ΓΡΑΗΗ.κr.ειΑ ~\iχanol\olta..σ

Transcript

1 ΓΡΑΗΗ.κr.ειΑ ~\iχanol\olta..σ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ~ι~ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ "~ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓ ΑΣΙΑ Σπουδαστές: Μπόρου Σοφία Αποστολόπουλος Γεώργιος με θέμα: ΜΗΧΑ ΤΡΟΝΙΚΑ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΤΑ ΦΩΤΟΘΕΡΜΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΒΙΒΛΙΟ Θ!-!1 ( :1 ΤΕ 1 11 Ε i Ρ J.i. Ι.', Ε ισηγητή ς: Καθηγητή ς Γ. Π. Δημητρόπουλος 1

2 2 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας ΒΙΒΛΙ ΟΟf-ΙΙ~Η ΤΕΙ llel.'j.: 1.

3 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας Περίληψη Στην παρούσα πτυχιακή ε ργασία μ ελετώνται μηχατρονικά υποσυστ~ίματα φωτοθ ερμικής παραγωγής εν έ ργ ε ιας. Αρχικά γίν ε ται αναφορά στην ηλιακή εν έ ργ ε ια και στην ε κμ ετάλλευση τη ς. Η φωτοθ ε ρμική παραγωγή ενέργ ε ια βασίζ εται πάνω στην αρχή ότι το φως δι εγ ε ίρ ε ι κάποιο υλικό και αυτό παράγ ε ι θ ερμική ή ηλε κτρική εν έ ργ ε ια. Οι πιο γνωστ ές εφαρμογ ές του φωτοθερμικού φαινομένου ε ίναι τα ηλιακά συστήματα μ ε πιο γνωστό ε κπρόσωπο του ς ηλιακούς θερμοσίφων ες και τα laser, και το φωτοβολταϊκά συστήματα. Στη συν έχε ια μελετάται η π ε ρίπτωση ενό ς πρόtυπου ηλιακού συλλέ κτη που συνδυάζε ι τ~1ν παραγωγή και των δύο μορφών ενέργ ε ιας. Χρησιμοποιε ίται στο παν επιστήμιο Ben-Gurion National Solar Energy Center και αφορά ένα πρωτοποριακό σύστημα «συγκεντρωμένης ηλιακής εν έ ργ ε ιας», μέθοδος που ε ίναι έω ς και π έντ ε φορ έ ς πιο αποτελεσματική από την συμβατι1<11 τ εχνολογία που χρησιμοποιείται σήμερα, γιατί στηρίζεται στην κυρτότ~1τα των συλλ ε κτών και στα υλικά κατασκευή ς του ς. Στη συν έχεια γίν εται συ ζήτηση γ ια τα μηχατρονικά συστήματα τα οποία στηρίζονται στου ς συλλέ κτε ς και στου ς ελεγκτές. Σήμ ε ρα υπάρχουν αρκετά εξελιγμένοι ελεγκτ ές που επιτρέπουν μέχρι και την απομακρυσμ ένη σίjνδεση με το εξ ετα ζόμ ενο σύστημα. Συστήματα σά.ν και αυτά που μελετώνται στην παρούσα ε ργασία, αν και είναι ακόμα σε πε ιραματικό στάδιο, έχουν γίν ε ι δ ε κτά μ ε ενθουσιασμό και έχε ι αρχίσ ε ι να γίνονται οι πρώτες προσπάθειες μαζι1<11 ς παραγωγ11ς του ς. Τ έλος στο παράρτημα παρουσιάζονται οι ε ρωτήσ ε ις που δ όθηκαν στον καθηγητή Daνid Fairιηan του παν επιστημίου Ben-Gurion UniνeΓs ity of the Negeν, ο οποίο ς ηγ ε ίται του προγράμματος για τα Ηλιακά πιάτα (Solar Disl1es) ΒΙΒΛ! ; '! ΤΕΙ Πt:!! Γ.. _J 3

4 ιλ - Γ' ι Γι-.. ι., -Γ-ι-ι ι~ --

5 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας Περιεχόμενα ΚΕΦΆΛΑΙΟ Ε ισαγωγή - Φω τοθερ μικέ ς Δ ιατάξε ις Π αραγωγή ς Ενέ ργ ε ιας Ε ισαγωγ Αξιοποίη ση Ηλ ιακής Ενέργ ε ιας Ι. Π αθητικά Η λ ιακά Συ σηίματα Ενε ργητικά Η λ ιακά Συστήμα τα....: Ι Ο Φ ωτοβολταϊκά Συστήματα Ι Ι 1.3.Φ ω το θ ε ρμικέ ς Δ ιατ άξεις Π α ρ αγωγi1 ς Ενέργε ιας Φωτοθ ε ρ μικά Η λ ιακά ΣυσηΊ ματα Φωτοθ ερ μική Δράση τω ν Lase Γ Μηχατ ρ ο νικά Συση1ματα Ο ρισμο ί Μη χατρ ονικό Σύστημα Π αραδ ε ίγ ματα Μη χατρον ικών Συ στημάτω ν Κ ΕΦΆΛ Α Ι Ο 2 ο Ε πισκόπη ση Β ιβ λιογραφ ίας σ τα Μη χατ ρο νικά υποσ υ σηίματα γ ια τη ν Π αραγωγ11 Φωτοθ ε ρμικ~ί ς Ε νέ ργε ιας Λ ογισμικό καταγ ρ αφή ς δ ε δομέ νων και ελέγχου μια ς δ ιάταξη ς Συ λλέκη1 ς Θ εω ρία συ λλέκτη Τεχνολογ ικ~ί ε ξέλιξ η συ λλε κτών Ελεγκτ ές Απο μακρυσμένη δ ιαχε ίριση φωτοθ ερμικο ύ συστήματο ς Κ ε φάλαιο Μ ελ έτη Π ερίπτωση ς Φ ω το βολτ αϊκή ς Μ ονάδας Ε ισαγωγ ι κά γ ια το Ί δ ρυμα Β e 11 -G ιπί ο 11 Natio11al So l a Γ E 11 e Γgy Ce 11t e Γ Χρ11 ση συγκεντρω μέν ι1 ς η λεκτ ρ ική ς ενέ ργε ιας

6 Μη χατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας Ι σραηλιvι) Παροχt) Ενέργειας Κ εφάλαιο 4 Παρουσ ίαση Στοιχε ίων Φωτοβολταϊκά Υλ ικά Ι. Ι. Φωτοβολταϊκά κελ ια Φω τοβολταϊκά Συστήματα.....: Η λ ιακό Σύ στημα Θέ ρμανση ς Η λ ια1c1) Οπτικ1) Κ εφάλαιο 5 Συμπ ε ράσ ματα Μονάδας Ηλ ιακού Π ιάτου Κ εφάλαιο 6 Συμπ ερ άσματα Β ιβ λιογραφία Π αράρτημα

7 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή Φωτοθερμικές Διατάξεις Παραγωγής Ενέργειας 1.1. Εισαγωγή Ο ήλιος είναι η πιο βασική πηγή ενέργειας για τον πλανήτη. Είναι μια πύρινη σφαίρα με διάμετρο l km, σε απόσταση 150* 10 9 m από τον πλανήτη Γη. Συνεχώ ς ακτινοβολούνται προς το διάστημα τεράστιες ποσοτητες ενέργειας, διαφόρων μηκών κύματος, αποτελούμενη από φως και θερμότητα. Στη γη φτάνει με τη μορφή ακτινοβολίας μόλις το μισό του δισεκατομμυριοστού της συνολικής ακτινοβολίας και η ιονόσφαιρα και ορισμένα τμήματα της ατμόσφαιρας απορροφούν ένα μέρος της. ακτινοβολία διακρίνεται εύκολα από τα άλλα είδη μεταφοράς ενέργειας, καθώς α) δεν Energy discharges trom atomic nuckll (hard X-ray) Medical apριicat (soh X-ray) r ' Ο. 491 :C V ιole t Ο.4 24 Ξ ~ ~ Gιeen O-S?S ~ Yetlow :> Orange, 0647 Ι Acd :0.710 He t Ιamp s X raye 10.. ~ νιοιιι :ε lnfrιι8d TIJemlaJ Ιntrιred 0.01(10' 2 ) 'Ε..::; ~., 3.00 g (1 rnm) απαιτείται παρουσία υλικού μέσου για τη διάδοση της και β) η ακτινοβολία διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός. Στην Εικόνα 1. 1 φαίνεται το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Το ηλιακό φάσμα αποτελείται από τρεις ζώνες: την υπεριώδη, την ορατή και την υπέρυθρη, οι οποίες φαίνονται στην Εικόνα 1.2 μαζί με την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην κορυφή της ατμόσφαιρας της Γης και στο επίπεδο της θάλασσας. Η μέση τιμή της έντασης της ακτινοβολίας, που προσπίπτει σε κάθετο επίπεδο στις ακτίνες του ήλιου, στα όρια της ατμόσφαιρας είναι 1353 W Ι (ηλιακή σταθερά). Η M.c101 1aν rιιda r ΜΙσwΙΜ 10 Εικ 1. 1: Το φάσμα της ηλεκτρο~ιαγνητικής ακτινοβολίας 111 Teleν ι sι0n FM radio Radio.r., 10 6 (1 m) ΑΜ ratl O waνes

8 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας Solar Radiation Spectrum Ε ιν : Vίs i b l e : lnfrared -+- C... Ν Ε ~ 2 αι 1.5 u c ιτι "Ό ~... ~ 0.5 u αι α. V'I ο ι Sunllght at Τορ of the Atmosphere / s2so c Blilckbody Spectrum Wavelength (nm) Εικ 1.2: Η ηλιακιjς ακτινοβολίας που φτάνει στη Γη 151 Η ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται από το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο κυρίως με την μορφή ακτινοβολίας και θεωρείται μία μορφή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι μορφές ενέργειας είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα ή θερμική ενέργεια καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο, και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου και χρόνου για την εκμετάλλευσή της. Το φώς και η θερμότητα που ακτινοβολούνται, απορροφούνται από στοιχεία και ενώσεις στη Γη και μετατρέπονται σε άλλες μορφές ενέργειας. Η τεχνολογία σήμερα αξιοποιεί ένα μηδαμινό ποσοστό της καταφθάνουσας στην επιφάνεια του πλανήτη ηλιακής ενέργειας με τριών ειδών συστήματα: τα θερμικά ηλιακά, τα παθητικά ηλιακά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα [2] Αξ ιοποίηση Ηλιακή ς Ενέργεια ς Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας έχει πάρα πολλά θετικά στοιχεία, γιατί θα υπάρχει για πάντα και δεν μολύνει καθόλου την ατμόσφαιρα της γης. Χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. 8

