Μελέτη Ηλιοθερμικής Μονάδας Παραβολικών Κατόπτρων 50MW

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη Ηλιοθερμικής Μονάδας Παραβολικών Κατόπτρων 50MW Χατζηαθανασίου Λώρα Επιβλέπων καθηγητής: Αλεξιάδης Μηνάς ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2016

2

3 Πρόλογος Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάστηκε η λειτουργία των συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις τρεις κατηγορίες εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας και στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία παραγωγής ενέργειας στον ήλιο, οι γωνίες που σχετίζονται με την ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της γης και τα όργανα μέτρησης της. Στο δεύτερο κεφάλαιο εισαγόμαστε στην λειτουργία των συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων που διαχωρίζεται σε τέσσερις τεχνολογίες: τα παραβολικά κάτοπτρα ή παραβολικά κοίλα, τον ηλιακό πύργο ισχύος, τα γραμμικά Fresnel, και τους παραβολικούς δίσκους / Stirling. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι παράμετροι εγκατάστασης παραβολικών κατόπτρων στην Αθήνα και τα ενεργειακά και οικονομικά αποτελέσματα της μελέτης. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξάγονται γενικά συμπεράσματα σχετικά με τα παραπάνω συστήματα και προτείνονται θέματα για περαιτέρω ανάπτυξη. Introduction The purpose of this thesis is the presentation concentrating solar power technologies. In the first chapter the Sun, the process of energy production and the angles concerning the sun radiation over the surface of the Earth, are presented, as well as the measurement instruments. In the second chapter the function of concentrating solar power (CSP) is analyzed. Concentrating technologies exist in four common forms: parabolic troughs, solar power tower, linear Fresnel and dish/ Stirling. In the third chapter a study of installation of a parabolic trough plant in Athens and its results are presented In the fourth chapter a general conclusion is extracted and subjects for further research are suggested.

4

5 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κύριο Αλεξιάδη Μηνά που μου εμπιστεύτηκε το συγκεκριμένο θέμα. Η αδιάλειπτη βοήθεια, η καθοδήγηση και η συζήτηση μαζί του ήταν καθοριστικά για την ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας. Φυσικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω την μαμά μου που με στήριξε με κάθε τρόπο σε όλα τα βήματα μου, τις αδερφές μου και κυρίως τη Μυρτώ για την γλυκύτητα με την οποία αντιμετώπιζε την κακή μου διάθεση σε ημέρες άγχους, αλλά και την ευρύτερη οικογένεια μου για όλη τους τη βοήθεια. Τέλος, δεν θα μπορούσα να ξεχάσω τους φίλους μου που, σαν δεύτερη οικογένεια, έκαναν τα χρόνια των σπουδών μου πολύ όμορφα, γεμάτα γέλια και χαρούμενες αναμνήσεις! Ειδικότερα, τον Στέφανο με τον οποίο έχω μια σχέση ξεχωριστή και όσο τσακωνόμαστε, τόσο θα τον αγαπώ. Τον Κωνσταντίνο που, αν και μακριά, ένιωθα πως ήταν καθημερινά κοντά μου, με ενθάρρυνση και λογική. Και την συναισθηματική Μαριάννα που, χωρίς να το περιμένω, έκανε τον τελευταίο χρόνο των σπουδών μου πιο γλυκό και ξεκούραστο από όσο θα μπορούσα να ελπίζω.

6

7 Περιεχόμενα 1. ΗΛΙΟΣ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Εισαγωγή Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία γενικά Παραγωγή ενέργειας στον ήλιο Ηλιακή ακτινοβολία Το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας Ηλιακή σταθερά G sc Η κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο Ηλιακή ακτινοβολία στα όρια της ατμόσφαιρας Γεωγραφικά στοιχεία Γης Ηλιακή Γεωμετρία Συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας Όργανα μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης Θερμικοί ανιχνευτές (Thermal detectors) Αισθητήρες ηλεκτρονικής διέγερσης (Quantum detectors) Μέτρηση διάρκειας ηλιοφάνειας Ηλιακή ακτινοβολία στην Ελλάδα ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Εισαγωγή Θερμικά Κύκλα Παραγωγής Ενέργειας Συλλέκτες Παραβολικών Κατόπτρων Υλικά Κατόπτρων Η δομή στήριξης Διαθέσιμοι παραβολικοί συλλέκτες Ο δέκτης Οπτική απόδοση Το Ηλιακό πεδίο Σύστημα αποθήκευσης Χρήση ορυκτών καυσίμων Λειτουργία μονάδας Γραμμικά κάτοπτρα τεχνολογίας Fresnel Πρωτεύοντα κάτοπτρα Ο Δέκτης Ρευστό μεταφοράς θερμότητας Δομή ηλιακού πεδίου... 63

8 2.4.5 Σύγκριση με τεχνολογία παραβολικών κοίλων Ηλιακός πύργος ισχύος Οι ηλιοστάτες Το πεδίο των ηλιοστατών Ο Δέκτης Τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της τεχνολογίας Παραβολικοί δίσκοι / Stirling Μοντέλα και τυπικά μεγέθη παραβολικών δίσκων Παρακολούθηση ήλιου Μηχανή Stirling Πλεονεκτήματα τεχνολογίας Σύγκριση τεχνολογιών Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΩΝ ΚΟΙΛΩΝ ΣΤΗΝ ΑΘΗΝΑ Χαρακτηριστικά Τοποθεσίας Εγκατάστασης Επιλογή χαρακτηριστικών συστήματος παραβολικών κατόπτρων Εγκατάσταση χωρίς σύστημα αποθήκευσης Εγκατάσταση με σύστημα αποθήκευσης 9h Οικονομική μελέτη Απαιτούμενο κεφάλαιο επένδυσης Οικονομική μελέτη 25ετούς λειτουργίας συστήματος ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΣΥΣΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΟΝΤΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ Βιβλιογραφία

9 1. ΗΛΙΟΣ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 1.1 Εισαγωγή Ο Ήλιος είναι η πηγή ζωής του πλανήτη μας. Κύρια πηγή ενέργειας της Γης είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προέρχεται από τον Ήλιο. Η ποσότητα ενέργειας που παρέχει είναι εξαιρετικά μεγάλη και η αξιοποίησή της είναι πολύ σημαντική ειδικά τώρα που τα ορυκτά καύσιμα λιγοστεύουν κ η χρήση τους επηρεάζει το περιβάλλον αρνητικά. Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσε να χωριστεί σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα βασίζονται στην αξιοποίηση των φυσικών φαινομένων μετάδοσης θερμότητας που παρατηρούνται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε επιφάνειες που διαπερνά εξασφαλίζοντας φυσικό φωτισμό και θέρμανση σε εσωτερικούς χώρους με αποτέλεσμα την σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Σε αντίθεση με τα παθητικά, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα χρησιμοποιούν μηχανικό και ηλεκτρολογικό εξοπλισμό για την συλλογή, αποθήκευση και διανομή της ενέργειας. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν και τα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα ή αλλιώς ηλιοθερμικά συστήματα. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στην άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. (1) Εικόνα 1: Κατηγορίες εκμετάλλευσης ηλιακής ακτινοβολίας (2) Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία γενικά Με τον όρο ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εννοούμε την ενέργεια που εκπέμπεται στο περιβάλλον τους από όλα τα σώματα με θερμοκρασία άνω του απόλυτου μηδενός με μορφή 1

10 ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Πρόκειται για ένα δισδιάστατο εγκάρσιο κύμα που έχει τη δυνατότητα να κινείται στο κενό με την ταχύτητα του φωτός. Η ποσότητα της ενέργειας που εκπέμπεται είναι ανάλογη της θερμοκρασίας του σώματος. Εικόνα 2: Ηλεκτρομαγνητικό κύμα (3) Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία γενικά διαχωρίζεται με βάση το μήκος κύματος, δηλαδή την απόσταση ανάμεσα σε δύο διαδοχικές κορυφές του. Το εύρος των μηκών κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι άπειρο. Ο ήλιος εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με σωματιδιακή μορφή αλλά κυρίως κυματική μορφή μήκους κύματος από 0,1 έως 4 μm. (4) (3) Μεγέθη Η/Μ Ακτινοβολίας Ισχύς ή Ροή Ακτινοβολίας (Radiant Power - Radiant Flux) (P) Μετριέται σε Watt και εκφράζει τη ροή ενέργειας που εκπέμπεται από μία πηγή ανά μονάδα χρόνου (ισχύ) όταν αυτή διέρχεται μέσω μιας επιφάνειας. P = d (Energy)/dt (W) Ένταση (Irradiance) (G) της ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι ο ρυθμός με τον οποίο η ισχύς ακτινοβολίας προσπίπτει πάνω σε μια επιφάνεια, ανά μονάδα επιφάνειας. Μετριέται σε W/m 2. G = dp/ds (W/m 2 ) Η προσπίπτουσα ενέργεια σε μία επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας (Irradiation or Radiant Exposure και συγκεκριμένα στην περίπτωση της ηλιακής ενέργειας Insolation,), που υπολογίζεται ολοκληρώνοντας την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, συνήθως μια ώρας (σύμβολο Ι) ή μιας μέρας (σύμβολο H) μετριέται σε J/m 2 (5) 1.2 Ήλιος Γενικά Ο Ήλιος, που είναι ο αστέρας του ηλιακού μας συστήματος, είναι μια σχεδόν σφαιρική μάζα αερίων που αποτελείτε κατά 73,56% από υδρογόνο, κατά 24,85% από ήλιο και κατά 1,69% από άλλα βαρύτερα στοιχεία. Το υδρογόνο αποτελεί το κύριο καύσιμο για τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που παράγουν την ενέργεια που ακτινοβολεί, ενώ το ήλιο προέρχεται κυρίως από τα προϊόντα της πυρηνικής σύντηξης του υδρογόνου. Στον πυρήνα του, ο ήλιος υπολογίζεται πως έχει θερμοκρασία περίπου Κ. Η πυκνότητα των αερίων μειώνεται σε συνάρτηση με την ακτίνα του Ηλίου με ένα νόμο αντιστρόφου τετραγώνου. Η επιφάνεια του ήλιου ονομάζεται φωτόσφαιρα και είναι η πηγή της περισσότερης ορατής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Η θερμοκρασία αυτής της περιοχής 2

11 είναι Κ. Μετά τη φωτόσφαιρα υπάρχουν διάφορα ακόμη στρώματα που αποτελούνται από αέρια σε υψηλή θερμοκρασία στα οποία όμως δεν λαμβάνει χώρα η πυρηνική σύντηξη. Καθώς ο ήλιος αποτελείται από πλάσμα, δεν έχει σαφή επιφάνεια ούτε σταθερό μέγεθος, πρακτικά όμως η ακτίνα του Ηλίου μετριέται από το κέντρο του άστρου έως τη φωτόσφαιρα, και είναι περίπου km. (1) (6) Παραγωγή ενέργειας στον ήλιο Ο μηχανισμός με τον οποίο παράγεται το ήλιο ( 4 He) από το υδρογόνο (p ή 1 H) στο εσωτερικό των άστρων, εξαρτάται από τη μάζα του άστρου. Δύο είναι τα βασικά είδη των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στις μάζες των άστρων. Η μία ονομάζεται κύκλος ή αλυσίδα πρωτονίου πρωτονίου (p-p) και η άλλη κύκλος CNO. Άστρα που έχουν μάζα ίση ή μικρότερη από τη μάζα του Ήλιου μας, μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο κυρίως μέσω του κύκλου πρωτονίου πρωτονίου. Κατά τουλάχιστον 98%, λοιπόν, στο εσωτερικό του Ήλιου παράγεται ενέργεια μέσω αυτής της σειράς διαδοχικών πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης ενώ μόνο το 2% προέρχεται από τη δεύτερη διαδικασία πυρηνικής σύντηξης, τον κύκλο CNO (carbon nitrogen oxygen) Στον κύκλο πρωτονίου πρωτονίου αρχικά δυο πρωτόνια σχηματίζουν έναν πυρήνα δευτερίου (ισότοπο του υδρογόνου) παράγοντας ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο 1 H + 1 H 2 Η + e + + ν Στη συνέχεια ο πυρήνας του δευτερίου αντιδρά με άλλο πρωτόνιο σχηματίζοντας ένα ακόμη βαρύτερο πυρήνα, το 3 Ηe εκπέμποντας ταυτόχρονα ένα φωτόνιο 2 H + 1 H 3 Ηe + γ Και τέλος δυο πυρήνες 3 Ηe που έχουν σχηματιστεί με την προηγούμενη διαδικασία συντήκονται σχηματίζοντας ένα πυρήνα 4 Ηe και δυο πρωτόνια. 3 He + 3 He 4 Ηe + 1 Η + 1 Η Το συνολικό αποτέλεσμα αυτών των πυρηνικών αντιδράσεων είναι η παραγωγή ενός πυρήνα ηλίου από τέσσερις πυρήνες υδρογόνου (πρωτόνια) 4 1 H 4 Ηe MeV Στον πυρήνα του Ήλιου, που αποτελεί περίπου το 20% - 25% της ακτίνας του, συμβαίνει το σημαντικότερο ποσοστό των πυρηνικών συντήξεων ενώ πέρα από το 30% της ακτίνας του οι αντιδράσεις έχουν σταματήσει σχεδόν πλήρως. Η ενέργεια που εκλύεται από τις συντήξεις στο εσωτερικό του άστρου μεταφέρεται προς τα εξωτερικά στρώματα και τελικά διαφεύγει στο διάστημα. Υπολογίζεται πως κάθε δευτερόλεπτο περίπου 630 εκατομμύρια τόνοι H στον πυρήνα του Ήλιου μετατρέπονται σε 625 εκατομμύρια τόνους Ηe και από τη διαφορά μάζας μεταξύ των δύο στοιχείων περίπου 5 εκατομμύρια τόνοι μετατρέπονται σε ενέργεια. (7) (6) 1.3 Ηλιακή ακτινοβολία 3

12 1.3.1 Το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, ο ήλιος εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με σωματιδιακή μορφή, που αποτελείται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια (πρωτόνια νετρόνια) μικρής έντασης αλλά κυρίως κυματική μορφή μήκους κύματος 0,1 ως 4μm. Θεωρείται πως το 99% της ηλιακής ενέργειας περιλαμβάνεται σε μήκη κύματος από 0,25 έως 4 μm. Εικόνα 3: Κατανομή ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια της θάλασσας. (6) Στην εικόνα 3 φαίνεται η φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια της θάλασσας. Το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας κυμαίνεται στα μικρά μήκη κύματος ορατής και υπεριώδους ακτινοβολίας. Παρατηρούνται σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάμεσα στο φασματικό περιεχόμενο της ακτινοβολίας στα όρια της ατμόσφαιρας και σε αυτό που έχει διαπεράσει την ατμόσφαιρα. Υπάρχει εμφανής εξασθένηση της, καθώς μόρια αερίων της ατμόσφαιρας απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία ως θερμότητα. Ενώ ένα μικρό μέρος αυτής της θερμότητας φτάνει στην επιφάνεια της Γης, η πλειοψηφία της ανακλάται πίσω στο διάστημα. Εμφανείς είναι επιπλέον οι βυθίσεις στο φάσμα της ακτινοβολίας που συμπίπτουν με την απορρόφηση από τα αέρια της ατμόσφαιρας, ιδίως στο κομμάτι της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Ουσιαστικά όλη η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης βρίσκεται στη ζώνη μήκους κύματος 0,3-2,5μm. Η θερμική ακτινοβολία περιλαμβάνει μήκη κύματος μεταξύ 0, μm. Το ορατό τμήμα της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μεταξύ 0,39 0,77 μm. (1) 4

13 Εικόνα 4: Ορατή ηλιακή ακτινοβολία Ηλιακή σταθερά Gsc Ως ηλιακή σταθερά ορίζεται η μέση ένταση ηλιακής ενέργειας ολόκληρου του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μία επιφάνεια 1 m 2, κάθετη στη διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας στη μέση απόσταση Ήλιου- Γης, δηλαδή σε 1 αστρονομική μονάδα, όταν αυτή εκτεθεί στην ακτινοβολία επί 1 λεπτό. Τιμή που αποδέχεται ο Παγκόσμιος Οργανισμός Μετεωρολογίας (WMO,1978): (1) G sc = 1367 W/m Η κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο Η κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο μπορεί να αναλυθεί σε δύο συνιστώσες: Την περιφορά της γύρω από τον Ήλιο σε ελλειπτική τροχιά και την περιστροφή της γύρω από τον άξονα της. (1) Η περιφορά της γύρω από τον Ήλιο: Ο Ήλιος βρίσκεται σε μέση απόσταση 149, km από τη Γη. Το μήκος αυτό ορίζεται σαν μια αστρονομική μονάδα 1 AU. Για να διανύσει αυτή την απόσταση το φως με την ταχύτητα των km/s, απαιτούνται περίπου 8,5 min. Λόγω του ότι η Γη κινείται γύρω από τον Ήλιο ακολουθώντας ελλειπτική τροχιά με μικρή εκκεντρότητα (δηλαδή το κατά πόσο η πραγματική ελλειπτική τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο διαφέρει από την θεωρητική κυκλική τροχιά), υπάρχει μια διακύμανση απόστασης κατά ± 1,7 % της απόστασης Ήλιου Γης μέσα στο έτος. Η πιο κοντινή απόσταση του από τη Γη είναι στις αρχές Ιανουαρίου ( 0,983 AU ) και ονομάζεται Περιήλιο ενώ η πιο μακρινή, στις αρχές Ιουλίου ( 1,017 AU) ονομάζεται Αφήλιο. Η μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη Γη, λόγω αυτής της διακύμανσης απόστασης, είναι περίπου ± 3,4 %. (1) Η περιστροφή της γύρω από τον άξονα της: Η Γη εκτελεί επίσης μια πλήρη περιστροφή γύρω από τον άξονά της με ρυθμό 15 ανά ώρα. Αυτή η περιστροφή προκαλεί τις ημερήσιες μεταβολές στα επίπεδα της ηλιακής ακτινοβολίας. 5

14 Εικόνα 5: Μεταβολή απόστασης Γης - Ήλιου σε ένα έτος (6) Ηλιακή ακτινοβολία στα όρια της ατμόσφαιρας. Όπως ήδη αναφέρθηκε, εξαιτίας της εκκεντρότητας, η ετήσια απόκλιση της απόστασης Ήλιου- Γης είναι ±1,7% με επίπτωση στην ηλιακή ακτινοβολία ±3,4%. Τα ποσοστά ακτινοβολίας που φτάνουν σε μια κάθετη επιφάνεια στα όρια της ατμόσφαιρας υπολογίζονται σε συνάρτηση με την ημέρα του χρόνου D: G on = G sc E o W m 2 Όπου G on η ακτινοβολία που δέχεται επίπεδο εκτός ατμόσφαιρας και κάθετο στις ακτίνες του ήλιου. G sc = 1367 W m 2 η ηλιακή σταθερά και E o = cos 360 D ο διορθωτικός συντελεστής εκκεντρότητας ενώ D ο 365 αύξων αριθμός της ημέρας. Αρχή της μέτρησης λαμβάνεται πάντα η 1 η Ιανουαρίου. (1) 6

15 Εικόνα 6: Μεταβολή ηλιακής ακτινοβολίας στα όρια της ατμόσφαιρας (8) Γεωγραφικά στοιχεία Γης Ο σημαντικότερος παράγοντας που διαμορφώνει την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει τελικά στην επιφάνεια της Γης είναι η θέση του ήλιου σε σχέση με το σημείο που δέχεται την ακτινοβολία. Με βάση αυτή την αρχή διακρίνουμε τα παρακάτω γεωμετρικά στοιχεία. (1) Γεωγραφικές συντεταγμένες Γεωγραφικό πλάτος (latitude) (φ) ενός σημείου που βρίσκεται στην επιφάνεια της γης είναι η γωνία που σχηματίζει η κατακόρυφος του τόπου με το επίπεδο του ισημερινού. Χαρακτηρίζεται ως Βόρειο Β (North N) από 0-90 ή Νότιο Ν (South S) ή 0-90 Ν ανάλογα σε ποιο ημισφαίριο βρίσκεται το σημείο, με αρχή μέτρησης τον ισημερινό του οποίου το γεωγραφικό πλάτος είναι 0. Γεωγραφικό μήκος (longitude) (λ) ενός σημείου στην επιφάνεια της γης είναι η γωνία που σχηματίζεται από το επίπεδο του μεσημβρινού που διέρχεται από το εν λόγω σημείο με το επίπεδο του πρώτου μεσημβρινού που διέρχεται από το Αστεροσκοπείο του Γκρήνουιτς στην Μεγάλη Βρετανία. Το γεωγραφικό μήκος χαρακτηρίζεται Ανατολικό Α (East E) Α ή Δυτικό Δ (West W) Δ ανάλογα σε ποιο ημισφαίριο βρίσκεται το σημείο 7

16 Εικόνα 7: Γεωγραφικές συντεταγμένες Ηλιακός Χρόνος Σε όλους τους υπολογισμούς που σχετίζονται με την ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιείται ο πραγματικός ηλιακός χρόνος (ΗΧ), ο χρόνος δηλαδή του οποίου ο προσδιορισμός βασίζεται στη γωνιακή μετακίνηση του ήλιου σε σχέση με το μεσημβρινό στον οποίο βρίσκεται ο παρατηρητής. Η Γη χωρίζεται σε 24 ζώνες, κάθε μία από τις οποίες έχει γεωγραφικό μήκος 15 (δηλαδή μία ώρα). Για κάθε μία από αυτές τις ζώνες χρησιμοποιείται ο ίδιος τοπικός χρόνος (ΤΧ) Εικόνα 8: Ζώνες ώρας Γενικά, ο πραγματικός ηλιακός χρόνος δε συμπίπτει με τον τοπικό χρόνο και είναι απαραίτητο να γίνονται οι παρακάτω δύο διορθώσεις. 8

17 1. Η σταθερή διόρθωση εξαιτίας της διαφοράς στο γεωγραφικό μήκος μεταξύ του τοπικού μεσημβρινού του παρατηρητή (L τ) και του μεσημβρινού στον οποίο είναι βασισμένη η ζώνη χρόνου της περιοχής (L στ). Αυτή η διόρθωση είναι της τάξης των 4 λεπτών ανά μοίρα απόκλισης από τον σταθερό μεσημβρινό αφού ο Ήλιος χρειάζεται αυτόν τον χρόνο για να διανύσει 1 γεωγραφικού μήκους. Επίσης μπορεί να χρειαστεί και μία ακόμα διόρθωση για τη θερινή ώρα. HX = TX ± 4(λ st λ τ ) + Ε τ Όλοι οι όροι στην παραπάνω εξίσωση πρέπει να μετατραπούν σε λεπτά. Το γεωγραφικό μήκος υπολογίζεται σε μοίρες 0 < λ < 180. Το θετικό πρόσημο (+) είναι για περιοχές δυτικά του Greenwich (δυτικό ημισφαίριο) ενώ το αρνητικό πρόσημο (-) είναι για περιοχές ανατολικά του Greenwich (ανατολικό ημισφαίριο). Εικόνα 9: Θερινή ζώνη ώρας 2. Η δεύτερη διόρθωση υπολογίζεται επίσης σε λεπτά από την εξίσωση του χρόνου Ε τ με την οποία λαμβάνονται υπόψιν οι διαταραχές στον ρυθμό περιστροφής την Γης λόγω της ελλειπτικής τροχιάς και της εκκεντρότητα της τροχιάς της Γης γύρω από τον Ήλιο (δηλαδή το κατά πόσο η πραγματική ελλειπτική τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο διαφέρει από την θεωρητική κυκλική τροχιά) Ε τ = 9,87 sin 2Β 7,53 cos Β 1,5 sin Β Όπου Β = 360(D 81) και 1 D Η μεταβολή αυτή δεν είναι σταθερή και η ετήσια διακύμανση του Ε τ κατά τη διάρκεια του χρόνου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η παράμετρος μηδενίζεται 4 φορές στην περίοδο αυτή. (1) (5) 9

18 Εικόνα 10: Ετήσια διακύμανση εξίσωσης του χρόνου Ε τ Ηλιακή Γεωμετρία Ονομάζουμε ουράνια σφαίρα την ιδεατή σφαίρα που περιβάλλει τη Γη επί της οποίας φέρονται να είναι καθηλωμένοι οι αστέρες. Εκλειπτικό είναι το νοητό επίπεδο περιφοράς του Ηλίου γύρω από τη Γη στην ουράνια σφαίρα, καθώς αυτός αλλάζει θέση στον ουρανό κατά τη διάρκεια ενός έτους. Ο άξονας περιστροφής της Γης σχηματίζει γωνία περίπου 23,5 με το εκλειπτικό επίπεδο. Η θέση αυτή του άξονα σε σχέση με το εκλειπτικό επίπεδο του ήλιου προκαλεί τις εποχιακές αλλαγές στην ηλιακή ακτινοβολία. (1) Εικόνα 11: Ουράνια σφαίρα 10

19 Ενώ η γωνία ανάμεσα στον άξονα περιστροφής και την εκλειπτική γραμμή παραμένει σταθερή, μεταβάλλεται συνεχώς η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της νοητής ευθείας που ενώνει τα κέντρα Γης και Ήλιου και της προβολής της στο επίπεδο του ισημερινού της Γης, δηλαδή στο επίπεδο που είναι κάθετο στον άξονα περιστροφής της. Αυτή η γωνία ονομάζεται ηλιακή απόκλιση και συμβολίζεται δ. Είναι 0 στην εαρινή και φθινοπωρινή ισημερία που είναι στις 21 Μαρτίου και 23 Σεπτεμβρίου αντίστοιχα όπου η διάρκεια της μέρας είναι ίση με τη διάρκεια της νύχτας. Παίρνει μέγιστη τιμή + 23,5 στις 21 Ιουνίου όποτε έχουμε τη μεγαλύτερη ημέρα του έτους (θερινό ηλιοστάσιο), ενώ την ελάχιστη -23,5 στις 21 Δεκεμβρίου που έχουμε τη μικρότερη ημέρα του έτους (χειμερινό ηλιοστάσιο) στο βόρειο ημισφαίριο της γης. Κατά τη διάρκεια ενός 24ώρου η μεταβολή της γωνίας δ είναι μικρότερη από 0,5. Συνεπώς εάν η ηλιακή απόκλιση θεωρηθεί σταθερή για 24 ώρες, έχουμε ένα μέγιστο σφάλμα στους υπολογισμούς των άλλων γωνιών που παρουσιάζονται στη συνέχεια μεγέθους 0,5. Η απλούστερη σχέση υπολογισμού της ηλιακής απόκλισης με ικανοποιητική ακρίβεια είναι η εξίσωση Cooper: (D + 284) δ = 23,5 sin όπου D η ημέρα του χρόνου (1-365) Ωριαία γωνία (ω) Η γωνιακή μετατόπιση του Ήλιου ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού (Θέση του Ήλιου στις 12 το μεσημέρι είναι η μεσημβρία δηλαδή το μέση της ημέρας σε πραγματικό ηλιακό χρόνο) εκφράζεται με την ωριαία γωνία (ω) Εξαιτίας της περιστροφής της Γης περί τον άξονα της κατά 15 ανά ώρα, κάθε χρονική στιγμή πριν και μετά τη μεσημβρία μπορεί να εκφραστεί είτε μέσω του ηλιακού χρόνου είτε μέσω της ωριαίας γωνίας για τους μαθηματικούς υπολογισμούς. ω = 15(ΗΧ 12) [ ] Η ωραία γωνία είναι 0 την μεσημβρία, έχει αρνητικές τιμές το πρωί και θετικές το απόγευμα. Ζενιθιανή γωνία (θ z ) Η ζενιθιανή γωνία (θ z ) ορίζεται η γωνιά που σχηματίζεται ανάμεσα στην ευθεία που συνδέει την επιφάνεια με τον ήλιο και το ζενίθ. Υπολογίζεται από την σχέση cos θ z = (sin δ sin φ) + (cos δ cos φ cos ω) = sin α Όπου φ = γεωγραφικό πλάτος της περιοχής ω= ωριαία γωνία για τη δεδομένη χρονική στιγμή, δ = ηλιακή απόκλιση που υπολογίζεται για κάθε μέρα του χρόνου (D) και α= ηλιακό ύψος Ηλιακό ύψος (α) Ηλιακό ύψος (α) είναι ορίζεται η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της ευθείας που συνδέει τον ήλιο με τον παρατηρητή και το οριζόντιο επίπεδο (0 α 90 ) και ισχύει ότι α = 90 θ z, δηλαδή είναι συμπληρωματική της ζενιθιανής Το ηλιακό ύψος μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια ενός έτους. Η θέση του Ήλιου και η ημερήσια πορεία του τον χειμώνα είναι χαμηλά στον ορίζοντα οπότε το ηλιακό ύψος έχει χαμηλές τιμές. Η φαινομενική εποχιακή διαφοροποίηση της θέσης του ήλιου στον ορίζοντα 11

