ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ. m?li?iwfin?ispyloanotnon

Transcript

1

2 ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ m?li?iwfin?ispyloanotnon

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝ1ΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Γ. Π α ντ ή ς - I. Π ν ε υ μ α τικ ό ς ΙΩΑΝΝΙΝΑ 2007

4 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ UNIVERSITY OF ΙΟΑΝΝΙΝΑ ιιι,!,.< ι,ι»**ι«'i mwmwmms,, 11 L j'u j! *i ISBN Τ ο δικαίωμα της έκδοσης του παρόντος βιβλίου ανήκει στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων - Η δημοσίευση φωτογραφιών, η μερική ή ολική ανατύπωση, καθώς και η λήψη φωτοαντιγράφων από το βιβλίο απαγορεύεται χωρίς την έγγραφη άδεια του Γραφείου Δημοσιευμάτων του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων. Σχεδίαση - Ηλεκτρονική επεξεργασία: Γ. Παντής-1. Πνευματικός Εκτύπωση: Πανεπιστημιακό Τυπογραφείο Ιωαννίνων

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Με την πρόοδο της οικονομίας και την αύξηση του βιοτικού επιπέδου, η ενεργειακή ζήτηση αυξάνεται ραγδαία. Η παραγωγή της ενέργειας που προέρχεται από τις συμβατικές πηγές (πετρέλαιο, βενζίνη, άνθρακας) προβλέπεται ότι σύντομα θα εξαντληθεί, ενώ οι πηγές αυτές είναι υπεύθυνες για μια σειρά από περιβαλλοντικά προβλήμάτα (φαινόμενο του θερμοκηπίου, όξινη βροχή, κ.α.). Αντίθετα οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες γιατί ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης. Η ολοένα αυξανόμενη σημασία των ΑΠΕ την τελευταία εικοσαετία αποκάλυψε και την ανάγκη συγγραφής διδακτικών συγγραμμάτων για τις πηγές ενέργειας. Πιστεύουμε ότι η επιτυχής σύνθεση των θετικών στοιχείων των παλαιοτέρων εκδόσεων για τις ΑΠΕ και άλλων συγγραμμάτων με νεώτερα θέματα και διδακτικά χαρακτηριστικά, επιβάλλουν την έκδοση ενός νέου συγγράμματος. Η παρούσα έκδοση άρχισε ως μια συνεργασία με τον συνάδελφο κ. I. Πνευματικό με σκοπό τη βελτίωση και την συμπλήρωση της Δ Έκδοσης του βιβλίου «Πηγές Ενέργειας» έχοντας ύλη και δικές του σημειώσεις. Κατά τη διάρκεια των εργασιών μου έγινε αντιληπτό ότι λόγω ανειλημμένων υποχρεώσεών μου, μπορούσα να διαθέσω μόνο περιορισμένο χρόνο και έτσι μόνο μικρές αλλαγές θα μπορούσαμε να κάνουμε στην τελευταία έκδοση. Έχοντας όμως εντυπωσιαστεί από την πληρότητα και την καλή κατανόηση των σημειώσεων του συναδέλφου I. Πνευματικού, απόρροια της πολυετούς διδασκαλίας του μαθήματος, κατάφερα να τον πείσω να αναλάβει αυτός την πρωτοβουλία της συνεργασίας για μια νέα έκδοση, κρατώντας τα στοιχεία που ήταν δυνατά στις προηγούμενες εκδόσεις, απόρροια επίσης μιας εικοσιπεντάχρονης διδασκαλίας. Έτσι προέκυψε το παρόν κείμενο. Όπως και τα προηγούμενα προορίζεται για προπτυχιακό μάθημα. Θα μπορούσε όμως να χρησιμοποιηθεί και ως εισαγωγικό μάθημα σε μεταπτυχιακό πρόγραμμα. Προέκυψαν δύο γνωρίσματα που διακρίνουν την παρούσα έκδοση. Το πρώτο αφορά την έμφαση στο εύρος της ύλης. Η παρουσίαση μιας μεγάλης ευρύτητας επιτρέπει στον διδάσκοντα να επιλέγει την ύλη έτσι ώστε να μπορεί να δίνει στους φοιτητές την πλατύτερη δυνατή εισαγωγή στο μάθημα των Πηγών Ενέργειας σε ένα εξάμηνο. Το δεύτερο αφορά την

6 έμφαση στις κατασκευές και στα παραδείγματα. Τα επιλέξαμε με μεγάλη προσοχή από τη σύγχρονη ελληνική και διεθνή βιβλιογραφία, ώστε όχι μόνο να συμβάλλουν στην κατανόηση του μαθήματος αλλά και να χρησιμεύουν και ως παραδείγματα για κατασκευές. Για την καλύτερη κατανόηση του μαθήματος, εμπλουτίσαμε κάθε κεφάλαιο με λυμένες ασκήσεις και παραθέσαμε και καινούργια προβλήματα στο τέλος κάθε κεφαλαίου για αυτόν που θα ήθελε να ασχοληθεί περισσότερο με το μάθημα. Θέλουμε να ευχαριστήσουμε κάθε συνάδελφο, φοιτητή, ή άλλον που με την εποικοδομητική κριτική του συνέβαλλε στην καλυτέρευση του συγγράμματος. Ιδιαίτερα όμως θέλουμε να ευχαριστήσουμε τον φίλο και συνάδελφο κ. Γ. Θρουμουλόπουλο, του οποίου η συμβολή ήταν καθοριστική σε όλες τις προηγούμενες εκδόσεις. Πολλές από τις ασκήσεις και τα προβλήματα προήλθαν από την δική του πολύχρονη διδασκαλία του μαθήματος και τα κρατήσαμε τα ίδια. Επίσης θέλουμε να τον ευχαριστήσουμε και για τις καίριες παρατηρήσεις και διορθώσεις του και τον σχολαστικό έλεγχο του κειμένου. Γ. Παντής - I. Πνευματικός Ιωάννινα, Σεπτέμβριος 2006

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΕΛ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 9 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟ Θ ΕΜ Α ΤΑ 1.1 Γενικά 1.2 Ενεργειακές ανάγκες 1.3 Αποθέματα μη πυρηνικών καυσίμων 1.4 Αποθέματα πυρηνικών καυσίμων 1.5 Ενεργειακή μετατροπή 1.6 Ενεργειακές μορφές και μονάδες μέτρησης 1.7 Ασκήσεις ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 Εισαγωγή 2.2 Ηλιακή ακτινοβολία 2.3 Ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας 2.4 Ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια 2.5 Ηλιοφάνεια 2.6 Όργανα μετρήσεων

8 Ασκήσεις Προβλήματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 45 ΣΥΣΤΗ Μ Α ΤΑ ΕΚΜ ΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3.1. Εισαγωγή 3.2 Μετατροπή σε θερμότητα 3.3 Απόδοση συλλεκτών 3.4 Απορρόφηση ακτινοβολίας από τον συλλέκτη 3.5 Εφαρμογές 3.6 Μετατροπή απ ευθείας σε ηλεκτρισμό 3.7 Ηλιακές λίμνες 3.8 Ασκήσεις 3.9 Προβλήματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Φ Ω ΤΟ ΧΗΜ ΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ 4.1 Εισαγωγή 4.2 Φωτοσύνθεση 4.3 Βιομάζα 4.4 Απορρίμματα - Βιομάζα 4.5 Γεωθερμία 4.6 Υδρογόνο - Κυψέλες καυσίμων 4.7 Ασκήσεις 4.8 Προβλήματα

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 5.1 Εισαγωγή 5.2 Ιστορική ανασκόπηση 5.3 Κινητική ενέργεια του ανέμου 5.4 Αιολική ενέργεια 5.5 Μέγιστη διαθέσιμη ισχύς του ανέμου - Όριο Betz 5.6 Απόδοση αιολικών μηχανών 5.7 Τύποι αιολικών μηχανών 5.8 Αιολική ενέργεια και Περιβάλλον 5.9 Ασκήσεις 5.10 Προβλήματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 6.1 Εισαγωγή 6.2 Μηχανισμός σχάσης 6.3 Προϊόντα σχάσης και ενεργειακό ισοζύγιο 6.4 Πυρηνικοί ενεργειακοί σταθμοί σχάσης 6.5 Εσαγωγή στην ελεγχόμενη σύντηξη 6.6 Συνθήκες για την δημιουργία θερμοπυρηνικής σύντηξης 6.7 Μαγνητικός περιορισμός, ισορροπία και σταθερότητα 6.8 Εσωτερικός περιορισμός 6.9 Θέρμανση και τεχνολογική ανάπτυξη 6.10 Πυρηνική ενέργεια και περιβάλλον 6.11 Ασκήσεις 6.12 Προβλήματα

10 8 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ Τα έργα ΑΠΕ στην Ελλάδα: Υφιστάμενη κατάσταση, Προοπτικές Γλωσσάρι Πηγές πληροφόρησης στο διαδίκτυο Βιβλιογραφία Ευρετήριο

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ε Ν Ε Ρ Γ Ε ΙΑ Κ Ε Σ Α Ν Α Γ Κ Ε Σ ΚΑΙ Α Π Ο Θ Ε Μ Α Τ Α

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ 1.1 Εισαγωγή Η πετρελαϊκή κρίση την δεκαετία του 1970 αλλά και στις αρχές του 21ου αιώνα, μας έκανε να συνειδητοποιήσουμε το πρόβλημα της ενέργειας και την σημασία της στην εξέλιξη της κοινωνίας μας. Είναι φανερό ότι αυτή η συνειδητοποίηση έγινε πάρα πολύ αργά αν αναλογιστεί κανείς ότι ο άνθρωπος άρχισε να χρησιμοποιεί την ενέργεια από τα πολύ παλιά χρόνια και συγκεκριμένα από την εποχή που, σύμφωνα με την Ελληνική μυθολογία, ο Προμηθέας έκλεψε τη φωτιά από τους Θεούς. Σήμερα είναι γενικά παραδεκτό ότι το ύψος της παραγωγής και της κατανάλωσης της ενέργειας είναι συνδεδεμένο με το βιοτικό επίπεδο και την ανάπτυξη της κοινωνίας. Η ενέργεια λοιπόν μπήκε στην ζωή του ανθρώπου σαν αναγκαίο αγαθό και μετατράπηκε με την ανάπτυξη της Τεχνολογίας και της Επιστήμης σε καταναλωτικό αγαθό. Έτσι στις μέρες μας σχεδόν οι περισσότερες από τις διεθνείς τριβές οφείλονται σε προσπάθειες ελέγχου περιοχών που έχουν αρκετές ενεργειακές πηγές. Μέχρι το 1850 η κύρια πηγή ενέργειας ήταν το ξύλο. Στη συνέχεια μέχρι το 1910 το ξύλο αντικαταστάθηκε από το κάρβουνο. Στο διάστημα το κάρβουνο παραχώρησε τη θέση του στο πετρέλαιο και στο φυσικό αέριο που φάνηκαν να είναι πιο φτηνά και πιο εύχρηστα. Τις τελευταίες δεκαετίες του προηγούμενου αιώνα λόγω του τετραπλασιασμού της τιμής του πετρελαίου, της συνειδητοποίησης

