ΓΗΠΛΩΜΑΣΗΚΖ ΔΡΓΑΗΑ. ηωλ θνηηεηώλ ηνπ Τκήκαηνο Ζιεθηξνιόγωλ Μεραληθώλ θαη Τερλνινγίαο Υπνινγηζηώλ ηεο Πνιπηερληθήο Σρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΨΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΕΚΣΡΟΛΟΓΨΝ ΜΗΦΑΝΙΚΨΝ ΚΑΙ ΣΕΦΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΨΝ ΣΟΜΕΑ ΤΣΗΜΑΣΨΝ ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΨΓΗ ΜΕΣΑΥΟΡΑ ΔΙΑΝΟΜΗ ΚΑΙ ΦΡΗΙΜΟΠΟΙΗΗ ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΗΠΛΩΜΑΣΗΚΖ ΔΡΓΑΗΑ ηωλ θνηηεηώλ ηνπ Τκήκαηνο Ζιεθηξνιόγωλ Μεραληθώλ θαη Τερλνινγίαο Υπνινγηζηώλ ηεο Πνιπηερληθήο Σρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ ΚΩΝΣΑΝΣΗΝΟΤ Α. ΚΟΣΗΝΑ Α.Μ.: 5996 ΑΓΓΔΛΟΤ Β. ΜΟΤΕΑΚΖ - ΥΡΗΣΟΠΟΤΛΟΤ Α.Μ.: 63 Θέκα: «ΥΔΓΗΑΜΟ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΩΝ ΤΣΖΜΑΣΩΝ ΚΑΗ ΓΗΑΤΝΓΔΖ ΑΤΣΩΝ ΣΟ ΓΗΚΣΤΟ ΓΗΑΝΟΜΖ» Δπηβιέπωλ: Γξ.-Μερ. Ηωάλλεο Μήιηαο Αξγείηεο, Αλαπιεξωηήο Καζεγεηήο Αριθμός διπλωμαηικής εργαζίας: Πάηξα, Ηνύληνο 21

2

3 ΠΗΣΟΠΟΗΖΖ Πιζηοποιείηαι όηι η διπλωμαηική εργαζία με θέμα: "ΥΔΓΗΑΜΟ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΩΝ ΤΣΖΜΑΣΩΝ ΚΑΗ ΓΗΑΤΝΓΔΖ ΑΤΣΩΝ ΣΟ ΓΗΚΣΤΟ ΓΗΑΝΟΜΖ" ηωλ θνηηεηώλ ηνπ Τκήκαηνο Ζιεθηξνιόγωλ Μεραληθώλ θαη Τερλνινγίαο Υπνινγηζηώλ ηεο Πνιπηερληθήο Σρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ: ΚΟΣΗΝΑ Α. ΚΩΝΣΑΝΣΗΝΟΤ (Αριθμός Μηηρώοσ: 5996) ΜΟΤΕΑΚΖ - ΥΡΗΣΟΠΟΤΛΟΤ Β. ΑΓΓΔΛΟΤ (Αριθμός Μηηρώοσ: 63) Παξνπζηάζηεθε δεκόζηα θαη εμεηάζηεθε ζην Τκήκα Ζιεθηξνιόγωλ Μεραληθώλ θαη Τερλνινγίαο Υπνινγηζηώλ ζηηο 3/6/21 Ο Δπηβιέπωλ Ο Γηεπζπληήο ηνπ Τνκέα Ηωάλλεο Μήιηαο - Αξγείηεο Αλαπιεξωηήο Καζεγεηήο Αληώληνο Αιεμαλδξίδεο Αλαπιεξωηήο Καζεγεηήο

4

5 Αριθμός Γιπλωμαηικής Δργαζίας: /21 ΣΗΣΛΟ: "ΥΔΓΗΑΜΟ ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΩΝ ΤΣΖΜΑΣΩΝ ΚΑΗ ΓΗΑΤΝΓΔΖ ΑΤΣΩΝ ΣΟ ΓΗΚΣΤΟ ΓΗΑΝΟΜΖ" Φνηηεηέο: Κωλζηαληίλνο Κνηηλάο ηνπ Αξηζηνηέινπο Άγγεινο Μνπδάθεο Φξηζηόπνπινο ηνπ Βαζηιείνπ Δπηβιέπωλ: Γξ.-Μερ. Ηωάλλεο Μήιηαο - Αξγείηεο, Αλαπιεξωηήο Καζεγεηήο Περίληψη Ζ παξνύζα δηπιωκαηηθή εξγαζία πξαγκαηεύεηαη ην ζρεδηαζκό ελόο Φωηνβνιηαϊθνύ Σπζηήκαηνο, θαη ηε ζύλδεζε απηνύ ζην δίθηπν δηαλνκήο. Ζ εξγαζία απηή εθπνλήζεθε ζην Δξγαζηήξην Παξαγωγήο, Μεηαθνξάο, Γηαλνκήο θαη Φξεζηκνπνίεζεο Ζιεθηξηθήο Δλέξγεηαο ηνπ Τκήκαηνο Ζιεθηξνιόγωλ Μεραληθώλ θαη Τερλνινγίαο Υπνινγηζηώλ ηεο Πνιπηερληθήο Σρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξώλ. Σθνπόο, πέξα από ηελ εγθαηάζηαζε ηνπ εμνπιηζκνύ, είλαη ε κειέηε ηνπ ζπζηήκαηνο πνπ ζρεδηάζηεθε ώζηε λα ιεηηνπξγεί κε 3 δηαθνξεηηθνύο ηξόπνπο: α) Μνλνθαζηθό Σύζηεκα ζπλδεδεκέλν ζην δίθηπν δηαλνκήο, β) Τξηθαζηθό Σύζηεκα ζπλδεδεκέλν ζην δίθηπν δηαλνκήο θαη γ) Μνλνθαζηθό απηόλνκν Σύζηεκα. Αξρηθά, γίλεηαη κηα εθηελήο αλαθνξά ζηηο Αλαλεώζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο θαη πεξηγξάθεηαη ε θαηάζηαζε ζηελ Διιάδα ζρεηηθά κε απηέο. Σηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη ηα ραξαθηεξηζηηθά κεγέζε ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο, θαζώο επίζεο θαη ν ηξόπνο κε ηνλ νπνίν θαζνξίδεηαη ν βέιηηζηνο ηξόπνο ηνπνζέηεζεο ηωλ θωηνβνιηαϊθώλ πιαηζίωλ. Δπηπιένλ, εμεγείηαη ν ηξόπνο ιεηηνπξγίαο ηωλ θωηνβνιηαϊθώλ θπηηάξωλ θαη αλαθέξνληαη νη δηάθνξεο ηερλνινγίεο ηωλ θωηνβνιηαϊθώλ θπηηάξωλ πνπ έρνπλ αλαπηπρζεί κέρξη ζήκεξα. Σπλερίδνληαο, παξαηίζεληαη ηα ζηνηρεία ελόο ζπλδεδεκέλνπ ζην δίθηπν θωηνβνιηαϊθνύ ζπζηήκαηνο θαη νη γεληθέο αξρέο ζρεδίαζήο ηνπ. Έπεηηα, παξνπζηάδεηαη ε κειέηε, ν ηξόπνο ιεηηνπξγίαο θαη ν εμνπιηζκόο ηνπ ζπζηήκαηνο πνπ εγθαηαζηάζεθε ζην Δξγαζηήξην, θαη θαηαγξάθνληαη νη κεηξήζεηο πνπ ειήθζεζαλ θαη ηα ζρεηηθά δηαγξάκκαηα γηα κνλνθαζηθή θαη ηξηθαζηθή ζπλδεδεκέλε ζην δίθηπν ιεηηνπξγία. Τέινο, γίλεηαη αλαθνξά ζηηο δπζθνιίεο πνπ αληηκεηωπίζηεθαλ θαηά ηελ εθπόλεζε ηεο δηπιωκαηηθήο εξγαζίαο.

6

7 ABSTRACT The Scope of this thesis is the design of a Photovoltaic System, and its connection to the distribution grid. The project was conducted at the Power Systems Laboratory in the Department of Electrical and Computer Engineering of the School of Engineering at the University of Patras. An additional aim of the thesis is the study of the commissioned system, designed to operate in three different functions: a) Single-phase system connected to the distribution grid, b) Three-phase system connected to the distribution grid, and c) Stand-alone Single-phase system. The opening chapter of this study contains a detailed presentation of the existing Renewable Energy Sources, followed by a description of the current situation in Greece. In the next chapter, the variables concerning solar irradiance are analyzed, and the optimal principles of mounting photovoltaic modules are extrapolated. Furthermore, the photovoltaic phenomenon and the electrical behavior of photovoltaic cells is explained, and the photovoltaic technology employed today is concisely mentioned. Also, the components of a photovoltaic system are presented, and the categories and general design principles are covered in detail. Moreover, the study, mode of operation and components of the commissioned system are presented, along with the measurements and the relevant diagrams concerning the Single-phase and Three-phase, grid-connected operation. In conclusion, there is a description of the difficulties and problems that were encountered during the installation of the components.

8

9 ΔΤΥΑΡΗΣΗΔ Δπραξηζηνύκε ηδηαίηεξα ηνλ επηβιέπνληα θαζεγεηή θύξην Ηωάλλε Μήιηα Αξγείηε γηα ηελ βνήζεηά ηνπ ζηελ εθπόλεζε ηεο παξνύζαο δηπιωκαηηθήο εξγαζίαο. Δπίζεο, νθείινπκε ζεξκέο επραξηζηίεο ζηνλ νκόηηκν θαζεγεηή Γεκήηξην Τζαλάθα θαη ζηνπο επίθνπξνπο θαζεγεηέο θπξία Διεπζεξία Ππξγηώηε θαη θύξην Θωκά Εαραξία γηα ηηο πνιύηηκεο ζπκβνπιέο ηνπο. Δπηπιένλ επραξηζηνύκε ηνπο θπξίνπο Κωλζηαληίλν Πέηξνπ θαη Αλδξέα Θενράξε, γηα ηελ θαζνξηζηηθή ζπκβνιή ηνπο ζηε ζωζηή εγθαηάζηαζε ηνπ εμνπιηζκνύ. Τέινο, επραξηζηνύκε ζεξκά ηηο νηθνγέλεηέο καο γηα ηελ πνιύπιεπξε θαη ακέξηζηε ζπκπαξάζηαζή ηνπο όια απηά ηα ρξόληα. 1

10 2

11 Πίνακας Περιεχομένων 1 ΑΝΑΝΕΨΙΜΕ ΠΗΓΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΑΝΕΨΙΜΨΝ ΠΗΓΨΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ορισμοί Ποιες είναι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Αναγκαιότητα χρήσης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ιστορικά στοιχεία Οι Ανεμογεννήτριες σήμερα Είδη και τρόπος λειτουργίας Ανεμογεννητριών Η κατάσταση στην Ελλάδα Πλεονεκτήματα της Αιολικής Ενέργειας Μειονεκτήματα της Αιολικής Ενέργειας ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ Η Βιομάζα σήμερα Η Βιομάζα στην Ελλάδα Ενεργειακή αξιοποίηση - Εφαρμογές της Βιομάζας Πλεονεκτήματα της Βιομάζας Μειονεκτήματα της Βιομάζας ΓΕΨΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Προέλευση της Γεωθερμικής Ενέργειας Ιστορικά στοιχεία Η Γεωθερμία στην Ελλάδα Εκμετάλλευση της Γεωθερμικής Ενέργειας Οικονομικά στοιχεία της Γεωθερμικής Ενέργειας Περιβαλλοντικά οφέλη από τη Γεωθερμία ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΨΚΕΑΝΟΤ Ενέργεια από τις Παλίρροιες Ενέργεια από Κύματα Ενέργεια από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού ΤΔΡΟΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΜΙΚΡΑ ΤΔΡΟΗΛΕΚΣΡΙΚΑ ΕΡΓΑ)

12 1.6.1 Διάκριση των Τδροηλεκτρικών Επιλογή θέσης Μικρής Κλίμακας Τδροηλεκτρικών υστημάτων Σύποι Τδροστροβίλων Επιπτώσεις στο περιβάλλον Οικονομικά στοιχεία των Μικρής Κλίμακας Τδροηλεκτρικών υστημάτων ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Θερμικά Ηλιακά υστήματα Υωτοβολταϊκά υστήματα ΑΝΑΠΣΤΞΗ ΣΨΝ Α.Π.Ε. ΣΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΙΦΤΟΤΑ ΝΟΜΟΘΕΙΑ ΦΕΣΙΚΑ ΜΕ ΣΙ Α.Π.Ε ΣΙΜΟΛΟΓΙΑ ΠΨΛΗΗ ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ Α.Π.Ε ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΣΑΘΕΡΑ Gsc ΓΕΨΓΡΑΥΙΚΟ ΠΛΑΣΟ ΣΟΤ ΣΟΠΟΤ φ ΑΠΟΚΛΙΗ ΣΟΤ ΗΛΙΟΤ δ ΤΧΟ ΚΑΙ ΑΖΙΜΟΤΘΙΟ ΗΛΙΟΤ ΖΕΝΙΘΙΑΚΗ ΓΨΝΙΑ ΣΟΤ ΗΛΙΟΤ ΨΡΙΑΙΑ ΓΨΝΙΑ ΣΟΤ ΗΛΙΟΤ ΠΡΟΑΝΑΣΟΛΙΜΟ ΣΟΤ ΠΛΑΙΙΟΤ Ή ΣΟΤ ΤΛΛΕΚΣΗ ΠΡΑΚΣΙΚΟΙ ΚΑΝΟΝΕ ΓΙΑ ΜΕΓΙΣΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ Η ΔΙΑΚΤΜΑΝΗ ΣΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΔΙΑΠΕΡΑΣΟΣΗΣΑ ΣΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΜΕΗ ΜΗΝΙΑΙΑ ΑΠΟΡΡΟΥΟΤΜΕΝΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΗ ΣΕΦΝΟΛΟΓΙΑ ΣΟ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΥΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΕΦΝΟΛΟΓΙΕ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΨΝ ΚΤΣΣΑΡΨΝ Μονοκρυσταλλικά Κύτταρα Si Πολυκρυσταλλικά Κύτταρα Si Άμορφα Κύτταρα Si Η Σεχνολογία των Λεπτών Τμενίων ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΕ ΔΙΑΣΑΞΕΙ

