ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΘΕΜΑ: ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΚΑΙ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΛΥΨΗ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ

Transcript

1 ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΘΕΜΑ: ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΚΑΙ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΛΥΨΗ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΦΡΑΓΚΟΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ Α.Ε.Μ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΛΙΟΓΚΑΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΑΪΟΣ 2010

2 Περιεχόμενα Περίληψη Κατάλογος σχημάτων Κατάλογος εικόνων Κατάλογος διαγραμμάτων Πρόλογος Εισαγωγή Ενεργειακό πρόβλημα Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Κτιριακό περιβάλλον και ενεργειακή κατανάλωση Ενσωμάτωση ΑΠΕ στα κτίρια Υβριδικά συστήματα Χαρακτηριστικά και είδη υβριδικών συστημάτων Σύντομη αναδρομή στις εργασίες για τα υβριδικά συστήματα PV/Wind και Thermal/Wind...14 Ηλιακή Ακτινοβολία Ο Ήλιος Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας Τροχιά της Γής Ακτινοβολία ενός Ήλιου Τροχιά της Γής Προσπτίπτουσα ακτινοβολία στη Γη Υπολογισμός ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο...21 Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία Γενκά Ιστορία των φωτοβολταϊκών στοιχείων Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Φωτορεύμα Μοντέλα φωτοβολταϊκών στοιχείων Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση Βασικοί τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων Φωτοβολταϊκά πλαίσια Εγκατάσταση φωτοβολταϊκών στοιχείων σε κτίρια Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών στοιχείων...32 Ηλιακά Συστήματα Θέρμανσης Νερού Εισαγωγή Είδη ηλιακών συστημάτων θέρμανσης νερού Κατηγορίες ηλιακών συλλεκτών Μοντέλα θερμικών ηλιακών συλλεκτών Μοντέλο σταθερής κατάστασης (steady-state model) Δυναμικά μοντέλα (Dynamic models) Αποθήκευση θερμότητας σε ηλιακές δεξαμενές

3 Αιολική Ενέργεια Γενικά Ιστορία αιολικών μηχανών Ταχύτητα ανέμου Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος Επίδραση εμποδίων στη ροή του ανέμου Είδη αιολικών μηχανών Τεχνολογία ανεμογεννητριών Ισχύς Α/Γ Μικρής κλίμακας ανεμογεννήτριες _ομικά στοιχεία μικρών Α/Γ Πτερύγια μικρών Α/Γ Προσανατολισμός μικρών Α/Γ Συστήματα ελέγχου ταχύτητας μικρής Α/Γ Γεννήτριες μικρών Α/Γ Πύργοι στήριξης μικρών Α/Γ...51 Πειραματική &ιαδικασία Σκοπός της πειραματικής διαδικασίας Κυκλώματα και συνδέσεις Αυτόνομο σύστημα παραγωγής ενέργειας με Α/Γ Αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα Ηλιακό σύστημα θέρμανσης νερού Επιμέρους τμήματα της εγκατάστασης Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Θερμικός ηλιακός συλλέκτης Μπαταρία Ρυθμιστής φόρτισης Ανεμόμετρο Πυρανόμετρο Θερμοζεύγη Αυτόματη λήψη και καταγραφή μετρήσεων Αυτόματο καταγραφικό Σύστημα πολυπλεξίας LoggerNet 3.1 Datalogger Support Software...64 Πειραματικά Αποτελέσματα Εισαγωγή Μετεωρολογικά μεγέθη Θερμοκρασία περιβάλλοντος Ταχύτητα ανέμου Ηλιακή ακτινοβολία Συμπεράσματα Αυτόνομες μονάδες Μετρήσεις ενεργειακής εξόδου και απόδοσεις φ/β _ιαγράμματα ημερήσιας απόδοσης και ισχύος φ/β Μετρήσεις ενεργειακής εξόδου και απόδοσης Α/Γ _ιαγράμματα ημερήσιας απόδοσης και ισχύος Α/Γ Μελέτη θερμοσιφωνικού συλλέκτη Πειραματικός προσδιορισμός της μέσης ημερήσιας απόδοσης του θερμοσιφωνικού συλλέκτη Πειραματικός προσδιορισμός των θερμικών απωλειών του θερμοσιφωνικού συλλέκτη

4 Διάγραμμα μεταβολής της μέσης ημερήσιας απόδοσης και του συντελεστή θερμικών απωλειών του θερμοσιφωνικού συλλέκτη Ημερήσια διαγράμματα λειτουργίας του θερμοσιφωνικού συλλέκτη...85 Συνδυασμένη χρήση Α/Γ, φωτοβολταικών και θερμικού συλλέκτη Γενικά Θέρμανση νερού με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης Εισαγωγή Πειραματικά αποτελέσματα θέρμανσης νερού με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης Συνδυασμός Α/Γ με υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά ηλιακά συστήματα (φβ/θ συστήματα ή PV/T systems) Ημερήσια διαγράμματα απόδοσης υβριδικού φβ/θ θερμοσιφωνικού συστήματος Ενεργειακή μελέτη για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών μιας οικίας από την παραγόμενη από τα συστήματα ενέργεια Παραγόμενη ενέργεια από τα φ/β πλαίσια Παραγόμενη ενέργεια από την Α/Γ Παραγόμενη ενέργεια από το θερμοσιφωνικό συλλέκτη Κάλυψη βασικών ηλεκτρικών αναγκών σε μια οικία...97 Εκτιμήσεις-Συμπεράσματα Βιβλιογραφία 4

5 Περίληψη Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ηλιακή και αιολική ενέργεια μπορούν να προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Κάθε μορφή ΑΠΕ έχει τις δικές της ιδιομορφίες και μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε μεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας είτε σε μικρότερες μονάδες όπως στα κτίρια. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνδυασμένη αξιοποίηση των παραπάνω ενεργειακών πηγών, ιδίως για την κάλυψη των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών των κτιρίων. Αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη ενός συστήματος αποτελούμενο από μικρή ανεμογεννήτρια, φωτοβολταϊκά πλαίσια και θερμικό ηλιακό συλλέκτη. Αρχικά γίνεται αναφορά στα επιμέρους συστήματα ΑΠΕ από τα οποία αποτελείται η εγκατάσταση. Στη συνέχεια, αναλύονται τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής και ακολουθεί η ενεργειακή μελέτη της συμπεριφοράς του υβριδικού συστήματος. Το κύριο θέμα που εξετάζεται είναι η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας για θέρμανση του νερού σε περιπτώσεις που υπάρχει πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης αναλύεται η προοπτική συνδυασμού υβριδικών/φωτοβολταϊκών συλλεκτών με Α/Γ. Τέλος παρατίθενται τα συμπεράσματα και οι εκτιμήσεις σχετικά με τη συμπεριφορά του υβριδικού συστήματος στις μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου και της ηλιακής ακτινοβολίας σε ημερήσια και ετήσια βάση. Λέξεις Κλειδιά Aνανεώσιμες πηγές ενέργειας, ηλιακή ενέργεια, αιολική ενέργεια, θερμική ενέργεια ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά, ηλιακοί συλλέκτες, μετεωρολογικά δεδομένα, κτίρια. 5

6 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1 Σχεδιασμός βασικού κυκλώματος των υβριδικών κυκλωμάτων...13 Σχήμα 2 Γεωμετρική αναπαράσταση της ΑΜ από τη θέση του Ήλιου...20 Σχήμα 3 Συνιστώσες τις ολικής ηλιακής ακτινοβολίας GT που δέχεται ένα σώμα...21 Σχήμα 4 Επίπεδες επιφάνειες με κλίσηβ, αζιμούθια γωνία p γ και γωνία πρόσπτωσης ι θ.21 Σχήμα 5 Μηχανισμός φωτοβολταϊκού φαινομένου...25 Σχήμα 6 Μοντέλο φωτοβολταϊκού στοιχείου...26 Σχήμα 7 Χαρακτηριστική καμπύλη I-V και I-P του φωτοβολταϊκού στοιχείου...27 Σχήμα 8 Μεταβολή της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων συναρτήσει της θερμοκρασίας...29 Σχήμα 9 Διάφοροι τύποι συγκεντρωτικών συλλεκτών και ο αντίστοιχος βαθμός συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας...38 Σχήμα 10 Χώρος ισχυρών αναταράξεων γύρω από την περιοχή μεμονωμένου εμποδίου...45 Σχήμα 11 Τμήματα ανεμογεννήτριας...47 Σχήμα 12 Κύκλωμα αυτόνομης μονάδας παραγωγής ενέργειας με Α/Γ...54 Σχήμα 13 Αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα...55 Σχήμα 14 Ηλιακός θερμοσιφωνικός συλλέκτης...56 Σχήμα 15 Πρόσοψη και καμπύλη απόδοσης AIR-X Land...57 Σχήμα 16 Υβριδικοί φβ/θ ηλιακοί συλλέκτες νερού, με ή χωρίς διαφανές κάλυμμα...92 Σχήμα 17 Υβριδικό φβ/θ θερμοσιφωνικό σύστημα...92 Σχήμα 18 Συνδυασμένη διάταξη φβ/θ συλλέκτη με συνήθη θερμοσιφωνική ηλιακή συσκευή...93 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1 Ολοκληρωμένη ηλιακή συσκευή ICS (α) και θερμοσιφωνικό σύστημα (β)...35 Εικόνα 2 Θερμικά Ηλιακά συστήματα διαφορικού ελέγχου...36 Εικόνα 3 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες...37 Εικόνα 4 Συλλέκτης σωλήνων κενού...37 Εικόνα 5 Υβριδικοί φβ/θ ηλιακοί συλλέκτες νερού και αέρα...39 Εικόνα 6 Καμπύλη ισχύος Α/Γ...48 Εικόνα 7 Air-X Wind...50 Εικόνα 8 Η ανεμογεννήτρια...57 Εικόνα 9 Φωτοβολταϊκά πλαίσια...59 Εικόνα 10 Το θερμοσιφωνικό σύστημα...59 Εικόνα 11 Controller SCC 20 eco...61 Εικόνα 12 Inverter AJ Εικόνα 13 Ανεμόμετρο A100R...62 Εικόνα 14 Πυρανόμετρο CM Εικόνα 15 Αυτόματο καταγραφικό τύπου CR10X...63 Εικόνα 16 Μονάδα Πολυπλεξίας (Multiplexer) AM Εικόνα 17 Γραμμή εργαλείων του LoggerNet...65 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Διάγραμμα 1 Διακύμανσητης μέσης μηνιαίας θερμοκρασίας περιβάλλοντος...68 Διάγραμμα 2 Μέγιστη και ελάχιστη μέση ημερήσια θερμοκρασία κάθε μήνα...68 Διάγραμμα 3 Πλήθος τιμών της ταχύτητας του ανέμου ανά περιοχές ταχυτήτων...69 Διάγραμμα 4 Διακύμανση της μέσης μηνιαίας ταχύτητας του ανέμου

7 Διάγραμμα 5 Διακύμανση της μέσης μηνιαίας ηλιακής ακτινοβολίας...71 Διάγραμμα 6 Μεταβολή μέσης ημερήσιας ηλιακής ακτινοβολίας...71 Διάγραμμα 7 Ενεργειακή καμπύλη φ/β πλαισίων (μέσες ωριαίες τιμές)...72 Διάγραμμα 8 Μηνιαία ενεργειακή συμπεριφορά και απόδοση των φ/β...73 Διάγραμμα 9 Ημερήσια ενεργειακή συμπεριφορά και απόδοση των φ/β με κατανάλωση...74 Διάγραμμα 10 Ημερήσια ενεργειακή συμπεριφορά και απόδοση των φ/β χωρίς κατανάλωση...75 Διάγραμμα 11 Ενεργειακή καμπύλη Α/Γ για σύνολο 269 ημερών (μέσες ωριαίες τιμές)...76 Διάγραμμα 12 Απόδοση Α/Γ σε συνάρτηση με την ταχύτητα ανέμου...77 Διάγραμμα 13 Συνολικά παραγόμενη ισχύς για κάθε μήνα...78 Διάγραμμα 14 Αποτέλεσμα προσομοίωσης Α/Γ...79 Διάγραμμα 15 Αποτέλεσμα προσομοίωσης Α/Γ...79 Διάγραμμα 16 Ημερήσια συμπεριφορά Α/Γ μέτρια ταχύτητα ανέμου...80 Διάγραμμα 17 Ημερήσια συμπεριφορά Α/Γ μεγάλη ταχύτητα ανέμου...81 Διάγραμμα 18 Μέση ημερήσια απόδοση θερμοσιφωνικού συλλέκτη...84 Διάγραμμα 19 Μεταβολή του συντελεστή νυχτερινών θερμικών απωλειών με τη θερμοκρασία...85 Διάγραμμα 20 Ημερήσιο διάγραμμα λειτουργίας του θερμοσιφωνικού συλλέκτη...86 Διάγραμμα 21 Ημερήσιο διάγραμμα λειτουργίας του θερμοσιφωνικού συλλέκτη...86 Διάγραμμα 22 Μεταβολή των βασικών παραμέτρων του θερμοσιφωνικού συστήματος κατά την διάρκεια τριών ημερών Διάγραμμα 23 Διάγραμμα θέρμανσης νερού με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης (α)...89 Διάγραμμα 24 Διάγραμμα θέρμανσης νερού με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης (β)...90 Διάγραμμα 25 Ημερήσια λειτουργία υβριδικού φβ/θ συλλέκτη χωρίς διάφανο κάλυμμα...94 Διάγραμμα 26 Μεταβολή της ηλεκτρικής απόδοσης του υβριδικού φβ/θ συλλέκτη με και χωρίς γυάλινο κάλυμμα- Απόδοση υβριδικού φβ/θ θερμοσιφωνικού ηλιακού συλλέκτη...95 Διάγραμμα 27 Συνολική μηνιαία παραγωγή ενέργειας από τα φ/β πλαίσια...96 Διάγραμμα 28 Συνολική μηνιαία παραγωγή ενέργειας από την Α/Γ κατά την περίοδο της λειτουργίας της

8 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η συλλογή και μετατροπή της ηλιακής και αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρισμό και θερμότητα αποτελούν εναλλακτικές λύσεις στο πρόβλημα της εξοικονόμησης ενέργειας από συμβατικές πηγές, συμβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο στον περιορισμό της κατανάλωσης ορυκτών πόρων και στην προστασία του περιβάλλοντος. Για την εκμετάλλευση του ηλιακού και αιολικού δυναμικού έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνολογίες, οι κυριότερες εκ των οποίων είναι τα φωτοβολταϊκά συστήματα, οι ηλιακοί θερμικοί συλλέκτες και οι ανεμογεννήτριας. Στη παρούσα εργασία μελετάται η συνδυασμένη χρήση της ηλιακής και αιολικής ενέργειας με στόχο την κάλυψη των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών ενός κτιρίου. Για αυτό το σκοπό εξετάστηκε ως προς την ενεργειακή του συμπεριφορά ένα σύστημα αποτελούμενο από μία συστοιχία φωτοβολταϊκών πλαισίων, έναν επίπεδο θερμοσιφωνικό συλλέκτη και μία μικρή ανεμογεννήτρια. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και η μικρή ανεμογεννήτρια παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια προς κατανάλωση ενώ ταυτόχρονα ο ηλιακός συλλέκτης παρέχει θέρμανση νερού χρήσης. Εξετάζεται η ιδέα θέρμανσης του νερού εντός της δεξαμενής αποθήκευσης του ηλιακού συλλέκτη με τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας σε περιπτώσεις όπου υπάρχει πλεόνασμα της παραγόμενης αυτής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά και την Α/Γ. Οι πειραματικές μετρήσεις των παραμέτρων των συσκευών αποτελούν ένα πρώτο βήμα για τον προσδιορισμό της ηλεκτρικής και θερμικής συμπεριφοράς της εγκατάστασης με βασικό σκοπό την πιθανή εφαρμογή της στον κτιριακό τομέα. Η εργασία χωρίζεται σε τρία μέρη, με το πρώτο να περιλαμβάνει την βιβλιογραφική έρευνα που αφορά τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού και τις ανεμογεννήτριες, το δεύτερο να περιγράφει τις τεχνικές προδιαγραφές της εγκατάστασης και το τρίτο μέρος να παρουσιάζει τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών. Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και γίνεται μία αναφορά στην ενεργειακή κατανάλωση των κτιρίων σε Ευρωπαϊκό επίπεδο. Επίσης παρουσιάζονται τα βασικά είδη υβριδικών συστημάτων ΑΠΕ και γίνεται μία σύντομη αναδρομή στις εργασίες που αφορούν τα συστήματα αυτά. Στο 2ο Κεφάλαιο παρατίθενται ορισμένα βασικά στοιχεία για την ηλιακή ακτινοβολία. Γίνεται αναφορά για τις συνιστώσεςτης ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης και υπολογίζονται θεωρητικά οι τιμές τους. Το 3ο Κεφάλαιο περιλαμβάνει τη μελέτη για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία (φ/β). Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται θεωρητικά στοιχεία σχετικά με τους ημιαγωγούς, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, τα είδη των φωτοβολταϊκών στοιχείων, την λειτουργία ενός φ/β και τους τρόπους εγκατάστασης των φ/β στα κτίρια. Το 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κυριότερα ηλιακά θερμικά συστήματα θέρμανσης νερού. Γίνεται αναφορά στα είδη των ηλιακών συλλεκτών ενώ ταυτόχρονα εξετάζονται οι σημαντικότερες κατηγορίες αυτών. Επίσης αναφέρονται ορισμένα θεωρητικά μοντέλα ηλιακών συλλεκτών και αναλύονται οι βασικές εξισώσεις που διέπουν τα μοντέλα αυτά. Στο 5ο Κεφάλαιο αναφέρεται στην αιολική ενέργεια. Αρχικά παρατίθενται ορισμένα στοιχεία που σχετίζονται με το αιολικό δυναμικό ενώ στη συνέχεια γίνεται αναφορά στις αιολικές μηχανές. Ειδικότερα, παρουσιάζονται θεωρητικά στοιχεία που αφορούν την ενέργεια του ανέμου και την παραγόμενη ενέργεια καθώς επίσης και τα είδη των ανεμογεννητριών στη σημερινή εποχή. Στο τέλος του κεφαλαίου περιγράφονται τα τμήματα μιας ανεμογεννήτριας δίνοντας έμφαση στις μικρού μεγέθους αιολικές μηχανές. 8

9 Στο 6ο Κεφάλαιο περιγράφεται η εγκατάσταση βάσει της οποίας πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα. Συγκεκριμένα, αναφέρεται η συνδεσμολογία των κυκλωμάτων, οι συσκευές και τα όργανα μετρήσεων καθώς επίσης και οι καταγραφείς των δεδομένων. Στο 7ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της παραγόμενης ενέργειας και των αποδόσεων από τα ξεχωριστά οι καμπύλες των ενεργειακών εξόδων και αποδόσεων για τα αυτόνομα συστήματα Α/Γ και φ/β πλαισίων καθώς επίσης και τα διαγράμματα ημερήσιας λειτουργίας. Επιπλέον παρατίθενται οι καμπύλες της μέσης ημερήσιας απόδοσης και συντελεστή νυχτερινών θερμικών απωλειών για το θερμοσιφωνικό σύστημα. Στο 8ο Κεφάλαιο περιγράφονται τρόποι συνδυασμού της ηλιακής και αιολικής ενέργειας με στόχο την αύξηση της αποδοτικότητας του συστήματος. Ειδικότερα εξετάζεται η ιδέα της θέρμανσης του νερού με ηλεκτρική ενέργεια προερχόμενη από τα φωτοβολταϊκά και την Α/Γ ενώ παρουσιάζονται οι περιπτώσεις συνδυασμού των εξεταζόμενων συστημάτων με υβριδικούς φωτοβολταϊκούς/θερμικούς συλλέκτες. Επίσης μελετάται ο βαθμός κάλυψης σε ηλεκτρικές και θερμικές απαιτήσεις μιας οικίας βάσει της ενέργειας που παράχθηκε από τα υπό μελέτη συστήματα κατά το χρονικό διάστημα των πειραμάτων. Τέλος στο 9ο Κεφάλαιο αναφέρονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εργασία αυτή και παρουσιάζονται μελλοντικές πιθανές εφαρμογές που μπορούν να γίνουν. Μια πρώτη αναφορά στο θέμα πάνω στο οποίο βασίζεται η παρούσα διπλωματική εργασία έχει πραγματοποιηθεί και παρουσιαστεί στο διεθνές συνέδριο Energy Performance and Environmental Quality Buildings (EPEQUB) που πραγματοποιήθηκε στο νησί Μήλος κατά την περίοδο Ιουλίου 2007 υπό τον τίτλο: Combined solar and wind energy systems for building application. 9

10 Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ενεργειακό πρόβλημα Οι συμβατικές πηγές ενέργειας που είναι βασισμένες στο πετρέλαιο, τον άνθρακα και το φυσικό αέριο έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικοί οδηγοί της οικονομικής προόδου αλλά συγχρόνως και της καταστροφής του περιβάλλοντος και της ανθρώπινης υγείας. Καταρρακτώδες βροχές, παρατεταμένοι καύσωνες και πυρκαγιές είναι μερικά από τα φαινόμενα που προκύπτουν από τη μεγάλη συγκέντρωση των φυσικών αερίων που συμβάλουν στο «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Η αλλαγή των κλιματικών συνθηκών του πλανήτη ως συνέπεια της αλόγιστης χρήσης των ενεργειακών πόρων αναμένεται να είναι σημαντική, αφού εκτιμήσεις της επιστημονικής κοινότητας προβλέπουν αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη έως και 3.5 οc μέχρι το Η Ευρώπη συμβάλει κατά 14% στο σύνολο των ετήσιων εκπομπών CO2 ενώ η Ασία κατά 25% και η Βόρεια Αμερική 29%. Οι εκπομπές του CO2, του κατ εξοχήν υπεύθυνου αερίου για το φαινόμενο του θερμοκηπίου (80%) προέρχονται από τον ευρύτερο ενεργειακό τομέα (πρωτογενή παραγωγή). Η κατανάλωση ορυκτών καυσίμων και ιδιαίτερα του πετρελαίου συμβάλει κατά 50% στις ετήσιες συνολικές εκπομπές του CO2 στην Ε.Ε. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ατμού ευθύνεται για το 30% των εκπομπών του CO2 ενώ ο οικιακός τομέας συμμετέχει με ποσοστό που αγγίζει το 14%. Παράλληλα η συμμετοχή του ενεργειακού τομέα στις εκπομπές άλλων αερίων του φαινομένου του θερμοκηπίου όπως CH4 και N2O είναι σχετικά μικρή με 17% και 7% αντίστοιχα. Η διάσκεψη στο Ρίο, το καλοκαίρι του 1992, προσδιόρισε το πρόβλημα προγραμματίζοντας άμεσες ενέργειες και επεμβάσεις. Ο σημαντικότερος στόχος ήταν η προσπάθεια διατήρησης των επιπέδων ρύπανσης μέχρι το 2000 σε αυτά του Παρόλο αυτά οι τρόποι αντιμετώπισης και ο έλεγχος εφαρμογής τους δε βρήκαν σύμφωνες όλες τις κυβερνήσεις. Στην επόμενη διάσκεψη στο Κιάτο της Ιαπωνίας το 1997 έγινε προσπάθεια για μια νέα συμφωνία, βασισμένη σε πιο δραστικά μέτρα, χωρίς τελικά να υπάρξει ομοφωνία. 1.2 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της χρήσης ορυκτών πόρων αλλά συγχρόνως και η αύξηση ζήτησης της ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα στην εύρεση άλλων ενεργειακών λύσεων με ιδιαίτερη κατεύθυνση προς τον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Οι δυνατότητες των ΑΠΕ είναι σημαντικές δεδομένου ότι μπορούν να εξυπηρετήσουν μέρος της παγκόσμιας ζήτησης σε ηλεκτρική ενέργεια και περιορισμό των συμβατικών ενεργειακών πηγών για παροχή θερμότητας, μηχανικού έργου ή άλλων ενεργειακών μορφών. Οι ανανεώσιμες πηγές όπως η βιομάζα, η αιολική, η ηλιακή, η υδροηλεκτρική και γεωθερμική ενέργεια μπορούν να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια αξιοποιώντας τους διαθέσιμους φυσικούς πόρους. 10

11 Η μετάβαση στα ενεργειακά συστήματα βασισμένα σε ανανεώσιμες πηγές, φαίνεται όλο και περισσότερο πιθανή, καθώς το κόστος των συστημάτων αυτών μειώνεται σημαντικά με τη πάροδο του χρόνου σε αντίθεση με την τιμή του πετρελαίου που τα τελευταία χρόνια παρουσιάζει μία άνοδο. Γίνεται έτσι σαφές ότι η μελλοντική ανάπτυξη του ενεργειακού τομέα θα βασίζεται σε σημαντικό βαθμό στις ανανεώσιμες πηγές και σε μικρότερο βαθμό στο φυσικό αέριο, στο πετρέλαιο και στον άνθρακα. 1.3 Κτιριακό περιβάλλον και ενεργειακή κατανάλωση Ο τομέας των κτιρίων αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους τομείς κατανάλωσης ενέργειας και σε ημερήσια βάση η παγκόσμια πρωτογενής κατανάλωσή του ξεπερνάει τα 17 εκατομμύρια βαρέλια πετρελαίου, ποσότητα ίση με την συνολική παραγωγή των χωρών του ΟΠΕΚ. Στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ο τομέας των κτιρίων απορροφά κατά μέση τιμή, το 40% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης. Η ανά χώρα κύμανση ποικίλει από 20% για την Πορτογαλία έως 45% για την Ιρλανδία, ενώ η Ελλάδα κυμαίνεται στο 30%. 2εδομένου ότι ο κάτοικος των αστικών κυρίως κέντρων βιώνει το 80% της ζωής του στο εσωτερικό των κτιρίων, είναι προφανής η επίδραση της ποιότητας του εσωτερικού κλίματος τόσο σε επίπεδο άνεσης όσο και σε επίπεδο παραγωγικότητας. Ειδικότερα, η αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος και η εκτεταμένη χρήση ηλεκτρικών συσκευών στα μεγάλα αστικά κέντρα έχουν συντελέσει στην κατακόρυφη αύξηση της απαιτούμενης ενέργειας, που σε πολλές περιπτώσεις είναι σχεδόν διπλάσια από την απαιτούμενη σε εκτός πόλεως περιοχές. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση ο κτιριακός τομέας (τα νοικοκυριά και ο τριτογενής τομέας) αντιπροσωπεύει το σημαντικότερο τομέα κατανάλωσης της ενέργειας με ποσοστό 40%. Η τελική κατανάλωση των κτιρίων είναι της τάξης των 350 Mtoe (1 Mtoe: μετρικός τόνος ισοδύναμου πετρελαίου) ανά έτος. Το μεγαλύτερο μέρος της ενεργειακής κατανάλωσης των κτιρίωνκαλύπτεται από το φυσικό αέριο με ποσότητα 116 Mtoe, από το πετρέλαιο με 99 Mtoe και ακολουθούν ο ηλεκτρισμός και τα στερεά καύσιμα με 91 και 11 Mtoe αντίστοιχα. Με βάση τα παραπάνω προκύπτει ότι αντιστοιχεί περίπου 1 Mtoe ανά έτος και ανά κάτοικο για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των κτιρίων στην Ευρώπη. Η ετήσια ενεργειακή κατανάλωση των κτιρίων στην Ελλάδα, είναι της τάξης των 4.6 Mtoe και αντιστοιχούν περίπου 0.55 Mtoe ανά κάτοικο το έτος, ποσότητα που είναι το μισό της αντίστοιχης κατανάλωσης στην Ευρώπη. Οι ανάγκες για θέρμανση των κατοικιών ανέρχονται σε 70% της συνολικής κατανάλωσης ενώ η κατανάλωση ενέργειας για τις οικιακές συσκευές, το φωτισμό και τον κλιματισμό ανέρχεται στο 18% του συνολικού ενεργειακού ισοζυγίου. 1.4 Ενσωμάτωση ΑΠΕ στα κτίρια Η εφαρμογή ενός ολοκληρωμένου ενεργειακού σχεδιασμού και η ενσωμάτωση των ενεργειακά αποδοτικότερων τεχνολογιών στα κτίρια είναι προϋπόθεση για την πλήρη αξιοποίηση του ενεργειακού δυναμικού για κάθε κτίριο και σε κάθε τόπο. Η μέγιστη αξιοποίηση αυτή του δυναμικού, έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση στις ενεργειακές ανάγκες ενός κτιριακού συνόλου. Προς την κατεύθυνση αυτή, η αξιοποίηση ενός συνδυασμού τεχνολογιών και συστημάτων βασισμένο στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποτελεί προϋπόθεση για τη βελτίωση των ενεργειακών και περιβαλλοντικών συνθηκών ενός τόπου. 11

