Ένα Φωτοβολταϊκό (Φ/Β ή ΦΒ) σύστημα μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια, συγκεκριμένα την ενέργεια της ηλιακή ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια με αξιοποίηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου.
Το βασικό δομικό στοιχείο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι μια ηλεκτρονική διάταξη που ονομάζεται ηλιακή κυψέλη ή φωτοβολταϊκό κύτταρο. Το φωτοβολταϊκό κύτταρο με την έκθεσή του σε ηλιακή ακτινοβολία, λόγω του φωτοβολταϊκού φαινομένου, παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
Κατά κύριο λόγο, ο σκοπός κατασκευής ενός φωτοβολταϊκού πάρκου είναι η σύνδεση με το δίκτυο ή η αυτόνομη λειτουργία διαφόρων φορτίων που υπό άλλες συνθήκες τροφοδοτούνται από το δίκτυο. Η ηλεκτρική ενέργεια και συγκεκριμένα η ηλεκτρική τάση ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι αρκετά χαμηλή για απευθείας σύνδεση και τροφοδοσία τέτοιων φορτίων και συσκευών. Για αυτό το λόγο γίνεται αύξηση κλίμακας και οι φωτοβολταϊκές κυψέλες συνδέονται σε σειρά και σχηματίζουν μία αδιαίρετη κατασκευή, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ή αλλιώς τους φωτοβολταϊκούς συλλέκτες. Στην αγορά, η βασική δομική μονάδα μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας είναι το φωτοβολταϊκό πλαίσιο.
Η τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας και τάσης ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου παραμένουν ακόμα σχετικά μικρές. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια συνδέονται ηλεκτρικά, με συνδυασμούς παράλληλης και σειριακής συνδεσμολογίας, και σχηματίζουν φωτοβολταϊκά πάνελ και στη συνέχεια φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Το σύνολο των φωτοβολταϊκών πλαισίων ενός πάρκου αποτελούν την φωτοβολταϊκή γεννήτρια.
Το φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από την φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία παράγει συνεχές ρεύμα και τάση, και από απαραίτητες συσκευές και διατάξεις για την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας στην επιθυμητή μορφή ή και για την αποθήκευσή της.
Μία ηλιακή κυψέλη έχει συνήθως τετράγωνο σχήμα με τυπική διάσταση πλευράς 15.6cm. Η δυνατότητα απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας και μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια από το φωτοβολταϊκό κύτταρο εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κυττάρου, δηλαδή την τεχνολογία και το υλικό. Τα πιο διαδεδομένα και εμπορικά διαθέσιμα φωτοβολταϊκά κύτταρα είναι πυριτίου και διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, μονοκρυσταλλικά και πολυκρυσταλλικά. Ένας εύκολος τρόπος να καταλάβουμε αν μια κυψέλη είναι μονοκρυσταλλική ή πολυκρυσταλλική είναι από το σχήμα και το χρώμα της ίδιας της κυψέλης. Οι μονοκρυσταλλικές κυψέλες είναι συνήθως πιο σκουρόχρωμες και έχουν κομμένες γωνίες, ενώ οι πολυκρυσταλλικές έχουν πιο ανοιχτόχρωμο χρώμα, διακρίνονται πολλές κρυσταλλικές δομές και έχουν καθαρά τετράγωνο σχήμα. Αυτό οφείλεται στον διαφορετικό τρόπο κατασκευής του κρυστάλλου.
Βαθμός απόδοσης ενός ΦΒ κυττάρου (η) ορίζεται ως το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας ή ισχύος που παράγεται προς την ηλιακή ενέργεια ή ισχύ που προσπίπτει στην επιφάνεια του κυττάρου. Σε εργαστηριακές συνθήκες ο βαθμός απόδοσης που έχει μετρηθεί για μονοκρυσταλλικές κυψέλες είναι 26.7%, ενώ για κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου 22.8% [2019]. Το θεωρητικό μέγιστο για κυψέλες πυριτίου μίας p-n επαφής (single p-n junction), όπως είναι η μονοκρυσταλλική και πολυκρυσταλλική ηλιακή κυψέλη είναι 32% [Shockley-Queisser limit]. Το ποσοστό της ηλιακής ενέργειας που χάνεται, δηλαδή που δεν μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, γίνεται θερμότητα.