13 3.3.1 Σο μοντέλο του φωτοβολταϊκού κυττάρου Υωτοβολταϊκά πλαίσια ΤΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΣΟ ΔΙΚΣΤΟ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΤΣΗΜΑ ΑΝΙΦΝΕΤΣΕ ΗΜΕΙΟΤ ΜΕΓΙΣΗ ΙΦΤΟ Έμμεσοι ανιχνευτές ΜΡΡ Άμεσοι ανιχνευτές ΜΡΡ ΑΝΣΙΣΡΟΥΕΑ DC/AC (DC/AC INVERTER) Μονοφασικός αντιστροφέας Σριφασικός αντιστροφέας Ηλεκτρική απομόνωση των μετατροπέων ισχύος ΤΝΔΕΗ ΜΕ ΣΟ ΔΙΚΣΤΟ ΜΕΛΕΣΗ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟΤ ΤΣΗΜΑΣΟ 288 W ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΑ ΤΣΗΜΑΣΟ ΕΞΟΠΛΙΜΟ Πλαίσια Αντιστροφείς υνδεσμολογία των πλαισίων Βάσεις Προστατευτικά στοιχεία Μετρητικά στοιχεία - τοιχεία ελέγχου Καλωδιώσεις ΑΠΨΛΕΙΕ ΤΣΗΜΑΣΟ Απώλειες στο καλώδιο DC των φωτοβολταϊκών πλαισίων Απώλειες στους αντιστροφείς Sunny Boy Απώλειες στο καλώδιο AC ΓΕΝΙΚΕ ΟΔΗΓΙΕ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΑ Διαδικασία εκκίνησης του συστήματος Διαδικασία παύσης λειτουργίας του συστήματος ΚΑΣΑΓΡΑΥΗ ΜΕΣΡΗΕΨΝ ΤΝΔΕΗ ΣΟΤ SUNNY WEBBOX ΜΕ ΠΡΟΨΠΙΚΟ ΤΠΟΛΟΓΙΣΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΙΑ ΜΕΣΡΗΕΨΝ

14 6.2.1 Σριφασικό σύστημα Μονοφασικό σύστημα ΦΡΗΗ ΣΟΤ SUNNY PORTAL ΠΡΟΒΛΗΜΑΣΑ ΠΟΤ ΠΑΡΟΤΙΑΣΗΚΑΝ ΑΝΣΙΣΡΟΥΕΙ ΦΑΜΗΛΗ ΣΑΗ ΕΛΛΕΙΧΗ ΗΜΙΑΓΨΓΙΚΨΝ ΣΟΙΦΕΙΨΝ ΚΑΙΡΙΚΕ ΤΝΘΗΚΕ SUNNY ISLAND SUNNY WEBBOX ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΥΙΑ

15 7

16 8

17 1 ΑΝΑΝΕΨΙΜΕ ΠΗΓΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΑΝΑΝΕΨΙΜΨΝ ΠΗΓΨΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ορισμοί Με τον όρο Ήπιες Μορφές Ενέργειας, ή Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, ή Εναλλακτικές Πηγές Ενέργειας, ή Καθαρές Πηγές Ενέργειας, ή ακόμα και Πράσινη Ενέργεια (στο εξής Α.Π.Ε.) νοείται ένα σύνολο από μορφές ενέργειας οι οποίες αφενός είναι ανεξάντλητες στη φύση και αφετέρου συγκριτικά με άλλες μορφές ενέργειας επιβαρύνουν κατά πολύ λιγότερο το περιβάλλον. Ο όρος «Ήπιες» δηλώνει ότι για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται καμία ανθρώπινη παρέμβαση με την έννοια της εξόρυξης, άντλησης ή/και καύσης κάποιου καύσιμου υλικού, εν αντιθέσει με τις σε μεγάλη κλίμακα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας (π.χ. στην Ελλάδα απαιτείται εξόρυξη και καύση λιγνίτη στις μεγάλες λιγνιτικές μονάδες της Δ.Ε.Η.). Επίσης ο ίδιος όρος αναφέρεται και στο γεγονός ότι οι Α.Π.Ε. γενικά δεν αποδεσμεύουν στο περιβάλλον υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα και τοξικά ή ραδιενεργά απόβλητα. Για παράδειγμα η καύση άνθρακα και πετρελαίου, απελευθερώνει υδρογονάνθρακες και διοξείδιο του άνθρακα συμβάλλοντας στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενώ στα πυρηνικά εργοστάσια, υπάρχει μεγάλο πρόβλημα τόσο στην εξόρυξη ραδιενεργού καύσιμου υλικού, όσο και στα πυρηνικά απόβλητα μετά το πέρας της ζωής του πυρηνικού αντιδραστήρα. Από την άλλη, ο όρος «Ανανεώσιμες» αναφέρεται στο γεγονός ότι οι μορφές αυτές ενέργειας είναι εν αφθονία στο φυσικό περιβάλλον, και για τη χρησιμοποίησή τους δεν επηρεάζεται η ροή ενέργειας που ήδη υπάρχει στη φύση. Επίσης, ο όρος «Εναλλακτικές» χρησιμοποιείται για να τονίσει τη διαφορά από τις μέχρι σήμερα ευρέως χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας. ε αυτήν την περίπτωση ο όρος «εναλλακτικές» στην ουσία αναφέρεται σε κάτι το νεωτεριστικό, κάτι το διαφορετικό από τα ήδη καθιερωμένα δεδομένα. Οι όροι «Καθαρές Πηγές Ενέργειας» και «Πράσινη Ενέργεια», αναφέρονται στο περιβάλλον, με την έννοια ότι οι Α.Π.Ε. «είναι φιλικές» προς το περιβάλλον δηλαδή αφήνουν πολύ λιγότερα κατάλοιπα σε αυτό, σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας Ποιες είναι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι κατά κύριο λόγο οι ακόλουθες: Η Αιολική Ενέργεια Η Ενέργεια από Βιομάζα Η Γεωθερμική Ενέργεια Η Ενέργεια από τους Ψκεανούς Ενέργεια από Παλίρροιες Ενέργεια από Κύματα Ενέργεια από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού 9

18 Η Τδροηλεκτρική Ενέργεια Η Ηλιακή Ενέργεια Θερμικά Ηλιακά υστήματα Υωτοβολταϊκά υστήματα Ο όρος Αιολική ενέργεια, προέρχεται από τον Αίολο, ο οποίος στην Ελληνική Μυθολογία ήταν ο θεός των Ανέμων. Η Αιολική Ενέργεια οφείλεται στη μετακίνηση μεγάλων αέριων μαζών που έχουν διαφορετική θερμοκρασία. Από τα αρχαία ακόμη χρόνια ο άνθρωπος χρησιμοποίησε τον άνεμο για να κινήσει ανεμόμυλους ή ακόμα και ως βοηθητικό μέσο πλεύσης σε πλοία. Όπως είναι λογικό η εκμετάλλευση του ανέμου που φυσά σε κάποια περιοχή είναι ένα απολύτως καθαρό μέσο, αφού ο ίδιος ο άνεμος με τη δύναμή του μπορεί να κινεί αντικείμενα. υνεπώς η ενέργεια που προέρχεται από τον άνεμο μπορεί να καταστεί άμεσα εκμεταλλεύσιμη με την κατασκευή μιας διάταξης που να μπορεί να την μετατρέπει σε κάποια άλλη μορφή ενέργειας. Η ενέργεια από Βιομάζα βασίζεται πρακτικά σε οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. την περίπτωση αυτή, χρησιμοποιούνται οι υδατάνθρακες των φυτών, με σκοπό την αποδέσμευση της ενέργειας που δεσμεύτηκε από το φυτό με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Σα παράγωγά της είναι βιοαιθανόλη και βιοαέριο, δηλαδή καύσιμα φιλικά στο περιβάλλον σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα. Εξάλλου, η βιομάζα δε συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα (CO2), γιατί, ενώ κατά την καύση της παράγεται διοξείδιο του άνθρακα, κατά την παραγωγή της και μέσω της φωτοσύνθεσης επαναδεσμεύονται μεγάλες ποσότητες του ρύπου αυτού. Γεωθερμική Ενέργεια ονομάζεται εκείνη η ενέργεια η οποία προέρχεται από το εσωτερικό της Γης. Ήδη από τα προϊστορικά χρόνια η Υύση έδινε σημάδια στον άνθρωπο ότι στο εσωτερικό της υπήρχε μεγάλη θερμότητα, με εκρήξεις ηφαιστείων, πίδακες θερμού αέρα, ακόμη και θερμές πηγές. Η Γεωθερμική ενέργεια, εκτός του ότι χρησιμοποιείται πολύ συχνά για ιαματικούς σκοπούς (π.χ. ιαματικά θερμά λουτρά), είναι μια ήπια και σχετικά ανανεώσιμη πηγή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για θέρμανση ή έμμεσα για παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας και να καλύψει σημαντικές ενεργειακές ανάγκες. Η Ενέργεια που μπορούμε να εκμεταλλευθούμε από τους ωκεανούς, περιλαμβάνει 3 αξιοποιήσιμες μορφές: την ενέργεια από παλίρροιες, την ενέργεια από κύματα και την ενέργεια από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού. Η ενέργεια από παλίρροιες, όπως άλλωστε δηλώνει ο ίδιος ο όρος, εκμεταλλεύεται την παλίρροια, δηλαδή το φυσικό φαινόμενο της περιοδικής ανόδου της στάθμης του νερού των θαλασσών (ή και μεγάλων λιμνών) που οφείλεται περισσότερο στη βαρυτική έλξη μεταξύ Γης ελήνης και λιγότερο στη βαρυτική έλξη Γης - Ηλίου, προκειμένου να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια. ε γενικές γραμμές, τα μετακινούμενα ύδατα κατά την πλημμυρίδα ή την άμπωτη μετακινούν τεράστιες τουρμπίνες και γεννήτριες που παράγουν ηλεκτρισμό. Σα κύματα, είναι δυνατόν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, εάν με κατάλληλες διατάξεις τροφοδοτείται η κίνηση μιας τουρμπίνας ή γεννήτριας. Ένα τέτοιο σύστημα κυματικής ενέργειας μπορεί να τοποθετηθεί ανοιχτά στον ωκεανό, είτε αγκυρωμένο στον πυθμένα είτε πλωτό στην επιφάνεια. Είναι δυνατόν να τοποθετηθεί ακόμα και στα παράλια ή σε ρηχά νερά. Δημιουργώντας λοιπόν τα κατάλληλα συστήματα, ο 1

19 άνθρωπος μπορεί να εκμεταλλευτεί αυτήν την εν αφθονία στη φύση ενέργεια που μπορούν να δώσουν τα κύματα. Άλλη μια μορφή ενέργειας που μπορεί να αξιοποιηθεί από τους ωκεανούς είναι η θερμική ενέργεια των ωκεανών. Η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ του νερού στη επιφάνεια (θερμό) και του νερού στον πυθμένα (ψυχρό) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αν και η συγκεκριμένη μορφή βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο. Η δυναμική ενέργεια των υδάτων είναι μια από τις παλαιότερες μορφές ενέργειας που μετατράπηκαν σε άλλες μορφές ενέργειας. Υυσικό επόμενο, η δυναμική ενέργεια των υδάτων χρησιμοποιείται και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. την περίπτωση αυτή η ηλεκτρική ενέργεια αποκτάται χωρίς μεγάλο κόστος και κυρίως χωρίς περιβαλλοντική επιβάρυνση. Όταν αναφερόμαστε στην υδροηλεκτρική ενέργεια ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, από εδώ και στο εξής, και για λόγους που θα αναπτυχθούν αργότερα θα αναφερόμαστε σε υδροηλεκτρικά έργα μικρής κλίμακας. Αυτός ο διαχωρισμός γίνεται επειδή τα υδροηλεκτρικά έργα μεγάλης κλίμακας απαιτούν τη δημιουργία φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών, με σημαντικές επιπτώσεις στο περιβάλλον και το οικοσύστημα. Η ηλιακή ενέργεια είναι κατά βάση ένα μικρό ποσοστό της ακτινοβολίας που εκπέμπει ο Ήλιος προς όλες τις κατευθύνσεις, και είναι αποτέλεσμα της πυρηνικής σύντηξης που συντελείται στον πυρήνα του Ήλιου. Παρόλο που μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό της ηλιακής αυτής ακτινοβολίας φτάνει μέχρι την επιφάνεια της Γης, αυτό το ποσοστό είναι ικανό εάν αξιοποιηθεί με τα κατάλληλα μέσα να καλύψει μεγάλες ενεργειακές ανάγκες. Οι δύο τρόποι κατά τους οποίους μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα η ηλιακή ενέργεια είναι α) σε θερμικά ηλιακά συστήματα και β) σε φωτοβολταϊκά συστήματα. τα θερμικά ηλιακά συστήματα η ακτινοβολία από τον Ήλιο συλλέγεται από ηλιακούς συλλέκτες και έπειτα χρησιμοποιείται για θέρμανση νερού, θέρμανση και ψύξη χώρων, ή ακόμα και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. τα φωτοβολταϊκά συστήματα η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική, με τη βοήθεια των ηλιακών κυττάρων, των οποίων η αρχή λειτουργίας αποτελεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Αναγκαιότητα χρήσης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Ήδη από τα πρώτα χρόνια που διαδόθηκε ευρέως ο ηλεκτρισμός στα σπίτια, ξεκίνησε η δημιουργία ηλεκτρικών συσκευών, συσκευών δηλαδή των οποίων η λειτουργία εξαρτιόνταν από την ηλεκτρική ενέργεια. ιγά σιγά οι συσκευές πλήθαιναν, με αποτέλεσμα να αυξάνεται ταυτόχρονα και η ζήτηση σε ηλεκτρικό ρεύμα. Μέχρι την πετρελαϊκή κρίση της δεκαετίας του 7, ο άνθρωπος πίστευε ότι τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, καύσιμο ουράνιο ή ακόμα και λιγνίτης στην Ελλάδα) ήταν ανεξάντλητα, γι αυτό και δαπανήθηκαν μεγάλα ποσά αφενός στην εξεύρεση νέων κοιτασμάτων, αφετέρου σε διαφορετικές μορφές ενέργειας που υπάρχουν εν αφθονία στη φύση. Κάπως έτσι ξεκίνησε η μεγάλη στροφή παγκοσμίως προς τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. 11