12 Σήμερα, υπάρχουν πολλά και διαφορετικά ενεργειακά συστήματα τα οποία είναι δυνατόν να ενσωματωθούν στα κτίρια με σκοπό την μερική ή ολική κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Τα κυριότερα από αυτά είναι: Φωτοβολταϊκά συστήματα (Photovoltaic energy systems) Ηλιακά θερμικά συστήματα (Solar thermal systems) Αιολικά συστήματα (Wind energy systems) Γεωθερμικά συστήματα (Geothermal energy systems) Συστήματα συμπαραγωγής (CHP systems) Συστήματα αξιοποίησης βιομάζας (Biomass systems) 1.5 Υβριδικά Συστήματα Όπως προαναφέρθηκε, υπάρχουν αρκετές εναλλακτικές μορφές ενέργειας βάσει των οποίων είναι δυνατή η παραγωγή ενέργειας χωρίς σημαντικές επιπτώσεις για το περιβάλλον. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που έχουν τα συστήματα αυτά είναι η διακύμανση στην παραγωγή ενέργειας. Συστήματα όπως τα ηλιακά ή αιολικά συστήματα εξαρτώνται από τις καιρικές συνθήκες, γεγονός που επηρεάζει την παραγωγή ενέργειας καθώς αυτές μεταβάλλονται κατά την διάρκεια του χρόνου. Για αυτό το λόγο κρίνεται απαραίτητο η αναζήτηση λύσεων με σκοπό τη διασφάλιση της αξιοπιστίας και της ποιότητας της παρεχόμενης ενέργειας. Προς την κατεύθυνση αυτή, τα υβριδικά ενεργειακά συστήματα (hybrid energy systems) αποτελούν έναν τομέα ο οποίος είναι δυνατόν να προσφέρει μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση. Τα συστήματα αυτά, προκύπτουν από τον συνδυασμό δύο ή περισσότερων διαφορετικών αλλά συμπληρωματικών πηγών παραγωγής ενέργειας. Το μέγεθος των υβριδικών ποικίλει ανάλογα με την εφαρμογή ενώ μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με το είδος της τάσης στις γραμμές μεταφοράς. Ειδικότερα τα υβριδικά συστήματα ταξινομούνται στις εξής κατηγορίες: 1. Συστήματα με γραμμές μεταφοράς συνεχούς τάσης (DC bus lines): Στα συστήματα αυτά, τα επιμέρους τμήματα συνδέονται με γραμμές μεταφοράς συνεχούς τάσης, ενώ η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται σε μπαταρίες. Επίσης απαιτείται η χρήση ενός ελεγκτή φόρτισης για τον έλεγχο και την προστασία της μπαταρίας καθώς επίσης και ένας μετατροπέας τάσης DC/AC για την παροχή εναλλασσόμενου ρεύματος προς τις συσκευές κατανάλωσης. 2. Συστήματα με γραμμές μεταφοράς εναλλασσόμενης τάσης (AC bus lines): Στην περίπτωση αυτή η παραγόμενη ενέργεια τροφοδοτείται απευθείας στο υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο. Και σε αυτή την περίπτωση είναι δυνατή η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε μπαταρίες με τη χρήση ενός κεντρικού μετατροπέα. 3. Συστήματα σε σύζευξη με γραμμές μεταφοράς συνεχούς και εναλλασσόμενης τάσης (AC/DC bus lines): Σε αυτήν την περίπτωση τα επιμέρους συστήματα παραγωγής ενέργειας συνδέονται στις αντίστοιχες γραμμές μεταφοράς ενώ ένας κεντρικό ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχει την παροχή ενέργειας τόσο προς τα φορτία κατανάλωσης όσο και προς την μπαταρία. Τα υβριδικά συστήματα μπορούν να σχεδιαστούν κατάλληλα για πολλές εφαρμογές και σε διαφορετικά μεγέθη. Η κυριότερη εφαρμογή των συστημάτων αυτών σήμερα είναι παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε αγροτικές εφαρμογές. 5στόσο τα τελευταία χρόνια τα υβριδικά συστήματα βρίσκουν εφαρμογή και σε άλλους τομείς 12

13 όπως ο κτιριακός τομέας (αστικά κτίρια, νοσοκομεία, σχολεία, ξενοδοχεία), σε απομακρυσμένα χωριά, σε συστήματα αφαλάτωσης και σε φάρμες. 1.6 Είδη υβριδικών συστημάτων και χαρακτηριστικά τους Ένα κοινό υβριδικό σύστημα αποτελείται συνήθως από τα ακόλουθα επιμέρους συστήματα: 1. Μία πρωτογενής πηγή ενέργειας (π.χ. ανανεώσιμη πηγή ενέργειας) 2. Μία δευτερογενήςπηγή, η οποία προσφέρει πρόσθετη ενέργεια στο σύστημα 1. υπό κανονικές συνθήκες και κάλυψη της απαιτούμενης ενέργειας σε 2. περιπτώσεις όπου η πρωτογενής πηγή είναι εκτός λειτουργίας. 3. Ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (για μη διασυνδεόμενα με το δίκτυο 4. συστήματα) για τη διασφάλιση της σταθερότητας της παροχής ενέργειας. 5. Ένας ελεγκτής φόρτισης. 6. Το υλικό εγκατάστασης ( καλώδια, κουτιά ασφαλείας κτλ) 7. Οι συσκευές κατανάλωσης ενέργειας Σχήμα 1 Σχεδιασμός βασικού κυκλώματος των υβριδικών συστημάτων Σήμερα έχουν αναπτυχθεί και κατασκευαστεί μια πληθώρα υβριδικών συστημάτων αποτελούμενα από διαφορετικά ενεργειακά συστήματα. Οι σημαντικότεροι συνδυασμοί υβριδικών συστημάτων είναι: Φωτοβολταϊκά/Γεννήτρια πετρελαίου (PV/Diesel) Ο συνδυασμός φωτοβολταϊκών γεννητριών και μιας γεννήτριας πετρελαίου προσφέρει μια απλή λύση και είναι κατάλληλο για περιοχές με υψηλό ηλιακό δυναμικό. Σε σύγκριση με τις κοινούς τρόπους παραγωγής ενέργειας εκτός δικτύου, η χρήση αυτού του είδους το υβριδικό σύστημα μπορεί να προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί με αυτά τα συστήματα έχουν δείξει ότι η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να αγγίξει το 80% σε σχέση με τα μικρά αυτόνομα συστήματα με γεννήτριες πετρελαίου λαμβάνοντας υπόψη και τις τοπικές κλιματολογικές συνθήκες αλλά και τον σχεδιασμό του συστήματος. Ανεμογεννήτρια/Γεννήτρια πετρελαίου (WT/Diesel) Το υβριδικό σύστημα που περιλαμβάνει ανεμογεννήτρια (Α/Γ) και γεννήτρια πετρελαίου μπορεί να εφαρμοστεί κυρίως σε περιοχές όπου η μέση ταχύτητα ανέμου 13

14 είναι μεγαλύτερη από 3.5 m/s. Στην περίπτωση που η ταχύτητα του ανέμου είναι ικανοποιητική, η ανεμογεννήτρια παρέχει την απαραίτητη ενέργεια ενώ ταυτόχρονα πραγματοποιείται αποθήκευση αυτής σε μπαταρίες. Σε χρονικές περιόδους με χαμηλές ταχύτητες ανέμου, η γεννήτρια πετρελαίου αντικαθιστά την Α/Γ προσφέροντας με αυτόν τον τρόπο συνεχή παροχή ενέργειας προς κατανάλωση. Φωτοβολταϊκά/Ανεμογεννήτρια (PV/WT) και Φωτοβολταϊκά/Ανεμογεννήτρια/Γεννήτρια πετρελαίου (PV/WT/Diesel) Σε κάποιες περιοχές η αξιοποίηση του αιολικού και ηλιακού δυναμικού μπορεί να προσφέρει μία ικανοποιητική λύση στον τομέα της παραγωγής ενέργειας. Στην περίπτωση αυτή η μια πηγή ενέργειας συμπληρώνει την άλλη, γεγονός που οδηγεί στην παραγωγή ενέργειας καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Ενώ στα άλλα υβριδικά συστήματα τα οποία περιέχουν γεννήτρια πετρελαίου το αντικείμενο σχεδιασμού είναι η μέγιστη εκμετάλλευση της ανανεώσιμης πηγής ενέργειας, στην περίπτωση αυτού του είδους υβριδικού η κατάσταση είναι διαφορετική. Προτεραιότητα στα συστήματα αυτά είναι η διασφάλιση της ποιότητας και αξιοπιστίας αφού μπορεί να υπάρξουν χρονικές περιόδους (χαμηλές ταχύτητες και ανέμου και νεφώσεις) στις οποίες δεν είναι δυνατή η παραγωγή ενέργειας. Για αυτό το λόγο ο σχεδιασμός και η επιλογή τέτοιων συστημάτων απαιτεί προσεκτική μελέτη. Έρευνες έχουν πραγματοποιηθεί σε υβριδικά συστήματα τα οποία περιλαμβάνουν και γεννήτρια πετρελαίου τα οποία λειτουργούν πιο αποδοτικά σε σχέση με υψηλότερο ωστόσο κόστος κατασκευής. Άλλα είδη υβριδικών συστημάτων Εκτός από τα παραπάνω συστήματα, υπάρχει μια ποικιλία άλλων υβριδικών συστημάτων τα οποία προφέρουν ενεργειακές λύσεις. Όπως προαναφέρθηκε, τα υβρίδια συστήματα αποτελούνται από δύο ή περισσότερα ενεργειακά συστήματα. Σήμερα έχουν κατασκευαστεί υβριδικά συστήματα τα οποία είναι ένας συνδυασμός φωτοβολταϊκών γεννητριών, αιολικών μηχανών και βιοαερίου (PV/Biogas ή WT/Biogas). Τα υβριδικά συστήματα αυτά είναι παρόμοια σε κάποιο βαθμό με εκείνα που χρησιμοποιούν γεννήτριες πετρελαίου. Σημαντικό ρόλο στην απόδοση των συστημάτων αυτών έχει η χωρητικότητα της δεξαμενής αποθήκευσης του βιοαερίου καθώς και η ενεργειακή διαχείριση του συστήματος. Ένα άλλο είδος υβριδικών συστημάτων είναι εκείνο το οποίο περιλαμβάνει ανεμογεννήτρια και ηλιακό θερμικό σύστημα. Το θερμικό σύστημα φροντίζει για τη θέρμανση του νερού χρήσης που απαιτείται ενώ η ανεμογεννήτρια παρέχει ηλεκτρική ενέργεια. Στην ίδια κατηγορία ανήκουν και τα συστήματα που περιλαμβάνουν γεωθερμικά συστήματα με ταυτόχρονη ύπαρξη φωτοβολταϊκών γεννητριών ή ανεμογεννήτριας. Τέλος υπάρχει η δυνατότητα συνδυασμού φωτοβολταϊκών γεννητριών ή αιολικών μηχανών με μικρά υδροηλεκτρικά συστήματα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι μικρές υδροηλεκτρικές γεννήτριες είναι κινητήρες που έχουν την δυνατότητα να λειτουργούν σε συνθήκες χαμηλής ροής του νερού, γεγονός που τα καθιστά ιδανική επιλογή για εφαρμογές σε οικίες κοντά σε ποτάμια ενώ με τον συνδυασμό τους με άλλες ανανεώσιμεςπηγές ενέργειας μπορεί να προσφέρει μια ολοκληρωμένη ενεργειακή πρόταση. 1.7 Σύντομη αναδρομή στις εργασίες για τα υβριδικά συστήματα PV/WT και Thermal/WT Η ιδέα για τα υβριδικά συστήματα και ειδικότερα για τα συστήματα PV/WT και Thermal/WT δεν είναι καινούργια αφού βρίσκεται στο προσκήνιο για πάνω από 14

15 μία δεκαετία. Συστήματα ΑΠΕ όπως τα φωτοβολταϊκά συστήματα, οι αιολικές μηχανές ή τα ηλιακά θερμικά συστήματα μπορούν να αποτελέσουν εναλλακτικές λύσεις για παραγωγή ενέργειας. Η εγκατάσταση ενός υβριδικού συστήματος PV/WΤ απαιτεί μελέτη σχετικά με τα κριτήρια που πρέπει να τηρούνται για την άρτια λειτουργία των συστημάτων αυτών. Προς αυτήν την κατεύθυνση, ο Celik (2002) πρότεινε μία τεχνική για την εφαρμογή υβριδικών συστημάτων PV/WΤ χρησιμοποιώντας μετεωρολογικά δεδομένα από προγράμματα προσομοίωσης καιρικών συνθηκών. Οι Ding και ο Buckeridge(2000) παρουσίασαν μια θεωρητική μελέτη για το επιθυμητό υβριδικό σύστημα με δύο ή περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας το οποίο να παρουσιάζει εξαιρετική σταθερότητα. Επίσης ο Khan και ο Iqbal (2005) δημοσίευσαν μια έρευνα σχετικά με τον σχεδιασμό και την ανάλυση υβριδικού συστήματος για ένα οικιστικό σύνολο. Οι δύο ερευνητές συλλέξαν δεδομένα ταχύτητας ανέμου, ηλιακής ακτινοβολίας και κατανάλωσης για ένα χρόνο, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη του υβριδικού συστήματος. Σημαντικό ρόλο στην αποδοτική λειτουργία ενός υβριδικού συστήματος έχει το μέγεθος των μονάδων από τις οποίες αποτελείται το σύστημα. Σε αυτόν τον τομέα, πολλοί ερευνητές πρότειναν διάφορες μεθόδους για τον καθαρισμό της χωρητικότητας κάθε υποσυστήματος. Οι Rahman και Chehid (1996) παρουσίασαν τον σχεδιασμό ενός υβριδικού συστήματος PV/WΤ τόσο για αυτόνομες εφαρμογές όσο και για εφαρμογές συνδεμένες με το ηλεκτρικό δίκτυο. Αυτοί πρότειναν μια τεχνική που είχε ως σκοπό την ελάττωση του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτοντας τις απαιτούμενες ενεργειακές ανάγκες λαμβάνοντας υπόψη στο σχεδιασμό περιβαλ- λοντικούς παράγοντες. Επίσης ο Markvart (1998) περιέγραψε μια διαδικασία για τον καθορισμό του μεγέθους των φωτοβολταϊκών πλαισίων και της αιολικής μηχανής για ένα υβριδικό σύστημα PV/WΤ. Ειδικότερα, χρησιμοποιώντας ηλιακά και αιολικά δεδομένα σε μια συγκεκριμένη περιοχή, παρουσίασε γραφικά τη συσχέτιση του φωτοβολταικού και αιολικού συστήματος καθορίζοντας με αυτόν τον τρόπο το τον βέλτιστο συνδυασμό των συστημάτων αυτών με σκοπό την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Οι Elhadidy και Shaahid (1999α, 2004β) μέσα από μια σειρά εργασιών υπολόγισαν την βέλτιστη χωρητικότητα των μπαταριών που απαιτούσε ένα υβριδικό σύστημα μελετώντας την επιρροή της μεταβολής της μπαταρίας στην παραγωγή ενέργειας. Επίσης ο Yang (2007) ανάπτυξε ένα νέο μοντέλο βάσει του οποίου καθορίζεται το μέγεθος ενός υβριδικού συστήματος PV/WΤ το οποίο στηρίζεται στη μελέτη της απαιτούμενης χωρητικότητας των μπαταριών σε ένα αυτόνομο σύστημα. Για την βελτιστοποίηση ενός υβριδικού συστήματος PV/WΤ έχουν αναπτυχθεί πολλές υπολογιστικές τεχνικές χρησιμοποιώντας γραμμικό και δυναμικό προγραμ- ματισμό, πιθανολογικές προσεγγίσεις και επαναληπτικές διαδικασίες. Οι Katti και Khedkar (2007) ανάπτυξαν έναν αλγόριθμο χρησιμοποιώντας μέσες ωριές τιμές της ταχύτητας του ανέμου, της ηλιακής ακτινοβολίας και κατανάλωσης με σκοπό τον αποδοτικότερο σχεδιασμό ενός συστήματος PV/WΤ. Προς την ίδια κατεύθυνση οι Koutroulis et al. (2006) δημοσίευσαν μία εργασία, η οποία αναπτύσσει μια μεθοδο- λογία για τον βέλτιστο σχεδιασμό ενός υβριδικού συστήματος PV/WΤ χρησιμο- ποιώντας γενετικούς αλγόριθμους με εφαρμογή σε κατοικία. Επιπλέον η Shahirinial et al. (2006) συγκρίναν τα αποτελέσματα δύο τεχνικών βελτιστοποίησης βασισμένες σε αλγορίθμους και παρουσίασαν μια μέθοδο βασισμένη στην πιθανότητα απώλειας φορτίου (Loss of load probability-lolp) λαμβάνοντος υπόψη το κόστος των επιμέρους συστημάτων και το επίπεδο αυτονομίας. 15

16 Η σκέψη για την ανάπτυξη υβριδικών συστημάτων που αξιοποιούν την αιολική ενέργεια και παράλληλα την ηλιακή για θέρμανση (Hybrid Thermal/WΤ systems) άρχισε να αξιοποιείται στα τέλη της δεκαετίας του 70. Οι Manwell και McGowan (1981) ανέπτυξαν ένα θεωρητικό μοντέλο για τη μηνιαία πρόβλεψη της απόδοσης ενός συστήματος θέρμανσης νερού χρήσης με τη βοήθεια μιας αιολικής μηχανής. Έδειξαν ότι η πλεονάζουσα παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από την αιολική μηχανή ήταν δυνατόν να αξιοποιηθεί τροφοδοτώντας μια αντίσταση για τη θέρμανση νερού χρήσης σε μια δεξαμενή αποθήκευσης νερού. Προς την ίδια κατεύθυνση, οι Bell και McGowan (1984) παρουσίασαν μια τεχνο-οικονομική ανάλυση για ένα σύστημα σε μια οικία με ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα σε συνδυασμό με μια δεξαμενή αποθήκευσης νερού με σκοπό την κάλυψη τόσο των ενεργειακών αναγκών των ηλεκτρικών συσκευών όσο και την παραγωγή ζεστού νερούχρήσης. Έδειξαν ότι η εγκατάσταση παρόμοιων συστημάτων σε περιοχές με υψηλό αιολικό δυναμικό με μπορεί να καλύψει ένα σημαντικό ποσοστό των ενεργειακών απαιτήσεων μιας οικίας. Οι Darkazalli και McGowan (1978) δημοσίευσαν παρουσιάσαν τα αποτελέσματα ενός υβριδικού συστήματος το οποίο περιελάμβανε ανεμογεννήτρια, ηλιακό θερμικό συλλέκτη και μια δεξαμενή αποθήκευσης ζεστού νερού. Ειδικότερα μελέτησαν την συμπεριφορά του συστήματος έχοντας ως παραμέτρους την διάμετρο της ανεμογεννήτριας και το εμβαδό του ηλιακού θερμικού συλλέκτη. Οι Twidell et al. (1990) δημοσίευσαν τα αποτελέσματα από την κατασκευή και μελέτη ενός υβριδικού συστήματος το οποίο αξιοποιεί την αιολική και ηλιακή ενέργεια για θέρμανση χώρου μιας κατοικίας σε μια νησιωτική κοινότητα. Πιο συγκεκριμένα μια ανεμογεννήτρια και μια σειρά από ηλιακοί συλλέκτες εγκαταστάθηκαν με τελικό σκοπό την θέρμανση της απαιτούμενης ποσότητας νερού για την θέρμανση της κατοικίας. Ο Kilkis (1999) παρουσίασε ένα ολοκληρωμένο σύστημα θέρμανσης-αερισμού-κλιματισμού (HVAC) σε συνδυασμό με μια ανεμογεννήτρια και μια γεωθερμική αντλία θερμότητας (GSHP). Το σύστημα HVAC φρόντιζε για την επίτευξη των κατάλληλων κλιματικών συνθηκών εντός της κατοικίας ενώ η ανεμογεννήτρια τροφοδοτούσε την γεωθερμική αντλία θερμότητας με σκοπό την παραγωγή ζεστού νερού. Η μελέτη αυτού του υβριδικού συστήματος έδειξε ότι μπορεί να αποτελέσει βιώσιμη λύση για περιοχές με υψηλό αιολικό δυναμικό και ιδιαίτερα σε τοποθεσίες με μεσογειακό κλίμα καθώς οι απαιτούμενες ηλεκτρικές ανάγκες μεταξύ του χειμώνα και του καλοκαιριού βρίσκονται σχεδόν στα ίδια επίπεδα. Οι Y. Tripanagnostopoulos και S. Tselepis (2003) δημοσίευσαν μια εργασία στην οποία συνδυάζεται μια ανεμογεννήτρια, φβ πλαίσια και υβριδικοί φωτοβολταϊκοί συλλέκτες με σκοπό την αύξηση της συνολικής απόδοσης του συστήματος. Παράλληλα παρουσίασαν μια μελέτη σχετικά με το κόστος των συστημάτων αυτών. Οι Liliana Licea-Jimenez, Sergio A. Perez-Garcia et al (2004) παρουσίασαν μια θεωρητική και πειραματική ανάλυση για υβριδικά συστήματα αποτελούμενα από διαφορετικούς συνδυασμούς θερμικού συλλέκτη, φωτοβολταϊκών και ανεμογεννήτριας. Επιπλέον εφάρμοσαν τα παραπάνω υβριδικά συστήματα σε μια αγροτική κατοικία. Οι Sateikis et al. (2006) παρουσίασαν μια μελέτη που σχετίζεται με την εφαρμογή ενός υβριδικού συστήματος με ανεμογεννήτρια και θερμικούς ηλιακούς συλλέκτες σε μια κατοικία σε αγροτική περιοχή της Λιθουανίας. Σκοπός της μελέτης ήταν η κάλυψη ενός ποσοστού των θερμικών αναγκών με τη χρήση του συγκεκριμένου συστήματος κάνοντας την υπόθεση ότι για θέρμανση 1m2 απαιτούνται 0.25m2 επιφάνειας ηλιακών συλλεκτών και 0.40m διάμετρος ανεμογεννήτριας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το ποσοστό κάλυψης σε θερμικές ανάγκες μπορεί να αγγίξει το 55%, γεγονός που αποτελεί σημαντικό βήμα προς την περαιτέρω εξέλιξή του. Οι Y. Tripanagnostopoulos και M. Souliotis (2008) παρουσίασαν μια μελέτη σχετικά με τον συνδυασμό μικρών 16

17 ανεμογεννητριών και θερμικών ηλιακών συλλεκτών, για πιθανή εφαρμογή σε κτίρια. Παράλληλα μελετήθηκε ο συνδυασμός των παραπάνω συστημάτων με φωτοβολταϊκά πλαίσια. Συμπερασματικά από την βιβλιογραφική μελέτη στα υβριδικά συστήματα PV/WT και Thermal/WT παρατηρήθηκε πώς η έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη νέων τεχνικών που έχουν ως σκοπό την αποδοτικότερη λειτουργία των υβριδικών συστημάτων με την ταυτόχρονη μείωση των απωλειών του συστήματος. 17

18 2.1 Ο Ήλιος Κεφάλαιο 2 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Ο ήλιος είναι ένας τυπικός αστέρας μάζας 2 x Kg, διαμέτρου 1.39 x 10 9 m και ηλικίας περίπου 5 x 10 9 χρόνια. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του ήλιου είναι περίπου 5800 K ενώ η θερμοκρασία στο εσωτερικό του υπολογίζεται ότι είναι Κ. Η θερμοκρασία αυτή προκύπτει από την μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο μέσω της αντίδρασης. Έχει υπολογιστεί ότι για κάθε γραμμάριο υδρογόνου που μετατρέπεται σε Ήλιο παράγεται ενέργεια ίση με U=1.67 x 10 5 kwh. Η παραγόμενη ενέργεια μεταφέρεται στην επιφάνεια και στη συνέχεια διαχέεται στο διάστημα με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αν μελετήσει κανείς το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας θα παρατηρήσει ότι εκτείνεται σε όλα τα μήκη κύματος. Αναλυτικότερα, το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να χωριστεί σε τρία μέρη: το υπεριώδες φάσμα (λ<380nm), το ορατό φάσμα (380 nm<λ<700 nm) και το υπέρυθρο φάσμα (λ>780 nm). Εκτός από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ο ήλιος εκπέμπει και μια ασθενής σωματιδιακή ακτινοβολία που αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια και ηλεκτρόνια, και ονομάζεται ηλιακός άνεμος. 2.2 Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας Το ποσό ενέργειας που δέχεται μία επιφάνεια εξαρτάται άμεσα από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ένταση B της ηλιακής ακτινοβολίας ορίζεται ως το ποσό της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει σε 1 m2 επιφάνειας σε 1 sec. H σχέση υπολογισμού της έντασης, Β, είναι: όπου Ε: το ποσό της ηλιακής ενέργειας, P η ισχύς της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια, S το εμβαδό της επιφάνειας και t ο χρόνος. Η εκπεμπόμενη ηλιακή ακτινοβολία απομακρύνεται ακτινικά από τον ήλιο προς το διάστημα και μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης από τον τύπο: (1) Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ελαττώνεται πριν φτάσει στην επιφάνεια της Γης. Το ποσό της ελάττωσης αυτής εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Οι σημαντικότεροι από αυτούς είναι η γεωγραφική θέση και το υψόμετρο ενός τόπου και η σύσταση της ατμόσφαιρας κάθε στιγμή καθώς επηρεάζει σημαντικά το φαινόμενο της απορρόφησης το οποίο μειώνει την ένταση της ακτινοβολίας. (2) 18

19 2.3 Τροχιά της Γης Μια πολύ σημαντική παράμετρος που λαμβάνεται υπόψη κατά τη σχεδίαση των ηλιακών συστημάτων είναι η κλίση και η αζιμούθια γωνία της επιφάνειας της εγκατάστασης ως προς την φαινόμενη κίνηση του ηλίου καθώς σχετίζεται με την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται το σημείο στο οποίο βρίσκεται η εγκατάσταση. Η Γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο ακολουθώντας ελλειπτική τροχιά με πολύ μικρή εκκεντρότητα, κάνοντας μία πλήρη περιστροφή κάθε μέρες. Το σημείο της τροχιάς της Γης που βρίσκεται πλησιέστερα στον ήλιο, σε απόσταση περίπου 147 εκατομμύρια χιλιόμετρα ονομάζεται περιήλιο και συμβαίνει στις 2 Ιανουαρίου. Αντίθετα το σημείο της τροχιάς όπου η Γη βρίσκεται στη μεγαλύτερη δυνατή απόσταση, περίπου 152 εκατομμύρια χιλιόμετρα, ονομάζεται αφήλιο και συμβαίνει στις 3 Ιουλίου. Η απόκλιση στην απόσταση περιγράφεται από την παρακάτω σχέση: όπου d (km) είναι απόσταση τη Γης από τον ήλιο και n είναι ο αριθμός της ημέρας με την 1η Ιανουαρίου να αντιστοιχεί στο n=1 και την 31η 2εκεμβρίου να αντιστοιχεί στο n= Ακτινοβολία ενός Ήλιου Η ενέργεια της ακτινοβολίας και η τελική της μορφής εκτός από παραπάνω παράγοντες καθορίζεται και από τη θέση του Ήλιου στον ουρανό. Αυτό οφείλεται στη διαφορετική διαδρομή που ακολουθεί η ακτινοβολία μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα και κατά συνέπεια στη μάζα αέρα μέσα από την οποία διέρχεται. Το μήκος της διαδρομής της ακτινοβολίας μέχρι τη στάθμη της θάλασσας χαρακτηρίζεται από την κλίμακα μάζας αέρα ΑΜ (air mass). Το μέτρο της αέριας μάζας σχετίζεται με τη ζενίθια γωνία θ και ορίζεται ως ο λόγος της απόστασης που διανύει η ακτινοβολία μέχρι τη στάθμη της θάλασσας από τυχαία θέση του Ήλιου προς την απόσταση που διανύει η ακτινοβολία αν ο ήλιος βρισκόταν στο ζενίθ (σχήμα 2). Η αέρια μάζα υπολογίζεται από τη σχέση. Ως ΑΜ1 ορίζεται η θέση του Ήλιου που αντιστοιχεί στο ελάχιστο μήκος διαδρομής της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Αντίστοιχα ΑΜ1.5 είναι διαδρομή της ακτινοβολίας με τον Ήλιο να βρίσκεται υπό γωνία 45 0 από το ζενίθ, ΑΜ2 για γωνία του Ήλιου ίση με 60 0 κλπ. Η μέγιστη ένταση που μπορεί να δεχθεί μία επιφάνεια τοποθετημένη στην αρχή της ατμόσφαιρας κάθετα στις ακτίνες είναι 1350 W/m2. Η ηλιακή ακτινοβολία ΑΜ1.5 έχει ένταση 935 W/m 2 και ισούται με τη μέση μέγιστη ισχύ που μπορεί να δεχθεί ένα σώμα στην επιφάνεια της Γης. Συμβατικά η τιμή αυτή έχει ορισθεί ως ακτινοβολίας ενός ήλιου και είναι η βάση σύγκρισης της ακτινοβολίας που δέχεται ένα σώμα. (3) 19