9 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φώτοθεpμικής Παpάyωγής Ενέργειας Παθητικά Ηλιακά Συστήματα Τα παθητικά ηλιακά συστήματα στα κτίρια α ξ ιοποιούν την ηλιακή ε νέ ργε ια για θ έ ρμανση των χώρων το χειμώνα, καθώς και για παροχ1) φυσικού φωτισμού. Είναι δομικά στοιχε ία του κτιρίου, που, αξιοποιώντας τους νόμους μεταφοράς θ ερμότητας, συλλέγουν την ηλιακή ενέργε ια, την αποθηκεύουν σε μορφ1) θερμότητας και τη δ ιανέ μου ν το χώρο. Η συλλογή της ηλιακής εν έ ργ εια ς βασίζεται στο φαινόμενο του θ ε ρμοκηπίου και ε ιδικότερα, στην είσοδο της ηλιακί)ς ακτινοβολίας μέσω του γυαλιού ή άλλου διαφανού ς υλικού και τον εγκλωβισμό τ'η ς προκύπτουσας θ ε ρμότητας στο ε σωτε ρικό του χώρου που καλύπτεται από το γυαλί. Όλα τα παθητικά ηλιακά συστήματα πρέπει να έχουν προσανατολισμό πε ρίπου νότιο, ώστε να υπάρχει ηλιακή πρόσπτωση στα ανοίγματα κατά τη μεγαλύτ ε ρη διάρκε ια τη ς ημέ ρα ς το χε ιμώνα. Το συνηθ έστε ρο παθητικό ηλιακό σύστημα (σύστημα άμεσου κέρδου ς ) βασίζεται στην α ξ ιοποίηση των παραθύρων κατάλληλου προσανατολισμού, σε συνδυασμό με την κατάλληλη θ ε ρμική μάζα (βαριά υλικά, όπως πέτρα, πλάκ ε ς, μπετόν στους τοίχους και στα δάπεδα, χωρίς να ε ίναι καλυμμένα, π. χ. από χαλιά), η οποία απορροφά μέ ρο ς της θ ε ρμότητας και την «προσφέρ ε ι» στο χώρο αργότ ε ρα και έτσι διατηρ ε ίται ο χώρο ς θερμός για πολλές ώρες. Ένα νότιο οριζόντιο σκίαστρο μπορεί να εμποδίσει τον καλοκαιρινό ήλιο που έ ρχεται από πιο ψηλά να μπει απ' ευθείας στο χώρο. Τα υπόλοιπα παθητικά συση1ματα ε ίναι συστήματα έμμε σου κέ ρδους και ταξ ινομούνται στις παρακάτω κατηγορί ε ς: Ηλιακοί τοίχοι: Έχουν στην εξωτερική τους πλευρά, σε μικρή απόσταση από την τοιχοποιία τζάμι (υα~οπίνακα) και λειτουργούν ως ηλιακοί συλλέ κτες, μεταφ έ ροντας τη θ ε ρμότητα ε ίτε μέσω του υλικού του τοίχου ( τοίχο ς θερμικής αποθήκευσης ), ε ίτε μέσω θυρίδων ( θερμοσιφωνικό πανέλο ) στον ε σωτε ρικό χώρο. Συνδυασμός των δύο λε ιτουργιών ε ίναι ο τοίχος μάζας με θυρίδ ε ς τοίχος ΤΙΌιηbe - Michel. Θερμοκήπια (ηλιακοί χώροι) : Είναι κλειστοί χώροι που ενσωματώνονται σ ε νότια τμήματα του κτιριακού κελύφους και περιβάλλονται από υαλοστάσια. Η ηλιακή θερμότητα από το θ ε ρμοκήπιο μεταφέρεται στους κυρίως χώρους του κτιρίου μέσω ανοιγμάτων ή και διαπε ρνά τον τοίχο. Ηλιακά αίθρια: είναι εσωτερικοί χώροι του κτιρίου οι οποίοι έχουν στην οροφή τους τζάμι και λειτουργούν όπως τα θερμοκήπια. Όλα τα Παθητικά Ηλιακά Συστήματα πρέπει να συνδυάζονται με την απαιτούμενη θερμική προστασία (θερμομόνωση) και την απαιτούμεν η θερμική μάζα του κτιρίου, η οποία αποθηκεύει και αποδίδει τη θερμότητα στο χώρο με χρονικί) υστέρηση, ομαλοποιώντας έτσι η1ν κατανομή της θερμοκρασίας μέσα στο ε ικοσιτετράωρο. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα θα πρέπει το καλοκαίρι να συνδυάζονται με ηλιοπροστασία και συχνά με δυνατότητα αερισμού. [3] Γ.! 9

10 Μηχαrρονικό ΥnοσυσΤήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας Τα παθητικά η λ ια κά συστήματα συνδυ άζονται κα ι με τεχνικές φυσι κού φ ωτισμού κα ι με τεχνι κές γ ια το φυ σ ικό δροσ ισμό των κτ ιρ ίω ν το καλοκα ίρ ι. Μπορούν δ ε να φαρ μοστού ν τόσο σε κα ινούργ ια, όσο κα ι σε 1Ί δ η υπά ρ χοντα κτίρ ια Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Τα ενεργητικά ή θερμικά ηλιακά συστήματα αποτελούν μηχανολογικά συστήματα που συλλέγουν, την η λ ιακή ε νέργε ια, τη μετατρ έπουν σε θ ε ρμότη τα, τη ν αποθ η κεύου ν κα ι τη δ ια νέ μο υ ν, χρ η σ ιμοπο ιώ ντας είτε κάπο ιο υγ ρ ό είτε αέρα ως ρ ευστό μ εταφοράς τη ς θ ε ρμότητας. Η τ εχνολογία που εφαρμό ζεται ε ίναι α ρκετά απλή και υπάρχουν πολλέ ς δυνατότητες ε φαρμογής τη ς σε θ ε ρμικέ ς χρήσε ις χαμη λών θ ε ρμοκρασιών. Χ ρησιμοποιούνται για θ έρμανση νερού οικιακ11 ς χρήση ς, γ ια τη θ έρμανση και ψύξη χώρων, για βιομηχανικές δ ιε ργασίες, για αφαλάτωση, για διάφορ ες αγροτικέ ς εφαρμογ ές, για θ έ ρμανση του νερού σε πισίνες κ.λ. π. Η πλέον δ ια δεδ ομέ νη εφαρμογ11 τω ν συστημάτων αυτών ε ίναι η παραγωγή ζε στού ν ε ρού χρή ση ς, ο ι γν ωστο ί σε όλους η λ ιακο ί Θερ μ οσίφ ω ν ες. Η επιφ άνε ια ηλιακών συστημάτων που βρίσ κονται σε λε ιτουργία στη χώ ρα ε ίναι πε ρίπου m 2 (στοιχε ία 2001). Ήδη, πε ρισσότε ρ ες από ελληνικές ο ικογέ νε ιες καλύπτουν πε ρίπου 80% τω ν ετησίων αναγ κών του ς σ ε ζε στό νε ρ ό χρί1σης με ηλιακό θερμοσίφωνα. Η απόδοση των ηλιακών συλλε κτών και η ποιότητα τους γενικά έχουν β ελτιωθ ε ί τα τελευταία χρόνια. Η Ελλάδα ε ίναι ο μεγα λύτε ρο ς εξαγωγέας σε όλη την Ευρώπη και μάλ ιστα σε χώρ ες με ιδ ιαίτε ρη βιομη χανική παράδοση, όπω ς η Γερμανία. Έ να τυπικό σύστημα παραγωγή ς ζε στού ν ε ρού αποτελε ίται από επίπε δου ς ηλια κού ς συλλέ κτες, ένα δ οχε ίο αποθ1ίκευση ς τη ς θ ε ρμότητας και σωληνώσ ε ις. Η η λιακή ακτινοβο λ ία απορροφάται από το συ λλέ κτη και η συλλεγόμε νη Θ ε ρμό τητα μ εταφ έ ρ ε ται στο δοχείο αποθ1ίκευση ς. Οι ε πίπεδοι ηλιακοί συλλέκτε ς τοποθετούνται συνήθω ς στην οροφή του κτιρίου, με νότιο προσανατολισμό και κλίση ω ς προς τον ορίζοντα, ώστε να μ εγιστοπο ιηθ ε ί το ποσό τη ς ακτινοβολία ς που συλλέγ ε ται" ετησίως. Π έ ρα από την οικιακή χρήση, η οποία ε ίναι και η πιο διαδ ε δομ ένη σήμ ε ρα, ενε ργητικά ηλιακά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν οπου δ ήποτε απα ιτε ίται θ ε ρμότητα χα μη λή ς θ ε ρμοκρασιακή ς στάθμη ς. Έτσι, η χρήση τη ς η λ ιακ1ί ς ενέ ργ ε ια ς για την παραγωγή ψύ ξης, για τον κλιματισμό χώρων και άλλες εφαρμογ ές, ε μφανίζεται ω ς μία από τις πολλά υποσχόμενες προοπτικές, λόγω τη ς αυ ξημένη ς ηλιακή ς ακτινοβο λ ίας ακριβώς την εποχή που απαιτούνται τα ψυκτικά φορτία. Υπάρχουν ήδη μερικέ ς επιτυχημ ένες ε φαρμογές τέτοιων συστημάτων στη χώρα μας και αναμένεται να έ χουν ταχε ία ανάπτυ ξη.

