Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

Transcript

1 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ενότητα 2: Ηλιακή Ενέργεια & Εφαρμογές Γεώργιος Λευθεριώτης, Επίκουρος Καθηγητής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

2 Σκοποί ενότητας Γνωριμία με τα χαρακτηριστικά φάσματος και έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης και εμπέδωση της εξάρτησής τους από τη σχετική θέση ήλιου-γης Παρουσίαση των σημαντικότερων εφαρμογών συγκέντρωσης και μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε άλλες μορφές ενέργειας. Παρουσίαση στοιχείων εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας ανα τον κόσμο. 2

3 Περιεχόμενα ενότητας Φασματικά χαρακτηριστικά ηλ. ακτινοβολίας Σχετική θέση Ήλιου-Γης (αέρια μάζα) Μετρητικά όργανα έντασης ηλ. ακτινοβολίας Εφαρμογές συγκέντρωσης/μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια Παθητικά ηλιακά συστήματα Δυναμικά κτήρια 3

4 Η ανατομία του ήλιου

5 Φασματικά χαρακτηριστικά ηλιακής ακτινοβολίας (1)

6 Φασματικά χαρακτηριστικά ηλιακής ακτινοβολίας (2) ar_energy%29

7 Φασματικά χαρακτηριστικά ηλιακής ακτινοβολίας (3) [1] p.25 (gallery plate1)

8 Φασματικά χαρακτηριστικά ηλιακής ακτινοβολίας (4) [1] p.25 (gallery plate1)

9 Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας (1) Μεταβολλές ηλιακού κύκλου Ένταση ηλ. Ακτ/λίας

10 Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας (2) 400 Χρόνια Παρατήρησης Ηλιακών Κηλίδων Αριθμός Κηλίδων

11 Σχετική θέση Ήλιου-Γης (1) «ἀνάλημμα»: καμπύλη που αντιπροσωπεύει την γωνιακή μετατόπιση ενός ουράνιου σώματος (Ήλιος) από τη μέση θέση του στην ουράνια σφαίρα, όπως φαίνεται από ένα άλλο ουράνιο σώμα (Γη)

12 Σχετική θέση Ήλιου-Γης (2) Ζενίθ Βόρειος Πόλος Εαρινό Ηλιοστάσιο Ισημερινός Χειμερινό Ηλιοστάσιο

13 Σχετική θέση Ήλιου-Γης (3) Ημερήσια ενέργεια ηλιακής ακτινοβολίας (kkk/m 2 ) Εαρινή Ισημερία Εαρινό Ηλιοστάσιο Φθινοπωρινή Ισημερία Χειμερινό Ηλιοστάσιο Μήνας του έτους

14 Αέρια Μάζα (1) Μάζα αέρα (ΑΜ): Ο λόγος της οπτικής πυκνότητας (OD) της ατμόσφαιρας κατά τη διέλευση του ηλιακού φωτός, προς την οπτική πυκνότητα όταν ο ήλιος είναι στο ζενίθ. /properties-of-sunlight/air-mass Πρακτικά είναι ο λόγος της απόστασης που διανύει το φως μέσα στην ατμόσφαιρα προς το ύψος της ατμόσφαιρας.

15 Αέρια Μάζα (2) I0 0 log( ) log I( x) I( x) = Ie ax OD = OD = ax e OD( y) y 1 AMά= = = γι θ < 65 OD ( x ) x cosθ Υπολογίζεται και από τη σκιά του ήλιου, ως ο λόγος της υποτείνουσας προς την κατακόρυφη πλευρά του ορθογώνιου τριγώνου: s ΑΜ = 1 + ( ) h 2 /properties-of-sunlight/air-mass`

16 Σχέση έντασης ηλ. ακτ/λίας αέριας μάζας radiance_spectra_for_air_mass%3d0_to_10_with_smarts _2.9.5.png

17 Χάρτες έντασης ηλιακής ακτινοβολίας (1) Χάρτης έντασης ακτινοβολίας: Μεσοσταθμική ανα έτος ημερήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε KKK/m 2. Στις μεγάλες περιοχές της βόρειας Αφρικής παρουσιάζεται η μέγιστη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας.