20 Σχήμα 2 Γεωμετρική αναπαράσταση της ΑΜ από τη θέση του Ήλιου: (α) θεωρητική. (β) πραγματική 2.5 Προσπίπτουσα ακτινοβολία στη Γη Όταν η ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά το στρώμα της γήινης ατμόσφαιρας δέχεται την επίδραση πολλών παραγόντων. Κάποιοι από αυτούς, όπως οι νεφώσεις αντανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία, ενώ κάποιοι άλλοι όπως το όζον ή το οξυγόνο απορροφούν ένα τμήμα της. Επίσης σταγονίδια νερού ή σκόνης στην ατμόσφαιρα οδηγούν στη διασπορά της ακτινοβολία, η οποία φτάνει στο έδαφος όπου ένα μέρος της απορροφάται και ένα άλλο ανακλάται. Η oλική ηλιακή ακτινοβολία G Τ που δέχεται ένα σώμα στην επιφάνεια του εδάφους αποτελείται από τρεις συνιστώσες (σχήμα 3): Άμεση ακτινοβολία (direct radiation) G b : η ακτινοβολία η οποία προέρχεται απευθείας από τον ηλιακό δίσκο. Διάχυτη ακτινοβολία (diffuse radiation) G diff : η ακτινοβολία που προέρχεται από ανακλάσεις στον ουράνιο θόλο. Ανακλώμενη ακτινοβολία (albedo radiation) G r : η ακτινοβολία που προέρχεται από ανακλάσεις του εδάφους 20

21 Σχήμα 3 Συνιστώσες τις ολικής ηλιακής ακτινοβολίας T G που δέχεται ένα σώμα στην επιφάνεια του εδάφους 2.6 Υπολογισμός ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο Η θέση του ήλιου σε σχέση με ένα κεκλιμένο επίπεδο μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας διάφορες γωνίες (σχήμα 4). Η γωνία πρόπτωσης, θ i, της άμεσης ακτινοβολίας στην επιφάνεια είναι η γωνία μεταξύ του διανύσματος της θέσης του ήλιου και ης επιφάνειας. Αυτή η γωνία μπορεί να υπολογισθεί από την παρακάτω σχέση: όπου β είναι η γωνία που σχηματίζει η επιφάνεια με το οριζόντιο επίπεδο, γ p είναι η αζιμούθια γωνία του επιπέδου, γ s είναι η αζιμούθια γωνία του ήλιου ορισμένη από το νότο και θ H είναι η γωνία που σχηματίζει ο ήλιος με το οριζόντιο επίπεδο (σχήμα 4). (4) Σχήμα 4 Επίπεδες επιφάνειες με κλίση β, αζιμούθια γωνία γ p και γωνία πρόσπτωσης θ i 21

22 Η ηλιακή ακτινοβολία G T που δέχεται ένα κεκλιμένο επίπεδο στην επιφάνεια του εδάφους όπως αναφέρθηκε και παραπάνω αποτελείται από τρεις συνιστώσες. Η άμεση ακτινοβολία που δέχεται ένα επίπεδο εξαρτάται από τη γωνία πρόπτωσης των ηλιακών ακτίνων ενώ διάχυτη και ανακλώμενη ακτινοβολία που δέχεται το επίπεδο δεν εξαρτάται από τον προσανατολισμό του επίπεδου ως προς τον ήλιο παρά μόνο από το τμήμα του ουρανού που βλέπει το επίπεδο. Για αυτό το λόγο είναι απαραίτητος ο υπολογισμός διορθωτικών συντελεστών για κάθε μία συνιστώσα ξεχωριστά. Ο διορθωτικός παράγοντας για την άμεση ακτινοβολία R b είναι ο λόγος της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο κεκλιμένο επίπεδο G b,t προς αυτή στο οριζόντιο επίπεδο G b και υπολογίζεται από τη σχέση: όπου θζ είναι η ζενίθια γωνία του ήλιου και θ s είναι η γωνία που σχηματίζουν οι ακτίνες του ήλιου με το κάθετο στην επιφάνεια διάνυσμα. Ο υπολογισμός της συνιστώσας για τη διάχυτη ακτινοβολία βασίζεται στην υπόθεση ότι η διάχυτη μεταδίδεται ομοιόμορφα από τον ουράνιο θόλο. Βάσει της παραπάνω υπόθεσης ο διορθωτικός συντελεστής για τη διάχυτη ακτινοβολία R d είναι ο λόγος της διάχυτης ακτινοβολίας που προσπίπτει στο κεκλιμένο επίπεδο G d,t προς αυτήν στο οριζόντιο G d. Για ένα κεκλιμένο επίπεδο με κλίση β, στην επιφάνεια της Γης, ο διορθωτικός συντελεστής είναι: (5) Ο διορθωτικός παράγοντας για την ανακλώμενη ακτινοβολία R r είναι ο λόγος της ανακλώμενης ακτινοβολίας που προσπίπτει στο κεκλιμένο επίπεδο G r,t προς αυτή στο οριζόντιο G r. Η ανακλώμενη ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο είναι το γινόμενο του συντελεστή ανάκλασης ρ του εδάφους της περιοχής επί την ολική ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο επίπεδο G. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση έτσι και εδώ βασική προϋπόθεση για το υπολογισμό του συντελεστή είναι ότι η ανακλώμενη μεταδίδεται ισότροπα. Τότε ο διορθωτικός συντελεστής για ένα κεκλιμένο επίπεδο με κλίση β θα είναι: (6) (7) Έπειτα από τα παραπάνω η ολική ακτινοβολία στο κεκλιμένο επίπεδο Ι Τ είναι: (8) Αν ληφθούν υπ όψη οι εξισώσεις (5), (6) και (7) τότε η εξίσωση (8) γράφεται: (9) 22

23 Η παραπάνω εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα κεκλιμένο επίπεδο με κλίση β με την προϋπόθεση ότι οι γωνίες θ z και θ s αντιστοιχούν στο μέσο της αναφερόμενης ώρας. 23

24 Κεφάλαιο 3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 Γενικά Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούν τα κύρια συστατικά των φωτοβολταϊκών πλαισίων (PV modules) μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Τα στοιχεία αυτά, είναι δίοδοι ημιαγωγών σε μορφή συνήθως δίσκου, οι οποίες όταν δεχθούν στην επιφάνειά τους ηλιακή ακτινοβολία, εμφανίζουν μία διαφορά δυναμικού. Η παραγόμενη τάση κυμαίνεται από 0.5 V έως 1V, ενώ η πυκνότητα ρεύματος είναι μεταξύ 20 και 40 ma/cm 2 ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους και την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. 3.2 Ιστορία των Φωτοβολταϊκών Στοιχείων Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών στοιχείων αναπτύχθηκε σε μεγάλο βαθμό μετά τα μέσα του εικοστού αιώνα, παρόλο που το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είχε παρατηρηθεί από τον Edmond Becquerel το Η πρώτη αναφορά για το φωτοβολταϊκό φαινόμενο δημοσιεύτηκε το 1877 από δύο ερευνητές του πανεπιστημίου του Cambridge τους Adams και Days, ενώ το 1883 κατασκευάστηκε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο από selenium παρόμοιο με τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου με απόδοση μικρότερη από 1%. Αργότερα, οι Chapin, Fuller και Pearson το 1954 κατασκεύασαν το πρώτο ηλιακό στοιχείο επαφής p-n με απόδοση 6%. Το 1956 διατέθηκαν στην αγορά τα πρώτα εμπορικά φωτοβολταϊκά πλαίσια με κόστος 1000$/Wp, κατασκευασμένα από κρυσταλλικό πυρίτιο και με απόδοση μεταξύ 5-10%. Σήμερα η απόδοση των κρυσταλλικών φωτοβολταϊκών στοιχείων έχει αγγίξει το 25% για διαστημικές εφαρμογές ενώ εκείνων που προορίζονται για επίγειες βιομηχανικές και οικιακές χρήσεις δεν ξεπερνά το 16%. 3.3 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως κατασκευάζονται από ημιαγωγά υλικά, τα οποία μπορεί να είναι μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλκά ή ακόμα και άμορφα. Ανεξάρτητα από την κρυσταλλική τους δομή, όλα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία εμπεριέχουν μία δίοδο ημιαγωγού που εκτείνεται σε όλο το πλάτος του στοιχείου. Συνήθως η δίοδος αυτή δημιουργείται από την επαφή ενός στρώματος τύπου-n με ένα στρώμα τύπου-p ή ακόμα από την επαφή μεταξύ ενός ημιαγωγού και ενός κατάλληλα επιλεγμένου μετάλλου (δίοδος Schottky). Η λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων βασίζεται στη δημιουργία ηλεκτροστατικού φράγματος δυναμικού στο υλικό που δέχεται την ακτινοβολία. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει την δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ζεύγος φορέων (ενός ηλεκτρονίου στη ζώνη 24

25 αγωγιμότητας και μιας οπής στη ζώνη σθένους). Από τα παραγόμενα ζεύγη φορέων, εκείνα που θα βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n δέχονται τη δύναμη του ηλεκτροστατικού πεδίου της διόδου με σκοπό την μείωση της δυναμικής τους ενέργειας. Αυτό έχει ως συνέπεια τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων προς την επαφή τύπου-n και των οπών προς την επαφή τύπου-p, δημιουργώντας μία διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες της διόδου (σχήμα 5). Η παραπάνω διάταξη συμπεριφέρεται ως ορθά πολωμένη δίοδος και ως πηγή ηλεκτρικού ρεύματος για όσο διάστημα δέχεται την ακτινοβολία. Η διαδικασία της δημιουργίας διαφοράς δυναμικού στις όψεις ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Σχήμα 5 Μηχανισμός φωτοβολταϊκού φαινομένου 3.4 Φωτορεύμα Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού στοιχείου προκαλεί την διέγερσή του με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Ωστόσο, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν μετατρέπουν όλη την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Ένα μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται από την επιφάνεια του φωτοβολταϊκού και διαχέεται προς το περιβάλλον, ενώ από το υπόλοιπο μέρος απορροφώνται ορισμένα μήκη κύματος. Τα φωτόνια που η ενέργειά τους είναι μικρότερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού χάνονται με την μορφή θερμικών απωλειών από την πίσω όψη του στοιχείου, ενώ τα φωτόνια των οποίων η ενέργεια είναι μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού απορροφώνται από το υλικό παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Το ρεύμα αυτό Iϕ ονομάζεται φωτορεύμα του στοιχείου και δίνεται από τη σχέση: όπου S(λ) η φασματική απόκριση του στοιχείου, R(λ) ο δείκτης ανάκλασης για το κάθε μήκος κύματος, Φ(λ) η φωτονική ροή και e το φορτίο του ηλεκτρονίου. (10) 25

26 3.5 Μοντέλα φωτοβολταϊκών στοιχείων Το πιο γνωστό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση του τρόπου λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, είναι το μοντέλο που περιέχει μία δίοδο και απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 6 Μοντέλο φωτοβολταϊκού στοιχείου Το σημαντικότερο στοιχείο του παραπάνω κυκλώματος είναι η ιδανική πηγή ρεύματος έντασης, της οποίας το φωτορεύμα ph I είναι ανάλογο της ηλιακής ακτινοβολίας. Το ρεύμα της διόδου d I δίνεται από τη σχέση: όπου I 0 είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου, V d είναι η τάση στα άκρα της διόδου, m είναι ο συντελεστής ιδανικότητας της διόδου, Κ είναι η σταθερά του Boltzmann, Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία και e το φορτίο του ηλεκτρονίου. Η παράλληλη αντίσταση R p εκφράζει τις απώλειες του φωτοβολταϊκού στοιχείου, ενώ η σε σειρά αντίσταση R s εκφράζει τις πρόσθετες απώλειες του φωτοβολταϊκού στοιχείου όταν σε αυτό συνδεθεί κάποιο φορτίο. Αναλύοντας το παραπάνω κύκλωμα που αντιπροσωπεύει τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού στοιχείου εξάγεται η εξίσωση: Στη συνέχεια εφαρμόζοντας το νόμο των τάσεων Kirchoff και αντικαθιστώντας το ρεύμα της διόδου I d από τη σχέση (11), προκύπτει η εξίσωση που δίνει το ρεύμα I που διαρρέει το στοιχείο: (11) (12) (13) 26

27 Κάνοντας τις εξής παραδοχές: Η επίδραση της R p είναι αμελητέα To I ph είναι ίσο με το ρεύμα βραχυκύκλωσης και Τελικά το ρεύμα που διαρρέει το στοιχείο δίνεται από τον τύπο: όπου (14) Στο σχήμα 7 φαίνεται η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης (I V) τους στοιχείου. Όπως φαίνεται από το σχήμα, το ρεύμα για το οποίο έχουμε V=0 ονομάζεται ρεύμα βραχυκύκλωσης (I sc ), ενώ η τάση για την οποία ισχύει I=0 ονομάζεται τάση ανοιχτού κυκλώματος (V oc ) Σχήμα 7 Χαρακτηριστική καμπύλη I V και I P του φωτοβολταϊκού στοιχείου 3.6 Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων Στην χαρακτηριστική καμπύλη I V υπάρχει ένα σημείο (V m, I m ) στο οποίο η ισχύς λαμβάνει τη μέγιστη τιμή της (σχήμα 7). Το σημείο αυτό ονομάζεται μέγιστο σημείο ισχύς (maximum power point, MPP). Η μέγιστη ισχύ των φωτοβολταϊκών στοιχείων δίνεται από τη σχέση: (15) 27

28 Η μέγιστη ισχύς P m =I m V m δίνεται από τους κατασκευαστές μετρημένη υπό ειδικές σταθερές συνθήκες (Standard Test Condition, STC), οι οποίες αντιστοιχούν σε ακτινοβολία 1000 W/m2, τιμή αέριας μάζας ΑΜ=1.5 και θερμοκρασία 25 oc. Ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι ο παράγοντας πλήρωσης FF (fill factor). Ο παράγοντας αυτός δίνεται από το λόγο των εμβαδών του μέγιστου ορθογωνίου που μπορεί να εγγραφεί στην χαρακτηριστική καμπύλη I V, προς το εμβαδό του ορθογωνίου που ορίζεται από τις τιμές V oc και I sc (σχήμα 7). Η αριθμητική του τιμή υπολογίζεται από το πηλίκο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύς P m προς το γινόμενο του ρεύματος βραχυκύκλωσης I sc και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V oc και δίνεται από τη σχέση: Τέλος, η πιο βασική παράμετρος για την αξιολόγηση της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι η ενεργειακή τους απόδοση n. Η απόδοση n εξαρτάται από το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc, την τάση ανοιχτού κυκλώματος V oc και το συντελεστή πλήρωσης FF και ισούται με το λόγο της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος του φωτοβολταϊκού στοιχείου, προς την προσπίπτουσα ακτινοβολία ανά μονάδα επιφανείας. Τότε ο συντελεστής απόδοσης υπολογίζεται από τη σχέση: (16) όπου G η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω στην επιφάνεια A του φωτοβολταϊκού στοιχείου. 3.7 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση Ο συντελεστής απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων δεν είναι σταθερός αλλά επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες. Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες είναι η σύσταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Ειδικότερα, δύο δέσμες ακτινοβολίας ίδιας ισχύος αλλά διαφορετικού μήκους κύματος οδηγούν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο σε διαφορετική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η διαφορά οφείλεται κυρίως στην καταλληλότητα των φωτονίων σε σχέση με το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την απόδοση είναι η θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Όπως φαίνεται από τη σχέση (17) η τάση ανοιχτού κυκλώματος εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους του ημιαγωγού, όπως το ενεργειακό διάκενο και η συγκέντρωση των φορέων. Αύξηση της θερμοκρασίας επιφέρει αντίστοιχη αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων με αποτέλεσμα να πραγματοποιούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων, οι οποίες οδηγούν σε μείωση της απόδοσης μετατροπής. (17) 28

29 Σχήμα 8 Μεταβολή της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων συναρτήσει της θερμοκρασίας 3.8 Βασικοί τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ΦΒ μπορούν να κατασκευαστούν με πολλούς τρόπους, αλλά και με διάφορα υλικά. Ανάλογα με την τεχνολογία κατασκευής τους, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μπορούν να διακριθούν σε δύο διαφορετικές ομάδες. Η πρώτη ομάδα, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως σε οικιακές χρήσεις, χρησιμοποιεί την τεχνολογία thick film ενώ η δεύτερη ομάδα χρησιμοποιεί την τεχνολογία thin film. Το υλικό που χρησιμοποιείται κατά κόρον σήμερα για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων στη βιομηχανία είναι το πυρίτιο (Si). Φωτοβολταϊκά στοιχεία όμως κατασκευάζονται από συνδυασμό άλλων υλικών, όπως θειούχος κάδμιο (CdS), αρσενιούχο γάλλιο (GaAs), τελουριούχο κάδμιο (CdTe) και χαλκούινδίου-σεληνίου (CuInSe2), χαλκού-γάλλιου-δισεληνίου (CuGaSe2), χαλκού-ινδίουθείου (CuInS2) κ.α.. Παρακάτω παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων. 1. Μονοκρυσταλλικού πυριτίου ( Single-Crystalline Silicon, Sc-Si) Το βασικό υλικό κατασκευής των φωτοβολταϊκών αυτών είναι το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Το πάχος των υλικών αυτών είναι σχετικά μεγάλο, περίπου 300μm. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών μονοκρυσταλλικού πυριτίου με τη μορφή πλαισίων κυμαίνεται από 13-18% και χαρακτηρίζονται από το υψηλό κόστος κατασκευής. 2. Πολυκρυσταλλικού πυριτίου ( Multi-crystalline Silicon, mc-si) Η κατασκευή φωτοβολταϊκών πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι πιο γρήγορη και έχει μικρότερο κόστος σε σχέση με αυτή των φωτοβολταϊκών μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Τα στοιχεία αυτά κόβονται σε τετραγωνική μορφή και αποτελούνται από λεπτά στρώματα πάχους 10 έως 50 μm. Γενικά όσο μεγαλύτερες είναι οι διαστάσεις των μονοκρυσταλλικών περιοχών του πολυκρυσταλλικού φ/β τόσο υψηλότερη απόδοση παρουσιάζει. Τα φωτοβολταϊκά αυτού του είδους έχουν αποδόσεις από 10 έως 14% υπό την μορφή πλαισίου. 3. Ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Τα ΦΒ ταινίας πυριτίου είναι κατασκευασμένα από ταινία τηγμένου κρυσταλλικού πυριτίου. Το πάχος τους είναι 29

30 περίπου 3mm και η απόδοση αγγίζει το 13%. Παρόλο που η κατασκευή αυτών των στοιχείων προσφέρει μείωση 50% στη χρήση του πυριτίου, το κόστος κατασκευής είναι πολύ υψηλό. 4. Άμορφου πυριτίου (Amorphous Silicon, a-si) Τα φωτοβολταϊκά αυτού είδους έχουν χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τα προηγούμενα είδη. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων πάχους συνήθως 10-4mm οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση πυριτίου πάνω σε ένα υπόστρωμα από γυαλί ή αλουμίνιο πάχους 1-3 mm. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών άμορφου πυριτίου κυμαίνεται από 6-8% ενώ σε εργαστηριακό περιβάλλον έχουν επιτευχθεί μεγαλύτερες αποδόσεις που αγγίζουν το 15%. 5. Φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτών επιστρώσεων (Thin Film Photovoltaic) Στην κατηγορία αυτή εκτός από τα ΦΒ στοιχεία πυριτίου λεπτής επίστρωσης, ανήκουν και ΦΒ στοιχεία κατασκευασμένα από άλλα υλικά. Τα σημαντικότερα υλικά κατασκευής των ΦΒ αυτών είναι η ένωση Cu2S/CdS, ο 2ισεληνοινδιούχος Χαλκός (CuInSe2 ή CIS), το Τελουριούχο Κάδμιο (CdTe) και το Αρσενικό Γάλλιο (GaAs). Η απόδοση των παραπάνω στοιχείων κυμαίνεται από 10 έως 25 % και παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με το πυρίτιο. 3.9 Φωτοβολταϊκά πλαίσια Το μοντέλο του φωτοβολταϊκού πλαισίου (PV modules) είναι παρόμοιο με το μοντέλο ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, μόνο που οι παράμετροι του είναι προσαρμοσμένοι στο πλήθος των φωτοβολταϊκών στοιχείων από τα οποία αποτελείται. Πιο συγκεκριμένα αυτό που καθορίζει τις παραμέτρους της φωτοβολταϊκής γεννήτριας, είναι το πλήθος των παραλλήλων και εν σειρά φωτοβολταϊκών στοιχείων. Αν υποθέσουμε ότι έχουμε ένα πλαίσιο με M s ομάδες στοιχείων σε σειρά και M p ομάδες στοιχείων σε παράλληλη διάταξη, τότε θα ισχύουν οι σχέσεις: I M = IM p V M =VM s I sc,m = I sc M p και V oc,m =V oc M s όπου I M είναι το ρεύμα του πλαισίου, V M είναι η τάση του πλαισίου, I sc,m είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης του πλαισίου και V oc,m είναι η τάση ανοιχτού κυκλώματος του πλαισίου. Από τις παραπάνω σχέσεις και την εξίσωση (14) έχουμε τελικά για το ρεύμα του πλαισίου: όπου (18) Η μορφή της χαρακτηριστικής καμπύλης του πλαισίου δε διαφέρει από το σχήμα 8. Όπως και στην περίπτωση του φωτοβολταϊκού στοιχείου, υπάρχει ένα σημείο (V M,m I M,m ) για το οποίο έχουμε μέγιστη ισχύ. Η μέγιστη ισχύς για ένα πλαίσιο που αποτελείται από M s αριθμό στοιχείων εν σειρά και M p αριθμό στοιχείων σε παράλληλη διάταξη δίνεται από τη σχέση : (19) 30

31 Ένα άλλο χαρακτηριστικό των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι η θερμοκρασία ονομαστικής λειτουργίας (nomimal cell operating temperature, NOCT). H NOCT εκφράζει τη θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών στοιχείων υπό τις εξής συνθήκες: Ακτινοβολία 800 W/m 2, AM 1.5, Θερμοκρασία περιβάλλοντος Ta =20 o C Ταχύτητα ανέμου U =1m/s Η παράμετρος NOCT παίρνει τιμές από 42 o C έως 46 o C και χρησιμοποιείται για να καθοριστεί η θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της βασικής μονάδας Εγκατάσταση φωτοβολταϊκών πλαισίων σε κτίριο H ενσωμάτωση των φβ πλαισίων στην οροφή ή στην πρόσοψη ενός κτιρίου μπορεί να πραγματοποιηθεί με πολλούς τρόπους. Στις λύσεις που έχουν υιοθετηθεί κατά καιρούς περιλαμβάνεται και η χρήση φβ στοιχείων στη θέση άλλων δομικών στοιχείων στο κέλυφος του κτιρίου ή στα σκίαστρα. Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τρόποι για την τοποθέτηση των φβ πλαισίων σε ένα κτίριο: Τοποθέτηση σε κεκλιμένα στηρίγματα: H τοποθέτηση αυτή προσφέρει εύκολη πρόσβαση τόσο στο εμπρός όσο και στο πίσω μέρος των φβ πλαισίων, όταν χρειάζεται να γίνει συντήρηση ενώ βοηθά στον καλό αερισμό και στο δροσισμό των φωτοβολταϊκών πλαισίων, αυξάνοντας έτσι την απόδοσή τους. Εντούτοις, το κόστος είναι σχετικά υψηλό, γιατί απαιτείται η χρήση πρόσθετων υλικών και επιπλέον εργασία. Τοποθέτηση στο εξωτερικό του κτιρίου: Σε αυτή την περίπτωση τα φωτοβολταϊκά πλαίσια προσαρμόζονται στο εξωτερικό κέλυφος του κτιρίου το οποίο εξέχει από την οροφή ή την πρόσοψη. Ο τρόπος αυτός προσφέρει καλό αερισμό των πλαισίων Απευθείας τοποθέτηση: Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία σε αυτή την περίπτωση τοποθετούνται στην εξωτερική οροφή του κτιρίου σε διάταξη όπως τα κεραμίδια. Το φωτοβολταϊκό κάλυμμα προστατεύει το κτίριο, αλλά δεν είναι πλήρως στεγανό και απαιτούνται μέτρα για τη στεγανοποίησή του. Το κόστος όμως αυτής της μεθόδου είναι σχετικά χαμηλό, γιατί απαιτεί ελάχιστα πρόσθετα υλικά. Ενσωμάτωση των φβ πλαισίων στο κέλυφος του κτιρίου: Η μέθοδος αυτή συνίσταται στην υποκατάσταση ολόκληρων τμημάτων του κτιρίου από φωτοβολταϊκά πλαίσια. H εφαρμογή αυτής της τεχνικής παρέχει δυνατότητες για σημαντική μείωση του κόστους, καθώς εξοικονομείται το κόστος των δομικών στοιχείων του κτιρίου τα οποία αντικαθίστανται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. 31

32 3.11 Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών συστημάτων Τα φωτοβολταϊκά συστήματα παρουσιάζουν τόσο πλεονεκτήματα όσο και μειονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες ισχύος. Τα ΦΒ συστήματα είναι δυνατόν να σχεδιαστούν για ποικίλες εφαρμογές και για διάφορες λειτουργικές απαιτήσεις ενώ έχουν το σημαντικό πλεονέκτημα ότι δεν έχουν κανένα κινούμενο μέρος και είναι εύκολα επεκτάσιμα. Παράλληλα χαρακτηρίζονται από την περιβαλλοντική τους συμβατότητα και την ενεργειακή τους ανεξαρτησία καθώς η λειτουργία τους στηρίζεται στο φυσικό φως και δεν δημιουργούν κανένα θόρυβο. Από την άλλη πλευρά, το κόστος των ΦΒ πλαισίων είναι πολύ υψηλό σε σύγκριση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Αυτός είναι ένας σημαντικός περιοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη της συγκεκριμένης τεχνολογίας, ωστόσο μελέτες δείχνουν ότι τα επόμενα χρόνια το κόστος θα μειωθεί σε μεγάλο βαθμό. Τέλος ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα των ΦΒ πλαισίων είναι η χαμηλή απόδοση μετατροπής του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Η χαμηλή απόδοση μετατροπής δεν οδηγεί μόνο σε χαμηλότερες ενεργειακές απολαβές αλλά συνδέεται άμεσα με την ανάγκη εγκατάστασης μεγαλύτερης ποσότητας ΦΒ πλαισίων για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών γεγονός που οδηγεί στην αύξηση της απαιτούμενης επιφάνειας εγκατάστασης. 32

33 ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΝΕΡΟΥ 4.1 Εισαγωγή Κεφάλαιο 4 Τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού μπορούν να παρέχουν ένα μεγάλο μέρος σε ποσότητα ζεστού νερού για οικιακή χρήση με παράλληλη εξοικονόμηση ενέργειας. Η ποσότητα και η θερμοκρασία του ζεστού νερού που παρέχουν τα συστήματα αυτά, εξαρτάται από το είδος και το μέγεθος του συστήματος, την τοποθεσία εγκατάστασης και τις κλιματολογικές συνθήκες της περιοχής. Τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια για την άμεση ή έμμεση θέρμανση νερού με χρήση ηλιακών συλλεκτών και την αποθήκευσή του σε θερμομονωτικά δοχεία. 4.2 Είδη ηλιακών συστημάτων θέρμανσης νερού Τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: (α) σε συστήματα φυσικής κυκλοφορίας και (β) σε συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας. Στα συστήματα φυσικής κυκλοφορίας, η κυκλοφορία του ρευστού απολαβής θερμότητας πραγματοποιείται με φυσικά κυκλοφορία χωρίς να απαιτείται εξωτερική παρέμβαση, ενώ στα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας για την κυκλοφορία του νερού χρησιμοποιούνται ηλεκτρικές αντλίες, βαλβίδες και συστήματα ελέγχου. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα θερμοσιφωνικά συστήματα (Thermosiphon systems) και οι ηλιακές συσκευές ολοκληρωμένου συλλέκτη (Integrated Collector Storage, ICS) ενώ στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα ηλιακά θερμικά συστήματα με κύκλωμα διαφορικού ελέγχου (Differential controller operated pump systems). Στα συστήματα αυτά, οι συλλέκτες που έχουν τοποθετηθεί στην σκεπή ή την ταράτσα του κτιρίου συνδέονται με δεξαμενές νερού που βρίσκονται εντός του κτιρίου ενώ ένας διαφορικός θερμοστάτης φροντίζει για την έναρξη ή την διακοπή της κυκλοφορίας ανάλογα με τη διαφορά θερμοκρασίας του νερού μεταξύ των συλλεκτών και της δεξαμενής. Τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού μπορούν να ταξινομηθούν σε ανοιχτού κυκλώματος (Open Loop-Direct systems) ή σε κλειστού κυκλώματος (Closed Loop-Indirect systems) ανάλογα τον τρόπο θέρμανσης του νερού. Τα συστήματα ανοιχτού κυκλώματος αποτελούνται από ένα κύκλωμα μέσα στο οποίο κυκλοφορεί νερό, το οποίο θερμαίνεται απευθείας από τον ηλιακό συλλέκτη καθώς βρίσκεται σε άμεση επαφή με αυτόν όπου στη συνέχεια αποθηκεύεται σε μια δεξαμενή. Αντίθετα, στα συστήματα κλειστού κυκλώματος το νερό θερμαίνεται με αγωγιμότητα μέσω εναλλακτών θερμότητας από ένα ρευστό (συνήθως μίγμα νερού και αντιψυκτικού) το οποίο κυκλοφορεί σε χωριστό κύκλωμα στη δεξαμενή αποθήκευσης του νερού χρήσης (εξωτερικό μανδύα ή σερπαντίνα). Τα κυριότερα συστήματα ανοιχτού κυκλώματος είναι οι ηλιακές συσκευές ολοκληρωμένου 33

34 συλλέκτη, ενώ τα θερμοσιφωνικά συστήματα είναι κλειστού κυκλώματος. Τα διαφορικά συστήματα μπορούν να είναι είτε ανοιχτού είτε κλειστού τύπου. Παρακάτω περιγράφονται τα βασικότερα είδη ηλιακών θερμικών συστημάτων. Θερμοσιφωνικό σύστημα: Τα θερμοσιφωνικά συστήματα (Thermosiphon systems) είναι τα πιο διαδεδομένα θερμικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού και αποτελούνται από έναν επίπεδο ηλιακό συλλέκτη μέσα στον οποίο κυκλοφορεί το ρευστό και απολαβής θερμότητας και μια δεξαμενή αποθήκευσης θερμικά μονωμένη (εικόνα 1). Η είσοδος του ρευστού απολαβής θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας γίνεται από το κάτω μέρος του της δεξαμενής και η έξοδός του από τον συλλέκτη οδηγείται στο επάνω μέρος της δεξαμενής. Το κύκλωμα αυτό είναι ανεξάρτητο και δεν έρχεται σε επαφή με το νερό χρήσης το οποίο εισάγεται από το δίκτυο ύδρευσης στο κάτω μέρος της δεξαμενής και αφού θερμανθεί εξάγεται από το πάνω μέρος. Η κυκλοφορία του ρευστού μέσα στο συλλέκτη και η μεταφορά θερμότητας επιτυγχάνεται με τη φυσικά κυκλοφορία που δημιουργείται όταν ο ηλιακός συλλέκτης και το ρευστό το οποίο περιέχει θερμανθούν με την ηλιακή ακτινοβολία. Το θερμό νερό στον σωλήνα εξόδου είναι ελαφρότερο από το κρύο νερό στον σωλήνα εισόδου κάτι που δημιουργεί μια συνεχή ροή λόγω διαφοράς πυκνότητας στα δύο τμήματα. Για αυτό το λόγο στα θερμοσιφωνικά συστήματα η δεξαμενή αποθήκευσης τοποθετείται σε υψηλότερο σημείο από τον ηλιακό συλλέκτη. Επίσης σε ορισμένες μέσα στο δοχείο αποθήκευσης υπάρχει ηλεκτρική αντίσταση για θέρμανση του νερού χρήσης στην περίπτωση που δεν επαρκεί η ηλιακή ενέργεια. Ολοκληρωμένη ηλιακή συσκευή ICS: Σε μια ολοκληρωμένη ηλιακή συσκευή (Integrated Collector Storage), ο ηλιακός συλλέκτης αποτελεί ταυτόχρονα και το δοχείο αποθήκευσης του νερού. Το δοχείο αποθήκευσης είναι συνήθως κυλινδρικό για να αντέχει την πίεση του δικτύου ύδρευσης ενώ η εξωτερική του επιφάνεια βάφεται με μαύρο χρώμα ή επιστρώνεται με ειδική επιλεκτική επιφάνεια για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Σε πολλές περιπτώσεις, τοποθετούνται περισσότερα από ένα δοχεία σε σειρά με την έξοδο του καθενός να συνδέεται με την είσοδο του επόμενου αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο την συνολική απόδοση της συσκευής. Στις συσκευές αυτές, επειδή το δοχείο αποθήκευσης είναι ταυτόχρονα και η απορροφητική επιφάνεια παρουσιάζουν σημαντικές θερμικές απώλειες. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται σε πολλές περιπτώσεις διάφανα θερμομονωτικά υλικά, διπλά διάφανα καλύμματα ή και ακόμα χρήση κενού μεταξύ του απορροφητή και του γυάλινου καλύμματος. 34

35 Εικόνα 1 Ολοκληρωμένη ηλιακή συσκευή ICS (α) και θερμοσιφωνικό σύστημα (β) Ηλιακά θερμικά συστήματα διαφορικού ελέγχου: Τα ηλιακά θερμικά συστήματα διαφορικού ελέγχου (Differential controller operated pump systems) αποτελούνται από τους συλλέκτες, μία ή δύο θερμικές δεξαμενές αποθήκευσης και ένα δίκτυο διανομής του ρευστού με κυκλοφορητή. Τα συστήματα αυτά έχουν ένα διαφορικό σύστημα ελέγχου το οποίο καταγράφει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ρευστού του συλλέκτη και του νερού στην δεξαμενή αποθήκευσης. Όταν η θερμοκρασία του ρευστού του συλλέκτη είναι υψηλότερη από αυτή του νερού στην δεξαμενή, ο κυκλοφορητής τίθεται σε λειτουργία με σκοπό να κυκλοφορήσει το ρευστό έως η διαφορά θερμοκρασίας να γίνει πολύ μικρή. Επιπλέον το διαφορικό σύστημα ελέγχου διακόπτει την λειτουργία της κυκλοφορίας σε περίπτωση που δεν υπάρχει δυνατότητα κέρδους ενέργειας από τον ήλιο, ενώ σε συνθήκες χαμηλών θερμοκρασιών, εκκινεί μια βάνα, η οποία τροφοδοτεί τους συλλέκτες με ζεστό νερό από τη δεξαμενή αποθήκευσης. Επίσης σε αυτά τα συστήματα επειδή η κυκλοφορία δεν γίνεται με φυσική κυκλοφορία, η σχετική θέση δεξαμενής-συλλεκτών δεν έχει σημασία από λειτουργικής πλευράς. 35

36 Εικόνα 2 Θερμικά Ηλιακά συστήματα διαφορικού ελέγχου 4.3 Κατηγορίες ηλιακών συλλεκτών Οι ηλιακοί συλλέκτες αποτελούν το σημαντικότερο τμήμα ενός ηλιακού συστήματος θέρμανσης νερού. Υπάρχουν πολλά είδη ηλιακών συλλεκτών ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους και την χρήση για την οποία προορίζονται. Οι ηλιακοί συλλέκτες χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: i. Συλλέκτες υγρού: Οι ηλιακοί συλλέκτες της κατηγορίας αυτής, χρησιμοποιούν ως μέσο απολαβής της θερμότητας υγρό στοιχείο (συνήθως νερό) και χρησιμοποιούνται κυρίως για θέρμανση νερού σε σπίτια και σε πισίνες. ii. Συλλέκτες αέρα: Οι ηλιακοί συλλέκτες αέρα χρησιμοποιούνται στις περισσότερες εφαρμογές για θέρμανση εσωτερικών χώρων. Αντίστοιχα με του συλλέκτες υγρού τύπου οι συλλέκτες αυτοί χρησιμοποιούν ως μέσο απολαβής θερμότητας τον αέρα. Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες (Flat plate solar collectors) Ο επίπεδος ηλιακός συλλέκτης αποτελεί το πιο διαδεδομένο είδος ηλιακού συλλέκτη. Ο επίπεδος ηλιακός συλλέκτης αποτελείται από ένα μεταλλικό περίβλημα με διαφανές κάλυμμα μέσα στο οποίο βρίσκεται μία φωτοαπορροφητική πλάκα για την απορρόφηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Στους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες υγρού τύπου (εικόνα 3β) υπάρχει ένα δίκτυο σωλήνων σε επαφή με την απορροφητική επιφάνεια. Η λειτουργία του στηρίζεται στη μετάδοση θερμότητας από την απορροφητική πλάκα στους σωλήνες και στη συνέχεια στο υγρό με αποτέλεσμα την ανύψωση της θερμοκρασίας του. Στους επίπεδους συλλέκτες αέρα (εικόνα 3α) πίσω από την απορροφητική πλάκα υπάρχει ένας αγωγός μέσα στον οποίο ρέει με φυσική μεταφορά το ρευστό. Οι συλλέκτες αέρα σε σύγκριση με τους συλλέκτες υγρού τύπου παρουσιάζουν χαμηλότερη απόδοση λόγω του μικρότερου ποσού θερμότητας που μεταφέρεται από την πλάκα στον αέρα ενώ παρουσιάζουν το πλεονέκτημα ότι είναι απλούστεροι στην κατασκευής τους. 36

37 Εικόνα 3 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες: (α) αέρα και (β) υγρού τύπου Συλλέκτες σωλήνων κενού (Evacuated tube collectors) Οι συλλέκτες αυτοί αποτελούνται από ένα σύστημα με αρθρωτούς σωλήνες, στο κέντρο των οποίων βρίσκεται απορροφητική επιφάνεια σε θερμική επαφή με λεπτό μεταλλικό αγωγό (εικόνα 4). Μέσα στους σωλήνες έχει δημιουργηθεί κενό αέρος μειώνοντας σε μεγάλο βαθμό τις θερμικές απώλειες του συλλέκτη. Σε τέτοιους συλλέκτες ο θερμικός φορέας απαγωγής θερμότητας που δημιουργείται στο στην απορροφητική επιφάνεια είναι είτε νερό είτε ρευστό αλλαγής φάσης όπως αλκοόλη. Στην ίδια κατηγορία εντάσσονται οι συλλέκτες σωλήνων κενού με χρήση ανακλαστήρων για τη συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και οι συλλέκτες κενού διπλών εξωτερικών σωλήνων για καλύτερη θερμική προστασία. Εικόνα 4 Συλλέκτης σωλήνων κενού 37

38 Συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες (Concentrating solar collectors) Οι συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με αυτές που επιτυγχάνονται με τους συνήθεις επίπεδους συλλέκτες. Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες ταξινομούνται ανάλογα με το λόγο συγκέντρωσης που επιτυγχάνεται, το είδος των ανακλαστήρων που χρησιμοποιούνται και το είδος εστίασης που επιτυγχάνουν (για παράδειγμα σημειακή ή γραμμική). Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνονται τα σημαντικότερα είδη συγκεντρωτικών ηλιακών συλλεκτών. Σχήμα 9 Διάφοροι τύποι συγκεντρωτικών συλλεκτών και ο αντίστοιχος βαθμός συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας Υβριδικοί φωτοβολταϊκοί/θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες (Photovoltaic/ Thermal Solar Collectors, PV/T solar collectors) Οι υβριδικοί φωτοβολταϊκοί/θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες (εικόνα 5) έχουν την δυνατότητα να παρέχουν τόσο ηλεκτρική όσο και θερμική ενέργεια. Τα υβριδικά φβ/θ συστήματα αποτελούνται από φωτοβολταϊκά πλαίσια πίσω από τα οποία υπάρχει ενσωματωμένη θερμική μονάδα απολαβής θερμότητας όπου κυκλοφορεί το ρευστό. Οι συλλέκτες αυτοί χωρίζονται σε υβριδικούς φβ/θ συλλέκτες νερού και σε υβριδικούς φβ/θ συλλέκτες αέρα, ανάλογα με το ρευστό απολαβής θερμότητας που χρησιμοποιούν. Τα παραπάνω συστήματα εκμεταλλεύονται την θερμότητα που οφείλεται στις απώλειες των φωτοβολταϊκών πλαισίων, λόγω της περιορισμένης μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό, αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο την συνολική απόδοση του συστήματος. 38

39 Εικόνα 5 Υβριδικοί ΦΒ/Θ ηλιακοί συλλέκτες νερού και αέρα αντίστοιχα 4.4 Μοντέλα θερμικών ηλιακών συλλεκτών Η απόδοση του ηλιακού συλλέκτη εξαρτάται από μια σειρά τεχνικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών για τη σωστή μοντελοποίηση της συνολικής λειτουργίας των θερμικών ηλιακών συλλεκτών. Όλα τα μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο που προσεγγίζουν τη λειτουργία του συλλέκτη. Τα μοντέλα αυτά είναι: Μοντέλο σταθερής κατάστασης (steady-state model): Το μοντέλο αυτό, περιγράφει τη στιγμιαία συμπεριφορά ενός συλλέκτη σε συνθήκες σταθερής κατάστασης, δηλαδή σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει σημαντική διακύμανση τόσο στα μετεωρολογικά μεγέθη (ακτινοβολία, θερμοκρασία περιβάλλοντος) όσο και σε κάποια λειτουργικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη ( παροχή και θερμοκρασία εισόδου του ρευστού). Δυναμικά μοντέλα (dynamic models): Τα δυναμικά μοντέλα προσεγγίζουν τη στιγμιαία συμπεριφορά του συλλέκτη, λαμβάνοντας υπόψη τα μεταβατικά φαινόμενα που οφείλονται στις θερμοχωρητικότητες των κατασκευαστικών υλικών ενός θερμικού ηλιακού συστήματος. Στην κατηγορία των δυναμικών μοντέλων υπάγονται και τα μοντέλα quasi τα οποία λαμβάνουν υπόψη ορισμένα από τα θερμοχωρητικά στοιχεία ενός συστήματος. Η βασική διαφορά των δύο μοντέλων έγκειται στις επιπτώσεις της συμπεριφοράς του συλλέκτη από τις μετεωρολογικές κυρίως μεταβολές σε συνθήκες πραγματικής λειτουργίας. Όταν η συνολική θερμοχωρητικότητα των υπο-συστημάτων είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή του συλλέκτη (συνηθέστερη περίπτωση), το μοντέλο σταθερής κατάστασης προσεγγίζει σε μεγάλο βαθμό την λειτουργία του συστήματος. Στην περίπτωση όμως που πρόκειται για συστήματα με θερμοχωρητικότητα συγκρίσιμη με αυτή του συλλέκτη, το δυναμικό μοντέλο κρίνεται ότι είναι πιο αποτελεσματικό. 39

40 4.4.1 Μοντέλο σταθερής κατάστασης (Steady-state model) Η ωφέλιμη ενέργεια από τον ηλιακό συλλέκτη Q u, σύμφωνα με το μοντέλο το σταθερής κατάστασης, εκφράζεται ως συνάρτηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας I T, της μέσης θερμοκρασίας του απορροφητή T p,m και της θερμοκρασίας περιβάλλοντος T a από τη σχέση: όπου A c είναι η επιφάνεια του συλλέκτη, (τα) eff το γινόμενο διαπερατότηταςαπορροφητικότητας και U L ο συντελεστής θερμικών απωλειών. Σύμφωνα με τη παραπάνω σχέση, σε συνθήκες σταθερής κατάστασης, η ωφέλιμη ενέργεια που απορροφάται από το συλλέκτη είναι συνάρτηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας λαμβάνοντας υπόψη τις οπτικές και θερμικές απώλειες του συστήματος. Οι οπτικές απώλειες του συλλέκτη εκφράζονται από το ενεργό γινόμενο διαπερατότητας-απορροφητικότητας (τα) eff ενώ οι θερμικές απώλειες εκφράζονται από τον συντελεστή θερμικών απωλειών U L. Η ωφέλιμη ενέργεια του συλλέκτη μπορεί να εκφραστεί σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας εισόδου T i του ρευστού, οπότε γίνεται: Η ποσότητα F R είναι ισοδύναμη με την απόδοση του εναλλάκτη, που ορίζεται σαν ο λόγος της μεταφοράς θερμότητας προς τη μέγιστη δυνατή μεταφορά θερμότητας. Το μέγιστο ενεργειακό κέρδος για ένα συλλέκτη επιτυγχάνεται όταν η θερμοκρασία του ρευστού εισόδου γίνει ίση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ο συντελεστής F R ορίζεται από τη σχέση: (20) (21) όπου T i και T 0 οι θερμοκρασία εισόδου και εξόδου του ρευστού αντίστοιχα, dm/dt η ολική ροή μάζας ρευστού στη μονάδα του χρόνου και C p η θερμοχωρητικότητα του ρευστού. Η ολική απώλεια ενέργειας ενός συλλέκτη εκφράζονται από το συντελεστή U L και περιλαμβάνει απώλειες τόσο από την πάνω και κάτω επιφάνεια όσο και από τις παράπλευρες επιφάνειες. Τότε ο συντελεστής θερμικών απωλειών δίνεται από τη σχέση: όπου U t, U b, U e οι συντελεστές απωλειών από μπροστά, πίσω και πλάγια αντίστοιχα. Η απόδοση n ενός συλλέκτη ορίζεται σαν ο λόγος της ωφέλιμης συλλεγόμενης ενέργειας Q u ανά μονάδα χρόνου, προς την ολική προσπίπτουσα ακτινοβολία ανά μονάδα χρόνου στην επιφάνεια του συλλέκτη. Έτσι για ένα συλλέκτη με επιφάνεια A c η απόδοση δίνεται από τη σχέση: (22) (23) (24) 40

41 Η σχέση (24) με τη χρήση της εξίσωσης (22) γράφεται: (25) Όπου και Στην παραπάνω σχέση ο συντελεστής Α στην παραπάνω σχέση εκφράζει την μέγιστη απόδοση του συλλέκτη όταν η θερμοκρασία εισόδου του νερού γίνει ίση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, ενώ ο συντελεστής Β εκφράζει της θερμικές απώλειες του συλλέκτη Δυναμικά μοντέλα (Dynamic model) Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, ένα δυναμικό μοντέλο περιγράφει τη στιγμιαία απόδοση ενός συλλέκτη σε μεταβαλλόμενες συνθήκες. Τέτοια μοντέλα λαμβάνουν υπόψη τόσο παράγοντες που σχετίζονται με τη λειτουργία του συλλέκτη όσο και μετεωρολογικούς παράγοντες όπως η διάχυτη ακτινοβολία, η θερμοκρασία του ουρανού, η ταχύτητα του ανέμου και η ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος. Το πιο γνωστό δυναμικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των ηλιακών συλλεκτών βασίζεται στο Ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ Αυτό το δυναμικό μοντέλο αποτελεί μία επέκταση του βασικού μοντέλου σταθερής κατάστασης, στο οποίο έχει ληφθεί υπόψη η επίδραση επιπλέον παραγόντων όπως της θερμοχωρητικότητας, της ταχύτητας του ανέμου, της διάχυτης ακτινοβολίας, της ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος και του συντελεστή γωνίας πρόσπτωσης. Ένα άλλο δυναμικό μοντέλο είναι το λεγόμενο μοντέλο ταιριασμένης ροής (matched flow collector model-mcf) το οποίο δίνει έμφαση στις θερμικές απώλειες και χωρητικότητες τους συστήματος. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, ο απορροφητής παρουσιάζει τοπικές χωρητικότητες οι οποίες είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Στόχος είναι η ακριβής έκφραση των θερμικών απωλειών σε συνθήκες όπου η ροή είναι χαμηλή και η θερμοκρασία παρουσιάζει έντονες διακυμάνσεις. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί το μοντέλο Dyncoll, σύμφωνα με το οποίο ο απορροφητής του συλλέκτη χωρίζεται σε ένα πλήθος κόμβων κατά μήκος της ροής. Το μοντέλο αυτό λαμβάνει υπόψη την κατανομή της θερμοκρασίας στη διεύθυνση της ροής του ρευστού. 4.5 Αποθήκευση θερμότητας σε ηλιακές δεξαμενές Η αποθήκευση θερμότητας γίνεται με τη βοήθεια θερμικών δεξαμενών, οι οποίες χωρίζονται ανάλογα με τη γεωμετρία κατασκευής τους, το θερμικό φορέα που χρησιμοποιείται ως αποθηκευτικό μέσο και τον προσανατολισμό τους. Η θερμική δεξαμενή αποτελεί σημαντικό τμήμα ενός ηλιακού συστήματος θέρμανσης νερού καθώς θα πρέπει να είναι κατασκευασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να εξυπηρετεί τις ανάγκες του χρήστη αλλά ταυτόχρονα να φροντίζει για την μέγιστη αποδιδόμενη ενέργεια. Οι κύριοι παράμετροι που επηρεάζουν την συμπεριφορά μιας ηλιακής δεξαμενής και κατ επέκταση την απόδοση όλου του συστήματος είναι το μέγεθος τους, οι θερμικές απώλειες από τα τοιχώματα προς το περιβάλλον και η θερμοκρασιακή διαστρωμάτωση του νερού μέσα στην δεξαμενή. 41

42 Το μέγεθος μιας θερμικής ηλιακής δεξαμενής καθορίζεται από το πηλίκο του όγκου (V) περιεχόμενου νερού της δεξαμενής προς την επιφάνεια ανοίγματος (Αα) του ηλιακού συλλέκτη. Για συνήθεις εφαρμογές εκμετάλλευσης της θερμικής ενέργειας, το μέγεθος των ηλιακών δεξαμενών επιλέγεται τηρώντας μια αναλογία της τάξης των l/m2. Οι απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον μιας δεξαμενής εξαρτάται από το σχήμα της δεξαμενής, το πάχος της και τις θερμομονωτικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής. Οι ολικές θερμικές απώλειες μιας δεξαμενής εκφράζονται από τον συντελεστή θερμικών απωλειών Us, οποίος είναι συνάρτηση της μάζας, της μέσης θερμοκρασίας και της θερμοχωρητικότητας του νερού εντός της δεξαμενής. Σημαντικό ρόλο στη λειτουργία μιας ηλιακής δεξαμενής έχει προσπάθεια επίτευξης όσο το δυνατόν καλύτερης θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης του νερού έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη ενεργειακή απολαβή. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται μια δεξαμενή το νερό υψηλής θερμοκρασίας που προέρχεται από το συλλέκτη και το νερό χαμηλής θερμοκρασίας που προέρχεται από δίκτυο διανομής συνυπάρχουν στην ίδια δεξαμενή με το πρώτο στο ανώτερο και το δεύτερο στο κατώτερο τμήμα αντίστοιχα. Η διατήρηση αυτού του στρώματος θερμοκρασιακής διαβάθμισης είναι από τους κυριότερους στόχους κατά τη μελέτη και κατασκευή θερμικών ηλιακών δεξαμενών. 42

43 5.1 Γενικά ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Κεφάλαιο 5 Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση αερίων μαζών της ατμόσφαιρας. Οι μετακινήσεις του αέρα, οι άνεμοι, προέρχονται από τις μεταβολές και τις διαφορετικές από τόπο σε τόπο τιμές της ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι τιμές αυτές της πίεσης οφείλονται στη διαφορετική θέρμανση (απορρόφηση ενέργειας) της ατμόσφαιρας κάθε τόπου από τον ήλιο. Σύμφωνα με εκτιμήσεις από μετεωρολογικούς οργανισμούς η ισχύς του ανέμου σε παγκόσμια κλίμακα είναι 3.6 x 10 9 ΜW ενώ ταυτόχρονα η εκμεταλλεύσιμη ενέργεια σε διάφορες τοποθεσίες του κόσμου αντιστοιχεί στο 1% και υπολογίζεται ότι είναι περίπου 175x10 12 KWh. 5.2 Ιστορία Αιολικών μηχανών Η αιολική ενέργεια, μια από τις παλαιότερες μορφές φυσικής ενέργειας, αξιοποιήθηκε από πολύ νωρίς για την παραγωγή μηχανικού έργου και έπαιξε σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Η σημασία της ενέργειας του ανέμου φαίνεται από τα αρχαία χρόνια όπου χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την μετακίνηση των πρώτων ιστιοφόρων πλοίων γεγονός που συνέβαλε αποφασιστικά στην ανάπτυξη της ναυτιλίας. Η πρώτες μηχανές αξιοποίησης της αιολικής ενέργειας ήταν οι ανεμόμυλοι. Παρόλο που φαίνεται ότι οι αρχαίοι λαοί της Ανατολής χρησιμοποιούσαν ανεμόμυλους, η πρώτη αναφορά για τέτοιες μηχανές εμφανίζεται σε έργα Αράβων συγγραφέων του 9ου μ.χ. αιώνα. Ο ανεμόμυλος έφτασε στην Ευρώπη από τους Άραβες και χρησιμοποιήθηκε σε χώρες όπως η Γαλλία και η Αγγλία σε έργα με τη μορφή υδραυλικού τροχού. Ο ανεμόμυλος χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ως ανεμογεννήτρια το 1890 όταν εγκαταστάθηκε πάνω σε χαλύβδινο πύργο ανεμόμυλος του Π. Λα Κούρ στη 2ανία, με φτερά με σχισμές και διπλά πτερύγια αυτόματης μετάπτωσης προς τη διεύθυνση του ανέμου. Μετά τον Α Παγκόσμιο πόλεμο πραγματοποιήθηκαν πειράματα με ανεμόμυλους των οποίων τα φτερά έμοιαζαν με πτερύγια αεροπορικής έλικας ενώ το 1931 μια τέτοια ανεμογεννήτρια εγκαταστάθηκε στην Κριμαία, με την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ να διοχετεύεται στο τοπικό δίκτυο της περιοχής. Πραγματικές ανεμογεννήτριες με δύο πτερύγια λειτούργησαν στις ΗΠΑ και στην Αγγλία κατά τη δεκαετία του 1940 ενώ στην 2ανία ο J. Jual κατασκεύασε μια ανεμογεννήτρια με τρία πτερύγια αλληλοσυνδεόμενα μεταξύ τους και με έναν πρόβολο στο μπροστινό μέρος του άξονα περιστροφής. Μετά τον Β Παγκόσμιο πόλεμο πολλοί περίμεναν ότι η αιολική ενέργεια θα συνέβαλλε σημαντικά στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά οι προσπάθειες ανάπτυξης ατόνησαν μέχρι την δεκαετία του 1970 μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση (1973). Έτσι αναπτύχθηκαν διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών και στις αρχές της δεκαετίας του 1980 διατίθενται στο εμπόριο. 43

