσταση ενός συστήματος δίσκου/μηχανής με τον συνδυασμό τεσσάρων

μονάδων των 25 kWe.

Σχέδιο 3.21: Σχέδιο και μορφή ενός παραβολικού ηλιακού συστήματος σημειακής εστίας

76

3.10.2 Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΣΚΟΥ / STIRLING

Όπως στις άλλες τεχνολογίες συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων, η

εφαρμογή του συστήματος δίσκου/μηχανής στην πράξη άρχισε στις αρχές της

δεκαετίας του '80. Η μεγαλύτερη πιλοτική ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε στις ΗΠΑ

και στη Γερμανία. Παρ’ όλα αυτά εξετάστηκε ένας μικρός μόνο αριθμός μονάδων.

Η πρώτη γενιά δίσκων ήταν ένα συγκεντρωτικό μέσο, η ανακλαστική

επιφάνεια του οποίου αποτελούταν από ανεξάρτητα μεταξύ τους καμπυλωτά πλαίσια

κατόπτρων με διπλή επιφάνεια. Αν και οι καθρέφτες αυτοί κατοχύρωσαν ρεκόρ

ηλιακής συγκέντρωσης (C=3000) και εμφάνισαν άριστη λειτουργική συμπεριφορά,

το εκτιμώμενο κόστος τους για μαζική παραγωγή ήταν πάνω από 300 $/m2. Οι

κατασκευές τους ήταν εξαιρετικά βαριές και ζύγιζαν περίπου 100 kg/m2. Το

πρωτότυπο Vanguard-1 ισχύος 25 kW που κατασκευάστηκε από την εταιρεία

Αdvancο λειτούργησε στην έρημο Mojave της Καλιφόρνια για 18 μήνες (από τον

Φεβρουάριο του 1984 μέχρι τον Ιούνιο του 1985).

Εικόνα 3.3: Μονάδα Vanguard-1

Αυτό το σύστημα είχε διάμετρο 10,7 m, με εμβαδόν ανακλαστικής επιφάνειας

86,7 m2, και μονάδα μετατροπής ισχύος 25 kW κατασκευασμένη από την United

Stirling AB (USAB) μοντέλου 4-95 Mark II. Η μηχανή αυτή είχε τέσσερις

κυλίνδρους με 95 cm3 ογκομετρικό εκτόπισμα ο καθένας. Το αέριο λειτουργίας ήταν

77

υδρογόνο με μέγιστη πίεση 20 MPa και θερμοκρασία 720°C. Η ισχύς της μηχανής

ελεγχόταν με την μεταβολή της πίεσης του αερίου. Το σύστημα Advanco/Vanguard

με καθαρή απόδοση μετατροπής (συμπεριλαμβανομένων των βοηθητικών

συστημάτων) πάνω από 30%, διατηρεί μέχρι σήμερα το παγκόσμιο ρεκόρ

μετατροπής.

Εικόνα 3.4: Μονάδα McDonnell Douglas

Η εταιρεία McDonnell Douglas (MDA) ανέπτυξε αργότερα ένα άλλο κάπως

βελτιωμένο σύστημα δίσκου χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνολογία και την ίδια

μηχανή. Ο δίσκος ήταν 10,5 m και 25 kW. Ο παραβολικός δίσκος επιφάνειας 88 m2

αποτελούνταν από 82 σφαιρικά καμπυλωτά πλαίσια γυαλιού. Έξι από αυτές τις

μονάδες παρήχθησαν και εγκαταστάθηκαν στις ΗΠΑ για δοκιμαστική λειτουργία. Οι

λειτουργίες και οι αποδόσεις ήταν παρόμοιες με αυτές του συστήματος

Advanco/Vanguard. Η καθημερινή αποδοτικότητα καταγράφηκε να είναι 24-27% και

ο ετήσιος μέσος όρος 24%.

Από τις υψηλές επιδόσεις του πιλοτικού δίσκου Vanguard και μετά, οι

περισσότερες επιλογές μοντέλων έχουν κατευθυνθεί προς την ανάπτυξη στρατηγικών

που θα μειώσουν το κόστος. Αυτές οι στρατηγικές οδήγησαν σε χαμηλότερες

θερμοκρασίες λειτουργίας, επιβαρύνοντας όμως με αυτόν τον τρόπο την

αποδοτικότητα, και στην χρήση ελαφρύτερων και λιγότερο ακριβών ανακλαστήρων

φτιαγμένων από πολυμερή ή από λεπτό γυαλί. Αυτοί οι δίσκοι, που έχουν

χαμηλότερη οπτική απόδοση, χρησιμοποιήθηκαν αρχικά σε εφαρμογές όπου η

78

μηχανή δεν ήταν τύπου Stirling, ώστε να εξασφαλιστούν οι χαμηλότερες

θερμοκρασίες. Τέτοιες εφαρμογές ήταν το Shenandoah και το Solarplant 1. Οι λόγοι

συγκέντρωσης κυμαινόντουσαν από 600 εώς 1000 και οι θερμοκρασίες λειτουργίας

ήταν περίπου 650°C.

Η πιο εκτενής δοκιμή αυτής της ιδέας για ελαφρύτερα υλικά έγινε με το

συγκεντρωτικό μέσο τεταμένων μεμβρανών που αναπτύχθηκε στη Γερμανία από την

εταιρεία Schalich, Bergermann and Partner (SBP) και αξιολογήθηκε στην

εγκατάσταση Plataforma Solar de Almeria (PSA) της Ισπανίας. Ο συγκεντρωτής

αποτελείται από μία ενιαία τεταμένη μεμβράνη ανοξείδωτου χάλυβα διαμέτρου 7,5 m

και πάχους 0,23 mm. Πάνω στην τελευταία συγκολλούνται λεπτοί γυάλινοι

καθρέφτες. Η μηχανή που χρησιμοποιείται είναι η V-160 Stirling, που

κατασκευάζεται από την γερμανική εταιρεία Solo Kleinmotoren. Η μηχανή έχει

απόδοση 30%, ενώ το σύστημα έχει συνολική απόδοση μετατροπής 20,3% (εικόνα

3.5).

Εικόνα 3.5: Μονάδα Schalich, Bergermann und Partner

79

Σχήμα 3.22: Παράμετροι εισόδου/εξόδου και η απόδοση για ένα σύστημα δίσκου/Stirling

τεταμένων μεμβρανών δυναμικού 9 kW, που κατασκευάστηκε από την εταιρεία SBP και

δοκιμάστηκε στην Almeria της Ισπανίας.

Αν και οι τεταμένες μεμβράνες είχαν άριστα οπτικά αποτελέσματα, οι

οικονομικές αναλύσεις αποκάλυψαν ότι το κόστος παραγωγής ήταν υψηλότερο από

το αναμενόμενο. Ο διάδοχος των δίσκων SBP με μεμβράνες είναι το σύστημα

EuroDish. Το νέο σχέδιο αντικαθιστά το συγκεντρωτικό μέσο τεταμένων μεμβρανών

με ένα σύνθετο κέλυφος από ίνες γυαλιού (φίμπεργκλας) πάνω στο οποίο

συγκολλούνται οι γυάλινοι καθρέφτες. Η μηχανή που χρησιμοποιείται στο EuroDish

είναι η V-161 Stirling, η επόμενη γενιά της Solo Kleinmotoren. Δύο νέες μονάδες

EuroDish ισχύος 10 kW η καθεμία (σχήμα 4.11), εγκαταστάθηκαν στην Plataforma

Solar de Almeria (PSA) στην Ισπανία, αρχές το 2001 για δοκιμή και επίδειξη. Σε ένα

ακόλουθο πρόγραμμα γνωστό ως EnviroDish, επιπλέον μονάδες τοποθετήθηκαν στη

Γαλλία, την Ινδία, την Ιταλία και την Ισπανία για να συγκεντρωθεί λειτουργική

εμπειρία σε διαφορετικές γεωγραφικά περιοχές. Η μέγιστη απόδοση μετατροπής του

συστήματος από ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική αναμένεται να είναι 21-22%.

80

Εικόνα 3.6: Δύο μονάδες Eurodish ισχύος 10 kWe στην εγκατάσταση Plataforma Solar de

Almeria στην Ισπανία.

3.11 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ FRESNEL

3.11.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Το σύστημα του συλλέκτη κατόπτρων Fresnel έχει πολλές ομοιότητες με αυτό

των παραβολικών κατόπτρων. Και τα δύο συστήματα χρησιμοποιούν ένα σωληνωτό

δέκτη που είναι τοποθετημένος κατά μήκος της εστιακής γραμμής του συλλέκτη.

Εντούτοις οι σημαντικές τεχνικές διαφορές που υπάρχουν στους συλλέκτες των δύο

συστημάτων καθιστούν το σύστημα κατόπτρων Fresnel ένα ξεχωριστό

συγκεντρωτικό ηλιακό σύστημα. Η βελγική εταιρεία Solarmundo είναι η πρώτη που

εφάρμοσε την τεχνολογία αυτή και υποστήριξε τις λειτουργικές και οικονομικές

δυνατότητες του συλλέκτη Fresnel. Οι εγκαταστάσεις Solarmundo βρίσκονται στη

Λιέγη, στο Βέλγιο, και έχουν έκταση 2.500 m2. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται

οι θερμικές και οι γεωμετρικές ιδιότητες του συλλέκτη Solarmundo καθώς και η

διαφορετική συμπεριφορά των συλλεκτών κατόπτρων Fresnel έναντι των

παραβολικών κατόπτρων.

81

Ο συλλέκτης κατόπτρων Fresnel αποτελείται από πολλές παράλληλες σειρές

ανακλαστήρων που συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ένα δέκτη

τοποθετημένο κατά μήκος των σειρών αυτών και σε αρκετά μέτρα ύψος. Οι

ανακλαστήρες αυτοί είναι γνωστοί ως πρωτοβάθμιοι για να μη συγχέονται με ένα

δευτεροβάθμιο ανακλαστήρα που είναι τοποθετημένος στο επάνω μέρος του δέκτη

και κατευθύνει όλες τις εισερχόμενες ακτίνες στο σωλήνα απορρόφησης, (σχήμα

3.23).

Σύμφωνα με το πρότυπο Solarmundo οι πρωτοβάθμιοι, που κάθε ένας έχει

πλάτος 0.5 m, δεν είναι απολύτως επίπεδοι αλλά έχουν μια πολύ μικρή καμπυλότητα.

Ο συλλέκτης αποτελείται από 48 σειρές καθρεφτών (κατά πλάτος), πράγμα που

"οδηγεί σε" ένα συνολικό πλάτος 24 m. Η αρχή Fresnel είναι πολύ απλή: Επειδή η

σχετική κίνηση όλων των πρωτοβάθμιων καθρεφτών είναι ίδια κατά την

παρακολούθηση του ήλιου, άπαξ τοποθετηθούν σωστά, η κίνηση τους μετά μπορεί να

συζευχθεί μηχανικά. Αρκετές σειρές καθρεφτών οδηγούνται από μία μόνο μηχανή.

Ο δευτεροβάθμιος συγκεντρωτής όχι μόνο διευρύνει το στόχο για τους

ανακλαστήρες Fresnel αλλά λειτουργεί και ως μόνωση κατά των απωλειών από το

σωλήνα απορρόφησης. Το πίσω τμήμα του συγκεντρωτή αυτού καλύπτεται από μια

αδιαφανή μόνωση, ενώ στο μπροστινό τμήμα ένα κατοπτρικό τζάμι μειώνει τις

απώλειες θερμότητας από μρταφορά.

Σχήμα 3.23: Αρχή λειτουργίας του συλλέκτη fresnel

Ο σωλήνας απορρόφησης έχει εσωτερική διάμετρο 18cm και είναι

τοποθετημένος κατά μήκος πάνω σε σταθερά μεταλλικά στηρίγματα (ράγες), χωρίς

να απαιτούνται τόξα στήριξής όπως στα ηλιακά παραβολικά κάτοπτρα, αλλά και

82

επιτρέποντας έτσι τη θερμική διαστολή του σωλήνα. Η συνολική μετακίνηση λόγω

της διαστολής σε μια εγκατάσταση μήκους ενός χιλιομέτρου μπορεί να είναι πάνω

από 6 μέτρα στο τέλος ενός σωλήνα.

Το ρευστό μεταφοράς θερμότητας που ρέει μέσα στο δέκτη είναι νερό.

Ωστόσο, η παραγωγή του ατμού δε γίνεται σε εναλλάκτες θερμότητας αλλά μέσα

στον ίδιο το σωλήνα απορρόφησης. Γίνεται δηλαδή άμεση παραγωγή ατμού.

Το βασικό σχέδιο ενός ολόκληρου πεδίου συλλεκτών για άμεση παραγωγή

ατμού παρουσιάζεται στο σχήμα 3.25. Το ηλιακό πεδίο για ηλιακές θερμικές

εγκαταστάσεις ηλεκτροπαραγωγής ισχύος 50 MW αναπτύσσεται σε 12 σειρές

συλλεκτών κάθε μια μήκους 1000 m. Οι σειρές μπορούν να είναι εγκατεστημένες η

μια κοντά στην άλλη έτσι ώστε η χρήση εδάφους του ηλιακού πεδίου να είναι

πρακτικά όχι μεγαλύτερη απ' ότι η έκταση των καθρεφτών. Οι σειρές συλλεκτών

συνδέονται παράλληλα και σε σειρά και το ηλιακό πεδίο διαιρείται σε τρία τμήματα:

της προθέρμανσης, της εξάτμισης και της υπερθέρμανσης.

Σχήμα 3.24: Η ροή στο πεδίο του συλλέκτη

Σχήμα 3.25 : Γραμμικές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας με το σύστημα κατόπτρων

Fresnel

Τα βασικά πλεονεκτήματα του συλλέκτη με κάτοπτρα Fresnel, σε σύγκριση με

τους συλλέκτες κυλινδροπαραβολικών κατόπτρων είναι:

Φτηνά επίπεδα κάτοπτρα και απλό σύστημα παρακολούθησης του ήλιου.

83

Σταθερός σωλήνας απορρόφησης χωρίς την ανάγκη για εύκαμπτες ενώσεις

υψηλή πίεσης.

Το πλάτος του συλλέκτη κατόπτρων Fresnel για έναν σωλήνα απορρόφησης

μπορεί να είναι τρεις φορές το πλάτος των κυλινδροπαραβολικών κατόπτρων.

Λόγω της άμεσης παραγωγής ατμού δεν υπάρχουν εναλλάκτες θερμότητας.

Αποδοτική χρήση του εδάφους καθώς οι συλλέκτες μπορεί να είναι

τοποθετημένοι ο ένας δίπλα στον άλλον.

Εφαρμογή της τεχνολογίας αυτής ακόμη και σε περιοχές με σχετικά χαμηλή

ηλιακή ακτινοβολία.

Τα πλεονεκτήματα αυτά οδηγούν σε μια μείωση του κόστους περίπου 50% για το

ηλιακό πεδίο έναντι των κυλινδροπαραβολικών κατόπτρων. Εκτός από το μειωμένο

κόστος του ηλιακού πεδίου, οι δαπάνες λειτουργίας και συντήρησης είναι και αυτές

ιδιαίτερα μειωμένες.

Εικόνα 3.7: Εγκατάσταση γραμμικών συστημάτων ανακλαστήρων Fresnel

3.12 ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ CPV/T

Πέρα από τα συγκεντρωτικά συστήματα υψηλής συγκέντρωσης που αναφέρθηκαν

πριν, τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί από εταιρείες συγκεντρωτικά υβριδικά

συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, για εγκατάσταση κυρίως

στον κτιριακό τομέα. Τα φωτοβολταϊκά, από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία,

μόνο ένα μικρό μέρος μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο

μεταδίδεται προς το περιβάλλον με μορφή θερμότητας. Εκτός αυτού, με την αύξηση

84

της θερμοκρασίας λειτουργίας, η ηλεκτρική τους απόδοση μειώνεται. Με την ψύξη

όμως του συστήματος μέσω κάποιου ρευστού (νερό ή αέρας), απάγεται η θερμότητα

από το φωτοβολταϊκό, και το θερμό ρευστό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την

κάλυψη των θερμικών αναγκών. Αυτή είναι και η αρχή λειτουργίας των υβριδικών

συστημάτων, τα οποία έχουν σαν σκοπό την όσο καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση της

ηλιακής ενέργειας, με τις λιγότερες απώλειες. Αυτό αποτελεί μέρος της εργασίας

αυτής, γι αυτό και αναφέρονται παρακάτω συνοπτικά, δύο από τα πιο εμπορικώς

διαδεδομένα μοντέλα συγκεντρωτικών υβριδικών συστημάτων CPV/T.

3.12.1 ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ POWER SPAR

Το συγκεντρωτικό σύστημα Power-Spar της εταιρείας Menova, κινείται σε δύο-

άξονες, όπου μια μηχανή ρυθμίζει την κλίση των καθρεφτών σύμφωνα με τη γωνία

του ύψους του ήλιου και μια δεύτερη μηχανή περιστρέφει ολόκληρη την διάταξη

κατά την γωνία του αζιμούθιου. Κάθε ένας από τους ανακλαστικούς καθρέφτες είναι

παραβολικός, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται συγκέντρωση στον απορροφητή

μεγαλύτερη από 1000 ήλιους (Σχήμα 3.26). Το σύστημα αυτό είναι εμπορικά

διαθέσιμο σήμερα σε τρεις διαφορετικές τύπους: ως υβριδικό φωτοβολταϊκό/θερμικό

σύστημα (CPVT), ως συγκεντρωτικό φωτοβολταϊκό σύστημα (CPV) και ως

συγκεντρωτικό θερμικό σύστημα (CT).

Σχήμα 3.26: Απεικόνιση της λειτουργίας ενός συγκεντρωτικού υβριδικού συστήματος Power-Spar, συμπαραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας.

85

86

Η διαδικασία λειτουργίας του είναι απλή: ένα ρευστό μεταφοράς θερμότητας

(HTF) διαβρέχει τις πίσω επιφάνειες των κυττάρων PV για να τα ψήξει και για να

διατηρήσει υψηλά την απόδοση τους, με αποτέλεσμα να απάγει θερμότητα από τα

κύτταρα PV και να θερμαίνεται. Εν συνεχεία, το θερμό ρευστό χρησιμοποιείται για

την θέρμανση χώρων ή θέρμανση νερού για χρήση στο κτίριο. Με το συνυπολογισμό

μιας ηλιακής θερμικής μονάδας κλιματισμού (STAC), η θερμική ενέργεια μπορεί

επίσης να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει ψύξη σε ένα κτίριο. Πρέπει να σημειωθεί

όμως, ότι και στο σύστημα CPVT και στο CPV, η θερμοκρασία του HTF κρατιέται

όσο το δυνατόν χαμηλότερη για να μεγιστοποιείται η ηλεκτρική απόδοση του

συστήματος. Έτσι, οι θερμοκρασίες του ρευστού πρέπει να προσαρμόζονται ανάλογα

με τις θερμικές απαιτήσεις της εγκατάστασης, γι αυτό και ένα κατάλληλο ρευστό

μεταφοράς θερμότητας επιλέγεται για να δώσει κάθε φορά τις επιθυμητές

θερμοκρασίες εξόδου.