20 είναι αποτέλεσμα της ηλιακής απόκλισης, δηλαδή της μετατόπισης του άξονα περιστροφής της Γης σε σχέση με το επίπεδο πάνω στο οποίο κινείται η Γη γύρω από τον Ήλιο. Αζιμούθια γωνία (γ s) Η αζιμούθια γωνία (γ s ) του Ήλιου ορίζεται η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της προβολής στο οριζόντιο επίπεδο της ευθείας που συνδέει τον ήλιο με την επιφάνεια και του μεσημβρινού και του παρατηρητή (0 γ s 180 ) με αρνητικές τιμές στα ανατολικά και θετικές στα δυτικά, ενώ ισούται με 0 όταν ο Ήλιος βρίσκεται ακριβώς στον νότο. Συνεπώς η αζιμούθια γωνία του Ήλιου περιγράφει τον προσανατολισμό (θέση) του Ήλιου σε σχέση με τον παρατηρητή και δίνεται από τη σχέση: γ s = sign(ω) cos 1 cos θ z sin φ sin δ sin θ z cos φ Όπου sign(ω) είναι συνάρτηση πρόσημου της ωριαίας γωνίας ω, που λαμβάνει τιμή +1 αν ω > 0, τιμή -1 αν ω < 0 και 0 αν ω = 0. Ωριαία γωνία δύσης (ω ss ) και ανατολής (ω sr ) Η ωριαία γωνία δύσης (ω ss ) είναι η τιμή της ωριαίας γωνίας όταν ο Ήλιος δύει και δίνεται από τη σχέση ω ss = cos 1 ( tan φ tan δ) Η ωραία γωνία ανατολής (ω sr ) αντίστοιχα, είναι η τιμή της ωραίας γωνίας όταν ο Ήλιος ανατέλλει και έχει την ίδια απόλυτη τιμή με την ωριαία γωνία δύσης αλλά αντίθετο πρόσημο. Συνεπώς, οι θεωρητικά συνολικές ώρες ηλιοφάνειας (Ν), μεταξύ ανατολής και δύσης του Ήλιου υπολογίζονται από τη σχέση Ν = 2 ω ss /15 Εικόνα 12: Ηλιακό Ύψος και αζιμούθια γωνία στη διάρκεια ενός έτους Αέρια μάζα Η αέρια μάζα της ατμόσφαιρας την οποία πρέπει να διατρέξει η ηλιακή ακτινοβολία κατά την πορεία της μέσα από την ατμόσφαιρα είναι μία βασική παράμετρος που καθορίζει την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης. Η αέρια μάζα (m) είναι το πηλίκο του οπτικού πάχους της ατμόσφαιρας διαμέσου του οποίου περνά η άμεση ακτινοβολία ως προς το οπτικό πάχος της ατμόσφαιρας όταν ο Ήλιος βρίσκεται στο ζενίθ. Αν υποθέσουμε 12

21 πως η Γη είναι μια επίπεδη επιφάνεια με ομογενή και χωρίς διάθλαση ατμόσφαιρα, τότε η σχέση που δίνει την αέρια μάζα είναι m = 1 sin a = 1 cos θ z ενώ προφανώς εκτός της ατμόσφαιρας έχει τιμή 0. Εικόνα 13: Αέρια μάζα (9) Το σφάλμα υπολογισμού της αέριας μάζας με την παραπάνω σχέση είναι 0,25% μέχρι θ z < 60 και φτάνει το 10% για θ z = 85. Όταν η καμπυλότητα της ατμόσφαιρας είναι σημαντική δηλαδή σε χαμηλά ηλιακά ύψη, προτιμάται ο υπολογισμός της m να γίνεται με χρήση πινάκων. Όσο μεγαλύτερο είναι το πάχος της ατμόσφαιρας διαμέσου της οποίας πρέπει να περάσει η ηλιακή ακτινοβολία, τόσο μεγαλύτερες οι απώλειες λόγω της εξασθένισης της ηλιακής ακτινοβολίας. Όταν ο Ήλιος είναι χαμηλά στον ορίζοντα, όπως στην ανατολή και τη δύση του Ήλιου, το πάχος της ατμόσφαιρας είναι μεγαλύτερο συνεπώς η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας μικρότερη. Κλίση (β) Η κλίση της επιφάνειας σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο ορίζεται με τη γωνία κλίσης (β), δηλαδή με τη γωνία μεταξύ του επιπέδου αναφοράς και του οριζοντίου επιπέδου. Η γωνία αυτή μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 0 β 180. Αζιμούθιο (γ) του επιπέδου Ο προσανατολισμός της επιφάνειας καθορίζεται με το αζιμούθιο (γ) που είναι η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της προβολής της καθέτου στην κεκλιμένη επιφάνεια και του τοπικού μεσημβρινού πάνω στο οριζόντιο επίπεδο. Το αζιμούθιο είναι 0 όταν η προβολή της καθέτου στο οριζόντιο επίπεδο συμπίπτει με το Νότο, ενώ αρνητικές τιμές προς την ανατολή και θετικές προς τη δύση (-180 γ 180 ). Η τριγωνομετρική σχέση μεταξύ του αζιμούθιου και των άλλων παραμέτρων δίνεται από τις σχέσεις: sin α sin φ sin δ cos γ = cos α cos φ 13

22 sin γ = cos δ sin ω cos α Γωνία πρόσπτωσης (θ) Η γωνία πρόσπτωσης (θ) της ηλιακής ακτινοβολίας, πάνω σε μία κεκλιμένη επιφάνεια καθορίζει και την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η γωνία πρόσπτωσης είναι η γωνία που ορίζεται μεταξύ της καθέτου στην επιφάνεια και της διεύθυνσης της ακτινοβολίας. Υπολογίζεται από τις σχέσεις: cos θ = sin δ sin φ cos β sin δ cos φ sin β cos γ + cos δ cos φ cos β cos ω + cos δ sin φ sin β cos γ cos ω + cos δ sin β sin γ sin ω και sin θ = cos θ z cos β + sin θ z sin β cos(γ s γ) Εικόνα 14: Γωνία πρόσπτωσης 14

23 Εικόνα 15: Σύνοψη γωνιών (5) Συνοψίζοντας, η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας σε μια κεκλιμένη επιφάνεια αναφέρεται σαν (θ) ενώ αντίστοιχα σε μία οριζόντια, η γωνία πρόσπτωσης ταυτίζεται με τη ζενιθιακή γωνία (θ z ). Για τον υπολογισμό της γωνίας πρόσπτωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν, πέρα από τις εξισώσεις που παρουσιάστηκαν και αν δεν απαιτείται μεγάλη ακρίβεια, γραφικές μέθοδοι προσδιορισμού των τιμών των γωνιών θ και θ z Συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας Η ποσότητα της οριζόντιας ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης μπορεί να διαιρεθεί σε δύο συνιστώσες: την άμεση και τη διάχυτη ακτινοβολία. Άμεση ακτινοβολία (Beam radiation G b) ορίζεται η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει σε μία επιφάνεια με ελάχιστη ή χωρίς σκέδαση στην ατμόσφαιρα. Η άμεση ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε μία επιφάνεια εξαρτάται από: Την απορρόφηση και διάχυση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα Το ύψος του ήλιου Το γεωγραφικό πλάτος του τόπου Το υψόμετρο του τόπου Την κλίση της επιφάνειας Την απόσταση Ήλιου Γης Την απόκλιση του Ήλιου (δ) Διάχυτη Ακτινοβολία (Diffuse radiation G d) ορίζουμε την ακτινοβολία που προσλαμβάνεται από μια επιφάνεια αφού έχει αλλάξει διεύθυνση λόγω ανάκλασης ή σκέδασης στην ατμόσφαιρα και από ανάκλαση στην επιφάνεια της Γης. Επομένως, η διάχυτη ακτινοβολία φτάνει στην επιφάνεια της γης με τυχαίες διευθύνσεις από όλο τον ουράνιο θόλο. (1) 15

24 Η ηλιακή ακτινοβολία υφίσταται σημαντική εξασθένηση λόγω απορρόφησης και σκέδασης της από τα συστατικά της ατμόσφαιρας (όζον, οξυγόνο, κ.τ.λ.) και τελικά φτάνει στη γη με μια τιμή γύρω στα 950 W/m 2 σε μια καθαρή μέρα και πολύ λιγότερο τις μέρες με συννεφιά ή νέφος. Η διάχυτη ακτινοβολία εξαρτάται από: Το ύψος του Ήλιου Το υψόμετρο του τόπου Τη λευκαύγεια (albedo) του εδάφους, δηλαδή τον συντελεστή ανάκλασης της επιφάνειας που μετριέται σε κλίμακα 0 έως 1 όπου η τιμή 0 δηλώνει ολική απορρόφηση ενώ η τιμή 1, ολική ανάκλαση Το ποσό και το είδος των νεφών, των σωματιδίων και των αερίων στην ατμόσφαιρα Οι διάφορες τιμές του συντελεστή albedo (λευκαύγεια) δίνονται παρακάτω. Επιφάνεια Τυπικές τιμές λευκαύγειας Φρέσκια άσφαλτος 0.04 Ανοιχτός ωκεανός 0.06 Ζεστή άσφαλτος 0.12 Χώμα 0.17 Χλωρό χορτάρι 0.25 Άμμος ερήμου 0.40 Νέο μπετόν 0.55 Πάγος ωκεανών Φρέσκο χιόνι Ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία, Ir Σε μία κεκλιμένη επιφάνεια ένα τμήμα της ηλιακής ακτινοβολίας είναι πιθανό να προέρχεται από ανάκλαση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας από διάφορα γειτονικά αντικείμενα ή από το έδαφος. Η τοπογραφία του χώρου και ο συντελεστής ανάκλασης των επιφανειών δίνει σημαντικές πληροφορίες στη γνώση της ανακλώμενης ακτινοβολίας. Μας ενδιαφέρει το ποσοστό της που φθάνει τελικά στην επιφάνεια που μελετούμε. Ο δείκτης R b Ο δείκτης R b δίνει το λόγο της άμεσης ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μια κεκλιμένη επιφάνεια προς την άμεση ακτινοβολία που προσπίπτει σε μια οριζόντια επιφάνεια: R b = cos θ cos θ z Ολική ακτινοβολία (G) ονομάζεται το άθροισμα της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. 16

25 Η πιο συχνή μέτρηση ηλιακής ακτινοβολίας είναι η ολική ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια όπου ισχύει I = I b + I d ή αλλιώς G = G b + G d = G n cos θ z + G d, όπου G n η κάθετη ακτινοβολία. Η ηλιακή ακτινοβολία από την πηγή της μέχρι και τα όρια της ατμόσφαιρας έχει ελάχιστες απώλειες. Με την είσοδο της όμως στην ατμόσφαιρα σημειώνονται σημαντικές απώλειες στην ένταση της. Κατά τη διάρκεια της ημέρας υπάρχει πάντα ένα ποσοστό διάχυτης ακτινοβολίας. Σε ημέρες που η ατμόσφαιρα είναι καθαρή το ποσοστό αυτό είναι μικρό και προκαλείται από τα μόρια του αέρα ή άλλα σωματίδια και αέρια που περιέχονται στην ατμόσφαιρα. Τα νέφη προκαλούν μεγαλύτερες απώλειες, αντανακλώντας και απορροφώντας την ηλιακή ακτινοβολία ενώ στην πλήρη νέφωση δεν υπάρχει άμεση ακτινοβολία και η διάχυτη που φτάνει στην επιφάνεια της Γης ισούται με την ολική. 17

26 Εικόνα 16: Άμεση και διάχυτη ακτινοβολία (10) Το πρόβλημα της τρύπας του όζοντος, η οποία επιτρέπει την είσοδο υψηλότερων ποσοστών ηλιακής ενέργειας στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και ιδιαίτερα της υπεριώδους ακτινοβολίας έχει σαν αποτέλεσμα την παγίδευση της θερμότητας στην τροπόσφαιρα, το πρώτο από της επιφάνειας της γης στρώμα της ατμόσφαιρας, και πιθανώς την αύξηση της θερμοκρασίας του κατώτερου στρώματος της ατμόσφαιρας παράλληλα με τη μείωση της στα ανώτερα στρώματα. Ανάλογα με την περίοδο του έτους διαφοροποιείται σημαντικά η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας καθώς επίσης και η διάρκεια της ημέρας. Για παράδειγμα η μέγιστη ένταση της 18

27 ολικής ακτινοβολίας τον Ιούνιο είναι σχεδόν 3,5 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του Δεκέμβρη. Η ένταση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας παίρνει μέγιστη τιμή όταν θ = 0 δηλαδή όταν η επιφάνεια βρίσκεται κάθετα στις ακτίνες του Ηλίου. Η άμεση ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα οριζόντιο επίπεδο υπολογίζεται από τη σχέση: Ι b = I bn sin a = I bn cos θ z Και παίρνει μέγιστη τιμή όταν α = 90 και για θ z =0, όταν δηλαδή η επιφάνεια βρίσκεται κάθετα στις ακτίνες του ήλιου. Σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή (μεταξύ ανατολής και δύσης ), η ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο στα όρια της ατμόσφαιρας δίνεται από τη σχέση G o = G sc E o cos θ z = G sc E o (sin φ sin δ + cos φ cos δ cos ω) W m 2 Όπου θ z η ζενιθιακή γωνία, φ το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής, δ η ηλιακή απόκλιση και ω η ωραία γωνία. Ολοκληρώνοντας τις στιγμιαίες τιμές (G o) για μία περίοδο από την ανατολή ως τη δύση, μπορούμε να υπολογίσουμε την ημερήσια τιμή της ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο στο όριο της ατμόσφαιρας (Η ο) σε [J/m 2 ] χρησιμοποιώντας τη σχέση Η ο = ( G sc π Όπου ω ss η ωριαία γωνία δύσης του ήλιου. ) Ε ο [cos φ cos δ sin ω ss + 2πω ss sin φ sin δ ] 360 Για να υπολογιστεί η ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο στο όριο της ατμόσφαιρας για μία χρονική περίοδο που ορίζεται μεταξύ των δύο ωριαίων γωνιών ω 1 και ω ς (ω ς > ω 1) [J/m 2 ], ολοκληρώνεται η σχέση για τον υπολογισμό της G o για τη διάρκεια της συγκεκριμένης περιόδου Ι ο = ( G sc ) Ε π ο [cos φ cos δ (sin ω 2 sin ω 1 ) + 2π(ω 2 ω 1 ) sin φ sin δ 360 Παρόμοια για μία επιφάνεια με κλίση β, έχουμε ότι η ακτινοβολία στο όριο της ατμόσφαιρας για μία χρονική περίοδο μίας ώρας σε [J/m 2 ] Ι οβ = 3600 G sc E o [sin δ sin(φ β) + cos δ cos(φ β) cos ω μ ] Όπου ω μ η ωριαία γωνία στο μέσο της ωριαίας περιόδου. Ολοκληρώνοντας την πιο πάνω σχέση μεταξύ ανατολής και δύσης, υπολογίζεται η αντίστοιχη ημερήσια ακτινοβολία Η οβ = ( G sc ) Ε π ο [ π 180 Ω ss sin δ sin(φ β) + cos δ cos(φ β) cos Ω ss ] Όπου Ω ss = min{ω ss, cos 1 [tan δ tan(φ β)]} σε μοίρες. 19

28 Αντίστοιχα για μία επιφάνεια με αζιμούθιο γ, η ωριαία ακτινοβολία υπολογίζεται από τη σχέση: Ι οβγ = 3600G sc E o [(sin φ cos β cos φ sin β cos γ) sin δ + (cos φ cos β + sin φ sin β cos γ) cos δ cos ω μ + cos δ sin β sin γ sin ω μ Και η ημερήσια ακτινοβολία από τη σχέση: Η οβγ = ( G sc π ) Ε π ο [cos β sin δ sin φ ω ss ω sr 180 π sin δ cos φ sin β cos γ ω ss ω sr cos φ cos δ cos β sin ω ss sin ω sr + cos δ cos γ sin φ sin β sin ω ss sin ω sr + cos δ sin β sin γ cos ω ss cos ω sr ] 1.4 Όργανα μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης Ο πιο άμεσος τρόπος συλλογής δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας είναι η μέτρηση της μέσω ηλιακών οργάνων. Η αρχή λειτουργίας των οργάνων αυτών βασίζεται σε φυσικά φαινόμενα. Κατηγοριοποιούνται στους θερμικούς αισθητήρες, των οποίων η ένδειξη οφείλεται στη θέρμανση της φωτιζόμενης (μαύρης) επιφάνειας, μιας πλάκας από ορισμένο υλικό και της αισθητήρες ηλεκτρονικής διέγερσης, των οποίων η μέτρηση οφείλεται στις ενεργειακές μεταβάσεις των ηλεκτρονίων του υλικού, κατά την απορρόφηση φωτονίων Θερμικοί ανιχνευτές (Thermal detectors) Για μεγαλύτερη ευαισθησία των θερμικών αισθητήρων, φροντίζουμε η μάζα της πλάκας που απορροφά την ακτινοβολία να είναι μικρή, ώστε μικρά ποσά απορροφημένης ενέργειας να προκαλούν μεγάλη μεταβολή στη θερμοκρασία της. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι θερμικοί ανιχνευτές είναι Το πυρηλιόμετρο για την άμεση ακτινοβολία και Το πυρανόμετρο που μετράει την ένταση της ολική ή της διάχυτης ηλιακή ακτινοβολίας σε μια επίπεδη επιφάνεια. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν επίσης και ο πυροηλεκτρικός κρύσταλλος και τα βολόμετρα (μεταξύ των οποίων και το thermistor). (1) (11) (12) Πυρηλιόμετρο Εικόνα 17: Πυρηλιόμετρο (13) 20

29 Πρόκειται για ακτινόμετρο όπως καλούνται τα όργανα μέτρησης της ολικής, της άμεσης και της διάχυτης συνιστώσας της ηλιακής ακτινοβολίας, σε διάφορες φασματικές περιοχές. Το πυρηλιόμετρο μετρά την ένταση της άμεσης ακτινοβολίας σε επίπεδο κάθετο στη διεύθυνση Γης Ήλιου, δηλαδή μετράει την G bn. Το κύριο χαρακτηριστικό του οργάνου είναι ένας σωλήνας με άνοιγμα στην μία πλευρά του περίπου 5 ο όσο χρειάζεται για να περιορίσει το οπτικό πεδίο στον ηλιακό δίσκο, επιτρέποντας μόνο την άμεση ακτινοβολία να φτάσει στον αισθητήρα ο οποίος βρίσκεται στην βάση, στο άλλο άκρο του σωλήνα. Το άνοιγμα του σωλήνα σφραγίζεται με πλαστικό διαφανές κάλυμμα. Το όργανο τοποθετείται σε μία βάση που περιλαμβάνει μηχανισμό που το κινεί ώστε να στοχεύει συνεχώς προς τον Ήλιο. Ο σωλήνας είναι εσωτερικά βαμμένος μαύρος έτσι ώστε να απορροφάται πριν φτάσει στο αισθητήριο του οργάνου η τυχόν διάχυτη ακτινοβολία που μπορεί να εισέρθει στον σωλήνα. Ο αισθητήρας είναι μια θερμοστήλη που αποτελείται από πολλαπλές επαφές (συνδέσεις) από κράματα χαλκού νικελίου και μαγγανίτη. Όταν οι επαφές είναι σε διαφορετικές θερμοκρασίες, δηλαδή θερμές επαφές εξ αιτίας της απορρόφησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας από τις μεταλλικές επιφάνειες του αισθητήρα και ψυχρές επαφές που βρίσκονται απομονωμένες, αναπτύσσεται μία ηλεκτρομαγνητική δύναμη που είναι ανάλογη της θερμοκρασιακής διαφοράς και εξαρτάται από το είδος του μετάλλου. Η έξοδος του οργάνου είναι διαφορά δυναμικού της τάξης των mv, έτσι ώστε αφού το όργανο έχει κατάλληλα βαθμονομηθεί, το ηλεκτρικό σήμα του οργάνου μπορεί να μετατραπεί σε ένταση της μετρούμενης άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Τα πυρηλιόμετρα μετρούν την άμεση συνιστώσα όλου του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας ή την ακτινοβολία σε μεγάλες περιοχές με τη χρήση φίλτρων. Οι πλέον συνηθισμένοι τύποι οργάνων που κυκλοφορούν στην αγορά είναι το πυρηλιόμετρο Eppley κάθετης πρόσπτωσης, το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως στην Βόρεια Αμερική και το ακτινόμετρο Kipp και Zonen που χρησιμοποιείται κυρίως σε Ευρώπη, Αφρική και Ασία. Εικόνα 18: Δομή πυρηλιόμετρου (10) 21

30 Πυρανόμετρο Είναι ένα ακτινόμετρο το οποίο μετρά όλο το φάσμα της ολικής (άμεσης και διάχυτης) ή της διάχυτης (με μικρές παρεμβάσεις) ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω σε μία οριζόντια η κεκλιμένη επιφάνεια. Για την μέτρηση της ολικής ακτινοβολίας, ανάλογα με την κλίση και τον προσανατολισμό της τοποθέτησης του οργάνου γίνεται και η αντίστοιχη μέτρηση της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο συγκεκριμένο επίπεδο. Στην περίπτωση μέτρησης μόνο της διάχυτης ακτινοβολίας χρησιμοποιείται πυρανόμετρο με σύστημα σκίασης (στεφάνη ή δίσκο) αφού με τη σκίαση του αισθητήρα αποκόπτεται η άμεση ακτινοβολία. Η στεφάνη πρέπει περιοδικά να ρυθμίζεται αφού αλλάζει το ηλιακό ύψος. Εικόνα 19: πυρανόμετρο για μέτρηση διάχυτης ακτινοβολίας (14) Η αρχή λειτουργίας του πυρανομέτρου είναι παρόμοια με αυτή του πυρηλιομέτρου και βασίζεται στο φαινόμενο του θερμοηλεκτρισμου, με τη διαφορά πως δεν αποκόπτεται η διάχυτη ακτινοβολία οπότε ο αισθητήρας του έχει οπτικό πεδίο 180. Αποτελείται από δύο πλάκες και ένα μεγάλο αριθμό θερμοηλεκτρικών ζευγών και μετράει την ολική ηλιακή ακτινοβολία με μήκος κύματος λ 0,3 έως 3 μm. Η πάνω πλάκα στην οποία προσπίπτει η ακτινοβολία έχει με το μαύρο χρώμα, θερμαίνεται ενώ η πλάκα που βρίσκεται στο εσωτερικό παραμένει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και αποτελεί το σώμα με θερμοκρασία αναφοράς. Έτσι, δημιουργείται διαφορά θερμοκρασιών μεταξύ τους που μεταφράζεται σε διαφορά δυναμικού της τάξης των mv. Η ακρίβεια των οργάνων αυτών πρώτης τάξης είναι ±1%. Η επιφάνεια του αισθητήρα καλύπτεται με δύο ομόκεντρους διαφανείς κρυστάλλινους θόλους για να προστατεύεται από τις εξωτερικές συνθήκες, την υγρασία και την ψύξη λόγω αέριων ρευμάτων. Μεταξύ των δύο θόλων υπάρχει κενό έτσι ώστε να μειώνονται ακόμη περισσότερο οι θερμικές απώλειες του αισθητήρα. Υπάρχουν πολλοί κατασκευαστές πυρανομέτρων. Τα πιο διαδεδομένα είναι αυτά που κατασκευάζονται στα εργαστήρια Eppley στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, τα Kipp και Zonen πυρανόμετρα που κατασκευάζονται στην Ολλανδία, και τα χαμηλότερου κόστους Li- Cor φωτοβολταϊκά πυρανόμετρα (αισθητήρας από φωτοβολταϊκό στοιχείο) τα οποία έχουν πιο άμεση απόκριση σε μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας αλλά μικρότερη ακρίβεια μέτρησης. Η μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας μπορούν να γίνουν και για συγκεκριμένα φάσματα με τη χρήση φασματικών φίλτρων τα οποία τοποθετούνται στα όργανα μέτρησης (στο κάλυμμα του πυρηλιομέτρου και στον προστατευτικό θόλο του πυρανομέτρου). 22

31 Εικόνα 20: Πυρανόμετρο (15) Πυροηλεκτρικός κρύσταλλος Η αρχή λειτουργίας βασίζεται πυροηλεκτρικό φαινόμενο, δηλαδή στην ικανότητα ορισμένων διηλεκτρικών υλικών που ονομάζονται πυροηλεκτρικά να παράγουν προσωρινή τάση όταν θερμαίνονται ή κρυώνουν. Η αλλαγή θερμοκρασίας αλλάζει τη θέση των ατόμων ελαφρά μέσα στην κρυσταλλική δομή με αποτέλεσμα την πόλωση και την εμφάνιση διαφοράς δυναμικού. Χαρακτηρίζεται από σταθερή απόκριση (Ampere/Watt), σε ευρεία περιοχή μηκών κύματος, δηλαδή, απόκριση ανεξάρτητη του μήκους κύματος, λ κι αυτό τον καθιστά ιδανικό για καταγραφή φασμάτων, στην περιοχή ευαισθησίας του. Βολόμετρα Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης της υλικού, λόγω απορρόφησης της ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Για αυξημένη απόκριση του αισθητήρα, το υλικό του πρέπει να χαρακτηρίζεται από υψηλό συντελεστή απορρόφησης της ακτινοβολίας, σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων και μικρή θερμοχωρητικότητα. Κατασκευάζονται από ποικιλία υλικών, τόσο σε στοιχειακή (π.χ Si, Ge, Bi, Au) όσο και σε σύνθετη μορφή (Bi σε συνδυασμό με ίνες από νάυλον, Ge με προσμίξεις και ίνες νάυλον). Μια πολύ σημαντική κατηγορία βολομέτρων είναι θερμίστορς των οποίων τα υλικά είναι μεταλλικά οξείδια Αισθητήρες ηλεκτρονικής διέγερσης (Quantum detectors) Η αρχή λειτουργίας της βασίζεται είτε στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, είτε στη φωτοαγωγιμότητα του υλικού. Αισθητήρες που βασίζονται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Όταν σε μία αγώγιμη επιφάνεια, την κάθοδο, προσπίπτουν φωτόνια με αρκετή ενέργεια ώστε τα ηλεκτρόνια του αγωγού να καταφέρουν να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικού, 23