11 Μηχaτρονικά Υnοσυστήμaτa Φωτοθερμικής Πapaγωγής Evtpyειaς Μια άλλη εφαρμογή που έχε ι εξ απλω θ ε ί στην Ευρ ωπαϊκή αγ ο ρά ε ίν α ι ο συ νδυασμός παραγωγή ς ζε στού νε ρού χρήση ς και Θ έρμανση ς χώρων με ενε ργητικά ηλιακά συστήματα. Η χρήση των συστημάτων αυτών στις ελληνικές κλιματικές συνθήκες για τη θ έ ρμανση χώρων ; θ εωρ ε ίται τεχνικά αλλά και οικονομικά απο δ οτική, αν συνδυαστε ί με την κατάλληλη μελέτη/κατασκευή του κτιρίου (καλή μόνωση, ε κμετάλλευση των παθητικών ηλιακών ωφ ε λε ιών, κ.λπ.) και τη συνε ργασία του χρήστη. Μπορ ε ί να εξο ικον ομήσε ι συμβατική ε ν έ ργε ια σε νέ α ή πα λ ιά κτίρια, στα οπο ία έ χουν ληφθ ε ί όλα τα ε φικτά μέτρα για την ελαχιστοποίηση των απω λε ιώ ν κα ι τη μεγιστοποίηση της οικονομικότητας της εγκατάστασης. Είναι πάντως, πολύ σημαντικός ο σωστός σχε διασμός του ηλιακού συστήματος και η προσε κτική εξέταση τη ς οικονομικότητας τη ς εγκιiτάσταση ς για την αποφυγή λανθασμ ένων επιλογών και τη β ελτιστοποίηση της απόδοσης. [4] Φωτοβολταϊκά Συστήματα Τα φωτοβο λταϊκά συστήματα (Φ /Β) μετατρ έπουν την ηλιακί) ενέ ργεια σ ε η λε κτρική, ε κμετα λλευόμε να το φωτοβο λταϊκό φαινόμενο. Έ να φωτοβολταϊκό σύστημα αποτε λείται από ένα ή πε ρισσότερα πάν ελ (ή πλαίσια) φωτοβο λταϊκώ ν στοιχε ίων (ή «κυψ ελών», ή «κυττάρων» ), μα ζ ί με τις απαραίτητες συσκευ ές και δ ιατάξε ις για τη μετατροmί τη ς ηλε κτρική ς ενέ ργε ια ς που παράγ ε ται στην επιθυμητή μορφή. Το φωτοβολταϊκό στοιχε ίο ε ίναι συνήθως τετράγωνο, με πλευρά ιηm. Δυο τύποι πυριτίου χρησιμοποιούνται για την δημιουργία φωτοβολταϊκών στοιχε ίων : το άμορφο και το κρυσταλλικό πυρίτιο, ενώ το κρυσταλλικό πυρίτιο διακρίν εται σε μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό. Το άμορφο και το κρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιά ζ ουν τόσο πλε ον ε κτήματα, όσο και με ιονε κτήματα, και κατά τη μελέτη του φωτοβο λταϊκού συστήματος γίνεται η αξ ιο λόγηση των ε ιδικών συνθηκών τη ς εφαρμογ1ί ς (κατεύθυνση και διάρκεια της ηλιοφάνε ιας, τυχόν σκιάσεις κλπ.) ώστε να επιλεγε ί η κατάλληλη τεχνολογία. Εκτός από το πυρίτιο χρτjσιμοποιούνται και άλλα υλ ικά για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχε ίων, όπως το Κάδμιο - Τελλούριο (CdTe) και ο ινδ οδισεληνιούχο ς χαλκός. Σε αυτές τις κατασκευ ές, η μορφή του στοιχε ίου διαφ έ ρει σημαντικά από αυηί του κρυσταλλικού πυριτίου, και έχε ι συνήθως τη μορφή λωρίδας πλάτους μ ε ρικών χιλιοστών και μήκου ς αρκετών ε κατοστών. Στο εμπόριο διατίθενται φωτοβολταϊκά πάνελ - τα οποία δεν είναι παρά πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεδεμένα μετα ξύ τους, επικαλυμμένα με ειδικές μ ε μβράνες και εγκιβωτισμ ένα σε γυαλί με πλαίσιο από αλουμίνιο - σε διάφορ ες τιμές ονομαστική ς ισχύος, ανάλογα με την τεχνολογία και τον αριθμό των φωτοβολταϊκών κυψ ελών που τα αποτελούν. Έ τσι, ένα πάνελ 36 κυψελών μπορεί να έχει ονομαστικίί

12 1 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας ισχύ W, ενώ μ εγα λύτε ρα πάν ε λ μπορ ε ί να φτάσουν και τα 200 W ή και πα ρ απάνω. Τα πάνελ συν δέ ονται μεταξύ του ς και δημιουργούν τη φ ω το βολταϊκή συστο ιχία, η οποία μπορ ε ί να πε ριλαμβάνε ι από 2 έως και αρκετές εκατοντάδ ες φωτοβολταϊκέ ς γεννήτριε ς. Η ηλε κτρική ε νέ ργεια που παράγ εται από μια Φ/Β συστοιχία ε ίναι συνεχούς ρ εύματος (DC), και για το λόγο αυτό οι πρώτες χρήσεις των φωτοβολταϊκών αφορούσαν εφαρμογ ές DC τάση ς : κλασικά παραδείγματα ε ίναι ο υπολογιστής τσέπης ( «κομπιουτε ράκι» ) και οι δορυφόροι. Μ ε την προοδ ευτικ11 αύ ξηση όμω ς του βαθμού από δ οση ς, δ ημιουργήθηκαν ε ιδικές συσκευ ές - οι αναστροφ ε ίς (inverters) - που σκοπό έχουν να μ ετατρ έψουν την έξοδο συν εχούς τάσης της Φ /Β συστόιχίας σε εναλλασσόμε νη τάση. Μ ε τον τρόπο αυτό, το Φ/Β σύστημα ε ίναι σε θ έση να τροφοδοτήσε ι μια σύγχρονη εγκατάσταση (κατοικία, θ ε ρμοκήπιο, μονάδα παραγωγής κλπ.) που χρησιμοποιε ί κατά κανόνα συσκευ έ ς εναλλασσόμενου ρεύματος(αc). Σήμε ρα ο τυπικός βαθμό ς απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχε ίου βρίσκεται στο 13-19%. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν τα εξ1ίς πλεονε κηίματα: Τεχνολογία φιλικ11 στο πε ριβάλλον: δ εν προκαλούνται ρύποι από η1ν παραγωγή ηλε κτρικ1ίς ενέ ργειας Η ηλιακή ενέ ργεια ε ίναι αν ε ξάντλητη εν ε ργε ιακή πηγή, διατίθ ε ται παντού και δ εν στοιχίζ ε ι απολύτω ς τίποτα Μ ε την κατάλληλη γ ε ωγραφική κατανομή, κοντά στου ς αντίστοιχους καταναλωτές ενέ ργε ιας, τα Φ /Β συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν χωρίς να απαιτε ίτάι ενίσχυση του δικτύου διανομή ς Η λειτουργία του συστήματος ε ίναι ολοσχερώς αθόρυβη Έχουν σχεδόν μηδενικές απαιτήσε ις συνη1ρησης Έχουν μ εγάλη διάρκε ια ζωής: οι κατασκευαστές εγγυώνται τα «κρύσταλλα» για χρόνια λε ιτουργίας Υπάρχε ι πάντα: η δυνατότητα μελλοντικής επέ κτασης, ώστε να ανταποκρίνονται στις αυ ξανόμενες ανάγκε ς των χρηστών Μπορούν να εγκατασταθούν πάνω σε ήδη υπάρχουσες κατασκευ ές, όπως ε ίναι π.χ. η στέγη ενός σπιτιού ή η πρόσοψη ενός κτιρίου, Διαθέτουν ευ ελιξία στις ε φαρμογές : τα Φ/Β συστήματα λε ιτουργούν άριστα τόσο ως αυτόνομα συστήματα, όσο και ως αυτόνομα υβριδικά συσηίματα όταν συνδυάζονται μ ε άλλες πηγές ενέ ργειας (συμβατικές 11 ανανε ώσιμες ) και συσσωρ ευτές για η1ν αποθ1)κευση η1ς παραγόμενης ε ν έ ργ ε ιας. Επιπλέ ον, ένα μ εγάλο πλεονέ κτημα του Φ/Β συστήματος είναι ότι μπορεί να διασυνδεθεί με το δίκτυο ηλεκτροδότησης (διασυνδεδεμένο σύστημα), καταργώντας με τον τρόπο αυτό την ανάγκη για εφεδρεία και δίνοντας επιπλέον τη δυνατότητα στον χρ~)στη να πωλήσε ι τυχόν πλεονάζουσα ενέργ ε ια στον διαχε ιριστή του ηλε κτρικού δικτύου.