3.12.2 ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ABSOLICON X10 Το συγκεντρωτικό σύστημα Absolicon X10 βασίζεται στην ιδέα μιας οικονομικώς

αποδοτικής συσκευής με χρήση της συγκέντρωσης του ήλιου για παραγωγή

μεγαλύτερων ενεργειακών ποσών και ταυτόχρονης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

και θερμότητας. Η ανακλαστική επιφάνεια είναι σχήματος παραβολικού και στην

εστία της βρίσκονται τα φωτοβολταϊκά κύταρρα που απορροφούν την συγκεντρωτική

ακτινοβολία. Ανάμεσά τους, ρευστό διαβρέχει την επιφάνειά τους για την ψύξη και

την καλύτερη λειτουργία τους, ενώ ταυτόχρονα, με την απαγωγή της θερμότητας, το

ρευστό θερμαίνεται και αξιοποιείται για την κάλυψη των θερμικών αναγκών της

εγκατάστασης. Η σχηματική αναπαράσταση του συστήματος με τα τεχνικά

χαρακτηριστικά, παρουσιάζεται παρακάτω:

Production Electricity Hot water (50°C) Thermal U-value Optical n0 direct; diffuseAngular dependence, b0Pressure drop Operating temperature Electrical PV Power at 25°C PV Parameters

120 kWh/m2/annum 750 kWh/m2/annum 0,5 W/m2*K; 0,005 W/m2*K2 70%; 12% 0,1 40 Pa at 300 l/h 10°C – 80°C 100 Wp/m2 active surfaceVoc = 85 V, FF=70% Vmpp = 70 V, Impp = 13 A,

Σχήμα 3.27: Απεικόνιση της λειτουργίας και των τεχνικών χαρακτηριστικών ενός συγκεντρωτικού υβριδικού συστήματος Absolicon X10, συμπαραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας.

Έτσι, με το X10, χρειάζεται μόνο ένα σύστημα προκειμένου να παράγεται

ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα. Με αυτόν τον τρόπο το X10 βελτιστοποιεί τη

χρήση του χώρου εγκατάστασης, παραδείγματος χάριν στις κορυφές στεγών όπου η

ενότητα μπορεί να εγκατασταθεί, ενώ συγχρόνως μειώνονται εντυπωσιακά οι

δαπάνες εγκατάστασης, με την χρήση λιγότερων καλωδίων και σωλήνων. Το

σύστημα κινείται κατά ένα άξονα (γωνία ύψους του ήλιου ή ζενίθια γωνία),

χρησιμοποιώντας μια συσκευή καταδίωξης του ήλιου και ελέγχου (PLC), ενώ με τη

βοήθεια ενσωματωμένων αισθητήρων θερμοκρασίας, εξασφαλίζεται ότι το ηλιακό

σύστημα δεν θα υπερθερμαθεί ποτέ.

Η X10 κατασκευή βελτιστοποιείται για τις εγκαταστάσεις μεγαλύτερες από 20m2.

και προσφέρεται σε τέσσερα διαφορετικά μήκη 6,10,14 και 18 μέτρα. Αυτά τα

διαφορετικά μήκη μπορούν να συνδεθούν σε σειρά για εγκαταστάσεις χωρίς

περιορισμούς επιφάνειας για την κάλυψη μεγάλων θερμικών αναγκών, όπως

παραδείγματος χάριν τα ξενοδοχεία, τα νοσοκομεία, τις βιομηχανίες, τα αθλητικά

κέντρα, τους αερολιμένες και τις πολυκατοικίες.

87

Εικόνα : Εγκατεστημένες μονάδες του συγκεντρωτικού συστήματος Absolicon X10.

3.13 ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΥΣΧΕΤΙΖΟΜΕΝΕΣ ΜΕ ΤΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ

ΜΕΛΕΤΗΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Η μελέτη των συγκεντρωτικών συστημάτων ηλιακής ενέργειας, είναι ένα αντικείμενο

μελέτης πολλών χρόνων και τα τελευταία χρόνια, έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον πολλών

ερευνητών. Έτσι, παρακάτω παρουσιάζεται μια σύντομη αναφορά σε ενδεικτικές εργασίες

των τελευταίων χρόνων, που συσχετίζονται με το αντικείμενο που εξετάζει η εργασία αυτή,

και ειδικότερα για τον τομέα των συγκεντρωτικών συστημάτων φακών Fresnel, V-Trough,

κοίλων παραβολικών κατόπτρων, φωτοβολταϊκών συστημάτων χαμηλής συγκέντρωσης

CPV, όπως επίσης συγκεντρωτικών θερμικών συστημάτων CT, υβριδικών συστημάτων

PV/T και συγκεντρωτικών υβριδικών συστημάτων CPV/T.

Καταλληλότερα για εγκαταστάσεις σε κτίρια, για κάλυψη θερμικών και ηλεκτρικών

αναγκών, είναι τα συστήματα χαμηλής συγκέντρωσης, μιας και δεν απαιτούν μεγάλη

επιφάνεια εγκατάστασης, καθώς και πολλές φορές παρακολούθηση του ήλιου. Οι γεωμετρίες

ποικίλουν, διαχωρίζοντας τα συστήματα αυτά σε πολλές υποκατηγορίες. Όσο αναφορά την

88

γεωμετρία, χρησιμοποιούνται παραβολικά κάτοπτρα (Mallick K. Tapas et al, 2006), σύνθετα

παραβολικά ICS (Mallick et al, 2004 & 2006) καθώς επίσης και επίπεδα κάτοπτρα

(Matsushima et al, 2003). Στην τελευταία κατηγορία, ανήκουν και τα συστήματα V-Trough,

μια από τις απλούστερες γεωμετρίες συγκεντρωτικών συστημάτων, τα οποία μπορούν να

επιτύχουν ομοιόμορφες συγκεντρώσεις με λόγους συγκέντρωσης ~2.5Χ (Martin N. et al,

2008) (Oommen Rachel et al, 2002) και (Sangani C.S. et al 2005 & 2007). Πέρα από τα

συστήματα χαμηλής συγκέντρωσης για εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος, έχουν

αναπτυχθεί συστήματα για την κάλυψη θερμικών αναγκών, τα οποία χρησιμοποιούν

παραβολικά ανακλαστικά μέσα CPC (Tripanagnostopoulos Y. et al, 2002), (Adsten M. et al,

2005) (Souliotis M.et al 2008) ή σύνθετα παραβολικά (Souliotis M.et al 2004),

(Tripanagnostopoulos Y. et al, 2002) και δεν απαιτούν παρακολούθηση του ήλιου.

Τα συστήματα φακών Fresnel εν συνεχεία, επίπεδα ή κοίλα, μπορούν να επιτύχουν

υψηλότερες συγκεντρώσεις από αυτά που αναφέρθηκαν, ενώ παράλληλα μπορούν να

ενταχθούν σε ένα κτίριο και πέρα από την παραγωγή ενέργειας, να παρέχουν φωτισμό. Η

συγκέντρωση που επιτυγχάνουν είναι ανομοιόμορφη και τις περισσότερες φορές απαιτούν

παρακολούθηση του ήλιου (Ryu Kwangsun et al, 2006), (Chemisana Daniel et al, 2009), (Lal

Panna Singh et al, 2009), (Yeh Naichia et al, 2009). Υψηλότερες συγκεντρώσεις

επιτυγχάνουν τα συστήματα κοίλων παραβολικών κατόπτρων, γραμμικής ή σημειακής

εστίας (Feuermann D. et al, 2001), (Badran Ο. et al, 2006), με κίνηση σε ένα ή δύο άξονες.

Για τα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος, με την αύξηση της συγκέντρωσης,

αυξάνεται και η θερμοκρασία λειτουργίας των φωτοβολταϊκών, κάτι που απαιτεί την ψύξη

τους για την βελτιστοποίηση της λειτουργίας και την αποφυγή της θερμικής καταστροφής

(Royne Anja et al, 2005 & 2007), (Mittelman Gur et al, 2007). Με την ψύξη όμως του

συστήματος, μέσω κάποιου ρευστού (νερό ή αέρας), απάγεται η θερμότητα από το

φωτοβολταϊκό, και το θερμό ρευστό μπορεί να χρησιμοποιηθεί περεταίρω για την κάλυψη

θερμικών αναγκών. Αυτή είναι και η βασική ιδέα της λειτουργίας των υβριδικών

συστημάτων αέρα και νερού PV/T (Tripanagnostopoulos Y. et al, 2002) (Tonui J.K.et al,

2007 & 2008) και των συγκεντρωτικών υβριδικών συστημάτων CPV/T (Hamdy M. A.

1998), (Brogren M. et al, 2000), (Segal Akiba et al, 2004), (Othman Y.et al, 2005) (Coventry

S. Joe, 2005), (Rosell J.I.et al, 2005), (Kribus Abraham et al, 2006), τα οποία μπορούν να

παράγουν ταυτόχρονα ηλεκτρική και θερμική ενέργεια, είτε για την κλαυψη των

ενεργειακών αναγκών ενός κτιρίου, είτε για μεγαλύτερες.

89

3.14 ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΟΥ ΕΧΟΥΝ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΘΕΙ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Το Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών

έχει πραγματοποιήσει ένα σημαντικό ερευνητικό έργο τα τελευταία χρόνια, όσον αναφορά

τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα και τις γεωμετρίες συγκεντρωτικών μέσων.

Έτσι, έχει δημοσιεύσει ένας μεγάλος αριθμό εργασιών που αφορούν την μελέτη των τομέων

αυτών. Μερικές από τις εργασίες των τελευταίων χρόνων, που παρουσιάστηκαν σε

ευρωπαϊκά συνέδρια, είναι οι εξής:

Αρχικά, το 2005 παρουσιάζεται στο 20th European PV Solar Energy Conference της

Βαρκελώνης η εργασία με τίτλο “Design and performance aspects for low concentration

photovoltaics”. Στην εργασία αυτή, μελετώνται νέα σχέδια και αποδόσεις συγκεντρωτικών

φωτοβολταϊκών χαμηλής συγκέντρωσης, όπου μπορεί να επιτευχθεί ομοιόμορφη κατανομή

συγκέντρωσης. Προτείνεται σαν συγκεντρωτικά μέσα η χρήση κατοπτρικών και διάχυτων

ανακλαστήρων καθώς και η ψύξη των συστημάτων αυτών για την βελτιστοποίηση της

λειτουργίας τους μετατρέποντάς τα σε υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα. Το

2006, στο 21st European PV Solar Energy Conference της Δρέσδης στην Γερμανία,

παρουσιάζεται η εργασία με τίτλο “Cost effective designs of building integrated PV/T solar

systems”, που αφορά την εγκατάσταση υβριδικών συστημάτων σε κτίρια ως συστήματα

προθέρμανσης νερού σε συνδυασμό με κλασσικούς ηλιακούς συλλέκτες καθώς και η

αισθητική του ένταξη σ’ αυτά. Το 2007, παρουσιάζονται τρεις εργασίες με τίτλο “Linear

fresnel lenses with photovoltaics for cost effective electricity generation and solar control of

buildings”, “Design and performance of hybrid PV/T solar water heaters” και Aspects for

low concentration photovoltaics”, στο Conference ICSC-4 (El Escorial, Spain), στο

Conference ESTEC2007 (Freiburg, Germany) και στο Margurg (Γερμανία) αντίστοιχα. Η

πρώτη εργασία εξετάζει την χρήση συγκεντρωτικών συστημάτων Fresnel στα κτίρια για

παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και δημιουργία φυσικού φωτισμού, καθώς επίσης και

η χρήση τους σαν υβριδικά συστήματα. Η δεύτερη εργασία παρουσιάζει την ημερήσια

λειτουργία υβριδικών συστημάτων αέρα και νερού καθώς επίσης και των θερμικών

αποδόσεών τους και η τρίτη, μια σειρά νέων ιδεών και γεωμετρικών σχεδίων για την χρήση

τους ως συγκεντρωτικά μέσα, σε χαμηλής συγκέντρωσης συστήματα, εκμεταλλεύοντας την

ανομοιόμορφη συγκέντρωση, είτε για παραγωγή ηλεκτρικής, είτε για θερμικής ενέργειας.

Βασισμένη στην ίδια ιδέα, ακολουθεί την ίδια χρονιά στο Μιλάνο η εργασία με τίτλο

90

“Ιmproved designs for low concentration photovoltaics”. Το 2008, στη Βαλένθια η εργασία

με τίτλο “Novel designs of building integrated concentrating photovoltaics”, παρουσιάζει νέα

σχέδια ακίνητων συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών/θερμικών (CPV/T ή CPVT) ηλιακών

συσσωρευτών με χρήση επίπεδων και παραβολικών ανακλαστικών μέσων, με σκοπό την

μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα. Τέλος, το 2009,

παρουσιάζονται 4 εργασίες με τίτλους: “Design and Performance of a Hybrid PV/T Solar

Water Heater” (Alexandroupolis), “Optical study of new designs for CPVT systems”

(Darmstadt), “Building Integrated Concentrating Photovoltaics” (Lausanne) και “Hybrid

PV/T Building Integrated Concentrating Photovoltaics” (Munich). Στην πρώτη εργασία

παρουσιάζεται η λειτουργία ενός νέου μοντέλου υβριδικού συστήματος για κτιριακή

εγκατάσταση σε steady state συνθήκες αλλά και σε ημερήσια λειτουργία με χρήση

θερμοσυφωνικού κύκλου. Οι ακόλουθες εργασίες εξετάζουν την χρήση συγκεντρωτικών

συστημάτων, υβριδικών και μη, για εγκαταστάσεις στα κτίρια με την βέλτιστη αισθητική και

αποδοτική λειτουργία. Παρουσιάζονται νέα αρχιτεκτονικά σχέδια και γεωμετρίες

συγκεντρωτικών μέσων, με λόγους συγκέντρωσης CR>2.5 και χρήση επίπεδων,

παραβολικών, διάχυτων και κατοπτρικών ανακλαστικών μέσων.

91

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει μια περιγραφή των μετρητικών οργάνων παρακολούθησης

των μονάδων παραγωγής ενέργειας καθώς και των συγκεντρωτικών συστημάτων που

μελετήθηκαν με τα επιμέρους τμήματά τους, με τα οποία διαπραγματεύεται η παρούσα

εργασία.

4.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, κατασκευάστηκαν τρεις τύποι

συγκεντρωτικών συστημάτων, διαφορετικής γεωμετρικής και οπτικής συγκέντρωσης του

ηλιακού φωτός. Τα τρία συστήματα που κατασκευάστηκαν, η θεωρία των οποίων

παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, είναι το σύστημα V-Trough, ο διαθλαστικός

φακός Fresnel γραμμικής εστίασης και το κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής

εστίασης, τα οποία είναι συστήματα χαμηλής και μέσης συγκέντρωσης, με εύρη τιμών

γεωμετρικής συγκέντρωσης 1Χ-15Χ και οπτικής 1Χ-10Χ. Κάθε ένα από τα συστήματα

παρουσιάζεται αναλυτικά παρακάτω:

4.1.1 ΣΥΣΤΗΜΑ V-TROUGH

Με βάση το θεωρητικό υπόβαθρο της ενότητας 3.5, κατασκευάστηκαν δύο πειραματικά

σύστημα V-Trough, χρησιμοποιώντας διαφορετικά οπτικά υλικά συγκέντρωσης, για την

εξέταση της συμπεριφοράς των φωτοβολταϊκών κάτω από οπτικές συγκεντρώσεις μεγέθους

1Χ-3Χ και ομοιόμορφη κατανομή της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του

απορροφητή. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο του Mannan, (1978) για μία οπτική ανάκλαση

και του Burkhard, (1978) για πολλαπλές, και γνωρίζοντας το μήκος το κάτοπτρων και του

απορροφητή, εύκολα υπολογιζόταν θεωρητικά η τιμή της γωνίας οπτικού ανοίγματος και ο

93

γεωμετρικός λόγος συγκέντρωσης. Το πειραματικό προς εξέταση σύστημα, παρουσιάζεται

στο παρακάτω σχήμα:

Σχήμα 4.1: Συγκεντρωτικό σύστημα V-Trough

Σε αυτό το πειραματικό σκέλος, εξετάστηκαν δύο πειραματικά μοντέλα του παραπάνω

γεωμετρικού τύπου, με χρήση κατοπτρικής και διάχυτης συγκέντρωσης, χρησιμοποιώντας

στην κάθε περίπτωση σαν ανακλαστική επιφάνεια καθρέφτη με συντελεστή ανάκλασης

ρ=0,865 και λευκή ματ επιφάνεια με συντελεστή ανάκλασης ρ=0.516, όπως φαίνεται στις

παρακάτω εικόνες:

Εικόνα 4.1: Ανακλαστική κατοπτρική επιφάνεια (αριστερά) και διάχυτη (δεξιά) του πειραματικού συστήματος V-Trough

94

Έτσι τα πειραματικά προς εξέταση μοντέλα, είναι τα ακόλουθα:

Diffuse V-Trough Concentrating System

Specular V-Trough Concentrating System

Με την χρήση των μαθηματικών τύπων των πρότυπων μοντέλων που προαναφέρθηκαν και

με πειραματική επαλήθευση, βρέθηκαν οι τιμές των γωνιών του οπτικού ανοίγματος σε

συνάρτηση με το μήκος του ανακλαστικού μέσου και καταγράφτηκαν στον παρακάτω

πίνακα:

Γωνία οπτικού

ανοίγματος

Μήκος ανακλαστικού

μέσου

98ο 10cm

105ο 25cm

118ο 50cm

Πίνακας 4.1: Τιμές των γωνιών του οπτικού ανοίγματος σε συνάρτηση με το μήκος του ανακλαστικού μέσου για το σύστημα V-Trough

Σχήμα 4.2: Τιμές των γωνιών του οπτικού ανοίγματος σε συνάρτηση με το μήκος του ανακλαστικού μέσου για το σύστημα V-Trough

Το σύστημα στηρίχτηκε σε μια βάση περιστροφής, έτσι ώστε με τον προσανατολισμό του

συστήματος σε άξονα κάθετο της επιφάνειας του απορροφητή και των προσπίπτων ηλιακών

ακτίνων, να επιτυγχάνεται κάθε φορά ομοιόμορφη συγκέντρωση στην επιφάνεια του

φωτοβολταϊκού.

