Η προέλευση των φωτοβολταϊκών
άν και οι ηλιακές κυψέλες είναι διαθέσιμες από τα μέσα της δεκαετίας του '50, η επιστημονική έρευνα για τη φωτοβολταϊκό φαινόμενο άρχισε το 1839, όταν ο Γάλλος επιστήμονας, Henri Becquerel ανακάλυψε ότι ηλεκτρικό ρεύμα θα μπορούσε να παραχθεί από τη λάμψει ενός φωτός επάνω σε ορισμένες χημικές ουσίες.
Η επίδραση παρατηρήθηκε αρχικά σε ένα στερεό υλικό (σε αυτήν την περίπτωση το σελήνιο) το 1877. Αυτό το υλικό χρησιμοποιήθηκε για πολλά χρόνια στα φωτόμετρα, τα οποία απαιτούσαν πολύ μικρά ποσά ενέργειας.
Μια βαθύτερη κατανόηση των φυσικών αρχών που συνδέονται με το φαινόμενο δόθηκε από τον Einstein το 1905 και τον Schottky το 1930. Αυτές οι ερμηνείες ήταν απαραίτητες για να μπορέσουν να γίνουν ποιο αποδοτικές οι ηλιακές κυψέλες. Μια τέτοια κυψέλη πυριτίου που μετέτρεπε το 6% της ηλιακής ενέργειας που έπεφτε επάνω της, σε ηλεκτρική ενέργεια αναπτύχθηκε από τους Chapin, Pearson και Fueller το 1954, και χρησιμοποιήθηκε σε εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως οι διαστημικοί δορυφόροι, από το 1958.
Τα σημερινά εμπορικά διαθέσιμα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν αποδοτικότητες μετατροπής της ενέργειας του ήλιου που πέφτει πάνω τους από 5% έως 25% (ανάλογα με τον τύπο, μονοκρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό και άμορφου πυριτίου
Πώς δουλεύουν :
Όταν το φως του ήλιου προσπίπτει σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, μέρος των μορίων του φωτός (φωτόνια), τα όποια περιέχουν ενέργεια, απορροφάται από το κύτταρο. Από την απορρόφηση ενός φωτονίου ένα ηλεκτρόνιο (αρνητικό φορτίο) απωθείται από ένα άτομο πυριτίου. Αυτό συμβαίνει όταν η ενέργεια του φωτονίου είναι τουλάχιστον ίση ή ξεπερνάει το ενεργειακό κενό του ημιαγωγού (χαρακτηριστική ιδιότητα κάθε υλικού) οπότε και απορροφάται από τα ηλεκτρόνια σθένους.
Η ενέργεια που αποκτούν τους δίνει τη δυνατότητα να μεταπηδούν στη περιοχή αγωγιμότητας αφήνοντας πίσω μια θετικά φορτισμένη οπή, δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού. Το ελευθερωμένο ηλεκτρόνιο και το θετικό φορτίο έχουν την τάση να αλληλοεξουδετερωθούν μεταξύ τους. Χρησιμοποιώντας όμως μια δίοδο επιτρέπεται η ροή ηλεκτρονίων μόνο προς τη μία κατεύθυνση (από το θετικό προς το αρνητικό φορτίο), οπότε δεν μπορούν να εξουδετερωθούν παρά μόνο εάν κλείσει το κύκλωμα. Όταν όμως, οι ηλεκτρικές επαφές στο μπροστινό και οπίσθιο τμήμα του κύτταρου συνδέονται μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος, τα ελευθερωμένα ηλεκτρόνια κατευθύνονται στο θετικά φορτισμένο πυρίτιο, παράγοντας κατά συνέπεια το ρεύμα.
Πλαίσια και Συστοιχίες Φωτοβολταϊκών
Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια κατασκευάζονται από φωτοβολταϊκά κύτταρα (που δεν παράγονται απαραίτητα από τον κατασκευαστή του Φ/Β πλαισίου) τα οποία συνδέονται εν σειρά ή παράλληλα ανάλογα με την εφαρμογή που τα προορίζει ο κατασκευαστής τους. Καλύπτονται από το μπροστινό μέρος με γυαλί ή πλαστικό τύπου Tedlar ενώ το πίσω μέρος στεγανώνετε συνήθως με ένα πολυμερές υλικό, το EVA (Αιθυλένιο, βινύλιο και άλας οξικού οξέος). Οι κατασκευές αυτές πλαισιώνονται από προφίλ αλουμινίου για περιμετρική στεγανοποίηση και ευκολία στην τοποθέτηση. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει στα πολυ-κρυσταλλικά και μονο-κρυσταλλικά Φ/Β πλαίσια. Στα πλαίσια άμορφου πυριτίου το υλικό της σιλικόνης εναποτίθεται κατά τη διάρκεια παραγωγής του επάνω στο γυαλί μειώνοντας αισθητά το κόστος κατασκευής του πλαισίου. Η στεγάνωση του πλαισίου γίνεται επίσης με τη χρήση EVA, όμως επειδή το υλικό που εναποτίθεται είναι πολύ πιο λεπτό (0.5μm αντί 350μm) από τα κρυσταλλικά κύτταρα δεν είναι απαραίτητο το αλουμινένιο πλαίσιο καθώς επιτυγχάνεται επαρκής στεγανότητα με την κάλυψη του EVA.