18 Χάρτες έντασης ηλιακής ακτινοβολίας (2) the_european_union GIS-Solar-map-Greece-en.png

19 Όργανα μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας - (πυρηλιόμετρο) larradiation_dr01_sectionv iew.png iki/file:eppley_normal_incidence _Pyrheliometer.jpg

20 Όργανα μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας - (πυρανόμετρο) a.org/wiki/file:hukseflux_r adiometer_sr11_photo.jpg (1) cable, (3) glass inner dome, (4) thermopile sensor, (5) glass outer dome, (7) humidity indicator with desiccant, (11) connector.

21 Συστήματα παρακολούθησης ήλιου

22 Μετατροπές ηλιακής ενέργειας

23 Συστήματα μετατροπής ηλιακής ενέργειας ηλιακής Άμεση μετατροπή σε θερμότητα (1) ενέργειας σε θερμική (1)

24 Συστήματα ηλιακής ενέργειας Άμεση μετατροπή σε θερμότητα (2)

25 Στοιχεία ανάλυσης επίπεδου ηλιακού συλλέκτη Επιφάνεια συλλέκτη (Α) Θερμοκρασία εισόδου νερού (Τ i ) θερμοκρασία εξόδου (T o ) θερμοκρασία περιβάλλοντος (T a ) Απορροφούμενη ισχύς ανα επιφ. (S) Θερμοκρασία συλλέκτη (T s ) Απόδοση εναλλάκτη θερ/τας (F R ) Θερμικές απώλειες συλλέκτη ανα θερμοκρασίας (U L ) Ρυθμός ροής νερού m = dd dd Ωφέλιμη θερμική ισχύς (Q U ) Προσπίπτουσα ακτινοβολία (G T ) Απόδοση συλλέκτη (η) Γινόμενο διαπερατότηταςανακλαστικότητας (ττ) Ειδική θερμότητα C p επιφ. για μοναδιαία διαφορά

26 Υπολογισμοί απόδοσης ηλιακού συλλέκτη (1) Γενικά.. : Ωϕέλιµη _ Εν έργεια Q U η = = Προσπ ίπτουσα _ Εν έργεια AG T [ ( )] Q = AS U T T U L s a η = S U ( T T ) L s a G T T s του απορροφητή δεν είναι σταθερή σε όλη την επιφάνεια του συλλέκτη και για να μετρηθεί χρειάζεται μεγάλος αριθμός αισθητήρων ΔΥΣΧΡΗΣΤΗ Αντίθετα, οι θερμοκρασίες εισόδου, εξόδου του νερού και περιβάλλοντος μετρώνται εύκολα Για T s =T i [ ] QUmax = AS UL( Ti Ta)

27 Υπολογισμοί απόδοσης ηλιακού συλλέκτη (2) U Η απόδοση του εναλλάκτη θα είναι F = Q = F AS [ U( T T) ] Q R U R L i a QU max [ ( )] F AS U T T F S T T η = = U R L i a R i a L AGT GT GT S = G ( τα) T Η U L βρίσκεται με υπολογισμό των θερμικών απωλειών από όλες τις επιφάνειες του συλλέκτη, με χρήση των νόμων διάδοσης θερμότητας (αγωγή-μεταφορά-ακτινοβολία).

28 Υπολογισμοί απόδοσης ηλιακού συλλέκτη (3) Οπτική απόδοση συλλέκτη Ti Ta η = FR( τα) UL G T Το σημείο η=0 ονομάζεται σημείο στασιμότητας, γιατί, σε συλλέκτη με φυσική κυκλοφορία νερού, σταματάει η ροή. Απόδειξη.. Q = mc ( T T ) U p o i mcp( To Ti) η = AG T Είναι προφανές ότι όταν η=0, είτε T o =T i, είτε m = 0 Για φυσική ροή του νερού ισχύουν και τα δύο.