95

4.1.2 ΣΥΣΤΗΜΑ FRESNEL ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ

Για την κατασκευή του συγκεντρωτικού συστήματος Fresnel και την εξέταση της

συμπεριφοράς των φωτοβολταϊκών κάτω από ανομοιόμορφη κατανομή της ακτινοβολίας,

χρησιμοποιήθηκε ένας φακός Fresnel εστίασης απόστασης 50cm (εικόνα 4.2) και

διαστάσεων 40cm x 60cm, όπου μπορούσε να επιτύχει οπτικούς λόγους συγκέντρωσης της

τάξης του 3.5Χ (λόγω του πλάτους του απορροφητή). Μια σχηματική αναπαράσταση του

συστήματος παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα:

Σχήμα 4.2: Κάτοψη του συγκεντρωτικού συστήματος Fresnel

Μεταβάλλοντας κάθε φορά την απόσταση της απορροφητικής επιφάνειας (φωτοβολταϊκό)

και του φακού, άλλαζε η κατανομή της ακτινοβολίας και ο οπτικός λόγος συγκέντρωσης,

εξετάζοντας έτσι το σύστημα και τις παραμέτρους του κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Με

μεταβολή της απόστασης ανά 5cm για ένα εύρος τιμών 25cm-50cm, το σύστημα εξετάστηκε

για τις εξής περιπτώσεις :

Concentrating Fresnel System R=25cm Concentrating Fresnel System R=30cm Concentrating Fresnel System R=35cm Concentrating Fresnel System R=40cm Concentrating Fresnel System R=45cm Concentrating Fresnel System R=50cm

96

Και εδώ, ο προσανατολισμός του συστήματος γινόταν με την βοήθεια μιας

περιστροφικής βάσης, σε άξονα κάθετο της επιφάνειας του φακού και των προσπίπτων

ηλιακών ακτίνων για την επίτευξη της συγκέντρωσης στον απορροφητή.

Εικόνα 4.2: Ο φακός Fresnel που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή του πειραματικού συστήματος

4.1.3 ΚΥΛΙΝΔΡΟΠΑΡΑΒΟΛΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ

Για την κατασκευή του κυλινδροπαραβολικού συγκεντρωτικού συστήματος,

χρησιμοποιήσαμε μια παραβολή με εξίσωση y=0.0026x2, μήκος χορδής 160cm και εστιακή

απόσταση στα 96cm. Με δεδομένο το πλάτος του απορροφητή στα 10cm, ο μέγιστος

γεωμετρικός λόγος που μπορούσε να επιτευχθεί, είναι ο 15Χ. Μια σχεδιαστική απεικόνιση

της παραβολής, φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

97

y = 0.0026x2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8

f=1/4a=96cm

0

Σχήμα 4.3: Γραφική απεικόνιση της γεωμετρίας της παραβολής

Ο απορροφητής, είτε φωτοβολταϊκός είτε θερμικός, τοποθετήθηκε σε απόσταση 90cm

από το σημείο ‘0’ της παραβολής, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Το σύστημα,

απαιτούσε για την λειτουργία του την ιχνηλατική του ήλιου σε δύο άξονες. Έτσι,

κατασκευάστηκε μια περιστροφική βάση με παρακολούθηση του ήλιου στους άξονες του

αζιμούθιου και του ύψους, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Σχήμα 4.4: Βάση στήριξης και περιστροφής του συστήματος για την ιχνηλάτιση του ήλιου.

98

Σχήμα 4.5: Απεικόνιση του κυλινδροπαραβολικού συστήματος με τις δυνατότητες κίνησης του.

Έτσι, το σύστημα, ανάλογα με την θέση του ηλίου στον ορίζοντα, μπορούσε να κινηθεί

κατά την γωνία του αζιμούθιου (εικόνα 4.4) και του ύψους (εικόνα 4.3), έτσι ώστε το είδωλο

να βρίσκεται πάντα στο εύρος του απορροφητή.

Εικόνα 4.3: Απεικονίσεις του κυλινδροπαραβολικού συστήματος με την δυνατότητα κίνησης του κατά

την γωνία του ύψους του ηλίου (ή ζενίθια γωνία), σε τέσσερα στάδια.

99

Εικόνα 4.4: Απεικονίσεις του κυλινδροπαραβολικού συστήματος με την δυνατότητα κίνησης του κατά

την γωνία του αζιμούθιου του ηλίου, σε τρία στάδια.

Κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν δύο τύποι κυλινδροπαραβολικών συστημάτων, με

την ίδια γεωμετρία αλλά διαφορετικές ανακλαστικές επιφάνειες, για παραγωγή θερμικής

ενέργειας και ηλεκτρικής ισχύος. Στην μια περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε ως ανακλαστική

επιφάνεια ανοξείδωτη λαμαρίνα (Cold-κωδική ονομασία από λογισμικό πρόγραμμα ray

tracing) ανακλαστικότητας ρ=0.712 και στην δεύτερη φέτες καθρέφτη (Mirror),

ανακλαστικότητας ρ=0.846, που προσαρμόζονταν στην καμπύλη της παραβολής. Με αυτόν

τον τρόπο, κατέστη δυνατή η μελέτη του συστήματος κάτω από διαφορετική κατανομή της

ακτινοβολίας στον συλλέκτη και για υψηλότερες συγκεντρώσεις, που άγγιζαν την τιμή του

οπτικού λόγου συγκέντρωσης του 10Χ. Έτσι, τα πειραματικά μοντέλα καθώς και οι

απεικονίσεις τους, με θερμικό απορροφητή και φωτοβολταϊκό πάνελ, παρουσιάζονται

παρακάτω:

Cold Parabolic Concentrator/ Electrical (CPC/E)

Mirror Parabolic Concentrator/ Electrical (MPC/E)

Και

Cold Parabolic Concentrator/ Thermal (CPC/T)

Mirror Parabolic Concentrator/ Thermal (MPC/T)

100

Εικόνα 4.5: Κυλινδροπαραβολικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος CPC/E (αριστερά) και

MCP/E (δεξιά)

Εικόνα 4.6: Κυλινδροπαραβολικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας CPC/Τ (αριστερά) και

MCP/Τ (δεξιά)

101

4.2 ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΤΜΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

4.2.1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ

Το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για τον μέτρηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των

τριών συγκεντρωτικών συστημάτων, αποτελείται από τρία φωτοβολταϊκά πλαίσια

μονοκρυσταλλικού πυριτίου (mc-Si) πρώτης γενιάς. Τα φωτοβολταϊκά είναι ονομαστικής

ισχύος 1,27 Watt το καθένα, διάστασης 15cm x 9cm και εμβαδού 0.0135m2.

Εικόνα 4.7: Απεικόνιση των μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών που χρησιμοποιήθηκαν

Τα τρία πλαίσια, συνολικού εμβαδού 0,0405 m2, είναι συνδεμένα σε σειρά και

λειτουργούν με κοινό ρεύμα προσφέροντας μέγιστη τάση. Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας

του και η μορφή του φωτοβολταικού συλλέκτη που κατασκευάστηκε, φαίνονται παρακάτω.

Ηλεκτρική Απόδοση σε πρότυπες καταστάσεις δοκιμής (STC)

Ονομαστική μέγιστη ισχύς εξόδου (Pmax) 3,81 W Ονομαστική μέγιστη τάση (Vmpp) 14,91 V Ονομαστικό μέγιστο ρεύμα (Impp) 0,26 A Τάση ανοιχτού κυκλώματος (Voc) 19,59 V Ρεύμα βραχυκυκλώσεως (Isc) 0,29 A

Εικόνα 4.8: Απεικόνιση του φωτοβολταϊκού συλλέκτη

102

Σχήμα 4.6: Χαρακτηριστικές καμπύλες Ι-V του φωτοβολταϊκού συλλέκτη για σταθερή ακτινοβολία και διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας λειτουργίας

y = 0,0002x + 0,2555

y = -0,0793x + 21,173

y = 7E-05x + 0,2323

y = -0,0778x + 16,481

y = -0,0172x + 3,8308

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

10 20 30 40 50 60

G (W/m

2)

T module (oC)

Isc

Voc

Ipmax

Vpmax

Pmax

G

Σχήμα 4.7: Οι τιμές των Ιsc, Ipmax, Voc, Vpmax και Pmax, συναρτήσει της θερμοκρασίας λειτουργίας του

φωτοβολταϊκού συλλέκτη και της ακτινοβολίας

103

y = -0,0006x + 0,1379

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

10 20 30 40 50 60 70

nel

T (oC)

nel

Σχήμα 4.8: H ηλεκτρική απόδοση συναρτήσει της θερμοκρασίας λειτουργίας του φωτοβολταϊκού

συλλέκτη

4.2.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΥΞΗΣ

Με την χρήση συστημάτων συγκέντρωσης του φωτός σε μια επιφάνεια, σαν φυσικό

επακόλουθο είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο

κεφάλαιο, κάτι τέτοιο δρα αρνητικά για την ηλεκτρική απόδοση ενός φωτοβολταϊκού. Έτσι,

για την διατήρηση του φωτοβολταϊκού συλλέκτη σε μια καθορισμένη θερμοκρασία και την

αποφυγή καταστροφής του, απαραίτητη ήταν η κατασκευή ενός συστήματος ψύξης. Στα

πλαίσια του εργαστηρίου, κατασκευάστηκε ένα σύστημα υδρόψυξης, το οποίο

παρουσιάζεται στο παρακάτω σχέδιο:

Σχήμα 4.9 : Κάτοψη του συστήματος ψύξης για τον φωτοβολταϊκό συλλέκτη

104

Όπως φαίνεται από το σχήμα, στην πίσω επιφάνεια του φωτοβολταϊκού, προσαρμόστηκε

μια επιφάνεια αλουμινίου μερικών mm, διαμέσου της οποίας έρεε νερό που απολάμβανε

διαμέσου αγωγής την θερμότητα, με αποτέλεσμα την ψύξη του και την καλύτερη λειτουργία

του. Για την επίτευξη καλύτερης αγωγιμότητας του συστήματος, χρησιμοποιήθηκε αγώγιμη

κεραμική πάστα της εταιρείας Ceramique (εικόνα) μεταξύ του φωτοβολταϊκού συλλέκτη και

του συστήματος ψύξης, με τα εξής χαρακτηριστικά:

Thermal Resistance: <0.007°C-in /Watt (0.001 inch layer) 2

Thermal Conductance: >200,000W/m .°C (0.001 inch layer) 2

Average Particle Size: <0.38 microns <0.000015 inch

Temperature limits: Peak: –150°C to >180°C Long-Term: –150°C to 125°C

Εικόνα 4.9: Αγώγιμη κεραμική πάστα

Το σύστημα ψύξης που κατασκευάστηκε και απεικονίζεται παρακάτω, διαστάσεων 55cm

x 10cm x 1.5cm, συνδεόταν με το δίκτυο ύδρευσης, όπου η θερμοκρασία εισόδου του

ρευστού κυμαινόταν μεταξύ των τιμών 18-28οC και για ροή 0.018-0.022 lt/sec (ή 18-22

gr/sec)

105

Εικόνα 4.10: Απεικόνιση του συστήματος ψύξης για τον φωτοβολταϊκό συλλέκτη

4.2.3 ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗΣ

Για την εξέταση των συγκεντρωτικών συστημάτων ως προς την θερμική πλευρά και για

την περαιτέρω μελέτη του σαν υβριδικό συγκεντρωτικό φωτοβολταϊκό/θερμικό σύστημα,

κατασκευάστηκε ένας θερμικός απορροφητής από φύλλο χαλκού πάχους 1mm και

διαστάσεων 55cm x 10cm, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Σχήμα 4.10: Εμπρόσθια και πίσω επιφάνεια του θερμικού απορροφητή που χρησιμοποιήθηκε για τις

πειραματικές μετρήσεις.

106

Η μελέτη των συγκεντρωτικών συστημάτων ως προς την θερμική τους απόδοση, έγινε με

μόνωση του απορροφητή και χωρίς, έτσι ώστε να εκτιμηθεί το επιπρόσθετο κέρδος ενέργειας

περιορίζοντας τις θερμικές απώλειες. Οι δύο τύποι θερμικών απορροφητών, παρουσιάζονται

στις παρακάτω εικόνες:

Εικόνα 4.11: Θερμικός απορροφητής χωρίς μόνωση (αριστερά) και με μόνωση (δεξιά)

4.3 ΜΕΤΡΗΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ

4.3.1 ΠΥΡΑΝΟΜΕΤΡΟ

Το πυρανόμετρο που χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση της ολικής ακτινοβολίας είναι

της εταιρίας Kipp & Zonen με την κωδική ονομασία CM 3 (εικόνα 14). Η καταγραφή της

έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας γινόταν με μετατροπή της τιμής της τάσης εξόδου του

πυρανομέτρου σε μονάδες έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (Wm-2) μέσω κατάλληλου

συντελεστή (λπυρ=94.37). Ο θερμικός ανιχνευτής του μοντέλου CM 3 έχει την δυνατότητα

να μετρήσει τιμές της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας μέχρι τα 4000 W/m2 με σφάλμα της

107

τάξης του ± 15 W/m2 με χρόνο απόκρισης μικρότερο από 18 sec. Επίσης είναι ικανό να

λειτουργήσει άρτια σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών ( -10 oC έως +80 oC ) και με

σταθερότητα καλύτερη από 1% ανά έτος.

Εικόνα 4.12: Πυρανόμετρο CM 3

4.3.2 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ

Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιήθηκαν θερμοζεύγη χαλκού-

κονσταντάνης (CuNi-τύπου T) τα οποία συνδέθηκαν με το μετρητικό όργανο. Τα

θερμοζεύγη τύπου Τ, έχουν τη δυνατότητα να μετρήσουν θερμοκρασίες από -185 oC έως

+300 oC με ακρίβεια ± 0.5 oC μεταξύ -40 oC - 125 oC και ± 0.004 oC x T μεταξύ +125 oC -

+300 oC, όπου Τ η τιμή της ένδειξης της θερμοκρασίας του οργάνου. Τα όργανα που

χρησιμοποιήθηκαν για την μέτρηση της θερμοκρασίας παρουσιάζονται στην παρακάτω

εικόνα:

Εικόνα 4.13: Απεικόνιση των μετρητικών οργάνων μέτρησης της θερμοκρασίας

108

4.3.3 PVPM

Για την μέτρηση των χαρακτηριστικών καμπύλων I-V του φωτοβολταϊκού συλλέκτη των

συγκεντρωτικών συστημάτων, χρησιμοποιήθηκε ένα μετρητικό όργανο της εταιρείας PV-

Engineering GmbH, το PVPM 2540C, το οποίο παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα:

Εικόνα 4.14: Απεικόνιση του μετρητικού συστήματος PVPM

Πέραν όμως από τις καμπύλες I-V, μπορεί να μετρήσει με μεγάλη ακρίβεια τις τιμές της

μέγιστης ισχύος Pmax, της τάσης ανοικτού κυκλώματος Voc, του ρεύματος βραχυκύκλωσης

Isc, της τάσης και ρεύματος που έχουμε μέγιστη ισχύ Vpmax, Ipmax, του παράγοντα

πληρώσεως FF, καθώς και των αντιστάσεων Rs και Rp. Τα χαρακτηριστικά εύρη λειτουργίας

του οργάνου είναι 250V- 40A και οι διαστάσεις του 48x16x35cm. Η επεξεργασία των

δεδομένων γίνεται μέσω του λογισμικού pvpm.disp, όπου μια απεικόνισή του παρουσιάζεται

παρακάτω:

Εικόνα 4.15: Απεικόνιση του λογισμικού προγράμματος pvpm.disp

109

4.3.4 ΜΕΤΡΗΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ (Cref)

Για τον υπολογισμό του οπτικού λόγου συγκέντρωσης καθώς και των σχηματισμό του

προφίλ του ειδώλου των συγκεντρωτικών συστημάτων, χρησιμοποιήθηκαν δύο όργανα

(Cref) τα οποία κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο και παρουσιάζονται στην παρακάτω

εικόνα:

Εικόνα 4.16: Απεικόνιση των μετρητικών οργάνων οπτικού λόγου συγκέντρωσης Cref

Για την κατασκευή τους, χρησιμοποιήθηκαν μέρη φωτοβολταϊκών κυττάρων,

πολυκρυσταλλικού πυριτίου για τις χαμηλές συγκεντρώσεις και συγκεντρωτικού τύπου

πολλών ηλεκτροδίων για τις υψηλές, με διαστάσεις 1cm x 1cm για καταγραφή των προφίλ

με μεγαλύτερη ακρίβεια (εικόνα 4.17). Με την σύνδεση των οργάνων σε ένα πολύμετρο,

καταγραφόταν η ένδειξη του οπτικού λόγου συγκέντρωσης, με σημείο αναφοράς την ένδειξη

του οργάνου για άξονα κάθετο στην επιφάνεια του απορροφητή (άξονα προσανατολισμού).

Εικόνα 4.17: Απεικόνιση των μετρητικών οργάνων χαμηλών λόγων συγκέντρωσης (αριστερά)και

υψηλού λόγου συγκέντρωσης (δεξιά)

110

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα των μετρήσεων που

πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια του προγράμματος μεταπτυχιακών σπουδών κατά το

χρονικό διάστημα 2007-2009. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της συμπεριφοράς

των ιδιοτήτων συμβατικών φωτοβολταϊκών κάτω από τρεις διαφορετικούς τύπους

συγκεντρώσεων και κατά συνέπεια και τάξης μεγέθους οπτικής συγκέντρωσης της ηλιακής

ακτινοβολίας. Με την αύξησης της συγκέντρωσης όμως, αναμενόμενη είναι και η αύξηση

της θερμοκρασίας λειτουργίας του φωτοβολταϊκού. Έτσι, σε επόμενο στάδιο, εξετάζεται η

χρήση της καταλληλότερης γεωμετρίας για την κατασκευή ενός υβριδικού

φωτοβολταϊκού/θερμικού συγκεντρωτικού συστήματος, συμπαραγωγής ηλεκτρικής και

θερμικής ενέργειας. Τα πειραματικά αποτελέσματα που ακολουθούν, περιλαμβάνουν τιμές

τάσεων, ρευμάτων, ισχύος, θερμοκρασιών και εντάσεων της ηλιακής ακτινοβολίας

Με τη βοήθεια των μετρήσεων αυτών, έγιναν υπολογισμοί και διαγράμματα που

σχετίζονται με τη λειτουργία και την απόδοση τόσο των συστημάτων αυτών. Τέτοια

διαγράμματα είναι οι θερμικές και ηλεκτρικές αποδόσεις, οι διακυμάνσεις των τάσεων, των

ρευμάτων και της ισχύος σε συνάρτηση με την θερμοκρασία λειτουργίας, τα προφίλ

κατανομής της ακτινοβολίας στον συλλέκτη, θεωρητικά προφίλ κατανομής της ακτινοβολίας

μέσω λογισμικού προγράμματος καθώς και διαγράμματα συσχέτισης οπτικού λόγου

συγκέντρωσης, γεωμετρικού λόγου συγκέντρωσης και απόδοσης.

Έτσι, στις υποενότητες που ακολουθούν, παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα

για το καθένα σύστημα ξεχωριστά, όπου είναι:

Σύστημα V-Through

Σύστημα Fresnel γραμμικής εστίας

Κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής εστίας

111

5.2 ΣΥΣΤΗΜΑ V-THROUGH

Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, το σύστημα V-Through μελετήθηκε με δύο

διαφορετικές ανακλαστικές επιφάνειες, την λευκή (Diffuse) και την κατοπτρική (Specular),

ανακλαστικότητας ρ=0.516 και ρ=0.845 αντίστοιχα, καθώς και για τρία διαφορετικά μήκη

ανακλαστικής επιφάνειας για την κάθε περίπτωση (L=10cm, 25cm, 50cm). Έτσι, τα έξι

πειραματικά μοντέλα προς εξέταση για το σύστημα V-Trough, είναι τα ακόλουθα:

Diffuse V-Trough Concentrating System L=10cm



Specular V-Trough Concentrating System L=10cm



Αρχικά παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των έξι πειραματικών συστημάτων

και εν συνεχεία, στην υποενότητα των συγκεντρωτικών αποτελεσμάτων, γίνεται σχολιασμός

αυτών και περεταίρω συζήτηση.