32 εκπέμπονται ηλεκτρόνια που συλλέγονται στην άνοδο. Το ρεύμα που προκύπτει μετράται και δίνει μια εκτίμηση της προσπίπτουσα ακτινοβολίας. Οι φωτοδίοδοι κενού (16) Εικόνα 21: Φωτοδίοδος κενού (16) Οι φωτοδίοδος κενού είναι μια διάταξη όπου όλα τα μέρη της βρίσκονται σε κενό. Αποτελείται από μια κάθοδο, έναν μεταλλικό δίσκο που εκπέμπει ηλεκτρόνια όταν προσπίπτει σε αυτόν η ηλιακή ακτινοβολία και άνοδο, έναν μεταλλικό κύλινδρο ομοαξονικό με την κάθοδο, όπου αυτά συλλέγονται με αποτέλεσμα την παραγωγή ρεύματος. Οι φωτοδίοδοι έχουν εξαιρετικά μικρό χρόνο απόκρισης μιας και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι σχεδόν στιγμιαίο. Ο φωτοπολλαπλασιαστής (17) Ο φωτοπολλαπλασιαστής είναι ένας ευαίσθητος ανιχνευτής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, σε ένα ευρύ φάσμα μήκων κύματος, από το υπεριώδες έως και το υπέρυθρο Τα βασικά μέρη του φωτοπολλαπλασιστή τα οποία βρίσκονται σε ένα περίβλημα κενού αέρος είναι η κάθοδος πάνω στην οποία μετατρέπεται η ροή φωτονίων σε ροή ηλεκτρονίων, ο πολλαπλασιαστής ηλεκτρονίων που αποτελείται από μία αλληλουχία από ηλεκτρόδια (δύνοδοι) πάνω στα οποία γίνεται δευτερεύουσα εκπομπή ηλεκτρονίων και η άνοδος που συλλέγει την ροή των ηλεκτρονίων του πολλαπλασιαστή και παρέχει το σήμα εξόδου. Τα κύρια πλεονεκτήματα του φωτοπολλαπλασιαστή ως προς τα άλλα όργανα ανίχνευσης και μέτρησης φωτός είναι η ικανότητά του να ανιχνεύει, καλύπτοντας μεγάλες επιφάνειες, πολύ χαμηλές εντάσεις φωτός, που φθάνουν μέχρι και την ανίχνευση μεμονωμένων φωτονίων, και να ενισχύει σημαντικά το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγει, με εξαιρετική ταχύτητα. Είναι επίσης σχετικά μικρός σε μέγεθος, αρκετά ανθεκτικός κάτω από αντίξοες συνθήκες λειτουργίας, και εύκολα ελεγχόμενος ως ηλεκτρονική διάταξη. Εικόνα 22: Φωτοπολλαπλασιαστής (18) 24

33 Κατηγορία αισθητήρων που βασίζονται στη φωτοαγωγιμότητα του υλικού (19) Βασίζονται στην αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού ως συνέπεια της έκθεσης του σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που ανήκει στο φάσμα της ορατής της υπεριώδους, της υπέρυθρης και της ακτινοβολίας γ. Χωρίζουμε 3 τύπους φωτοαγωγιμότητας: Την ενδογενή, την εξωγενή και την φωτοβολταϊκή αγωγιμότητα. Η ενδογενής εμφανίζεται κυρίως στις περιπτώσεις των ενδογενών ημιαγωγών, που δεν περιέχουν δηλαδή προσμίξεις π.χ. γερμανίου ή πυριτίου, όταν κάποιο φωτόνιο προκαλεί μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας με μια ταυτόχρονη δημιουργία οπής. Συνεπώς σε αυτού του είδους την φωτοαγωγιμότητα κύριος παράγοντας εμφάνισης της είναι η ύπαρξη ελεύθερων ηλεκτρονίων. Η εξωγενής φωτοαγωγιμότητα είναι ένας μηχανισμός ανάλογος της ενδογενούς με τη διαφορά ότι παρατηρείται σε ημιαγωγούς που φέρουν προσμίξεις έτσι ώστε να κατέχουν θέση δότη και δέκτη ηλεκτρονίων μέσα στην ζώνη ενεργειακού κενού που βρίσκεται ανάμεσα στις ζώνες σθένους και αγωγιμότητας. Σε αυτήν την περίπτωση μπορεί το φωτόνιο να έχει και μικρότερη ενέργεια από την απαιτούμενη στην ενδογενή. Η φωτοβολταϊκή αγωγιμότητα βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο με συνέπεια να μην απαιτεί επίδραση εξωτερικής διαφοράς δυναμικού, σε αντίθεση με τις δύο προηγούμενες που θεωρείται αναγκαία, έστω και μικρή. Φωτοαντιστάσεις Η φωτοαντίσταση (LDR - Light Dependent Resistor) είναι αισθητήριο μέτρησης της φωτεινής ακτινοβολίας του οποίου η αντίσταση μεταβάλλεται αντίστροφα με την προσπίπτουσα ακτινοβολία (αυξάνεται η ηλεκτρική αγωγιμότητα του ημιαγωγού άρα μειώνεται η αντίστασή του). Κατασκευάζεται από ημιαγωγό με μεγάλη αντίσταση από εκατοντάδες Ω έως μερικά ΜΩ και μπορεί να είναι ενδογενείς ή με προσμείξεις ημιαγωγοί. Φωτοδίοδος ημιαγωγών (20) (21) Οι φωτοδίοδοι είναι δίοδοι ανάστροφα πολωμένες όπου το ανάστροφο ρεύμα τους αυξάνεται με την οπτική έγχυση. Υπάρχει ένα διαφανές περίβλημα στην επαφή P-N, έτσι ώστε να εισέρχεται το φως στην δίοδο. Στην ανάστροφη πόλωση της διόδου και όταν υπάρχει απόλυτο σκοτάδι κυκλοφορεί ένα πολύ μικρό ρεύμα μέσα από την δίοδο το οποίο ονομάζεται ρεύμα σκότους. Το ρεύμα αυτό είναι της τάξεως των μα και όσο αυξάνεται η ένταση του φωτός στην δίοδο, έχουμε γραμμική αύξηση του ρεύματος, η οποία εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός καθώς και από την ένταση της φωτεινής ροής πάνω στην δίοδο. Στην περίπτωση των φωτοδιόδων, μικρότεροι χρόνοι απόκρισης επιτυγχάνονται με μικρότερες επιφάνειες διάχυσης, άρα η επιφάνεια τους είναι μικρή, συνήθως της τάξης των mm 2. Φασματογράφος (22) Φασματογράφος ονομάζεται η διάταξη με την οποία το φως αναλύεται σε συχνοτικό φάσμα και καταγράφεται με τη χρήση κάμερας. Υπάρχουν διαφόρων ειδών όργανα που διαφέρουν ανάλογα με το είδος του κύματος που πρόκειται να αναλύσουν. Η ανάλυση γίνεται είτε με τη χρήση πρίσματος ή οπτικών φραγμάτων (ανάκλασης ή διέλευσης) Φασματοραδιόμετρο -Φασματοφωτόμετρο Είναι ένα φασματοσκόπιο που έχει τη δυνατότητα να μετρά και να καταγράφει ένταση και άλλες ιδιότητες συγκεκριμένων μηκών κύματος της φωτεινής ακτινοβολίας. Ο χρόνος καταγραφής του ηλιακού φάσματος είναι 1-2 min. Στο σημείο εισόδου το φασματογράφου 25

34 τοποθετείται μια «σφαίρα ολοκλήρωσης», προκειμένου η προσπίπτουσα ακτινοβολία να καταγράφεται ανεξάρτητα από τη γωνία πρόσπτωσης Μέτρηση διάρκειας ηλιοφάνειας Η διάρκεια της ηλιοφάνειας έχει οριστεί από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Μετεωρολογίας ως ο συνολικός χρόνος στη διάρκεια μιας μέρας κατά τον οποίο η άμεση ακτινοβολία είναι μεγαλύτερη από όριο των 120W/m 2. Πρακτικά, δύο είναι οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρηση της διάρκειας της ηλιοφάνειας. Η μέθοδος της καιγόμενης κάρτας και η πυρανομετρική μέθοδος. Η μέθοδος της καιγόμενης κάρτας βασίζεται στον ηλιογράφο των Campbell Stokes του οποίου η βασική δομή αποτελείται από μια γυάλινη σφαίρα τοποθετημένη σε μικρή απόσταση από ένα ομόκεντρο κυρτό μεταλλικό στέλεχος. Το σύστημα ρυθμίζεται ώστε ο άξονας της σφαίρας να συμπίπτει με το τοπικό γεωγραφικό πλάτος. Στο μεταλλικό στέλεχος, βρίσκεται η καταγραφική κάρτα. Η γυάλινη σφαίρα εστιάζει στην άμεση ακτινοβολία του Ήλιου πάνω στην καταγραφική κάρτα, αφήνοντας ένα ίχνος καψίματος όποτε προσπίπτει ηλιακή ακτινοβολία. Η θέση και το μήκος του ίχνους δείχνουν την ώρα και τη διάρκεια της ακτινοβόλησης. Σφάλματα και αποκλίσεις της μεθόδου αυτής από την πραγματική ακτινοβολία οφείλονται κυρίως στην εξάρτηση της από τις αρχικές συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας της κάρτας. (23) Η πυρανομετρική μέθοδος αφορά μετρήσεις της ολικής και της διάχυτης ακτινοβολίας. Με αφαίρεση, μπορεί να υπολογιστεί η άμεση ακτινοβολία και να συγκριθεί με τα 120W/m 2 που ορίζει ο Παγκόσμιο Οργανισμό Μετεωρολογίας από τον τύπο ξ(t) = { 1 αν (G G d) cos θ z > 120 W/m 2 0 αλλιώς Όπου ξ είναι μία Boolean μεταβλητή που δείχνει αν η συνιστώσα της άμεσης ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη ή όχι από το όριο των 120 W/m 2. Το σφάλμα της μεθόδου προέρχεται από απόκλιση κατά τη μέτρηση της ολικής και της διάχυτης ακτινοβολίας και μειώνεται με χρήση πυρανομέτρων καλύτερης ποιότητας, ενώ επίσης μεγάλη σημασία στην ακρίβεια της μέτρησης έχει η συχνότητα με την οποία γίνονται οι μετρήσεις. Τουλάχιστον μία μέτρηση ανά λεπτό είναι απαραίτητη ώστε να παρακολουθούνται οι απότομες αλλαγές της ακτινοβολίας. 26

35 1.5 Ηλιακή ακτινοβολία στην Ελλάδα Η Ελλάδα βρίσκεται στην τρίτη ζώνη ώρας (GMT + 2) ανατολικά του Greenwich με γεωγραφικά πλάτη από 35 ως 41 περίπου και γεωγραφικά μήκη από 20 ως 30 περίπου. Εικόνα 23: Μέση ετήσια ακτινοβολία στην Ελλάδα Όπως φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα, το ηλιακό δυναμικό στην Ελλάδα είναι αρκετά ψηλό και κυμαίνεται στα [kwh/(m 2 yr)] σε οριζόντιο επίπεδο ανάλογα και το γεωγραφικό πλάτος και το ανάγλυφο της περιοχής. Η μέγιστη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας παρουσιάζεται όταν το ηλιακό ύψος είναι μέγιστο, δηλαδή της ώρες του μεσημεριού, καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου. Επιπλέον η ενέργεια είναι μεγαλύτερη τη θερινή περίοδο, λόγω της θέσης του ήλιου στον ουράνιο θόλο καθώς επίσης και λόγω της αύξησης των ωρών ακτινοβολίας και της μείωσης των νεφώσεων. (24) 27

36 Η Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία (ΕΜΥ) καταγράφει τις ώρες ανά ημέρα (hr/day) και την ολική και άμεση ακτινοβολία (kwh/m 2 ) για διάφορες περιοχές της χώρας με τοποθέτηση μετεωρολογικών σταθμών σε σωστά επιλεγμένες θέσεις ώστε τα αποτελέσματα να μείνουν αναλλοίωτα από φυσικά εμπόδια. (24) Στους παρακάτω πίνακες φαίνονται για διάφορες περιοχές οι τιμές για την μέση ολική και διάχυτη ακτινοβολία ανά μήνα σε οριζόντιο επίπεδο μετά από επεξεργασία μετρήσεων τουλάχιστον 30 ετών. Για περιοχές για τις οποίες δεν υπάρχουν δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι πλησιέστερες όπου η μορφολογία του εδάφους είναι παρόμοια. Για τον υπολογισμό σε κεκλιμένη επιφάνεια, είναι απαραίτητη η γνώση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο. (24) 28

37 Μέση μηνιαία ολική ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο [kwh/(m 2.mo)] Περιοχή/μήνας ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΙΑ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Αθήνα 63,0 79,0 117,7 154,3 195,4 214,0 222,4 202,7 152,6 109,0 70,7 55,7 (Ελληνικό) Αθήνα 63,3 77,7 118,9 152,7 190,4 207,4 214,5 198,6 156,0 111,1 68,1 54,4 (Φιλαδ/φεια) Αγρίνιο 63,5 78,3 119,4 148,4 189,9 214,1 224,2 200,3 151,3 109,8 69,8 55,1 Αγχίαλος 61,3 74,3 112,5 149,2 189,7 212,7 217,4 195,1 146,8 98,8 63,1 51,5 Αλεξανδρούπολη 50,7 68,9 107,3 141,8 182,8 205,8 211,6 192,3 144,2 99,4 57,8 43,7 Αλίαρτος 51,0 70,0 114,0 158,0 206,0 216,0 220,0 204,0 153,0 102,0 66,0 49,0 Ανδραβίδα 68,4 83,4 128,4 159,5 200,2 220,6 228,4 205,5 156,1 115,6 75,2 60,1 Άραξος 62,6 78,6 119,7 155,6 196,1 210,9 217,8 197,6 152,4 110,2 69,4 54,6 Άργος (Πυργέλα) 68,7 83,6 127,7 159,5 202,5 220,6 229,0 206,4 157,2 115,5 74,8 59,2 Αργοστόλι 65,0 80,0 124,9 157,3 204,3 219,4 226,1 203,1 155,6 112,6 72,6 56,1 Ζάκυνθος 64,2 77,6 110,1 158,8 190,8 200,1 218,5 203,8 154,0 104,3 65,4 52,8 Άρτα 65,5 79,7 120,4 149,1 190,2 211,2 218,1 196,4 150,6 110,0 69,5 56,2 Ηράκλειο 65,6 81,6 125,0 166,5 207,3 222,4 227,1 207,0 163,0 117,3 78,6 61,2 Θεσ/νίκη 52,6 67,5 103,2 140,7 179,1 198,6 209,5 184,7 136,7 91,4 56,6 45,5 Ιεράπετρα 73,0 89,0 137,0 174,0 210,0 220,0 224,0 205,0 165,0 125,0 89,0 69,0 Ιωάννινα 51,8 66,4 105,2 134,9 178,3 202,1 212,0 190,3 136,5 96,1 57,6 45,1 Καλαμάτα 68,2 82,3 126,1 156,2 198,7 216,0 222,0 200,9 154,9 114,5 75,2 59,3 Καστοριά 57,6 71,3 111,2 141,1 173,6 201,8 206,3 185,5 138,5 97,0 60,0 47,7 Κέρκυρα 57,7 73,5 116,7 149,9 195,4 213,6 221,0 197,8 148,2 103,1 64,4 50,7 Κομοτηνή 50,0 65,0 105,0 145,0 188,0 209,0 215,0 193,0 145,0 99,0 58,0 45,0 Κόνιτσα 53,0 65,0 112,0 138,0 190,0 200,0 216,0 194,0 141,0 99,0 63,0 50,0 Κόρινθος (Βέλο) 65,4 82,8 123,4 157,9 201,7 218,3 223,2 201,9 154,2 111,9 72,0 55,2 Κύθηρα 68,0 81,0 127,0 161,0 210,0 220,0 223,0 204,0 160,0 117,0 78,0 60,0 Λαμία 59,4 73,1 113,9 150,5 188,8 210,3 214,1 193,4 145,5 100,3 65,3 52,1 Λάρισα 55,1 71,4 112,1 151,1 190,9 210,8 215,8 194,3 145,9 97,8 61,2 47,8 Λήμνος 51,1 69,6 112,3 154,3 199,5 215,3 220,9 198,5 150,8 104,6 61,3 46,0 Μεθώνη 62,0 78,0 125,0 155,0 207,0 215,0 220,0 199,0 157,0 116,0 77,0 57,0 Μήλος 56,0 67,0 120,0 175,0 213,0 223,0 226,0 205,0 164,0 112,0 77,0 52,0 Μυτιλήνη 52,0 70,0 113,0 156,0 209,0 219,0 223,0 201,0 156,0 109,0 67,0 50,0 Νάξος 60,3 77,0 122,6 161,2 204,7 220,4 224,5 204,8 159,1 115,9 73,7 55,6 Πάρος 60,0 80,0 125,0 168,0 211,0 220,0 223,0 202,0 160,0 117,0 75,0 58,0 Πάτρα 55,0 72,0 124,0 147,0 200,0 215,0 218,0 197,0 153,0 107,0 66,0 53,0 Πύργος 68,4 83,1 127,5 157,9 200,4 215,6 223,8 202,1 155,0 115,9 75,5 59,3 Ρέθυμνο 62,0 81,0 119,0 164,0 211,0 218,0 223,0 204,0 160,0 106,0 81,0 58,0 Ρόδος 69,9 85,1 130,8 164,0 203,0 217,2 225,1 204,3 158,9 120,2 79,2 61,2 Σάμος 64,9 82,1 126,7 162,5 206,8 224,9 230,6 209,6 163,7 120,5 78,6 58,5 Σέρρες 50,8 68,0 105,7 141,0 180,5 202,8 209,7 187,7 140,8 94,7 56,5 43,7 Σητεία 66,5 83,0 128,4 165,2 207,4 223,2 227,1 207,5 163,7 119,3 80,4 61,9 Σκύρος 51,2 69,1 109,9 153,3 197,2 214,2 219,7 198,8 151,7 102,5 62,9 47,7 Σούδα 65,0 81,7 130,7 166,5 208,5 221,9 228,5 209,3 163,6 116,3 76,8 60,3 Σύρος 58,0 80,0 121,0 172,0 212,0 219,0 225,0 204,0 160,0 199,0 74,0 57,0 Τανάγρα 59,1 74,2 112,7 151,9 194,0 215,4 222,0 201,3 153,1 104,5 64,7 51,2 Τρίκαλα 57,3 72,2 105,6 140,2 178,0 202,9 206,4 185,8 138,6 94,0 59,7 49,1 (Ημαθίας) Τυμπάκιο 73,4 90,5 137,5 169,0 207,8 222,9 228,7 209,8 166,3 127,2 85,9 67,7 Χανιά 62,0 80,0 124,0 167,0 212,0 220,0 225,0 205,0 161,0 111,0 78,0 59,0 Χίος 55,0 72,0 119,0 161,0 210,0 220,0 225,0 203,0 159,0 116,0 71,0 53,0 29

38 Μέση μηνιαία διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο [kwh/(m 2.mo)]. Περιοχή/μήνας ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΙΑ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Αθήνα, Ελληνικό 25,1 32,2 50,3 65,7 81,9 85,5 85,3 73,7 55,5 40,1 26,5 22,0 Αθήνα 25,1 32,0 50,4 65,6 81,8 85,5 85,2 73,7 55,5 40,1 26,3 21,8 (Φιλαδέλφεια) Αγρίνιο 24,6 31,7 50,0 65,2 81,9 85,8 85,5 73,6 55,1 39,5 25,9 21,4 Αγχίαλος 23,9 30,9 49,1 65,1 82,1 86,1 85,7 73,5 54,7 38,5 24,8 20,5 Αλεξανδρούπολη 21,4 29,1 47,5 64,2 82,2 86,8 86,2 73,2 53,6 37,1 23,0 18,3 Αλίαρτος 23,1 31,0 49,8 65,7 82,2 85,7 85,4 73,7 55,3 39,4 25,8 20,8 Ανδραβίδα 25,6 32,6 51,0 65,9 82,0 85,6 85,3 73,8 55,6 40,4 26,8 22,4 Άραξος 24,9 32,1 50,4 65,7 82,0 85,6 85,3 73,7 55,4 40,0 26,3 21,7 Άργος (Πυργέλα) 25,9 32,9 51,2 66,0 82,0 85,4 85,2 73,8 55,8 40,6 27,1 22,6 Αργοστόλι 25,1 32,1 50,6 65,8 82,1 85,7 85,4 73,7 55,4 40,0 26,4 21,8 Άρτα 24,3 31,4 49,7 65,1 82,1 86,1 85,6 73,5 54,8 39,1 25,4 21,0 Ζάκυνθος 25,4 32,2 49,8 65,9 81,8 85,3 85,2 73,8 55,7 40,1 26,3 21,8 Ηράκλειο 27,6 34,4 52,6 66,8 81,5 84,3 84,3 74,1 57,2 42,8 29,4 24,8 Θεσσαλονίκη 21,8 29,2 47,3 64,2 82,0 86,6 86,1 73,1 53,6 36,9 23,1 18,7 Ιεράπετρα 28,6 35,3 53,4 67,1 81,5 84,1 84,2 74,1 57,4 43,3 30,2 25,8 Ιωάννινα 22,4 29,6 48,1 64,0 81,8 86,2 85,8 73,4 54,1 38,0 23,9 19,3 Καλαμάτα 26,4 33,2 51,5 66,0 81,8 85,1 84,9 73,8 56,1 41,1 27,6 23,1 Καστοριά 22,5 29,7 48,1 64,3 81,7 86,6 86,0 73,2 53,7 37,4 23,5 19,1 Κέρκυρα 23,2 30,5 49,1 65,0 82,3 86,3 85,8 73,5 54,4 38,4 24,6 20,1 Κομοτηνή 21,1 28,5 47,1 64,3 82,4 87,0 86,3 73,2 53,4 36,8 22,8 18,2 Κόνιτσα 22,3 29,2 48,5 64,2 82,2 86,4 85,9 73,3 54,0 37,8 24,1 19,7 Κόρινθος (Βέλο) 25,4 32,5 50,7 65,9 82,0 85,5 85,3 73,7 55,6 40,2 26,6 22,0 Κύθηρα 27,1 33,7 52,1 66,4 81,8 84,7 84,6 73,9 56,7 41,9 28,5 23,9 Λαμία 24,0 31,0 49,4 65,3 82,0 85,9 85,5 73,5 54,8 38,9 25,3 20,8 Λάρισα 22,9 30,3 48,8 65,1 82,2 86,3 85,8 73,4 54,4 38,1 24,3 19,7 Λήμνος 22,1 29,9 48,6 65,1 82,4 86,5 85,9 73,4 54,3 38,2 24,1 19,3 Μεθώνη 23,4 30,7 49,4 65,2 82,5 86,4 85,9 73,4 54,4 38,5 25,0 20,5 Μήλος 25,1 31,6 51,3 66,6 81,9 85,0 84,9 73,9 56,4 41,3 28,0 22,5 Μυτιλήνη 22,8 30,5 49,2 65,4 82,3 86,1 85,7 73,6 54,9 39,1 25,3 20,4 Νάξος 25,5 32,7 51,3 66,2 81,9 85,2 85,0 73,9 56,1 41,1 27,5 22,7 Πάρος 25,5 33,0 51,4 66,4 82,0 85,1 84,9 73,8 56,2 41,2 27,6 23,0 Πάτρα 23,9 31,3 50,5 65,3 82,1 85,7 85,3 73,6 55,4 39,8 25,9 21,5 Πύργος 25,8 32,7 51,1 65,9 82,0 85,4 85,2 73,8 55,7 40,6 27,0 22,6 Ρέθυμνο 27,1 34,4 52,1 66,8 81,6 84,3 84,3 74,0 57,2 42,2 29,5 24,4 Ρόδος 27,1 33,9 52,2 66,5 81,7 84,8 84,7 73,9 56,6 41,9 28,5 23,9 Σάμος 25,5 32,6 51,0 66,1 82,0 85,5 85,3 73,9 55,8 40,6 27,1 22,5 Σέρρες 21,2 28,9 47,2 64,1 82,1 86,9 86,2 73,1 53,4 36,7 22,7 18,1 Σητεία 27,8 34,7 52,9 66,8 81,5 84,2 84,3 74,1 57,3 43,0 29,6 25,0 Σκύρος 22,8 30,5 49,1 65,4 82,1 86,0 85,6 73,6 54,9 39,0 25,1 20,3 Σούδα 27,4 34,3 52,8 66,8 81,6 84,4 84,4 74,1 57,1 42,6 29,1 24,5 Σύρος 24,9 32,7 50,9 66,3 82,0 85,3 85,1 73,8 55,9 51,9 27,2 22,6 Τανάγρα 24,4 31,5 49,7 65,5 82,0 85,7 85,4 73,7 55,3 39,6 25,7 21,2 Τρίκαλα Ημαθίας 22,3 29,6 47,5 64,2 81,9 86,7 86,0 73,2 53,6 37,1 23,4 19,1 Τρίπολη 25,8 32,5 50,8 65,7 81,6 85,3 85,0 73,7 55,8 40,6 27,0 22,7 Τυμπάκιο 28,7 35,4 53,4 67,0 81,5 84,1 84,2 74,1 57,5 43,3 30,1 25,7 Χανιά 27,0 34,2 52,4 66,8 81,6 84,4 84,4 74,0 57,1 42,4 29,2 24,4 Χίος 23,8 31,2 50,2 65,8 82,2 85,8 85,4 73,7 55,4 39,9 26,2 21,4 30

39 2. ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 2.1 Εισαγωγή Σύμφωνα με το World Energy Outlook, το ετήσιο δημοσίευμα της Διεθνούς Υπηρεσίας Ενέργειας (International Energy Agency, IEA), η παγκόσμια ζήτηση ενέργειας αναμένεται να αυξηθεί κατά 37% μέχρι το Θεωρείται δε πως για την αύξηση αυτή θα ευθύνονται κυρίως οι χώρες που δεν ανήκουν στον Οργανισμό Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (Ο.Ο.Σ.Α.) (Organization for Economic Co-operation and Development OECD) και κυρίως η Ινδία, η Κίνα, η Αφρική, η Μέση Ανατολή και η Νότια Ασία. Την ίδια στιγμή, στην Ευρωπαϊκή Ένωση γίνονται προσπάθειες για μείωση της χρήσης ενέργειας κατά 15% μέχρι το 2040, στην Ιαπωνία κατά 12% και στις Ηνωμένες Πολιτείες κατά 3%. Στην διάσκεψη του ΟΗΕ για το κλήμα COP21 που πραγματοποιήθηκε το 2015, εγκρίθηκε το προσχέδιο της παγκόσμιας συμφωνίας για τον περιορισμό των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα με αύξηση χρήσης των μη ορυκτών καυσίμων από 19% που είναι σήμερα σε 25% ως το 2040, ενώ η χρήση φυσικού αερίου, που έχει τις λιγότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από τα ορυκτά καύσιμα, είναι η μόνη που προβλέπεται να αυξηθεί. Οι κλιματικές αλλαγές που προκαλούνται από τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου λόγω καύσης ορυκτών καυσίμων, καθώς επίσης και η αύξηση λειτουργίας τέτοιων εργοστασίων, κάνουν την χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας απαραίτητη τόσο για να διατηρηθούν οι περιβαλλοντικές αλλαγές σε χαμηλούς ρυθμούς, όσο για να ικανοποιηθούν οι ανάγκες ενεργειακής ζήτησης με ταυτόχρονη διατήρηση ορυκτών αποθεμάτων για το μέλλον. Συγκεκριμένα, οι τεχνολογίες εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας, προβλέπεται να αναπτυχθούν πολύ καθώς ο Ήλιος είναι η πηγή ενέργειας με τις μεγαλύτερες δυνατότητες από τις ανανεώσιμες πηγές. (25) Για τους παραπάνω λόγους, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα αναμένεται να έχει μεγάλη αύξηση στο μέλλον. Σενάρια της Διεθνούς Υπηρεσίας Ενέργειας στο World Energy Outlook του 2014 προβλέπουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από θερμοηλεκτρικά ηλιακά συστήματα κατά 11% της παγκόσμιας παραγωγής μέχρι το Όλες οι επικρατούσες τεχνολογίες Συγκεντρωτικών Ηλιακών Συστημάτων (ή Ηλιοθερμικών όπως αλλιώς αναφέρονται) που παρουσιάζουν εμπορικό ενδιαφέρον και χρησιμοποιούνται στην παραγωγή ενέργειας βασίζονται στη συλλογή της ηλιακής ακτινοβολίας για την μετατροπή της σε θερμική ενέργεια σε μεγάλη θερμοκρασία η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για να παραχθεί η ηλεκτρική ενέργεια με συμβατικά θερμικά κύκλα που χρησιμοποιούν ατμοστρόβιλους ή αεριοστρόβιλους ή μηχανές Stirling. Για να συγκεντρωθεί η ηλιακή ενέργεια, η πλειοψηφία των συστημάτων χρησιμοποιεί κάτοπτρα με έως και 95% ανακλαστικότητα, τα οποία παρακολουθούν συνεχώς τον ήλιο ώστε να προσλαμβάνουν την άμεση συνιστώσα της ακτινοβολίας του. Αυτές οι τεχνολογίες έχουν καλύτερα αποτελέσματα όταν συνδυάζονται με χρήση ορυκτών καυσίμων ή άλλων ανανεώσιμων πηγών. Υπάρχουν δύο είδη συλλεκτών: αυτοί που συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και εφαρμόζουν γραμμική εστίαση και αυτοί που εφαρμόζουν σημειακή εστίαση. Στην πρώτη 31