20 1.2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η αιολική ενέργεια, είναι μια μορφή ενέργειας η οποία παράγεται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία. Ο Ήλιος θερμαίνει ανομοιόμορφα την επιφάνεια της Γης, δηλαδή κάθε τόπος στην υδρόγειο θερμαίνεται διαφορετικά. Η ανομοιόμορφη αυτή θέρμανση προκαλεί τη μετακίνηση μεγάλων μαζών αέρα από μια περιοχή σε μία άλλη, δημιουργώντας κατά αυτόν τον τρόπο τους ανέμους. αφώς και είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, ανεξάντλητη και δεν απαιτεί την ανθρώπινη παρέμβαση για να υπάρξει. Αποτελεί λοιπόν μια ήπια μορφή ενέργειας, φιλική προς το περιβάλλον Ιστορικά στοιχεία Από τον Όμηρο πληροφορούμαστε για τον Αίολο, τον θεό των Ανέμων, που έχει στον ασκό του τη δύναμη των Ανέμων. Δηλαδή, ήδη από τα αρχαία χρόνια ο άνθρωπος αφενός γνώριζε για τη δύναμη του ανέμου, αφετέρου είχε ανάγκη να διαθέσει τον άνεμο προς όφελός του, σε τόπο και χρόνο που ο ίδιος θα καθόριζε. Μια πρώτη τέτοια προσπάθεια γινόταν στην αρχαιότητα με τη χρήση του ανέμου στα πλοία ως μέσο πλεύσης. Η πρώτη όμως διαδεδομένη χρήση του ανέμου, έγινε περί τον 1 ο με 11 ο αιώνα στη Μέση Ανατολή, με την εμφάνιση του ανεμόμυλου. Οι ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν για την άλεση σιτηρών, την άντληση νερού και άλλες εργασίες. Μαζί με τους νερόμυλους αποτέλεσαν τους πρώτους κινητήρες, χωρίς τη βοήθεια ζώων για να κινηθούν. Οι ανεμόμυλοι διαδόθηκαν πολύ στην Ευρώπη μέχρι και τον 19 ο αιώνα, χρονική περίοδο κατά την οποία περιορίστηκε η χρήση τους λόγω της εμφάνισης της ατμομηχανής. Μετά τον Α Παγκόσμιο Πόλεμο επήλθε η οριστική εκτόπισή τους, παράλληλα δηλαδή με την ανάπτυξη του κινητήρα εσωτερικής καύσης, και την ευρεία εξάπλωση των συμβατικών καυσίμων και του ηλεκτρισμού. Αμέσως επόμενη μεγάλη στροφή προς την Αιολική Ενέργεια εμφανίστηκε με τις ανεμογεννήτριες στη σημερινή τους μορφή μετά τη δεκαετία του 7. Σα σύγχρονα συστήματα εκμετάλλευσης της Αιολικής Ενέργειας αφορούν σχεδόν αποκλειστικά μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική και ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Η ανεμογεννήτρια είναι μια διάταξη με περιστρεφόμενα από τον άνεμο πτερύγια. Σα πτερύγια με την κίνησή τους κινούν έναν άξονα, ο οποίος περνάει και από ένα κιβώτιο μετάδοσης της κίνησης. Σο κιβώτιο αυτό συνδέεται με έναν άξονα μεγάλης ταχύτητας περιστροφής, ο οποίος κινεί μια γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Παράλληλα, για την περίπτωση που επικρατούν πολύ ισχυροί άνεμοι υπάρχει και ένα φρένο. Σο φρένο χρησιμοποιείται για να περιορίσει την ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων, ώστε, αφενός μεν να περιοριστεί η φθορά της τουρμπίνας, αφετέρου δε να αποφευχθεί η καταστροφή μηχανικών μερών του όλου συστήματος της ανεμογεννήτριας Οι Ανεμογεννήτριες σήμερα Από το 198 αναπτύχθηκαν διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, και κυκλοφορούσαν στο εμπόριο ανεμογεννήτριες μικρής ισχύος (μέχρι 5 περίπου KW), ενώ παράλληλα είχαν κατασκευαστεί και μεγαλύτερες ανεμογεννήτριες. Μέχρι το

21 η ισχύς ανέβηκε αρκετά, περίπου στα 5-1 KW σε ανεμογεννήτριες με μετατροπείς ισχύος. Μετά το 199, νέες τεχνολογίες εμφανίστηκαν, τα χρησιμοποιούμενα υλικά έγιναν πιο ποιοτικά, βελτιώθηκε η σχεδίαση και η κατασκευή των ανεμογεννητριών και προστέθηκε και ηλεκτρονικός έλεγχος στις ανεμογεννήτριες. Σο γεγονός αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να δημιουργηθούν μεγάλα αιολικά πάρκα με ανεμογεννήτριες μεγάλης ισχύος, συνήθως μέχρι 5-6 KW, αν και υπάρχουν αιολικά πάρκα με ανεμογεννήτριες μεγαλύτερης ισχύος. ήμερα υπάρχουν ανεμογεννήτριες των οποίων η ισχύς μπορεί να φτάσει και τα 2 MW. Επίσης, δεδομένου ότι ο άνεμος δεν είναι σταθερός αλλά μεταβλητός, προκειμένου να αυξηθεί η αξιοπιστία της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος από ανεμογεννήτριες, απαιτείται να γίνεται συνδυασμός με άλλες πηγές ενέργειας, ανανεώσιμες ή μη. χήμα 1.1: Ανεμογεννήτριες σε αιολικό πάρκο [34] Είδη και τρόπος λειτουργίας Ανεμογεννητριών τις μέρες μας, υπάρχουν πολλών ειδών ανεμογεννήτριες, αλλά κατατάσσονται όλες σε δύο βασικές κατηγορίες: α) Ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα β) Ανεμογεννήτριες με κατακόρυφο άξονα Οι ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα κατατάσσονται περαιτέρω σε: α) Δίπτερες ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα β) Σρίπτερες ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα Επιπλέον υπάρχουν πολύ σπάνια και ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα με μόνον ένα πτερύγιο. 13

22 χήμα 1.2 Δίπτερη ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα [32] χήμα 1.3 Σρίπτερη ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα [35] χήμα 1.4 Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα [33] [36] την παγκόσμια αγορά έχουν επικρατήσει οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα με δύο ή τρία πτερύγια. ε αυτές, τα πτερύγια περιστρέφονται γύρω από έναν 14

23 άξονα οριζόντιο ως προς το επίπεδο του εδάφους. Αποτελούν την πλέον συνηθισμένη εικόνα ανεμογεννήτριας που έχουμε δει σε αιολικά πάρκα ή μεμονωμένα. Μια τυπική ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα περιλαμβάνει το δρομέα, το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, την ηλεκτρογεννήτρια, το σύστημα πέδης, το σύστημα προσανατολισμού, τον πύργο, τον ηλεκτρονικό πίνακα και τον πίνακα ελέγχου. Ο δρομέας διαθέτει συνήθως δύο ή τρία πτερύγια προσδεμένα σε μία πλήμνη, είτε σταθερά, είτε με δυνατότητα περιστροφής γύρω από τον διαμήκη άξονά τους, ώστε να μεταβάλλεται το βήμα πτερύγωσης. Σο σύστημα μετάδοσης της κίνησης περιλαμβάνει τον κύριο άξονα, τα έδρανά του και το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών, το οποίο προσαρμόζει την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα στη σύγχρονη ταχύτητα της ανεμογεννήτριας. Η ηλεκτρογεννήτρια, είναι μια σύγχρονη ή επαγωγική μηχανή με 4 ή 6 πόλους, η οποία συνδέεται με την έξοδο του κιβωτίου πολλαπλασιασμού στροφών. Σο σύστημα πέδης είναι ένα κοινό δισκόφρενο, τοποθετημένο στον κύριο άξονα της γεννήτριας. Σο σύστημα προσανατολισμού, είναι ένα σύστημα που αναγκάζει συνεχώς τον άξονα περιστροφής του δρομέα να βρίσκεται παράλληλα με τη διεύθυνση του ανέμου. Η όλη ηλεκτρομηχανολογική εγκατάσταση εδράζεται επάνω στον πύργο, ο οποίος είναι συνήθως μεταλλικός, σωληνωτός ή δικτυωτός. Πιο σπάνια συναντάμε και πύργους από οπλισμένο σκυρόδεμα, ενώ το ύψος του πύργου είναι τέτοιο ώστε ο δρομέας να δέχεται αδιατάρακτη από το έδαφος ροή του ανέμου. Ο ηλεκτρονικός πίνακας και ο πίνακας ελέγχου της ανεμογεννήτριας βρίσκονται στη βάση του πύργου. Σο σύστημα ελέγχου μπορεί να ρυθμίσει όλες τις λειτουργίες της ανεμογεννήτριας Η κατάσταση στην Ελλάδα Η χώρα μας διαθέτει πλούσιο αιολικό δυναμικό, ειδικότερα στα παράλια της ηπειρωτικής Ελλάδας και κυρίως στα νησιά του Αιγαίου Πελάγους, όπου οι άνεμοι που πλέουν ξεπερνούν πολύ συχνά σε ένταση τα 8 ή και 9 Beaufort (ταχύτητα ανέμου άνω των 6 km/h). Η αιολική ενέργεια λοιπόν μπορεί να αποτελέσει σημαντική δύναμη ανάπτυξης. την Ελλάδα, οι πρώτες οργανωμένες δραστηριότητες για την ανάπτυξη της Αιολικής Ενέργειας ξεκίνησαν περί το Σότε, η Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού (στο εξής Δ.Ε.Η.) πραγματοποίησε τις πρώτες μετρήσεις ανεμολογικών στοιχείων σε διάφορες περιοχές της χώρας, ώστε να επιλεγούν ορθά οι πιθανές περιοχές εγκατάστασης αιολικών πάρκων. Σο πρώτο αιολικό πάρκο στην Ελλάδα εγκαταστάθηκε από τη Δ.Ε.Η. το 1982 στη νήσο Κύθνο. Αρχικά είχαν τοποθετηθεί πέντε ανεμογεννήτριες των 2 KW, ενώ το 199 αντικαταστάθηκαν από πέντε νέες ανεμογεννήτριες των 33 KW. Σο 2 προστέθηκε άλλη μία ανεμογεννήτρια των 5 KW. Πλέον το πάρκο αυτό είναι ένα υβριδικό πάρκο όπου χρησιμοποιούνται ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά συστήματα και ο συμβατικός σταθμός του νησιού, ο οποίος καταναλώνει πετρέλαιο και παράγει ηλεκτρικό ρεύμα με τη βοήθεια ηλεκτροπαραγωγών ζευγών. Άλλο ένα αιολικό πάρκο της Δ.Ε.Η. υπάρχει στη νήσο Άνδρο, με συνολική εγκατεστημένη ισχύ περίπου 1.6 MW, σε τοποθεσία όπου πνέουν άνεμοι με μέση ταχύτητα περίπου 1 μέτρων το δευτερόλεπτο. Ο μέσος ετήσιος συντελεστής ισχύος του 15

24 πάρκου αυτού είναι της τάξεως του 4%, δηλαδή ένας συντελεστής ισχύος από τους μεγαλύτερους στον κόσμο σε αιολικά πάρκα. Εκτός από τα αιολικά πάρκα της Δ.Ε.Η. σε Κύθνο και Άνδρο, υπάρχουν και πάρκα εγκατεστημένα ανά την Ελλάδα από ιδιωτικές εταιρίες. Ενδεικτικά, υπάρχουν αιολικά πάρκα στην Εύβοια (συνολικής ισχύος 23 MW), τη Θράκη (συνολικής ισχύος MW), τα νησιά του ανατολικού Αιγαίου (συνολικής ισχύος 27.8 MW), την Κρήτη (συνολικής ισχύος 15.4 MW), την Πελοπόννησο (συνολικής ισχύος 36 MW) και τις Κυκλάδες (συνολικής ισχύος MW). Σο 25, το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος από αιολικό δυναμικό στην Ελλάδα ανήλθε περίπου στα 622 MW, ενώ σήμερα (21) υπολογίζεται στα 745 MW. Η ισχύς αυτή είναι αρκετά σημαντική μεν, παραμένει μακριά από το διαθέσιμο αιολικό δυναμικό της Ελλάδας δε. Τπάρχουν πολλές δυνατότητες διείσδυσης της ενέργειας που παράγεται από τον άνεμο στο ηλεκτρικό σύστημα της χώρας. Από μελέτες της Δ.Ε.Η. προκύπτει ότι μια διείσδυση της τάξης του 1% είναι εφικτή και, επιπλέον, οικονομικά βιώσιμη για την ίδια τη Δ.Ε.Η., ακόμα και εάν αυτή μόνη της αποφασίσει να χρηματοδοτήσει τις απαιτούμενες για το σκοπό αυτό εγκαταστάσεις. Η μη ικανοποιητική ανάπτυξη των εφαρμογών αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα οφειλόταν, ως ένα βαθμό, και στο ισχύον μέχρι το 1994 νομοθετικό πλαίσιο. Ήδη όμως, ο Νόμος 2244/94 δημιούργησε μεγάλες ευκαιρίες για την επέκταση της εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας, όπως και όλων των άλλων Α.Π.Ε. στη χώρα μας. Ο νόμος αυτός δίνει τη δυνατότητα σε ιδιώτες να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από τον άνεμο, με σκοπό αφ ενός την κάλυψη των αναγκών τους και αφ ετέρου την πώληση της περίσσειας της παραγόμενης ενέργειας στη Δ.Ε.Η.. Παρέχεται επίσης η δυνατότητα πώλησης του συνόλου της παραγόμενης ενέργειας στη Δ.Ε.Η.. Καθορίζεται επίσης η βασική τιμολογιακή πολιτική, βάσει της οποίας μπορεί να γίνει αρκετά ακριβής εκτίμηση της βιωσιμότητας των σχετικών επενδύσεων, όπως εξάλλου και η διαδικασία που πρέπει να ακολουθείται για την απόκτηση αδειών κατασκευής και λειτουργίας αιολικών έργων. Σο νομοθετικό αυτό πλαίσιο, σε συνδυασμό με τις υφιστάμενες δυνατότητες χρηματοδότησης για επενδύσεις σε έργα αιολικής ενέργειας που παρέχει ο νέος Αναπτυξιακός Νόμος 3299/4, άλλα κυρίως το Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Ανταγωνιστικότητα» (ΕΠΑΝ) του Τπουργείου Ανάπτυξης που εντάσσεται στο Γ Κοινοτικό Πλαίσιο τήριξης (Γ ΚΠ) 2-26 και αναμένεται ότι θα βοηθήσει θεαματικά στην προσέλκυση επενδύσεων και στη δημιουργία μεγάλων έργων εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας, τα αμέσως προσεχή χρόνια Πλεονεκτήματα της Αιολικής Ενέργειας Η αιολική ενέργεια είναι μια καθαρή πηγή ενέργειας που δε μολύνει την ατμόσφαιρα όπως τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού τα οποία στηρίζονται στην καύση ορυκτών καυσίμων, όπως άνθρακα ή φυσικό αέριο (ή και λιγνίτη στην Ελλάδα). Οι ανεμογεννήτριες δεν εκλύουν χημικές ουσίες στο περιβάλλον οι οποίες προκαλούν όξινη βροχή ή αέρια του θερμοκηπίου. Η τεχνολογία που αναπτύσσεται περί την αιολική ενέργεια είναι μια από τις πιο οικονομικές που υπάρχουν σήμερα στον χώρο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Από τα.8 /KWh στις αρχές της δεκαετίας του 8, έχουμε φτάσει σε τιμές από.4 16

