ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΒΑΛΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΒΑΛΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. ΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ ΟΙΚΙΣΜΩΝ. ΠΩΛΗΣΗ ΣΤΗ ΔΕΗ. ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΑΡΑΠΑΝΩ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Δρ ΜΑΓΚΑΦΑΣ ΛΥΚΟΥΡΓΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΣ: ΙΩΑΝΝΗΣ ΒΡΑΔΕΛΗΣ ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΠΑΠΑΖΟΥΔΗΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣ Α.Ε.Μ.:2616 ΚΑΒΑΛΑ

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή 4 ΜΕΡΟΣ Α Πηγές ενέργειας 6 Α)Ηλιακή ενέργεια 7 i. Ηλιακοί θερμοσίφωνες 8 ii. Ηλιακοί φούρνοι 10 iii. Ηλιακά φωτιστικά 10 iv. Ηλιακά :ηλεκτρικά ποδήλατα 11 v. Ηλιακά αερόθερμα 11 vi. Φορητές γεννήτριες ρεύματος από ηλιακή ενέργεια 11 vii. Φωτοβολταϊκά συστήματα 11 viii. Άλλοι τρόποι εκμετάλλευσης της ηλιακής θερμικής ενέργειας 12 Β)Αιολική ενέργεια 14 Ανεμογεννήτρια 15 Γ)Υδροηλεκτρική ενέργεια 20 i. Υδροηλεκτρικοί σταθμοί 21 ii. Αντλιοστατικοί σταθμοί 26 Δ)Γεωθερμική ενέργεια 27 Ε)Άλλες σχετικές τεχνολογίες για την εξοικονόμηση ενέργειας 28 i. Βιομάζα 28 ii. Υβριδικά συστήματα 29 iii. Συσσωρευτές 30 iv. Νερό 30 v. Πεπιεσμένος αέρας 30 Φωτοβολταϊκά στοιχεία 33 i. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο 33 ii. Ιστορική εξέλιξη του φωτοβολταϊκού φαινόμενου 36 2

3 iii. Τα φωτοβολταϊκά στην Ελλάδα 38 iv. Δομική λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος 38 Φωτοβολταϊκά πάνελ 39 Μπαταρία 42 Ρυθμιστής 43 Μετατροπέας τάσης 43 ν. Τύποι φωτοβολταϊκών συστημάτων 45 vi. Φωτοβολταϊκά και ασύρματος τηλεχειρισμός 48 vii. Τιμές φωτοβολταϊκών 49 viii. Υπολογισμός μεγέθους πάνελ, μπαταρίας, ρυθμιστή και μετατροπέα-υπολογισμός κατανάλωσης για όλες τις εποχές 52 Υπολογισμός κατανάλωσης συσκευών 54 Υπολογισμός μεγέθους φωτοβολταϊκών 55 o Συσσωρευτές 55 o Φωτοβολταϊκά πλαίσια 56 o Ρυθμιστής φόρτισης 57 o Αντιστροφέας 58 ix. Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων 59 x. Εφαρμογές 61 ΜΕΡΟΣ Β Μια πρακτική προσέγγιση 63 Επίλογος 66 Περίληψη 67 Συντομογραφίες 68 3

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένα από τα κυριότερα προβλήματα, το οποίο απασχολεί εδώ και αρκετά χρόνια τους επιστήμονες είναι η μόλυνση του περιβάλλοντος. Ιστορικά η ολοκληρωτική παρέμβαση του ανθρώπου έγινε κατά την εποχή της βιομηχανικής επανάστασης. Από εκείνο το σημείο και έπειτα, ο άνθρωπος καταναλώνει ακατάπαυστα φυσικούς πόρους (ορυκτούς κυρίως) και μάλιστα με τρόπο τελείως ανεξέλεγκτο και μάλλον ανταγωνιστικό και καταστρεπτικό για το περιβάλλον. Το αποτέλεσμα αυτής της «εξέλιξης» δημιούργησε στο περιβάλλον σοβαρά προβλήματα, όπως η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της γης και των ωκεανών, η αλλαγή στο ρυθμό βροχοπτώσεων, η συχνότητα ακραίων καιρικών φαινομένων, το φαινόμενο της όξινης βροχής και η εκπομπή αερίων θερμοκηπίου (μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα, όζον κ.ά.). Η χρησιμοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι σίγουρα ένα σημαντικό βήμα για τη μείωση των περιβαλλοντικών προβλημάτων που μαστίζουν την ανθρωπότητα ή τουλάχιστον για την επιβράδυνση του ρυθμού αύξησής τους. Στην παρούσα εργασία γίνεται λόγος για τον τρόπο με τον οποίο μπορούμε να παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιώντας διάφορες ενεργειακές πηγές που υπάρχουν σε αφθονία στο περιβάλλον, όπως ο ήλιος, ο άνεμος και το νερό. Συγκεκριμένα, θα προσπαθήσουμε να παρουσιάσουμε το φωτοβολταϊκό σύστημα, τον τρόπο λειτουργίας του, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο μπορούμε να πουλήσουμε ηλεκτρικό ρεύμα στη ΔΕΗ με τη χρήση του φωτοβολταϊκού συστήματος και κάποιων τηλεχειρισμών με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Η εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται μια θεωρητική προσέγγιση του υπό συζήτηση θέματος, ενώ στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η κατασκευή ενός εικονικού σπιτιού, το οποίο χρησιμοποιεί την ηλιακή ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, ώστε να καλύψει τις ανάγκες του. Επιπλέον, παρουσιάζεται η χρήση τηλεχειρισμού με στόχο την πώληση ηλεκτρικού ρεύματος στη ΔΕΗ, όταν αυτό δεν καταναλώνεται στο σπίτι. Η εργασία κλείνει με κάποια γενικά συμπεράσματα και με τη διατύπωση σκέψεων για τις προοπτικές χρησιμοποίησης ήπιων μορφών ενέργειας, καθώς και του τρόπου με τον οποίο μπορεί να συμβάλλει στην ποιοτική αναβάθμιση της ζωής μας. 4

5 Τέλος, θα ήταν παράλειψή μου να μην ευχαριστήσω τον επόπτη καθηγητή μου, κ. Ιωάννη Βραδέλη, της ΣΤΕΦ του Τμήματος Ηλεκτρολογίας Καβάλας για την πολύπλευρη βοήθειά του και τις πολύτιμες παρατηρήσεις του κατά τη συγγραφή της παρούσας εργασίας. 5

6 ΜΕΡΟΣ Α ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στην Ελλάδα η παραγωγή ενέργειας βασίζεται σε ρυπογόνα καύσιμα, όπως ο λιγνίτης και το πετρέλαιο. Καθημερινά καταναλώνονται τεράστια ποσά άχρηστης ενέργειας δωρίζοντας έτσι ακόμη μεγαλύτερα κέρδη στη ΔΕΗ, επιβαρύνοντας την ατμόσφαιρα με διοξείδιο του άνθρακα και απειλώντας το παγκόσμιο κλίμα. Περίπου 40 εκατομμύρια τόνοι διοξειδίου του άνθρακα απελευθερώνονται κάθε χρόνο στην ατμόσφαιρα από την ενέργεια που καταναλώνουμε κυρίως για φωτισμό, ψύξη, θέρμανση, παραγωγή ζεστού νερού κ.τ.λ., στα ιδιωτικά, εμπορικά και δημόσια κτίρια. Πολλές από τις παραπάνω εκπομπές μπορούν να μειωθούν δραστικά, αν σταματήσουμε να είμαστε σπάταλοι ενεργειακά. Οι πολίτες που κάνουν συνετή χρήση ενέργειας κερδίζουν οικονομικά και συμβάλλουν στην προστασία του περιβάλλοντος. Συνετή χρήση ενέργειας μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους. Μερικοί από αυτούς είναι η ρύθμιση των θερμοστατών, καθώς μια διαφορά ενός μόλις βαθμού μπορεί να μειώσει το λογαριασμό της ΔΕΗ μέχρι και 10%. Επίσης, η συστηματική συντήρηση των καυστήρων μπορεί να συμβάλλει σημαντικά στην εξοικονόμηση ενέργειας. Σπατάλη ενέργειας γίνεται και με την τοποθέτηση ηλεκτρικών συσκευών σε αναμονή. Υπολογίζεται ότι στην Ελλάδα η διαρροή ενέργειας από την κατάσταση αναμονής είναι υπεύθυνη για περίπου 45 εκατομμύρια ευρώ σε φουσκωμένους λογαριασμούς και για την ετήσια έκλυση τόνων διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Συνεπώς μπορούμε να μειώσουμε σημαντικά αυτή τη διαρροή ενέργειας κλείνοντας τις παραπάνω συσκευές από τον κεντρικό διακόπτη ή βγάζοντάς τες από την πρίζα. Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο μπορούμε να εξοικονομήσουμε ενέργεια είναι η αντικατάσταση των συμβατικών λαμπτήρων με λάμπες εξοικονόμησης. Μόνο το 10% της ενέργειας που καταναλώνουν οι κοινές λάμπες πυρακτώσεως χρησιμοποιείται για φωτισμό. Το υπόλοιπο 90% της ενέργειας γίνεται θερμότητα και χάνεται. Οι συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού χαμηλής κατανάλωσης χρειάζονται 4 έως 5 φορές λιγότερη ενέργεια και διαρκούν 8 με 12 φορές περισσότερο. Η τοποθέτηση ενός ηλιακού θερμοσίφωνα μπορεί να αποτελέσει έναν επιπρόσθετο τρόπο μείωσης της ενεργειακής διαρροής περικόπτοντας ταυτόχρονα τους λογαριασμούς του ηλεκτρικού περίπου 20-25% κατά μέσο όρο. 6