Ο βαθμός απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής κυψέλης, πέρα από την τεχνολογία, εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας (ηλιοφάνεια, αέρια μάζα, θερμοκρασία). Για να είναι λειτουργική/σωστή η σύγκριση διαφόρων τύπων φωτοβολταϊκών κυττάρων, ο βαθμός απόδοσης μετριέται σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας (Standard Test Conditions), όπου η ηλιακή ακτινοβολία είναι 1000W/m2, η αέρια μάζα 1.5 και η θερμοκρασία 25oC. Υπό αυτές τις συνθήκες υπολογίζεται η μέγιστη ισχύς (Pm) που μπορεί να παράξει το φωτοβολταικό κύτταρο, η οποία ορίζει την μονάδα Watt-peak (Wp). Η μέγιστη ισχύς μιας κυψέλης συμπίπτει με το Wp μόνο σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας (STC).
Χαρακτηριστικά μεγέθη ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι η τάση ανοιχτού κυκλώματος (Voc), το ρεύμα βραχυκύκλωσης (Isc) και ο παράγοντας γεμίσματος (Fill Factor) ο οπόιος ορίζεται ως η μέγιστη ισχύς προς το γινόμενο τάσης ανοιχτού κυκλώματος και ρεύματος βραχυκύκλωσης σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας (STC). Η τυπική τιμή FF για κυψέλες κρυσταλλικού πυριτίου είναι περίπου 80% και η τάση ανοιχτού κυκλώματος περίπου 0.6V.
Η ηλεκτρική ισχύς, άρα και η ηλεκτρική ενέργεια, που παράγει μία ηλιακή κυψέλη εξαρτάται από τις εξωτερικές συνθήκες, αλλά και από την τάση λειτουργίας του κυττάρου. Αυτό φαίνεται με τις καμπύλες ρεύματος-τάσης (IV καμπύλη) και ισχύος-τάσης (PV καμπύλη). Το σημείο μέγιστης ισχύος (Pm) και βέλτιστης λειτουργίας της κυψέλης σημειώνεται με κόκκινη τελεία στην PV καμπύλη.
Ο βαθμός απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας, όπως και ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι συνάρτηση της τάσης λειτουργίας του συστήματος. Προκειμένου να λειτουργεί το φωτοβολταϊκό σύστημα με την μέγιστη απόδοση, η φωτοβολταική γεννήτρια συνδέεται με μια ηλεκτρονική διάταξη η οποία συνεχώς εντοπίζει το σημείο βέλτιστης λειτουργίας, δηλαδή το σημείο Μέγιστης Ισχύος (Maximum Power Point). Οι συσκευές αυτές ονομάζονται Maximum Power Point Trackers (MPPT) και συνήθως σε ένα φωτοβολταϊκό πάρκο είναι ενσωματωμένες στον αντιστροφέα ή στον ρυθμιστή φόρτισης.
Όπως φαίνεται και από τις καμπύλες, το ρεύμα βραχυκύκλωσης επηρεάζεται σχεδόν αναλογικά με την ένταση της ηλιοφάνειας, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος επηρεάζεται κυρίως από την θερμοκρασία και σε λιγότερο βαθμό από την ηλιοφάνεια. Αυτό που αξίζει να σημειωθεί, είναι ότι ενώ ή τάση του σημείου Μέγιστης Ισχύος (Vmpp) αλλάζει, ο λόγος Vmpp προς τάση ανοιχτοκυκλώματος (Voc), δηλαδή Vmpp/Voc, είναι σχεδόν σταθερός.
Οι ηλιακές κυψέλες κρυσταλλικού πυριτίου, πέρα από την μικρή ενέργεια και ισχύ που παράγουν, είναι αρκετά εύθραυστες. Προκειμένου να αυξηθεί η ισχύς, και συγκεκριμένα η τάση, να προστατευτούν από το περιβάλλον, να προστατευτεί ο χρήστης από ηλεκτροπληξία και για ευκολία εγκατάστασης, οι κυψέλες ενσωματώνονται σε φωτοβολταϊκά πλαίσια.
Τα περισσότερα φωτοβολταϊκά πλαίσια αποτελούνται από διάφανη μπροστινή επιφάνεια, μια επικάλυψη στην πίσω πλευρά και ένα περιβάλλον πλαίσιο. Το υλικό της μπροστινής επιφάνειας συνήθως είναι γυαλί, της πίσω επιφάνειας Tedlar και το πλαίσιο είναι από αλουμίνιο. Οι κυψέλες διασυνδέονται ηλεκτρικά και τοποθετούνται μέσα σε ένα υλικό που τις ενθυλακώνει. Τα υλικά που τοποθετούνται στην μπροστινή επιφάνεια έχουν αντιανακλαστικές επιστρώσεις για να φτάνει η ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της ηλιακής κυψέλης.