25 έως.8 /KWh, ανάλογα το μέρος και την ταχύτητα του ανέμου. Τπολογίζεται ότι σήμερα η τιμή αυτή μπορεί να μειωθεί στα.3 /KWh. Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να στηθούν σε αγροκτήματα, έτσι ωφελώντας την οικονομία των αγροτικών περιοχών, όπου βρίσκονται οι περισσότερες από τις καλύτερες τοποθεσίες από την άποψη του ανέμου Μειονεκτήματα της Αιολικής Ενέργειας Ένα σημαντικό μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας είναι ότι εξαρτάται άμεσα από την ύπαρξη ικανοποιητικών ταχυτήτων ανέμου. Σι γίνεται όμως όταν δεν φυσάει άνεμος; Επειδή δεν υπάρχουν δυνατότητες για οικονομική αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, επιβάλλεται να υπάρχει εφεδρεία συμβατικών σταθμών για το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος των ανεμογεννητριών. Επίσης, οι ανεμογεννήτριες μπορεί να προκαλέσουν τραυματισμούς ή θανατώσεις πουλιών, κυρίως αποδημητικών γιατί τα ενδημικά «συνηθίζουν» την παρουσία των μηχανών και τις αποφεύγουν. Γι αυτό καλύτερα να μην κατασκευάζονται αιολικά πάρκα σε δρόμους μετανάστευσης πουλιών. ε κάθε περίπτωση, πριν τη δημιουργία ενός αιολικού πάρκου ή και οποιασδήποτε εγκατάστασης Α.Π.Ε. θα πρέπει να έχει προηγηθεί Μελέτη Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων. Πάντως η συχνότητα ατυχημάτων πουλιών σε αιολικά πάρκα είναι πολύ μικρότερη αυτής των ατυχημάτων με αυτοκίνητα. Με την εξέλιξη όμως της τεχνολογίας και την αυστηρότερη επιλογή του τόπου εγκατάστασης (π.χ. πλωτές πλατφόρμες σε ανοικτή θάλασσα) το παραπάνω πρόβλημα, αλλά και ο θόρυβος από τη λειτουργία των μηχανών, έχουν σχεδόν λυθεί. Σέλος, οι ανεμογεννήτριες για τη σωστή εγκατάστασή τους χρειάζονται βάσεις από μέταλλο ή από σκυρόδεμα. Οι βάσεις αυτές, μόλις παρέλθει ο χρόνος ζωής της ανεμογεννήτριας, ή μόλις διαλυθεί το αιολικό πάρκο παραμένουν τοποθετημένες προκαλώντας περιβαλλοντολογικό και αισθητικό πρόβλημα. 1.3 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ Γενικά ως βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά, όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, στον όρο βιομάζα εμπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, σε αυτήν περιλαμβάνονται: α) Οι φυτικές ύλες που προέρχονται είτε από φυσικά οικοσυστήματα, όπως π.χ. τα αυτοφυή φυτά και δάση, είτε από τις ενεργειακές καλλιέργειες (έτσι ονομάζονται τα φυτά που καλλιεργούνται με σκοπό την παραγωγή βιομάζας για παραγωγή ενέργειας) γεωργικών και δασικών ειδών, όπως π.χ. το σόργο, το σακχαρούχο, το καλάμι, ο ευκάλυπτος και άλλα. β) Σα υποπροϊόντα και τα κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής, όπως π.χ. τα άχυρα, στελέχη αραβοσίτου, στελέχη βαμβακιάς, κλαδοδέματα, κλαδιά δένδρων, φύκη, κτηνοτροφικά απόβλητα, οι κληματίδες και άλλα. 17

26 γ) Σα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών, όπως π.χ. τα ελαιοπυρηνόξυλα, υπολείμματα εκκοκκισμού βαμβακιού, το πριονίδι και άλλα. δ) Σο βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών. χήμα 1.5 Εγκαταστάσεις συλλογής βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [36] Η Βιομάζα σήμερα Η βιομάζα, προέρχεται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία. Αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Κατά τη φωτοσύνθεση, η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, καθώς και ανόργανα συστατικά και νερό από το έδαφος. Η διεργασία αυτή μπορεί να παρασταθεί σχηματικά ως εξής: Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα +Ηλιακή Ενέργεια + Ανόργανα στοιχεία = Βιομάζα + Οξυγόνο Από τη στιγμή που σχηματίζεται η βιομάζα, μπορεί πλέον κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας. Η βιομάζα αποτελεί μια σημαντική ανεξάντλητη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, η οποία είναι δυνατό να συμβάλλει σημαντικά στη ενεργειακή επάρκεια, αντικαθιστώντας τα συνεχώς εξαντλούμενα αποθέματα ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο κ.ά.). Η χρήση της βιομάζας ως πηγής ενέργειας δεν είναι νέα. ε αυτήν εξάλλου, συγκαταλέγονται τα καυσόξυλα και οι ξυλάνθρακες 18

27 που μέχρι το τέλος του περασμένου αιώνα, κάλυπταν το 97% των ενεργειακών αναγκών της χώρας Η Βιομάζα στην Ελλάδα Η βιομάζα που παράγεται κάθε χρόνο στον πλανήτη μας υπολογίζεται ότι ανέρχεται σε 172 δισεκατομμύρια τόνους ξηρού υλικού, με ενεργειακό περιεχόμενο δεκαπλάσιο της ενέργειας που καταναλίσκεται παγκοσμίως στο ίδιο διάστημα. Σο τεράστιο αυτό ενεργειακό δυναμικό παραμένει κατά το μεγαλύτερο μέρος του ανεκμετάλλευτο, καθώς, σύμφωνα με πρόσφατες εκτιμήσεις, μόνο το 1/7 της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας καλύπτεται από βιομάζα και αφορά κυρίως τις παραδοσιακές χρήσεις της (καυσόξυλα και λοιπά). Όσον αφορά την Ελλάδα, τα κατ έτος διαθέσιμα γεωργικά και δασικά υπολείμματα ισοδυναμούν ενεργειακά με 3 4 εκατομμύρια τόνους πετρελαίου ενώ το δυναμικό των ενεργειακών καλλιεργειών μπορεί, με τα σημερινά δεδομένα, να ξεπεράσει άνετα εκείνο των γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων. Σο ποσό αυτό αντιστοιχεί ενεργειακά στο 3 4% της ποσότητας πετρελαίου που καταναλώνει ετησίως η χώρα μας. ημειώνεται ότι 1 τόνος βιομάζας ισοδυναμεί με περίπου.4 τόνους πετρελαίου. Εντούτοις, με τα σημερινά δεδομένα, καλύπτεται μόλις το 3% περίπου των ενεργειακών αναγκών της με τη χρήση της διαθέσιμης βιομάζας. Η βιομάζα στη χώρα μας χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή, κατά τον παραδοσιακό τρόπο, θερμότητας στον οικιακό τομέα (μαγειρική, θέρμανση), για τη θέρμανση θερμοκηπίων, σε ελαιουργία, καθώς και, με τη χρήση πιο εξελιγμένων τεχνολογιών, στη βιομηχανία (εκκοκκιστήρια βαμβακιού, παραγωγή προϊόντων ξυλείας, ασβεστοκάμινοι κ.ά.), σε περιορισμένη όμως κλίμακα. Ψς πρώτη ύλη σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιούνται υποπροϊόντα της βιομηχανίας ξύλου, ελαιοπυρηνόξυλα, κουκούτσια ροδάκινων και άλλων φρούτων, τσόφλια αμυγδάλων, βιομάζα δασικής προέλευσης, άχυρο σιτηρών, υπολείμματα εκκοκκισμού κ.ά.. Παρόλα αυτά, οι προοπτικές αξιοποίησης της βιομάζας στη χώρα μας είναι εξαιρετικά ευοίωνες, καθώς υπάρχει σημαντικό δυναμικό, μεγάλο μέρος του οποίου είναι άμεσα διαθέσιμο. Παράλληλα, η ενέργεια που μπορεί να παραχθεί είναι, σε πολλές περιπτώσεις οικονομικά ανταγωνιστική αυτής που παράγεται από τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Από πρόσφατη απογραφή έχει εκτιμηθεί ότι το σύνολο της άμεσα διαθέσιμης βιομάζας στην Ελλάδα συνίσταται από 7 5 περίπου τόνους υπολειμμάτων γεωργικών καλλιεργειών (σιτηρών, αραβοσίτου, βαμβακιού, καπνού, ηλίανθου, κλαδοδεμάτων, κληματίδων πυρηνόξυλου κ.ά.), καθώς και από 2 7 τόνους δασικών υπολειμμάτων υλοτομίας (κλάδοι, φλοιοί κ.ά.). Πέραν του ότι το μεγαλύτερο ποσοστό αυτής της βιομάζας παραμένει αναξιοποίητο, πολλές φορές αποτελεί αιτία πολλών δυσάρεστων καταστάσεων (πυρκαγιές, δυσκολία στην εκτέλεση εργασιών, διάδοση ασθενειών κ.ά.). Από τις παραπάνω ποσότητες βιομάζας, το ποσοστό τους εκείνο που προκύπτει σε μορφή υπολειμμάτων κατά τη δευτερογενή παραγωγή προϊόντων (εκκοκκισμός βαμβακιού μεταποίηση γεωργικών προϊόντων, επεξεργασία ξύλου κ.ά.) είναι άμεσα διαθέσιμο, δεν απαιτεί ιδιαίτερη φροντίδα συλλογής, δεν παρουσιάζει προβλήματα μεταφοράς και μπορεί να τροφοδοτήσει απευθείας διάφορα συστήματα παραγωγής 19

28 ενέργειας. Μπορεί δηλαδή η εκμετάλλευση του ποσοστού αυτού να καταστεί οικονομικά συμφέρουσα. Παράλληλα με την αξιοποίηση των διαφόρων γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων, σημαντικές ποσότητες βιομάζας είναι δυνατό να ληφθούν από τις ενεργειακές καλλιέργειες. υγκριτικά με τα γεωργικά και δασικά υπολείμματα, οι καλλιέργειες αυτές έχουν το πλεονέκτημα της υψηλότερης παραγωγής ανά μονάδα επιφανείας, καθώς και της ευκολότερης συλλογής. το σημείο αυτό, αξίζει να σημειωθεί ότι οι ενεργειακές καλλιέργειες αποκτούν τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερη σημασία για τις ανεπτυγμένες χώρες, οι οποίες προσπαθούν μέσω των καλλιεργειών αυτών, να περιορίσουν πέραν των περιβαλλοντικών και ενεργειακών προβλημάτων, και το πρόβλημα των γεωργικών πλεονασμάτων. Όπως είναι γνωστό, στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης τα γεωργικά πλεονάσματα και τα οικονομικά προβλήματα που αυτά δημιουργούν, οδηγούν αναπόφευκτα στη μείωση της γεωργικής γης και της αγροτικής παραγωγής. Τπολογίζεται ότι κατά την προσεχή δεκαετία θα μπορούσαν να αποδοθούν στις ενεργειακές καλλιέργειες 1 με 15 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης, προκειμένου να αποφευχθούν τα προβλήματα των επιδοτήσεων των γεωργικών πλεονασμάτων και της απόρριψης αυτών στις χωματερές, με ταυτόχρονη αύξηση των ευρωπαϊκών ενεργειακών πόρων. τη χώρα μας, για τους ίδιους λόγους, 1 εκατομμύρια στρέμματα καλλιεργήσιμης γης έχουν ήδη περιθωριοποιηθεί ή προβλέπεται να εγκαταλειφθούν στο άμεσο μέλλον. Εάν η έκταση αυτή αποδοθεί για την ανάπτυξη ενεργειακών καλλιεργειών, το καθαρό όφελος σε ενέργεια που μπορεί να αναμένεται υπολογίζεται σε 5 6 ΜΣΙΠ (1 ΜΣΙΠ = 16 ΣΙΠ, όπου ΣΙΠ σημαίνει: Σόνοι Ισοδύναμου Πετρελαίου) δηλαδή στο 5 6 % της ετήσιας κατανάλωσης πετρελαίου στην Ελλάδα. τον ελληνικό χώρο έχει αποκτηθεί σημαντική εμπειρία στον τομέα των ενεργειακών καλλιεργειών. Από την πραγματοποίηση σχετικών πειραμάτων και πιλοτικών εφαρμογών, προέκυψαν τα εξής σημαντικά στοιχεία: Η ποσότητα βιομάζας που μπορεί να παραχθεί ανά ποτιστικό στρέμμα ανέρχεται σε 3 4 τόνους ξηρής ουσίας, ήτοι ΣΙΠ. Η ποσότητα βιομάζας, που μπορεί να παραχθεί ανά ξηρικό στρέμμα μπορεί να φτάσει τους 2 3 τόνους ξηρής ουσίας, ήτοι ΣΙΠ Ενεργειακή αξιοποίηση - Εφαρμογές της Βιομάζας Η βιομάζα μπορεί να αξιοποιηθεί για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών (παραγωγή θερμότητας, ψύξης, ηλεκτρισμού κλπ.) είτε με απευθείας καύση, είτε με μετατροπή της σε αέρια, υγρά ή/και στερεά καύσιμα μέσω θερμοχημικών ή βιοχημικών διεργασιών. Επειδή η αξιοποίηση της βιομάζας αντιμετωπίζει συνήθως τα μειονεκτήματα της μεγάλης διασποράς, του μεγάλου όγκου και των δυσχερειών συλλογής μεταποίησης μεταφοράς αποθήκευσης, επιβάλλεται η αξιοποίησή της να γίνεται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στον τόπο παραγωγής της. Έτσι αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευχερέστατα σε μια πληθώρα εφαρμογών όπως: Κάλυψη των αναγκών θέρμανσης ψύξης ή/και ηλεκτρισμού σε γεωργικές και άλλες βιομηχανίες 2