40 κατηγορία ανήκουν η τεχνολογία παραβολικών κατόπτρων (parabolic-trough) και τα γραμμικά κάτοπτρα τεχνολογίας Fresnel (linear Fresnel) ενώ στην δεύτερη τα συστήματα παραβολικών πιάτων (parabolic dish systems) και τα συστήματα Ηλιακού Πύργου Ισχύος(central receiver). Εικόνα 24: Τεχνολογίες Συγκεντρωτικών Ηλιακών Συστημάτων Τα πλεονεκτήματα των Συγκεντρωτικών Ηλιακών Συστημάτων σε σχέση με άλλα συστήματα που χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές είναι ότι σε μεγάλο βαθμό μπορούν να αντικαταστήσουν τη χρήση ορυκτών καυσίμων καθώς έχουν τη δυνατότητα να συλλέγουν παραπανίσια ηλιακή ακτινοβολία και να την αποθηκεύουν σε μορφή θερμικής ενέργειας για χρήση σε ώρες που δεν υπάρχει ηλιοφάνεια. Η εμπορική χρήση των συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων ξεκίνησε στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής το 1984 με την εγκατάσταση SEGS I (Solar Energy Generating Systems). Η τελευταία εγκατάσταση SEGS (SEGS IX) ολοκληρώθηκε το Η συνολική ισχύς που παράγουν οι παραπάνω 9 μονάδες είναι 359 MW. Από το 1991 ως το 1990 δεν κατασκευάστηκε κανένα συγκεντρωτικό ηλιακό σύστημα στον κόσμο. Έκτοτε, συνεχώς κατασκευάζονται τέτοια πάρκα. Σήμερα η συνολική παραγόμενη ισχύς από σταθμούς συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων είναι MW. Πρώτη σε πλήθος εγκαταστάσεων είναι η Ισπανία όπου αυτή τη στιγμή υπάρχουν 32 λειτουργικά συγκεντρωτικά συστήματα με συνολική ισχύ MW και δεύτερη η Αμερική με 12 σταθμούς με MW. Τα έργα που είναι αυτή τη στιγμή υπό κατασκευή υπολογίζεται να παρέχουν ισχύ 980 MWe, ενώ έχει ανακοινωθεί πως στο εγγύς μέλλον πρόκειται να κατασκευαστούν έργα που θα παρέχουν 7500 MWe. Υποσχόμενο είναι το έργο της εταιρίας Desertec Industrial Initiative που ξεκίνησε να κατασκευάζεται το Σκοπός του είναι η εγκατάσταση συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων στην έρημο να παρέχει ηλεκτρισμό στην νότια Ευρώπη καθώς επίσης στην Μέση Ανατολή και στην Βόρια Αφρική. (26) (27) 2.2 Θερμικά Κύκλα Παραγωγής Ενέργειας Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται μέσω θερμοδυναμικών κύκλων. Ένα κύκλο παραγωγής ενέργειας λαμβάνει θερμότητα σε μεγάλη θερμοκρασία, μετατρέπει ένα μέρος αυτής σε μηχανικό έργο και απορρίπτει την υπόλοιπη σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Η θερμική απόδοση μίας τέτοιας μηχανής είναι καθαρό παραγώμενο έργο μηχανής η th = λαμβανόμενη ενέργεια μηχανής 32

41 Αυτός ο λόγος υπακούει στον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο που λέει πως μια μηχανή δεν μπορεί να παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτήν που τις δόθηκε (10) (28). Η μηχανή του Carnot είναι ένα ιδανικό κύκλο και αποτελείται από τέσσερεις αντιστρεπτές διαδικασίες: 1. Μια αντιστρεπτή ισοθερμοκρασιακή μεταφορά θερμότητας στο σύστημα από δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας (1-2) 2. Μια αντιστρεπτή αδιαβατική διαδικασία κατά την οποία το σύστημα παράγει έργο. Στην διαδικασία αυτή η θερμοκρασία του ρευστού εργασίας μειώνεται από την υψηλή στην χαμηλή θερμοκρασία (2-3) 3. Μια αντιστρεπτή ισοθερμοκρασιακή αποβολή θερμότητας σε δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας (3-4). 4. Μια αντιστρεπτή αδιαβατική διαδικασία κατά την οποία το σύστημα δέχεται έργο. Στην διαδικασία αυτή η θερμοκρασία του ρευστού εργασίας ανυψώνεται από την χαμηλή στην υψηλή θερμοκρασία (4-1). Εικόνα 25: Μηχανή του Carnot (28) Ο θερμικός βαθμός απόδοσης του κύκλου αυτού είναι η th = 1 T L T H Όπου T L και T H η χαμηλή και η υψηλή θερμοκρασία αντίστοιχα. Βέλτιστη θερμοκρασία λειτουργίας Όσο αυξάνει η θερμοκρασία λειτουργίας, τόσο αυξάνει ο βαθμός απόδοσης της μηχανής. Η απόδοση των περισσοτέρων μηχανών περιορίζεται από την αντοχή των κατασκευαστικών υλικών της. Αντισταθμιστικός παράγοντας εμφανίζεται όταν ο κινητήρας δέχεται θερμότητα του από έναν ηλιακό συλλέκτη, επειδή η απόδοση ενός ηλιακού συλλέκτη μειώνεται καθώς η θερμοκρασία λειτουργίας αυξάνεται αφού αυξάνονται οι απώλειες θερμότητας στον δέκτη του. Η απόδοση ενός συγκεντρωτικού συλλέκτη ορίζεται ως εξής η col = Q out = η I b,a A out U l(t 4 r Τ 4 α ) εσ Β(T 4 r Τ 4 α ) a CR g I b,a CR g I b,a Όπου A a το συνολικό άνοιγμα των συλλεκτών (m 2 ) 33

42 CR g = Α α ο γεωμετρικός λόγος συγκέντρωσης (geometric concentration ratio) που Α r περιγράφει την ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας που μπορεί να μαζέψει ένας συλλέκτης και ορίζεται ως ο λόγος επιφάνειας του ανοίγματος του συλλέκτη Α α προς την επιφάνεια του δέκτη της ακτινοβολίας Α r. I b,a η άμεση ακτινοβολία στο άνοιγμα των συλλεκτών. Q out η ονομαστική η ωφέλιμη ενέργεια του συστήματος (W) Τ α η θερμοκρασία περιβάλλοντος ( ) Τ r η θερμοκρασία λειτουργίας του δέκτη ( ) U l ο συντελεστής απωλειών (W/m 2 ) ε ο συντελεστής εκπομπής του δέκτη σ Β η σταθερά Stefan-Boltzmann ( ) (W/m 2 4 ) Ο συνολικός βαθμός απόδοσης του συστήματος είναι ο συνδυασμός δύο βαθμών απόδοσης που αναφέρθηκαν πιο πάνω η th της μηχανής και η col των συλλεκτών, αφού η θερμοκρασία λειτουργίας της μηχανής είναι σχεδόν ίση με την θερμοκρασία του δέκτη των συλλεκτών. Στο σημείο όπου ο συνολικός βαθμός απόδοσης είναι μεγαλύτερος, έχουμε την βέλτιστη θερμοκρασία λειτουργίας. Σαν παράδειγμα παρατίθεται η συνολική απόδοση ενός συστήματος με γεωμετρικό λόγο συγκέντρωσης 1000, άμεση ακτινοβολία 1000 W/m 2, θερμοκρασία περιβάλλοντος 25, απώλειες 60 W/m 2 και βέλτιστη θερμοκρασία λειτουργίας τους 780. Εικόνα 26: Συνολικός βαθμός απόδοσης Συγκεντρωτικού ηλιακού συστήματος (10) Οι μεταβλητές με βάση τις οποίες επιλέγεται το κύκλο της εγκατάστασης στα ηλιοθερμικά συστήματα είναι η θερμοκρασία λειτουργίας, άρα ο βαθμός απόδοσης, και ο γεωμετρικός λόγος συγκέντρωσης. 34

43 Εικόνα 27: Επιλογή κύκλου ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας (10) Τα κύκλα μπορεί να είναι ατμού ή αερίου, ανάλογα με τη φάση του ρευστού που χρησιμοποιείται σε κάθε κύκλο. Στα κύκλα αερίου, το ρευστό παραμένει σε κατάσταση αερίου σε όλη τη διάρκεια του κύκλου, ενώ στα κύκλα ατμού το ρευστό αλλάζει κατάσταση από υγρή σε αέρια. Τα κύκλα που χρησιμοποιούνται με τα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα είναι το Rankine,που είναι κύκλο ατμού, και τα Stirling και Bryton, που είναι κύκλα αερίου. Κύκλο Rankine Η διαφορά του κύκλου Rankine και του Carnot είναι πως υπάρχει υπερθέρμανση του ατμού στον λέβητα και πλήρης συμπύκνωση του στον συμπυκνωτή. Το ιδανικό κύκλο Rankine αποτελείται από τις παρακάτω τέσσερεις διαδικασίες: 1. Αντιστρεπτή αδιαβατική (ισεντροπική) συμπίεση του κορεσμένου νερού που εισέρχεται σε μια αντλία, 1-2, μέχρι την πίεση λειτουργίας του λέβητα. Στην είσοδο του λέβητα το νερό είναι υπόθερμο. 2. Μεταφορά θερμότητας, υπό σταθερή πίεση, στον λέβητα, Η μεταβολή στον λέβητα παριστάνεται από την ισοβαρή καμπύλη 2- i-3. Αν έχουμε κύκλο Rankine με υπερθέρμανση (RS) η πορεία της καμπύλης είναι 2-i-3-3'. Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα, αρχικά ανυψώνεται η θερμοκρασία του νερού υπό σταθερή πίεση μέχρι να αποκτήσει την θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στην πίεση λειτουργίας του λέβητα (σημείο i). Στην συνέχεια έχουμε βρασμό και στην έξοδο του λέβητα έχουμε κορεσμένο ατμό (σημείο 3) Στην περίπτωση που έχουμε υπερθέρμανση μετά τον βρασμό παίρνουμε υπέρθερμο ατμό στην έξοδο του λέβητα (σημείο 3'). 3. Αντιστρεπτή αδιαβατική (ισεντροπική) εκτόνωση στον ατμοστρόβιλο, 3-4 Ο ατμός, κορεσμένος ή υπέρθερμος, μπαίνει στον στρόβιλο όπου εκτονώνεται ισεντροπικά και παράγει έργο περιστρέφοντας τον άξονα του ατμοστροβίλου που είναι συνδεδεμένος με μια γεννήτρια. Κατά την διάρκεια της εκτόνωσης, η πίεση και η θερμοκρασία του ατμού πέφτουν (σημείο 4 ή 4' αν έχουμε υπερθέρμανση). 4. Αποβολή θερμότητας στον συμπυκνωτή, υπό σταθερή πίεση, 4-1. Ο ατμός, συνήθως μίγμα υγρού ατμού υψηλής ποιότητας, εισέρχεται στον συμπυκνωτή όπου και συμπυκνώνεται, υπό σταθερή πίεση, αποβάλλοντας θερμότητα. Ο ατμός βγαίνει από τον συμπυκνωτή σαν κορεσμένο υγρό και εισέρχεται στην αντλία, κλείνοντας το κύκλο. 35

44 Η υπερθέρμανση είναι ο καλύτερος τρόπος για την αύξηση του βαθμού απόδοσης του κύκλου. Αυξάνεται η μέση θερμοκρασία στην οποία μεταφέρεται θερμότητα στον ατμό, χωρίς να αυξηθεί η πίεση λειτουργίας του λέβητα. Το κέρδος είναι το εμβαδόν του χωρίου που αντιστοιχεί σε πρόσθετο παραγόμενο έργο. Εικόνα 28: Διάγραμμα Τ-s για απλό ιδανικό κύκλο Rankine με υπερθέρμανση (10) Ο βαθμός απόδοσης ενός ιδανικού κύκλου Rankine είναι περίπου 43 % αλλά λόγω του ότι στην πραγματικότητα οι διαδικασίες δεν είναι αντιστρεπτές, ο βαθμός απόδοσης πέφτει στο 36 % περίπου αλλά μπορεί να βελτιωθεί με τις διαδικασίες της υπερθέρμανσης, της αναθέρμανσης, και αναγεννητικό κύκλο. (29) Κύκλο Rankine με αναθέρμανση (RR) Η αναθέρμανση χρησιμοποιείται συχνά στις σύγχρονες εγκαταστάσεις ισχύος γιατί μειώνει την υγρασία του ατμού στις τελευταίες βαθμίδες του στροβίλου. Σε κύκλο με αναθέρμανση ο ατμός εκτονώνεται σε δύο βαθμίδες και στο ενδιάμεσο αναθερμαίνεται. Στη πρώτη βαθμίδα (στρόβιλος υψηλής πίεσης, ΥΠ) ο ατμός εκτονώνεται σε μια ενδιάμεση πίεση μέχρι να φθάσει περίπου την καμπύλη κορεσμό ύ (σημείο 4). Στην συνέχεια οδηγείται και πάλι στο λέβητα και αναθερμαίνεται υπό σταθερή πίεση, συνήθως μέχρι την θερμοκρασία εισόδου του ατμού στον στρόβιλο ΥΠ. Έπειτα εκτονώνεται στη δεύτερη βαθμίδα (στρόβιλος χαμηλής πίεσης, ΧΠ) μέχρι την πίεση του συμπυκνωτή. Η αναθέρμανση βελτιώνει τον βαθμό απόδοσης κατά 4 με 5 % 36

45 Εικόνα 29: Διάγραμμα Τ-s για απλό ιδανικό κύκλο Rankine με αναθέρμανση (28) Αναγεννητικό Κύκλο Rankine (RRg) Μετά την έξοδο από τον συμπυκνωτή το ρευστό θερμαίνεται με έναν από τους δύο ακόλουθους τρόπους: 1. Με απομάστευση, μέρος του ρευστού που έχει περάσει από τον στρόβιλο, πριν εκτονωθεί εντελώς, προθερμαίνει το συμπιεσμένο υγρό πριν φτάσει στον λέβητα. 2. Όλη η μάζα του ατμού στην έξοδο των στροβίλων περνά από εναλλάκτη θερμότητας όπου θερμότητα μεταφέρεται στο συμπιεσμένο υγρό πριν να φτάσει στον λέβητα. Αυτός ο τρόπος απαιτεί η θερμοκρασία των ατμών στην έξοδο του στροβίλου να είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία συμπύκνωσης. Ο βαθμός απόδοσης ενός τέτοιου κύκλου μπορεί να φτάσει τα 38 40%. Εικόνα 30: Διάγραμμα Τ-s για αναγενητικού κύκλου Rankine (30) Μηχανές Stirling (10) Η μηχανή Stirling είναι μία κλειστή μηχανή εξωτερικής καύσης όπου αέριο συμπιέζεται και εκτονώνεται σε διάταξη κυλίνδρου δύο εμβόλων με αποτέλεσμα την περιστροφή στροφαλοφόρου άξονα και την παραγωγή έργου. Το ιδανικό κύκλο Stirling αποτελείται από τις παρακάτω τέσσερεις διαδικασίες: 1. Ισόχωρη θέρμανση του αερίου από μία πηγή θερμότητας. Η πίεση του αυξάνει (2-3). 37

46 2. Ισόθερμη εκτόνωση του αερίου μέχρι τη μέγιστη τιμή του όγκου (3-4). 3. Ισόχωρη ψύξη του αερίου (4-1). 4. Ισόθερμη συμπίεση του αερίου μέχρι την ελάχιστη τιμή του όγκου του (1-2). Έργο παράγεται μόνο στις ισόθερμες διαδικασίες αλλά θερμότητα μεταφέρεται και στις τέσσερεις διαδικασίες. Εικόνα 31: Λειτουργία μηχανής Stirling Επειδή παράγεται περισσότερο έργο κατά την εκτόνωση του ρευστού σε υψηλή θερμοκρασία από αυτό που απαιτείται για την συμπίεση του σε χαμηλή θερμοκρασία, το κύκλο Stirling παράγει καθαρό έργο που ισούται με το εμβαδόν του χωρίου στο διάγραμμα P V. Αυτή είναι και η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται να συμπληρωθεί στο κύκλο ώστε να παραχθεί έργο, όπως φαίνεται στο διάγραμμα T s. Η διαφορά του με το κύκλο Carnot είναι πως στο Carnot δεν γίνεται μεταφορά θερμότητας στις διαδικασίες 2 3 και 4 1. Αυτές οι δύο είναι που κάνουν και τη διαφορά στο βαθμό απόδοσης σε σχέση με το κύκλο Carnot. Κύκλα Brayton (28) (29) Το κύκλο Brayton είναι ένα απλό και πρακτικό κύκλο που, όπως αναφέρθηκε, χρησιμοποιείται όταν το ρευστό εργασίας είναι αέριο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ανοικτό κύκλο ή κλειστό σύστημα. Στο ανοικτό κύκλο Brayton: 1. Αέρας εισέρχεται στον συμπιεστή σε ατμοσφαιρική πίεση, p1, και θερμοκρασία Τ1. Συμπιέζεται αδιαβατικά σε μια υψηλότερη πίεση, p2, και θερμοκρασία Τ2. 2. Θερμότητα προστίθεται από τον θάλαμο καύσης ή τον αντιδραστήρα σε σταθερή πίεση, αυξάνοντας την θερμοκρασία σε Τ3. 3. Το αέριο εκτονώνεται αδιαβατικά στον στρόβιλο, μειώνοντας την θερμοκρασία σε Τ4. 4. Το θερμό αέριο αποβάλλεται στην ατμόσφαιρα. Στο ανοιχτό κύκλο Brayton, το ρευστό ανανεώνεται στο τέλος του κύκλου αντί να ανακυκλώνεται. 38

47 Στο κλειστό κύκλο οι διαδικασίες συμπίεσης και εκτόνωσης παραμένουν οι ίδιες ενώ η διαδικασία της καύσης αντικαθίσταται με μεταφορά θερμότητας, υπό σταθερή πίεση, από μια εξωτερική πηγή και η διαδικασία αποβολής των καυσαερίων από μια επίσης υπό σταθερή πίεση αποβολή θερμότητας στο περιβάλλον. Εικόνα 32: Ανοιχτό και Κλειστό κύκλο Brayton (28) (10) Γενικά τα κύκλα Bryton λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τα κύκλα Rankine. Η μέγιστη θερμοκρασία στον αεριοστρόβιλο είναι πάνω 1425, ενώ στους ατμοστροβίλους δεν ξεπερνά τους 620, άρα φτάνουν και μεγαλύτερους βαθμούς απόδοσης. Έχουν όμως το μειονέκτημα ότι τα αέρια εξέρχονται από τον στρόβιλο σε ψηλή θερμοκρασία, γύρω στους 500 που δεν επιτρέπει την απόκτηση ακόμα μεγαλύτερου βαθμού απόδοσης. Στο ιδανικό κύκλο Brayton, ο βαθμός απόδοσης είναι περίπου % Στην πραγματικότητα η απόδοση αυτή είναι 30 %. Ο βαθμός απόδοσης του κύκλου Brayton μπορεί να αυξηθεί με αναγεννητική προθέρμανση. Στην περίπτωση αυτή, τα αέρια που αποβάλλονται από τον στρόβιλο χρησιμοποιούνται για την προθέρμανση του πεπιεσμένου αέρα, πριν αυτός μπει στον θάλαμο καύσης. Η απόδοση ενός τέτοιου κύκλου μπορεί να φτάσει μέχρι και 37 %, ενώ μπορεί να αυξηθεί μέχρι το 55 % με αναθέρμανση, ή και ενδιάμεση ψύξη καθώς επίσης και με το συνδυασμό κύκλου αερίου και ατμού. Τα τελευταία μέθοδος χρησιμοποιείται αρκετά καθώς αυξάνει την απόδοση χωρίς να επιβαρύνεται το κόστος της επένδυσης. 39

48 2.3 Συλλέκτες Παραβολικών Κατόπτρων Αναφέρονται και ως Παραβολικά Κοίλα ή Παραβολικές Σκάφες Πρόκειται για την πιο ώριμη και την πιο εμπορικά εφαρμοζόμενη από τις τεχνολογίες που προαναφέρθηκαν. Η συλλογή της ακτινοβολίας πραγματοποιείται σε έναν υπαίθριο χώρο μεγάλης έκτασης, το αποκαλούμενο ηλιακό πεδίο, που αποτελείται από πολλές παράλληλες σειρές πανομοιότυπων συγκεντρωτικών στοιχείων-συλλεκτών. Οι συλλέκτες αυτοί αποτελούνται από μακριούς κοίλους καθρέφτες οι οποίοι ανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία στην ευθεία εστίασης όπου είναι τοποθετημένος ένας δέκτης απορρόφησης. Μέσα σε αυτόν κυκλοφορεί ένα υγρό το οποίο αποθηκεύει την ακτινοβολία που έχει συγκεντρωθεί και την μεταφέρει στη μονάδα παραγωγής ισχύος (μπλοκ παραγωγής ισχύος) που στην περίπτωση των παραβολικών κατόπτρων είναι συνήθως ένα κύκλο Rankine. (31) (32) Εικόνα 33: Εγκατάσταση παραβολικών κατόπτρων Andasol 40

49 Εικόνα 34: Πρόσπτωση ακτινοβολίας στην επιφάνεια παραβολικού κατόπτρου Συγκεκριμένα, οι καθρέπτες αυτοί έχουν καμπυλότητα που εξάγεται από τον τύπο y = x 2 /4f όπου x, y οι συντεταγμένες του τρισορθογώνιου συστήματος και f η μεταβλητή που αναφέρεται στην απόσταση του σημείου εστίασης από την κορυφή της παραβολής. Για να λειτουργήσει το σύστημα είναι απαραίτητο να παρακολουθείται η πορεία του Ήλιου οπότε υπάρχει σύστημα περιστροφής των κατόπτρων γύρω από έναν άξονα ώστε η κεντρική ακτίνα του ήλιου και η κάθετη στο άνοιγμα του κατόπτρου να είναι συνεπίπεδα και να προσπίπτει πάνω τους πάντα η άμεση ακτινοβολία. (33) Εικόνα 35: Παρακολούθηση Ήλιου με κίνηση σε έναν άξονα (33) Η εικόνα 35 δείχνει την γωνία πρόσπτωσης ανάμεσα στην κάθετη του συλλέκτη και την άμεση ακτινοβολία πάνω σε ένα παραβολικό συλλέκτη. Η γωνία θ i εξαρτάται από την τοποθεσία του κατόπτρου ενώ δεν είναι ποτέ μηδενική καθώς συνήθως οι συλλέκτες αυτοί τοποθετούνται συνήθως σε οριζόντιο επίπεδο. (33) Οι σειρές των κατόπτρων τοποθετούνται με προσανατολισμό Βορρά- Νότου και περιστρέφονται από την Ανατολή προς τη Δύση. Το σύστημα οδήγησης της παρακολούθησης του Ήλιου μπορεί να είναι ένας ηλεκτροκινητήρας στην περίπτωση μικρών συλλεκτών (επιφάνεια ανοίγματος μικρότερη από 100m 2 ) ενώ σε μεγαλύτερους συλλέκτες απαιτούνται ισχυρά υδραυλικά χειριστήρια. (34) 41

50 Εικόνα 36: Συλλέκτης και δέκτης ηλιακής ακτινοβολίας Υλικά Κατόπτρων Οι τύποι καθρεπτών ποικίλουν έχοντας πάντα ένα κοινό χαρακτηριστικό το οποίο είναι η μεγάλη ανακλαστικότητα τους. (32) Για λόγους ευκολίας κατασκευαστικής οι συλλέκτες είναι ενιαία κάτοπτρα αλλά από αποτελούνται από μικρότερου μεγέθους ίδιου υλικού καθρέφτες. Συχνά είναι υαλοπίνακες με επίστρωση αργύρου (καθρέπτες) (silver coated glass mirror) με μορφοποίηση επίπλευσης (float glass). Η διαδικασία κατασκευής του συγκεκριμένου είναι η εξής: Ταινίες γυαλιού επιπλέουν σε τήγμα Zn σε ελεγχόμενες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Το πλεονέκτημα της παραπάνω μορφοποίησης είναι πως το γυαλί που παίρνουμε είναι λεπτό και λείο χωρίς οπτικές παραμορφώσεις, ανθεκτικό στη διάβρωση και δίνει τη δυνατότητα κατασκευής μεγάλου μεγέθους καθρέπτες. (35) Ένα προστατευτικό στρώμα χαλκού ακολουθεί την επαργυρωμένη επιφάνεια και ακολουθούν τρεις στρώσεις εποξικών βερνικιών. Τα εποξικά υλικά έχουν μεγάλη μηχανική αντοχή, μεγάλη αντοχή συγκολλήσεων, καλή χημική αντίσταση, είναι καλοί μονωτές, έχουν ελαστικότητα και αποκτούν μεγάλη σκληρότητα. Μέχρι τώρα στους περισσότερους ηλιακούς καθρέπτες που έχουν εγκατασταθεί τα δύο πρώτα εποξικά στρώματα περιέχουν μόλυβδο αλλά μελετάται η κατασκευή κατόπτρων χωρίς μόλυβδο και χαλκό. (36) 42

51 Εικόνα 36: Υαλοπίνακας με επίστρωση αργύρου και προστατευτικά στρώματα (Flabeg) Επίσης, σε κάποιες κατασκευές προτιμήθηκε καθρέφτης από υπέρλευκο γυαλί (lowiron, extra clear glass) κατασκευασμένο από διοξείδιο του πυριτίου με χαμηλή ποσότητα οξειδίων σιδήρου. Τα γυαλί αυτό δίνει δυνατότητα υψηλότερης μετάδοσης του φωτός και απουσία της ελαφράς πράσινης απόχρωσης του κοινού γυαλιού. Ενώ οι παραπάνω επιλογές δίνουν σταθερά κάτοπτρα, η Solarlite GmbH που προαναφέρθηκε χρησιμοποίησε εύκαμπτο λεπτό γυαλί. Τα επιμέρους κάτοπτρα κολλώνται πάνω σε ένα παραβολικού σχήματος καλούπι από πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού. (36) Επίσης μια μεταγενέστερη επιλογή είναι το ReflecTech Mirror film, ένας καθρέπτης από καθαρό ασήμι, χωρίς γυαλί, με στρώσεις από πολυμερή που προστατεύουν το υλικό από την υπεριώδη ακτινοβολία και την υγρασία Εναλλακτικά χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά τα οποία όμως, τουλάχιστον προς το παρόν, δεν επιλέγονται καθώς παρουσιάζουν ορισμένα μειονεκτήματα όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. (32) Σε κάθε περίπτωση το πάχος του καθρέφτη είναι περίπου 4mm με 5mm. Τα μεγέθη και τα μήκη διαφέρουν, όπως θα αναλυθεί παρακάτω ανάλογα με την κατασκευάστρια εταιρία. Τύπος Ανακλαστικότητα (%) Κόστος Προβλήματα ($/m 2 ) Flabeg Thick Glass Κόστος, θραύσεις Thin Glass Θραύσεις All - Polymeric Απαιτείται προστατευτική στρώση ακτινοβολίας UV ReflecTeck Laminate > Σε κατάσταση δοκιμής SAIC Super >95 10 Thin Glass Alamod ~90 <20 Χαμηλή ανακλαστικότητα 43