13 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμική(; Παpαγωγης Ενέργειας Ω ς μειονέκτημα θα μπορούσε να καταλογίσει κανείς στα φωτοβολταϊκά συστ~ίματα το κόστος τους, το οποίο, παρά τις τεχνολογικές εξελίξε ις παραμένει ακόμη αρκετά υψηλό. Μια γενική ε νδε ικτικ11 τιμή είνα ι 4000 ευρώ ανά εγκατεστημένο κιλοβάτ (k W) ηλε κτρικής ισχύος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι μια τυπική οικιακ1ί κατανάλωση απαιτεί από 1,5 έως 3,5 κιλοβάτ, το κόστος της εγκατάστασης δεν ε ίναι αμελητέο. Το ποσό αυτό, ωστόσο, μπορεί να αποσβεστεί σε περίπου 5-6 χρόνια και το Φ/Β σύστημα θα συνεχίσε ι να παράγε ι δωρεάν ενέ ργε ια για τουλάχιστον άλλα 25 χρόνια. Ωστόσο, τα πλεον εκτήματα ε ίναι πολλά, και το ευρύ κοινό έχε ι αρχίσε ι να στρ έ φ εται όλο και πιο πολύ στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στα φωτοβολταϊκά ε ιδικότε ρα, για την κάλυψη ή την συμπλήρωση των ενε ργε ιακών του αναγκών. Η Ε υρωπαϊκή Ένωση έχει θ έ σ ε ι ως στόχο της για το 2020 το 20% της κατανάλωσης ε ν έργε ιας να προ έ ρχε ται από ανανεώσιμες πηγές. Ως προς την ηλιοθε ρμική ενέ ργ ε ια η Ελλάδα ήταν πρωτοπόρο ς χώρα στην Ευρώπη τις τελευταίες δεκαετ ίες με περίπου ένα ε κατομμύριο εγκατεστημ ένους ηλιακούς θερμοσίφων ες, που συμβάλουν σημαντικά στην εξ οικονόμηση ε νέργε ιας και στην προστασία του περιβάλλοντος, αξιοποιώντας το ανεξάντλητο ηλιακό δυναμικό. Τώρα μένει να γίνει το ίδιο και ως προ ς την παραγωγή η λεκτρική ς ενέ ργ ε ια ς. Οι προϋποθ έσε ις μάλιστα για τα Φωτοβολταϊκά Συστήματα ε ίναι ακόμα καλύτερες, αφού τα Φ /Β συστ~ίματα παρουσιάζουν την μ έγιστη παραγωγ1ί ακριβώς εκείνες τις ώρες της ημέ ρας που και η κατανάλωση (ζήτηση) φτάνει στο μέγ ιστο και η ΔΕΗ ζητά από όλους τους καταναλωτές να πε ριορίσουν τ~1ν ζήτηση ή αναγκάζεται να κάνει πε ρικοπές (ελεγχόμενη συσκότιση). Τα φωτοβολταϊκά συστήματα επιδοτούνται από το Ελληνικό κράτος μέσω του ν έ ου επενδυτικού νόμου Ν και του ανα πτυ ξ ιακού νό μου Ν. 3299/04 για επενδυτές μ εσα ίας και μεγάλη ς κλίμακας (επιδότηση αγοράς εξ οπλισμού έως και 40% ανάλογα με τ~1ν πε ριοχή τη ς εγκατάστασης και τα επιχε ιρηματικά κριτ~ίρια που ικανοποιούνται). Στη συνέχε ια, με βάση το νόμο Ν. 3468/06 για τις Ανανεώ σιμες Πηγές Ενέργεια ς ο επενδυηίς συνάπτε ι δεκαετές συμβόλαιο - με μονομε ρή δυνατότητα ανανέω ση ς τη ς σύμβαση ς από την πλευρά του επενδυτή για ακόμη δέκα χρόνια - για την πώληση τη ς ηλε κτρικής ενέργ ε ιας που παράγει στον ΔΕΣΜΗΕ (Διαχειριστή ς Ελληνικού Συ στήματο ς Μ εταφοράς Ηλε κτρική ς Ενέργειας) για τις διασυνδεδεμένες πε ριοχές, ή απευθείας στη ΔΕΗ για τις μη -δ ιασυνδ εδε μένες περιοχές. Η τιμή πώληση ς κυμαίνε ται από 0,40 έως 0,50 Ευρώ ανά κιλοβατώρα (kwh) ανάλογα με το μέγ ε θος και την πε ριοχή της εγκατάστασης. Όμως, και ο ιδιώτης μπορ ε ί να επωφεληθεί του νόμου 3468, πουλώντας την πλεο νά ζ ουσα ενέργε ια της εγκατάστασης ιδιόχρηση ς που διαθέτει στις ίδιες ανταγωνιστικές τιμ ές, με επιπλέον όφελος φορο ελάφρυνση έως και 700 Ευρώ. Τα κίνητρα αυτά έχουν ήδη δείξει τα πρώτα αποτελέσματα, και πλέο ν φαίν εται η δημιουργία φωτοβολταϊκών πάρκων σε πολλές περιοχές της χώρα ς, και την εγκατάσταση φωτοβολταϊκών συστημάτων σε καινούργια ή και πα:λιότερα σπίτια. [5)

14 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας 1.3.Φωτοθερμικές Διατάξεις Παραγωγής Ενέργειας Το φωτοθ ε ρμικό φαινόμενο σχετίζεται με την ηλεκτρομαγνητικίί ακτινοβολία. Το φω ς διεγείρ ε ι κάποιο υλικό και αυτό παράγε ι θερμική ενέ ργε ια (θε ρμότητα). Οι δύο πιο γνωστές εφαρμογές του φωτοθερμικού φαινομένου είναι τα ηλιακά συστήματα με πιο γνωστό εκπρόσωπο τους ηλιακούς θερμοσίφωνες και τα laser Φωτοθερμικά Ηλιακά Συστήματα Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή θερμότητας χρησιμοποιείται για: την παραγωγ11 ζεστού νερού χρήσης (υποκατάσταση ηλε κτρισμού - καυσίμων), την θ έ ρμανση χώρων (βελτίωση COP αντλιών θερμότητας - υποκατάσταση καυσίμων), την ψύξη χώρων (διατά ξεις απορρόφησης ή αφύγρανσης, υποκατάσταση η λεκτρικής ενέργειας) και την παραγωγή μηχανικού έργου (κίνηση στροβίλων). Η Ελλάδα κατέχει μία από τις πρώτες θέσε ις στην Ευρώπη τόσο στη χρήση όσο και στην παραγωγή ηλιακών συστημάτων, αφού εξάγεται περισσότερο από το 40% της εγχώριας παραγωγής συλλεκτών σε δεκάδ ε ς χώρ ες και σε δύσκολες αγορές (Γερμανία, Αυστρία, Κύπρος, Ισραήλ, Τουρκία). Συνολικά στον ελλαδικό χώρο λειτουργούν γύρω στα 3 εκ. m 2 συλλεκτών, αφού χρησιμοποιούν ηλιακό θερμοσίφωνα περισσότερα από νοικοκυριά. Οι τομείς εφαρμογών των τεχνολογιών ενεργητικών ηλιακών συστημάτων: Θέρμανση \ιερού χρήσης Θέρμανση χώρου Θερμοκήπια Ξήρανση Θερμότητα για βιομηχανικές εφαρμογές Αφαλάτωση Το 95% της συνολικής εγκαταστημένης συλλεκτικής επιφάνειας αφορά συστήματα παραγωγής ζεστού νερού χρήσης στον οικιακό τομέα. Στην Εικόνα 1.3 φαίνεται το ηλιακό σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας σε νερό και θέρμανση. -- Γ 14

15 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας ~l' (! L ~..-JΞ. ΜLΞΓlΞel-ί!:Ξϊ! (2 (2!ι/lΊ:!.Ω.Ν Εικ 1.3: Ηλιακό σύστημα για ζεστό νερό και θέρμανση /7/ Οι κοινοί ηλιακοί θερμοσίφωνες για τη θέρμανση νερού οικιακής χρήσης χρησιμοποιούν επίπεδους συλλέκτες και αποτελούν την πιο διαδεδομένη εφαρμογή για την εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας με μετατροπή σε θερμότητα. Η μέση ετήσια απόδοση μετατροπής είναι περίπου 30-40%. Οι επίπεδοι συλλέκτες εκμεταλλεύονται την ολική ακτινοβολία και στους συλλέκτες αυτούς, επιδιώκεται βελτίωση του βαθμού απόδοσης nr με μείωση των απωλειών ή Ι και με αύξηση του λόγου της απορροφητικότητας προς την ικανότητα εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας. Στην Εικόνα 1.4 φαίνονται τα διάφορα είδη απορροφητικής επιφάνειας ενός ηλιακού συστήματος. Σ(Ι)).ή, ες εκτο, ωμένοι σε πτερύγια Σωλήνες κολλημένοι στη'' απορροφητική επιφάνεια με υπέρηχους Εικ 1.4: Είδη απορροφητική ς επιφάνειας ηλιακού συστήματος/ 81 Σωλή, ες συ\'δεδεμένοι με την απορροφητική επιφάνεια με σύνδεση μορφής Τύπου Σάντουιτς ΒΙΒΛΙuc, 1» ΤΕ 1 Π Ε Ι ΡΑr... 15

16 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας :ενας τυπικός επίπεδος συλλέκτης αποτελείται από την μαύρη απορροφητική επιφάνεια στην οποία γίνεται μετατροπή της απορροφημένης ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα. Για την αύξηση της αποδοτικότητας του ηλιακού συλλέκτη η επιφάνεια του απορροφητή, στις πε ρισσότε ρες περιπτώσεις χρησιμοποιείται μαύρη ματ μη επιλεκτική ηλιακή πούδρα. Η θερμότητα αυτή μεταφέρεται σε κάποιο ρευστό το οποίο κυκλοφορεί μέσα στους αγωγούς διέλευσης του ρευστού που είναι ενσωματωμένοι στον απορροφητή. Ο απορροφητής καλύπτεται στην πάνω πλευρά από ένα διαφανές κάλυμμα που μειώνει της απώλειες λόγω συναγωγής και ακτινοβολίας προς την ατμόσφαιρα, η πλάτη και τα πλαϊνά του απορροφητή είναι μονωμένα για περιορισμό των απωλειών προς το περιβάλλον. Όλα τα παραπάνω βρίσκονται «συσκευασμένα» σε ένα μεταλλικό συνήθως πλαίσιο που προσφέρει προστασία από τις καιρικές συνθήκες και ακαμψία. Στην Εικόνα 1.5 φαίνεται η τομή ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη. Σωλήνες ροής ρευστού μεταφοράς θε=οτ ;;.;.: η,!;. τα~ς : Σωλήνας Εξόδου Μόνωσηmηπiσωπ~υράκαι mα πλαϊνά Απορροφητική Εmφάνεια Εικ 1.5: Η τομή ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη /8 / Οι επίπεδοι συλλέκτες χωρίζονται ανάλογα με το ρευστό που θερμαίνουν σε συλλέκτες αέρα και σε συλλέκτες υγρού. Η συντριπτική πλειοψηφία των διαθέσιμων συλλεκτών σήμερα είναι υγρού, ενώ οι συλλέκτες αέρα είναι ακόμα στο στάδιο ανάπτυξης. Για την κατασκευή των επίπεδων συλλεκτών χρησιμοποιείται μια πληθώρα υλικών στην οποία περιλαμβάνονται ο χαλκός, ο χάλυβας, το αλουμίνιο, διάφορα είδη γυαλιού, μονωτικά κ.α. Παρόλο που στην Ελλάδα δεν υφίσταντο μέχρι πρόσφατα πιστοποιητικά ποιότητας για τους ηλιακούς συλλέκτες, από την ίδρυση της ΕΒΗΕ το 1978 και μετά για να γίνει κανείς μέλος, αναγκαία προϋπόθεση αποτελεί ο έλεγχος και η πιστοποίηση των προϊόντων του. Με αυτόν τον τρόπο επιχειρείται η διασφάλιση της αγοράς των φωτοθερμικών συστημάτων μετά τις συχνά ελαττωματικές εγκαταστάσεις των 16

