ΑΠΘ, Τµ. Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Σηµειώσεις, Γ. Τσιλιγκιρίδη

Transcript

1 2. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1. Ο ΗΛΙΟΣ Οι θερµοπυρηνικές αντιδράσεις που γίνονται στον Ήλιο εκλύουν ενέργεια µε την µορφή ισχυρότατης ακτινοβολίας. Η ακτινοβολούµενη ενέργεια του Ήλιου προέρχεται από τη µετατροπή 654 εκατοµµυρίων τόνων υδρογόνου σε 650 εκατοµµύρια τόνους ηλίου ανά δευτερόλεπτο στο εσωτερικό της ηλιακής σφαίρας (εικόνα ΗΛΚ-1). Η διαφορά των 4 εκατοµµυρίων τόνων, που είναι µικρό µόνο κλάσµα της µάζας της αρχικής ποσότητας υδρογόνου, µετατρέπεται σε ενέργεια µε ισοδύναµη θερµαντική ενέργεια αξία 20 τόνων άνθρακα για κάθε γραµµάριο υδρογόνου που «χάνεται». Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά του Ήλιου παρατίθενται στον πίνακα ΗΛΚ-1. Εικόνα ΗΛΚ-1: Σχηµατική παράσταση της σύνθεσης του Ήλιου Η ισχύς της ακτινοβολίας που δέχεται η Γη από τον Ήλιο είναι κατά µέσο όρο 173x10 l5 W. Η Γη εκπέµπει βέβαια ίσο ποσό ενέργειας στο διάστηµα και έτσι δηµιουργείται µια κατάσταση ισορροπίας, µε αποτέλεσµα να διατηρείται η µέση θερµοκρασία της γης σταθερή, γύρω στους 7 C. Από την ενέργεια της ακτινοβολίας, που εκπέµπει ο Ήλιος ανά δευτερόλεπτο, οι πλανήτες και οι δορυφόροι δέχονται µόνο το 1/ Το µεγαλύτερο µέρος της ολικής ακτινοβολίας εµφανίζεται στην περιοχή κυµάτων του ορατού φωτός. Το φως ξεκινάει από τη φωτόσφαιρα του Ήλιου, που βρίσκεται στη βάση της ηλιακής ατµόσφαιρας πάχους 500 km και που µας κάνει αδύνατη την ενατένιση του Ήλιου. ΗΛΚ-1.

2 Πίνακας ΗΛΚ-1: Σηµαντικά χαρακτηριστικά του Ήλιου Απόσταση Ήλιου - Γης έως km Όριο του ηλιακού συστήµατος km Ηλιακή σταθερά 1,94 ± 0,04 cal/cm 2 min = W/m 2 Eξωτερικό στρώµα του Ήλιου 75% υδρογόνο, 23% ήλιο, 2% άλλα αέρια ιάµετρος του Ήλιου περίπου km 109 φορές µεγαλύτερη από την διάµετρο της Γης Επιφάνεια του Ήλιου 6, km φορές µεγαλύτερη από την επιφάνεια της Γης Όγκος του Ήλιου 1, km φορές µεγαλύτερος από τον όγκο της Γης Μάζα του Ήλιου 1, kg φορές µεγαλύτερη από τη µάζα της Γης 745 φορές η µάζα όλων των πλανητών Μέση πυκνότητα του Ήλιου 0,253 της µέσης πυκνότητας της Γης 1,41 φορές την πυκνότητα του νερού Ένταση του µαγνητικού 10-4 Tesla πεδίου του Ήλιου Θερµοκρασία ισορροπίας Κ στην επιφάνεια του Ήλιου Θερµοκρασία Κ στο εσωτερικό του Ήλιου Απόθεµα ενέργειας του Ήλιου 1, J Ετήσια ανάλωση του Ήλιου 1, J Το φάσµα της ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την ατµόσφαιρα ισοδυναµεί µε την εκποµπή µέλανος σώµατος θερµοκρασίας K (εικόνα ΗΛΚ-2). Είναι συνεχές φάσµα που εκτείνεται από τα 200 nm, δηλ. από την υπεριώδη περιοχή µέχρι nm, δηλ. την υπέρυθρη ακτινοβολία και έχει αιχµή γύρω στα 500 nm. Η απορρόφηση που πραγµατοποιείται από την ατµόσφαιρα είναι επιλεκτική για τα διάφορα µήκη κύµατος και αναφέρεται στις περιοχές απορρόφησης των αερίων που περιέχει η ατµόσφαιρα. Εικόνα ΗΛΚ-2: Φασµατική κατανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας: (a) εξωτερικά της ατµόσφαιράς, (b) στο επίπεδο της θάλασσας, (c) ισοδύναµη εκποµπή µέλανος σώµατος στους K. ΗΛΚ-2.