52 Στην πλειοψηφία τους οι τεχνολογίες αυτές επιτρέπουν παραπάνω άνω του 93.5% ανακλαστικότητα ενώ η κατασκευή επιτρέπει συνήθως περίπου 98% αυτών των ακτινών να ανακλαστούν στο σωλήνα συγκέντρωσης. Από 8 έως και 12 μονάδες ηλιακών συλλεκτών συνδέονται σε σειρά δημιουργώντας μια συστοιχία και κινούνται από μία κοινή μονάδα παρακολούθησης του ήλιου. Μια τέτοια συστοιχία συλλεκτών μπορεί να έχει μήκος μεταξύ 100 m και 191 m ανάλογα με την κατασκευάστρια εταιρία Η δομή στήριξης Η δομή υποστήριξης του συστήματος είναι πολύ σημαντική. Πρέπει να είναι στιβαρή και άκαμπτη αλλά και ελαφριά ώστε να αντέχει το βάρος των συλλεκτών που θα εδραστούν πάνω τους επιτρέποντας ταυτόχρονα την ακριβή παρακολούθηση του Ήλιου. Η ακαμψία και η ελαφρότητα της δομής είναι απαραίτητη καθώς αν η κατασκευή παραμορφωθεί, είτε από τον αέρα είτε από την επίδραση του ίδιου της του βάρους, θα αλλάξει το σημείο εστίασης και οι ακτίνες δεν θα ανακλώνται πλέον στον σωλήνα απορρόφησης. Επίσης η άκαμπτη κατασκευή επιτρέπει μακρύτερους συλλέκτες με αποτέλεσμα τα συστήματα παρακολούθησης να μειώνονται και να ελαττώνεται το κόστος του έργου. Τέλος επιλέγεται τα υλικά να είναι όσο το δυνατόν οικονομικότερα. Συχνά, λοιπόν, χρησιμοποιούνται στηρίγματα από ατσάλι και αλουμίνιο. (36) Τα δικτυώματα των βάσεων των συλλεκτών αλλάζουν ανάλογα με το άνοιγμα της παραβολής των κατόπτρων και τις επιλογές του κατασκευαστή Διαθέσιμοι παραβολικοί συλλέκτες Εμπορικά υπάρχουν οι εξής συλλέκτες διαθέσιμοι: Συλλέκτες Luz (32) (36) Μια από τις πρώτες εταιρίες που κατασκεύασε παραβολικούς συλλέκτες ήταν η Αμερικανοισραηλινή εταιρία Luz Industries Ltd. Οι συλλέκτες Ls-1 εφαρμόστηκαν στα SEGS I και ΙΙ. Ο Ls-2 χρησιμοποιήθηκε επίσης στα SEGS I και ΙΙ καθώς και στα SEGS IΙ έως VII. Και οι δύο διαθέτουν δομή με σωλήνα ροπής και βραχίονες από ατσάλι που παρέχει ακαμψία αλλά έχει μεγάλο κόστος. Ο συλλέκτης Ls- 3 χρησιμοποιήθηκε στα SEGS VII ως IX. Η δομή, αντίθετα με τα Ls- 1 και Ls-2, είναι ένα δικτύωμα τύπου σκάφους. Ενώ η λειτουργικότητα του είναι εξαιρετικά καλή, με υψηλή δυνατότητα παρακολούθησης του Ήλιου, η θερμική απόδοση του και η σταθερότητα του δεν είναι όμοια των προηγούμενων συστημάτων της συγκεκριμένης εταιρίας. Παρότι αυτός ο νέος συλλέκτης αναμενόταν να είναι οικονομικότερος, το κέρδος από την κατασκευή αντισταθμίστηκε με προβλήματα απόδοσης και συντήρησης. 44

53 Εικόνες 37-38: Συλλέκτες Luz LS 2, Ls 3 (dlr) Eurotrough Consortium Έχοντας πλέον γνώση και εμπειρία από τους συλλέκτες της Luz, μια Ευρωπαϊκή κοινοπραξία κατασκεύασε ανάμεσα στο 1998 και 2002 το Eurotrough I (ET-100) και ακολούθησε το Eurotrough ΙΙ (ΕΤ-150) με κύρια διαφορά ανάμεσα στους δύο αυτούς συλλέκτες να είναι το μήκος της συνδεσμολογίας του συλλέκτη. Τα Eurotrough έχουν σχεδιασμό πλαισίου ροπής που εξαλείφει προβλήματα που παρουσιάζονταν στα συστήματα Luz συνδυάζοντας την σταθερότητα του Ls-2 και το χαμηλότερο κόστος κατασκευής του Ls- 3. Όταν δοκιμάστηκαν στο SEGS V η θερμική αποδοτικότητα αυξήθηκε κατά 10% σε σχέση με την απόδοση των συλλεκτών Luz. Πλέον διανέμονται από την Flagsol GmbH με το όνομα SKAL-ET και χρησιμοποιούνται και σε άλλες εγκαταστάσεις. Εικόνα 39: Συλλέκτες Eurotrough (dlr ) ENEA Η Εθνική Ιταλική Υπηρεσία για Νέες Τεχνολογίες, Ενέργεια και Αειφόρο Οικονομική Ανάπτυξη, μαζί με βιομηχανικούς εταίρους, σχεδίασαν τον πρώτο συλλέκτη που χρησιμοποιεί ως υγρό μεταφοράς θερμότητας το τηγμένο άλας. Η δομή του βασίζεται σε σωλήνα ροπής. SGX Η Solargenix Energy (πρώην Duke Solar Energy) και η NREL ανέπτυξαν το συλλέκτη SGX. Η δομή στήριξης του συλλέκτη είναι κατασκευασμένη αποκλειστικά από αλουμίνιο και αποτελείται από ένα δικτύωμα που χρησιμοποιεί τεχνολογία που αναπτύχθηκε για την κατασκευή κτιρίων και γεφυρών. Ο σχεδιασμός έχει το πλεονέκτημα ότι είναι πολύ ελαφρύς και απαιτούνται πολύ λίγες συνδέσεις. Είναι ανώτερη κατασκευή από το LS-2 από την άποψη των δομικών ιδιοτήτων, το βάρος, την αντοχή στη διάβρωση, το κατασκευαστικό κόστος και την ευκολία εγκατάστασης. Ο σχεδιασμός είναι απλός και απαιτείται ο ελάχιστος αριθμός εξαρτημάτων. Αν και το κόστος εγκατάστασης του παραβολικού κοίλου SGX είναι χαμηλότερο από εκείνο του συλλέκτη LS-2, διατηρείται το ίδιο υψηλό επίπεδο απόδοσης. Industrial Solar Technology (IST) Η IST παρήγαγε παραβολικούς συλλέκτες που χρησιμοποιούνταν κατά κύριο λόγο για εφαρμογές χαμηλότερων θερμοκρασιών αλλά στο παρόν γίνεται αναβάθμιση του συλλέκτη του ώστε να λειτουργεί πιο αποτελεσματικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες και να μειωθεί το 45

54 κόστος. Η εταιρεία άλλαξε το υλικό του συλλέκτη της από αλουμίνιο σε γαλβανισμένο ατσάλι και αντικατέστησε τα κάτοπτρα με λεπτό, επαργυρωμένο γυαλί, αλλαγές που εκτιμάται πως θα μειώσουν το κόστος του συστήματος κατά 15%, και θα αυξήσουν την απόδοση κατά 12%., μειώνοντας και το κόστος της παρεχόμενης ενέργειας. SENER: Senertrough Η ισπανική εταιρεία Sener ανέπτυξε ένα συλλέκτη που χρησιμοποιεί επίσης σωλήνα ροπής και βραχίονες ενώ στην προσπάθεια μείωσης του κόστους παραγωγής, η δομή στήριξης κατασκευάζεται με την μέθοδο πίεσης σε φύλλο που εφαρμόζονται συνήθως στην αυτοκινητοβιομηχανία. Έχουν εκτεταμένη χρήση σε ισπανικά εργοστάσια. Heliotrough H Flagsol GmbH, μαζί με την Schlaich, Bergermann & Partner (SBP), το Fraunhofer Institute for Material Flow and Logistics (IML) και DLR ανέπτυξαν τον συλλέκτη Heliotrough που χρησιμοποιεί ένα σωλήνα ροπής ως κεντρικό στοιχείο. Ο Heliotrough είναι ένα από τα πρώτα σχέδια με μεγαλύτερο πλάτος ανοίγματος σε σχέση με τους προηγούμενους συλλέκτες και ταυτόχρονα μεγαλύτερες διαμέτρους σωλήνα απορρόφησης. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του Heliotrough είναι ότι ο συλλέκτης δεν έχει κενά καθρέφτη στους πυλώνες. Η κατοπτρική επιφάνεια καλύπτει συνεχώς την φέρουσα δομή. Αυτό επιτρέπει μεγαλύτερη αποδοτικότητα της χρήσης της γης. Oi Heliotrough χρησιμοποιούνται και αυτοί στα εργοστάσια SEGS. Skytrough Ο συλλέκτης της αμερικανικής εταιρείας SkyFuel είναι μία κατασκευή ελαφριά και χαμηλή σε κόστος που χρησιμοποιεί ReflecTech Mirror film. Στηρίζεται σε ελαφρύ δικτύωμα αλουμινίου. Το άνοιγμα του συλλέκτη αυτού είναι μεγαλύτερο από τα προηγούμενα του δίνοντας παραπάνω από διπλάσιο εμβαδό αυτά, με αποτέλεσμα να απαιτούνται λιγότερα κάτοπτρα συνολικά και να μειώνεται το κόστος της κατασκευής του ηλιακού πεδίου (37). Χρησιμοποιούνται στο SEGS II. Siemens (Solel) Ο σχεδιασμός συλλέκτης της Siemens βασίζεται στον σχεδιασμό του LS-3, αλλά χρησιμοποιεί ένα σωλήνα ροπής αντί του δικτυώματος του LS-3. Το 2009, η Siemens παρείχε τα συλλεκτών για την ηλιακή μονάδα παραγωγής ενέργειας Lebrija (50 MW), στη νότια Ισπανία. SL 4600 Η Solarlite GmbH ανέπτυξε το συλλέκτη παραβολικού κοίλου SL4600, η οποία έχει μια εναλλακτική δομή σε σύγκριση με τους υπόλοιπους συλλέκτες. Το κεντρικό σώμα του είναι κατασκευασμένο από ίνες γυαλιού και ρητίνη που περικλείει αφρώδες υλικό. Μια δομή δικτυώματος στην πίσω πλευρά δέχεται τις δυνάμεις στρέψης. Οι καθρέπτης που χρησιμοποιείται είναι επαργυρωμένο λεπτό γυαλί. Το 2011, μια μονάδα παραγωγής ενέργειας, ισχύος 5 MWe ολοκληρώθηκε στην Ταϊλάνδη. Είναι ο πρώτος σταθμός συγκεντρωτικών συστημάτων με άμεση παραγωγή ατμού και χρησιμοποιεί αυτούς τους συλλέκτες. 46

55 Παρακάτω φαίνονται τα μεγέθη των συλλεκτών που προαναφέρθηκαν Συλλέκτης LS-2 LS-3 Euro trough ENEA SGX - 2 Sener trough Helio trough Sky trough Solel / Siemens LS - 6 Χρονολογία Άνοιγμα (m) Μήκος συστοιχίας (m) Εγκατάσταση όπου χρησιμοποιήθηκε SEGS SEGS SEGS V, Andasol, Kuraymat Archimede power plant Saguaro, Neada Solar Extresol Test loop SEGS Test loop SEGS Lebrija Διάμετρος σωλήνα απορρόφησης One Ο δέκτης Ο δέκτης της ηλιακής ακτινοβολίας πρέπει να απορροφά την θερμότητα χωρίς να ακτινοβολεί ο ίδιος, άρα ο συντελεστής απορρόφησης των υλικών να είναι ψηλός στο φάσμα της ορατής ακτινοβολίας και ταυτόχρονα ο συντελεστής εκπομπής να είναι χαμηλός στο εύρος των υπέρυθρων. (36) Ο δέκτης, λοιπόν, αποτελείται από έναν σωλήνα απορρόφησης από ανοξείδωτο ατσάλι καλυμμένο με στρώματα επένδυσης εξωτερικής διαμέτρου 0,07 0,08 m. Πιο συγκεκριμένα, η επένδυση έχει 3 στρώματα. Το εσωτερικό που είναι συνήθως χαλκός, αλουμίνιο ή μολυβδαίνιο, το ενδιάμεσο που είναι από κεραμομεταλλουργική σύνθεση (μεταλλικά νανοσωματίδια που είναι ενσωματωμένα σε ένα κεραμικό καλούπι.) και το εξωτερικό που είναι κεραμικό. Ο συντελεστής απορρόφησης φτάνει μέχρι και 0,96 ενώ ο συντελεστής εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας δεν ξεπερνά το 0,1 σε θερμοκρασίες 400. (36) Ο σωλήνας αυτός είναι κλεισμένος μέσα σε αντιανακλαστικό γυάλινο περίβλημα διαμέτρου 0,109 ως 0, 1196 m ανάλογα με την κατασκευάστρια εταιρία. Ανάμεσα στους δύο κυλίνδρους υπάρχει κενό το οποίο εξυπηρετεί στο να αποφευχθούν οι απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον. Λόγω της αποσύνθεσης του υγρού μεταφοράς θερμότητας, παράγεται αέριο υδρογόνο που αργά διαπερνά τα τοιχώματα του σωλήνα και εισέρχεται στον κενό αύλακα. Η παρουσία του, μειώνει την θερμική μόνωση στον δακτύλιο και προκαλεί θερμικές απώλειες. Χημικά στοιχεία μετάλλων τα οποία αποκαλούνται getters τοποθετούνται στο κενό ώστε να απορροφούν υδρογόνο αυτό (38) ενώ επίσης μέθοδοι ανάμειξης υδρογόνου του σωλήνα με αργό ή ξένο απέδειξαν πως είναι δυνατόν να μειώσουν τις θερμικές απώλειες. (39) 47

56 (Flabeg Solar International) (Siemenns) Εικόνα 40: Ο δέκτης Στο εσωτερικό του ατσάλινου σωλήνα κυκλοφορεί με τη βοήθεια αντλιών θερμαγωγό υγρό που συλλέγει τη θερμική ενέργεια και την μεταφέρει στην μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος. Υπάρχουν δύο τρόποι να γίνει αυτό: Είτε να κυκλοφορεί στους σωλήνες απορρόφησης ένα ρευστό το οποίο φέρει τη θερμότητα που χρησιμοποιείται για να παραχθεί ατμός σε έναν εναλλάκτη θερμότητας στο κύκλο Rankine, είτε ο ίδιος ο ατμός του κύκλου να κυλά στις σωληνώσεις των παραβολικών κατόπτρων. Καλούνται Έμμεση και Άμεση παραγωγή ατμού αντίστοιχα. Ο πλέον διαδεδομένος τρόπος είναι ο πρώτος καθώς ο δεύτερος έχει χρησιμοποιηθεί μόνο στην Ταϊλάνδη σε εργοστάσιο που ξεκίνησε τη λειτουργία του το (36) Έμμεση παραγωγή ατμού. Το θερμαγωγό ρευστό πρέπει να πληροί ορισμένα κριτήρια. Το σημαντικότερό είναι να έχει επαρκώς υψηλή θερμοκρασία εξάτμισης σε φυσιολογικές πιέσεις. Αυτό καθορίζει την θερμοκρασία λειτουργίας του άρα και τη μέγιστη απόδοση μετατροπής του κύκλου του στροβίλου, ο οποίος αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας της θερμής πηγής. Απαραίτητο είναι επίσης να έχει υψηλή θερμοχωρητικότητα και αγωγιμότητα και χαμηλό ιξώδες. Δευτερεύοντα κριτήρια είναι να έχει χαμηλή θερμοκρασία πήξης ώστε να μην απαιτείται προστασία σε περίπτωση χαμηλών θερμοκρασιών στο ηλιακό πεδίο, να μην είναι έντονα εύφλεκτο ή εκρηκτικό, να είναι οικονομικό Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τα διαθέσιμα υγρά με τα χαρακτηριστικά του καθενός. Στις πρώτες εγκαταστάσεις τη δεκαετία του 1980 χρησιμοποιούνταν ορυκτό λάδι το οποίο εγκαταλείφθηκε. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υγρό είναι συνθετικό λάδι το οποίο μπορεί να θερμανθεί ασφαλώς μέχρι τους 400 C. Kαι το τηγμένο νιτρώδες αλάτι χρησιμοποιείται πια σε αρκετές εγκαταστάσεις. Τα πλεονεκτήματα του είναι η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας τους είναι ψηλότερη από τα άλατα, γύρω στους 560 C, οικονομικότερο και με μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα, και επιτρέπει την άμεση θερμική 48

57 αποθήκευση, κάτι που θα αναλυθεί στη συνέχεια. Παρόλα αυτά εξαιτίας του ότι έχει δυνατότητα ψηλότερης θερμοκρασίας λειτουργίας, έχει και μεγαλύτερες θερμικές απώλειες. Επιπλέον, έχει ψηλότερη θερμοκρασία πήξης σε σχέση με τα έλαια, πράγμα που σημαίνει πως είναι πιθανόν να χρειαστεί σύστημα αντιπηκτικής προστασίας, ενώ επίσης είναι πιο διαβρωτικό. Υγρό Θερμοκρασιακά όρια ( ) Ιδιότητες Συνθετικό λάδι (πχ VP - 1) Σχετικά ψηλή θερμοκρασία λειτουργίας, εύφλεκτο Ορυκτό έλαιο Σχετικά φτηνό, εύφλεκτο Νερό / ατμός 0 - >500 Απαίτηση υψηλής πίεσης και τοιχωμάτων μεγάλου πάχους Λάδι σιλικόνης Άοσμο, μη τοξικό, ακριβό, εύφλεκτο Νιτρικό άλας Hitec Υψηλή θερμοκρασία πήξης και λειτουργίας, διαβρωτικό Νιτρικό άλας Hitec XL Υψηλή θερμοκρασία πήξης και λειτουργίας, διαβρωτικό Νιτρικό άλας Hitec Solar Salt Υψηλή θερμοκρασία πήξης και λειτουργίας, διαβρωτικό Ιονικά υγρά Καλές θερμικές ιδιότητες, ακριβό Άμεση παραγωγή ατμού. Όπως προαναφέρθηκε, πρόκειται για παραγωγή ατμού στο ηλιακό πεδίο. Με τη μέθοδο αυτήν εξαλείφεται η ανάγκη για μια ενδιάμεσο ρευστό μεταφοράς θερμότητας. Η άμεση παραγωγή ατμού αυξάνει το κόστος των σωληνώσεων των συλλεκτών εξαιτίας της αύξησης της πίεσης λειτουργίας σε πίεση άνω των 100 bar. Παρόλα αυτά μειώνει το συνολικό κόστος της επένδυσης στο εργοστάσιο διότι καταργεί τους εναλλάκτες θερμότητας υγρού μεταφοράς θερμότητας-ατμού του κύκλου και όλα τα στοιχεία που συνδέονται με το θερμοαγωγό υγρό όπως σύστημα πυρόσβεσης, δοχείο διαστολής λαδιού κλπ. Η απόδοση αυξάνεται με την εξάλειψη της διαδικασίας ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ θερμαγωγού υγρού και ατμού. Η άμεση παραγωγή ατμού δοκιμάστηκε με επιτυχία στο Plataforma Solar de Almería (PSA) που είναι ένας χώρος έρευνας των δυνατοτήτων της ηλιακής ενέργειας και από το 2012 χρησιμοποιείται στο εργοστάσιο παραγωγής TSE1 στην Ταϊλάνδη. Οι δοκιμές που έγιναν στο PSA ήταν σε θερμοκρασία μέχρι 400 σε πίεση των 100 bar και το πάρκο της Ταϊλάνδης παράγει ατμό 340. Ο στόχος, λοιπόν, πλέον είναι η κυκλοφορία ατμού θερμοκρασίας 550 στα 120 bar καθώς επίσης να γίνει δυνατή η αποθήκευση θερμότητας καθώς αυτή τη στιγμή δεν υπάρχει τεχνολογία αποθήκευσης που να συνδυάζεται με την άμεση παραγωγή ατμού Οπτική απόδοση Στα παραβολικά κάτοπτρα η θερμότητα που συλλέγεται δίνεται από τη σχέση Q abs = η geo η shadow η endloss η track η gen ρ m K CL A c B n και η οπτική απόδοση του η opt = Q abs = η A c B geo η shadow η endloss η track η gen ρ m K CL (33) n όπου η geo καλούνται τα σφάλματα δομής, 49

58 η shadow η επίδραση της σκίασης των κατόπτρων, η endloss οι απώλειες στο τέλος του συλλέκτη, η track σφάλματα παρακολούθησης του ήλιου, η gen γενικά σφάλματα, ρ m η ανακλαστικότητα του κατόπτρου, Κ ο τύπος μετατροπής της γωνίας πρόσπτωσης, CL ο παράγοντας καθαρότητας, A c το άνοιγμα του συλλέκτη σε m 2, B n η άμεση ακτινοβολία σε W/ m 2 Στην συνέχεια εξηγούνται οι παραπάνω παράγοντες Ο όρος η geo αναφέρεται σε σφάλματα στη δομή του κατόπτρου που προκαλούνται από μη ευθυγραμμισμένους καθρέφτες, παραμόρφωση σε σχέση με την ιδανική παραβολή λόγω αδυναμίας της δομής στήριξης ή λόγω ανέμων, μη λείες επιφάνειες κατόπτρων κλπ Ο η shadow αναφέρεται σε απώλειες λόγω σκίασης της κάθε σειράς κατόπτρων στην επόμενη που εμφανίζονται κυρίως τις πρωινές ώρες και στη δύση. Εικόνα 41: Απώλειες Σκίασης (33) η shadow = cos ρ L space όπου L d space η απόσταση των συστοιχιών από άξονα σε άξονα και d το πλάτος ανοίγματος της παραβολής σε m. η endloss Όπως προαναφέρθηκε, κατά τη διάρκεια της ημέρας ο ήλιος κινείται από ανατολή προς δύση με μια γωνιά από το ζενίθ η οποία δεν είναι ποτέ μηδενική. 50

59 Εικόνα 42: Ηλιακό ύψος και αζιμούθια γωνία Λόγω του ότι ο ήλιος δεν βρίσκεται ποτέ κάθετα πάνω από τα παραβολικά κάτοπτρα καθώς αυτά βρίσκονται σε μηδενική κλίση από το έδαφος, η ανακλαστική επιφάνεια του κατόπτρου δεν είναι κάθετη στις προσπίπτουσες ακτίνες και η αποτελεσματική περιοχή μειώνεται κατά το συνημίτονο της γωνίας πρόσπτωσης. Εφόσον ο ήλιος παρακολουθείται, εξακολουθεί να συγκεντρώνεται ακτινοβολία στον δέκτη μετά την πρόσπτωση τους στα κάτοπτρα αλλά σε μεγαλύτερη απόσταση εστίασης. Η πρόσπτωση της ακτινοβολίας υπό κλίση, προκαλεί μείωση της συλλεγόμενης ενέργειας με συντελεστή συνημίτονου (40) Αυτό το φαινόμενο καλείται επίδραση ή απώλειες συνημίτονου (cosine effect cosine losses) Εικόνα 43: Απώλειες συνημίτονου και απώλειες στο τέλος του συλλέκτη Επιπλέον, εξαιτίας της κλίσης του ήλιου ως προς την κάθετη στο κάτοπτρο, στο νότιο άκρο του συλλέκτη, μέρος του δέκτη δεν ακτινοβολείται και αντίστοιχα στο βόρειο άκρο του μέρος της ενέργειας ακτινοβολείται εκτός του δέκτη και δεν απορροφάται. Αυτό είναι γνωστό ως απώλειες στο τέλος του συλλέκτη (end losses). Προκειμένου να μειωθεί το ποσοστό αυτών των απωλειών, οι συλλέκτες κατασκευάζονται με μεγάλο μήκος. (40) 51

60 Εικόνα 44: Απώλειες στο τέλος του συλλέκτη (10) η endloss = 1 f tan θ ι L PTC όπου f η μεταβλητή που αναφέρεται στην απόσταση του σημείου εστίασης από την κορυφή της παραβολής, θ ι η γωνία πρόσπτωσης και L PTC το μήκος ενός συλλέκτη. Οι απώλειες στο τέλος του συλλέκτη είναι χαμηλότερες το μεσημέρι, εκτός από τον Απρίλιο ώς τον Ιούλιο που η ελάχιστη τιμή εμφανίζεται στο ξημέρωμα και στη δύση του ηλίου. Το σφάλμα παρακολούθησης η track αφορά τη μείωση της απορροφόμενης ακτινοβολίας εξαιτίας της μη σωστής ευθυγράμμισης του αισθητήρα που είναι τοποθετημένος στους συλλέκτες ή καθυστέρησης του συστήματος περιστροφής του συλλέκτη Ο όρος η gen λαμβάνει υπόψιν του μείωση της λαμβανόμενης ακτινοβολίας εξαιτίας άλλων παραγόντων που δεν μπορούν να μετρηθούν. Κ ο τύπος μετατροπής της γωνίας πρόσπτωσης είναι μια εμπειρική εξίσωση που αφορά τη μείωση της απόδοσης του συλλέκτη καθώς η γωνία πρόσπτωσης θ i αυξάνει. K = cos θ i θ i θ i 2 Τέλος, ο CL είναι ο συντελεστής που υποδεικνύει τη μείωση της ανακλαστικότητας των κατόπτρων εξαιτίας της επικάθησης σκόνης και άλλων σωματιδίων πάνω στην επιφάνεια του κατόπτρου. Οι συλλέκτες ανάλογα με την εποχή και τις καιρικές συνθήκες πλένονται περίπου κάθε 6 ημέρες. Η οπτική απόδοση ενός τέτοιου συλλέκτη μεταβάλλεται από 0,4 έως 0,8 περίπου στη διάρκεια ενός έτους με μικρότερη τιμή τον Δεκέμβριο και Ιανουάριου ενώ μεγαλύτερη τον 52

61 Ιούνιο και Ιούλιο. Η μορφή της οπτικής απόδοσης των παραβολικών κατόπτρων είναι ίδια με την μορφή της επίδρασης του συνημίτονου. (33) Το Ηλιακό πεδίο Προσανατολισμός συλλεκτών Θεωρητικά, τα παραβολικά κάτοπτρα μπορούν να έχουν οποιοδήποτε προσανατολισμό καθώς υπάρχει πάντα η δυνατότητα παρακολούθησης του Ήλιου. Πρακτικά, αυτό που επιλέγεται είναι οι σειρές των κατόπτρων να τοποθετούνται με προσανατολισμό Βορρά- Νότου και περιστρέφονται από την Ανατολή προς τη Δύση. Πειραματικά δοκιμάστηκε κ ο προσανατολισμός Ανατολής Δύσης. Τα προτέρημα την μικρή απαίτηση κίνησης των συλλεκτών κατά τη διάρκεια της μέρας και την μικρότερη διαφορά ενεργειακής απόδοσης ανάμεσα σε καλοκαίρι και χειμώνα. Τα μειονεκτήματα ήταν η αρκετά άνιση επίδοση του συλλέκτη στη διάρκεια μίας ημέρας λόγω των μεγαλύτερων απωλειών συνημίτονου και χαμηλότερη απόδοση ανά έτος σε σχέση με τον προσανατολισμό Βορρά Νότου. (36) Δομή ηλιακού πεδίου Η δομή του ηλιακού πεδίου μπορεί να διαφέρει ανάλογα με την παραγόμενη ισχύ της μονάδας παραγωγής, ανάλογα με το τι μέσο μεταφοράς θερμότητας χρησιμοποιεί, ή με το αν γίνεται άμεση παραγωγή ατμού ή όχι. Παρακάτω περιγράφεται δομή του ηλιακού πεδίου μιας εγκατάστασης με παραβολικά κάτοπτρα με παραγωγή ισχύος μεταξύ 30 και 100 MW και έμμεση παραγωγή ατμού με έλαιο ως θερμαγωγό υγρό. Το ηλιακό πεδίο μιας τέτοιας μονάδας έχει ορθογωνική δομή, σχεδόν τετράγωνη. Σε πολλές περιπτώσεις, η μονάδα παραγωγής βρίσκεται στο κέντρο ή κοντά στο κέντρο του ηλιακού πεδίου. Αυτό, σε συνδυασμό με το τετράγωνη δομή, επιτρέπει οι αγωγοί να είναι όσο το δυνατόν κοντύτεροι, προκειμένου τη μείωση των θερμικών απωλειών. Ένας σωλήνας που οδηγεί το θερμό ρευστό μεταφοράς θερμότητας από τον ηλιακό πεδίο προς το κεντρικό μπλοκ και ένας δεύτερος σωλήνας οδηγεί το «ψυχρό» ρευστό προς το ηλιακό πεδίο. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω από 8 έως και 12 κάτοπτρα συνδέονται σε σειρά και κινούνται από μία κοινή μονάδα παρακολούθησης του ήλιου. Μια τέτοια συστοιχία συλλεκτών μπορεί να έχει μήκος μεταξύ 100 m και 191 m (όπως στην περίπτωση του Heliotrough). Συχνά δύο παράλληλες σειρές συλλεκτών συνδέονται με τους ίδιους σωλήνες να σχηματίζουν βρόχους. Η μία άκρη του βρόχου συνδέεται στον «ψυχρό» σωλήνα και η άλλη στον «θερμό». Ένας βρόχος έχει συνήθως μήκος διπλάσιο από τα 300 μέτρα που σημαίνει πως το θερμαγωγό υγρό έχει 600 μέτρα για να ζεσταθεί. 53