13 12 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ της στρατηγικής του σημασίας και της περιορισμένης ποσότητάς του, παρατηρήθηκε επιστροφή προς το κάρβουνο και εντατικοποίηση της έρευνας για άλλες μορφές ενέργειας. Αυτή η μεταστροφή ήταν αναγκαία γιατί οι ενεργειακές ανάγκες αυξάνονταν αρκετά γρήγορα και όλα τα αποθέματα, ιδιαίτερα το πετρέλαιο και το κάρβουνο θα εξαντληθούν στις επόμενες δεκαετίες. Έτσι άρχισε η ανάπτυξη άλλων μορφών ενέργειας όπως η σύντηξη και οι ήπιες μορφές που αντιπροσωπεύουν ποσά ενέργειας τα οποία είναι ικανά να λύσουν τις ενεργειακές ανάγκες του πλανήτη μας. Σ' αυτό το κεφάλαιο θα εξετάσουμε τις ενεργειακές ανάγκες και τα ενεργειακά αποθέματα. Θα φανεί ότι η πυρηνική ενέργεια από σχάση μπορεί να αντιμετωπίσει τις ενεργειακές ανάγκες για εκατονταετίες. Δυστυχώς υπάρχουν πολλά προβλήματα στους πυρηνικούς αντιδραστήρες σχάσης και έτσι η πυρηνική σχάση δεν μπορεί μακροπρόθεσμα να θεωρηθεί σα λύση του ενεργειακού προβλήματος. Η πυρηνική σύντηξη παρουσιάζει ενδιαφέρον. Η πραγμάτωσή της όμως συνεπάγεται τη λύση πολλών δύσκολων προβλημάτων, όπως τον περιορισμό και την ισορροπία του πλάσματος την δημιουργία αρκετά υψηλών θερμοκρασιών και τον έλεγχο των υλικών σ αυτές τις θερμοκρασίες. Τέλος οι ήπιες μορφές ενέργειας θα μπορούσαν να καλύψουν εξολοκλήρου τις ενεργειακές μας ανάγκες. Όπως θα δούμε όμως υπάρχουν και για αυτές αρκετοί παράγοντες που δρουν περιοριστικά. Τελικά θα δούμε ότι στο εγγύς μέλλον καμιά από αυτές τις μορφές ενέργειας δεν θα μπορέσει να αντιμετωπίσει το ενεργειακό πρόβλημα από μόνη της. Τους λόγους θα τους αναπτύξουμε στα επόμενα κεφάλαια στα οποία θα εξετάσουμε όλες τις μορφές ενέργειας χωριστά. Επιγραμματικά, για την ιστορική εξέλιξη της ενέργειας μπορούμε να πούμε ότι: Η ενέργεια, στις διάφορες μορφές της, είναι παλιά όσο και το σύμπαν. Την διακρίνουμε σαν: Μυϊκή δύναμη (χημική ενέργεια) Ζώα + εργαλεία. Άνεμος (ανεμόμυλοι-ιστιοφόρα). Τα πρώτα ορυκτά καύσιμα ήταν αποθέματα τύρφης, άνθρακα και πετρελαίου. Το πετρέλαιο σαν καύσιμο χρησιμοποιήθηκε, για πρώτη φορά (1640), στην Μοντένα της Ιταλίας. Η δημιουργία της πρώτης εταιρείας πετρελαίου (Τζον Ροκφέλερ) και η κατασκευή του πρώτου αυτοκίνητου (Χένρι Φόντα) δημιούργησαν το νέο καθεστώς της ενέργειας. Έτσι στην νέα εποχή, η ενέργεια μετατράπηκε σταδιακά από φυσικό αγαθό σε εμπόρευμα. Η πυρηνική ενέργεια εξασφαλίζει τεράστιες ποσότητες ενέργειας, αλλά δημιουργεί τεράστια προβλήματα (Χιροσίμα-Ναγκασάκι-Τσερνομπίλ-Κοζλοντούι). Η γεωγραφική κατανομή της ενέργειας δεν συμπίπτει με τη γεωγραφία της κατανάλωσης. Η ενέργεια είναι κυρίως προϊόν της κοινωνικής εξέλιξης. Αντίστοιχα, η κατανάλωση 2.000, και kcal την ημέρα, χαρακτηρίζει την εξέλιξη του ανθρώπου (πρωτόγονος, αγροτική περίοδος, βιομηχανική εποχή).

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ Ενεργειακές ανάγκες Μια σύντομη επισκόπηση των ενεργειακών αναγκών και των διαθέσιμων ενεργειακών πηγών θα μας δώσει τον βαθμό κρισιμότητας του ενεργειακού προβλήματος και θα εξηγήσει την σημασία που πρέπει να δώσουμε όχι μόνο στην ανάπτυξη της έρευνας και της τεχνολογίας στον τομέα της πυρηνικής ενέργειας και τον τομέα των ήπιων μορφών ενέργειας αλλά και στον ίδιο τον τρόπο ζωής μας. Κι αυτό γιατί αν αναλογιστεί κανείς ότι μέχρι το 1970 ένα μεγάλο μέρος της καταναλισκόμενης ενέργειας ήταν άσκοπη σπατάλη θα καταλάβει ότι το πρόβλημα δεν είναι μόνο οι πηγές ενέργειας αλλά κι ο τρόπος κατανάλωσής της. Είναι γεγονός ότι ούτε οι πηγές ούτε οι ανάγκες μπορούν να προσδιοριστούν απόλυτα. Για τον Πρωτάνθρωπο η κυριότερη ενεργειακή ανάγκη ήταν η τροφή. Στο σημερινό άνθρωπο υπολογίζεται ότι αυτή η ανάγκη κατά μέσο όρο είναι περίπου 107 J/d (Joules/day) που αντιστοιχεί σε μια πηγή ισχύος των 115 W (WattJTtVtto αυτή την ενέργεια ένα μέρος (-10-15%) διατίθεται σε μυϊκή ενέργεια ενώ το υπόλοιπο αποβάλλεται στο περιβάλλον υπό μορφή θερμότητας. Αν παρέμενε ο άνθρωπος σ' αυτή την ανάγκη και μόνο δεν θα είχαμε προβλήματα σήμερα. Στην εξέλιξή του όμως, ο άνθρωπος πέρασε από ένα ανάλογο στάδιο εξέλιξης των ενεργειακών του αναγκών όπως και των πηγών από τις οποίες κάλυπτε αυτές τις ανάγκες. Για παράδειγμα, η χρήση της φωτιάς, η χρησιμοποίηση ζώων στην γεωργία και τις μεταφορές, η κατασκευή ανεμόμυλων και νερόμυλων, που αργότερα αντικαταστάθηκαν βαθμιαία από το κάρβουνο, το πετρέλαιο και άλλα. Η κατανάλωση ενέργειας από τον άνθρωπο κατά την διάρκεια της εξέλιξής του δίνεται στον Πίνακα 1.1. Η προβολή των ενεργειακών αναγκών του στο μέλλον βασιζόμενη στην αύξηση του πληθυσμού και στην αύξηση του κατά κεφαλήν εισοδήματος δίνεται στο Σχήμα 1.1. Σαν μονάδα μέτρησης χρησιμοποιούμε το 1Q ( Joules) το οποίο θα ορίσουμε με ακρίβεια παρακάτω. Είναι προφανές ότι η καταναλισκόμενη ενέργεια αυξάνεται με ένα ρυθμό 3 έως 5% τον χρόνο έτσι που αν συνεχιστεί, η παρούσα κατανάλωση, θα χρειαζόμαστε τεράστια ποσά ενέργειας τις επόμενες εκατονταετίες. Ιδιαίτερα ανησυχητικός είναι ο ρυθμός αύξησης τα τελευταία χρόνια. Συγκεκριμένα, κατά την διάρκεια της εικοσιπενταετίας η μέση χρονική αύξηση κατανάλωσης ήταν γύρω στα 2,2%. Στο διάστημα ανέβηκε γύρω στα 5,5% και στο διάστημα έγινε 7,4%. Πίνακας 1.1: Παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας. Μ.Χ ,3-0,5 Q/cent Μ.Χ Μ.Χ Χρονική αύξηση % ,5% - Αύξηση μελλοντική 4%

15 14 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το πρόβλημα δεν εντοπίζεται μόνο στο γεγονός ότι δεν θα υπάρχουν πηγές να καλύψουν τις ανάγκες, αλλά εξίσου σοβαρό είναι το γεγονός ότι δεν μπορεί να αυξάνεται η ενέργεια συνεχώς χωρίς να δημιουργήσει κλιματολογικά προβλήματα. Στην πραγματικότητα υπάρχει ένα ανώτατο όριο ενέργειας που μπορούμε να καταναλώσουμε στον πλανήτη μας χωρίς να αλλάξουμε τις κλιματολογικές του συνθήκες. Σχήμα 1.1: Η αύξηση της κατανάλωσης της ενέργειας σαν συνάρτηση του χρόνου. Η ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται (και επανακτινοβολείται) από τη γη είναι περίπου 4 Q/day ή Q/year. Η επιπρόσθετη αύξηση αυτού του ποσού δεν πρέπει να ξεπερνά το 1% δηλαδή το 15 Q/year εάν δεν θέλουμε να επιφέρουμε σοβαρές κλιματολογικές αλλαγές. Με μια μέση αύξηση της κατανάλωσης κατά 4% το χρόνο θα ξεπεράσουμε αυτό το ποσό μετά από 100 χρόνια.

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ 15 Συυπεοασιια Η κυριότερη ενεργειακή ανάγκη είναι η τροφή: 107 Joules την ημέρα. Μεγάλα ποσά ενέργειας ξοδεύονται σε: Μεταφορές - Βιομηχανία - Οικιακές δραστηριότητες. Σήμερα κάθε κάτοικος των βιομηχανικά ανεπτυγμένων χωρών χρειάζεται GJ το χρόνο (το 1/3 σε ηλεκτρική ενέργεια). Η χρήσιμη ενέργεια υπολογίζεται στο 40% περίπου της χρησιμοποιούμενης ενέργειας (Εξοικονόμηση ενέργειας- ΕΕ, Ορθολογική χρήση ενέργειας- ΟΧΕ). Το 77% της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας καταναλώνεται από το 28% του πληθυσμού των αναπτυγμένων βιομηχανικά περιοχών.

