Μελέτη της χρήσης αυτόνομου συστήματος μετατροπής ηλιακής/αιολικής ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο Τ.Ε.Ι.

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Μελέτη της χρήσης αυτόνομου συστήματος μετατροπής ηλιακής/αιολικής ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο Τ.Ε.Ι."

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας Πτυχιακή εργασία Μελέτη της χρήσης αυτόνομου συστήματος μετατροπής ηλιακής/αιολικής ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο Τ.Ε.Ι. Καβάλας ΕΜΜΑΝΟΥΗΛΙΔΟΥ ΧΡΥΣΑ Α.Ε.Μ.: 4890 ΜΑΛΑΙ ΟΔΥΣΣΕΑΣ Α.Ε.Μ.: 4727 ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΚΟΓΙΑ ΦΩΤΕΙΝΗ ΚΑΒΑΛΑ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2012

2 Πρόλογος Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η συλλογή και μετατροπή της ηλιακής και αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρισµό και θερμότητα αποτελούν εναλλακτικές λύσεις στο πρόβληµα της εξοικονόμησης ενέργειας από συμβατικές πηγές, συμβάλλοντας µε αυτόν τον τρόπο στον περιορισµό της κατανάλωσης ορυκτών πόρων και στην προστασία του περιβάλλοντος. Για την εκμετάλλευση του ηλιακού και αιολικού δυναµικού έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνολογίες, οι κυριότερες εκ των οποίων είναι τα φωτοβολταϊκά συστήµατα,οι ηλιακοί θερµικοί συλλέκτες και οι ανεµογεννήτριας. Στη παρούσα εργασία µελετάται η συνδυασμένη χρήση της ηλιακής και αιολικής ενέργειας µε στόχο την κάλυψη των ηλεκτρικών και θερµικών αναγκών ενός κτιριακού συγκροτήματος. Για αυτό το σκοπό εξετάστηκε ως προς την ενεργειακή του συµπεριφορά ένα σύστηµα αποτελούµενο από µία συστοιχία φωτοβολταϊκών πλαισίων και ανεµογεννητριών. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και οι ανεµογεννήτριες παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια προς κατανάλωση χρήσης. Η εργασία χωρίζεται σε τρία µέρη, µε το πρώτο να περιλαµβάνει την βιβλιογραφική έρευνα που αφορά τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και τις ανεµογε-ννήτριες, το δεύτερο να περιγράφει τις τεχνικές προδιαγραφές της εγκατάστασης και το τρίτο µέρος να παρουσιάζει τα πειραµατικά αποτελέσµατα των δοκιµών. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 1 από 162

3 Περιεχόμενα Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή 1.1 Ενεργειακό πρόβληµα Ανανεώσιµες πηγές ενέργειας Είδη ήπιων μορφών ενέργειας Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Απόδοση ενεργειακών μετατροπών Κτίριο και ενεργειακή κατανάλωση Ενσωμάτωση ΑΠΕ στα κτίρια Ηλιακή Ακτινοβολία 2.1 Ο Ήλιος Χαρακτηριστικά της ηλιακής ενέργειας Μέθοδοι άµεσης αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας Θερµικές εφαρµογές της ηλιακής ενέργειας Θέρµανση νερού Παθητικά ηλιακά συστήματα και η απόδοσή τους στην Ελλάδα Τοίχος θερµικής αποθήκευσης Τοίχος Τrombe Michel Απομονωμένο κέρδος Συμπεράσματα Ενεργητικά συστήµατα Φωτοβολταϊκά συστήµατα Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία 3.1 Γενκά Φωτοβολταϊκό φαινόµενο Κατηγορίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας..43 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 2 από 162

4 Περιεχόμενα Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 3.7 Η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας Τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων Φωτοβολταϊκά πλαίσια Εγκατάσταση φωτοβολταϊκών στοιχείων σε κτίρια Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών στοιχείων Αιολική Ενέργεια 4.1 Γενικά Ταχύτητα ανέµου Eίδη Αιολικών Μηχανών Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος Επίδραση εμποδίων στη ροή του ανέμου Είδη αιολικών μηχανών Ανεμογεννήτριες Βασικά στοιχεία ανεμογεννητριας Ισχύς Α/Γ Μικρής ισχύος ανεμογεννήτριες Δομικά στοιχεία Μικρών Α/Γ Πτερύγια Μικρών Α/Γ Προσανατολισμός Μικρών Α/Γ Συστήματα ελέγχου ταχύτητας Μικρής Α/Γ Γεννήτριες Μικρών Α/Γ Πύργοι στήριξης Μικρών Α/Γ Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Πειραµατική ιαδικασία 5.1 Εισαγωγή Σκοπός της πειραµατικής διαδικασίας...69 Εικόνα 5.1.Φωτορεαλιστική απεικόνιση του Τ.Ε.Ι Κβάλας Απαιτήσεις του συγκροτήματος...70 Κατανάλωση...70 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 3 από 162

5 Περιεχόμενα Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Ετήσια ενέργεια...81 Διαγράμματα Ιστορικού...81 Περιβαλλοντική επίδραση...83 Υπολογισμός της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας στην υπόψη τοποθεσία...83 Διαθέσιμη αιολική ενέργεια στην υπόψη τοποθεσία...90 Χωρισμός της ενεργειακής απαίτησης...93 Φωτοβολταικά Συνολική αιχμή των Φ/Β συλλεκτών Εύρεση του αντίστοιχου πλήθους Υπολογισμός της απαιτούμενης συνολικής επιφάνειας Κλίση Φ/Β πλαισίων Συνδεσμολογία των τυποποιημένων Φ/Β πλαισίων ή πανέλλων 101 Ανεμογεννήτριες Εύρεση του αντίστοιχου πλήθους Οι συσσωρευτές Χωρητικότητα συσσωρευτών Βασικές Οικονομικές Έννοιες κοστολόγιο Oικονομικοί πίνακες Απόσβεση Συνδυασµένη χρήση Α/Γ, Φ/Β και θερµικού συλλέκτη 6.1 Γενικά Θέρµανση νερού µε χρήση ηλεκτρικής αντίστασης Συνδυασµός Α/Γ µε υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερµικάηλιακάσυστήµατα (φβ/θ)συστήµατα ή PV/T system Ημερήσια διαγράμματα απόδοσης υβριδικού φβ/θ θερµοσιφωνικού συστήματος.120 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 4 από 162

6 Περιεχόμενα Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 7. Νομοθεσία Περιγραφή της αδειοδοτικής διαδικασίας Φωτοβολταϊκά Σκοπός Πεδίο Εφαρμογής Προϋποθέσεις ένταξης στο Πρόγραμμα Συμβάσεις Εγκατάσταση και λειτουργία Φωτοβολταϊκού Συστήματος Σύνδεση με το Δίκτυο Πολεοδομική Αντιμετώπιση Φορολογική Αντιμετώπιση Λοιπές Διατάξεις Συμμόρφωση με το κανονιστικό πλαίσιο Προγραμματισμός λειτουργίας και φόρτισης Διάρκεια Σύμβασης Τιμολόγηση Ανεμογεννήτριες Συμπεράσματα Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 5 από 162

7 Περιεχόμενα Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Βιβλιογραφία Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 6 από 162

8 Περίληψη Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Περίληψη Οι Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ηλιακή και αιολική ενέργεια µπορούν να προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Κάθε µορφή ΑΠΕ έχει τις δικές της ιδιοµορφίες και µπορούν να εφαρµοστούν είτε σε µεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής και θερµικής ενέργειας είτε σε µικρότερες µονάδες όπως στα κτίρια. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνδυασµένη αξιοποίηση των παραπάνω ενεργειακών πηγών, ιδίως για την κάλυψη των ηλεκτρικών και θερµικών αναγκών των κτιρίων. Αντικείµενο της διπλωµατικής αυτής εργασίας είναι η µελέτη ενός συστήµατος αποτελούµενο από ανεµογεννήτριες και φωτοβολταϊκά πλαίσια. Αρχικά γίνεται αναφορά στα επιµέρους συστήµατα ΑΠΕ από τα οποία αποτελείται η εγκατάσταση. Στη συνέχεια, αναλύονται τα µετεωρολογικά δεδοµένα της περιοχής και ακολουθεί η ενεργειακή µελέτη της συµπεριφοράς του υβριδικού συστήµατος.αναλύεται η προοπτική συνδυασµού υβριδικών/φωτοβολταϊκών συλλεκτών µε Α/Γ.Τέλος παρατίθενται τα συµπεράσµατα και οι εκτιµήσεις σχετικά µε τη συµπεριφορά του υβριδικού συστήµατος στις µεταβολές της ταχύτητας του ανέµου και της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηµερήσια και ετήσια βάση. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 7 από 162

9 Abstract Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Abstract Renewable energy sources (RES) such as solar and wind energy can offer alternative ways of producing energy. Every form of RES has its own characteristics and can be applied either in large plants producing electricity and thermal energy or in smaller units such buildings. Interestingly, the combined use of these energy sources, especially to meet the electrical and thermal needs of the building. The object of this thesis is to study a system consisting of wind turbines and photovoltaic panels. Originally referring to individual RES systems that ma-ke up the installation. Then analyzed the meteorological data of the region, followed by energy study of the behavior of the hybrid systimatos.analyetai prospect combination hybrid / solar collectors with A / C. Finally, the conclusions and assessments of the behavior of the hybrid system to changes in wind speed and solar radiation on a daily and annual basis. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 8 από 162

10 Κατάλογος Πινάκων Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με την χρήση ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1 : Επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας...29 Πίνακας 2: Επεµβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας σε κτίρια.32 Πίνακας 3: Επεµβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας σε κτίρια.33 Πίνακας 4 : Χαρακτιριστηκά μεγέθη Φ/Β πλαισίων...49 Πίνακας 5 : Οι τέσσερις περιοχές της καμπύλης ισχύος μιας Α/Γ...59 Πίνακας 6 : Καταστατικά Πίνακας 7 : Καταστατικά Πίνακας 8 : Καταστατικά Πίνακας 9 : Καταστατικά Πίνακας 10 : Καταστατικά Πίνακας 11 : Καταστατικά Πίνακας 12 : Καταστατικά Πίνακας 13 : Καταστατικά Πίνακας 14 : Χρονολογική κοστολόγιση Πίνακας 15 : Χρονολογική κοστολόγιση Πίνακας 16 : Χρονολογική κοστολόγιση Πίνακας 17 : Χρονολογική κοστολόγιση Πίνακας 18 : Χρονολογική κοστολόγιση Πίνακας 19 : Χρονολογική κοστολόγιση Πίνακας 20 : Χρονολογική κοστολόγιση Πίνακας 21 : Χρονολογική κοστολόγιση Πίνακας 22 : Δεδομένα απαιτούμενης ισχύος...81 Πίνακας 23 : Κλιματική ζώνη...83 Πίνακας 24 : Μέση ακτινοβολία Χρυσούπολης(kWh/m2)...84 Πίνακας 25 : Μέση μινιαία θερμοκρασία 24ώρου...85 Πίνακας 26 : Μέση μινιαία ολική ηλιακή ακτινοβολία...86 Πίνακας 27 : Μέση μινιαία διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία...87 Πίνακας 28 : Μέσος μινιαίος συντελεστής αιθριότητας kt...88 Πίνακας 29: Αιολικό δυναμικό...91 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 9 από 162

11 Περιεχόμενα Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 30: Οικονομικός πίνακας..115 Πίνακας 31: Πίνακας κοστολόγησης Πίνακας 32: Πίνακας ιστορικότητας...11 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 10 από 162

12 Κατάλογος εικόνων Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1 : Φωτοβολταικά επί στέγης Εικόνα 2 : Ηλιακός συλλέκτης επί στέγη Εικόνα 3: Ηλιακός συλλέκτης επί στέγη...29 Εικόνα 4: Σύστημα θέρμανσης Εικόνα 5: Μονωτική προστασία απο τοιχοποιία...31 Εικόνα 6: Βιοκλιματικός σχεδιασμός...32 Εικόνα 7: Βασικά μέρη ενός Φ/Β πλαισίου...32 Εικόνα 8: Η μικρή ανεµογεννήτρια...47 Εικόνα 9:Φωτορεαλιστική απεικόνιση του Τ.Ε.Ι Κβάλας...52 Εικόνα 10: Χάρτης αιολικού δυναμικούστην Καβάλα...54 Εικόνα 11: Το αζιμούθειο στην περιοχή της Καβάλας...58 Εικόνα 12: Πρωτινόμενη Α/Γ 10 kw...68 Εικόνα 13:Θεμελίωση της Α/Γ 10 kw...90 Εικόνα 14: Χαρακτιριστηκά Δαστάσεις Α/Γ 10 kw...98 Εικόνα 15: Συσσορευτής CEL CUBE Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 11 από 162

13 Κατάλογος διαγραμμάτων Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ιάγραµµα 1: Ενεργειακών μετατροπών...20 ιάγραµµα 2 Κατανάλωση ισχύος απο το 2004 έως ιάγραµµα 3 Κόστος κατανάλωσης ισχύος...81 ιάγραµµα 4 Ετήσια κατανάλωση λιγνίτη...82 ιάγραµµα 5 Η αιολική ισχύς την επώμενη πενταετία...91 ιάγραµµα 6 Ημερίσια λειτουργεία υβριδικού Φ/Β Θ συλλέκτη Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 12 από 162

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ενέργεια Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 13 από 162

15 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 1.1 Ενεργειακό πρόβληµα Το ενεργειακό πρόβλημα συνειδητοποιήθηκε όταν εμφανίστηκε η ενεργειακή κρίση του 1973.Η συνειδητοποίηση του προβλήματος ήταν αποτέλεσμα: Του περιορισμού άντλησης και συνεπώς των ποσοτήτων διάθεσης αργού πετρελαίου Του μονομερή καθορισμού τιμών από τον ΟΠΕΚ. Από την επακόλουθη αύξηση της τιμής του ( τετραπλασιασμός της τιμής σε σχέση με αυτή του 2007 ) Από την απόφαση ΟΠΕΚ για εθνικοποιήσεις κοιτασμάτων αργού πετρελαίου. Οι παράγοντες που τροφοδοτούν το ενεργειακό πρόβλημα είναι: Οι ποσότητες των συμβατικών ενεργειακών πηγών αργά ή γρήγορα θα εξαντληθούν. Η αβεβαιότητα της επάρκειας της παράγωγης και της σταθερότητας στην τροφοδοσία με καύσιμα, με σκοπό την διατήρηση των αποθεμάτων και παράλληλα την αύξηση των τιμών. Πολιτικά και μη γεγονότα αλλά και αστάθμητοι παράγοντες επηρεάζουν και ανεβάζουν τις τιμές,δηλαδή η ουσία του ενεργειακού προβλήματος βρίσκεται στην συσχέτιση των ενεργειακών αποθεμάτων που διαρκώς μειώνονται με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας που διαρκώς αυξάνονται. Αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος της χώρας μας. Τα κύρια προβλήματα στη χώρα μας σχετίζονται άμεσα με το λανθασμένο ενεργειακό μοντέλο που εφαρμόζει. Η χώρα μας χαρακτηρίζεται από υψηλή ενεργειακή ένταση (παραγόμενες kwh ανά μονάδα ΑΕΠ), υψηλή εξάρτηση από πετρέλαιο και λιγνίτη που αποτελούν τα πλέον ρυπογόνα καύσιμα, και άσκοπη κατανάλωση ενέργειας στον οικιακό και τριτογενή τομέα. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 14 από 162

16 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Για την αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος πρέπει να ληφθούν μέτρα που θα στηρίζονται στους εξής άξονες: 1. Αποδοτικότερη χρήση της ενέργειας Διαχωρισμός ενέργειας-οικονομικής ανάπτυξης Στην αύξηση της ωφέλιμης ενέργειας σε σχέση με την καταναλισκομένη 2. Μείωσητηςκατανάλωσης 3. Υποκατάσταση των συμβατικών ενεργειακών πηγών με Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) και εξασφάλιση των προϋποθέσεων (οικονομική ανάπτυξη,νομισματική σταθερότητα,ορθός καταμερισμός του πλούτου, σταθερότητα τροφοδοσίας ενεργείας) μιας μακροχρόνιας στρατηγικής επιτυχούς εκμετάλλευσης των ΑΠΕ. Η πιο καθαρή και πιο φθηνή μορφή ενέργειας είναι αυτή που εξοικονομούμε κάνοντας σωστή χρήση της τεχνολογίας καλύπτοντας τις πραγματικές μας ανάγκες χωρίς υπερβολές και σπατάλες. Αυτό προϋποθέτει ευαισθητοποίηση των καταναλωτών με σκοπό την αλλαγή στάσεων και συμπεριφορών όχι μόνο σε προσωπικό επίπεδο αλλά και σε επίπεδο παραγωγής αξιοποιώντας παράλληλα και την σύγχρονη τεχνολογία. Επίσης θα πρέπει να υιοθετηθούν : Σχέδια προστασίας των σημαντικών οικοσυστημάτων της χώρας, Αλλαγές στις γεωργικές καλλιέργειες, Διαχειριστικά πλάνα για τους υδάτινους πόρους, Μέτρα εξοικονόμησης ενέργειας για ψύξη-θέρμανση, Προώθηση καινοτόμων καθαρών τεχνολογιών, Δημιουργία υποδομών για την αντιμετώπιση ακραίων καιρικών φαινομένων, Συστήματα επίβλεψης των δασών ανά την επικράτεια, Δράσεις καταπολέμησης της ερημοποίησης, Εκστρατείες ευαισθητοποίησης της Ελληνικής κοινωνίας. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 15 από 162

17 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Γενικότερα θα πρέπει να ληφθούν πολιτικά μέτρα προώθησης των ΑΠΕ και εξοικονόμησης ενέργειας, να εξορθολογιστεί η πολιτική των μεταφορών στη χώρα μας, να καταρτιστεί μια στιβαρή και φιλόδοξη ενεργειακή ατζέντα διότι διαφορετικά η Ελλάδα θα μείνει ουραγός στις εξελίξεις. 1.2 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ή ήπιες μορφές ενέργειας ή νέες πηγές ενέργειας ή πράσινη ενέργεια είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχονται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεμος, η γεωθερμία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Ο όρος «ήπιες» αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους. Καταρχάς, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση, όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση, όπως με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας, αλλά απλώς η εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. Δεύτερον, πρόκειται για «καθαρές» μορφές ενέργειας, πολύ «φιλικές» στο περιβάλλον, που δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα, όπως οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα. Έτσι οι ΑΠΕ θεωρούνται από πολλούς μία αφετηρία για την επίλυση των οικολογικών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η Γη. Ως «ανανεώσιμες πηγές» θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας (π.χ. του πετρελαίου ή του άνθρακα), όπως η ηλιακή και η αιολική. Ο χαρακτηρισμός «ανανεώσιμες» είναι κάπως καταχρηστικός, μιας και ορισμένες από αυτές τις πηγές, όπως η γεωθερμική ενέργεια δεν ανανεώνονται σε κλίμακα χιλιετιών. Σε κάθε περίπτωση οι ΑΠΕ έχουν μελετηθεί ως λύση στο πρόβλημα της αναμενόμενης εξάντλησης των (μη ανανεώσιμων) αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων. Τελευταία από την Ευρωπαϊκή Ένωση, αλλά και από πολλά μεμονωμένα κράτη, υιοθετούν νέες πολιτικές για τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, που προάγουν τέτοιες εσωτερικές πολιτικές και για τα κράτη μέλη. Οι ΑΠΕ αποτελούν τη βάση του Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 16 από 162

18 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση μοντέλου οικονομικής ανάπτυξης της πράσινης οικονομίας και κεντρικό σημείο εστίασης της σχολής των οικολογικών οικονομικών, η οποία έχει κάποια επιρροή στο οικολογικό κίνημα. Οι ήπιες μορφές ενέργειας βασίζονται κατ' ουσία στην ηλιακή ακτινοβολία, με εξαίρεση τη γεωθερμική ενέργεια, η οποία είναι ροή ενέργειας από το εσωτερικό του φλοιού της γης, και την ενέργεια απ' τις παλίρροιες που εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα. Οι βασιζόμενες στην ηλιακή ακτινοβολία ήπιες πηγές ενέργειας είναι ανανεώσιμες, μιας και δεν πρόκειται να εξαντληθούν όσο υπάρχει ο ήλιος, δηλαδή για μερικά ακόμα δισεκατομμύρια χρόνια. Ουσιαστικά είναι ηλιακή ενέργεια "συσκευασμένη" κατά τον ένα ή τον άλλο τρόπο: η βιομάζα είναι ηλιακή ενέργεια δεσμευμένη στους ιστούς των φυτών μέσω της φωτοσύνθεσης, η αιολική εκμεταλλεύεται τους ανέμους που προκαλούνται απ' τη θέρμανση του αέρα ενώ αυτές που βασίζονται στο νερό εκμεταλλεύονται τον κύκλο εξάτμισης-συμπύκνωσης του νερού και την κυκλοφορία του. Η γεωθερμική ενέργεια δεν είναι ανανεώσιμη, καθώς τα γεωθερμικά πεδία κάποια στιγμή εξαντλούνται. Χρησιμοποιούνται είτε άμεσα (κυρίως για θέρμανση) είτε μετατρεπόμενες σε άλλες μορφές ενέργειας (κυρίως ηλεκτρισμό ή μηχανική ενέργεια). Υπολογίζεται ότι το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο ενεργειακό δυναμικό απ' τις ήπιες μορφές ενέργειας είναι πολλαπλάσιο της παγκόσμιας συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Η υψηλή όμως μέχρι πρόσφατα τιμή των νέων ενεργειακών εφαρμογών, τα τεχνικά προβλήματα εφαρμογής καθώς και πολιτικές και οικονομικές σκοπιμότητες εμπόδισαν την εκμετάλλευση έστω και μέρους αυτού του δυναμικού. Το ενδιαφέρον για τις ήπιες μορφές ενέργειας ανακινήθηκε τη δεκαετία του 1970, ως αποτέλεσμα κυρίως των απανωτών πετρελαϊκών κρίσεων της εποχής, αλλά και της αλλοίωσης του περιβάλλοντος και της ποιότητας ζωής από τη χρήση κλασικών πηγών ενέργειας. Ιδιαίτερα ακριβές στην αρχή, ξεκίνησαν σαν πειραματικές εφαρμογές. Σήμερα όμως λαμβάνονται υπόψη στους επίσημους σχεδιασμούς των ανεπτυγμένων κρατών για την ενέργεια και αν και αποτελούν πολύ μικρό ποσοστό της ενεργειακής παραγωγής, ετοιμάζονται βήματα για παραπέρα αξιοποίησή τους. Το κόστος δε των εφαρμογών ήπιων μορφών Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 17 από 162

