Παγκόσμια πρωτοπορία Ελλήνων ερευνητών στα φωτοβολταϊκά συστήματα

Το ηλιακό πάρκο που φιλοξένησε στο εξώφυλλο του περασμένου Ιουλίου το κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό Nature Energy είναι το πρώτο στο κόσμο αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα με καινοτόμους ηλιακούς συλλέκτες γραφενίου –περοβσκίτη (GRAphene-PErovskite, GRAPE). Η είδηση είναι πως αυτό το μοναδικό μέχρι στιγμής «ηλιακό αγρόκτημα» που έκανε, μέσω του περιοδικού, τον γύρο του κόσμου, βρίσκεται στην Κρήτη και αποτελεί αποτέλεσμα μιας καινοτόμας ερευνητικής συνεργατικής προσπάθειας Ελλήνων και Ιταλών επιστημόνων. Πιο συγκεκριμένα, από ελληνικής πλευράς, φέρει την υπογραφή της ερευνητικής ομάδας Νανοϋλικών για Αναδυόμενες Διατάξεις του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών (Nano@HMU>) του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστήμιου (ΕΛΜΕΠΑ), στην οποία ηγείται ο Καθηγητής Εμμανουήλ Κυμάκης.

Αυτό το ερευνητικό επίτευγμα δεν είναι καθόλου τυχαίο αφού η ομάδα έχει επικεφαλής τον επιστήμονα που μαζί με τον Καθ. Gehan Amaratunga (ως μέρος της διδακτορικής του διατριβής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge) εφεύραν τα οργανικά φωτοβολταϊκά που βασίζονται σε νανοσωλήνες του άνθρακα. Ο ίδιος τη περσινή χρονιά συμπεριλήφθηκε στον κατάλογο των 100.000 κορυφαίων επιστημόνων παγκοσμίως και, αντίστοιχα, στο άνω του 2% των επιστημόνων, βάσει της απήχησης του ερευνητικού του έργου (που ξεπέρασε τις 10.000 αναφορές σύμφωνα με τη βιβλιομετρική βάση δεδομένων Google Scholar). 

Ο καθηγητής εξηγεί πως οι περοβσκίτες είναι ορυκτά υλικά που αποτελούνται από τιτανικό ασβέστιο και που είναι πολύτιμα για την κατασκευή ηλιακών κυψελών τρίτης γενιάς, υψηλής απόδοσης: «Παρότι ομάδες επιστημόνων και μηχανικών σε όλο τον κόσμο αναπτύσσουν και δοκιμάζουν ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη σε εργαστηριακά περιβάλλοντα, εξακολουθούν να λείπουν μεγάλης κλίμακας εξωτερικές αξιολογήσεις αυτών των στοιχείων».

Η ελληνική ερευν ητική ομάδα

Μια τέτοια πολυεπίπεδη μελέτη αυτής της νέας φωτοβολταϊκής τεχνολογίας, σε πραγματικό χρόνο και σε πραγματικές συνθήκες, κατάφεραν οι Έλληνες ερευνητές του ΕΛΜΕΠΑ, σε συνεργασία με ερευνητές του Πανεπιστημίου της Ρώμης “Tor Vergata”, της BeDimensional SpA, της Great Cell, του Ιταλικού Ινστιτούτου Τεχνολογίας (IIT) και του Πανεπιστημίου της Σιένα. Συγκεκριμένα οι επιστήμονες κατασκεύασαν ηλιακούς συλλέκτες περοβσκίτη και ενσωμάτωσαν σε αυτούς δισδιάστατα (2D) υλικά. Στη συνέχεια διασύνδεσαν επιτυχώς εννέα από αυτά τα ηλιακά πάνελ σε ένα αυτόνομο ηλιακό πάρκο που βρίσκεται στη Κρήτη, «Στόχος μας ήταν να αποδείξουμε ότι η χρήση 2D υλικών όπως το γραφένιο και η ενσωμάτωσή τους σε διαφορετικά στρώματα των φωτοβολταϊκών πλαισίων ενισχύει την απόδοση μετατροπής ισχύος και παρατείνει τη διάρκεια ζωής των πλαισίων (ηλιακών συλλεκτών)», διευκρινίζει ο καθηγητής.

Πλήρης σχεδιασμός από ελληνικά χέρια

Η ομάδα είχε δημοσιεύσει για πρώτη φορά τα αποτελέσματα των συνεργατικών προσπαθειών της το 2016 στο περιοδικό Advanced Functional Materials ανοίγοντας ένα νέο ερευνητικό πεδίο στα φωτοβολταϊκά περοβσκίτη και αποδεικνύοντας ότι με τη σωστή μηχανική των διασυνδέσεων με υλικά 2D ήταν δυνατό να αυξηθεί η σταθερότητα των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη.

Οι Έλληνες επιστήμονες σχεδίασαν το αυτόνομο φωτοβολταïκό σύστημα και κατασκεύασαν τον ειδικό ηλεκτρονικό εξοπλισμό και το λογισμικό (μέσω αλγορίθμων) που απαιτούνταν για την real time παρακολούθηση αυτής της νέας φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Στη συνέχεια αξιολόγησαν το σύστημα και το σύγκριναν με άλλες εμπορικές τεχνολογίες φωτοβολταϊκών υποδεικνύοντας ότι τα καινοτόμα πλαίσια έχουν καλύτερη θερμική συμπεριφορά όσον αφορά την τάση λειτουργίας ιδιαίτερα σε υψηλές θερμοκρασίες σε όλη τη διάρκεια της ημέρας.