112

5.2.1 DIFFUSE V-TROUGH CONCENTRATING SYSTEM L=10CM

Με την χρήση του μοντέλου Α και με την πειραματική επαλήθευση, η γωνία του οπτικού

ανοίγματος βρέθηκε ίση με 118ο . Έτσι, τα πειραματικά αποτελέσματα του συστήματος

αυτού, είναι τα ακόλουθα:

y = -0,0003x + 0,3292

y = -0,0721x + 21,689

y = -0,0599x + 16,399

y = -0,0268x + 5,0894

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

10 20 30 40 50

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2

Σχήμα 5.1: Γραφική απεικόνιση της τάσεως (μέγιστης Vpmax και ανοιχτού κυκλώματος Voc) του

ρεύματος (μέγιστου Ιpmax και βραχυκυκλώσεως Ιsc) και της μέγιστης ισχύος, συναρτήσει της

θερμοκρασίας λειτουργίας, κάτω από σταθερή ακτινοβολία.

Electrical Performance

y = -0,0007x + 0,1586

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

10 20 30 40 50

T (oC)

nel

nel

Σχήμα 5.2: Γραφική απεικόνιση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας

λειτουργίας.

113

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Length (cm)

Co

nce

ntr

atio

n

Σχήμα 5.3: Γραφική απεικόνιση της κατανομής της συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας στην

επιφάνεια του απορροφητή (αριστερά) και προσομοίωση της συγκέντρωσης μέσω λογισμικού (δεξιά).

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.4W

14.68 V

0.30 A

19.57 V

0.32 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.5W

15.09 V

0.30 A

19.98 V

0.32 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=24.3οC FF=66.7% Tpv=29.6οC FF=69.6%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.1W

14.00 V

0.29 A

19.23 V

0.32 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 4.1W

14.24 V

0.29 A

19.03 V

0.32 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=33.7οC FF=66.8% Tpv=34.3οC FF=67%

Σχήμα 5.4: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V του φωτοβολταϊκού για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας,

κάτω από σταθερή ακτινοβολία G=1024W/m2.

114



ανοίγματος βρέθηκε ίση με 105ο. Έτσι, τα πειραματικά αποτελέσματα του συστήματος


y = -0,0011x + 0,3635

y = -0,081x + 22,14

y = -0,0873x + 17,617

y = -0,035x + 5,5321

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2





y = -0,0012x + 0,1795

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

20 30 40 50

T (oC)

nel

nel



115

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Length (cm)

Co

nce

ntr

atio

n


επιφάνεια του απορροφητή (αριστερά) και προσομοίωση της συγκέντρωσης μέσω λογισμικού (δεξιά)

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.4W

14.71 V

0.30 A

19.50 V

0.33 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.5W

15.05 V

0.30 A

19.79 V

0.33 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=28.6οC FF=69.7% Tpv=32.1οC FF=68.8%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.3W

14.67 V

0.29 A

19.30 V

0.32 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.2W

14.19 V

0.29 A

19.05 V

0.32 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=35οC FF=69.2% Tpv=38.4οC FF=68.6%



116



ανοίγματος βρέθηκε ίση με 98ο. Έτσι, τα πειραματικά αποτελέσματα του συστήματος αυτού,

είναι τα ακόλουθα:

y = -0,001x + 0,3415

y = -0,1056x + 23,023

y = -0,1454x + 19,647

y = -0,0477x + 5,6752

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2





y = -0,0018x + 0,1938

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

20 30 40 50 60

T (oC)

ne

l

nel



117

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Length (cm)

Co

nce

ntr

atio

n



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.2W

15.02 V

0.28 A

19.72 V

0.31 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.0W

14.42 V

0.28 A

19.24 V

0.31 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=32.4οC FF=69.1% Tpv=35.9οC FF=66.7%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.8W

14.22 V

0.27 A

18.92 V

0.30 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.3W

13.80 V

0.24 A

18.50 V

0.30 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=43.9οC FF=66.5%Tpv=38.2οC FF=67.7%



118

5.2.4 SPECULAR V-TROUGH CONCENTRATING SYSTEM L=10CM




y = -0,103x + 23,32

y = -0,0046x + 0,5454

y = -0,068x + 17,441

y = -0,094x + 9,0625

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2





y = -0,003x + 0,2912

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

20 30 40 50 60

T (oC)

nel

nel



119

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Length (cm)

Co

nce

ntr

atio

n



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,03

0,07

0,11

0,15

0,19

0,23

0,27

0,31

0,35

0,39

0,43

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.9W

15.46 V

0.38 A

19.97 V

0.43 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,03

0,07

0,11

0,15

0,19

0,23

0,27

0,31

0,35

0,39

0,43

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.4W

14.54 V

0.37 A

19.36 V

0.42 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=31.4οC FF=69.5% Tpv=38.4οC FF=66.1%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,03

0,07

0,11

0,15

0,19

0,23

0,27

0,31

0,35

0,39

0,43

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.3W

14.18 V

0.38 A

18.88 V

0.42 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.6W

14.68 V

0.31 A

18.65 V

0.40 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=42.1οC FF=66.5% Tpv=46.4οC FF=61.7% Σχήμα 5.16: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V του φωτοβολταϊκού για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας,


120





y = -0,0029x + 0,6683

y = -0,0878x + 22,871

y = 0,0216x + 13,297

y = -0,1202x + 11,511

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2





y = -0,0038x + 0,3575

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

20 30 40 50 60

T (oC)

ne

l

nel



121

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Length (cm)

Co

nce

ntr

atio

n



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,05

0,11

0,17

0,23

0,29

0,35

0,41

0,47

0,53

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 7.5W

14.71 V

0.51 A

19.98 V

0.57 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,05

0,11

0,17

0,23

0,29

0,35

0,41

0,47

0,53

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.6W

13.65 V

0.49 A

19.23 V

0.53 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=34οC FF=65.9% Tpv=41.5οC FF=64.4%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,05

0,11

0,17

0,23

0,29

0,35

0,41

0,47

0,53

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.8W

14.39 V

0.41 A

18.77 V

0.53 AI-V-curve

MPP marking

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,05

0,11

0,17

0,23

0,29

0,35

0,41

0,47

0,53

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.5W

14.32 V

0.39 A

18.38 V

0.53 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=47.8οC FF=57.5% Tpv=51.5οC FF=56.8% Σχήμα 5.20: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V του φωτοβολταϊκού για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας,


122



ανοίγματος βρέθηκε ίση με 98ο. Έτσι, τα πειραματικά αποτελέσματα του συστήματος αυτού,

είναι τα ακόλουθα:

y = -0,0744x + 22,015

y = -0,0035x + 0,5541

y = -0,0273x + 15,008

y = -0,0599x + 8,1559

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

10 20 30 40 50 60 70

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2





y = -0,0035x + 0,3553

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

20 30 40 50 60 70

T (oC)

ne

l

nel



123

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Length (cm)

Co

nce

ntr

atio

n



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,04

0,09

0,14

0,19

0,24

0,29

0,34

0,39

0,44

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.9W

12.91 V

0.38 A

18.55 V

0.45 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=30,9οC FF=65.4%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,04

0,09

0,14

0,19

0,24

0,29

0,34

0,39

0,44

0,49

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.0W

13.84 V

0.36 A

18.30 V

0.51 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=49.1οC FF=55.2%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,04

0,09

0,14

0,19

0,24

0,29

0,34

0,39

0,44

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.6W

14.07 V

0.33 A

18.41 V

0.48 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=40.5οC FF=63.3%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,03

0,07

0,11

0,15

0,19

0,23

0,27

0,31

0,35

0,39

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.9W

13.50 V

0.29 A

17.79 V

0.41 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=61.6οC FF=55.8%



124

5.2.7 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ V-TROUGH

Για την καλύτερη κατανόησης των πειραματικών αποτελεσμάτων, παρακάτω

παρουσιάζονται συγκριτικά αποτελέσματα μεταξύ των πειραματικών συγκεντρωτικών

συστημάτων V-Trough, όσο αναφορά την ηλεκτρική αποδοτικότητα και τον γεωμετρικό και

οπτικό λόγο συγκέντρωσης.

V Diffuse Performance

y = -0,0006x + 0,1387

y = -0,0012x + 0,1795

y = -0,0013x + 0,1875

y = -0,001x + 0,1666

0,08

0,09

0,10

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

0,17

0,18

20 25 30 35 40 45 50 55 60T module (oC)

nel

C=1 Cg=2.43 L=25cm Cg=2.54 L=50cm Cg=2.11 L=10cm


λειτουργίας για τα τρία πειραματικά συστήματα V-Trough με χρήση διάχυτης ανακλαστικής επιφάνειας

Μελετώντας το παραπάνω διάγραμμα των αποδόσεων για τα τρία πειραματικά μοντέλα

V-Trough με χρήση διάχυτης ανακλαστικής επιφάνειας, παρατηρούμε πως έχουμε μια

μέγιστη αύξηση στην ηλεκτρική αποδοτικότητα κατά 2,79% για L=10cm ανακλαστική

επιφάνεια, κατά 4,08% για L=25cm και κατά 4,88% για L=50cm, η οποία μικραίνει όσος

αυξάνει η θερμοκρασία λειτουργίας του φωτοβολταϊκού. Οι καμπύλες έχουν σχεδόν την ίδια

κλίση, μιας και η συγκέντρωση δεν είναι μεγάλη και υπάρχει ομοιομορφία στην κατανομή

της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό, με αποτέλεσμα να μην έχουμε

μεγάλες μεταβολές της τιμής του FF.

125

V Specular Performance

y = -0,0006x + 0,1387

y = -0,0031x + 0,2975y = -0,0032x + 0,3028

y = -0,0026x + 0,2475

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65T module (oC)

nel

C=1 C=2.43 L=25cm C=2.54 L=50cm C=2.11 L=10cm


λειτουργίας για τα τρία πειραματικά συστήματα V-Trough με χρήση κατοπτρικής ανακλαστικής

επιφάνειας

Για το διάγραμμα των αποδόσεων για τα τρία πειραματικά μοντέλα V-Trough με χρήση

κατοπτρικής ανακλαστικής επιφάνειας, παρατηρούμε πως έχουμε μια μέγιστη αύξηση στην

ηλεκτρική αποδοτικότητα κατά 10,88% για L=10cm ανακλαστική επιφάνεια, κατά 15,88%

για L=25cm και κατά 16,41% για L=50cm, η οποία μικραίνει όσος αυξάνει η θερμοκρασία

λειτουργίας του φωτοβολταϊκού. Να σημειωθεί πως οι τιμές της αποδοτικότητα έχουν

υπολογιστεί με την προσπίπτουσα ακτινοβολία και όχι με την συγκεντρωτική, για να γίνεται

κάθε φορά αισθητή στον αναγνώστη η διαφορά του ενεργειακού κέρδους. Οι καμπύλες των

συγκεντρωτικών συστημάτων σε αυτήν την περίπτωση, παρουσιάζουν μια αυξημένη τιμή

στην κλίση, παρόλο που υπάρχει ομοιομορφία στην κατανομή της συγκεντρωτικής

ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό. Οι μέγιστη οπτική συγκέντρωση σε αυτή την περίπτωση

αγγίζει την τιμή του 2.2Χ, με αποτέλεσμα μερικής αδυναμίας των συμβατικών

φωτοβολταϊκών να απορροφήσουν και να μετατρέψουν την προσπίπτουσα ακτινοβολία σε

ηλεκτρισμό. Αυτό έχει σαν απώτερο αποτέλεσμα την μικρή μείωση της τιμής του FF.

126

Specular Reflector

0

10

20

30

40

50

60

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4

Optical Concentration

Len

gth

Of

Ref

lect

or

Σχήμα 5.27: Γραφική απεικόνιση του οπτικού λόγου συγκέντρωσης συναρτήσει του ανακλαστικού

μήκους, για τα πειραματικά συστήματα V-Trough με χρήση κατοπτρικής ανακλαστικής επιφάνειας.

Diffuse Reflector

0

10

20

30

40

50

60

1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3


Le

ng

th O

f R

efl

ec

tor

Σχήμα 5.28: Γραφική απεικόνιση του οπτικού λόγου συγκέντρωσης συναρτήσει του ανακλαστικού

μήκους, για τα πειραματικά συστήματα V-Trough με χρήση διάχυτης ανακλαστικής επιφάνειας.

Και για τις δύο περιπτώσεις, όπως είναι αναμενόμενο, η μεταβολή της συγκέντρωσης

συναρτήσει του ανακλαστικού μήκους είναι εκθετική και όχι γραμμική. Μετά το πέρας της

αναλογίας 5:1 (μήκος ανακλαστικής επιφάνειας : μήκος απορροφητή), οι μεταβολές της

127

συγκέντρωσης είναι πολύ μικρές, έως μηδαμινές. Για την αναλογία αυτή, όπως βλέπουμε

από τα παραπάνω γραφήματα, οι οπτικοί λόγοι συγκέντρωσης που μπορούν να επιτευχθούν

είναι περίπου 1,25x για το σύστημα V-Trough με διάχυτη ανακλαστική επιφάνεια και 2,2x

για το σύστημα V-Trough με κατοπτρική ανακλαστική επιφάνεια.

Specular Reflector

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4


Ele

ctri

cal

Per

form

ance

n max

Tpv=20 C

Tpv=30 C

Tpv=40 C

Tpv=50 C

Specular Electrical Performance

L Co Tpv 0 20 30 40 50 600 1 0,1387 0,1147 0,1027 0,0907 0,0787 0,0667

10 1,502 0,2475 0,1955 0,1695 0,1435 0,1175 0,091525 1,987 0,2975 0,2355 0,2045 0,1735 0,1425 0,111550 2,171 0,3028 0,2388 0,2068 0,1748 0,1428 0,1108

Σχήμα 5.29: Γραφική απεικόνιση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας συναρτήσει του οπτικού λόγου

συγκέντρωσης για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας λειτουργίας για τα πειραματικά συστήματα V-

Trough με χρήση κατοπτρικής ανακλαστικής επιφάνειας

Για το σύστημα V-Through με χρήση κατοπτρικής ανακλαστικής επιφάνειας, γίνεται

κατανοητό από το παραπάνω διάγραμμα, πως για το θερμοκρασιακό εύρος 20οC - 60οC, που

είναι και το εύρος της θερμοκρασίας λειτουργίας του, έχουμε ένα επιπρόσθετο ενεργειακό

κέρδος του εύρους 39,8% - 51,96%.

128

Diffuse Reflector

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3


Ele

ctr

ica

l Pe

rfo

rma

nc

e

n max

Tpv=20 C

Tpv=30 C

Tpv=40 C

Tpv=50 C

Diffuse Electrical Performance

L Co Tpv 0 20 30 40 50 0 1 0,1387 0,1267 0,1207 0,1147 0,1087 10 1,143 0,1666 0,1466 0,1366 0,1266 0,1166 25 1,236 0,1795 0,1555 0,1435 0,1315 0,1195 50 1,2516 0,1875 0,1615 0,1485 0,1355 0,1225


συγκέντρωσης για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας λειτουργίας για τα πειραματικά συστήματα V-

Trough με χρήση διάχυτης ανακλαστικής επιφάνειας

Επίσης, για το σύστημα V-Through με χρήση διάχυτης ανακλαστικής επιφάνειας, γίνεται

κατανοητό από το παραπάνω διάγραμμα, πως για το θερμοκρασιακό εύρος 20οC - 50οC, που

είναι και το εύρος της θερμοκρασίας λειτουργίας του, έχουμε ένα επιπρόσθετο ενεργειακό

κέρδος του εύρους 11,26% - 26,1%.

Παρατηρούμε πως το σύστημα V-Trough, μπορεί να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα,

είτε με την χρήση διάχυτου ανακλαστικού μέσου, είτε με κατοπτρικού, με την ημερήσια

κίνησή του κατά τον αζιμουθιακό άξονα και μπορεί να επιτύχει συγκεντρώσεις μέχρι της

τάξης του 2.2Χ. Πλεονέκτημα του συστήματος αποτελεί το χαμηλό εύρος της θερμοκρασίας

λειτουργίας του, που δεν είναι απαραίτητη η ψύξη του συστήματος καθώς και η ομοιόμορφη

κατανομή της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας στον απορροφητή που δεν επηρεάζει σημαντικά

τον παράγοντα FF. Όμως, λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας λειτουργίας του, η γεωμετρία

αυτή δεν αποτελεί την καταλληλότερη για την κατασκευή ενός υβριδικού συστήματος, ο

οποίος είναι και ο απώτερος σκοπός της εργασίας αυτής.

129

5.3 ΣΥΣΤΗΜΑ FRESNEL ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ

Στο σκέλος αυτό των πειραματικών αποτελεσμάτων, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα

για το διαθλαστικό σύστημα Fresnel, εστιακής απόστασης R=50cm. Μεταβάλλοντας κάθε

φορά την απόσταση μεταξύ φακού και απορροφητή, ανά 5 cm, άλλαζε ο ανομοιόμορφος

οπτικός λόγος συγκέντρωσης. Έτσι, τα έξι πειραματικά μοντέλα προς εξέταση για το

σύστημα Fresnel, είναι τα ακόλουθα:

Fresnel Concentrating System R=25cm






Και εδώ αρχικά παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των έξι πειραματικών

συστημάτων και εν συνεχεία, στην υποενότητα των συγκεντρωτικών αποτελεσμάτων,

γίνεται σχολιασμός αυτών και περεταίρω συζήτηση.

130

5.3.1 FRESNEL CONCENTRATING SYSTEM R=25CM

Τοποθετώντας τον απορροφητή, στην συγκεκριμένη περίπτωση το φωτοβολταϊκό πάνελ,

σε απόσταση 25cm κάτω από την επιφάνεια του διαθλαστικού φακού Fresnel, έχουμε τα

παρακάτω πειραματικά αποτελέσματα:

y = -0,0017x + 0,4338

y = -0,0882x + 22,208

y = -0,0589x + 16,213

y = -0,0663x + 6,803

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

0 10 20 30 40 50

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

UpmaxVPmax W

E ff





y = -0,0022x + 0,2175

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

10 20 30 40 50

T (oC)

ne

l

nel



131

R 25cm Linear Fresnel

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

2,40

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Length (cm)

So

lar

Co

nc

an

tra

tio

n

1,455

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0,5

1,0

1,5

2,0

Length (cm)

So

lar

Co

nca

ntra

tion


επιφάνεια του απορροφητή.