19 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση ενέργειας πέφτει συνέχεια τα τελευταία είκοσι χρόνια και ειδικά η αιολική και υδροηλεκτρική ενέργεια, αλλά και η βιομάζα, μπορούν πλέον να ανταγωνίζονται στα ίσα παραδοσιακές πηγές ενέργειας όπως ο άνθρακας και η πυρηνική ενέργεια. Ενδεικτικά στις Η.Π.Α. ένα 6% της ενέργειας προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, ενώ στην Ευρωπαϊκή Ένωση το 2010 το 25% της ενέργειας θα προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές (κυρίως υδροηλεκτρικά και βιομάζα) 1.3 Είδη ήπιων μορφών ενέργειας Αιολική ενέργεια. Χρησιμοποιήθηκε παλιότερα για την άντληση νερού από πηγάδια καθώς και για μηχανικές εφαρμογές (π.χ. την άλεση στους ανεμόμυλους). Έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται ευρέως για ηλεκτροπαραγωγή. Ηλιακή ενέργεια. Χρησιμοποιείται περισσότερο για θερμικές εφαρμογές (ηλιακοί θερμοσίφωνες και φούρνοι) ενώ η χρήση της για την παραγωγή ηλεκτρισμού έχει αρχίσει να κερδίζει έδαφος, με την βοήθεια της πολιτικής προώθησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας από το ελληνικό κράτος και την Ευρωπαϊκή Ένωση. Υδραυλική ενέργεια. Είναι τα γνωστά υδροηλεκτρικά έργα, που στο πεδίο των ήπιων μορφών ενέργειας εξειδικεύονται περισσότερο στα μικρά υδροηλεκτρικά. Είναι η πιο διαδεδομένη μορφή ανανεώσιμης ενέργειας. Βιομάζα. Χρησιμοποιεί τους υδατάνθρακες των φυτών (κυρίως αποβλήτων της βιομηχανίας ξύλου, τροφίμων και ζωοτροφών και της βιομηχανίας ζάχαρης) με σκοπό την αποδέσμευση της ενέργειας που δεσμεύτηκε απ' το φυτό με τη φωτοσύνθεση. Ακόμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αστικά απόβλητα και απορρίμματα. Μπορεί να δώσει βιοαιθανόλη και βιοαέριο, που είναι καύσιμα πιο φιλικά προς το περιβάλλον από τα παραδοσιακά. Είναι μια πηγή ενέργειας με πολλές δυνατότητες και εφαρμογές που θα χρησιμοποιηθεί πλατιά στο μέλλον. Γεωθερμική ενέργεια. Προέρχεται από τη θερμότητα που παράγεται απ' τη ραδιενεργό αποσύνθεση των πετρωμάτων της γης. Είναι εκμεταλλεύσιμη εκεί όπου η θερμότητα αυτή ανεβαίνει με φυσικό τρόπο στην επιφάνεια, π.χ. στους Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 18 από 162

20 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση θερμοπίδακες ή στις πηγές ζεστού νερού. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε απευθείας για θερμικές εφαρμογές είτε για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η Ισλανδία καλύπτει το 80-90% των ενεργειακών της αναγκών, όσον αφορά τη θέρμανση, και το 20%, όσον αφορά τον ηλεκτρισμό, με γεωθερμική ενέργεια. Ενέργεια από τη θάλασσα Ενέργεια από παλίρροιες. Εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Το νερό αποθηκεύεται καθώς ανεβαίνει και για να ξανακατέβει αναγκάζεται να περάσει μέσα από μια τουρμπίνα, παράγοντας ηλεκτρισμό. Έχει εφαρμοστεί στην Αγγλία, τη Γαλλία, τη Ρωσία και αλλού. Ενέργεια από κύματα. Εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας. Ενέργεια από τους ωκεανούς. Εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, κάνοντας χρήση θερμικών κύκλων. Βρίσκεται στο στάδιο της έρευνας. 1.4 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας ουσιαστικά μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. Δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς και να αποτελέσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. Είναι ευέλικτες εφαρμογές που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσμού, καταργώντας την ανάγκη για Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 19 από 162

21 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση τεράστιες μονάδες παραγωγής ενέργειας (καταρχήν για την ύπαιθρο) αλλά και για μεταφορά της ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Ο εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει μεγάλο χρόνο ζωής. Επιδοτούνται από τις περισσότερες κυβερνήσεις. Μειονεκτήματα Έχουν αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 30% ή και χαμηλότερο. Συνεπώς απαιτείται αρκετά μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια γης. Γι' αυτό το λόγο μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται σαν συμπληρωματικές πηγές ενέργειας. Για τον παραπάνω λόγο προς το παρόν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους αλλά και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Για τις αιολικές μηχανές υπάρχει η άποψη ότι δεν είναι κομψές από αισθητική άποψη κι ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Με την εξέλιξη όμως της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης (π.χ. σε πλατφόρμες στην ανοιχτή θάλασσα) αυτά τα προβλήματα έχουν σχεδόν λυθεί. Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω απ' το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. 1.5 Απόδοση ενεργειακών μετατροπών Η ενέργεια μπορεί να εμφανίζεται με τις ακόλουθες μορφές : Φωτεινή ενέργεια, Θερμική ενέργεια, Μηχανική ενέργεια, Χημική ενέργεια, Ηλεκτρική ενέργεια, Πυρηνική ενέργεια. Η ενέργεια μπορεί όμως και να μετατρέπεται από μια μορφή σε άλλη (π.χ. από ηλεκτρική σε φωτεινή).κατά τις ενεργειακές μετατροπές ισχύει το 1 Θερμοδυναμικό αξίωμα, που εισάγει την έννοια της Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 20 από 162

22 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση απόδοσης της μετατροπής. 1 Θερμοδυναμικό Αξίωμα (Νόμος διατήρησης της ενέργειας) : Στις διεργασίες δεν δημιουργείται ή καταστρέφεται ενέργεια, αλλά συμβαίνει μετατροπή της από μια μορφή σε άλλη. Ισοδύναμα, όποτε η ενέργεια μετατρέπεται από μια μορφή σε άλλη, διατηρείται στο σύνολό της σταθερή. Σε μετατροπές ενέργειας απελευθερώνεται συνήθως και θερμότητα, που αποτελεί χαμηλής στάθμης ενέργεια ώστε είναι απώλεια της μετατροπής. Κάθε μετατροπή χαρακτηρίζεται από το βαθμό απόδοσης της, που ισούται με το ποσόν της νέας μορφής ενέργειας που προκύπτει προς το αρχικό ποσόν της ενέργειας που καταναλώθηκε για μετατροπή και είναι μικρότερος ή το πολύ ίσος της μονάδας (1.1) Η διαδοχική μετατροπή ενέργειας σε διάφορες μορφές οδηγεί στη σταδιακή υποβάθμισή της. Ως παράδειγμα διαδοχικών μετατροπών αναφέρεται ενδεικτικά η σύλληψη της αιολικής ενέργειας, αποθήκευση και μετέπειτα χρήση της: καταρχήν μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική με απόδοση 40%, ακολούθως μετατροπή της ηλεκτρικής σε δυναμική με απόδοση 80% ( για μεταφορά και αποθήκευση νερού σε υψηλότερη στάθμη), μετατροπή της δυναμικής σε κινητική με απόδοση 70% (στη γεννήτρια) και τέλος της ηλεκτρικής και πάλι σε κινητική στο χώρο κατανάλωσης με απόδοση 85%, ώστε τελικά χρησιμοποιείται μόλις το 17% της αρχικής ενέργειας του ανέμου. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 21 από 162

23 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Γεωθερμική Χημική Πυρηνική Ηλιακή Θερμική Αιολική Ηλεκτρική Μηχανική Σχήμα 1.1: Ενεργειακών Μετατροπών 1.6 Κτίριο και ενεργειακή κατανάλωση Ο τομέας των κτιρίων αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους τοµείς κατανάλωσης ενέργειας και σε ημερήσια βάση η παγκόσμια πρωτογενής κατανάλωσή του ξεπερνάει τα 17 εκατομμύρια βαρέλια πετρελαίου, ποσότητα ίση µε την συνολική παραγωγή των χωρών του ΟΠΕΚ. Στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ο τομέας των κτιρίων απορροφά κατά µέση τιµή, το 40% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης. Η ανά χώρα κύµανση ποικίλει από 20% για την Πορτογαλία έως 45% για την Ιρλανδία, ενώ η Ελλάδα κυµαίνεται στο 30% δεδομένου ότι ο κάτοικος των αστικών κυρίως κέντρων βιώνει το 80% της ζωής του στο εσωτερικό των κτιρίων, είναι προφανής η επίδραση της ποιότητας του εσωτερικού κλίματος τόσο σε επίπεδο άνεσης όσο και σε επίπεδο παραγωγικότητας. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 22 από 162

24 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Ειδικότερα, η αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος και η εκτεταμένη χρήση ηλεκτρικών συσκευών στα µεγάλα αστικά κέντρα έχουν συντελέσει στην κατακόρυφη αύξηση της απαιτούμενης ενέργειας, που σε πολλές περιπτώσεις είναι σχεδόν διπλάσια από την απαιτουμένη σε εκτός πόλεως περιοχές. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση ο κτιριακός τομέας (τα νοικοκυριά και ο τριτογενής τομέας) αντιπροσωπεύει τον σημαντικότερο τοµέα κατανάλωσης της ενέργειας µε ποσοστό 40%. Η τελική κατανάλωση των κτιρίων είναι της τάξης των 350 Mtoe (1 Mtoe: µετρικός τόνος ισοδύναμου πετρελαίου) ανά έτος. Το µεγαλύτερο µέρος της ενεργειακής κατανάλωσης των κτιρίων καλύπτεται από το φυσικό αέριο µε ποσότητα 116 Mtoe, από το πετρέλαιο µε 99 Mtoe και ακολουθούν ο ηλεκτρισµός και τα στερεά καύσιµα µε 91 και 11 Mtoe αντίστοιχα. Με βάση τα παραπάνω προκύπτει ότι αντιστοιχεί περίπου 1 Mtoe ανά έτος και ανά κάτοικο για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των κτιρίων στην Ευρώπη. Η ετήσια ενεργειακή κατανάλωση των κτιρίων στην Ελλάδα, είναι της τάξης των 4.6 Mtoe και αντιστοιχούν περίπου 0.55 Mtoe ανά κάτοικο το έτος, ποσότητα που είναι το µισό της αντίστοιχης κατανάλωσης στην Ευρώπη. Οι ανάγκες για θέρμανση των κατοικιών ανέρχονται σε 70% της συνολικής κατανάλωσης ενώ η κατανάλωση ενέργειας για τις οικιακές συσκευές, τον φωτισµό και τον κλιµατισµό ανέρχεται στο 18% του συνολικού ενεργειακού ισοζυγίου. 1.7 Ενσωμάτωση ΑΠΕ στα κτίρια Η εφαρμογή ενός ολοκληρωμένου ενεργειακού σχεδιασμού και η ενσωμάτωση των ενεργειακά αποδοτικότερων τεχνολογιών στα κτίρια είναι προϋπόθεση για την πλήρη αξιοποίηση του ενεργειακού δυναµικού για κάθε κτίριο και σε κάθε τόπο. Η µέγιστη αξιοποίηση αυτή του δυναµικού, έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση στις ενεργειακές ανάγκες ενός κτιριακού συνόλου. Προς την κατεύθυνση αυτή, η αξιοποίηση ενός συνδυασμού τεχνολογιών και συστημάτων βασισμένο στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποτελεί προϋπόθεση για τη βελτίωση των ενεργειακών και περιβαλλοντικών συνθηκών Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 23 από 162

25 1.Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση ενός τόπου. Σήµερα, υπάρχουν πολλά και διαφορετικά ενεργειακά συστήματα τα οποία είναι δυνατόν να ενσωματωθούν στα κτίρια µε σκοπό την μερική ή ολική κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Τα κυριότερα από αυτά είναι: Φωτοβολταϊκά συστήματα (Photovoltaic energy systems) Ηλιακά θερµικά συστήµατα (Solar thermal systems) Αιολικά συστήµατα (Wind energy systems) Γεωθερµικά συστήµατα (Geothermal energy systems) Συστήµατα συμπαραγωγής (CHP systems) Συστήµατα αξιοποίησης βιομάζας (Biomass systems) Εικόνα 1.1: Φωτοβολταικά επί στέγη Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 24 από 162

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ηλιακή Ακτινοβολία Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 25 από 162

27 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με την χρήση 2.1 Ο Ήλιος Ο ήλιος είναι ένας τυπικός αστέρας µάζας 2 x Kg, διαμέτρου 1.39 x 10 9 m και ηλικίας περίπου 5 x 10 9 χρόνια. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του ήλιου είναι περίπου 5800 K 0 ενώ η θερμοκρασία στο εσωτερικό του υπολογίζεται ότι είναι Κ 0. Η θερμοκρασία αυτή προκύπτει από την µετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο µέσω της αντίδρασης 4 Η 1 1 Ηe+ Ενέργεια. Έχει υπολογιστεί ότι για κάθε γραμμάριο υδρογόνου που μετατρέπεται σε Ήλιο παράγεται ενέργεια ίση µε U=1.67 x 10 5 kwh. Η παραγόμενη ενέργεια μεταφέρεται στην επιφάνεια και στη συνέχεια διαχέεται στο διάστηµα µε τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αν µελετήσει κανείς το φάσµα της ηλιακής ακτινοβολίας θα παρατηρήσει ότι εκτείνεται σε όλα τα μήκη κύµατος. Αναλυτικότερα, το φάσµα της ηλιακής ακτινοβολίας µπορεί να χωριστεί σε τρία µέρη: το υπεριώδες φάσµα (λ<380nm), το ορατό φάσµα (380 nm<λ<700 nm) και το υπέρυθρο φάσµα (λ>780 nm). Εκτός από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ο ήλιος εκπέμπει και µια ασθενής σωματιδιακή ακτινοβολία που αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια και ηλεκτρόνια, και ονομάζεται ηλιακός άνεµος. 2.2 Χαρακτηριστικά της ηλιακής ενέργειας Οι πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον ενεργό πυρήνα του Ήλιου οδηγούν σε εσωτερικές θερμοκρασίες της τάξης των 10 7 Κ 0 και μια εσωτερική ροή ακτινοβολίας, που απορροφάται από τα εξώτερα παθητικά στρώματα με αποτέλεσμα να θερμαίνονται έως τους 5800 Κ 0 περίπου. Καθίστανται έτσι μια πηγή ακτινοβολίας με σχετικά συνεχές φάσμα, που προσομοιάζει προς αυτό μέλανος σώματος αντίστοιχης θερμοκρασίας. Η ένταση της ακτινοβολίας που φτάνει από τον ήλιο στα ακρότατα όρια της ατμόσφαιρας της γης έχει μέση τιμή 1395 W/m 2 και ορίζεται ηλιακή σταθερά. Η ακτινοβολία του ήλιου που καταλήγει στην επιφάνεια της γης μπορεί να φτάσει την τιμή 1kW/m 2, όταν ο ήλιος είναι στο ζενίθ και καλύπτει το φάσμα μεταξύ 0,3 και 2,5 μm με αιχμή στα 0,5 μm. Η Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 26 από 162

28 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση ακτινοβολία αυτή χαρακτηρίζεται ως μικρού μήκους κύματος και συμπεριλαμβάνει το ορατό φως (0,4-0,7 μm ), συγκεκριμένα κυμαίνεται ως εξής : Υπεριώδης ακτινοβολία ( λ<0,4 μm) 9% Ορατό φώς (0,4 μm<λ<0,7 μm) 45% Υπέρυθρη ακτινοβολία (λ>0,7 μm) 46% Για κατοικημένες περιοχές, η λαμβανόμενη θερμότητα λόγω ακτινοβολίας ποικίλλει από 3 έως 30 MJ/m 2 -day ανάλογα με την τοποθεσία, την περίοδο του έτους και τις επικρατούσες καιρικές συνθήκες. Αντίστοιχα, η ροή θερμότητας από τη γη προς το διάστημα ( με ακτινοβολία) είναι πάλι της τάξης του 1kW/m 2, αλλά συμβαίνει σε μήκη κύματος μεταξύ 5 και 25 μm, ώστε χαρακτηρίζεται ως ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος με αιχμή στα 10μm. 2.3 Μέθοδοι άµεσης αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας Η ηλιακή ενέργεια είναι πρωτογενής, ήπια και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας η οποία έµµεσα δίνει γένεση σε άλλες τρεις ήπιες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, την υδραυλική, την αιολική και την ενέργεια της βιομάζας. Εδώ θα δούµε µόνο τις µεθόδους άµεσης ενεργειακής αξιοποίησης της ακτινοβολίας του ήλιου που φτάνει στην επιφάνεια της γης. Η ηλιακή ακτινοβολία µπορεί να χρησιμοποιηθεί για: την άµεση παραγωγή θερμότητας, µε ενεργητικά και παθητικά ηλιακά συστήματα. Αν η παραγόμενη θερμότητα είναι υψηλής θερμοκρασίας, τότε µπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ατµού και στη συνέχεια μηχανικής ενέργειας (µε ατμοστρόβιλους). Η µηχανική ενέργεια µπορεί να µετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Σε αυτή τη περίπτωση αναφερόμαστε σε θερµική παραγωγή ηλεκτρισμού από την ηλιακή ενέργεια. την άµεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, µε την εκμετάλλευση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Συνήθως διακρίνουμε τις: 1. Θερµικές ηλεκτρικές εφαρμογές. 2. Ηλεκτρικές ή φωτοβολταϊκές εφαρµογές της ηλιακής ενέργειας. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 27 από 162

29 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Ειδικότερα, στις θερµικές εφαρμογές γίνεται αξιοποίηση της θερµικής ενέργειας από ακτινοβολία του ήλιου ενώ στις ηλεκτρικές εφαρμογές αξιοποιείται η κβαντική ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας. 2.4 Θερµικές εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας Οι θερµικές εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας διακρίνονται σε εφαρμογές χαµηλής, µέσης και υψηλής θερμοκρασίας. Οι εφαρμογές χαµηλής και µέσης θερμοκρασίας περιλαμβάνουν τα ενεργητικά και παθητικά συστήματα παραγωγής θερμότητας από τον ήλιο. Ονοµάζουµε ενεργητικά τα συστήματα ή τις ηλιακές εγκαταστάσεις στα οποία η μεταφορά της συλλεγόμενης ηλιακής θερμότητας πραγματοποιείται µε κυκλοφορία του θερµικού υγρού µε τη βοήθεια αντλίας ή ανεμιστήρα. Αυτά τα συστήματα εξαρτώνται συνεπώς από πρόσθετη πηγή ενέργειας, κυρίως ηλεκτρισµό, για την λειτουργία τους. Αντίθετα τα παθητικά συστήματα, λειτουργούν αυτόνομα και η ενέργεια κυκλοφορεί µε φυσική ροή όπως η ελεύθερη συναγωγή η οποία εξαρτάται µόνο από τις διαφορές θερμοκρασίας και πυκνότητας που δημιουργούνται σε ορισμένα σηµεία του συστήματος. Τα ηλιακά συστήματα που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή θερμότητας αν και διαφοροποιούνται σημαντικά έχουν ορισμένα κοινά µέρη: σύστηµα συλλογής και µετατροπής της θερµικής ακτινοβολίας σε θερμότητα (συλλέκτης) σύστηµα αποθήκευσης της θερμότητας σύστηµα απόδοσης της αποθηκευμένης ενέργειας για χρήση σύστηµα ελέγχου Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 28 από 162

30 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 2.5 Θέρμανση νερού Σε πολλές περιοχές του πλανήτη, τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού χρήσης γνωστά και ως ηλιακά συστήματα Ζ.Ν.Χ. (Ζεστό Νερό Χρήσης) µπορούν να καλύψουν από 50 έως 100% της ζήτησης ζεστού νερού στις κατοικίες. Αποτελούνται από δύο βασικά µέρη: τον συλλέκτη και το δοχείο αποθήκευσης. Διαφοροποιούνται όµως αρκετά στο σχεδιασµό και διακρίνονται συνήθως σε ανοικτού (άµεσα) ή κλειστού (έµµεσα) κύκλου, παθητικά (µε φυσική κυκλοφορία) ή ενεργητικά (µε αντλίες για κυκλοφορία του νερού). Σχεδόν όλα τα ηλιακά συστήματα απαιτούν και βοηθητική πηγή θερμότητας για τις περιόδους µε µικρή ηλιακή ακτινοβολία σχετικά µε τη ζήτηση. Τα ηλιακά συστήματα έχουν µεγάλο αρχικό κόστος αγοράς και εγκατάστασης σε σχέση µε τα συμβατικά συστήματα αλλά έχουν μικρό έως μηδενικό κόστος λειτουργίας. Τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια άµεσα για την θέρμανση είτε νερού είτε άλλου θερµικού υγρού, όπως π.χ. µίγµατος νερού µε αντιψυκτικό. Αυτό επιτυγχάνεται µε ηλιακούς συλλέκτες οι οποίοι συνήθως εγκαθίστανται στις οροφές κτιρίων. Το ζεστό νερό στη συνέχεια αποθηκεύεται σε δεξαμενή όπως και στα άλλα συστήματα θέρμανσης νερού. Αυτά τα συστήματα είναι ανταγωνιστικά για την θέρμανση νερού οικιακής χρήσης και νερού σε πισίνες. Εικόνα 2.1 Ηλιακός συλλέκτης επί στέγης Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 29 από 162

