Ιστορική αναδρομή
Η διαδρομή των φωτοβολταϊκών συστημάτων για να φτάσουν στη σημερινή τους μορφή ξεκίνησε λίγο πριν από το πρώτο μισό του 19ου αιώνα. Συγκεκριμένα το φωτοβολταϊκό φαινόμενο το οποίο αφορά την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Γάλλο Φυσικό Μπεκερέλ (Alexander Edmond Becquerel).
Αποφεύγεται η χρήση συμβατικών καύσιμων μειώνοντας έτσι τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και άλλον βλαβερών αέριων που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου που θεωρείται υπεύθυνο για τις καταστροφικές κλιματικές αλλαγές
Χρειάστηκε όμως να περάσει περισσότερο από ένας αιώνας μέχρις ότου αυτή η επιστημονική ανακάλυψη να «πάρει σάρκα και οστά» να αποκτήσει δηλαδή πρακτική εφαρμογή.
Έτσι το πρώτο ηλιακό ηλεκτρικό στοιχείο κατασκευάστηκε το 1954 στα εργαστήρια Mπέλ στις Ηνωμένες Πολιτείες για διαστημικές εφαρμογές του οποίου η απόδοσή έφτανε μόλις στο 6%.
Φωτοβολταϊκό φαινόμενο
Η σύγχρονη τεχνολογία μάς έδωσε τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας με τη χρήση των ηλιακών φωτοβολταϊκών συστημάτων (Φ/Β), που η λειτουργία τους στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα.
Ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο από πυρίτιο είναι κατασκευασμένο από μία ειδική ημιαγωγική δίοδο (φωτοδίοδο), στην οποία παρατηρείται μια ροή ηλεκτρικών φορέων όταν αυτό δεχθεί φως. Όταν το φως χτυπήσει το κύτταρο, τότε τα φωτόνια απορροφούνται από τα ηλεκτρόνια του πυριτίου. Η ενέργεια των φωτονίων διεγείρει τα ηλεκτρόνια σε μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, οπότε αυτά κινούνται αφήνοντας πίσω τους μία οπή. Έτσι λοιπόν τα απορροφούμενα φωτόνια δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων – οπών. Το ηλεκτρικό πεδίο διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια από τις οπές και η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται κυμαίνεται μεταξύ 0.5-0.6 Volts. Η ύπαρξη των ηλεκτρικών φορέων και της διαφοράς δυναμικού δημιουργούν ένα ρεύμα το οποίο μπορεί να διαρρέει ένα εξωτερικό κλειστό κύκλωμα.
Κατηγορίες φωτοβολταϊκών
Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής φωτοβολταϊκών στοιχείων που κυρίως χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι ακόλουθες:
•Λεπτού Yμενίου (Thin Film) ή Άμορφου πυριτίου (a-Si)
Τα φωτοβολταϊκά αυτά στοιχεία κατασκευάζονται από άμορφο πυρίτιο. Διακρίνονται από την πολύ μικρή κατανάλωση πυριτίου κατά την κατασκευή τους, ενώ ευκολότερες είναι και οι κατασκευαστικές διαδικασίες με αποτέλεσμα το κόστος τους να είναι πολύ μικρότερο. Το κυριότερο μειονέκτημα τους είναι η πολύ χαμηλή τους απόδοση που δεν ξεπερνά το 10%.
Χρησιμοποιούνται συνήθως σε ηλιακά ρολόγια και σε αριθμητικούς υπολογιστές. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η χρήση της τεχνολογίας άμορφου πυριτίου σε μεγάλα κτήρια, γνωστά και ως Κτηριακά Ολοκληρωμένα Φ/Β στοιχεία (BIPVs – Building Integrated Photovoltaics), όπου αντικαθιστούν τα τζάμια (μετά από επεξεργασία για την αύξηση της διαφάνειας τους) συμβάλλοντας έτσι στην τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας στο κτήριο.
•Πολυκρυσταλλικά
Κατασκευάζονται από χυτό πυρίτιο. Έχουν βαθμό απόδοσης γύρω στο 11- 15%.
Σε αντίθεση με αυτά, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία γαλλίου – αρσενίου διακρίνονται για τον υψηλό βαθμό απόδοσης τους, γι’ αυτό χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις διαστημικές εφαρμογές και στα συστήματα εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Η απόδοσή τους αγγίζει το 25%, όταν δέχονται την άμεση ηλιακή ακτινοβολία και στο 28% όταν δέχονται και την διάχυτη ακτινοβολία. Σε ερευνητικό στάδιο ο βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων GaAs έχει ξεπεράσει το 30%.
•Μονοκρυσταλλικά
Είναι τα πιο διαδεδομένα στην αγορά και κατασκευάζονται σε κυλίνδρους ανεπτυγμένου πυριτίου. Οι κύλινδροι αυτοί κόβονται σε λεπτές φέτες, γνωστές ως wafers, με πάχος μόλις 200μm. O βαθμός απόδοσης τους στα εργαστήρια φθάνει το 24%, ενώ στο εμπόριο κυμαίνεται μεταξύ 16-18%.
Τρόποι Σύνδεσης
Υπάρχουν δυο κύριες κατηγορίες συστημάτων, τα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο και τα αυτόνομα.