29 Σηλεθέρμανση κατοικημένων περιοχών Θέρμανση θερμοκηπίων Παραγωγή υγρών καυσίμων με βιοχημική μετατροπή της βιομάζας Παραγωγή καυσίμων με θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας Ενεργειακές καλλιέργειες Βιοαέριο Παραγωγή οργανοχουμικών λιπασμάτων από πτηνοτροφικά απόβλητα Πλεονεκτήματα της Βιομάζας Σα κυριότερα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση της βιομάζας για παραγωγή ενέργειας είναι τα ακόλουθα: Η αποτροπή του φαινομένου του θερμοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο διοξείδιο του άνθρακα (CO2) που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η βιομάζα δεν συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του ρύπου αυτού στην ατμόσφαιρα γιατί, ενώ κατά την καύση της παράγεται CO2, κατά την παραγωγή της και μέσω της φωτοσύνθεσης επαναδεσμεύονται σημαντικές ποσότητες αυτού του ρύπου. Η αποφυγή της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας με το διοξείδιο του θείου (SO2) που παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων και συντελεί στο φαινόμενο της «όξινης βροχής». Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε θείο είναι πρακτικά αμελητέα. Η μείωση της ενεργειακής εξάρτησης, που είναι αποτέλεσμα της εισαγωγής καυσίμων από τρίτες χώρες, με αντίστοιχη εξοικονόμηση συναλλάγματος. Η εξασφάλιση εργασίας και η συγκράτηση των αγροτικών πληθυσμών στις παραμεθόριες και τις άλλες γεωργικές περιοχές, δηλαδή, η βιομάζα συμβάλλει στην περιφερειακή ανάπτυξη της χώρας Μειονεκτήματα της Βιομάζας Σα μειονεκτήματα που συνδέονται με τη χρησιμοποίηση της βιομάζας και αφορούν, ως επί το πλείστον, δυσκολίες στην εκμετάλλευσή της, είναι τα εξής: Ο μεγάλος όγκος της και η μεγάλη περιεκτικότητά της σε υγρασία, ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. Η δυσκολία στη συλλογή, μεταποίηση, μεταφορά και αποθήκευσή της, έναντι των ορυκτών καυσίμων. Οι δαπανηρότερες εγκαταστάσεις και εξοπλισμός που απαιτούνται για την αξιοποίηση της βιομάζας, σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Η μεγάλη διασπορά και η εποχιακή παραγωγή της. Εξ αιτίας των παραπάνω μειονεκτημάτων και για την πλειοψηφία των εφαρμογών της, το κόστος της βιομάζας παραμένει, συγκριτικά προς το πετρέλαιο, υψηλό. Ήδη, όμως, υπάρχουν εφαρμογές στις οποίες η αξιοποίηση της βιομάζας παρουσιάζει οικονομικά οφέλη. Επιπλέον, το πρόβλημα αυτό βαθμιαία εξαλείφεται, αφ ενός λόγω της ανόδου των τιμών του πετρελαίου, αφ ετέρου και σημαντικότερο, λόγω της βελτίωσης και ανάπτυξης των τεχνολογιών αξιοποίησης της βιομάζας. Σέλος, 21

30 πρέπει κάθε φορά να συνυπολογίζεται το περιβαλλοντικό όφελος, το οποίο, αν και συχνά δεν μπορεί να αποτιμηθεί με οικονομικά μεγέθη, εντούτοις είναι ουσιαστικής σημασίας για την ποιότητα της ζωής και το μέλλον της ανθρωπότητας. 1.4 ΓΕΨΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Άλλη μία Ανανεώσιμη Πηγή Ενέργειας είναι και η γεωθερμική ενέργεια. Εκρήξεις ηφαιστείων, πίδακες θερμού νερού, ατμών και αερίων, καθώς και θερμές πηγές πρόδιδαν και στους πρωτόγονους ακόμη κατοίκους του πλανήτη μας τη θερμική κατάσταση και δραστηριότητα που επικρατούσε στο εσωτερικό του. Προσωποποίησαν λοιπόν, και θεοποίησαν τις αιτίες, ερμήνευσαν με μύθους τις διαδικασίες που παρατηρούσαν και εκμεταλλεύτηκαν όσο μπορούσαν τη θερμική ενέργεια που έφτανε στην επιφάνεια. Γεωθερμική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της Γης. Η ενέργεια αυτή σχετίζεται με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες κάθε περιοχής. τη χώρα μας υπάρχει ένα πλήθος θερμών ιαματικών πηγών, τις οποίες συναντά κανείς από τη Θράκη ως την Πελοπόννησο και από τα νησιά του ανατολικού Αιγαίου ως τη τερεά Ελλάδα. Αυτή η χρήση των θερμών νερών για θεραπευτικούς σκοπούς, ήταν γνωστή εδώ και χιλιάδες χρόνια σε όλο σχεδόν τον κόσμο. Βέβαια εκτός από τις θεραπευτικές τους ιδιότητες, τα «ζεστά νερά» ή, πιο σωστά, τα γεωθερμικά ρευστά μπορούν να αξιοποιηθούν και για ενεργειακούς σκοπούς. Η γεωθερμική ενέργεια είναι μια ήπια και σχετικά ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή, η οποία με τα σημερινά δεδομένα μπορεί να καλύψει σημαντικές ενεργειακές ανάγκες. χήμα 1.6 Πίδακες θερμού ατμού (αριστερά) και θερμού νερού (δεξιά) [38] Προέλευση της Γεωθερμικής Ενέργειας ύμφωνα με την επικρατέστερη επιστημονική θεωρία δημιουργίας του ύμπαντος, η Γη και οι άλλοι πλανήτες, όπως και όλα τα αστρικά σώματα, 22

31 δημιουργήθηκαν από θερμά αέρια που ψύχθηκαν και συμπυκνώθηκαν με την πάροδο του χρόνου. Η διάπυρη σφαίρα, που κάποτε ήταν η Γη μας, δεν έχει ψυχθεί ακόμη στο εσωτερικό της. Επιπλέον, η θερμότητα που παράγεται από τη φυσική ραδιενέργεια των πετρωμάτων της συντηρεί εν μέρει αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες. Έτσι η Γη αποτελείται από ανομοιογενή στρώματα που έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες και μπορεί να εμφανίζονται σε στερεή, πλαστική ή ρευστή μορφή, ανάλογα των θερμοκρασιών και των πιέσεων που επικρατούν σε αυτά. Σα στρώματα στα οποία χωρίζεται η Γη είναι: α) η Λιθόσφαιρα, η οποία είναι το εξωτερικό στρώμα της, έχει βάθος 1 χιλιόμετρα και συνήθως σε αυτήν περιλαμβάνεται και το άνω μέρος του μανδύα β) ο Μανδύας που βρίσκεται κάτω από τη λιθόσφαιρα και προχωρεί μέχρι βάθους 29 χιλιομέτρων και γ) ο Πυρήνας που βρίσκεται κάτω από τον μανδύα και έχει ακτίνα 35 χιλιόμετρα Με δεδομένο ότι τα εσώτερα στρώματα είναι θερμότερα από τα εξώτερα, η ροή της θερμότητας γίνεται από το εσωτερικό προς το εξωτερικό της Γης. Όσο προσχωρούμε προς το κέντρο της, η θερμοκρασία αυξάνει. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας ονομάζεται «γεωθερμική βαθμίδα» και στο στρώμα της Λιθόσφαιρας έχει κανονική τιμή περίπου 3 ο C ανά χιλιόμετρο. Σο φαινόμενο κατά το οποίο σε μια περιοχή η θερμοκρασία αυξάνει με ταχύτερο ρυθμό ονομάζεται γεωθερμική ανωμαλία. Αυτό είναι γνώρισμα περιοχής όπου συντρέχουν ειδικές γεωλογικές συνθήκες και όπου είναι πιθανό να υπάρχει εκμεταλλεύσιμη γεωθερμική ενέργεια. Για να υφίσταται διαθέσιμο θερμό νερό ή ατμός σε μια περιοχή, πρέπει να υπάρχει κάποιος ταμιευτήρας αποθήκευσής του. Ο ταμιευτήρας σχηματίζεται όταν ένας αδιαπέρατος από το νερό ορίζοντας βρίσκεται κάτω από έναν περατό. Η γεωμορφολογία της περιοχής πρέπει να είναι κατάλληλη ώστε το βρόχινο νερό να μπορεί να διεισδύσει σε αυτούς τους βαθύτερους ορίζοντες οι οποίοι με τη σειρά τους, πρέπει να βρίσκονται κοντά σε ένα θερμικό κέντρο. την περίπτωση αυτή, το νερό του ταμιευτήρα θερμαίνεται και ανεβαίνει προς την επιφάνεια, ενώ το ψυχρότερο νερό κατεβαίνει βαθύτερα, όπου στη συνέχεια θερμαίνεται. Αν η θερμοκρασία των ρευστών είναι μεγαλύτερη των 25 ο C, τότε αυτά, σύμφωνα με την ελληνική νομοθεσία ονομάζονται γεωθερμικά ρευστά. Επιπροσθέτως η γεωθερμική ενέργεια χαρακτηρίζεται ως: α) Τψηλής θερμοκρασίας, όταν η θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού είναι από 9 ο C και πάνω β) Φαμηλής θερμοκρασίας, όταν η θερμοκρασία των ρευστών κυμαίνεται μεταξύ 25 και 9 ο C. Σα γεωθερμικά ρευστά εμφανίζονται κάποιες φορές επιφανειακά, με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού, ενώ άλλες φορές πρέπει να γίνει γεώτρηση. Η γεώτρηση γίνεται με ειδικά μηχανήματα, τα γεωτρύπανα, και μπορεί να έχει βάθος από λίγες δεκάδες μέτρα μέχρι μερικά χιλιόμετρα. Σο κόστος της γεώτρησης αυξάνει δυσανάλογα με την αύξηση του βάθους. Η απόληψη του γεωθερμικού ρευστού πρέπει να γίνεται με ρυθμό τέτοιο ώστε η φυσική ανανέωση του ταμιευτήρα να μπορεί να καλύπτει τις ποσότητες που 23

32 αντλούνται. Η διείσδυση νερού προερχόμενου από τη βροχή ή από άλλους υδάτινους πόρους, όπως ένα ποτάμι ή μία λίμνη, συντελεί στη συντήρηση του παραπάνω αποθέματος. Εάν όμως, ο ρυθμός άντλησης του γεωθερμικού ρευστού είναι μεγάλος, είναι ενδεχόμενο το νερό που διεισδύει να μην επαρκεί για την κάλυψη των αντλούμενων ποσοτήτων. Για το λόγο αυτό, είναι πολύ συνηθισμένη πρακτική η διάνοιξη και δεύτερης γεώτρησης, από την οποία δε γίνεται άντληση, αλλά επανέγχυση του ρευστού που απολήφθηκε. Με αυτήν την τεχνική, ενισχύεται η μακροβιότητα του ταμιευτήρα κατά δύο τρόπους. Αφενός, η ποσότητα του αποθηκευμένου νερού διατηρείται ή/και αυξάνεται, χωρίς να εξαρτάται από τη φυσική του διείσδυση, μειώνοντας ταυτόχρονα τον κίνδυνο εξάντλησης του. Αφετέρου, η θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού που επανεγχύεται είναι αυξημένη σε σχέση με αυτήν του νερού του περιβάλλοντος. Έτσι, είναι ευκολότερη και γρηγορότερη η θέρμανσή του από τη θερμότητα του υπεδάφους Ιστορικά στοιχεία Η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά σε παραγωγικές διαδικασίες το 1827 στην Σοσκάνη της Ιταλίας. Ο γεωθερμικός ατμός αντικατέστησε την καύση ξύλων για τη θέρμανση διαλυμάτων βορικού οξέος, που χρησιμοποιούνταν στην κατασκευή διακοσμητικών σμάλτων. Αργότερα, πάλι στην ίδια περιοχή, ο ατμός αυτός χρησιμοποιήθηκε για τη θέρμανση σπιτιών. Μερικά από αυτά θερμαίνονται μέχρι σήμερα με τον ίδιο τρόπο. Η πρώτη χρήση της γεωθερμικής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος έγινε το 1913 στο Λαρντερέλλο της Ιταλίας, με ένα στροβιλοφόρο κινητήρα ισχύος 25 KW. Ακολούθησε το 1923, η εγκατάσταση ενός στροβιλοφόρου κινητήρα ίδιας ισχύος στα Γκέυζερς της Καλιφόρνια. τις δεκαετίες του 5 και του 6, κατασκευάστηκαν πολλά εργοστάσια εκμετάλλευσης της γεωθερμικής ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος στη Γαλλία, την Ισλανδία, την Ιαπωνία, το Μεξικό, τη Νέα Ζηλανδία και το Ζαΐρ Η Γεωθερμία στην Ελλάδα Όταν μιλάμε για γεωθερμικά πεδία στην Ελλάδα αναφερόμαστε τόσο για πεδία χαμηλής θερμοκρασίας, όσο και πεδία υψηλής θερμοκρασίας. Η Ελλάδα διαθέτει ένα μεγάλο αριθμό επιβεβαιωμένων γεωθερμικών πεδίων χαμηλής θερμοκρασίας που είναι διεσπαρμένα σε ολόκληρη σχεδόν τη χώρα, αλλά και αρκετές περιοχές με γεωθερμικό ενδιαφέρον, οι οποίες όμως δεν έχουν ακόμα διερευνηθεί σε ικανοποιητικό βαθμό. Σο βεβαιωμένο δυναμικό ανέρχεται σε 3 MW θερμικής ενέργειας (MWth), ενώ το πιθανό στα 7 MWth. Για τη ανάπτυξη των εφαρμογών της γεωθερμικής ενέργειας στη χώρα μας ισχύει ο νόμος 3175/23. ύμφωνα με αυτόν, το δικαίωμα έρευνας και διαχείρισης των γεωθερμικών πεδίων ανήκει αποκλειστικά στο Δημόσιο και μπορεί να εκμισθωθεί σε ιδιώτες. Οι οργανισμοί τοπικής αυτοδιοίκησης μπορούν να εκμεταλλεύονται τα γεωθερμικά πεδία είτε εγκαθιστώντας εφαρμογές για ιδία χρήση, είτε πουλώντας την παραγόμενη ενέργεια σε ιδιώτες. ήμερα, οι εφαρμογές της γεωθερμίας χαμηλής 24