Τα πιο ευρέως διαδεδομένα φωτοβολταϊκά πλαίσια αποτελούνται από 60 ή 72 ηλιακές κυψέλες οργανωμένες σε ένα ορθογώνιο πλαίσιο κυψελών 6x10 και 6x12 αντίστοιχα. Κατά κανόνα, οι ηλιακές κυψέλες στο εσωτερικό ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου συνδέονται σε σειρά. Αυτό σημαίνει ότι όλα τα στοιχεία έχουν κοινό ρεύμα.
Το ρεύμα κάθε κυψέλης, όπως φαίνεται στις χαρακτηριστικές καμπύλες IV, εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας και επηρεάζεται έντονα από την ηλιοφάνεια. Οι κυψέλες μέσα στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο έχουν κοινό ρεύμα, λόγω της σειριακής τους συνδεσμολογίας, και το κοινό ρεύμα είναι ίσο με το ρεύμα της κυψέλης με την μικρότερη προσπίπτουσα ακτινοβολία. Μερικές σκιάσεις προκύπτουν στα φωτοβολταϊκά πλαίσια λόγω αντικειμένων τα οποία σκιάζουν μερικώς το φωτοβολταϊκό πλαίσιο (καμινάδα, δέντρο, κ.ά.) ή ακόμα και από πεσμένα φύλλα και ακαθαρσίες πουλιών. Προκειμένου να προστατευτούν οι ηλιακές κυψέλες εντός του φωτοβολταϊκού πλαισίου από κακή λειτουργία και πιθανή καταστροφή, τοποθετούνται παράλληλα με τις κυψέλες δίοδοι (bypass diodes) οι οποίες προσφέρουν εναλλακτική διαδρομή του ρεύματος σε περίπτωση μεγάλης διαφοράς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ των κυψελών του πλαισίου. Η ύπαρξη των διόδων περιπλέκει την εύρεση του σημείου βέλτιστης λειτουργίας καθώς σε περιπτώσεις μερικής σκίασης του πλαισίου, αλλοιώνεται η χαρακτηριστική IV καμπύλη του πλαισίου.
Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται αναλυτικά οι κυψέλες ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου. Επιλέγοντας μία κυψέλη, η κυψέλη θεωρείται σκιασμένη. Μπορεί κανείς να επιλέξει μεταξύ τριών διαφορετικών επιπέδων ηλιοφάνειας για τις σκιασμένες κυψέλες, ενώ η ηλιοφάνεια στις μη-σκιασμένες κυψέλες είναι 1000W/m2. Με επιλογή διαφορετικών συνθηκών λειτουργίας για το πλαίσιο, μπορεί να παρατηρήσει κανείς πως αλλάζουν οι IV και PV καμπύλες, το σημείο βέλτιστης λειτουργίας (Pm-κόκκινη τελεία), όπως και η διαδρομή που ακολουθεί το ρεύμα στο σημείο βέλτιστης λειτουργίας (κόκκινη γραμμή στο πλαίσιο).
Πέρα από την φωτοβολταϊκή συστοιχία, η οποία μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα χρειάζεται περιφερειακά στοιχεία τα οποία επιτρέπουν την εγκατάσταση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας, εξασφαλίζουν την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας στην κατάλληλη μορφή και την ασφαλή μεταφορά της προς το σημείο σύνδεσης στο δίκτυο ή προς τα φορτία και επιτυγχάνουν την βέλτιστη λειτουργία του σταθμού.
Επιγραμματικά, τα περιφερειακά στοιχεία ενός φωτοβολταϊκού συστήματος και ο ρόλος τους στο φωτοβολταϊκό σύστημα είναι:
Για λόγους προστασίας και ασφάλειας τόσο του φωτοβολταϊκού πάρκου και του δικτύου όσο και για ανθρώπινη ασφάλεια, ένα φωτοβολταϊκό πάρκο είναι εξοπλισμένο με:
Σε περίπτωση απομονωμένου φωτοβολταϊκού συστήματος (σύστημα που δεν συνδέεται στο δίκτυο) ή συστήματος που διαθέτει σύστημα αποθήκευσης χρειάζονται επιπλέον:
