ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΙ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΚΡΗΤΗΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΧΑΝΙΩΝ - ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΙ.ΚΟΛΟΚΟΤΣΑ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ε. Χ. ΣΩΤΗΡΟΠΟΥΛΟΣ

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φοιτητές Κυριάκο Αντωνάκη, Εύα Θεωδορίδου, Βασίλη Κασσιµάτη και Ξανθή Μαργώνη του τµήµατος Φυσικών Πόρων και Περιβάλλοντος του ΤΕΙ Κρήτης για την χρήσιµη βοήθειά τους στην σύνταξη και ανάπτυξη των εργαστηριακών ασκήσεων

3 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1: Μελέτη ανεµογεννήτριας λειτουργίας 1.1 Θεωρητικό µέρος Η ανεµογεννήτρια είναι ένα σύστηµα ηλεκτροµηχανικό το οποίο µπορεί να εκµεταλλευτεί την ενέργεια του ανέµου ( αιολική ενέργεια ) και να δώσει στην έξοδο της ηλεκτρική ενέργεια υπό µορφή συνήθως τριφασικής εναλλασσόµενης τάσης, για τις µεγάλες και συνεχούς για τις µικρές. Οι γνωστοί µας άνεµοι είναι αποτέλεσµα της ηλιακής ενέργειας και δηµιουργούνται µεταξύ των διαφόρων περιοχών της γης, όπως συµβαίνει όταν ψυχρότερες µάζες αέρος κινούνται από τις θάλασσες προς τις θερµότερες µάζες αέρος της στεριάς κατά την διάρκεια της ηµέρας, ενώ το φαινόµενο αντιστρέφεται κατά την διάρκεια της νύκτας. Η γνώση τώρα της µέσης ταχύτητας των ανέµων που πνέουν σε µια περιοχή είναι ιδιαίτερης σηµασίας γιατί µας βοηθάει να εκτιµήσουµε την παραγόµενη ενέργεια από κάθε συγκεκριµένο τύπο εµπορικής ανεµογεννήτριας. Η ανεµογεννήτρια ( Α\Γ ) εκµεταλλεύεται την κινητική ενέργεια του ανέµου, µέσω της φτερωτής της η οποία ενεργεί µε την περιστροφή της σαν να είχε άπειρο αριθµό φτερών (άσχετα αν στη πραγµατικότητα έχει 2, 3 ή περισσότερα φτερά). Αν D είναι η διάµετρος της φτερωτής τότε η θεωρητική µέση ισχύς του ανέµου (Ρ αν. )σε κάθε ταχύτητα του ανέµου (U) θα δίνεται στην επιφάνεια της θάλασσας και για κανονική θερµοκρασία αέρα από τη σχέση : 2 3 ( ) 0.49 Pα W = D U (0.1) Όµως η πραγµατική ισχύς (Ρ) που τελικά παίρνουµε στην έξοδο της γεννήτριας είναι µειωµένη λόγω του ηλεκτρικού βαθµού απόδοσης n n 0,9, του µηχανικού βαθµού απόδοσης n µηχ. 0,9 και ενός συντελεστή ισχύος C P που λέγεται και «όριο του Betz» του οποίου η µέγιστη θεωρητική τιµή είναι : C P =16/27 0,593 ή 59,3% και η πραγµατική τιµή του κυµαίνεται στην πράξη από 0.3 έως 0.5 ανάλογα µε τον τύπο και την ποιότητα 3

4 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 της φτερωτής. Ακόµη η τιµή του C P για κάθε Α/Γ εξαρτάται από το λόγο (λ) της του ακροπτερυγίου της Α/Γ προς την γραµµική ταχύτητα του ανέµου U(m/sec) όπου: R nrpm ( ) λ = ω 0,0523D( m) (0.2) U U m ( sec) n(rpm) =Στροφές Α/Γ ανά λεπτό U(m/sec)=Ταχύτητα ανέµου D(m) = ιάµετρος φτερωτής Στην πράξη για γρήγορες εκτιµήσεις της ισχύος εξόδου (Ρ),µιας µικρής αυτόνοµης Α/Γ οριζόντιου άξονα µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε την παρακάτω εµπειρική σχέση (για Α/Γ µε µέτρια απόδοση). m ( s ) U PW ( ) Dm m ( ) U( ) 2 10 s (0.3) Ο βαθµός απόδοσης της Α/Γ δίνεται από την παρακάτω σχέση: Βαθµός απόδοσης Α/Γ (%) = P L max P wind (0.4) 1.2 Πειραµατικό µέρος Πειραµατική διάταξη Για την εκτέλεση του πειράµατος απαιτούνται τα εξής: Εκπαιδευτικό σύστηµα ΑΠΕ Τροφοδοσία 220 Volt ιάφορες αντιστάσεις Ανεµόµετρο Αµπερόµετρα, Βολτόµετρα 4

5 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σχεδίαση χαρακτηριστικών καµπύλων I-V και P-V της Α/Γ + Α Αέρας D(m) A/Γ V R L Ανεµόµετρο Σχ Πειραµατική διάταξη µέτρησης χαρακτηριστικών I-V και P-V Α/Γ To πείραµα εκτελείται µε τα εξής βήµατα: Υλοποιούµε τη συνδεσµολογία του σχήµατος 6.1. Ξεκινάµε τον ανεµιστήρα της διάταξης και ρυθµίζουµε τις στροφές του έτσι ώστε να αρχίσει να περιστρέφεται η ανεµογεννήτρια. Μετράµε την ταχύτητα του ανέµου που προκαλεί ο ανεµιστήρας. Μετράµε τη διάµετρο της ανεµογεννήτριας D. Υπολογίζουµε την ισχύ της ανεµογεννήτριας µε τη βοήθεια της σχέσης 6.3. Μεταβάλουµε την αντίσταση του φορτίου R L για διάφορες τιµές της ταχύτητας του ανέµου και συµπληρώνουµε τον παρακάτω πίνακα U 4 m/s U 6 m/s U 8 m/s a/a R L (Ω) U(V) I(A) P(W) U(V) I(A) P(W) U(V) I(A) P(W) 5

6 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 Χαράσσουµε σε κατάλληλα βαθµονοµηµένους άξονες τις µεταβολές I-V και P-V της Α/Γ για τις διάφορες τιµές των ταχυτήτων ανέµου και σηµειώνουµε το σηµείο µέγιστης ισχύος για ταχύτητα ανέµου 6 m/s Yπολογισµός βαθµού απόδοσης της Α/Γ Το πείραµα εκτελείται ακολουθώντας την εξής διαδικασία: Εκτελούµε τη συνδεσµολογία του σχήµατος 6.1. Ρυθµίζουµε τις λειτουργία του ανεµιστήρα ώστε να δίνει ταχύτητα ανέµου 6m/s και µεταβάλλουµε το φορτίο R L από 400Ω σε 0 Ω καταγράφοντας τα µεγέθη τάση U, ρεύµα I, αντίσταση R L και υπολογίζουµε την ισχύ P L. Χαράσσουµε την καµπύλη P L =f(r L ). Υπολογίζουµε το σηµείο µέγιστης µεταφερόµενης ισχύος P Lmax και την αντίστοιχη τιµή της αντίστασης φορτίου R L η οποία σύµφωνα µε βασικό θεώρηµα της θεωρίας κυκλωµάτων πρέπει να είναι ίση µε την ισοδύναµη εσωτερική αντίσταση R G της Α/Γ, δηλαδή για P Lmax πρέπει να είναι R L =R G. Γενικά ισχύει P L = U I =I 2 R L = R G E + R L 2 R L Και για R L = R G θα έχουµε : P L ( max) E U = 2 = 2 E 4R L = E 4R 2 G = U I Υπολογίστε το βαθµό απόδοσης της Α/Γ µε χρήση της σχέσης 6.4. Ποιο το Pmax, σε ποια R εµφανίζεται. Υπολογίστε την εσωτερική αντίσταση R G της Α/Γ. Ποιος ο βαθµός απόδοσης της Α/Γ. Σχεδιάστε το Pmax=f(U), και συγκρίνεται στο ίδιο διάγραµµα τις τιµές που προκύπτουν από τον εµπειρικό τύπο. 6

7 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2: Υπολογισµός απόδοσης ηλιακού συλλέκτη 2.1 Θεωρητικό µέρος Γενικά Μετά την κρίση του πετρελαίου το 1973, παρατηρήθηκε µια σηµαντική δραστηριότητα στον τοµέα των θερµικών χρήσεων της ηλιακής ενέργειας στην Ελλάδα, που από το 1974 έχουν περάσει στο εµπορικό στάδιο. Σήµερα στην Ελλάδα, υπάρχουν περισσότεροι από 150 κατασκευαστές ηλιακών θερµοσιφώνων και συστηµάτων παραγωγής ζεστού νερού χρήσης. Ορισµένοι από αυτούς εξάγουν τα προϊόντα τους. Κατά ένα πρόχειρο υπολογισµό, η χρήση ηλιακού θερµοσίφωνα στο 20% των νοικοκυριών, θα καλύψει το 2% περίπου του ενεργειακού µας ισοζυγίου. Αυτή τη στιγµή, η Ελλάδα διαθέτει το µεγαλύτερο αριθµό εγκατεστηµένων ηλιακών θερµοσιφώνων ανά κάτοικο σε ολόκληρη την Ευρώπη και µάλιστα σε εµπορικά κτίρια (κυρίως ξενοδοχεία). Χρήσιµη πείρα έχει αποκτηθεί από όλες αυτές τις εγκαταστάσεις και έτσι οι Έλληνες κατασκευαστές είναι σε θέση να αναλάβουν πολύπλοκες ηλιακές εγκαταστάσεις για εµπορικές εφαρµογές. Με την αύξηση της παραγωγής µειώθηκε και το κόστος των ηλιακών θερµοσιφώνων. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζεται µε απλό τρόπο το ενεργειακό ισοζύγιο ενός ηλιοθερµικού συστήµατος: Qα,σ Qα,α ΗΛΙΑΚΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ Qεισ. ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ Qαπ. Qx Σχ Ενεργειακό ισοζύγιο ηλιοθερµικού συστήµατος Το ενεργειακό ισοζύγιο του συλλέκτη είναι: Q εισ = Q α,σ+ Q απ (7.1) 7