33 θερμοκρασίας στην Ελλάδα περιορίζονται στη θέρμανση θερμοκηπίων, αν και κατά καιρούς έχουν γίνει πιλοτικές εφαρμογές υδατοκαλλιεργειών και ξήρανσης βαμβακιού. Γεωθερμικά πεδία υψηλής θερμοκρασίας έχουν εντοπισθεί στο ηφαιστειακό τόξο του Αιγαίου και, ειδικότερα, στα νησιωτικά συμπλέγματα της Μήλου, αντορίνης και Νισύρου. Από τις έρευνες προέκυψε ότι το συνολικό γεωθερμικό δυναμικό είναι της τάξεως των 18 MWth (12 MWth στη Μήλο και 6 MWth στη Νίσυρο). Γεωθερμικά πεδία αυτού του είδους εντοπίζονται, πέραν του ηφαιστειακού τόξου του Αιγαίου, και στη νήσο Λέσβο, όπου, μέχρι σήμερα, έχει επιβεβαιωθεί η ύπαρξη γεωθερμικών ρευστών υψηλής θερμοκρασίας στην περιοχή της Αργέννου. Η Δ.Ε.Η. εγκατέστησε το 1985 μια πειραματική μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ισχύος 2 MW, για την εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας υψηλής θερμοκρασίας της Μήλου, η οποία λειτούργησε για κάποιο διάστημα, μέχρι το Η εκμετάλλευση των γεωθερμικών πεδίων υψηλής θερμοκρασίας για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από ιδιώτες μπορεί να γίνει μόνο μετά από σχετική άδεια από το κράτος. Επιπλέον το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα πρέπει υποχρεωτικά να πωλείται στη Δ.Ε.Η., σε τιμές που καθορίζονται από την εταιρεία Εκμετάλλευση της Γεωθερμικής Ενέργειας Ο σημαντικότερος παράγοντας για την αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας κάποιας περιοχής είναι η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών που εντοπίζονται σ αυτήν. Εξάλλου, αυτή είναι που καθορίζει και το είδος της εφαρμογής που μπορεί να πραγματοποιηθεί. Σέτοιες εφαρμογές μπορεί να είναι ηλεκτροπαραγωγή, θέρμανση χώρων, ψύξη και κλιματισμός, θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών, ιχθυοκαλλιέργειες, βιομηχανικές εφαρμογές όπως αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Όλες οι εφαρμογές αυτές ταξινομημένες ανάλογα με τη θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού φαίνονται και στον παρακάτω πίνακα αναλυτικά: Πίνακας 1.1 Εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας ανάλογα με τη θερμοκρασία ο C Εφαρμογές 18 Εξάτμιση διαλυμάτων υψηλής συγκέντρωσης 17 Παραγωγή βαρέως ύδατος με τη μέθοδο του υδρόθειου 16 Ξήρανση ιχθυάλευρων ή ξυλείας 15 Παραγωγή αλουμίνας με τη μέθοδο Bayer 14 Κονσερβοποιία. Ελάχιστη θερμοκρασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας 13 Εξάτμιση του νερού στην επεξεργασία της ζάχαρης, παραγωγή άλατος με εξάτμιση και κρυσταλλοποίηση 12 Παραγωγή πόσιμου νερού με απόσταξη 11 Ξήρανση και επεξεργασία λεπτόκοκκου τσιμέντου 1 Ξήρανση οργανικών υλικών, χόρτου, λαχανικών, κλπ. Πλύση και ξήρανση μαλλιού 9 Ξήρανση ιχθύων 8 Χύξη 6 Θέρμανση θερμοκηπίων 25

34 5 Θέρμανση υπαίθριων καλλιεργειών 3 Πισίνες, αποπαγοποίηση, ζύμωση 2 Τδατοκαλλιέργειες Όπως προκύπτει από τον πίνακα, για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιούνται, συνήθως, γεωθερμικά ρευστά υψηλής θερμοκρασίας. Η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος είναι αρκετά διαδεδομένη, χάρη σε μερικά σημαντικά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει. Οι χώρες που διαθέτουν αξιόλογα γεωθερμικά πεδία προτιμούν να αναπτύσσουν και να εκμεταλλεύονται τις δικές τους πηγές από το να εισάγουν καύσιμα για παραγωγή ενέργειας. τις χώρες όπου υπάρχουν πολλές εναλλακτικές λύσεις για το σκοπό αυτό ανάμεσα στις οποίες και η γεωθερμία, αυτή εν γένει προτιμάται, διότι αφενός παρουσιάζει ανταγωνιστικό οικονομικό κόστος και αφετέρου δίνεται η ευκαιρία να χρησιμοποιήσει το πετρέλαιο σε άλλες εφαρμογές για τις οποίες η γεωθερμία δεν είναι κατάλληλη, καθώς δεν είναι εύκολη και συμφέρουσα η μεταφορά της. Επιπλέον, η εκμετάλλευση των γεωθερμικών ρευστών, πέρα από τα περιβαλλοντικά οφέλη, δίνει τη δυνατότητα να κατασκευαστούν τοπικά μικρές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής (συνήθως μικρότερες των 1 MW). Ψς συνέπεια αυτού του γεγονότος, οι γεωθερμικές μονάδες μπορούν να εγκατασταθούν σε πολύ μικρότερο χρόνο από τις μονάδες που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα, οι οποίες επιπροσθέτως, για λόγους οικονομίας κλίμακος, έχουν πολύ μεγάλο μέγεθος. Πέραν τούτου, η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος καθίσταται περισσότερο αξιόπιστη όταν οι μονάδες παραγωγής του είναι διεσπαρμένες και δεν παρουσιάζεται συγκέντρωση λίγων μεγάλων μονάδων σε μια μικρή περιοχή. Η μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος με τη βοήθεια γεωθερμικού ρευστού εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του, δηλαδή τη θερμοκρασία του, τα διαλελυμένα και αιωρούμενα στερεά και το επίπεδο των αερίων που εμπεριέχονται σε αυτό. Η συνηθέστερα εφαρμοζόμενη μεθοδολογία είναι η εκτόνωση ατμού, η οποία χρησιμοποιείται όταν το γεωθερμικό ρευστό εξέρχεται από τη γεώτρηση με πίεση και χωρίς τη βοήθεια άντλησης. Κατ αυτήν, το γεωθερμικό ρευστό διέρχεται από ένα διαχωριστήρα ατμού, ο οποίος, στη συνέχεια διοχετεύει τον ατμό προς εκτόνωση σε ένα στροβιλοφόρο κινητήρα συνδεδεμένο με μια ηλεκτρογεννήτρια. Προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση της διαδικασίας αυτής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στροβιλοφόρος κινητήρας διπλής εισόδου. Μια άλλη συνήθης μεθοδολογία είναι του δυαδικού κύκλου και χρησιμοποιείται όταν η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών είναι μικρότερη των 18 ο C, καθώς και στις περιπτώσεις όπου το γεωθερμικό ρευστό περιέχει διαβρωτικά στοιχεία και ενώσεις που μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα αντοχής στο στρόβιλο. Σο γεωθερμικό ρευστό αποδίδει την ενέργειά του σε ένα δεύτερο ρευστό μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας και στη συνέχεια, επανεισέρχεται στον ταμιευτήρα. Σο δεύτερο αυτό ρευστό έχει χαμηλότερο σημείο βρασμού από το γεωθερμικό και ατμοποιείται στην έξοδο του εναλλάκτη. Σο ατμοποιημένο ρευστό οδηγείται σε ένα στροβιλοφόρο κινητήρα, συνδεδεμένο και σε αυτήν την περίπτωση με μιαν ηλεκτρογεννήτρια, και μετά την εκτόνωσή του, συμπυκνώνεται για να οδηγηθεί και πάλι στον εναλλάκτη θερμότητας. Η διαδικασία 26

35 αυτή δεν επιβαρύνει καθόλου το περιβάλλον, διότι τόσο το γεωθερμικό όσο και το δευτερεύον ρευστό είναι απομονωμένα από την ατμόσφαιρα. Ψς δευτερεύοντα ρευστά συνήθως χρησιμοποιούνται υδρογονάνθρακες, όπως είναι το ισοβουτάνιο και το προπάνιο. ήμερα, το μεγαλύτερο γεωθερμικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται στο Γκέυζερς της Καλιφόρνια. Η εγκατεστημένη ισχύς του το 21 ξεπερνούσε τα 18 MW. Η εγκατεστημένη παγκοσμίως ισχύς ξεπερνά τα 89 MW και η παραγόμενη ενέργεια τις 547 GWh. Η χώρα μας έχει δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής από γεωθερμία της τάξεως των 15 MW, το οποίο όμως, για διάφορες αιτίες, παραμένει ανεκμετάλλευτο. Οι δυνατότητες χρήσης της γεωθερμικής ενέργειας στον αγροτικό τομέα είναι πολύ μεγάλες. Με την αξιοποίηση της γεωθερμίας μπορούν να θερμανθούν θερμοκήπια, υδατοκαλλιέργειες, κτίρια εσταυλισμένων ζώων καθώς και υπαίθριες καλλιέργειες. Η κυριότερη θερμική χρήση της γεωθερμικής ενέργειας σήμερα, τόσο στην Ελλάδα όσο και παγκοσμίως, αφορά τη θέρμανση θερμοκηπίων. Είναι γεγονός ότι οι δαπάνες θέρμανσης αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό του συνολικού κόστους λειτουργίας των θερμοκηπίων, το οποίο φυσικά αυξάνει όσο προχωρούμε προς ψυχρότερα κλίματα. Σα υφιστάμενα γεωθερμικά πεδία προσφέρουν θερμική ενέργεια πολύ φθηνότερη από ό,τι τα συμβατικά καύσιμα. Επίσης, η γεωθερμία μπορεί εύκολα και οικονομικά να χρησιμοποιηθεί στις υδατοκαλλιέργειες, οι οποίες είναι ευρέως διαδεδομένες ανά τον κόσμο. Με τον όρο υδατοκαλλιέργεια εννοείται ο περιορισμός και η ελεγχόμενη διατροφή διάφορων υδρόβιων οργανισμών, με στόχο την ευρεία αναπαραγωγή τους και την εύκολη απόληψή τους. Πράγματι, πολλά είδη υδρόβιων οργανισμών, όπως τα χέλια, οι γαρίδες ή τα φύκια, αναπτύσσονται γρηγορότερα σε αυξημένες θερμοκρασίες, της τάξεως των 25 έως 3 ο C, έναντι αυτών που υπό κανονικές συνθήκες έχει το νερό. Είναι, λοιπόν, σκόπιμη η θέρμανση του νερού εκτροφής, προκειμένου να επιτευχθεί ταχύτερη και μεγαλύτερη παραγωγή. Οι παραπάνω θερμικές εφαρμογές μπορούν να εγκατασταθούν έτσι, ώστε το γεωθερμικό ρευστό που προέρχεται από μια γεώτρηση να χρησιμοποιείται σε περισσότερες από μία εφαρμογές. Μπορεί για παράδειγμα, να αξιοποιείται η γεωθερμική ενέργεια για τη θέρμανση ενός θερμοκηπίου, εν συνεχεία μιας υπαίθριας καλλιέργειας και τέλος μιας υδατοκαλλιέργειας. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να επιτευχθεί η απόληψη του συνόλου της χρησιμοποιήσιμης θερμικής ενέργειας των γεωθερμικών ρευστών, πριν αυτά απορριφθούν. την περίπτωση αυτή, γίνεται εν σειρά χρήση της γεωθερμικής ενέργειας Μια άλλη παγκοσμίως διαδεδομένη χρήση της γεωθερμίας είναι η θέρμανση οικισμών και οικιστικών συγκροτημάτων. Η εφαρμογή αυτή ονομάζεται «τηλεθέρμανση οικισμών», διότι η πηγή θερμότητας βρίσκεται μακριά από το χώρο χρήσης της. Η θερμική ενέργεια που δεσμεύεται από τη γεωθερμική πηγή διοχετεύεται προς τους χρήστες με τη βοήθεια ενός δικτύου αγωγών. Οι εσωτερικοί χώροι των κτιρίων θερμαίνονται μέσω τοπικά εγκατεστημένων εναλλακτών θερμότητας, οι οποίοι τροφοδοτούνται με το ρευστό μεταφοράς της θερμότητας που κυκλοφορεί στο δίκτυο. την Ελλάδα, δεν έχουν αναπτυχθεί ακόμα τέτοιου είδους εφαρμογές αξιοποίησης της γεωθερμίας, αν και υπάρχουν οι σχετικές δυνατότητες. 27

36 ημαντικό πεδίο εφαρμογής της γεωθερμίας στη χώρα μας, ιδιαίτερα στις άνυδρες νησιωτικές και παραθαλάσσιες περιοχές, αποτελεί η θερμική αφαλάτωση θαλασσινού νερού με στόχο την απόληψη πόσιμου. Η σπουδαιότητα τέτοιων εφαρμογών στα νησιά του Αιγαίου, ειδικά σε αυτά που αναπτύσσονται τουριστικά, είναι μεγάλη, δεδομένου ότι σε πολλά από αυτά το νερό μεταφέρεται με υδροφόρα πλοία, με αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση του κόστους του. Σο Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, σε συνεργασία με την κοινότητα Κιμώλου, εγκατέστησε μια τέτοια μονάδα στην περιοχή αυτή. Η γεωθερμία μπορεί ακόμη να έχει εφαρμογή στη θέρμανση ή/και ψύξη κτιρίων, θερμοκηπίων και άλλων εγκαταστάσεων με τη χρήση αντλιών θερμότητας, δηλαδή χωρίς την καθ αυτήν εκμετάλλευση κάποιας γεωθερμικής πηγής. Σα συστήματα που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό ονομάζονται γήινοι εναλλάκτες θερμότητας και αποτελούνται από μια αντλία θερμότητας και σωληνώσεις, οι οποίες τοποθετούνται στο υπέδαφος. Κατ αυτόν τον τρόπο αξιοποιείται η σταθερή θερμοκρασία που επικρατεί εκεί. Με ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να αξιοποιηθεί η γεωθερμική ενέργεια της Γης σε οποιαδήποτε περιοχή, χωρίς να είναι αναγκαία η ύπαρξη ανωμαλίας της γεωθερμικής βαθμίδας. Έτσι τα συστήματα αυτού του είδους μπορούν να βρουν εφαρμογή σε οποιαδήποτε τοποθεσία και για το λόγο αυτό, είναι πολύ διαδεδομένα διεθνώς Οικονομικά στοιχεία της Γεωθερμικής Ενέργειας Σο κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται με την αξιοποίηση της Γεωθερμίας σήμερα κυμαίνεται μεταξύ.2.1 /KWh. Σο κόστος παραγωγής από συμβατικά καύσιμα είναι από.2.14 /KWh. τις περισσότερες περιπτώσεις, το κόστος παραγωγής θερμικής ενέργειας από τη Γεωθερμία κυμαίνεται μεταξύ.5.5 /KWh, ενώ το αντίστοιχο κόστος παραγωγής της από συμβατικά καύσιμα είναι περίπου.41 /KWh. Βέβαια σε κάθε περίπτωση, το κόστος επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, αλλά είναι εμφανές ότι υπάρχουν μεγάλες δυνατότητες για οικονομικά συμφέρουσα εκμετάλλευση της γεωθερμίας για την παραγωγή θερμότητας. Ο σημαντικότερος παράγοντας επηρεασμού του κόστους παραγωγής με τις συμβατικές μεθόδους είναι η τιμή του καυσίμου, ενώ στην περίπτωση της γεωθερμίας κυρίαρχο ρόλο παίζουν η θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού, το κόστος διάνοιξης της γεώτρησης και το κόστος άντλησης Περιβαλλοντικά οφέλη από τη Γεωθερμία Πέρα από τα οικονομικά οφέλη, η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας συμβάλλει στην εξοικονόμηση συμβατικών καυσίμων τα οποία βεβαίως δεν είναι ανεξάντλητα. Η εκμετάλλευση των διαθέσιμων γεωθερμικών πεδίων, επιτρέπει την αξιοποίηση των συμβατικών καυσίμων, ειδικά του πετρελαίου, σε άλλες εφαρμογές όπου αυτά είναι καταλληλότερα ή/και η χρήση τους οικονομικά πιο συμφέρουσα. Μια τέτοια χρήση είναι οι μεταφορές και η βιομηχανία όπου συχνά απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες. ε αυτές τις περιπτώσεις, ούτε η γεωθερμία, αλλά ούτε οι άλλες Α.Π.Ε. μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα, κυρίως λόγω της δυσκολίας μεταφοράς τους. 28