«Κατασκευάσαμε και διασυνδέσαμε περισσότερα από 350 φωτοβολταϊκά στοιχεία για να δημιουργήσουμε τα 9 φωτοβολταϊκά πλαίσια γραφενίου-περοβσκίτη (GRAphene-PErovskite, GRAPE) συνολικής επιφάνειας 4.5m2, τα οποία απέφεραν ισχύ 250W, παρόμοια με εκείνη ενός εμπορικού φωτοβολταϊκού πλαισίου πυριτίου όμως με ιδιαίτερα χαμηλό κόστος κατασκευής», παρεμβαίνει ο κ. Γιώργος Βισκαδούρος, που είναι και ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Το πρωτότυπο αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα εγκαταστάθηκε στο εργαστήριο “OpenAir Lab” του Nano@HMU> στο ΕΛΜΕΠΑ και για περισσότερο από 12 μήνες λειτουργίας σε πραγματικές συνθήκες πρόσφερε στους κρητικούς ερευνητές πολύτιμες πληροφορίες. Οι ίδιοι με βάση αυτά τα πειραματικά αποτελέσματα, μπόρεσαν να εκτιμήσουν και τον κύκλο ζωής του (life cycle assesment) προχωρώντας ένα σημαντικό βήμα προς την πλήρη βιομηχανοποίηση της τεχνολογίας.

«Αυτό το καινοτόμο αυτόνομο «ηλιακό αγρόκτημα» φωτοβολταϊκών πλαισίων γραφενίου-περοβσκίτη πέτυχε μια αξιοσημείωτη σταθερή παραγωγή ενέργειας διατηρώντας το 80% της αρχικής παραγόμενης ισχύος για 5.832 ώρες (8 μήνες). Η σταθερότητα αυτή των πλαισίων GRAPE αποτελεί την καλύτερη απόδοση της τεχνολογίας περοβσκίτη παγκοσμίως λαμβάνοντας υπόψη τις αναφορές από την βιβλιογραφία», επισημαίνει ο Καθ. Κυμάκης.

Η Ελλάδα σε ευνοϊκή θέση στον παγκόσμιο χάρτη στην ανάπτυξη καινοτομιών

Ο πρωταρχικός στόχος των ερευνητών ήταν να δείξουν την μετάβαση αυτής της τεχνολογίας από εργαστηριακές κυψέλες μικρής κλίμακας σε μονάδες πάνελ και τέλος σε μια υποδομή ηλιακής φάρμας αποτελούμενης από πολλά πάνελ. Με αυτόν τον τρόπο, οι ίδιοι μπόρεσαν για πρώτη φορά να επικυρώσουν την τεχνολογία GRAPE σε τέτοια κλίμακα.

«Εκτός από την απαιτούμενη υποστηρικτική υποδομή και τα συστήματα απόκτησης δεδομένων κατασκευάσαμε και έναν μετεωρολογικό σταθμό που μας επέτρεψε να παρακολουθούμε συνεχώς το ηλιακό πάρκο και να συσχετίζουμε τις περιβαλλοντικές συνθήκες με την εξωτερική απόδοση του συστήματος. Η πρώτη αυτή επίδειξη αυτής της τεχνολογίας σε τέτοια κλίμακα, αντιπροσωπεύει, από μόνη της έναν μοναδικό στο είδος του σχεδιασμό. Επιπλέον, η απόδοση του ηλιακού πάρκου και τα δεδομένα καιρού είναι ανοικτά (solarfarmhmu.gr)», λέει ο Καθ. Κυμάκης.

«Τα παρεχόμενα σε real time δεδομένα του πρωτότυπου αυτού συστήματος τοποθετούν την Κρήτη και την Ελλάδα σε ευνοϊκή θέση στον παγκόσμιο χάρτη σε ό,τι αφορά την ανάπτυξη καινοτομιών για την πιστοποίηση της απόδοσης των νέων φωτοβολταϊκών πλαισίων» συμπληρώνει με τη σειρά του ο κ. Βισκαδούρος μη κρύβοντας τον ενθουσιασμό του: «Και τώρα η ερευνητική ομάδα του Nano@HMU> καλείται να αναλάβει πρωταγωνιστικό ρόλο στον συγκεκριμένο τομέα».

Τα δεδομένα που συγκέντρωσε η ερευνητική ομάδα θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν στο μέλλον τις διαδικασίες κατασκευής ηλιακών κυττάρων περοβσκίτη και να βοηθήσουν στην εμπορευματοποίηση αυτής της πολλά υποσχόμενης ηλιακής τεχνολογίας, αλλά και μακροπρόθεσμα στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. «Διαπιστώσαμε ότι το περιβαλλοντικό προφίλ του ηλιακού μας πάρκου ήταν συγκρίσιμο με αυτό που περιγράφεται τόσο σε ρεαλιστικές όσο και σε αισιόδοξες εκτιμήσεις ενέργειας για το 2050, οι οποίες επενδύουν σε ένα μείγμα βιώσιμων και παραδοσιακών πηγών ηλεκτρικής ενέργειας», καταλήγει ο Έλληνας καθηγητής.

 Σημείωση: Στην ελληνική ερευνητική ομάδα εκτός από τον κ. Γιώργο Βισκαδούρο, συμμετέχει ο Δρ.. Κωνσταντίνο Ρογδάκη και  οι απόφοιτοι μεταπτυχιακοί φοιτητές Ιωάννης Καλογεράκης και Εμμανουήλ Σπηλιαρώτης