Να σημειωθεί ότι η αποδοτικότητα του φωτοβολταϊκού πλαισίου, ιδιαίτερα των κρυσταλλικών τύπων, δεν είναι η ίδια με τα κύτταρα που χρησιμοποιούνε καθώς σημαντικό μέρος της επιφάνειας του πλαισίου μένει ανεκμετάλλευτο λόγο του σχήματος των κύτταρων και του χώρου που χρειάζεται για τη συνδεσμολογία μεταξύ τους. Στα πλαίσια άμορφου πυριτίου όμως επειδή η εναπόθεση του υλικού καλύπτει όλη την επιφάνεια του γυαλιού, αυτό το μειονέκτημα ελαχιστοποιείται.
Τέλος, πολλά Φ/Β πλαίσια σχηματίζουν τις Φ/Β συστοιχίες. Στις συστοιχίες ο εγκαταστάτης μπορεί να ενώσει τα πλαίσια σε σειρά ή παράλληλα ανάλογα την τάση και την ένταση του ρεύματος που επιθυμεί για το σύστημα του.
Φωτοβολταϊκά συστήματα :
Η χρήση των φωτοβολταϊκών τις περισσότερες φορές απαιτεί την ύπαρξη και άλλων στοιχείων στο ηλεκτρολογικό σύστημα για να λειτουργήσει σωστά. Αυτό συμβαίνει γιατί το φωτοβολταϊκό στοιχείο παράγει συνεχές ρεύμα (DC) και επειδή η ηλιακή ενέργεια δεν είναι πάντα διαθέσιμη. Έτσι χρειαζόμαστε κάποια ηλεκτρονικά συστήματα τα οποία να επεξεργάζονται το ηλεκτρικό ρεύμα με τρόπο που να μπορούμε να έχουμε τη πλέον αποδοτική χρήση του φωτοβολταϊκού συστήματος. Αυτά τα ηλεκτρονικά συστήματα είναι οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο (DC-AC Inverters) και οι ρυθμιστές τάσης ή φορτιστές (chargers) που χρησιμοποιούνται για την σωστή χρήση των συσσωρευτών στα αυτόνομα συστήματα.
Για ένα σύστημα λοιπόν διασυνδεδεμένο με το δίκτυο της ΔΕΗ χρειαζόμαστε :
1) τα φωτοβολταϊκά στοιχεία
2) τον μετατροπέα τάσης (inverter) με MPPT
3) μια μονάδα ελέγχου και ενδείξεων (συνήθως έχει κάποια οθόνη που δείχνει την κατάσταση του συστήματος)
4) το «διπλό» ρολόι της ΔΕΗ που όταν τα φωτοβολταϊκά δεν καλύπτουν τις ενεργειακές απαιτήσεις, συμπληρώνει ενέργεια από το δίκτυο της ΔΕΗ, και όταν υπάρχει περίσσια παραγόμενου ρεύματος από τα Φ/Β στοιχεία το προσφέρει στο δίκτυο της ΔΕΗ, «γυρνώντας» το ρολόι προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Ένα αυτόνομο σύστημα αποτελείται από:
1) τα φωτοβολταϊκά στοιχεία
2) τον ρυθμιστή τάσης - φορτιστή συσσωρευτών
3) τον μετατροπέα τάσης (inverter) σε περίπτωση που έχουμε φορτία εναλλασσόμενου ρεύματος (AC)
4) μια μονάδα ελέγχου και ενδείξεων (συνήθως έχει κάποια οθόνη που δείχνει την κατάσταση του συστήματος)
5) γεννήτρια
6) τους συσσωρευτές
Να σημειωθεί ότι ο φορτιστής, ο μετατροπέας ισχύος, η μονάδα ελέγχου και ενδείξεων μπορούν να ενσωματωθούν σε μια μόνο συσκευή για εξοικονόμηση χώρου και απλούστευση του συστήματος.
