Η ιστορία των φωτοβολταϊκών συστημάτων ξεκίνησε από αρκετά παλαιά και συγκεκριμένα στα μέσα του 19ου αιώνα όταν το 1839 ένας νεαρός φυσικός ο Edmund Becquerel ανακάλυψε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ενώ έκανε κάποιο πείραμα χρησιμοποιώντας μια πρωτόγονη ηλεκτρολυτική συστοιχία με δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια τοποθετημένα μέσα σε ένα αγώγιμο υγρό. Κατά την διάρκεια του πειράματος παρατήρησε ότι το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα αυξανόταν όταν το σύστημα ήταν εκτεθειμένο στην ηλιακή ακτινοβολία. Η ανακάλυψή του αυτή προξένησε σημαντικό ενδιαφέρον στους επιστήμονες φυσικούς της εποχής του αλλά η ανακάλυψη αυτή δεν είχε την συγκεκριμένη εποχή κανένα πρακτικό ενδιαφέρον.

• 1876 Ο Άγγλος μηχανικός Willougnby Smith μαζί με τον μαθητή του Williams Adams παρατήρησε ένα ακόμη φαινόμενο και συγκεκριμένα ότι όταν το στοιχείο σελήνιο εκτίθεται στον ήλιο παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα. Η ανακάλυψη αυτή ήταν πραγματικά ένας σταθμός αφού αποδείχτηκε πλέον ότι ένα στοιχείο μπορούσε να μετατρέψει το φως σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς την χρήση άλλης συμβατικής πηγής ενέργειας (κινητική ή θερμική).
• 1883 Ο Αμερικανός Φυσικός Charles Fritz καταφέρνει να κατασκευάσει για πρώτη φορά ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο που είχε απόδοση 1-2%.
• 1904 Ο διάσημος φυσικός και μαθηματικός Albert Einstein αναπτύσσει θεωρητικά και σε βάθος την θεωρία γύρω από το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Για την εργασία του αυτή βραβεύτηκε με το βραβείο Nobel του 1921.
• 1918 O Πολωνός Jan Czochralski κατασκευάζει το πρώτο στοιχείο μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Αυτή η μέθοδος κατασκευής χρησιμοποιείται, σε πολύ βελτιωμένη μορφή φυσικά, ακόμα και σήμερα.
• 1953 Το έτος αυτό αποτελεί τον σημαντικότερο σταθμό για την εξέλιξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας οι επιστήμονες της Αμερικάνικης Εταιρείας Bell Laboratories Gerald Pearson, Daryl Chapin και Calvin Fuller σε έρευνες τους που έκαναν γύρω από το πυρίτιο και τις εφαρμογές του στην ηλεκτρονική τεχνολογία ανακάλυψαν το πρώτο φωτοβολταϊκό στοιχείο το οποίο είχε πολύ μεγαλύτερη απόδοση από τα παλιότερα στοιχεία φτιαγμένα από σελήνιο. Εν συνεχεία η εν λόγω εταιρεία σχεδίασε και κατασκεύασε φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου με απόδοση 4%. Αυτή η ανακάλυψη ήταν η απαρχή νέων σημαντικών επιτευγμάτων για την κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων με νέες μεθόδους παραγωγής καθώς και χρήση διαφορετικών υλικών από το πυρίτιο.
• Η νέα αυτή τεχνολογία βρήκε εφαρμογή σε πρώτη φάση στην τροφοδοσία με ηλεκτρικό ρεύμα, παραγόμενο από φωτοβολταϊκά απόδοσης 9% , διαστημικών δορυφόρων όπως ο δορυφόρος Vanguard I κατά το έτος 1958 και εν συνεχεία οι δορυφόροι ο Explorer III, Vanguard II και Sputnik III από τους Σοβιετικούς. Από την εποχή αυτή και μετά η ανάπτυξη των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι ραγδαία. Παράγονται φωτοβολταϊκά ακόμα μεγαλύτερης απόδοσης (14%) και αρχίζουν οι εφαρμογές και σε άλλους τομείς εκτός της διαστημικής όπως η τροφοδότηση ηλεκτρονικού, τηλεπικοινωνιακού και ιατρικού εξοπλισμού, φωτισμού, κίνησης αντλιτικών συγκροτημάτων, τροφοδοσίας ψυγείων καθώς και το σημαντικότερο για εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Όμως λόγω του πολύ υψηλού κόστους παραγωγής, παρά τη ραγδαία τεχνολογική εξέλιξή τους, οι επενδύσεις σε φωτοβολταϊκά συστηματα είναι πενιχρές. Μέχρι το 1977 η συνολική εγκατεστημένη ισχύς παγκοσμίως μόλις που ξεπερνά τα 500 KW.
• Μόλις το 1980 γίνεται στις Η.Π.Α και συγκεκριμένα στην Πολιτεία της Καλιφόρνια η εγκατάσταση φωτοβολταϊκού πάρκου επιπέδου 1 MW από την εταιρεία ARCO Solar χρησιμοποιώντας μάλιστα και σύστημα παρακολούθησης της τροχιάς του ηλίου 2 αξόνων (tracker).
• Το 1983 η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς φτάνει τα 22MW και ο συνολικός τζίρος τα 250.000.000 δολάρια.
• Το 1984 ξεκινούν να κατασκευάζονται και να διανέμονται στην αγορά τα πρώτα φωτοβολταϊκά πάνελ άμορφου πυριτίου.
• Το 1999 η συνολική παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς σε φωτοβολταϊκά φτάνει τα 1000 MW, το 1999 τα 2000 MW και το 2005 τα 5000 MW.
• Από το 2004 και μετά, η είσοδος μεγάλων εταιρειών στον χώρο των φωτοβολταϊκών φέρνει μεγάλη αύξηση στην μαζική παραγωγή φωτοβολταϊκών πάνελ και ταυτόχρονα ραγδαία μείωση στην τιμή τους.Η Γερμανία, η Ιαπωνία και η Κίνα κυριαρχούν στην παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων και μετατροπέων (inverters) και πλέον σε όλες οι αναπτυγμένες χώρες επενδύουν σημαντικά ποσά τόσο για την παραγωγή εξοπλισμού όσο και στην κατασκευή διασυνδεδεμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
  

Ο ήλιος είναι ένα αστέρι με τεράστια επιφανειακή θερμοκρασία που σύμφωνα με εκτιμήσεις φτάνει τους 6000 Κ. Τεράστια ποσά ενέργειας παράγονται από θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συντελούνται στον πυρήνα του. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται ηλιακή ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια διαχέεται στο ηλιακό μας σύστημα κυρίως με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αλλά και με σωματιδιακή μορφή. Για να φτάσει στην γη η ηλιακή ακτινοβολία απαιτείται να διανύσει 150.000.000 Km που είναι η απόσταση του ήλιου από την γη. Για να διανύσει την απόσταση αυτή η ηλιακή ακτινοβολία υπό την μορφή φωτός (φωτόνια ή κβάντα) απαιτούνται περίπου 9 λεπτά της ώρας έχοντας μία ταχύτητα (ταχύτητα φωτός) 300.000 Km/sec.

Η ηλιακή ακτινοβολία προκειμένου να φτάσει στην γη διέρχεται πρώτα από την ατμόσφαιρα της, Εκεί οι ηλιακές ακτίνες σκεδάζονται στους υδρατμούς, την σκόνη, τον καπνό και τα διάφορα σωματίδια που αιωρούνται μέσα σε αυτήν. Ένα άλλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από ορισμένα συστατικά της ατμόσφαιρας και τέλος ένα τρίτο ανακλάται στα σύννεφα και στην συνέχεια διαχέεται στην επιφάνεια της γης.

Σε κάθε σημείο του εδάφους της γης και όπως είναι φυσικό σε κάθε ηλιακό συλλέκτη που βρίσκεται πάνω σε αυτό προσπίπτουν τρεις συνιστώσες της ηλιακής ακτινοβολίας.

• Η άμεση ακτινοβολία.
• Η διάχυτη ακτινοβολία.
• Η διάχυτη ανακλώμενη από το έδαφος.

Η άμεση και η διάχυτη ακτινοβολία εξαρτώνται :

• Την γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων πάνω στην επιφάνεια του εδάφους.
• Την συγκεκριμένη εποχή και ημέρα κατά την διάρκεια του έτους.
• Την κατάσταση της ατμόσφαιρας την στιγμή της πρόσπτωσης.
  

Η διάχυτη ανακλώμενη από το έδαφος ακτινοβολία εξαρτάται από την μορφολογία του εδάφους πάνω στο οποίο προσπίπτει και από τον αν και με τι είναι επικαλυμμένο αυτό (π.χ με χιόνι, λίμνη, θάλασσα, χώμα, τσιμέντο, βράχος κ.λ.π) Η απ’ ευθείας ακτινοβολία σε μία επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες του ήλιου είναι πάντα μεγαλύτερη από την ακτινοβολία σε μία οριζόντια επιφάνεια .Η διάχυτη ακτινοβολία μπορεί να είναι μεγαλύτερη σε μία οριζόντια επιφάνεια, γιατί αυτή βλέπει μεγαλύτερο τμήμα του ουράνιου θόλου, Για τον λόγο αυτό σε μέρη που δεν υπάρχει μεγάλη ηλιοφάνεια ενδείκνυται να εκμεταλλευόμαστε το μέγιστο της διάχυτης ακτινοβολίας τοποθετώντας τους ηλιακούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση.

Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω στην γη δύναται να μετρηθεί με την χρήση ειδικών πειραματικών οργάνων όπως είναι το πυρόμετρο, ο πυροηλεκτρικός κρύσταλος, το βολτόμετρο και η φωτοδίοδος.

Προκειμένου να εξηγήσουμε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο θα πρέπει να θυμηθούμε μερικά πράγματα που μας έχει διδάξει η κλασική Φυσική καθώς και η επιστήμη της Ηλεκτρονικής.

Κάθε στερεό σώμα αποτελείται από τα μικρότερα σωματίδια της ύλης που είναι τα άτομα.

Το κάθε άτομο αποτελείται από τον πυρήνα του έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια του που έχουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα σε φλοιούς (στιβάδες).

Τα ηλεκτρόνια της τελευταίας στιβάδας (εξωτερική στιβάδα) βρίσκονται σε μία συγκεκριμένη στάθμη ενέργειας και ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους.Τα στερεά σώματα μπορούμε να τα κατατάξουμε σε τρεις βασικές κατηγορίες με βάση την ηλεκτροαγωγιμότητα τους (δυνατότητα κίνησης των ηλεκτρονίων δια μέσω αυτών).

• Στους μονωτές που δεν επιτρέπουν καμία κίνηση ηλεκτρονίων δια μέσω αυτών.
• Στους αγωγούς που πάντα επιτρέπουν την κίνηση ηλεκτρονίων μέσα από αυτούς.
• Στους ημιαγωγούς που σε άλλες περιπτώσεις λειτουργούν ως μονωτές και σε άλλες περιπτώσεις ως αγωγοί.
  

