ΗΛΙΑΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ ΩΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΛΥΣΗ ΓΙΑ ΣΤΕΓΕΣ ΚΑΙ ΕΛΕΥΘΕΡΟΥΣ ΧΩΡΟΥΣ

Από τον Μάρτιο αυτού του έτους η εταιρία του Gehrlicher έθεσε σε λειτουργία μια μεγάλη φωτοβολταϊκή μονάδα. Τον Οκτώβριο του 2007 ίδρυσε την Suntimes PV-Systems GmbH. Η εταιρία αυτή εξειδικεύτηκε στις εγκαταστάσεις ετοιμοπαράδοτων – με το κλειδί στο χέρι - φωτοβολταϊκών μονάδων άνω των 100 κιλοβάτ. Οι επιφάνειες σκεπής της βιομηχανίας κεραμικών είναι πολύ εκτεταμένες και οι προσβάσεις μου άριστες, η δε  ηλιοφάνεια είναι στο Magdenburg κατά 100 kWh ανά kW μεγαλύτερη από ό,τι στο Lübbecke", τόνισε ο κ. Gehrlicher, θεμελιώνοντας την επιλογή της τοποθεσίας της μονάδας.

Το φωτοβολταϊκό πάρκο με ισχύ 1,32 Megawatt αποτελεί για την εταιρία του Gehrlicher ένα υπόδειγμα το οποίο παρουσιάζει στους πελάτες της. Ο SOLARSERVER το παρουσιάζει ως το έργο του μήνα Ιουλίου 2008. Επίσης οι εφαρμογές με άμορφα πάνελ είναι τα γνωστότερα και πιο διαδεδομένα στην αγορά.

Οι στέγες γερμανικών βιομηχανιών σήμερα
«Οι πελάτες μας είναι κατασκευαστές μεμβρανών» μας εξηγεί ο κ. Gehrlicher. «Επειδή οι στέγες είναι ελαφριές και δεν αντέχουν βάρος, οι πελάτες προτιμούν λύσεις της Unisolar. Παραδοσιακά  πάνελ από λεπτές μεμβράνες, από CIS ή από  Cadmium-Tellurid (CdTe), τα οποία χρησιμοποιούν πάνελ από γυαλί, επιβαρύνουν την στέγη με το βάρος τους. Αντίθετα, η Unisolar ενώνει τις άμορφες κυψέλες, οι οποίες αποτελούνται από τριπλές επιφάνειες  (Triple Junction) με μια πλαστική μεμβράνη. Οι τρεις αυτές επιφάνειες απορροφούν το φάσμα του ηλιακού φωτός καλύτερα από ό,τι πάνελ  με  ένα λεπτό ημιαγωγό. Η κατώτερη επιφάνεια π.χ. απορροφά την ερυθρά ακτινοβολία, η μεσαία την κίτρινη/πράσινη και η επάνω την γαλάζια. Η Suntimes επικολλά τα «γυμνά» πάνελ είτε σε βάσεις αλουμινίου είτε τα τοποθετεί απευθείας και τα ενσωματώνει στις στέγες νεόκτιστων σπιτιών. Με το τρόπον αυτό, τονίζει ο κ. Gehrlicher, το βάρος δεν ξεπερνά τα 9 κιλά ανά τετραγωνικό  μέτρο, πράγμα που αντέχει κάθε στέγη. Επιπλέον δεν τρυπιέται η στέγη και περιορίζουμε τις αντιστάσεις του αέ-ρα στο δυνατό λιγότερο.
Η εγκατάσταση με φωτοβολταϊκές μεμβράνες γίνεται φυσικά σε λιγότερο χρόνο από ό,τι στα κρυσταλλικά πλαίσια, τονίζει ο κ. Gehrlicher. Επειδή τα κρυσταλλικά πάνελ μετατρέπουν το διάχυτο φως εμφανώς χειρότερα σε ρεύμα, οφείλουμε να τα τοποθετούμε πλάγια. Αυτό φυσικά διαρκεί περισσότερο και κάνει απαραίτητη την χρήση πλακών από μπετόν σαν αντίβαρο, πράγμα που σημαίνει έως και οχτώ φορές περισσότερο βάρος. Για κρυσταλλικές κατασκευές αυτό σημαίνει 25 κιλά ανά τετραγωνικό μέτρο, φορτίο υπερβολικό για βιομηχανικές μονάδες.
 