Μετατροπείς Τάσης :
Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ένα Φ/Β πλαίσιο είναι υπό μορφή συνεχούς ρεύματος (DC). Η μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο (AC) είναι απαραίτητη για τη χρήση πολλών κοινών συσκευών όπως και για την σύνδεση στο υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο και επιτυγχάνεται με έναν μετατροπέα τάσης συνεχούς σε εναλλασσόμενο ρεύμα ή αλλιώς μετατροπέας DC-AC.
Η αποδοτικότητα των μετατροπέων είναι γενικά μεγαλύτερη από 90%, όταν λειτουργούν πάνω από το 10% της μέγιστης παραγωγής τους, και μπορεί να φτάσει έως και 96%. Οι μετατροπείς που συνδέονται άμεσα με τα φωτοβολταϊκά ενσωματώνουν μια ηλεκτρονική διάταξη ανίχνευσης του μέγιστου σημείου ισχύος (Maximum Power Point Tracker - MPPT), o όποιος ρυθμίζει συνεχώς τη σύνθετη αντίσταση φορτίων έτσι ώστε ο μετατροπέας να εξάγει πάντα τη μέγιστη ενέργεια από το σύστημα.
Οι μετατροπείς υπάγονται σε δύο-κύριες κατηγορίες: αυτό-συνχρονιζόμενος και συγχρονισμένος βάση μίας σύνδεσης. Ο πρώτος μπορεί να λειτουργήσει ανεξάρτητα, ενεργοποιουμένος από την πηγή ενέργειας, δηλαδή μόλις υπάρχει ρεύμα από τα Φ/Β τότε ενεργοποιείται για να μην σπαταλάει ρεύμα από τους συσσωρευτές. Αυτοί που υπάγονται στη δεύτερη κατηγορία ενεργοποιούνται και ελέγχεται από το δίκτυο. Αυτό είναι απαραίτητο για να διατηρήσει το δίκτυο σταθερή ποιότητα ρεύματος και να αποφευχθούν τυχόν ατυχήματα. Αυτής της κατηγορίας οι μετατροπείς σταματάνε όταν υπάρχει βλάβη στο δίκτυο για πρόληψη ηλεκτροπληξίας στα συνεργία της ΔΕΗ.
Παραδοσιακά, ένας μετατροπέας χρησιμοποιείτε για ολόκληρη τη συστοιχία. Ξεχωριστοί μετατροπείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές συστοιχίες Φ/Β σε περίπτωση που η εγκατεστημένη ισχύς είναι μεγάλη. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται καλύτερη αξιοπιστία καθώς εάν προκύψει κάποιο πρόβλημα σε μια μονάδα, απομονώνεται χωρίς να σταματήσει την παραγωγή το υπόλοιπο σύστημα.
Πόσο παράγει :
Η καθημερινή ενεργειακή παραγωγή από φωτοβολταϊκά συστήματα ποικίλει ανάλογα με τον προσανατολισμό, τη θέση, τον καιρό και την εποχή. Η βέλτιστη θέση του φωτοβολταϊκού ως προς την ετήσια παραγωγή του είναι μια κλήση, ως προς το οριζόντιο επίπεδο, ίση με το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής και προσανατολισμό απολύτως νότιο (για την Ελλάδα που βρίσκεται στο Βόριο ημισφαίριο). Για έμφαση στην καλοκαιρινή περίοδο η κλίση πρέπει να είναι κατά 15 μοίρες μικρότερη ενώ για έμφαση στη χειμερινή περίοδο 15 μοίρες μεγαλύτερη. Η ημερήσια παραγόμενη ενέργεια βγαίνει από τον πολλαπλασιασμό της εγκατεστημένης ισχύς με έναν συντελεστή ηλιοφάνειας (βλέπε εικόνα). Για αυτόνομο σύστημα, η παραγόμενη ενέργεια πρέπει να καλύπτει την ενέργεια που καταναλώνεται ημερησίως από της συσκευές. Επίσης οι συσσωρευτές πρέπει να έχουν αρκετά αμπερώρια (Ah) για να καλύψουν τα φορτία για μια έως και πέντε μέρες, αναλόγως με την εφαρμογή και τις απαιτήσεις.