44 5.3 Ταχύτητα ανέμου Η κίνηση του ανέμου ακολουθεί τους νόμους της μηχανικής των ρευστών, οι οποίοι διέπουν τη τυρβώδη ροή ενός ρευστού. Συνεπώς η ταχύτητα του ανέμου είναι ένα ιδιαίτερο μεταβλητό μέγεθος, το οποίο εμφανίζει έντονες διακυμάνσεις ακόμα και σε μικρά χρονικά διαστήματα. Ακολουθώντας την θεωρητική ανάλυση που ισχύει για τυρβώδη πεδία, η στιγμιαία ταχύτητα του ανέμου εκφράζεται σαν άθροισμα της μέσης ταχύτητας του ανέμου και μιας διακύμανσης V (t) : ενώ η μέση ταχύτητα ανέμου σε μια χρονική περίοδο T δίνεται σαν: (26) Εξετάζοντας το πεδίο ταχυτήτων μιας περιοχής, είναι σημαντικό να καταγραφούν και οι μέγιστες τιμές της ταχύτητας του ανέμου. Συνήθως για τη στατιστική πρόβλεψη των μέγιστων ταχυτήτων του ανέμου χρησιμοποιούνται οι μέσες ωριαίες τιμές της ταχύτητας του ανέμου για ένα χρονικό διάστημα. Το στατιστικό παράδειγμα που προκύπτει αναλύεται με στατιστικές μεθόδους και προσδιορίζεται η μέγιστη ταχύτητα του ανέμου που σχετίζεται με τη μέγιστη καταπόνηση των τμημάτων μιας αιολικής μηχανής και κατ επέκταση με το χρόνο ζωής της Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος Η ένταση του ανέμου μεταβάλλεται με την αύξηση του ύψους. Στο οποίο γίνεται η καταγραφή του αιολικού δυναμικού. Το πάχος της ατμόσφαιρας μέσα στο οποίο συμβαίνει η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου, το ορικό στρώμα, εκτείνεται από μερικά μέτρα έως και 2 km. Για τον υπολογισμό της μέσης ταχύτητας σε μια περιοχή με τη μεταβολή του ύψους χρησιμοποιούνται σχέσεις, οι οποίες ανάγουν την ταχύτητα του ανέμου σε ένα συγκεκριμένο ύψος αναφοράς σε οποιοδήποτε ύψος. Στη βιβλιογραφία προτείνονται διάφορες αναλυτικές σχέσεις της μεταβολής του ανέμου με το ύψος. Οι κυριότερες από αυτές είναι: 1. Η λογαριθμική σχέση (log-law) η οποία εκφράζεται σαν: (27) (28) και δίνει την ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z από το έδαφος σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου σε ένα ύψος αναφοράς z Η εκθετική σχέση (power law) η οποία εκφράζεται σαν: (29) 44

45 και δίνει την ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z από το έδαφος συναρτήσει της παραμέτρου a, της οποίας η τιμή εξαρτάται από την τραχύτητα του εδάφους και τη διεύθυνση του ανέμου. Οι τιμές αυτής της παραμέτρου κυμαίνονται μεταξύ του 0.07 για παγωμένες επιφάνειες και του 0.47 για αστικές περιοχές Επίδραση εμποδίων στη ροή του ανέμου Σημαντική επίδραση στην ταχύτητα του ανέμου έχει η παρουσία μεμονωμένων εμποδίων, π.χ. ενός δέντρου ή μιας κατοικίας, στο πεδίο ροής του ανέμου. Γύρω από ένα εμπόδιο και κυρίως, πίσω από αυτό, κατά την διεύθυνση του ανέμου δημιουργείται χώρος έντονων διαταράξεων που χαρακτηρίζεται ως σκιά του ανέμου. Η επίδραση των αναταράξεων εκτείνεται, πίσω από το εμπόδιο, σε μήκος μέχρι και δεκαπέντε φορές το ύψος του εμποδίου και πάνω από αυτό μέχρι το διπλάσιο του ύψους του (σχήμα 10). Για αυτό το λόγο σε περιοχές εγκατάστασης αιολικών μηχανών εξετάζεται ιδιαίτερα η διαμόρφωση του πεδίου ροής. Σχήμα 10 Χώρος ισχυρών αναταράξεων γύρω από την περιοχή μεμονωμένου εμποδίου 5.4 Eίδη Αιολικών Μηχανών Οι αιολικές μηχανές έχουν ως σκοπό την αξιοποίηση του μεγαλύτερου ποσοστού της κινητικής ενέργειας του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες (Α/Γ) μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου. Οι πλέον διαδεδομένοι τύποι Α/Γ είναι οι εξής: Οριζοντίου άξονα (Horizontal axis-head on): στους οποίους ο άξονας περιστροφής του δρομέα είναι παράλληλος προς την κατεύθυνση του ανέμου. Οριζοντίου άξονα (Horizontal axis-crosswind): στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος προς τη επιφάνεια της γης αλλά κάθετος στη διεύθυνση του ανέμου. Καθέτου άξονα (Vertical axis): στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στη ροή του ανέμου. Οι Α/Γ οριζοντίου άξονα μπορούν διαχωριστούν σε σχέση με τη θέση του δρομέα ως προς το πύργο στήριξης και τη διεύθυνση του ανέμου. Οι Α/Γ που έχουν το δρομέα μπροστά από τον πύργο είναι τύπου up-wind ενώ αυτές που έχον το δρομέα πίσω από το πύργο είναι τύπου down-wind. Από την άλλη πλευρά οι πιο διαδομένες Α/Γ καθέτου άξονα είναι οι μηχανές τύπου Darrieus και οι μηχανές τύπου Savonius. Οι μοντέρνες ανεμογεννήτριες ταξινομούνται επίσης ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων τους σε ταχύστροφες και σε αργόστροφες ανάλογα με την τιμή ενός αδιάστατου μεγέθους γνωστού ως παράμετρος περιστροφής λ (tip speed ratio). Η παράμετρος αυτή μπορεί να υπολογιστεί από την γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του 45

46 πτερυγίουω, την ακτίνα του δρομέα της Α/Γ R και την ταχύτητα του ανέμου V W από την παρακάτω σχέση: Ακόμα, οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται ανάλογα με τη μηχανική ισχύ N που παρέχουν σε τρεις μεγάλες κατηγορίες. 1. Μικρές Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι μεταξύ: 50W N 10kW 2. Μεσαίες Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι μεταξύ: 10kW N 200kW 3. Μεγάλες Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι: 200kW N Τέλος μία παράμετροw που χρησιμοποιείται για το χαρακτηρισμό και την ταξινόμηση των Α/Γ είναι η παράμετρος στιβαρότητας (solidity) της κατασκευής σ. Η στιβαρότητα συνήθως ορίζεται ως ο λόγος του εμβαδού όλων των πτερυγίων, προς το εμβαδό της επιφάνειας που διαγράφουν τα πτερύγια κατά την περιστροφή. Για αιολικές μηχανές οριζοντίου άξονα η παράμετρος αυτή υπολογίζεται από τ σχέση: (30) ενώ για αιολικές κατακορύφου άξονα υπολογίζεται από τη σχέση: (31) όπου z είναι ο αριθμός των πτερυγίων, R η ακτίνα του δρομέα και c το πλάτος των πτερυγίων της πτερωτής. 5.5 Τεχνολογία Ανεμογεννητριών Μια Α/Γ αποτελείται από τα παρακάτω μέρη (σχήμα 11): Ρότορας (δρομέας): Οι πτέρυγες του δρομέα έχουν σχεδιαστεί ώστε να γυρίζουν με τον άνεμο, περιστρέφοντας στην γεννήτρια. Σε μεγάλες κυρίως Α/Γ, με σκοπό την αύξηση των στροφών της γεννήτριας συνδέεται κατάλληλα κιβώτιο ταχυτήτων. Πτερύγια: Τα πτερύγια είναι το τμήμα της Α/Γ πάνω στο οποίο δημιουργείται άνωση από τον άνεμο που έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ροπής στον άξονα περιστροφής με συνέπεια την περιστροφή τους. Οι περισσότερες Α/Γ έχουν δύο ή τρία πτερύγια. Κέλυφος: Το κέλυφος βρίσκεται πάνω από τον πύργο και περιλαμβάνει πολλά μηχανικά και ηλεκτρονικά τμήματα τα σημαντικότερα εκ των οποίων είναι το κιβώτιο ταχυτήτων, τους άξονες υψηλής/χαμηλής ταχύτητας, την γεννήτρια και το φρένο. Γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρισμού: Η γεννήτρια είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όταν η ταχύτητα του ανέμου αποκτήσει τέτοια τιμή ώστε να περιστραφούν τα πτερύγια. Οι γεννήτριες χωρίζονται σε μεγάλες κατηγορίες: (α) τις σύγχρονες και (β) τις ασύγχρονες μηχανές. Κιβώτιο ταχυτήτων: Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι το τμήμα της Α/Γ που φροντίζει να αυξάνει τις στροφές του άξονα που καταλήγει στην γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σύστημα διεύθυνσης και προσανατολισμού: Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα απαιτούν ένα μηχανισμό, ο οποίος να τις στρέφει προς την διεύθυνση του ανέμου. (32) 46

47 Για αυτό το λόγο η άτρακτος της Α/Γ στηρίζεται συνήθως σε έναν μηχανικό στροφέα ο οποίος δέχεται εντολές από ένα ηλεκτρονικό σύστημα παρακολούθησης της διεύθυνσης του ανέμου. Σύστημα προστασίας: Οι σύγχρονες Α/Γ διαθέτουν μηχανισμούς που τις θέτει εκτός λειτουργίας για λόγους ασφάλειας όταν η ένταση της ταχύτητας του ανέμου είναι πολύ υψηλή. Πύργος στήριξης: Ο πύργος υψώνει την άτρακτο της Α/Γ σε μεγάλο ύψος ώστε να εκμεταλλευτεί τις υψηλές ταχύτητες ανέμου. Ο πύργος στήριξης απαιτεί ιδιαίτερο σχεδιασμό καθώς θα πρέπει να διαθέτει μεγάλο ύψος ενώ ταυτόχρονα να είναι γερός έτσι ώστε να αντέχει τα δυναμικά φορτία που οφείλονται τόσο στην λειτουργία της Α/Γ όσο και στις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Σχήμα 11 Τμήματα ανεμογεννήτριας 5.6 Ισχύς Α/Γ Το ποσοστό της μηχανικής ισχύος του ανέμου που είναι διαθέσιμο προς εκμετάλλευση, εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου V W, από τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της έλικας ω, την ακτίνα του δρομέα R και τη σχεδίαση της πτερωτής. Η ενέργεια που αποσπάται από τον άνεμο (ισχύς εξόδου της Α/Γ) δίνεται από τη σχέση: όπου ρ η πυκνότητα του αέρα (kg/m 3 ), A =πr 2 το εμβαδό της επιφάνειας που διαγράφουν τα πτερύγια (m 2 ), V W η ταχύτητα του ανέμου (m/s) και C p ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος. Η χαρακτηριστική παράμετρος για την αποδοτικότητα της Α/Γ είναι ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C p, ο οποίος εκφράζει σε ποιο βαθμό μετατρέπεται η ενέργεια που περιέχεται στον άνεμο. Ο συντελεστής C p εξαρτάται από την παράμετρο περιστροφής λ, την ταχύτητα του ανέμου V W, τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της έλικας ω, τον τύπο της γεννήτριας, το σχήμα και τη γωνία β των πτερυγίων. Η ανώτατη τιμή τον συντελεστή ισχύος είναι γνωστή και ως όριο Betz και αντιστοιχεί στην τιμή (33) 47

48 Για τον καθορισμό του συντελεστή p C για δεδομένες τιμές της παραμέτρουλ και της γωνίας β χρησιμοποιείται ένας γενικός προσεγγιστικός τύπος για διάφορους τύπους Α/Γ: (34) Όπου και C 1 έως C 8 συντελεστές που προκύπτουν από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της Α/Γ. Εικόνα 6 Καμπύλη ισχύος Α/Γ Η ισχύς εξόδου μιας Α/Γ όπως αναφέρθηκε και παραπάνω εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου και κάθε αιολική μηχανή έχει μια χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος. Η καμπύλη αυτή καθορίζει την απόδοση της ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου (εικόνα 6) και χαρακτηρίζεται από την ταχύτητα εκκίνησης V ci της Α/Γ, την ονομαστική ταχύτητα λειτουργίας V r και την ταχύτητα αποκοπής V co της Α/Γ. Η ταχύτητα εκκίνησης είναι η ταχύτητα εκείνη στην οποία η ανεμογεννήτρια αρχίζει να παράγει ισχύ ενώ η ονομαστική ταχύτητα λειτουργίας είναι η ταχύτητα στην οποία η ανεμογεννήτρια παράγει την ονομαστική της ισχύ. Τέλος η ταχύτητα αποκοπής είναι η τιμή της ταχύτητας της ανεμογεννήτριας στην οποία παύει να λειτουργεί για λόγους ασφαλείας. 5.7 Μικρής Ισχύος Ανεμογεννήτριες Οι μικρές ανεμογεννήτριες αναφέρονται σε αιολικά συστήματα τα οποία έχουν ονομαστική ισχύ έως 10kW. Οι ανεμογεννήτριες αυτές έχουν διάμετρο δρομέα από 0.58m έως 8m και τοποθετούνται συνήθως σε πύργους με ύψος που κυμαίνεται από 10mέως τα 40m. 48

49 Οι μικρές Α/Γ χωρίζονται σε τρεις υποκατηγορίες ανάλογα με την ονομαστική ισχύ εξόδου τους οι οποίες είναι: i. Micro wind turbines με ονομαστική ισχύ 50 N 1kW, ii. Mid-range wind turbines με ονομαστική ισχύ 1kW N 5kW, iii. Mini wind turbines με ονομαστική ισχύ 5kW N 10kW Δομικά στοιχεία Μικρών Α/Γ Μια μικρή Α/Γ γενικά αποτελείται από έναν δρομέα με πτερύγια, έναν κινητήρα, έναν πύργο στήριξης και ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από την απαραίτητη καλωδίωση, ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (μπαταρία), ένα ρυθμιστή φόρτισης και ένα μετατροπέα τάσης. Όπως και στις μεγάλες Α/Γ, οι μικρές Α/Γ χωρίζονται σε οριζοντίου και κατακορύφου άξονα, με τον αριθμό των πτερυγίων τους να ποικίλει. Το μεγαλύτερο ποσοστό εγκατεστημένων μικρών Α/Γ κατέχουν οι οριζοντίου άξονα γεννήτριες και ιδιαίτερα αυτές που διαθέτουν τρία πτερύγια καθώς λειτουργούν πιο αποδοτικά σε σχέση με αυτές που διαθέτουν περισσότερα πτερύγια λόγω καλύτερης αεροδυναμικής σχεδίασης. Από την άλλη πλευρά οι μικρές Α/Γ κατακορύφου άξονα παρόλο τα πλεονεκτήματα που διαθέτουν δεν είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς λόγω της χαμηλής απόδοσής τους και του μεγαλύτερου κόστους τους σε σχέση με τις Α/Γ οριζοντίου άξονα Πτερύγια Μικρών Α/Γ Τα πτερύγια είναι το τμήμα της ανεμογεννήτριας που θέτει σε κίνηση το δρομέα της Α/Γ ο οποίος με τη σειρά κινεί την γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο σχεδιασμός αυτών των πτερυγίων καθορίζεται από το μέγεθος και τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά της Α/Γ καθώς από το υλικό κατασκευής τους. Έχει παρατηρηθεί ότι η μηχανική αντοχή των πτερυγίων στη βάση στήριξης τους μειώνεται με την αύξηση του αριθμού τους. Οι μικρές Α/Γ που διαθέτουν τρία πτερύγια λειτουργούν πιο ομαλά, γεγονός που οφείλεται στην σταθερή τιμή στης ροπής σε σχέση με τη περιστροφική κίνηση της Α/Γ. Παράλληλα οι ανεμογεννήτριες αυτές παρουσιάζουν χαμηλότερο επίπεδο θορύβου και είναι οικονομικά πιο αποδοτικές. Για αυτούς τους κυρίως λόγους, οι Α/Γ με τρία πτερύγια είναι η πιο κοινή σχεδιαστική επιλογή για τους περισσότερους κατασκευαστές μικρών ανεμογεννητριών παρόλο που άλλοι εξακολουθούν να χρησιμοποιούν δύο ή και περισσότερα από τρία πτερύγια. Τα πτερύγια των μικρών ανεμογεννητριών είναι κυρίως κατασκευασμένα από συνθετικά υλικά όπως ο υαλοβάμβακας με αφρώδη πυρήνα, ο πολυεστέρας με ενισχυμένο γυαλί, ξύλο και ανοξείδωτο σίδηρο. Αυτά τα συνθετικά υλικά έχουν το πλεονέκτημα ότι παρουσιάζουν υψηλή αντοχή στις καιρικές συνθήκες και υψηλή τιμή του λόγου της ακαμψία-βάρους πτερυγίων. Επιπλέον τα υλικά αυτά είναι ανθεκτικά στην διάβρωση και συμπεριφέρονται σαν μονωτές στην διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος Προσανατολισμός Μικρών Α/Γ 49

50 Εικόνα 7 Air-X Wind 50

51 5.7.4 Συστήματα Ελέγχου Ταχύτητας Μικρής Α/Γ Παρόλο, που οι υψηλές ταχύτητες ανέμου οδηγούν σε αύξηση της παραγόμενης ενέργειας, είναι δυνατόν σε πολλές περιπτώσεις να προκαλέσουν ζημιά. Με σκοπό την προστασία της Α/Γ αλλά και την ασφάλεια των ανθρώπων της περιοχής εγκατάστασης, οι μικρές Α/Γ διαθέτουν διάφορους μηχανισμούς πέδησης και ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής τους. Στα νεότερα μικρά αιολικά συστήματα χρησιμοποιούνται δύο είδη τεχνικών ελέγχου, τις παθητικές τεχνικές ελέγχου και τις ενεργητικές τεχνικές ελέγχου. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει ο έλεγχος απώλειας στήριξης (stall control). Ο έλεγχος με βάσει αυτή την τεχνική στηρίζεται στη καμπύλωση των πτερυγίων όταν η ταχύτητα του ανέμου αυξηθεί σημαντικά. Ειδικότερα, όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει μια προκαθορισμένη κατασκευαστικά τιμή τα πτερύγια καμπυλώνονται λόγω της μεγάλης αεροδυναμικής αντίστασης με αποτέλεσμα της μεταβολή της γωνίας προσβολής μεταξύ των πτερυγίων και του ανέμου. Αυτό έχει ως συνέπεια την εκτροπή της Α/Γ από την διεύθυνση του ανέμου με ταυτόχρονη μείωση των στροφών της πτερωτής. Σε πολλές Α/Γ μικρής ισχύος εκτροπή από την διεύθυνση του ανέμου πραγματοποιείται με την καμπύλωση της ατράκτου της Α/Γ σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου. Οι ενεργητικές τεχνικές ελέγχου στηρίζονται στον έλεγχο του βήματος των πτερυγίων (pitch control). Στις ανεμογεννήτριες που διαθέτουν αυτόν τον έλεγχο, ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχει συνεχώς την ισχύ εξόδου, η οποία όταν γίνει πολύ υψηλή δίνει εντολή στο δρομέα των πτερυγίων να στραφεί και υπό κάποια γωνία. Σε αυτή τη θέση, η ταχύτητα περιστροφής ελαττώνεται σημαντικά προστατεύοντας την Α/Γ. Όταν οι συνθήκες επανέλθουν σε φυσιολογικά επίπεδα, τα πτερύγια επανέρχονται στην αρχική τους θέση Γεννήτριες Μικρών Α/Γ Οι περισσότερες μικρές Α/Γ χρησιμοποιούν βηματικές γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (permanent magnet generators). Η λειτουργία των γεννητριών μόνιμου μαγνήτη στηρίζεται στην αντίδραση που έχει ο ρότορας (δρομέας) μόνιμου μαγνήτη της Α/Γ μέσα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το παραπάνω είδος γεννητριών υπάγονται στις ασύγχρονες μηχανές, κάτι που σημαίνει ότι δεν μπορούν να συνδεθούν απευθείας με το εναλλασσόμενο (AC) δίκτυο. Αυτό συμβαίνει λόγω της αστάθειας που υπάρχει στην παραγόμενη τάση και συχνότητα. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται μετατροπείς οι οποίοι σταθεροποιούν την τάση με σκοπό είτε την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας είτε τη σύνδεση με το υπάρχον εναλλασσόμενο δίκτυο Πύργοι Στήριξης Μικρών Α/Γ Όπως οι μεγάλες Α/Γ έτσι και οι μικρές χρησιμοποιούν πύργους στήριξης για την ανύψωση της ατράκτου της μηχανής στον αέρα. Οι πύργοι αυτοί όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω θα πρέπει να είναι αρκετά ψηλοί, ώστε η ανεμογεννήτρια να βρίσκεται ψηλότερα από την τυρβώδη ζώνη κοντά στο έδαφος αλλά ταυτόχρονα και ανθεκτικοί ώστε να αντέχουν τις δυνάμεις που δέχονται από τον άνεμο. Οι πύργοι των μικρών Α/Γ ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά: (α) τους πύργους δικτυωτού πλέγματος και (β) τους πύργους με μονό σωλήνα. Οι πύργοι δικτυωτού πλέγματος χρησιμοποιούν ένα 51

52 δίκτυο σωλήνων σε μορφή πλέγματος σχηματίζοντας πύργο, ο οποίος στερεώνεται στο έδαφος με ειδικής κατασκευής συρματόσχοινα σε τρία σημεία διαφορετικών διευθύνσεων. Επίσης σε αυτού του είδους πύργους υπάρχει η δυνατότητα μεταβολής του ύψους τους και αυτός είναι ένας από τους λόγους του υψηλού κόστους κατασκευής. Από την άλλη πλευρά,οι πύργοι μονού στύλου έχουν απλούστερο τρόπο κατασκευής ενώ διαθέτουν το πλεονέκτημα να είναι οπτικά πιο ευχάριστοι σε σχέση με τους πύργους του προηγούμενου είδους. Οι πύργοι στήριξης των μικρών ανεμογεννητριών μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με την ιδιοσυχνότητά τους σε εύκαμπτους και άκαμπτους. Στους άκαμπτους πύργους η ιδιοσυχνότητά τους είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα περιστροφής της πτέρυγας ενώ στους εύκαμπτους πύργους η ιδιοσυχνότητα του πύργου είναι μικρότερη από τη συχνότητα περιστροφής του πτερυγίου. 52

53 Κεφάλαιο 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 6.1 Σκοπός της πειραματικής διαδικασίας Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει μια περιγραφή της διαδικασίας εγκατάστασης, λειτουργίας και παρακολούθησης των μονάδων παραγωγής ενέργειας με τις οποίες διαπραγματεύεται η παρούσα εργασία. Κύριος στόχος της πειραματικής διαδικασίας είναι η μελέτη όλων των παραμέτρων που απαιτούνται για τη λειτουργία του συστήματος. 5ς εκ τούτου, θα γίνει περιγραφή των κυκλωμάτων και των επιμέρους ηλεκτρονικών διατάξεων που απαιτούνται για τη διάθεση της παραγόμενης ενέργειας. Σκοπός του πειράματος είναι η μελέτη της ενεργειακής εξόδου κάθε κύριου συστήματος από τα οποία αποτελείται το υβριδικό σύστημα καθώς επίσης και η ανάλυση των μετεωρολογικών μεγεθών που επηρεάζουν την απόδοση του συστήματος. Επίσης ένα από τα βασικότερα τμήματα της πειραματικής διαδικασίας είναι η δημιουργία συνθηκών μακροχρόνιας αυτόνομης καταγραφής δεδομένων, τα οποία είναι απαραίτητα για την μελέτη του υβριδικού συστήματος. Για αυτό το λόγο θα γίνει αναφορά στη διαδικασία καταγραφής και λήψης δεδομένων με τη βοήθεια αυτόνομου καταγραφικού CR10X της Campell Scientific. 6.2 Κυκλώματα και συνδέσεις Αυτόνομο σύστημα παραγωγής ενέργειας με Α/Γ Στο σχήμα 12 φαίνεται η μικρή ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Όλα τα καλώδια κα οι συνδέσεις που φαίνονται στο σχήμα χαρακτηρίζονται από μπλε ή κόκκινο χρώμα τα οποία συμβατικά εκφράζουν θετική και αρνητική τάση. Όπως φαίνεται από το σχήμα, η ηλεκτρική έξοδος της Α/Γ οδηγείται σε ένα διακόπτη θέσεων. Η θέση 1 του διακόπτη αντιστοιχεί σε κλειστό κύκλωμα, η θέση 2 αντιστοιχεί σε ανοιχτό κύκλωμα ενώ η θέση 3 αντιστοιχεί σε βραχυκύκλωση των άκρων της Α/Γ που οδηγεί σε μπλοκάρισμα των πτερυγίων της Α/Γ. Αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχει και άκρο γείωσης της Α/Γ το οποίο έχει συνδεθεί με το αρνητικό άκρο της. Μετά το διακόπτη η θετική έξοδος οδηγείται σε μια ασφάλεια 30 Α και καταλήγει στο θετικό πόλο της μπαταρίας ενώ το αρνητικό άκρο πριν καταλήξει στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας οδηγείται μέσα από μια αντίσταση Ri= Ο λόγος που παρεμβάλλεται η αντίσταση είναι η δημιουργία κατάλληλης διαφοράς δυναμικού, με σκοπό την καταγραφή της από το αυτόματο καταγραφικό CR10X. Αυτή η διαφορά δυναμικού αντιστοιχεί στο παραγόμενο από την ανεμογεννήτρια ηλεκτρικό ρεύμα αφού πρώτα διαιρεθεί με την τιμή της αντίστασης Ri. Για την μέτρηση της παραγόμενης τάσης της Α/Γ καθώς και της τάσης της μπαταρίας χρησιμοποιήθηκε το ποτενσιόμετρο όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το αρνητικό και θετικό άκρο τόσο της Α/Γ όσο και της μπαταρίας συνδέθηκαν με το ποτενσιόμετρο με σκοπό να διαιρεθούν οι τάσεις και να γίνουν κατάλληλες προς μέτρηση από το καταγραφικό CR10X. Η χρήση του διαιρέτη τάσης ήταν απαραίτητη καθώς το 53

54 όριο μετρήσεων του αυτόματου καταγραφικού είναι 2.5V. Για την κατασκευή του διαιρέτη τάσης επιλέχθηκαν αντιστάσεις με τιμές R1=1k5 και R2=1M5 με σκοπό να επιτευχθεί λόγος μετατροπής 1:1000. Στη συνέχεια οι πόλοι της μπαταρίας οδηγήθηκαν μέσω μιας ασφάλειας 25 Α και μιας αντίστασης Ri= στο μετατροπέα τάσης (inverter). Στο μετατροπέα η τάση της μπαταρίας (Vμπατ.=12 V) μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη τάση 220 V με σκοπό να τροφοδοτηθεί το φορτίο. Το συνολικό φορτίο, στο οποίο καταναλώναμε την παραγόμενη ενέργεια αποτελούνταν από ένα μετασχηματιστή ισχύος 9 W καθώς επίσης και από μια διάταξη με πολλαπλά φορτία. Η χρήση του μετασχηματιστή ως φορτίο έγινε για να διαπιστώνεται η λειτουργία του φορτίου από απόσταση με χρήση υπολογιστή (remote desktop connection). Σχήμα 12 Κύκλωμα αυτόνομης μονάδας παραγωγής ενέργειας με Α/Γ Αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα Στο σχήμα 13 φαίνεται το αυτόνομο φβ σύστημα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Η συνδεσμολογία του αυτόνομου φβ συστήματος παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με την συνδεσμολογία της προηγούμενης παραγράφου. Η σύνδεση των φωτοβολταϊκών πλαισίων έγινε παράλληλα έτσι ώστε να λειτουργούν υπό κοινή τάση. Τα άκρα των πλαισίων οδηγούνται μέσω διακόπτη δύο θέσεων, για την απομόνωση των πλαισίων σε περίπτωση που απαιτηθεί, και μια αντίσταση Ri= στο ρυθμιστή φόρτισης (controller). Αυτή η ηλεκτρονική συσκευή ρυθμίζει την παραγόμενη τάση ώστε να οδηγηθεί στη συνέχεια στο αποθηκευτικό σύστημα. Παράλληλα, φροντίζει να διατηρήσει ένα άνω και κάτω όριο της τάσης μπαταρίας, με σκοπό την προστασία της, διακόπτοντας την παροχή ρεύματος από και προς αυτή. Η παραπάνω διάταξη δεν είναι απαραίτητη για το κύκλωμα της Α/Γ καθώς η ίδια διαθέτει ενσωματωμένο ρυθμιστή φόρτισης. 54