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.3W

15.09 V

0.35 A

20.33 V

0.39 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=22.4οC FF=67.1%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.4W

13.79 V

0.32 A

19.00 V

0.37 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=37.6οC FF=62.8%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.8W

14.64 V

0.33 A

19.41 V

0.38 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=30.3οC FF=65.5%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.9W

14.48 V

0.27 A

18.71 V

0.36 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=40.2οC FF=57.6%



132


Τοποθετώντας το φωτοβολταϊκό πάνελ, σε απόσταση 30cm κάτω από την επιφάνεια του

διαθλαστικού φακού Fresnel, έχουμε τα παρακάτω πειραματικά αποτελέσματα:

y = -0,1034x + 22,868

y = 0,0011x + 0,2397

y = -0,1207x + 20,073

y = -0,0162x + 4,9953

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

UpmaxVPmax W

E ff





y = -0,001x + 0,1799

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

20 30 40 50

T (oC)

ne

l

nel



133

R= 35cm Linear Fresnel

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Length (cm)

So

lar

Co

nc

an

tra

tio

n 1,537

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0,5

1,0

1,5

2,0

Length (cm)

So

lar

Co

nca

ntra

tion



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.6W

16.09 V

0.29 A

19.62 V

0.31 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=33.3οC FF=73.1%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.3W

15.01 V

0.28 A

18.60 V

0.31 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=41.9οC FF=74.7%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.5W

15.57 V

0.29 A

19.07 V

0.31 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=38.2οC FF=74.7%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.5W

14.56 V

0.31 A

18.36 V

0.33 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=44.3οC FF=72.8%



134




y = 0,0008x + 0,3529

y = -0,1186x + 23,344

y = -0,1459x + 20,673

y = -0,0553x + 6,9261

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )Isc A

Uoc V

Ipmax A

UpmaxVPmax W

E ff




Electrical Performancel

y = -0,0018x + 0,2219

0,00

0,10

0,20

0,30

10 20 30 40 50

T (oC)

nel

nel



135


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Length (cm)

So

lar

Co

nc

antr

atio

n 1,65

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0,5

1,0

1,5

2,0

Length (cm)

Sol

ar C

onca

ntra

tion



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.4W

16.62 V

0.33 A

20.06 V

0.39 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=28.4οC FF=69.4%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.8W

15.45 V

0.31 A

18.87 V

0.35 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=37.4οC FF=73.9%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.1W

15.76 V

0.32 A

19.28 V

0.36 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=34.0οC FF=73.6%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.8W

14.86 V

0.32 A

18.49 V

0.35 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=41.3οC FF=66.2%



136




y = -0.01x + 0.8915

y = -0.0792x + 21.957

y = 0.028x + 12.997

y = -0.1127x + 10.526

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

UpmaxVPmax W

E ff





y = -0,0036x + 0,3338

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

20 30 40 50 60

T (oC)

ne

l nel



- 137 -


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

2,40

2,60

2,80

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Length (cm)

So

lar

Co

nca

ntr

atio

n

1,827



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,06

0,13

0,2

0,27

0,34

0,41

0,48

0,55

0,62

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 7.5W

14.08 V

0.53 A

20.12 V

0.62 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=30.6οC FF=67.9%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.9W

14.92 V

0.33 A

18.31 V

0.36 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=44.2οC FF=57.1%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,04

0,09

0,14

0,19

0,24

0,29

0,34

0,39

0,44

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.8W

14.66 V

0.40 A

18.95 V

0.44 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=37.4οC FF=54.3%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.9W

14.92 V

0.33 A

18.31 V

0.36 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=52.1οC FF=56.2%

Σχήμα 5.46: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V του φωτοβολταϊκού συναρτήσει της θερμοκρασίας, κάτω

από σταθερή ακτινοβολία G=1028W/m2.

138




y = -0,074x + 21,847

y = 0,0013x + 0,3387

y = -0,0953x + 18,685

y = -0,0165x + 6,4553

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

10 20 30 40 50 60

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

UpmaxVPmax W

E effW/m2





y = -0,0026x + 0,2795

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

10 20 30 40 50 60

T (oC)

ne

l nel



139

R= 45cm Linear Fresnel

0.00.2

0.40.60.8

1.01.2

1.41.61.8

2.02.22.4

2.62.8

3.03.2

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Length (cm)

So

lar

Co

nc

an

tra

tio

n

1.881

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

C1

Length (cm)

Sol

ar C

onca

ntra

tion



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,03

0,07

0,11

0,15

0,19

0,23

0,27

0,31

0,35

0,39

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.0W

16.73 V

0.36 A

20.13 V

0.42 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=30.7οC FF=63.9%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.2W

16.13 V

0.20 A

18.32 V

0.34 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=46.3οC FF=48.1%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,04

0,09

0,14

0,19

0,24

0,29

0,34

0,39

0,44

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.0W

14.90 V

0.40 A

19.10 V

0.44 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=39.4οC FF=62.5%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 2.4W

15.90 V

0.15 A

18.05 V

0.30 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=50.6οC FF=47.6%



140


ιφάνεια του


Τοποθετώντας το φωτοβολταϊκό πάνελ, σε απόσταση 50cm κάτω από την επ

y = -0.01x + 0.867

y = -0.0806x + 22.564

y = -0.0587x + 18.574

y = -0.1741x + 12.392

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

10 20 30 40 50 60 70

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

UpmaxVPmax W

E ff

T module (oC)





y = -0,0055x + 0,3934

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

20 30 40 50 60 70

nel

T (oC)

nel

: Γραφική απεικόνιση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας


Σχήμα 5.52

141


0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Length (cm)

So

lar

Co

nc

an

tra

tio

n

1.639

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

C1

Panels Length (cm)

Sol

ar C

once

n tra

tion



-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,06

0,13

0,2

0,27

0,34

0,41

0,48

0,55

0,62

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 8.0W

16.67 V

0.48 A

20.79 V

0.61 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=25.5οC FF=68.8%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 1.5W

15.99 V

0.25 A

17.62 V

0.24 A

I-V-curve

MPP marking

Tpv=48.1οC FF=55.7%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,04

0,09

0,14

0,19

0,24

0,29

0,34

0,39

0,44

0,49

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 6.3W

16.24 V

0.39 A

19.64 V

0.51 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=40.1οC FF=60.2%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 1.8W

14.17 V

0.12 A

17.81 V

0.25 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=58.5οC FF=40.5%



142

5.3.7 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ FRESNEL

Για την καλύτερη κατανόηση των πειραματικών αποτελεσμάτων, παρακάτω

παρουσιάζονται συγκριτικά αποτελέσματα μεταξύ των διατάξεων των πειραματικών

συγκεντρωτικών συστημάτων Fresnel, όσο αναφορά την ηλεκτρική απόδοση και τον

γεωμετρικό και οπτικό λόγο συγκέντρωσης.

Linear Fresnel Profiles

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Length (cm)

So

lar

Co

nc

an

tra

tio

n

R=25cm

R=30cm

R=35cm

R=40cm

R=45cm

R=50cm

Σχήμα 5.55: Γραφική απεικόνιση των προφίλ οπτικής συγκέντρωσης των πειραματικών συστημάτων

Fresnel, για τις διάφορες εστιακές αποστάσεις.

Από το παραπάνω διάγραμμα, παρατηρούμε πως για όλες τις αποστάσεις μεταξύ φακού

και απορροφητή, η κατανομή της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας είναι ανομοιόμορφη, ειδικά

στην περίπτωση μας, όπου το πλάτος του φωτοβολταϊκού είναι 10cm. Η μέγιστη

συγκέντρωση που επιτυγχάνεται, είναι της τάξης του 3.7Χ, για την εστιακή απόσταση του

R=50cm, η οποία είναι και η εστιακή απόσταση του φακού Fresnel. Η μεγάλη αυτή όμως

ανομοιομορφία, αναμένεται να επηρεάσει σημαντικά τον παράγοντα FF και κατά συνέπεια

την ηλεκτρική απόδοση και παραγόμενη ισχύ με την μεταβολή της θερμοκρασίας.

Χαρακτηριστικά, αναφέρουμε την ακραία περίπτωση R=50cm, όπου για το εύρος (-2,2) ο

οπτικός λόγος συγκέντρωσης είναι άνω της τιμής 2Χ, ενώ για τα εύρη (-5,-2) και (2,5), ο

οπτικός λόγος συγκέντρωσης είναι μικρότερος της τιμής 0.5Χ, με αποτέλεσμα, όπως θα

φανεί και παρακάτω, μέρος του φωτοβολταϊκού που φωτίζεται λιγότερο, να συμπεριφέρεται

σαν ‘αντίσταση’ και αν καταναλώνει ενέργεια, αντί να συμβάλλει στην παραγωγή.

143

Fresnel Performance

y = -0,0019x + 0,208

y = -0,0017x + 0,2107

y = -0,0018x + 0,223

y = -0,0035x + 0,329

y = -0,0026x + 0,2795

y = -0,0055x + 0,3934

y = -0,0006x + 0,1387

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0 10 20 30 40 50 60 70

T module (oC)

nel

R=25cm R=30cm R=35cm R=45cmR=40cm R=50cm Single Panel


λειτουργίας για τα πειραματικά συστήματα Fresnel, για τις διάφορες εστιακές αποστάσεις.

Παρατηρώντας το διάγραμμα της ηλεκτρικής αποδοτικότητας των πειραματικών

συστημάτων, παρατηρούμε πως για το θερμοκρασιακό εύρος 0oC – 20οC, όπου δεν αποτελεί

ρεαλιστικό θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας του συστήματος, έχουμε αύξηση της

ενεργειακής αποδοτικότητας κατά 12,39% - 25,47%, κάτι που σταδιακά μειώνεται απότομα

όπως παρατηρούμε, με χαρακτηριστικό παράδειγμα την περίπτωση όπου η απόσταση

φακού-απορροφητή έχει οριστεί ίση με R=50cm, λόγω του ότι η κατανομή είναι αρκετά

ανομοιόμορφη στην επιφάνεια του απορροφητή, με αποτέλεσμα την καταστροφή του FF και

επομένως της παραγόμενης ισχύος και αποδοτικότητας. Μέχρι και την τιμή των 50ο C,

έχουμε μια αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας κατά 4,4% όπου μειώνεται κι άλλο

καθώς η θερμοκρασία λειτουργίας αυξάνει. Σε αντίθεση με το σύστημα V-Trough, το εύρος

θερμοκρασίας λειτουργίας είναι υψηλότερο, αλλά η ανομοιομορφία της ακτινοβολίας είναι

μεγάλη, με αποτέλεσμα, η περεταίρω χρήση του ως υβριδικό σύστημα, να μπορεί να δώσει

κάποια καλά αποτελέσματα ως προς την παραγωγή θερμικής ενέργειας, με σημαντική

ζημίωση όμως της ηλεκτρικής. Κάτι τέτοιο καθιστά και την χρήση του φακού Fresnel ως

υβριδικό σύστημα, για το συγκεκριμένο φωτοβολταϊκό πλάτους 10cm, απαγορευτική.

144

5.4 ΚΥΛΙΝΔΡΟΠΑΡΑΒΟΛΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ Στο σκέλος αυτό των πειραματικών αποτελεσμάτων, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα

για το κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής εστίας, εστιακής απόστασης R=96cm, το

οποίο μελετήθηκε για δύο διαφορετικές ανακλαστικές επιφάνειες: ανοξείδωτης λαμαρίνας

ανακλαστικότητας ρ=0.712 (Cold) και γυάλινης κατοπτρικής επιφάνειας, ανακλαστικότητας

ρ=0,846 (Mirror). Μεταβάλλοντας το μήκος της ανακλαστικής επιφάνειας και κατά

συνέπεια τον γεωμετρικό και οπτικό λόγο συγκέντρωσης, μελετήθηκαν τα συστήματα για

τους λόγους των 2Χ, 4Χ, 6Χ, 8Χ, 10Χ, 12Χ και 15Χ. Τα συστήματα μελετήθηκαν ως προς

τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες, με χρήση απορροφητικής επιφάνειας φωτοβολταϊκό πάνελ και

ως προς τις θερμικές τους ιδιότητες σε steady state συνθήκες, με την χρήση μονωμένου

απορροφητή και μη. Έτσι, τα 16 συνολικά πειραματικά μοντέλα προς εξέταση για το

κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής εστίας, είναι τα ακόλουθα:

Cold Parabolic Concentrator/ Electrical (CPC/E) – 2X, 4X, 6X, 8X, 10X, 12X, 15X

Mirror Parabolic Concentrator/ Electrical (MPC/E) – 2X, 4X, 6X, 8X, 10X, 12X, 15X

Και

Cold Parabolic Concentrator/ Thermal (CPC/T) – 15X

Mirror Parabolic Concentrator/ Thermal (MPC/T) – 15X

Για την καλύτερη κατανόηση των ηλεκτρικών αποδόσεων των συστημάτων από τον

αναγνώστη, οι καμπύλες παρουσιάζονται ως συνάρτηση της ακτινοβολίας που προσπίπτει

στο σύστημα και όχι της συγκεντρωτικής. Αρχικά παρουσιάζονται τα πειραματικά

αποτελέσματα των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των παραπάνω συστημάτων με τα

συγκριτικά τους αποτελέσματα και εν συνεχεία των θερμικών.

145

5.4.1 COLD PARABOLIC CONCENTRATOR 2X - ELECTRICAL Τοποθετώντας το φωτοβολταϊκό πάνελ, σε απόσταση 89cm από το σημείο 0 της

ανακλαστικής παραβολικής επιφάνειας (εστιακή απόσταση παραβολικής κοιλότητας στα

96cm), με συντελεστή ανάκλασης της ανακλαστικής επιφάνειας ρ=0,712 και γεωμετρικό

λόγο συγκέντρωσης 2:1 (μήκος χορδής παραβολικής κοιλότητας : πλάτος απορροφητικής

επιφάνειας), έχουμε τα παρακάτω πειραματικά αποτελέσματα, όσο αναφορά τις ηλεκτρικές

ιδιότητες του συστήματος και την κατανομή της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας στον

απορροφητή:

y = -0,0041x + 0,4796

y = -0,0779x + 21,861

y = 0,0556x + 12,074

y = -0,0532x + 6,258

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




146

y = -0,0017x + 0,2015

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

20 30 40 50 60

Tpv (oC)

nel

nel




0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 1,4233



147

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.8W

14.08 V

0.34 A

19.50 V

0.37 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=35.2οC FF=68.8%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 4.1W

13.90 V

0.30 A

18.30 V

0.32 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=45.7οC FF=70.4%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.9W

13.78 V

0.28 A

18.60 V

0.31 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=39.2οC FF=69.2%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.5W

14.74 V

0.24 A

17.84 V

0.28 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=52.3οC FF=70.5%


από σταθερή ακτινοβολία G= 948 W/m2.

Σχήμα 5.61: Γραφική απεικόνιση της συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του

απορροφητή, μέσω λογισμικού προγράμματος.

148

5.4.2 COLD PARABOLIC CONCENTRATOR 4X- ELECTRICAL Τοποθετώντας το φωτοβολταϊκό πάνελ, σε απόσταση 89cm από το σημείο 0 της







y = -0,0072x + 0,8274

y = -0,1032x + 23,079

y = -0,0578x + 16,609

y = -0,0653x + 8,6207

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




149

y = -0,002x + 0,2717

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

20 30 40 50 60 70

Tpv (oC)

nel

nel




0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 2,2576



150

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,07

0,15

0,23

0,31

0,39

0,47

0,55

0,63

0,71

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 8.5W

13.75 V

0.62 A

19.88 V

0.72 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=38.5οC FF=62.2%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,03

0,07

0,11

0,15

0,19

0,23

0,27

0,31

0,35

0,39

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.4W

14.08 V

0.38 A

17.83 V

0.41 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=50.6οC FF=68.7%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,05

0,11

0,17

0,23

0,29

0,35

0,41

0,47

0,53

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.4W

14.09 V

0.46 A

18.52 V

0.55 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=42.9οC FF=64.2%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,04

0,09

0,14

0,19

0,24

0,29

0,34

0,39

0,44

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.2W

12.74 V

0.41 A

17.02 V

0.44 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=60.6οC FF=68.5%


από σταθερή ακτινοβολία G= 935W/m2.



151








y = 0,0008x + 0,6022

y = -0,0638x + 20,087

y = -0,0683x + 15,038

y = -0,0648x + 10,288

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70 80

T module (oC)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




152

y = -0,0022x + 0,3544

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

20 30 40 50 60 70 80

Tpv (oC)

nel

nel




0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average=3,6698



153

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,07

0,15

0,23

0,31

0,39

0,47

0,55

0,63

0,71

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.9W

12.26 V

0.56 A

17.33 V

0.70 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=43.7οC FF=55.9%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,06

0,13

0,2

0,27

0,34

0,41

0,48

0,55

0,62

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.5W

10.90 V

0.59 A

16.36 V

0.65 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=60.2οC FF=65.7%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,07

0,15

0,23

0,31

0,39

0,47

0,55

0,63

0,71

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.4W

10.79 V

0.60 A

16.52 V

0.70 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=52.7οC FF=55.9%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,06

0,13

0,2

0,27

0,34

0,41

0,48

0,55

0,62

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.0W

10.29 V

0.58 A

15.58 V

0.65 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=70.5οC FF=64.5%





154








y = -0,0101x + 1,2078

y = -0,1337x + 24,276

y = -0,0688x + 15,126

y = -0,1063x + 12,595

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




155

y = -0,0034x + 0,4002

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

20 30 40 50 60 70

Tpv (oC)

nel

nel




0

1

2

3

4

5

6

7

8

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 5,85801



156

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,07

0,15

0,23

0,31

0,39

0,47

0,55

0,63

0,71

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 9.6W

13.95 V

0.69 A

19.59 V

0.75 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=40.2οC FF=65.1%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,07

0,15

0,23

0,31

0,39

0,47

0,55

0,63

0,71

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.8W

10.51 V

0.65 A

16.73 V

0.74 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=55.1οC FF=56.5%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,07

0,15

0,23

0,31

0,39

0,47

0,55

0,63

0,71

0,79

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 7.4W

11.34 V

0.66 A

17.29 V

0.78 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=48.2οC FF=63.3%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,03

0,07

0,11

0,15

0,19

0,23

0,27

0,31

0,35

0,39

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.5W

11.98 V

0.38 A

15.79 V

0.41 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=58.5οC FF=66.5%





157








y = -0,0014x + 0,8588

y = -0,085x + 21,745

y = -0,0726x + 14,993

y = -0,0847x + 12,979

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70 80 90

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




158

y = -0,0031x + 0,4538

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

20 30 40 50 60 70 80 90

Tpv (oC)

nel

nel




0

1

2

3

4

5

6

7

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 6,5191



159

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,08

0,17

0,26

0,35

0,44

0,53

0,62

0,71

0,8

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 9.6W

13.49 V

0.71 A

19.30 V

0.78 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=39.5οC FF=63.4%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,08

0,17

0,26

0,35

0,44

0,53

0,62

0,71

0,8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.4W

9.69 V

0.66 A

15.80 V

0.79 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=63.8οC FF=51.1%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,02

0,07

0,16

0,25

0,34

0,43

0,52

0,61

0,7

0,79

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 7.9W

10.99 V

0.72 A

17.50 V

0.83 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=51.6οC FF=54.3%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,08