3 Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στα όρια της ατµόσφαιρας της Γης έχει µια µέση τιµή W/m² και ονοµάζεται ηλιακή σταθερά. δραστηριότητα των κηλίδων µπορεί να µεταβάλλει την ισχύ της εκπεµπόµενης ενέργειας κατά ±2% και υπάρχει επίσης µια διακύµανση ±3,5% λόγω της µεταβολής της απόστασης Ήλιου και Γης. Η απορρόφηση της ατµόσφαιρας µειώνει την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά ένα ποσό, πού εξαρτάται πρώτα από το µήκος της διαδροµής µέσα στην ατµόσφαιρα και υστέρα από την κατάσταση της ατµόσφαιρας (συννεφιά, αιωρούµενα σωµατίδια). Όταν ο Ήλιος είναι στο ζενίθ, η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, πού µετράται σε οριζόντιο επίπεδο, µπορεί να φθάσει την τιµή W/m 2 στο επίπεδο της θάλασσας. Το ετήσιο ποσό της ακτινοβολίας, που δέχεται ένα συγκεκριµένο µέρος, εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και τις τοπικές κλιµατολογικές συνθήκες. Από την προσπίπτουσα στην ατµόσφαιρα της Γης ηλιακή ακτινοβολία περίπου το 30% ανακλάται απευθείας στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας χωρίς αλλαγή του µήκους κύµατος. Περίπου 47% απορροφάται από την ατµόσφαιρα και από την επιφάνεια της γης, προκαλώντας την ανύψωση της θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας και στη συνέχεια επανακτινοβολείται στο διάστηµα. Το υπόλοιπο 23% γίνεται κινητήρια δύναµη των ανέµων, των ρευµάτων, των κυµάτων, συντελεί στη διαµόρφωση του κλίµατος και προκαλεί τον υδρολογικό κύκλο. Τέλος και αυτή η ενέργεια επανακτινοβολείται στο διάστηµα (εικόνα ΗΛΚ-3). Εικόνα ΗΛΚ-3: Σχηµατική απεικόνιση της ροής ενέργειας στη ΓΗ. ΗΛΚ-3.

4 Ένα µικρό ποσοστό, περίπου 0,02%, από το συνολικό ποσό που έρχεται από τον Ήλιο, εισέρχεται στο βιολογικό σύστηµα µε φωτοσύνθεση. Ένα µικρό ποσοστό της ενέργειας αποθηκεύεται σαν χηµική ενέργεια στα φυτά και στους ζωντανούς ιστούς, στα ζώα. Μετά από εκατοµµύρια χρόνια και κάτω από ειδικές γεωλογικές συνθήκες έχει µετασχηµατισθεί στη Γη σε πετρέλαιο, φυσικό αέριο και σε κάρβουνο και είναι το γνωστό µας απόθεµα των ορυκτών καυσίµων. Ο ρυθµός σχηµατισµού αυτών των ορυκτών αυτών καυσίµων είναι πάρα πολύ µικρός, αν τον συγκρίνουµε µε το σηµερινό ρυθµό εξόρυξης και κατανάλωσής τους ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΙΑΧΥΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Κατά τη διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας µέσα από την ατµόσφαιρα, ένα µέρος της ανακλάται στο διάστηµα ή απορροφάται από το όζον, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα, ένα µέρος διαχέεται από τα µόρια του αέρα, του νερού, της σκόνης και χαρακτηρίζεται σαν διάχυτη ακτινοβολία, ενώ το υπόλοιπο χαρακτηρίζεται σαν άµεση ακτινοβολία. Το άθροισµα της διάχυτης και της άµεσης χαρακτηρίζεται ως ολική ηλιακή ακτινοβολία. Η απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από την ατµόσφαιρα οφείλεται σε ένα πολύ µεγάλο ποσοστό στο όζον, για το υπεριώδες φάσµα της ακτινοβολίας, και στους υδρατµούς και το διοξείδιο του άνθρακα για µήκη κύµατος κοντά στο υπέρυθρο. Για µικρά µήκη κύµατος το όζον απορροφά πλήρως την ακτινοβολία στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας σε µήκη κύµατος κάτω των 0,29µm, ενώ στην συνέχεια η απορρόφηση συνεχώς µειώνεται µέχρι τα 0,35µm πάνω από τα οποία δεν υπάρχει απορρόφηση. Η διάχυση της ηλιακής ακτινοβολίας σχετίζεται µε τον αριθµό των σωµατιδίων µέσα από τα οποία πρέπει να διέλθει η ακτινοβολία και από το µέγεθος των σωµατιδίων το οποίο σχετίζεται µε τον µήκος κύµατος της ακτινοβολίας. Η διάχυση εξαιτίας των µορίων του αέρα εξαρτάται από τον όγκο του αέρα που η ακτινοβολία πρέπει να διέλθει. Η διάχυση εξαιτίας της σκόνης και του νερού εξαρτάται από τον όγκο του αέρα αλλά και από τις ποσότητες υγρασίας και σκόνης που βρίσκονται στην ατµόσφαιρα και οι οποίες είναι χρονο- και χωρο- εξαρτώµενες. Για πρακτικές εφαρµογές θεωρούµε ότι η φασµατική κατανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας είναι ίδια τόσο για την άµεση όσο και για την διάχυτη ακτινοβολία, ενώ γενικά για τις γήινες εφαρµογές µόνο η ακτινοβολία µε µήκη κύµατος µεταξύ 0,29µm και 2,5µm χρειάζεται να ληφθεί υπόψη. Η ακτινοβολία που δέχεται οποιαδήποτε επιφάνεια στη Γη αποτελείται από πολλά τµήµατα (Εικόνα ΗΛΚ-4), την άµεση, την διάχυτη και την ανακλώµενη ηλιακή ακτινοβολία, αλλά και από την θερµική ακτινοβολία της ατµόσφαιρας και της επιφάνειας της Γης. Εικόνα ΗΛΚ-4: ιάφορα είδη ακτινοβολίας στη επιφάνεια της γης o = εκτός της ατµόσφαιρας d = άµεση ηλιακή ακτινοβολία h = ακτινοβολία ουρανού D = διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία r = ακτινοβολία από αντανάκλαση a = θερµική ακτινοβολία ατµόσφαιρας e = θερµική ακτινοβολία περιβάλλοντας T = Συνολική ηλιακή ακτινοβολία ΗΛΚ-4.