Σημαντικό είναι να κατανοηθεί ότι ένα αυτόνομο σύστημα δεν διαστασιολογείται βάση των τετραγωνικών μέτρων του σπιτιού που θα ηλεκτροδοτήσει, αλλά βάση των συσκευών που θα χρησιμοποιηθούν και για πόσο χρόνο αυτές λειτουργούν (μέρα και νύχτα). Επίσης μπορούμε εάν θέλουμε να καλύψουμε κάποια φορτία με τη τεχνολογία των Φ/Β και κάποια αλλά με κάποια άλλη τεχνολογία παραγωγής ενέργειας (υβριδικό σύστημα).
Η ποιο σωστή δράση για τον προσδιορισμό κάποιου συστήματος είναι η συμβουλή κάποιου επαγγελματία, όμως με κάποια απλή μέθοδο είναι εφικτή μία προσέγγιση στο μέγεθος ενός συστήματος. Έτσι εάν έχουμε ένα σπίτι στην Χαλκιδική το οποίο το χρησιμοποιούμε κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού τα σαββατοκύριακα και θέλουμε να καλύψουμε μια ημερήσια κατανάλωση 1kWh ακολουθούμε τα εξής βήματα:
1000/(3,1+2)=196W => με 2 Φ/Β στοιχεία των 120W θα καλύψουν τις απαιτήσεις μας. Το περίσσευμα της ενέργειας θα αποθηκεύεται σε συσσωρευτές. Η επιλογή των συσσωρευτών εξαρτάτε από τα χαρακτηριστικά του Φ/Β και ποιο συγκεκριμένα το Vmp πρέπει να είναι μεγαλύτερο από την ονομαστική τάση της μπαταρίας. Αν υποθέσουμε λοιπόν ότι το σύστημα μας θα έχει 12V μπαταρία τότε θα χρειαστούμε για το σύστημα μας τουλάχιστον ένα συσσωρευτή 210Ah (1000/12/40%=208). Να σημειωθεί ότι οι μπαταρίες δεν μπορούνε να αποδώσουν το 100% της αποθηκευμένης ενέργειας παρά, στην καλύτερη περίπτωση, ένα 40%.
Αυτή η μέθοδος είναι για πρόχειρο υπολογισμό ενός συστήματος, επαγγελματική βοήθεια πρέπει να αναζητηθεί για ακριβέστερους υπολογισμούς καθώς οι παράγοντες που επηρεάζουν ένα τέτοιο σύστημα είναι πολύ περισσότεροι από αυτούς που αναλύθηκαν παραπάνω. Για λίγο καλύτερα αποτελέσματα στον υπολογισμό της παραγώμενης ενέργειας χρησημοποιήστε τον προσομοιωτή φωτοβολταϊκής ενέργειας.
Οι συστοιχίες Φ/Β συνήθως τοποθετούνται σε σταθερές βάσεις. Αν όμως θέλουμε να μεγιστοποιήσουμε την απόδοση του Φ/Β συστήματος μας τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ιδικές βάσεις που ακολουθούν τον ήλιο μεταβάλλοντας συνεχώς την κλήση του συστήματος στη βέλτιστη γωνία ως προς τον ήλιο. Οι μεταβολές μπορούν να γίνουν σε δυο αλλά και σε τρεις άξονες.
Σχήμα 7 γραφική παράσταση που παρουσιάζει παραγωγή ενέργειας από σταθερό και με μεταβλητής γωνίας φωτοβολταϊκό σύστημα.
Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών :
Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν μια πληθώρα εφαρμογών και έχουν την δυνατότητα να καλύψουν αρκετές ανάγκες της καθημερινής μας ζωής.
Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για:
* εξοικονόμηση ενέργειας σε μεγάλα κτηριακά συγκροτήματα
* συστήματα καθοδικής προστασίας
* ηλεκτρικούς φράκτες
* αυτόνομα συστήματα φωτισμού
* συστήματα τηλεπικοινωνιών και μακρινού ελέγχου
* άντληση και κατεργασία ύδατος
* καταναλωτικά προϊόντα όπως ρολόγια, παιχνίδια και υπολογιστές
* συστήματα ενέργειας έκτακτης ανάγκης
* ψυγεία αποθήκευσης εμβολίων και αίματος για τις απομακρυσμένες περιοχές
* παροχές ηλεκτρικού ρεύματος στους δορυφόρους και τα διαστημικά οχήματα
* φορητές παροχές ηλεκτρικού ρεύματος για τη στρατοπέδευση και την αλιεία
Φωτοβολταϊκά ενσωματωμένα σε κτίρια (BIPV)
Τα ενσωματωμένα σε κτίρια φωτοβολταϊκά στοιχεία (Building Integrated Photovoltaic - BIPV) είναι η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας στα κτήρια με αντικατάσταση των συμβατικών οικοδομικών υλικών όπως των υαλοπινάκων, των κεραμιδιών της σκεπής, της μεταλλικής ή μαρμάρινης πρόσοψης σε ένα κτήριο. 