29 Υπολογισμοί απόδοσης ηλιακού συλλέκτη (4) Οπτική απόδοση FR (τα) η Ti Ta η = FR( τα) UL G Συλλέκτης με ένα γυάλινο κάλυμμα Μεγάλο F R (τα) Μικρό ΔΤmax T Συλλέκτης με δύο γυάλινα κάλυμματα Μικρότερο F R (τα) Μεγαλύτερο ΔΤmax η=0, ΔΤmax Ti T G T a

30 Παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς ηλιακών θερμικών νερού Πηγή [3]

31 Στοιχεία αγοράς ηλιακών θερμικών (1) Μερίδια αγορας τεχνολογίας ηλιακών θερμικών

32 Στοιχεία αγοράς ηλιακών θερμικών (2) Μερίδια αγορας τεχνολογίας ηλιακών θερμικών

33 Στοιχεία αγοράς ηλιακών θερμικών (3) Εγκατεστημένη χωρητικότητα ηλιακών θερμικών στην Ευρώπη

34 Συστήματα ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ηλιακής ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ενέργειας Άμεση μετατροπή σε ηλεκτρισμό Άμεση μετατροπή σε ηλεκτρισμό BCngen-020.jpg

35 Συστήματα ηλιακής ενέργειας Μετατροπή σε ηλεκτρισμό με ενδιάμεσο θερμοδυναμικό μετασχηματισμό Ηλιακοί Πύργοι Παραβολικά σημειακής εστίας Παραβολικά γραμμικής εστίας Φακοί Fresnel

36 Παραβολικά συστήματα γραμμικής εστίας Προσανατολισμός εστίας: Βορράς-Νότος Κίνηση κατόπτρων : Ανατολή προς Δύση (sun trackers) Θέρμανση συνθετικού λαδιού στους 400 C Ατμός υψηλής θερμοκρασίας οδηγεί τουρμπίνες (απόδοση ρεκόρ: 20%)

37 Παραβολικά συστήματα σημειακής εστίας Sandia National Laboratories (SNL) & Stirling Energy Systems (SES) Ρεκόρ απόδοσης μετατροπής Solar-to grid: 31,25% (Φεβ. 2008) Συγκέντρωση της ηλ. ακτινοβολίας από το «ηλιακό πιάτο» στον δέκτη Μεταφορά της θερμικής ενέργειας στα έμβολα μηχανής υδρογόνου Παραγωγή μηχανικού έργου (κίνηση ηλεκτρικών μηχανών) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (ρεκόρ απόδοσης: 31.25% (2008)

38 Φακοί Fresnel Αγωγός ρευστού ή φωτοβολταϊκή συστοιχεία συνήθως υψηλής απόδοσης μετατροπής (π.χ. GaAs)

39 Ηλιακοί Πύργοι g/wiki/file:solar_two_power_ Tower_Project.jpg olar_power_plant

40 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σύνθετα Παραβολικά Συγκεντρωτικά (CPC)

41 Παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς συγκεντρωτικών ηλιακών θερμικών (1) Πηγή [3]

42 Παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς συγκεντρωτικών ηλιακών θερμικών (2) Πηγή [3]

43 Παθητικά Ηλιακά Συστήματα Βιοκλιματική Αρχιτεκτονική (1) uilding_design

44 ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Βιοκλιματική Αρχιτεκτονική (2) nergy_homes

45 Δυναμικά Κτήρια (1) «Έξυπνα» ηλεκτροχρωμικά παράθυρα (α)

46 Δυναμικά Κτήρια (1) «Έξυπνα» ηλεκτροχρωμικά παράθυρα (β) -_Glass_electrochromic_coating.PNG

47 Δυναμικά Κτήρια (2) Φωτο-ηλεκτροχρωμικά παράθυρα για ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας BLEACHED DSSC element EC element COLOURED a

48 Τέλος Ενότητας

49 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

50 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0.

51 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Λευθεριώτης Γεώργιος, «Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, Ενότητα: Ηλιακή Ενέργεια & Εφαρμογές» Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

52 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

53 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

54 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Οι πηγές των εικόνων είναι: [1] C. Julian Chen, Physics of Solar Energy, Department of Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia University, 2011, Jon Wiley & Sons [2] REN21 Renewable Policy Network for the 21st Century: Renewables 2012 Global Status Report, [3] REN21 Renewable Policy Network for the 21st Century: Renewables 2013 Global Status Report, [4] [5] [6] *Όλοι οι διαδικτυακοί ιστότοποι που αναφέρονται ως πηγές εικόνων είναι ενεργοί στις 28/2/2015