Ο κύριος Wolfgang Gehrlicher επιμένει στην χρήση λεπτών μεμβρανών (Thin Film) για μεγάλες στέγες. Στην  υποδειγματική του μονάδα στο Magdemburg ο κ. Gehrlicher τοποθέτησε τα μισά πάνελ στη νότια στέγη επάνω σε βάσεις αλουμινίου. Τα άλλα μισά πάνελ έχουν ΝΔ προσανατολισμό και μια κλίση 11 μοιρών. Για τον σχεδιασμό αυτό τον βοήθησε το πρόγραμμα της  Sputnik. Τα άμορφα πάνελ παράγουν τον πρώτο καιρό, 10 -12 βδομάδες, παραπάνω ενέργεια.

«……από αύριο στα ισπανικά χωράφια»
Το μέλλον του το βλέπει ο κ. Gehrlicher όχι απαραίτητα στις γερμανικές βιομηχανικές στέγες, αλλά και στους ελεύθερους  χώρους της Νότιας Ευρώπης. Οι κυψέλες των λεπτών μεμβρανών Thin Film έχουν χαμηλότερο συντελεστή θερμοκρασίας από ό,τι τα κρυσταλλικά πάνελ πυριτίου. Η απόδοσή τους μειώνεται συνεπώς στις υψηλές θερμοκρασίας λιγότερο. Αυτό σημαίνει ότι είναι κατάλληλα για περιοχές υψηλής ηλιοφάνειας. Σε μια πιλοτική εγκατάσταση ελεύθερου χώρου ο κ. Gehrlicher δοκιμάζει ήδη τη στατική στηριγμάτων για ελεύθερο χώρο με πάνελ της Unisolar. «Απέναντι στην Unisolar δεν υπάρχει εναλλακτική κατά την γνώμη μου», υποστηρίζει ο κ. Gehrlicher. Επίσης μένει πιστός σε ό,τι αφορά τους αντιστροφείς. Για τον επόμενό του στόχο των 10-12 Megawatt θα χρησιμοποιήσει τους αντιστροφείς της SolarMax, πράγμα που έκανε και στην προσωπική του εγκατάσταση. Ο. κ. Gehrlicher εκτιμά τις υπηρεσίες Service της Sputnik όπως και τα 20 χρόνια εγγύηση αλλά και τον υψηλό βαθμό απόδοσης της ελβετικής ποιότητας.

Η τεχνολογία λεπτών μεμβρανών Thin Film:  ευέλικτη, ελαφριά και φτηνή.
Οι κρυσταλλικές κυψέλες πυριτίου κυριαρχούν σήμερα στην φωτοβολταϊκή αγορά. Τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πάνελ έχουν συντελεστή απόδοσης 14%. Για να μειωθεί το κόστος των υλικών και η κατανάλωση ενέργειας κατά την παραγωγή τους, η βιομηχανία ερευνά για εναλλακτικές τεχνολογίες και έχει επιτυχία, γεγονός το οποίο αντικατοπτρίζεται στην διαπίστωση ότι τα διάφορα μοντέλα λεπτών μεμβρανών παρουσιάζουν μια αύξηση περίπου 30% το χρόνο.
Ένα φωτοβολταϊκό πάρκο με περίπου  550.000 πλαίσια, CdTe της First Solar Leistung, με εγκατεστημένη ισχύ 40.000 Kilowatt, επιφάνεια περίπου 400.000 τμ, 45 πλαίσια σε κάθε τραπεζοειδές στή-ριγμα, 72 Sunny Central 500HE 35 της SMA.  


Για την παραγωγή πάνελ λεπτών μεμβρανών (Thin Film) χρησιμοποιούν οι κατασκευαστές ημιαγωγούς, οι οποίοι αντιδρούν θετικά στο φως, μια γνωστή τεχνολογία από την  κατασκευή οθονών. Για τους ημιαγωγούς χρησιμοποιούν κυρίως υλικά από άμορφο πυρίτιο (a-Si) ή Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) ή και Cadmium-Tellurid (CdTe). Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις η θετική επιφάνεια είναι πολύ λεπτή.
Η ετήσια παραγωγή κυμαίνεται στα 100 Megawatt (CIS), 175 Megawatt (CdTe) und 500 Megawatt (a-Si). Για την κατασκευή στηριγμάτων χρησιμοποιούν οι κατασκευαστές φτηνά υλικά από γυαλί, μέταλλο ή πλαστικό. Κατ’ αυτόν τον τρόπο εξοικονομούν και σε πρώτες ύλες και σε ενέργεια. Αυτό συμβαίνει επειδή η παραγωγή άμορφων πάνελ απαιτεί μικρότερες θερμοκρασίες από ό,τι εκείνη των κρυσταλλικών. Ένα πρόσθετο προτέρημα είναι η δυνατότητα αυτοματισμού λόγω της μεγαλύτερες επιφάνειας που καταλαμβάνουν τα πάνελ λεπτών μεμβρανών (Thin Film). Επίσης η σύνδεση των επιμέρους υλικών των άμορφων πάνελ μπορεί να ενσωματωθεί στην παραγωγική διαδικασία σε σχέση με τα κρυσταλλικά.