17 16 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.3 Αποθέματα μη π υρηνικώ ν καυσίμω ν Στον Πίνακα 1.2 παρουσιάζονται τα αποθέματα των μη πυρηνικών καυσίμων. Οι αριθμοί που αναφέρονται για κάθε πηγή δεν είναι απόλυτοι αλλά μεταβάλλονται συνεχώς λόγω της εντατικοποίησης της έρευνας, της ανάπτυξης της τεχνολογίας και της εξερεύνησης νέων κοιτασμάτων. Όσον αφορά τα υγρά και τα αέρια καύσιμα οι ποσότητές των είναι πολύ μικρές σε σχέση με τις ενεργειακές ανάγκες. Ειδικά για το πετρέλαιο υπολογίζεται ότι αν συνεχιστεί η κατανάλωσή του με τον ίδιο ρυθμό που καταναλώνεται σήμερα θα εξαντληθεί στα επόμενα 50 χρόνια. Με μια αύξηση των 4%, τα συμβατικά καύσιμα θα εξαντληθούν στα επόμενα 100 χρόνια. Υπάρχει ένα ιστορικό παράδειγμα ολοκληρωτικής καταστροφής μιας πρωτογενούς ενέργειας. Στο διάστημα μετά την Ελληνική και Ρωμαϊκή αυτοκρατορία πολλά δάση της Μεσογειακής Ευρώπης και της Βορείου Αφρικής κσταστράφηκαν. Χρησιμοποιήθηκαν απερίσκεπτα σαν καύσιμα και έτσι μεγάλες περιοχές μετατράπηκαν σε ερήμους. Ένα άλλο επίσης σοβαρό στοιχείο αναφορικά με τα συμβατικά καύσιμα είναι το ότι αντιπροσωπεύουν σχεδόν αποκλειστικά τις βιομηχανικές πρώτες ύλες και επομένως η χρησιμοποίησή τους σαν καύσιμα θα δημιουργήσει και προβλήματα έλλειψης βιομηχανικών υλών. Στον Πίνακα 1.2 δεν αναφέρουμε την ηλιακή ενέργεια, παρόπ τα συμβατικά καύσιμα και η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι έμμεσες μορφές ηλιακής ενέργειας. Σαν ηλιακή ενέργεια θα αναφέρουμε αυτήν που δέχεται η γη από τον ήλιο από ακτινοβολία και ισοδυναμεί με μια πηγή ισχύος γύρω στα 1,7χ1014 kw. Είναι φανερό ότι αν μπορούσαμε να εκμεταλλευτούμε έστω και το 1%ο αυτής της ποσότητας θα είχαμε λύσει το πρόβλημα των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη μας. Πίνακας 1.2: Παγκόσμιες μη πυρηνικές πηγές ενέργειας. Συμβαπκά καύσιμα (Q) Υδροηλεκτρικά (10η kwh/year) Κάρβουνο Πετρέλαιο Αέριο Δυν. Ενέργεια Ηλ. Ενέργεια Αφρική 0,42 0, , Ευρώπη 7,09 0, ,45 Β. Αμερική 5,04 0,30 0, Αυστραλία 0,66 0,01 0,03 0,156 0,05 Ασία 2,62 2,42 0,45 2 0,65 Ν. Αμερική 0,0075 0,37 0,08 1, Παγκόσμια 15, , ,45

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ 17 Στην π ρ α γμ α τικότη τα ό μ ω ς α υτό είναι α δ ύ να το για τί υπ ά ρ χουν τεχνο λο γικά, ο ικονομικά και ά λλου είδ ο υ ς π ρ ο β λή μ α τα π ου δ ρ ο υ ν π ερ ιο ρ ισ τικά σ την εκμ ετά λλευ σ η τη ς η λια κή ς ενέρ γεια ς. Τ α κυρ ιότερ α α π ό α υτά τα π ρ ο β λή μ α τα είναι: α) Η μικρή π υκνό τη τα, (η μέγισ τη μ εσ η μ ερ ια νή α κτινο β ο λία είναι π ερ ίπ ο υ 1,3 k W /n r). β) Η ηλιακή ενέρ γεια είναι δ ια κο π τό μ ενη (ημέρ α -νύ χτα -σ υ νεφ ιές). γ) α π ορροφ ά τα ι σ ε σ η μ α ντικό π ο σ ό α π ό τη ν α τμ όσ φ α ιρ α, δ) π α ρ ο υ σ ιά ζει το π ικό τη τα και ε) η μετα τρ οπ ή τη ς σ ε χ ρ ή σ ιμ η ενέρ γεια γίνεται με μικρό σ υ ντελεσ τή α π όδοσ ης. Ε ιδικές λεπ το μ έρ ειες θα δ ώ σ ο υ μ ε σ το Κ εφ ά λα ιο 2. Ε δώ θα σ υ νοψ ίσ ο υ μ ε μ ερ ικο ύς τυ π ικο ύ ς α ριθμούς. Η μέσ η ετή σ ια α κτινοβολία σ ε ο ρ ιζό ντιο επ ίπ εδο π ά νω στην επ ιφ ά νεια τη ς γης κυμ α ίνετα ι α π ό 100 μέχρι 300 W /m 2 (Η μέσ η τιμ ή ορίζεται σ το εικοσ ιτετρ ά ω ρ ο). Η ηλιακή σ τα θερ ά, δηλα δ ή η ηλιακή ενέρ γεια ανά μονάδα επ ιφ ά νεια ς και χ ρ ό νο στο α νώ τα το όριο τη ς α τμ ό σ φ α ιρ α ς είναι W /m 2. Η τιμ ή αυτή υπ ό κειτα ι σ ε δ ια κυ μ ά νσ εις (-3,5 % ) λό γω του ελλειπ τικού σ χή μ α το ς τη ς τρ ο χιά ς τη ς γης, και λόγω α τμ ο σ φ α ιρ ικώ ν δ ια τα ρ α χώ ν και ηλια κώ ν κηλίδω ν (-1,5 % ). Η ηλιακή ενέρ γεια π ου φ τάνει σ την επ ιφ ά νεια τη ς γης είναι π ερ ίπ ο υ κατά 23% μ ικρότερ η. Για π α ρ ά δ ειγμ α στο M o n tp e llie r (44 Β ό ρειο π λά το ς) σε ύψ ος 40 m απ ό τη θά λασ σ α μ ετρ ή θ η κε σε W /m 2. Η ηλιακή ενέρ γεια δ η μ ιο υ ρ γεί και ά λλες έμ μ εσ ες π η γές ενέρ γειας. Οι κυρ ιό τερ ες απ ό α υ τές είναι η ενέρ γεια π ου π ρ οέρ χετα ι α π ό τη φ ω το σ ύ νθ εσ η και η α ιολική ενέρ γεια π ου θα δούμε σ ε ξεχω ρ ισ τά κεφ άλα ια. Ε π ίσ η ς τα θ α λά σ σ ια ρ εύματα σ το υ ς ω κεα νο ύ ς και σ την επ ιφ ά νεια τω ν θα λα σ σ ώ ν π ου ξέχω ρ α του ότι μπ ορούν να χ ρ η σ ιμ ο π ο ιη θ ο ύ ν απ ' ευ θ εία ς σ υ μ β ά λλουν και αυτά σ τη ν δ η μ ιο υ ρ γία α ιο λική ς και υδ ρ ο η λεκτρ ική ς ενέρ γειας. Ε ιδικά για το υ ς ω κεα νο ύ ς υπ ά ρχει καλή δυνα τό τητα χ ρ η σ ιμ ο π ο ίη σ η ς τη ς ενέρ γεια ς π ου εμ φ α νίζετα ι σε ο ρ ισ μ ένα σ η μ εία λόγω τω ν μεγά λω ν δ ια φ ο ρ ώ ν θ ερ μ ο κρασία ς απ ό τα α νώ τερ α σ τρ ώ μ α τα ( -2 0 C ) σ τα κα τώ τερ α σ τρ ώ μ α τα (4 C). Η δ ια φ ο ρ ά αυτή μπ ορεί να χρησ ιμ ο π ο ιη θ εί για την κίνηση κα τα λλή λω ν σ τρ ο β ίλω ν και σ ε α ρκετά μέρη του κόσ μου έχει βρει π ρ ακτική και ο ικονομική εφ α ρ μ ο γή. Τ έλο ς μια άλλη μορφ ή ενέρ γεια ς είναι η γεω θ ερ μ ία π ου ά ρχισ ε να χ ρ η σ ιμ ο π ο ιείτα ι εντα τικά τα τελευ τα ία χρόνια και βέβαια η κάθε λο γή ς βιομάζα (α π ο ρ ρ ίμ μ α τα κ.λπ.). 1.4 Αποθέματα π υρηνικώ ν καυσίμων Ιδιαίτερα α νη σ υ χητική είναι και η εξέλιξη της π υ ρ η νική ς ενέργειας. Η α νάπ τυξη της ενερ γεια κή ς α υ τή ς μορφ ής, π ου α ρχικά είχε α ρχίσ ει με α ρκετά α ισ ιό δ ο ξες π ρ οβλέψ εις, α ντιμ ετω π ίζει σ ή μ ερ α α ρκετά σ ο β α ρ ά π ρ οβλήματα. Υ π ά ρ χουν δύο δ ια μ ετρ ικά α ντίθ ετες δ ια δ ικ α σ ίες π ου α π ελευθερ ώ νο υν π υρηνική ενέργεια. Η σ χά σ η και η σ ύ ντη ξη. Σ την σ χά σ η, ένα ς βαρύς π υρ ήνα ς με την ενσ ω μ ά τω σ η ενός νετρ ονίου δ ια σ π ά τα ι σε π ερ ισ σ ό τερ ο υ ς ελα φ ρ ό τερ ο υς π υρ ήνες. Κατά την α ντίδραση α π ελευ θ ερ ώ νετα ι ενέρ γεια και άλλα νετρ ό νια π ου με την σ ειρ ά τους π ρ ο κα λο ύν νέες δ ια σ π ά σ εις κι έτσ ι σ υ νεχίζετα ι μια α λυσ ιδ ω τή α ντίδραση. Στην σ ύ ντηξη δύο ελα φ ρ ο ί π υ ρ ή νες ενώ νο νται κάτω από ο ρ ισ μ ένες σ υ νθήκες και α π ελευ θ ερ ώ νο υ ν ενέρ γεια. Και σ τις δύο π ερ ιπ τώ σ εις η ενέρ γεια λέγεται Π υρηνική.