17 Γ -.J 17 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας πρ ώτων χρ ό ν ων. Στη χώ ρ α υπά ρχε ι μόνο ένα ε ργ α στήριο πιστοποίηση ς συ λλε κτών το οπο ίο κάνε ι ε λέγχου ς σύμφ ων α μ ε το ΕΝ Α ν~ί κε ι στ ο κρατικό ε ρ ευνητι κό κέ ντρο «Δημόκ ριτος» κα ι πα ρ έχε ι πιστοπο ιη τ ι κά γ ια ISO , ISO κα ι ISO Το 2001 ο Ελλη νικό ς Οργανισ μός Τυ πο πο ίη ση ς (ΕΛΟΤ) αντ ικατέ στη σε τα προηγούμενα πρότυπα με τα: ELOT ΕΝ & 2, ELOT ΕΝ & 2 και ELOT ΕΝ , 2 & 3. Τα πιο κοινά υλικά κατασκευή ς ενός η λιακού συστήματο ς παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Σήμε ρα στην πλε ιοψηφία τους οι Ελληνικές κατασκευ α στικέ ς εταιρείες χρησιμοποιούν σωλήν ες χαλ κού με πτε ρύγια για να κατασκευάσουν τον απορροφητή ενώ λ ί.υο ι ε ίνα ι σήμ ε ρα ο ι πα ρ αγ ό μενο ι συλλέ κτες τύπου σάντου ιτ~, ο ι ο ποίο ι αποτελούσαν την πλε ιοψηφία τα πρ ώ τα χρ όνια. Πίνακα ς 1: Υλικά κατασκευή ς ενό ς συστήματος παραγωγ11 ς ζε στού ν ε ρ ού [ 17] Υλικά απορροφητή Επιφάν ε ια απορροφητή Χαλυδβο έλασμα ή ανο ξε ίδωτη λαμαρίνα Πτε ρύγια αλουμινίου 11 χα λκού συγκολλημ έ ν α σε σωλ1ίνε ς ανοξε ίδω του χά λυβ α Σωλήν ες χαλκού εκτονωμένοι σε πτερύγια αλουμινίου Μαύρη βαφή Επικά λυψη με επ ιλεκτική βαφή Μόνωση Υαλοβ άμβακας σ ε συνδυασμό με PU-non CFC / PU-non CFC Υ λ ικό κα λύμματο ς Ηλιακό Τζάμι 3-5 mm Πλαίσιο συλλέ κτη Δ εξαμ ενή Πλαστικό τζά μι - Plexiglass Αλουμίνιο Ανο ξε ίδωτος χάλυβας Χαλυβδο έλασμα αποθήκευση ς Υάλω ση, Χαλ κό ς Κ άλυμμα δ εξαμενής Ανοξε ίδωτο ς / Γαλβανισμένο ς χάλυβα ς Αλουμίνιο Ανο ξε ίδωτος χάλυβας Χαλυβδο έλασμα Για τον π ε ριορισμό των θ ε ρμικών απωλειών προς το πε ριβάλλον, συνηθίζεται η χρήση μονωτικών υλικών στην πίσω πλευρά και στα πλαϊνά του η λ ιακού συλλέ κτη. Τα υ λ ικά που χρησιμοποιούνται ποικίλουν. Ο υαλοβάμβακας υψηλή ς ποιότητα ς και ο πετροβάμβακας ε μφανίζουν καλές μονωτικές ιδιότητες και αντοχή στις θ ε ρμοκρασίες που αναπτύσσονται μέσα στον συλλέ κτη. Όπως όλα τα μονωτικά υλικά, ε ίναι απαραίτητο να προστατ ευθούν από την υγρασία. Χρησιμοποιούντα ι σε πάχη μέχρι και 5 cm καθώς το όφ ελο ς για μεγαλύτε ρα πάχη είναι μηδαμινό. Στην Ελληνική βιομηχανία χρησιμοποιούνται όλα τα παραπάνω μονωτικά υλικά εξ ολοκλήρου ή και

18 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας σε συνδυασμό μεταξύ τους (αφρός πολυουρεθάνης στη πίσω πλευρά με πετροβάμβακα στα πλαϊνά για παράδειγμα). Οι Έλληνες κατασκευαστές στο μεγαλύτερο ποσοστό, σχεδόν 90%, χρησιμοποιούν ηλιακό τζάμ ι χαμηλής περιεκτικότητας σε σίδηρο, πάχους 3-5 n1n1 ως κάλυμμα για των συλλέκτη, ενώ πολύ λίγοι είναι αυτοί που κάνουν χρήση Plexiglas. Για το πλαίσιο του συλλέκτη χρησιμοποιούν σχεδόν αποκλειστ ικά αλουμίνιο για τα πλαϊνά και γαλβανισμένη λαμαρίνα για το πίσω μέρος. Όσο αφορά τις δεξαμενές αποθήκευσης του ζεστού νερού χρήσης, αυτές κατασκευάζοντα ι κυρίως από χάλυβα και σχετικά πρόσφατα από χαλκό. Ο εναλλάκτης σήμερα είναι τύπου μανδύα σε αντίθεση με τα πρώτα χρόνια όπου κυριαρχούσε η σερπαντίνα. Το δοχείο περιβάλλεται από μόνωση, συνήθως πολυουρεθάνη, και προστατεύεται από τις καιρικές συνθήκες από ένα εξωτερικό κύλινδρο κατασκευασμένο συνήθως από ανοξείδωτο χάλυβα ή αλουμίνιο. Οι δεξαμενές μπορούν ανάλογα με τον κατασκευαστή να είναι ορ ιζόντιες ή κάθετα τοποθετημένες.[6] Στην Εικόνα 1.5 φαίνεται η τομή της δεξαμενής του ηλ ιακού θερμοσίφωνα. 1. Stainless Steel Boiler 7. Anti-corrosion protection 2. Heat Exchanger (mantle type) 8. Hot water supply pipe 3. lnsulation (PU70mm) 9. Closed loop circuit pipe 4. External boiler casing 1 Ο. Domestic water inlet pipe 5. Safety valve 11. Coil for auxiliary thermal source 6. Electrical resistance Ε ικ 1.5: Η δεξαμ ενίι του ιι λ ι α κού θερμοσίφωνα

19 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας Φωτοθερμική Δράση των Laser Η λέξη λε ιζε ρ προέρχεται από τα αρχικά της αγγλικής φράση ς Laser: Light Amplifιcation by Stiιηulated Emission of Radiation) που στην ελεύθ ε ρη με τάφρασή του στα ε λληνικά είναι η ε νίσχυση του φωτό ς με εξαναγκασμ ένη ε κπομπή ακτινοβολίας και ο όρος αυτός αφορά και τις συσκευέ ς που παράγουν τις αντίστοιχε ς ακτινοβολίες. Τα λέιζερ παράγουν σύμφωνο, μονοχρωματικό φως (δηλαδ1ί φως με συγκε κριμένο μήκος κύματος) το οποίο διαδίδεται σε μια συγκε κριμένη κατεύθυνση, σχηματίζοντα ς στενές δ έσμες. Αντίθ ετα, ο ι συνηθισμέ νες πηγές φωτός, όπως οι κλασσικοί λαμπτήρες πυρακτώσ ε ως, παράγουν μη -σύμφωνο φω ς προ ς όλες τις διευθύνσεις και, επιπλέον, έχουν μεγάλο φασματικό εύρο ς. Η λε ιτόυργία των λέ ιζερ υπόκε ιται στις αρχές των θεωριών της κβαντικής μηχανικής και της θερμοδυναμικής. Έ χουν δημιουργηθ ε ί πολλοί τύποι λέ ιζε ρ από διαφορ ετικά υλικά, τα οποία έ χουν χαρακτηριστικά για να αποτελέ σουν εν ε ργό υλικό των λέ ιζε ρ, παράγονται μεγάλο εύρος δυνατοτ~ίτων και ώστε να χρησιμοποιούνται σε μεγάλο εύρος εφαρμογών. Η τεχνικ~ί παραγωγής ακτινών la s eγ βασίζεται στην απορρόφηση φωτονίων από κατάλληλα υλικά (στερεά, υγρά ή αέ ρια), των οποίων τα άτομα, τα μόρια ή τα ιόντα βρίσκονται σε κατάσταση διέγ ε ρση ς μέσω της πρόσληψης ενέργεια ς. Κατά τη μετάβαση των ηλεκτρονίων που πε ριβάλλουν τα άτομα από μια ανώτερη ενεργε ιακ~ί στάθμη σε μια κατώτ ε ρη ( αποδιέγερση), η προσληφθείσα επί πλέον ενέ ργ ε ια αποβάλλεται υπό μορφ1ί ακτινοβολία ς. Η διαδικασία αυτή δ εν γίνεται όμως αυθόρμητα, όπως στις κλασικές πηγ ές, αλλά με την επίδραση ενός εξωτερικού αιτίου, των φωτονίων που απορροφώνται, με αποτέ λεσμα τα διεγ ε ρμένα άτομα κατά τη στιγμ11 της αποδιέγ ε ρσής τους να ε κπέμψουν ακτινοβολία που έχει την ίδια φάση και την ίδια κατεύθυνση διάδοσης με αυτ~ίν που έχουν προσλάβει. Η ακτινοβολία των φωτονίων αυτών έχει ενέ ργ ε ια (και μ~ίκος κύματος) χαρακτηριστική της ενεργειακής δ ιαφορά ς μεταξύ των σταθμών. Τα άτομα πολλών στοιχε ίων έχουν μετασταθείς ε ν ε ργε ιακές καταστάσεις. Τα φωτόνια που εκπέμπονται σε μετασταθ ε ίς ενεργ ε ιακές καταστάσε ις καθυστερούν της προπορευόμενης εκπόμπής της ακτινοβολίας που προ1ίλθ ε από την απευθείας μετάπτωση στ~1 βασική στάθμη. Τα άτομα που ε ίναι κατάλληλα για τη δράση των laseι- έχουν τουλάχιστον μια τέτοια μετασταθ11 στάθμη. Όταν ένα φωτόνιο το οποίο εκπέμπεται από ένα άτομο σε μια μετασταθή στάθμη πε ράσ ε ι κοντά από ένα άτομο που βρίσκεται στην ίδια κατάσταση, μπορεί να το διεγε ίρ ε ι και το τε λευταίο να ε κπέ μψ ε ι ένα φωτόνιο ακτινοβολίας η οποία έχει την ίδια ενέ ργ ε ια (μ.κ.), διεύθυνση, κατάσταση πόλωσης και φάση με το αρχικό φωτόνιο. Το κάθε ένα από τα διηγερμένα φωτόνια μπορεί να προκαλέσει την ε κπομm1 και άλλων παρόμοιων φωτονίων. Αυτή η συνεχής παραγωγή φωτονίων σε συνδυασμό με το γ εγονός ότι ο μέσος χρόνος παραμονής των ηλεκτρονίων στη διηγερμένη κατάσταση είναι μερικά δευτερόλεπτα ενώ στη μετασταθή ο χρόνος αυτός μπορεί να φτάσει μέχρι και 100 ns, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού των ηλε κτρονίων σε μια εν ε ργ ε ιακ~ί στάθμη σ ε σχέση με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που αντιστοιχε ί σε μια χαμηλότε ρη ενεργε ιακά στάθμη. Αυτή η διαδικασία ον ο μά ζεται αντιστροφ11 πληθυσμού. [9] J 19