55 Σχήμα 13 Αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα Στη συνέχεια το θετικό και αρνητικό άκρο του ρυθμιστή φόρτισης συνδέονται μέσω μιας ασφάλειας 25 Α στους αντίστοιχους πόλου της μπαταρίας. Κατόπιν οι πόλοι της μπαταρία οδηγούνται στον μετατροπέα (inverter) με σκοπό να τροφοδοτηθεί το φορτίο. Όπως και στο προηγούμενο κύκλωμα το συνολικό φορτίο αποτελούνταν από έναν μετασχηματιστή αυτή φορά ισχύος 8 W και μια διάταξη με πολλαπλά φορτία. Για την μέτρηση της τάσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων και της μπαταρίας χρησιμοποιήθηκε διαιρέτης τάσης παρόμοιος με αυτόν του προηγούμενου κυκλώματος πετυχαίνοντας και αυτή τη φορά λόγο μετατροπής 1: Ηλιακό σύστημα θέρμανσης νερού Το ηλιακό σύστημα θέρμανσης αποτελείται από έναν επίπεδο ηλιακό θερμοσιφωνικό συλλέκτη (σχήμα 14). Όπως φαίνεται από το σχήμα η είσοδος του δοχείου αποθήκευσης συνδέθηκε με το δίκτυο ύδρευσης ενώ στην είσοδο του δοχείου προσαρμόστηκε κατάλληλη στρόφιγγα με σκοπό την απομάστευση νερού. Παράλληλα, στο εσωτερικό κύκλωμα του μανδύα του συλλέκτη τοποθετήθηκε μίγμα αποσταγμένου νερού με αντιψυκτικό με σκοπό την προστασία του συλλέκτη από τις χαμηλές θερμοκρασίες. 55

56 Σχήμα 14 Ηλιακός θερμοσιφωνικός συλλέκτης Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού στο δοχείο αποθήκευσης τοποθετήθηκαν θερμοζεύγη σε τρεις διαφορετικές θέσεις όπως φαίνεται στο σχήμα 14. Επίσης, δύο θερμοζεύγη τοποθετήθηκαν εντός των σωλήνων στην είσοδο και έξοδο του συλλέκτη με σκοπό την μέτρηση των θερμοκρασιών του νερού-αντιψυκτικού που ήταν απαραίτητες για την μελέτη του συστήματος. Όλα τα θερμοζεύγη συνδέθηκαν με το αυτόματο καταγραφικό CR10X για τη συνεχή καταγραφή των τιμών όλο το 24ωρο. Τέλος, τοποθετήθηκε εντός το δοχείου αποθήκευσης ηλεκτρική αντίσταση ισχύος 3 kw με σκοπό την θέρμανση νερού σε περίπτωση που απαιτηθεί. 6.3 Επιμέρους τμήματα της εγκατάστασης Ανεμογεννήτρια Για παραγωγή ενέργειας από τον άνεμο χρησιμοποιήθηκε μια ανεμογεννήτρια της εταιρίας Southwest Windpower και συγκεκριμένα το μοντέλο AIR-X Land ονομαστικής ισχύος 300 Watts. 56

57 Εικόνα 8 Η ανεμογεννήτρια Το μοντέλο αυτό, έχει τρία πτερύγια με διάμετρο 1.17 m, βάρος 6 kg ενώ το μήκος της ατράκτου της Α/Γ είναι m. Οι παραπάνω διαστάσεις ορίζουν μία σφαίρα λειτουργίας με διάμετρο 1.24 m Η Α/Γ είναι τοποθετημένη σε ύψος 3 m πάνω σε ένα πύργο στήριξης εξωτερικής διαμέτρου 4.5 cm. Το συγκεκριμένο μοντέλο έχει ταχύτητα εκκίνησης τα 3 m/s και ονομαστική ταχύτητα 12 m/s με μέγιστη έξοδος 400 Watts. Σχήμα 15 Γεωμετρικές διαστάσεις και ενεργειακή καμπύλη AIR-X Land 57

58 Η Α/Γ διαθέτει γεννήτρια τριών φάσεων με στάτορα μόνιμου μαγνήτη συνδεμένο με κύκλωμα μετατροπής του παραγόμενου ρεύματος σε συνεχές. Ο ρότορας της Α/Γ είναι κατασκευασμένος από δώδεκα τοξοειδούς μορφής μαγνήτες από Σίδηρο (Fe) με προσμίξεις Βορίου (B) και Νεοδυμίου (Nd). Τα πτερύγια της Α/Γ είναι κατασκευασμένα από ελαστικό θερμοπλαστικό υλικό με προσμίξεις άνθρακα για μεγαλύτερη αντοχή σε ακραίες συνθήκες λειτουργίας. Η Α/Γ διαθέτει σύστημα παθητικού αεροδυναμικού φρένου στην περίπτωση που πνέουν άνεμοι μεγάλης έντασης. Ειδικότερα, όταν η ταχύτητα του ανέμου πλησιάσει την τιμή 15 m/s τα πτερύγια λόγω ελαστικότητας λυγίζουν προς τα πίσω με αποτέλεσμα να αλλάζει η γωνία προσβολής μεταξύ των πτερυγίων και του διανύσματος της ταχύτητας του ανέμου μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο την γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της Α/Γ. Για μεγαλύτερες τιμές της ταχύτητας του ανέμου η επίδραση του παθητικού αεροδυναμικού φρένου είναι ανεπαρκής γεγονός που οδηγεί στη παύση της λειτουργίας της Α/Γ με ηλεκτρονικό τρόπο βραχυκυκλώνοντας τα άκρα της με τη βοήθεια ενός διακόπτη. Το μοντέλο AIR-X Land διαθέτει ενσωματωμένο ελεγκτή φόρτισης (controller) με σκοπό να ελέγχει την τάση εξόδου έτσι ώστε να μην ξεπεράσει ένα προκαθορισμένο όριο. Το όριο αυτό, εργοστασιακά έχει την τιμή 14.1 V και είναι δυνατόν να μεταβληθεί από 13.8 V έως 17.8 V. H δυνατότητα μεταβολής της τάσης εξόδου πραγματοποιείται μέσω μίας βίδας που βρίσκεται στο πίσω μέρος της ατράκτου της Α/Γ αν στραφεί κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού από την μικρότερη προς την μεγαλύτερη τιμή. Η Α/Γ δε διαθέτει ηλεκτρονικό σύστημα με το οποίο να στρέφεται προς την κατεύθυνση του ανέμου. Αυτό το καταφέρνει με τη βοήθεια της αεροδυναμικά σχεδιασμένης ουρά της. Επίσης, το μοντέλο AIR-X Land διαθέτει ένα παθητικό σύστημα ελέγχου της ταχύτητα περιστροφής της Α/Γ με σκοπό την προστασία του συστήματος από υψηλής εντάσεως ανέμους. Το παθητικό σύστημα αυτό στηρίζεται στην καμπύλωση πτερυγίων και ταυτόχρονα στην εκτροπής τους από την διεύθυνση του ανέμου λόγω αεροδυναμικής σχεδίασης όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει μια συγκεκριμένη τιμή Φωτοβολταϊκά Το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για παραγωγή ενέργειας από τον ήλιο αποτελείται από τέσσερα φωτοβολταϊκά πλαίσια πολυκρυσταλλικού πυριτίου (pc-si) με κλίση 45 0 σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο και με κατεύθυνση προς το Νότο. Τα φωτοβολταϊκά είναι της εταιρίας Kyocera με την εμπορική ονομασία KC 50T, ονομαστικής ισχύος 54 Watt το καθένα. Το κάθε πλαίσιο αποτελείται από 36 φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεμένα σε σειρά, με εμβαδό 0.01 m2 και τάση εξόδου 0.6 V. Τα τέσσερα πλαίσια συνολικού εμβαδού 1.6 m 2 είναι συνδεμένα σε παράλληλη διάταξη ώστε να λειτουργούν με κοινή τάση προσφέροντας μέγιστο ρεύμα. Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του καθενός πλαισίου φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Ηλεκτρική Απόδοση σε πρότυπες καταστάσεις δοκιμής (STC) Ονομαστική μέγιστη ισχύς εξόδου (Pmax) 54.1 W (+10% / -5%) Ονομαστική μέγιστη τάση (Vmpp) 17.4 V Ονομαστικό μέγιστο ρεύμα (Impp) 3.11 A Τάση ανοιχτού κυκλώματος (Voc) 21.7 V Ρεύμα βραχυκυκλώσεως (Isc) 3.31 A Μέγιστη τάση συστήματος 600 V Απόκλιση τάσεως ανοιχτού κυκλώματος x 10-2 V / oc Απόκλιση ρεύματος βραχυκυκλώσεως 1.33 x 10-3 A / oc 58

59 Πίνακας 1 Χαρακτηριστικά στοιχεία λειτουργίας φ/β πλαισίων Εικόνα 9 Φωτοβολταϊκά πλαίσια Θερμικός ηλιακός συλλέκτης Το θερμικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας είναι θερμοσιφωνικού τύπου της εταιρίας ECONOMY με την εμπορική ονομασία ECO 120. Το θερμοσιφωνικό σύστημα έχει διαστάσεις έχει ύψος 2.01 m, πλάτος 1 m και μήκος 1.82 m, βάρος 112 kg. O συλλέκτης έχει κλίση 44 0 μοιρών σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο και έχει νότιο προσανατολισμό. Εικόνα 10 Το θερμοσιφωνικό σύστημα 59

60 Το δοχείο αποθήκευσης νερού είναι τοποθετημένο σε οριζόντια θέση και αποτελείται από δύο ομόκεντρους κυλίνδρους κατασκευασμένους από ανοξείδωτο ατσάλι. Μεταξύ των κυλίνδρων υπάρχει ο θερμικός εναλλάκτης και ένα στρώμα μόνωσης από πολυουρεθάνη πάχους 80 mm και πυκνότητας Kg/m 3. Στο εσωτερικό έχει τοποθετηθεί ηλεκτρική αντίσταση 3 kw από ανοξείδωτο ατσάλι ενώ στο πάνω μέρος του δοχείου υπάρχουν δύο βαλβίδες εξαέρωσης για λόγους ασφαλείας. Ο ηλιακός συλλέκτης αποτελείται από σωλήνες χαλκού σε παράλληλη διάταξη πάνω στους οποίους υπάρχει επιλεκτική επιφάνεια χαλκού με συντελεστή απορρόφησης α = 0.90 % και συντελεστή εκπομπής ε = 0.11 %. Στο κάτω μέρος υπάρχει μόνωση από πετροβάμβακα πάχους 40 mm ενώ το κάλυμμα στο πάνω μέρος του συλλέκτη είναι κατασκευασμένο από σιλικόνη. Τα στοιχεία που χαρακτηρίζουν τον συγκεκριμένο θερμοσιφωνικό σύστημα είναι: Όγκος νερού που περιέχεται στο δοχείο: 90 lt Όγκος υγρού εναλλάκτη: 12 lt Άνοιγμα συσκευής: μήκος: 1.93 m, πλάτος: m Επιφάνεια ανοίγματος: A α =1.785 m 2 Περιεχόμενο νερό / συλλεκτική επιφάνεια: lt m Μπαταρία Για την αποθήκευση ενέργειας χρησιμοποιήθηκαν μπαταρίες υγρού ηλεκτρολύτη για κάθε ηλεκτρικό κύκλωμα ξεχωριστά. Στο κύκλωμα που περιλαμβάνει τα φωτοβολταϊκά πλαίσια χρησιμοποιήθηκε μπαταρία μολύβδου, κλειστού τύπου της εταιρίας Banner και συγκεκριμένα το μοντέλο Το συγκεκριμένο μοντέλο επιλέχθηκε γιατί διαθέτει τα κατάλληλα χαρακτηριστικά για εφαρμογή σε συστήματα παραγωγής ενέργειας με μέγεθος παρόμοιο με το προς εξέταση σύστημα. Πιο συγκεκριμένα, η μπαταρία έχει ονομαστική τάση 12 V και η χωρητικότητα της είναι 180 Ah για 5 ώρες λειτουργίας και 230 Ah για 20 ώρες λειτουργίας. Στο κύκλωμα που περιλαμβάνει την Α/Γ χρησιμοποιήθηκε μπαταρία μολύβδου κλειστού τύπου της εταιρίας Mura με εμπορική ονομασία Mura Clean 12MC 220. Η μπαταρία αυτή έχει ονομαστική τάση 12 V και η χωρητικότητά της αναφέρεται στα 195 Ah για 10 ώρες λειτουργίας και 220 Ah για 20 ώρες λειτουργίας στους 25 oc Ρυθμιστής Φόρτισης Για την σύνδεση των φωτοβολταϊκών με την μπαταρία χρησιμοποιήθηκε ένας ελεγκτής φόρτισης (controller) με σκοπό τον καθορισμό της τάσης εξόδου στα 12 V αλλά και τον έλεγχο φόρτισης της μπαταρίας. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε (εικόνα 11) είναι της εταιρίας Conergy με την κωδική ονομασία SCC 20 eco. Η συσκευή αυτή επιτρέπει την διέλευση μέγιστου ρεύματος 20 Α για ένα σύστημα 12 V/ 24 V ανάλογα την προκαθορισμένη τάση του στοιχείου αποθήκευσης και έχοντας ελάχιστη κατανάλωση που δεν ξεπερνά τα 4 ma. Παράλληλα διαθέτει ηλεκτρονικό σύστημα προστασίας που διακόπτει την φόρτιση της μπαταρίας όταν η τάση ξεπεράσει τα 13.5 V. 60

61 Εικόνα 11 Controller SCC 20 eco Μετατροπέας Ο μετατροπέας (inverter) είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που μετατρέπει την τάση της μπαταρίας από 12 V DC σε 220 V AC, με σκοπό την εφαρμογή σε κοινές ηλεκτρικές συσκευές. Για τις ανάγκες τις εργασίας χρησιμοποιήθηκαν δύο μετατροπείς για κάθε ένα σύστημα ξεχωριστά. Τόσο για το κύκλωμα που περιλαμβάνει την Α/Γ όσο και για εκείνο που περιλαμβάνει τα φωτοβολταϊκά πλαίσια χρησιμοποιήθηκαν δύο ημιτονοειδούς κύματος μετατροπείς της εταιρίας STUDER με την κωδική ονομασία AJ (εικόνα 12) ονομαστικής ισχύος 275 Watt. Το συγκεκριμένο μοντέλο έχει σχεδιαστεί για ηλεκτρικές συσκευές που λειτουργούν στο δημόσιο ηλεκτρικό δίκτυο των 230 V / 50Hz με απόδοση που ξεπερνά το 93%. Επίσης ο μετατροπέας διαθέτει οπτικό και ακουστικό βομβητή σε περίπτωση μη ομαλής λειτουργίας της μπαταρίας όπως η χαμηλή τάση της μπαταρίας, η υπερθέρμανσή της κτλ Ανεμόμετρο Εικόνα 12 Inverter AJ Για την μέτρηση της ταχύτητας του ανέμου χρησιμοποιήθηκαν δύο ανεμόμετρα τύπου κυπέλλου της εταιρίας North Wales με την κωδική ονομασία A100R (εικόνα 13). Το ανεμόμετρο ήταν βαθμολογημένο και η καταγραφή της ταχύτητας του ανέμου γινόταν με απευθείας μετατροπή της συχνότητας ηλεκτρικών παλμών σε ταχύτητα ανέμου μέσω κατάλληλου συντελεστή μετατροπής (λαν=0.79). Το συγκεκριμένο μοντέλο είναι κατασκευασμένο από ανοξείδωτο ατσάλι και συνθετικό πλαστικό ικανό να λειτουργήσει 61

62 σε διάφορες καιρικές συνθήκες. Το A100R είναι δυνατόν να μετρήσει ταχύτητα ανέμου μέχρι 75 m/sec σε θερμοκρασιακό εύρος από -30 oc έως +70 oc και με ακρίβεια 1% για ταχύτητες ανέμου μεταξύ 10 m/sec 55 m/sec και 2% για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες από 55 m/sec. Εικόνα 13 Ανεμόμετρο A100R Πυρανόμετρο Το πυρανόμετρο που χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση της ολικής ακτινοβολίας είναι της εταιρίας Kipp & Zonen με την κωδική ονομασία CM 3 (εικόνα 14). Η καταγραφή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας γινόταν με μετατροπή της τιμής της τάσης εξόδου του πυρανομέτρου σε μονάδες έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (Wm -2 ) μέσω κατάλληλου συντελεστή (λπυρ=94.37). Ο θερμικός ανιχνευτής του μοντέλου CM 3 έχει την δυνατότητα να μετρήσει τιμές της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας μέχρι τα 4000 W/m2 με σφάλμα της τάξης του ± 15 W/m 2 με χρόνο απόκρισης μικρότερο από 18 sec. Επίσης είναι ικανό να λειτουργήσει άρτια σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών ( -10 C 0 έως +80 C 0 ) και με σταθερότητα καλύτερη από 1% ανά έτος Θερμοζεύγη Εικόνα 14 Πυρανόμετρο CM 3 Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιήθηκαν θερμοζεύγη χαλκούκονσταντάνης (CuNi-τύπου T) τα οποία συνδέθηκαν με το σύστημα καταγραφής. Τα θερμοζεύγη τύπου Τ έχουν τη δυνατότητα να μετρήσουν θερμοκρασίες από -185 C 0 έως +300 C 0 με ακρίβεια ± 0.5 C 0 μεταξύ -40 C C 0 και ± C 0 x T μεταξύ +125 C 0 και +300 C 0 όπου Τ η τιμή της ένδειξης της θερμοκρασίας του οργάνου. 62

63 6.4 Αυτόματη λήψη και καταγραφή μετρήσεων Αυτόματο καταγραφικό Για την καταγραφή και αποθήκευση των μετρήσεων των διαφόρων παραμέτρων χρησιμοποιήθηκε ένα αυτόματο καταγραφικό (data logger) της εταιρίας Campbell Scientific Instrument με την εμπορική ονομασία CR 10X (εικόνα 15). Το μοντέλο αυτό διαθέτει 12 αναλογικές εισόδους (ή 6 διαφορικές) με resolution 13 bit, δύο παλμικές εισόδους, τρεις εξόδους διέγερσης αισθητήρων ( για αισθητήρες που απαιτούν κάποια τάση για να παράγουν σήμα) και οκτώ ψηφιακές θύρες I/O. Επίσης, έχει ρολόι πραγματικού χρόνου με ακρίβεια της τάξης του ±1-2 λεπτών/μήνα. Ο CR 10X μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να μετρά τόσο μετεωρολογικές παραμέτρους όσο ηλεκτρονικές παραμέτρους με περίοδο από δέκατα του δευτερολέπτου έως μέχρι πολλές ώρες. Παράλληλα ο data logger έχει την δυνατότητα να πραγματοποιεί μέσω ενσωματωμένων συναρτήσεων στατιστική ανάλυση από τα μετρούμενα μεγέθη όπως μέσες τιμές κάποιας χρονικής περιόδου, μέσες ωριαίες τιμές, τυπικές αποκλίσεις κ.α. Εκτός από τις μετρήσεις των αισθητήρων το καταγραφικό αποθηκεύει τις τιμές πέντε ακόμα παραμέτρων. Αυτές είναι ο κώδικας διαχωρισμού των τιμών, η κωδική ονομασία του συστήματος, το έτος, την Ιουλιανή ημερομηνία και την ώρα. Εικόνα 15 Αυτόματο καταγραφικό τύπου CR10X Η μνήμη του CR 10X είναι τύπου EEPROM για το λειτουργικό σύστημα και SRAM για την αποθήκευση των δεδομένων. Το αυτόματο καταγραφικό διαθέτει εσωτερική μνήμη 128 KB SRAM και 128 KB FLASH CR 10X (EEPROM) με δυνατότητα επέκτασης της μνήμης από μονάδες FLASH με χωρητικότητες 2 MB 4 MB 16 MB. Σε περίπτωση διακοπής της τροφοδοσίας οι μνήμες EEPROM και SRAM δεν χάνουν τις αποθηκευμένες τιμές καθώς αντλούν την απαιτούμενη ενέργεια από ανεξάρτητη μπαταρία λιθίου, η οποία έχει διάρκεια ζωής τεσσάρων ετών. Ο CR 10X υποστηρίζει κάθε είδους επικοινωνία συμπεριλαμβανόμενης της δορυφορικής ζεύξης και της ζεύξης μέσω ραδιοδικτύου. Ο πιο κοινός τρόπος επικοινωνίας είναι η σύνδεση του με έναν υπολογιστή μέσω της θύρας RS 232 και του interface SC929 της Campbell Scientific. 63

64 6.4.2 Σύστημα πολυπλεξίας Στον CR 10X υπάρχει η δυνατότητα να συνδεθούν διάφορες κάρτες επέκτασης εισόδων. Μία από αυτές είναι η μονάδα πολυπλεξίας (Multiplexer) που δίνει την δυνατότητα λήψης περισσότερων αναλογικών ( ή διαφορικών) μετρήσεων από τον περιορισμένο αριθμό του CR 10X. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε είναι το AM416 της εταιρίας Campbell Scientific. Εικόνα 16 Μονάδα Πολυπλεξίας (Multiplexer) AM416 Το AM416 είναι τοποθετημένο σε ένα αλουμινένιο κουτί για καλή απαγωγή της θερμότητας και διαθέτει 4 σειρές με 16 διαθέσιμες θύρες υποδοχής η κάθε μία. Το μοντέλο αυτό μπορεί να μετρήσει 32 αναλογικά ( ή 16 διαφορικά) εξωτερικά σήματα και συνδέεται σε μια από τις διαθέσιμες θέσεις διαφορικής μέτρησης του αυτόματου καταγραφικού LoggerNet 3.1 Datalogger Support Software Α) Λογισμικό Υποστήριξης Η επικοινωνία με το αυτόματο καταγραφικό CR 10X πραγματοποιήθηκε με το πρόγραμμα LoggerNet 3.1. Το LoggerNet είναι ένα λογισμικό πακέτο μέσω του οποίου οι χρήστες έχουν την δυνατότητα να οργανώσουν, να διαμορφώσουν και να ανακτήσουν δεδομένα από ένα δίκτυο από αυτόματα καταγραφικά της εταιρίας Campbell Scientific. Το πρόγραμμα σχεδιάστηκε βασιζόμενο σε μια αναβαθμισμένη αρχιτεκτονική χρήστη-εξυπηρετητή (client-server). O server λειτουργεί στο παρασκήνιο φροντίζοντας για την επικοινωνία του datalogger με τα επιμέρους μέρη του συστήματος. Παράλληλα, είναι υπεύθυνος για αποθήκευση των δεδομένων και την ανάκτησή τους από τη μνήμη του CR 10X όταν απαιτηθεί. Επίσης, το λογισμικό είναι σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε κάποιες εφαρμογές να μπορούν να τρέχουν σε οποιονδήποτε υπολογιστή ο οποίος συνδέεται με τον κύριο υπολογιστή μέσω δικτύων που υποστηρίζουν το πρωτόκολλο TCP/IP. Τέτοια δίκτυα είναι τα Τοπικά 2ίκτυα Υπολογιστών (LAN), τα 2ίκτυα Ευρείας Περιοχής (WAN) και το Internet. 64

65 Β) Γραμμή εργαλείων Όταν το λογισμικό LoggerNet εγκατασταθεί στον κύριο υπολογιστή εμφανίζεται η κεντρική γραμμή εργαλείων (εικόνα 17) μέσω της οποίας γίνεται η οργάνωση και η εκτέλεση των εφαρμογών. Εικόνα 17 Γραμμή εργαλείων του LoggerNet Η γραμμή εργαλείων αποτελείται από 10 καρτέλες που σχετίζονται με τον προγραμματισμό του CR10X, την επικοινωνία του με τον υπολογιστή, τη συλλογή δεδομένων κ.α. Ειδικότερα, οι καρτέλες αυτές είναι: 1. EZSetup: Το EZSetup είναι η πρώτη εφαρμογή που εκτελείται όταν το λογισμικό LoggerNet τρέξει για πρώτη φορά. Έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε ο χρήστης με διαδοχικά βήματα να μπορεί να δημιουργήσει ένα απλό δίκτυο από αυτόματα καταγραφικά. Η παραπάνω διαδικασία περιλαμβάνει ρυθμίσεις που σχετίζονται μεταξύ των άλλων με το είδος του καταγραφικού που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί, τη θύρα σύνδεσής του με τον κύριο υπολογιστή, την ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων και τον καθορισμό του σημείου αποθήκευσης των δεδομένων. 2. Setup: Σε αυτή την καρτέλα ο χρήστης έχει την δυνατότητα να καθορίσει με περισσότερες λεπτομέρειες τις παραμέτρου που απαιτούνται για τη λειτουργία του CR10X. Εκτός από τις βασικές ρυθμίσεις σύνδεσης και επικοινωνίας σε αυτήν την καρτέλα μπορεί να ρυθμιστεί η ώρα του αυτόματου καταγραφικού, ο τρόπος επικοινωνίας του συστήματος με το χρήστη, να αποσταλεί το πρόγραμμα του CR10X κ.α. 3. Connect: Η καρτέλα αυτή είναι από τα βασικότερα τμήματα του λογισμικού πακέτου LoggerNet 3.1. Παρέχει την δυνατότητα σύνδεσης του datalogger σε πραγματικό χρόνο με το πρόγραμμα. Επίσης παρέχονται εργαλεία μέσω των οποίων μεταφέρονται προγράμματα στη μνήμη του καταγραφικού, ρυθμίζετε η ώρα του καταγραφικού, συλλέγονται τα δεδομένα και παρακολουθείται η σύνδεση του datalogger σε ένα τερματικό πλαίσιο. Επίσης είναι η δυνατή τόσο η παρακολούθηση των τιμών των μετρήσεων όσο και η γραφική τους αναπαράσταση σε πραγματικό χρόνο. 4. Status: Η καρτέλα περιέχει εργαλεία για την αναπαράσταση χρήσιμων στατιστικών στοιχείων που αφορούν την επικοινωνία μεταξύ του καταγραφικού και χρήστη σε όλα τα επίπεδα. Επίσης παρέχει μια εικονική αναπαράσταση των συσκευών που είναι συνδεμένες με το δίκτυο προβάλλοντας τυχόν σφάλματα επικοινωνίας προτείνοντας παράλληλα τρόπους διόρθωσης αυτών. 5. Edlog: Η εφαρμογή αυτή χρησιμοποιείται για την σύνταξη του προγράμματος βάσει του οποίου καθορίζεται το είδος των μετρήσεων, τις θέσεις των αισθητήρων μέσα στο αυτόματο καταγραφικό, τη χρονική περίοδο των μετρήσεων και το χρονικό διάστημα ολοκλήρωσης των δεδομένων. Η παραπάνω διαδικασία πραγματοποιείται μέσω ενός editor σε συνδυασμό με ενσωματωμένες εντολές που διαθέτει το πρόγραμμα αλλάζοντας κάθε φορά τις παραμέτρους των 65

66 εντολών. Το Edlog χρησιμοποιείται για τη σύνταξη προγραμμάτων στα μοντέλα CR7, CR500, CR510, CR10, CR10X, CR21X και CR23X. 6. Short Cut: Η καρτέλα αυτή δημιουργεί προγράμματα για τους dataloggers της εταιρίας Campbell Scientific σε τέσσερα απλά βήματα. Το εργαλείο Short Cut απευθύνεται κυρίως σε χρήστες που χρειάζονται απλά προγράμματα και ταυτόχρονα χωρίς να διαθέτουν μεγάλη εμπειρία στο προγραμματισμό. 7. CRBasic: Το CRBasic είναι μία εφαρμογή για τη σύνταξη προγραμμάτων για τα καταγραφικά CR5000, CR1000, CR9000 και CR200. Απευθύνεται σε χρήστες με μεγάλη εμπειρία στη σύνταξη προγραμμάτων που χρειάζονται ευελιξία και έλεγχο στην λειτουργία του datalogger. Για την σύνταξη απαιτείται η γνώση της γλώσσας προγραμματισμού SCWIN η οποία βασίζεται γλώσσα προγραμματισμού Visual BASIC. 8. View-Split: Το View και το Split είναι δύο εργαλεία ανάλυσης των δεδομένων. Ειδικότερα, το εργαλείο View παρέχει την δυνατότητα στο χρήστη να δει ομαδοποιημένα τα δεδομένα καθώς και την γραφική τους αναπαράσταση. Το View μπορεί να επεξεργαστεί αρχεία δεδομένων διαφόρων τύπων (.DAT,.PRN,.CSV) όπως και CSI αρχεία (.DLD,.CSI,.PTI,.FSL,.CR2,.CR5,.CR1,.CR9). Το Split είναι συμπληρωματικό εργαλείο του View και χρησιμοποιείται στην ανάλυση των δεδομένων που έχουν συλλεχθεί. Μπορεί να παράγει στατιστικά, να πραγματοποιεί σχετικά περίπλοκους υπολογισμούς και να δημιουργεί εκθέσεις φιλτράροντας τα δεδομένα σύμφωνα με την ώρα και τις συνθήκες των πειραμάτων. 9. RTCM (Real-Time Monitor and Control): Το εργαλείο RTCM επιτρέπει την δημιουργία γραφικών παραστάσεων σε πραγματικό χρόνο καθώς ο datalogger συλλέγει τα δεδομένα. 66