Για τους λόγους αυτούς η παραγωγή των άμορφων πάνελ είναι σημαντικά συμφέρουσα. Σύμφωνα με τον κ. Michael Powalla από το ερευνητικό κέντρο για ηλιακή ενέργεια και ενέργεια από υδρογόνο (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) στην Βάδη-Βυρτεμβέργη, η άμορφη τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να πιέσει το κόστος κατασκευής κάτω από ένα ευρώ.
Φ/Β γεννήτριες με (CIS/CIGSe) από το έργο της HELIO-Energy o.e. στην στέγη της χαραλ. δημητράκας αβεε, (αποτελείται από τρεις διαφορικές τεχνολογίες των 6,6 KWp έκαστη)

                   
Το γεγονός βέβαια ότι στην αγορά κυριαρχούν τα κρυσταλλικά πάνελ οφείλεται στο ότι ο βαθμός απόδοσης των άμορφων είναι χαμηλότερος και στο ότι λείπει η μακροχρόνια εμπειρία στο τομέα των άμορφων.  Ο βαθμός απόδοσης προς το παρόν κυμαίνεται στα 6-7% για τα πάνελ άμορφου πυριτίου, στα 7-8% για πάνελ από Cadmium-Tellurid και στα 9-12% για πάνελ από Kupfer-Indium-Diselenid. Πάνελ βασιζόμενα στην τεχνολογία Advanced Thin Film Technology αποτελούνται κατά το 99,9% από γυαλί. Το υλικό από Cadmium-Tellurid έχει πάχος περίπου το 1/5 μία τρίχας και τοποθετείται ανάμεσα σε δυο γυάλινες επιφάνειες.

Βαθμός απόδοσης μεταξύ 10% και 14%
Παρά το χαμηλό βαθμό απόδοσης των άμορφων πάνελ, μπορούμε να εξασφαλίσουμε σχετικά αρκετή ενέργεια, επειδή αυτά τα πάνελ αξιοποιούν καλύτερα το διάχυτο και αδύνατο φως καλύτερα από  τα κρυσταλλικά. Εκτός αυτού έχουν ευνοϊκότερο συντελεστή θερμοκρασίας και αυτό σημαίνει πως η απόδοσή τους πέφτει λιγότερο στις υψηλές θερμοκρασίας.
Έως το 2010 αναμένουν οι ειδικοί μια βελτίωση του συντελεστή απόδοσης περίπου 10% για τα πά-νελ a-Si, 12% για τα CdTe και 14% για τα CIS. Λόγω του ότι τα τελευταία απαιτούν περισσότερο χώρο από ό,τι τα πολυκρυσταλλικά τα τοποθετούμε κυρίως σε βιομηχανικές περιοχές ή σε ελεύθε-ρους χώρους (χωράφια).

Πρόκληση για την τεχνολογία
Για την τεχνολογία των φωτοβολταϊκών η χρήση της τεχνικής των λεπτών μεμβρανών αποτελεί μια νέα πρόκληση. Αυτό συμβαίνει  επειδή τα πάνελ από a-Si αρχίζουν ήδη από τις πρώτες ημέρες να φθείρονται. Πρέπει  συνεπώς  να φροντίσουμε, ώστε η υψηλή ένταση δεν θα οδηγήσει σε φθορά των αντιστροφέων. Η κατασκευάστρια εταιρία Sputnik π.χ. λαμβάνει το γεγονός αυτό υπόψη της και με το πρόγραμμα MaxDesign προσπαθεί να ρυθμίζει την λειτουργία των φωτοβολταϊκών κατά τέτοιον τρόπο, ώστε να αποφεύγονται οι οριακές τιμές..

Δεν απαιτούνται ειδικοί αντιστροφείς.
Επιστήμονες προσπαθούν εδώ και χρόνια να διερευνήσουν την διαχρονικότητα των άμορφων πάνελ καθώς και τη δυνατότητα συνδυασμού αντιστροφέων με κάθε είδος πάνελ. Ο κ. Heribert Schmidt του Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) στο Freiburg εξήγησε στους 300 συνέδρους του Forum για εφαρμογές άμορφων στο Bad Staffelstein πως κατά βάση δεν χρειάζονται ειδικοί αντιστροφείς για τα άμορφα πλαίσια. «Δεν έχει σημασία εάν οι χρησιμοποιούμενοι αντιστροφείς λειτουργούν με την βοήθεια ενός μετασχηματιστή ή όχι, σημασία έχει η τάση των ηλιακών κυψελών και η δυνατότητα γείωσης.