Τα BIPV συστήματα μπορούν είτε να συνδεθούν στο υπάρχον δίκτυο είτε να δημιουργήσουν ένα αυτόνομο σύστημα που να τροφοδοτεί κάποια φορτία, όπως τα UPS.
Ένα από τα οφέλη των συνδεδεμένων με το δίκτυο BIPV, είναι ότι η μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας συμπίπτει χρονικά με τις μέγιστες ενεργειακές απαιτήσεις ενός κτηρίου. Αν υπολογιστεί και το κέρδος, οικονομικό και περιβαλλοντικό, από την ελαχιστοποίηση των απωλειών ενέργειας λόγο μεταφοράς της, αφού η ενέργεια παράγεται εκεί που καταναλώνεται, το σύστημα παρέχει ιδιαίτερη μείωση ενεργειακού κόστους.
Για την βέλτιστη και ποιο οικονομική εφαρμογή των BIPV σε ένα κτίριο είναι καλό να εμπλακούν οι αρχιτέκτονες, οι μηχανικοί και όλοι οι αρμόδιοι του έργου από τα πρώτα στάδια σχεδιασμού του για να γίνει σωστή διαρρύθμιση και τοποθέτηση του συστήματος.
Η ένταξη των κυττάρων PV σε ένα κτήριο στο κέντρο Thoreau για τη βιώσιμη ανάπτυξη
Αυτόνομα συστήματα
Συστήματα καθοδικής προστασίας
Η καθοδική προστασία είναι μια μέθοδος προστασίας των μετάλλων από τη διάβρωση. Χρησιμοποιείτε στις γέφυρες, τις σωληνώσεις, τα κτήρια, τις δεξαμενές, τα φρεάτια και τις γραμμές σιδηροδρόμων. Η καθοδική προστασία επιτυγχάνεται με την εφαρμογή μιας μικρής αρνητικής τάσης στην μεταλλική επιφάνια. Το θετικό ακροφύσιο του συστήματος συνδέεται με μια άνοδο που είναι γενικά ένα κομμάτι μετάλλου το οποίο «συγκεντρώνει» τη διάβρωση αντί της μεταλλικής κατασκευής. Τα φωτοβολταϊκά ηλιακά συστήματα χρησιμοποιούνται συχνά σε μακρινές τοποθεσίες για να παρέχουν αυτήν την τάση.
Ηλεκτρικοί φράκτες
Οι ηλεκτρικοί φράχτες χρησιμοποιούνται για να αποτρέψουν τα ζωντανά των κτηνοτροφιών να διαφύγουν ή να αποτρέψουν οποιονδήποτε επιτήδειο (άνθρωπο ή ζώο π.χ. λύκος) επιθυμεί να κάνει κακό, να εισέλθει στο αγρόκτημα. Αυτοί οι φράκτες έχουν συνήθως ένα ή δύο ενεργά καλώδια που διατηρούνται σε περίπου 500 βολτ συνεχούς ρεύματος (VDC). Το αποτέλεσμα είναι ένας επίπονος, αλλά αβλαβής κλονισμός σε οποίον τους αγγίζει. Αυτές οι απαιτήσεις μπορούν να καλυφτούν από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, ένα φορτιστή και συσσωρευτές.
Αυτόνομα συστήματα φωτισμού
Συχνά απαιτείται φωτισμός σε μακρινές περιοχές όπου το κόστος της μεταφοράς ενέργειας είναι πάρα πολύ υψηλό. Τέτοιες εφαρμογές περιλαμβάνουν το φωτισμό ασφάλειας, τις φάρους, την οδική και σιδηροδρομική σηματοδότηση, λειτουργία απομακρυσμένων σταθμών λεωφορείων, σημείων έκτακτου ανάγκης και φωτισμό αγροτικών κατοικημένων περιοχών. Τα ηλιακά κύτταρα ταιριάζουν σε τέτοιες εφαρμογές, αν και μια μπαταρία αποθήκευσης απαιτείται πάντα σε τέτοια συστήματα. Αυτά τα συστήματα είναι πολύ δημοφιλή στις απομακρυσμένες περιοχές, ειδικά στις αναπτυσσόμενες χώρες και αυτό είναι μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές των μικρών φωτοβολταϊκών πλαισίων.