Εδώ θα αναφερθούμε μόνο στους ημιαγωγούς που αποτελούν και το κύριο συστατικό κατασκευής των φωτοβολταϊκών στοιχείων από τα οποία συγκροτούνται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (πάνελ). Ένας τέτοιος ημιαγωγός είναι το πυρίτιο, βασικό υλικό για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών πάνελ.

Ένας ημιαγωγός όπως το πυρίτιο είναι ένα στοιχείο με 4 ηλεκτρόνια σθένους. Τα άτομα των ημιαγωγών διατάσσονται από μόνα τους σε κρυσταλλικές δομές, σε πλέγματα δηλαδή και παρουσιάζουν μια σταθερή γεωμετρία η οποία επαναλαμβάνεται στο χώρο.

Η δομή αυτή είναι αρκετά σφιχτή και έτσι τα ηλεκτρόνια των ημιαγωγών δεν έχουν την ευκολία που έχουν τα ηλεκτρόνια των μετάλλων να αποδεσμεύονται εύκολα από το υπόλοιπο άτομο και να κινούνται ελεύθερα, άρα παρουσιάζουν πολύ μικρότερη αγωγιμότητα σε σχέση με τα μέταλλα.

Τα ηλεκτρόνια των ημιαγωγών είναι τριών ειδών:

• Τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων που δεν είναι ιδιαίτερα ενεργά και δεν συμμετέχουν στην διαδικασία της αγωγιμότητας.
• Τα ηλεκτρόνια σθένους της εξωτερικής στιβάδας τα οποία όπως προαναφέραμε είναι 4 και υπό προϋποθέσεις μπορούν να μετακινηθούν προς τις οπές άλλων γειτονικών ατόμων που δημιουργήθηκαν σε αυτά επειδή τα δικά τους ηλεκτρόνια σθένους εγκατέλειψαν την θέση τους προκειμένου να καταλάβουν την θέση άλλων ηλεκτρονίων σθένους γειτονικών ατόμων.
• Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια τα οποία έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να μπορούν να αποσπαστούν από τους δεσμούς του πυρήνα τους.

Στους ημιαγωγούς υπάρχουν τρεις ενεργειακές ζώνες. Στο κάτω μέρος, πλησιέστερα στον πυρήνα, βρίσκεται η ενεργειακή ζώνη των εσωτερικών στιβάδων των ατόμων. Στο μέσο βρίσκεται η ενεργειακή ζώνη των ηλεκτρονίων σθένους και στο πάνω μέρος η ζώνη των ελευθέρων ηλεκτρονίων που είναι υπεύθυνα για την εκδήλωση ηλεκτρικής αγωγιμότητας (ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας).

Κάθε άτομο αμιγούς ημιαγωγού είναι τετρασθενές, έχει δηλαδή, στην εξωτερική του στοιβάδα τέσσερα ηλεκτρόνια. Αυτά τα μοιράζεται με τα τέσσερα γειτονικά του άτομα, δημιουργώντας έτσι ομοιοπολικούς δεσμούς. Το αποτέλεσμα είναι κάθε άτομο να φαίνεται σαν να έχει οχτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα. Δηλαδή τα γειτονικά άτομα στους ημιαγωγούς διαθέτουν εξωτερικές στιβάδες που περιέχουν κοινά ηλεκτρόνια. Έτσι η ζώνη σθένους τους παραμένει πλήρης και η ζώνη αγωγιμότητας κενή .Ανάμεσα στην ζώνη σθένους και την ζώνη αγωγιμότητας υπάρχει μία ενδιάμεση ενεργειακή ζώνη που ονομάζεται ενεργειακό χάσμα ή απαγορευμένη ζώνη.Είναι προφανές ότι το ενεργειακό χάσμα εκφράζει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για την διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους και την μετάβασή του στην ζώνη αγωγιμότητας σαν ελεύθερο ηλεκτρόνιο.

Όταν η ηλιακή ακτινοβολία υπό την μορφή φωτός (φωτόνια) προσπίπτει πάνω σε ένα καθαρό ημιαγωγό και αν η ενέργεια αυτή είναι μεγαλύτερη του ενεργειακού χάσματος τότε τα φωτόνια απορροφούνται από τα ηλεκτρόνια σθένους που διαπερνώντας το ενεργειακό χάσμα ανεβαίνουν στην ζώνη αγωγιμότητας αφήνοντας στην ζώνη σθένους μία οπή (τρύπα) . Παράλληλα η περίσσεια ενέργειας από τα φωτόνια μεταφέρεται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας υπό μορφή κινητικής ενέργειας συμβάλλοντας στην αύξηση της θερμοκρασίας του ημιαγωγού. Την θέση που άφησαν τα ηλεκτρόνια που αποσπάστηκαν από τον πυρήνα πηγαίνουν να καλύψουν τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην ζώνη ελευθέρων ηλεκτρονίων γειτονικών ατόμων.

Με τον τρόπο αυτό όσο αυξάνεται ηλιακή ακτινοβολία τόσο αυξάνει και ο αριθμός των ηλεκτρονίων στην ζώνη αγωγιμότητας και ο αριθμός των οπών στην ζώνη σθένους με αποτέλεσμα να έχουμε συνεχή ροή ηλεκτρικών φορτίων και αύξηση της αγωγιμότητας. Όταν πάψει η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στον ημιαγωγό τότε παύει να υπάρχει και ροή ηλεκτρικών φορτίων και η αγωγιμότητα επανέρχεται στα αρχικά επίπεδα. ¨Η αύξηση της αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού υπό την επίδραση φωτός λέγεται φωτοαγωγιμότητα.

Αν σε ένα αμιγή ημιαγωγό π.χ το πυρίτιο προστεθεί ένα μικρό ποσοστό τρισθενών η πεντασθενών ατόμων τότε σχηματίζεται ένας νοθευμένος ημιαγωγός.Αν η πρόσμιξη διαθέτει 5 ηλεκτρόνια σθένους τότε τα 4 από αυτά θα σχηματίσουν ομοιπολικούς δεσμούς με τα ηλεκτρόνια του τετρασθενούς ημιαγωγού ώστε να σχηματισθεί το κρυσταλλικό πλέγμα και θα περισσέψει ένα αδέσμευτο ηλεκτρόνιο διαθέσιμο ως φορέας ρεύματος. Η ενέργεια που απαιτείται να αποδεσμευτεί αυτό το ηλεκτρόνιο από το άτομο και να μεταβεί στην ζώνη αγωγιμότητας είναι πολύ μικρή (της τάξεως του 0,01 eV) . Τέτοιες προσμίξεις που δίνουν επιπλέον αρνητικούς φορείς καλούνται ημιαγωγοί τύπου n ή δότες. Αν η πρόσμιξη διαθέτει 3 ηλεκτρόνια σθένους αυτά θα σχηματίσουν ομοιπολικούς δεσμούς με τρία από τα ηλεκτρόνια του τετρασθενούς ημιαγωγού και θα απομείνει ένα κενό στο κρυσταλλικό πλέγμα (μία οπή). Τέτοιες προσμίξεις που δίνουν επιπλέον θετικούς φορείς καλούνται ημιαγωγοί τύπου p ή λήπτες.

Όταν φέρουμε σε επαφή ένα ημιαγωγό τύπου n με ένα ημιαγωγό τύπου p δημιουργείται στην θέση της επαφής μία ζώνη στην οποία εναλλάσσονται ηλεκτρόνια και οπές. Ελεύθερα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην ζώνη αυτή εισέρχονται στον ημιαγωγό τύπου p προκειμένου να συμπληρώσουν τις αντίστοιχες οπές και αντίστροφα οπές που ημιαγωγού p εισέρχονται στο ημιαγωγό τύπου n προκειμένου να ενωθούν με ίσο αριθμό ηλεκτρονίων. Έτσι έχουμε θετικά ιόντα (άτομα που έχουν προσλάβει ή απολέσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια) στην πλευρά n του ημιαγωγού και αρνητικά ιόντα στην πλευρά p του ημιαγωγού. Δηλαδή δημιουργείται μία διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πλευρών. Η διάταξη των ημιαγωγών p και n σε επαφή ονομάζεται δίοδος επαφής ή κρυσταλλοδίοδος.

Όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει πάνω σε μία τέτοια διάταξη τότε η διαφορά δυναμικού διατηρείτε όσο διαρκεί η πρόπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο και η διάταξη αυτή αποτελεί το φωτοβολταϊκό στοιχείο.

Το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι μία πηγή ρεύματος και αν τα άκρα της συνδεθούν με ένα σύρμα (αγωγό) μεγάλης διατομής (πρακτικά μηδενικής αντίστασης) το κύκλωμα είναι βραχυκυκλωμένο και διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα ίσο με το ρεύμα που παράγει αυτή η πηγή ρεύματος (φωτόρευμα). Το ρεύμα αυτό λέγεται ρεύμα βραχυκύκλωσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Αν τα άκρα της διάταξης δεν συνδέονται μεταξύ τους τότε έχουμε ανοιχτό κύκλωμα με ηλεκτρική τάση στα άκρα του η οποία ονομάζεται τάση ανοιχτού κυκλώματος.

Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, όπως είναι φυσικό δεν μπορεί να μετατραπεί όλη σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένα μέρος της ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού στοιχείου και διαχέεται στο περιβάλλον, ένα μέρος της απορροφάται αλλά δεν παράγει ηλεκτρική ενέργεια γιατί είτε τα φωτόνια, από τα οποία αποτελείται, έχουν ενέργεια μικρότερη από το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού είτε, ακόμα και μερικά από αυτά που έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα, δεν αξιοποιούνται αφού η ενέργεια τους μετατρέπεται σε θερμότητα.

Εν κατακλείδι μόνο το μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας της οποίας τα φωτόνια έχουν ενέργεια ίση με το ενεργειακό χάσμα αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Πρακτικά λοιπόν και σύμφωνα με τα όσα αναφέραμε παραπάνω μόλις η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει πάνω σε ένα ιδανικό φωτοβολταϊκό στοιχείο δημιουργείται στα άκρα του μία διαφορά δυναμικού (τάση) η οποία διατηρείται όσο διαρκεί η πρόπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας. Αν τώρα στα άκρα του δεν συνδεθεί κανένα φορτίο η τάση αυτή είναι τάση ανοιχτού κυκλώματος. Όσο αυξάνεται η ηλιακή ακτινοβολία η τάση θα αυξάνεται μέχρι ενός σημείου και μετά σχεδόν θα σταθεροποιηθεί.

Τώρα αν συνδέσουμε τα άκρα του κυκλώματος με ένα αγωγό μεγάλης διατομής (πρακτικά μηδενικής αντίστασης) τότε το κύκλωμα θα διαρρέεται από ρεύμα (ρεύμα βραχυκύκλωσης).Το ρεύμα αυτό θα αυξάνεται ευθέως ανάλογα με την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας.

Σε ένα πραγματικό ηλεκτρικό κύκλωμα φωτοβολταϊκού στοιχείου όπου στα άκρα του θα συνδεθεί ένα φορτίο (π.χ μία αντίσταση) το ηλεκτρικό ρεύμα για μία συγκεκριμένη ισχύ ηλιακής ακτινοβολίας διατηρεί την έντασή του σταθερή προσαρμόζοντας την τάση στα άκρα της κατανάλωσης.