7 Μία ακόμη εναλλακτική λύση για την εξοικονόμηση ενέργειας είναι η χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρισμό, αντικαθιστώντας τις κιλοβατώρες που προμηθευόμαστε από το δίκτυο της ΔΕΗ και που παράγονται κυρίως από λιγνίτη ή από πετρέλαιο. Τέλος, ένα από τα πολλαπλά οφέλη της ανακύκλωσης είναι ότι εξοικονομεί ενέργεια. Κάθε προϊόν που αγοράζουμε παράγεται με τη χρήση ενέργειας, κάθε μονάδα της οποίας στη χώρα μας επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με ένα κιλό διοξειδίου του άνθρακα. Η παραγωγή προϊόντων από ανακυκλωμένο υλικό απαιτεί λιγότερη ενέργεια από την παραγωγή τους από πρώτες ύλες. Τις τελευταίες δεκαετίες του 20ου αιώνα έγιναν σημαντικές προσπάθειες για την εξοικονόμηση ενέργειας χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια, την αιολική, διάφορους υδάτινους πόρους, καθώς και άλλες πηγές ενέργειας. Στη συνέχεια γίνεται λεπτομερής αναφορά στις παραπάνω μορφές ενέργειας και παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο μπορούμε μέσω των μορφών αυτών να παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα. Α) Ηλιακή ενέργεια Τα τελευταία χρόνια έχουν αυξηθεί δραματικά οι παράγοντες που μπορούν να οδηγήσουν σε κάποια κρίση που θα επηρεάσει σε μικρό ή μεγάλο βαθμό τον τρόπο διαβίωσής μας. Η καταστροφή του περιβάλλοντος, το φαινόμενο του θερμοκηπίου, οι κλιματικές αλλαγές, οι σεισμοί, οι πλημμύρες, οι πυρκαγιές, η ενεργειακή κρίση, οι τιμές του πετρελαίου, ενδεχομένως μεγάλες απεργίες ή βλάβες στο ενεργειακό δίκτυο και το ηλεκτρικό ρεύμα, είναι μερικοί από τους παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο διαβίωσης έως ακόμη και την ίδια την επιβίωσή μας, αν μας βρουν απροετοίμαστους. Οι πρόσφατες πυρκαγιές και ο μεγάλος σεισμός του 1999 είναι δύο παραδείγματα που δείχνουν την ανάγκη να είμαστε προετοιμασμένοι να αντιμετωπίσουμε τις συνέπειες μετά από τέτοιες καταστροφές. Η οικονομική κρίση που έχει ήδη αρχίσει μπορεί να έχει συνέπειες στο πετρέλαιο, την ενέργεια και αλλού. Συνήθως, τα προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπίσουμε έχουν να κάνουν με το πόσιμο νερό και το μαγείρεμα, το φωτισμό, τις επικοινωνίες και τις μεταφορές. Στη συνέχεια, θα αναφερθούμε στους τρόπους με τους οποίους μπορούν η ηλιακή 7

8 ενέργεια και τα φωτοβολταϊκά συστήματα να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων. Εκτός από την άμεση χρήση ή την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας ως θερμικής, μπορούμε να τη μετατρέψουμε και σε ηλεκτρική. Αυτή η μετατροπή μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους, όπως π.χ. με τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων, κατά τα οποία ορισμένα υλικά έχουν την ιδιότητα να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα όταν φωτίζονται, με τη χρήση γεννητριών ρεύματος από ηλιακή ενέργεια, με ηλιακούς φούρνους, με ηλιακά αερόθερμα, με ηλιακά ηλεκτρικά ποδήλατα και με ηλιακά φωτιστικά. Με τη χρήση της ηλιακής ενέργειας μπορούμε να καλύψουμε δύο βασικές ανάγκες.; την ανάγκη σε ενέργεια και την ανάγκη να προστατευτεί το περιβάλλον. Κάθε κιλοβατώρα ηλεκτρισμού που προμηθευόμαστε από το δίκτυο της ΔΕΗ και παράγεται από ορυκτά, επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με ένα τουλάχιστον κιλό διοξειδίου του άνθρακα (1 kwh=1 κιλό CO2). Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το σημαντικότερο «αέριο του θερμοκηπίου», το οποίο συμβάλλει στις επικίνδυνες κλιματικές αλλαγές. Η στροφή στις καθαρές πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή, αποτελεί τη μόνη διέξοδο για την αποτροπή των κλιματικών αλλαγών που απειλούν σήμερα τον πλανήτη. Επιπλέον, η χρήση της ηλιακής ενέργειας συνεπάγεται λιγότερες εκπομπές άλλων επικίνδυνων ρύπων, (όπως τα καρκινογόνα μικροσωματίδια, τα οξείδια του αζώτου, οι ενώσεις του θείου κ.λπ.). Οι ρύποι αυτοί επιφέρουν σοβαρές βλάβες στην υγεία και το περιβάλλον. Υπάρχουν πολλοί τρόποι μέσω των οποίων μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την ηλιακή ενέργεια για να παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα. Μερικοί από αυτούς είναι η χρήση είναι η χρήση ηλιακών θερμοσιφώνων, ηλιακών φούρνων, ηλιακών φωτιστικών, ηλιακών ηλεκτρικών ποδηλάτων, ηλιακών αερόθερμων, γεννητριών που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από την ηλιακή ενέργεια, καθώς και η χρήση φωτοβολταϊκών, για τα οποία γίνεται λόγος αμέσως παρακάτω. i. Ηλιακοί θερμοσίφωνες Οι ηλιακοί θερμοσίφωνες είναι οι πιο διαδεδομένη τεχνολογία αξιοποίησης της ηλιακής θερμικής ενέργειας. Αποτελούνται από μια επίπεδη μεταλλική πλάκα, από ένα σύστημα αγωγών νερού και από ένα δοχείο αποθήκευσης θερμού νερού. Πιο 8

9 αναλυτικά, το νερό του δικτύου ζεσταίνεται μέσα στο συλλέκτη και, εφόσον το δοχείο αποθήκευσης βρίσκεται ψηλότερα από το συλλέκτη, το θερμό νερό που εξέρχεται από αυτόν κυκλοφορεί με φυσική συναγωγή, λόγω διαφοράς πυκνότητας. Σε αντίθετη περίπτωση είναι απαραίτητη η χρήση αντλίας για την κυκλοφορία του νερού. Τέλος, οι ηλιακοί θερμοσίφωνες διαθέτουν και βοηθητική ηλεκτρική αντίσταση, σε περίπτωση που δεν μπορούν να καλυφθούν οι ανάγκες θέρμανσης λόγω των εξωτερικών περιβαλλοντικών συνθηκών. Όσον αφορά τους συλλέκτες των ηλιακών θερμοσιφώνων, αυτοί με τη σειρά τους διακρίνονται σε επίπεδους και σε συλλέκτες νερού. Οι επίπεδοι συλλέκτες αποτελούνται από απορροφητικές πλάκες, οι οποίες περιέχουν αγωγούς από όπου διέρχεται το προς θέρμανση ρευστό. Η απορροφητική πλάκα περιέχεται σε ένα αεροστεγές και αδιάβροχο πλαίσιο, το οποίο είναι καλυμμένο από την πλευρά του ήλιου με γυαλί ή με διαφανές ανθεκτικό πλαστικό και από την άλλη πλευρά, με θερμομονωτικό υλικό. Η απορροφητική πλάκα για να απορροφά τη μέγιστη ηλιακή ακτινοβολία είναι μαύρη και ματ και τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της προκύπτουν από ποικίλες τεχνικές (ηλεκτροχημικές κ.ά.), προκειμένου να αυξηθεί η απορροφητικότητα της πλάκας. Τέλος, το σύστημα αγωγών νερού βρίσκεται μεταξύ του εξωτερικού πλαισίου και της εξωτερικής επιφάνειας σε ποικιλία σχημάτων, όπως φαίνεται και στα παρακάτω σχήματα: 9

10 Οι συλλέκτες κενού, από την άλλη πλευρά, έχουν την ίδια αρχή λειτουργίας με τους επίπεδους συλλέκτες, αλλά σ αυτήν την περίπτωση η απορροφητική επιφάνεια είναι ένα μαύρο γυαλί σε σχήμα κυλίνδρου, το οποίο είναι τοποθετημένο στο εσωτερικό άλλου προστατευτικού γυαλιού. Μεταξύ αυτού του προστατευτικού γυαλιού και της απορροφητικής επιφάνειας δημιουργείται κενό για την εξάλειψη των απωλειών αγωγιμότητας και συναγωγής. Διιτλό τζάμι Λνακλαπτήρας ii. Ηλιακοί φούρνοι Οι ηλιακοί φούρνοι από ξύλο έχουν τη δυνατότητα να μαγειρεύουν οποιοδήποτε φαγητό, όπως και οι συμβατικοί φούρνοι με τη διαφορά ότι δεν χρειάζεται καθόλου ηλεκτρικό ρεύμα, παρά μόνο λίγη ηλιοφάνεια ακόμη και το χειμώνα! Επιπλέον, οι ηλιακοί φούρνοι μπορούν να μετατρέπουν νερό που κανονικά δεν θα ήταν κατάλληλο (ακόμη και το θαλασσινό νερό) σε πόσιμο νερό. 10