31 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 2.6 Παθητικά ηλιακά συστήματα και η απόδοσή τους στην Ελλάδα Αναγκαία προϋπόθεση για τη σωστή λειτουργία των παθητικών ηλιακών συστημάτων ώστε να αξιοποιήσουν όσο το δυνατό περισσότερο την ηλιακή ενέργεια, είναι ένας κατάλληλος σχεδιασµός του κτιρίου. Αυτό σηµαίνει ότι το κέλυφος πρέπει να επιτρέπει : Η λειτουργία των παθητικών συστημάτων βασίζεται σε 3 μηχανισμούς Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (συλλογή της ηλιακής ακτινοβολίας και η διατήρηση της στο εσωτερικό του κτιρίου για την θέρμανση των χώρων) Τη θερµική υστέρηση των υλικών (θερμοχωρητικότητα) Τις αρχές µετάδοσης της θερμότητας (την ιδιότητα της θερμότητας να μεταφέρεται από το θερµό στο κρύο αντικείμενο) Είδη παθητικών ηλιακών συστημάτων για θέρμανση είναι: Άµεσο κέρδος Έµµεσο κέρδος Απομονωμένο κέρδος Άµεσο κέρδος Το πιο απλό σύστηµα που αξιοποιεί την ηλιακή ακτινοβολία για την θέρμανση του κτιρίου είναι το άµεσο κέρδος µέσω των νότια προσανατολισμένων ανοιγμάτων. H αποτελεσματικότητα ενός τέτοιου συστήματος επηρεάζεται από τους εξής παράγοντες: Προσανατολισμός Θέση ανοιγμάτων Μέγεθος ανοιγμάτων Το μέγεθος των ανοιγμάτων νότιου προσανατολισμού για 38º βόρειο γεωγραφικό πλάτος ώστε τα ηλιακά κέρδη να συνεισφέρουν στη θέρμανση του κτιρίου δίνεται ενδεικτικά από το παρακάτω πίνακα Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 30 από 162

32 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 2.1. Επεµβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας σε κτίρια αθλητικά κέντρα βιομηχανίες. MEΣΗ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟ ΧΕΙΜΩΝΑ ºC ΕΜΒΑΔΟΝ ΑΝΟΙΓΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ 1 m 2 m 2-1 0,20-0, ,13-0,21 Τέλος, σημαντικό ρόλο για τη σωστή εφαρμογή του συστήματος παίζει η επιλογή των τύπων των υαλοπινάκων και η επιλογή των δοµικών στοιχείων (τοίχοι, δάπεδο, οροφή). Αυτά πρέπει να έχουν τουλάχιστον 9 φορές µεγαλύτερη επιφάνεια από τα ανοίγματα και πρέπει να κατασκευάζονται από υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας για την αποθήκευση του ηλιακού θερµικού κέρδους. Εικόνα 2.2.Σύστημα άμεσου ηλιακού κέρδους Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 31 από 162

33 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Έµµεσο κέρδος Ανήκουν τα συστήματα που αξιοποιούν έµµεσα τα ηλιακά οφέλη για την θέρμανση του κτιρίου. Αυτά τα συστήματα απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο κέλυφος και ύστερα επιτρέπουν στη θερμότητα να διεισδύσει στους χώρους διαβίωσης. Ο θερµικός τοίχος (τοίχος µάζης, Τrombe ή τοίχος νερού) το δώµα θερµικής αποθήκευσης και ο τοίχος μεταξύ του θερμοκηπίου και του χώρου διαβίωσης, είναι οι κύριες εφαρμογές των µηχανισµών έµµεσου κέρδους Σχήμα 2.1 Θερμικός τοίχος Τοίχος θερµικής αποθήκευσης Είναι ένας συνδυασμός τοίχου νότιου προσανατολισμού και μιας εξωτερικής διάφανης επιφάνειας (συνήθως γυαλί) στη εξωτερική πλευρά του τοίχου σε απόσταση συνήθως 10cm.Η εξωτερική επιφάνεια του τοίχου πρέπει να είναι σκουρόχρωμη ώστε να μεγιστοποιεί την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Ο τοίχος κατασκευάζεται από υλικά µεγάλης θερμοχωρητικότητας για να διασφαλίζει χρονική υστέρηση τουλάχιστον 6h ώστε η εσωτερική του επιφάνεια να έχει τη µέγιστη θερμοκρασία στην αρχή της νύχτας. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 32 από 162

34 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Τοίχος Τrombe Michel Είναι ένας τοίχος θερµικής αποθήκευσης που σε όλο το επάνω και κάτω µέρος του μήκους του υπάρχουν θυρίδες για να διευκολύνουν την κίνηση του αέρα. Η λειτουργία του βασίζεται στο φαινόμενο του θερµοσιφωνισµού και πραγματοποιείται κίνηση του αέρα λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας. Κατά τη διάρκεια της ηµέρας ο θερµός αέρας κινείται προς τα πάνω και εισέρχεται στο χώρο απ τη πάνω θυρίδα, ενώ ο ψυχρότερος αέρας από τον εσωτερικό χώρο περνάει από τη κάτω θυρίδα και αντικαθιστά το κενό που δημιουργήθηκε μεταξύ τοίχου και υαλοπίνακα. Εικόνα 2.3.Μονωτική προστασία απο τοιχοποιία Το καλοκαίρι βασική προϋπόθεση καλής λειτουργίας είναι ο τοίχος να σκιάζεται µε σταθερό ή κινούμενο σκίαστρο και ο φεγγίτης στο πάνω µέρος του υαλοστασίου να ανοίγει για να εξασφαλιστεί η απομάκρυνση του θερµού αέρα. Εικόνα 2.4.Βιοκλιματικός σχεδιασµός κτιρίων Εικόνα 2.5.Λειτουργία τοίχου Trombe Michel το καλοκαίρι Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 33 από 162

35 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Η επιφάνεια ενός κατάλληλα σχεδιασμένου τοίχου Τrombe- Michel δίνεται από το πίνακα Πίνακας 2.2: Επεµβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας σε κτίρια αθλητικά κέντρα βιομηχανίες MEΣΗ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΕΜΒΑΔΟΝ ΤΟΙΧΟΥ TROMBE ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΧΕΙΜΩΝΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ ºC ΧΩΡΟΥ 1 m 2 m 2-1 0,43-0, ,28-0,46 o Τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός τοίχου θερµικής αποθήκευσης του δίνονται από το πίνακα 2.3. Πίνακας 2.3:Επεµβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας σε κτίρια αθλητικά κέντρα βιομηχανίες ΠΑΧΟΣ ΤΟΙΧΟΥ cm ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ºc ΧΡΟΝΙΚΗ ΥΣΤΕΡΗΣΗ h 20 22,2 6, ,1 9,3 35 8,3 10,6 40 5,5 11,9 45 4,1 13,2 50 2,7 14,5 60 1,1 17,1 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 34 από 162

36 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Απομονωμένο κέρδος Στα συστήματα απομονωμένου κέρδους η επιφάνεια ηλιοσυλλογής δεν βρίσκεται σε επαφή µε τον χώρο που επιθυμούμε να θερμάνουμε. Μεταξύ αυτής της επιφάνειας και το χώρο διαβίωσης υπάρχει ένας μηχανισμός μετάδοσης της θερμότητας όπως για παράδειγμα ένας ανεμιστήρας. Στα πραγματικά παθητικά ηλιακά συστήματα η µετάδοση της θερμότητας γίνεται µε µη μηχανικά µέσα και βασίζεται κυρίως στην άνωση, μεταγωγή και ακτινοβολία της θερμότητας Συμπεράσματα Η χρήση των παθητικών ηλιακών συστημάτων αξιοποιείται κυρίως για ενεργειακά οφέλη κατά τους χειμερινούς μήνες, ενώ για το καλοκαίρι χρησιμοποιούνται απλές τεχνικές δροσισμού όπως ηλιοπροστασία και φυσικός αερισµός. Από την µελέτη εφαρμογών των συστημάτων αυτών στη Ελλάδα και από μετρήσεις που έγιναν από το ΚΑΠΕ(Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας)βλέπουμε ότι η εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση που παρουσιάζουν τα παθητικά ηλιακά συστήματα είναι ιδιαίτερα σημαντική, µε την προϋπόθεση ότι πρέπει να συνδυαστούν µε αντίστροφες μεθόδους ηλιοπροστασίας και σκίασης ώστε να ελαχιστοποιήσουν τα ηλιακά κέρδη το καλοκαίρι. Πιο συγκεκριμένα εκτός από την πολύ σημαντική συνεισφορά του άµεσου ηλιακού κέρδους, τα συστήματα έµµεσου κέρδους συνεισφέρουν στο ενεργειακό ισοζύγιο : Ηλιακοί χώροι Θερμοκήπια έως 60 % Θερµικοί τοίχοι % Φυσικά, η εφαρμογή ενός η περισσοτέρων παθητικών συστημάτων σε ένα κτίριο δεν σηµαίνει ότι το κτίριο γίνεται αυτομάτως βιοκλιματικό. Ο στόχος του βιοκλιματικού σχεδιασμού είναι να προσφέρει ένα θερµικά άνετο και υγιεινό εσωτερικό περιβάλλον, µειώνοντας στο ελάχιστο την επίδραση τους στο Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 35 από 162

37 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση περιβάλλον, προστατεύοντας την υγεία του ανθρώπου και βελτιώνοντας την ποιότητα ζωής. Ένας τρόπος επίτευξης αυτών των στόχων είναι τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα οποία εκμεταλλεύονται την ηλιακή ακτινοβολία για τη θέρμανση των κτιρίων, αλλά εξίσου σημαντικός είναι ο οικολογικός τρόπος δόµησης µε τη προσεχτική επιλογή υλικών και ο ορθός σχεδιασµός που συνεισφέρει τα µέγιστα στη µείωση της ενεργειακής κατανάλωσης. 2.7 Ενεργητικά συστήματα Ενεργητικά ηλιακά συστήματα είναι όσα συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία, και στη συνέχεια τη μεταφέρουν με τη μορφή θερμότητας σε νερό, σε αέρα ή σε κάποιο άλλο ρευστό. Η τεχνολογία που εφαρμόζεται είναι αρκετά απλή και υπάρχουν πολλές δυνατότητες εφαρμογής της σε θερμικές χρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών. Η πλέον διαδεδομένη εφαρμογή των συστημάτων αυτών είναι η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, οι γνωστοί σε όλους ηλιακοί θερμοσίφωνες. Η επιφάνεια ηλιακών συστημάτων που βρίσκονται σε λειτουργία στη χώρα μας είναι περίπου m 2 (στοιχεία 2001). Ήδη, περισσότερες από ελληνικές οικογένειες καλύπτουν περίπου 80% των ετησίων αναγκών τους σε ζεστό νερό χρήσης με ηλιακό θερμοσίφωνα. Η απόδοση των ηλιακών συλλεκτών και η ποιότητα τους γενικά έχουν βελτιωθεί τα τελευταία χρόνια. Η Ελλάδα είναι ο μεγαλύτερος εξαγωγέας σε όλη την Ευρώπη και μάλιστα σε χώρες με ιδιαίτερη βιομηχανική παράδοση, όπως η Γερμανία. Ένα τυπικό σύστημα παραγωγής ζεστού νερού αποτελείται από επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, ένα δοχείο αποθήκευσης της θερμότητας και σωληνώσεις. Η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από το συλλέκτη και η συλλεγόμενη θερμότητα μεταφέρεται στο δοχείο αποθήκευσης. Οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες τοποθετούνται συνήθως στην οροφή του κτιρίου, με νότιο προσανατολισμό και κλίση ως προς τον ορίζοντα, ώστε να μεγιστοποιηθεί το ποσό της ακτινοβολίας που συλλέγεται ετησίως. Πέρα από την οικιακή χρήση, η οποία είναι και η πιο διαδεδομένη σήμερα, ενεργητικά ηλιακά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν οπουδήποτε απαιτείται θερμότητα χαμηλής θερμοκρασιακής στάθμης. Έτσι, η χρήση της Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 36 από 162

38 2. Ηλιακή Ακτινοβολία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή ψύξης, για τον κλιματισμό χώρων και άλλες εφαρμογές, εμφανίζεται ως μία από τις πολλά υποσχόμενες προοπτικές, λόγω της αυξημένης ηλιακής ακτινοβολίας ακριβώς την εποχή που απαιτούνται τα ψυκτικά φορτία. Υπάρχουν ήδη μερικές επιτυχημένες εφαρμογές τέτοιων συστημάτων στη χώρα μας και αναμένεται να έχουν ταχεία ανάπτυξη. Μια άλλη εφαρμογή που έχει εξαπλωθεί στην Ευρωπαϊκή αγορά είναι ο συνδυασμός παραγωγής ζεστού νερού χρήσης και θέρμανσης χώρων με ενεργητικά ηλιακά συστήματα. Η χρήση των συστημάτων αυτών στις ελληνικές κλιματικές συνθήκες για τη θέρμανση χώρων, θεωρείται τεχνικά αλλά και οικονομικά αποδοτική, αν συνδυαστεί με την κατάλληλη μελέτη/κατασκευή του κτιρίου (καλή μόνωση, εκμετάλλευση των παθητικών ηλιακών ωφελειών, κ.λπ.) και τη συνεργασία του χρήστη. Μπορεί να εξοικονομήσει συμβατική ενέργεια σε νέα ή παλιά κτίρια, στα οποία έχουν ληφθεί όλα τα εφικτά μέτρα για την ελαχιστοποίηση των απωλειών και τη μεγιστοποίηση της οικονομικότητας της εγκατάστασης. Είναι πάντως, πολύ σημαντικός ο σωστός σχεδιασμός του ηλιακού συστήματος και η προσεκτική εξέταση της οικονομικότητας της εγκατάστασης για την αποφυγή λανθασμένων επιλογών και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης. 2.8 Φωτοβολταϊκά συστήματα Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα έχουν τη δυνατότητα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ένα τυπικό Φ/Β σύστημα αποτελείται από το Φ/Β πλαίσιο ή ηλιακή γεννήτρια ρεύματος και τα ηλεκτρονικά συστήματα που διαχειρίζονται την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τη Φ/Β συστοιχία. Για αυτόνομα συστήματα υπάρχει επίσης το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας σε μπαταρίες. Μία τυπική Φ/Β συστοιχία αποτελείται από ένα ή περισσότερα Φ/Β πλαίσια ηλεκτρικά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Όταν τα Φ/Β πλαίσια εκτεθούν στην ηλιακή ακτινοβολία, μετατρέπουν ποσοστό 14% περίπου της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική γίνεται αθόρυβα, αξιόπιστα και χωρίς περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 37 από 162

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 38 από 162

40 3. Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με την χρήση 3.1 Γενικά Με τον όρο φωτοβολταϊκά συστήματα, εννοούμε τις βιομηχανικές διατάξεις οι οποίες μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Για την ακρίβεια, πρόκειται για γεννήτριες που αποτελούνται από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, τα συστήματα στήριξης, τους συσσωρευτές, τους αντιστροφείς τάσης, τους μετρητές ενέργειας και τους ρυθμιστές φόρτισης. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα ανήκουν στην κατηγορία των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Στην καθημερινότητά μας χρησιμοποιούμε διαρκώς όλο και περισσότερο τα φωτοβολταϊκά συστήματα, αφού μας συμφέρουν και έχουν πολλά πλεονεκτήματα. Το βασικότερο από τα πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι ότι λειτουργούν με τον ήλιο ο οποίος είναι μια αστείρευτη πηγή ενέργειας. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα δε ρυπαίνουν το περιβάλλον, αντέχουν στο χρόνο, δε θέλουν ιδιαίτερη συντήρηση και δεν έχουν μεγάλο κόστος ενώ με επιδοτούμενα προγράμματα όπως το φωτοβολταϊκά σε στέγες η χρηματοδότηση φτάνει έως και 100%.Ένα από τα πιο βασικά μέρη για να λειτουργήσει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα είναι τα φωτοβολταϊκά πάνελ, ή αλλιώς ηλιακοί συλλέκτες. Τα πάνελ είναι ειδικά πλαίσια που τοποθετούνται σε στέγες ή στο έδαφος και με τη βοήθεια των κυψελών που διαθέτουν, γίνεται η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ο τρόπος που συμβαίνει αυτό είναι ο εξής: Οι ακτίνες του ήλιου περιέχουν φωτόνια με ενέργεια που όταν φτάσουν πάνω σε ένα πάνελ, κάποια το προσπερνούν, άλλα ανακλώνται και τα υπόλοιπα απορροφούνται. Αυτά που απορροφούνται παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, μετακινώντας τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν, σε άλλη θέση. Ακόμα και τα πάνελ όμως, δεν είναι όλα ίδια μεταξύ τους. Διαφέρουν στον τρόπο κατασκευής, στο κόστος και στην απόδοσή τους, ενώ η κύρια ομοιότητά τους είναι ότι όλα κατασκευάζονται με τη χρήση πυριτίου. Οι κατηγορίες που χωρίζονται είναι τρεις, του μονοκρυσταλλικού πυριτίου, του άμορφου πυριτίου και πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Εξίσου απαραίτητα με τα φωτοβολταϊκά πάνελ όμως είναι και τα υπόλοιπα μέρη στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Για παράδειγμα, τα συστήματα στήριξης που βοηθούν στη σωστή εγκατάσταση των πάνελ, ο αντιστροφέας τάσης που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο, κι ο Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 39 από 162

41 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση μετρητής ενέργειας ο οποίος χρησιμεύει στην μέτρηση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται. Επίσης, βασικοί είναι και οι συσσωρευτές, δηλαδή οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα αυτόνομα δίκτυα και ο ρυθμιστής φόρτισης που ελέγχει την φόρτιση της μπαταρίας. 3.2 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως κατασκευάζονται από ηµιαγωγά υλικά, τα οποία μπορεί να είναι µονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλκά ή ακόµα και άµορφα. Ανεξάρτητα από την κρυσταλλική τους δοµή, όλα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία εμπεριέχουν µία δίοδο ημιαγωγού που εκτείνεται σε όλο το πλάτος του στοιχείου. Συνήθως η δίοδος αυτή δημιουργείται από την επαφή ενός στρώματος τύπου-n µε ένα στρώµα τύπου-p ή ακόµα από την επαφή μεταξύ ενός ημιαγωγού και ενός κατάλληλα επιλεγμένου μετάλλου (δίοδος Schottky). Η λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων βασίζεται στη δημιουργία ηλεκτροστατικού φράγματος δυναµικού στο υλικό που δέχεται την ακτινοβολία. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας µε ενέργεια ίση ή µεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει την δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χηµικό δεσµό και να ελευθερώσει ένα ζεύγος φορέων (ενός ηλεκτρονίου στη ζώνη αγωγιμότητας και µιας οπής στη ζώνη σθένους). Από τα παραγόμενα ζεύγη φορέων, εκείνα που θα βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n δέχονται τη δύναµη του ηλεκτροστατικού πεδίου της διόδου µε σκοπό την μείωση της δυναµικής τους ενέργειας. Αυτό έχει ως συνέπεια τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων προς την επαφή τύπου-n και των οπών προς την επαφή τύπου-p, δημιουργώντας µία διαφορά δυναµικού ανάµεσα στους ακροδέκτες της διόδου (σχήµα 8). Η παραπάνω διάταξη συμπεριφέρεται ως ορθά πολωμένη δίοδος και ως πηγή ηλεκτρικού ρεύματος για όσο διάστηµα δέχεται την ακτινοβολία. Η διαδικασία της δημιουργίας διαφοράς δυναµικού στις όψεις ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 40 από 162

42 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 3.3 Κατηγορίες φωτοβολταϊκών στοιχείων Σαν κυριότερες κατηγορίες εφαρμογών Φ/Β συστημάτων μπορούν να θεωρηθούν οι εξής: Καταναλωτικά προϊόντα (1 mw 100 Wp ) Τα συστήματα της κατηγορίας αυτής χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μικρής κλίμακας ισχύος όπως τροχόσπιτα, σκάφη αναψυχής, εξωτερικός φωτισμός κήπων, ψύξη και προϊόντα όπως μικροί φορητοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές, φανοί κ.ά. Αυτόνομα ή απομονωμένα συστήματα (100 Wp 200 kwp ) Στην κατηγορία αυτή συγκαταλέγονται συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για κατοικίες και μικρούς οικισμούς που δεν είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο. Ακόμη χρησιμοποιούνται για: Ηλεκτροδότηση Ιερών Μονών. Αφαλάτωση / άντληση / καθαρισμό νερού. Συστήματα εξωτερικού φωτισμού δρόμων, πάρκων, αεροδρομίων κλπ. Συστήματα τηλεπικοινωνιών, τηλεμετρήσεων και συναγερμού. Συστήματα σηματοδότησης οδικής κυκλοφορίας, ναυτιλίας, αεροναυτιλίας κλπ. Αγροτικές εφαρμογές όπως άντληση νερού, ιχθυοκαλλιέργειες, ψύξη αγροτικών προϊόντων, φαρμάκων κλπ. Μεγάλα Διασυνδεδεμένα στο Δίκτυο Φ/Β Συστήματα Η κατηγορία αυτή αφορά Φ/Β σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μεγέθους 50 kwp έως μερικά MWp, στους οποίους η παραγόμενη ενέργεια διοχετεύεται απευθείας στο δίκτυο. Διασυνδεδεμένα Φ/Β Συστήματα Οικιακός Τομέας Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 41 από 162

43 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Στην κατηγορία αυτή εμπίπτουν Φ/Β συστήματα τυπικού μεγέθους 1,5 kwp έως 20 kw, τα οποία έχουν εγκατασταθεί σε στέγες ή προσόψεις κατοικιών και τροφοδοτούν άμεσα τις καταναλώσεις του κτιρίου, η δε πλεονάζουσα ενέργεια διοχετεύεται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Όπως προαναφέρθηκε, η κατηγορία αυτή αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της παγκόσμιας αγοράς Φ/Β συστημάτων. Τα οφέλη που προκύπτουν από την ενσωμάτωση Φ/Β σε κτίρια είναι: Συγχρονισμός ψυκτικών φορτίων κτιρίων κατά τη θερινή περίοδο με τη μεγίστη παραγόμενη ισχύ από τα Φ/Β. Αποφυγή χρήσης γης για την εγκατάσταση. Αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και επιτόπου κατανάλωση της παραγόμενης ενέργειας. Επίσης, οι Φ/Β συστοιχίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως δομικά στοιχεία των κτιρίων, εφόσον γίνει σωστός σχεδιασμός. Με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται η οικονομική απόδοση του συστήματος, λόγω αποφυγής κόστους συμβατικών οικοδομικών υλικών. 3.4 Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα βασικά χαρακτηριστικά των Φ/Β συστημάτων, που τα διαφοροποιούν από τις άλλες μορφές ΑΠΕ είναι: Απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμη και σε πολύ μικρή κλίμακα, π.χ. σε επίπεδο μερικών δεκάδων W ή και mw. Είναι εύχρηστα. Τα μικρά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν από τους ίδιους τους χρήστες. Μπορούν να εγκατασταθούν μέσα στις πόλεις, ενσωματωμένα σε κτίρια και δεν προσβάλλουν αισθητικά το περιβάλλον. Μπορούν να συνδυαστούν με άλλες πηγές ενέργειας (υβριδικά συστήματα). Είναι βαθμωτά συστήματα, δηλ. μπορούν να επεκταθούν σε μεταγενέστερη φάση για να αντιμετωπίσουν τις αυξημένες ανάγκες των χρηστών, χωρίς μετατροπή του αρχικού συστήματος. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 42 από 162