62 Εικόνα 45: Δομή βρόχων Όσον αφορά την απόσταση μεταξύ των σειρών συλλεκτών, θα πρέπει να είναι ούτε πολύ μικρή καθώς έτσι θα αυξανόταν η σκίαση στους συλλέκτες, αλλά ούτε και πολύ μεγάλη αφού τότε οι σωλήνες να γίνουν αρκετά μακρύτεροι και οι θερμικές απώλειες και το κόστος θα αυξανόταν αρκετά. Μια καλή απόσταση μεταξύ των σειρών είναι περίπου τρεις φορές το άνοιγμα της παραβολής. (36) Εικόνα 46: Δομή ηλιακού πεδίου Μέγεθος ηλιακού πεδίου (36) Το μέγεθος του ηλιακού πεδίου μπορεί να χαρακτηριστεί ως η συνολική επιφάνεια του ανοίγματος των κατόπτρων, καθώς και η συνολική έκταση γης που καταλαμβάνει το πεδίο. Ο χώρος του εδάφους εξαρτάται από το εύρος του ανοίγματος και την απόσταση μεταξύ των σειρών συλλεκτών. Το εύρος του ανοίγματος εξαρτάται από πολλές παραμέτρους και ο καθορισμός του ιδανικού ανοίγματος για μια δεδομένη ισχύ εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι σύνθετος. Σε γενικές γραμμές, η περιοχή ανοίγματος εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες: - Την ονομαστική ισχύ της μονάδας που μπορεί να θεωρηθεί ως δεδομένη. 54

63 - Την τιμή της διαθέσιμης άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας η οποία καθορίζεται από την επιλογή της περιοχής όπου εγκαθίσταται ο σταθμός. Μια τιμή αναφοράς καθορίζεται για την συγκεκριμένη περιοχή και είναι μικρότερη από την μέγιστη τιμή ακτινοβολίας. Με βάση αυτήν την τιμή διαστασιολογείται το ηλιακό πεδίο και το μήκος και το πλάτος του εξαρτώνται από οικονομικούς παράγοντες βελτιστοποίησης. - Την απόδοση ηλιακής προς ηλεκτρική ενέργειας της μονάδας παραγωγής ενέργειας που ώστε να φτάνει μέγιστη δυνατή τιμή της. Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης σε νέα εργοστάσια με χρήση παραβολικών κατόπτρων είναι περίπου 25% ή λίγο υψηλότερα (Andasol 28%). Η μέση ετήσια απόδοση βρίσκεται στο 12% έως 16%. Η συνολική απόδοση των μονάδων εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, οι οποίες μπορούν να ομαδοποιηθούν ως απόδοση του συλλέκτη, δηλαδή το ποσό της ακτινοβολίας που ανακλάται στον σωλήνα απορρόφησης και το ποσοστό αυτής που απορροφάται από το θερμαγωγό υγρό, τις θερμικές απώλειες στο ηλιακό πεδίο και η γεννήτριες ατμού, τη θερμική απόδοση της μηχανής την αποδοτικότητα της γεννήτριας, και την κατανάλωση ενέργειας από τον ίδιο το σταθμό. -Τον συντελεστή Solar Multiple (SM) ή αλλιώς πολλαπλασιαστή ηλιακού πεδίου που ορίζεται ως ο λόγος μεταξύ της θερμικής ενέργειας που παράγεται από το ηλιακό πεδίο στο σημείο του σχεδιασμού προς τη θερμική ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία της μονάδας σε ονομαστική φόρτιση, στο σημείο σχεδιασμού του πεδίου. (41) SM = Q th.solar field Q th,power block SM = 1 αντιπροσωπεύει την επιφάνεια του ηλιακού πεδίου που, όταν εκτίθεται στην ηλιακή ακτινοβολία ίση με την τιμή ακτινοβολίας με βάση την οποία σχεδιάστηκε, παράγει την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για την λειτουργία του σταθμού στην ονομαστική του ηλεκτρική ισχύ, λαμβάνοντας υπόψιν τις θερμικές και οπτικές απώλειες. Επειδή σε οποιαδήποτε τοποθεσία, οι ώρες ανά έτος κατά τις οποίες η πραγματική ηλιακή ακτινοβολία είναι ίση με την τιμή με βάση την οποία σχεδιάστηκε είναι πιθανό να είναι λίγες, ένα ηλιακό πεδίο με SM = 1 σπάνια θα οδηγήσει στη λειτουργία του μπλοκ παραγωγής ισχύος στην ονομαστική του ισχύ. (42) Έτσι, για να λειτουργούν οι εγκαταστάσεις βασιζόμενες κυρίως στον ήλιο και λιγότερο σε άλλα εφεδρικά καύσιμα, απαιτείται ο συντελεστής αυτός να είναι μεγαλύτερος από 1. (41) - Εκτιμήσεις οικονομικής βελτιστοποίησης που αναφέρονται ειδικά στο ζήτημα του ποιες συνθήκες ακτινοβολίας λαμβάνονται υπόψιν στο σημείο σχεδιασμού. Εάν επιλεχθεί σημείο σχεδιασμού του εργοστασίου να είναι ένα μέρος όπου πολύ υψηλή άμεση ακτινοβολία επιτυγχάνεται μόνο λίγες φορές το καλοκαίρι, τότε η μονάδα σχεδόν πάντα λειτουργεί υπό συνθήκες μερικού φορτίου, κάτι που μειώνει την αποτελεσματικότητα της μονάδας. Αν, αντίθετα, το σημείο σχεδιασμού επιλέγεται ώστε να είναι σε αρκετά αδύναμες συνθήκες ακτινοβολίας, τότε το ηλιακό πεδίο θα πρέπει να πάρει πολύ μεγάλες διαστάσεις, άρα και να αυξηθούν οι επενδυτικές δαπάνες. Η ακόλουθη εξίσωση προσεγγίζει το απαιτούμενο συνολικό άνοιγμα μιας μονάδας. P el SM A ap = η G b,ap η loop,tot Όπου P el η ονομαστική ηλεκτρική ισχύς, SM ο συντελεστής με τον οποίο αυξάνεται η έκταση, η είναι η απόδοση ηλιακής προς ηλεκτρική ενέργειας που κυμαίνεται περίπου στο 20%, G b,ap η τιμή αναφοράς της άμεσης ακτινοβολίας στο σημείο σχεδιασμού και η loop,tot η 55

64 οπτική απόδοση του συλλέκτη επί την οπτική απόδοση του δέκτη επί τη θερμική απόδοση του δέκτη. Ένα σωστά διαστασιολογημένο ηλιακό πεδίο -μεγιστοποιεί το χρόνο λειτουργίας που το πεδίο παράγει επαρκή θερμική ενέργεια ώστε να παράγεται από το μπλοκ παραγωγής ισχύος η ονομαστική ισχύς, άρα μειώνει το ισοσταθμισμένο κόστος -ελαχιστοποιεί το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας -χρησιμοποιεί λιγότερο τη θερμική αποθήκευση και το ορυκτό καύσιμο Το συνολικό εδαφικό εμβαδόν που απαιτείται εξαρτάται κυρίως από το συνολικό άνοιγμα των κατόπτρων. Όπως σημειώθηκε πιο πάνω, η απόσταση ανάμεσα στους άξονες των σειρών των συλλεκτών είναι περίπου 3 φορές το πλάτος του ανοίγματος της παραβολής. Λαμβάνοντας υπόψιν και τις οδούς των σωληνώσεων το συνολικό μέγεθος γίνεται 3,5 φορές το άνοιγμα, ενώ τέλος λαμβάνοντας συμπεριλαμβάνοντας και την έκταση της μονάδας μετατροπής σε ηλεκτρική ενέργεια το συνολικό εμβαδών της εγκατάστασης μπορεί να φτάσει και 4 φορές το συνολικό εμβαδόν ανακλαστικής επιφάνειας Σύστημα αποθήκευσης Εξαιτίας της μεταβλητότητας της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας και του χρόνου, επιλέγεται συχνά να σχεδιαστεί το σύστημα ώστε να έχει δυνατότητα παραγωγής μεγαλύτερης ποσότητας ενέργειας από την ζητούμενη και η περίσσεια ενέργειας να χρησιμοποιείται για να αποθηκευτεί ώστε να παρέχεται τις ώρες που δεν είναι επαρκής η ηλιακή ενέργεια. (31) Κατά τη διάρκεια των θερινών μηνών, οι εγκαταστάσεις λειτουργούν συνήθως σε πλήρη ονομαστική ισχύ μόνο με τη χρήση ηλιακής ενέργειας για περίπου 10 έως 12 ώρες. Εικόνα 47: Συνολική δομή εγκατάστασης (42) Το σύστημα αποθήκευσης στα πρώτα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα παραβολικών κατόπτρων ήταν άμεσο σύστημα αποθήκευσης με δύο δεξαμενές (direct thermal storage), δηλαδή το ρευστό που κυκλοφορούσε στους σωλήνες των συλλεκτών ήταν το ίδιο και μέσο αποθήκευσης. Έτσι λειτούργησε και το σύστημα αποθήκευσης του πρώτου εργοστασίου Solar Electric Generating Systems (SEGS). Το σύστημα αυτό χρησιμοποιούσε ορυκτό έλαιο (mineral oil) ως θερμαγωγό υγρό άρα και ως μέσο αποθήκευσης θερμότητας. 56

65 Σε συστήματα αποθήκευσης με δύο δεξαμενές αποθήκευσης, υπάρχει μία θερμή και μία ψυχρή δεξαμενή. Ο λέβητας του κύκλου τροφοδοτείται πάντα από τη θερμή δεξαμενή και όταν το έλαιο έχει μεταφέρει τη θερμότητα στο νερό που πρόκειται να ατμοποιηθεί, διοχετεύεται στην ψυχρή δεξαμενή. Αυτή τροφοδοτεί τους σωλήνες απορρόφησης των συλλεκτών, που ταυτόχρονα τροφοδοτούν τη θερμή δεξαμενή με λάδι που θερμαίνεται από τους ηλιακούς συλλέκτες. Η χρήση όμως ελαίων ως μέσο αποθήκευσης έχει κάποια μειονεκτήματα. - Είναι απαραίτητο στον χώρο της δεξαμενής το λάδι να διατηρείται υπό πίεση ατμού και πάνω από την πίεση που αντιστοιχεί στη μέγιστη θερμοκρασία για να αποτραπεί η μετατροπή το έλαιο σε αέριο. Αυτό είναι εύκολο μιας και η πίεση των ελαίων που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αυτά είναι συνήθως χαμηλή και εύκολα συντηρείται για το εύρος θερμοκρασιών C. - Τα ορυκτά έλαια είναι εύφλεκτα όπως φάνηκε και από τη φωτιά που προκλήθηκε μετά από βλάβη στην λειτουργία της προστατευτικής ατμόσφαιρας (blanketing) της δεξαμενής η οποία και κατέστρεψε το σύστημα αποθήκευσης. Το γεγονός ότι είναι εύφλεκτα, έκανε τη χρήση ορυκτών ελαίων απαγορευτική για τα επόμενα εργοστάσια SEGS τα οποία θα εξυπηρετούσαν μεγαλύτερα φορτία και θα απαιτούνταν υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας. (32) Για τα συστήματα ελαίου είναι απαραίτητο η ατμόσφαιρα στο χώρο των δεξαμενών να παραμένει αδρανής και να υπάρχει κατάλληλο σύστημα πυρόσβεσης καθώς επίσης και μία δεξαμενή λαδιού για τη συλλογή τυχόν διαρροών. Ο συμπληρωματικός εξοπλισμός αυξάνει το κόστος του συστήματος αποθήκευσης. Για τους παραπάνω λόγους, εξετάστηκε το σενάριο της χρήσης τετηγμένου άλατος ως μέσω θερμικής αποθήκευσης, κάτι που ήδη συνέβαινε στο εργοστάσιο με σύστημα Ηλιακού Πύργου Solar Two, και αποδείχτηκε μία λύση οικονομικά συμφέρουσα και ασφαλής μιας και δεν είναι εύφλεκτο ούτε τοξικό. (31). Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται μέχρι και σήμερα στις εγκαταστάσεις ANDASOL της Ισπανίας. Στην περίπτωση αυτή, το ρευστό που κυκλοφορεί στους σωλήνες απορρόφησης είναι διαφορετικό από το μέσο αποθήκευσης θερμότητας. Ένα τέτοιο σύστημα καλείται έμμεσο σύστημα αποθήκευσης με δύο δεξαμενές (indirect two-tank molten-salt) Η λογική είναι η παρόμοια με το άμεσο σύστημα. Το μέρος του θερμού ελαίου περνά από έναν εναλλάκτη θερμότητας από όπου περνά και το τηγμένο αλάτι ώστε να προσλάβει την ενέργεια του ελαίου. Στην μία δεξαμενή διατηρείται το θερμό αυτό άλας. Όταν υπάρχει ανάγκη θερμότητας, θερμότητα μεταφέρεται από το θερμό άλας στο λάδι και το ψυχρό άλας διατηρείται στη δεύτερη δεξαμενή. Το ψυχρό άλας έχει προφανώς μεγαλύτερη θερμοκρασία από το σημείο τήξης του άλατος (περίπου 250 C). (31) Σε περιπτώσεις άμεσου συστήματος αποθήκευσης (ορυκτό λάδι) είναι πιθανό να συναντήσουμε μία δεξαμενή στην οποία το έλαιο είναι τοποθετημένο κατά στρώσεις ανάλογα με τη θερμοκρασία καθώς λόγω χαμηλότερης πυκνότητας το θερμό έλαιο παραμένει στα ανώτερα στρώματα της δεξαμενής ενώ το ψυχρό στα κατώτερα. Ο λέβητας τροφοδοτείται είτε από το ηλιακό πεδίο είτε από τη δεξαμενή αποθήκευσης. Το σύστημα είναι πλήρως φορτισμένο όταν όλο το έλαιο που αποθηκεύεται είναι ζεστό. Η συγκεκριμένη μέθοδος αποθήκευσης συστήνεται μόνο σε συστήματα μικρής χωρητικότητας. Για μεγαλύτερα συστήματα προτιμάται αποθήκευση σε δύο δεξαμενές, όπως αναλύθηκε παραπάνω. 57

66 2.3.8 Χρήση ορυκτών καυσίμων Δυνατή είναι η υβριδική λειτουργία του σταθμού χρησιμοποιώντας ορυκτά καύσιμα ή άλλες ανανεώσιμές πηγές. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο καύσιμο είναι κατά κύριο λόγο φυσικό αέριο. Η χρήση του καυστήρα αυτή είναι συνήθως βοηθητική κατά την εκκίνηση και τον τερματισμό λειτουργίας του σταθμού, για αποφυγή απότομων μεταβολών, τις ώρες που προβλέπεται μειωμένη συλλογή θερμικής ισχύος. Η εφεδρική αυτή μονάδα έχει τη δυνατότητα και να συμπληρώνει την ηλιακή παραγωγή όταν η ακτινοβολία είναι χαμηλή και να συμβάλει στην παραγωγή σταθερής ισχύος, όπως είναι το επιθυμητό, καθώς έχει πιο γρήγορη απόκριση από το σύστημα αποθήκευσης. (Trieb et al. 2009) Λειτουργία μονάδας Το εύρος θερμοκρασιών των παραβολικών κατόπτρων καθιστά δυνατή την ενσωμάτωση του ηλιακού πεδίου τους σε κύκλο Rankine νερού/ατμού για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. (43) Τη διάρκεια του βραδιού που δεν υπάρχει ηλιοφάνεια ο σταθμός είναι εκτός λειτουργίας και η θερμοκρασία του ρευστού μεταφοράς θερμότητας χαμηλή. Στην περίπτωση που το ρευστό μεταφοράς θερμότητας είναι το Therminol VP 1, που είναι και το πιο σύνηθες, η θερμοκρασία πήξεως του είναι 12, άρα πρέπει η θερμοκρασία του να μην πέφτει κάτω από την τιμή αυτή. Έτσι, οι αντλίες του ελαίου δουλεύουν στο 20% της ονομαστικής ροής ώστε το έλαιο να μην είναι στάσιμο. Σε κλίματα όπως της Ελλάδας, με την διαδικασία αυτή η θερμοκρασία του ρευστού φτάνει περίπου τους 80. Σε περιπτώσεις κακοκαιρίας, τίθεται σε λειτουργία το σύστημα θέρμανσης του λαδιού το οποίο είναι ηλεκτρικό και διατηρεί τη θερμοκρασία του ελαίου σε μια τιμή εντός των αποδεκτών ορίων καθώς χαμηλότερη θερμοκρασία θα δυσκόλευε την εκκίνηση του σταθμού την επόμενη ημέρα. (44) Στο σύστημα αποθήκευσης όπου συνήθως χρησιμοποιείται τηγμένο άλας. Στην περίπτωση χρήσης του Hitec Solar Salt, το μείγμα στερεοποιείται στους 238 και παρά την καλή μόνωση, και στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται βοηθητικό σύστημα αντιπηκτικής προστασίας που διατηρεί το ρευστό σε θερμοκρασίες άνω των 250 την ψυχρή δεξαμενή και άνω των 365 περίπου την θερμή δεξαμενή αποθήκευσης. Ο στρόβιλος προκειμένου να μην υποστεί φθορές, διάβρωση και να μην αυξηθούν οι δονήσεις πρέπει να λειτουργεί με υψηλής ποιότητας ατμό, δηλαδή όσο το δυνατόν λιγότερης περιεκτικότητας σε σταγονίδια. Γι αυτόν τον λόγο τίθεται ένα ελάχιστο όριο λειτουργίας του στροβίλου στο 25% της ονομαστικής του ισχύος. Έτσι, το πρωί το υγρό πρέπει να ανέβει η θερμοκρασία του υγρού σε ψηλά επίπεδα (>300 ) πριν φτάσει στο κύκλο. Τις πρώτες πρωινές ώρες, λόγο της χαμηλής θέσης του ήλιου, η ακτινοβολία είναι χαμηλή και το ποσοστό σκίασης υψηλό με συνέπεια η θερμότητα που συλλέγεται να είναι ανεπαρκής. Εκείνες τις ώρες χρησιμοποιείται ο καυστήρας ορυκτού καυσίμου ώστε να ανέβει η θερμοκρασία γρηγορότερα. Όταν προβλέπεται πως η συνολικής παραγόμενη ισχύς από το ηλιακό πεδίο και το βοηθητικό καυστήρα θα είναι μικρότερη από το 0,25 της ονομαστικής, το καύσιμο δεν χρησιμοποιείται τελικά. Ακόμα, όταν η μετεωρολογική πρόβλεψη για μια μέρα είναι τέτοια που η λειτουργία του σταθμού θα είναι δύσκολή, κυρίως στη χειμερινή περίοδο, επιλέγεται να μην εκκινήσει η διαδικασία παραγωγής ενέργειας. 58

67 Θεωρώντας λοιπόν μια μέρα κανονικής λειτουργίας της εγκατάστασης, όταν το έλαιο φτάσει σε φυσιολογική θερμοκρασία πηγαίνει στον εναλλάκτη του κύκλου. Μέχρι να αρχίσει να παράγεται ισχύς στην ονομαστική τιμή και να υπάρχει περίσσεια θερμικής ισχύος, δεν αποθηκεύεται ενέργεια στις δεξαμενές αποθήκευσης, εφόσον αυτό υπάρχει, αλλά ο εφεδρικός καυστήρας είναι ενεργός, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Ανάλογα με την εξωτερική θερμοκρασία για να πετύχουμε να φτάσει η θερμοκρασία του ρευστού ελαίου πιο γρήγορα, ρυθμίζεται η παροχή του (kg/s) καθώς όσο πιο μικρή είναι, τόσο πιο εύκολα θα ζεσταθεί. Έτσι τις πρώτες πρωινές ώρες η ροή μάζας του ρευστού είναι μικρή και καθώς ο ήλιος ανεβαίνει, μειώνεται. Στην περίπτωση περίσσειας συλλεγόμενης θερμικής ενέργειας, στην έξοδο του ηλιακού πεδίου, τις ώρες της υψηλής ηλιοφάνειας, όσοι ενέργεια δεν χρησιμοποιείται από το κύκλο, αποθηκεύεται στις δεξαμενές αποθήκευσης. Μέσω ενός εναλλάκτη, η θερμότητα μεταφέρεται από το έλαιο στο τηγμένο άλας που έρχεται από την ψυχρή δεξαμενή κ αποθηκεύεται στη θερμή, όταν αποκτήσει την καθορισμένη θερμοκρασία. Το σύστημα θεωρείται πλήρως φορτισμένο όταν όλο το ρευστό μεταφερθεί από την ψυχρή στην θερμή δεξαμενή. Αν το σύστημα αποθήκευσης είναι πλήρως φορτισμένο και εξακολουθεί να παράγεται θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο που δεν διοχετεύεται κάπου, τα κάτοπτρα στρέφονται ώστε να μην εστιάζουν στον ήλιο. Όταν υπάρχει μειωμένη ηλιοφάνεια ή όταν αρχίσει να δύει ο ήλιος, χρησιμοποιείται το σύστημα αποθήκευσης συμπληρωματικά ώστε να συνεχίσει να λειτουργεί ο σταθμός στην ονομαστική του ισχύ. Στην μηδενική πια ηλιοφάνεια, εξακολουθεί να δίνει ενέργεια μέχρι να εκφορτιστεί, δηλαδή να επιστρέψει όλο το ρευστό στην ψυχρή δεξαμενή, αλλά σε αυτήν την περίπτωση η παραγόμενη ισχύς είναι μικρότερη της ονομαστικής. Όταν η ηλεκτροπαραγωγή φτάσει το 25% της ονομαστικής, μπαίνει σε λειτουργία ο καυστήρας ώστε να μην μηδενιστεί απότομα η παραγωγή και γίνεται ομαλός τερματισμός του συστήματος. Το βράδυ, τα κάτοπτρα, για την προφύλαξη τους και για την μείωση επικαθήμενης σκόνης, στρέφονται με τα κοίλα προς τα κάτω. Μετεωρολογική Πρόβλεψη Καιρού Μεγάλη σημασία για την σωστή λειτουργία και συντήρηση του σταθμού έχει η ακριβής πρόβλεψη του καιρού. Η πρόγνωση από την προηγούμενη ημέρα της ηλιοφάνειας στην περιοχή εγκατάστασης, της νέφωσης και της θερμοκρασίας καθορίζουν την στρατηγική λειτουργίας της εγκατάστασης και την χρήση του εφεδρικού καυσίμου. Σε περιπτώσεις εκτεταμένης κακοκαιρίας ενδέχεται να επιλεχθεί να μην ξεκινήσει η διαδικασία παραγωγής ενέργειας. Καθαρισμός συλλεκτών Η ανακλαστικότητα των κατόπτρων πρέπει να διατηρείται σε ψηλά επίπεδα άνω του 90%. Έτσι ανάλογα με την εποχή και την περιοχή εγκατάστασης του συστήματος, οι συλλέκτες απαιτούν καθαρισμό περίπου 63 φορές το χρόνο. 59

68 2.4 Γραμμικά κάτοπτρα τεχνολογίας Fresnel Ο γραμμικός ανακλαστήρας τεχνολογίας Fresnel πήρε το όνομά της από τον φακό Fresnel, που αναπτύχθηκε από τον Γάλλο φυσικό Augustin-Jean Fresnel για φάρους κατά τον 18ο αιώνα. Η αρχή αυτού του φακού είναι ο κατακερματισμός της αρχικής επιφάνειας ενός κυρτού φακού σε ένα σύνολο από επιφάνειες με ασυνέχειες ανάμεσα τους. Αυτό επιτρέπει τη μείωση του πάχους (και έτσι του βάρους και του όγκου) του φακού, κάτι πολύ χρήσιμο ειδικά σε κατασκευές όπου χρειάζονται μεγάλοι φακοί. Αυτό γίνεται σε βάρος της ποιότητας απεικόνισης του φακού, έτσι χρησιμοποιούνται σε κατασκευές όπου δεν είναι αυστηρή η απαίτηση οπτικής ακρίβειας. (45) Εικόνα 48: Φακοί Fresnel (45) Η ιδέα της διαίρεσης ενός φακού σε τμήματα που συνολικά έχουν το ίδιο (ή πολύ παρόμοιο) οπτικό αποτέλεσμα με τον αρχικό φακό μπορεί να εφαρμοστεί επίσης σε καθρέπτες. Όσον αφορά την συγκέντρωση της ακτινοβολίας σε μια εστιακή ευθεία, ένας γραμμικός συλλέκτης Fresnel έχει παρόμοια αποτέλεσμα ένα παραβολικό κάτοπτρο ίδιου μήκους και ανοίγματος. Οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που λειτουργούν με την τεχνολογία Fresnel αποτελούνται όπως και στα παραβολικά κάτοπτρα, από το ηλιακό πεδίο όπου βρίσκονται οι βασικοί συλλέκτες τα κάτοπτρα και ο σωλήνας απορρόφησης με έναν προαιρετικό δευτερεύοντα ανακλαστήρα και το μπλοκ παραγωγής ενέργειας. 60

69 Εικόνα 49: Συλλέκτης τεχνολογίας Fresnel Πρωτεύοντα κάτοπτρα Οι πρωτεύοντες ανακλαστήρες των γραμμικών συλλεκτών Fresnel κατασκευάζονται από επίπεδες λωρίδες με μία μικρή καμπυλότητα. Όπως και στα παραβολικά κάτοπτρα, το υλικό αντανάκλασης είναι το ασήμι. Εικόνα 50: Συλλέκτης τεχνολογίας Fresnel Σημαντική παράμετρος στο σχεδιασμό των συλλεκτών, είναι το πλάτος των λωρίδων αυτών, το πλάτος του συνολικού συλλέκτη, ο αριθμός των παράλληλων λωρίδων, το ύψος του σωλήνα απορρόφησης από το πρώτο κάτοπτρο, η απόσταση μεταξύ των λωρίδων και η καμπυλότητα του καθρέπτη. - Το πλάτος του κάθε γραμμικού καθρέπτη (λωρίδα) αν είναι πολύ μικρό επιβαρύνει το κόστος της εγκατάστασης καθώς περισσότεροι καθρέπτες θα χρειαστεί να τοποθετηθούν ενώ 61