Οι μεταβολές έντασης και τάσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου δίνονται μέσω της χαρακτηριστικής καμπύλης του από το κατασκευαστή του στοιχείου για συγκεκριμένες συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας περιβάλλοντος και για μεταβαλλόμενη αντίσταση του ηλεκτρικού κυκλώματος από 0 (βραχυκύκλωμα) και άπειρη αντίσταση (ανοιχτό κύκλωμα). Οι τιμές που παίρνουν η τάση και η ένταση στην πραγματικότητα παίρνουν τιμές ενδιάμεσες των δύο ακραίων καταστάσεων.

Πάνω στην καμπύλη αυτή υπάρχει ένα σημείο που η τάση και η ένταση παίρνουν ταυτόχρονα τις μέγιστες δυνατές τιμές τους και το γινόμενο της τάσης επί την ένταση, που μας δίνει και την αποδιδόμενη ισχύ παίρνει την μέγιστη τιμή του (μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς).

Το φωτοβολταϊκό στοιχείο βέβαια αν ήταν δυνατόν να έχει ιδανική συμπεριφορά (δηλαδή να μπορούσε να δουλεύει με ένταση ηλεκτρικού ρεύματος ίση με την ένταση βραχυκύκλωσης και τάση ίση με την τάση ανοιχτού κυκλώματος) θα απέδιδε μεγαλύτερη ισχύ από την μέγιστη πραγματικά αποδιδόμενη ισχύ. Αυτό όμως είναι τελείως θεωρητικό και πρακτικά αδύνατο. Όμως ο παράγοντας αυτός είναι πολύ σημαντικός προκειμένου να αξιολογήσουμε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο καθότι αν διαιρέσουμε την μέγιστη πραγματικά αποδιδόμενη ισχύ με την θεωρητική ισχύ που θα μπορούσε να δώσει αν ήταν δυνατόν το φωτοβολταϊκό στοιχείο, προκύπτει ένας αριθμός μικρότερος της μονάδας που ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης.

Είναι προφανές ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής αυτός τόσο το φωτοβολταϊκό στοιχείο έχει καλύτερη ενεργειακή απόδοση.

Δηλαδή πλησιάζει την λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου με ιδανική συμπεριφορά. Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο με συντελεστή πλήρωσης από 0,7 έως 0,9 μπορεί να θεωρηθεί ως ένα στοιχείο με αποδεκτή έως πολύ καλή ενεργειακή απόδοση.Κατά συνέπεια ο συντελεστής πλήρωσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας για την σωστή επιλογή του.

Οι βασικότεροι εμπορικοί τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων ή ηλιακών κελιών, όπως συνήθως ονομάζονται, είναι οι παρακάτω:

Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Μονοκρυσταλλικού Πυριτίου
Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευάζονται από έναν μεγάλο κρυσταλλικό δίσκο πυριτίου. Το πάχος τους είναι περίπου 0,3 χιλιοστά. Οι κυριότεροι τρόποι βιομηχανικής κατασκευής τους είναι οι μέθοδοι CZ (Czochralski) και FZ (float zone).που βασίζονται στην ανάπτυξη της ράβδου πυριτίου. Τα ηλιακά κελιά μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχουν σχήμα κυκλικό η τετράγωνο και το χρώμα τους είναι σκούρο μπλε και πολλές φορές μαύρο όταν διαθέτουν αντιανακλαστική επίστρωση.

Υπό μορφή βιομηχανοποιημένων φωτοβολταϊκών πλαισίων έχουν απόδοση που κυμαίνεται μεταξύ 15% έως 18% και διαθέτουν καλύτερη σχέση απόδοσης/επιφάνειας από τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Μειονέκτημα τους παλαιότερα θεωρούνταν η υψηλότερη τιμή τους λόγω της ακριβής τεχνολογίας παραγωγής τους.

Σήμερα η τιμή τους έχει πέσει σημαντικά με αποτέλεσμα να είναι πλήρως ανταγωνιστικά με τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου
Τα φωτοβολταικά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευάζονται από δίσκους πυριτίου και αποτελούνται από πολύ λεπτά επιστρώματα πάχους 10-50 μm τα οποία κόβονται από τετραγωνισμένους ράβδους πυριτίου.Οπτικά μπορεί κανείς να παρατηρήσει στην επιφάνεια του στοιχείου και μονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια μονοκρυσταλλικών περιοχών τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση τους.

Οι τρόποι βιομηχανικής κατασκευής τους απαιτούν λιγότερη ακρίβεια και για τον λόγο αυτό το κόστος τους και κατά συνέπεια και η εμπορική τιμή τους είναι μικρότερη από τα μονοκρυσταλλικά στοιχεία.

Το χρώμα τους είναι συνήθως μπλε όταν διαθέτουν αντιανακλαστική επίστρωση και γκρι προς το ασημί όταν δεν διαθέτουν.

Υπό μορφή βιομηχανοποιημένων φωτοβολταϊκών πλαισίων έχουν απόδοση που κυμαίνεται μεταξύ 13% έως 15%.

Πλεονέκτημά τους σε σχέση με τα μονοκρυσταλλικά στοιχεία είναι η χαμηλότερη τιμή τους.

Μειονέκτημα τους παλαιότερα θεωρούνταν η χαμηλότερη ενεργειακή τους απόδοση σε σχέση με τα μονοκρυσταλλικά στοιχεία. Σήμερα η απόδοσή τους έχει βελτιωθεί σημαντικά μέσω διάφορων νέων μεθόδων για την παραγωγή τους, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα να είναι πλήρως ανταγωνιστικά από πλευράς απόδοσης με τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Φωτοβολταϊκα Στοιχεία Λεπτού Υμενίου (Τhin Film)
Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί σημαντικά η τεχνολογία κατασκευής φωτοβολταϊκών στοιχείων από ημιαγωγούς πολύ μικρού πάχους (μερικά μm) και την χρήση μικρής ποσότητας πυριτίου. Τα στοιχεία αυτά έχουν μικρότερη απόδοση (6-8%) αλλά και σημαντικά μικρότερο κόστος παραγωγής που τα καθιστά αρκετά φθηνότερα και άκρως ανταγωνιστικά ιδίως στις περιπτώσεις που υπάρχουν διαθέσιμες μεγάλες επιφάνειες για την ανάπτυξή τους.

Το χρώμα τους είναι σχεδόν μαύρο και διακρίνονται σε διάφορες κατηγορίες όπως:

Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Άμορφου Πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon, a-Si)
Πρόκειται για ταινίες πολύ λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση πυριτίου πάνω σε ένα χαμηλού κόστους υπόστρωμα (γυαλί ή αλουμίνιο). Η ονομασία τους ως φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Η απόδοσή τους σε μορφή πλαισίου κυμαίνεται από 6 έως 8%.

Τα πλεονεκτήματα τους είναι ότι αφενός δεν επηρεάζονται σημαντικά από τις υψηλές θερμοκρασίες και αφετέρου έχουν καλύτερη απόδοση όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά).

Το μειονέκτημα τους είναι η χαμηλή τους απόδοση κάτι που σημαίνει ότι για να παράγουμε την ίδια ενέργεια απαιτείται σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Τα φωτοβολταϊκά πάνελ κατασκευάζονται ως εξής:

Πάνω σε ένα φύλλο αλουμινίου ή ενισχυμένου πλαστικού στερεώνονται μέσω ειδικής κόλλας πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία που συγκροτούν ένα φωτοβολταϊκό πάνελ.Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία (κελιά) είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους εν σειρά. Αυτό γίνεται γιατί τα φωτοβολταϊκά στοιχεία υπό συνθήκες κανονικής ακτινοβολίας παρέχουν πολύ μικρή τάση και πολύ μικρή ισχύ. Με την σύνδεσή τους εν σειρά και υπό ιδανικές συνθήκες η τάση ανοιχτού κυκλώματος του φωτοβολταϊκού πάνελ είναι ίση με το γινόμενο της τάσης ανοιχτού κυκλώματος που παράγει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο επί τον αριθμό των φωτοβολταϊκών κελιών από τα οποία συγκροτείται το πάνελ.

Το φύλλο αυτό αποτελεί την πλάτη του πάνελ. Μπροστά από το φύλλο με τα φωτοβολταϊκά κελιά τοποθετείτε ένα προστατευτικό κάλυμμα είτε από γυαλί είτε από πλαστικό.

Τα δύο αυτά φύλλα μοντάρονται και συγκρατούνται μεταξύ τους με την βοήθεια μίας ελαστικής περιμετρικής ταινίας και συσφίγγονται με ένα πλαίσιο αλουμινίου ώστε να διασφαλίζεται πλήρης στεγανότητα έναντι σκόνης και υγρασίας.

Στο πίσω μέρος του πλαισίου είναι τοποθετημένο το κουτί συνδέσεων καθώς και το κατάλληλο καλώδιο για την σύνδεση με άλλα φωτοβολταϊκά πάνελ.

Το ρεύμα βραχυκύκλωσης του φωτοβολταϊκού πάνελ, σε λειτουργία υπό ιδανικές συνθήκες, είναι το ίδιο με το ρεύμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου, αφού το πάνελ συγκροτείται από πηγές ρεύματος (φωτοβολταϊκά κελιά) συνδεδεμένα εν σειρά (βασική αρχή της εν σειρά σύνδεσης πηγών ρεύματος).

Η ισχύς αιχμής ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι επίσης ένας πολύ σημαντικός παράγοντας και εκφράζει την μέγιστη ηλεκτρική ισχύ που αποδίδεται από το φωτοβολταϊκό πάνελ κάτω από πρότυπες συνθήκες ελέγχου (θερμοκρασία στοιχείου +25 0C, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία 1Kw/m2 και φάσματος αντιστοίχου του ηλιακού με μάζα αέρα 1,5 και κάθετη πρόσπτωση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας).Η ισχύς αιχμής είναι το σημαντικότερο τεχνικό χαρακτηριστικό ενός φωτοβολταϊκού πάνελ και με βάση αυτήν το αναζητούμε στο εμπόριο.

Ένα άλλο πολύ βασικό τεχνικό χαρακτηριστικό ενός φωτοβολταϊκού πάνελ είναι ο βαθμός απόδοσης του, που είναι το πηλίκο της μέγιστης αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας. Κατά την επιλογή των φωτοβολταϊκών πάνελ μιας εγκατάστασης, ο συντελεστής απόδοσης παίζει πολύ σημαντικό ρόλο αφού μας δείχνει το πόσο αποδοτικό είναι το κάθε πάνελ.

Σημαντικοί είναι και οι θερμοκρασιακοί συντελεστές ενός πάνελ. Όταν ένα φωτοβολταϊκό πάνελ εκτίθεται στη ηλιακή ακτινοβολία αυξάνεται η θερμοκρασία του, αφού ένα μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας μετατρέπεται σε θερμότητα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την μικρή αύξηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης , την σημαντική μείωση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος και κατά συνέπεια την μείωση της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος.