8 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2 όπου: Q εισ. : ενέργεια εισόδου - ηλιακή ενέργεια που παρέχεται στο συλλέκτη Q α,σ : απώλειες συλλέκτη Q απ : ενέργεια αποθήκευσης Επίπεδος συλλέκτης Στους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες δεν γίνεται οπτική συγκέντρωση των ηλιακών ακτινών και η ηλιακή ενέργεια - άµεση, έµµεση και ανακλώµενη - απορροφάται κατευθείαν και µετατρέπεται σε θερµότητα στην απορροφητική επιφάνεια. Ένας επίπεδος ηλιακός συλλέκτης αποτελείται από τα εξής µέρη (Σχ. 2.2.): Την καλύπτουσα το συλλέκτη διαφανή επιφάνεια ή το διαφανές κάλυµµα, που µπορεί να αποτελείται από ένα, δύο ή και περισσότερες διαφανείς πλάκες από γυαλί ή πλαστικό. Την φωτοαπορροφητική πλάκα που απορροφά την ηλιακή ενέργεια και είναι µια ειδικά επεξεργασµένη µεταλλική επιφάνεια βαµµένη µε ειδική βαφή µαύρου χρώµατος για ν απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία. Τους σωλήνες που είναι σε επαφή µε την απορροφητική πλάκα µέσα στους οποίους κυκλοφορεί το ρευστό που απάγει τη θερµική ενέργεια από την απορροφητική πλάκα. Τη µόνωση στην πίσω και στις πλάγιες πλευρές του συλλέκτη. Το περίβληµα που συνήθως είναι µεταλλικό ή πλαστικό, ενοποιεί την κατασκευή και προστατεύει το συλλέκτη από τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Ο προσανατολισµός του συλλέκτη πρέπει να είναι πάντα προς το νότο (για χώρες του βορείου ηµισφαιρίου όπως η Ελλάδα), η δε βέλτιστη γωνία κλίσης του συλλέκτη µε το οριζόντιο επίπεδο, για λειτουργία του ηλιοθερµικού συστήµατος καθ όλο το χρόνο, βρίσκεται αν στο γεωγραφικό πλάτος (Γ.Π.) του τόπου προσθέσουµε Π.χ. για την Κρήτη µε Γ.Π. 35 0, βέλτιστη γωνία κλίσης του συλλέκτη είναι

9 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2 ιαφανές κάλυµµα Σωληνώσεις κυκλοφορίας ρευστού Φωτοαπορροφητική πλάκα Μόνωση Περίβληµα συλλέκτη Σχ Τοµή επίπεδου ηλιακού συλλέκτη Θερµική αποθήκη είναι ο χώρος που αποθηκεύεται το ζεστό νερό πριν από τη χρήση του. Κρίσιµα χαρακτηριστικά της αποθήκης νερού είναι: ο όγκος και το σχήµα της (σε σχέση και µε την ωφέλιµη επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη), το υλικό κατασκευής και η ποιότητα µόνωσής της Ηλιακό σύστηµα ανοικτού τύπου για παραγωγή θερµού νερού Ονοµάζουµε ανοικτό κάθε ηλιακό σύστηµα, στο οποίο το ρευστό που κυκλοφορεί στον συλλέκτη κυκλοφορεί και στη θερµική αποθήκη (Σχ. 2.3.). Στο σχήµα 2.3 το κρύο νερό προσάγεται στο κάτω µέρος της δεξαµενής, το οποίο ως ειδικά βαρύτερο κατεβαίνει στο µονωµένο σωλήνα, έρχεται στο συλλέκτη, θερµαίνεται και ανεβαίνει στο πάνω µέρος της δεξαµενής από όπου και οδεύει για χρήση όποτε χρειαστεί. Η κυκλοφορία του νερού είναι φυσική, στηριζόµενη στη διαφορά ειδικού βάρους µεταξύ κρύου και ζεστού νερού και η δεξαµενή τοποθετείται λίγο ψηλότερα από το συλλέκτη για να εξασφαλίζει φυσική κυκλοφορία. Η δεξαµενή και οι σωλήνες που τη συνδέουν µε τον ηλιακό συλλέκτη πρέπει να είναι µονωµένοι, αλλά και οι σωλήνες προσαγωγής προς την κατανάλωση, για να µπορεί να εκµεταλλευθεί κανείς αποτελεσµατικά τη φυσική κυκλοφορία και να έχει µικρές θερµικές απώλειες. Τα ηλιακά συστήµατα ανοικτού τύπου προορίζονται µόνο για οικιακή χρήση και συνήθως ο συλλέκτης τους έχει επιφάνεια από 2 έως 4 m 2. Το νερό θερµαίνεται σε θερµοκρασία από 30 0 C έως 60 0 C. 9

10 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2 Θερµό νερό Ηλιακός συλλέκτης Κυκλοφορητής οχείο νερού Σύνδεση µε λέβητα Κρύο νερό 2.2 Πειραµατικό µέρος Σχ. 2.3 Ηλιακός συλλέκτης ανοιχτού τύπου Πειραµατική διάταξη Ηλιακός θερµοσίφωνας ανοικτού τύπου χωρητικότητας 50 lt. 4 ψηφιακά θερµόµετρα ακριβείας. 1 θερµόµετρο µέτρησης εξωτερικής θερµοκρασίας. 1 πυρανόµετρο Εκτέλεση του πειράµατος Υπολογισµός βαθµού απόδοσης του συλλέκτη Η εκτέλεση του πειράµατος απαιτεί τα εξής βήµατα: Τοποθετούµε τον ηλιακό συλλέκτη σε εξωτερικό χώρο και µε τη βοήθεια πυξίδας τον προσανατολίζουµε στο Νότο. Μετράµε τις θερµοκρασίες του νερού στο δοχείο συλλογής. Μετράµε τις θερµοκρασίες εισόδου και εξόδου του νερού στο συλλέκτη. Παίρνουµε τη µέτρηση της θερµοκρασίας περιβάλλοντος τη δεδοµένη ώρα από το µετεωρολογικό σταθµό του ΤΕΙ. 10

11 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2 Περιµένουµε να θερµανθεί το νερό στο συλλέκτη για περίπου 1h και καταγράφουµε την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο συλλέκτη ανά 10 min µε τη βοήθεια του πυρανόµετρου. Στο τέλος της 1h καταγράφουµε και πάλι τις θερµοκρασίες στα 4 θερµόµετρα που είναι προσαρµοσµένα στο συλλέκτη. Υπολογίζουµε την απόδοση του συλλέκτη µε τη βοήθεια της σχέσης: συλ Απόδοση συλλέκτη (%) = Q (7.2) Q εισ όπου: Qεισ = P t, Qσυλ = mc Τ (7.3) P: Μέση ηλιακή ακτινοβολία (Watt/m 2 ) t: Χρόνος έκθεσης στον ήλιο (sec) T: Η µεταβολή της θερµοκρασίας του νερού που εξέρχεται από στο συλλέκτη στο διάστηµα της 1h. m: Η µάζα του νερού στο συλλέκτη (gr). c: H ειδική θερµοχωρητικότητα του νερού (1cal/gr C) Q εισ : Η ενέργεια που προσφέρεται στο συλλέκτη από τον ήλιο στο χρονικό διάστηµα της 1h. 1Joule = 1Watt sec 1cal=4.2 Joule 11

12 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3: Σχεδιασµός χαρακτηριστικών καµπύλων Φωτοβολταϊκής γεννήτριας 3.1 Θεωρητικό µέρος Εισαγωγή Τα φωτοβολταϊκά (φ/β) στοιχεία κατασκευάζονται από ηµιαγωγούς. Οι ηµιαγωγοί εµφανίζουν ηλεκτρική αγωγιµότητα κάτω από ορισµένες συνθήκες. Στη θεµελιώδη ενεργειακή κατάσταση όλα τα ηλεκτρόνια είναι δεσµευµένα µε αποτέλεσµα να µην υπάρχουν ελεύθεροι φορείς του ηλεκτρικού ρεύµατος. Όταν όµως οι ηµιαγωγοί απορροφήσουν κάποια ποσότητα ενέργειας (είτε θερµική είτε σε µορφή ακτινοβολίας) τα δεσµευµένα ηλεκτρόνια διεγείρονται και αποµακρύνονται από την περιοχή του δεσµού τους γίνονται ευκίνητοι φορείς και δίνουν στον ηµιαγωγό αγωγιµότητα. Οι ηµιαγωγοί (επαφές p-n) στο φ/β στοιχείο έχουν τη µορφή δίσκου. Η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στο δίσκο παρέχει την απαιτούµενη ενέργεια στους φορείς ώστε να απελευθερωθούν από το χηµικό τους δεσµό µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται περίσσεια από ζεύγη φορέων (ηλεκτρόνια και οπές). Οι φορείς κινούνται στο στερεό και µπορεί να βρεθούν στην περιοχή της επαφής p-n από όπου και εκτρέπονται προς το τµήµα τύπου p τα ηλεκτρόνια και προς το τµήµα τύπου n οι οπές. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα τη δηµιουργία διαφοράς δυναµικού ανάµεσα στις δύο όψεις του δίσκου και η όλη διάταξη αποτελεί µια πηγή ηλεκτρικού ρεύµατος που διαρκεί όσο υπάρχει η ηλιακή ακτινοβολία. Το φαινόµενο που περιγράφηκε ονοµάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόµενο και είναι η αρχή λειτουργίας του φ/β στοιχείου. Όπως φαίνεται και στο Σχ. 3.1 το φ/β στοιχείο αποτελείται από τον υαλοπίνακα προστασίας που είναι από υλικό χαµηλής ανακλαστικότητας και µεγάλης αντοχής, την πάνω (front contact) και κάτω επαφή (back contact) για την εισροή και έξοδο των ηλεκτρονίων και τα στρώµατα των ηµιαγωγών για την κίνηση των ηλεκτρονίων 12

13 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3 µέσα στο στερεό. Το ρεύµα που δηµιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων και το οποίο είναι ανάλογο µε τα φωτόνια που απορροφά το στοιχείο ονοµάζεται φωτόρευµα. Αρνητικό στρώµα ( τύπος Ν ) Ένωση ( Ρ) Θετικό στρώµα ( τύπος Ρ ) Φώς Ηλεκτρικές Επαφές οπές Ροή ηλεκτρονίων Θετικός ακροδέκτης Ροή ρεύµατος Αρνητικός ακροδέκτης R L V Φορτίο A Σχήµα 3.1. Η αρχή λειτουργίας της φωτοβολταϊκής γεννήτριας Οι φ/β γεννήτριες είναι µια ενδεχόµενη επιλογή της τεχνολογίας ηλεκτροδότησης σε εφαρµογές όπως είναι οι παρακάτω: Τηλεπικοινωνιακά συστήµατα. Μετεωρολογικά όργανα. Καθοδική προστασία. Συστήµατα ασφαλείας. Άντληση νερού. Τροφοδότηση άλλων φορτίων αυτόνοµα ή σε διασύνδεση µε το εθνικό δίκτυο. Για τις περισσότερες εφαρµογές η τάση των 0,5 V περίπου που παράγει το Φ/Β κύτταρο είναι ανεπαρκής. Εποµένως υπάρχει ανάγκη να συνδεθούν σε σειρά (30 ή 32 ή 33 ή 36 ή 44) Φ/Β κύτταρα ώστε να σχηµατισθεί η γνωστή στεγανή εµπορική µορφή (module) µε τάση ανοιχτοκύκλωσης V oc =18V έως 26V η οποία µε την τοποθέτηση ενός εξωτερικού πλαισίου αποκτά µηχανική αντοχή µε υποδοχές στήριξης και το σύνολο ονοµάζεται Φ/Β πλαίσιο ή πάνελ. 13

14 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Χαρακτηριστικές καµπύλες I-V, P-V Για σταθερή τιµή της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο Φ/Β και σταθερή θερµοκρασία η χαρακτηριστική ( I-V ) φαίνεται στο σχήµα 3.2. όπου έχει σηµειωθεί και η µεταβολή της ισχύος P=I V που παράγεται από το Φ/Β κύτταρο για τις διάφορες τιµές ( I-V ) οι οποίες επιβάλλονται από την µεταβολή της αντίστασης φορτίου ( R L ) από 0Ω µέχρι Ω. H ισχύς αιχµής ορίζεται ως η παραγόµενη µέγιστη ηλεκτρική ισχύ όταν το φ/β πλαίσιο δεχτεί ηλιακή ακτινοβολία 1kW/m 2. P(W) I(A) (MPP) P max I-V 3A P-V 30 2,4 1,8 1,2 15 0, V oc =20 V 3.2 Πειραµατικό µέρος Σχήµα 3.2. Χαρακτηριστικές Ι-V και P-V Πειραµατική διάταξη Η πειραµατική διάταξη αποτελείται από τα εξής: 1 Φ/Β πλαίσιο ισχύος 53 Watt 1 ροοστάτη, βολτόµετρα, αµπερόµετρα Εκτέλεση πειράµατος Υλοποιούµε την σύνδεση της εξόδου του Φ/Β µε το µεταβλητό ωµικό φορτίο (R L ) µε παρεµβολή των οργάνων όπως φαίνεται στο παρακάτω ισοδύναµο κύκλωµα (σχ. 3.3.) 14

15 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3 Πηγή + + Φ/Β V A R L Σχήµα 3.3.Ισοδύναµο κύκλωµα Φωτίζουµε το φ/β πλαίσιο και καταγράφουµε την προσπίπτουσα ακτινοβολία µε τη χρήση του πυρανόµετρου. Kαταγράφουµε στον παρακάτω πίνακα τις ενδείξεις του αµπεροµέτρου και του βολτοµέτρου για τις διάφορες τιµές της αντίστασης φορτίου από R L = Ω έως R L =0Ω περιστρέφοντας το ποντεσιόµετρο του κυκλώµατος. Ηλιακή ακτινοβολία E = Watt/m 2 α/α R = V(Volt) I(A) P = V I (W) L V I 1 Voc Isc 1. Χαράζουµε σε κατάλληλα βαθµονοµηµένους κοινούς άξονες τις χαρακτηριστικές µεταβολές Ι-V, P-V των οποίων η µορφή φαίνεται στο Σχ Από τις προηγούµενες γραφικές παραστάσεις να εκτιµηθούν, το σηµείο µέγιστης ισχύος Ρ ΜΡΡ και η τιµή της αντίστασης φορτίου που αντιστοιχεί σ αυτό το σηµείο. 3. Να υπολογιστεί ο βαθµός απόδοσης του Φ/Β µε τη βοήθεια των παρακάτω σχέσεων. Μέγιστη ισχύς που παράγει το φ/β Βαθµός απόδοσης φ/β = % Ισχύς που προσπίπτει στο φ/β P ήλιου / P Φ Β =Ε Α όπου Α το εµβαδό του Φ/Β πλαισίου P MPP P P Φ / Β ήλιου = (3.1) 15

16 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3 4. Επαναλάβατε την ίδια διαδικασία για χαµηλότερη φωτεινότητα. Τι παρατηρείται ως προς τη µέγιστη ισχύ; Συγκρίνετε µε την ισχύ αιχµής. 16

17 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 4: Φωτοβολταϊκά Στοιχεία από άµορφο και πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο 4.1. Θεωρητικό µέρος. Οι ηµιαγωγοί είναι τα υλικά που χρησιµοποιούνται στην κατασκευή των ηλεκτρονικών υπολογιστών, των φωτοανιχνευτών και στα υπό µελέτη Φωτοβολταϊκά στοιχεία. Σε όλα τα στερεά τα άτοµα έχουν καθορισµένες θέσεις και ταλαντεύονται λίγο, ανάλογα µε την ενέργεια που τους έχει δοθεί. Γι αυτό, τα στέρεα έχουν καθορισµένο σχήµα το οποίο πολύ δύσκολα µπορεί να µεταβληθεί. Ο τρόπος µε τον οποίο συµπεριφέρονται τα στερεά εξαρτάται από την εσωτερική δοµή των ατόµων τους και τον τρόπο που συγκρατούνται τα άτοµα µεταξύ τους. ιακρίνονται τρεις κατηγορίες στερεών ανάλογα µε την δοµή τους. α) Κρυσταλλικά και Πολυκρυσταλλικά στερεά. Στην κρυσταλλική δοµή υπάρχει κανονικότητα και τα άτοµα κατέχουν ορισµένες θέσεις στο χώρο ώστε να σχηµατίζουν κρύσταλλο γεωµετρικού σχήµατος όπως για παράδειγµα είναι το κρυσταλλικό πυρίτιο. Στη πολυκρυσταλλική δοµή υπάρχουν πολλοί µικροί κρύσταλλοι προσανατολισµένοι κατά διαφορετικές διευθύνσεις όπως για παράδειγµα είναι τα µέταλλα και το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Σχήµα 4.1. Κρυσταλλική και Πολυκρυσταλική δοµή στο πυρίτιο 17

18 β) Άµορφα στερεά Στα στερεά αυτά δεν υπάρχει κανονική εσωτερική δοµή και παροµοιάζονται µε υγρά που έχουν πολύ µεγάλη εσωτερική τριβή ώστε να µη κινούνται σχεδόν καθόλου όπως για παράδειγµα είναι το γυαλί και το άµορφο πυρίτιο (σχήµα 4.2).. Σχήµα 4.2. Θέσεις ατόµων στο άµορφο Πυρίτιο γ) Πολυµερή στερεά Στα στερεά αυτά µόρια σχηµατίζουν µεγάλες αλυσίδες και κάθε µια περιέχει πολύ µεγάλο αριθµό ατόµων που µπορεί να φτάσουν τις Παράδειγµα τέτοιων µορίων είναι το πολυαιθυλένιο (σχήµα 4.3) και το λάστιχο (σχήµα 4.4). Οι αλυσίδες των µορίων συγκρατούνται µεταξύ τους µε διάφορους τρόπους και ανάλογα µε τη σύνδεση τους έχουν και διαφορετική αντοχή. Σχήµα 4.3 Σχήµα 4.4. Στο λάστιχο τα άτοµα του άνθρακα σχηµατίζουν µεγάλες αλυσίδες που µπλέκονται. 18

19 4.2. Κατασκευή Φωτοβολταϊκών Στοιχείων και Πλαισίων. Το στοιχείο που χρησιµοποιείται στην κατασκευή φ/β στοιχείων ευρείας κατανάλωσης είναι το πυρίτιο σε όλες τις µορφές του: κρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό και άµορφο. Στο κρυσταλλικό πυρίτιο τα άτοµα είναι τοποθετηµένα σε ορισµένη κανονική δοµή που επαναλαµβάνεται σε όλο το στερεό, (σχήµα 4.5) Σχήµα 4.5. Στο κρυσταλλικό Πυρίτιο τα άτοµα είναι τοποθετηµένα σε ορισµένη κανονική δοµή. Στο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο η κρυσταλλική δοµή δεν είναι η ίδια σε όλο το στερεό αλλά παίρνει διαφορετικό προσανατολισµό σε διάφορες περιοχές του στερεού που χωρίζονται µεταξύ τους µε συγκεκριµένες νοητές γραµµές, (σχήµα 4.6). Σχήµα 4.6. Στο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο η κρυσταλλική δοµή παίρνει διαφορετικό προσανατολισµό στις διάφορες περιοχές του στερεού. 19

20 Στο άµορφο πυρίτιο τα άτοµα καταλαµβάνουν τυχαίες θέσεις και η δοµή του είναι εντελώς ακανόνιστη (Σχήµα 4.7) Σχήµα 4.7. Η δοµή του άµορφου πυριτίου είναι εντελώς ακανόνιστη. Σχήµα 4.8. Μορφή Φ/Β (α) µονο-κρυσταλλικού, (β) πολυ-κρυσταλλικού και (γ) άµορφου Πυρίτιου. Στο άµορφο παρατηρούµε ότι οι κυψελίδες έχουν τη µορφή παράλληλων ταινιών. Γενικά ακολουθούνται τέσσερα στάδια κατά την κατασκευή φ/β στοιχείων πυριτίου και πλαισίων. Το πρώτο στάδιο περιλαµβάνει την κατασκευή των κρυστάλλων, 20

21 πολυκρυστάλλων ή άµορφου πυριτίου. Ακολουθεί η αποκοπή ή ο σχηµατισµός λεπτών στρωµάτων από τα υλικά αυτά και η εισαγωγή σε αυτά µικρών ποσοτήτων άλλων στοιχείων (προσµείξεις) για να σχηµατιστεί το η-πυρίτιο ή ρ-πυρίτιο. Μετά ακολουθεί η συγκόλληση µεταλλικών ηλεκτροδίων στις δύο επιφάνειες των στρωµάτων και η επικάλυψη τους µε κατάλληλο υλικό που εµποδίζει την ανάκλαση του φωτός. Το τελευταίο στάδιο περιλαµβάνει την κατασκευή πλαισίου φ/β στοιχείων µε σκοπό την προστασία τους από τις φυσικές και χηµικές µεταβολές που γίνονται συνεχώς στην ατµόσφαιρα. Στο πολυκρυσταλλικό ο βαθµός απόδοσης κυµαίνεται µεταξύ 17 έως 20 % για την κυψέλη και 10 έως 14 % για το πλαίσιο. Χρώµα γαλάζιο µαύρο. Στο άµορφο ο βαθµός απόδοσης κυµαίνεται µεταξύ 6 έως 8 %. Χρώµα καφέ Πειραµατικό µέρος Πειραµατική διάταξη Η πειραµατική διάταξη αποτελείται από τα εξής: 1 Φ/Β πλαίσιο ισχύος 53 Watt πολυκρυσταλλικό και ένα 15W άµορφο 1 ροοστάτη, βολτόµετρα, αµπερόµετρα Εκτέλεση πειράµατος Υλοποιούµε την σύνδεση της εξόδου του Φ/Β µε το µεταβλητό ωµικό φορτίο (R L ) µε παρεµβολή των οργάνων όπως φαίνεται στο παρακάτω ισοδύναµο κύκλωµα (σχ. 4.9.) Πηγή + + Φ/Β V A R L Σχήµα 4.9. Ισοδύναµο κύκλωµα Φωτίζουµε το φ/β πλαίσιο και καταγράφουµε την προσπίπτουσα ακτινοβολία µε τη χρήση του πυρανόµετρου. Kαταγράφουµε στον παρακάτω πίνακα τις ενδείξεις του 21

22 αµπεροµέτρου και του βολτοµέτρου για τις διάφορες τιµές της αντίστασης φορτίου από R L = Ω έως R L =0Ω περιστρέφοντας το ποντεσιόµετρο του κυκλώµατος. Αυτή η εργασία γίνεται και για τα δύο Φ/Β. Ηλιακή ακτινοβολία E = Watt/m 2 α/α R = V(Volt) I(A) P = V I (W) L V I 1 Voc Isc Χαράζουµε σε κατάλληλα βαθµονοµηµένους κοινούς άξονες τις χαρακτηριστικές µεταβολές Ι-V, P-V των οποίων η µορφή φαίνεται στο Σχ.3.2. Από τις προηγούµενες γραφικές παραστάσεις να εκτιµηθούν, το σηµείο µέγιστης ισχύος Ρ ΜΡΡ και η τιµή της αντίστασης φορτίου που αντιστοιχεί σ αυτό το σηµείο. Να υπολογιστεί ο βαθµός απόδοσης του Φ/Β µε τη βοήθεια των παρακάτω σχέσεων. Μέγιστη ισχύς που παράγει το φ/β Βαθµός απόδοσης φ/β = % Ισχύς που προσπίπτει στο φ/β P MPP P ήλιου Φ / Β = (4.1) P ήλιου / P Φ Β =Ε Α όπου Α το εµβαδό του Φ/Β πλαισίου 22

23 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5: Υπολογισµός ρεύµατος βραχυκύκλωσης και τάσης ανοιχτοκύκλωσης Φ/Β πλαισίου, συναρτήσει της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της κλίσης 5.1 Θεωρητικό µέρος Ένα πραγµατικό Φ/Β κύτταρο είναι µία πηγή συνεχούς ρεύµατος η οποία ελέγχεται από τη δίοδο ( Ρ Ν ) και ακόµη περιλαµβάνει δύο ισοδύναµες ωµικές αντιστάσεις, µία παράλληλη αντίσταση (Rsh ) µε τιµή >500 Ω που προέρχεται από την διαρροή τις διόδου ( D ) και µία εν σειρά αντίσταση ( Rs ) µε τιµή < 5Ω η οποία προέρχεται από τις ηλεκτρικές επαφές και τους αγωγούς συνδεσµολογίας. Το απλοποιηµένο ισοδύναµο κύκλωµα (R sh= Rs=0 )ενός πραγµατικού Φ/Β κυττάρου φαίνεται στο παρακάτω σχήµα 5.1. Ι ph ID I Σχήµα 5.1. Απλοποιηµένο ισοδύναµο κύκλωµα του Φ/Β Τα Φ/Β κύτταρα είναι ηλεκτρονικές πηγές συνεχούς ρεύµατος µε µη γραµµική χαρακτηριστική συνάρτηση µεταβολής του ρεύµατος φορτίου (I) µε την τάση φορτίου (V) µία τυπική περίπτωση Φ/Β κυττάρου ενεργού επιφανείας Α = 10cm 2 και πυκνότητας ρεύµατος 30 ma/cm 2. Η χαρακτηριστική καµπύλη ( I-V ) προκύπτει γραφικά µε χρήση σχέσης: I I = I (5.1) ph D Εδώ πρέπει να σηµειωθεί ότι επιτρέπεται η βραχυκύκλωση ενός Φ/Β κυττάρου χωρίς κίνδυνο καταστροφής του, η τιµή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης ( Isc ) αποτελεί χαρακτηριστική τιµή καθώς και η τάση ανοικτού κυκλώµατος ( V oc ). 23

24 5.2 Πειραµατικό µέρος Πειραµατική διάταξη Για την εκτέλεση του πειράµατος είναι απαραίτητα τα παρακάτω όργανα: ιάταξη µετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Βολτόµετρο, αµπερόµετρο, πυρανόµετρο Εκτέλεση πειράµατος Ορίζουµε σαν γωνία πρόσπτωσης της δέσµης φωτός τη γωνία (φ) που σχηµατίζει η δέσµη µε την κάθετη της επιφάνειας του Φ/Β. Φωτίζουµε κάθετα (φ=0 0 ) την επιφάνεια του Φ/Β µε φωτισµό γνωστής ακτινοβολίας (W/m 2 ) και στη συνέχεια συµπληρώνουµε τον παρακάτω πίνακα µετρήσεων µε την τιµή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης (Ι SC ) όταν η έξοδος του Φ/Β είναι βραχυκυκλωµένη (R L =0Ω) και η τιµή της τάσης ανοικτοκύκλωσης (V oc ) όταν η έξοδος είναι χωρίς φορτίο ( R L ). Τα προηγούµενα επαναλαµβάνονται και για τις υπόλοιπες γωνίες (30 0,45 0, 60 0, 90 0 ), για δύο διαφορετικές εντάσεις ηλιακής ακτινοβολίας, Ε1 και Ε2. Ε1(W/m 2 ) Ε2(W/m 2 ) φ=0 0 φ=30 0 φ=45 0 φ=60 0 φ=90 0 Για Ε1 Για Ε2 I SC V OC I SC V OC I SC V OC I SC V OC I SC V OC Μετρήστε τη θερµοκρασία περιβάλλοντος και κατασκευάστε τα αντίστοιχα διαγράµµατα για διάφορες τιµές ηλιακής ακτινοβολίας [I=f(V) για τις Ε1 & Ε2 για φ=0 ο, I=f(V) για την Ε1 και για όλες τις φ και I=f(V) για την Ε2 και για όλες τις φ], σηµειώνοντας τις παρατηρήσεις σας. Συγκρίνεται τα διαγράµµατά σας µε αυτά που ακολουθούν. 24

25 Γνωρίζοντας ότι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιµένο επίπεδο µας δίνεται από τη σχέση Βκ = Βπ /συνφ, υπολογίστε την για τις διάφορες γωνίες φ, και σχολιάστε τις τιµές της σε σχέση µε τις πειραµατικές. Παρακάτω δίνονται χαρακτηριστικές καµπύλες I=f(V) και W=f(V) φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σταθερή θερµοκρασία 0 ο C και χαρακτηριστικές καµπύλες I=f(V) και W=f(V) φωτοβολταϊκού στοιχείου όταν η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (Ε) είναι σταθερή 1000 W/m 2 ΚΑΜΠΥΛΕΣ I=f(V) και W=f(V) f (E), για Τ = 0 0 C Σχ. 4.2: Χαρακτηριστικές καµπύλες I=f(V) και W=f(V) φωτοβολταϊκού στοιχείου σε θερµοκρασία 0 ο C ΚΑΜΠΥΛΕΣ I=f(V) και W=f(V) f (T), για E = 1000 W/m 2 Σχήµα 4.3: Χαρακτηριστικές καµπύλες I=f(V) και W=f(V) φωτοβολταϊκού στοιχείου όταν η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία είναι 1000 W/m 2 25

26 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6: Αυτόνοµο σύστηµα για τροφοδοσία οικιακού καταναλωτή Φ/Β 6.1 Θεωρητικό µέρος Σκοπός του πειράµατος είναι η κατανόηση του τρόπου συνεργασίας των στοιχείων ενός αυτόνοµου Φ/Β συστήµατος συγκεκριµένης απόδοσης, ανεξάρτητου από το εθνικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Για τη λειτουργία ενός αυτόνοµου φ/β συστήµατος είναι απαραίτητα τα εξής: Φ/Β γεννήτρια Ρυθµιστής φόρτισης/εκφόρτισης Συσσωρευτής Μετατροπέας Κατανάλωση Η διάταξη ενός Φ/Β συστήµατος φαίνεται στο παρακάτω σχήµα (Σχήµα 6.1.) Σχ ιάταξη Φ/Β συστήµατος Παρακάτω περιγράφονται τα στοιχεία της διάταξης του σχήµατος Φωτοβολταϊκή γεννήτρια Σε ένα αυτόνοµο σύστηµα το µέγεθος µιας Φ/Β γεννήτριας εξαρτάται από τις ενεργειακές ανάγκες του καταναλωτή. Από την άλλη πλευρά η εκµετάλλευση της ενέργειας της γεννήτριας εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από την ηλιακή ακτινοβολία και την εξωτερική θερµοκρασία. Ο συνδυασµός χαµηλού κόστους 26

27 και σωστής λειτουργίας ενός συστήµατος προϋποθέτει ιδιαίτερη προσοχή στην µελέτη και εκλογή όλων των στοιχείων. Η εκλογή των στοιχείων του συστήµατος, ο προσανατολισµός και η γωνία κλίσης (tilt angle) της Φ/Β γεννήτριας παίζουν σηµαντικό ρόλο. Για την επίτευξη µεγάλων αποδόσεων, τα modules συνδέονται σε σειρά και παράλληλα. Επίσης βασική είναι και η αντικεραυνική προστασία ολόκληρης της εγκατάστασης (εσωτερική και εξωτερική). Απαραίτητη τέλος είναι µια ενδιάµεση αποθήκευση ενέργειας (συσσωρευτές) έτσι ώστε να εξασφαλίζεται αδιάλειπτα ενέργεια στον καταναλωτή. 2. Ρυθµιστής φόρτισης/εκφόρτισης Με την βοήθεια του ρυθµιστή φόρτισης / εκφόρτισης επιτυγχάνουµε η τάση της µπαταρίας να µην υπερβαίνει και να µην βρίσκεται κάτω από το κανονικό κατά την φόρτιση και εκφόρτιση της. Η σταθεροποίηση της τάσης βοηθάει στην ασφαλή λειτουργία του συσσωρευτή, για το λόγο αυτό ο ρυθµιστής χρησιµοποιείται µεταξύ Φ/Β γεννήτριας και µπαταρίας. Υπάρχουν διάφορα είδη ρυθµιστών. Στο συγκεκριµένο πείραµα χρησιµοποιούµε ρυθµιστή φόρτισης / εκφόρτισης δύο σηµείων που συνδέεται απευθείας στην Φ/Β γεννήτρια. Αυτό σηµαίνει ότι η τάση της γεννήτριας εξαρτάται από την τάση της µπαταρίας. Τα σηµεία αυτά όµως δεν αντιστοιχούν στο σηµείο µέγιστης ισχύος της Φ/Β γεννήτριας. Εάν ο ρυθµιστής συνδυάζει και ανίχνευση σηµείου µέγιστης ισχύος (maximum-power- Point-Tracker, MPPT), τότε όχι µόνο ελέγχεται η τάση φόρτισης / εκφόρτισης της µπαταρίας, αλλά ρυθµίζεται και το ιδανικό σηµείο λειτουργίας της ηλιακής γεννήτριας. Στο σχήµα 6.2 παριστάνονται οι περιοχές λειτουργίας δύο ρυθµιστών πάνω στις χαρακτηριστικές µιας φωτοβολταικής βαθµίδας. Σχήµα 6.2. Περιοχές λειτουργίας ρυθµιστών τάσης, για Τ = 0 0 C 3. Συσσωρευτής 27

28 Ένα βασικό στοιχείο του αυτόνοµου Φ/Β συστήµατος είναι ο συσσωρευτής. Σε ηλιακές εγκαταστάσεις χρησιµοποιούνται κυρίως ηλεκτροχηµικοί συσσωρευτές µολύβδου (Pb). Σε κατάσταση φόρτισης ο συσσωρευτής µολύβδου αποτελείται από µόλυβδο και πλάκα οξειδίου του µολύβδου που βρίσκονται εµβαπτισµένα σε διάλυµα θειικού οξέος. Η εκφόρτιση περιγράφεται µε τις ακόλουθες εξισώσεις: Άνοδος: PbO + 4H + SO + 2e PbSO + 2H O (6.1) Κάθοδος: Pb + SO PbSO + e (6.2) Κατά την φόρτιση πραγµατοποιείται αντίδραση αντίθετης κατευθύνσεως. Εάν µετά την πλήρη φόρτιση της µπαταρίας συνεχιστεί η διαδικασία φόρτισης, τότε το νερό του ηλεκτρολύτη διαλύεται σε υδρογόνο και οξυγόνο, και ο συσσωρευτής εκλύει αέρια. Η χωρητικότητα µιας µπαταρίας µετριέται σε (Ah) και εξαρτάται αποκλειστικά από το ρεύµα φόρτισης και εκφόρτισης. Οι νέας γενιάς µπαταρίες µολύβδου χαρακτηρίζονται σαν µπαταρίες που δεν χρειάζονται ιδιαίτερη συντήρηση κατά την φόρτιση και εκφόρτιση. Παρ όλα αυτά συνίσταται ο περιοδικός έλεγχος των µπαταριών. 4. Μετατροπέας Η Φ/Β γεννήτρια παράγει συνεχές ρεύµα, µε το οποίο είναι δυνατόν να τροφοδοτηθούν ειδικοί καταναλωτές συνεχούς ρεύµατος. Η µετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόµενη είναι απαραίτητη για τους συνηθισµένους καταναλωτές. Ανάλογα µε τις απαιτήσεις της κατανάλωσης ο µετατροπέας µπορεί να δώσει στην έξοδο τετραγωνική, τραπεζοειδή, ή ηµιτονοειδή µορφή. Το κόστος του µετατροπέα εξαρτάται από το είδος της κυµατοµορφής εξόδου. Για ηλιακές εγκαταστάσεις για αυτόνοµη παραγωγή ρεύµατος αρκεί ένας µετατροπέας µε έξοδο εναλλασσόµενη τετραγωνική ή τραπεζοειδή κυµατοµορφή. Εάν θέσουµε τον µετατροπέα παράλληλα µε το δίκτυο, για να αποφύγουµε την παραµόρφωση της ηµιτονοειδούς κυµατοµορφής του δικτύου, απαιτείται αύξηση του κόστους της εγκατάστασης λόγω παρεµβάσεων σε ηλεκτρονικό εξοπλισµό. Ο βαθµός απόδοσης των σηµερινών µετατροπέων ξεπερνάει το 90%. Εάν ο βαθµός απόδοσης ενός µετατροπέα δεν είναι σταθερός, αλλά εξαρτάται από το φορτίο του µετατροπέα, η τιµή της ισχύος του πρέπει να είναι µεγάλη. Σε ηλιακές εγκαταστάσεις ο µετατροπέας θα πρέπει να δουλεύει σε µερικό φορτίο και για το συγκεκριµένο φορτίο ο βαθµός απόδοσής του πρέπει να είναι υψηλός. Για τον συνολικό χαρακτηρισµό της ποιότητας ενός µετατροπέα είναι βασική η γνώση του βαθµού απόδοσης σε κάθε φορτίο. 28

29 6.2 Πειραµατικό µέρος Πειραµατική διάταξη Η πειραµατική διάταξη φαίνεται στο σχήµα 6.3. όπου: 1. Φωτοβολταϊκή γεννήτρια SM55 SIEMENS (53 W p ) 2. Ρυθµιστής φόρτισης/εκφόρτισης. 3. Συσσωρευστής 4. Μετατροπέας 5. Κατανάλωση Σχ Σχηµατική διάταξη αυτόνοµου οικιακού καταναλωτή Να µετρηθούν: Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στη φ/β γεννήτρια. 29

30 Το ρεύµα και η τάση της φ/β γεννήτριας. Ο βαθµός απόδοσης του ρυθµιστή Ο βαθµός απόδοσης του µετατροπέα για διάφορες καταναλώσεις ( ιαγράµµατα n p =f(w) και n µ = f(w)). 30