Η απλούστερη μορφή του δεύτερου εκ των δυο αποτελείται απλώς από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία μόνη της τροφοδοτεί με συνεχές ρεύμα ένα φορτίο οποτεδήποτε υπάρχει επαρκής φωτεινότητα. Αυτού του τύπου το σύστημα είναι κοινό σε εφαρμογές άντλησης και οδικού φωτισμού.
Σε άλλες περιπτώσεις αυτόνομων συστημάτων, η εγκατάσταση αποτελείται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία τις μπαταρίες και όπου απαιτείται εναλλασσόμενο ρεύμα την εγκατάσταση συμπληρώνει ένας μετατροπέας τάσης γνωστός ως «Inverter» Σε μερικές περιπτώσεις το σύστημα περιλαμβάνει μια εφεδρική γεννήτρια.
Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα αποτελούνται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, τον μετατροπέα τάσης ( inverter) και τον διπλής εγγραφής μετρητή ο οποίος καταγράφει την παραγόμενη ενέργεια που διοχετεύεται στο δίκτυο.
Χορηγίες
Στα πλαίσια του σχεδίου χορηγιών για την ενθάρρυνση της χρήσης των Ανανεώσιμων πηγών Ενέργειας και της Εξοικονόμησης ενέργειας μέσω του ειδικού ταμείου για τις Α.Π.Ε και την ΕΞ.Ε δίνονται χορηγίες και επιδοτήσεις υπό μορφή κρατικών ενισχύσεων για:
Α) Μικρά ΦΒ συστήματα δυναμικότητας μέχρι 20 kWp ενωμένα με το δίκτυο.
Β) Αυτόνομα ΦΒ συστήματα, δυναμικότητας μέχρι 20 kWp.
Γ) Αυτόνομα ΦΒ συστήματα άντλησης νερού.
Τα Φωτοβολταϊκά συστήματα στην Κύπρο
Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα ονομαστικής ισχύος ενός κιλοβάτ (1KWp), εγκατεστημένο σε παραλιακή περιοχή της Κύπρου, με γωνία πλαισίων 27Ο και κατεύθυνση ακριβώς Νότια, με ακίνητες βάσεις παράγει περισσότερο από 1500KWh τον χρόνο, ως μέσο όρο των πρώτων 20 χρόνων λειτουργίας του.
Α) Στην Κύπρο η ανάπτυξη των Φωτοβολταϊκών συστημάτων βρίσκεται σε αρχικό στάδιο με την συνολική εγκατεστημένη ισχύ να φτάνει γύρω στα 1.8 MW, και αναμένεται ότι θα αυξάνεται κατά 1-1.5 MW το χρόνο.
Β) Ο χαμηλός ρυθμός ανάπτυξης τους οφείλεται στο υψηλό τους κεφαλαιουχικό κόστος που καθιστά επενδύσεις σε Φ/Β συστήματα μεγάλης ισχύος οικονομικά ασύμφορες
Γ) Αναμένεται η εγκατάσταση περί των 1-1,5MWp κατά το 2009 σε δημόσια κτήρια, στρατόπεδα και σχολεία με προϋπολογισμό 5 εκατομμυρίων Ευρώ (κατόπιν εκταμιεύσεις από τα διαρθρωτικά ταμεία)
Πλεονεκτήματα
•Είναι φιλικά προς το περιβάλλον: δεν προκαλούνται οποιοιδήποτε ρύποι από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
•Παράγουν ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια που είναι καθαρή και ανεξάντλητη,.
•Αποφεύγεται η χρήση συμβατικών καύσιμων μειώνοντας έτσι τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και άλλον βλαβερών αέριων που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου που θεωρείται υπεύθυνο για τις καταστροφικές κλιματικές αλλαγές.
•Ένα Φ/Β σύστημα ισχύος 1kWp κάθε χρόνο αποτρέπει την έκλυση 1300-1400 kg CO2 στην ατμόσφαιρα δηλαδή ένα 1kWp Φ/Β ισοδυναμεί με 200 δέντρα
•Αποτελούν αξιόπιστη τεχνολογία και έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής.
•Η λειτουργία τους είναι αθόρυβη.
•Απαιτούν ελάχιστη συντήρηση (έλεγχο των καλωδίων και καθαρισμός των επιφανειών των πλαισίων).
•Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη δημιουργία μικρών τοπικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής.
•Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικά υλικά.
•Μπορεί να γίνει εύκολα επέκταση ενός Φ/Β συστήματος.
Μειονεκτήματα
•Το βασικό μειονέκτημα ενός ΦΒ συστήματος είναι το σχετικά υψηλό του κόστος (€5000-€5500/kWp).
•Αναμένεται ότι οι συνεχείς τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα των ΦΒ θα συμβάλουν στην μείωση του κόστους και την αύξηση της απόδοσης τους.
•Ενδεικτικά αναφέρεται ότι χρειάζονται περίπου 4 χρόνια λειτουργίας για να αντισταθμιστεί η παραγωγή CO2 κατά την κατασκευή τους.
•Η απόδοσή τους είναι αντιστρόφως ανάλογη με την αύξηση της θερμοκρασίας. Βάσει των κλιματολογικών συνθηκών της Κύπρου η απόδοσή είναι μειωμένη κατά τους καλοκαιρινούς μήνες τότε δηλαδή που υπάρχει μέγιστη ζήτηση.
•Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ένα ΦΒ σύστημα κοστίζει πολύ περισσότερο από αυτήν που παράγεται από τη χρήση άλλων ανανεώσιμων ή συμβατικών πηγών ενέργειας