20 2( Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργ ε ιας Τα λέ ιζε ρ απο τελούντα ι από το ενεργό υλικό, και την οπτική κοιλότητα. Το ενε ργ ό υλικό μετατρ έπε ι την εξωτερική ενέ ργε ια σε δέσμη φωτό ς. Συνήθω ς ε ίναι υλ ικό με συγκε κριμένο μέγεθος, σύσταση, καθαρότητα και μορφή, που παράγε ι φω ς μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής, η οποία αποτελεί κβαντομηχανική διαδικασία που προτάθηκε από τον Αλβ έρτο Αϊνστάιν για να ερμηνεύσε ι το φωτοηλε κτρικό φαινό μενο. Το ενεργό υ λικό αντλε ίται από μία εξωτε ρική πηγή ενέ ργε ιας. Τέτο ιες πηγές μπορεί να είναι ηλεκτρικές ή φωτεινέ ς, κάποια άλλη πηγή λέιζερ. όπω ς η λυχνία έ κλαμψη ς (t1ash lamp) ή Η ενέργεια που απορροφάται αποτίθεται στα σωματίδια του ενε ργού υλικού έτσι, ώστε αυτά να οδηγη θούν σε μια διεγερμένη κβαντική κατάσταση. Όταν ο αριθμός των σωματιδίων που βρίσκονται στην διεγερμένη κατάσταση είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των ατόμων που βρίσκεται στην βασική κατάσταση, επιτυγχάνεται αντιστροφή πλη θυσμού. Έτσι λοιπόν, μία δέσμη φωτός που περνάει μέσα από το υλικό έχει μεγαλύτερη πιθανότητα να οδηγήσει σε εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίων από ότι σε εξαναγκασμένη απορρόφηση, αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με να ενίσχυση της δέσμης. Ένα διεγερμένα ενεργό υλικό μπορεί να λειτουργήσει επίσης και σαν οπτικός ενισχυτής. G'11s molecules float in s ide the tube Elecbicity ma kes t he 9as giye off li9ht P'11rti'1111y silvered mirror refl ect s s om e light a nd lets s om e esca pe + Elecbic'111 coil is wound around the tube passes out of the e nd of the tube Ε ι κ 1.6: Η το μή κα ι 11 α ρχή λε ιτουργίας του laser Τα χαρακτηριστικά του φωτός που παράγονται από εξαναγκασμένη εκπομπή ε ίναι παρόμοια με αυτά του αρχικού φωτός, ως προς το μήκος κύματος, την πόλωση και την φάση. Έτσι λοιπόν, το φως του λέ ιζερ που παράγεται είναι σύμφωνο, ενώ η σταθ ε ρότητα της πόλωσης και η μονοχρωματικότητα εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά της οπτικής κοιλότητας. Η οπτική κοιλότητα αποτελεί παράδειγμα κοιλότητας ταλάντωσης και περιέχει μια σύμφωνη δέσμη φωτός μεταξύ δύο ανακλαστικών επιφανειών, έτσι ώστε κάθε φωτόνιο να πε ρνά του λάχιστον δύο φορ ές από το ενεργό υλικού προτού φύγ ε ι από την οπή εξόδου τη ς πηγής λέ ιζερ ή χαθεί λόγο απορρόφησης ή περίθλαση ς. Αν η ενίσχυση που προ έ ρχεται από την επαναλαμβανόμενη διέλευση του φωτό ς μέσα από το ενε ργό υλικό ε ίναι μεγαλύτερη από τις απώλε ιες της κοιλότητας, τότε εμφανίζεται

21 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας ε κθ ετική αύ ξηση της ισχύ ς του φωτό ς μέσα στην κο ιλότητα. Ό μως, κά θ ε εξαναγκασμένη ε κπομπή αναγκά ζε ι ένα σωματίδ ιο να επιστρ έψ ε ι από την δ ιεγε ρμέ νη κατάσταση στην β α σική, με ιώνοντας έτσι την ι κανότητα του ε ν ε ργ ού υ λ ι κού γ ια επιπλέ ον ενίσχυση. Όταν αυτό το φαινόμενο μεγιστοποιε ίται τό τε λέ με ό τι η ενίσχυση έχει φτάσε ι σε κορ εσμό. Η συνθήκη όπου η ισχύς άντληση ς γίν εται πε ρίπου ίση με την τιμή κορεσμού τη ς ενίσχυσης και με τις απώλε ιες τη ς κοιλότητας οδηγ ε ί σε κατά σταση ισορροπίας τη ς ισχύς του λέ ιζε ρ μέσα στην κοιλότητα. Αυτή η τιμή ισορροπίας καθορίζε ι και το σημε ίο λε ιτουργίας του λέ ιζε ρ. Αν η ισχύ ς άντλη ση ς ε ίναι πολύ μικρή, η ενίσχυση δ εν ε ίναι αρκετή ώστε να καλυφθούν οι απώ λε ιες του ταλαντωτή, με αποτέλε σμα να ε κπέ μπεται πο λύ μικρή έ νταση λέ ιζε ρ. Η ελά χιστη τιμή ισχύ ς ά ντληση ς που απαιτε ίται γtα την παραγωγή λέ ιζε ρ ον ο μ άζε τ α ι κατώφλ ι λέ ιζερ. Το ε νε ργό υλικό ενισχύ ε ι οποιοδ1ίποτε φωτόνιο πε ράσει μέ σα από αυτό, αλλά μόνο αυτά που ε ίναι ευθυγραμμισμένα με την κοιλότητα μπορ ε ί να πε ράσουν πε ρισσότε ρο από μια φορά μέ σα από το ενε ργό υλικό για να επιτευχθ ε ί σημαντική ενίσχυση. [ 1 Ο] Η φυσιο λογική θ ε ρμοκρασία του σώματο ς ε ίναι 37 C. Αν οι μαλακο ί ιστοί θ ε ρμανθούν, από το επίπεδ ο αυτό στο επίπεδο των 60 C, για κάπο ιο μικρ ό χρόνο, καμία αλλαγή δ ε θα παρατηρηθ ε ί στη δ ομή του ς. Πάνω όμω ς από του ς 60 C αρχίζε ι η διαδικασία της πή ξης. Στην πή ξη η μόνη μακροσκοπικά παρατηρούμενη αλλαγή ε ίναι μια λεύκανση της ακτινοβοληθ ε ίσας επιφάνε ιας. Αυτ~Ί η λεύκανση φαν ερώνε ι ανάκλαση όλων των ο ρατών μη κών κύματο ς του φωτό ς και προκαλε ίται από βασικές α λλαγ ές στη δ ομή του ιστού, κάτι που οδηγ ε ί σε αυ ξημ ένη σκέδ αση και πο λλαπλές διαθ λάσε ις και ανακλάσ ε ις τη ς προσπίπτουσας ακτινοβο λ ίας. Ο μηχανισμό ς τη ς πή ξη ς επικε ντρών εται στη με τουσίωση των πρωτεϊνών, δηλα δή στο ότι ο μοριακό ς τύπο ς τη ς πρ ω τετνη ς _ που βρίσκεται σε κάθ ε μέ ρος του σώματο ς μα ς γίνεται ασταθή ς και οι αλυσίδ ες της ξε διπλώνουν, δημιουργώντας έτσι ένα ε ίδος μεταβολή ς φάσης. Ιδιαίτε ρο ε ν δ ιαφέρον παρουσιάζ ε ι η μετουσίωση του κολλαγόνου, των ινών δηλαδή από τις οποίες αποτελε ίται σε μεγαλύτε ρο ή μικρότε ρο βαθμό το βασικό πλέγμα των συνδε τικών ιστών του σώ ματο ς, καθώς και των τοιχω μάτων των αιμοφόρων αγγε ίων. Όταν ο ιστό ς θ ε ρμαίν ε ται στου ς 100 C μπορ ε ί να συμβ ε ί μια πιο δ ραματική α λλαγή φ ά ση ς. Αφού τα κύτταρα του σώματος μπορ ε ί να θ εωρηθ ε ί ότι βρίσκονται κάτω από κανονικές συνθήκες πίε ση ς 1 atm, το Ύ ε ρό των κυττάρ ω ν θα αρχίσει να βράζε ις ' αυτήν τη θ ε ρμοκρασία. (Τα στοιχε ία ηλεκτρολυτών που ενυπάρχουν στο ν ε ρό μ εταβάλλουν το σημ ε ίο βρασμού μόνο κατά 0.15 C). Όταν το ν ε ρό έχε ι εξαφανισθ ε ί τε λε ίω ς, η συνεχιζόμενη ακτινοβόληση αυ ξ άνε ι τη θ ε ρμοκρασία του υλικού πολύ γρ1ίγορ α, μέχρις ότου η θ ε ρμοκρασία φθάσε ι στου ς 300 έως 400 C. Στο σημ ε ίο αυτό ο ιστό ς μαυρίζε ι, απανθρακώνεται και αρχίζε ι να παράγε ι ατμού ς και καπνό.( Ε ικό να 1. 7)