31 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7: Μελέτη παθητικών ηλιακών συστηµάτων 7.1 Θεωρητικό µέρος Η άνεση των κατοίκων του κτιρίου εξαρτάται από τη θερµοκρασία, από την µετακίνηση του αέρα και από τις δραστηριότητες των κατοίκων. Η υψηλότερη εσωτερική θερµοκρασία στην οποία οι κάτοχοι θα αισθάνονταν ακόµα άνετοι, καλείται καθορισµένη θερµοκρασία σηµείου(set point temperature). Είναι σηµαντικό να τονιστεί ότι αυτό είναι µια τιµή που επιλέγεται από το σχεδιαστή. Επίσης µπορεί να υπολογιστεί µέχρι ποιο σηµείο οι αυξήσεις στην εξωτερική θερµοκρασία του περιβάλλοντος θα έφερναν περίπου αυξήσεις στην εσωτερική θερµοκρασία του κτιρίου. Αυτή η κρίσιµη τιµή, το σηµείο στο οποίο η εξωτερική θερµοκρασία περιβάλλοντος θα προκαλούσε την εσωτερική θερµοκρασία να είναι µη ανεχτή, καλείται τη θερµοκρασία σηµείου ισορροπίας θερµότητας(balance Point Temperature). Όταν η εξωτερική θερµοκρασία περιβάλλοντος υπερβαίνει τη θερµοκρασία σηµείου ισορροπίας θερµότητας, το κτίριο θα χρειαστεί να δροσιστεί µηχανικά για να διατηρήσει την άνεση. Το ποσό ενέργειας που απαιτείται για να δροσίσει το κτίριο µηχανικά στο επίπεδο άνεσης καλείται ψυκτικό φορτίο. Το πρόγραµµα summer building είναι ένα εργαλείο σχεδίου που επιτρέπει στο σχεδιαστή να εξετάσει πώς οι αλλαγές σε διαφορετικές πτυχές του σχεδίου, µπορούν να επηρεάσουν τα χαρακτηριστικά του φυσικού δροσισµού ενός κτιρίου. Το building εξετάζει τους διάφορους τύπους παθητικού και φυσικού δροσισµού ως εξής: Έλεγχος ηλιακών κερδών Θερµική µάζα Φυσικός αερισµός Νυχτερινός αερισµός Υπεδάφια ψύξη Συνδυασµός των ανωτέρω τεχνικών. 31

32 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Αρχικά υπολογίζει την ενέργεια που απαιτείται για να δροσιστεί ένα κτίριο στους αποδεκτούς όρους άνεσης χρησιµοποιώντας το τυπικό κλιµατιστικό. Υπολογίζει στη συνέχεια την ενέργεια που θα απαιτούταν για να συµπληρώσει την ψύξη που παρέχεται από κάθε µια από τις παραπάνω τεχνικές, για το εσωτερικό περιβάλλον µέσα σε όρους άνεσης. Μια άµεση σύγκριση µπορεί να γίνει, και το ποσοστό της διατήρησης ενέργειας µπορεί να καθοριστεί. Το building υπολογίζει: Την ωριαία θερµοκρασία σηµείου ισορροπίας της θερµότητας ενός κτιρίου. Τις ώρες της ηµέρας όταν θα πρέπει να παρασχεθεί η ενέργεια δροσισµού. Το ψυκτικό φορτίο του κτιρίου. Ο στόχος του σχεδιαστή είναι να ελαχιστοποιήσει τις ώρες υπερθέρµανσης, και να µειώσει έτσι το ψυκτικό φορτίο. 7.2 Πειραµατικό µέρος Γνωριµία µε το πρόγραµµα Στο παρακάτω σχήµα παρατηρούµε τα κυρίως µενού του προγράµµατος. 32

33 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Τοποθέτηση δεδοµένων 1. Εξωτερικοί τοίχοι (Επιλογή : External Opaque Components) Επιλέγουµε των αριθµό των παραθύρων: Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές ανά περίπτωση. Έπειτα ανοίγουµε το elements library στο οποίο επιλέγουµε τα υλικά που επιθυµούµε και το πάχος τους για την κατασκευή των τοίχων. Όταν έχουµε ολοκληρώσει πατάω ok αυτό γίνεται για κάθε τοίχο ξεχωριστά. 33

34 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 2. Γυάλινες επιφάνειες (Επιλογή : Glazed Surfaces) Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές ανά περίπτωση. 34

35 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Έπειτα ανοίγουµε το glazings library στο οποίο επιλέγουµε το είδος του υαλοπίνακα και σηµειώνω το ποσοστό ηλιακής εκποµπής και την ταχύτητα που αντιστοιχεί στο είδος του υαλοπίνακα που επιλέξαµε. ιαλέγουµε τύπο σκιάστρου: Αυτό γίνεται για κάθε γυάλινη επιφάνεια ξεχωριστά. Όταν έχουµε ολοκληρώσει πατάµε ok. 3. Εσωτερικά διαχωριστικά (Επιλογή : Internal Partitions) 35

36 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετώ τις επιθυµητές τιµές ανά περίπτωση. 4. άπεδο και λειτουργικά δεδοµένα (Επιλογή : Floor and Operational Data) Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές ανά περίπτωση. Η απόφαση για το ποια είναι η υψηλότερη εσωτερική θερµοκρασία στην οποία οι κάτοχοι θα αισθάνονταν ακόµα άνετοι είναι του σχεδιαστή. Άρα οι τιµές που θα τοποθετήσουµε είναι αυτές µε τις οποίες νοµίζουµε ότι θα πετύχουµε όρους άνεσης. Η περίοδος των υπολογισµών είναι χωρισµένη σε 3 χρονικές περίοδους. Η πρώτη περιέχει τις εργάσιµες ηµέρες της εβδοµάδας, ευτέρα έως Παρασκευή. Η δεύτερη περιέχει τα Σάββατα και η τρίτη τις Κυριακές. Με αυτόν τον χωρισµό µπορούν να δοθούν διαφορετικοί καθορισµοί για κάθε χρονική περίοδο (διαφορετικά πρότυπα κατοχής, διαφορετικό εσωτερικό κέρδος). 36

37 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 5. Εσωτερικά κέρδη (Επιλογή : Internal Gains) Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές ανά θερµική ζώνη. 37

38 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 6. Περίοδος υπολογισµού (Επιλογή : Calculations Period) Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές και πατάµε ok. 7. Κλιµατολογικά χαρακτηριστικά (Επιλογή : Climatic Characteristics) Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο διαλέγουµε Measured Values from File για να χρησιµοποιήσουµε ένα από τα υπάρχοντα κλιµατολογικά χαρακτηριστικά του προγράµµατος ή το Simulation για να τοποθετήσουµε τα κλιµατολογικά χαρακτηριστικά της περιοχής που επιθυµούµε. 8. Φυσικός αερισµός (Επιλογή : Natural Ventilation Data) Eµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο επιλέγουµε: Fixed Air Changes per hour during the Daytime Period ή Night Period. 38

39 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Στη συνέχεια επιλέγουµε το είδος της περιοχής που βρίσκεται η κατασκευή µας και τον αριθµό των ανοιχτών παραθύρων που επιθυµούµε να έχει. Αφού έχουµε συµπληρώσει το παραπάνω παράθυρο πατάµε ok. Εµφανίζεται ένα παράθυρο στο οποίο ζητάµε από το πρόγραµµα να υπολογίσει τον συντελεστή πίεσης ή αν έχουµε τα απαραίτητα κλιµατολογικά δεδοµένα τον υπολογίζουµε και τον τοποθετούµε. Και εµφανίζεται το παράθυρο: 39

40 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Σε αυτό το παράθυρο καλούµαστε να συµπληρώσουµε τα στοιχεία για το παράθυρο που επιθυµούµε να είναι ανοιχτό. 9. Μηχανικός Αερισµός (Επιλογή: Mechanical Ventilation Data) Eµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο επιλέγουµε: Mechanical Ventilation during the Daytime Period ή Mechanical Ventilation during the Night Period, αν επιθυµώ µηχανική υποστήριξη και πατάµε ok. 10. Υπεδάφια ψύξη (Επιλογή: Buried Pipes Data) Επιλέγοντας την χρήση εναλλακτών θερµότητας εµφανίζεται ένα παράθυρο στο οποίο προσδιορίζουµε τον επιθυµητό αριθµό σωλήνων. Πατώντας ok εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές ανά περίπτωση. 40

41 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Όταν έχουµε περάσει και από τα 10 βήµατα έχουµε ολοκληρώσει την κατασκευή και οδηγούµαστε στα στάδια αξιολόγησης της ενεργειακής αποδοτικότητας της. 1) Επιλογή : Cooling load Calculations στο οποίο υπολογίζουµε τη θερµοκρασία σηµείου ισορροπίας θερµότητας και το ψυκτικό φορτίο σε κάθε µια από της παρακάτω περιπτώσεις : Reference A/C Building. Naturally Ventilated Buildings. Night Ventilated A/C Buildings. A/C Buildings using Buried Pipes. A/C Buildings using Night Ventilation and Buried Pipes. Night Ventilated Non A/C Buildings. Non A/C Buildings using Buried Pipes. Non A/C Buildings using Night Ventilation and Buried Pipes. Τσεκάρουµε τον τύπο του κτιρίου στον οποίο επιθυµούµε να πραγµατοποιηθούν οι υπολογισµοί και πατάµε ok. 41

42 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 2) Επιλογή : Cooling load results σε αυτή την επιλογή λαµβάνουµε τα αποτελέσµατα της µελέτης σε ψυκτικό φορτίο καθώς και της ώρες υπερθέρµανσης καθώς επίσης είναι δυνατό να συγκρίνουµε την αποτελεσµατικότητά των µεθόδων που δύναται να χρησιµοποιήσουµε σε αυτό το πρόγραµµα. 42