44 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Λειτουργούν αθόρυβα, εκπέμπουν μηδενικούς ρύπους, χωρίς επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι απαιτήσεις συντήρησης είναι σχεδόν μηδενικές. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιοπιστία κατά τη λειτουργία. Οι εγγυήσεις που δίνονται από τους κατασκευαστές για τις Φ/Β γεννήτριες είναι περισσότερο από 25 χρόνια καλής λειτουργίας. 3.5 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση Ο συντελεστής απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων δεν είναι σταθερός αλλά επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως Θερμοκρασία λειτουργίας. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια αποδίδουν περισσότερο σε περιοχές με αυξημένη ηλιοφάνεια. Όμως δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η αυξημένη ηλιοφάνεια οδηγεί συνήθως σε αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία οδηγεί σε μείωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών. Ιδανικές θέσεις για την εγκατάστασή τους αποτελούν ψυχρές περιοχές με αυξημένη όμως ηλιοφάνεια.η ορεινή Ηλεία και η Αρκαδία θεωρούνται από τις πιο κατάλληλες περιοχές για την συγκεκριμένη χρήση. Κατά την αύξηση της θερμοκρασίας παρουσιάζονται τα εξής ανταγωνιστικά φαινόμενα: Η μείωση της απόστασης μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας της επαφής p-n του ημιαγώγιμου υλικού των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Η μείωση αυτή προκύπτει από την αύξηση της θερμοκρασίας και, με τη σειρά της, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της τάσης ανοικτού κυκλώματος. Η μείωση όμως της απόστασης μεταξύ των δύο ζωνών έχει και ως αποτέλεσμα την αύξηση της ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει το φωτοβολταϊκό στοιχείο από την ηλιακή ακτινοβολία, γιατί μεγαλύτερο ποσοστό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας έχει ικανή ενέργεια να μεταφέρει ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 43 από 162

45 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Από τα δύο αυτά φαινόμενα συνήθως κυριαρχεί το πρώτο με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών με την αύξηση της θερμοκρασίας. 3.6 Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας Το ρεύμα που προκαλείται στο φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ανάλογο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Συνήθως τα τεχνικά χαρακτηριστικά των κατασκευαστών των φωτοβολταϊκών αναφέρονται στην ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της θάλασσας με κανονικές συνθήκες υγρασίας και συγκέντρωσης αεροζόλ (και σε θερμοκρασία 25 ο C). Οι συνθήκες αυτές αναφέρονται συχνά σαν AM1.5 (air mass 1.5). Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε AM1.5 είναι 1000W/m 2 ενώ στην είσοδο της ατμόσφαιρας (ΑΜ0) φθάνει τα 1350W/m 2. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται από την επιλογή της γεωγραφικής τοποθεσίας όπου θα εγκατασταθεί το φωτοβολταϊκό σύστημα καθώς και από τις καιρικές συνθήκες, την ατμοσφαιρική ρύπανση και τη σκίαση της περιοχής. Συγκεκριμένα για τις περιοχές της Δυτικής Ελλάδας (Αχαϊα, Ηλεία, Μεσσηνία) το ηλιακό δυναμικό θεωρείται από τα καλύτερα στην Ελλάδα, μετά την Κρήτη, τα Δωδεκάνησα και την ανατολική Πελοπόννησο. 3.7 Η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας Το ρεύμα που προκαλείται στο φωτοβολταϊκό στοιχείο από τη προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία εξαρτάται επίσης και από τη γωνία πρόσπτωσης. Για γωνίες πρόσπτωσης από 0 έως 50 μοίρες η εξάρτηση αυτή είναι κατά προσέγγιση συνημιτονοειδής. Μετά τις 50 μοίρες μειώνεται απότομα για να γίνει αμελητέο για γωνία 85 μοιρών. Η γωνία πρόσπτωσης μπορεί να ελεγχθεί με τη βοήθεια των συστημάτων παρακολούθησης της τροχιάς του ηλίου (solar trackers) ώστε να μεγιστοποιηθεί η απόδοση του συστήματος ακόμη και σε επίπεδα 30% αλλά με αυξημένο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 44 από 162

46 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 3.8 Τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία Φ/Β µπορούν να κατασκευαστούν µε πολλούς τρόπους, αλλά και µε διάφορα υλικά. Ανάλογα µε την τεχνολογία κατασκευής τους, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία µπορούν να διακριθούν σε δύο διαφορετικές οµάδες. Η πρώτη οµάδα, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως σε οικιακές χρήσεις, χρησιμοποιεί την τεχνολογία thick film ενώ η δεύτερη οµάδα χρησιμοποιεί την τεχνολογία thin film. Το υλικό που χρησιμοποιείται κατά κόρον σήµερα για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων στη βιομηχανία είναι το πυρίτιο (Si). Φωτοβολταϊκά στοιχεία όµως κατασκευάζονται από συνδυασµό άλλων υλικών, όπως θειούχος κάδµιο (CdS), αρσενιούχο γάλλιο (GaAs), τελουριούχο κάδµιο (CdTe) και χαλκού-ινδίου-σεληνίου (CuInSe2), χαλκού-γάλλιου-δισεληνίου (CuGaSe2), χαλκού-ινδίου-θείου (CuInS2) κ.α..παρακάτω παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων: 1. Μονοκρυσταλλικού πυριτίου ( Single-Crystalline Silicon, Sc-Si) Το βασικό υλικό κατασκευής των φωτοβολταϊκών αυτών είναι το µονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Το πάχος των υλικών αυτών είναι σχετικά μεγάλο, περίπου 300µm. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών µονοκρυσταλλικού πυριτίου µε τη μορφή πλαισίων κυµαίνεται από 13-18% και χαρακτηρίζονται από το υψηλό κόστος κατασκευής 2. Πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Multi-crystalline Silicon, mc-si) Η κατασκευή φωτοβολταϊκών πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι πιο γρήγορη και έχει μικρότερο κόστος σε σχέση µε αυτή των φωτοβολταϊκών µονοκρυσταλλικού πυριτίου. Τα στοιχεία αυτά κόβονται σε τετραγωνική μορφή και αποτελούνται από λεπτά στρώµατα πάχους 10 έως 50 µm. Γενικά όσο μεγαλύτερες είναι οι διαστάσεις των µονοκρυσταλλικών περιοχών του πολυκρυσταλλικού Φ/Β τόσο υψηλότερη απόδοση παρουσιάζει. Τα φωτοβολταϊκά αυτού του είδους έχουν αποδόσεις από 10 έως 14% υπό την µορφή πλαισίου. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 45 από 162

47 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 3. Ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Τα Φ/Β ταινίας πυριτίου είναι κατασκευασμένα από ταινία τηγμένου κρυσταλλικού πυριτίου. Το πάχος τους είναι περίπου 3mm και η απόδοση αγγίζει το 13%. Παρόλο που η κατασκευή αυτών των στοιχείων προσφέρει μείωση 50% στη χρήση του πυριτίου, το κόστος κατασκευής είναι πολύ υψηλό. 4. Άµορφου πυριτίου (Amorphous Silicon, a-si) Τα φωτοβολταϊκά αυτού είδους έχουν χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση µε τα προηγούμενα είδη. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων πάχους συνήθως 10-4 mm οι οποίες παράγονται µε την εναπόθεση πυριτίου πάνω σε ένα υπόστρωµα από γυαλί ή αλουμίνιο πάχους 1-3 mm. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών άµορφου πυριτίου κυµαίνεται από 6-8% ενώ σε εργαστηριακό περιβάλλον έχουν επιτευχθεί μεγαλύτερες αποδόσεις που αγγίζουν το 15%. 5. Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτών επιστρώσεων (Thin Film Photovoltaic ) Στην κατηγορία αυτή εκτός από τα Φ/Β στοιχεία πυριτίου λεπτής επίστρωσης, ανήκουν και Φ/Β στοιχεία κατασκευασμένα από άλλα υλικά.τα σημαντικότερα υλικά κατασκευής των Φ/Β αυτών είναι η ένωση Cu2S/CdS, ο ισεληνοινδιούχος Χαλκός (CuInSe2 ή CIS),το Τελουριούχο Κάδµιο (CdTe) και το Αρσενικό Γάλλιο (GaAs).Η απόδοση των παραπάνω στοιχείων κυµαίνεται από 10 έως 25% και παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση µε το πυρίτιο. 3.9 Φωτοβολταϊκά πλαίσια Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά πάνελ είναι το κύριο μέρος ενός φωτοβολταϊκού συστήματος και έχουν την δυνατότητα να παράγουν απ' ευθείας ηλεκτρικό ρεύμα κάτω από την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας με την χρήση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Οι βασικές κατηγορίες φωτοβολταϊκών πλαισίων, solar panels (πάνελ) που υπάρχουν στην αγορά είναι: Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 46 από 162

48 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Φωτοβολταϊκά Πάνελ σε διασυνδεδεμένα συστήματα Φωτοβολταϊκά Πάνελ σε αυτόνομα συστήματα Φωτοβολταϊκά Πάνελ σε συστήματα ενσωματωμένα στην δομή κτιρίων Τα κύρια χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν τα πάνελ και θα πρέπει να προσεχτούν κατά την προμήθεια φωτοβολταϊκού εξοπλισμού, είναι: 1. P m = Η ονομαστική (μέγιστη) ισχύς (σε Watt) 2. V pm = Η τάση που αντιστοιχεί στην ονομαστική ισχύ (σε Volt) 3. I pm = Η ένταση ρεύματος που αντιστοιχεί στην ονομαστική ισχύ (σε Ampere) 4. Voc = Τάση ανοιχτού κυκλώματος (σε Volt) 5. Ιsc = Ένταση ρεύματος βραχυκυκλώματος (σε Ampere) 6. Vmax= Μέγιστη Τάση συστήματος (σε Volt) 7. Tcoe= Συντελεστές επίδρασης θερμοκρασίας αpm (%/C), αisc (%/C), αvoc (mv/c) 8. Εγγύηση απόδοσης solar panel 9. Εγγύηση προϊόντος Τα βασικά μέρη ενός "standard" φωτοβολταϊκού πλαισίου είναι: o o o o o o Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία Υλικό EVA για την ενθυλάκωση των στοιχείων Το ειδικό γυαλί στο εμπρόσθιο μέρος Το ειδικό φύλλο προστασίας στο πίσω μέρος (συνήθως TPT Tedlar) Το πλαίσιο αλουμινίου Το κουτί σύνδεσης Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 47 από 162

49 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Σχήμα3.1.Βασικά μέρη ενός Φ/Β πλαισίου 3.10 Εγκατάσταση φωτοβολταϊκών στοιχείων σε κτίρια H ενσωμάτωση των Φ/Β πλαισίων στην οροφή ή στην πρόσοψη ενός κτιρίου µπορεί να πραγματοποιηθεί µε πολλούς τρόπους. Στις λύσεις που έχουν υιοθετηθεί κατά καιρούς περιλαμβάνεται και η χρήση Φ/Β στοιχείων στη θέση άλλων δοµικών στοιχείων στο κέλυφος του κτιρίου ή στα σκίαστρα. Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τρόποι για την τοποθέτηση των Φ/Β πλαισίων σε ένα κτίριο: Τοποθέτηση σε κεκλιμένα στηρίγματα: H τοποθέτηση αυτή προσφέρει εύκολη πρόσβαση τόσο στο εµπρός όσο και στο πίσω µέρος των Φ/Β πλαισίων, όταν χρειάζεται να γίνει συντήρηση ενώ βοηθά στον καλό αερισµό και στο δροσισµό των φωτοβολταϊκών πλαισίων, αυξάνοντας έτσι την απόδοσή τους. Εντούτοις, το κόστος είναι σχετικά υψηλό, γιατί απαιτείται η χρήση πρόσθετων υλικών και επιπλέον εργασία. Τοποθέτηση στο εξωτερικό του κτιρίου: Σε αυτή την περίπτωση τα φωτοβολταϊκά πλαίσια προσαράζονται στο εξωτερικό κέλυφος του κτιρίου το οποίο εξέχει από την οροφή ή την πρόσοψη. Ο τρόπος αυτός προσφέρει καλό αερισµό των πλαισίων. Απευθείας τοποθέτηση: Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία σε αυτή την περίπτωση τοποθετούνται στην εξωτερική οροφή του κτιρίου σε διάταξη όπως τα κεραμίδια. Το φωτοβολταϊκό κάλυµµα προστατεύει το κτίριο, αλλά δεν είναι Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 48 από 162

50 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση πλήρως στεγανό και απαιτούνται μέτρα για τη στεγανοποίησή του. Το κόστος όµως αυτής της µεθόδου είναι σχετικά χαµηλό, γιατί απαιτεί ελάχιστα πρόσθετα υλικά. Ενσωμάτωση των Φ/Β πλαισίων στο κέλυφος του κτιρίου: Η μέθοδος αυτή συνίσταται στην υποκατάσταση ολόκληρων τµηµάτων του κτιρίου από φωτοβολταϊκά πλαίσια. H εφαρμογή αυτής της τεχνικής παρέχει δυνατότητες για σημαντική μείωση του κόστους, καθώς εξοικονομείται το κόστος των δοµικών στοιχείων του κτιρίου τα οποία αντικαθίστανται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά συστήματα παρουσιάζουν τόσο πλεονεκτήματα όσο και μειονεκτήματα σε σχέση µε τις συμβατικές τεχνολογίες ισχύος. Τα Φ/Β συστήματα είναι δυνατόν να σχεδιαστούν για ποικίλες εφαρμογές και για διάφορες λειτουργικές απαιτήσεις ενώ έχουν το σημαντικό πλεονέκτημα ότι δεν έχουν κανένα κινούμενο µέρος και είναι εύκολα επεκτάσιμα. Παράλληλα χαρακτηρίζονται από την περιβαλλοντική τους συμβατότητα και την ενεργειακή τους ανεξαρτησία καθώς η λειτουργία τους στηρίζεται στο φυσικό φως και δεν δημιουργούν κανένα θόρυβο. Από την άλλη πλευρά, το κόστος των Φ/Β πλαισίων είναι πολύ υψηλό σε σύγκριση µε τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Αυτός είναι ένας σημαντικός περιοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη της συγκεκριμένης τεχνολογίας, ωστόσο μελέτες δείχνουν ότι τα επόµενα χρόνια το κόστος θα µειωθεί σε μεγάλο βαθµό. Τέλος ένα άλλο σηµαντικό µειονέκτημα των Φ/Β πλαισίων είναι η χαµηλή απόδοση μετατροπής του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Η χαµηλή απόδοση μετατροπής δεν οδηγεί µόνο σε χαμηλότερες ενεργειακές απολαβές αλλά συνδέεται άµεσα µε την ανάγκη εγκατάστασης µεγαλύτερης ποσότητας Φ/Β πλαισίων για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών γεγονός που οδηγεί στην αύξηση της απαιτούμενης επιφάνειας εγκατάστασης. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 49 από 162

51 3. Φωτοβολταική Τεχνολογία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 3.1 : Χαρακτηριστικά Μεγέθη Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Τύπος Λεπτής μεμβράνης Πολυκ. Μονοκ. Υβριδικά Απόδοση Επιφάνεια ανά kwp Μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας (kwh/kwp) Άμορφα : 57% 1114% 1316% 1617% CIS : 710% 1020 m m 2 78 m 2 67 m 2 1,3 1,3 1,3 1,35 Μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας (kwh/m 2 ) Ετήσια μείωση εκπομπών CO ,38 1,38 1,435 (kgco2/kwp) Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 50 από 162

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Αιολική Ενέργεια Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 51 από 162

53 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 4.1 Γενικά Γενικά αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Η ενέργεια αυτή χαρακτηρίζεται "ήπια μορφή ενέργειας" και περιλαμβάνεται στις "καθαρές" πηγές, όπως συνηθίζονται να λέγονται οι πηγές ενέργειας που δεν εκπέμπουν ή δεν προκαλούν ρύπους. Η αρχαιότερη μορφή εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας ήταν τα ιστία (πανιά) των πρώτων ιστιοφόρων πλοίων και πολύ αργότερα οι ανεμόμυλοι στην ξηρά. Ονομάζεται αιολική γιατί στην ελληνική μυθολογία ο Αίολος ήταν ο θεός του ανέμου. Η αιολική ενέργεια αποτελεί σήμερα μια ελκυστική λύση στο πρόβλημα της ηλεκτροπαραγωγής. Το «καύσιμο» είναι άφθονο, αποκεντρωμένο και δωρεάν. Δεν εκλύονται αέρια θερμοκηπίου και άλλοι ρύποι, και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον είναι μικρές σε σύγκριση με τα εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής από συμβατικά καύσιμα. Επίσης, τα οικονομικά οφέλη μιας περιοχής από την ανάπτυξη της αιολικής βιομηχανίας είναι αξιοσημείωτα. 4.2 Ταχύτητα ανέµου Η αιολική ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια του κινούμενου αέρα. Η ακανόνιστη θέρμανση της επιφάνειας της γης από τον ήλιο προκαλεί τους ανέμους. Η θερμότητα που απορροφάται από το έδαφος ή το νερό μεταφέρεται στον αέρα, όπου προκαλεί διαφορές στη θερμοκρασία, την πυκνότητα και την πίεσή του. Με τη σειρά τους, οι διαφορές αυτές προκαλούν δυνάμεις που ωθούν τον αέρα ολόγυρα. Σύμφωνα με τη μηχανική των ρευστών, ο αέρας κινείται από τις υψηλής πίεσης προς τις χαμηλής πίεσης περιοχές του πλανήτη. Σε παγκόσμια κλίμακα, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των τροπικών και των πόλων προκαλεί τους αληγείς ανέμους, οι οποίοι δρουν ως γιγαντιαίος εναλλάκτης θερμότητας εμποδίζοντας την περαιτέρω θέρμανση του ισημερινού και ψύξη των πόλων. Σε πολύ μικρότερη κλίμακα, οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ του εδάφους και της θάλασσας και μεταξύ των βουνών και των κοιλάδων δημιουργούν συχνά ισχυρές αύρες. Η κατεύθυνση και η ταχύτητα του ανέμου Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 52 από 162

54 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση επηρεάζονται επίσης από άλλους παράγοντες, όπως είναι η περιστροφή της γης, τα τοπικά τοπογραφικά χαρακτηριστικά και η τραχύτητα του εδάφους. 4.3 Πυκνότητα ισχύος του ανέμου Ο άνεμος περιέχει ενέργεια η οποία μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό με τη χρήση των ανεμογεννητριών (Α/Γ). Η ποσότητα ηλεκτρισμού που παράγουν οι Α/Γ εξαρτάται από την ποσότητα της ενέργειας του διερχόμενου μέσω της επιφάνειας που σαρώνεται από τα πτερύγια της Α/Γ στη μονάδα του χρόνου ανέμου. Αυτή η ροή ενέργειας ονομάζεται πυκνότητα ισχύος του ανέμου. Ειδικότερα, οι δρομείς των Α/Γ ελαττώνουν την ταχύτητα του ανέμου από την αδιατάρακτη ταχύτητα V1 πολύ πριν από το δρομέα στη μειωμένη ταχύτητα ροής του αέρα V2 πίσω από αυτόν Σχήμα 4.1. Ροή του ανέμου μέσω μιας Α/Γ Η διαφορά στην ταχύτητα του ανέμου είναι ένα μέτρο της αποσπώμενης από αυτόν κινητικής ενέργειας που περιστρέφει το δρομέα και την ηλεκτρική γεννήτρια που είναι συνδεδεμένη στο άλλο άκρο του συστήματος μετάδοσης της κίνησης. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 53 από 162

55 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Η ισχύς που θεωρητικά εξάγεται από μια Α/Γ περιγράφεται από την εξίσωση: P = Cp * n * ρ/2 * v1 (στην 3) * A (4.1) όπου Ρ είναι η πυκνότητα του αέρα (kg/m 3 ), Cp ο συντελεστής ισχύος, n η μηχανική/ηλεκτρική αποδοτικότητα, και Α το εμβαδό του δίσκου του δρομέα. Σε ιδανικές συνθήκες, η μέγιστη τιμή του Cp (γνωστή ως "όριο Betz") είναι: 16/27= 0,593, δηλαδή μια Α/Γ μπορεί θεωρητικά να αποσπάσει το 59,3% του ενεργειακού περιεχόμενου της ροής του αέρα. Υπό πραγματικές συνθήκες, όμως, ο συντελεστής ισχύος δεν υπερβαίνει την τιμή Cp=0,5, αφού περιλαμβάνει όλες τις αεροδυναμικές απώλειες της Α/Γ. 4.4 Μεταβολή της ταχύτητας του ανέµου µε το ύψος Η ένταση του ανέµου µεταβάλλεται µε την αύξηση του ύψους. Στο οποίο γίνεται η καταγραφή του αιολικού δυναµικού. Το πάχος της ατμόσφαιρας µέσα στο οποίο συµβαίνει η μεταβολή της ταχύτητας του ανέµου, το οριακό στρώµα, εκτείνεται από µερικά µέτρα έως και 2 km. Για τον υπολογισµό της µέσης ταχύτητας σε µια περιοχή µε τη μεταβολή του ύψους χρησιμοποιούνται σχέσεις, οι οποίες ανάγουν την ταχύτητα του ανέµου σε ένα συγκεκριμένο ύψος αναφοράς σε οποιοδήποτε ύψος. Στη βιβλιογραφία προτείνονται διάφορες αναλυτικές σχέσεις της μεταβολής του ανέµου µε το ύψος. Οι κυριότερες από αυτές είναι: Η λογαριθμική σχέση (log-law) η οποία εκφράζεται σαν: (4.2) και δίνει την ταχύτητα του ανέµου σε ύψος z από το έδαφος σε σχέση µε την ταχύτητα του ανέµου σε ένα ύψος αναφοράς z 1. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 54 από 162