19 18 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στον Πίνακα 1.3 δίνεται το χρονοδιάγραμμα συμμετοχής της πυρηνικής ενέργειας σε διάφορες χώρες. Στο Κεφάλαιο 6 θα εξετάσουμε τις βασικές αρχές που διέπουν αυτές τις αντιδράσεις τον τρόπο παραγωγής ενέργειας και τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η παραγωγή πυρηνικής ενέργειας. Εδώ θα αναφερθούμε κύρια στα αποθέματα. Πυρήνες με ενδιάμεσους μαζικούς αριθμούς δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ούτε για σχάση ούτε για σύντηξη. Από τους πυρήνες που υπάρχουν στην φύση μόνο το ουράνιο 235 (ϋ 235) παθαίνει σχάση με την σύλληψη ενός αργού νετρονίου. Έτσι μόνο αυτό το στοιχείο μπορεί να χρησιμοποιηθεί απ' ευθείας στους αντιδραστήρες. Όμως οι πυρήνες Θόριο-232 (Th2*2) και Ουράνιο-238 ( Ι τ 38) που εμφανίζονται ελεύθερα στη φύση μπορούν να μετασχηματιστούν σε U " 3 και Πλουτώνιο-239 (Pu239) και να χρησιμοποιηθούν και αυτοί στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Τα στοιχεία Th232 και U238 ονομάζονται γόνιμα καύσιμα ενώ τα στοιχεία U, U233 και Pu239 ονομάζονται σχάσιμα καύσιμα. To U235 υπάρχει σε ποσοστό 0,71% στο φυσικό ουράνιο το οποίο βρίσκεται σε αναλογία 4x10* % στο φλοιό της γης. Πίνακας 1.3: Χρονοδιάγραμμα συμμετοχής πυρηνικής ενέργειας. Χώρες Έναρξη Ποσοστό έναρξης (%) Ποσοστό σήμερα (%) Η.Π.Α ,07 13 Ε.Σ.Σ.Δ ΣΟΥΗΔΙΑ ,08 18 ΓΑΛΛΙΑ ,25 65 Δ. ΓΕΡΜΑΝΙΑ Η αντίστοιχη αναλογία του Θορίου είναι 12x10 %. Όπως δείχνουν αυτοί οι αριθμοί, τα αποθέματα των πυρηνικών καυσίμων δεν είναι ανεξάντλητα. Ο χρόνος ζωής τους όμως προβλέπεται να επιμηκυνθεί αρκετά με την λειτουργία των αντιδραστήρων νέας γενιάς, των αναπαραγωγικών, που αναπαράγουν ένα μέρος από το καύσιμο που χρησιμοποιούν οι ίδιοι ή άλλοι ανπδραστήρες. Υπολογίζεται ότι τα αποθέματα του Ουρανίου με χαμηλό κόστος εξόρυξης ανέρχονται σε 2x106 τόνους. Εάν σ' αυτό το ποσό συμπεριλάβουμε και όλα τα γόνιμα υλικά και τα αποθέματα με υψηλότερο κόστος εξόρυξης τότε φτάνουμε στο ποσό των 108 τόνων σχάσιμου και γόνιμου υλικού. Από αυτό βρίσκουμε περίπου την ισοδύναμη ενέργεια των Q. Αυτό βέβαια δεν είναι αρκετά σημανπκό ποσό όμως με την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών μπορούμε να πετύχουμε καλύτερη αξιοποίηση οπότε τα αποθέματα αυτά θα μπορέσουν να διαρκέσουν αρκετές εκατοντάδες χρόνια.

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ 19 Ε κτός του ότι μ ερ ικές εκα το ντά δ ες χρόνια είναι ένα ς μ ικρός ισ το ρ ικ ό ς χρόνος, το π ρ όβλημα τω ν ρ α δ ιενερ γώ ν κα τα λοίπ ω ν θα γίνει σ οβαρό. Μ ε τη ν π ρ ο β λεπ ό μ ενη α νά π τυ ξη θα π α ρ ά γοντα ι π ερ ίπ ο υ 1013 C u rie s/ye a r μ α κρ ό β ια σ χά σ ιμ α π α ρ ά γω γα π ου θα α ντιπ ρ ο σ ω π εύουν ένα ν σ ο β α ρ ό κίνδυνο για τη ν ανθρω π ότητα. Ό σ ο ν αψ ορά τη ν σ ύντηξη υπ ά ρ χουν τρ εις π υ ρ ή νες π ου π α ίζο υ ν σ η μ α ντικό ρόλο σ την α νάπ τυξή της. Το Δ ευ τέρ ιο (D ) το Τ ρίτιο (Τ) και το Ή λ ιο -τρ ία 3He. Υ π ο λογίζετα ι ότι οι π ρ ώ τοι α ντιδ ρ α σ τή ρ ες θα είναι α ντιδ ρ α σ τή ρ ες (D -T), λό γω της μεγα λύτερ η ς τα χ ύ τη τα ς τη ς α ντίδ ρ α σ η ς και τη ς μ ικρότερ η ς θ ερ μ ο κρασία ς α νά φ λεξη ς του π λά σ μ α τος. Η επ ό μ ενη γενιά θα είναι (D -D ) και η τελευ τα ία για το α π ώ τερ ο μέλλον (D -3He). Τ ο Τ ρ ίτιο δεν υπ άρχει ελεύ θ ερ ο στη Φ ύση. Μ ετα σ τοιχειώ νετα ι σε 3He με ένα μέσ ο όρο ζω ή ς 12 χρόνια. T o 3He ό π ω ς ά λλω σ τε και το Τρίτιο π α ρ ά γοντα ι με την ίδια π ιθ α νό τη τα σ τη ν α ντίδραση (D -D ). Σ υνεπ ώ ς τα α π ο θ έμ α τα για σ ύ ντηξη είναι α π ερ ιό ρ ισ τα και σε χα μ ηλό κόσ τος. Τ ο Δ ευ τέρ ιο που είναι το βασικό υλικό υπ άρχει σε π ο σ ο σ τό 0,0153% σ το θ α λά σ σ ιο νερό. Α υ τό το π οσ ό για μια κα τα νά λω σ η τω ν 15 Q /ye a r θα ήταν α ρ κετό να καλύψ ει τις ενερ γεια κές α νάγκες του π λα νή τη μας για 109 χρόνια. Ό π ω ς θα δούμε στο Κ εφ ά λα ιο 6 οι α ντιδ ρ ά σ εις σ ύ ντη ξη ς δεν π α ρ ά γουν π ολύ επ ικίνδ υ να και μακρ όβια ρ α δ ιενερ γά σ το ιχεία. Ρ α διενέρ γεια βέβαια θα δ η μ ιουργείτα ι στα υλικά π ου θα π ερ ιβ ά λλο υ ν τον α ντιδ ρ α σ τή ρ α. Υ π ο λογίζετα ι ό μ ω ς ότι αυτή θα είναι κατά π ολύ μικρότερ η απ ό α υτή π ου π α ρ ά γετα ι κατά την σχάση. Ε ξάλλου η ρ α δ ιενέρ γεια αυτή οφ είλεται στα ενερ γη τικά νετρ ό νια και επ ο μ ένω ς θα υπ ά ρ χει μόνο σ τις α ρ χικές γενιές α ντιδ ρ α σ τή ρ ω ν σ ύ ντηξης. Στην σ ύντηξη λο ιπ ό ν τα π ρ ο β λή μ α τα είναι κύρια τεχνο λο γικά. Οι θερ μ ο κρασίες π ου χ ρ εια ζό μ α σ τε είναι 108 με 10δ Κ. Σ' α υ τές τις θερ μ ο κρ α σ ίες όλα τα ά το μ α είναι ιο νισ μ ένα και βρίσ κοντα ι σ τη ν κα τά σ τα σ η π λά σ ματος. Τ ο π λά σ μ α α υτό θα π ρέπ ει να π ερ ιο ρ ισ τεί σ ε μ εγά λες π υ κνό τη τες και να σ υ γκρ α τη θ εί α ρκετό χρονικό δ ιά σ τη μ α ώ σ τε να γίνει η π υ ρ η νική α ντίδ ρ α σ η. Α υ τό είναι ένα σ η μ α ντικό π ρ ό β λη μ α για την σ ύ ντηξη και έχουν α ναπ τυ χ θ εί δύο δ ια φ ο ρ ετικο ί μ έθ ο δ ες επ ίλυσ ή ς του. Ο μ α γνητικός π ερ ιο ρ ισ μ ό ς π ο υ σ τη ρ ίζετα ι σ ε εξω τερ ικά μαγνητικά π εδία και ο εσ ω τερ ικός π ερ ιο ρ ισ μ ό ς π ο υ σ τη ρ ίζετα ι σ ε α κτίνες Laser. Ό λ α α υτά θα τα εξετά σ ο υ μ ε σ το Κ εφ ά λα ιο Ενεργειακή μετατροπή Μ ε τα σ η μ ερ ινά τεχ νο λο γικά και ο ικο νο μ ικά δεδ ομένα οι ενερ γεια κές α νάγκες του α νθ ρ ώ π ο υ είναι δ υ να τό να κα λυφ θ ο ύ ν α π ό τις α κό λο υθες π ηγές: Τ α σ υ μ β α τικά ή α π ο λ ιθ ω μ έν α κα ύσ ιμα, δηλαδή τους ο ρ υ κτο ύ ς ά νθ ρ α κες ή γ α ιά νθ ρ α κες (τύρφη, λιγνίτη ς, λιθ ά νθ ρ α κα ς, α νθρακίτης) και τους ορυκτο ύ ς υ δ ρ ο γονά νθρακες (π ετρ έλα ιο, φ υ σ ικό αέριο). Τ α π υρ ηνικά κα ύσ ιμ α (ο ρ υ κτά μ ετα λλεύ μ α τα του ουρανίο υ και θορίου). Α να νεώ σ ιμ ες π η γές εν έρ γεια ς (Α Π Ε, ηλιακή, αιολική, υδραυλική, γεω θερμική, βιομάζα, ενέρ γεια τω ν κυ μ ά τω ν, π α λίρ ρ οιες, υδρογόνο). Η ενέρ γεια μπ ορεί να μ ετα τρ έπ ετα ι α π ό τη μια μορφ ή στην άλλη.