67 Κεφάλαιο 7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 7.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα των μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν κατά το χρονικό διάστημα και Όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, οι μετρήσεις έγιναν με τη χρήση του αυτόματου καταγραφικού CR10X και περιλαμβάνουν τιμές τάσεων, ρευμάτων, θερμοκρασιών, ταχύτητα ανέμου και ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Το ελάχιστο χρονικό διάστημα μέτρησης του αυτόματου καταγραφικού ορίστηκε στα είκοσι δευτερόλεπτα αποδίδοντας μέσο όρο τιμών κάθε δέκα λεπτά. Οι μετρήσεις οι οποίες παρουσιάζονται αφορούν μέσες ωριαίες και μηνιαίες τιμές ανάλογα την περίπτωση. Με τη βοήθεια των μετρήσεων αυτών έγιναν υπολογισμοί και διαγράμματα που σχετίζονται με τη λειτουργία και την απόδοση τόσο των αυτόνομων μονάδων από τις οποίες αποτελείται η εγκατάσταση όσο και του υβριδικού συστήματος. Επιπλέον, παρουσιάζονται διαγράμματα που δείχνουν τη διακύμανση των βασικών μετεωρολογικών μεγεθών από τα οποία εξαρτάται η λειτουργία της εγκατάστασης. 7.2 Μετεωρολογικά μεγέθη Μετρήσεις ταχύτητας του ανέμου, θερμοκρασίας περιβάλλοντος καθώς και ηλιακής ακτινοβολίας πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων σύνολο 384 ημερών. Αισθητήρες ανέμου, ακτινοβολίας εγκαταστάθηκαν σε ύψος 3 μέτρων από την ταράτσα του κτιρίου ενώ αισθητήρες θερμοκρασίας (θερμοζεύγη) τοποθετήθηκαν σε διάφορα σημεία της εγκατάστασης Θερμοκρασία περιβάλλοντος Η μέση μηνιαία θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ήταν 21.93C 0. Η μέγιστη μέση μηνιαία θερμοκρασία περιβάλλοντος πραγματοποιήθηκε τον Αύγουστο 2008 λαμβάνοντας την τιμή T a-ave,max =32.69C 0 ενώ ελάχιστη μηνιαία θερμοκρασία μετρήθηκε το Φεβρουάριο 2007 λαμβάνοντας την τιμή T a-ave,min =13.38C 0. Κατά τους ίδιους μήνες καταγράφηκε η μέγιστη και η ελάχιστη τιμή της θερμοκρασίας,οι οποίες ήταν T a-max =39.80C 0 και T a-min =1.5C 0 αντίστοιχα. Στο διάγραμμα 1 φαίνεται η μεταβολή της μέσης μηνιαίας θερμοκρασίας περιβάλλοντος κατά το χρονικό διάστημα Σεπτέμβριος Σεπτέμβριος Επίσης, είναι σημαντικό να γίνει αναφορά στη διαφορά μεταξύ της ελάχιστης και της μέγιστης ημερήσιας τιμής της θερμοκρασίας περιβάλλοντος κατά την διάρκεια κάθε μήνα. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα 2 η μέγιστη τιμή της διαφοράς αυτής καταγράφηκετον Σεπτέμβριο 2008 λαμβάνοντας την τιμή 16.05C 0 ενώ η ελάχιστη τον Σεπτέμβριο 2007 λαμβάνοντας την τιμή 5.84C 0. 67

68 Διάγραμμα 1 Διακύμανση της μέσης μηνιαίας θερμοκρασίας περιβάλλοντος Διάγραμμα 2 Μέγιστη και ελάχιστη μέση ημερήσια θερμοκρασία κάθε μήνα 68

69 7.2.2 Ταχύτητα ανέμου Η μέση ημερήσια ταχύτητα του ανέμου κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ήταν 2.99 m/s, ενώ η μέγιστη μέση ημερήσια τιμή πoυ μετρήθηκε στις 24 Ιανουαρίου 2007 αγγίζοντας την τιμή των m/s. Στo διάγραμμα 3 φαίνεται το πλήθος των μέσων ημερήσιων τιμών της ταχύτητας του ανέμου για διάφορες περιοχές ταχυτήτων. Όπως παρατηρούμε, το σύνολο των ημερήσιων τιμών της ταχύτητας του ανέμου έχει τιμές μεταξύ 1-3 m/s γεγονός που αντικατοπτρίζεται στο διάγραμμα της μέσης μηνιαίας ταχύτητας για το χρονικό διάστημα των πειραμάτων, διάγραμμα 4. Διάγραμμα 3 Πλήθος τιμών της ταχύτητας του ανέμου ανά περιοχές ταχυτήτων Επίσης από το διάγραμμα 4 παρατηρούμε την έντονη διακύμανση της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια του μήνα, από το γεγονός ότι η μέση ημερήσια ταχύτητα του ανέμου είναι πολύ μικρότερη ή μεγαλύτερη σε σχέση με τη μέγιστη ή ελάχιστη ημερήσια τιμή του ανέμου. Παράλληλα, φαίνεται μία μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου ανά εποχή. Πιο συγκεκριμένα, η μέση ταχύτητα του ανέμου παρουσιάζει μία αύξηση κατά την περίοδο Φθινοπώρου-Χειμώνα που μεγιστοποιείται το μήνα Μάρτιο 08 ενώ από την περίοδο της άνοιξης πραγματοποιείται μια μικρή μείωση της μέσης ταχύτητας που συνεχίζεται μέχρι το μήνα Σεπτέμβριο

70 Διάγραμμα 4 Διακύμανση της μέσης μηνιαίας ταχύτητας του ανέμου Ηλιακή ακτινοβολία Η μέση ηλιακή ακτινοβολία στο χρονικό διάστημα που πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις είχε την τιμή G = 431W / m2, η οποία ανταποκρίνεται στο δυναμικό της ηλιακής ενέργειας στην περιοχή των Πατρών και γενικότερα της δυτικής Ελλάδας. Η μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία όπως φαίνεται στην διάγραμμα 5 παρουσιάζει μείωση κατά τους μήνες Οκτώβριο εκέμβριο 2007 λόγω νεφώσεων που υπήρχαν τη συγκεκριμένη περίοδο. Επίσης στο διάγραμμα 6 παρουσιάζεται η μεταβολή της μέσης ημερήσιας ηλιακής ακτινοβολίας. Η σημαντική διακύμανση των τιμών της ακτινοβολίας είναι εμφανής κατά την περίοδο του φθινοπώρου και χειμώνα ενώ από τα μέσα Μαΐου έως τα τέλη Αυγούστου υπάρχει μια σταθερότητα των τιμών λόγω καλοκαιρινής περιόδου. 70

71 Διάγραμμα 5 Διακύμανση της μέσης μηνιαίας ηλιακής ακτινοβολίας Διάγραμμα 6 Μεταβολή μέσης ημερήσιας ηλιακής ακτινοβολίας 71

72 7.2.4 Συμπεράσματα Η αξιοποίηση του ηλίου (φωτοβολταϊκές γεννήτριες-θερμικά συστήματα) και του ανέμου (ανεμογεννήτριες) ως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας φαίνεται να παρουσιάζουν μια συμπληρωματικότητα στην παραγωγή ενέργειας κατά τη διάρκεια του έτους. Ειδικότερα, κατά τη διάρκεια του χειμώνα όπου η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι σε χαμηλά για την τοποθεσία επίπεδα, η ταχύτητα του ανέμου παίρνει τις μέγιστες τιμές της ενώ κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού παρατηρούμε ότι η ένταση του ανέμου είναι χαμηλότερη γεγονός που εξισορροπείται από τη αύξηση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. 7.3 Αυτόνομες μονάδες Μετρήσεις ενεργειακής εξόδου και αποδόσεις φβ Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται πειραματική καμπύλη της ενεργειακής εξόδου και της απόδοσης των φβ. Στο διάγραμμα 7 φαίνεται η ενεργειακή έξοδος των φβ που έχει προκύψει από μέσες ωριαίες τιμές. Όπως μπορεί να παρατηρήσει κανείς η καμπύλη του γραφήματος είναι ευθέως ανάλογη της ηλιακής ακτινοβολίας γεγονός που αναμενόταν. Επιπλέον από το γράφημα φαίνεται ότι η μέγιστη ισχύς των πλαισίων σε συνθήκες πραγματικής λειτουργίας αγγίζει την τιμή 170 W, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει μία διαφορά του 12% σε σχέση με την ονομαστική μέγιστη ισχύ εξόδου των φβ πλαισίων που είναι 216 W. Διάγραμμα 7 Ενεργειακή καμπύλη φβ πλαισίων (μέσες ωριαίες τιμές) Στο διάγραμμα 8 φαίνεται η συνολικά μηνιαία παραγόμενη ισχύς από τα φβ πλαίσια παράλληλα με την απόδοση αυτών σε σχέση με την συνολικά προσπίπτουσα 72

73 ηλιακή ακτινοβολία στα πλαίσια. Η προσπίπτουσα ακτινοβολία (W) στην επιφάνεια των πλαισίων υπολογίστηκε από την ένδειξη του πυρανομέτρου (W m-2) πολλαπλασιασμένη επί την επιφάνεια των φ/β ενώ η απόδοση υπολογίστηκε από τη σχέση: όπου n η απόδοση των φ/β πλαισίων, P out (W) η ενεργειακή έξοδος των φ/β, G(W/m 2 ) η ηλιακή ακτινοβολία και A a (m 2 ) η συνολική επιφάνεια των φβ. Να σημειωθεί ότι ο υπολογισμός τόσο της ενεργειακής εξόδου όσο και της απόδοσης των φβ πλαισίων πραγματοποιήθηκε με βάση το σύστημα φβ-ρυθμιστή φόρτισης-μπαταρία. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό είναι ότι ο ρυθμιστής φόρτισης φροντίζει να διακόψει την παραγωγή ενέργειας όταν η μπαταρία φορτίζεται πλήρως. Έτσι ορισμένες από τις παρουσιαζόμενες τιμές είναι λίγο μικρότερες από εκείνες που θα προέκυπταν αν θεωρηθεί η λειτουργία μόνο των φβ πλαισίων. Από το διάγραμμα 8 φαίνεται η χαμηλή παραγωγή ενέργειας που παρουσιάζουν τα φβ πλαίσια σε σχέση με την προσπίπτουσα ακτινοβολία από τον ήλιο γεγονός που αντικατοπτρίζεται και από την απόδοση των πλαισίων που κατά τη διάρκεια των πειραμάτων είχε μέση τιμή 6.29 %. (35) Διάγραμμα 8 Μηνιαία ενεργειακή συμπεριφορά και απόδοση των φβ Διαγράμματα ημερήσιας απόδοσης και ισχύος φβ Παρακάτω παρατίθενται δύο ημερήσια διαγράμματα της ενεργειακής συμπεριφοράς των φβ πλαισίων σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις. Στο διάγραμμα 9 φαίνεται η μεταβολή της παραγόμενης ισχύς και απόδοσης του συστήματος στη διάρκεια μιας ενδεικτικής ημέρας με πολύ καλή προσπίπτουσα ηλιακής ακτινοβολία. Όπως είναι 73

74 φανερό η παραγόμενη ισχύς αυξάνεται με την πάροδο της ώρας και μεγιστοποιείται στις 12:00 όταν ο ήλιος βρίσκεται στην μέγιστη για την περιοχή θέση του. Διάγραμμα 9 Ημερήσια ενεργειακή συμπεριφορά και απόδοση των φβ με κατανάλωση Στο διάγραμμα 10 φαίνεται η συμπεριφορά του συστήματος στην περίπτωση η κατανάλωση είναι πολύ μικρή. Για την επίτευξη του πειράματος αυτού, αρχικά εκφορτίσαμε την μπαταρία και κατόπιν μειώσαμε το φορτίο κατανάλωσης. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα στην αρχή της ημέρας τα φβ πλαίσια να αρχίσουν την παραγωγή ενέργειας μέχρι έως ότου φορτιστεί η μπαταρία και στη συνέχεια να επεμβαίνει ο ρυθμιστής φόρτισης μειώνοντας στο ελάχιστο την παραγωγή. Η επέμβαση του ρυθμιστή φόρτισης πραγματοποιείται με σκοπό την προστασία της μπαταρίας από φαινόμενα υπερφόρτισης. 74

75 Διάγραμμα 10 Ημερήσια ενεργειακή συμπεριφορά και απόδοση των φβ χωρίς κατανάλωση Μετρήσεις ενεργειακής εξόδου και απόδοσης Α/Γ Εδώ παρουσιάζεται διαγράμματα που σχετίζονται με την ενεργειακή έξοδο της Α/Γ, την απόδοσή της καθώς και την ενεργειακή έξοδο της Α/Γ για κάθε μήνα ξεχωριστά. Ο αριθμός των σημείων που φαίνονται στα παρακάτω διαγράμματα δεν αντιστοιχεί στον συνολικό αριθμό που θα έπρεπε να είναι για το χρονικό διάστημα των μετρήσεων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η Α/Γ μετά την πάροδο οχτώ περίπου μηνών παρουσίασε μηχανική βλάβη, η διόρθωση της οποίας ή ακόμα και η αντικατάστασή της δεν ήταν δυνατή. Συνεπώς, η ενεργειακή έξοδός της Α/Γ για τους υπολοίπους μήνες προσομοιάστηκε βάσει των τιμών της ταχύτητας του ανέμου και την υπάρχουσα καμπύλη της ενεργειακής εξόδου της Α/Γ. Παρακάτω παρουσιάζεται η ενεργειακή έξοδος της Α/Γ σε συνθήκες πραγματικής λειτουργίας για ένα σύνολο 269 ημερών με σημεία που προκύπτουν από μέσες ωριαίες τιμές. 75

76 Διάγραμμα 11 Ενεργειακή καμπύλη Α/Γ για σύνολο 269 ημερών (μέσες ωριαίες τιμές) Η καμπύλη αυτή δε μπορεί να συγκριθεί με την αντίστοιχη θεωρητική καμπύλη της Α/Γ που παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο αφού τα σημεία αυτής προκύπτουν από μέσες τιμές και δεν αφορούν την στιγμιαία έξοδο αυτής, η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη. Επιπλέον όπως φαίνεται από το παραπάνω διάγραμμα η Α/Γ έχει τιμή εκκίνησης τα 3.5 m s -1 ενώ για τιμές της ταχύτητας του ανέμου μεγαλύτερες από 5.5 m s -1 η καμπύλη να χωρίζεται σε δύο επιμέρους καμπύλες. Αυτό οφείλεται στις διαφορετικής κατεύθυνσης ριπές ανέμου που δέχεται η Α/Γ σε σύντομο χρονικό διάστημα καθώς επίσης και στις έντονες αναταραχές που δημιουργούνται. Η παραπάνω συμπεριφορά της Α/Γ παρατηρήθηκε σε έρευνα που πραγματοποίησε το National Renewable Energy Laboratory (NREL)και δημοσιεύθηκε υπό τον τίτλο: Technical Report: Power Performance Test Report for the Southwest Windpower AIR-X Wind Turbine. 76

77 Διάγραμμα 12 Απόδοση Α/Γ σε συνάρτηση με την ταχύτητα ανέμου Στο παραπάνω διάγραμμα φαίνεται η διακύμανση της απόδοσης της Α/Γ για διάφορες ταχύτητες ανέμου. Όπως και στο προηγούμενο διάγραμμα, η απόδοση της Α/Γ ακολουθεί μια παρόμοια συμπεριφορά. Παρατηρείται ότι η απόδοση της Α/Γ αυξάνει μέχρι τα 5.5 m s -1 ενώ από εκεί και ύστερα αρχίζει να μειώνεται. Ο λόγος για αυτή την συμπεριφορά είναι οι έντονες διαταραχές του ανέμου που έχει ως συνέπεια την συνεχόμενη εκτροπή της Α/Γ από την κύρια ροή του ανέμου με αποτέλεσμα την μειωμένη απόδοση αυτής. Επίσης για τιμές της ταχύτητας του ανέμου γύρω στα 4 m s-1 η απόδοση της Α/Γ άγγιξε τα 32%. Αυτό οφείλεται στη σταθερότητα της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου κατά τη διάρκεια του διαστήματος μέτρησης του αυτόματου καταγραφικού. Όπως και στην περίπτωση των φβ πλαισίων, η απόδοση της Α/Γ υπολογίζεται με βάση το σύστημα Α/Γ-μπαταρία. Συνεπώς, οι παρουσιαζόμενες τιμές τόσο της παραγόμενης ενέργειας από την Α/Γ όσο και η απόδοση αυτής θα είναι μικρότερες από εκείνες που θα προέκυπταν αν θεωρούσαμε την λειτουργία μόνο της Α/Γ. Παρακάτω παρουσιάζεται η συνολικά παραγόμενη ισχύς από την Α/Γ παράλληλα με την ισχύ του ανέμου κατά τους μήνες λειτουργίας της Α/Γ. 77

78 Διάγραμμα 13 Συνολικά παραγόμενη ισχύς για κάθε μήνα Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως για ένα χρονικό διάστημα τεσσάρων περίπου μηνών (127 ημερών) η ενεργειακή έξοδος της Α/Γ προσομοιάστηκε με βάσει την πειραματική καμπύλη της ενεργειακής εξόδου της Α/Γ που φαίνεται στο αντίστοιχο διάγραμμα. Για το σκοπό θεωρήσαμε ότι η παραγόμενη ισχύ από την Α/Γ ακολουθεί μια μέση κατάσταση που αντιστοιχεί στην καμπύλη μαύρου χρώματος που φαίνεται στο διάγραμμα 11. Η εξίσωση της καμπύλης αυτής είχε την μορφή: Βάσει της εξίσωσης αυτής και των τιμών της ταχύτητας του ανέμου υπολογίστηκε η ενεργειακή έξοδο και απόδοση της Α/Γ για το συγκεκριμένο διάστημα. Στα διαγράμματα που ακολουθούν παρουσιάζονται η έξοδος και η απόδοση της Α/Γ. (36) 78

79 Διαγράμματα 14, 15 Αποτελέσματα προσομοίωσης Α/Γ Διαγράμματα ημερήσιας απόδοσης κα ισχύος Α/Γ Στα διαγράμματα που ακολουθούν φαίνεται η συμπεριφορά της Α/Γ σε ημερήσια βάση για δύο ενδεικτικές ημέρες με διαφορετικές ταχύτητες ανέμου. 79

80 Διάγραμμα 16 Ημερήσια συμπεριφορά Α/Γ για μέτρια ταχύτητα ανέμου Στα διαγράμματα που παρουσιάζονται σε αυτήν την ενότητα φαίνεται η ενεργειακή έξοδος της Α/Γ για δύο ημέρες σε συνδυασμό τόσο με την ταχύτητα του ανέμου όσο και με την συνολική παρεχόμενη από τον άνεμο ισχύ. Η ενέργεια που παρέχεται από τον άνεμο για είναι ανάλογη με το εμβαδό που ορίζεται από τα πτερύγια της Α/Γ και με τον κύβο της ταχύτητας του ανέμου και υπολογίζεται από τη σχέση: (37) όπου ρ η πυκνότητα του ανέμου που λαμβάνεται ίση με Κg/m 3, S το εμβαδό των πτερυγίων που έχει την τιμή 1.24 m 2 και υ η ταχύτητα του πνέοντας ανέμου. 80

81 Διάγραμμα 17 Ημερήσια συμπεριφορά Α/Γ για μεγάλη ταχύτητα ανέμου Μελέτη θερμοσιφωνικού συλλέκτη Η μελέτη των ηλιακών συσκευών έχει ως στόχο την αξιολόγηση της λειτουργίας τους και τον καθορισμό της συνολικής τους αποδοτικότητα σε σχέση με τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της τοποθεσίας εγκατάστασης και τις κλιματολογικές συνθήκες. Οι βασικοί παράμετροι που υπολογίζονται κατά τη διάρκεια της πειραματικής μελέτης είναι η ημερήσια απόδοση λειτουργίας και οι θερμικές απώλειες της συσκευής τόσο κατά τη διάρκεια της μέρας όσο και της νύχτας. Όταν η συσκευή λειτουργεί ως συλλέκτης, τότε χρησιμοποιείται συνήθως η μέθοδος του προσδιορισμού της στιγμιαίας απόδοσής του. Στη εργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε μια άλλη μέθοδος, με την οποία προσεγγίζεται η μέση ημερήσια απόδοση, υπολογίζοντας τη θερμότητα που προσέλαβε το νερό από τις μέσες τιμές της αρχικής και τελικής θερμοκρασίας του κατά τη διάρκεια 12ωρης λειτουργίας της συσκευής Πειραματικός προσδιορισμός της μέσης ημερήσιας απόδοσης του Θερμοσιφωνικού Συλλέκτη Η πειραματική διαδικασία με της μεθόδου ξεκινά με την εισαγωγή νερού θερμοκρασίας T i,m στο δοχείο της συσκευής και παράλληλα την καταγραφή των μετρήσεων της θερμοκρασίας του νερού T w, της θερμοκρασίας περιβάλλοντος T a, της ηλιακής ακτινοβολίας G και της ταχύτητας του πνέοντος ανέμου V w καθ ολη τη διάρκεια των 12 ωρών. Η παραπάνω διαδικασία συνεχίζεται για μια περίοδο τριών ημερών χωρίς απομάστευση νερού έτσι ώστε η θερμοκρασία εκκίνησης του στην αρχή της ημέρας να είναι διαφορετική. Για τον υπολογισμό της μέσης ημερήσιας απόδοσης n d στη διάρκεια της 12ωρης ημερήσιας λειτουργίας λαμβάνονται οι τιμές της αρχικής T i,m και τελικής T f,m μέσης θερμοκρασίας του νερού του δοχείου, η μάζα του νερού M w (kg), η ειδική θερμότητα του 81

82 νερού C p,w (Jkg -1 K -1 ), η μάζα του δοχείου M T (kg), η ειδική θερμότητα του δοχείου C p,t (Jkg -1 K -1 ), και το χρονικό διάστημα Δt = t f f i =12h =43200s. Από τα παραπάνω και θεωρώντας ότι στη διάρκεια του 12ωρου η μέση θερμοκρασία του νερού είναι ίση με τη θερμοκρασία του δοχείου αποθήκευσης είναι δυνατός ο υπολογισμός της θερμότητας του νερού Q w και της θερμότητας του άδειου δοχείου Q T από τις παρακάτω εξισώσεις: (38) (39) Η μέση ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας G m στο χρονικό διάστημα Δt = t f t i υπολογίζεται από την ολοκλήρωμα: Η συνολική προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια Q R στην επιφάνεια ανοίγματος A a της συσκευής για το χρονικό διάστημα Δt προσδιορίζεται από την ολοκλήρωση της μετρούμενης έντασης G(t) : (40) Τελικά η μέση ημερήσια απόδοση d n του θερμοσιφωνικού συλλέκτη για τη θέρμανση του νερού υπολογίζεται σύμφωνα με τον ορισμό από τη σχέση: (41) Επίσης υπολογίζεται η παράμετρος ΔT m,d /G m (W -1 m 2 K) από τη σχέση: (42) Από τα πειραματικά ζεύγη n d και ΔT m,d /G m η μέση ημερήσια απόδοση της συσκευής μπορεί να ληφθεί με μια γραμμική προσέγγιση από τη σχέση: (43) Ο συντελεστής Α στην παραπάνω σχέση εκφράζει την μέγιστη μέση ημερήσια απόδοση n max της συσκευής όταν η μέση θερμοκρασία του νερού T w,m είναι ίση με τη μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος T a,m στο χρονικό διάστημα των 12 ωρών. Ο συντελεστής Β (WK -1 m -2 ) εκφράζει τις θερμικές απώλειες της συσκευής ανά επιφάνεια ανοίγματος A a κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας του. (44) 82

83 Πειραματικός προσδιορισμός των θερμικών απωλειών του Θερμοσιφωνικού Συλλέκτη Στην προηγούμενη παράγραφο παρουσιάστηκε ο πειραματικός προσδιορισμός της μέσης ημερήσιας απόδοσης. Μία αντίστοιχη διαδικασία ακολουθείται για τον προσδιορισμό των θερμικών απωλειών της συσκευής κατά τη διάρκεια της νύχτας. Κατά τη διάρκεια της νύχτας λόγω απουσίας ηλιακής ακτινοβολίας η συσκευή είναι εκτεθειμένη άμεσα σε περιβάλλον με χαμηλότερη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Συγκεκριμένα, το νερό της συσκευής θερμαίνεται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 40 C 0 και αφήνεται να λειτουργήσει χωρίς απομάστευση νερού για ένα χρονικό διάστημα 12 ωρών από τις 18:30 το απόγευμα έως τις 06:30 το πρωί της επόμενης μέρας. Η διαδικασία αυτή συνδέεται άμεσα με την προηγούμενη που παρουσιάστηκε για τον υπολογισμό της μέσης ημερήσιας απόδοσης καθώς συμπίπτουν οι χρονικές στιγμές εκκίνησης και τερματισμού των δύο διαδικασιών. Αν το νερό του δοχείου έχει αρχική μέση θερμοκρασία T i,m τη χρονική στιγμή t i (18:30 το απόγευμα), τελική μέση θερμοκρασία T f,m τη χρονική στιγμή t f (06:30 το επόμενο πρωί) και μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος T a,m κατά τη διάρκεια του πειράματος, τότε ο συντελεστής θερμικών απωλειών U s (WK -1 ) υπολογίζεται από τη σχέση: όπου M w η μάζα του νερού του δοχείου, M T η μάζα του δοχείου, At το χρονικό διάστημα του πειράματος (Δt = t f t i =43200sec) και C p,w, C p,t η θερμοχωρητικότητα του νερού και του δοχείου αντίστοιχα. Κατά τον υπολογισμό του συντελεστή θερμικών απωλειών θεωρείται ότι η μέση θερμοκρασία του δοχείου ταυτίζεται με τη μέση θερμοκρασία του νερού. Τα πειραματικά ζεύγη (U s,t i,m T a,m ) αποτελούν τα πειραματικά δεδομένα υπολογισμού των θερμικών απωλειών κατά τη διάρκεια της νύχτας και συνδέονται μεταξύ τους με τη γραμμική σχέση: Στην παραπάνω σχέση ο συντελεστής Α εκφράζει τις θερμικές απώλειες της συσκευής όταν η μέση θερμοκρασία του νερού είναι ίση με τη μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος ενώ ο συντελεστής Β εκφράζει το ρυθμό μεταβολής των θερμικών απωλειών κατά τη διάρκεια της νύχτας συναρτήσει της ποσότητας. (45) Διάγραμμα μεταβολής της μέσης ημερήσιας απόδοσης και του συντελεστή θερμικών απωλειών του θερμοσιφωνικού συλλέκτη Παρακάτω παρατίθεται η γραφή παράσταση της μέσης ημερήσιας απόδοσης της συσκευής συναρτήσει του μεγέθους 2Τm,D/Gm, που είναι χαρακτηριστική παράμετρος για κάθε συσκευή και εξαρτάται από την αρχική και τελική θερμοκρασία του νερού από την θερμοκρασία περιβάλλοντος και από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. (46) 83

84 Διάγραμμα 18 Μέση ημερήσια απόδοση θερμοσιφωνικού συλλέκτη Από το παραπάνω διάγραμμα μπορούμε να βγάλουμε χρήσιμα συμπέρασμα σχετικά με τη συμπεριφορά του συλλέκτη. Γενικά, η εξίσωση της απόδοσης του συλλέκτη δίνεται από τη σχέση: όπου F R είναι ο συντελεστής απολαβής θερμότητας του συλλέκτη, τ είναι η διαπερατότητα τς γυάλινης επικάλυψης, α είναι η απορροφητικότητα από τη μαύρη επιφάνεια και U L είναι ο ολικός συντελεστής απωλειών. Συγκρίνοντας την εξίσωση (47) με τη εξίσωση που προέκυψε από την πειρατική καμπύλη του διαγράμματος 18 παρατηρούμε ότι F R (τα) = και F R U L = Ο πρώτος συντελεστής εκφράζει την μέγιστη απόδοση του συλλέκτη η οποία συμβαίνει για θερμοκρασία εισόδου ίση με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και ο δεύτερος συντελεστής εκφράζει το συντελεστή θερμικών απωλειών στη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας του. Στο διάγραμμα που ακολουθεί παρουσιάζεται η μεταβολή του συντελεστή νυχτερινών θερμικών απωλειών U s σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. (47) 84