22 r 22 Μηχατρον ι κά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας.2 ο ο ~ ο :::ι. Q.... Θ πυρόλυση εξάχνωση Απανθράκωση c c Αποδόμηση (Ablation) ατμοποίηση 100 c Φωτοπηξία (Photocoagulation) Υπερθερμία (Hyperthermia) Συρρίκνωση κολλαγόνου Μετουσίωση πρωτεϊνών Θάνατος κυπάρων Φυσιολογική θερμοκρασία 80 c 57 c c 37 C Απορροφούμενη ενέργεια Εικ 1.7: Φωτοθερμικές αλλοιώσεις σε ιστούς που ακτινοβολούνται με Jaser // 01 Πάνω από τους 500 C, παρουσία ατμοσφαιρικού οξυγόνου, ο ιστός θα καεί και θα εξ αχνωθεί, αιτίες για την δημιουργία ανεπιθύμητων περιοχών νέκρωσης ή άλλης βλάβης στον ιστό, γύρω από το σημείο εφαρμογής του laser. Για να ελαχιστοποιηθεί η διάχυση της θερμότητας, το βάθος απορρόφησης της ακτινοβολίας laseγ πρέπει να περιοριστεί στο λεπτότερο στρώμα κοντά στην επιφάνεια του ιστού. Επίσης η διάχυση της θερμότητας συνδέεται με το χρόνο θερμικ11ς αποκατάστασης του υλικού. Οι υψηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για την αλλαγή φάσης, χωρίς να θερμανθούν οι παρακείμενοι ιστοί, επιτυγχάνονται μόνο εάν η έκθεση του ιστού στην ακτινοβολία είναι μικρότερη από το χρόνο θερμικ11ς αποκατάστασης. [ 11]

23 Μηχατρονιi<ά Υποσυσrήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας 1.4. Μηχατρονικά Συστήματα Ορισμοί Ο όρος "Μηχανοτρονική" επινοήθηκε για πρώτη φορά από τον Tet s uω ΜοΓi, ανώτερο μηχανικό της ιαπωνικής εταιρ ε ίας Yaskawa, το Η Μηχατρονική εναλλακτικά, μπορ ε ί να αναφ έ ρ εται κi:ιι ως η Επιστήμη των "Ηλεκτρομηχανολογικώ ν συστημάτων" ή λιγότερο συχνά ω ς η Επιστήμη " ελέγχου και του αυτοματισμού τη ς μηχανικής". Γενικά μπορεί να υποθεί ότι μηχανοτρονική ονομάζ εται η επιστήμη που συνδ έε ι τη Μηχανο-(λογία) (Mechanics) και την (Ηλεκ)τρονική (Electronics) = Μηχανοτρονική (Mechatωnic s ). Στη βιβλιογραφία συναντώνται και οί δύο όροι : μηχανοτρονική, μηχατρονική. Ένα ς ορισμός για την μηχανοτρονική αναφέρεται από τον Hewit : Μηχανοτρονική ε ίναι η συνεργατικίί ολοκλήρωση τη ς επιστήμη ς του μηχανολόγου μηχανικού μ ε την ηλ ε κτρονική και τον ευφυή έλεγχο στο σχεδιασμό και την κατασκευή προϊόντων και διαδικασιών. Η πιο σημαντική λέξη σε αυτό τον ορισμό ε ίναι η συνεργατικότητα. Μ ε τον όρο συν έ ργια εννοείται η ολοκλήρωση των επιμέρους επιστημών σε μία, έτσι ώστ ε το αποτ έλεσμα να συνιστά ένα ν έο ανώτ ε ρο επίπεδο συγκρινόμ ενο μ ε την απλή άθροιση των σχεδιαστικών αποτελεσμάτων σε κάθ ε επιστημονική π ε ριοχή χωριστά. [!!] Σύμφωνα με την UNESCO ω ς Μηχατρονική ορίζ εται η επισηίμη όπου : 'Ί-1 συν ε ργιακίί ολοκλήρωση της μηχανολογίας με την ηλε κτρονική και τον ευφυ1ί υπολογιστή ελέγχου στον σχε διασμό και η1ν κατασκευ1ί των προϊόντων και διαδικασιών." Ένας επιπλέον ορισμός ε ίναι ότι ΜηχατρονιΚΊΊ αφορά τη γ ενικότ ε ρη φύση μελέτης και κατασκευ1ίς ευφυών μηχανικών συστημάτων. " Γ ενικότ ε ρα κάτω από τ έτοιου ε ίδους ορισμούς, ως Μηχατρονική μπορ ε ί να οριστ ε ί κάθ ε διαδικασία λήψη ς αποφάσ ε ων που περιέχε ι ένα βαθμό πολυπλοκότητας και εφαρμόζεται στη λε ιτουργία των φυσικών συστημάτων. Εικόνα 1.8: Η μηχατρονικιί σαν άθροισμα επιστημονικών υποενοτιίτων.1321 Γ- z3

24 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμιi<ής Παραyώyής Ενέργειας Στην φιλοσοφία της μηχατρονικής, ο ενσωματωμένος υπολογιστής ε'λi,γχου ε ίναι το κεντρικό στοιχε ίο, και ο πυρήνας της τεχνολογίας η οποία την καθιστά την μηχατρονική έ να μοναδικό τομέα. Ψηφιακά και αναλογικά κυκλώματα, μα ζί με επενε ργητές και επιστημονικά όργανα περιβάλλουν άμεσα τον υπολογιστή ελέγχου και λειτουργούν προσαρμοστικά μεταξύ του υπολογιστή και του ελεγχόμενου φυσικού συστήματος. Τα χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν το κάθ ε σύγχρονο μηχανικό σύστημα, καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από την εφευρ ετ ικότητα και αποτελεσματικότητα του ενσωματωμένου σε αυτό λογισμικό. Τα παρεμβαλλόμενα στοιχε ία υποστηρίζουν το λογισμικό αυτό Παρέχοντας του τις τρέχουσες πληροφορίες από το ελεγχόμενο σύστημα και μεταφράζοντας τις εντολές του σε ενεργ11 παροχή διαμορφωμένης ισχύος. Η μηχατρονική όπως προαναφέρθηκε, πρόκειται να συγχωνεύσει τις πιο πάνω επ ιστήμ ες και να πε ριγράψ ε ι αντί διάφορων προτύπων ένα γ ενικό ολιστικό Μηχατρονικό σύστημα. Τα συστήματα της Μηχατρονικής έχουν το στόχο να μ ετατρέψουν με την τεχνολογία που τα διέπει - Επεξεργαστές, Ενεργοποιητές, Αισθητήρες κτλ - την μορφή της ενέργειας αλλά και των υλικών, την μεταφορά τους και την πε ραιτέρω επεξε ργασία τους καθώς και τη μεταφορά ή/και αποθήκευση των πληροφοριών Μηχατρονικό Σύστημα Ένα μηχατρονικό σύστημα αποτελείται κυρίως από μηχανισμούς Κίνησης, Ελέγχου και Αισθητήρες. Η παραδοσιακή μηχανική αποτελείται μόνο από μηχανισμούς και ενεργοποιητές, και προαιρ ετικά μπορεί να ενσωματωθεί ο έλεγχος. Η μηχατρονική ενσωματώνει όλες τις απα ιτούμενες προϋπόθέσεις για έλεγχο κλε ιστού βρόχου και ως εκ τούτου και τους ανάλογου ς αισθηη1ρες Ένα μηχατρονικό σύστ~1μα είναι ένα σύστημα το οποίο.ενσωματώνει την ψηφιακή επε ξε ργασία σήματος και τ~1ν έκδοση του σήματος αυτού σε ένα τελικό σημείο δράσης μέσω ενός ενεργοποιητή, δημιουργώντας κινήσεις ή ενέργειες σχετικά με το σύστημα. Είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα με αισθητ1ίρες, μικροεπεξεργαστές και ελεγκτές. 24