Για κάθε πάνελ δίδεται από την κατασκευάστρια εταιρεία η ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας του καθώς και ο θερμοκρασιακός συντελεστής του ρεύματος βραχυκύκλωσης, ο θερμοκρασιακός συντελεστής της τάσης ανοιχτού κυκλώματος και ο θερμοκρασιακός συντελεστής της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος.

Οι συντελεστές αυτοί συνήθως δίνονται σε τιμές ποσοστού επί τοις εκατό ανά βαθμό Κελσίου και συγκεκριμένα :

Θερμοκρασιακός συντελεστής του ρεύματος βραχυκύκλωσης δείχνει πόσο τοις εκατό αυξάνεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης, σε σχέση με την ονομαστική του τιμή, όταν η θερμοκρασία λειτουργίας του πλαισίου μεγαλώσει κατά ένα βαθμό Κελσίου με σημείο αναφοράς την ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας του.Στους μονωτές που δεν επιτρέπουν καμία κίνηση ηλεκτρονίων δια μέσω αυτών.

Ο θερμοκρασιακός συντελεστής της τάσης ανοιχτού κυκλώματος δείχνει πόσο τοις εκατό μειώνεται η τάση ανοιχτού κυκλώματος σε σχέση με την ονομαστική της τιμή όταν η θερμοκρασία λειτουργίας του πλαισίου μεγαλώσει κατά ένα βαθμό Κελσίου με σημείο αναφοράς την ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας του.

Ο θερμοκρασιακός συντελεστής της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος δείχνει πόσο τοις εκατό μειώνεται η μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς σε σχέση με την ονομαστική της τιμή, όταν η θερμοκρασία λειτουργίας του πλαισίου μεγαλώσει κατά ένα βαθμό Κελσίου με σημείο αναφοράς την ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας του.

Γνωρίζοντας όλα τα παραπάνω είναι προφανές ότι όλοι οι προαναφερόμενοι παράγοντες έχουν σχέση με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του κάθε πλαισίου και πρέπει να ελέγχονται σχολαστικά κατά την φάση της επιλογής του πάνελ που θα εγκαταστήσουμε στην φωτοβολταϊκή μας εγκατάσταση.

Επίσης, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι ανεξάρτητα με το αν έχουμε επιλέξει ένα φωτοβολταϊκό πάνελ με πολύ καλούς θερμοκρασιακούς συντελεστές, πρέπει να λαμβάνουμε κατά την εγκατάσταση του όλα αυτά τα μέτρα που θα συμβάλουν στην όσο το δυνατόν μικρότερη αύξηση της θερμοκρασίας του.

Στην πράξη τα φωτοβολταϊκά πλαίσια συνδέονται είτε σε σειρά είτε εν παραλλήλω με άλλα πλαίσια ώστε να συγκροτηθεί μία φωτοβολταϊκή εγκατάσταση.

Η συνδεσμολογία πολλών φωτοβολταϊκών πλαισίων μεταξύ τους είτε παράλληλα είτε σε σειρά λέγεται φωτοβολταϊκή συστοιχία. Πολλές φωτοβολταϊκές συστοιχίες εγκατεστημένες στον ίδιο τόπο συγκροτούν ένα φωτοβολταϊκό πάρκο το οποίο μαζί με τον υπόλοιπο ηλεκτρολογικό και ηλεκτρονικό εξοπλισμό αποτελεί τις εγκαταστάσεις ενός ολοκληρωμένου σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκά.

Για το πώς διαμορφώνεται μία συστοιχία φωτοβολταϊκών πλαισίων υπάρχουν κάποιες βασικές αρχές τις οποίες θα αναφέρουμε εδώ περιληπτικά.

Καθορίζουμε την τιμή της εγκατεστημένης ισχύος της συστοιχίας (ισχύς αιχμής).Επιλέγουμε τα φωτοβολταϊκά πλαίσια με βάση τα κριτήρια πού προαναφέραμε.Υπολογίζουμε τον αριθμό των απαιτούμενων φωτοβολταϊκών πλαισίων διαιρώντας την επιθυμητή ισχύ αιχμής με την ισχύ αιχμής του πλαισίου που έχουμε επιλέξει.

Επιλέγουμε την μέγιστη τάση που θα δουλέψει η φωτοβολταϊκή συστοιχία (100-200 Volt για συστήματα έως 3 Kw, 200-400 Volt για συστήματα από 3 Kw έως 10 Kw, 400-700 Volt για συστήματα μεγαλύτερα απο 10 Kw.

Υπολογίζουμε τον αριθμό των φωτοβολταϊκών πλαισίων που θα συνδεθούν εν σειρά διαιρώντας την μέγιστη τάση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας που έχουμε επιλέξει με την μέγιστη τάση λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου που μας δίνει ο κατασκευαστής του.

Υπολογίζουμε τον αριθμό των παράλληλων κλάδων (δηλαδή σε πόσους παράλληλους κλάδους θα συνομολογηθούν οι εν σειρά συστοιχίες) διαιρώντας τον συνολικό αριθμό των πλαισίων με τον αριθμό των πλαισίων της εν σειρά συστοιχίας.

Ο υπολογισμός των φωτοβολταϊκών συστοιχιών είναι μια πολύ σοβαρή εργασία καθώς αποτελεί την βάση για την επιλογή των inverter (μετατροπέων συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο) καθώς και του σχεδιασμού μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Η εργασία αυτή είναι αντικείμενο ενός έμπειρου μελετητή ο οποίος λαμβάνει υπόψη του πολλές παραμέτρους εκτός των προαναφερομένων προκειμένου να ολοκληρώσει τον σχεδιασμό μιας εγκατάστασης.

Οι παραπάνω αναφερόμενες πληροφορίες επουδενί λόγο δεν μπορούν να υποκαταστήσουν την εργασία του αρμόδιου μηχανικού, αλλά αποτελούν την βάση πάνω στην οποία μπορεί κάποιος που διαθέτει στοιχειώδεις γνώσεις να υπολογίσει στο περίπου πόσο φωτοβολταϊκά πάνελ και πόσες φωτοβολταϊκές συστοιχίες θα απαιτηθούν για ένα διασυνδεδεμένο με το δίκτυο της ΔΕΗ φωτοβολταϊκό σύστημα.

Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα παράγει συνεχή ηλεκτρική τάση και συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Όμως η συντριπτική πλειονότητα των ηλεκτρικών καταναλώσεων καθώς και το εθνικό ηλεκτρικό δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας δουλεύει με εναλλασσόμενο ρεύμα.

Το γεγονός αυτό καθιστά αναγκαία την μετατροπή της παραγόμενης από τα φωτοβολταϊκά συστήματα τάσης από συνεχή σε εναλλασσόμενη μορφή, προκειμένου η σύνδεση της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης με τις διάφορες καταναλώσεις ή με το δίκτυο της ΔΕΗ να είναι εφικτή.

Για την μετατροπή αυτή χρησιμοποιούνται ειδικές ηλεκτρονικές συσκευές που ονομάζονται μετατροπείς τάσης και είναι περισσότερο γνωστοί με την Αγγλική τους ορολογία (inverter). Οι συσκευές αυτές στην ουσία είναι διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος οι οποίες μετατρέπουν την συνεχή τάση των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε εναλλασσόμενη τάση με ονομαστική τιμή 230V (ανά φάση) /50 Ηz.

Οι μετατροπείς τάσεως αποτελούν την καρδιά μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης καθώς όλη η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται μέσω αυτών στο δίκτυο ή στις διάφορες καταναλώσεις αν πρόκειται για αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα.

Για τον λόγο αυτό πρέπει να χαρακτηρίζονται από αξιοπιστία και υψηλή απόδοση καθώς και να ανταποκρίνονται τόσο στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού δικτύου (ειδικά στα διασυνδεδεμένα συστήματα) όσο και στην απόδοση της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης.

Εκτός από την μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο, οι μετατροπείς τάσης έχουν πολύ σημαντικό ρόλο στην καθημερινή λειτουργία των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων με την παρακολούθηση του σημείου μεγίστης ισχύος της εγκατάστασης και συνεχή αναπροσαρμογή του σημείου λειτουργίας στο επιθυμητό σημείο προκειμένου να επιτυγχάνεται η βέλτιστη απόδοση. Επίσης είναι εφοδιασμένοι με ειδικά ηλεκτρονικά συστήματα προστασίας τα οποία ενεργοποιούνται αυτόματα αποσυνδέοντας την εγκατάσταση σε περίπτωση που προκύψουν κάποιες ανωμαλίες στο δίκτυο ή στη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση.

Ειδικότερα στα διασυνδεδεμένα συστήματα η ΔΕΗ θέτει συγκεκριμένες ειδικές προδιαγραφές για αυτούς, απαιτώντας επίσης και την ύπαρξη σχετικών πιστοποιητικών από τους κατασκευαστές τους που θα πιστοποιούν τις προδιαγραφές αυτές.

Για την επιλογή των μετατροπέων λαμβάνονται υπόψη τόσο τα ποιοτικά όσο και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους και συγκεκριμένα θα πρέπει να διαθέτουν:

• Υψηλό βαθμό απόδοσης. Ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα, σε συγκεκριμένες συνθήκες φόρτισης ορίζεται σαν το πηλίκο της ισχύος εξόδου (εναλλασσόμενο ρεύμα) προς την ισχύ εισόδου (συνεχές ρεύμα).
• Σύστημα ανίχνευσης του σημείου μεγίστης ισχύος της εγκατάστασης και συνεχούς διόρθωσης του σημείου λειτουργίας (MPPΤ).
• Σύστημα προστασίας κατά του φαινομένου νησιδοποίησης κατά το πρότυπο VDE 0126.1.1 ( Δυνατότητα αυτόματης αποσύνδεσης από το δίκτυο σε περίπτωση ανίχνευσης προβλήματος σε αυτό καθώς και αυτόματη επανασύνδεση μετά την αποκατάσταση του προβλήματος).
• Δυνατότητα αυτόματης έναρξης λειτουργίας έτσι ώστε με τη έναρξη της ηλιοφάνειας, ο μετατροπέας να ανιχνεύει αυτόματα πότε η ισχύς που παρέχουν οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες, που είναι συνδεδεμένες με αυτόν, είναι αρκετά υψηλή και αυτόματα να εξασφαλίζει την σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο.
• Συντελεστή ισχύος που να προσεγγίζει κατά το δυνατόν την μονάδα.
• Υψηλή αντοχή σε συνθήκες βραχυκύκλωσης.
• Διηλεκτρική αντοχή ώστε τόσο η είσοδος όσο και η έξοδος του μετατροπέα να είναι όσο το δυνατόν πιο ανθεκτικές στις υπερτάσεις.
• Υψηλό βαθμό προστασίας έναντι υγρασίας, νερού και σκόνης ανάλογα με το χώρο τοποθέτησης του.
• Κατά το δυνατόν μικρότερο ακουστικό θόρυβο.
• Καλή τεχνική υποστήριξη και αναλυτικά τεχνικά εγχειρίδια εγκατάστασης και χειρισμού.