85 Διάγραμμα 19 Μεταβολή του συντελεστή νυχτερινών θερμικών απωλειών με τη θερμοκρασία Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η ελάχιστη τιμή του συντελεστή θερμικών απωλειών είναι U s =2,1582 όταν θερμοκρασία εισόδου του νερού γίνει ίση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επιπλέον από το διάγραμμα φαίνεται ότι η τιμή του συντελεστή δεν είναι σταθερή αλλά αυξάνεται ανάλογα με τη διαφορά θερμοκρασίας του νερού ως προς το περιβάλλον λόγω των αυξημένων θερμικών απωλειών από ακτινοβολία και μεταφορά Ημερήσια διαγράμματα λειτουργίας του θερμοσιφωνικού συλλέκτη Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται διαγράμματα από δύο ημέρες που αντιστοιχούν σε διαφορετική εποχή του χρόνου σκοπό την μελέτη της ημερήσιας συμπεριφοράς του θερμοσιφωνικού συστήματος. Οι συγκεκριμένες μέρες επιλέχθηκαν ανάμεσα στις υπόλοιπές λόγω του γεγονότος ότι παρουσιάζουν παρόμοιες συνθήκες λειτουργίας όπως ένταση της ακτινοβολίας, ταχύτητα ανέμου και θερμοκρασίας εκκίνησης του νερού εντός του δοχείου ενώ διαφέρουν σημαντικά ως προς την θερμοκρασία περιβάλλοντος. 85

86 Διάγραμμα 20 Ημερήσιο διάγραμμα λειτουργίας του θερμοσιφωνικού συλλέκτη Όπως φαίνεται από τα διαγράμματα 20 και 21, η μέση θερμοκρασία του νερού εντός του δοχείου αυξάνεται όσο περνάει ο χρόνος μέχρι να μεγιστοποιηθεί σε κάποια τιμή ενώ αξίζει να σημειωθεί ότι η αύξηση αυτή παρουσιάζει μία καθυστέρηση σε σχέση με την μέγιστη τιμή της ηλιακής ακτινοβολίας, πράγμα που οφείλεται στην θερμική αδράνεια του συστήματος. Επιπλέον στα διαγράμματα αυτά παρατηρείται και η πτώση της μέσης θερμοκρασίας του νερού του δοχείου κατά τη διάρκεια της νύχτας λόγω των θερμικών απωλειών της συσκευής, οι οποίες στο διάγραμμα 22 φαίνεται να είναι μικρότερες λόγω υψηλότερης θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Διάγραμμα 21 Ημερήσιο διάγραμμα λειτουργίας του θερμοσιφωνικού συλλέκτη 86

87 Παρακάτω φαίνεται το διάγραμμα της μεταβολής της μέσης θερμοκρασίας του νερού του δοχείου για 3μερη λειτουργία χωρίς απομάστευση νερού θεωρώντας ότι το σύστημα στο τέλος της τρίτης ημέρας έχει φτάσει σε κατάσταση στασιμότητας (stagnation). Διάγραμμα 22 Μεταβολή των βασικών παραμέτρων του θερμοσιφωνικού συστήματος κατά την διάρκεια τριών ημερών. 87

88 Κεφαλαιο 8 ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗ ΧΡΗΣΗ Α/Γ, ΦΒ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ 8.1 Γενικά Η χρήση Α/Γ, φβ πλαισίων και θερμικών συλλεκτών ως συστήματα παραγωγής ενέργειας μπορεί να αποτελέσουν μια ενδιαφέρουσα περίπτωση εφαρμογής ΑΠΕ για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών ενός κτιρίου σε ηλεκτρισμό και θερμότητα. Στην κατεύθυνση αυτή γίνονται προσπάθειες προς την αναζήτηση μεθόδων συνδυασμού των παραπάνω συστημάτων που έχουν ως στόχο την αύξηση της απόδοσης της όλης διάταξης. Στα πλαίσια αυτά, το κεφάλαιο αυτό αφορά την συνδυαστική χρήση της Α/Γ, των φβ και του ηλιακού θερμικού συλλέκτη, όπου ένα μέρος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Μελετάται η περίπτωση του συνδυασμού της Α/Γ με υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά ηλιακά συστήματα νερού και αναλύεται ως ένα παράδειγμα, η δυνατότητα των συστημάτων αυτών να καλύψουν τις ηλεκτρικές και θερμικές απαιτήσεις δύο κατοικιών με διαφορετικές ενεργειακές απαιτήσεις. 8.2 Θέρμανση νερού με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης Εισαγωγή Για την συνδυασμένη χρήση της Α/Γ, των φβ πλαισίων και του θερμοσιφωνικού ηλιακού συλλέκτη εξετάσαμε την περίπτωση θέρμανσης του νερού του δοχείου της συσκευής με τη βοήθεια ηλεκτρικής αντίστασης. Αυτή η θεώρηση στηρίζεται στην υπόθεση της εκμετάλλευσης της πλεονάζουσας ενέργειας που πιθανόν να υπάρξει από την Α/Γ και τα φβ πλαίσια, μετατρέποντας την σε θερμική. Ειδικότερα, είναι πιθανόν να υπάρξουν μέρες κατά τις οποίες η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από την Α/Γ και τα φβ πλαίσια μπορεί να υπερκαλύψει τις ηλεκτρικές ανάγκες. Σε αυτές τις περιπτώσεις είναι δυνατή η μετατροπή της πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμική, με σκοπό την ανύψωση της μέσης θερμοκρασίας του νερού εντός του δοχείου βελτιώνοντας με αυτόν το τρόπο την ενεργειακή αξιοποίηση του συστήματος Πειραματικά αποτελέσματα θέρμανσης νερού με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης Στα πλαίσια της μελέτης για τη μετατροπή της πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμική πραγματοποιήθηκαν πειράματα με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης με στόχο το υπολογισμό του ποσού της ενέργειας που απαιτείται για την ανύψωση της μέσης θερμοκρασίας του νερού του δοχείου κατά 2Τ ( 0 C). Για τις ανάγκες του πειράματος τοποθετήθηκε στο μέσο του δοχείου αποθήκευσης του θερμοσιφωνικού συλλέκτη ηλεκτρική αντίσταση, ισχύος 3 kw. Η πειραματική διαδικασία αποτελούνταν 88

89 κάθε φορά από δύο φάσεις θέρμανσης σε διαφορετικές μέσες θερμοκρασίες του νερού και μια χρονική περίοδο ηρεμίας μεταξύ αυτών. Στο διάγραμμα 23 φαίνεται η μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού σε διαφορετικά σημεία του δοχείου σε τρεις διαφορετικές χρονικές περιόδους. Στα σημεία στα οποία μετρήθηκε η θερμοκρασία του νερού αντιστοιχούν στο κάτω, στο μεσαίο και στο άνω τμήμα εντός του δοχείου. Αρχικά τέθηκε σε λειτουργία η ηλεκτρική αντίσταση για ένα χρονικό διάστημα 1 ώρας (χρονικό διάστημα 10:00-11:00) που αντιστοιχεί στην περιοχή που ορίζεται από τα σημεία Α-Β (διάγραμμα 23), στη συνέχεια αφέθηκε το σύστημα να ηρεμήσει για ένα διάστημα 1 ώρας (χρονικό διάστημα 11:00-12:00-περιοχή Β-C) και κατόπιν τέθηκε σε λειτουργία πάλι η ηλεκτρική αντίσταση πάλι για ένα χρονικό διάστημα 1 ώρας (12:00-13:00- περιοχή C-D). Διάγραμμα 23 Διάγραμμα θέρμανσης νερού με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης (α) Κατά την πρώτη φάση της διαδικασίας η αρχική μέση θερμοκρασία του νερού (σημείο Α) ήταν T i-mean = C ενώ η μέγιστη τελική μέση θερμοκρασία μετά το πρώτο διάστημα θέρμανσης έφθασε την τιμή T f-mean = C (σημείο Ε) παρουσιάζοντας αύξηση κατά ΔT1 = C. Στη συνέχεια κατά το διάστημα της ηρεμίας (περιοχή Β-C) του συστήματος η μέση θερμοκρασία του νερού παρουσίασε μία πολύ μικρή άνοδο της τάξης του ΔT = C λαμβάνοντας την τελική τιμή T r-mean = C (σημείο F). Σε αυτό το διάστημα οι θερμοκρασίες που αντιστοιχούν στο μεσαίο και άνω τμήμα του δοχείου παρουσίασαν πτώση, η οποία εξισορροπήθηκε από την αύξηση της θερμοκρασίας νερού στο χαμηλό τμήμα του δοχείου. Η τρίτη φάση της διαδικασίας ξεκίνησε με τη μέση θερμοκρασία του νερού να είναι T r-mean =49,01 0 C (σημείο F) καταλήγοντας να πάρει την τιμή Tf= C (σημείο G) λίγο μετά το τέλος της περιόδου θέρμανσης παρουσιάζοντας άνοδο κατά ΔT 2 = C. Μετά την διακοπή της λειτουργίας της ηλεκτρικής αντίστασης οι θερμοκρασίες του νερού στο μεσαίο και άνω τμήμα του δοχείου ακολουθούν μια πτωτική πορεία ενώ αντίθετα η θερμοκρασία του νερού στο χαμηλό τμήμα συνεχίζει να αυξάνεται. Η 89

90 συμπεριφορά της θερμοκρασίας στο χαμηλό τμήμα του δοχείου οφείλεται θερμική αδράνεια του συστήματος στη μεταβολή της θερμοκρασίας. Η μεταβολή των θερμοκρασιών συνεχίζεται μέχρι να υπάρξει θερμική ισορροπία κατά την οποία οι τρεις θερμοκρασίες θα έχουν εξισωθεί. Η ενέργεια που δαπανήθηκε κατά την πρώτη φάση της διαδικασίας, για την ανύψωση της μέσης θερμοκρασίας του νερού κατά ΔT 1 = C, ήταν 3 kwh ενώ η ίδια ποσότητα ενέργειας δαπανήθηκε και στην τρίτη φάση του πειράματος για ανύψωση της μέσης θερμοκρασίας του νερού κατά ΔT 2 = C. Η διακύμανση των θερμοκρασιών του συστήματος κατά τη διάρκεια των τριών φάσεων του πειράματος φαίνονται στον πίνακα 1. Πίνακας 1 Θερμοκρασιακές μεταβολές του νερού του δοχείου (α) Παρόμοιο πείραμα με το προηγούμενο πραγματοποιήθηκε, με διαφορετικό ωστόσο χρονικό διάστημα θέρμανσης (διάγραμμα 24). Αυτή τη φορά η ηλεκτρική αντίσταση τέθηκε σε λειτουργία για ένα χρονικό διάστημα 15 λεπτών (χρονικό διάστημα 19:25-19:40-περιοχή Α-Β), στη συνέχεια αφέθηκε το σύστημα να ηρεμήσει για ένα διάστημα 45 λεπτών (χρονικό διάστημα 19:40-20:25-περιοχή Β-C) και κατόπιν τέθηκε σε λειτουργία πάλι η ηλεκτρική αντίσταση πάλι για ένα χρονικό διάστημα 15 λεπτών (χρονικό διάστημα 20:25-20:40-περιοχή C-D). Διάγραμμα 24 Διάγραμμα θέρμανσης νερού με χρήση ηλεκτρικής αντίστασης (β ) 90

91 Κατά την πρώτη φάση της διαδικασίας η αρχική μέση θερμοκρασία του νερού (σημείο Α) ήταν T i-mean =30,21 0 C ενώ η μέγιστη τελική μέση θερμοκρασία μετά το πρώτο διάστημα θέρμανσης έφθασε την τιμή T f-mean = C (σημείο Ε) παρουσιάζοντας αύξηση κατά ΔT1 = C. Στη συνέχεια κατά το διάστημα της ηρεμίας (περιοχή Β-C) του συστήματος η μέση θερμοκρασία του νερού παρουσίασε μία πολύ μικρή πτώση της τάξης του ΔT = C λαμβάνοντας τελικά την τιμή T r-mean = C (σημείο F). Η τρίτη φάση της διαδικασίας ξεκίνησε με τη μέση θερμοκρασία του νερού να είναι T r- Mean= C (σημείο F) καταλήγοντας να πάρει την τιμή Tf = C (σημείο G) λίγο μετά το τέλος της περιόδου θέρμανσης παρουσιάζοντας άνοδο κατά ΔT 2 = C. Η ηλεκτρική αντίσταση των 3 kw λειτούργησε και στις δύο φάσεις για ένα χρονικό διάστημα 15 λεπτών καταναλώνοντας ενέργεια ίση με 0.75 kwh κάθε φορά προκαλώντας ανύψωση της μέσης θερμοκρασίας του νερού ΔT 1 = C και ΔT 2 = C για κάθε φάση αντίστοιχα. Η διακύμανση των θερμοκρασιών του συστήματος κατά τη διάρκεια των τριών φάσεων του πειράματος παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 2 Θερμοκρασιακές μεταβολές του νερού του δοχείου (β) Από τα παραπάνω πειράματα και για τις δύο φάσεις όπου χρησιμοποιείται η ηλεκτρική αντίσταση για θέρμανση του νερού φαίνεται ότι για ανύψωση της μέσης θερμοκρασίας του νερού από διαφορετικές τιμές αρχικής μέσης θερμοκρασίας του νερού κατά ΔT =10 0 C απαιτείται να δαπανηθεί κατά μέσο όρο ενέργεια ίση kwh για ένα χρονικό διάστημα λειτουργίας t = 27.04min με χρήση αντίστασης 3 kw. 8.3 Συνδυασμός Α/Γ με υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά ηλιακά συστήματα (φβ/θ συστήματα ή PV/T systems) Στα πλαίσια του συνδυασμού αιολικής και ηλιακής ενέργειας για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων ενός κτιρίου η δυνατότητα χρήσης υβριδικών φωτοβολταϊκών/ θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι δυνατόν να αυξήσει την συνολική απόδοση της εγκατάστασης. Είναι γνωστό ότι το μεγαλύτερο μέρος της απορροφώμενης ηλιακής ακτινοβολίας από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό αλλά σε θερμότητα, η οποία συντελεί στην αύξηση της θερμοκρασίας τους με συνέπεια την μείωση της ηλεκτρικής τους απόδοσης. Τα ηλιακά συστήματα που έχουν την δυνατότητα να παρέχουν τόσο ηλεκτρική όσο και θερμική ενέργεια είναι τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα. Τα συστήματα αυτά όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενο κεφάλαιο αποτελούνται από φβ πλαίσια με ενσωματωμένη θερμική μονάδα απολαβής θερμότητας του φβ, όπου ένα κυκλοφορούν ρευστό θερμαίνεται, ψύχοντας ταυτόχρονα το φβ. Αυτές οι υβριδικές διατάξεις μπορούν να αξιοποιηθούν για την θέρμανση του νερού σε χαμηλές θερμοκρασίες (μέχρι 40oC) ώστε να επιτυγχάνεται παράλληλα και η διατήρηση χαμηλής θερμοκρασίας στα φ/β πλαίσια. 91

92 Στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Παν/μίου Πατρών έχουν αναπτυχθεί διάφορες μορφές φβ/θ συστημάτων, που χρησιμοποιούν νερό ή αέρα ως ρευστό απολαβής της θερμότητας για την βελτίωση της συνολικής τους ενεργειακής απόδοσης. Οι βασικοί τύποι υβριδικών φβ/θ συσκευών νερού (PVT/WATER) μπορούν να φέρουν πρόσθετο διαφανές κάλυμμα (PVT+GL) για αύξηση της θερμικής τους απόδοσης ή και να είναι ακάλυπτοι για να μην έχουν μείωση της ηλεκτρικής τους απόδοσης. Στο σχήμα 16 παρουσιάζονται οι προαναφερθέντες συνδυασμοί υβριδικών φβ/θ συλλεκτών νερού. Σχήμα 16 Υβριδικοί φβ/θ ηλιακοί συλλέκτες νερού, με ή χωρίς διαφανές κάλυμμα Στο αντικείμενο αυτό και βάσει της εργασία Y. Tripanagnostopoulos, M. Souliotis, Th. Makris, P. Georgostathis 2007 Design and performance of hybrid PV/T solar water heaters τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα νερού μπορούν να συνδεθούν με δοχείο αποθήκευσης νερού για ημερήσια λειτουργία με φυσική ροή αντικαθιστώντας τους επίπεδους θερμοσιφωνικούς συλλέκτες και τα φβ πλαίσια (σχήμα 17). Σχήμα 17 Υβριδικό φβ/θ θερμοσιφωνικό σύστημα Επιπλέον, βάσει της εργασίας Y. Tripanagnostopoulos, 2006: Cost effective designs of Building intergrated PV/T Solar systems για την αποφυγή της λειτουργίας των υβριδικών φβ/θ συλλεκτών σε υψηλή θερμοκρασία και κατά συνέπεια τη μείωση της 92

93 ηλεκτρικής απόδοσης τόσο από τη θερμοκρασία όσο και από τις οπτικές απώλειες που προέρχονται από τη χρήση πρόσθετου γυάλινου καλύμματος, οι συσκευές αυτές μπορούν να συνδυαστούν αποδοτικά με θερμικό ηλιακό συλλέκτη. Στην περίπτωση αυτή ο υβριδικός φβ/θ συλλέκτης λειτουργεί κυρίως για την ψύξη του φωτοβολταϊκού και την προθέρμανση νερού, ενώ η κύρια θέρμανση του νερού επιτυγχάνεται με την ηλιακή θερμική διάταξη. Στο σχήμα 18 φαίνεται η διάταξη συνδυασμού θερμοσιφωνικής συσκευής με την υβριδική φβ/θ συσκευή. Σχήμα 18 Συνδυασμένη διάταξη φβ/θ συλλέκτη με θερμοσιφωνική ηλιακή συσκευή Ημερήσια διαγράμματα απόδοσης υβριδικού φβ/θ θερμοσιφωνικού συστήματος Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται ενδεικτικά διαγράμματα από την απόδοση και την ημερήσια λειτουργία του υβριδικού φβ/θ που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Παν/μίου Πατρών. Στο διάγραμμα 25 φαίνεται η μεταβολή των κυριότερων παραμέτρων κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας του φβ/θ συλλέκτη ενώ στο διάγραμμα 26 παρουσιάζεται η μεταβολή της ηλεκτρικής απόδοσης των φβ πλαισίων σε σχέση με τη θερμοκρασία και της θερμικής απόδοσης των φβ/θ μονάδων του συλλέκτη με και χωρίς γυάλινο κάλυμμα. 93

94 Διάγραμμα 25 Ημερήσια λειτουργία υβριδικού φβ/θ συλλέκτη χωρίς διάφανο κάλυμμα 94

95 Διάγραμμα 26 (α) Μεταβολή της ηλεκτρικής απόδοσης του υβριδικού φβ/θ συλλέκτη με και χωρίς γυάλινο κάλυμμα (β) Απόδοση υβριδικού φβ/θ θερμοσιφωνικού ηλιακού συλλέκτη 8.4 Ενεργειακή μελέτη για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών μιας οικίας από την παραγόμενη από τα συστήματα ενέργεια Σε αυτή την ενότητα υπολογίζεται το ποσό ενέργειας που παράχθηκε κατά το χρονικό διάστημα των πειραμάτων και στη συνέχεια εξετάζεται ο βαθμός κάλυψης των ενεργειακών αναγκών μιας οικίας μιας μεσοαστικής οικογένειας Παραγόμενη ενέργεια από τα φβ πλαίσια Η συνολική ενέργεια που παράχθηκε από τα φβ πλαίσια κατά την διάρκεια των πειραμάτων και σε σύνολο 396 ημερών ήταν kwh ενώ η αντίστοιχα το ποσό ενέργειας που δέχθηκε η επιφάνεια των φ/β ήταν kwh. Επιπλέον, η μέση απόδοση μετατροπής το παραπάνω χρονικό διάστημα ήταν 6.1%. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται η παραγόμενη από τα φβ και η προσπίπτουσα από τον ήλιο ενέργεια για κάθε μήνα. 95

96 Διάγραμμα 27 Συνολική μηνιαία παραγωγή ενέργειας από τα φβ πλαίσια Παραγόμενη ενέργεια από την Α/Γ Η Α/Γ όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο μετά την πάροδο 269 ημερών τέθηκε εκτός λειτουργίας λόγω μηχανικού προβλήματος. Για αυτό το λόγο και προκειμένου να υπολογιστεί η ενέργεια που θα παραγόταν από την Α/Γ σε περίπτωση που λειτουργούσε για το υπόλοιπο των ημερών θεωρήσαμε μια μέση κατάσταση λειτουργίας. Βάσει των παραπάνω, η ενέργεια που παράχθηκε από την Α/Γ κατά το διάστημα πραγματικής λειτουργίας ήταν kwh ενώ το ποσό ενέργειας που υπολογίστηκε ότι θα παραγόταν με προσομοίωση ήταν kwh, σύνολο kwh. Η μέση απόδοση μετατροπής το διάστημα της λειτουργίας της Α/Γ ήταν 5.7%. Επίσης το ποσό ενέργειας του ανέμου δέχθηκε η Α/Γ στην επιφάνεια που ορίζουν τα πτερύγια ήταν kwh. Στο διάγραμμα 28 φαίνεται η παραγόμενη ενέργεια από την Α/Γ κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της. 96

97 Διάγραμμα 28 Συνολική μηνιαία παραγωγή ενέργειας από την Α/Γ κατά την περίοδο της λειτουργίας της Παραγόμενη ενέργεια από το θερμοσιφωνικό συλλέκτη Ο υπολογισμός της παραγόμενης ενέργειας από το θερμοσιφωνικό συλλέκτη αποτελεί μια πιο πολύπλοκη διαδικασία καθώς εξαρτάται από την μέση θερμοκρασία του νερού εντός του δοχείου τα επίπεδα ακτινοβολίας της περιοχής εγκατάστασης. Για το ηλιακό δυναμικό της Ελλάδας θεωρείται ότι 1 m2 ηλιακού συλλέκτη μπορεί να αποδώσει μέγιστη ισχύ 700 W. Στη παρούσα εργασία, για το υπολογισμό της ωφέλιμης ενέργειας θεωρήσαμε ως μέση θερμοκρασία λειτουργίας την τιμή T Mean =40 0 C. Έτσι λαμβάνοντος υπόψη τη θερμοκρασία αυτή καθώς και την εξίσωση της απόδοσης που προέκυψε από τις πειραματικές μετρήσεις (διάγραμμα 18) υπολογίστηκε ότι η συνολική ενέργεια που πήραμε από σύστημα ήταν kwh ενώ το σύστημα δέχτηκε ενέργεια από τον ήλιο ίση με kwh. Να σημειωθεί ότι τα παραπάνω αποτελέσματα προέκυψαν από την ανάλυση 305 ημερών από το σύνολο ημερών του πειράματος (396 ημέρες) καθώς κατά τη διάρκεια αυτού προέκυψε ορισμένες φορές τεχνικά προβλήματα Κάλυψη βασικών ηλεκτρικών αναγκών σε μια οικία Στην ενότητα αυτή θα γίνει μια μελέτη για την κάλυψη των βασικών ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών για μια οικία υποθέτοντας δύο σενάρια ενεργειακής κατανάλωσης. Η μελέτη θα γίνει βάσει της ενεργειακής εξόδου των υπό μελέτη συστημάτων στη παρούσα εργασία. Η συνολική ηλεκτρική παραγόμενη ενέργεια από την Α/Γ και τα φβ πλαίσια όπως προέκυψε από τις προηγούμενες παραγράφους είναι kwh σε σύνολο 396 ημερών που αντιστοιχεί σε kwh/y ενώ η θερμική ενέργεια από το θερμοσιφωνικό σύστημα υπολογίστηκε ότι είναι kwh σε σύνολο 305 ημερών, η οποία αντιστοιχεί σε kwh/y. Για τον υπολογισμό της μηνιαίας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σε μια οικιακή ηλεκτρική εγκατάσταση, πρέπει να ληφθεί υπόψη η ισχύς κάθε συσκευής και οι 97

98 ώρες λειτουργίας της κατά τη διάρκεια του μήνα. Στον πίνακα 3 φαίνεται η μέση κατανάλωση της ενέργειας για την εξυπηρέτηση των βασικών αναγκών σε ένα σπίτι. Στην πρώτη περίπτωση (σπίτι Νο1) υποθέτουμε ότι λειτουργούν όλες οι συσκευές που φαίνονται στον πίνακα 3. Έτσι, υπολογίζεται ότι η κατανάλωση το φθινόπωρο και την άνοιξη είναι kwh, καλοκαίρι είναι kwh και το χειμώνα kwh. Συνεπώς, η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση του σπιτιού Νο1 είναι kwh, που αντιστοιχεί σε μέση ημερήσια κατανάλωση ίση με kwh. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από την Α/Γ και τα φωτοβολταϊκά πλαίσια της πειραματικής εγκατάστασης είναι kwh ή kwh/d. Αυτό σημαίνει ότι η διάταξη που μελετήσαμε μπορεί να καλύψει το 4.79% των ετήσιων ηλεκτρικών αναγκών του σπιτιού Νο1. Στη δεύτερη περίπτωση (σπίτι Νο2) εξετάζεται η υπόθεση βάσει της οποίας το σπίτι Νο2 έχει περίπου 50% μικρότερη κατανάλωση από το σπίτι Νο1. Αυτό μπορεί να γίνει με περιορισμό στη χρήση ορισμένων συσκευών όπως είναι η συσκευή κλιματισμού, το πλυντήριο πιάτων καθώς και η αποφυγή άσκοπης κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας για φωτισμό και θέρμανση. Με τον τρόπο αυτό στο σπίτι Νο2 η κατανάλωση θα είναι, για τους χειμερινούς μήνες kwh το μήνα και για τους ανοιξιάτικους και φθινοπωρινούς μήνες kwh το μήνα. Έτσι η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση του σπιτιού Νο2 θα είναι kwh, που αντιστοιχεί σε μέση ημερήσια κατανάλωση ίση με 6.11 kwh. Αυτή είναι μια οικονομική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και μπορεί να θεωρηθεί λογική καθώς προσεγγίζει το μέσο όρο οικιακής κατανάλωσης. Τότε η ενεργειακή κάλυψη των ηλεκτρικών αναγκών του σπιτιού Νο2 βάσει της ετήσιας παραγόμενης ισχύς από την Α/Γ και τα φβ πλαίσια θα είναι 9.58%. 98

99 Πίνακας 3 Ηλεκτρική κατανάλωση οικιακών Για τις θερμικές ανάγκες μιας οικίας σε ζεστό νερό με χρήση ηλιακών συλλεκτών υποθέσαμε ότι η οικογένεια αποτελείται από τέσσερα μέλη, με ημερήσια κατανάλωση ζεστού νερού 40lt ανά άτομο. Επιπλέον έγινε η υπόθεση ότι καθημερινά η μέση θερμοκρασία του νερού στο δοχείο αποθήκευσης του ηλιακού συλλέκτη αυξάνεται από τους 30 0 C στους 60 0 C, δηλαδή μεταβολή κατά ΔΤ=30 0 C. Σύμφωνα με τις παραπάνω υποθέσεις υπολογίστηκε ότι η απαιτούμενη ενέργεια για την ανύψωση 160lt κατά 30 0 C είναι ίση με kj ή 5.52 kwh. Βάσει αυτού οι ετήσιες θερμικές ανάγκες μιας τετραμελής οικογένειας είναι kwh. Αυτό το ποσό ενέργειας, όπως φαίνεται από τα παραπάνω πειραματικά στοιχεία μπορεί να καλυφθεί από το θερμοσιφωνικό συλλέκτη της πειραματικής διάταξης. Αυτό το γεγονός δεν αποτελεί έκπληξη καθώς ο θερμοσιφωνικός συλλέκτης που μελετήσαμε αποτελεί εμπορικό μοντέλο που προορίζεται για εφαρμογές σε κατοικίες. 99