70 ταυτόχρονα οξύνεται το πρόβλημα του φαινομένου του αστιγματισμού (astigmatism effect). Το φαινόμενο αυτό είναι ένα σφάλμα απεικόνισης, δηλαδή αστοχία ενός συστήματος να κατευθύνει όλες τις ακτίνες από ένα σημείο του ανακλαστήρα σε ένα σημείο του δέκτη. - Το συνολικό πλάτος του συλλέκτη επίσης, στην περίπτωση που είναι μικρό συνεπάγεται συλλογή λιγότερης ακτινοβολίας, ενώ σε πολύ μεγάλα πλάτη, οι εξωτερικοί πιο απομακρυσμένοι καθρέπτες δεν συμβάλουν τόσο στο σύστημα καθώς επίσης και είναι πολύ πιο πιθανό να γίνουν λάθη ακρίβειας εστίασης. Επίσης, η πρόσπτωση της ανακλώμενης ακτινοβολίας πάνω στον σωλήνα απορρόφησης με μεγάλη κλίση σε σχέση αυτήν που προέρχεται από τα εσωτερικά κάτοπτρα, προκαλεί προβλήματα σε σχέση με τη γεωμετρία του δευτερεύοντα ανακλαστήρα ο οποίος θα αναλυθεί στη συνέχεια. -Η απόσταση του σωλήνα απορρόφησης από το επίπεδο των κατόπτρων επίσης πρέπει να είναι μέσα σε κάποια πλαίσια σε σχέση με την κατασκευή καθώς μεγάλη απόσταση συμβάλει στην μικρότερη συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας και σε μεγαλύτερα σφάλματα εστίασης, ενώ αρκετά μικρή απόσταση προκαλεί μεγαλύτερη σκίαση του σωλήνα στους ανακλαστήρες -Τα κενά ανάμεσα στις λωρίδες κατόπτρων, πρέπει για άλλη μια φορά να μην είναι πολύ μεγάλα ώστε να αυξάνεται το συνολικό άνοιγμα του συλλέκτη, ούτε πολύ μικρά ώστε να εντείνονται φαινόμενα σκίασης της μίας σειράς πάνω στην επόμενη. -Τέλος, η καμπυλότητα των λωρίδων πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψιν. Σε μεγάλη αλλά και σε μικρή καμπυλότητα, αρκετή από την ακτινοβολία δεν προσπίπτει στον συλλέκτη. Για την κατασκευή, γίνονται προσομοιώσεις ανάλυσης του ισοσταθμισμένου κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας με σκοπό να βρεθεί το βέλτιστό μέγεθος κάθε μίας από τις παραπάνω παραμέτρους, κάθε φορά θεωρώντας δεδομένες τις υπόλοιπες. (45) Ο Δέκτης Οι δέκτες των κατόπτρων Fresnel διαφέρουν σε σχέση με τη δομή των δεκτών στα παραβολικά κάτοπτρα. Τοποθετούνται τροχοφόρα δικτυώματα καθώς εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας που αναπτύσσεται, οι σωλήνες διαστέλλονται σε μήκος κατά 0,6%. Τα συστήματα κατόπτρων Fresnel δεν μπορούν να φτάσουν την συλλογή ακτινοβολίας στα επίπεδα της αντίστοιχης ενός συστήματος παραβολικών κατόπτρων, οπότε για να συλλεχθεί η αναπόφευκτη αστοχία ανάκλασης από την επιφάνεια των κατόπτρων προς τον δέκτη, τοποθετείται ένας δευτερεύοντας ανακλαστήρας πάνω από τον σωλήνα. Ο δευτερεύον συλλέκτης αυτός πέρα από το να αυξάνει την συγκέντρωση ακτινοβολίας στον δέκτη, βοηθά στη θερμική μόνωση και προστατεύει από την επικάθιση σκόνης στων σωλήνα. Ο ανακλαστήρας αυτός έχει την μορφή ενός παραβολικού κοίλου με ευθεία εστίασης τον δέκτη με μεγάλη θερμοκρασιακή αντοχή καθώς η θερμοκρασία στην κοιλότητα μπορεί να φτάσει τους 300. Δυνατή είναι και η τοποθέτηση περισσότερων του ενός δεκτών ώστε να αυξηθεί η επιφάνεια απορρόφησης. 62

71 Εικόνα 51: Σύστημα με περισσότερους του ενός σωλήνα απορρόφησης Καθώς στις εμπορικές ως τώρα εγκαταστάσεις κατόπτρων Fresnel υπάρχει ο δευτερεύον συλλέκτης που παρέχει θερμική μόνωση, οι σωλήνες απορρόφησης δεν απαιτείται να τοποθετηθούν σε κενό. (45) Ρευστό μεταφοράς θερμότητας Μέχρι τώρα η συγκεκριμένη τεχνολογία εφαρμόζεται με άμεση παραγωγή ατμού πράγμα που συνεπάγεται πως το ρευστό μεταφοράς θερμότητας είναι το ίδιο το νερό που ατμοποιείται για να κινήσει τον στρόβιλο. Υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής υπέρθερμου ατμού που είναι μια πιο δύσκολη διαδικασία και κορεσμένου ατμού που αν και πιο εύκολο στην υλοποίηση, δίνει πιο χαμηλούς βαθμούς απόδοσης. Εικόνα 51: Δομή ηλιακού πεδίου για παραγωγή υπέρθερμου ατμού Δομή ηλιακού πεδίου Προσανατολισμός κατόπτρων Fresnel Όπως και στην περίπτωση των παραβολικών κοίλων, η πιο συμφέρουσα επιλογή τοποθέτησης των κατόπτρων Fresnel είναι με προσανατολισμό Βορρά Νότου. Παρακολούθηση ηλιακής ακτινοβολίας Στα συγκεκριμένα συστήματα υπάρχει η δυνατότητα διαφορετικής κλίσης του κάθε ανακλαστήρα ανάλογα με την θέση του ήλιου. 63

72 Εικόνα 52: κλίση κατόπτρων Fresnel Σύγκριση με τεχνολογία παραβολικών κοίλων Λόγω της αστοχίας εστίασης στον σωλήνα απορρόφησης και των έντονων φαινομένων σκίασης μεταξύ των καθρεφτών αλλά και άλλως παραγόντων οπτικών απωλειών, η απόδοση των συστημάτων Fresnel δεν είναι τόσο μεγάλη όσο στα συστήματα παραβολικών κατόπτρων. Επίσης, μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις μικρής ισχύος με εξαιρέσεις ορισμένων εγκαταστάσεων που αγγίζουν τα 50 MW. Παρόλα αυτά, λόγω της χρήσης νερού ως ρευστό μεταφοράς θερμότητας η θερμική αδράνεια είναι πολύ μικρότερη από την αντίστοιχη στα παραβολικά κοίλα και η θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την μέγιστη του ελαίου που χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγω στα κοίλα. Τέλος, κατασκευαστικά, τα κάτοπτρα των συστημάτων Fresnel είναι πολύ πιο εύκολα και κατά συνέπεια πιο φτηνά, ενώ το κόστος και η δυσκολία κατασκευής είναι μικρότερα και λόγω της ανυπαρξίας μόνωσης του δέκτη 64

73 2.5 Ηλιακός πύργος ισχύος Εικόνα 53: Σύστημα ηλιακού πύργου ισχύος (Crescent Dunes Solar Tower Plant ) Βιβλιογραφικά αναφέρεται και ως Κεντρικός Δέκτης. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας αυτής ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970 μαζί με τα παραβολικά κάτοπτρα. Η δεύτερη σε χρήση τεχνολογία συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων, είναι διαθέσιμη εμπορικά από το 1981 που τέθηκε σε λειτουργία η πρώτη του είδους εγκατάσταση Solar One με ισχύ 10 MW στην Καλιφόρνια και λειτουργούσε με υγρό μεταφοράς θερμότητας το νερό. Το 1995 ξεκίνησε να λειτουργεί και ο σταθμός Solar Two με ρευστό μεταφοράς θερμότητας το τηγμένο άλας. (46) Σήμερα ο μεγαλύτερος σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων λειτουργεί με Ηλιακό Πύργο και είναι ο Ivanpah στην Καλιφόρνια που παράγει ονομαστική ισχύ 392 MW. Η λειτουργία των σταθμών αυτών βασίζεται στην πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε χιλιάδες επίπεδους ηλιοστάτες που παρακολουθούν τον ήλιο και εστιάζουν στην κορυφή ενός κεντρικού δέκτη, τον ηλιακό πύργο, που βρίσκεται τοποθετημένος στο κέντρο του των ηλιοστατών ανακλώντας και συγκεντρώνοντας σε αυτών την ηλιακή ακτινοβολία. Από τον κεντρικό δέκτη, σε ένα σύστημα κλειστού βρόχου, διέρχεται υγρό άλας το οποίο έχοντας απορροφήσει θερμική ενέργεια, κατεβαίνει στις δεξαμενές αποθήκευσης σε θερμοκρασία έως περίπου 565 και από εκεί στο κύκλο όπου χρησιμοποιείται για την παραγωγή του ατμού που θα κινήσει την τουρμπίνα. (46) 65

74 Εικόνα 54: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με σύστημα Ηλιακού πύργου ισχύος (47) Οι ηλιοστάτες Οι ηλιοστάτες είναι σχεδόν επίπεδα κάτοπτρα, το κάθε με δικό του μηχανισμό για την παρακολούθηση του ήλιου με σύστημα δύο αξόνων. Η επιφάνεια τους κυμαίνεται από 50 έως 150 m 2. Το υλικό κατασκευής του ανακλαστήρα είναι συνήθως λεπτό κάτοπτρο χαμηλής περιεκτικότητας σε σίδηρο (low-iron glass mirror). Ο ηλιοστάτης συντίθεται από μικρότερα τμήματα κατόπτρων και στηρίζεται σε επιφάνειες με ελαφριά καμπυλότητα. Χρησιμοποιώντας ελαφρώς κοίλα τμήματα καθρέπτη, οι ηλιοστάτες μπορούν να αυξήσουν την συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας στον δέκτη αν και αυτό ανεβάζει το κόστος παραγωγής (10) Εικόνα 55: Ηλιοστάτης Οι δύο άξονες περιστροφής του ηλιοστάτη φαίνονται στην εικόνα 55. Ο πρώτος άξονας καθορίζει την κίνηση σχετικά με το έδαφος και ο δεύτερος, που βρίσκεται στο επίπεδο του 66

75 ηλιοστάτη, είναι κάθετος στον πρώτο. Καθώς ο ήλιος κινείται, ο ηλιοστάτης περιστρέφεται ακολουθώντας τον κ ταυτόχρονα ανακλώντας πάντα στον στόχο που είναι ο δέκτης στην κορυφή του πύργου. (48) Εικόνα 56: Άξονες περιστροφής ηλιοστάτη Το πεδίο των ηλιοστατών Το πεδίο των ηλιοστατών μπορεί να τοποθετηθεί κυκλικά γύρω από τον πύργο, ή μόνο στη βόρεια πλευρά του πύργου. Η πρώτη περίπτωση είναι καλύτερη για χαμηλά γεωγραφικά πλάτη (<35 ), ενώ η δεύτερη περίπτωση είναι για εγκαταστάσεις σε μεγαλύτερο γεωγραφικό πλάτος. Εικόνα 57: Πεδίο ηλιοστατών ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος [Soler 2011] 67

76 Όταν αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των ηλιοστατών, οι απώλειες εξαιτίας της σκίασης μειώνονται, αυξάνεται όμως η εξασθένηση της λαμβανόμενης ακτινοβολίας. Ο σχεδιασμός του πεδίου πρέπει να είναι ο βέλτιστος συνδυασμός των δύο παραπάνω παραγόντων. (49) Διάφοροι αλγόριθμοι σχεδιασμού του πεδίου και τοποθέτησης των κατόπτρων έχουν αναπτυχθεί στην προσπάθεια της βελτίωσης της απόδοσης τέτοιων μονάδων. Ενδεικτικά αναφέρονται η Πυκνά Ακτινική Κλιμάκωση όπου οι ηλιοστάτες βρίσκονται γύρω από τον πύργο αλλά κανένας ηλιοστάτης δεν βρίσκεται ακριβώς μπροστά από άλλον παρακείμενης σειράς, το Campo που είναι μια ακτινική επέκταση της προηγούμενης διάταξης, η Γραφική μέθοδος και ο αλγόριθμος Delsol όπου το πεδίο χωρίζεται σε ζώνες, και η Σπείρα Fermat που χρησιμοποιεί εξισώσεις που δημιουργούν σπείρες στο πεδίο. (48) Ο Δέκτης Ο δέκτης τοποθετείται σε μεγάλο ύψος ώστε να είναι δυνατή η μείωση της απόστασης μεταξύ των ηλιοστατών και η μείωση της σκίασης του ενός στον άλλο. Το ύψος των πύργων κυμαίνεται μεταξύ 75 και 150 m. Στον δέκτη η ενέργεια απορροφάται από το ρευστό μεταφοράς θερμότητας και οδηγείται στο σύστημα αποθήκευσης και στο κύκλο. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι δέκτη στον πύργο, ανάλογα με το πεδίο ηλιοστατών. Ο τύπος του δέκτη που χρησιμοποιείται καθορίζει την μέγιστη θερμοκρασία που μπορεί να επιτευχθεί, και κατά συνέπεια την απόδοση του σταθμού. Το υλικό κατασκευής του δέκτη πρέπει να τα ίδια χαρακτηριστικά με το δέκτη των παραβολικών κατόπτρων και του γραμμικού συλλέκτη Fresnel, δηλαδή υψηλό συντελεστή απορρόφησης για το ορατό φάσμα και χαμηλό συντελεστή εκπομπής για μεγάλα μήκη κύματος. (49) Εξωτερικοί Δέκτες Οι εξωτερικοί δέκτες, αποτελούνται από πολλούς μικρούς κατακόρυφους σωλήνες (20-56 mm) που συγκολλούνται μεταξύ τους και ονομάζονται πάνελ. Οι άκρες τους συνδέονται με σωλήνες όπου ρέει το ρευστό μεταφοράς θερμότητας. Στο κάτω άκρο κάθε πάνελ ξεκινά να κυκλοφορεί το ρευστό το οποίο συλλέγει θερμότητα και επιστρέφει από το άνω άκρο των κατακόρυφων πάνελ στο εσωτερικό του πύργου. (10) Αυτός ο τύπος δέκτη χρησιμοποιήθηκε στην κορυφή ενός πύργου 77,1 m στο Solar One, όπου το ρευστό μεταφοράς ήταν νερό, και τον συνέθεταν 24 πάνελ των 70 σωλήνων, μήκους 13,7 m. Έξι από αυτά τα πάνελ χρησιμοποιούνταν για την προθέρμανση του νερού και 18 για την παραγωγή ατμού. Το τελικό αποτέλεσμα ήταν ένας δέκτης διαμέτρου 7 m. (10) 68

77 Εικόνα 58: Εξωτερικός κεντρικός δέκτης Οι σωλήνες κατασκευάζονται από κεραμικά υλικά από κράματα μετάλλων που παραμένουν σταθερά σε έκθεση σε μεγάλες θερμοκρασίες (50) όπως το Incoloy 800 που είναι κράμα νικελίου χρωμίου σιδήρου που προορίζονται για εγκαταστάσεις με απαιτήσεις μεγάλης αντοχής στην μεγάλη θερμότητα και στη διάβρωση. Επικαλύπτονται από στρώματα μπογιάς μαύρου χρώματος με υψηλή απορροφητικότητα όπως το Pyromark που σχεδιάστηκε για να αντέχει την υψηλή θερμοκρασία και να προστατεύει από οξείδωση και διάβρωση. Οι δέκτες αυτοί μπορούν να συλλέξουν ακτινοβολία από όλες τις κατευθύνσεις άρα χρησιμοποιούνται με πεδία όπου οι ηλιοστάτες είναι τοποθετημένη σε όλη την περιφέρεια του κύκλου γύρω από τον πύργο. Ο λόγος ύψους προς διάμετρο των δεκτών αυτών είναι από 1:1 ως 2:1 και διατηρούν στο ελάχιστο την επιφάνεια τους ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες. Οι εξωτερικοί δέκτες συνήθως έχουν ένα ύψος προς διάμετρο 1: 1 έως 2: 1. Η περιοχή του δέκτη διατηρείται σε ένα ελάχιστο για να μειωθεί η απώλεια θερμότητας ανάλογα με το ρευστό μεταφοράς θερμότητας καθώς, για παράδειγμα, το νερό απαιτεί διπλάσιο μέγεθος από το τηγμένο άλας για την παραγωγή ίσης ισχύος. Δέκτες κοιλότητας (cavity receivers) Σε αυτού του τύπου τους δέκτες η επιφάνεια απορρόφησης τοποθετείται στο εσωτερικό μιας μονωμένης κοιλότητας, σε μια προσπάθεια μείωσης των απωλειών θερμότητας λόγω συναγωγής. Η ακτινοβολία από το πεδίο ηλιοστατών ανακλάται μέσα από ανοίγματα πάνω στις απορροφητικές επιφάνειες απορρόφησης που είναι τοποθετημένες στα εσωτερικά τοιχώματα της κοιλότητας. Οι μη αγώγιμες περιοχές της κοιλότητας μονώνονται για τον περιορισμό των απωλειών. Ενώ οι δέκτες ξεκίνησαν να σχεδιάζονται με έως και τέσσερα ανοίγματα, μελέτες κατέληξαν πως συστήματα με ένα μόνο άνοιγμα με βόρειο προσανατολισμό έχουν την βέλτιστη απόδοση. Ως εκ τούτου, οι δέκτες κοιλότητας μπορούν να λάβουν ακτινοβολία μόνο από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και χρησιμοποιούνται με την δεύτερη κατηγορία πεδίων όπου οι ηλιοστάτες βρίσκονται μόνο στην βόρεια μεριά της περιφέρειας γύρω από τον πύργο. (49) 69

78 Το μέγεθος του ανοίγματος είναι όσο το δυνατόν μικρότερο ώστε να μειώνονται οι απώλειες συναγωγής αλλά ταυτόχρονα προσέχοντας να μην αποκόπτεται ακτινοβολία που φτάνει από το πεδίο ηλιοστατών. Τυπικά, διαστασιολογείται να είναι όσο το άνοιγμα της αντανακλώμενης ακτινοβολίας από τον μακρυνότερο ηλιοστάτη, με μία μικρή διαρροή της τάξης του 1 4%. Εικόνα 59: Δέκτες κοιλότητας Ογκομετρικοί δέκτες Οι δέκτες αυτοί χρησιμοποιούν ένα πλήθος από πορώδη υλικά όπως αφρός, κεραμικά, κατάλληλα επεξεργασμένα μέταλλα που τοποθετούνται στο εσωτερικό του δέκτη ώστε η συγκεντρωμένη ηλιακή ακτινοβολία να απορροφάται στο εσωτερικό της δομής τους. Η ακτινοβολία αυξάνει τη θερμοκρασία του πορώδους υλικού ενώ το ρευστό μεταφοράς θερμότητας περνά μέσα από τον όγκο του προσλαμβάνοντας την συλλεγμένη ενέργεια μέσω συναγωγής. Οι ογκομετρικοί δέκτες αυξάνουν την πυκνότητα της ροής που απορροφάται από το ρευστό μεταφοράς θερμότητας. Οι ογκομετρικοί δέκτες είναι χρησιμοποιούνται με συμπιεσμένα αέρια, όπως ο αέρας και το ήλιο, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που μπορούν να επιτευχθούν Τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Οι δύο κύριες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας εξαρτώνται από το υγρό μεταφοράς θερμότητας που είναι κατά κύριο λόγο είτε νερό / ατμός ή τηγμένο άλας. Στην περίπτωση που το ρευστό είναι νερό, οι ηλιοστάτες, ανακλούν την ακτινοβολία στον δέκτη από όπου το νερό περνά, μετατρέπεται σε ατμό και υπερθερμαίνεται. Η θερμοκρασία του φτάνει έως και τους 500. Ο ατμός κατεβαίνει στο μπλοκ παραγωγής ισχύος και κινεί τον στρόβιλο της ανεμογεννήτριας. Λόγω της άμεσης παραγωγής ατμού και του ότι δεν μεσολαβεί κάποιος εναλλάκτης, οι απώλειες είναι μικρότερες από την περίπτωση του τηγμένου άλατος. 70

79 Σε έναν ηλιακό πύργο με τεχνολογία τηγμένου άλατος, το ρευστό στον δέκτη φτάνει σε θερμοκρασία 565. Από εκεί οδηγείται πρώτα σε μία δεξαμενή αποθήκευσης από όπου όποτε υπάρχει ανάγκη οδηγείται στην γεννήτρια όπου παράγει ατμό 540 μέσω εναλλάκτη θερμότητας. Το ψυχρό πλέον άλας, επιστρέφει στην δεξαμενή ψυχρής αποθήκευσης σε θερμοκρασία 290. Όπως και στις υπόλοιπες τεχνολογίες συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων, υπάρχει η δυνατότητα υβριδοποίησης με φυσικό αέριο για σταθερότητα και βελτιωμένη απόδοση του συστήματος Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της τεχνολογίας Η τεχνολογία του ηλιακού πύργου, ή αλλιώς κεντρικού δέκτη, έχει αρκετά πλεονεκτήματα. Είναι μία δοκιμασμένη και ώριμη τεχνολογία. Το ποσοστό συγκέντρωσης ηλιακής ακτινοβολίας στον δέκτη είναι ψηλό που συνεπάγεται υψηλή θερμοκρασία και υψηλή απόδοση έτσι ένα παραγωγή μεγαλύτερης ισχύος. Επιπλέον, επίπεδη τα κάτοπτρα είναι απλά κατασκευαστικά γεγονός που τα καθιστά οικονομικά. Τέλος, η ύπαρξη ενός μόνο δέκτη ελαχιστοποιεί τις απώλειες και επιτρέπει μεγάλη θερμική αποθήκευση. (48) (49) Ωστόσο, ο σχεδιασμός του πεδίου ηλιοστατών και του δέκτη, καθώς και η παρακολούθηση του ήλιου είναι αρκετά κοστοβόρα. 71

80 2.6 Παραβολικοί δίσκοι / Stirling Οι παραβολικοί δίσκοι, η πιο πρόσφατη από τις τεχνολογίες συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων, είναι δίσκοι που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε μηχανική στο σημείο εστίασης τους όπου βρίσκεται τοποθετημένη μια μηχανή Stirling (που αποτελεί την μονάδα μετατροπής ισχύος, Power Conversion Unit - PCU) και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια σχεδόν με τον ίδιο τρόπο με τους συμβατικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια από την καύση των ορυκτών καυσίμων σε ηλεκτρική ενέργεια Μοντέλα και τυπικά μεγέθη παραβολικών δίσκων. Πολλά είναι τα μοντέλα παραβολικών δίσκων που έχουν δοκιμαστεί στο παρελθόν και φαίνονται παρακάτω. Εικόνα 60: Μοντέλα παραβολικών δίσκων (51) 72

81 Εικόνα 61: Παραβολικός δίσκος (51) Οι δίσκοι χρησιμοποιούν μια σειρά καθρέφτες μεγάλης κλίμακας με τυπική επιφάνεια από 40 έως 120m 2 και ισχύ εξόδου του κάθε δίσκου περίπου 10 έως 25 kw. Το μέγεθος του ηλιακού συλλέκτη καθορίζεται από τον κινητήρα. Το σύστημα των δίσκων είναι αρθρωτό που συνεπάγεται πως υπάρχει δυνατότητα αυτόνομης λειτουργίας ενώ το σύνολο της εγκατάστασης μπορεί να είναι όσο απαιτείται ώστε να παραχθεί η απαραίτητη ηλεκτρική ισχύς. Οι συλλέκτες των συστημάτων παραβολικών δίσκων αποτελούνται από μια ανακλαστική επιφάνεια παρόμοια µε τους καθρέπτες που χρησιμοποιούνται στο σπίτι µε επικάλυψη από ασήμι. Για την βελτιστοποίηση τους χρησιμοποιείται γυαλί µε χαμηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο το οποίο βελτιώνει την ανακλαστική τους ικανότητα η οποία κυμαίνεται ανάλογα με το υλικό και το πάχος του σιδήρου από 90 έως και 94%. Το ιδανικό σχήμα που πρέπει να έχουν τα κάτοπτρα είναι το παραβολικό. Τα κάτοπτρα ανακλούν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε μια μικρή περιοχή που ονομάζεται το επίκεντρο, όπου βρίσκεται ο δέκτης. Αυτό προϋποθέτει ότι το πιάτο παρακολουθεί τον ήλιο σε δύο άξονες. 73

82 Εικόνα 62: Πεδίο παραβολικών δίσκων / Strirling (51) Παρακολούθηση ήλιου Η παρακολούθηση σε δύο άξονες επιτυγχάνεται με δύο τρόπους: 1. Με παρακολούθηση αζιμούθιου-ανύψωσης, στην οποία το πιάτο περιστρέφεται σε ένα επίπεδο παράλληλο προς τη γη (αζιμούθιο) και σε ένα άλλο επίπεδο κάθετο σε αυτό (ανύψωση). Αυτό δίνει στο συλλέκτη περιστροφές αριστερά/δεξιά και πάνω/κάτω. Τα ποσοστά περιστροφής ποικίλλουν όλη την ημέρα, αλλά μπορούν εύκολα να υπολογιστούν. Τα περισσότερα από τα μεγαλύτερα πιάτα / κινητήρες χρησιμοποιούν αυτή τη μέθοδο παρακολούθησης. 2. Με πολική παρακολούθηση, όπου ο συλλέκτης περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα παράλληλο προς τον άξονα της γης περιστροφής. Ο συλλέκτης περιστρέφεται με σταθερό ποσοστό 15 Τ/ώρα για να ταιριάζει με την ταχύτητα περιστροφής της γης. Ο άλλος άξονας περιστροφής, ο άξονας απόκλισης, είναι κάθετος στον πολικό άξονα. Η κίνηση για τον άξονα αυτό είναι αργή και ποικίλλει κατά +/-23 ½ ανά χρόνο Μηχανή Stirling Η συγκεντρωμένη ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από το δέκτη που είναι ένας κινητήρας Stirling. Στην εμβολοφόρο αυτή μηχανή με την αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, το ρευστό λειτουργίας το οποίο είναι ένα υψηλής πίεσης αέριο, συνήθως ήλιο ή υδρογόνο, διαστέλλεται προκαλώντας κίνηση των εμβόλων άρα παραγωγή μηχανικού έργου. Αυτό με τη σειρά του τροφοδοτεί μία γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος. 74

83 Σπανίως, η μηχανές που τοποθετούνται στο επίκεντρο είναι Brayton όπου η ροή είναι σταθερή αλλά σε σχετικά χαμηλές πιέσεις που είναι ένας πιο δύσκολος σχεδιασμός Πλεονεκτήματα τεχνολογίας Θεωρείται ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια από οποιαδήποτε άλλο μεγάλο σύστημα ηλιακής τεχνολογίας, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας που φτάνουν ξεπερνούν και τους 750. Συγκεκριμένα, η απόδοσή τους φτάνει το 30% σε αντίθεση με τα παραβολικά κοίλα και τους ηλιακούς πύργους που είναι περίπου 20%. Ένα άλλο πολύ σημαντικό πλεονέκτημά είναι ότι μπορούν να αναπτυχθούν χωριστά και να λειτουργούν αυτόνομα ή, ανάλογα με τις ανάγκες ισχύος, σε ομάδες. Τέλος, επισημαίνεται πως οι κινητήρες της τεχνολογίας αυτής δεν απαιτούν σύστημα ψύξης με αποτέλεσμα να είναι πολύ πιο οικονομικά σε χρήση νερού σχετιζόμενα με τους υπόλοιπους τύπους ηλιοθερμικών συστημάτων. 75

84 2.7 Σύγκριση τεχνολογιών Από την περιγραφή των τεσσάρων ειδών συγκεντρωτικών συστημάτων που περιγράφηκαν, φαίνεται πως αν και η αρχή λειτουργίας τους είναι κοινή, η δομή τους διαφέρει. Ο πίνακας που ακολουθεί μερικά από τα βασικά χαρακτηριστικά των τεσσάρων τεχνολογιών. Χαρακτηριστικά Ωριμότητα τεχνολογίας Τυπικό μέγεθος μονάδας (MW) Μέγιστη ηλεκτρική προς ηλιακή απόδοση Θερμοκρασίες λειτουργίας; Ρευστό μεταφοράς θερμότητας Μέθοδος Συγκέντρωσης Γραμμική Εστίαση Σημειακή Εστίαση Παραβολικά Κοίλα Γραμμικά Fresnel Κεντρικός Δέκτης Παραβολικοί δίσκοι / Fresnel Εμπορικά από Εμπορικά Εμπορικά 2 με εμπορική το 1980 από το 2010 από το 2007 λειτουργία , < Συνθετικό λάδι, Τηγμένο άλας Νερό Κύκλο Rankine Rankine Δυνατότητα αποθήκευσης Τηγμένο άλας, νερό Brayton / Rankine - Stirling Ναι Ναι Ναι Οχι 2.8 Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Αν και τα Ηλιοθερμικά συστήματα ελαττώνουν δραματικά την χρήση ορυκτών καυσίμων και την εκπομπή CO 2, έχουν άλλες αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Πέραν των παραβολικών δίσκων / Stirling, τα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα απαιτούν μεγάλες ποσότητες νερού για την λειτουργία του κύκλου και για τον καθαρισμό των κατόπτρων ώστε να έχουν όσο το δυνατό μεγαλύτερη ανακλαστικότητα. Έτσι απαιτούνται κατά μέσω όρο πάν από m 3 ειδικά αν το κύκλο έχει ψύξη υγρού πύργου. Ακόμη, λόγω των εργασιών που απαιτείται να γίνουν για την εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος που έχει μεγάλες απαιτήσεις γης, προκαλείται διάβρωση του εδάφους και καταστροφή των φυτειών σε παρακείμενες περιοχές. Επιπλέον, παρατηρήθηκε μείωση της θερμοκρασίας του εδάφους από 0,5 έως 4 στα σημεία εγκατάστασης, επηρεάζοντας το οικοσύστημα της περιοχής. Τέλος, παρατηρήθηκε αύξηση των θανάτων πτηνών, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που εμφανίζονται στα συστήματα και στα σημεία εστίασης τους. Παρά τα παραπάνω, αξίζει να τονιστεί πως τα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα δεν θέτουν σε κανέναν κίνδυνο τα την ανθρώπινη υγεία. (52) 76