21 20 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εσωτερική ενέργεια (U) = Κινητική + δυναμική ενέργεια των σωματιδίων. Κατά την διάρκεια μιας μεταβολής της κατάστασης ενός συστήματος η εσωτερική ενέργεια μεταβάλλεται από την αρχική Ui σε μια τελική U2, Δ ΙΙ = U2- U,. ΔΟ = Δϋ + Δ\Λ/ (Α' Θερμοδυναμικό αξίωμα). Το αξίωμα αυτό είναι μία έκφραση της διατήρησης της ενέργειας (συμπεριλαμβανομένης της εσωτερικής ενέργειας, της θερμότητας και του έργου) σε συνδυασμό με το γεγονός, ότι σε οποιαδήποτε συγκεκριμένη κατάσταση ένα σύστημα έχει μια ορισμένη ποσότητα εσωτερικής ενέργειας. Κατά τις μετατροπές αυτές η ενέργεια δεν μπορεί να χαθεί, και ακόμα λιγότερο να κερδηθεί. Μια θερμική μηχανή μετατρέπει μέρος της θερμότητας σε μηχανικό έργο (Σχήμα 1.2). Σημασία για την αξιολόγηση ενός συστήματος παραγωγής ενέργειας ή μετατροπή της από μια μορφή σε άλλη μορφή έχει ο συντελεστής θερμικής απόδοσης (η). Για την μετατροπή της θερμότητας (Q) για παράδειγμα σε μηχανικό έργο (W) έχουμε την απόδοση Αν η θερμότητα Q αντιστοιχηθεί στην διαφορά θερμοκρασίας Τ,-Τ2 (Τι>Τ2) τότε μπορούμε να ορίσουμε την μεταβολή της εντροπίας (S) που προκαλείται σ ένα σύστημα κατά την μετάβαση από την κατάσταση (1) στην κατάσταση (2) με το ολοκλήρωμα AS = s2-s, (2) όπου η μεταβολή 1 *-2 είναι πάντα αντιστρεπτή (2 >1) με τις ίδιες τελικές και αρχικές καταστάσεις. Κι αυτό γιατί η εντροπία είναι μια θερμοδυναμική συνάρτηση της κατάστασης του συστήματος και δεν εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο έφτασε το σύστημα σ' αυτή την κατάσταση. Στο μάθημα αυτό θα συναντήσουμε την "χρησιμοποιήσιμη ενέργεια" ενός φυσικού συστήματος όπως ορίστηκε από τον Kelvin. Σε μια θερμική μηχανή, μόνο μέρος της θερμότητας Qi που αφαιρείται από τη θερμή δεξαμενή θερμοκρασίας Τι κατά τη διάρκεια ενός κύκλου μετατρέπεται σε μηχανικό έργο W, ενώ η υπόλοιπη θερμότητα Q2 αποδίδεται αναγκαστικά στην κρύα δεξαμενή θερμοκρασίας Τ2 (Σχήμα 1.3) W = Q, - Q2

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ 21 Σχήμα 1.2: Θερμική μηχανή. Σχήμα 1.3: Ψυκτική μηχανή. Είναι δηλαδή αδύνατο να κατασκευάσουμε μηχανή, η οποία θα δουλεύει κυκλικά και δεν θα έχει αποτέλεσμα άλλο, από το να παράγει έργο και να παίρνει θερμότητα από μια δεξαμενή θερμότητας. Ο συντελεστής απόδοσης της μηχανής θα είναι W 1 Qi~Q2 Q2 = \_Ίι Qi Q, Τ) (3) και ο συντελεστής απωλειών

23 22 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.6 Ενεργειακές μορφές και μονάδες μέτρησης Η ενέργεια εμφανίζεται σε διάφορες μορφές. Οι κυριότερες από αυτές είναι η μηχανική, η θερμική, η ηλεκτρική, η ηλεκτρομαγνητική, η χημική και η πυρηνική. Με κατάλληλο τρόπο μια μορφή ενέργειας μπορεί να μετασχηματιστεί σε μια άλλη (Σχήμα 1.4). Για παράδειγμα σ' έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, η πυρηνική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική με την σχάση του πυρήνα, σε θερμική με την επιβράδυνση και σε ηλεκτρική με τις τουρμπίνες. Στο μάθημα αυτό θα διακρίνουμε δύο μορφές ενέργειας. Την μεταβιβάσιμη ενέργεια (transitional energy) και την αποθηκευμένη ενέργεια (stored energy). Ένα παράδειγμα μεταβιβάσιμης ενέργειας είναι η ηλεκτρική ακτινοβολία. Αντίθετα ένα παράδειγμα αποθηκευμένης ενέργειας είναι η ενέργεια που έχει ένα παραμορφωμένο ελατήριο. Στην περίπτωση αυτή πρόκειται για δυναμική ενέργεια. Μια αποθηκευμένη κινητική ενέργεια είναι ο σφόνδυλος. Και στις δύο τελευταίες περιπτώσεις οι ενέργειες ανήκουν στην κατηγορία της μηχανικής ενέργειας. Η μεταβιβάσιμη μορφή της ηλεκτρικής ενέργειας είναι το ηλεκτρικό ρεύμα. Αποθηκευμένη ηλεκτρική ενέργεια είναι η ενέργεια ενός φορτισμένου πυκνωτή ή ενός πηνίου. Τόσο η χημική όσο και η πυρηνική ενέργεια υπάρχουν μόνο σαν αποθηκευμένη ενέργεια και απελευθερώνονται ύστερα από κατάλληλες αντιδράσεις. Τέλος η θερμική ενέργεια είναι δυνατόν να αποθηκευτεί σαν λανθάνουσα θερμότητα (latent heat). Επίσης μπορούμε να πούμε ότι η θερμική ενέργεια είναι η βασική μορφή ενέργειας στην οποία καταλήγουν όλες οι άλλες. Σχήμα 1.4: Ενεργειακές μετατροπές.

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ 23 Για την μέτρηση της ενέργειας χρησιμοποιούνται κύρια το σύστημα MKS (Μήκος, m (meter) Μάζα, Kg (Kilogram), χρόνος s (second) ή το International System of Units (SI Units). Στο σύστημα αυτό έχουμε για την ενέργεια σαν μονάδες μέτρησης το 1 Joule (J) = 1 Watt*second (Ws) = 1 Newton*meter (Nm) 1J =1 W*s= 1 N*m =107erg =277,8x1 O'9 kwh (kilowatthour) Η ενέργεια ανά υονάδα χρόνου λέγεται ισχύς και ορίζεται 1W = 1 J * ^ σαν Γ ια την ισχύ επίσης χρησιμοποιούμε το 1 hp (horse*power) = 745,7 W Για την θερμική ενέργεια χρησιμοποιούμε το calorie (cal) 1cal = 4,184 J και το British thermal unit (Btu) 1 Btu = 1.055,06 J Στην πυρηνική ενέργεια χρησιμοποιούμε το electron-volt (ev) και τα πολλαπλάσιά του kev και MeV 1eV = 1,6022 χ 10'19 CbV = 1,6022 χ 10'19 J Στην Φυσική Πλάσματος αντιστοιχίζουμε την ενέργεια kt =1 ev σε θερμοκρασία Τ θέτοντας την σταθερά Boltzman k = 1,38x10 16 erg/ K ίση με τη μονάδα. Προκύπτει ότι Τ = 1,6χ10'12/(1,38χ10'16) = Κ. Δηλαδή αντί να πούμε ότι έχουμε ένα πλάσμα θερμοκρασίας Τ = Κ λέμε ότι έχουμε ένα πλάσμα θερμοκρασίας 1eV. Άλλες μονάδες με τις οποίες εκφράζονται μεγάλα ποσά ενέργειας είναι το 1Q = 1018 Btu 1 toe (tons oil equivalent) = 4,19 x 101 J 1 Boe (Barrels oil equivalent) = 5,74 χ 109 J 1 tee (tons coal equivalent) = 2,93 x 101 J

25 24 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.7 Α σ κ ή σ ε ι ς 1. Η απορρόφηση και επανεκπομπή της ηλιακής ακτινοβολίας που κρατά την θερμοκρασία πάνω στη γη σταθερά, ανέρχεται σε 4 Q/day. Ο άνθρωπος δεν πρέπει να αυξήσει το ποσό αυτό περισσότερο από 1% αν δεν θέλει να διαταράξει τις κλιματολογικές συνθήκες. Με την παρούσα αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας κατά 4%, σε πόσα χρόνια θα ξεπεραστεί το ποσό αυτό; (Η παρούσα κατανάλωση ανέρχεται σε 0,34 Q/year). Λύση 4Q/day = 4 χ 365 Q/year = Q/year Επιτρεπτό όριο 1 % χ 1,460=14,6 Q/year = 1 5 Q/year Αν θα φτάσουμε στο ποσό αυτό μετά από ν - χρόνια τότε η κατανάλωση που θα έχουμε θα είναι 0,34 + 0,34. ν. ρ + 0,34 [νίν-1 )ρ2)/2] ,34ρν = 0,34 [1+νρ +(ν(ν-1) ρπ2) +... ρν] = =0,34 (1+ρ) ν = 15 (1+ρ)ν = (15/0,34) = 45 ν tn (1+ρ) = tn 45 ν = (tn45/tn(1+p)) = (3,8/0,04) = 95 year 2. Αν η μέση ηλιακή ακτινοβολία είναι 1 Langley min'1(1 Langley = 1 cal/cm2). Να βρείτε πόση ενέργεια δέχεται η σκεπή ενός σπιτιού επιφανείας 100 m2 όταν υπάρχει ηλιοφάνεια 500 min (δηλαδή 8 ώρες). Μετατρέψτε αυτή την ενέργεια (Ει) σε ηλεκτρική (ΕβΙ) με συντελεστή μετατροπής 10%, σε κάρβουνο, (1kg = 6χ103 kcal), σε βενζίνη (Hit = 104 Kcal) και σε καυσόξυλο (1kg =3,74χ103 Kcal με 50% υγρασία). Λύση Ηλεκτρικές μονάδες 1 kcal = 1,16x1 O'3 kwh 1 kwh = 8,59x102 kcal Et = 1 L/min x 100 m2 x 500 min = 1cal/cm2min x100 m2x 500 min = = 1cal x 100 x 500 χ 104 = 500 x 10 cal. E, = 500 χ 103 kcal = 500 x 103x 1,16x10'3 kwh E, = 580 KWh ; Ee, = 580 x 10% = 58 kwh Κάρβουνο : 500x103 kcal/ 6x103 kcal = 80 kg Βενζίνη: 500x103 kcal /1 0 x103 kcal = 50 fit Καυσόξυλο; 500x103 kcal/ 3,74 χ 103 kcal = 130 kg

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 «ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ Σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης δευτέριου-δευτέριου χρησιμοποιείται ο κύκλος κατάλυσης που παράγει ενέργεια 7,2 MeV για κάθε δευτέριο που καίγεται. Πόσα γραμμάρια δευτέριου και πόσα χιλιόγραμμα θαλασσινού νερού την ημέρα χρειάζεται ο αντιδραστήρας για την παραγωγή ισχύος 1 MW. Λύση 1eV = 1,6x10'19 J 1MeV = 1,6x10'13 J Η ενέργεια που παράνεται από την καύση ενός υδρογόνου είναι Ε = 7,2 MeVx1,6x10'" J/MeV = 1,15x10'" J =1,15χ10'12 Wsec. Ο αριθμός των υδρογόνων επομένως για την παραγωγή ενέργειας Ν0 = 1/1,15x10'" = 0,87x10" D/Wsec Ο αριθμός κατανάλωσης δευτερίων την ημέρα για την παραγωγή 1MW θα είναι επομένως vd= (106 W) (0,87x10" D/Wsec) ( sec/day) = vd= 7,5x1022 D/day. Επειδή 2g του δευτέριου αντιστοιχούν σε 6,022x1023 D (αριθμός Avogadro) θα έχουμε ότι το βάρος του δευτέριου που καίγεται θα είναι Yd _ 2χ7,5χ1022 6,022x1023 = 2,4 g/day και το βάρος του θαλασσινού νερού θα είναι αντίστοιχα Υ η, ο - 0,24x100 0, g =1,6 kg 4. Σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα σχάσης, παράγεται ενέργεια Ε( = 200 MeV για κάθε πυρηνική αντίδραση. Να βρεθεί ο λόγος της παραγωγής ενεργειών πυρηνικής/χημικής για ένα χιλιόγραμμο καυσίμου. Λύση Τα 235 g U-235 περιέχουν τον αριθμό ατόμων Ν0 = 6,022x1023 και επομένως και τον ίδιο αριθμό αντιδράσεων. Η ολική παραγόμενη ενέργεια λοιπόν θα είναι Ε, = 200 (MeV) χ 6,022χ1023 = 1,2χ1026 MeV = 1,2 χ1026χ 1,6 χ 10'13 J = 1,9x1013 J