11 iii. Ηλιακά φωτιστικά Όταν και όπου δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα ή αυτό είναι ακριβό, τότε χρησιμοποιούμε ηλιακά φωτιστικά. Η κατασκευή ενός κιτ φωτισμού πολύ χαμηλής κατανάλωσης, το οποίο λειτουργεί μόνο με τρεις μπαταρίες ΑΑ του 1,2 ν,έχει μεγάλη φωτεινότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε φωτιστικά κήπου, αλλά και αλλού. Ανάβει αυτόματα με τη δύση του ήλιου και σβήνει το πρωί, άρα λειτουργεί και χωρίς την παρουσία μας. iv. Ηλιακά ηλεκτρικά ποδήλατα Τα ηλεκτρικά ποδήλατα κινούνται με ηλιακή ενέργεια με ρεύμα από το δίκτυο, αλλά και ως κανονικά ποδήλατα. Απαντούν στο πρόβλημα των μετακινήσεων, όταν δεν υπάρχει δυνατότητα χρήσης άλλων μέσων μεταφοράς (π.χ. όταν έχουμε έλλειψη καυσίμων ή δρόμους με πολλή κίνηση). ν. Ηλιακά αερόθερμα Όπως και με τους ηλιακούς φούρνους, έτσι και με τα ηλιακά αερόθερμα μπορούμε να ζεστάνουμε έναν χώρο χωρίς τη χρήση ηλεκτρισμού, παρά μόνο με ηλιακή ενέργεια! vi. Φορητές γεννήτριες ρεύματος από ηλιακή ενέργεια Οι γεννήτριες αυτές απαντούν στην ανάγκη για ηλεκτρισμό μετά από τη διακοπή ρεύματος ή μπλακ άουτ που συνήθως ακολουθεί μια καταστροφή. Χρησιμοποιούνται για φωτισμό, για ενημέρωση της γενικότερης κατάστασης (τηλεόρασης και ραδιόφωνο), για επικοινωνίες ανάγκης (π.χ. να έχουμε φορτισμένα τα κινητά τηλέφωνα της οικογένειας) και για τη χρήση μικρών ηλεκτρικών εργαλείων και συσκευών. vii. Φωτοβολταϊκά συστήματα Τα φωτοβολταϊκά συστήματα τροφοδοτούν ηλεκτρικές συσκευές και φορτίζουν ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) με εκμετάλλευση μόνο της ηλιακής ενέργειας. Τα συστήματα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κίνηση ελαφρών αυτοκινήτων (ηλιακά αυτοκίνητα), για την 11

12 κάλυψη μέρους των ενεργειακών αναγκών μικρών και απομονωμένων κατοικιών και γενικότερα, σε όλες εκείνες τις περιπτώσεις που είναι δύσκολο ή και αδύνατον μια εγκατάσταση να τροφοδοτηθεί από το ηλεκτρικό δίκτυο. Αυτή η μορφή ενέργειας, η ηλιακή, είναι ανεξάντλητη, όπως επίσης και η πηγή από την οποία προέρχεται, δηλαδή ο ήλιος. Την ενέργεια αυτή μπορούμε να την εκμεταλλευτούμε είτε κατευθείαν ως θερμική είτε αφού μετατραπεί σε ηλεκτρική μέσω φωτοβολταϊκών συστημάτων. Η μορφή αυτή είναι καθαρή μιας και για την αξιοποίησή της δεν μεσολαβεί καμία ρυπογόνος διαδικασία και μέσω αυτής μπορούμε να καλύψουμε μεγάλο μέρος των αναγκών μας σε ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια, λοιπόν, είναι δυνατόν να αποτελέσει στο μέλλον την κυριότερη εναλλακτική λύση στο ενεργειακό και περιβαλλοντικό πρόβλημα. Για τη λειτουργία και χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων θα αναφερθούμε αναλυτικότερα σε επόμενο κεφάλαιο. viii. Άλλοι τρόποι εκμετάλλευσης της ηλιακής θερμικής ενέργειας Η εκμετάλλευση της ηλιακής θερμικής ενέργειας για την κάλυψη αναγκών θέρμανσης και ψύξης μπορεί να γίνει με παθητικά και ενεργητικά ηλιακά συστήματα. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα αξιοποιούν την ηλιακή ενέργεια που πέφτει στις νότιες όψεις των κτιρίων, προκειμένου να καλύψουν τις ανάγκες τους για θέρμανση και ψύξη και διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: άμεσου κέρδους, έμμεσου κέρδους και απομονωμένου κέρδους. Τα παθητικά συστήματα άμεσου κέρδους είναι οι πιο απλές και διαδεδομένες ηλιακές διατάξεις, όπου ο χώρος του κτιρίου θερμαίνεται άμεσα με την είσοδο της ηλιακής ακτινοβολίας λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου. Τα συστήματα έμμεσου κέρδους η συλλογή και η αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας πραγματοποιούνται σε έναν συλλέκτη που βρίσκεται εξωτερικά του χώρου που θέλουμε να θερμάνουμε ή να ψύξουμε. 12

13 Τα συστήματα απομονωμένου κέρδους είναι παρόμοια με τα συστήματα έμμεσου κέρδους, με τη διαφορά ότι υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ της επιφάνειας του συλλέκτη και της επιφάνειας προς θέρμανση ή ψύξη είτε λόγω της παρεμβολής θερμομόνωσης. Όσον αφορά τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, είναι όμοια με τα παθητικά, αλλά διαθέτουν και μηχανικά τμήματα, ώστε να διευκολύνουν τη μετάδοση θερμότητας από το συλλέκτη προς το χώρο που θέλουμε να θερμάνουμε. Από την άλλη πλευρά, για να χρησιμοποιήσουμε τον ηλιακό κλιματισμό με στόχο να ψύξουμε κάποιο χώρο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τρεις τεχνολογίες: τον κλιματισμό απορρόφησης, τον κλιματισμό αφύγρανσης και τον κλιματισμό με χρήση θερμικής μηχανής. Στον κλιματισμό απορρόφησης, η θερμότητα που απορροφάται από ηλιακούς συλλέκτες χρησιμοποιείται για την εξάτμιση πεπιεσμένου ψυκτικού υγρού. Στον κλιματισμό αφύγρανσης, το νερό που θερμαίνεται στον ηλιακό συλλέκτη περνά από έναν εναλλάκτη θερμότητας, στον οποίο εισέρχεται αέρας περιβάλλοντος και λόγω της θερμότητας αφαιρείται η υγρασία του. Στη συνέχεια, ο ξηρός αέρας περνάει από ψύκτη εξάτμισης, προτού δοθεί στο χώρο χρήσης. Στον κλιματισμό με χρήση θερμικής μηχανής το ρευστό θερμαίνεται από τους ηλιακούς συλλέκτες και στη συνέχεια, χρησιμοποιείται σε θερμική μηχανή προκειμένου να αποδώσει ψύξη. Άλλοι τρόποι με τους οποίους μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την ηλιακή ενέργεια είναι η θέρμανση του νερού μιας πισίνας, η αφαλάτωση νερού και οι μαγειρικές συσκευές. Η θέρμανση νερού πισίνας αποτελεί μία από τις απλούστερες τεχνολογίες αξιοποίησης της ηλιακής θερμικής ενέργειας. Στην οροφή της πισίνας είναι τοποθετημένη μία μεγάλη επιφάνεια από γυμνούς μαύρους σωλήνες νερού. Το νερό της πισίνας αντλείται και διοχετεύεται στο συλλέκτη, όπου θερμαίνεται και κατόπιν επιστρέφει στην πισίνα. Συνήθως, απαιτείται επιφάνεια σωλήνων ίση με τη μισή της πισίνας. Η αφαλάτωση νερού πραγματοποιείται σε ηλιακούς αποστακτήρες, όπου η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από μία μαύρη πλάκα που 13

14 καλύπτεται με αλμυρό ή υφάλμυρο νερό και από ένα διαφανές κάλυμμα. Καθώς αυξάνεται η εσωτερική θερμοκρασία του συλλέκτη, μόρια αλμυρού νερού λόγω της θέρμανσης εξατμίζονται. Αυτός ο ατμός από αφαλατωμένα σταγονίδια που δημιουργείται, συμπυκνώνεται στο ψυχρότερο κάλυμμα και συλλέγεται από ειδικούς αγωγούς ως φρέσκο νερό. Τέλος, με τις μαγειρικές συσκευές μπορεί κανείς να εκμεταλλευτεί την ηλιακή ακτινοβολία, εστιάζοντάς την με τη βοήθεια κατόπτρων και φακών σε έναν δέκτη στον οποίο αναπτύσσεται υψηλή θερμοκρασία προκειμένου να ζεσταθεί το φαγητό. Β) Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι μία έμμεση μορφή ηλιακής ενέργειας. Μεταξύ του 1% με 2% της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη γη μετατρέπεται σε αιολική ενέργεια. Οι άνεμοι προκύπτουν από την άνιση θέρμανση των διαφόρων στρωμάτων στην επιφάνεια της γης, που προκαλούν τον πιο δροσερό, πυκνό αέρα να τείνει να αντικαταστήσει τον θερμότερο, ελαφρύτερο αέρα. Ενώ μερική από την ενέργεια του ήλιου απορροφάται άμεσα από τον αέρα, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας απορροφάται αρχικά από την επιφάνεια της γης και μεταφέρεται έπειτα στον αέρα με τη μεταγωγή της θερμότητας. Οι εποχιακές μεταβολές στην ταχύτητα και την κατεύθυνση του αέρα προκύπτουν από τις εποχιακές αλλαγές στη σχετική κλίση της γης προς τον ήλιο, οι οποίες επηρεάζουν στη συνέχεια το θερμικό μοτίβο. Οι καθημερινές ή ημερήσιες 14