0,17

0,26

0,35

0,44

0,53

0,62

0,71

0,8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 6.0W

9.11 V

0.66 A

15.22 V

0.78 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=80.5οC FF=50.5%





160








y = -0,0042x + 1,0106

y = -0,1088x + 23,301

y = -0,0793x + 15,018

y = -0,1129x + 14,183

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70 80 90

T module (oC)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




161

y = -0,004x + 0,5057

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

20 30 40 50 60 70 80 90

Tpv (oC)

nel

nel




0

1

2

3

4

5

6

7

8

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 6,9129



162

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,02

0,07

0,16

0,25

0,34

0,43

0,52

0,61

0,7

0,79

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 10.3W

13.30 V

0.78 A

19.62 V

0.85 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=41οC FF=61.6%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,07

0,15

0,23

0,31

0,39

0,47

0,55

0,63

0,71

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 5.6W

9.25 V

0.61 A

15.53 V

0.74 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=70.6οC FF=49.3%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,02

0,07

0,16

0,25

0,34

0,43

0,52

0,61

0,7

0,79

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.8W

9.90 V

0.69 A

16.77 V

0.82 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=59.1οC FF=49.9%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

-0,01

0,05

0,11

0,17

0,23

0,29

0,35

0,41

0,47

0,53

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 4.9W

10.05 V

0.49 A

14.67 V

0.54 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=83.5οC FF=55.3%





163








y = -0,0037x + 1,4584

y = -0,1299x + 25,297

y = -0,1011x + 16,763

y = -0,1591x + 19,458

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70 80 90

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




164


y = -0,0054x + 0,6537

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

20 30 40 50 60 70 80 90

T (oC)

nel

nel



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-6 -4 -2 0 2 4 6

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 7,6272



165

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 11.6W

10.80 V

1.08 A

18.43 V

1.40 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=54.6οC FF=47.6%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 7.3W

9.00 V

0.81 A

15.28 V

1.23 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=78.4οC FF=38.8%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 8.4W

9.54 V

0.88 A

16.21 V

1.30 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=69.5οC FF=39.6%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.7W

8.45 V

0.79 A

14.61 V

1.07 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=84.5οC FF=41.5%





166

5.4.8 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ COLD PARABOLIC

CONCENTRATOR/ ELECTRICAL



συστημάτων Cold Parabolic Concentrator, όσο αναφορά την ηλεκτρική αποδοτικότητα και

τον γεωμετρικό και οπτικό λόγο συγκέντρωσης.

y = -0.0017x + 0.2014

y = -0.002x + 0.2717y = -0.0022x + 0.3544

y = -0.0034x + 0.4011y = -0.0031x + 0.4538

y = -0.004x + 0.5057y = -0.0054x + 0.6537

y = -0.0006x + 0.1387

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tpv (oC)

Ele

ctri

cal

Per

form

ance

2x

4x

6x

8x

10x

12x

15x

1x


λειτουργίας για τα επτά πειραματικά συστήματα Cold Parabolic Concentrator

Από το παραπάνω συγκριτικό διάγραμμα της ηλεκτρικής αποδοτικότητας για όλα τα

συγκεντρωτικά κυλινδροπαραβολικά συστήματα γραμμικής εστίας με χρήση της

ανακλαστικής επιφάνειας ‘Cold’, παρατηρούμε πως για το θερμοκρασιακό εύρος 20οC–

70οC, επιτυγχάνεται αύξηση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας κατά 17,9% - 41,9%

αντίστοιχα, δηλαδή 2.85x – 4.31x φορές περισσότερη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια και

με την αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας, έχουμε μείωση του εύρους αυτού, μέχρι την

167

θερμοκρασία των 110οC, όπου τα επιπρόσθετα ενεργειακά οφέλη είναι μηδαμινά.

Παρατηρούμε επίσης, την αύξησης της κλίσης των καμπυλών των αποδόσεων, καθώς

μεταβαίνουμε από συστήματα χαμηλότερης συγκέντρωσης σε υψηλότερα. Αυτό οφείλεται

στο ότι χρησιμοποιήσαμε, όπως έχει αναφερθεί, συμβατικά φωτοβολταϊκά, που αδυνατούν

να μετατρέψουν αποτελεσματικά την συγκεντρωτική ακτινοβολία σε ηλεκτρισμό, με

αποτέλεσμα την μείωση τα παράγοντα FF (παρόλο που δεν υπάρχει μεγάλη ανομοιομορφία

της κατανομής της ακτινοβολίας, συγκριτικά με το σύστημα Fresnel) και επομένως και της

παραγόμενης ισχύος και επίσης, μεγάλο μέρος της να μετατρέπεται σε θερμότητα. Κάτι

τέτοιο, καθιστά αναγκαίο την ψύξη του συστήματος για την βέλτιστη λειτουργία του, όσον

αναφορά την αποφυγή θερμικής καταστροφής των φωτοβολταϊκών και την επιπρόσθετη

ηλεκτρική παραγωγή άνω του 25%. Αυτό όμως γίνεται πιο κατανοητό, από τα παρακάτω

ενεργειακά γραφήματα.

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

C geometrical

C o

pti

cal

Σχήμα 5.93: Γραφική απεικόνιση του οπτικού λόγου συγκέντρωσης συναρτήσει του γεωμετρικού λόγου,

για το πειραματικό σύστημα Cold Parabolic Concentrator.

Όπως φαίνεται στο σχήμα 5.93, με την χρήση της ανοξείδωτης λαμαρίνας (Cold),

ανακλαστικότητας ρ=0.712, μπορεί να επιτευχθεί μέγιστη οπτική συγκέντρωση της τάξης

του 7.6Χ για τον γεωμετρικό λόγο 15:1. Θεωρητικά, αναμένεται μια γραμμική σχέση μεταξύ

του γεωμετρικού λόγου συγκέντρωσης και του οπτικού, κάτι που δεν παρατηρείται εδώ,

λόγω την κυμάτωσης της ανακλαστικής επιφάνειας, με αποτέλεσμα την μη ύπαρξη

ομοιόμορφου ειδώλου στην επιφάνεια του απορροφητή και επομένως και οπτικού λόγου

συγκέντρωσης.

168

Optical Concetration-Performance

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1 2 3 4 5 6 7 8Solar Concentration

Ele

ctri

cal

Per

form

ance

n max

Tpv=20 C

Tpv=40 C

Tpv=60 C

Tpv=80 C

Tpv=100 C


συγκέντρωσης για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας λειτουργίας για τα πειραματικά συστήματα Cold

Parabolic Concentrator.

Geometrical Concentration-Performance

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Solar Concentration

Ele

ctri

cal

Per

form

ance

n max

Tpv=20 C

Tpv=40 C

Tpv=60 C

Tpv=80 C

Tpv=100 C

Σχήμα 5.95: Γραφική απεικόνιση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας συναρτήσει του γεωμετρικού λόγου

συγκέντρωσης για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας λειτουργίας για τα πειραματικά συστήματα Cold


169

Από τα ενεργειακά γραφήματα των σχημάτων 5.94 και 5.95, βλέπουμε ότι για

θερμοκρασίες λειτουργίας μικρότερες των 80οC, υπάρχει αξιόλογη επιπρόσθετη ενεργειακή

παραγωγή, ενώ για μεγαλύτερες θερμοκρασίες, πέρα από το κίνδυνο θερμικής καταστροφής,

τα ενεργειακά οφέλη είναι μηδαμινά. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, μεγάλο μέρος της

συγκεντρωτικής ακτινοβολίας αδυνατεί να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό και μετατρέπεται σε

θερμότητα, αυξάνοντας κατά ένα ποσό την θερμοκρασία λειτουργίας του φωτοβολταικού

και η υπόλοιπη να μεταδίδεται προς το περιβάλλον. Κάτι τέτοιο καθιστά απαραίτητη την

ψύξη του φωτοβολταικού και την δυνατότητα εκμετάλλευσης της θερμικής ενέργειας, μέσω

ενός θερμικού εναλλάκτη, μετατρέποντας το σύστημα αυτό σε ένα υβριδικό συγκεντρωτικό

σύστημα συμπαραγωγής θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα, θεωρώντας ότι

το σύστημα ψύχεται στους 60οC και 80οC, όπου οι θερμοκρασίες είναι κατάλληλες για ένα

θερμικό σύστημα, πέρα από την θερμική ενέργεια, μπορεί να αυξήσει την ηλεκτρική

απόδοση κατά 22,78% και 13,18% αντίστοιχα, δηλαδή 2.44Χ – 3.21Χ φορές περισσότερη

παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια, συγκριτικά με το φωτοβολταϊκό χωρίς συγκέντρωση. Το

σύστημα Mirror Parabolic Concentrating System, κατασκευάστηκε και μελετήθηκε με σκοπό

να αυξήσει το ενεργειακό όφελος αυξάνοντας τον οπτικό λόγο συγκέντρωσης και

βελτιστοποιώντας την κατανομή της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό. Τα

πειραματικά αποτελέσματα του συστήματος αυτού, παρουσιάζονται παρακάτω.

170

5.4.9 MIRROR PARABOLIC CONCENTRATOR 2X- ELECTRICAL Τοποθετώντας το φωτοβολταϊκό πάνελ, σε απόσταση 89cm από το σημείο 0 της







y = 0,001x + 0,268

y = -0,1502x + 24,78

y = -0,1754x + 21,562

y = -0,0416x + 6,0124

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




171

y = -0,0014x + 0,2013

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

20 30 40 50 60

Tpv (oC)

nel

nel




0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n Co Average = 1,6465



172

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.8W

14.08 V

0.34 A

19.50 V

0.37 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=35.2οC FF=77.4%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0,33

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 4.1W

13.90 V

0.30 A

18.30 V

0.32 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=45.7οC FF=72.89%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.9W

13.94 V

0.28 A

18.52 V

0.30 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=40.5οC FF=73.9%

-0,1

0,3

0,7

1,1

1,5

1,9

2,3

2,7

3,1

3,5

3,9

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.4W

14.61 V

0.23 A

17.80 V

0.27 AI-V-curve

MPP marking

Tpv=52.5οC FF=70.8%





173



96cm), με συντελεστή ανάκλασης της ανακλαστικής επιφάνειας ρ=0.846 και γεωμετρικό





y = 0,0014x + 0,5617

y = -0,0925x + 22,93

y = -0,1114x + 19,538

y = -0,0534x + 10,654

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70 80

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




174


y = -0,0019x + 0,3575

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

20 30 40 50 60 70 80

Tpv (oC)

nel

nel



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 3,1259



175

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

0,36

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.8W

14.08 V

0.34 A

19.50 V

0.37 A

Tpv=36οC FF=77.4%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.7W

14.93 V

0.25 A

18.11 V

0.29 A

Tpv=58.6οC FF=71.98%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.9W

13.94 V

0.28 A

18.52 V

0.30 A

Tpv=47.9οC FF=73.4%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.4W

14.61 V

0.23 A

17.80 V

0.27 A

Tpv=69.6οC FF=70.6%





176








y = -3E-05x + 0,7501

y = -0,0925x + 22,93

y = -0,1114x + 19,538

y = -0,0839x + 13,676

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70 80

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




177


y = -0,0029x + 0,4584

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

20 30 40 50 60 70 80

Tpv (oC)

nel

nel



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio




178

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,01

0,08

0,17

0,26

0,35

0,44

0,53

0,62

0,71

0,8

-0,1 0,7 1,5 2,3 3,1 3,9 4,7 5,5 6,3 7,1Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.1W

5.32 V

0.76 A

6.95 V

0.78 A

Tpv=36οC FF=77.4%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,01

0,07

0,15

0,23

0,31

0,39

0,47

0,55

0,63

0,71

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3 5,9Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 3.0W

4.24 V

0.71 A

5.84 V

0.74 A

Tpv=58.6οC FF=71.9%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,02

0,07

0,16

0,25

0,34

0,43

0,52

0,61

0,7

0,79

-0,1 0,6 1,3 2 2,7 3,4 4,1 4,8 5,5 6,2Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.5W

4.38 V

0.79 A

6.17 V

0.83 A

Tpv=45.1οC FF=73.4%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,01

0,08

0,17

0,26

0,35

0,44

0,53

0,62

0,71

0,8

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 3.0W

4.00 V

0.75 A

5.70 V

0.79 A

Tpv=69.2οC FF=70.6%





179








y = 0,0005x + 0,84

y = -0,1061x + 23,659

y = -0,1249x + 19,395

y = -0,1139x + 16,707

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70 80

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




180


y = -0,0037x + 0,5577

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

20 30 40 50 60 70 80

Tpv (oC)

nel

nel



0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 6,1712



181

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,01

0,08

0,17

0,26

0,35

0,44

0,53

0,62

0,71

0,8

-0,1 0,7 1,5 2,3 3,1 3,9 4,7 5,5 6,3 7,1Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 4.2W

5.39 V

0.77 A

7.00 V

0.78 A

Tpv=36.2οC FF=75.7%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,02

0,07

0,16

0,25

0,34

0,43

0,52

0,61

0,7

0,79

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3 5,9Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 3.4W

4.17 V

0.81 A

5.94 V

0.84 A

Tpv=57.9οC FF=66.2%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,02

0,07

0,16

0,25

0,34

0,43

0,52

0,61

0,7

0,79

-0,1 0,6 1,3 2 2,7 3,4 4,1 4,8 5,5 6,2Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.6W

4.65 V

0.77 A

6.34 V

0.81 A

Tpv=41.5οC FF=70.1%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,02

0,07

0,16

0,25

0,34

0,43

0,52

0,61

0,7

0,79

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.0W

3.79 V

0.79 A

5.57 V

0.84 A

Tpv=68.3οC FF=62.9%





182








y = -0,003x + 1,2814

y = -0,1339x + 26,213

y = -0,1404x + 20,268

y = -0,1475x + 21,094

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

20 30 40 50 60 70 80 90 100

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




183


y = -0,0046x + 0,6655

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tpv (oC)

nel

nel



0

1

2

3

4

5

6

7

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 6,7088



184

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

-0,1 0,6 1,3 2 2,7 3,4 4,1 4,8 5,5 6,2 6,9Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.0W

4.78 V

1.05 A

6.80 V

1.10 A

Tpv=49.8οC FF=66.9%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.3W

3.16 V

1.06 A

5.34 V

1.08 A

Tpv=73.9οC FF=57.8%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3 5,9Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.9W

3.81 V

1.03 A

5.93 V

1.12 A

Tpv=60.3οC FF=59.2%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 3.1W

3.09 V

1.02 A

5.26 V

1.03 A

Tpv=87.8οC FF=58.3%





185








y = -0,0102x + 2,0979

y = -0,1468x + 26,841

y = -0,0922x + 16,06

y = -0,1705x + 21,342

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30 40 50 60 70 80 90 100 110

T module (oC)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




186


y = -0,0059x + 0,7329

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

30 40 50 60 70 80 90 100 110

T (oC)

nel

nel



0

1

2

3

4

5

6

7

8

-6 -4 -2 0 2 4 6

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio

n

Co Average = 7,1172



187

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 12.4W

10.90 V

1.13 A

18.79 V

1.43 A

Tpv=56.4οC FF=45.9%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 6.9W

8.16 V

0.85 A

14.38 V

1.26 A

Tpv=84.9οC FF=38.2%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 8.6W

9.36 V

0.92 A

15.95 V

1.38 A

Tpv=72.6οC FF=39.2%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 6.1W

7.79 V

0.79 A

13.69 V

1.18 A

Tpv=97.5οC FF=38.1%





188








y = -0,0092x + 1,7787

y = -0,1492x + 27,956

y = -0,1266x + 19,942

y = -0,1953x + 25,644

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30 40 50 60 70 80 90 100

T module (oC)

0

200

400

600

800

1000

1200

G (

W/m

2 )

Isc A

Uoc V

Ipmax A

Upmax V

Pmax W

E eff W/m2




189


y = -0,0063x + 0,8342

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

30 40 50 60 70 80 90 100

Tpv (oC)

nel

nel



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

d (cm)

So

lar

Co

nce

ntr

atio




190

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

-0,1 0,6 1,3 2 2,7 3,4 4,1 4,8 5,5 6,2Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 5.0W

4.50 V

1.12 A

6.65 V

1.17 A

Tpv=55.6οC FF=61.6%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 3.2W

3.06 V

1.03 A

5.23 V

1.03 A

Tpv=82.6οC FF=54.2%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

-0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 3,5 4,1 4,7 5,3 5,9Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in W

MPP: 3.9W

3.47 V

1.12 A

5.79 V

1.20 A

Tpv=70.5οC FF=56.6%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-0,02

0,08

0,18

0,28

0,38

0,48

0,58

0,68

0,78

0,88

-0,1 0,4 0,9 1,4 1,9 2,4 2,9 3,4 3,9 4,4 4,9Voltage in V

Cu

rren

t in

A

Po

wer

in

W

MPP: 2.7W

2.88 V

0.94 A

4.88 V

0.90 A

Tpv=93.6οC FF=55.8%





191

5.4.16 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ MIRROR

PARABOLIC CONCENTRATOR/ ELECTRICAL



συστημάτων Mirror Parabolic Concentrator , όσο αναφορά την ηλεκτρική αποδοτικότητας και

τον γεωμετρικό και οπτικό λόγο συγκέντρωσης.

y = -0.0014x + 0.2013

y = -0.0019x + 0.3575y = -0.0029x + 0.4584y = -0.0037x + 0.5577

y = -0.0046x + 0.6655y = -0.0059x + 0.7329y = -0.0063x + 0.8342y = -0.0006x + 0.1387

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tpv (oC)

Ele

ctri

cal P

erfo

rman

ce

2x

4x

6x

8x

10x

12x

15x

1x


λειτουργίας για τα επτά πειραματικά συστήματα Mirror Parabolic Concentrator

Από το παραπάνω συγκριτικό διάγραμμα της ηλεκτρικής αποδοτικότητας για όλα τα

συγκεντρωτικά κυλινδροπαραβολικά συστήματα γραμμικής εστίας με χρήση της

ανακλαστικής επιφάνειας ‘Mirror’, παρατηρούμε πως για το θερμοκρασιακό εύρος 30οC–

80οC, επιτυγχάνεται αύξηση της ηλεκτρικής αποδοτικότητα κατά 52,45% - 23.95%

αντίστοιχα, δηλαδή 3.64Χ – 5.35Χ φορές περισσότερη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια

(αναφέρουμε ότι στο σύστημα Cold Parabolic Concentrator για το θερμοκρασιακό εύρος

20οC– 70οC, επιτυγχάνεται αύξηση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας κατά 41,9% - 17,9%

αντίστοιχα) και με την αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας, έχουμε μείωση του εύρους

192

αυτού, μέχρι την θερμοκρασία των 110οC, όπου τα επιπρόσθετα ενεργειακά οφέλη είναι

μηδαμινά. Παρατηρούμε και δω επίσης, την αύξηση της κλίσης των καμπυλών των

αποδόσεων, καθώς μεταβαίνουμε από συστήματα χαμηλότερης συγκέντρωσης σε

υψηλότερα. Η κατανομή της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας είναι πιο ομοιόμορφη με αυτήν

την τεχνική, όπως φαίνεται στα πειραματικά αποτελέσματα, συγκριτικά με το σύστημα Cold

Parabolic Concentrator, αλλά παρόλα αυτά, λόγω της υψηλής συγκέντρωσης για αυτού του

τύπου φωτοβολταϊκά, η αποφυγή καταστροφής του παράγοντα FF με την αύξηση της

θερμοκρασίας λειτουργίας, όπως επίσης και η αποτελεσματική λειτουργία τους πάνω από

τους 100οC, είναι αδύνατη.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

C geometrical

C o

pti

cal

Σχήμα 5.131: Γραφική απεικόνιση του οπτικού λόγου συγκέντρωσης συναρτήσει του γεωμετρικού

λόγου, για το πειραματικό σύστημα Mirror Parabolic Concentrator.