25 .J 25 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας Τα συστήματα μηχατρονικής μπορούν να διαιρεθούν έτσι σε ομάδες λειτουργία ς, να διαμορφωθούν σε εκε ίνους του ς βρόχους αυτόματου ελέγχου και να αποτελέσουν μέ ρο ς των ενο τήτων με τα μηχανικά - ηλεκτρικά - μαγνητικά - θερμικά - οπτικά στοιχε ία τους και την τεχνολογία αισθητήρων, με σκοπό τη συλλογή των μ ετρημένων μεταβλητών της επιβλέπουσ'ας κατάστασης, την ενεργοποίηση την κανονικοποίηση και τον έλεγχο καθώς επίσης και επεξεργασία και την πληροφορική στην επεξεργασία δεδομένων. Ένα τυπικό μηχατρονικό σύστημα αποτελείται από τα εξής βασικά μ έρ η: &!:πtφά\-e ια Α\ (~){ί):ιοο/μηχαυι)ι; Αναγ... tωσιμε.:; _ με-rcιfrι..η~ < - ΕΩΊρΟΟζόμ.Ε;νες -=r> μετ.ι:ιβληre; IΞ '>'ερrο- :ιω ιφ έτ; =D Μ Μεtiιβληtb; 0.4-":ψά.ι; Ε:ι~ργαιrίιι 1U.ηpοφοpι&rν 4 J>o1) 1U.ηροιpορtαι\... J.>οή ~φγsuιι; ΜΙ)χ<ΜΚ<- 'Ις. και ε \.\!ψ/ et 11κό~ Μεφούμ.e\'FΑ; μcτόflί_ηtt.; μειαιροπi:α.ι; ~ Α11σθψ1Ίρ&; ~ - ~ _;> Η T~om..Y) ~ιι>:ι) ι:; ~ Κuρ ια J' 1'01)... ~ αιιu.ιιυ.«f(πι D.'~'r~,.. ~ r ραιιιοοοσtα ισχοο; - Μ11χ<Μκt) Υδρι:ωλtt..'1) Θφιμtι...'1) ΗλεΙ<..'ψΟ.. "1) ~ 6!Ι) uηjιο; - Εικ. 1.9: Ένα μηχατρονικό σύστημα με τα βασικά σημεία του /32 / Παραδείγματα Μηχατρονικών Συστημάτων Κλασσικά παραδείγματα μηχατρονικών συστημάτων είναι: 1) Χειρισμός/συστήματα ρομπότ 2) Ενότητες εργαλειομηχανών 3) Ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές

26 Μηχατρονικά Υ π οσυστήματα Φωτοθ ε ρμική ς Παρ α γωγή ς Ε ν έργειας 4) Κίνη ση κα ι έλεγχος φ ο ρ έα CD/DVD Player 5) Ανεμογεννή τ ριες 6) Αντ ιολισθητικά συ στήματα 7) Ηλεκτρ ο νικά πρ ογρ ά μμα τα σταθερότη τας οχημάτων Ε ιδ ι κά γ ια τα δύο τελευταία παρ αδε ίγματα, τα η λε κτρονικά κα ι το λογ ισμικό αντικαθιστούν τα μικρ ότε ρη ς ακρ ίβ ε ιας, π ιο ευπαθή κα ι π ιο ακρ ιβ ά αναλογικά μη χαν ικά συ στήματα μ ε ψηφια κό η λεκτρονικό έλεγχο, όπως τα συστή ματα α ντι ε μπλο κή ς πέδηση ς (A BS) τα συστήματα ελέγχου μ ε ίγ ματος, προπο ρ ε ία ς, σπινθιρ ισμού (ECU) κα ι τα συστήματα ελέγχου ολ ίσθησης (ASP/ESP) στα αυ τοκίνητα. Παγ κοσμίως η μη χατρ ονική ε ίνα ι αν τι κείμενο ε ιδίκευση ς μη χανολόγων ή μηχανικών παρ αγωγή ς. [ 14] 1 Μηχανοrρον ι κά Σu σrή μαrα 1 1 Μι~χανοτρονι"ά Εξαρτήματα Μηχανών Μη-~ανοrρον ι κές Γtννητρ ιες Κ ίνηση ς - Ημ ι- ενε pyοί - Ολοκλ η ρωμενο ι υδραυλ ι κοί Ηλε -τρι -οί αποσβεση'ιρ ες Σερβο -Μ JηiΡες - Αυrί>ματα " ι βώτια - Ολοκληρωμένο ι ταχυτήτων Υ δραuλ ι "οί - ΜαΎνη τι"ά - εp βοκινητήρες Ι'ουλε μάν - Ολοκλη ριιjμ~νο ι Μηχανοτρονικες Μη χανές Παραγωγής Ενέ D"Ιε1 αc - Κ ινητηρες DC χωρις Ψ ύκτρες - Ολοκη ρι»μ ένο ι κινητή ρες AC ΜΙ)χανοτρονικ ες Μ ηχανές Κατανάλωση ς Ενέργ ε ι ας - Ολοκληρω μένα Εργαλεία χολλών αξόνων - Ολοκλη ρωμ ένες Υδραυλ ι κές Αντλίι.ς Μ ηχανο τρο'1κά Αυτοιci"]tα - A nιi - lock break ιng sys ι e ι n (ABS) - ΗΝ; "tρο Υδραυλικό Φρένο(ΕΗΒ) - Ενε ργή Α <iρτηςιη Μ ηχανοτρο 'ΙΙCά ΤρCνα - Κι:ιcλιμ"'-α τρενα - Ενεργά βαγ όν ια - Μ αγνητικά Υ ιreρηψαι μένα Τρέ u (MAGLEν) Πνι:ι>μ ατικο ί Σερβο -ινητι\ρες - Ι'ο μπότ ( Ι Ιολλι ί>ν αξ όνων, Κ ινού μενα) Εικ Ι.ΙΟ. Παραδ ε ίγματα κλασσικών ιιηχατρονικών υποσυστημάτων 1321 Ο Isermann υπο στηρίζε ι ό τι γ ια να σχεδ ιαστε ί μηχανοτρονικά ένα σύστημα απα ιτε ίτα ι η ολο κλήρωση των συστατικών του και η ολοκλήρ ω ση τη ς επεξε ργασίας τη ς πληρ οφο ρίας. Σαν απο τέλεσμα τη ς δ ιαδικασίας αυτή ς ε ίναι ο σχεδ ιασμός απλών σ τιβα ρ ών μη χανολογ ικών συ στημάτων με δ ιαύ λου ς επικο ινωνίας και αυτόνο μες μονάδ ες. Οι νό μο ι ελέγχου προσδίδου ν ιδ ιότητες στο πρ οϊόν/σύ στημα αυτοελέγχου κα ι ιδ ιό τητες μά θη ση ς. Μια σύγ κριση των ιδ ιοτήτων των προϊόντων/συστημάτων που σχεδ ιάζοντα ι με τη μηχανοτρ ονική προσέγγιση κα ι τον κλασσικό τρόπο φα ίνε τ αι σ τον Πιν [1 2] Β ΙΒ,,,. ΤΕ Ι ΠΕΙ 26

27 Μηχατρονικά Υποσυστήματα Φωτοθερμικής Παραγωγής Ενέργειας ΣΥ:\ΙΒΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ l\hixanotpo i\"iκh ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ Αθροι.::όιιενσ συστστιι.:ά Ολοκλlιοωσιι των συστατικών (υλικό) Ογκό)δη ς 1':ατασκευi1. Στιβαρ 1] κατασκευή. Πολύπλοκοι μηχανισμοί. Απλοί μηχανισμοί. Προβλ~'1ματα μ ε τη χρι]ση καλωδίων. Επικοινωνία μ ε διαύλου ς 1] ασύρματα. Ενω μ ένα συστατικά. Αυτόνοιιε ι: ιιονάδει;. Απλός έλεγχος Ολοκλιίρωσιις τιι ς επεξεργασίας τψ; πλιιpοφοpίαc: (λογισι ιικό) Άκα μπτη κατασκευ1]. Ελαστικ1] κατασκευί1 μ ε δυναμική απόσβ εσ η. Ευθύς έλεγχος. Προγραμματι ζόμενο ι: έλεγχο ς μ ε Γραμμ ικός (αναλογικός) έλεγχο ς. ανατροφοδότηση. Ακρίβεια μ ε μικρέ ς ανοχέ ς. Ψηφιακό ς (μη-γραμμικός) έλεγ χο ς. Οι δ ιαταραχ ές αλλάζουν αυθαίρετα μ έσα σε Ακρίβεια μέσω μ ετρήσεων και ελέγχου με κάπο ι α όρια. ανατροφοδότηση. Απλή παρακολούθησ11. Έλ εγχο ς των μη-μ ετρούμ ενων, εκτψούμενων Προκαθορισμένε ς ικανόη1τ ε ς. μ εγεθών. Εποπτεία μ ε έλεγχο βλαβών. Ικανότητ α: ~ιάθ11σ1κ Π ιν 1.2: Συγκριτικός πίνακας για ΤΙ] συμβατικιί και τη μηχατρο\ ικιί προσέγγιση 111 I. Ένας τρόπος για να βρ εθούν τα κριη1ρια με τα οποία θα χαρακτηρίζεται ένα προϊόν σαν μηχανοτρονικό ε ίναι να εντοπιστούν τα κοινά χαρακτηριστικά των προϊόντων αυτών. 1-1.fSPMI (.Japan Society for the Promotion of' Macl1ine lndustry) έχε ι κατατάξει τα μηχανοτρονικά προϊόντα σε τέσσερις κλάσεις, η οποία δείχνει και την ιστορική εξέλιξη των μηχανοτρονικών προϊόντων: 1. Στην κλάση 1 αν1ίκουν τα μηχατρονικά προϊόντα τα οποία ε ίναι παραδοσιακά μηχανολογικά προϊόντα και οι πρωτεύουσες λειτουργίες τους έχουν ενισχυθεί από την επιστήμη των ηλεκτρονικών. 2. Στην κλάση 2 αν1ίκουν τα μηχατρονικά προϊόντα τα οποία ε ίναι παραδοσιακά μηχανολογικά προϊόντα και διατήρησαν την εξωτερική του ς διαμόρφωση και τις πρωτεύουσες λειτουργίες τους, αλλά έχει αλλάξει η εσωτερική τους διαμόρφωση με την ε ισαγωγή η1ς επιστήμης των ηλεκτρονικών. 3. Στην κλάση 3 ανήκουν τα μηχατρονικά προϊόντα τα οποία είναι παραδοσιακά μηχανολογικά προϊόντα και διαη1ρησαν τις πρωτεύουσες λειτουργίες τους μόνο. 4. Στην κλάση 4 ανήκουν τα μηχατρονικά προϊόντα τα οποία ενσωματώνουν τις επιστήμες που πε ριγράφηκαν στον κλασσικό ορισμό που αναφέρθηκε νωρίτερα. Γ 21 ι_