15 μεταβολές προκαλούνται από τη διαφορετική θερμοκρασία των τοπικών περιοχών, όπως το παρακείμενο έδαφος και η θάλασσα. Αυτή η μετακίνηση της αέριας μάζας επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες παγκόσμιας κλίμακας, όπως η περιστροφή της γης, οι ήπειροι, οι ωκεανοί και οι οροσειρές και σε μια τοπική κλίμακα από τους λόφους, τη βλάστηση και τις λίμνες. Η ροή αέρα είναι σπάνια ομαλή, με τις περισσότερες περιοχές να βιώνουν αρκετά γρήγορες αλλαγές στην ταχύτητα και την κατεύθυνση του αέρα. Για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιούμε τις ανεμογεννήτριες. i. Ανεμογεννήτρια Οι ανεμογεννήτριες είναι συστήματα ενεργειακής μετατροπής του αέρα και σχεδιάζονται έτσι, ώστε να μετατρέπουν την ενέργεια της μετακίνησης αέρα (κινητική ενέργεια) σε μηχανική δύναμη (μηχανική ενέργεια), η οποία είναι η κινητήρια δύναμη μιας μηχανής. Στην ανεμογεννήτρια, αυτή η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική, ενώ στους ανεμόμυλους αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται για να κάνει την οποιαδήποτε εργασία, όπως την άντληση του νερού, το άλεσμα των σιταριών 15

16 ή την κίνηση των μηχανημάτων. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τις ανεμογεννήτριες μπορεί είτε να αποθηκευτεί σε μπαταρίες είτε να χρησιμοποιηθεί άμεσα. Υπάρχουν τρεις βασικοί φυσικοί νόμοι που κυβερνούν το ποσό της διαθέσιμης από τον αέρα ενέργειας: Ο πρώτος νόμος δηλώνει ότι η δύναμη που παράγεται από τη γεννήτρια είναι ανάλογη προς την κυβική δύναμη της ταχύτητας του αέρα. 16

17 Παραδείγματος χάριν, εάν διπλασιαστεί η ταχύτητα του αέρα, η διαθέσιμη ισχύ οκταπλασιάζεται, ενώ εάν η ταχύτητα αέρα τριπλασιαστεί, είκοσι επτά φορές περισσότερη ισχύ είναι διαθέσιμη! Αντίθετα, υπάρχει πολύ λίγη ενέργεια στον αέρα όταν αυτός έχει χαμηλή ταχύτητα. Αυτός ο νόμος σημαίνει ότι το ακριβές και λεπτομερές τοπικό στοιχείο ταχύτητας αέρα είναι απαραίτητο για να καθορίσει την πιθανή ενεργειακή παραγωγή από μια δεδομένη περιοχή, και οι γεννήτριες πρέπει να σχεδιαστούν για εκείνη την συγκεκριμένη περιοχή. Ο μέσος όρος ταχύτητας αέρα έχει συχνά μόνο περιορισμένη αξία. Ο δεύτερος νόμος δηλώνει ότι η διαθέσιμη δύναμη είναι ανάλογη προς το εμβαδόν σάρωσης των πτερυγίων. Αυτή η δύναμη είναι ανάλογη προς το τετράγωνο του μήκους των πτερυγίων. Παραδείγματος χάριν, ο διπλασιασμός του μήκους των πτερυγίων θα αυξήσει την ισχύ τέσσερις φορές, και ο τριπλασιασμός του μήκους των πτερυγίων θα αυξήσει την ισχύ εννέα φορές. Ο τρίτος νόμος δηλώνει ότι στις ανεμογεννήτριες υπάρχει μια μέγιστη θεωρητική αποδοτικότητα της τάξης του 59% (Betz limit). Στην πράξη, οι περισσότερες ανεμογεννήτριες είναι πολύ λιγότερο αποδοτικές από αυτό, και οι διαφορετικοί τύποι σχεδιάζονται για να έχουν τη μέγιστη αποδοτικότητα με τις διαφορετικές ταχύτητες αέρα. Οι καλύτερες ανεμογεννήτριες έχουν αποδοτικότητα μεταξύ του 35-40%. Οι ανεμογεννήτριες σχεδιάζονται για να λειτουργήσουν μεταξύ ορισμένων ταχυτήτων αέρα. Η χαμηλότερη ταχύτητα, αποκαλούμενη "ταχύτητα περικοπής" είναι γενικά 4-5 μέτρα το δευτερόλεπτο, δεδομένου ότι υπάρχει λίγη ενέργεια στον αέρα κάτω από αυτήν την ταχύτητα για να υπερνικήσει τις απώλειες, από τα μηχανικά κυρίως μέρη, του συστήματος. Η "ταχύτητα αποκοπής" καθορίζεται από τη δυνατότητα της γεννήτριας να αντισταθεί σε υψηλούς ανέμους. Η "εκτιμημένη ταχύτητα" είναι η ταχύτητα αέρα με την οποία η ανεμογεννήτρια επιτυγχάνει τη μέγιστη παραγωγή της. Επάνω από αυτήν την ταχύτητα, μπορεί να έχει τους μηχανισμούς που διατηρούν την παραγωγή σε μια σταθερή αξία καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του αέρα. Για να εξασφαλιστεί η αποτελεσματικότερη χρήση μίας ανεμογεννήτριας, πρέπει αυτή να είναι εκτεθειμένη σε ισχυρούς ανέμους. Αν και ο αέρας μπορεί να φυσήξει συχνότερα από τη δύση, περισσότερη ενέργεια 17

18 μπορεί να προέλθει από μια διαφορετική κατεύθυνση εάν εκείνοι οι άνεμοι είναι ισχυρότεροι. Είναι πολύ σημαντικό να ανακαλυφθεί ποιες κατευθύνσεις έχουν τους καλύτερα αξιοποιήσιμους ανέμους. Η διαπίστωση αυτή γίνεται κατόπιν μελέτης εκτίμησης του αιολικού δυναμικού. Διαδικασία χρονοβόρα (12μήνες), όμως απαραίτητη ιδικά στην Ελλάδα καθώς οποιαδήποτε διαδικασία αδειοδότησης απαιτεί την ύπαρξη αυτής της μελέτης. Πέρα από αυτό όμως έχοντας αυτή τη μελέτη ο ίδιος ο επενδυτής μπορεί να αξιολογήσει αποτελεσματικότερα την βιωσιμότητα της επένδυσης που ενδιαφέρεται να πραγματοποιήσει. Η δύναμη του αέρα μεταβάλλεται με το υψόμετρο. Αυτό σημαίνει ότι μπορείς να αυξήσεις την ενεργειακή παραγωγή με την εγκατάσταση μίας ανεμογεννήτριας σε έναν πιο ψηλό πύργο. Επομένως, μπορεί να πρέπει να μετρήσετε τα χαρακτηριστικά αέρα στα μεταβλητά ύψη. Όταν ο αέρας ρέει γύρω από κτήρια ή εκτάσεις με μεγάλες διακυμάνσεις στο ανάγλυφό τους, επιβραδύνει ή γίνεται τυρβώδης. Μια ανεμογεννήτρια πρέπει να τοποθετηθεί σε μια θέση όπου η επιρροή των εμποδίων ελαχιστοποιείται. Η ανεμογεννήτρια επηρεάζεται από την τραχύτητα της περιβάλλουσας έκτασης. Η τραχύτητα αναφέρεται στην έκταση και την πυκνότητα της βλάστησης στο τοπίο. Ιδανικά, η ανεμογεννήτριες περιβαλλόταν από ομαλή έκταση σε ακτίνα 30 χιλιομέτρων. Οι παραπάνω παράμετροι αποτελούν αυτούς που επηρεάζουν περισσότερο την αξιολόγηση του αιολικού δυναμικού σε μια περιοχή. Η ατμοσφαιρική πίεση και η θερμοκρασία είναι παράμετροι που επίσης επηρεάζουν την δύναμη του ανέμου. Τις περισσότερες φορές όμως δεν είναι απαραίτητες αυτές οι μετρήσεις καθώς οι πληροφορίες αυτές είναι διαθέσιμες στην απαιτούμενη ακρίβεια από γειτονικούς μετεωρολογικούς σταθμούς. Ο καλύτερος τρόπος να αξιολογηθεί το διαθέσιμο αιολικό δυναμικό μίας περιοχής είναι με τον υπολογισμό της πυκνότητας ισχύος του αέρα. Η πυκνότητα ισχύος του αέρα μετριέται σε Watt ανά προσπίπτουσας επιφάνειας στον αέρα σε τετραγωνικά μέτρα. Ο τρόπος αυτός προσδιορίζει πόση ενέργεια είναι διαθέσιμη στην περιοχή για μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια από μία ανεμογεννήτρια. Αυτό, όμως, που μας ενδιαφέρει είναι η ανεμογεννήτρια να παράγει όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια,καθώς το καύσιμο (ο αέρας) 18