Όπως φαίνεται στο σχέδιο 5.131, με την χρήση της ανακλαστικής επιφάνειας Mirror,

ανακλαστικότητας ρ=0.846, μπορεί να επιτευχθεί μέγιστη οπτική συγκέντρωση της τάξης

του 9.3Χ για τον γεωμετρικό λόγο 15:1. Θεωρητικά, αναμένεται και εδώ μια γραμμική

σχέση μεταξύ του γεωμετρικού λόγου συγκέντρωσης και του οπτικού, κάτι που

προσεγγίζεται αρκετά καλά, εξαλείφοντας το πρόβλημα που είχαμε στο πειραματικό

μοντέλο του Cold Parabolic Concentrator, όπου οι κυματώσεις της ανακλαστικής επιφάνειας

παρήγαγαν ένα μη τόσο ομοιόμορφο είδωλο με αποτέλεσμα η σχέση του οπτικού και

γεωμετρικού λόγου συγκέντρωσης να μην είναι γραμμική.

193

Optical Concetration-Performance

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Solar Concentration

Ele

ctri

cal

Per

form

ance

n max

Tpv=20 C

Tpv=40 C

Tpv=60 C

Tpv=80 C

Tpv=100 C


συγκέντρωσης για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας λειτουργίας για τα πειραματικά συστήματα Mirror


Geometrical Concentration-Performance

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Solar Concentration

Ele

ctri

cal

Per

form

ance

n max

Tpv=20 C

Tpv=40 C

Tpv=60 C

Tpv=80 C

Tpv=100 C

Σχήμα 5.133: Γραφική απεικόνιση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας συναρτήσει του γεωμετρικού λόγου

συγκέντρωσης για διάφορες τιμές της θερμοκρασίας λειτουργίας για τα πειραματικά συστήματα Mirror


194

Από τα ενεργειακά γραφήματα των σχεδίων 5.132 και 5.133, βλέπουμε ότι για

θερμοκρασίες λειτουργίας μικρότερες των 80οC, υπάρχει αξιόλογη επιπρόσθετη ενεργειακή

παραγωγή, ενώ για θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 100οC, πέρα από το κίνδυνο θερμικής

καταστροφής, τα ενεργειακά οφέλη είναι μηδαμινά. Για την περίπτωση χρήσης του

συστήματος αυτού σαν υβριδικό σύστημα, οι συνθήκες είναι ιδανικότερες συγκριτικά με το

σύστημα Cold Parabolic Reflector, αφού η οπτική συγκέντρωση είναι μεγαλύτερη και η

κατανομή της αρκετά πιο ομογενής, με αποτέλεσμα την παραγωγή μεγαλύτερων ποσών

θερμότητας και ηλεκτρισμού. Για παράδειγμα, θεωρώντας ότι το σύστημα ψύχεται στους

70οC και 80οC, όπου οι θερμοκρασίες είναι κατάλληλες για ένα θερμικό σύστημα, πέρα από

την θερμική ενέργεια, μπορεί να αυξήσει την ηλεκτρική απόδοση κατά 29,65% και 23,95%

αντίστοιχα, ενώ το σύστημα Cold Parabolic Reflector, κατά 22,78% και 13,18%, για

θερμοκρασίες 60οC και 80οC αντίστοιχα, δηλαδή 3.64Χ – 4.07Χ φορές περισσότερη

παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια, συγκριτικά με το φωτοβολταϊκό χωρίς συγκέντρωση.

195

5.5 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΟΔΟΣΕΙΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ PARABOLIC CONCENTRATOR

Για την επιλογή του καταλληλότερου συστήματος για την βέλτιστη λειτουργία του

υβριδικού συστήματος, πέρα από τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες, μελετήθηκαν και ως προς τις

θερμικές, με την χρήση ενός θερμικού απορροφητή (μονωμένου και μη), που παρουσιάζεται

στο κεφάλαιο της πειραματικής διαδικασίας. Τα πειράματα έγιναν σε steady state συνθήκες

και παρουσιάζονται παρακάτω.

5.5.1 COLD PARABOLIC CONCENTRATOR 15X- THERMAL Τοποθετώντας το θερμικό απορροφητή, σε απόσταση 89cm από το σημείο 0 της




επιφάνειας), έχουμε τα παρακάτω πειραματικά αποτελέσματα, όσο αναφορά τις θερμικές

αποδόσεις του συστήματος Cold Parabolic Concentrator με χρήση θερμικού απορροφητή με

μόνωση και χωρίς μόνωση για steady state συνθήκες, οι οποίες υπολογίστηκαν συναρτήσει

της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο σύστημα και της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας στον

απορροφητή.

Cold Parabolic Concentrator - Non Insulated Absorber

y = -2.189x + 0.5261

y = -1.2985x + 0.3121

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

ΔΤ/G (oCm2/W)

nth

Σχήμα 5.134: Γραφική απεικόνιση της θερμικής απόδοσης του συστήματος Cold Parabolic

Concentrator με χρήση θερμικού απορροφητή χωρίς μόνωση, συναρτήσει του παράγοντα ΔΤ/G, για την

ακτινοβολία που προσπίπτει στο σύστημα και για την συγκεντρωτική ακτινοβολία στον απορροφητή.

196

Cold Parabolic Concentrator - Insulated Absorber

y = -2.6929x + 0.6804

y = -1.5975x + 0.4036

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

ΔΤ/G (oCm2/W)

nth

Σχήμα 5.135: Γραφική απεικόνιση της θερμικής απόδοσης του συστήματος Cold Parabolic

Concentrator με χρήση μονωμένου θερμικού απορροφητή, συναρτήσει του παράγοντα ΔΤ/G, για την


5.5.2 MIRROR PARABOLIC CONCENTRATOR 15X- THERMAL Τοποθετώντας το θερμικό απορροφητή, σε απόσταση 89cm από το σημείο 0 της




επιφάνειας), έχουμε τα παρακάτω πειραματικά αποτελέσματα, όσο αναφορά τις θερμικές

αποδόσεις του συστήματος Mirror Parabolic Concentrator με χρήση θερμικού απορροφητή

με μόνωση και χωρίς μόνωση για steady state συνθήκες, οι οποίες υπολογίστηκαν

συναρτήσει της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο σύστημα και της συγκεντρωτικής

ακτινοβολίας στον απορροφητή.

197

Mirror Parabolic Concentrator - Non Insulated Absorber

y = -2.3167x + 0.7479

y = -1.6722x + 0.5398

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

-0.02 0.03 0.08 0.13 0.18 0.23 0.28 0.33

ΔΤ/G (oCm2/W)

nth

Σχήμα 5.136: Γραφική απεικόνιση της θερμικής απόδοσης του συστήματος Mirror Parabolic

Concentrator με χρήση θερμικού απορροφητή χωρίς μόνωση, συναρτήσει του παράγοντα ΔΤ/G, για

την ακτινοβολία που προσπίπτει στο σύστημα και για την συγκεντρωτική ακτινοβολία στον απορροφητή.

Mirror Parabolic Concentrator - Insulated Absorber

y = -2.3619x + 0.7777

y = -1.7048x + 0.5613

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

-0.02 0.03 0.08 0.13 0.18 0.23 0.28 0.33

ΔΤ/G (oCm2/W)

nth

Σχήμα 5.137: Γραφική απεικόνιση της θερμικής απόδοσης του συστήματος Mirror Parabolic

Concentrator με χρήση μονωμένου θερμικού απορροφητή, συναρτήσει του παράγοντα ΔΤ/G, για την


198

5.5.3 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ MIRROR ΚΑΙ

COLD PARABOLIC CONCENTRATOR/ THERMAL



συστημάτων Mirror και Cold Parabolic Concentrator , όσο αναφορά την θερμική απόδοση.

y = -2.189x + 0.5261y = -2.6929x + 0.6804

y = -2.3167x + 0.7479

y = -2.3619x + 0.7777

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4ΔΤ/G (oCm2/W)

Th

erm

al E

ffici

ency

CPC Non Insulated

CPC Insulated

MPC Non Insulated

MPC Insulated

y = -1.2985x + 0.3121

y = -1.5975x + 0.4036

y = -1.6722x + 0.5398

y = -1.7048x + 0.5613

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4ΔΤ/G (oCm2/W)

The

rmal

Effi

cien

cy

CPC Non Insulated

CPC Insulated

MPC Non Insulated

MPC Insulated

Σχήμα 5.138: Γραφική απεικόνιση της θερμικής απόδοσης των συστημάτων Mirror και Cold

Parabolic Concentrator με χρήση μονωμένου και μη θερμικού απορροφητή, συναρτήσει του παράγοντα

ΔΤ/G, για την ακτινοβολία που προσπίπτει στο σύστημα (κάτω)και για την συγκεντρωτική ακτινοβολία

στον απορροφητή (πάνω).

199

Μελετώντας το παραπάνω συγκριτικό διάγραμμα της θερμικής αποδοτικότητας των

συγκεντρωτικών συστημάτων MPC και CPC, παρατηρούμε πως για το σύστημα CPC, με

χρήση μόνωσης στον απορροφητή έχουμε αύξηση της θερμικής αποδοτικότητας κατά

15.43% και για το σύστημα MPC κατά 6.52%. Η αύξηση για το σύστημα MPC είναι

μικρότερη σε σχέση με το σύστημα CPC, μιας και με την αύξηση της συγκέντρωσης, γίνεται

όλο και πιο δύσκολος ο περιορισμός των θερμικών απωλειών, κάτι που φαίνεται και από το

σημείο stagnation, του οποίου οι τιμές δεν έχουν μεγάλη απόκλιση. Ο λόγος δηλαδή είναι

καθαρά τεχνικός, μιας και τα σημεία ΔT/G 0.25 και 0.32, για θερμοκρασία περιβάλλοντος

Ta=25oC και ακτινοβολία 1000 W/m2, αντιστοιχούν σε θερμοκρασία λειτουργίας Τ=275 oC

και Τ=335 oC, με μεγάλες θερμικές απώλειες της εμπρόσθιας επιφάνειας, που είναι δύσκολο

να περιοριστούν.

5.6 ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ/ΘΕΡΜΙΚΟ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

Σε αυτό το τελευταίο σκέλος των πειραματικών αποτελεσμάτων, παρουσιάζεται μια

πρώτη προσπάθεια κατασκευής ενός υβριδικού συστήματος, ταυτόχρονης παραγωγής

ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Με βάση τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα,

καταλήξαμε στο συμπέρασμα πως, το πιο ενεργειακά αποδοτικό σύστημα, τόσο ηλεκτρικά

όσο και θερμικά, είναι το Mirror Parabolic Concentrator, μιας και μπορεί να επιτύχει

συγκεντρώσεις της τάξης του 10Χ, με αρκετά καλή ομοιόμορφη κατανομή και θερμοκρασίες

λειτουργίας που μπορούν να δώσουν ικανοποιητικά ποσά θερμότητας. Για την κατασκευή

του υβριδικού απορροφητή, χρησιμοποιήθηκε το φωτοβολταϊκό και το σύστημα ψύξης (ως

εναλλάκτης) των υποκεφαλαίων 4.1.1 και 4.1.2, με μια επικάλυψη μόνωσης των πλάγιων και

της πίσω επιφάνειας, για τον περιορισμό των θερμικών απωλειών. Η μελέτη που

πειραματικού συστήματος, έγινε σε steady state συνθήκες και τα πειραματικά αποτελέσματα,

παρουσιάζονται παρακάτω:

200

Hybrid Parabolic Concentrator-Thermal

y = -2,8802x + 0,4527

y = -2,0789x + 0,3268

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

-0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

ΔΤ/G (oCm2/W)

nth

Σχήμα 5.139: Γραφική απεικόνιση της θερμικής απόδοσης του υβριδικού συστήματος με χρήση

μονωμένου θερμικού απορροφητή, συναρτήσει του παράγοντα ΔΤ/G, για την ακτινοβολία που

προσπίπτει στο σύστημα και για την συγκεντρωτική ακτινοβολία στον απορροφητή.

Η ηλεκτρική αποδοτικότητα, όπως υπολογίστηκε στην προηγούμενη ενότητα για το

σύστημα Mirror Parabolic Concentrator 15x, είναι η παρακάτω:

Mirror Parabolic Concentrator - Electrical Performance

y = -0,0063x + 0,8342

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

30 40 50 60 70 80 90 100

Tpv (oC)

nel

nel

Σχήμα 5.140: Γραφική απεικόνιση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας του υβριδικού συστήματος,

συναρτήσει της θερμοκρασίας λειτουργίας του.

201

Παρατηρούμε πως η θερμική απόδοση είναι μικρότερη σε σύγκριση με εκείνη του

θερμικού συγκεντρωτικού συστήματος και αυτό λόγω ότι ένα μέρος της προσπίπτουσας

ακτινοβολίας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια αλλά επίσης και των τεχνικών

προβλημάτων αγωγής και μόνωσης, που μελλοντικά μπορούν να αντιμετωπιστούν. Παρόλα

αυτά, σαν πρώτη εκτίμηση λειτουργίας του υβριδικού συγκεντρωτικού συστήματος, τα

αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά. Χαρακτηριστικά, για ακτινοβολία G=1000W/m2,

θερμοκρασία περιβάλλοντος Ta=26oC και θερμοκρασία εισόδου του ρευστού Τi=24oC,

επιτυγχάνεται θερμική απόδοση ίση με 32,3% που αντιστοιχεί σε ωφέλιμο θερμικό φορτίο

της τιμής των 218W ή 785kJ/h και αύξηση της ηλεκτρικής αποδοτικότητας κατά 26% που

συνεπάγεται σε 3.8 φορές μεγαλύτερη ηλεκτρική ισχύ, δηλαδή ικανοποιητική ψύξη του

φωτοβολταϊκού και παραγωγή θερμικής ενέργειας. Συγκρίνοντας τα θερμικά αποτελέσματα

με έναν κλασσικό θερμικό συλλέκτη μέγιστης θερμικής απόδοσης 85% και εμβαδού ίσου με

του πειραματικού συστήματος (0.675m2), έχουμε για τις ίδιες συνθήκες ωφέλιμο θερμικό

φορτίο της τιμής των 570W, που αντιστοιχεί σχεδόν στο διπλάσιο του υβριδικού

συγκεντρωτικού συστήματος.

Έχοντας αυτά τα ενεργειακά αποτελέσματα, έγινε μια συσχέτιση της διατεθειμένης

επιφάνειας εγκατάστασης, του κατασκευαστικού κόστους και της παραγόμενης ενέργειας για

το πειραματικό υβριδικό συγκεντρωτικό σύστημα. Θεωρώντας ότι το επιπρόσθετο κόστος

κατασκευής του υβριδικού συγκεντρωτικού συστήματος είναι 2 φορές μεγαλύτερο του

κόστους των φωτοβολταϊκών που χρησιμοποιούνται, καταλήξαμε στο συμπέρασμα, ότι για

μια εγκατάσταση σε ένα κτίριο μόνο για τις ηλεκτρικές ανάγκες, το συγκεκριμένο

συγκεντρωτικό σύστημα δεν μπορεί να αποφέρει κέρδος, μιας και χρειάζεται τριπλάσια

επιφάνεια εγκατάστασης για την κάλυψη της ίδιας ισχύος και ίδιο κόστος, σε αντίθεση με το

αν χρησιμοποιούνταν μόνο φωτοβολταϊκά. Αντίθετα όμως, για ένα κτίριο με ηλεκτρικές και

θερμικές ανάγκες, το ενεργειακό όφελος είναι μεγαλύτερο με την χρήση των υβριδικών

συγκεντρωτικών συστημάτων, με ζημίωση πάντα του χώρου εγκατάστασης.

202

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Στην διπλωματική αυτή εργασία, έγινε η μελέτη συγκεντρωτικών συστημάτων χαμηλής

συγκέντρωσης και των παραγόντων που επηρεάζουν την λειτουργία τους, με την χρήση

τριών γεωμετρικών συγκεντρωτικών μέσων, τα οποία είναι το σύστημα V-Trough, το

σύστημα Fresnel γραμμικής εστίας και το κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής εστίας

και συμβατικών φωτοβολταϊκών για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Όμως, από το την

προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία που συγκεντρώνεται στον απορροφητή, ένα μικρό μέρος

μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο μεταδίδεται στο περιβάλλον με την

μορφή θερμότητας και ακτινοβολίας. Έτσι, περαιτέρω μελέτη έγινε με βάση την δημιουργία

υβριδικού συγκεντρωτικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος, ταυτόχρονης παραγωγής

ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας χρησιμοποιώντας την βέλτιστη γεωμετρία, το οποίο θα

μπορούσε να δώσει ικανοποιητικά ποσά θερμικής ενέργειας, χωρίς να ζημιώνεται η

ηλεκτρική και το αντίστροφο, μιας και η αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας ενός

φωτοβολταϊκού, δρα αρνητικά στην απόδοση του.

Για το σύστημα V-Trough, οι μέγιστοι οπτικοί λόγοι συγκέντρωσης που μπορούν να

επιτευχθούν είναι περίπου 1,25Χ για το σύστημα V-Trough με διάχυτη ανακλαστική

επιφάνεια και 2,2Χ για το σύστημα V-Trough με κατοπτρική ανακλαστική επιφάνεια. Για το

σύστημα V-Through με χρήση κατοπτρικής ανακλαστικής επιφάνειας έχουμε ένα

επιπρόσθετο ενεργειακό κέρδος του εύρους 39,8%-51,96%, για το θερμοκρασιακό εύρος

λειτουργίας 20οC-60οC, ενώ για το σύστημα V-Through με χρήση διάχυτης ανακλαστικής

επιφάνειας πως για το θερμοκρασιακό εύρος 20οC-50οC, έχουμε ένα επιπρόσθετο

ενεργειακό κέρδος του εύρους 11,26%-26,1%.

Το σύστημα V-Trough, μπορεί να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα, είτε με την χρήση

διάχυτου ανακλαστικού μέσου, είτε με κατοπτρικού, με την ημερήσια κίνησή του κατά τον

αζιμουθιακό άξονα. Πλεονέκτημα του συστήματος αποτελεί το χαμηλό εύρος της

θερμοκρασίας λειτουργίας του, όπου δεν είναι απαραίτητη η ψύξη του συστήματος καθώς

και η ομοιόμορφη κατανομή της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας στον απορροφητή που δεν

επηρεάζει σημαντικά τον παράγοντα FF. Όμως, λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας

203

λειτουργίας του, η γεωμετρία αυτή δεν αποτελεί την καταλληλότερη για την κατασκευή ενός

υβριδικού συστήματος, ο οποίος είναι και ο απώτερος σκοπός της εργασίας αυτής.