27 26 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Επομένως η παραγόμενη ενέργεια ανά γραμμάριο U-235 θα είναι Ερ8 = (1,9/235) χ 101i J/g = 0,8 χ 10 2 χ 1013 J/g 5 Επομένως 1kg-» Καθαρό -» U235 0,8 x10μ J Αν πάρουμε φυσικό ουράνιο τότε επειδή το U-235 = 0,71% φυσικού ουρανίου 1kg- φυσικό Ουράνιο 0,8 χ 0.71% χ 101< J = 5,6χ1011 J Μ Αλλά1 kg βενζίνη = 107 cal = 4,184x107J 1 άρα ο λόγος R πυρηνικής/χημικής ενέργειας θα είναι % R = 5,6x1-- 1y =104! 4,14x107 χ ί ι i ί Λ ί.ί t/ I ί

28 " ϊν >.U ' ' ' V' ' " < ' V ;. : ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 1 '. r'-v i^. ν ΐ& ι,'«:»ι Μ» '% **<»;' -* Λ Λ'."^*Ά,Λν.'Γ;5^.». - * ys. { i i ; ; :. ' ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ * / ^ ' ( ν ;, 1 1 '. /.» /' -"..'... ;' " ν». ^ V. '?, V,. ' -.: «' ί j. S?;?-Λ; :..:τ\ψ' 7«" :i»iv'"** " '. «U Vt,- ' Λ,?- VJ'J ' * Γ ' : ' * * y V - - '" ' - \,?Y - ' < *'1i ' F. }, ν '. ; ; ' ;, : / ; A: ' 7.7 t / ' V... \,v - Λ. > ' _, <r. '. Ά > Τ ^ ; '. * ϊ 3 ν ' t v *» ' Λ ' - ' ' / " i ' Λ ' ' ' / v V «if? : <?-.> '. * / " a r -.\ ' }.«. ' ' ' - ',. k *. ^ ' ν/ '.. '.. ' '^Vj - ν ', -, O'λr's j i Λ > ^

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 Εισαγωγή Η ακτινοβολία που δεχόμαστε από τους αστέρες οφείλεται σε τρεις φυσικές διαδικασίες: α) Θερμική ακτινοβολία: Ακτινοβολία που εκπέμπει κάθε σώμα λόγω της θερμοκρασίας του. β) Συγχροτρονική ακτινοβολία: Ακτινοβολία λόγω της σχετικιστικής ταχύτητας των ηλεκτρονίων μέσα σε μαγνητικό πεδίο. γ) Ακτινοβολία πλάσματος: Ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα ιονισμένο αέριο. Και οι τρεις αυτές ακτινοβολίες είναι αποτέλεσμα ενός τεράστιου ποσού παραγωγής ενέργειας από πυρηνικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των αστέρων σε αποστάσεις μέχρι 0,25R (R = ακτίνα του αστέρα). Στη φάση που βρίσκεται ο ήλιος του δικού μας συστήματος (σε θερμοκρασία Τ = 10~40 kev και πυκνότητα ρ = 105 kg/rrr) η καύση αυτή είναι καύση υδρογόνου (πρωτονίου ρ) σε ήλιο και περιλαμβάνει τις ακόλουθες αντιδράσεις p + p -» D + e+ + v ρ + D Ηθ3+ γ He3 + He3 He4 + 2ρ (1)

30 30 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Α ν π ρ ο σ θ έσ ο υ μ ε τις εξισ ώ σ εις α υ τές τό τε θα δ ο ύ μ ε ότι το ά θ ρ ο ισ μ α τω ν μ α ζώ ν το υ π ρ ώ το υ μ έρ ο υ ς είναι μ εγα λύ τερ ο α π ό το ά θ ρ ο ισ μ α τω ν μ α ζώ ν το υ δ εύ τερ ο υ μ έρ ο υ ς, έτσι κα τά τη ν α ντίδ ρ α σ η α υτή έχουμε ένα έλλειμ μ α μ ά ζα ς π ερ ίπ ο υ 1 % π ου μ ετα τρ έπ ετα ι σ ε ενέρ γεια με β ά σ η την εξίσ ω σ η το υ E instein E = m c 2. Ε ίναι φ α νερ ό ότι με α υ τό ν το ν τρ ό π ο π α ρ ά γο ντα ι τερ ά σ τια π ο σ ά ενέρ γεια ς. Σ υ γκεκρ ιμ ένα, υ π ο λο γίζετα ι ότι ο ή λιος α κ τινο β ο λεί 4 x 1 02fe Jo u le s /s e c δ η λαδή ένα π ο σ ό ενέρ γ εια ς π ο υ α ντισ το ιχ εί σ ε μια α π ώ λεια μ ά ζα ς 4 x 1 06 τό ν ω ν το δ ευ τερ ό λ επ το και π ο υ θα μ π ο ρ ο ύ σ ε ν α κα λύψ ει τις α νά γ κ ες το υ π λα νή τη μ α ς για εκ α το μ μ ύ ρ ια χρόνια. Έ ν α μ έρ ο ς τη ς ενέρ γεια ς α υ τή ς δ ια δ ίδ ετα ι π ρ ο ς τα έξω και ένα μ έρ ο ς α π ό α υτό π ο υ δ ια δ ίδ ετα ι π ρ ο ς τα έξω, φ τά νει σ τη γη. Σ την α τμ ό σ φ α ιρ α το υ ήλιου η δ ιά δ ο σ η τη ς εν έρ γ εια ς δεν γίνετα ι μ όνο με α κτινο β ο λία α λλά και με μ ετα φ ο ρ ά. Τ ο ό ρ ιο το έχει κα θ ο ρ ίσ ει ο S ch w a rzschild α π ό το ν ο π ο ίο π ή ρ ε και το ο μ ώ νυμο κρ ιτή ρ ιο. Υ π ο λ ο γ ίζετα ι ότι σ ε μ ικρές α π ο σ τά σ εις d < 0,7 R η δ ιά δ ο σ η γ ίνετα ι με α κ τιν ο β ο λ ία ενώ για α π ο σ τά σ εις 0,7-1,0R γίνετα ι με μετα φ ορά. Η π ερ ιο χ ή α υτή λέγετα ι φ ω τό σ φ α ιρ α και α π ο τελείτα ι α π ό ισ χυρά ιο νισ μ ένα α έρ ια χ α μ η λή ς π υ κ ν ό τη τα ς π ο υ είνα ι και η κύρια π ηγή τη ς α κτιν ο β ο λ ία ς π λά σ μ α το ς. Τ ην φ ω τό σ φ α ιρ α α κ ο λ ο υ θ εί η χ ρ ω μ ό σ φ α ιρ α π ου π ερ ιέχει α έρ ια χ α μ η λ ό τερ η ς π υ κ ν ό τη τα ς και μ εγ α λ ύ τερ η ς θ ερ μ ο κρασία ς. Τ α τρ ία α υ τά μέρη του ή λιο υ α π ο τελούν τις κυριό τερ ες π η γ ές τη ς η λ ια κ ή ς α κτινο β ο λία ς. Α π ό α υ τές τις π η γ ές π ρ ο έρ χετα ι και η α κτινο β ο λία π ου φ τά νει σ τη γη και α π ο τελ εί τη ν λ εγά μ ενη ηλια κή ενέρ γεια. Υ π ο λο γίζετα ι ότι α υ τό το π ο σ ό α νέρ χ ετα ι σ ε 1,5x10 18 kw h /ye a r α π ό το ο π ο ίο 30% π ερ ίπ ο υ α να κλά τα ι π ίσ ω σ το δ ιά σ τη μ α. Έ τσ ι το κα θ α ρ ό π ο σ ό η λ ια κ ή ς ενέρ γεια ς π ου φ τά νει σ τη γ η είνα ι π ερ ίπ ο υ 1018 kw h /ye a r. Α π ό α υτό 2,9 x 1 0 i r kw h /ye a r γ ρ η σ ιμ ο π ο ιείτσ ι για τη ν εξά τμ ισ η νερ ο ύ (έμ μ εσ η υ δ ρ ο η λεκτρ ική ενέρ γεια ) 2,0 x1 0 1' k W h /y e a r υ ετα τρ έπ ετα ι σ ε κινη τική ενέρ γεια το υ α έρ α (α ιο λική ενέρ γεια ) και 8,0 x k W h /y e a r χ ρ η σ ιμ ο π ο ιείτα ι σ τη ν φ ω το σ ύ νθ εσ η. Τ ο υ π ό λ ο ιπ ο π ο σ ό τω ν 5 x k W h /y e a r κρ α τά ει τη θ ερ μ ο κρασία τη ς γ η ς σ τα θ ερ ά με θ έρ μ α νσ η και επ α νεκπ ο μ π ή. Α π ό τα π α ρ α π ά ν ω σ υ νάγετα ι ότι σ τη γη έρ χοντα ι τερ ά σ τια π οσ ά ενέρ γ εια ς τα ο π ο ία θα μ π ο ρ ο ύ σ α μ ε ν α εκμ ετα λλευ το ύ μ ε. Π έρα α π ό την α ιο λική και τη ν υ δ ρ ο η λ εκτρ ική εν έρ γ εια π ου είναι και α υ τές έμ μ εσ ες μ ο ρ φ ές ηλια κή ς ενέρ γ εια ς αν μ π ο ρ ο ύ σ α μ ε να εκ μ ετα λ λ ευ το ύ μ ε το 1% α υ τή ς τη ς ενέρ γεια ς π ο υ π ρ ο σ π ίπ τει σ τη γη σε ένα χ ρ ό νο θα είχ α μ ε ένα π ο σ ό ενέρ γεια ς 100 φ ο ρ ές μ εγα λύτερ ο α π ό τις σ υ νο λικές α ν ά γ κ ες το υ π λα νή τη μ α ς σ ε ένα χρόνο. Θ α ή τα ν λ ο ιπ ό ν π ρ ο τιμ ό τερ ο να α να π τύ σ σ α μ ε τρ ό π ο υ ς εκμ ετά λ λ ευ σ η ς ενός μ έρ ο υ ς α υ το ύ το υ π οσ ού, π α ρ ά ν α κα τα να λώ νο υ μ ε α π ερ ίσ κ επ τα το π ετρ έλα ιο, το α έρ ιο και το κά ρ β ο υ νο π ου είνα ι και μ η -α ν α ν εώ σ ιμ ες π η γ ές α λλά σ υ γ χ ρ ό ν ω ς και α ν α ν τικ α τά σ τα τες β ιο μ η χ α νικές π ρ ώ τες ύλες. 2.2 Ηλιακή ακτινοβολία Ηλιακή σταθερά Για τη ν κα λύτερ η κα τα νό η σ η του μ α θ ή μ α το ς θα δ ια χω ρ ίσ ο υ μ ε τη ν α κτινο β ο λία σ ε δύο κα τη γο ρ ίες: τη ν ά μ εσ η ld δηλαδή α υτή π ου π ρ ο σ π ίπ τει α π ' ευ θ εία ς σ ε μια