43 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Το κόκκινο δηλώνει τις ώρες υπερθέρµανσης Εκτέλεση πειράµατος Επίδραση µόνωσης στο ψυκτικό φορτίο Στο πρόγραµµα εκτελέστε τα παρακάτω βήµατα: 1. Φορτώστε το project example.bui από το µενού File 2. Kαθορίστε την περίοδο υπολογισµών (βήµα 6 προηγούµενης παραγράφου) ώστε να περιλαµβάνει τον µήνα Αύγουστο. 3. Στη συνέχεια ακολουθούµε το βήµα 1 της προηγούµενης παραγράφου και µεταβάλουµε τη µόνωση όλων των εξωτερικών τοίχων (Layer 2). Τα µονωτικά υλικά της βιβλιοθήκης έχουν κωδικό από 401 ως 416 χωρίς να µεταβάλουµε το πάχος της µόνωσης. 4. Για κάθε νέο µονωτικό υλικό εκτελούµε το Cooling load Calculations µόνο για το Reference A/C Building και καταγράφουµε το ψυκτικό φορτίο. 5. Στη συνέχεια επιλέγουµε το µονωτικό υλικό µε το χαµηλότερο ψυκτικό φορτίο και µεταβάλουµε το πάχος από 50 mm ως 100 mm µε βήµα 10 mm. 6. Για κάθε νέο πάχος εκτελούµε το Cooling load Calculations µόνο για το Reference A/C Building και καταγράφουµε το ψυκτικό φορτίο. 43

44 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Σχεδιάστε το διάγραµµα του ψυκτικού φορτίου σε σχέση µε το µονωτικό υλικό και το διάγραµµα του ψυκτικού φορτίου σε σχέση µε το πάχος. Τι παρατηρείτε; Ποιο το ποσοστό µείωσης του ψυκτικού φορτίου µε τις διάφορες αλλαγές στη µόνωση; Προτείνετε αλλαγές της δοµής του τοίχου που θα άλλαζαν δραστικά το ψυκτικό φορτίο Επίδραση σκίασης στο ψυκτικό φορτίο Στο πρόγραµµα εκτελέστε τα παρακάτω βήµατα: 1. Φορτώστε το project example.bui από το µενού File 2. Kαθορίστε την περίοδο υπολογισµών (βήµα 6 προηγούµενης παραγράφου) ώστε να περιλαµβάνει τον µήνα Αύγουστο. 3. Στην εντολή Inputs Glazed surfaces επιλέξτε τον αριθµό των παραθύρων από 1 ως 3 και για κάθε παράθυρο επιλέξτε: a. Shading device none. Στο µενού Calculations Balance Point Temperature για Reference Air Conditioning building. Στη συνέχεια στο µενού Results Balance Point Temperature Cooling Load καταγράψτε το συνολικό ψυκτικό φορτίο. b. Επαναλάβετε το βήµα a. για διάφορους τύπους shading devices (overhang σκίαση από πάνω από το παράθυρο, side fins σκίαση από τα πλάγια) και για διάφορες διαστάσεις ώστε να συµπληρώστε τον Πίνακα που ακολουθεί (θεωρήστε ύψος παραθύρου 2m). Τι παρατηρείτε; Αριθ. Ψυκτικό φορτίο Ψυκτικό φορτίο µε Ψυκτικό φορτίο µε Ψυκτικό Ψυκτικό φορτίο Ψυκτικό παραθύρων χωρίς σκίαστρα σκίαστρα overhangs σκίαστρα overhangs φορτίο µε µε σκίαστρα side φορτίο µε για το µήνα διαστάσεων 1 m για το διαστάσεων 0.5 m σκίαστρα fins διαστάσεων σκίαστρα side Αύγουστο (kwh) µήνα Αύγουστο (kwh) για το µήνα overhangs 0.2 m για το µήνα fins Αύγουστο (kwh) διαστάσεων 0.2 Αύγουστο (kwh) διαστάσεων 0.1 m για το µήνα m για το µήνα Αύγουστο Αύγουστο (kwh) (kwh)

45 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Επίδραση φυσικού αερισµού στο ψυκτικό φορτίο Στο πρόγραµµα εκτελέστε τα παρακάτω βήµατα: 1. Φορτώστε το project example.bui από το µενού File 2. Kαθορίστε την περίοδο υπολογισµών (βήµα 6 προηγούµενης παραγράφου) ώστε να περιλαµβάνει 3 ήµέρες του Αυγούστου Στην εντολή Inputs Natural Ventilation data επιλέξτε τον αριθµό αλλαγών αέρα την ώρα (Fixed air changes per hour) και στη συνέχεια υπολογίστε το ψυκτικό φορτίο (Calculations Balance Point Temperature για Natural Ventilated building ώστε να καταγραφούν στον παρακάτω πίνακα: Ψυκτικό Ψυκτικό φορτίο Ψυκτικό φορτίο για 1 Ψυκτικό φορτίο για Ψυκτικό Ψυκτικό φορτίο Ψυκτικό φορτίο για 0 για 1 αλλαγές αλλαγές αέρα την ώρα τη 1 αλλαγές αέρα την φορτίο για 2 για 2 αλλαγές φορτίο για 3 αλλαγές αέρα αέρα την ώρα τη µέρα και 2 τη νύχτα(kwh) ώρα τη µέρα και 3 αλλαγές αέρα αέρα την ώρα τη αλλαγές αέρα την ώρα τη µέρα και 1 τη τη νύχτα(kwh) την ώρα τη µέρα και 5 τη την ώρα τη µέρα και τη νύχτα(kwh) µέρα και 4 τη νύχτα(kwh) µέρα και 5 τη νύχτα(kwh) νύχτα(kwh) νύχτα(kwh) Τι παρατηρείτε για το ψυκτικό φορτίο; 45

46 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8: Μελέτη καυσίµου (Fuel Cell) κυψέλης 8.1 Θεωρητικό µέρος Εισαγωγικά στοιχεία Η αναπόφευκτη µελλοντική εξάντληση των ορυκτών καυσίµων (πετρέλαιο, κάρβουνο, φυσικό αέριο κτλ) σε συνδυασµό µε την έκλυση ρύπων κατά τη χρήση τους για παραγωγή ενέργειας καθιστούν επιτακτική την ανάγκη για ένα φορέα ενέργειας που θα είναι ευρέως διαθέσιµος, ενώ παράλληλα δεν θα ρυπαίνει. Τέτοιοι φορείς ενέργειας θα µπορούσαν να αποτελέσουν ο ηλεκτρισµός, τα βιοκαύσιµα όπως η αιθανόλη, ή το υδρογόνο. Το υδρογόνο είναι το πλέον διαδεδοµένο στοιχείο στην φύση, είναι υψηλής δραστικότητας και εποµένως µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε πλήθος µορφών καύσης. Εάν δε έχει παραχθεί από το νερό, τότε µπορεί να καεί χωρίς εκποµπές ρύπων. Σήµερα όµως, το υδρογόνο δεν αποτελεί επίλεκτο ενεργειακό φορέα γιατί παρουσιάζει και µειονεκτήµατα. Πρέπει να παραχθεί κάνοντας χρήση κάποιας άλλης µορφής ενέργειας, είναι δύσκολο να αποθηκευθεί σε µορφή µε υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και γενικά θεωρείται επικίνδυνο. Οι κυριότερες εµπορικές µέθοδοι παραγωγής υδρογόνου είναι: Η αναµόρφωση υδρογονανθράκων µε ατµό, κυρίως Φ.Α (κόστος 5 /GJ). Η µερική οξείδωση αεριοποίηση βαρέων υδρογονανθράκων ή κάρβουνου (13 /GJ) Η ηλεκτρόλυση του νερού (12 /GJ) Για την παραγωγή υδρογόνου από αναµόρφωση υδρογονανθράκων, καταναλώνεται περίπου το 20-30% του υδρογονάνθρακα για την παραγωγή της ενέργειας που απαιτείται για τη διαδικασία και εκλύονται συνεπώς αέρια του «θερµοκηπίου». Το πρόβληµα της ρύπανσης υφίσταται και στην περίπτωση της ηλεκτρόλυσης, εφόσον η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από ορυκτά καύσιµα. Όταν όµως η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας, τότε κατά τη παραγωγή του υδρογόνου δεν εκλύονται ρύποι. 46

47 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8 Μέχρι σήµερα το υδρογόνο έχει κυρίως βιοµηχανική χρήση ενώ οι ενεργειακές χρήσεις του υδρογόνου αποτελούν ελάχιστο ποσοστό. Η βιοµηχανία αµµωνίας καταναλώνει το 50% του παραγόµενου υδρογόνου και τα διυλιστήρια το 37%. Σηµαντικές καταναλώσεις έχει και η βιοµηχανία τροφίµων (υδρογόνωση ελαίων). Το υδρογόνο µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν εναλλακτικό καύσιµο σε πλήθος (κατάλληλα τροποποιηµένων) τεχνολογιών καύσης όπως καταλυτικούς καυστήρες, λέβητες αερίου, αεριοστροβίλους και κινητήρες εσωτερικής καύσης. Η καύση του υδρογόνου παράγει νερό αλλά, λόγω των υψηλών θερµοκρασιών καύσης, παράγονται και οξείδια του αζώτου. Οι κυψέλες καυσίµου αποτελούν µία σχετικά πρόσφατη τεχνολογία κατά την οποία µέσω ηλεκτροχηµικής αντίδρασης επιτυγχάνεται παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος, µε µόνο υποπροϊόν το νερό. Η λειτουργία της είναι αντίστροφη από αυτή µιας ηλεκτρολυτικής µονάδας και προσοµοιάζει την λειτουργία µιας µπαταρίας, µε την διαφορά ότι δεν έχει τον περιορισµό της εξάντλησης του καυσίµου µια και το καύσιµο (υδρογόνο) και το οξειδωτικό (αέρας ή οξυγόνο) εισάγονται συνεχώς στην άνοδο και την κάθοδο και τα προϊόντα (ηλεκτρική ενέργεια και νερό) αποµακρύνονται Ο ρόλος του υδρογόνου Το υδρογόνο που παράγεται από Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) είναι σύµφωνα µε τους περιβαλλοντολόγους το ιδανικό καύσιµο αφού δεν υπάρχει περιβαλλοντικό κόστος στην παραγωγή και χρήση του υδρογόνου, όταν χρησιµοποιείται αιολική ή ηλιακή ενέργεια. Η µόνη έκλυση ρύπων υπάρχει κατά την κατασκευή, µεταφορά και εγκατάσταση των τεχνολογιών µετατροπής της αιολικής (ανεµογεννήτριες) ή ηλιακής (Φ/Β) ενέργειας και ίσως της ενέργειας για την µεταφορά του υδρογόνου. Επίσης το υδρογόνο δεν βλάπτει το περιβάλλον ούτε επηρεάζει το στρώµα του όζοντος, ενώ τα προϊόντα της καύσης του, δεν περιέχουν σωµατίδια (αιθάλη) ή CO 2. Το υδρογόνο ανακαλύφθηκε το 1766 από τον H.Cavendish και χαρακτηρίστηκε σαν "εύφλεκτος αέρας". Το 1800, δύο Βρετανοί επιστήµονες ήταν οι πρώτοι που επέδειξαν την ηλεκτρόλυση. Το 1920 και το 1930 υπήρχε σηµαντικό ενδιαφέρον στην Αγγλία και την Γερµανία για την χρήση του υδρογόνου σαν καύσιµο. Το 1923 ο 47