Για το σύστημα Fresnel στη συνέχεια, η κατανομή της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας

είναι ανομοιόμορφη, ειδικά στην περίπτωση μας, όπου το πλάτος του φωτοβολταϊκού είναι

10cm. Η μέγιστη συγκέντρωση που επιτυγχάνεται, είναι της τάξης του 3.7Χ, για απόσταση

φακού-απορροφητή ίση με R=50cm, η οποία είναι και η εστιακή απόσταση του φακού

Fresnel. Η μεγάλη αυτή όμως ανομοιομορφία, επηρεάζει σημαντικά τον παράγοντα FF και

κατά συνέπεια την ηλεκτρική απόδοση και παραγόμενη ισχύ με την μεταβολή της

θερμοκρασίας.

Για το θερμοκρασιακό εύρος 0oC – 20οC, όπου δεν αποτελεί ρεαλιστικό θερμοκρασιακό

εύρος λειτουργίας του συστήματος, έχουμε αύξηση της ενεργειακής αποδοτικότητας κατά

12,39% - 25,47%, κάτι που σταδιακά μειώνεται απότομα, με χαρακτηριστικό παράδειγμα

την περίπτωση όπου η απόσταση φακού-απορροφητή έχει οριστεί ίση με R=50cm, λόγω του

ότι η κατανομή είναι αρκετά ανομοιόμορφη στην επιφάνεια του απορροφητή, με

αποτέλεσμα την καταστροφή του FF και επομένως της παραγόμενης ισχύος και απόδοσης.

Μέχρι και την τιμή των 50ο C, έχουμε μια αύξηση της ενεργειακής απόδοσης κατά 4,4%

όπου μειώνεται κι άλλο καθώς η θερμοκρασία λειτουργίας αυξάνει. Σε αντίθεση με το

σύστημα V-Trough, το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας είναι υψηλότερο, αλλά η

ανομοιομορφία της ακτινοβολίας είναι μεγάλη, με αποτέλεσμα, η περεταίρω χρήση του ως

υβριδικό σύστημα, να μπορεί να δώσει κάποια καλά αποτελέσματα ως προς την παραγωγή

θερμικής ενέργειας, με σημαντική ζημίωση όμως της ηλεκτρικής. Κάτι τέτοιο καθιστά και

την χρήση του φακού Fresnel ως υβριδικό σύστημα, για το συγκεκριμένο φωτοβολταϊκό

πλάτους 10cm, απαγορευτική.

Για τα συγκεντρωτικά κυλινδροπαραβολικά συστήματα γραμμικής εστίας με χρήση της

ανακλαστικής επιφάνειας ‘Cold’ ανακλαστικότητας ρ=0,712 και ‘Mirror’ ανακλαστικότητας

ρ=0,846, μπορεί να επιτευχθεί μέγιστη οπτική συγκέντρωση της τάξης του 7,6Χ και 9,3Χ

αντίστοιχα, για τον γεωμετρικό λόγο 15:1.

Στο σύστημα Cold Parabolic Concentrator, για θερμοκρασίες λειτουργίας μικρότερες των

80οC, υπάρχει αξιόλογη επιπρόσθετη ενεργειακή παραγωγή, ενώ για μεγαλύτερες

θερμοκρασίες, πέρα από το κίνδυνο θερμικής καταστροφής, τα ενεργειακά οφέλη είναι

μικρά. Όπως έχει αναφερθεί, μεγάλο μέρος της συγκεντρωτικής ακτινοβολίας αδυνατεί να

μετατραπεί σε ηλεκτρισμό και μετατρέπεται σε θερμότητα, αυξάνοντας κατά ένα ποσό την

θερμοκρασία λειτουργίας του φωτοβολταϊκού και η υπόλοιπη να χάνεται προς το

περιβάλλον με μορφή ακτινοβολίας. Κάτι τέτοιο καθιστά απαραίτητη την ψύξη του

204

φωτοβολταϊκού και την δυνατότητα εκμετάλλευσης της θερμικής ενέργειας, μέσω ενός

θερμικού εναλλάκτη, μετατρέποντας το σύστημα αυτό σε ένα υβριδικό συγκεντρωτικό

σύστημα συμπαραγωγής θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα, θεωρώντας ότι

το σύστημα ψύχεται στους 60οC και 80οC, όπου οι θερμοκρασίες είναι κατάλληλες για ένα

θερμικό σύστημα, πέρα από την θερμική ενέργεια, μπορεί να αυξήσει την ηλεκτρική

αποδοτικότητα κατά 22,78% και 13,18% αντίστοιχα, δηλαδή 2.44Χ – 3.21Χ φορές

περισσότερη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια, συγκριτικά με το φωτοβολταϊκό χωρίς

συγκέντρωση.

Στο σύστημα Mirror Parabolic Concentrator, για θερμοκρασίες λειτουργίας μικρότερες

των 80οC, υπάρχει αξιόλογη επιπρόσθετη ενεργειακή παραγωγή, ενώ για θερμοκρασίες

μεγαλύτερες των 100οC τα ενεργειακά οφέλη μειώνονται σημαντικά. Για την περίπτωση

χρήσης του συστήματος αυτού σαν υβριδικό σύστημα, οι συνθήκες είναι ιδανικότερες

συγκριτικά με το σύστημα Cold Parabolic Reflector, αφού η οπτική συγκέντρωση είναι

μεγαλύτερη και η κατανομή της αρκετά πιο ομογενής, με αποτέλεσμα την παραγωγή

μεγαλύτερων ποσών θερμότητας και ηλεκτρισμού. Για παράδειγμα, θεωρώντας ότι το

σύστημα ψύχεται στους 70οC και 80οC, πέρα από την θερμική ενέργεια, μπορεί να αυξήσει

την ηλεκτρική αποδοτικότητα κατά 29,65% και 23,95% αντίστοιχα, δηλαδή 3.64Χ – 4.07Χ

φορές περισσότερη παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια, συγκριτικά με το φωτοβολταϊκό χωρίς

συγκέντρωση.

Τέλος, με την επιλογή του συγκεντρωτικού συστήματος Mirror Parabolic Reflector για

την χρήση του ως υβριδικό σύστημα, μιας και θεωρήθηκε καταλληλότερο έναντι των άλλων,

έγιναν κάποια πρώτα πειράματα εκτίμησης της λειτουργίας του. Παρόλο την ύπαρξη

τεχνικών προβλημάτων αγωγής και μόνωσης, τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά. Με

διατήρηση της θερμοκρασίας λειτουργίας στους 75οC (και ενδεικτικά Τi=16oC, Ta=18oC,

G=900W/m2) επιτυγχάνεται αρκετά υψηλό ωφέλιμο θερμικό φορτίο (της τιμής του 185W ή

665kJ/h για τα παραπάνω δεδομένα) και αύξηση της ηλεκτρικής απόδοσης κατά 26% που

συνεπάγεται σε 3.8 φορές μεγαλύτερη ηλεκτρική ισχύ, δηλαδή ικανοποιητική ψύξη του

φωτοβολταϊκού και παραγωγή θερμικής ενέργειας. Με μια οικονομική-ενεργειακή μελέτη,

καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι για μια εγκατάσταση σε ένα κτίριο με ηλεκτρικές ανάγκες

μόνο, το συγκεντρωτικό σύστημα δεν είναι κατάλληλο, μιας και χρειάζεται τριπλάσια

επιφάνεια εγκατάστασης για την κάλυψη της ίδιας ισχύος και ίδιο κόστος, σε αντίθεση με το

αν χρησιμοποιούνταν μόνο φωτοβολταϊκά. Αντίθετα όμως, για ένα κτίριο με ηλεκτρικές και

θερμικές ανάγκες, το ενεργειακό όφελος είναι αρκετά μεγαλύτερο με την χρήση των

υβριδικών συγκεντρωτικών συστημάτων, με ζημίωση όμως του χώρου εγκατάστασης.

205

206

Τα συγκεντρωτικά συστήματα, αναμφισβήτητα αποτελούν το δεύτερο στάδιο εξέλιξης

των συστημάτων εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας, για παραγωγή θερμικής και

ηλεκτρικής ενέργειας, μιας και με την χρήση πολύ μικρότερης επιφάνειας απορροφητών,

μπορούν να παράγουν πολλαπλάσια ποσά ενέργειας. Έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον πολλών

ερευνητών αλλά προς το παρόν, εκτός των συστημάτων χαμηλής συγκέντρωσης, δεν έχουν

γίνει ευρέως αποδεκτά, λόγω μερικών τεχνικών και οικονομικών περιορισμών, που στο

άμεσο μέλλον προβλέπεται να ξεπεραστούν.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Βιβλία Luque A., Hegedus S., “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”

John Wiley & Sons Ltd, 2003

Duffie, J.A., Beckman, W.A., ”Solar Engineering of Thermal Processes”,

John Wiley & Sons, New York, 1991.

R. Messenger, J. Ventre, “ Photovoltaic Systems Engineering” 2th Edition CRC, 2004

Felix A. Farret, M. Godoy Simoes, “ Integration of Alternative Sources of Energy”


Goetzberger Α., Hoffmann V., “Photovoltaic Solar Energy Generation’’

Springer Berlin Heidelberg New York, 2005

Twidell J., Weir T., “Renewable Energy Resources”,

Taylor & Francis 2th Edition 2006

Peter Wurfel, “Physics of Solar Cells”


Εργασίες Συνεδρίων

Tripanagnostopoulos Y, Souliotis M., Makris Th., Georgostathis P. “Design and

performance of hybrid PV/T solar water heaters” Proc. Int. Conference ESTEC2007,

Freiburg, Germany, 19-20 June (2007)

Tripanagnostopoulos Y. “Aspects for low concentration photovoltaics” Conf. of

concentrating photovoltaics (CPV), Margurg (2007)

Tripanagnostopoulos Y. “Building Integrated Concentrating Photovoltaics” Int.Conf.

CISBAT 2009, Lausanne, Switzerland, 2-3 Sep (2009)

Tripanagnostopoulos Y. “Cost effective designs of building integrated PV/T solar systems”

Presented in 21st European PV Solar Energy Conf. Dresden, Germany 4-6 Ser.(2006)

Tripanagnostopoulos Y. “Hybrid PV/T Building Integrated Concentrating Photovoltaics”

Int. Conf. ESTEC, Munich, Germany, 25-26 May (2009)

Tripanagnostopoulos Y. “Linear fresnel lenses with photovoltaics for cost effective

electricity generation and solar control of buildings” Proc. Int.Conference ICSC-4, El

Escorial, Spain, 12-14 March (2007)

Tripanagnostopoulos Y. and Iliopoulou A. “Ιmproved designs for low concentration

photovoltaics” Int Conf. 22nd PVSEC, Milan, Italy, 3-7 Sep (2007).

Tripanagnostopoulos Y., “Novel designs of building integrated concentrating

photovoltaics” Proc. EU Conference, Valenthia, Spain (2008)

Tripanagnostopoulos Y., Georgostathis P., Iliopoulou A. “Optical study of new designs for

CPVT systems” 2nd International Workshop on Concentrating Photovoltaic Optics and

Power, Darmstadt, Germany 9-10 March 2009

Tripanagnostopoulos Y., Souliotis M., Makris Th., Georgostathis P., Sarris M.. "Design and

Performance of a Hybrid PV/T Solar Water Heater". Proc. 7th General Conference of the

BPU (BPU7) organized by the Hellenic Physical Society, Alexandroupolis, Greece, 9-13

September, (2009)

Tripanagnostopoulos Y., Souliotis M., Tselepis S., Dimitriou V., Makris Th. “Design and

performance aspects for low concentration photovoltaics” In CD Proc. 20th European PV

Solar Energy Conf. Barcelona 6-10 June (2005)

Εργασίες Περιοδικών

Adsten M., Helgesson A., Karlsson B. “Evaluation of CPC-collector designs for stand-

alone, roof- or wall installation” Solar Energy 79 (2005) 638–647

Badran Omar, Eck Markus, “The application of parabolic trough technology under

Jordanian climate” Renewable Energy 31 (2006) 791–802

Brogren M., Nostell P., Karlsson B. “Optical efficiency of a PV-Thermal hybrid CPC

module for high latitudes” Solar Energy 69 (2000) 173–185

Brogren M., Wennerberg J., Kapper R., Karlsson B. “Design of concentrating elements

with CIS thin film solar cells for facade integration” Solar Energy Materials & Solar Cells

75 (2003) 567–575

Buie D., Monger A.G. “The effect of circumsolar radiation on a solar concentrating

system” Solar Energy 76 (2004) 181–185

Chemisana Daniel, Ibαnez Manuel, Barrau Jerome “Comparison of Fresnel concentrators

for building integrated photovoltaics” Energy Conversion and Management 50 (2009)

1079–1084

Coventry S. Joe “Performance of a concentrating photovoltaic/thermal solar collector”

Solar Energy 78 (2005) 211–222

Feuermann D., Gordon J. M. “High concentration photovoltaic designs based on miniature

parabolic dishes” Solar Energy Vol. 70, No. 5, pp. 423–430, 2001

Gajbert Helena, Hall Maria, Karlsson Bjorn “Optimisation of reflector and module

geometries for stationary, low-concentrating, fac-ade-integrated photovoltaic systems”

Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007) 1788–1799

Hamdy M. A. “Model of a spectraily selective decoupled Photovoitaic/Thermal

concentrating system” Applied Energy 30 (1988) 209-225

Hatwaambo Sylvester, Hakansson Hakan, Nilsson Johan, Karlsson Bjorn “Angular

characterization of low concentrating PV– CPC using low-cost reflectors” Solar Energy

Materials & Solar Cells 92 (2008) 1347– 1351

Hein M., Dimroth F., Siefer G., Bett A.W. “Characterisation of a 300x photovoltaic

concentrator system with one-axis tracking” Solar Energy Materials & Solar Cells 75

(2003) 277–283

Kribus Abraham, Kaftori Daniel, Mittelman Gur, Hirshfeld Amir, Flitsanov Yuri, Dayan

Abraham “A miniature concentrating photovoltaic and thermal system” Energy Conversion

and Management 47 (2006) 3582–3590

Lal Panna Singh, Sarviya R.M., Bhagoria J.L. “Thermal performance of linear Fresnel

reflecting solar concentrator with trapezoidal cavity absorbers” Applied Energy 87 (2010)

541–550

Mallick K. Tapas, Eames Philip, Norton Brian “Non-concentrating and asymmetric

compound parabolic concentrating building facade integrated photovoltaics: An

experimental comparison” Solar Energy 80 (2006) 834–849

Mallick T.K., Eames P.C., Hyde T.J., Norton B. “The design and experimental

characterisation of an asymmetric compound parabolic photovoltaic concentrator for

building facade integration in the UK” Solar Energy 77 (2004) 319–327

Martin N., Ruiz J. M. “Optical performance analysis of V-Trough PV concentrators” Prog.

Photovolt: Res. Appl. 18 (2008)339–348

Matsushima Toshio, Setaka Tatsuyuki, Muroyama Seiichi “Concentrating solar module

with horizontal reflectors” Solar Energy Materials & Solar Cells 75 (2003) 603–612

Mittelman Gur, Kribus Abraham, Dayan Abraham “Solar cooling with concentrating

photovoltaic/thermal (CPVT) systems” Energy Conversion and Management 48 (2007)

2481–2490

Nilsson Johan, Brogren Maria, Helgesson Anna, Roos Arne, Karlsson Bjorn “Biaxial

model for the incidence angle dependence of the optical efficiency of photovoltaic systems

with asymmetric reflectors” Solar Energy 80 (2006) 1199–1212

Oommen Rachel, Jayaraman S. “Development and performance analysis of compound

parabolic solar concentrators with reduced gap losses—‘V’ groove reflector” Renewable

Energy 27 (2002) 259–275

Othman Y., Yatim B., Sopianb K., Nazari Abu Bakar “Performance analysis of a double-

pass photovoltaic/thermal (PV/T) solar collector with CPC and fins” Renewable Energy 30

(2005) 2005–2017

Riveros H. G. “ Graphical analysis of sun concentrating collectors” Solar Energy Vol. 36,

No. 4, pp. 313-322, 1986

Rosell J.I., Vallverdu X., Lechon M.A., Ibanez M. “Design and simulation of a low

concentrating photovoltaic/thermal system” Energy Conversion and Management 46

(2005) 3034–3046

Royne Anja, Dey Christopher “Design of a jet impingement cooling device for densely

packed PV cells under high concentration” Solar Energy 81 (2007) 1014–1024

Royne Anja, Dey, David Christopher, Mills R. “Cooling of photovoltaic cells under

concentrated illumination: a critical review” Solar Energy Materials & Solar Cells 86

(2005) 451–483

Ryu Kwangsun, Rhee Jin-Geun, Park Kang-Min, Kim Jeong “Concept and design of

modular Fresnel lenses for concentration solar PV system” Solar Energy 80 (2006) 1580–

1587

Sangani C.S. and Solanki C.S. “Evaluation Of V-Trough designs for a PV concentrator

system” Energy Systems Engineering, IIT Bombay, Powai, Mumbai-76

Sangani C.S., Solanki C.S. “Experimental evaluation of V-trough (2 suns) PV concentrator

system using commercial PV modules” Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007)

453–459

Sangani C.S., Solanki C.S., Gunashekar D., Antony G. “Enhanced heat dissipation of V-

trough PV modules for better performance” Solar Energy Materials & Solar Cells 92

(2008) 1634–1638

Segal Akiba, Epstein Michael, Yogev Amnon “Hybrid concentrated photovoltaic and

thermal power conversion at different spectral bands” Solar Energy 76 (2004) 591–601

Souliotis M., Tripanagnostopoulos Y. “Experimental study of CPC type ICS solar systems”

Solar Energy 76 (2004) 389–408

Souliotis M., Tripanagnostopoulos Y. “Study of the distribution of the absorbed solar

radiation on the performance of a CPC-type ICS water heater” Renewable Energy 33

(2008) 846–858

Tonui J.K., Tripanagnostopoulos Y. “Improved PV/T solar collectors with heat extraction

by forced or natural air circulation” Renewable Energy 32 (2007) 623–637

Tonui J.K., Tripanagnostopoulos Y. “Performance improvement of PV/T solar collectors

with natural air flow operation” Solar Energy 82 (2008) 1–12

Tripanagnostopoulos Y., Nousia Th., Souliotis M., Yianoulis P. “Hybrid

photovoltaic/thermal solar systems” Solar Energy Vol. 72, No. 3, pp. 217–234, 2002

Tripanagnostopoulos Y., Souliotis M. “ICS solar systems with horizontal cylindrical

storage tank and reflector of CPC or involute geometry” Renewable Energy 29 (2004) 13–

38

Tripanagnostopoulos Y., Souliotis M. “Integrated collector storage solar systems with

asymmetric CPC reflectors” Renewable Energy 29 (2004) 223–248

Tripanagnostopoulos Y., Souliotis M., Nousia Th. “CPC Type integrated collector

strorage systems” Solar Energy Vol. 72, No. 4, pp. 327–350, 2002

Yeh Naichia “Optical geometry approach for elliptical Fresnel lens design and chromatic

aberration” Solar Energy Materials & Solar Cells 93 (2009) 1309–1317

Μελέτη Συγκεντρωτικών Φωτοβολταϊκών-Θερμικών Ηλιακών...

Documents

Transcript of Μελέτη Συγκεντρωτικών Φωτοβολταϊκών-Θερμικών Ηλιακών...