5 ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Για την µέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας χρησιµοποιούνται όργανα δύο βασικών τύπων. Το πυρηλιόµετρο (εικόνα ΗΛΚ-5α) είναι ένα όργανο που χρησιµοποιεί έναν ευθυγραµµισµένο αισθητήρα για την µέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τον ήλιο και από ένα µικρό µέρος της ατµόσφαιρας γύρω από αυτόν σε συνηθισµένες κλίσεις (µετράει δηλαδή µόνο άµεση ακτινοβολία). Το πυρανόµετρο (εικόνα ΗΛΚ-5β) είναι ένα όργανο που µετράει την συνολική ηλιακή ακτινοβολία (άµεση και διάχυτη) συνήθως σε µια οριζόντια επιφάνεια. Αν το όργανο σκιαστεί από την άµεση ακτινοβολία από ένα δίσκο ή από ένα δακτύλιο, τότε µετράει µόνο την διάχυτη ακτινοβολία (Εικόνα 4.2). εδοµένα για την ηλιακή ακτινοβολία είναι διαθέσιµα σε πολλές µορφές. ύο τύποι δεδοµένων ηλιακής ακτινοβολίας είναι ευρύτατα διαδεδοµένοι, ο πρώτος είναι η µηνιαία µέση ηµερήσια ολική ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο. Ο δεύτερος είναι η ωριαία ολική ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο Ι για κάθε ώρα για εκτεταµένες χρονικές περιόδους (ένα ή περισσότερα χρόνια). Συνηθισµένες µονάδες µέτρησης είναι το MJ/m 2 και η kwh/m 2. (α) (β) Εικόνα ΗΛΚ-5: (α) Τυπικό πυρηλιόµετρο στηριγµένο σε βάση παρακολούθησης του ηλίου, (β) Τυπικό πυρανόµετρο ΗΛΙΑΚΕΣ ΓΩΝΙΕΣ Οι γεωµετρικές σχέσεις µεταξύ µιας επιφάνειας µε οποιαδήποτε κλίση και προσανατολισµό ως προς την επιφάνεια της Γης, για οποιαδήποτε χρονική στιγµή και της εισερχόµενης άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας, δηλαδή η θέση του Ήλιου σε σχέση µε την επιφάνεια, µπορεί να περιγραφεί µε την βοήθεια αρκετών γωνιών (εικόνα ΗΛΚ-6). Οι γωνίες αυτές είναι: φ γεωγραφικό πλάτος, η απόσταση νότια ή βόρεια από τον ισηµερινό (ως θετικό παίρνουµε τον βόρειο: -90 ο φ 90 ο ), δ γωνία αιώρησης, η γωνιακή θέση του ήλιου όταν ο ήλιος είναι στον τοπικό µεσηµβρινό σε σχέση µε το επίπεδο του ισηµερινού (ως θετικό παίρνουµε τον βόρειο: -23,45 ο δ 23,45 ο ), β κλίση, η γωνία µεταξύ του επιπέδου της προς εξέταση επιφάνειας και του οριζόντιου επιπέδου: 0 ο β 180 ο (για β 90 ο η επιφάνεια κοιτάει προς το έδαφος), γ γωνία αζιµουθίου επιφανείας, η απόκλιση της προβολής της καθέτου της επιφανείας σε µια οριζόντια επιφάνεια στον τοπικό µεσηµβρινό (θεωρούµε ως µηδέν τον νότιο προσανατολισµό ενώ αρνητικές τιµές έχουµε ανατολικά και θετικές προς την δύση: -180 ο γ 180 ο ), θ γωνία πρόσπτωσης, η γωνία µεταξύ της άµεσης ακτινοβολίας σε µια επιφάνεια και στην κάθετη στην επιφάνεια, ω γωνία της ώρας, η γωνιακή µετατόπιση του ήλιου ανατολικά ή δυτικά του τοπικού µεσηµβρινού εξαιτίας της περιστροφής της γης γύρω από τον άξονα της κατά 15 ο την ώρα (έχουµε αρνητικές τιµές για το πρωί και θετικές για το απόγευµα), ΗΛΚ-5.