Οι μετατροπείς τάσεως διακρίνονται σε δύο κύριες βασικές κατηγορίες:

• Στους μετατροπείς τάσεως με μετασχηματιστή.
• Στους μετατροπείς τάσεως χωρίς μετασχηματιστή.
  

Ο λόγος της χρήσης μετασχηματιστή σε έναν μετατροπέα είναι η δυνατότητα που παρέχει αυτός για γαλβανική απομόνωση της πλευράς συνεχούς ρεύματος , η οποία συνδέεται με τα φωτοβολταϊκά πάνελ, με την πλευρά του εναλλασσομένου ρεύματος, που συνδέεται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Έτσι διασφαλίζεται απόλυτα η εγκατάσταση από πιθανά προβλήματα διαρροών από την μία πλευρά του συστήματος προς την άλλη. Σε κάποιες περιπτώσεις η χρήση μετατροπέα με μετασχηματιστή είναι υποχρεωτική, όπως παραδείγματος χάρη σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις όπου τα φωτοβολταϊκά πλαίσια πρέπει να λειτουργούν υποχρεωτικά γειωμένα. Μειονέκτημα των μετατροπέων με μετασχηματιστή είναι οι αυξημένες απώλειες ισχύος σε σχέση με τους μετατροπείς χωρίς μετασχηματιστή.

Η χρήση μετατροπέων χωρίς μετασχηματιστή , που είναι και η συνηθέστερη σήμερα έχει το βασικό πλεονέκτημα ότι δεν υπάρχουν σημαντικές απώλειες ισχύος και η φωτοβολταϊκή εγκατάσταση είναι περισσότερο αποδοτική. Όμως η έλλειψη γαλβανικής απομόνωσης αυξάνει τις απαιτήσεις για ασφάλεια και προστασία από διαρροές και ασύμμετρα ρεύματα. Κατά συνέπεια επιβάλλεται, όταν χρησιμοποιούμε inverter χωρίς μετασχηματιστή, αυτά να είναι εφοδιασμένα με όλους τους απαιτούμενους μηχανισμούς για προστασία από διαρροές και ασύμμετρα ρεύματα.

Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την επιλογή ενός μετατροπέα είναι η περίπτωση που η ηλιακή μας γεννήτρια δέχεται ανομοιόμορφη κατανομή ηλιακής ακτινοβολίας λόγω διάταξης των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε διαφορετικό προσανατολισμό, διαφορετική κλίση, ή λόγω ύπαρξης σκιάσεων. Στην περίπτωση αυτή τα πλαίσια θα πρέπει να συμπεριληφθούν σε διαφορετικές στοιχειοσειρές που η κάθε μία θα περιλαμβάνει πάνελ με κοινό προσανατολισμό και κοινή κλίση. Αυτός ο διαχωρισμός συμβάλλει στην αποτροπή της μείωσης της απόδοσης του συστήματος, αφού τα πλαίσια με περίπου ομοειδή σημείο μέγιστης ισχύος ομαδοποιούμαι σε διαφορετικές στοιχειοσειρές. Όμως στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να επιλεγεί ένας μετατροπέας πολλαπλών στοιχειοσειρών ώστε να υπάρχει η δυνατότητα να ελέγχεται η κάθε στοιχειοσειρά από δικό της μηχανισμό ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος.

Τέλος πολύ σημαντική είναι και η συμμετρική κατανομή ισχύος μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης και στις τρείς φάσεις του δικτύου, σε περίπτωση τριφασικών εγκαταστάσεων έτσι ώστε να επιτυγχάνεται ο μέγιστος βαθμός απόδοσης.

Κατά συνέπεια οι μετατροπείς που θα επιλεγούν θα πρέπει να υποστηρίζουν με αξιοπιστία τις απαιτήσεις τέτοιων εγκαταστάσεων.

Για την επιλογή των τεχνικών χαρακτηριστικών ενός μετατροπέα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα παρακάτω:

Η ονομαστική του τάση εισόδου πρέπει να είναι ίση με την μέγιστη τάση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με την οποία συνδέεται.

Η ονομαστική τάση εξόδου πρέπει να είναι ίση με την φασική τάση του δικτύου με το οποίο συνδέεται , αν πρόκειται για μονοφασική εγκατάσταση, και ίση με την πολική τάση, αν πρόκειται για τριφασική εγκατάσταση.

Η τάση ανοιχτού κυκλώματος του μετατροπέα θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση ανοιχτού κυκλώματος της φωτοβολταίκης συστοιχίας κατά 15% με 20% περίπου.

Η ισχύς εξόδου του μετατροπέα θα πρέπει να είναι περίπου 30% μικρότερη από την ισχύ αιχμής της φωτοβολταικής συστοιχίας.

Η επιλογή των inverter μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι μια πολύ σοβαρή εργασία καθώς αποτελεί ένα από τα βασικότερα μέρη μιας αξιόπιστης μελέτης. Η εργασία αυτή είναι αντικείμενο ενός έμπειρου μελετητή ο οποίος θα λάβει ει υπόψη του πολλές παραμέτρους, εκτός των προαναφερομένων, προκειμένου να ολοκληρώσει τον σχεδιασμό μιας εγκατάστασης. Επίσης πολύ χρήσιμο είναι ο μελετητής για την επιλογή των inverter να χρησιμοποιήσει τα λογισμικά επιλογής μετατροπέων που διαθέτουν οι κατασκευάστριες εταιρείες και από τα οποία μπορεί να βοηθηθεί σημαντικά στην εργασία του.

Όμως ούτε οι προαναφερόμενες γενικές οδηγίες, ούτε τα λογισμικά επιλογής των κατασκευαστριών εταιρειών μπορούν υποκαταστήσουν την επιστημονική γνώση και την εμπειρία που πρέπει να διαθέτει ο αρμόδιος μηχανικός προκειμένου να σχεδιάσει ένα αποδοτικό και ασφαλές φωτοβολταϊκό σύστημα.

Η σωστή εγκατάσταση των φωτοβολταικών πάνελ είναι ένας από τους βασικότερους παράγοντες που συμβάλουν στην βέλτιστη ενεργειακή απόδοση ενός φωτοβολταικού συστήματος αλλά και στην διάρκεια ζωής μίας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης.

Η τοποθέτηση των φωτοβολταικών πάνελ γίνεται πάνω σε ειδικά διαμορφωμένες βάσεις επί των οποίων βιδώνονται σταθερά αυτά.

Οι βάσεις των φωτοβολταϊκών πάνελ διακρίνονται σε δύο κατηγορίες:

Στις βάσεις με σταθερή κλίση ως προς ον ορίζοντα, που συνήθως τις ονομάζουμε σταθερές βάσεις.

Στις βάσεις που παρακολουθούν αυτόματα την πορεία του ήλιου που συνήθως τις ονομάζουμε βάσεις ιχνηλάτησης ή trackers.

Οι σταθερές βάσεις αποτελούν τον πιο απλό και οικονομικό τρόπο για την έδραση των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στην αγορά υπάρχουν διάφορες υποκατηγορίες σταθερών βάσεων όπως:

• Σταθερές βάσεις κατάλληλες για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πάνελ σε ταράτσες και δώματα.
• Σταθερές βάσεις κατάλληλες για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πάνελ σε στέγες από κεραμοσκεπή.
• Σταθερές βάσεις κατάλληλες για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πάνελ σε μεταλλικές στέγες .
• Σταθερές βάσεις κατάλληλες για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πάνελ στο έδαφος.

Οι σταθερές βάσεις είναι μεταλλικές από αλουμίνιο ή από γαλβανισμένο σίδηρο και είναι βιομηχανοποιημένα προϊόντα, κατασκευασμένα σύμφωνα με ειδική μελέτη ώστε να διασφαλίζεται η στατική τους επάρκεια και η αντοχή τους σε ανεμοπιέσεις και φορτία από χιόνι σύμφωνα με τους Ευρωκώδικες και η δυναμική τους αντοχή σύμφωνα με τον Ελληνικό Αντισεισμικό Κανονισμό. Οι βάσεις που επιλέγονται για μία φωτοβολταϊκή εγκατάσταση θα πρέπει να είναι πιστοποιημένες από Ελληνικούς ή Ευρωπαϊκούς Οργανισμούς Πιστοποίησης.

Σταθερές βάσεις κατάλληλες για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πάνελ σε ταράτσες και δώματα
Οι σταθερές βάσεις που είναι κατάλληλες για τοποθέτηση σε ταράτσες ή δώματα εγκαθίστανται είτε απευθείας στην πλάκα του δώματος στηριζόμενες με ειδικά χημικά ούπατ ,προκειμένου να διασφαλισθεί η στεγανότητα των οπών, είτε πάνω σε προκατασκευασμένους τσιμεντένιους δοκούς (συνήθως κράσπεδα πεζοδρομίου) που τοποθετούνται στο δώμα (εφόσον υπάρχει στατική επάρκεια της πλάκας) και στηριζόμενες με ούπατ βαρέως τύπου. Επίσης υπάρχει η δυνατότητα βαρυτικής στήριξής τους με πλάκες πεζοδρομίου εφόσον και πάλι η πλάκα του κτιρίου διαθέτει την απαιτούμενη στατική επάρκεια.

Οι βάσεις αυτές διαθέτουν συνήθως σταθερή κλίση 25 μοίρες έως 30 μοίρες σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο, η οποία είναι μία γενικά αποδεκτή τιμή κλίσης, με βάση το γεωγραφικό πλάτος των περισσότερων περιοχών στην Ελλάδα, ώστε να διασφαλίζεται η μέγιστη κατά το δυνατόν εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας σε όλη την διάρκεια του έτους.

Σταθερές βάσεις κατάλληλες για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πάνελ σε στέγες από κεραμοσκεπή.

Οι σταθερές βάσεις που είναι κατάλληλες για τοποθέτηση σε στέγες από κεραμοσκεπή εγκαθίστανται επί της κεραμοσκεπής, αφού πρώτα ελεγχθεί η στατική της επάρκεια. Οι βάσεις αυτές στηρίζονται στην κεραμοσκεπή με διάφορους τρόπους ανάλογα με την κατασκευάστρια εταιρεία. Στην αγορά διατίθενται πλειάδα εναλλακτικών λύσεων στήριξης με περισσότερο αξιόπιστες αυτές που γίνονται μέσω ειδικών εξαρτημάτων, που βιδώνονται εσωτερικά στις δοκίδες της κεραμοσκεπής, αφού αφαιρεθούν πρώτα μερικά κεραμίδια, τα οποία μετά από την τοποθέτηση των στηριγμάτων, επανατοποθετούνται και ακολούθως τα προφίλ των βάσεων βιδώνοντια πάνω στα στηρίγματα που προεξέχουν από τα κεραμίδια. Σε γενικές γραμμές, η επιλογή του τρόπου στήριξης των βάσεων επί κεραμοσκεπής, θα πρέπει να αποφασισθεί από τον αρμόδιο μηχανικό που θα σχεδιάσει την φωτοβολταϊκή εγκατάσταση σε συνεργασία με έμπειρο στατικό πολιτικό μηχανικό και με κριτήριο αφενός την ασφαλή και ακίνδυνη στερέωση και αφετέρου την πρόληψη κάθε πιθανής βλάβης στην σκεπή και την διασφάλιση της στεγανότητας της.