19 είναι δωρεάν,οπότε η απόσβεση μιας τέτοιας επένδυσης είναι ανεξάρτητη της αποδοτικότητας της γεννήτριας,όμως άμεσα εξαρτώμενη του μεγέθους της παραγωγής της. Γι αυτό σημαντική είναι η σωστή μελέτη του αιολικού πάρκου και η επιλογή των κατάλληλων ανεμογεννητριών. Η μεγαλύτερη πρόκληση για την οικονομική χρήση της αιολικής ενέργειας είναι οι διακυμάνσεις της. Υπάρχουν πολύ λίγες περιοχές στη γη όπου ο αέρας είναι αρκετά σταθερός καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας και καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Ένα αποθηκευτικό ή εφεδρικό σύστημα είναι πάντα απαραίτητο, σε αυτόνομα συστήματα, για περιόδους άπνοιας ή πνοής ισχυρών ανέμων, όπως επίσης και για την ισοστάθμιση της παραγόμενης ενέργειας με την απαιτούμενη προς κατανάλωση, όταν ο άνεμος δεν είναι αρκετά δυνατός ή η κατανάλωση μεγαλύτερη της προβλεπόμενης. Για τα μικρά συστήματα (μέχρι λίγα kw) χρησιμοποιούνται αποθηκευτικά συστήματα παρόμοια με εκείνα που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά. Σε γενικές γραμμές αποτελούνται από μπαταρίες, πιθανότατα παράλληλα με γεννήτριες συμβατικών καυσίμων. Στα υβριδικά συστήματα παραγωγής, η ανεμογεννήτρια συνδέεται συχνά με μια γεννήτρια και μια σειρά φωτοβολταϊκών στοιχείων. Για τα μεγάλα συστήματα, το πρόβλημα των καιρικών διακυμάνσεων είναι πιο πολύπλοκο. Μια δυνατότητα είναι να συνδεθούν οι ανεμογεννήτριες του αιολικού πάρκου με ένα τοπικό δίκτυο υψηλής τάσης με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η πιθανότητα έκθεσης του συστήματος σε άπνοια. Προτάσεις έχουν γίνει και για την σύνδεση ανεμογεννητριών με υδροηλεκτρικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Κατάλληλες περιοχές για οικονομική αποθήκευση απαιτούνται για αυτήν την επιλογή. Η στρατηγική που ακολουθείται πάντως για τα μεγάλα αιολικά συστήματα που είναι συνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο, είναι η μη χρησιμοποιήσει αποθηκευτικών μέσων όπου οι ανεμογεννήτριες αντικαθιστούν συμβατικά καύσιμα. Μελέτες έχουν δείξει ότι τα μεγάλα ηλεκτρικά συστήματα μπορούν να απορροφήσουν περίπου 10% από τη συμβολή της αιολικής ενέργειας χωρίς κάποια επίδραση στην διαχείρισης του δικτύου, ενώ μεγάλες εταιρίες στοχεύουν στην αύξηση αυτού του ποσοστού στο 70%. Τέλος, όπως και με άλλες μορφές ενέργειας, μια άλλη μορφή αποθήκευσης είναι να μετατραπεί η ενέργεια άμεσα στην τελική της χρήση. 19

20 Παραδείγματος χάριν, συνηθίζεται η άντληση, προς αποθήκευση σε δεξαμενές, νερού με αντλίες που κινούνται με αιολική ενέργεια. Σε ειδικές περιπτώσεις, η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί άμεσα υπό μορφή θερμότητας (για νερό ή τη θέρμανση χώρου), ως πόσιμο νερό (με μηχανές αντίστροφης όσμωσης), ή ακόμα και υπό μορφή πάγου για την ψύξη. Γ)Υδροηλεκτρική ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι ενέργεια που παράγεται από τη μετακίνηση του γλυκού νερού από τις λίμνες και τα ποτάμια. Αυτό το νερό προέρχεται στα ποτάμια ως απορροή από τις βροχοπτώσεις. Οι βροχοπτώσεις δημιουργούνται από την ηλιακή ενέργεια διαμέσου σύνθετων διαδικασιών ενεργειακής μεταφοράς στην ατμόσφαιρα και μεταξύ της ατμόσφαιρας και της θάλασσας. Η δυναμική (λόγω βαρύτητας) ενέργεια που συνδέεται με αυτό το νερό το αναγκάζει να διατηρεί μία καθοδική ροή. Αυτή η προς τα κάτω κίνηση του ύδατος περιέχει την κινητική ενέργεια, η οποία μπορεί να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια, και έπειτα από τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική στους σταθμούς υδροηλεκτρικής παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Η μετατροπή της κινητικής ενέργειας του νερού σε μηχανική δεν είναι μια καινούργια ιδέα. Οι ξύλινοι υδρόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν πριν 2000 χρόνια για να την επεξεργασία διαφόρων αγαθών. Η ακριβής προέλευση αυτών των υδραυλικών τροχών δεν είναι γνωστή, αλλά η παλιότερη αναφορά ως προς τη χρήση τους προέρχεται από την αρχαία Ελλάδα. 20

21 i. Υδροηλεκτρικοί σταθμοί Οι πρώτες σύγχρονες υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις χτίστηκαν το 1882 στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτές οι πρώτες εγκαταστάσεις χρησιμοποίησαν έναν γρήγορα ρέοντας ποταμό ως πηγή της ενέργειας. Μερικά έτη αργότερα, άρχισαν να χρησιμοποιούνται τα φράγματα ως τεχνητές περιοχές αποθήκευσης ύδατος στις καταλληλότερες θέσεις. Αυτά τα φράγματα ελέγχουν επίσης το ποσοστό ροής του νερού στους στροβίλους των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Αρχικά, οι σταθμοί υδροηλεκτρικής παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος ήταν μικρής κλίμακας και ιδρύονταν δίπλα σε καταρράκτες κοντά στις πόλεις καθώς δεν ήταν δυνατό, εκείνη την περίοδο, να μεταφερθεί η ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλες αποστάσεις. Πλέον, η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις είναι εφικτή με αποτέλεσμα να έχει υπάρξει μεγάλης κλίμακας χρήση της υδροηλεκτρικής δύναμης καθιστώντας την οικονομικά βιώσιμη. Η μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις πραγματοποιείται με τη βοήθεια της υψηλής τάσης σε εναέρια ηλεκτροφόρα καλώδια αποκαλούμενα γραμμές μετάδοσης. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί χρειάζονται μικρό προσωπικό για τη λειτουργία και τη συντήρησή τους, και δεδομένου ότι κανένα καύσιμο δεν απαιτείται, οι τιμές καυσίμων δεν είναι πρόβλημα. Επίσης, χρησιμοποιεί μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που δεν μολύνει το περιβάλλον. Εντούτοις, η κατασκευή των φραγμάτων για να επιτρέψει την υδροηλεκτρική παραγωγή μπορεί να προκαλέσει σημαντική περιβαλλοντική ζημία. Τέλος, αντίθετα από τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, που χρειάζονται αρκετό χρόνο για να ξεκινήσουν την παραγωγή ενέργειας, οι σταθμοί υδροηλεκτρικής παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μπορούν να αρχίσουν την ηλεκτρική ενέργεια πολύ γρήγορα. Αυτό τους καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμους για στις ξαφνικές αυξήσεις σε ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας από τους πελάτες. Το ποσό ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να παραχθεί από μια περιοχή εξαρτάται από δύο συντελεστές: την υψομετρική διαφορά της στάθμης του νερού μεταξύ του φράγματος και του ποταμού (ή της λίμνης) όπου καταλήγει το νερό και την ποσότητα ροής του νερού. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος είναι επομένως τοποθετημένοι όπου μπορούν να εκμεταλλευθούν τη μέγιστη πτώση μιας μεγάλης ποσότητας νερού - στο χαμηλότερο σημείο μιας βαθιάς 21