6 Ορίζονται επιπρόσθετες γωνίες που περιγράφουν την θέση του ήλιου στον ουρανό: θ z γωνία ζενίθ, η γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ της καθέτου και µιας νοητής ευθείας προς τον ήλιο α s γωνία ηλιακού ύψους, η συµπληρωµατική της θ z γ s γωνία ηλιακού αζιµούθιου, η γωνιακή µετατόπιση ως προς το νότο της προβολής της άµεσης ακτινοβολίας σε µια οριζόντια επιφάνεια (µετατοπίσεις ανατολικά ως προς τον νότο θεωρούνται θετικές ενώ δυτικά ως προς τον νότο αρνητικές). Μεταξύ των παραπάνω γωνιών υπάρχουν µερικές χρήσιµες σχέσεις που συνδέουν την γωνία θ µε τις υπόλοιπες: cos θ = sin δ (sin φ cos β - cos φ sin β cos γ) + cos δ cos ω (cos φ cos β + sin φ sin β cos γ) + cos δ sin ω sin β sin γ cos θ = cos θ z cos β + sin θ z sin β cos (γ ς -γ) <ΗΛΚ-1> <ΗΛΚ-2> Εικόνα ΗΛΚ-6: Γωνίες που σχηµατίζονται µεταξύ ηλιακής ακτινοβολίας και συλλέκτη ΛΟΓΟΣ ΑΜΕΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΕ ΚΕΚΛΙΜΕΝΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΠΡΟΣ ΑΥΤΗ ΣΕ ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ Ένα συνηθισµένο πρόβληµα στις ηλιακές εφαρµογές είναι ο υπολογισµός της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε µια κεκλιµένη επιφάνεια όταν είναι γνωστή µόνο η ολική ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο. Στην περίπτωση αυτή είναι απαραίτητο να γνωρίζουµε την διεύθυνση από την οποία η άµεση και η διάχυτη ακτινοβολία φτάνουν στην προς µελέτη επιφάνεια. Για το γεωµετρικό πρόβληµα της κατεύθυνσης της δέσµης χρησιµοποιούµε τον γεωµετρικό συντελεστή R b ο οποίος µας δίνει τον λόγο της άµεσης ακτινοβολίας σε µια κεκλιµένη επιφάνεια προς αυτή σε µια οριζόντια επιφάνεια για οποιαδήποτε χρονική στιγµή και υπολογίζεται από τον τύπο: R b cosθ = <ΗΛΚ-3> cosθ z Τα cosθ και cosθ z υπολογίζονται από τις σχέσεις (ΗΛΚ-1> και <ΗΛΚ-2>. ΗΛΚ-6.

7 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Από δεδοµένα για ώρες ηλιοφάνειας Τα δεδοµένα ηλιακής ακτινοβολίας είναι η καλύτερη πηγή πληροφοριών για τον υπολογισµό της µέσης προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Σε περίπτωση όµως που δεν υπάρχουν διαθέσιµα τέτοια στοιχεία για την περιοχή που θέλουµε ή δεν έχουµε στοιχεία ούτε για κοντινές περιοχές µε παρόµοιες κλιµατικές συνθήκες, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε εµπειρικές σχέσεις για τον υπολογισµό της ακτινοβολίας από τις ώρες ηλιοφάνειας. εδοµένα για την µέση ηλιοφάνεια είναι ευρύτατα διαδεδοµένα από εκατοντάδες µετεωρολογικούς σταθµούς σε όλες τις χώρες. Για τον υπολογισµό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας από τις ώρες ηλιοφάνειας χρησιµοποιείται η παρακάτω σχέση: o n = a + b <ΗΛΚ-4> N όπου: η µέση µηνιαία ηµερήσια ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια o η ακτινοβολία έξω από την ατµόσφαιρα για την συγκεκριµένη περιοχή a,b σταθερές που εξαρτώνται από την τοποθεσία Το πηλίκο αναφέρεται ως µέσος µηνιαίος δείκτης αιθριότητας και συµβολίζεται µε K T. Εκτός o από τον µέσο µηνιαίο δείκτη αιθριότητας, µπορούµε να υπολογίσουµε και την διάχυτη ακτινοβολία ως µέρος του συνδέεται µε το K T, η οποία στην περίπτωση αυτή περιγράφεται από το πηλίκο K T µε τις παρακάτω σχέσεις: d. Το d d 2 3 1,391 3,560KT + 4,189KT 2,137KT = <ΗΛΚ-5> Από δεδοµένα ολικής ακτινοβολίας σε οριζόντια επιφάνεια Η κλίση της συλλεκτικής επιφάνειας αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που µπορεί να χρησιµοποιηθεί από ένα ηλιακό σύστηµα. Ανάλογα µε τον µήνα και την τοποθεσία στην οποία βρίσκεται η συλλεκτική επιφάνεια η βέλτιστη κλίση διαφοροποιείται (µεγάλες κλίσεις τον χειµώνα, µικρές το καλοκαίρι, εικόνα ΗΛΚ-7), αν και κλίση αντίστοιχη µε το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής, όπου είναι τοποθετηµένη η συλλεκτική επιφάνεια, προσδίδει τα µέγιστα δυνατά ετήσια οφέλη. Το βασικό πρόβληµα για τον υπολογισµό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε κεκλιµένες επιφάνειες είναι ότι συνήθως γνωρίζουµε µόνο την ολική ακτινοβολία για οριζόντια επιφάνεια. Για τον υπολογισµό είναι απαραίτητη η γνώση των διευθύνσεων από τις οποίες η άµεση και η διάχυτη ακτινοβολία φτάνουν στην κεκλιµένη επιφάνεια. Για την άµεση ακτινοβολία µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε την σχέση <ΗΛΚ-3>, το πρόβληµα προκύπτει για την διάχυτη ακτινοβολία καθώς η διανοµή της στον ουράνιο θόλο είναι συνάρτηση της ατµοσφαιρικής καθαρότητας και της ύπαρξης νεφώσεων, το οποία παρουσιάζουν υψηλή µεταβλητότητα. Σε γενικές γραµµές θεωρούµε ότι η διάχυτη ακτινοβολία αποτελείται από τρία µέρη. Το πρώτο είναι το ισοτροπικό µέρος, το οποίο λαµβάνεται οµοιόµορφα από όλο τον ουράνιο θόλο. Το δεύτερο είναι η περιβάλλουσα τον ήλιο διάχυτη ακτινοβολία, αποτέλεσµα της εµπρόσθιας διάχυσης της ηλιακής ακτινοβολίας και συγκεντρώνεται στην περιοχή του ουράνιου θόλου γύρω από τον ήλιο. Το τρίτο αναφέρεται ως λάµψη του ορίζοντα, και είναι συγκεντρωµένη κοντά στον ορίζοντα ενώ είναι εντονότερη σε καθαρή ατµόσφαιρα. ΗΛΚ-7.