56 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Η εκθετική σχέση (power law) η οποία εκφράζεται σαν: α (4.3) και δίνει την ταχύτητα του ανέµου σε ύψος z από το έδαφος συναρτήσει της παραμέτρου a, της οποίας η τιµή εξαρτάται από την τραχύτητα του εδάφους και τη διεύθυνση του ανέµου. Οι τιµές αυτής της παραμέτρου κυµαίνονται μεταξύ του 0.07 για παγωµένες επιφάνειες και του 0.47 για αστικές περιοχές. 4.5 Επίδραση εμποδίων στη ροή του ανέµου Σηµαντική επίδραση στην ταχύτητα του ανέµου έχει η παρουσία µεμονωμένων εμποδίων, π.χ. ενός δέντρου ή μιας κατοικίας, στο πεδίο ροής του ανέµου. Γύρω από ένα εµπόδιο και κυρίως, πίσω από αυτό, κατά την διεύθυνση του ανέµου δημιουργείται χώρος έντονων διαταράξεων που χαρακτηρίζεται ως σκιά του ανέµου. Η επίδραση των αναταράξεων εκτείνεται, πίσω από το εµπόδιο, σε μήκος µέχρι και δεκαπέντε φορές το ύψος του εμποδίου και πάνω από αυτό μέχρι το διπλάσιο του ύψους του (εικόνα 11). Για αυτό το λόγο σε περιοχές εγκατάστασης αιολικών µμηχανών εξετάζεται ιδιαίτερα η διαμόρφωση του πεδίου ροής. Σχήμα 4.2.Χώρος ισχυρών αναταράξεων γύρω από την περιοχή µεµονωµένου εμποδίου Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 55 από 162

57 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 4.6 Είδη Αιολικών Μηχανών Οι αιολικές μηχανές έχουν ως σκοπό την αξιοποίηση του μεγαλύτερου ποσοστού της κινητικής ενέργειας του ανέµου. Οι ανεμογεννήτριες (Α/Γ) μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα µε τον προσανατολισµό των αξόνων τους σε σχέση µε τη ροή του ανέµου. Οι πλέον διαδεδομένοι τύποι Α/Γ είναι οι εξής: Οριζοντίου άξονα (Horizontal axis-head on): στους οποίους ο άξονας περιστροφής του δροµέα είναι παράλληλος προς την κατεύθυνση του ανέµου. Οριζοντίου άξονα (Horizontal axis-crosswind): στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος προς τη επιφάνεια της γης αλλά κάθετος στη διεύθυνση του ανέµου. Καθέτου άξονα (Vertical axis): στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στη ροή του ανέµου. Οι Α/Γ οριζοντίου άξονα μπορούν διαχωριστούν σε σχέση µε τη θέση του δροµέα ως προς το πύργο στήριξης και τη διεύθυνση του ανέµου. Οι Α/Γ που έχουν το δροµέα µπροστά από τον πύργο είναι τύπου up-wind ενώ αυτές που έχον το δροµέα πίσω από το πύργο είναι τύπου down-wind. Από την άλλη πλευρά οι πιο διαδοµένες Α/Γ καθέτου άξονα είναι οι μηχανές τύπου Darrieus και οι μηχανές τύπου Savonius. Οι μοντέρνες ανεμογεννήτριες ταξινομούνται επίσης ανάλογα µε την ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων τους σε ταχύστροφες και σε αργόστροφες ανάλογα µε την τιµή ενός αδιάστατου µεγέθους γνωστού ως παράμετρος περιστροφής λ (tip speed ratio). Η παράμετρος αυτή μπορεί να υπολογιστεί από την γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του πτερυγίου, την ακτίνα του δροµέα της Α/Γ R και την ταχύτητα του ανέµου από την παρακάτω σχέση: (4.4) Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 56 από 162

58 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Ακόµα, οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται ανάλογα µε τη μηχανική ισχύ N που παρέχουν σε τρεις μεγάλες κατηγορίες. 1. Μικρές Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι μεταξύ: 50W N 10kW 2. Μεσαίες Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι μεταξύ: 10kW N 200KkW 3. Μεγάλες Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι: 200kW N Τέλος µία παράμετρος που χρησιμοποιείται για το χαρακτηρισµό και την ταξινόμηση των Α/Γ είναι η παράμετρος στιβαρότητας (solidity) της κατασκευής. Η στιβαρότητα συνήθως ορίζεται ως ο λόγος του εμβαδού όλων των πτερυγίων, προς το εμβαδό της επιφάνειας που διαγράφουν τα πτερύγια κατά την περιστροφή. Για αιολικές μηχανές οριζοντίου άξονα η παράμετρος αυτή υπολογίζεται από τη σχέση: (4.5) ενώ για αιολικές κατακόρυφου άξονα υπολογίζεται από τη σχέση: (4.6) όπου z είναι ο αριθµός των πτερυγίων, R η ακτίνα του δροµέα και c το πλάτος των πτερυγίων της πτερωτής. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 57 από 162

59 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 4.7 Ανεμογεννήτριες Οι ανεμογεννήτριες,όπως και τα φτερά των αεροσκαφών,περιστρέφονται στον άνεμο και τροφοδοτούν µια ηλεκτρική γεννήτρια η οποία παράγει ηλεκτρικό ρεύµα. Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες χωρίζονται σε 2 βασικές κατηγορίες: Τις οριζόντιου άξονα, όπως είναι οι παραδοσιακοί ανεμόμυλοι και οι κάθετου άξονα, όπως είναι το μοντέλο Darrieus. Η Σύγχρονη τεχνολογία αιολικής ενέργειας έχει πλεονεκτήματα στην ανάπτυξη των υλικών, της μηχανικής,των ηλεκτρονικών και της αεροδυναμικής Οι ανεμογεννήτριες συνήθως βρίσκονται σε αιολικά πάρκα και παράγουν συναθροισμένη ηλεκτρική ενέργεια. Ηλεκτρισµός από αυτές τις ανεμογεννήτριες μοιράζεται στο τοπικό δίκτυο και διανέµεται στους καταναλωτές όπως και στα συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας Βασικά στοιχεία ανεμογεννητριών Όλες οι ανεμογεννήτριες,χωρίς να παίζει ρόλο το μέγεθος, αποτελούνται από μερικά βασικά χαρακτηριστικά : Ρότορας (δροµέας): Οι πτέρυγες του δροµέα έχουν σχεδιαστεί ώστε να γυρίζουν µε τον άνεµο, περιστρέφοντας στην γεννήτρια. Σε μεγάλες κυρίως Α/Γ, µε σκοπό την αύξηση των στροφών της γεννήτριας συνδέεται κατάλληλα κιβώτιο ταχυτήτων. Πτερύγια: Τα πτερύγια είναι το τµήµα της Α/Γ πάνω στο οποίο δημιουργείται άνωση από τον άνεµο που έχει ως αποτέλεσµα την εµφάνιση ροπής στον άξονα περιστροφής µε συνέπεια την περιστροφή τους. Οι περισσότερες Α/Γ έχουν δύο ή τρία πτερύγια. Κέλυφος: Το κέλυφος βρίσκεται πάνω από τον πύργο και περιλαμβάνει πολλά µηχανικά και ηλεκτρονικά τµήµατα τα σημαντικότερα εκ των οποίων Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 58 από 162

60 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση είναι το κιβώτιο ταχυτήτων, τους άξονες υψηλής / χαµηλής ταχύτητας, την γεννήτρια και το φρένο. Γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρισµού: Η γεννήτρια είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όταν η ταχύτητα του ανέµου αποκτήσει τέτοια τιµή ώστε να περιστραφούν τα πτερύγια. Οι γεννήτριες χωρίζονται σε μεγάλες κατηγορίες: (α) τις σύγχρονες και (β) τις ασύγχρονες μηχανές. Κιβώτιο ταχυτήτων: Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι το τµήµα της Α/Γ που φροντίζει να αυξάνει τις στροφές του άξονα που καταλήγει στην γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σύστηµα διεύθυνσης και προσανατολισμού: Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα απαιτούν ένα µηχανισµό, ο οποίος να τις στρέφει προς την διεύθυνση του ανέµου. Για αυτό το λόγο η άτρακτος της Α/Γ στηρίζεται συνήθως σε έναν µηχανικό στροφέα ο οποίος δέχεται εντολές από ένα ηλεκτρονικό σύστηµα παρακολούθησης της διεύθυνσης του ανέµου. Σύστηµα προστασίας: Οι σύγχρονες Α/Γ διαθέτουν µηχανισµούς που τις θέτει εκτός λειτουργίας για λόγους ασφάλειας όταν η ένταση της ταχύτητας του ανέµου είναι πολύ υψηλή. Πύργος στήριξης: Ο πύργος υψώνει την άτρακτο της Α/Γ σε μεγάλο ύψος ώστε να εκμεταλλευτεί τις υψηλές ταχύτητες ανέµου. Ο πύργος στήριξης απαιτεί ιδιαίτερο σχεδιασµό καθώς θα πρέπει να διαθέτει μεγάλο ύψος ενώ ταυτόχρονα να είναι γερός έτσι ώστε να αντέχει τα δυναµικά φορτία που οφείλονται τόσο στην λειτουργία της Α/Γ όσο και στις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Σχήμα 4.3.Τµήµατα ανεμογεννήτριας Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 59 από 162

61 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Ισχύς Α/Γ Το ποσοστό της µηχανικής ισχύος του ανέµου που είναι διαθέσιµο προς εκμετάλλευση, εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέµου VW, από τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της έλικας ω, την ακτίνα του δροµέα R και τη σχεδίαση της πτερωτής. Η ενέργεια που αποσπάται από τον άνεµο (ισχύς εξόδου της Α/Γ) δίνεται από τη σχέση: (4.7) όπου ρ η πυκνότητα του αέρα (kg / m 3 ) A= π R 2 το εμβαδό της επιφάνειας που διαγράφουν τα πτερύγια( m 2 ), V w η ταχύτητα του ανέµου (m / s) και C p ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος. Πίνακας 4.1. Οι τέσσερις περιοχές της καπύλης ισχύος μιας ανεμογεννήτριας. Περιοχή λειτουργείας Περιοχή 1 Περιοχή 2 Περιοχή 3 Περιγραφή λειτουργείας Παραγόμενηνισχύς συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου Οι τεχύτητες του ανέμου είναι πολύ μικρές για παραγωγή εκμεταλλεύσιμης ηλεκτρικής ισχύος. Παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος αυξανόμενη με ταχύτητα του ανέμου. Παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος με σταθερό πυθμό (ονομαστική ισχύς). Η απόδοση των πτερυγίων της Α/Γ μειώνεται σκόπιμα καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου. Ενδεικτικό εύρος ταχύτητας του ανέμου (αναφορικά με τοσχήμα) 0 ταχύτητα ακκίνησης- έως 4 m/s. Ταχύτητα εκκίνησης έως ονομαστική ταχύτητα του ανέμου 4 έως 13 m/s Ονομαστική ταχύτητα ανέμου έως ταχύτητα διακοπής -13 έως 20 m/s (ή και περισσότερο) Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 60 από 162

62 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Περιοχή 4 Δεν παράγεται ισχύς. Οι άνεμοι είναι πολύ δυναμικοί ώστε να δικαιολογείται η πρόσθετη αντοχή και δαπάνη για το μικρό αριθμό ωρών ανά έτος πέραν της ταχύτητας διακοπής. Ταχύτητα διακοπής έως ταχύτητα επιβίωσης - 20 m/s (ή περισσότερο) έως την ονομαστική ταχύτητα επιβίωσης σε θυελλώδεις ανεμους. Η χαρακτηριστική παράμετρος για την αποδοτικότητα της Α/Γ είναι ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C p, ο οποίος εκφράζει σε ποιο βαθµό μετατρέπεται η ενέργεια που περιέχεται στον άνεµο. Ο συντελεστής εξαρτάται από την παράμετρο περιστροφής λ, την ταχύτητα του ανέµου V w τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της έλικας ω, τον τύπο της γεννήτριας, το σχήµα και τη γωνία β των πτερυγίων. Η ανώτατη τιµή τον συντελεστή ισχύος είναι γνωστή και ως όριο Betz και αντιστοιχεί στην τιµή: C p C Pmax = (4.8) Για τον καθορισµό του συντελεστή Cp για δεδομένες τιµές της παραμέτρου λ και της γωνίας β χρησιμοποιείται ένας γενικός προσεγγιστικός τύπος για διάφορους τύπους Α/Γ: (4.9) Όπου = και C1 έως C9 συντελεστές που προκύπτουν από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της Α/Γ Μικρής Ισχύος Ανεμογεννήτριες Οι µικρές ανεμογεννήτριες αναφέρονται σε αιολικά συστήματα τα οποία έχουν ονομαστική ισχύ έως 10kW. Οι ανεμογεννήτριες αυτές έχουν διάμετρο δροµέα από 0.58m έως 8m και τοποθετούνται συνήθως σε πύργους µε ύψος που Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 61 από 162

63 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση κυµαίνεται από 10m έως τα 40m.Οι µικρές Α/Γ χωρίζονται σε τρεις υποκατηγορίες ανάλογα µε την ονομαστική ισχύ εξόδου τους οι οποίες είναι: Micro wind turbines µε ονομαστική ισχύ 50 N 1 kw Mid-range wind turbines µε ονοµαστική ισχύ 1 kw N 5kW Mini wind turbines µε ονοµαστική ισχύ 5 kw N 10 kw οµικά στοιχεία Μικρών Α/Γ Μια µικρή Α/Γ γενικά αποτελείται από έναν δροµέα µε πτερύγια, έναν κινητήρα, έναν πύργο στήριξης και ένα ηλεκτρικό κύκλωµα που αποτελείται από την απαραίτητη καλωδίωση, ένα σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας (µπαταρία), ένα ρυθμιστή φόρτισης και ένα µετατροπέα τάσης. Όπως και στις µεγάλες Α/Γ, οι µικρές Α/Γ χωρίζονται σε οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα, µε τον αριθµό των πτερυγίων τους να ποικίλει. Το μεγαλύτερο ποσοστό εγκατεστημένων μικρών Α/Γ κατέχουν οι οριζοντίου άξονα γεννήτριες και ιδιαίτερα αυτές που διαθέτουν τρία πτερύγια καθώς λειτουργούν πιο αποδοτικά σε σχέση µε αυτές που διαθέτουν περισσότερα πτερύγια λόγω καλύτερης αεροδυναμικής σχεδίασης. Από την άλλη πλευρά οι µικρές Α/Γ κατακόρυφου άξονα παρόλο τα πλεονεκτήματα που διαθέτουν δεν είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς λόγω της χαµηλής απόδοσής τους και του μεγαλύτερου κόστους τους σε σχέση µε τις Α/Γ οριζοντίου άξονα Πτερύγια Μικρών Α/Γ Τα πτερύγια είναι το τµήµα της ανεμογεννήτριας που θέτει σε κίνηση το δροµέα της Α/Γ ο οποίος µε τη σειρά κινεί την γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο σχεδιασµός αυτών των πτερυγίων καθορίζεται από το μέγεθος και τα αεροδυναµικά χαρακτηριστικά της Α/Γ καθώς από το υλικό κατασκευής τους. Έχει παρατηρηθεί ότι η μηχανική αντοχή των πτερυγίων στη βάση στήριξης τους µειώνεται µε την αύξηση του αριθµού τους. Οι µικρές Α/Γ που διαθέτουν Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 62 από 162

64 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση τρία πτερύγια λειτουργούν πιο οµαλά, γεγονός που οφείλεται στην σταθερή τιµή στης ροπής σε σχέση µε τη περιστροφική κίνηση της Α/Γ. Παράλληλα οι ανεμογεννήτριες αυτές παρουσιάζουν χαμηλότερο επίπεδο θορύβου και είναι οικονομικά πιο αποδοτικές. Για αυτούς τους κυρίως λόγους, οι Α/Γ µε τρία πτερύγια είναι η πιο κοινή σχεδιαστική επιλογή για τους περισσότερους κατασκευαστές µικρών ανεμογεννητριών παρόλο που άλλοι εξακολουθούν να χρησιμοποιούν δύο ή και περισσότερα από τρία πτερύγια. Τα πτερύγια των μικρών ανεμογεννητριών είναι κυρίως κατασκευασμένα από συνθετικά υλικά όπως ο υαλοβάμβακας µε αφρώδη πυρήνα, ο πολυεστέρας µε ενισχυµένο γυαλί, ξύλο και ανοξείδωτο σίδηρο. Αυτά τα συνθετικά υλικά έχουν το πλεονέκτημα ότι παρουσιάζουν υψηλή αντοχή στις καιρικές συνθήκες και υψηλή τιµή του λόγου της ακαμψία-βάρους πτερυγίων. Επιπλέον τα υλικά αυτά είναι ανθεκτικά στην διάβρωση και συμπεριφέρονται σαν μονωτές στην διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος Προσανατολισμός Μικρών Α/Γ Οι περισσότερες µικρές ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα χρησιμοποιούν την ουρά τους για να προσανατολιστούν προς την διεύθυνση του ανέµου. Το ουριαίο τµήµα το χρησιμοποιούν κατά αντιστοιχία µε τους µηχανισμούς στροφής των µεγάλων Α/Γ, οι οποίοι δεν είναι δυνατόν να τοποθετηθούν σε µικρές Α/Γ κυρίως λόγω κόστους, βάρους και διαστάσεων. Στην εικόνα 4.4 φαίνεται µία µικρή Α/Γ µε τρία πτερύγια µαζί µε το ουριαίο τµήµα της. Είκονα 4.4. Μικρή ανεμογεννήτρια Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 63 από 162

65 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Συστήματα Ελέγχου Ταχύτητας Μικρής Α/Γ Παρόλο,που οι υψηλές ταχύτητες ανέµου οδηγούν σε αύξηση της παραγόμενης ενέργειας, είναι δυνατόν σε πολλές περιπτώσεις να προκαλέσουν ζηµιά.με σκοπό την προστασία της Α/Γ αλλά και την ασφάλεια των ανθρώπων της περιοχής εγκατάστασης,οι µικρές Α/Γ διαθέτουν διάφορους µηχανισμούς πέδησης και ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής τους.στα νεότερα µικρά αιολικά συστήματα χρησιμοποιούνται δύο είδη τεχνικών ελέγχου, τις παθητικές τεχνικές ελέγχου και τις ενεργητικές τεχνικές ελέγχου. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει ο έλεγχος απώλειας στήριξης (stall control). Ο έλεγχος µε βάσει αυτή την τεχνική στηρίζεται στη καμπύλωση των πτερυγίων όταν η ταχύτητα του ανέµου αυξηθεί σημαντικά. Ειδικότερα, όταν η ταχύτητα του ανέµου ξεπεράσει µια προκαθορισμένη κατασκευαστικά τιµή τα πτερύγια καμπυλώνονται λόγω της μεγάλης αεροδυναμικής αντίστασης µε αποτέλεσμα της μεταβολή της γωνίας προσβολής µεταξύ των πτερυγίων και του ανέµου. Αυτό έχει ως συνέπεια την εκτροπή της Α/Γ από την διεύθυνση του ανέµου µε ταυτόχρονη µείωση των στροφών της πτερωτής. Σε πολλές Α/Γ µικρής ισχύος εκτροπή από την διεύθυνση του ανέµου πραγματοποιείται µε την καμπύλωση της ατράκτου της Α/Γ σε μεγάλες ταχύτητες ανέµου. Οι ενεργητικές τεχνικές ελέγχου στηρίζονται στον έλεγχο του βήµατος των πτερυγίων(pitch control). Στις ανεμογεννήτριες που διαθέτουν αυτόν τον έλεγχο, ένα ηλεκτρονικό σύστηµα ελέγχει συνεχώς την ισχύ εξόδου, η οποία όταν γίνει πολύ υψηλή δίνει εντολή στο δροµέα των πτερυγίων να στραφεί και υπό κάποια γωνία.σε αυτή τη θέση,η ταχύτητα περιστροφής ελαττώνεται σημαντικά προστατεύοντας την Α/Γ. Όταν οι συνθήκες επανέλθουν σε φυσιολογικά επίπεδα, τα πτερύγια επανέρχονται στην αρχική τους θέση. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 64 από 162

66 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Γεννήτριες Μικρών Α/Γ Οι περισσότερες µικρές Α/Γ χρησιμοποιούν βηµατικές γεννήτριες µόνιµου µαγνήτη (permanent magnet generators). Η λειτουργία των γεννητριών µόνιµου μαγνήτη στηρίζεται στην αντίδραση που έχει ο ρότορας (δροµέας) µόνιµου μαγνήτη της Α/Γ µέσα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το παραπάνω είδος γεννητριών υπάγονται στις ασύγχρονες μηχανές, κάτι που σηµαίνει ότι δεν µπορούν να συνδεθούν απευθείας µε το εναλλασσόμενο (AC) δίκτυο. Αυτό συμβαίνει λόγω της αστάθειας που υπάρχει στην παραγόμενη τάση και συχνότητα. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται μετατροπείς οι οποίοι σταθεροποιούν την τάση µε σκοπό είτε την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας είτε τη σύνδεση µε το υπάρχον εναλλασσόμενο δίκτυο Πύργοι Στήριξης Μικρών Α/Γ Όπως οι μεγάλες Α/Γ έτσι και οι µικρές χρησιμοποιούν πύργους στήριξης για την ανύψωση της ατράκτου της µηχανής στον αέρα. Οι πύργοι αυτοί όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω θα πρέπει να είναι αρκετά ψηλοί, ώστε η ανεμογεννήτρια να βρίσκεται ψηλότερα από την τυρβώδη ζώνη κοντά στο έδαφος αλλά ταυτόχρονα και ανθεκτικοί ώστε να αντέχουν τις δυνάµεις που δέχονται από τον άνεµο. Οι πύργοι των μικρών Α/Γ ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες ανάλογα µε τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά: (α) τους πύργους δικτυωτού πλέγματος και (β) τους πύργους µε µονό σωλήνα. Οι πύργοι δικτυωτού πλέγματος χρησιμοποιούν ένα δίκτυο σωλήνων σε μορφή πλέγματος σχηματίζοντας πύργο, ο οποίος στερεώνεται στο έδαφος µε ειδικής κατασκευής συρματόσχοινα σε τρία σηµεία διαφορετικών διευθύνσεων. Επίσης σε αυτού του είδους πύργους υπάρχει η δυνατότητα µεταβολής του ύψους τους και αυτός είναι ένας από τους λόγους του υψηλού κόστους κατασκευής. Από την άλλη πλευρά, οι πύργοι µονού στύλου έχουν απλούστερο τρόπο κατασκευής ενώ διαθέτουν το πλεονέκτημα να είναι οπτικά πιο ευχάριστη σε σχέση µε τους πύργους του προηγούμενου είδους. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 65 από 162