85 3. ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΩΝ ΚΟΙΛΩΝ ΣΤΗΝ ΑΘΗΝΑ Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, πραγματοποιήθηκε μελέτη εγκατάστασης στην Ελλάδα μιας μονάδας συγκεντρωτικών συστημάτων τεχνολογίας παραβολικών κατόπτρων με υγρό μεταφοράς θερμότητας το λάδι. Η ονομαστική ισχύς της μονάδας είναι 50ΜW και μελετήθηκε ένα σενάριο ύπαρξης συστήματος αποθήκευσης 9 ωρών και ένα χωρίς σύστημα αποθήκευσης. Για την πραγματοποίηση της μελέτης χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα System Advisor Model (SAM). Το SAM είναι ένα πρόγραμμα μοντελοποίησης συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με σκοπό την εκτίμηση της απόδοσης και του κόστους τους. Εκδίδεται από το National Renewable Energy Laboratory (NREL) που είναι το πιο σημαντικό εργαστήριο των Ηνωμένων Πολιτειών χρηματοδοτούμενο από το κράτος για την έρευνα και ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. 3.1 Χαρακτηριστικά Τοποθεσίας Εγκατάστασης Επιλέχτηκε η εγκατάσταση να γίνει στην Αθήνα όπου το γεωγραφικό πλάτος και μήκος είναι 37,9 και 23,73 αντίστοιχα. Η μέση μηνιαία ολική ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο φαίνεται στον παρακάτω πίνακα σε [kwh/(m 2.mo)] ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΙΑ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ 63,0 79,0 117,7 154,3 195,4 214,0 222,4 202,7 152,6 109,0 70,7 55,7 Όπως φαίνονται παρακάτω, τα επίπεδα της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας συχνά φτάνουν τα 900W/m 2 και η διάρκεια ηλιοφάνειας είναι κατά μέσο όρο 10 ώρες την ημέρα. 77

86 Εικόνα 63: Ηλιακή ακτινοβολία στην Αθήνα Εικόνα 64: Διάρκεια ηλιακής ακτινοβολίας στην Αθήνα 78

87 Εικόνα 65: Ηλιακό ύψος στην Αθήνα 3.2 Επιλογή χαρακτηριστικών συστήματος παραβολικών κατόπτρων Δέκτες Στην εγκατάσταση που σχεδιάστηκε, επιλέχτηκε όλοι οι δέκτες να είναι όμοιοι. Επιλέχτηκε ο δέκτης PTR80 της εταιρίας Schott ο οποίος είναι ιδανικός για την περίπτωση που το υγρό μεταφοράς θερμότητας είναι το λάδι και είναι μία νεότερη έκδοση του πλέον χρησιμοποιημένου PTR70 με τη διαφορά της μεγαλύτερης διαμέτρου και μήκους ώστε να υπάρχει συμβατότητα με συλλέκτες μεγαλύτερου ανοίγματος. Ο δέκτης αποτελείται από έναν σωλήνα από ανοξείδωτο ατσάλι υψηλής αντοχής με πολύ καλή αντίσταση στην διάβρωση με εσωτερική διάμετρο 0,076 m και εξωτερική 0,08 m, και από έναν γυάλινο δακτύλιο εσωτερικής και εξωτερικής διαμέτρου 0,115 m και 0,12 m αντίστοιχα. Σημασία έχει η τραχύτητα της εσωτερικής επιφάνειας του μεταλλικού, καθώς όσο μεγαλύτερη, τόσο αυξάνεται και η πτώση πίεσης. Γεωμετρία Δέκτη Schott PTR80 Εσωτερική διάμετρος σωλήνα απορρόφησης 0,076 m Εξωτερική διάμετρος σωλήνα απορρόφησης 0,08 m Εσωτερική διάμετρος γυάλινου δακτυλίου 0,115 m Εξωτερική διάμετρος γυάλινου δακτυλίου 0,12 m Τραχύτητα της εσωτερικής επιφάνειας σωλήνα 4,5 E-005 Υλικό κατασκευής σωλήνα απορρόφησης 304L 79

88 Με την πάροδο των ετών οι δέκτες φθείρονται. Είτε χάνουν μέρος της θερμικής μόνωσης τους, είτε ο γυάλινος σωλήνας σπάει με αποτέλεσμα να είναι εκτεθειμένος ο σωλήνας απορρόφησης. Αυτό οδηγεί σε αύξηση των απωλειών θερμότητας. Η φθορά αυτή οφείλεται κατά κύριο λόγο σε αδυναμία του συστήματος στήριξης του δέκτη. (37) Στην προσομοίωση του συστήματος θεωρήθηκε πως το 98,5% είναι σε άριστη κατάσταση, το 1% έχει φθαρεί και το 0,5% έχει σπασμένη γυάλινη στεφάνη. Από την κατασκευαστική εταιρία δίνονται οι τιμές για τον συντελεστή απορρόφησης και τον συντελεστή εκπομπής του σωλήνα απορρόφησης. Ο πρώτος συντελεστής είναι ο λόγος της ακτινοβολίας που απορροφάται από τον σωλήνα προς την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτόν και προφανώς θέλουμε να είναι ψηλός. Ο δεύτερος δείχνει την ενέργεια που ακτινοβολείται από την επιφάνεια του σωλήνα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας του. Στις περιπτώσεις που ο σωλήνας είναι φθαρμένος ή ο γυάλινος δακτύλιος έχει σπάσει, θεωρήθηκε τιμή αρκετά υψηλότερη από την περίπτωση κανονικής λειτουργίας. Σε ότι αφορά το γυάλινο περίβλημα, παίρνουμε από την κατασκευάστρια εταιρία τους συντελεστές απορρόφησης, εκπομπής και διαπερατότητας του γυάλινου δακτυλίου. Ο συντελεστής απορρόφησης δείχνει το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που απορροφάται από το γυαλί σε σχέση με την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό. Το ποσοστό αυτό επιθυμούμε να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο. Ο συντελεστής εκπομπής αφορά το ποσοστό της ακτινοβολίας που ακτινοβολείται από την επιφάνεια του δακτυλίου. Τέλος η διαπερατότητα είναι το ποσοστό της ενέργειας που μεταδίδεται μέσω του γυάλινου περιβλήματος. Στην περίπτωση του σωλήνα στην αρχική του κατάσταση, θεωρήθηκε πως στο κενό ανάμεσα στον σωλήνα και το γυαλί υπάρχει μόνο το υδρογόνο που μπορεί να διαπέρασε τα τοιχώματα του ατσάλινου σωλήνα και θεωρείται πως η πίεση του είναι χαμηλή όπως είναι επιθυμητό. Στις άλλες δύο περιπτώσεις θεωρείται πως έχει εισέρθει αέρας σε πίεση περιβάλλοντος. Οι θερμικές απώλειες είναι συνάρτηση της μέγιστης θερμοκρασίας του ρευστού μεταφοράς θερμότητας και εφόσον αυτό είναι το ορυκτό έλαιο, η μέγιστη θερμοκρασία στον σωλήνα απορρόφησης θα είναι η 393. Οι απώλειες αυτές υπολογίζονται από τον τύπο Heat loss = 2πk abs(τ abs,i T abs,o ) ln ( r (W/m) abs,i rabs,o ) Όπου k abs = 14,8 + 0,0153Τ abs W/m, Τ abs,i και Τ abs,ο η θερμοκρασίες στο εσωτερικό και το εξωτερικό τοίχωμα του σωλήνα, αντίστοιχα Και r abs,i και r abs,o η εσωτερική και εξωτερική ακτίνα του αγωγού. Οι απώλειες αυτές αυξάνονται όταν η μόνωση του δέκτη φθείρεται. (53) Επίσης θεωρούμε πως υπάρχουν απώλειες ακτινοβολίας λόγω του ότι κατά μήκος του σωλήνα υπάρχουν συνδέσεις των επιμέρους τμημάτων του, καθώς επίσης εξαιτίας σκόνης που επικάθεται στον δέκτη. 80

89 Παράμετροι κατάσταση Σε άριστη κατάσταση Φθαρμένος Σπασμένος γυάλινος δακτύλιος Ποσοστό δεκτών 0,985 0,1 0,005 Σωλήνας απορρόφησης Συντελεστής απορρόφησης 0,963 0,963 0,8 Συντελεστής εκπομπής στους 400 0,094 0,65 0,65 Γυάλινος δακτύλιος Συντελεστής απορρόφησης 0,02 0,02 0 Συντελεστής εκπομπής 0,86 0,86 1 Διαπερατότητα 0,964 0,694 1 Στο κενό σωλήνα δακτυλίου Παρουσία αερίου Υδρογόνο Αέρας Αέρας Πίεση (torr) 0, Μέση απώλεια θερμότητας (W/m 2 ) Συντελεστής Απωλειών λόγω των συνδέσεων Συντελεστής Απωλειών λόγω σκόνης στον δέκτη 0,935 0,935 0,935 0,98 0,98 1 Με βάση τα παραπάνω, οι συνολικές απώλειες φαίνονται στον πίνακα Συνολικές απώλειες θερμότητας W/m 2 276,75 Οπτική μείωση 0, Συλλέκτες Ο τύπος συλλέκτη που επιλέχτηκε είναι ο SkyTrough, ο οποίος, όπως αναφέρθηκε πιο πάνω, έχει μεγάλο άνοιγμα, αυξάνοντας το εμβαδόν στο οποίο προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία, άρα μειώνοντας το απαιτούμενο συνολικό εμβαδόν του ηλιακού πεδίου και το συνολικό κόστος της κατασκευής. (37) Εμπορικά έχει χρησιμοποιηθεί με τον δέκτη Schott PTR80 που επιλέχτηκε. Τα στοιχεία για τον επιλεγμένο συλλέκτη δίνονται παρακάτω SkyFuel SkyTrough (με δέκτη εσωτερικής διαμέτρου 80-mm) Γεωμετρικά στοιχεία Ανακλαστική επιφάνεια (m 2 ) 656 Πλάτος παραβολής (m) 6 Μήκος συστοιχίας συλλέκτη (m) 115 Αριθμός κατόπτρων ανά συστοιχία 8 Μέση εστιακή απόσταση (m) 2,15 Απόσταση μεταξύ συστοιχιών εν σειρά (m) 1 Για τον υπολογισμό της απόδοσης λαμβάνεται υπόψιν το σφάλμα παρακολούθησης του ήλιου, η πιθανότητα ανωμαλιών της επιφάνειας των ανακλαστήρων, η ανακλαστικότητα των κατόπτρων, η εναπόθεση σκόνης στους καθρέπτες και ο συντελεστής μείωσης της απορροφούμενης ενέργειας λόγω της μη κάθετης πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας. 81

90 Σφάλμα παρακολούθησης ακτινοβολίας 0,98 (η track ) Γενικό σφάλμα (η gen ) 0,98 Σφάλματα δομής (η geo ) 0,95 Ανακλαστικότητα (ρ m) 0,93 Απώλειες στο τέλος του συλλέκτη (η endloss ) 0,99 Τύπος μετατροπής της γωνίας πρόσπτωσης K = cos θ i + 0,00084θ i 2 0, θ i Η τελική οπτική απόδοση των συλλεκτών είναι Οπτική απόδοση 0,8 Ηλιακό πεδίο Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η απόσταση μεταξύ των σειρών των συλλεκτών, μετρημένη από τους άξονές τους, πρέπει να είναι περίπου 3 φορές μεγαλύτερη από το άνοιγμα τους ώστε να μην σκιάζει η μία σειρά την επόμενη. Δεν επιλέγεται μεγαλύτερη απόσταση καθώς αυξάνει το μήκος των σωληνώσεων άρα και το κόστος. Εδώ επιλέχτηκαν τα 18 m αφού το άνοιγμα των ανακλαστήρων είναι 6 m. Η γωνία ύψους του ήλιου, από την οποία και μετά τίθενται θα παραβολικά κάτοπτρα εκτός λειτουργίας επιλέχτηκε να είναι 175, δηλαδή σχεδόν τελείως στραμμένος δυτικά. Ύστερα τα κάτοπτρα στρέφονται στο έδαφος. Αντίστοιχα, καθορίστηκε και η γωνία ανύψωσης του ήλιου πάνω από την οποία θα ξεκινά η λειτουργία του πεδίου συλλεκτών να είναι 5. Εφόσον το μπλοκ παραγωγής ενέργειας τοποθετείται στο κέντρο για λόγους οικονομίας στους σωλήνες, θεωρήθηκε πως το ηλιακό πεδίο διαιρείται σε 2 υποομάδες, όπως φαίνεται στο σχήμα. Εικόνα 66: Δομή ηλιακού πεδίου Όταν η θερμική ενέργεια που παράγεται στο ηλιακό πεδίο είναι παραπάνω από την απαιτούμενη για την παραγωγή ονομαστικής ηλεκτρικής ισχύος και τη φόρτιση του συστήματος αποθήκευσης, εφόσον αυτό υπάρχει, τα κάτοπτρα παύουν να παρακολουθούν τον ήλιο. Η μέγιστη και η ελάχιστη παροχή μάζας ελαίου επιλέχτηκαν ώστε να αρκούν για την βραδινή λειτουργία του σταθμού και ταυτόχρονα να είναι συμβατές με την αντοχή των αντλιών ελαττώνοντας την διάβρωση και τις δονήσεις στους σωλήνες. 82

91 Απόσταση μεταξύ παράλληλων σειρών (m) 18 Γωνία έναρξης λειτουργίας 175 Γωνία λήξης λειτουργίας 5 Τιμή αναφοράς ακτινοβολίας στο σημείο εγκατάστασης (W/m 2 ) 850 Ρευστό μεταφοράς θερμότητας Thermonol VP - 1 Θερμοκρασία εισόδου στο ηλιακό πεδίο 293 Θερμοκρασία εισόδου από το ηλιακό πεδίο 393 Ελάχιστη παροχή μάζας ελαίου (Kg/s) 1 Μέγιστη παροχή μάζας ελαίου (Kg/s) 12 Σύστημα θέρμανσης ελαίου ( ) 70 Η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από το σύστημα μαζί με την ισχύ που απαιτείται για την λειτουργία του συστήματος είναι 56 MW ενώ η απόδοση του θερμοδυναμικού κύκλου υπολογίστηκε 38,1%. Η θερμική ισχύς που απαιτείται για την παραγωγή της ισχύος αυτής είναι 146,98 MWt. Αριθμός συστάδων ανά βρόχο Έκταση ενός βρόχου, A loop (m 2 ) Απόδοση βρόχου (η loop,tot ) Απαιτούμενη έκταση για 146,98 MWt, A ap (m 2 ) Απαιτούμενος αριθμός βρόχων για 146,98 MWt 8 8 Έκταση μίας συστάδας 5248 Οπτική απόδοση συλλέκτη Οπτική απόδοση δέκτη Θερμική απόδοση δέκτη P el 0, η G b,ap η loop,tot A ap 50,993 A loop Για τον καθορισμό της G b,ap έγινε ανάλυση ευαισθησίας. Επιλέχτηκε η τιμή 850 W/m 2 η οποία όπως ήταν αναμενόμενο, είναι μικρότερη από τη μέγιστη ακτινοβολία στο σημείο εγκατάστασης, αλλά διατηρεί την απορριπτόμενη ενέργεια μικρή. Καθώς η ηλιοφάνεια στην πραγματικότητα συχνά παίρνει τιμές μικρότερες της G b,ap επιλέγεται η έκταση του πεδίου να αυξάνεται με τον συντελεστή Solar Multiple (SM), ώστε να παράγεται όσο το δυνατόν η απαραίτητη θερμική ισχύς. Το μοντέλο του κύκλου που χρησιμοποιήθηκε είναι κύκλο Rankine ατμού με υπερθέρμανση και δύο απομαστεύσεις μία στον στρόβιλο υψηλής πίεσης και μία στον στρόβιλο χαμηλής πίεσης με υγρό πύργο ψύξης. Σε αυτόν τον τύπο πύργου ο βασικός μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας στο ψυκτικό νερό του συμπυκνωτή είναι η εξάτμιση καθώς έρχεται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα. 83

92 Εικόνα 67: Κύκλο Rankine που χρησιμοποιήθηκε Συνολική παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς (MW) 56 Καθαρή παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς (MW) 50 Θερμοδυναμικός βαθμός κύκλου (%) 38,1 Πίεση στην είσοδο της βαθμίδας υψηλής πίεσης (bar) 100 Θερμοκρασία ατμού στην είσοδο της βαθμίδας υψηλής πίεσης ( ) 373 Μέγιστο ποσοστό λειτουργίας στροβίλου 1,05 Ελάχιστο ποσοστό λειτουργίας στροβίλου 0,25 Χρήση ορυκτών καυσίμων Στον σταθμό επιλέχτηκε να υπάρχει καυστήρας φυσικού αερίου για συμπληρωματική χρήση παρέχοντας έως και το 15% της ηλεκτρικής ισχύος κατά τη διάρκεια ανεπαρκούς ακτινοβολίας ώστε να σταθεροποιείται η παραγόμενη ισχύς καθώς επίσης για την ομαλή έναρξη και τερματισμό λειτουργίας του σταθμού θερμαίνοντας πιο γρήγορα το υγρό μεταφοράς θερμότητας. Θεωρήθηκε πως η απόδοση του φυσικού αερίου είναι 0,9. Όταν η θερμική ενέργεια του αερίου σε συνδυασμό με την ενέργεια που συγκεντρώνεται από το ηλιακό πεδίο δεν φτάνουν για την ελάχιστη λειτουργία του στροβίλου (0,25), ο καυστήρας δεν μπαίνει σε λειτουργία. Όταν η συνολική τους θερμική ενέργεια υπερβαίνει την απαιτούμενη για ονομαστική λειτουργία, ελαττώνεται η χρήση του καυσίμου. Το σύστημα θεωρείται πως έχει ρυθμό γήρανσης 0,5 % ανά έτος Εγκατάσταση χωρίς σύστημα αποθήκευσης Στην περίπτωση που στον σχεδιασμό του συστήματος δεν προβλέπεται σύστημα αποθήκευσης, η διάσταση του ηλιακού πεδίου δεν απαιτείται να είναι πολύ μεγάλη. Υπολογίστηκε πως η βέλτιστη επιλογή είναι ο SM να έχει τιμή 1,5 καθώς σε αυτήν την τιμή ο συντελεστής χρησιμοποίησης είναι ικανοποιητικός και έχουμε ελαχιστοποίηση του ισοσταθμισμένου κόστους. 84

93 Solar Multiple Συντελεστής χρησιμοποίησης (%) Ισοσταθμισμένο κόστος (cents/kwh) 1 16,61 23,91 1,1 18,19 22,94 1,2 19,15 22,48 1,3 19,87 22,22 1,4 20,39 22,16 1,5 20,87 22,15 1,6 21,28 22,22 1,7 21,65 22,34 1,8 21,95 22,51 1,9 22,21 22, ,46 22,88 Έτσι οι διαστάσεις του ηλιακού πεδίου αυξήθηκαν κατά 50% όπως και η ονομαστική θερμική ενέργεια που παράγεται. Αριθμός βρόχων 77 Συνολική έκταση ανακλαστικής επιφάνειας (m 2 ) Παραγόμενη θερμική ισχύς (MWt) 220,472 Συνυπολογίζοντας και τις αποστάσεις ανάμεσα στις σειρές κατόπτρων, η συνολική έκταση του ηλιακού πεδίου γίνεται 1,214 km 2 (1.214 στρέμματα) ενώ η έκταση του συστήματος μαζί με το μπλοκ παραγωγής ισχύος 1,574 km 2 (1.574 στρέμματα). Αποτελέσματα Από τα παραπάνω δεδομένα εξήχθησαν αποτελέσματα για την ετήσια παραγόμενη ενέργεια και τον συντελεστή χρησιμοποίησης. Παραγόμενη ενέργεια 1ου έτος (kwh) Συντελεστής χρησιμοποίησης (%) 20,9 85

94 Εικόνα 68: Ετήσια παραγωγή 25ετίας Παρακάτω βλέπουμε τις μέσες ημερήσιες καμπύλες για τα πιο σημαντικά μεγέθη ανά μήνα λειτουργίας του συστήματος. 86

95 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ), Απόδοση συνημίτονου ηλιακού πεδίου, Απώλειες στο τέλος του συλλέκτη Απώλειες σκίασης, Συνολική οπτική απόδοση του ηλιακού πεδίου 87

96 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ), Απορριπτόμενη θερμική ενέργεια (MWt), Απορροφούμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt), Θερμικές απώλειες δέκτη (MWt) 88

97 Παραγόμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt), Θερμική αδράνεια του υγρού μεταφοράς θερμότητας (MWht), Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt) 89

98 Παραγόμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt), Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt), Εισερχόμενη θερμική ενέργεια στο κύκλο (MWt) 90

99 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ), Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt) 91

100 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ), Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από το σύστημα (kwe) 92

101 Παρακάτω, επιλέχτηκαν συγκεκριμένες ημέρες της ετήσιας παραγωγής προς παρουσίαση. Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ) Παραγόμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt) Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt) Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από το σύστημα (kwe) 93

102 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ) Παραγόμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt) Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt) Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από το σύστημα (kwe) Παρατηρούμε λοιπόν πως το σύστημα συλλέγοντας την ηλιακή ακτινοβολία και κατόπιν αφαίρεσης των απωλειών, προσδίδει στο κύκλο θερμότητα για την παραγωγή ισχύος. Τις ημέρες με χαμηλή ακτινοβολία, κυρίως το χειμώνα, η συλλεγόμενη θερμότητα δεν αρκεί για την παραγωγή των 56 MWe (gross). Το καύσιμο, λειτουργεί συμπληρωματικά για τη θέρμανση του ψυκτικού υγρού όπου η συνιστάμενη θερμική ενέργεια καλύπτει παραπάνω από το 25% της ηλεκτρικής ισχύος. Εφόσον η θερμική ισχύς του καυσίμου επιλέχτηκε να καλύπτει μόνο το 15% της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος και η εγκατάσταση δεν διαθέτει σύστημα αποθήκευσης, η παραγωγή διαρκεί ουσιαστικά όσο υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία, με μια μικρή καθυστέρηση στην έναρξή της Εγκατάσταση με σύστημα αποθήκευσης 9h Στην περίπτωση που επιλέγεται η κατασκευή ενός συστήματος με σύστημα αποθήκευσης, οι διαστάσεις της εγκατάστασης αυξάνονται σε σχέση με την αντίθετη περίπτωση, οπότε αυξήθηκε ο συντελεστής SM. Επιλέχτηκε πως η βέλτιστή τιμή του είναι το 2,6 ώστε να αρκεί για να φορτίσει πλήρως το σύστημα θερμικής αποθήκευσης, να είναι ανεκτό το μέγεθος του ηλιακού πεδίου, ο συντελεστής χρησιμοποίησης ψηλός και το ισοσταθμισμένο κόστος ελάχιστο. Ταυτόχρονα, βρέθηκε πως το ιδανικό μέγεθος συστήματος αποθήκευσης δίνει δυνατότητα 9 ωρών λειτουργίας του συστήματος σε ονομαστική ισχύ εφόσον είναι πλήρως φορτισμένο. 94

103 Solar Multiple Ώρες συστήματος αποθήκευσης (hr) Συντελεστής χρησιμοποίησης (%) 2,5 7 33,77 20,81 2,5 8 34,87 20,59 2,5 9 35,81 20,43 2, ,6 20,32 2, ,27 20,24 2, ,83 20,21 2,6 7 34,26 20,89 2,6 8 35,45 20,64 2,6 9 36,47 20,45 2, ,39 20,29 2, ,15 20,21 2, ,79 20,13 2,7 7 34,68 20,99 2,7 8 35,97 20,71 2,7 9 37,07 20,49 2, ,05 20,32 2, ,95 20,19 2, ,65 20,09 Ισοσταθμισμένο κόστος (cents/kwh) Έτσι οι διαστάσεις του ηλιακού πεδίου πολλαπλασιάζονται επί 2,6 όπως και η ονομαστική θερμική ενέργεια που παράγεται. Αριθμός βρόχων 133 Συνολική έκταση ανακλαστικής επιφάνειας (m 2 ) Παραγόμενη θερμική ισχύς (MWt) 382,152 Συνυπολογίζοντας και τις αποστάσεις ανάμεσα στις σειρές κατόπτρων, η συνολική έκταση του ηλιακού πεδίου γίνεται 2, km 2 (2.092,22477 στρέμματα) ενώ η έκταση του συστήματος μαζί με το μπλοκ παραγωγής ισχύος 2,723 km 2 (2.723 στρέμματα). Αποτελέσματα Από τα παραπάνω δεδομένα εξήχθησαν αποτελέσματα για την ετήσια παραγόμενη ενέργεια και τον συντελεστή χρησιμοποίησης. Παραγόμενη ενέργεια 1ου έτος (kwh) Συντελεστής χρησιμοποίησης (%) 36,5 95

104 Εικόνα 69: Ετήσια παραγωγή 25ετίας Παρακάτω βλέπουμε τις μέσες ημερήσιες καμπύλες για τα πιο σημαντικά μεγέθη ανά μήνα λειτουργίας του συστήματος. 96

105 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ), Απόδοση συνημίτονου ηλιακού πεδίου, Απώλειες στο τέλος του συλλέκτη, Απώλειες σκίασης, Συνολική οπτική απόδοση του ηλιακού πεδίου 97

106 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ), Απορριπτόμενη θερμική ενέργεια (MWt), Απορροφούμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt), Θερμικές απώλειες δέκτη (MWt) 98

107 Παραγόμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt), Θερμική αδράνεια του υγρού μεταφοράς θερμότητας (MWht), Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt) 99

108 Παραγόμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt), Φόρτιση και εκφόρτιση του συστήματος θερμικής αποθήκευσης (MWt) Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt), Εισερχόμενη θερμική ενέργεια στο κύκλο (MWt) 100

109 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ), Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt) 101

110 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ), Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από το σύστημα (kwe) 102

111 Παρακάτω επιλέχτηκαν συγκεκριμένες ημέρες της ετήσιας παραγωγής προς παρουσίαση Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ) Παραγόμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt) Φόρτιση και εκφόρτιση του συστήματος θερμικής αποθήκευσης (MWt) Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt) Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από το σύστημα (kwe) 103

112 Άμεση προσπίπτουσα ακτινοβολία (W/m 2 ) Παραγόμενη θερμική ισχύς από το ηλιακό πεδίο (MWt) Φόρτιση και εκφόρτιση του συστήματος θερμικής αποθήκευσης (MWt) Προσδιδόμενη θερμική ισχύς από το εφεδρικό καύσιμο (MWt) Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από το σύστημα (kwe) Όπως ήταν αναμενόμενο, λοιπόν, ενώ τα ποσοστά των απωλειών παραμένουν ίδια με την περίπτωση της απουσίας συστήματος αποθήκευσης, το γεγονός ότι το ηλιακό πεδίο είναι μεγαλύτερο οδηγεί στην αύξηση της θερμικής ενέργειας. Τους χειμερινούς μήνες, πάλι το σύστημα δεν μπορεί να καλύψει την ονομαστική ισχύ. Τους καλοκαιρινούς μήνες, το σύστημα παράγει περίσσεια θερμικής ενέργειας οπότε το σύστημα αποθήκευσης προλαβαίνει να φορτίσει πλήρως και όταν συμβεί αυτό τα παραβολικά κοίλα στρέφονται προς διαφορετική κατεύθυνσή από την ακτινοβολία του ήλιου. Παρατηρείται πως η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνει κατά πολύ και εξακολουθεί μέχρι και 8 ώρες μετά τη δύση του ήλιου. Τέλος, η χρήση του βοηθητικού καυσίμου ελαττώνεται πολύ, μειώνοντας τα έξοδα λειτουργίας του σταθμού. 104