8 Η γωνιακή κατανοµή της διάχυτης ακτινοβολίας εξαρτάται σε µικρό βαθµό από την ανακλαστικότητα του εδάφους. Μεγάλη ανακλαστικότητα (όπως το χιόνι) έχει σαν αποτέλεσµα µεγάλη ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας προς τον ουρανό, η οποία στην συνέχεια διαχέεται µε αποτέλεσµα την λάµψη του ορίζοντα. Εικόνα ΗΛΚ-7: Μεταβολές της µέσης ηµερήσιας ακτινοβολίας για διάφορες κλίσεις σε περιοχή µε γεωγραφικό πλάτος 45 ο Ισοτροπικός Ουράνιος Θόλος Στην περίπτωση αυτή θεωρούµε ότι ο συνδυασµός της διάχυτης και της ανακλώµενης από το έδαφος ακτινοβολίας είναι ισοτροπικός. Η µέση µηνιαία ηλιακή ακτινοβολία σε µια κεκλιµένη επιφάνεια υπολογίζεται από τις παρακάτω σχέσεις: + = d 1 cosβ 1 cosβ T 1 Rb + d + ρ g <ΗΛΚ-7> 2 2 και R T = <ΗΛΚ-8> Στις παραπάνω σχέσεις το πηλίκο d υπολογίζεται από την σχέση <ΗΛΚ-5>. Στην παραπάνω σχέση ο συντελεστής Rb εκφράζει τον λόγο της µέσης ηµερήσιας άµεσης ακτινοβολίας που δέχεται η κεκλιµένη επιφάνεια προς αυτή µιας οριζόντιας επιφάνειας για τον συγκεκριµένο µήνα. Για επιφάνειες που είναι προσανατολισµένες προς τον ισηµερινό στο βόρειο ηµισφαίριο, δηλαδή για επιφάνειες στις οποίες ισχύει γ = 0 ο, ο λόγος δίνεται από την σχέση: ΗΛΚ-8.