67 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Οι πύργοι στήριξης των μικρών ανεμογεννητριών μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα µε την ιδιοσυχνότητά τους σε εύκαμπτους και άκαμπτους. Στους άκαμπτους πύργους η ιδιοσυχνότητά τους είναι µεγαλύτερη από τη συχνότητα περιστροφής της πτέρυγας ενώ στους εύκαµπτους πύργους η ιδιοσυχνότητα του πύργου είναι μικρότερη από τη συχνότητα περιστροφής του πτερυγίου. 4.8 Πλεονεκτήματα -Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Απορρέοντας από τον άνεμο, η αιολική ενέργεια είναι μια καθαρή πηγή ενέργειας. Η αιολική ενέργεια δεν μολύνει την ατμόσφαιρα όπως τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού τα οποία στηρίζονται στην καύση ορυκτών καυσίμων, όπως άνθρακα ή φυσικό αέριο. Οι ανεμογεννήτριες δεν εκλύουν χημικές ουσίες στο περιβάλλον οι οποίες προκαλούν όξινη βροχή ή αέρια του θερμοκηπίου. Στις Ηνωμένες Πολιτείες η αιολική ενέργεια είναι οικιακή πηγή ενέργειας, καθώς αφθονεί η διαθέσιμη πηγή, ο άνεμος. Η τεχνολογία που αναπτύσσεται περί την αιολική ενέργεια είναι μια από τις πιο οικονομικές που υπάρχουν σήμερα στον χώρο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Κοστίζει ανάμεσα σε 4 και 6 cents ανά κιλοβατώρα (kwh) η τιμή εξαρτάται από την ύπαρξη/παροχή ανέμου και από τη χρηματοδότηση ή μη του εκάστοτε προγράμματος παραγωγής αιολικής ενέργειας. Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να στηθούν σε αγροκτήματα ή ράντσα, έτσι ωφελώντας την οικονομία των αγροτικών περιοχών, όπου βρίσκονται οι περισσότερες από τις καλύτερες τοποθεσίες από την άποψη του ανέμου. Οι αγρότες μπορούν να συνεχίσουν να εργάζονται στη γη, καθώς οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν μόνον ένα μικρό μέρος της γης. Οι ιδιοκτήτες των εγκαταστάσεων για την παραγωγή αιολικής ενέργειας πληρώνουν ενοίκιο στους αγρότες για τη χρήση της γης. Μειονεκτήματα Η αιολική ενέργεια πρέπει να συναγωνιστεί τις συμβατικές πηγές ενέργειας σε επίπεδο κόστους. Ανάλογα με το πόσο ενεργητική, ως προς τον άνεμο, είναι μια Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 66 από 162

68 4. Αιολική Ενέργεια Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση τοποθεσία, το αιολικό πάρκο μπορεί ή δεν μπορεί να είναι ανταγωνιστικό ως προς το κόστος. Παρότι το κόστος της αιολικής ενέργειας έχει μειωθεί δραματικά τα τελευταία 10 χρόνια, η τεχνολογία απαιτεί μια αρχική επένδυση υψηλότερη από εκείνη των γεννητριών που λειτουργούν με καύση ορυκτών. Η ισχυρότερη πρόκληση στη χρησιμοποίηση του ανέμου ως πηγή ενέργειας είναι ότι ο άνεμος είναι περιοδικά διακοπτόμενος και δεν φυσά πάντα όταν ο ηλεκτρισμός απαιτείται. Η αιολική ενέργεια δεν μπορεί να αποθηκευτεί (εκτός αν χρησιμοποιηθούν μπαταρίες). Επιπλέον, δεν μπορούν όλοι οι άνεμοι να τιθασευτούν ώστε να καλυφθούν, τη στιγμή που προκύπτουν, οι ανάγκες σε ηλεκτρισμό. Τα κατάλληλα σημεία για αιολικά πάρκα συχνά βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές, μακριά από πόλεις όπου χρειάζεται ο ηλεκτρισμός. Η ανάπτυξη της εκμετάλλευσης του ανέμου ως φυσικού πόρου μπορεί ίσως να συναγωνιστεί άλλες χρήσεις της γης και αυτές οι εναλλακτικές χρήσεις ίσως χαίρουν μεγαλύτερης εκτιμήσεως απ ότι η παραγωγή ηλεκτρισμού. Αν και τα αιολικά πάρκα έχουν σχετικά μικρή επίπτωση στο περιβάλλον σε σύγκριση με άλλες συμβατικές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, υπάρχει ένας προβληματισμός για τον θόρυβο που παράγεται από τις λεπίδες του ηλεκτρικού κινητήρα (ρότορα), για την αισθητική (οπτική) επίπτωση και για τα πουλιά που μερικές φορές έχουν σκοτωθεί καθώς πετούσαν προς τους ηλεκτρικούς κινητήρες. Τα περισσότερα από αυτά τα προβλήματα έχουν επιλυθεί ή έχουν σε σημαντικό βαθμό μειωθεί μέσω της τεχνολογικής ανάπτυξης ή μέσω της επιλογής κατάλληλων περιοχών για τη δημιουργία αιολικών πάρκω Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 67 από 162

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Πειραµατική ιαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με την χρήση ηλιακών και αιολικών συστημάτων Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 68 από 162

70 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 5.1 Εισαγωγή Η παρούσα πειραματική διαδικασία αφορά στην εκτίμηση της αυτονομίας του ΤΕΙ από ηλεκτρική ενέργεια. Η επίτευξη το στόχου αυτού όπως θα δούμε και στην συνέχεια πραγματοποιείται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, της φωτοβολταϊκής και της αιολικής ενέργειας. Η μεθοδολογία αυτή λαμβάνει υπόψη τα χαρακτηριστικά της ζήτησης του κάθε συστήματος, την παραγωγή ενέργειας των συμβατικών σταθμών που είναι συνδεδεμένοι με το σύστημα, καθώς και τα ανεμολογικά δεδομένα για κάθε περιοχή όπου δίνεται να εγκατασταθούν αιολικά πάρκα. Η μεθοδολογία επικεντρώνεται στην παραγόμενη ενέργεια των ηλιακών και αιολικών πάρκων αλλά θα μπορούσε κάλλιστα να επεκταθεί προσεκτικά και σε άλλους σταθμούς παραγωγής που αξιοποιούν άλλες μορφές ΑΠΕ. 5.2 Σκοπός της πειραματικής μελέτης Στόχος μας είναι να καταφέρουμε την πλήρη αυτονομία. Το Τ.Ε.Ι. δεν θα πρέπει να μην βασίζεται σε ενεργειακούς προμιθευτές που καταναλώνουν φυσικά πετρώματα ή χημικά και επιβαρύνουν την φυσική κατάσταση του πλανήτη. Η εξόρυξη λιγνίτη,άνθρακα, πετρελαίου και άλλων υποκατάστατων τους θα πρέπει να τερματίσει, και να δώσουμε πλέων στον πλανήτη μας, μια ανάσα. Εικόνα 5.1.Φωτορεαλιστική απεικόνιση του Τ.Ε.Ι Κβάλας Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 69 από 162

71 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 5.3 Απαιτήσεις του συγκροτήματος Το προφίλ της ζήτησης ισχύος θεωρείται με μεγάλες διακυμάνσεις μεταξύ χειμώνα και καλοκαιριού καθώς επίσης και μεταξύ ημέρας και νύχτας. Η μεγάλη χρονικά σπουδαστική περίοδος για 10 μήνες το χειμώνα εμφανίζει τις τιμές της ζήτησης αιχμής. Αντίθετα, το καλοκαίρι ο πληθυσμός του Τ.Ε.Ι είναι αισθητά μειωμένος, άρα και η ζήτηση ισχύος είναι περιορισμένη Κατανάλωση Οι απαιτήσεις για ένα κτήριο στο οποίο υπάρχουν περισσότερο από τρεις χιλιάδες (3000) σπουδαστές, πεντακόσιοι (500) εκπαιδευτικοί και πάνω από διακόσιοι (200) συνεργάτες, προφανώς και είναι τεράστιες. Δεν είναι αυτός όμως ο λόγος της μεγάλης ενεργειακής κατανάλωση, το συγκρότημα αποτελείται από έξη τμήματα στα οποία υπάρχει ανάλογος εκπαιδευτικός εξοπλισμός που απαιτούν μεγάλη ισχύς.h ανώτατη τιμή της ημερήσιας ζήτησης δεν υπερβαίνει τα 650 kw,ενώ η ελάχιστη τιμή κυμαίνεται στα 176 kw.οι παρακάτω πίνακες δείχνουν την ιστορικότητα του Τ.Ε.Ι στην κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος, χρονολογικά από το 2004 έως και το Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 70 από 162

72 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 5.1. Καταναλώσεις Ρεύματος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 71 από 162

73 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 5.2. Καταναλώσεις Ρεύματος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 72 από 162

74 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 5.3. Καταναλώσεις Ρεύματος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 73 από 162

75 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 5.4. Καταναλώσεις Ρεύματος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 74 από 162

76 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 5.5. Καταναλώσεις Ρεύματος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 75 από 162

77 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 5.6. Καταναλώσεις Ρεύματος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 76 από 162

78 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 5.7. Καταναλώσεις Ρεύματος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 77 από 162

79 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας 5.8. Καταναλώσεις Ρεύματος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 78 από 162

80 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Από τους παραπάνω πίνακες προκύπτουν για κάθε έτος τα εξής: Πίνακας5.9.Καταστατικάm2004 ΕΤΟΣ 2004 ΣΎΝΟΛΟ kw kw/year MW/year Σύνολο kwh kwh ΣΎΝΟΛΟ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ Πίνακας Καταστατικά 2005 ΕΤΟΣ 2005 ΣΎΝΟΛΟ kw kw/y MW/y Σύνολο kwh kwh ΣΎΝΟΛΟ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ Πίνακας Καταστατικά 2006 ΕΤΟΣ 2006 ΣΎΝΟΛΟ kw kw/y MW/y Σύνολο kwh kwh ΣΎΝΟΛΟ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 79 από 162

81 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας Καταστατικά 2007 ΕΤΟΣ kw/y ΣΥΝΟΛΟ kw MW/y Σύνολο kwh kwh ΣΥΝΟΛΟ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ Πίνακας Καταστατικά 2008 ΕΤΟΣ 2008 ΣΥΝΟΛΟ kw kw/y MW/y Σύνολο kwh kwh ΣΎΝΟΛΟ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ Πίνακας Καταστατικά 2009 ΕΤΟΣ 2009 ΣΥΝΟΛΟ kw kw/y MW/y Σύνολο kwh kwh ΣΥΝΟΛΟ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 80 από 162

82 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας5.15.Καταστατικά2010 ΕΤΟΣ 2010 ΣΥΝΟΛΟ kw kw/y MW/y Σύνολο kwh kwh ΣΎΝΟΛΟ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ Πίνακας Καταστατικά 2011 ΕΤΟΣ 2011 ΣΎΝΟΛΟ kw kw/ετοσ MW/ΕΤΟΣ ΣΥΝΟΛΟ kwh kwh ΣΎΝΟΛΟ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ Ετήσια ενέργεια Η ετήσια ενέργεια που απαιτει το σύστημα, δεν έχει ξεπεράσει τα 165 MW στην πάροδο των 8 τελευταίων ετών. Αυτό φαίνεται και παρακάτω στα διαγράμματα ιστορικού Διαγράμματα Ιστορικού Στα διαγράμματα ιστορικού παρατηρούμε καλύτερα την τιμή της κατανάλωσης στην πάροδο των χρόνων και μπορούμε να διακρίνουμε τις μεγάλες διακυμάνσεις Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 81 από 162

83 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση των τιμών αυτών.παρατηρούμε πως το 2010 ήταν η χρονιά με την μεγαλύτερη κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος των τελευταίων ετών. Ετος κατανάλωση MW ιάγραµµα 5.1. Κατανάλωση ισχύος από το 2004 έως Τέλος, για τα οχτώ τελευταία χρόνια το τεχνολογικό εκπαιδευτικό ίδρυμα της Καβάλας χρειάστηκε για ηλεκτρικό, ρεύμα 1285,531 MW Και πλήρωσε για αυτά ευρώ. Παρουσιάζεται επίσης και το οικονομικό διάγραμμα της κατανάλωσης αυτής που αναδεικνύονται τα έξοδα του ιδρύματος για κάθε έτος ξεχωριστά. Ετος Ευρώ ιάγραµµα 5.2.Κόστος κατανάλωσης ισχύος Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 82 από 162

84 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Πίνακας Δεδομένα απαιτούμενης ισχύος ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΣΥΝΟΛΟ ΕΤΟΣ ΜW ΕΥΡΩ kwh , , , , , , , ΣΥΝΟΛΟ 1285, Περιβαλλοντική επίδραση Για να πάρουμε αυτήν την ενέργεια, χρειαζόμαστε περίπου 300 τόνους λιγνίτη ετισίος. Στον παρακάτω πίνακα, δείχνουμε την ετίσια κατανάλωση λιγνίτη που χρειάζεται το Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 83 από 162

85 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση ιάγραµµα 5.3.Ετήσια κατανάλωση λιγνίτη Όσον αφορά το περιβαλλοντικό σκέλος της αξιολόγησης του συστήματος ηλεκτροπαραγωγής, αυτό έχει ιδιαίτερα θετικά χαρακτηριστικά στις περιπτώσεις όπου το 100% της παραγόμενης ενέργειας προέρχεται από ΑΠΕ. 5.5 Υπολογισμός της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας στην υπόψη τοποθεσία. Η Ελλάδα είναι πάντως ιδιαίτερα ευνοημένη από τον ήλιο καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Αν σκεφτεί κανείς ότι πολλά από τα συστήματα για τα οποία μιλάμε έχουν αναπτυχθεί και αποδίδουν στη βόρεια Ευρώπη, γίνεται κατανοητό ότι οι συνθήκες ηλιοφάνειας στη χώρα μας προσφέρονται για τη συμφέρουσα παραγωγή ενέργειας. Σε γενικές γραμμές, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα στην Ελλάδα παράγει ετησίως περί τις κιλοβατώρες ανά εγκατεστημένο κιλοβάτ (kwh/έτος/kw). Προφανώς στις νότιες και πιο ηλιόλουστες περιοχές της χώρας ένα φωτοβολταϊκό παράγει περισσότερο ηλιακό ηλεκτρισμό απ ότι στις βόρειες. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 84 από 162

86 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Εικόνα 5.2.Ηλιακό δυναμικό Ενδεικτικά αναφέρουμε πως ένα φωτοβολταϊκό σύστημα στην Αθήνα αποδίδει kwh/έτος/kw, στη Θεσσαλονίκη kwh/έτος/kw και στην Κρήτη ή στη Ρόδο kwh/έτος/kw. Πίνακας Νομοί ελληνικής επικράτειας ανά κλιματική ζώνη ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΝΟΜΟΙ ΖΩΝΗ Ηρακλείου, Χανιών, Ρεθύμνου, Λασιθίου, Κυκλάδων, Ζώνη Α Δωδεκανήσου,Σάμου,Μεσσηνίας,Λακωνίας,Αργολίδας, Ζακύνθου, Κεφανονιάς & Ιθάκης, Κύθηρα & νησιά Σαρωνικού (Αττικής), Αρκαδίας (πεδινή) Αττικής (εκτός Κυθήρων & νησιών Σαρωνικού), Ζώνη Β Κορινθίας,Ηλείας,Αχαίας,Αιτωλοακαρνανίας, Φθιωτίδας, Φωκίδας, Βοιωτίας, Ευβοίας, Μαγνησίας. Λέσβου,Χίου,Κέρκυρας,Λευκάδας,Θεσπρωτίας. Πρέβεζας,Άρτας. Αρκαδίας(ορεινή),Ευρυτανίας,Ιωαννίνων,Λάρισας, Ζώνη Γ Καρδίτσας,Τρικάλων,Πιερίας,Ημαθίας,Πέλλης, Θεσσαλονίκης,Κιλκίς,Χαλκιδικής,Σερρών(εκτός ΒΑ τμήματος),καβάλας,ξάνθης,ροδόπης, Έβρου. Ζώνη Δ Γρεβενών,Κοζάνης,Καστοριάς,Φλώρινας,Σερρών (ΒΑ τμήμα),δράμα. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 85 από 162

87 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Σύμφωνα με των πίνακα, ο νομός της Καβάλας ανήκει στην ζώνη Γ. Το γεωγραφικό πλάτος της καβάλας είναι Πίνακας Μέση ακτινοβολία Χρυσούπολης (kwh/m 2 ) Πίνακας Μέση μηνιαία θερμοκρασία 24ώρου [ o C] Περιοχή/ μήνας Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Σ Ο Ν Δ Σούδα ,0 12,6 15,8 20,1 24,6 26,6 26,1 23,1 19,3 15,6 12,6 Σπάρτη ,1 12,3 15,6 20,9 25,9 28,2 27,4 24,2 19,3 14,0 10,7 Σύρος ,8 13,1 16,4 20,3 25,0 26,7 26,5 24,1 20,1 15,9 12,8 Τανάγρα 7.5 8,2 10,2 14,5 20,0 25,3 27,5 26,7 22,4 17,2 12,8 9,4 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 86 από 162

88 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Τρίκαλα 4,7 6,1 9,6 14,4 19,7 24,3 25,9 25,0 21,1 15,8 9,7 5,5 Τρίπολη 5,1 5,8 7,9 11,7 17,0 22,0 24,5 24,1 20,0 14,6 10,1 6,7 Τυμπάκιο 11,7 11,8 13,4 16,4 20,7 24,9 27,8 27,5 24,4 20,3 16,4 13,2 Φλώρινα 0,5 2,7 6,7 11,6 16,8 21,0 23,1 22,5 18,4 12,6 7,0 2,2 Χαλκίδα 9,1 9,1 11,8 16,1 20,7 25,8 27,8 27,5 24,5 19,7 13,9 10,5 Χανιά 11,6 11,8 13,2 16,3 20,1 24,5 26,5 26,1 23,3 19,4 16,1 13,1 Χίος 9,6 9,7 11,6 15,1 19,6 24,1 26,4 25,9 22,7 18,1 13,6 11,1 Χρυσ. (Καβάλα) 5,5 6,2 8,7 13,7 18,6 23,4 25,9 25,3 21,0 15,6 10,4 6,6 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 87 από 162

89 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 88 από 162

90 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 89 από 162

91 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 90 από 162

92 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 5.6 Διαθέσιμη αιολική ενέργεια στην υπόψη τοποθεσία. Η Ελλάδα είναι μια χώρα με μεγάλη ακτογραμμή και τεράστιο πλήθος ανοιγμάτων. Ως εκ τούτου, οι ισχυροί άνεμοι που πνέουν κυρίως στις παράκτιες περιοχές προσδίδουν ιδιαίτερη σημασία στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας στη χώρα. Το εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό εκτιμάται ότι αντιπροσωπεύει το 13,6% του συνόλου των ηλεκτρικών αναγκών της χώρας. Σύμφωνα με στοιχεία του Υπουργείου Περιβάλλοντος Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής που άντλησε από τη ΡΑΕ και τους διαχειριστές του Συστήματος και των Δικτύων η συνολική ισχύς από σταθμούς ΠΕ στη χώρα μας αυξήθηκε κατά 290 MW μέσα στο 2010, αθροίζοντας συνολική εγκατεστημένη ισχύ 1736 MW έναντι των MW του τέλους του Συγκεκριμένα, η νέα αιολική ισχύς που προστέθηκε το 2010 ανέρχεται στα 131 MW οδηγώντας σε σύνολο MW, ενώ μόνο το 2008 η Ελλάδα εγκατέστησε 114 MW αιολικής ενέργειας κατατάσσοντας την 12 η χώρα στην Ευρώπη στην κατασκευή αιολικών πάρκων. Στην Ελλάδα, η ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας, αντιμετωπίζει μέχρι τώρα αρκετά προβλήματα. Παρά τη σημαντική αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος τα τελευταία χρόνια, είναι κοινά αποδεκτό ότι αυτή η αύξηση είναι πολύ μικρή δεδομένου του πλούσιου αιολικού δυναμικού της χώρας μας. Στόχος της χώρας μας για το 2010 ως προς την ηλεκτροπαραγωγή από αιολική ενέργεια ήταν η εγκατεστημένη ισχύς να φτάσει περίπου τα 3500MW ενώ στο τέλος του 2010 η πραγματικά εγκατεστημένη ισχύς ανήλθε μόλις στα 1208 MW. Είναι φανερό ότι σε μια χώρα για την οποία υπάρχει στόχος και καλή θέληση ενώ και οι επενδυτικές προτάσεις δεν είναι λίγες, η ανάπτυξη των αιολικών πάρκων καθυστερεί σημαντικά, με αποτέλεσμα, ο στόχος να έχει πλέον μετατεθεί για το2020 με εγκατεστημένη ισχύ που θα πρέπει να φτάσει περίπου τα 7500 MW. Οι προβλέψεις μέχρι τώρα δεν είναι ευοίωνες, οι καθυστερήσεις στην έκδοση αδειών παραγωγής και εγκατάστασης είναι σημαντικές και οι προβλέψεις είναι συγκρατημένες. Βέβαια, σύμφωνα με τη ΡΑΕ (2010), μέχρι το τέλος του έτους Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 91 από 162