22 και απότομα-πλαισιωμένης κοιλάδας ή ενός φαραγγιού, ή κοντά στη βάση ενός φράγματος (σχήμα 1). φ ρ α γμ ό ε ισ α γ ω γ ή νερο ύ ηλεκτρ ικού ρεύμα τος γ ρ α μ μ έ ς υ ψ η λ ή ς τ ά σ η ς γεννήτρια αγω γός ρύθμισης ροής κινητήρας διάγραμμα μονάδας υδροηλεκτρικής παραγωγής Το νερό συλλέγεται και αποθηκεύεται σε ένα φράγμα, επάνω από το σταθμό παραγωγής, για να χρησιμοποιηθεί όταν απαιτείται. Μερικά φράγματα δημιουργούν μεγάλες δεξαμενές για αποθήκευση νερού (αυξάνοντας παράλληλα την στάθμη του ποταμού ή δημιουργώντας τεχνητή λίμνη), με σκοπό να αυξήσουν την δυναμικότητα τους. Άλλα φράγματα συλλαμβάνουν απλά τη ροή των ποταμών και εκτρέπουν το νερό στο σταθμό παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μέσω των σωληνώσεων. Ενώ ένας υδροστρόβιλος είναι ποιό περίπλοκος από τους παλαιούς υδραυλικούς τροχούς, οι αρχές λειτουργίας του παραμένουν ίδιες: τα πτερύγια της γεννήτριας είναι ενωμένα με έναν άξονα ο οποίος περιστρέφονται λόγο της ροής του νερού που ασκεί πίεση στα πτερύγια. Όταν το νερό έχει μεταφέρει όλη του την κινητική ενέργειά στον υδροστρόβιλο, απαλλάσσεται μέσω των αποχετεύσεων ή των καναλιών διαφυγής του σταθμού παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος και συνεχίζει κανονικά τη ροή του στο ποτάμι ενώ δεν παύει να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για λόγους άρδευσης ή παροχής νερού. Μια υδροηλεκτρική μονάδα παραγωγής αποτελείται από έναν υδροστρόβιλο, για να μετατρέψει την ενέργεια του νερού σε μηχανική, και μια ηλεκτρική γεννήτρια, για να μετατρέψει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Το σύνολο της 22

23 διαθέσιμης ενέργειας εξαρτάται από την ποσότητα του διαθέσιμου νερού και από την πίεσή του στο στρόβιλο. Η πίεση είναι η υδροστατική πίεση, και μετριέται ως το διανυσματικό διάστημα από το στρόβιλο έως την επιφάνεια του νερού στο φράγμα. Όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος του νερού πάνω από τον κινητήρα, τόσο περισσότερη τη γεννήτρια). Όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα του νερού, τόσο μεγαλύτερος είναι και ο αριθμός και το μέγεθος των στροβίλων που μπορούν να περιστραφούν, και τόσο μεγαλύτερη είναι και η παραγωγή ενέργειας. Όσον αφορά τους υδροστρόβιλους έχουν σχεδιαστεί για να ταιριάξουν τις διαφορετικές θέσεις και να εκμεταλλευτούν καλύτερα τις υψομετρικές διαφορές του νερού. Ο τύπος υδροστρόβιλου που θα χρησιμοποιηθεί καθορίζεται κατά ένα μεγάλο μέρος από την υψομετρική διαφορά και τη διαθέσιμη ποσότητα νερού στον εξεταζόμενο τόπο. Οι τρείς κύριοι τύποι είναι οι ρόδες Pelton, οι στρόβιλοι Francis και οι στρόβιλοι τύπου K aplan O ^ μπορούν να τοποθετηθούν κάθετα ή οριζόντια, ενώ οι στρόβιλοι τύπων Kaplan (ή τύπου προπέλας) μπορούν να τοποθετηθούν σχεδόν σε οποιαδήποτε γωνία. Η ρόδα Pelton (σχήμα 1)χρησιμοποιείται όπου μια μικρή ροή νερού με μεγάλη υδροστατική πίεση είναι διαθέσιμη. Μοιάζει με τους υδροτροχούς που χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν στους υδρόμυλους. Η ρόδα Pelton έχει γύρω από το πλαίσιό της μικρούς "κάδους" που τροφοδοτούνται μέσω των ακροφύσιων με νερό από το φράγμα. Λόγω της πολύ υψηλής ταχύτητας που χτυπά το νερό τους "κάδους", η ρόδα περιστρέφεται και κινεί τον κινητήρα που μετατρέπει την ενέργεια. 23

24 Σχήμα 1 ρόδα Pelton Ο στρόβιλος Francis (σχήμα 2) χρησιμοποιείται όταν θέλουμε να εκμεταλλευτούμε μια μεγάλη ροή νερού με μεγάλη ή μεσαία υδροστατική πίεση. Σχήμα 2 στρόβιλος Francis Είναι επίσης παρόμοιος με έναν υδροτροχό δεδομένου ότι μοιάζει με μια περιστρεφόμενη ρόδα με σταθερές πτέρυγες μεταξύ δύο πλαισίων. Αυτή η ρόδα καλείται δρομέας. Ένας δακτύλιος καθοδηγούμενων πτερυγίων περιβάλλει το δρομέα 24

25 και ελέγχει το ποσό ύδατος που τον κινεί. Το νερό τροφοδοτείται στο δρομέα από όλες τις πλευρές από αυτά τα πτερύγια αναγκάζοντας το να περιστραφεί. Οι στρόβιλοι τύπου Kaplan σχεδιάστηκαν για να λειτουργήσουν όπου υπάρχουν μικρές υδροστατικές πιέσεις. Αυτοί οι στρόβιλοι μοιάζουν με τις προπέλες ενός σκάφους. Εντούτοις, σε μερικούς από αυτούς (σχήμα 3) μπορεί και αλλάζει η γωνία των πτερυγίων για να ταιριάζουν στη ροή του νερού. Σχήμα 3 στρόβιλος Kaplan Το χαρακτηριστικό γνώρισμα των μεταβαλλόμενων γωνιών στα πτερύγια επιτρέπει στον κινητήρα να λειτουργεί αποτελεσματικά με διαφορετικές υδροστατικές πιέσεις, που προκαλούν οι εποχιακές αλλαγές της στάθμης του νερού στα φράγματα. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί διακρίνονται σε σταθμούς μικρής και μεγάλης κλίμακας ανάλογα με το ποσό υδροηλεκτρικής ενέργειας που παράγουν. Αύτη η μορφή ενέργειας είναι διαθέσιμη από μερικές εκατοντάδες Watt μέχρι και 10 G W O υδροηλεκτρικοί σταθμοί με δυναμικό λιγότερο από 100 KW ονομάζονται μίκρο,αυτοί με δυναμικό 100 ΚW-1 ΜW ονομάζονται μίνι και οι σταθμοί με δυναμικό 1 MW- 5 MW ονομάζονται μικρό -υδροηλεκτρικοί σταθμοί. Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά συστήματα λειτουργούν με την καθοδήγηση μέρους της ροής κάποιου ποταμού στο ρυθμιστή ροής και στον υδροστρόβιλο, ο οποίος κινεί μια γεννήτρια και παράγει την ηλεκτρική ενέργεια. Έπειτα το νερό ρέει πίσω στο ποταμό. Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά συστήματα λειτουργούν συνήθως παράλληλα στη ροή του ποταμού και έτσι δεν διακόπτεται η ροή του. 25

26 Θετικό αποτέλεσμα των παραπάνω σταθμών είναι ότι η παραγωγή ενέργειας δεν καθορίζεται με κάποιο έλεγχο από τη ροή του ποταμού, αλλά αντίθετα ο στρόβιλος λειτουργεί όταν υπάρχει κάποια ροή και η παραγωγή ενέργειας εξαρτάται αποκλειστικά από αυτή Αυτό σημαίνει ότι το μηχανικό σύστημα ρύθμισης της ροής του νερού δεν είναι και τόσο απαραίτητο, με αποτέλεσμα να μειώνεται το κόστος και οι απαιτήσεις συντήρησης Ένα από τα μειονεκτήματα είναι ότι το νερό δεν μπορεί να αποθηκευτεί (πχ σε κάποιο φράγμα), με αποτέλεσμα η υπερβολική παραγωγή ενέργειας να σπαταλάται άσκοπα εκτός κι αν υπάρχει ένα σύστημα αποθήκευσης. Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά συστήματα είναι ιδιαίτερα κατάλληλα ως μακρινές παροχές ηλεκτρικού ρεύματος για τις αγροτικές και απομονωμένες κοινότητες και ως οικονομική εναλλακτική λύση στην επέκταση ή αναβάθμιση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα αυτά αποτελούν μια πηγή φτηνής, ανεξάρτητης και συνεχόμενης ενέργειας χωρίς να μολύνουν το περιβάλλον. Από την άλλη πλευρά, οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί μεγάλης κλίμακας έχουν μέγιστη δυναμικότητα ΜΨ (10GW) και έχον εγκατασταθεί σε όλο τον κόσμο. Κάθε ένα από αυτά τα συστήματα μεγάλης κλίμακας απαιτεί ένα πολύ μεγάλοι φράγμα, ή μια σειρά φραγμάτων, για να αποθηκεύσει τις τεράστιες ποσότητες νερού που απαιτούνται από το σύστημα. Το φράγμα Kariba στη Ζάμπια της Αφρικής συγκρατεί 160 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα νερό και παράγει 1300 Μ Ψ ηλεκτρικό ρεύμα. Παρά τα οφέλη της παραγωγής ενέργειας από το νερό από άποψη εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, εντούτοις έχει και κάποιες αρνητικές επιπτώσεις. Οι εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικής ενέργειας συμβάλλουν καταστρεπτικά στις ροές των ποταμών και στις παροχές νερού επηρεάζοντας αρνητικά την τοπική πανίδα και χλωρίδα. Τα προτεινόμενα σχέδια παραγωγής υδροηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζουν συχνά την έντονη αντίδραση από ομάδες ανθρώπων σχετικές με το περιβάλλον και τα ανθρώπινα δικαιώματα, καθώς προβληματίζονται για τις κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιδράσεις αυτών των αναπτυξιακών προγραμμάτων. ii. Αντλιοστατικοί σταθμοί Ένας άλλος τρόπος για να παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα είναι η χρησιμοποίηση αντλιοστατικών σταθμών. 26