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 31 επ ιφ ά νεια π ά νω στη γη χ ω ρ ίς να έχει π ά θει σκέδαση σ τη ν α τμόσ φ α ιρ α, και την διάχυτη ls, π ου π ρ οέρ χετα ι α π ό η λια κές α κτίνες που έχουν υπ ο σ τεί σ κέδαση R ayleigh ή ά λλης μορφ ής όπ ω ς α π ό σ κό νη από σ ύννεφ α κ.λπ. Ο δ ια χω ρ ισ μ ό ς είναι α να γκα ίο ς για τί η ά μεσ η α κτινοβολία μπ ορεί να σ υ γκεντρ ω θ εί με κά τοπ τρ α π ά ν ω σε σ υ λλέκτες ενώ η έμμεσ η δεν σ υγκεντρ ώ νετα ι. Έ τσ ι γίνεται π ιο εύ κολος και π ιο α κριβ ή ς ο π ρ ο σ δ ιο ρ ισ μ ό ς της ά μ εσ η ς και τη ς έμ μ εσ η ς ηλιακής α κτινο β ο λία ς α νά μονά δα χρόνου. Τ ο π οσ ό τη ς ηλια κή ς α κτινο β ο λία ς π ου π ρ οσ π ίπ τει κά θ ετα σ την μ ονά δα επ ιφ ά νεια ενός επ ίπ εδου σ υ λλέκτη π ου είναι το π ο θ ετη μ ένο ς σ το όριο τη ς α τμ ό σ φ α ιρ α ς ότα ν η γη βρίσ κεται σ τη μέσ η α π όσ τα σ ή τη ς α π ό τον ήλιο λέγετα ι ηλιακή σ τα θερ ά. Είναι π ρ ο φ α νές ότι α υτό το π ο σ ό δεν μπ ορεί ν α μετρ ηθεί με α π όλυτη α κρίβ εια για τί εξαρτά ται α π ό τη ν επ ίδρασ η τη ς α τμόσ φ α ιρ α ς, τις α λλα γές (γύρω σ τα 3,3% ) της έντα σ ης του ηλιακού φ ω τό ς λό γω της ελλειπ τικής τρ ο χ ιά ς τη ς γης κ.α. Ο ι σ η μ ερ ινές τιμ ές τη ς σ τα θ ερ ό ς α υ τή ς σε σ υ νδ υ α σ μ ό και με μ ετρ ήσ εις π ου γίνο ντα ι α π ό δ ο ρ υ φ ό ρ ο υς είναι W /m Ηλιακό φάσμα Για την εκμ ετά λλευ σ η τη ς ηλια κή ς α κτινο β ο λία ς με σ υ λλεκτικές επ ιφ ά νειες είναι α να γκα ίο να γνω ρ ίζο υ μ ε την κα τα νομή τη ς ηλιακής α κτινο β ο λία ς σ α ν σ υ νά ρ τησ η του μ ήκο υς κύματος. Η κα τανομή αυτή, όπ ω ς φ αίνεται και σ το Σ χήμα 2.1, έξω απ ό την α τμ όσ φ α ιρ α τη ς γης είναι βασικά όμοια με την κα τανομή α κτινο β ο λία ς μ έλα νο ς σ ώ μ α το ς σε θ ερ μ ο κρασία Κ με μ ερ ικές α λλα γές σ τη ν π ερ ιοχή 0,3-0,6 μηι π ου οφ είλονται σ την α π ο ρ ρ ό φ η σ η α π ό την ηλιακή α τμ όσ φ α ιρ α, απ ό α ρ νη τικά ιόντα υδ ρογόνου και α π ό μ ο ρ ια κο ύς σ υνδέσ μ ους. Το φ ά σ μ α π ά νω σ το έδ α φ ο ς δίνετα ι επ ίσ ης στο Σχήμα 2.1. Β λέπ ο υμε ότι κατά την διέλευσ η του α π ό την γήινη α τμ ό σ φ α ιρ α υφ ίσ ταται σ η μ α ντική α π ο ρ ρ ό φ η σ η και σ κέδαση απ ό υδρατμούς, μόρια 0 3, Η 20, και C 0 2 και απ ό σ ω μ α τίδια σ κόνης. Το όζον ( 0 3) α π ορροφ ά την ηλιακή α κτινο β ο λία στην π ερ ιοχή λ < 0,3 μιπ (υπ ερ ιώ δ ες) και οι υδρατμοί σ το υπ έρυθρο, δηλαδή σε μήκη κύμ α τος λ > 3 μιπ. Α νά μ εσ α στα δύο α υτά όρια υπ ά ρ χουν α ρκετές ά λλες α π ο ρ ρ ο φ ή σ εις π ου τρ ο π ο π ο ιο ύν το ηλια κό φ άσ μα. Α υ τές ό μ ω ς δεν έχουν σ ο β α ρ ές επ ιπ τώ σ εις στην εκμ ετά λλευ σ η τη ς ηλια κή ς α κτινοβολία ς, γιατί εμ ά ς κύρια μας ενδια φ έρει η η λεκτρ ομαγνητική α κτινοβολία με μήκη κύματος μεταξύ 0,3-3 μηη π ου α ντιπ ρ οσ ω π εύει π ερ ίπ ο υ το 98% της ο λική ς ηλιακής α κτινο β ο λία ς π ου φ τά νει στη γη. Ε ξα σ θένισ η τη ς ηλια κή ς α κτινοβολία ς π ου φ τάνει σ τη γη έχουμε επ ίσ η ς λόγω σ κέδασης. Εδώ σ η μ α ντικό ρ όλο π αίζει ο μ ηχα νισ μ ός της σ κέδα σ ης. Τα μόρια για π α ρ ά δ ειγμ α είναι υπ εύθυνα για την σ κέδαση R ayleigh π ου γίνεται α ρ κετά μεγάλη σ ε μικρά μήκη κύματο ς επ ειδή είναι α νάλογη του λ '4. Η σ κέδαση απ ό υ δ ρ α τμ ο ύ ς είναι α νά λογη του λ -2 και α π ό σ ω ματίδια σ κό νης α νά λο γη του λ 1.

32 32 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.3 Έ ν τ α σ η τ η ς η λ ια κ ή ς α κ τ ιν ο β ο λ ία ς Ε ίναι φ α νερ ό ότι η έντα σ η το υ ηλιακού φ ω τό ς μ ετα β ά λλετα ι κατά τη ν δ ιά ρ κ εια τη ς ημέρας. Α υ τό ο φ είλετα ι σ τη ν α λλα γή τη ς γ ω ν ία ς θζ ττου σ χ η μ α τίζει ο ή λιο ς μ ε το ζενίθ και σ τη ν α λλα γή τη ς π υ κνό τη τα ς τω ν σ ω μ α τιδ ίω ν μέσ α α π ό τα ο π ο ία π ερ νο ύ ν οι α κτίνες. Ο ι α λλα γές α υ τές είναι δ ια φ ο ρ ετικές α π ό μέρα σ ε μέρα και εξα ρ τώ ντα ι α π ό τις α τμ ο σ φ α ιρ ικές σ υ νθήκες. Α π ό π α ρ α τη ρ ή σ εις π ου έγινα ν το 1970 φ α ίν ετα ι ότι η α λλα γή τη ς έντα σ η ς του ηλια κο ύ φ ω τό ς με τη ν α ύ ξη σ η τη ς γω ν ια κ ή ς α π ό σ τα σ η ς του ήλιου α π ό το ζενίθ είναι α νά λο γη τη ς α ύ ξη σ η ς τη ς μ ά ζα ς α έρ α. Η α ύ ξη σ η α υτή ορίζετα ι σ α ν ο λ ό γο ς Μ τη ς ο π τικ ή ς π υ κ ν ό τη τα ς τη ς α τμ ό σ φ α ιρ α ς κα τά τη ν δ ια δ ρ ο μ ή τη ς α κτίνα ς π ρ ο ς την οπ τική π υ κ ν ό τη τα ότα ν ο ή λιο ς β ρ ίσ κ ετα ι σ το Ζ ενίθ. Για μια ο ρ ιζό ντια επ ίπ εδ η α τμ ό σ φ α ιρ α ο λ ό γ ο ς α υ τό ς είνα ι α ν τίσ τρ ο φ α α νά λο γο ς του σ υ νη μ ίτο νο υ τη ς γ ω ν ια κ ή ς α π ό σ τα σ η ς α π ό το Ζ ενίθ. Για μια κα μ π υ λό γρ α μ μ η α τμ ό σ φ α ιρ α οι α σ τρ ο ν ο μ ικ ές π α ρ α τη ρ ή σ εις δ εν δ ίνο υ ν σ ο β α ρ ές α λ λ α γ ές αυτού το υ νό μ ο υ ώ σ τε να υ π ά ρ χουν σ ο β α ρ ές επ ιπ τώ σ εις σ τις η λια κές εφ α ρ μ ο γές. Ε μ π ειρ ικά φ α ίνετα ι ότι Μ = se c0 2 0 θ2 65 Μ = (sec0z)s θ2 > 65 Ο) όπ ου s είνα ι μια εμ π ειρ ική σ τα θ ερ ά. Α π ό τη ν εξίσ ω σ η (1) (ραίνεται ότι Μ = 1 γ ια θ2 = 0 και Μ = 2 για θ2 = 60. Σ το Σ χήμα 2.1 η σ τα θ ερ ά Μ έχει π ά ρ ει τη ν π μή Μ = 1.