9 R b ΑΠΘ, Τµ. Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Σηµειώσεις, Γ. Τσιλιγκιρίδη ( φ β ) cosδ sinω + ( π /180) ω sin( φ β ) cos s s sinδ = <ΗΛΚ-9> cosφ cosδ sinω + ( π /180) ω sinφ sinδ s s όπου ω s η γωνία δύσης του ήλιου σε µοίρες και ω s η γωνία δύσης του ήλιου για την κεκλιµένη επιφάνεια για την µέση µέρα του µήνα, η οποία υπολογίζεται από την σχέση: cos ω s = min cos 1 1 ( tanφ tanδ ) tan( φ β ) ( tanδ ) <ΗΛΚ-10> όπου «min» σηµαίνει την µικρότερη από τις δύο τιµές στην αγκύλη, ενώ το δ υπολογίζεται από την σχέση: {( 360* ( ))/365} δ = 23,45sin n <ΗΛΚ-11> όπου n η ηµέρα του έτους (n=1 για την 1 η Ιανουαρίου) ΜΕΘΟ ΟΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η συνολική ηλιακή ενέργεια που φθάνει στην επιφάνεια της Γης είναι περίπου TW (3,8*10 24 J/an). Για την κάλυψη όλων των ενεργειακών αναγκών της ανθρωπότητας αρκεί η εκµετάλλευση του 0, της ενέργειας αυτής µε βαθµό απόδοσης 10%. εν είναι υπερβολή να πει κανείς ότι η ηλιακή ακτινοβολία µπορεί τελικά να είναι η πρώτη ενεργειακή πηγή και ιδεατά η µόνη πηγή για θέρµανση, ηλεκτρισµό, κτλ. Αυτή η σύγκριση δείχνει την τεράστια ποσότητα ενέργειας που δέχεται η γη από τον ήλιο. Το αν όµως ο Ήλιος µπορεί να δώσει όλη την ενέργεια που χρειάζεται για ένα κόσµο που θα αναπτύσσεται συνεχώς, εξαρτάται από τους τρόπους που θα βρεθούν για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Στην επιφάνεια της Γης το προφανέστερο χαρακτηριστικό της ηλιακής ακτινοβολίας είναι ότι η ενέργεια της παρουσιάζει µια µεγάλη χρονική διακύµανση µεταξύ µιας µέγιστης τιµής κατά τη διάρκεια των ευνοϊκότερων συνθηκών της ηµέρας και της µηδενικής τιµής που αποκτά τη νύκτα. Επιπλέον υπάρχει µια σηµαντική διακύµανση ανάλογα µε την εποχή του χρόνου, όπως και ανάλογα µε τη γεωγραφική θέση. Στον ισηµερινό είναι 3πλάσια απ' ότι στις βορειότερες χώρες, στη βόρεια Ευρώπη το χειµώνα είναι το 1/10 του καλοκαιριού, ενώ στον ισηµερινό διαφέρει κατά ένα λόγο 2. Επίσης υπάρχει διακύµανση και στη σχέση της έµµεσης προς την άµεση ηλιακή ακτινοβολία π.χ στη Μεγάλη Βρετανία το χειµώνα η έµµεση είναι το 85% της ολικής ακτινοβολίας. Ένα δεύτερο χαρακτηριστικό είναι ότι η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στη Γη αποτελεί µια αραιή µορφή ενέργειας π.χ η θερµική ισχύς που µεταδίδεται µέσω 1m 2 θερµαινόµενης επιφάνειας ενός ατµολέβητα είναι περίπου 35 φορές µεγαλύτερη από τη µέγιστη τιµή της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο ίδιο εµβαδόν στην επιφάνεια της γης. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά (µειονεκτήµατα) - η χρονική διακύµανση και η χαµηλή πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας - είναι οι κύριες αιτίες για τη δηµιουργία προβληµάτων που εµφανίζονται στις πρακτικές εφαρµογές της µετατροπής της σε ηλεκτρική ή άλλες εύχρηστες µορφές ενέργειας. Η ηλιακή ενέργεια αξιοποιείται µε διάφορες µεθόδους που µπορούν να οµαδοποιηθούν σε 3 µεγάλες κατηγορίες: τις φωτοχηµικές, τις φωτοθερµικές και τις φωτοηλεκτρικές µεθόδους. Οι φωτοθερµικές µέθοδοι διακρίνονται σε παθητικές (χωρίς κινούµενα µέρη και ρευστά) και σε ενεργητικές. ΗΛΚ-9.

10 2.4. ΦΩΤΟΧΗΜΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ Η κατηγορία αυτή µεθόδων βασίζεται κυρίως στη χρησιµοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας για την πραγµατοποίηση χηµικών αντιδράσεων, που τα προϊόντα τους αποτελούν πρώτες ύλες για την εύκολη παραγωγή ωφέλιµης ενέργειας. Η κυριότερη µορφή χηµικής µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας είναι η φωτοβιοχηµική µετατροπή. Ορισµένοι βιολογικοί οργανισµοί κυρίως τα φυτά, συνθέτουν καρβοξύλιο από διοξείδιο του άνθρακα CO 2 και νερό 2 O απορροφώντας ένα ποσό από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και αποθηκεύοντάς την σε χηµικές ενώσεις. Η γενική µορφή της φωτοσύνθεσης είναι: CO O + ηλιακή ακτινοβολία καρβοξύλιο + O 2 <ΗΛΚ-12> Σήµερα το µεγαλύτερο ενδιαφέρον συγκεντρώνεται: α) Στη φωτοηλεκτρόλυση του νερού για την παραγωγή Η 2 για να χρησιµοποιηθεί σαν καύσιµο. Οι αποδόσεις µετατροπής που επιτυγχάνονται εδώ φτάνουν το 2%. β) Στην προγραµµατισµένη ανάπτυξη κατάλληλων φυτών για την παραγωγή καύσιµης ξυλείας και υγρών βιοκαυσίµων (βιο-diesel, βιο-αιθανόλης). Στην περίπτωση των καυσόξυλων η απόδοση της µετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας είναι περίπου 0,5%-2,0% ΠΑΘΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ Τα παθητικά συστήµατα µπορούµε να τα ξεχωρίσουµε από τα ενεργητικά από δυο βασικές διαφορές. Πρώτη διαφορά είναι ο βαθµός µε το οποίο η συλλογή και αποθήκευση της ενέργειας είναι ενσωµατωµένη στην δοµή του κτιρίου, παράθυρα και τα δωµάτια πίσω από αυτά µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως συλλέκτες, ενώ η αποθήκευση παρέχεται ως αποθηκευµένη θερµότητα στα δοµικά στοιχεία του κτιρίου καθώς αυτά µεταβάλλουν την θερµοκρασία τους. εύτερη διαφορά είναι ότι πολλά παθητικά συστήµατα δεν χρειάζονται καθόλου µηχανική ενέργεια ή κίνηση ρευστών για την λειτουργία τους. Τα ρευστά και η ενέργεια «κινούνται» εξαιτίας των θερµοκρασιακών βαθµίδων που δηµιουργούνται από την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας (από εκεί προκύπτει και ο όρος παθητικά). Στόχος των παθητικών συστηµάτων είναι η µεγιστοποίηση της κάλυψης των ενεργειακών αναγκών του κτιρίου τόσο για θέρµανση, όσο και για δροσισµό ή φωτισµό. Από την φύση τους, τα παθητικά συστήµατα θέρµανσης είναι άµεσα συνδεδεµένα µε τον αρχιτεκτονικό σχεδιασµό (βιοκλιµατικός σχεδιασµός), καθώς το ίδιο το κτίριο ή διάφορα µέρη του (τοίχοι, οροφές, δάπεδα, υαλοστάσια) λειτουργούν σαν µονάδα συλλογής και αποθήκευσης της ηλιακής ενέργειας και σαν χώρος στον οποίο οι άνθρωποι ζούνε, δουλεύουν και προστατεύονται από τις εξωτερικές καιρικές συνθήκες. Ως βασικές αρχές βιοκλιµατικού σχεδιασµού θέρµανσης - δροσισµού κτιρίων µπορούν να θεωρηθούν οι ακόλουθες: Σωστός αρχιτεκτονικός σχεδιασµός Προσανατολισµός (υαλοστάσια προς το Νότο, κτλ) Θερµική µόνωση (κανονισµός, διπλά υαλοστάσια, κτλ) ιάταξη δοµικών όγκων (συµπαγείς, κτλ) Κατάλληλα δοµικά υλικά (µεγάλη θερµοχωρητικότητα, κτλ) Με κατάλληλο βιοκλιµατικό σχεδιασµό και παθητικά συστήµατα θέρµανσης ένα σπίτι µπορεί να καλύπτει µεγάλο µέρος (στη νότια Ελλάδα ακόµη και %) των αναγκών του. Τα πιο βασικά στοιχεία στη δοµή του ηλιακού παθητικού συστήµατος είναι: (α) νότια προσανατολισµένο υαλοστάσιο για συλλογή και παγίδευση της ηλιακής ακτινοβολίας, (β) συµπαγείς όγκοι υλικών µε σχετικά µεγάλη θερµοχωρητικότητα για την αποθήκευση της θερµότητας που παγιδεύτηκε. ΗΛΚ-10.

11 Στα παθητικά συστήµατα θέρµανσης µεγάλη σηµασία έχει το τζάµι. Γενικά τα παράθυρα τα οποία καλύπτονται µε µονά ή διπλά τζάµια δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία, ένα µέρος περίπου 10% ανακλάται προς το εξωτερικό περιβάλλον, ένα 20% συγκρατείται από το διπλό τζάµι. Απ αυτό το πιο πολύ φεύγει κυρίως πάλι προς το περιβάλλον. Το υπόλοιπο 70% µπαίνει µέσα στο δωµάτιο. Ο χώρος ο εσωτερικός που θερµαίνεται, σε θερµοκρασία περίπου 20 C ακτινοβολεί ενέργεια µεγάλου µήκους κύµατος, για την οποία ενέργεια το τζάµι αποτελεί φράκτη. Η ενέργεια αυτή δεν βγαίνει πια από τον εσωτερικό χώρο παρά µόνο µε συναγωγή και αγωγιµότητα µέσα από τα τοιχώµατα της κατοικίας, που σε περίπτωση αποτελεσµατικής µόνωσης παγιδεύεται στον εσωτερικό χώρο για πολύ περισσότερο χρόνο. Την ιδιότητα αυτή των τζαµιών την χρησιµοποιούµε όχι µόνο για κατασκευή παράθυρων αλλά και για κατασκευή ολόκληρων υαλοστασίων τα οποία τα τοποθετούµε στο νότιο τµήµα του σπιτιού, διότι έτσι ο Ήλιος ρίχνει στο εσωτερικό του σπιτιού την περισσότερη ακτινοβολία κατά τη διάρκεια του έτους (άµεσα ηλιακά κέρδη-direct gain). Μια άλλη ακόµα δυνατότητα εκµετάλλευσης της ιδιότητας του τζαµιού γίνεται µε την κατασκευή του σπιτιού, όπως ένα θερµοκήπιο, που έχει άµεση σχέση µε το δωµάτιο ή που συνορεύει µε το δωµάτιο, µε τον χώρο δηλ. που θέλουµε να θερµάνουµε (εικόνα ΗΛΚ-8). Εικόνα ΗΛΚ-8: Οικία - θερµοκήπιο Έχουν διατυπωθεί και αναπτυχθεί πολλές ιδέες για παθητική ηλιακή θέρµανση µε κυριότερες αυτές του άµεσου κέρδους, του τοίχου συλλέκτη-αποθήκη και των εκτεταµένων υαλοστασίων (εικόνα ΗΛΚ-9). Το άµεσο κέρδος της ενέργειας µέσα από τα υαλοστάσια µπορεί να καλύψει µέρος του θερµικού φορτίου ενός κτιρίου. Το υαλοστάσιο λειτουργεί ως συλλέκτης ενώ το κτίριο προσφέρει την αποθήκευση. Κουρτίνες, περσίδες και άλλες αρχιτεκτονικές παρεµβάσεις προσφέρουν σκίαση στο κτίριο όταν η θέρµανση δεν είναι αναγκαία. Ο συγκεκριµένος τρόπος µπορεί να χρησιµοποιηθεί µε επιτυχία σε κτίρια µε νότιο προσανατολισµό. Ο τοίχος συλλέκτης-αποθήκη, µέρος ενός νότιου τοίχου, συνδυάζει την λειτουργία του συλλέκτη και της αποθήκης σε µία µονάδα η οποία αποτελεί τµήµα της δοµής του κτιρίου. Είναι δοµικό στοιχείο, τοίχος σχετικά µεγάλου όγκου βαµµένος µαύρος για να απορροφά την ηλιακή ΗΛΚ-11.