93 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση αναμένεται η συνολικά εγκατεστημένη αιολική ισχύς να φτάσει τα MW, ενώ το πρώτο τρίμηνο του 2012 θα έχουν προστεθεί άλλα 100 MW. Εικόνα 5.3. Χάρτης αιολικού δυναμικού στην Καβάλα Πίνακας5.21. Αιολικό δυναμικό. ΠΕΡΙΟΧ Ι Φ Μ Α Μ ΙΟ ΙΟ Α Σ Ο Ν Δ Η /ΜΗΝΑΣ Σπάρτη 1,7 1,9 1,9 2,0 2,0 2,1 2,0 2,0 1,7 1,5 1,6 1,5 Σύρος 8,1 8,1 7,6 5,8 5,4 4,9 7,0 7,2 6,5 7,5 7,2 7,8 Τανάγρα 3,2 3,3 3,0 2,8 2,7 2,9 3,3 3,3 2,9 2,9 2,6 3,1 Τρίκαλα 1,6 1,7 2,1 2,5 2,4 2,5 2,0 1,8 1,7 1,4 1,3 1,5 Φλώρινα 1,3 1,7 2,1 2,4 2,5 2,5 2,4 2,2 1,8 1,7 1,6 1,3 Τρίπολη 2,6 2,9 2,9 2,7 2,3 2,6 2,7 2,7 2,3 2,2 2,0 2,3 Τυμπάκιο 4,0 4,1 4,2 3,7 3,4 4,0 5,5 5,3 4,4 3,6 3,1 3,6 Σύρος 8,1 8,1 7,6 5,8 5,4 4,9 7,0 7,2 6,5 7,5 7,2 7,8 Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 92 από 162

94 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Χανιά 3,1 3,1 3,1 2,8 2,5 2,6 2,2 2,0 2,2 2,1 2,3 2,9 Χρυσούπο 2,4 2,7 2,8 2,6 2,6 2,2 1,9 2,0 1,9 2,1 2,1 2,3 λη Χαλκίδα 3,3 3,4 3,0 2,6 2,3 2,3 2,5 2,7 2,1 2,5 3,0 3,3 Διάγραμμα 5.4. Η αιολική ισχύς την επώμενη πενταετία 5.7 Χωρισμός της ενεργειακής απαίτησης. Μια πλήρως αυτόνομη λύση με καλή σχέση κόστους-απόδοσης είναι ένας συνδυασμός φωτοβολταϊκών στοιχείων και μιας μικρής ανεμογεννήτριας, δηλαδή ένα υβριδικό σύστημα. Η παραγωγή ηλεκτρισμού από τον ήλιο και τον άνεμο αλληλοσυμπληρώνονται μέσα από το σύστημα αποθήκευσης και διαχείρισης της ενέργειας. Έτσι αποφασίσαμε να μοιράσουμε την ενέργεια. Προφανώς οι απαιτήσεις μιας τόσο μεγάλης εγκαταστάσεις είναι πολλές, επομένως πρέπει να γίνει σωστή κατανομή της ενέργειας στις δύο μορφές παραγωγής της. Έτσι λόγω των ενεργειακών απαιτήσεων και του κόστους οι αποδοχούμενες τιμές ενέργειας θα διασπαστούν σε δύο τμήματα, αποτελούμενα Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 93 από 162

95 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση από φωτοβολταικά και ανεμογεννήτριες. Το 60% της ζήτησης θα καλυφθεί από φωτοβολταικά και το 40% από ανεμογεννήτριες. 5.8 Φωτοβολταικά Η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από τον ήλιο με φωτοβολταϊκά χρειάζεται το φως της ηλιακής ακτινοβολίας, όχι τη θερμότητά της. Ακόμη και μια συννεφιασμένη χειμωνιάτικη μέρα θα υπάρχει άφθονο διάχυτο φως και τα φωτοβολταϊκά θα συνεχίσουν να παράγουν ηλεκτρισμό, έστω και με μειωμένη απόδοση (π.χ. ακόμα και με απόλυτη συννεφιά, το φωτοβολταϊκό θα παράγει ένα 5-20% της μέγιστης ισχύος του). Ανάλογα με την ισχύ του συστήματός και τις ανάγκες, η μειωμένη αυτή παραγωγή μπορεί να μην επαρκεί. Στις περιπτώσεις αυτές, αν η εγκατάστασή είναι συνδεδεμένη με τη ΔΕΗ, θα καταναλωθεί ρεύμα από το δίκτυο. Σύμφωνα με την ζήτηση και τα δεδομένα επιλέγονται τα εξής πάνελ: Φωτοβολταϊκό SE Watt υψηλής απόδοσης με θετική ανοχή έως + 5% και 10 χρόνια εργοστασιακή εγγύηση κατασκευαστή. Πληροφορίες προϊόντων 260watt-265watt SE260P-RK πολυκρυσταλλικού πυριτίου υψηλής απόδοσης. Το υψηλής απόδοσης και πιστότητας φωτοβολταϊκό πάνελ Solar Energy plus είναι μιας νέας γενιάς σύγχρονη μονοκρυσταλλικής ή πολυκρυσταλλικής τεχνολογίας φωτοβολταϊκή γεννήτρια που περιέχει κυψέλες με αντανακλαστική επίστρωση και γυαλί για την παραγωγή περισσότερης ενέργειας (περισσότερες kwh ανά kwp) από την εγκατάστασή σας. Όλα τα εισαγόμενα στην Ελλάδα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν θετική ανοχή έως +5% της ονομαστικής τους ισχύς σε watt δίδοντας στην πραγματικότητα περισσότερα watt γεγονός που τα επιτρέπει να φτάνουν σε αποδόσεις έως και 17.8% σε σχέση με την προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι πολύ υψηλής ποιότητας διαθέτουν Ευρωπαϊκές πιστοποιήσεις TUV, CE, ISO Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 94 από 162

96 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Εγγυήσεις Εγγύηση υλικού 10 χρόνια Εγγύηση απόδοσης για το 90% 10 χρόνια Εγγύηση απόδοσης για το 80% 25 χρόνια Πληροφορίες τεχνικά στοιχεία στο link που ακολουθεί: Rating Power (Pm) 260W-265W Tolerance 0 +5% Rated Voltage (Vm) 30.1V Rated Current (Im) 8.65A Open Circuit Voltage (Voc) 37.4 V Short Circuit Voltage (Isc) 8.98 A Size 1650mm*992mm*50mm Number of cells 60pcs Size of cells 156mm*156mm poly Weight 21.5 KG Maximum Voltage 1000V Efficiency of cells >17.8% Efficiency of modules >15.7% Certificates TUV,UL,IEC61215,IEC61730, CE, ISO9001,ISO14001 Quality Assurance 10 years product guarantee for power output more than 90% within 10 years, and 80% within 25 years Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 95 από 162

97 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση The modules are designed in consistent with IEC 61215, IEC standards, manufactured with advanced materials and equipment, which ensure the excellent electrical performance. Thin film deposited on the front surface by PECVD acts as antireflection coating and gives a uniform dark blue appearance. Modules are extruded by a sheet of the toughened imported glass of high transparency, endurable EVA, a sheet of mono-crystalline cells with efficiency and sheet of TPT, which has proven to be suitable for different weather and prevent moisture from penetration into the module. Heavy quality anodized aluminum frame provides high wind resistance and convenient mounting access. A waterproof versatile junction box ensures the safe connection. The appearance and electrical performance of every module are tested to guarantee high quality. Module size can be changed according to customer's requirement. Under 10% decrease of output power within 10 years and under 20% decrease within 25 years. Τιμή χωρίς ΦΠΑ Τιμή: Συνολική αιχμή των Φ/Β συλλεκτών Εφόσον η διαθέσιµη έκταση δεν µας περιορίζει η επιλογή του µμεγέθους της ισχύος είναι καθαρά θέµα µμεγέθους επένδυσης απόσβεσης και έτσι αποτελεί αντικείμενο ουσιαστικά οικονομοτεχνικής µμελέτης. Κατά προσέγγιση, εάν Q το ποσό της επένδυσης και q το κόστος ανά kw εγκατεστημένης ισχύος, τότε η ισχύς του πάρκου (Ρ) θα είναι: (5.1) Έτσι, από την τιµή πώλησης (α) της kwh και από το χρόνο (t) σε ώρες της µέσης ημερήσιας ηλιοφάνειας στη διάρκεια του έτους, υπολογίζεται καταρχάς το ετήσιο ενεργειακό πλεόνασμα(ε): (5.2) Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 96 από 162

98 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση και στη συνέχεια το ετήσιο οικονομικό όφελος: (5.3) Εύρεση του αντίστοιχου πλήθους. Σύμφωνα με τα δεδομένα των πινάκων ιστορικότητας, η ετήσια ενεργειακή ζήτηση του ιδρύματος φτάνει στα 2000 Mh και η οποία θα μοιραστεί κατά 60% από φωτοβολταικά και 40% από ανεμογεννήτριες. Έτσι το 60 % των 2000 MWh δηλαδή τα φωτοβολταικά αποδίδουν kwh, το 40% των 2000 MWh οι ανεμογεννήτριες προσφέρουν kwh. Στην Βόρεια Ελλάδα η ηλεκτρική ενέργεια που παράγει 1kW (1 κιλοβάτ) φωτοβολταϊκών είναι από 1150 έως 1250 kwh(κιλοβατώρες) κάθε έτος (για σταθερό σύστημα). Άρα από τα 260W που έχει το πάνελ, έχω ετησίως 325 kwh Και για να βρούμε πόσα πάνελ χρειαζόμαστε το διαιρούμε με την ετήσια ζήτηση (Kwh) (kwh) / 325 (kwh) =3693 πάνελ ΚΟΣΤΟΛΟΓΙΟ ΤΙΜΗ ΕΝΟΣ ΠΑΝΕΛ : ΑΡΙΘΜΟΣ ΠΑΝΕΛ : 3693 τεμ. Έτσι το συνολικό κόστος μιας πλήρους εγκατάστασης είναι: 319x 3693 = Υπολογισμός της απαιτούμενης συνολικής επιφάνειας. Η έκταση του Φ/Β πάρκου σε Οριζόντια προβολή των πανέλλων: So=(συνολική επιφάνεια πανέλλων)* συνβ c =(1650 * 992 *3693 )*συν30 Όπου 1650 mm =1, 650 m 992 mm =0, 992 m 3693= αρ. πανέλλων Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 97 από 162

99 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Άρα ο τύπος γράφεται ως εξής : So=(1,650x 0, 992 *3693 )*συν30 =5235 m 2 Το εμβαδόν της οριζόντιας έκτασης είναι : Sε=(ε*S O )/(γ* συνβ c ) Όπου ε=α+γ* συνβ c α/υ =3,5( Από Διάγραμμα Monegon) υ=γ*ημβ c -δ Τελικά Sε =1, 650 *ημ30-0 =0,825 m Επίσης το δ= 0 (διότι τα Φ/Β πάνελ έχουν μηδενική απόσταση απ το έδαφος) και γ=1, 650 (η μεγαλύτερη διάσταση από μήκος-πλάτος-ύψος Φ/Β). Οπότε α=3,5*υ = 3,5*0,825 = 2,888 και ε=α+γ* συνβ c =2,888 +1, 650 *συν30=4,127 m Άρα Sε=(ε*S O )/(γ* συνβ c ) =(4,127 *5,235)/( 1, 650 *συν30) =21,605/1,4289 =15,12 m Κλίση Φ/Β πλαισίων Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία κάθε συστήματος που εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια είναι ο προσανατολισμός του ηλιακού συλλέκτη σε σχέση με την κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας. Όπως η θέση του ήλιου στον ουρανό, έτσι και ο προσανατολισμός ενός επίπεδου στην επιφάνεια της γης περιγράφεται από δύο γωνίες : την κλίση και την αζιμούθια γωνία. Η κλίση του συλλέκτη (β) είναι η δίεδρη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του συλλέκτη και στον ορίζοντα και μπορεί να πάρει τιμές από 0 μέχρι 180 μοίρες. Για γωνίες β>90 μοίρες. το επίπεδο του συλλέκτη είναι στραμμένο προς τα κάτω Η αζιμούθια γωνία του συλλέκτη (γ) είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κατακόρυφου του συλλέκτη και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου. Παίρνει τιμές από -180 μέχρι +180 μοίρες. Η γωνία 180 ο (που συμπίπτει με την +180 ο ) αντιστοιχεί σε τοποθέτηση Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 98 από 162

100 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση του συλλέκτη προς το βορρά, η γωνία 90 ο προς την ανατολή, η γωνία 0 0 προς το νότο και η γωνία +90 ο προς τη δύση. Σύμφωνα με το πρόγραμμα PVSYST5 βγάλαμε το παρακάτω διάγραμμα που υπολογίζεται το αζιμούθιο. Εικόνα 5.4. Το αζιμούθειο στην περιοχή της Καβάλας Προφανώς, η πυκνότερη ισχύς μιας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας, πάνω σε ένα επίπεδο συλλέκτη θα πραγματοποιείται όταν η επιφάνεια του είναι κάθετη προς τη κατεύθυνση της ακτινοβολίας, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσης (θ) είναι 0 ο. Η συνθήκη όμως αυτή δεν είναι εύκολο να εξασφαλιστεί καθώς ο ήλιος συνεχώς μετακινείται στον ουρανό κατά τη διάρκεια της ημέρας. 'Έχουν κατασκευαστεί μηχανικές διατάξεις που επαναπροσανατολίζουν συνεχώς τον συλλέκτη (π.χ. με τη βοήθεια υπολογιστή ή φωτοκύτταρων) ώστε η επιφάνεια του να αντικρίζει πάντα κάθετα τον ήλιο. Οι διατάξεις όμως αυτές είναι πολύπλοκες και δαπανηρές. Έτσι, η χρήση τους δικαιολογείται μόνον σε περιπτώσεις εφαρμογών, όπως στα συστήματα συγκεντρωμένης ακτινοβολίας με φακούς ή κάτοπτρα. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 99 από 162

101 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Σχήμα 5.1.Φωτοβολταϊκή κλίση Στις συνηθισμένες περιπτώσεις οι συλλέκτες τοποθετούνται σε σταθερή κλίση και αζιμούθια γωνία, που επιλέγονται ώστε η γωνία της πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας να είναι όσο το δυνατό μικρότερη, κατά τη διάρκεια του έτους. Η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας συνδέεται με τις άλλες γωνίες της ηλιακής γεωμετρίας, που αναφέρθηκαν παραπάνω, με τη σχέση : Οι επίπεδοι συλλέκτες χρησιμοποιούν την άμεση και τη διάχυτη ακτινοβολία και συνήθως τοποθετούνται υπό σταθερή κλίση και προσανατολισμό κατά τη διάρκεια του έτους. Η επιλογή του ευνοϊκού προσανατολισμού και της κλίσης του συλλέκτη είναι το σημαντικότερο μέτρο για τη βελτίωση του ηλιακού κέρδους. Η θέση του συλλέκτη (προσανατολισμός και κλίση) επηρεάζει την απόδοσή του κατά δύο τρόπους. Πρώτα επηρεάζει σημαντικά το ποσό της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στην επιφάνεια του συλλέκτη. Ακόμα η θέση του συλλέκτη επηρεάζει τον συντελεστή διάβασης των διαφανών καλυμμάτων και τον συντελεστή απορρόφησης του απορροφητήρα, αφού οι δύο συντελεστές είναι συναρτήσεις της γωνίας, που η ακτινοβολία προσπίπτει στην επιφάνεια του συλλέκτη. Γενικά η μεγαλύτερη ποσότητα της ηλιακής ενέργειας, λαμβάνεται σε Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 100 από 162

102 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση μία Νότια προσανατολισμένη κλίση. Εάν ή επιφάνεια του συλλέκτη δεν αντικρίζει ακριβώς το νότο, το ποσό της ωφέλιμης ενέργειας, μειώνεται ελαφρά σε μία γωνία 30 ο ανατολικά, δυτικά ή νότια. Η κλίση για συστήματα που λειτουργούν όλο το χρόνο είναι 45 ο ενώ αντίθετα για συστήματα που λειτουργούν καλοκαιρινούς μήνες π.χ ξενοδοχεία η κλίση λαμβάνεται μικρότερη περίπου 25 ο. Έτσι είναι δυνατόν να αξιολογηθεί ορθά η εγκατάσταση ηλιακών συστημάτων (π.χ. ηλιακοί συλλέκτες) ώστε να βελτιστοποιηθεί η απόδοσή τους Συνδεσμολογία των τυποποιημένων Φ/Β πλαισίων ή πανέλλων. Σε μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση μπορεί να χρησιμοποιηθούν εκατοντάδες φωτοβολταϊκά πλαίσια. Όπως είναι αναμενόμενο τα φωτοβολταϊκά πλαίσια πρέπει να ομαδοποιηθούν και να συνδεθούν κατάλληλα. Για την αύξηση της αξιοπιστίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι σκόπιμο οι συνδέσεις των φωτοβολταϊκών στοιχείων μέσα στα πλαίσια, αλλά και ανάμεσα στα πλαίσια να μην είναι μόνο στη σειρά αλλά και παράλληλες. Με αυτόν τον τρόπο, αν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο σκιαστεί ή αν πάθει βλάβη δεν θα μηδενιστεί η ισχύς που παράγει το σύστημα. Έτσι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ομαδοποιούνται σε φωτοβολταϊκές συστοιχίες και τοποθετούνται σε κοινή βάση στήριξης, η οποία είναι συνήθως μεταλλική. Η σύνδεση των πλαισίων στη σειρά ή παράλληλα γίνεται έτσι ώστε να η τάση εξόδου της γεννήτριας να αποκτήσει την επιθυμητή τιμή. Σταθερές συστοιχίες Στρεφόμενες συστοιχίες ανάλογα με το αν κινούνται σε έναν άξονα ή δύο άξονες. Συστοιχίες με ανακλαστήρες / κάτοπτρα Στρεφόμενες συστοιχίες με κάτοπτρ 5.9 Ανεμογεννήτριες Όπως έχει αναφερθεί, σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η τεχνική, οικονομική και περιβαλλοντική αξιολόγηση ενεργειακών συστημάτων, ή Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 101 από 162

103 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση συνδυασμού αυτών, τα οποία μπορούν να εγγυηθούν την πλήρη ενεργειακή αυτονομία του ιδρύματος του Τ.Ε.Ι Καβάλας και την απαλλαγή αυτού από τις παραδοσιακές κοστοβόρες και ρυπογόνες μεθόδους ηλεκτροπαραγωγής. Η πρωτηνώμενη ανεμογεννήτρια είναι η εξής : Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 102 από 162

104 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Εικόνα 5.5. Προτεινόμενη Α/Γ 10 kw System Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 103 από 162

105 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Overall height m Axis height 9.7 m Weight Generator 0.5 t Mast 1 t Rod arrangement with wing 0.54 t Complete system 3.5 t Performance Switching on speed 3 m/s Switching off speed 16 m/s Rotor Diameter 4.7 m Rated speed 125 rpm Design of the wings Aluminium Rotor surface 40 m2 Generator Design synchronous Torque 764 Nm Capacity rating 10 kw Max. rotational speed 130 rpm Rated current 15 A Type of protection IP 23 Cooling system Air Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 104 από 162

106 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Tower Design hot-dip galvanised Finishing Colour RAL 7011 Quality C5M Safety system Short circuit braking yes Mechanical braking optional Temperature monitoring yes Οδηγίες Συναρμολόγησης a) Θεμέλια (πελάηη) Μέγεθος 3.80 x 3.80 Τσιμέντο C 20/25 ποιότητα περίπου 21,66 m 3 Σκυρόδεμα Διαθέσιμο b) Καλώδιο τροφοδοσίας (πελάτη) Διάταξη καλωδίων ανα χάσμα (πτώση τάσης μέγιστο 3%) Η συσκευή δέχεται ασφάλεια 25 Α Δεν πρέπει να υπάρχει fault-current circuit breaker (F) στο current circle. c) Θάλαμος διακοπτών Ενσωμετωμένα στον πυλώνα Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 105 από 162

107 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Εγκατάσταση απο εγκεκριμένο τεχνικό (βάσει ηλεκτρικού σχεδίου) d) Βραχίονες Κατασκευάζονται σύμφωνα με το σχέδιο. e) Πτερύγια Ζυγοστάθμιση ( με laser ή με άλλο μέσο). f) Ισορροπία Η συσκευή δεν πρέπει να περιστρέφεται όταν βρίσκεται σε οριζόντια θέση. g) Κατασκευή Υπάρχει μια κυλινδρικός κοχλίας στην γεννήτρια ( στο άνω άκρο του άξονα). Η συσκευή συναρμολογίται σ αυτό τον κοχλία. Κατα την διάρκεια της συναρμολόγισης τα πτερύγια δεν πρέπει να έχουν τοποθετηθεί. Πρέπει να αποφεχθούν απότομες κινήσεις ( για την προστασια των εδράνων). Όταν ο πυλώνας σταθεροποιηθεί, το περιστρεφόμενο μέρος δεν πρέπει να υφίσταται καμμία καταπόνηση (σύνδεση με τον γερανό). h) Τοποθέτηση Ολες οι βίδες πρέπει να τοποθετούνται με δυναμόκλειδο κατά DIN κοχλία. ι) Test drive Η συσκευή πρέπει να ελεγχθεί για 5 λεπτά σε μέγιστη ταχύτητα. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 106 από 162

108 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Η συσκευή δέν πρέπει να τρέμει (φαινόμενα ταλάντωσης) κατα την διάρκεια της περιστροφής. Εικόνα 5.6. Θεμελίωση της Α/Γ 10 kw Τεχνικά δεδομένα Πτερύγια Διάμετρο 4.7 m περιστρεφώμενα μέρη 3 τεμ. Υπολογιζόμενη ταχύτητα 125U/λεπτό Υλικό κατασκευής Αλουμίνιο Επηφάνεια 40 m Γεννήτρια 0.5t Πυλώνας 1t Σύνδεσμοι πτερυγίων 0.54t WindCarrier Σύστημα Συνολικό ύψος 14,25 m Ύψος αξόνων 9,7m Βάρος Γεννήτρια 0,5t Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 107 από 162