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 'ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 33 Α π ό την εξίσ ω ση (1) έχουμε επ ίσ η ς για τη ν ένταση της η λια κή ς α κτινοβολία ς μια εμ π ειρ ική σ υ νά ρ τησ η τη ς μ ο ρ φ ή ς Ι(θζ) = Ιο e<m (2) όπ ου c είναι μια εμ π ειρ ική σ τα θ ερ ά και το Ι0 είναι η ηλιακή σ τα θερ ά, η ένταση τη ς ηλια κή ς α κτινο β ο λία ς έξω α π ό τη γήινη α τμόσ φ α ιρ α. Τα π ειρ α μ α τικά δ εδ ο υ ένα μας δ ίνουν για τις εμ π ειρ ικές σ τα θ ερ ές c = 0,357, s = 0,678 και Ι0 = W /m. Η εξίσ ω σ η (2) π ρ ο ϋπ ο θ έτει ότι οι μ ετρ ή σ εις έγιναν σ το επ ίπ εδ ο τη ς επ ιφ ά νεια ς τη ς θά λασ σ α ς. Είναι φ α νερ ό ότι η έντα σ η Ι(ζ) θα αυξάνει ό π ω ς α υξά νει το ύψ ος του σ η μ είο υ σ το ο π οίο γίνεται η μέτρ ησ η και επ ο μ ένω ς θα είναι και σ υ νά ρ τη σ η του ύψ ους h απ ό την επ ιφ ά νεια τη ς θά λα σ σ α ς. Τ ο φ α ινό μ ενο α υτό είναι π α ρ α τη ρ ή σ ιμ ο και α π ό την α ύξησ η του μπ λε χρ ώ μ α το ς του ουρανού σ τα μ εγα λύτερ α υψ όμετρ α αλλά και απ ό το γρ ή γο ρ ο μ α ύρισ μ α της επ ιδερ μ ίδας τω ν ο ρ ειβ α τώ ν και τω ν α νθρώ π ω ν π ου ζουν στα βουνά. Η α λλαγή της έντα σ η ς τη ς η λια κή ς α κτινο β ο λία ς σ α ν σ υ νά ρ τη σ η τη ς γω νια κή ς α π ό σ τα σ η ς και του ύ ψ ο υ ς για μικρά υψ όμετρ α μπ ορεί να δ ο θ εί α π ό τη ν εξίσ ω σ η l(0 * h ) = Ι0 (1 - α h) e cm + α h l0 (3) Η εμ π ειρ ική σ τα θερ ά α = 0,14/km έχει π ρ ο σ δ ιο ρ ισ τεί α π ό π α ρ α τη ρ ή σ εις. Η έντα σ η της ο λική ς ηλιακή ς α κ τινο β ο λία ς στην επ ιφ ά νεια του εδ ά φ ο υ ς είναι το ά θ ρ ο ισ μ α τω ν εντά σ εω ν τη ς ά μ εσ η ς D (direct) και τη ς δ ιά χυ τη ς S (scattered). Η ά μ εσ η α κτινο β ο λία μπ ορεί να υ π ο λο γισ τεί α π ό την εξίσ ω ση (3). Ο υ π ο λο γισ μ ό ς ό μ ω ς τη ς έμ μ εσ η ς είναι π ο λύ π λο κο ς. Ό τ α ν ο ο υ ρ α νό ς είναι κα λυμμένο ς με σ ύ ννεφ α τότε όλη η α κτινο β ο λία είναι δ ιάχυτη. Τ ο α ντίθ ετο βέβαια σ υ μ β α ίνει ότα ν δεν υπ ά ρ χουν σ ύ ννεφ α οπ ότε η δ ιά χυτη είναι ένα μικρό π οσ οσ τό της ολικής. Και σ' α υτήν την π ερ ίπ τω σ η ό μ ω ς η διά χυτη α κτινοβολία μπ ορεί να γίνει α ρκετά μεγά λη όταν ο ήλιος δύει και είναι κοντά σ το ν ορ ίζοντα. Η ένταση λοιπ όν τη ς ηλια κή ς α κτινοβολία ς εξαρτά ται απ ό την γω νια κή α π ό σ τα σ η του ήλιου απ ό το Ζενίθ, α π ό το ύψ ος του σ ημείου, όπ ου γίνεται η μέτρησ η, α π ό την διάχυση σ τη ν α τμ όσ φ α ιρ α κ.α. Υ π ο λογίζετα ι ότι σ το επ ίπ εδ ο τη ς θ ά λα σ σ α ς α νέρ χεται σ τα 1 k W /rrr ενώ π ιο ψ ηλά α νέρ χεται γύρω σ τα 1,1 kw /nrr. Στο Σχήμα 2.2 δίνοντα ι μ ερ ικές κα μ π ύλες π ου δείχνουν την μ ετα β ολή τη ς έντα σ η ς σ τη ν επ ιφ ά νεια της θ ά λα σ σ α ς (S tandard) σ τη ν έρ ημο (D esert) και σε κα το ικη μ ένες π ερ ιο χές (U rban). Οι κα μ π ύ λες δεν π ερ ιλα μ β ά νουν σ κεδ ά σ εις π ου π ρ ο έρ χοντα ι απ ό το έδαφ ος, ό π ω ς για π α ρ ά δ ειγμ α ο ικο δ ο μ ές κ.α. Είναι φ α νερ ό ότι για ο π ο ια δ ή π ο τε χρήσ η και π ρ ο σ δ ιο ρ ισ μ ό ηλιακώ ν σ υ λλεκτώ ν π ρέπ ει να λα μ β ά νο ντα ι υπ ' όψ ιν κι αυτά τα φ αινόμενα. Σε π ρ ώ τη π ρ ο σ έγγισ η υπ ο λογίζετα ι ότι η σ κέδ α σ η α π ό το έδαφ ος είναι σ τα ίδια π ο σ ο σ τά με τη σ κέδαση απ ό τον ο υ ρ α νό και έχει την ίδια εξάρτησ η α π ό την α π όστα σ η Η λιου - Ζ ενίθ π ου έχει και η ά μ εσ η ηλια κή α κτινοβολία. Μ όνο σ τη ν π ερ ίπ τω σ η π ου τα υλικά του εδάφ ους είναι σ κο τεινά ό π ω ς η ά σ φ αλτος και το τσ ιμ έντο ή είναι κοκοϊδ είς επ ιφ ά νειες ό π ω ς η άμμος, η σ κέδ α σ η α π ό το έδ α φ ο ς δια φ έρ ει κατά π ολύ α π ό την σ κέδαση α π ό το ν ουρανό. Σ' αυτή την π ερ ίπ τω σ η για τον α κριβή

34 34 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ π ρ ο σ δ ιο ρ ισ μ ό τη ς ο λ ικ ή ς έντα σ η ς π ρ έπ ει ν α γίνο ντα ι α ντίσ το ιχ ες δ ιο ρ θ ώ σ εις. Τ η ν έν τα σ η τη ς η λια κή ς α κτιν ο β ο λ ία ς τη ν μ ετρ ά μ ε σ ε ca l/cm 2m in ή σε kw /πι2. Η μ ο νά δ α c a l/c rrr ονο μ ά ζετα ι L a n g le y (ly). 2.4 Ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια Για ν α β ρ ούμ ε τη ν α κτινο β ο λία π ο υ δ έχ ετα ι μια ο ρ ιζό ντια επ ιφ ά νεια θα π ρ έπ ει να ο ρ ίσ ο υ μ ε ο ρ ισ μ ένα μ εγέθ η και κα τά κύριο λό γο τις γ ω ν ίες α π ό τις ο π ο ίες εξα ρ τώ ν τα ι και ν α τις σ υ σ χ ετίσ ο υ μ ε μ ετα ξύ τους. Α ς υ π ο θ έσ ο υ μ ε ότι έχ ο υ μ ε μια επ ιφ ά ν εια π ο υ π α ρ α κ ο λ ο υ θ εί τη ν κίνη σ η τη ς γης. Τ ό τε μ π ο ρ ο ύ μ ε ν α ο ρ ίσ ο υ μ ε τις α κ ό λ ο υ θ ες γω ν ίες φ = γεω γ ρ α φ ικ ό π λ ά το ς -9 0 S φ < 90 δ = Γ ω νία α π ό κλισ η ς, (α π ό κλισ η ): Γ ω νια κή θέσ η του ηλίου το η λια κό μ εσ η μ έρ ι σ ε σ χ έσ η με το ν ισ η μ ερ ινό -2 3,4 5 δ 5 23,45. Η βόρεια θ εω ρ είτα ι θετική, β = Γ ω νία κ λίσ η ς το υ σ υ λλέκτη ω ς π ρ ο ς ο ρ ιζό ν τιο επ ίπ εδο, ω = Ω ρ ια ία γω νία, η γω ν ια κ ή μ ετα β ο λή τη ς θέσ ης του ηλίου κα τά τη ν κίνη σ η τη ς γ η ς γ ύ ρ ω α π ό το ν ά ξο νά τη ς με γ ω ν ια κ ή τα χ ύ τη τα 15 /hour. (Τ ο π ρ ω ί α ρ ν η τικ ή το α π ό γ ευ μ α θετική). θ = Γω νία π ρ ό σ π τω σ η ς ω ς π ρ ο ς τη ν κά θ ετο π ρ ο ς τη ν επ ιφ ά νεια του σ υ λ λ έκ τη γ = Γ ω νια κή μ ετα τό π ισ η (Α να το λική ή Δ υ τική ). Π ρ έπ ει επ ίσ η ς ν α ο ρ ίσ ο υ μ ε τη ν η μ έρ α σ το ν χ ρ ό νο εφ όσ ον η η λια κή α κ τιν ο β ο λ ία εξα ρ τά τα ι και α π ό α υ τή ν η = η μ έρ α σ το χ ρ ό νο (1 5 η 365), Ju lia n date. Ε ίναι π ρ ο φ α ν ές ότι η γ ω ν ία π ρ ό σ π τω σ η ς θα είνα ι μ ια σ υ νάρτη σ η ό λ ω ν τω ν π α ρ α π ά ν ω μ εγεθώ ν, δηλα δ ή θ = θ (cos<p, sincp, cos5, είη δ, cosu), since, cosy, είη γ) Μ π ο ρ ο ύ μ ε ό μ ω ς α υ τή ν τη ν εξίσ ω σ η ν α τη ν α π λο π ο ιή σ ο υ μ ε κ ά νο ντα ς ο ρ ισ μ έν ες π α ρ α δ ο χ ές π.χ., ό τα ν ο σ υ λ λ έκ τη ς είνα ι το π ο θ ετη μ έν ο ς σ το Β ό ρ ειο η μ ισ φ α ίρ ιο είνα ι π ρ ο σ α ν α το λ ισ μ έν ο ς π ρ ο ς το Ν ότο, ο π ό τε γ = 0, και ό τα ν είνα ι το π ο θ ετη μ έν ο ς σ το Ν όπ ο η μ ισ φ α ίρ ιο είν α ι π ρ ο σ α ν α το λ ισ μ έν ο ς π ρ ο ς το Β ο ρρά, ο π ό τε γ = 180. cos0 = co s (φ ± β ) cos6 cosu) + είη (φ ± β ) s in 6 Α π ό τη ν εξίσ ω σ η α υ τή β λέπ ο υ μ ε ότι α ν β=0 c o s 0 z = cos φ cos6 c o s u + sincp sin 6 + Ν ό το ς - Β ο ρ ρ ά ς (3) (4) Α π ό τη ν (2) μ π ο ρ ο ύ μ ε εύ κ ο λ α ν α β ρ ο ύ μ ε τη ν ω ρ ια ία γω νία τη ς δ ύ σ η ς το υ ηλίου. Για θζ = 90