27 Ο αντλιοστατικός σταθμός αποθήκευσης είναι ένας σταθμός υδροηλεκτρικής ενέργειας που περιλαμβάνει την άντληση και την εκροή του νερού μέσω των στροβίλων μεταξύ δύο δεξαμενών. Ο αρχικός στόχος του είναι να μετατοπίσει τις ώρες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας προς τις ώρες αυξημένης ζήτησης. Όταν η ενέργεια είναι διαθέσιμη, αλλά όχι σε μεγάλη ζήτηση, το νερό αντλείται στην επάνω δεξαμενή. Όταν η ζήτηση αυξάνεται, το νερό "πέφτει" πάλι, κινώντας έναν υδροηλεκτρικό στρόβιλο (που έχει χρησιμοποιηθεί προηγουμένως για να αντλήσει το νερό). Η θεωρία πίσω από αυτήν την εφαρμογή είναι η ίδια με τις εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγόμενη ενέργεια εξαρτάται άμεσα από τον βαθμό ροής του νερού και την υδροστατική πίεση μεταξύ των δύο δεξαμενών. Ο βαθμός ροής του νερού μπορεί να ελεγχθεί από την διάμετρο του αγωγού που ενώνει τις δυο δεξαμενές και τη γεννήτρια, και επηρεάζει όχι μόνο την παραγωγή, αλλά και το χρόνο λειτουργίας του συστήματος. Τα πρώτα σχέδια τέτοιου είδους υδροηλεκτρικών σταθμών χρονολογούνται από τη δεκαετία του '80 στην Ελβετία και την Ιταλία. Στις ημέρες μας υπάρχουν πολλές τέτοιες εγκαταστάσεις σε όλο τον κόσμο για την αποθήκευση της ενέργειας. Οι εγκαταστάσεις Cruachan στη Σκωτία έχουν παραδείγματος χάριν κατασκευαστεί το 1965, έχουν ικανότητα αποθήκευσης 10 εκατομμυρίων κυβικών μέτρων νερού, υδροστατική πίεση 365 μέτρων και η συνολική ικανότητα ενεργειακής αποθήκευσής του είναι 10 εκατομμύρια kwh. δεξαμενή εισαγωγή σήραγγα πρόσβασης ρυθμιστής πίεσης χώ ρ ο ς άντλησης/ εξαγω γής νερού κινητή ρος/γεννήτρια χώ ρος ελέγχου μετασχηματιστής Δ)ΓεωΘερμική ενέργεια 27

28 Η γεωθερμική ενέργεια είναι ενέργεια θερμότητας που δημιουργείται βαθιά στο εσωτερικό της γης. Είναι η ενέργεια που είναι αρμόδια για τα ηφαίστεια και τους σεισμούς. Η θερμοκρασία στο εσωτερικό της γης φτάνει ως και την τιμή των 7000 C, ενώ σε βάθη km μειώνεται στους 650 με 1200 C. Μέσω της βαθιάς κυκλοφορίας των υπόγειων νερών, η θερμότητα αυτή μεταφέρεται πιο κοντά στη γήινη επιφάνεια. Ο καυτός λειωμένος βράχος θερμαίνει τα περιβάλλοντα υπόγεια νερά τα οποία ανεβαίνουν στην επιφάνεια σε ορισμένες περιοχές με τη μορφή καυτού ατμού ή νερού πχ. θερμά λουτρά. Αυτή τη θερμική ενέργεια μπορεί κανείς να την εκμεταλλευτεί ως πηγή ενέργειας και ονομάζεται γεωθερμική ενέργεια. Ε)Άλλες σχετικές τεχνολογίες για την εξοικονόμηση ενέργειας Σ αυτήν την υποενότητα γίνεται λόγος για κάποιες άλλες τεχνολογίες, οι οποίες συμβάλλουν σημαντικά στην εξοικονόμηση της ενέργειας. Τέτοιες τεχνολογίες είναι η βιομάζα, τα υβριδικά συστήματα, οι συσσωρευτές, το νερό και ο πεπιεσμένος αέρας. Στην συνέχεια θα αναφερθούμε με συντομία σε όλα τα παραπάνω παρουσιάζοντας τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να εξοικονομήσουμε ενέργεια. i. Βιομάζα Η βιομάζα είναι ένα σύνολο υλικών και υπολειμμάτων φυτικής ή ζωικής προέλευσης και περιέχει μέσα της ενέργεια. Για την ακρίβεια περιλαμβάνει φυτικές ή ζωικές ύλες, όπως δέντρα, κλαδιά, φύλλα, άχυρα, κουκούτσια, ξύλα, πριονίδια, χόρτα, υπολείμματα αγροτικής ή βιομηχανικής διαχείρισης αυτών, αλλά και αστικά λύματα(σκουπίδια) και ζωικά απόβλητα, όπως κοπριά, λίπη και άχρηστα αλιεύματα. Οποιοδήποτε, λοιπόν, ασήμαντο σκουπίδι έως και ειδικά καλλιεργημένα και λεγόμενα ενεργειακά φυτά, αποτελούν τη βιομάζα. Συγκεκριμένα, τα φυτά κατά τη διάρκεια της ζωής τους δεσμεύουν την ηλιακή ενέργεια με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και στη συνέχεια την αποθηκεύουν στα σώματά τους με τη μορφή χημικής ενέργειας. Μέρος αυτής της ενέργειας περνάει και στα ζώα, όταν αυτά τρώνε φυτά. Έτσι, φυτά και ζώα μπορούν να θεωρούνται ως αποθήκες της ηλιακής ενέργειας. Την ενέργεια αυτή μπορεί να την αντλήσει ο άνθρωπος με διάφορες μεθόδους, οι οποίες συνεχώς εξελίσσονται και να την μετατρέψει σε μορφές πιο εύχρηστες για τον ίδιο λύνοντας κατά ένα μεγάλο μέρος το ενεργειακό του πρόβλημα, αλλά και προστατεύοντας παράλληλα 28

29 το περιβάλλον. Έτσι γίνεται αντιληπτό ότι η βιομάζα αποτελεί και αυτή μια σημαντική ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, όπως η ηλιακή, η αιολική, η υδροηλεκτρική, η γεωθερμική κ.ά. Κατά συνέπεια, μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι η βιομάζα: αποτελεί μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και άρα ανεξάντλητη βρίσκεται παντού στον πλανήτη και σε αφθονία η παραγωγή και η χρήση της δεν ρυπαίνει το περιβάλλον με τοξικές ουσίες, αφού τα προϊόντα καύσης της είναι βασικά νερό και CO2. επιλύει το πρόβλημα των απορριμμάτων στις μεγαλουπόλεις αυξάνει τις θέσεις εργασίας στην ύπαιθρο και τονώνει την οικονομική της ζωή η μηδαμινή ύπαρξη του θείου στη βιομάζα συμβάλλει σημαντικά στον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του θείου (SO2) που είναι υπεύθυνο για την όξινη βροχή σε οικονομικό και εθνικό επίπεδο, εφόσον η βιομάζα είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, η αξιοποίησή της σε ενέργεια συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενα καύσιμα, στην εξασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος. Εκτός, όμως, από τα πολλαπλά πλεονεκτήματα της βιομάζας για εξοικονόμηση ενέργειας, αυτή η πηγή ενέργειας παρουσιάζει και κάποια μειονεκτήματα. Η βιομάζα έχει αυξημένο όγκο και μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, έχει μικρότερες θερμαντικές ικανότητες ως προς τα συμβατικά καύσιμα και παρουσιάζει δυσκολίες στη συλλογή, τη μεταποίηση, τη μεταφορά και την αποθήκευση της βιομάζας. Συνεπώς αυξάνεται το κόστος της ενεργειακής της αξιοποίησης. ii. Υβριδικά συστήματα Τα υβριδικά συστήματα είναι συστήματα που χρησιμοποιούν περισσότερες από μία μορφές ενέργειας. Τα περισσότερα μεγάλης κλίμακας εθνικά ηλεκτρικά συστήματα, όπως αυτό της Ελλάδας, είναι υβριδικά, καθώς χρησιμοποιούν πετρέλαιο, άνθρακα, υδροηλεκτρική ενέργεια, αιολική ενέργεια και τελευταία, φυσικό αέριο. 29