37 Από περιβαλλοντικής απόψεως, με την παραγωγή ενέργειας γεωθερμικής προέλευσης επιτυγχάνεται μείωση των εκπομπών CO2 στην ατμόσφαιρα, που είναι το κύριο αίτιο του φαινομένου του θερμοκηπίου, το οποίο απειλεί σοβαρά την οικολογική ισορροπία του πλανήτη μας με τις κλιματικές μεταβολές που προκαλεί. Παράλληλα, επιτυγχάνεται η μείωση και των άλλων εκπεμπόμενων ρύπων, οι οποίοι έχουν εξίσου μακροχρόνιες βλαπτικές επιδράσεις. ημαντικότερος από αυτούς είναι το SO2 που προκαλεί την όξινη βροχή, η οποία αποτελεί σημαντικό πρόβλημα για τις βιομηχανικά ανεπτυγμένες χώρες. Η εκπομπή ατμοσφαιρικών ρύπων από μία μονάδα παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που λειτουργεί με χρήση γεωθερμίας είναι μικρότερη του ενός χιλιοστού μιας αντίστοιχης μονάδος που χρησιμοποιεί ως καύσιμο άνθρακα. 1.5 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΨΚΕΑΝΟΤ Ενέργεια από τις Παλίρροιες Σα τελευταία σαράντα χρόνια, έχει υπάρξει ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση της παλιρροιακής δύναμης. Αρχικά, αυτό το ενδιαφέρον εστιάστηκε στις εκβολές, όπου οι μεγάλοι όγκοι του ύδατος περνούν μέσω των στενών καναλιών. Οι μηχανικοί θεώρησαν ότι εμποδίζοντας τις εκβολές με ένα φράγμα και οδηγώντας το νερό μέσω των στροβίλων θα μπορούσαν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό αποδείχθηκε από την κατασκευή ενός παλιρροιακού φράγματος στο ST Malo στη Γαλλία, στον ποταμό La Rance στα μέσα της δεκαετίας του '6. Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής είναι ένας ηλεκτρικός σταθμός που μετατρέπει την ενέργεια των παλιρροιών της θάλασσας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο παλιρροϊκός σταθμός εκμεταλλεύεται τη διαφορά στάθμης του ύδατος κατά τη πλημμυρίδα και την άμπωτη. Όταν ένα φράγμα κλείσει τον κόλπο ή τις εκβολές ενός ποταμού που ρέει στη θάλασσα σχηματίζεται υδατοδεξαμενή, που καλείται λεκάνη παλιρροϊκού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Αν η πλημμυρίδα προκαλεί αρκετή διαφορά ύψους (πάνω από 4 μέτρα) μπορεί να δημιουργηθεί αρκετή πίεση για να περιστρέψει υδροστρόβιλους συνδεδεμένους με ηλεκτρογεννήτριες που έχουν εγκατασταθεί στο φράγμα. Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με λεκάνη, που λειτουργεί σε κανονικό παλιρροϊκό κύκλο 12 ωρών, μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια αδιάκοπα για 4 ή 5 ώρες, τέσσερις φορές την ημέρα, με αντίστοιχα διαλείμματα μιας ή δύο ωρών. Για να αποφευχθεί η ανομοιόμορφη παραγωγή ηλεκτρισμού, η λεκάνη του παλιρροϊκού σταθμού μπορεί να χωριστεί με φράγματα σε δύο ή τρεις μικρότερες. την πρώτη λεκάνη η στάθμη ύδατος διατηρείται στη στάθμη της άμπωτης και στη δεύτερη στη στάθμη πλημμυρίδας, ενώ η τρίτη λεκάνη είναι εφεδρική. Η γεννήτρια υδραυλικού κινητήρα εγκαθίσταται στα διαχωριστικά φράγματα. Αλλά ακόμα και αυτή η διάταξη δεν αποτρέπει εντελώς τις διακυμάνσεις της ηλεκτρικής ισχύος που προκαλούνται από την περιοδική υφή των παλιρροιών σε περίοδο μισού μήνα. Όταν ο παλιρροιακός σταθμός περιληφθεί στο σύστημα ηλεκτρικής ισχύος με άλλους θερμικούς σταθμούς, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγει μπορεί να βοηθήσει για την κάλυψη του φορτίου αιχμής του συστήματος. Αν το σύστημα περιλαμβάνει υδροηλεκτρικούς σταθμούς με υδατοδεξαμενές, ο παλιρροϊκός σταθμός μπορεί να αντισταθμίσει τις διακυμάνσεις της παλιρροϊκής ενέργειας, που παρουσιάζονται κατά την περίοδο ενός μηνός. 29

38 Οι γεννήτριες τυμπάνου διυδραυλικών κινητήρων που εγκαθίστανται στους παλιρροϊκούς σταθμούς, μπορούν να λειτουργούν με σχετικά υψηλό βαθμό απόδοσης σε άμεσα ή ανάστροφα συστήματα γεννήτριας και αντλίας και σαν ανοίγματα για τη ροή ύδατος. Κατά τις ώρες που η περίοδος χαμηλού φορτίου του συστήματος συμπίπτει με την άμπωτη ή την πλημμυρίδα, οι γεννήτριες διυδραυλικών κινητήρων κλείνουν ή λειτουργούν σαν αντλίες κατευθύνοντας το νερό από τη λεκάνη κάτω της στάθμης της άμπωτης στη λεκάνη πάνω από τη στάθμη της πλημμυρίδας. Έτσι συσσωρεύεται ενέργεια μέχρι τη στιγμή της ζήτησης αιχμής. Όταν η πλημμυρίδα ή η άμπωτη συμπίπτουν χρονικά με το μέγιστο φορτίο του συστήματος ο παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής λειτουργεί σαν γεννήτρια. Κατά συνέπεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν εφεδρικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής. Ο παλιρροϊκός σταθμός των 24 ΜW στο στόμιο του ποταμού Ράνς στη Γαλλία που κατασκευάστηκε το 1966 λειτουργεί με αυτό τον τρόπο. Παρά την επιτυχία του σταθμού αυτού, έκτοτε δεν ξαναχτίστηκε άλλος, λόγω του υψηλού κόστος κατασκευής (2.5 φορές μεγαλύτερο από το κόστος συμβατικού ποτάμιου υδροηλεκτρικού σταθμού ίδιας ισχύος). Για λόγους μείωσης του κόστους κατασκευής η Ε...Δ. κατασκεύασε έναν υδροηλεκτρικό σταθμό μαζί με ένα παλιρροϊκό σταθμό με τη μέθοδο της πλέουσας κατασκευής. Με τη μέθοδο αυτή οι συνιστώσες της κατασκευής κατασκευάζονται και ρυθμίζονται σε παραθαλάσσιο βιομηχανικό κέντρο. Κατόπιν η κατασκευή συναρμολογείται και ρυμουλκείται από τη θάλασσα στην τελική τοποθεσία. ήμερα γνωρίζοντας ότι η παλίρροια μπαίνει και βγαίνει κάθε δώδεκα ώρες, με συνέπεια τα ρεύματα να φθάνουν στη μέγιστη ταχύτητά τους τέσσερις φορές κάθε ημέρα έχουν αναπτυχθεί δύο αντίπαλες τεχνολογίες: οι παλιρροιακοί φράκτες και οι παλιρροιακοί στρόβιλοι, με σκοπό την εκμετάλλευση της ενέργειας αυτών των ρευμάτων Ενέργεια από Κύματα χήμα 1.7: Κύματα στη θάλασσα [39] Σα θαλάσσια κύματα προκαλούνται από τον αέρα όπως φυσά πέρα από τη θάλασσα. Σα κύματα είναι μια ισχυρή πηγή ενέργειας. Σο πρόβλημα είναι ότι δεν είναι εύκολο να χρησιμοποιηθεί αυτή η ενέργεια για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια 3

39 σε μεγάλα ποσά. Κατά συνέπεια, οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος κυμάτων είναι σπάνιοι. Τπάρχουν διάφορες μέθοδοι παραγωγής ενέργειας από τα κύματα, αλλά μια από τις αποτελεσματικότερες λειτουργεί όπως μια μηχανή κυμάτων πισινών. Έτσι, σε μια πισίνα, ο αέρας φυσιέται μέσα και έξω από μια μηχανή εκτός από τη λίμνη, η οποία κάνει το νερό να μετακινείται πάνω-κάτω, προκαλώντας τα κύματα. Παρόμοια, σε έναν σταθμό παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος κυμάτων, η άφιξη των κυμάτων προκαλεί άνοδο και πτώση του νερού εντός του θαλάμου του σταθμού, το οποίο προκαλεί τον αέρα να κινείται μέσα και έξω από μια τρύπα στην κορυφή του θαλάμου. ε αυτή τη τρύπα τοποθετούμαι μία τουρμπίνα, η οποία γυρίζει με την κίνηση του αέρα μέσα-έξω, με αποτέλεσμα η τουρμπίνα να λειτουργεί ως γεννήτρια. Ένα πρόβλημα σε αυτό το σχέδιο είναι ότι ο κινούμενος αέρας μπορεί να είναι πολύ θορυβώδης, εκτός και εάν εγκατασταθεί στο στρόβιλο σιγαστήρας. Ο θόρυβος δεν είναι τεράστιο πρόβλημα, δεδομένου ότι τα κύματα κάνουν αρκετό θόρυβο από μόνα τους. Σο σύστημα εκμεταλλεύεται την ταχύτητα του κύματος, το ύψος, το βάθος και τη ροή κάτω από το πλησιάζον κύμα, παράγοντας κατά συνέπεια την ενέργεια αποτελεσματικότερα και φτηνότερα από άλλα θαλάσσια κύματα και τις υπόλοιπες συμβατικές τεχνολογίες Ενέργεια από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού Η θερμική ενέργεια των ωκεανών μπορεί να αξιοποιηθεί με την εκμετάλλευση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ του θερμότερου επιφανειακού νερού και του ψυχρότερου νερού του πυθμένα. Η διαφορά αυτή πρέπει να είναι τουλάχιστον 3.5 C. Ώστε να είναι εκμεταλλεύσιμη από μια θερμική μηχανή. Σα πλεονεκτήματα από τη χρήση της ενέργειας από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού, εκτός του ότι είναι μια «καθαρή» και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, με τα γνωστά ευεργετήματα, είναι το σχετικά μικρό κόστος κατασκευής των απαιτούμενων εγκαταστάσεων και η μεγάλη απόδοση. Από την άλλη, στα μειονεκτήματα συναντάμε τα πολύ υψηλό κόστος μεταφοράς της ενέργειας αυτής στη στεριά. 1.6 ΤΔΡΟΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΜΙΚΡΑ ΤΔΡΟΗΛΕΚΣΡΙΚΑ ΕΡΓΑ) χεδόν το ένα τέταρτο της ηλιακής ενέργειας που καταφθάνει στην επιφάνεια της γης προκαλεί την εξάτμιση του νερού από τις θάλασσες, τις λίμνες και τους νερόλακκους. Μέρος της ενέργειας αυτής χρησιμοποιείται για την ανύψωση των υδρατμών στην ατμόσφαιρα (έναντι στη βαρυτική έλξη της γης), όπου τελικά υγροποιείται και σχηματίζεται βροχή ή χιόνι. Όταν βρέχει στους λόφους ή χιονίζει στα βουνά, ένα μικρό ποσοστό της εισαγόμενης ηλιακής ενέργειας παραμένει αποθηκευμένο. Έτσι, σε οποιοδήποτε ύψος επάνω από τη στάθμη της θάλασσας το νερό αντιπροσωπεύει αποθηκευμένη «βαρυτική» ενέργεια. Η ενέργεια αυτή διαχέεται στη φύση από δίνες και ρεύματα, καθώς το νερό ρέει κατηφορικά σε ρυάκια, χείμαρρους και ποτάμια μέχρι να φτάσει στη θάλασσα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του αποθηκευμένου νερού και όσο ψηλότερα βρίσκεται, τόσο περισσότερη είναι η ενέργεια που περιέχει. Έτσι, το αποθηκευμένο νερό σ έναν ταμιευτήρα πίσω από ένα φράγμα περιέχει σημαντική «δυναμική» ενέργεια καθόσον, 31