109 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Ιστός 1t Ρυθμιστική ράβδος 0,54t Όλο το σύστημα 3,5t Απόδοση Ταχύτητα Ενεργοποίησης Ταχύτητα Απενεργοποίησης Ρότορας Διάμετρος Εκτιμώμενη ταχ. Σχεδιασμός φτερών Επιφάνεια Γενήτρια 3 m/sc 16 m/s 4,7 m 125 rpm al Σχεδιασμός Σύγχρονη Ροπή 764 Nm Ονομαστική ισχύς 10kw Μέγιστη περιστροφική 130rpm ταχύτητα Υπολογιζόμενο ρέυμα 15 A Τύπος προστασίας 23 Σύστημα ψύξεις Αέρας Πυλώνας Σχεδιασμός Φινίρισμα γαλβανισμένο Χρώμα RAL 7011 Ποιότητα C5M Σύστημα προστασίας Σύστημα πέδηδης Μηχανικό σύστημα πέδησης Ενδείξεις θερμοκρασίας ΝΑΙ Προαιρετικός ΝΑΙ Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 108 από 162

110 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Σχήμα 5.2. Χαρακτιριστηκά Δαστάσεις Α/Γ 10 kw Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 109 από 162

111 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Σχήμα 5.3.Σύστημα πέδησης Σχήμα 5.4.Βάση στήριξης Α/Γ Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 110 από 162

112 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 111 από 162

113 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Εύρεση του αντίστοιχου πλήθους. Σύμφωνα με τα δεδομένα των πινάκων ιστορικότητας, η ετήσια ζήτηση φτάνει της 2000MWh. Το 40% αυτού αποδίδει kwh. Η ανεμογεννήτρια μας αποδίδει ετησίως Kwh. Άρα, εάν διαιρέσουμε από το σύνολο, την παραγωγή της μίας, τότε θα βρούμε το πλήθος των Α/Γ ώστε να καλύψουμε την ζήτηση. Δηλαδή έχουμε : kwh / kwh = 27 A/Γ ΚΟΣΤΗ Το σταθερό ετήσιο κόστος συντήρησης και λειτουργίας των αιολικών μηχανών «w» εκφράζεται ως ένα ποσοστό «m%» του αρχικού επενδυμένου κεφαλαίου, αναπροσαρμοζόμενο κάθε χρόνο με το ρυθμό του ετήσιου πληθωρισμού «j». Όπως είναι λογικό το ποσοστό «m» εμφανίζει σημαντικές διακυμάνσεις, οι οποίες εξαρτώνται από το πλήθος και το μέγεθος των χρησιμοποιούμενων μηχανών του αιολικού πάρκου, από τον κατασκευαστή, τον εγκαταστάτη καθώς και από τοπικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή. Από τα διαθέσιμα στοιχεία της εγχώριας αγοράς στο σχήμα παρουσιάζεται η μεταβολή του ποσοστού «m» συναρτήσει της ονομαστικής ισχύος μεμονωμένων μηχανών. Στην περίπτωση που συναφθεί συμφωνία ασφάλισης του προσωπικού, της εγκατάστασης, αλλά και μιας ελάχιστης τιμής της ετήσιας ενεργειακής παραγωγής, ο συντελεστής «m» αυξάνεται κατά ένα ποσοστό 11,8%.Συνολικά, λοιπόν, το σταθερό κόστος συντήρησης και λειτουργίας των αιολικών μηχανών καθ όλη τη διάρκεια ζωής του έργου («Ν» έτη) είναι: Συμβουλευόμενοι το παραπάνω σχήμα και θεωρώντας συντελεστή ασφάλισης δ=1%, ο συνολικός συντελεστής κόστους συντήρησης και λειτουργίας για τις αιολικές μηχανές στην Αστυπάλαια διαμορφώνεται γύρω στο m=3%, δηλαδή το ετήσιο σταθερό κόστος συντήρησης και λειτουργίας του πάρκου θα αποτελεί το 3% της συνολικής αρχικής επένδυσης. Για την πραγματοποίηση της μετέπειτα προσομοίωσης, στην οποία τα οικονομικά στοιχεία της επένδυσης θα αναπτυχθούν περισσότερο, το επιτόκιο αναγωγής (προσδοκώμενη ετήσια απόδοση κεφαλαίου) θεωρείται ίσο με 10%, ο πληθωρισμός λαμβάνεται σταθερός =3%, ενώ το πραγματικό επιτόκιο αναγωγής είναι ίσο με 7%. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 112 από 162

114 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Το οικονομικό κόστος για της ανεμογεννήτριες αυτές είναι: 27 * = ευρώ Συνδεσμολογία των Α/Γ Το κόστος συντήρησης και λειτουργίας μιας αιολικής εγκατάστασης χωρίζεται στο σταθερό και το μεταβλητό κόστος. Στην πρώτη μορφή κόστους περιλαμβάνονται το άμεσο κόστος συντήρησης, το έμμεσο κόστος συντήρησης και λειτουργίας καθώς και το κόστος ασφάλισης της επένδυσης, ενώ η δεύτερη μορφή αφορά στην αντικατάσταση βασικών τμημάτων της εγκατάστασης, τα οποία έχουν μικρότερο χρόνο ζωής από τη συνολική επένδυση, όπως για παράδειγμα τα πτερύγια της πτερωτής, το κιβώτιο μετάδοσης και η ηλεκτρική γεννήτρια της αιολικής εγκατάστασης. Όπως προαναφέρθηκε, το μεταβλητό κόστος συντήρησης και λειτουργίας οφείλεται στην αντικατάσταση σημαντικών τμημάτων της μονάδας των οποίων ο χρόνος ζωής «κ» είναι μικρότερος αυτού της πλήρους εγκατάστασης. Σε ειδικές περιπτώσεις μάλιστα ο ακέραιος αριθμός των εγκαταστάσεων «κ» μπορεί να είναι μεγαλύτερος της μονάδος στη διάρκεια της ωφέλιμης περιόδου λειτουργίας της μηχανής. Συμβολίζοντας «κ» το κόστος αντικατάστασης καθενός από τα (κ=1) μέρη της Α/Γ, εκφραζόμενο ως ποσοστό του τη στιγμή έναρξης λειτουργίας της εγκατάστασης. Η κάθε αιολική μηχανή θεωρείται ενιαία και έχει χρόνο ζωής περίπου 25 έτη Οι συσσωρευτές Καθορισμός των επιθυμητών ωρών/ημερών αυτοδυναμίας του συστήματος. Εύρεση της αντίστοιχης χωρητικότητας των συσσωρευτών αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας για την αντιμετώπιση της ζήτησης στο διάστημα των πιθανών ημερών συνεχούς συννεφιάς. Συμφώνα με την ημερήσια ζήτηση αλλά και με την ζήτηση αιχμής, το Τ.Ε.Ι Καβάλας απαιτεί 600 kw την ημέρα. Ο συσσωρευτής μας δίνει 10 kw την ώρα και έχει συσσωρευμένο 100 kw.άρα 600/100 = 6. Για να παράγουμε 600 kw θα χρειαστούμε έξι (6) μπαταρίες. Παρακάτω απεικονίζεται ο επιλεγόμενος συσσωρευτής. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 113 από 162

115 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Εικόνα 5.5. Συσσορευτής CEL CUBE Με την αποθήκευση συσσωρευτή κυττάρων, το ισχυρό, ανθεκτικό και χαμηλής συντήρησης οξειδοαναγωγής βαναδίου, ροή μεγάλης κλίμακας λύση αποθήκευσης που αναπτύχθηκε μετά από πολλά χρόνια έρευνας, μια μοναδική λύση αποθήκευσης ενέργειας για το μέλλον έχει αναπτυχθεί. Το σύστημα μπαταριών λύνει τα προβλήματα της αποθήκευσης ενέργειας και ως εκ τούτου λειτουργεί ως μια αδιάκοπη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος με τη χρήση ηλιακής ενέργειας και ανεμογεννήτριες, ακόμα και στο σκοτάδι και όταν δεν υπάρχει άνεμος. Το σύστημα της μπαταρίας εξασφαλίζει μια καθαρή, χωρίς εκπομπές και γρήγορη παροχή ενέργειας ανά πάσα στιγμή. Χαρακτηρίζεται από υψηλή αξιοπιστία, σταθερή αποθήκευση και πολύ γρήγορους χρόνους αντίδρασης. Η κύβο κυττάρων μπορεί να ενσωματωθεί στην καθημερινή ενεργειακά συστήματα. Cell Cube FB MULTI STAGE Performance and energy Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 114 από 162

116 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Charring capacity rating Max. AC charring capacity Continuous charring capacity Discharging capacity rating Max. AC output power Continuous discharging capacity 10/15/12 kw 10/15/8 kw Energy storage unit capacity 100 kwh Battery and system voltage Output voltage option 120VAC 230VAC Power on time / Reaction time 48VDC <60ms Monitoring Status inquiry throygh remote data access via Charge stat (SOC), available energy, charge/ discharge capacity Efficiency Typical efficiency for charge / discharge cycles [ direct current] Up to 80% Efficiency optimization Multi- stage aperation reduces energy loss 3 independent, interruptible circuits with energy efficient Pump regulation Discharge time et rated power Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 115 από 162

117 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Discharge time [off grid] 10 hours, 8 kw continuous Self-discharge Self-discharge in standby mode Self-discharge in the talk [<1% annually] 150W negligible Size and weight Dimensions L*W*H (empty state) 4500*2200*2403 mm Weight (empty state) Gross weight (full state) 3500kg 10300kg Το κόστος της μπαταρίας αυτής αγγίζει της ευρώ. Άρα *6 = ευρώ Υπόδειξη των διαφόρων αναγκαίων διατάξεων ρύθμισης και ελέγχου Χωρητικότητα συσσωρευτών. Η χωρητικότητα του συσσωρευτή είναι 100 kw Έτσι έχουμε : 2 CellCubeFB = 20 kw, 200 kwh / ημέρα 3 CellCubeFB = 30 kw, 300 kwh / ημέρα 4 CellCubeFB = 40 kw, 400 kwh / ημέρα Και 6 CellCubeFB = 60kW, 600 kwh / ημέρα 5.11 Βασικές Οικονομικές Έννοιες κοστολόγιο. Η οικονομική σκοπιμότητα των επενδύσεων σε ενεργειακά συστήματα εξετάζεται με σύγκριση των βαθμών μακροπρόθεσμης οικονομικής απόδοσης των διαφόρων εναλλακτικών λύσεων (επενδύσεων) για την παραγωγή ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων για ίδια κατανάλωση και για εμπορική Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 116 από 162

118 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση διάθεση. Οι επενδύσεις σε ενεργειακά συστήματα είναι επομένως οικονομικά σκόπιμες, εάν η μείωση των λειτουργικών δαπανών για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών μπορεί να αποσβέσει το αρχικό κεφάλαιο σε εύλογο χρονικό διάστημα ή αν τα έσοδα από τη διάθεση της παραγόμενης ενέργειας οδηγούν σε κέρδη ικανά να ικανοποιήσουν τους επιχειρηματικούς στόχους του επενδυτή Oικονομικοί πίνακες. Στους οικονομικούς αυτούς πίνακες θα βγάλουμε το συνολικό κόστος της εγκατάστασης καθώς και την ολική απόσβεσή της. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται τα χρηματικά ποσά που απαιτεί κάθε σύστημα ξεχωριστά. Πίνακας 5.22.Οικονομικός πίνακας Κοστολόγιση Α/Γ ευρώ Φ/Β ευρώ CEL CUBE ευρώ Σύνολο ευρώ Εκτός ώμος από τα κόστη συστήματος, έχουμε και τα εξής κόστη : 1) Κόστος εγκατάστασης ( 25% του κόστους Φ/Β, Α/Γ και CellCube) 2) Κόστος εξοπλισμού. ( καλώδια, ταινίες, κεραίες κ.α.). (15% του κόστους Φ/Β, Α/Γ και CellCube) 3) Κόστος μεταφοράς συστημάτων και εξοπλισμού.( 20% του κόστους Φ/Β, Α/Γ και CellCube) Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 117 από 162

119 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση 4) Κόστος άδειας λειτουργίας και σχετικών εγγράφων. (0.5% % του κόστους Φ/Β, Α/Γ και CellCube) 5) Κόστος της μελέτης. (10% του κόστους Φ/Β, Α/Γ και CellCube) Άρα έχουμε : Κόστος εγκατάστασης : ευρώ Κόστος εξοπλισμού : ευρώ Κόστος μεταφοράς συστημάτων και εξοπλισμού : ευρώ Κόστος άδειας λειτουργίας και σχετικών εγγράφων : ευρώ Κόστος της μελέτης. : ευρώ Έτσι δημιουργείται ο τελικός πίνακας κοστολόγησης : Πίνακας 5.23.Πίνακας κοστολόγησης Κοστολόγιση Α/Γ ευρώ Φ/Β ευρώ CEL CUBE ευρώ Κόστος άδειας λειτουργίας και σχετικών εγγράφων ευρώ Κόστος της μελέτης ευρώ Κόστος εξοπλισμού ευρώ Κόστος μεταφοράς συστημάτων και εξοπλισμού ευρώ Κόστος εγκατάστασης ευρώ Συνολικό ποσό Ευρώ Απόσβεση Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 118 από 162

120 5. Πειραματική Διαδικασία Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Το Τ.Ε.Ι Καβάλας σύμφωνα με τα στοιχεία τον πινάκων ιστορικότιτας, έδωσε τα τελευταία 8 χρόνια, χρηματηκό ποσό ύψους ευρώ Πίνακας 5.24.Πίνακας ιστορικότητας ΕΤΟΣ ΕΥΡΩ ΣΥΝΟΛΟ Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, η απόσβεση του Τ.Ε.Ι ώστε να γίνει καθαρά αυτόνομο, θα χρειαστεί 25 χρόνια. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 119 από 162

121 . ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Συνδυασμένη χρήση Α/Γ, φωτοβολταϊκών και θερµικού συλλέκτη 6.1 Γενικά Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 120 από 162

122 6. Συνδυασμένη χρήση Α/Γ- Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Φ/Β - Θερμικού συλλέκτη Η χρήση Α/Γ, Φ/Β πλαισίων και θερµικών συλλεκτών ως συστήματα παραγωγή ενέργειας µμπορεί να αποτελέσουν µια ενδιαφέρουσα περίπτωση εφαρμογής ΑΠΕ για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών ενός κτιρίου σε ηλεκτρισµό και θερμότητα. Στην κατεύθυνση αυτή γίνονται προσπάθειες προς την αναζήτηση µμεθόδων συνδυασμού των παραπάνω συστημάτων που έχουν ως στόχο την αύξηση της απόδοσης της όλης διάταξης.στα πλαίσια αυτά, το κεφάλαιο αυτό αφορά την συνδυαστική χρήση της Α/Γ, των φβ και του ηλιακού θερµικού συλλέκτη, όπου ένα µέρος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας µμετατρέπεται σε θερµική ενέργεια. Μελετάται η περίπτωση του συνδυασμού της Α/Γ µε υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερµικά ηλιακά συστήματα νερού και αναλύεται ως ένα παράδειγμα, η δυνατότητα των συστημάτων αυτών να καλύψουν τις ηλεκτρικές και θερµικές απαιτήσεις δύο κατοικιών µε διαφορετικές ενεργειακές απαιτήσεις. 6.2 Θέρμανση νερού µε χρήση ηλεκτρικής αντίστασης Για την συνδυασμένη χρήση της Α/Γ,των Φ/Β πλαισίων και του θερµοσιφωνικού ηλιακού συλλέκτη εξετάσαµε την περίπτωση θέρμανσης του νερού του δοχείου της συσκευής µε τη βοήθεια ηλεκτρικής αντίστασης. Αυτή η θεώρηση στηρίζεται στην υπόθεση της εκμετάλλευσης της πλεονάζουσας ενέργειας που πιθανόν να υπάρξει από την Α/Γ και τα φβ πλαίσια, μετατρέποντας την σε θερµική. Ειδικότερα, είναι πιθανόν να υπάρξουν µέρες κατά τις οποίες η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από την Α/Γ και τα Φ/Β πλαίσια μπορεί να υπερκαλύψει τις ηλεκτρικές ανάγκες. Σε αυτές τις περιπτώσεις είναι δυνατή η μετατροπή της πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας σε θερµική, µε σκοπό την ανύψωση της µέσης θερμοκρασίας του νερού εντός του δοχείου βελτιώνοντας µε αυτόν το τρόπο την ενεργειακή αξιοποίηση του συστήματος. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 121 από 162

123 6. Συνδυασμένη χρήση Α/Γ- Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Φ/Β - Θερμικού συλλέκτη 6.3 Συνδυασμός Α/Γ µε υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερµικά ηλιακά συστήματα (φβ/θ συστήματα ή PV/T system) Στα πλαίσια του συνδυασμού αιολικής και ηλιακής ενέργειας για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων ενός κτιρίου η δυνατότητα χρήσης υβριδικών φωτοβολταϊκών/ θερµικών ηλιακών συστημάτων είναι δυνατόν να αυξήσει την συνολική απόδοση της εγκατάστασης. Είναι γνωστό ότι το µεγαλύτερο µέρος της απορροφώµενης ηλιακής ακτινοβολίας από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν μετατρέπεται σε ηλεκτρισµό αλλά σε θερμότητα, η οποία συντελεί στην αύξηση της θερμοκρασίας τους µε συνέπεια την μείωση της ηλεκτρικής τους απόδοσης. Τα ηλιακά συστήματα που έχουν την δυνατότητα να παρέχουν τόσο ηλεκτρική όσο και θερµική ενέργεια είναι τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερµικά συστήματα. Τα συστήματα αυτά όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενο κεφάλαιο αποτελούνται από Φ/Β πλαίσια µε ενσωματωμένη θερµική μονάδα απολαβής θερμότητας του Φ/Β, όπου ένα κυκλοφορούν ρευστό θερμαίνεται, ψύχοντας ταυτόχρονα το ΦΒ. Αυτές οι υβριδικές διατάξεις µμπορούν να αξιοποιηθούν για την θέρμανση του νερού σε χαµηλές θερμοκρασίες (µέχρι40 ) ώστε να επιτυγχάνεται παράλληλα και η διατήρηση χαµηλής θερµοκρασίας στα φ/β πλαίσια. Στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Παν/µίου Πατρών έχουν αναπτυχθεί διάφορες µορφές ΦΒ/θ συστημάτων, που χρησιμοποιούν νερό ή αέρα ως ρευστό απολαβής της θερμότητας για την βελτίωση της συνολικής τους ενεργειακής απόδοσης. Οι βασικοί τύποι υβριδικών ΦΒ/θ συσκευών νερού (PVT/WATER) μπορούν να φέρουν πρόσθετο διαφανές κάλυµµα (PVT+GL) για αύξηση της θερµικής τους απόδοσης ή και να είναι ακάλυπτοι για να µην έχουν μείωση της ηλεκτρικής τους απόδοσης. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 122 από 162

124 6. Συνδυασμένη χρήση Α/Γ- Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Φ/Β - Θερμικού συλλέκτη Σχήμα 6.1. Υβριδικοί Φ,Β/θ ηλιακοί συλλέκτες νερού, µε ή χωρίς διαφανές κάλυµµα Στο αντικείμενο αυτό και βάσει της εργασία Y. Tripanagnostopoulos, M. Souliotis, Th. Makris, P. Georgostathis 2007 Design and performance of hybrid PV/T solar water heaters τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερµικά συστήματα νερού µμπορούν να συνδεθούν µε δοχείο αποθήκευσης νερού για ημερήσια λειτουργία µε φυσική ροή αντικαθιστώντας τους επίπεδους θερµοσιφωνικούς συλλέκτες και τα ΦΒ πλαίσια. Επιπλέον, βάσει της εργασίας Y. Tripanagnostopoulos, 2006: Cost effective designs of Building intergrated PV/T Solar systems για την αποφυγή της λειτουργίας των υβριδικών ΦΒ/θ συλλεκτών σε υψηλή θερμοκρασία και κατά συνέπεια τη µείωση της ηλεκτρικής απόδοσης τόσο από τη θερμοκρασία όσο και από τις οπτικές απώλειες που προέρχονται από τη χρήση πρόσθετου γυάλινου καλύμματος, οι συσκευές αυτές µπορούν να συνδυαστούν αποδοτικά µε θερµικό ηλιακό συλλέκτη. Στην περίπτωση αυτή ο υβριδικός ΦΒ/θ συλλέκτης λειτουργεί κυρίως για την ψύξη του φωτοβολταϊκού και την προθέρμανση νερού, ενώ η κύρια θέρμανση του νερού επιτυγχάνεται µε την ηλιακή θερµική διάταξη. Στο φαίνεται η διάταξη συνδυασµού θερµοσιφωνικής συσκευής µε την υβριδική ΦΒ/θ συσκευή. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 123 από 162

125 6. Συνδυασμένη χρήση Α/Γ- Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Φ/Β - Θερμικού συλλέκτη Σχήμα 6.2. Συνδυασμένη διάταξη ΦΒ/θ συλλέκτη µε θερµοσιφωνική ηλιακή συσκευή Ημερήσια διαγράμματα απόδοσης υβριδικού ΦΒ/θ θερµοσιφωνικού συστήματος Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται ενδεικτικά διαγράμματα από την απόδοση και την ημερήσια λειτουργία του υβριδικού ΦΒ/θ που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Παν/µίου Πατρών. Στο διάγραµµα 25 φαίνεται η µεταβολή των κυριότερων παραμέτρων κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας του ΦΒ/θ συλλέκτη ενώ στο διάγραµµα 26 παρουσιάζεται η µεταβολή της ηλεκτρικής απόδοσης των φβ πλαισίων σε σχέση µε τη θερμοκρασία και της θερµικής απόδοσης των φβ/θ µονάδων του συλλέκτη µε και χωρίς γυάλινο κάλυµµα. Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 124 από 162

126 6. Συνδυασμένη χρήση Α/Γ- Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Φ/Β - Θερμικού συλλέκτη ιάγραµµα 6.1.Ηµερήσια λειτουργία υβριδικού ΦΒ/θ συλλέκτη χωρίς διάφανο κάλυµµα ιάγραµµα 6.2.Ημερίσια λειτουργεία υβριδικού Φ/Β Θ συλλέκτη Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 125 από 162

127 6. Συνδυασμένη χρήση Α/Γ- Αυτονομία του Τ.Ε.Ι Καβάλας με τη χρήση Φ/Β - Θερμικού συλλέκτη ιάγραµµα 6.3 (α) Μεταβολή της ηλεκτρικής απόδοσης του υβριδικού φβ/θ συλλέκτη µε και χωρίς γυάλινο κάλυµµα (β) Απόδοση υβριδικού φβ/θ θερµοσιφωνικού ηλιακού συλλέκτη Μαλάι Οδυσσέας Σελίδα 126 από 162