Η κλίση των βάσεων επί κεραμοσκεπής αναγκαστικά ακολουθεί την κλίση της σκεπής και αυτό θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη κατά την φάση της ενεργειακής προμελέτης του υπό εγκατάσταση φωτοβολταϊκου συστήματος ώστε να εξετασθούν όλες οι παράμετροί σχετικά με την κλίση και κατά πόσο αυτές επηρεάζουν σοβαρά ή όχι την αναμενόμενη ενεργειακή απόδοση του συστήματος.

Σταθερές βάσεις κατάλληλες για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πάνελ σε μεταλλικές στέγες
Οι σταθερές βάσεις που είναι κατάλληλες για τοποθέτηση σε μεταλλικές στέγες από λαμαρίνα ή προκατασκευασμένα πάνελ πολυουρεθάνης εγκαθίστανται επί της μεταλλικής στέγης, αφού πρώτα ελεγχθεί η στατική της επάρκεια. Οι βάσεις αυτές στηρίζονται στην στέγη με διάφορους τρόπους ανάλογα με την κατασκευάστρια εταιρεία. Στην αγορά διατίθενται πλειάδα εναλλακτικών λύσεων στήριξης επί μεταλλικών στεγών. Σε γενικές γραμμές η επιλογή του τρόπου στήριξης των βάσεων επί μεταλλικής στέγης θα πρέπει να αποφασισθεί από τον αρμόδιο μηχανικό που θα σχεδιάσει την φωτοβολταϊκή εγκατάσταση σε συνεργασία με έμπειρο στατικό πολιτικό μηχανικό και με κριτήριο αφενός την ασφαλή και ακίνδυνη στερέωση και αφετέρου την πρόληψη κάθε πιθανής βλάβης στην σκεπή και την διασφάλιση της στεγανότητας της.

Η κλίση των βάσεων επί μεταλλικής στέγης αναγκαστικά ακολουθεί την κλίση της και αυτό θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη κατά την φάση της ενεργειακής προμελέτης του υπό εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος ώστε να εξετασθούν όλες οι παράμετροί σχετικά με την κλίση και κατά πόσο αυτές επηρεάζουν σοβαρά ή όχι την αναμενόμενη ενεργειακή απόδοση του συστήματος.

Σταθερές βάσεις κατάλληλες για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πάνελ στο έδαφος
Οι σταθερές βάσεις που είναι κατάλληλες για εγκατάσταση στο έδαφος και συναντούνται κυρίως σε μεγάλες εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών πάρκων τοποθετούνται επί του εδάφους είτε με σκυροδέτηση είτε απευθείας με εδαφόμπηξη.

Στην περίπτωση της σκυροδέτησης κατασκευάζονται είτε δοκοί από οπλισμένο σκυρόδεμα σε όλη την σειρά των βάσεων είτε πέλματα από σκυρόδεμα, τοποθετημένα με τέτοιο τρόπο ώστε να καθιστούν εφικτό το βίδωμα των υποδοχών των βάσεων σε αυτά.

Στην περίπτωση της εδαφόμπηξης χρησιμοποιούνται ειδικοί πάσσαλοι, κατασκευασμένοι συνήθως από γαλβανισμένο σίδηρο, οι οποίοι τοποθετούνται μέσα στο έδαφός και σε βάθος περίπου 0,5-1,5 μέτρο, μέσω ειδικού πασσαλομπηκτικού μηχανήματος και επί των οποίων εν συνεχεία βιδώνεται η βάση.

Η λύση της σκυροδέτησης για την στήριξη των βάσεων αυξάνει κατά τι το κόστος εγκατάστασης, σε σχέση με την απλή εδαφόμπηξη, αλλά είναι ο πιο σίγουρος, ασφαλής και μακροπρόθεσμα ανθεκτικός τρόπος στήριξης των βάσεων.

Η λύση της εδαφόμπηξης είναι και αυτή μία αρκετά καλή και οικονομική λύση αλλά μπορεί να εφαρμοσθεί με ασφάλεια μόνο αν έχει προηγηθεί γεωτεχνική μελέτη προκειμένου να διαπιστωθεί κατά πόσο ο τύπος του εδάφους επιτρέπει την εδαφόμπηξη χωρίς να δημιουργούνται θέματα στατικής επάρκειας.

Ανεξάρτητα από τον τύπο των βάσεων αυτό που επίσης έχει μεγάλη σημασία είναι η χρήση των παρελκόμενων υλικών για την συναρμολόγηση των βάσεων, την στήριξή τους και το βίδωμα των φωτοβολταϊκών πλαισίων επί αυτών. Τέτοια υλικά είναι οι βίδες, τα περικόχλια και οι σύνδεσμοι των φωτοβολταικών πάνελ κ.λ.π. Τα υλικά αυτά θα πρέπει να είναι τέτοιας ποιότητας ώστε να μην δημιουργηθούν προβλήματα οξειδώσεων ή ηλεκτρόλυσης. Συνήθως τα υλικά αυτά είναι κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα και όπου υπάρχει κίνδυνος επαφής με ανομοιόμορφα υλικά τοποθετούνται ελαστικά παρεμβύσματα προκειμένου να αποφευχθεί η διάβρωση ή η ηλεκτρόλυση.

Βάσεις που παρακολουθούν αυτόματα την πορεία του ήλιου που συνήθως τις ονομάζουμε βάσεις ιχνηλάτησης ή trackerΗ τοποθέτηση κινητών βάσεων ιχνηλάτησης ή trackers αποσκοπεί στην μεγιστοποίηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας η οποία διασφαλίζεται με την περιοδική κίνηση των βάσεων σε όλη την διάρκεια της ημέρας με στόχο να επιτυγχάνεται συνεχώς η κάθετη πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στα φωτοβολταϊκά πάνελ.

Οι βάσεις τύπου tracker είναι αρκετά πολύπλοκοι μηχανισμοί, εξασφαλίζουν όμως πολύ αυξημένες αποδόσεις (μέχρι και 40%) σε σχέση με την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πάνελ πάνω σε απλές σταθερές βάσεις.

Στην αγορά συναντάμε κυρίως δύο βασικούς τύπους κινητών βάσεων:

• Τις κινητές βάσεις με συστήματα μονού άξονα, στις οποίες η κίνηση των πάνελ γίνεται πάνω στον άξονα ανατολής-δύσης σε όλη την διάρκεια της ημέρας. Με την χρήση αυτού του τύπου trackers επιτυγχάνεται αύξηση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος από 20% έως και 25% σε σχέση με την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πάνελ πάνω σε απλές σταθερές βάσεις.
• Τις κινητές βάσεις με συστήματα διπλού άξονα, στις οποίες η κίνηση των πάνελ αφενός γίνεται πάνω στον άξονα ανατολής-δύσης σε όλη την διάρκεια της ημέρας και αφετέρου υπάρχει συνεχής ρύθμιση της κλίσης των πάνελ σε σχέση με τον ορίζοντα. Με την χρήση αυτού του τύπου trackers επιτυγχάνεται αύξηση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος από 25% έως και 40% σε σχέση με την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πάνελ πάνω σε απλές σταθερές βάσεις.
  

Η κίνηση των βάσεων αυτών εξασφαλίζεται συνήθως μέσω ηλεκτροκινητήρων ή ηλεκτροϋδραυλικών κινητήρων. Η ανίχνευση της πορείας του ήλιου γίνεται είτε μέσω ηλιακών αισθητήρων που αντιλαμβάνονται τις εναλλαγές της θέσης το ήλιου ή μέσω ειδικού software που περιλαμβάνει διάφορα αστρονομικά δεδομένα με βάση τα οποία υπολογίσει την θέση και την πορεία του ήλιου για κάθε μέρα μέσα στο έτος και ανάλογα με ο γεωγραφικό μήκος και γεωγραφικό πλάτος της εκάστοτε περιοχής.

Αυτού του τύπου τα συστήματα αποτελούνται από μία κινητή επίπεδη επιφάνεια όπου επάνω της τοποθετούνται αρκετά φωτοβολταϊκά πάνελ καθώς και μία κάθετη στο έδαφος βάση στήριξης πάνω στην οποία είναι μονταρισμένη η επίπεδη επιφάνεια τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών πάνελ. Πάνω στην επίπεδη επιφάνεια μπορεί να τοποθετηθεί, ανάλογα με τον τύπο της βάσης, ένας σημαντικός αριθμός φωτοβολταϊκών πλαισίων που μπορεί να φτάσει ακόμα και τα 35 Kw εγκατεστημένης ισχύος. Τα συστήματα αυτά, λόγω της ιδιομορφίας τους, οδηγούν σε κατασκευές αρκετά μεγάλου ύψους που μπορεί να φτάσει σε μερικές περιπτώσεις και τα 12 μέτρα.

Λόγω του μεγάλου ύψους αλλά και βάρους των συστημάτων αυτών η στήριξή τους στο έδαφος είναι αρκετά πολύπλοκη και απαιτεί την εκπόνηση ειδικών στατικών μελετών αφού τόσο τα δυναμικά φορτία όσο και τα φορτία από ανεμοπίεση και χιόνι είναι αρκετά σημαντικά. Τα trackers κατά κύριο λόγο τοποθετούνται πάνω σε βάσεις από οπλισμένο σκυρόδεμα κατάλληλα θεμελιωμένες ώστε να διασφαλίζεται η στατική επάρκεια της όλης κατασκευής. Επίσης, λόγω της υψηλής έκθεσης των συστημάτων αυτών σε μεγάλες ανεμοπιέσεις, σχεδόν πάντα προβλέπεται η ύπαρξη ειδικών μηχανισμών ανίχνευσης των δυνατών ανέμων (ανεμόμετρα) τα οποία σε περίπτωση μεγάλης ταχύτητας των ανέμων δίνουν εντολή στους μηχανισμούς κίνησης να θέσουν την επιφάνεια των πάνελ σε τελείως οριζόντια θέση για λόγους προστασίας.

Κατά συνέπεια και σύμφωνα με τα παραπάνω ο επενδυτής που ενδιαφέρεται να εγκαταστήσει τα φωτοβολταϊκά πάνελ της εγκατάστασης του σε trackers θα πρέπει να λάβει σοβαρά υπόψη του τα παρακάτω ζητήματα:

Τόσο η προμήθεια του απαιτούμενου εξοπλισμού των trackers όσο και η εγκατάσταση τους είναι αρκετά πιο ακριβή σε σχέση με τις σταθερές βάσεις.

Οι βάσεις τύπου trackers απαιτούν συντήρηση λόγω της ύπαρξης κινητών ήλεκτρομηχανικών και ήλεκτρουδραυλικών μερών.

Λόγω του σημαντικού τους ύψους και της μορφής των εγκαταστάσεων υπάρχει απαίτηση ειδικών στατικών μελετών, μελετών θεμελίωσης καθώς και έκδοση κανονικής οικοδομικής άδειας, γεγονότα που επιβαρύνουν επί πλέον το συνολικό κόστος της επένδυσης.