Ανάλογα με την τεχνολογία πρέπει να δούμε τα πάνελ λεπτών μεμβρανών διαφοροποιημένα. Σκοπός της ανάπτυξης αυτής της τεχνολογίας είναι η δυνατότητα να συνδυάζουμε μελλοντικά όλα τα είδη πάνελ με όλους τους τύπους αντιστροφέων. Για να μπορεί η αγορά να καλυφτεί μελλοντικά με αξιόπιστες λύσεις, θα πρέπει να συντονισθούν η παραγωγή αντιστροφέων και πάνελ λεπτών μεμβρανών. Προφίλ αλουμινίου με άμορφες κυψέλες πυριτίου, όπως στις μονάδες της εταιρίας  Gehrlicher,  είναι ελαφρότερες λύσεις στο χώρο των άμορφων. Οι αντιστροφείς χωρίς μετασχηματιστή της Sputnik Engineering AG είναι σε λειτουργία με τα πάνελ της Unisolar από το 2005 χωρίς προβλήματα. Επειδή ο κεντρικός αντιστροφέας της ίδιας εταιρείας έχει τις προδιαγραφές για 1.000 Volt, περιορίζεται ο κίνδυνος εσφαλμένης χρήση.

      

Φ/Β γεννήτριες με μενβράνες της  Unisolar σε στέγη. Πηγή: Centrosolar AG


Ηγετική κοστολογικώς θέση της Cadmium-Tellurid
Η αμερικανική εταιρία First Solar, που κατέχει ηγετικό ρόλο στην παγκόσμια αγορά, έχει ήδη βελτιώσει κατά τον καλύτερο τρόπο τα πάνελ της και μάλιστα σε σχέση με τη λειτουργία τους με αντιστροφείς και τους προστάτεψε από τεχνικές επιπτώσεις. Οι κεντρικοί αντιστροφείς της Sputnik με γαλβανικό διαχωρισμό είναι εδώ και χρόνια σε λειτουργία χωρίς προβλήματα με πάνελ της First Solar. Επίσης ο συνδυασμός με τον καινούργιο κεντρικό αντιστροφέα της σειράς SolarMax-S θεωρείται από την First Solar ως χωρίς πρόβλημα. Εκτός από τους αντιστροφείς καθοριστικής σημασίας είναι και το σύστημα συναρμολόγησης, το οποίο πρέπει να μην επιτρέπει την ροή ρεύματος. Σύντομα η First Solar θα δώσει στην κυκλοφορία την άδεια συνδυασμού των πάνελ της με  αντιστροφείς της SolarMax χωρίς μετασχηματιστή.
Σταθερά άμορφα, πολυκρυσταλλικά πλαίσια και σε διό άξονες περιστροφής, ίδιας εγκατεστημένης ισχύος. Επιφάνεια των πολυκρυσταλλικών δεν είναι λεία, αλλά αποτελείται από μικρές κουκίδες.
Πηγή: Από το πειραματικό πάρκο για σύγκριση αποδόσεων της HELIO-Energy o.e.


Ο βασιλιάς του βαθμό απόδοσης: Kupfer-Indium-Diselenid

Ενώ τα πλεονεκτήματα των πάνελ από Cadmium-Tellurid και άμορφο πυρίτιο (amorphes Silizium) είναι κυρίως η τιμή και το βάρος, τα πάνελ από Kupfer-Indium-Diselenid διακρίνονται για τον καλύτερο βαθμό απόδοσης. Συνδυάζονται επίσης άριστα και χωρίς πρόβλημα και με αντιστροφείς της SolarMax με μετασχηματιστή αλλά και χωρίς. Το  φωτοβολταϊκό πάρκο με 41.000 πάνελ CIS και συνολική ισχύ 3,26 Megawatt στην επαρχία Albacete είναι η μεγαλύτερη στον κόσμο εγκατάσταση ελεύθερων χώρων, λειτουργεί σε συνδυασμό με αντιστροφείς της SolarMax και θα συνδεθεί με το δίκτυο το καλοκαίρι του 2008.

Γρηγόριος Τσόγιας
Οικονομολόγος
καθηγητής Οικονομικών, απόφοιτος,
απόφοιτος του Ελ. Πανεπιστημίου
Βερολίνου,
σύμβουλος φωτοβολταϊκών
DGS Berlin
Διευθυντής της helio-energy ο. ε.
www.helio-energy.com

Επιμέλεια:     
Rolf Hug, Heidel Server GmbH
Γρηγόριος Τσόγιας, HELIO-Energy o.e.

Μετάφραση:     
Καψάλης Αχιλλέας, Γρηγόριος Τσόγιας