12 ακτινοβολία, που χρησιµοποιείται πίσω από ένα κατακόρυφο µονό ή διπλό υαλοστάσιο, και είναι γνωστός ως «τοίχος µάζας». Η ενέργεια αποθηκεύεται στον τοίχο την ηµέρα και χρησιµοποιείται τη νύχτα, µε ακτινοβολία και συναγωγή προς τον εσωτερικό χώρο. Με την ύπαρξη κατάλληλων ανοιγµάτων στο πάνω και κάτω µέρος του τοίχου και τη χρήση κατάλληλων θυρίδων/διαφραγµάτων ο «τοίχος µάζας» µετατρέπεται σε «τοίχο Trombe» (εικόνα ΗΛΚ-10). Κατά τη διάρκεια της ηµέρας οι θυρίδες είναι ανοικτές και επιτρέπουν την είσοδο του αέρα στον εσωτερικό χώρο αφού θερµανθεί περνώντας από το εµπρός µέρος του τοίχου. Την νύχτα οι θυρίδες κλείνουν, οπότε ο τοίχος εκφορτίζεται προς τον εσωτερικό χώρο µε ακτινοβολία. Εικόνα ΗΛΚ-9: Σχηµατική παράσταση των βασικών παθητικών συστηµάτων Εικόνα ΗΛΚ-10: Σχηµατική παράσταση τοίχου Trombe ΗΛΚ-12.

13 Τα εκτεταµένα υαλοστάσια χρησιµοποιούνται ως συλλέκτες µε αποθηκευτικά µέσα τους τοίχους, τα πατώµατα, κτλ. Σε κρύα κλίµατα οι ενεργειακές απώλειες από τους χώρους αυτούς, οι οποίοι µοιάζουν µε θερµοκήπια, µπορεί να υπερβούν τα κέρδη από την απορροφούµενη ενέργεια και για το λόγο αυτό απαιτούνται κατάλληλοι υπολογισµοί και διαστασιολογήσεις ώστε να αποφευχθούν τέτοια προβλήµατα. Στην εικόνα ΗΛΚ-11 απεικονίζεται η αποθήκευσης θερµότητας σε στρώµα χαλικιών κατά την διάρκεια της ηµέρας και απόδοση της θερµότητας κατά τη διάρκεια της νύκτας. Εικόνα ΗΛΚ-11: Σχηµατική παράσταση συστήµατος αποθήκευσης θερµότητας σε στρώµα χαλικιών Εκτός από τον ηλιασµό κατά τη διάρκεια του χειµώνα µπορούµε να εξασφαλίσουµε και δροσισµό κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού εκµεταλλευόµενοι διάφορες αρχιτεκτονικές σχεδιαστικές λύσεις, όπως να µην αφήνουµε όλη την ηλιακή ενέργεια να µπαίνει µέσα στο κτίριο/δωµάτιο µε νότιες µαρκίζες ή κατάλληλη δενδροφύτευση (εικόνα ΗΛΚ-12), ή χρησιµοποιώντας άλλους τρόπους (εικόνες ΗΛΚ-13 και ΗΛΚ-14). Εικόνα ΗΛΚ-12: Βιοκλιµατικός δροσισµός ΗΛΚ-13.

14 Εικόνα ΗΛΚ-13: Ψύξη εσωτερικού χώρου µε κατάλληλο, βιοκλιµατικό, σχεδιασµό για καλή κυκλοφορία και ύγρανση του εξωτερικού αέρα Εικόνα ΗΛΚ-14: Σχηµατική παράσταση λειτουργίας παθητικού συστήµατος µε τοίχο Trombe, µε κατάλληλες ρυθµίσεις για κυκλοφορία του αέρα µε στόχο το δροσισµό του εσωτερικού χώρου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού ΗΛΚ-14.