Υπάρχει δυσκολία στην συντήρηση των φωτοβολταϊκών πάνελ λόγω του μεγάλου ύψους που είναι εγκατεστημένα και συνεπώς υψηλότερο κόστος συντήρησης.

Η ωφελιμότητα μίας εγκατάστασης με trackers δύναται να αποδειχθεί μόνο κατόπιν ειδικής οικονομοτεχνικής μελέτης αφού ληφθούν υπόψη όλοι οι τεχνικοί, οικονομικοί χωροταξικοί και περιβαλλοντικοί παράγοντες. Σαν γενική εκτίμηση, και με βάση την εμπειρία από τις λειτουργούσες διασυνδεδεμένες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις τόσο στην Ελλάδα όσο και στο εξωτερικό, έχει αποδειχθεί ότι σε χώρες με μεγάλη ηλιοφάνεια όπως η δική μας, περισσότερο συμφέρουσα είναι η χρήση σταθερών βάσεων. Η χρήση trackers συνίσταται περισσότερο σε χώρες και περιοχές με περιορισμένη ηλιοφάνεια. Αυτό βέβαια δεν είναι απόλυτο για κάθε περίπτωση και θα πρέπει, εφόσον τίθεται ως ερώτημα, να εξετάζεται με βάση τα αποτελέσματα μιας αξιόπιστης και εμπεριστατωμένης οικονομοτεχνικής μελέτης.

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα πρέπει να είναι πάντα γειωμένα, δηλαδή να συνδέονται αγώγιμα με την γη η οποία θεωρείται ότι έχει δυναμικό ίσο με το μηδέν. Σε μία φωτοβολταϊκή εγκατάσταση υποχρεωτικά θα πρέπει να γειωθούν όλα τα μεταλλικά της μέρη καθώς και ο ηλεκτρονικός της εξοπλισμός (inverters).

Οι λόγοι που καθιστούν αναγκαία την γείωση μίας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι οι εξής:

Η προστασία από ηλεκτροπληξία, λόγω διαρροής ρεύματος, των προσώπων (π.χ τεχνικών συντήρησης) που μπορεί να έρθουν σε επαφή με κάποια μεταλλική επιφάνεια του συστήματος.

Η αποφυγή ζημιών που δύναται να υποστεί ο εξοπλισμός της εγκατάστασης και κυρίως οι inverters από κρουστικές υπερτάσεις, δηλαδή από πολύ υψηλές τάσεις που μπορεί να εμφανισθούν από κάποιο βραχυκύκλωμα, χειρισμό διακόπτη του συστήματος ή ακόμα και από κευραυνικό πλήγμα.

Επίσης σε πολλές περιπτώσεις τα φωτοβολταϊκά συστήματα, που ως γνωστό εγκαθίστανται σε υπαίθριους χώρους, διατρέχουν σοβαρό κίνδυνο καταστροφής από πτώση κεραυνών. Ο κίνδυνος αυτός έγκειται στις ζημίες που μπορεί να προκληθούν είτε σε περίπτωση που η εγκατάσταση του φωτοβολταϊκού συστήματος ή το δίκτυο το οποίο τροφοδοτεί δεχθεί ένα άμεσο κεραυνικό πλήγμα είτε όταν κάποιος κεραυνός πλήξει άλλες εγκαταστάσεις ή ηλεκτρικά δίκτυα κοντά στην φωτοβολταϊκή εγκατάσταση.

Οι ζημιές που δύναται να προκληθούν σε τέτοιες περιπτώσεις είναι σημαντικές. Κατά συνέπεια σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις που ο κίνδυνος πτώσης κεραυνού είναι προσαυξημένος πρέπει να υπάρχει μέριμνα για την προστασία τους από κεραυνικά πλήγματα με την κατασκευή ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας (ΣΑΠ).

Η κλάση προστασίας της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης και το είδος του ΣΑΠ εξωτερικό, εσωτερικό ή ακόμα και πλήρες (εσωτερικό και εξωτερικό) θα πρέπει να αποφασισθεί από τον μελετητή μηχανικό ανάλογα με την μορφή της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης και την εκτίμηση των κινδύνων που διατρέχει η εγκατάσταση βάσει του Ευρωπαϊκού Προτύπου ΕΛΟΤ ΕΝ 62305-2.

Προστασία φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων σε στέγες
Σε όλες τις περιπτώσεις φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων σε στέγες είτε αυτές αφορούν οικιακές εγκαταστάσεις είτε εκτεταμένες εγκαταστάσεις σε στέγες επιχειρήσεων θα πρέπει να εξετάζονται με σχολαστικότητα οι κίνδυνοι πλήγματος από κεραυνούς. Για την εκτίμηση των κινδύνων θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα γεωγραφικά στοιχεία της περιοχής, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του κτιρίου επί του οποίου πρόκειται να γίνει η φωτοβολταϊκή εγκατάσταση καθώς και τα κριτήρια που τίθενται από το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 62305-2.

Σε περίπτωση που προκύψει ότι δεν υπάρχει ανάγκη κατασκευής ΣΑΠ τότε θα πρέπει να κατασκευαστεί σύστημα γείωσης της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης αποτελούμενο από :

• Γειωτή ο οποίος μπορεί να είναι είτε τρίγωνο γείωσης με ράβδους είτε ηλεκτρόδια γείωσης τύπου Ε είτε να χρησιμοποιηθεί, εφόσον υφίσταται, η θεμελιακή γείωση του κτιρίου. Σε οιανδήποτε περίπτωση το σύστημα γείωσης πρέπει να καλύπτει τις απαιτήσεις αντίστασης γείωσης του προτύπου ΕΛΟΤ HD 384.
• Μπάρες ισοδυναμικής σύνδεσης για την σύνδεση με τον γειωτή και τα διάφορα στοιχεία του φωτοβολταϊκού συστήματος μέσω αγωγών γείωσης.
• Αγωγούς γείωσης μέσω των οποίων θα γίνεται η σύνδεση του μεταλικού σκελετού των φωτοβολταϊκών πλαισίων, του inverter και των πινάκων DC και AC της εγκατάστασης με τις μπάρες ισοδυναμικής σύνδεσης και εν συνεχεία μέσω αυτών με άλλους αγωγούς στον γειωτή.
• Επίσης υποχρεωτικά θα πρέπει να τοποθετηθούν τόσο προς την πλευρά DC όσο και προς την πλευρά AC της εγκατάστασης απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων για την προστασία της εγκατάστασης από τυχαίες υψηλές τάσεις.Σε περίπτωση που προκύψει ανάγκη κατασκευής ΣΑΠ τότε θα πρέπει τα πρέπει να κατασκευαστεί στην στέγη του κτιρίου πλήρες εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας που θα καλύπτει τόσο την ίδια την στέγη όσο και τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Ασφαλέστερο σύστημα είναι ο τυπικός κλωβός Faraday με συμπληρωματική τοποθέτηση ακίδων απαγωγής στα υψηλότερα σημεία της στέγης και του φωτοβολταϊκού συστήματος. Όλο το σύστημα σύλληψης των κεραυνών θα πρέπει να συνδεθεί με το σύστημα γείωσης της εγκατάστασης μέσω του απαιτούμενου αριθμού αγωγών καθόδου.
  

Προστασία φωτοβολταϊκών πάρκωνΓια αυτής της κατηγορίας τις εγκαταστάσεις οι οποίες διαθέτουν μεγάλης έκτασης μεταλλικές κατασκευές, συνιστάται να χρησιμοποιείται ως γειωτής μία εγκατάσταση περιμετρικής θεμελιακής γείωσης ή πλέγματα γείωσης.

Εκτός από τον γειωτή, θα πρέπει να εγκατασταθεί επαρκής αριθμός από μπάρες ισοδυναμικής σύνδεσης, για την σύνδεση με τον γειωτή και τα διάφορα στοιχεία του φωτοβολταϊκού συστήματος καθώς και αγωγοί γείωσης μέσω των οποίων θα γίνεται η σύνδεση του μεταλλικού σκελετού των φωτοβολταϊκών πλαισίων, των inverter και των πινάκων DC και AC της εγκατάστασης με τις μπάρες ισοδυναμικής σύνδεσης και εν συνεχεία μέσω αυτών με άλλους αγωγούς στον γειωτή.

Και στην περίπτωση αυτή υποχρεωτικά θα πρέπει να τοποθετηθούν, τόσο προς την πλευρά DC όσο και προς την πλευρά AC της εγκατάστασης, απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων για την προστασία της εγκατάστασης από τυχαίες υψηλές τάσεις.

Αν από τον έλεγχο προκύψει ανάγκη κατασκευής συστήματος αντικεραυνικής προστασίας αυτό θα πρέπει να καλύπτει τόσο το σύνολο των εξωτερικών εγκαταστάσεων του φωτοβολταϊκού πάρκου και του οικίσκου όσο και το σύνολο των εγκαταστάσεων και του εξοπλισμού της εγκατάστασης εντός του οικίσκου (πλήρες εξωτερικό και εσωτερικό ΣΑΠ).

Το εξωτερικό ΣΑΠ των φωτοβολταϊκών πλαισίων θα αποτελείται από σύστημα ακίδων σύλληψης επί των βάσεων της εγκατάστασης, σε επιλεγμένες θέσεις, έτσι ώστε τα φωτοβολταϊκα πλαίσια να βρίσκονται εντός του χώρου που ορίζεται από τον ορθό κυκλικό κώνο που σχηματίζουν, με ημιγωνία προστασίας, εξαρτώμενη από την κλάση προστασίας του ΣΑΠ (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ ή IV) και του ύψους της κάθε ακίδας των υπό προστασία πλαισίων.

Στο εξωτερικό ΣΑΠ του οικίσκου προτείνεται να εφαρμόζεται κλασικό σύστημα προστασίας κλωβού Faraday με τις απαιτούμενες καθόδους, έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις που τίθενται από το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 62305-3.

Η εγκατάσταση του εσωτερικού ΣΑΠ θα περιλαμβάνει τις ισοδυναμικές συνδέσεις των μεταλλικών μερών εντός και εκτός του οικίσκου και την προστασία των δικτύων μέσω απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων όπως και προαναφέρεται.

Σε αυτή την περίπτωση και τα δύο συστήματα αντικεραυνικής προστασίας θα συνδέονται με το σύστημα γείωσης της εγκατάστασης και δεν απαιτείται η κατασκευή ιδιαίτερου συστήματος γείωσης.

Η σωστή μελέτη αλλά και η σωστή κατασκευή των εγκαταστάσεων γείωσης και αντκεραυνικής προστασίας είναι θεμελιώδους σημασίας για την ασφάλεια όλων των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων και απαιτεί εμπειρία αλλά και βαθειά γνώση του αντικειμένου τόσο από πλευράς σχεδιασμού όσο και από πλευράς κατασκευής.

Αστοχία στον σχεδιασμό ή κακή κατασκευή εμπεριέχει σοβαρούς κινδύνους μεγάλων ζημιών σε κάθε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση με απρόβλεπτες τεχνικές και προ παντός οικονομικές συνέπειες.

Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας μιας επένδυσης σε φωτοβολταϊκά συστήματα είναι ο πλήρης και συνεχής έλεγχος της εγκατάστασης σε ότι αφορά την οικονομική απόδοση της επένδυσης αυτής.

Μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση από την πιο μικρή μέχρι την πιο μεγάλη δεν παύει να είναι μία επιχείρηση που στόχο έχει το μέγιστο δυνατόν κέρδος. Η οποιαδήποτε μείωση της απόδοσης της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σημαίνει απώλεια εσόδων από μικρή έως και σημαντική, ανάλογα με το πρόβλημα.

Έτσι όπως κάθε επιχειρηματίας οφείλει να παρακολουθεί σχολαστικά την λειτουργία της επιχείρησής του έτσι οφείλει να παρακολουθεί και την σωστή λειτουργία μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης προκειμένου να διασφαλίσει την υψηλή ενεργειακή και κατά συνέπεια οικονομική της απόδοση. Πρέπει να έχει συνεχή ενημέρωση για την πραγματική ενεργειακή της απόδοση αλλά και την δυνατότητα άμεσης παρέμβασης σε περίπτωση κάποιου προβλήματος δυσλειτουργίας.

Η ανάγκη αυτή για επιτήρηση των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων δύναται να ικανοποιηθεί με την εγκατάσταση συστημάτων παρακολούθησης της εγκατάστασης που μπορούν ανά πάσα στιγμή να του παρέχουν κάθε πληροφορία σχετικά με την λειτουργίας της. Τα συστήματα αυτά συνηθίζεται να τα ονομάζουμε συστήματα τηλεμετρίας.

Η ολοένα και μεγαλύτερη ανάπτυξη των συστημάτων αυτών κυρίως από τις βιομηχανίες που κατασκευάζουν τους inverters αλλά και η συνεχής ανάπτυξη του διαδικτύου καθιστά εφικτή την ενημέρωση του εκάστοτε επενδυτή για την λειτουργία της εγκατάστασής του όσο μακριά και να βρίσκεται από αυτήν.

Για κάθε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση μικρή ή μεγάλη υπάρχουν οι κατάλληλες λύσεις για τον έλεγχο και την συνεχή παρακολούθησή τους. Όπως είναι φυσικό η κάθε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση έχει τις δικές της ιδιαιτερότητες και ο κάθε επενδυτής έχει την δική του φιλοσοφία σε ότι αφορά τον έλεγχο και την διαχείριση της επένδυσής του. Για τους λόγους αυτούς οι κατασκευάστριες εταιρείες των συστημάτων αυτών έχουν αναπτύξει διάφορα προϊόντα και εφαρμογές που ξεκινούν από οικονομικές λύσεις για ένα μικρό οικιακό φωτοβολταϊκό σύστημα σε στέγη μέχρι τα μεγάλα φωτοβολταϊκά πάρκα σε οικόπεδα και στέγες επιχειρήσεων.

Επίσης υποχρεωτικά θα πρέπει να τοποθετηθούν τόσο προς την πλευρά DC όσο και προς την πλευρά AC της εγκατάστασης απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων για την προστασία της εγκατάστασης από τυχαίες υψηλές τάσεις.

Η επιλογή του κατάλληλου συστήματος αφορά πρωτίστως τον επενδυτή αλλά και τον μηχανικό που θα σχεδιάσει και θα υλοποιήσει μία εγκατάσταση. Ο μηχανικός είναι υποχρεωμένος να αναπτύξει με απλότητα και απόλυτη σαφήνεια στον επενδυτή όλες τις διατιθέμενες εναλλακτικές λύσεις και με τη σειρά του αυτός να επιλέξει την κατάλληλη λύση που πιστεύει ότι ανταποκρίνεται στις ανάγκες του και στις απαιτήσεις του.

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα διακρίνονται σε τρείς μεγάλες βασικές κατηγορίες:

• Τα διασυνδεδεμένα συστήματα, τα οποία παρέχουν το σύνολο ή μέρος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στο εθνικό δίκτυο.
• Τα αυτόνομα συστήματα, τα οποία παρέχουν την ηλεκτρική ενέργεια σε καταναλώσεις για ιδία χρήση.
• Τα υβριδικά, τα οποία ενίοτε λειτουργούν ως διασυνδεδεμένα και ενίοτε λειτουργούν ως αυτόνομα.

• Στα διασυνδεδεμένα φωτοβολταικά πάρκα .
• Στα φωτοβολταικά συστήματα αυτοπαραγωγής (Net Metering).
  

Ένα τυπικό διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό πάρκο παρέχει το σύνολο της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στο εθνικό δίκτυο προς πώληση ενώ για τις ίδιες καταναλώσεις της εγκατάστασης χρησιμοποιεί το εθνικό δίκτυο.

Ένα τυπικό διασυνδεδεμένο σύστημα αυτοπαραγωγής (Net Metering) έχει αμφίδρομη λειτουργία (Grid Interactive PV systems) και είναι έτσι σχεδιασμένο και κατασκευασμένο ώστε να καλύπτει κατά μέσο όρο τις ετήσιες ενεργειακές απαιτήσεις της εγκατάστασης στη οποία έχει εγκατασταθεί και την περίσσεια της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας να την παρέχει στο εθνικό ηλεκτρικό δίκτυο. Το όφελος στα συστήματα αυτά προκύπτει μέσω της εφαρμογής του συστήματος του ενεργειακού συμψηφισμού (Net Metering) μεταξύ της ενέργειας που παράγει τo φωτοβολταϊκό σύστημα που έχει εγκατασταθεί σε κάποιο κτήριο κατοικίας ή επιχείρησης και της ενέργειας που καταναλίσκεται από τις εγκαταστάσεις του συγκεκριμένου κτηρίου.

Τα διασυνδεδεμένα συστήματα αυτοπαραγωγής μέσω ενεργειακού συμφηφισμού (Net Metering) αποτελούν πλέον από το 2014 ένα νέο θεσμικό πλαίσιο για τα φωτοβολταικά συστηματα στην χώρα θέτοντας την περεταίρω ανάπτυξη τους σε μια περισσότερο υγιή και καθαρή βάση σε σχέση τα συστήματα της επιδοτούμενης ταρίφας .

Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα δεν είναι και τόσο διαδεδομένα, αφού τα συναντάμε κυρίως σε περιπτώσεις όπου υπάρχει αδυναμία τροφοδοσίας μίας εγκατάστασης από το εθνικό δίκτυο. Μπορούμε να τα διακρίνουμε σε δύο υποκατηγορίες.

Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα χωρίς αποθήκευση στα οποία η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια αποδίδεται κατευθείαν στην κατανάλωση χωρίς να μεσολαβεί σύστημα αποθήκευσης. Αυτά τα συστήματα συνίστανται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, και ενεδεχομένως και inverters σε περίπτωση που τροφοδοτούν εγκαταστάσεις που για την λειτουργία τους απαιτούν εναλλασσόμενο ρεύμα. Σε άλλη περίπτωση, όπου τροφοδοτούν εγκαταστάσεις που μπορούν να λειτουργήσουν με συνεχές ρεύμα δεν απαιτούνται καν να υπάρχουν μετατροπείς τάσης. Τα συναντάμε σπάνια σε πολύ μικρά συστήματα όπως π.χ για την λειτουργία αντλιτικών συγκροτημάτων για άρδευση χωραφιών που δεν απαιτούν αυστηρά κρίσιμη ημερήσια ποσότητα νερού όπως για παράδειγμα τα ελαιόδεντρα και τα εσπεριδοειδή.

Τα αυτόνομα συστήματα με αποθήκευση, στα οποία η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια παρέχεται μεν κατευθείαν στις διάφορες καταναλώσεις, αλλά, η περίσσεια της αποθηκεύεται σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες), προκειμένου να χρησιμοποιηθεί κατά την διάρκεια της νύχτας ή κατά την διάρκεια ημερών με μικρή ή καθόλου ηλιοφάνεια. Τα συστήματα αυτά εκτός από τα φωτοβολταϊκά πάνελ και τους inverter, περιλαμβάνουν υποχρεωτικά μπαταρίες καθώς και σύστημα ελέγχου της φόρτισης αυτών. Τα συστήματα αυτά σχεδιάζονται και κατασκευάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να διαθέτουν μία επαρκή αυτονομία, προκειμένου μέσω των μπαταριών, να καλύψουν τις ενεργειακές απαιτήσεις της εγκατάστασης κατά την διάρκεια της νύχτας και τον ημερών που δεν υπάρχει επαρκής ηλιακή ακτινοβολία. Τα συναντάμε κυρίως σε κατοικίες απομακρυσμένες από το εθνικό δίκτυο καθώς και σε εγκαταστάσεις φωτισμού δρόμων, πλατειών, τηλεπικοινωνιακών αναμεταδοτών κ.λ.π.

Υβριδικά Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Ένα υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να περιλαμβάνει:

• Τα φωτοβολταϊκά πάνελ.
• Τις μπαταρίες για αποθήκευση τις ηλεκτρικής ενέργειας.
• Τον ελεγκτή φόρτισης των μπαταριών.
• Τον μετατροπέα της τάσης από συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο.
• Μια άλλη εναλλακτική πηγή ανανεώσιμης ενέργειας (π.χ μια ανεμογεννήτρια).
• Μια μικρή συμβατική και καθαρά υποστηρικτική μονάδα συμβατικής ενέργειας (γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος).
• Αυτόματο μεταγωγέα για την δυνατότητα αυτόματης μετάβασης από το ένα σύστημα στο άλλο ώστε να διασφαλίζεται πλήρως η ενεργειακή επάρκεια της εγκατάστασης.
  

Σύμφωνα με τα όσα παραπάνω αναφέρονται μια τέτοια εγκατάσταση δημιουργεί τις προϋποθέσεις, αφού φυσικά μελετηθεί και σχεδιαστεί πολύ καλά, για την σχεδόν πλήρη απεξάρτηση από κάθε συμβατική πηγή ενέργειας.

Το βασικό μειονέκτημα του συστήματος αυτού, υπό τις σημερινές συνθήκες, είναι το υψηλό αρχικό κόστος της επένδυσης αν και αυτό μπορεί να μετριαστεί σημαντικά με υιοθέτηση και άλλων υποστηρικτικών επιλογών που θα μειώσουν σημαντικά τις ενεργειακές απαιτήσεις της εγκατάστασης (π.χ πολύ καλές μονώσεις, κατασκευή παθητικών ηλιακών συστημάτων, θέρμανση μέσω άλλων πηγών όπως λέβητες υγραερίου, αερόψυκτες ή γεωθερμικές αντλίες θερμότητας, φωτισμός με λαμπτήρες πολύ χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης τεχνολογίας led, παραγωγή ζεστού νερού μέσω ηλιοθερμικών συστημάτων και συμπληρωματικά μέσω αντλιών θερμότητας παραγωγής ζεστού νερού χρήσης, εναλλακτικό μαγείρεμα με ξύλο ή υγραέριο και πολλά άλλα.