30 Το πλεονέκτημα των υβριδικών συστημάτων είναι ότι όταν υστερεί η μια πηγή ενέργειας, συνήθως πλεονεκτεί η άλλη. Και αναφερόμαστε στο συνηθισμένο συνδυασμό ανεμογεννήτριας και φωτοβολταϊκών στοιχείων, καθώς και στο συνδυασμό ηλιακού θερμικού συλλέκτη με καυστήρα πετρελαίου ή βιομάζας. Ο συνδυασμός ανεμογεννήτριας και φωτοβολταϊκών χρησιμοποιείται αρκετά συχνά σε απομονωμένες κατοικίες και οικισμούς, όπου η πρόσβαση στο κεντρικό δίκτυο είναι πολύ δαπανηρή ή και ακόμα αδύνατη. Συνήθως στο σύστημα προστίθεται και μια ηλεκτρογεννήτρια με συμβατικά καύσιμα, ενώ η χρήση των μπαταριών είναι σχεδόν απαραίτητη σαν η πιο εύκολη και απλή λύση παροχής σταθερής τάσης στο σύστημα, αλλά και εφεδρείας. Όταν απαιτείται η κάλυψη μεγαλύτερων αναγκών, όπως ενός νησιού, και βρίσκεται σε περιοχή όπου η γεωγραφία δίνει τη δυνατότητα να κατασκευαστεί κάποιο φράγμα, τότε αντί για μπαταρίες χρησιμοποιείται υδροστατικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. iii. Συσσωρευτές Η γνωστή σε όλους μας μπαταρία είναι ο πιο διαδεδομένος τρόπος αποθήκευσης ενέργειας σήμερα. Βασίζεται σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, οι οποίες επαναλαμβάνονται εκατοντάδες φορές (φόρτιση-εκφόρτιση). Οι πιο διαδεδομένες μπαταρίες στα ενεργειακά συστήματα είναι οι μπαταρίες μολύβδου που εφευρέθηκαν το iv. Νερό Η παραγωγή ενέργειας από νερό, η οποία έχει περιγραφεί παραπάνω, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν αποθηκευτικός τρόπος ενέργειας. Αυτό μπορεί να γίνει είτε σταματώντας τη ροή του νερού, όταν η περαιτέρω παραγωγή ενέργειας δεν είναι απαραίτητη ή όταν έχουμε περίσσεια ενέργειας να αντλούμε νερό σε μια δεξαμενή απ όπου να παίρνουμε την ενέργεια (αντλιοστατική ενέργεια) ή ακόμα και το ίδιο το νερό (υπερυψωμένες δεξαμενές) όταν χρειάζεται. ν. Πεπιεσμένος αέρας Αποθηκευμένος αέρας σε συμπιεσμένη μορφή, όταν αφεθεί ελεύθερος μπορεί να κινήσει μία γεννήτρια. Όπως προκύπτει από έρευνες, το 34% της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώθηκε στην Ελλάδα το 2003, δαπανήθηκε από τα νοικοκυριά. Είναι με 30

31 διαφορά ο πιο ενεργοβόρος τομέας, καθώς η βιομηχανία κατανάλωσε μόλις το 29% και ο εμπορικός τομέας το 26%. Είναι, λοιπόν, σημαντικό να αλλάξουμε όλοι μας συμπεριφορά απέναντι στη χρήση της ηλεκτρικής, κυρίως, ενέργειας, καθώς τα μπλάκ άουτ ολοένα και αυξάνονται. Συμπερασματικά, μπορούμε να πούμε ότι μερικές πρακτικές εξοικονόμησης ενέργειας στο σπίτι είναι η αλλαγή λαμπτήρων με λαμπτήρες φθορισμού ή εξοικονόμησης ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να εξοικονομήσουμε έως και 80% στις καταναλώσεις φωτισμού. Χαρακτηριστικά, παραθέτουμε τον παρακάτω πίνακα: Λαμπτήρας φθορισμού Κοινός λαμπτήρας 5W 25W 11W 60W 20W 100W Μία άλλη πρακτική εξοικονόμησης είναι να μη ξεχνάμε αναμμένα φώτα που δεν χρησιμοποιούμε ή που δεν είναι απαραίτητα. Επιπλέον, καλό θα ήταν να εξοπλίσουμε τα νοικοκυριά μας με συσκευές που είναι ενεργειακής απόδοσης Α. η ενεργειακή απόδοση κάθε οικιακής συσκευής είναι υποχρεωτικό να επισημαίνεται σε εμφανές σημείο στις εκθέσεις ηλεκτρικών συσκευών. Η τοποθέτηση ανεμιστήρων οροφής και η μείωση της χρήσης των κλιματιστικών είναι ένας άλλος τρόπος που βοηθά στην εξοικονόμηση ενέργειας. Ένας ανεμιστήρας οροφής το καλοκαίρι δροσίζει το χώρο, ενώ το χειμώνα ανακυκλώνει το θερμό αέρα που παγιδεύει στην οροφή του δωματίου, με αποτέλεσμα να μειώνει και τις απαιτήσεις θέρμανσης. Άλλος τρόπος εξοικονόμησης ενέργειας, όπως έχει ήδη αναφερθεί, είναι η αποφυγή να αφήνουμε τις ηλεκτρικές συσκευές σε κατάσταση αναμονής. Περίπου το 1,5% της ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα καταναλώνεται από συσκευές που βρίσκονται σε κατάσταση αναμονής. Ακόμη, η αντικατάσταση του ηλεκτρικού θερμοσίφωνα μπορεί να βοηθήσει αποτελεσματικά στην εξοικονόμηση ενέργειας. Τέλος, είναι πολύ σημαντικό να διατηρούμε τη θερμοκρασία του σπιτιού σε φυσιολογικά επίπεδα αποφεύγοντας την υπερβολική ψύξη το καλοκαίρι και την 31

32 υπερβολική θερμότητα το χειμώνα. Για το καλοκαίρι μια φυσιολογική θερμοκρασία είναι οι 25 C και για το χειμώνα οι 21 C. Κλείνοντας το κεφάλαιο αυτό, παραθέτουμε στατιστικά εγκατεστημένης ισχύς για τις χώρες της Ευρώπης όσον αφορά την αιολική ενέργεια, τα μικρά υδροηλεκτρικά, τα φωτοβολταϊκά συστήματα και τα ηλιακά θερμικά. Στατιστικά εγκατεστημένης ισχύς για τις χώρες της Ευρώπης Αιολική Ενέργεια Μικρά Υδροηλεκτρικά Χώρα 2004 (MW) Κώρα 1001 (MW) Γερμανία ταλία Ισπανία "αλλία Δανία σπανία Ιταλία "ερμανία Ολλανδία Ελβετία Βρετανία 888 Αυστρία 866 Αυστρία 606 Φινλανδία 320 Πορτογαλία 522 Ίορτογαλία 286 Ελλάδα 465 Βρετανία 162 Σουηδία 442 Βέλγιο 96 Γαλλία 386 Ελλάδα 50 Φωτοβολταϊκά Ηλιακά θερμικά Χώρα 2003 (MW) Χώρα 2002 (m2) Γερμανία 410,3 Γερμανία Ολλανδία 45,9 Ελλάδα Ισπανία 28 Αυστρία Ιταλία 26 Γαλλία Γαλλία 21,1 Ιταλία Ελβετία 21 Ολλανδία Αυστρία 16,8 Δανία Νορβηγία 6,6 Ισπανία Βρετανία 5,9 Βρετανία Ελλάδα 4,5 Πορτογαλία Σουηδία 3,6 Σουηδία Φινλανδία 3,4 Φινλανδία Πορτογαλία 2,1 Βέλγιο Δανία 1,9 Ιρλανδία

33 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ζούμε σε μια εποχή όπου η διόγκωση των περιβαλλοντικών προβλημάτων σε συνδυασμό με την εξάντληση των ορυκτών ενεργειακών πόρων αποτελούν παράγοντες που επηρεάζουν σημαντικά τον τρόπο διαβίωσής μας. Στο παρόν κεφάλαιο θα αναφερθούμε εκτενέστερα στον τρόπο παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μέσω φωτοβολταϊκών συστημάτων κάνοντας αρχικά μια ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη του φαινομένου και παρουσιάζοντας στη συνέχεια τους τρόπους με τους οποίους μπορεί κανείς να εκμεταλλευτεί αυτή την πηγή ενέργειας με το μικρότερο δυνατό κόστος και με τις λιγότερες επιπτώσεις για το περιβάλλον. i. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Εκτός από την άμεση χρήση ή την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας ως θερμικής, μπορούμε να τη μετατρέψουμε και σε ηλεκτρική, δηλαδή παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα από τον ήλιο. Αυτή η μετατροπή γίνεται μέσω του λεγόμενου φωτοβολταϊκού φαινομένου. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται σε ορισμένα υλικά, τα οποία έχουν την ιδιότητα να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα, όταν φωτίζονται. Μικρά κομμάτια αυτών των υλικών (φωτοβολταϊκά στοιχεία) ή συστοιχίες πολλών μαζί (φωτοβολταϊκά συστήματα) μπορούν να τροφοδοτούν ηλεκτρικές συσκευές ή και να φορτίζουν ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) με εκμετάλλευση μόνο της ηλιακής ενέργειας. Στη συνέχεια θα επιχειρήσουμε να παρουσιάσουμε το φαινόμενο αυτό και τη λειτουργία του. Όταν το φως προσπίπτει σε μια επιφάνεια, είτε ανακλάται, είτε τη διαπερνά (διαπερατότητα), είτε απορροφάται από το υλικό της επιφάνειας. Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας, η απορρόφηση του φωτός σημαίνει τη μετατροπή του σε μια άλλη μορφή ενέργειας, η οποία συνήθως είναι η θερμότητα. Παρόλα αυτά, όμως, υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων που προσπίπτουν σε μια επιφάνεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα υλικά είναι ημιαγωγοί και στις ιδιότητες αυτών των υλικών στηρίζεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και η λειτουργία του. Επίσης, σ αυτά οφείλεται η τεράστια τεχνολογική πρόοδος που έχει συντελεστεί στον τομέα 33