48 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8 Σκοτσέζος J.B.S.Haldane αναφέρει σε δηµοσίευση του ότι το υδρογόνο είναι το καύσιµο του µέλλοντος, το οποίο θα παράγεται από ανεµόµυλους που θα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και θα διασπούν το νερό ηλεκτρολυτικά σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το υδρογόνο αποτελεί το 90% του σύµπαντος, αν και είναι το ελαφρύτερο στοιχείο. Στην γη βρίσκεται κυρίως σε ενώσεις του όπως το νερό και οι υδρογονάνθρακες, ενώ σαν καθαρό στοιχείο υπάρχει µόνο σε ίχνη (0,00001 %) στην ατµόσφαιρα. Το υδρογόνο έχει την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα ανά µονάδα βάρους, αλλά λόγω της χαµηλής πυκνότητάς του, έχει χαµηλή ενεργειακή πυκνότητα ανά µονάδα όγκου, ταιριάζει εποµένως σε εφαρµογές όπου το βάρος παρά ο όγκος έχει σηµασία. Συγκεκριµένα, η καύση 1 kg υδρογόνου αποδίδει 119,972 kj, περιέχει δηλ. το ίδιο ποσόν ενέργειας µε 2,1 kg βενζίνης. Όπως αναφέρθηκε, το υδρογόνο δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση παρά µόνο σε σύνθετη µορφή µε άλλα στοιχεία και εποµένως απαιτείται η κατανάλωση ενέργειας για την εξαγωγή του, πριν διατεθεί κι αυτό µε τη σειρά του για παραγωγή ενέργειας. Οι κυριότερες µέθοδοι παραγωγής υδρογόνου περιγράφονται στη συνέχεια: Ηλεκτρόλυση νερού Η πιο καθαρή µέθοδος παραγωγής υδρογόνου είναι η ηλεκτρόλυση νερού, για την οποία απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια. Αν για το σκοπό αυτό χρησιµοποιηθεί ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ορυκτά καύσιµα, τότε το πρόβληµα της ρύπανσης του περιβάλλοντος παραµένει. Η πιο «καθαρή» και ασφαλής µέθοδος παραγωγής είναι η ηλεκτρόλυση νερού µε χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Σε χώρες µε άφθονες υδατοπτώσεις µπορεί να χρησιµοποιηθεί υδροηλεκτρική ενέργεια. Το κόστος αυτής της µεθόδου υπολογίζεται στα 12 /GJ. Άλλες ανανεώσιµες πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µπορούν να αποτελέσουν η ηλιακή, αιολική και η γεωθερµία. Αυτή η τεχνική µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί για την αποθήκευση της ενέργειας από ΑΠΕ σε µορφή υδρογόνου, το οποίο µπορεί να µετατραπεί ξανά σε ηλεκτρισµό, ιδανικά µέσω κυψελίδων καυσίµου, σε περιόδους περιορισµένης διαθεσιµότητας της φυσικής πηγής. 48

49 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8 Το κόστος παραγωγής υδρογόνου από ηλιακή ενέργεια είναι αρκετά υψηλό και φτάνει στα 100 /GJ. Εκτός από τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες που απαιτούνται, οι ηλεκτρολυτικές συσκευές είναι επίσης σηµαντικό κέντρο κόστους. Το κόστος χρήσης της αιολικής ενέργειας για παραγωγή υδρογόνου ανέρχεται στα /GJ µε τάσεις για περαιτέρω µείωση Αναµόρφωση υδρογονανθράκων Από τα 6x10 11 Nm 3 υδρογόνου που παράγονται ετησίως στον κόσµο, οι µεγαλύτερες ποσότητες προέρχονται από την αναµόρφωση φυσικού αερίου και ελαφρών κλασµάτων πετρελαίου, µε την επίδραση υδρατµών σε θερµοκρασία περίπου ο C, παρουσία καταλυτών. Είναι προφανές ότι η εκποµπή CO και CO 2 είναι αναπόφευκτη και το µεν µονοξείδιο είναι δηλητηριώδες, το δε διοξείδιο συµβάλλει σηµαντικά στη δηµιουργία του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Παρόλα αυτά, η εξαγωγή του υδρογόνου από το φυσικό αέριο (µεθάνιο), αποσπώντας 4 άτοµα υδρογόνου από κάθε άτοµο άνθρακα, είναι πολύ καθαρή και αποδοτική, οδηγώντας σε υποτριπλασιασµό των εκποµπών άνθρακα στο περιβάλλον σε σχέση µε τη συµβατική χρήση. Η ενέργεια που απαιτείται για την διαδικασία αυτή αντιστοιχεί στο 20-30% του υδρογονάνθρακα που αναµορφώνεται αλλά το κόστος είναι µόνο 5 /GJ, καθιστώντας αυτή τη µέθοδο την πιο συµφέρουσα οικονοµικά Αεριοποίηση Η αεριοποίηση ή απανθράκωση ανθράκων είναι η παλαιότερη µέθοδος παραγωγής υδρογόνου. Πρόκειται για θέρµανση άνθρακα στους 900 ο C µε υδρατµούς και καθαρό οξυγόνο, που το διασπούν σε υγρά, αέρια και στερεά προϊόντα. Το αέριο προϊόν της διεργασίας είναι κυρίως υδρογόνο. Αυτή η µέθοδος µπορεί να χρησιµοποιηθεί και σε άλλα ανθρακούχα υλικά όπως η βιοµάζα ή τα αστικά απόβλητα. Το κόστος υπολογίζεται στα 13 /GJ Θερµική ιάσπαση Υδρογονανθράκων Αυτή η µέθοδος αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 80. Σύµφωνα µε τη µέθοδο αυτή, το φυσικό αέριο και διάφορα κλάσµατα του πετρελαίου, µε θερµική διάσπαση, δίνουν υδρογόνο και καθαρό άνθρακα στη µορφή σκόνης. Με τον τρόπο 49

50 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8 αυτό αποφεύγονται οι εκποµπές µονοξειδίου και διοξειδίου, ενώ η σκόνη άνθρακα µπορεί να χρησιµοποιηθεί στη βιοµηχανία ελαστικών ή να αποθηκευθεί στο υπέδαφος. Το κόστος είναι υψηλότερο από αυτό της αναµόρφωσης υδρογονανθράκων, καθώς απαιτείται πολλή ενέργεια και η εφαρµογή είναι ακόµα αρκετά περιορισµένη Φωτοβιολογικές µέθοδοι Υπάρχουν επίσης ορισµένες µέθοδοι παραγωγής υδρογόνου από βιολογικές διαδικασίες. Οι περισσότερες από αυτές βασίζονται στη φυσική δραστηριότητα των βακτηρίων και πράσινων φυκιών που έχουν ως αποτέλεσµα την παραγωγή υδρογόνου. Η χλωροφύλλη απορροφά ηλιακό φως και τα ένζυµα χρησιµοποιούν την ενέργεια για να αποσπάσουν το υδρογόνο από το µόριο του νερού. Αν και η µέθοδος αυτή είναι πολλά υποσχόµενη για τη µακροπρόθεσµη παραγωγή υδρογόνου έχει δυο βασικά µειονεκτήµατα: Τη χαµηλή απόδοση (5-6%) µετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ενέργεια µε τη µορφή υδρογόνου και το γεγονός ότι η δραστηριότητα των ενζύµων εµποδίζεται από την παρουσία οξυγόνου, που παράγεται επίσης από τη διάσπαση του νερού. Η έρευνα έχει επικεντρωθεί στην επίλυση αυτών των προβληµάτων Κυψέλες καυσίµου Οι κυψέλες καυσίµου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνοντας υδρογόνο σαν καύσιµο το οποίο οξειδώνεται ηλεκτροχηµικά µε οξυγόνο, µε ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερµότητας και νερού. Η κυψέλη καυσίµου λειτουργεί σαν ένας χηµικός αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας, ο οποίος παράγει ηλεκτρική ενέργεια όσο τροφοδοτείται µε Η 2 και Ο 2. Οι κυψέλες καυσίµου δεν ανήκουν στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας αλλά είναι µια µέθοδος µετατροπής ενέργειας που είναι αποθηκευµένη µε τη µορφή καυσίµου (υδρογόνο, µεθάνιο, φυσικό αέριο κ.ά.) σε ηλεκτρισµό και θερµότητα. Αυτό γίνεται µε υψηλή απόδοση (40-80% ανάλογα µε τον τύπο της κυψέλης) και µε µοναδική εκποµπή το καθαρό νερό (όταν το καύσιµο είναι αποκλειστικά υδρογόνο). Στην περίπτωση που το καύσιµο περιέχει άνθρακα, εκπέµπονται και αέρια βλαβερά 50