40 δοθείσης της ευκαιρίας, εάν σπάσει το φράγμα θα διαρρεύσει πολύ γρήγορα ο μεγάλος αυτός όγκος του νερού. Αυτό θα προκαλέσει όλεθρο στο κατόπι του, ως αποτέλεσμα της απότομης απελευθέρωσης ενός μεγάλου ποσού ενέργειας. Για την απόληψη αυτής της ενέργειας σε μια ελεγχόμενη μορφή, μπορεί να εκτραπεί σ ένα σωλήνα ένα μέρος ή όλο το νερό ενός φυσικού υδάτινου διαύλου. τη συνέχεια, μπορεί να οδηγηθεί ως ένα ρεύμα νερού υπό πίεση σε ένα υδροτροχό ή στροβιλοτροχό, έτσι ώστε το νερό που προσπίπτει στα πτερύγια να προκαλεί την περιστροφή του τροχού και την παραγωγή μηχανικής ενέργειας. τους νερόμυλους, μεγάλοι ξύλινοι υδροτροχοί περιστρέφονται αργά ώστε να στρέφουν τις μυλόπετρες για το άλεσμα του σιταριού. Παρόμοιες αρχές χρησιμοποιήθηκαν για την άντληση νερού, την κοπή ξύλων και την οδήγηση απλών μηχανών σε εργοστάσια. ήμερα, ένας σύγχρονος στρόβιλος συνδέεται σε μια γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία στη συνέχεια μεταδίδεται στο σημείο όπου υπάρχει ζήτηση αυτής. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η μεγαλύτερη και πιο ώριμη εφαρμογή ανανεώσιμης ενέργειας, με περίπου 678 MW εγκατεστημένης ισχύος, τα οποία παρήγαγαν το 1998 πάνω από το 22% της ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως (2564 ΣWh/έτος). τη Δυτική Ευρώπη, τα υδροηλεκτρικά συνεισέφεραν 52 TWh ηλεκτρικής ενέργειας το 1998, ή το 19% περίπου της ηλεκτρικής ενέργειας στην Ε.Ε. (αποφεύγοντας με τον τρόπο αυτό την εκπομπή περίπου 7 εκατομμυρίων τόνων CO2 ετησίως). Παρά το μεγάλο υφιστάμενο υδροηλεκτρικό δυναμικό, υπάρχουν ακόμη περιθώρια για περαιτέρω ανάπτυξη, καθώς, σύμφωνα με τις περισσότερες εκτιμήσεις, αυτό αποτελεί μόνο το 1% περίπου του συνολικού παγκόσμιου βιώσιμου υδροδυναμικού Διάκριση των Τδροηλεκτρικών τη συνέχεια περιγράφονται τα Μικρής κλίμακας Τδροηλεκτρικά υστήματα (στο εξής ΜΤΗ), εφόσον τα μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικά έργα εν γένει δεν θεωρούνται ως συστήματα αξιοποίησης των Α.Π.Ε.. Γενικά, υπάρχει η αντίληψη ότι τα μεγάλα φράγματα μεταβάλλουν το οικοσύστημα, αφού εγκαθίστανται σε περιοχές φυσικών ρευμάτων και μειώνουν το οξυγόνο του νερού. Οι ταμιευτήρες είναι λίμνες αδρανούς ή λιμνάζοντος ύδατος, οπότε είναι αφιλόξενοι για τα ενδημικά είδη ψαριών. Κατάντη προκαλούν εναλλασσόμενες περιόδους λειψυδρίας ακολουθούμενες από ορμητικούς κυματισμούς που διαβρώνουν το έδαφος και τη βλάστηση. Σα ΜΤΗ είναι κυρίως «συνεχούς ροής», δηλαδή δεν περιλαμβάνουν σημαντική περισυλλογή νερού και επομένως δεν απαιτείται η κατασκευή μεγάλων φραγμάτων και ταμιευτήρων, αν και όπου αυτά υπάρχουν ήδη και μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα είναι επιβοηθητικά. Δεν υφίσταται κάποια γενική διεθνής παραδοχή για τον ορισμό των ΜΤΗ, το ανώτερο όριο των οποίων ποικίλλει μεταξύ 2.5 και 25 MW σε διάφορες χώρες, αλλά γίνεται γενικώς αποδεκτή η τιμή των 1 MW, όπως συμβαίνει με την Ευρωπαϊκή Εταιρεία Μικρών Τδροηλεκτρικών (ESHA). 32

41 χήμα 1.8 ΜΤΗ Ελεούσας Φαλκηδόνας [21] τα επόμενα, όπου γίνεται αναφορά σε ΜΤΗ θα εννοείται κάθε υδροηλεκτρικό σύστημα με ονομαστική ισχύ 1 MW ή μικρότερη. Αυτά μπορούν να υποδιαιρεθούν περαιτέρω σε «μίνι υδροηλεκτρικά», συνήθως οριζόμενα ως τα συστήματα εκείνα με ισχύ <5 KW, και σε «μικρο-υδροηλεκτρικά», για τα σχήματα δυναμικού <1 KW. Όποιος ορισμός και αν χρησιμοποιηθεί για το μέγεθος, τα ΜΤΗ αποτελούν μια από τις πιο ήπιες προς το περιβάλλον μορφές παραγωγής ενέργειας, βασιζόμενα στη χρήση μιας μη ρυπογόνου ανανεώσιμης πηγής και απαιτώντας μικρές επεμβάσεις στον περιβάλλοντα χώρο. Εξάλλου, έχουν το δυναμικό να επιδράσουν σημαντικά στην υποκατάσταση των συμβατικών καυσίμων καθώς, σε αντίθεση με πολλές άλλες Α.Π.Ε., τα ΜΤΗ μπορούν γενικά να παράγουν ένα ποσό ηλεκτρισμού σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή ανάλογα με τη ζήτηση (δηλαδή δεν απαιτούν συστήματα αποθήκευσης ή εφεδρείας), τουλάχιστον στις χρονικές στιγμές κατά τις οποίες υφίσταται επαρκής ροή νερού, και σε κόστος πολλές φορές ανταγωνιστικό των συμβατικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Έτσι, ένας τυπικός ΜΤΗ των 5 MW υποκαθιστά 14 τόνους/έτος ορυκτού καυσίμου, αποτρέπει την εκπομπή 16 τόνων CO2 και πάνω από 1 τόνων SΟ2 ανά έτος, ενώ καλύπτει τις ανάγκες σε ηλεκτρισμό περισσότερων από 5 οικογενειών Επιλογή θέσης Μικρής Κλίμακας Τδροηλεκτρικών υστημάτων Δεδομένου ότι αναγκαίες απαιτήσεις για την παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι οι επαρκείς τιμές ύψους πτώσης και παροχής, η επιλογή της θέσης καθορίζεται από την ύπαρξη και των δύο αυτών χαρακτηριστικών. Καθόσον υπάρχουν τόσοι πολλοί αλληλοσυσχετιζόμενοι παράγοντες, είναι δύσκολο να καθοριστεί μια σαφής διαδικασία για την επιλογή μιας θέσης. Μια προκαταρκτική αναγνωριστική μελέτη θα πρέπει να περιλάβει τον καθορισμό του δυναμικού παραγωγής, την εκτίμηση της παραγόμενης ισχύος, την αναγνώριση των απαιτούμενων εργασιών στο 33

42 χώρο, τον προσδιορισμό των κρίσιμων ζητημάτων (περιβαλλοντικοί και κοινωνικοί περιορισμοί), και μια προκαταρκτική μελέτη της οικονομικής βιωσιμότητας. Σα μικρά υδροηλεκτρικά σχήματα μπορούν να είναι είτε μεγάλου είτε μικρού ύψους πτώσης, ανάλογα με τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της διαθέσιμης θέσης. Οι θέσεις μεγάλου ύψους πτώσης γενικά κοστίζουν λιγότερο για την ανάπτυξή τους από τις θέσεις μικρού ύψους πτώσης, αφού, για την ίδια παραγωγή ισχύος, η ροή μέσω του στροβίλου και οι σχετικές υδραυλικές κατασκευές θα είναι μικρότερες έναν ποταμό με μια συγκριτικά απότομη κλίση σ ένα μέρος του ρου του, η υψομετρική διαφορά μπορεί να αξιοποιηθεί εκτρέποντας το σύνολο ή μέρος της ροής, και επιστρέφοντάς το στον ποταμό αφότου διέλθει από το στρόβιλο. Σο νερό μπορεί να μεταφερθεί από την υδροληψία απευθείας στο στρόβιλο μέσω ενός σωλήνα κατάθλιψης Σύποι Τδροστροβίλων Ένας υδροστρόβιλος είναι μια περιστρεφόμενη μηχανή που μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια του νερού σε μηχανική ενέργεια. Τπάρχουν δύο βασικοί τύποι στροβίλων, γνωστοί ως στρόβιλοι «ώσης» και «αντίδρασης». Ο «στρόβιλος ώσης» μετατρέπει την δυναμική ενέργεια του νερού σε κινητική ενέργεια μιας δέσμης νερού η οποία εκρέει από ένα ακροφύσιο και προσπίπτει επάνω στους κάδους ή τα πτερύγια του δρομέα. Ο «στρόβιλος αντίδρασης» χρησιμοποιεί την πίεση αλλά και την ταχύτητα του νερού για να αναπτύξει μηχανική ισχύ. Ο δρομέας κατακλύζεται πλήρως και τόσο η πίεση όσο και η ταχύτητα μειώνονται από την είσοδο προς την έξοδο. Οι περισσότεροι υφιστάμενοι στρόβιλοι μπορούν να ταξινομηθούν ως εξής: α) στρόβιλοι τύπου Kaplan και έλικας β) στρόβιλοι τύπου Francis γ) στρόβιλοι τύπου Pelton και άλλοι στρόβιλοι ώσης Οι στρόβιλοι Kaplan και οι τύπου έλικας είναι αξονικής ροής στρόβιλοι αντίδρασης που γενικά χρησιμοποιούνται για μικρά ύψη πτώσης (συνήθως κάτω από 16 m). Ο στρόβιλος Kaplan έχει ρυθμιζόμενα πτερύγια δρομέα και μπορεί να διαθέτει ή όχι ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια. Εάν είναι ρυθμιζόμενα και τα πτερύγια του δρομέα και τα οδηγά πτερύγια ο στρόβιλος περιγράφεται ως «διπλής ρύθμισης», ενώ εάν είναι σταθερά τα οδηγά πτερύγια τότε λέγεται «απλής ρύθμισης». τη συμβατική του έκδοση ο στρόβιλος Kaplan έχει ένα σπειροειδές περίβλημα (είτε από χάλυβα είτε από σιδηροπαγές σκυρόδεμα). Η ροή εισάγεται ακτινικά προς το εσωτερικό και εκτελεί μια στροφή ορθής γωνίας προτού εισέλθει στον δρομέα με αξονική κατεύθυνση. Όταν ο δρομέας έχει σταθερά πτερύγια, ο στρόβιλος είναι γνωστός ως τύπου έλικας Οι στρόβιλοι έλικας μπορούν να έχουν κινητά ή σταθερά οδηγά πτερύγια. Οι μη ρυθμιζόμενοι στρόβιλοι τύπου έλικας χρησιμοποιούνται μόνο όταν, τόσο η παροχή όσο και το ύψος πτώσης, παραμένουν πρακτικώς σταθερά. Οι στρόβιλοι Francis είναι στρόβιλοι αντίδρασης ακτινικής ροής με σταθερά πτερύγια δρομέα και ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια, που χρησιμοποιούνται για μεσαία ύψη πτώσης. Ο δρομέας αποτελείται από κάδους που διαμορφώνονται από σύνθετες καμπύλες Ένας στρόβιλος Francis περιλαμβάνει συνήθως ένα χυτοσιδηρό ή χαλύβδινο σπειροειδές περίβλημα για τη διανομή του νερού γύρω από ολόκληρη την περίμετρο 34

43 του δρομέα, και αρκετές σειρές πτερυγίων που καθοδηγούν και ρυθμίζουν την ροή του νερού προς το δρομέα. Οι στρόβιλοι Pelton είναι στρόβιλοι ώσης με μία ή πολλαπλές δέσμες, καθεμία από τις οποίες εκρέει μέσα από ένα ακροφύσιο με μια βελονοβαλβίδα για τον έλεγχο της ροής. Αυτοί χρησιμοποιούνται για μεσαία και μεγάλα ύψη πτώσης. Η επιλογή του τύπου, της γεωμετρίας και των διαστάσεων του στροβίλου εξαρτάται κυρίως από το ύψος πτώσης, την παροχή και την ταχύτητα του δρομέα. Καθεαυτό το ύψος πτώσης αποτελεί το πρώτο κριτήριο στη επιλογή του τύπου του προς εγκατάσταση στροβίλου. Για το ίδιο ύψος πτώσης, είναι δυσκολότερη η κατασκευή ορισμένων στροβίλων απ ό,τι άλλων, συνεπώς είναι και ακριβότεροι. Για παράδειγμα, στα μικρά ύψη πτώσης, ένας στρόβιλος τύπου έλικας είναι φθηνότερος από ένα στρόβιλο Kaplan που έχει σχεδιασθεί για την ίδια ονομαστική παροχή. ε ένα σχήμα μεσαίου ύψους πτώσης, ένας στρόβιλος εγκάρσιας ροής θα είναι φθηνότερος από έναν Francis, του οποίου ο δρομέας είναι πιο σύνθετος, αν και ο βαθμός απόδοσής του είναι μεγαλύτερος. Σο εύρος των παροχών που πρέπει να χρησιμοποιούνται, συνεπώς και η παραγωγή ισχύος, κυμαίνεται αναλόγως εάν: α) η εγκατάσταση πρέπει να παρέχει ηλεκτρισμό σ ένα μικρό δίκτυο β) ο σταθμός έχει σχεδιαστεί για να συνδεθεί με ένα μεγάλο δίκτυο διανομής την πρώτη περίπτωση, πρέπει να επιλεγεί μια παροχή που να επιτρέπει την παραγωγή ηλεκτρισμού σχεδόν καθ όλο το έτος τη δεύτερη, η ονομαστική παροχή πρέπει να επιλεγεί έτσι ώστε να μεγιστοποιείται το καθαρό κέρδος από την πώληση της ηλεκτρικής ενέργειας Επιπτώσεις στο περιβάλλον Σα ΜΤΗ είναι στις περισσότερες περιπτώσεις «συνεχούς ροής», δηλαδή το τυχόν φράγμα είναι αρκετά μικρό, συνήθως μόνο ένας υδροφράκτης, και αποθηκεύεται εν γένει ελάχιστο ή καθόλου νερό. Σα έργα πολιτικού μηχανικού εξυπηρετούν μόνο τη λειτουργία ρύθμισης της στάθμης του νερού στο στόμιο εισόδου του υδροηλεκτρικού σταθμού, οπότε οι εγκαταστάσεις συνεχούς ροής δεν έχουν τα ίδια είδη δυσμενών επιπτώσεων στο τοπικό περιβάλλον με τα μεγάλα υδροηλεκτρικά. Υυσικά υπάρχουν κάποια περιβαλλοντικά προβλήματα, ειδικότερα όπου το νερό αποσπάται σε κάποια απόσταση από το σημείο στο οποίο εκβάλλει πίσω στον ποταμό. Σότε, το τμήμα του παρακαμθέντος ποταμού μπορεί να αποξηρανθεί ή να είναι δυσάρεστο στην όψη, εκτός εάν επιτρέπεται μια επαρκής ροή αντιστάθμισης. τις περισσότερες περιπτώσεις, οι νέες εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικών σχεδιάζονται έτσι ώστε να αφήνεται μία ικανοποιητική ποσότητα νερού να παρακάμπτει τους στροβίλους, το οποίο δεν είναι δύσκολο εκτός από τις περιόδους χαμηλής ροής. Ένα άλλο θέμα που απαιτεί προσοχή είναι η ανάγκη αποφυγής κάθε επίπτωσης στα ψάρια και την ποτάμια χλωρίδα και πανίδα, αλλά οι σύγχρονες εγκαταστάσεις ΜΤΗ σχεδιάζονται με το πρόβλημα αυτό κατά νου. Μερικά συστήματα μικρού ύψους πτώσης επιτρέπουν στα ψάρια να περνούν αλώβητα μέσα από το στρόβιλο, αλλά εφαρμόζονται και διάφορα είδη στοιχείων προστασίας. Προκειμένου να διασφαλιστεί η 35

44 ακίνδυνη παράκαμψη του υδροηλεκτρικού σταθμού από τα αποδημητικά ψάρια, όπως είναι ο σολομός, εγκαθίστανται ιχθυόσκαλες. Εξάλλου, οι στρόβιλοι πρέπει να προστατεύονται από τις φερτές ύλες που συνήθως βρίσκονται στα ποτάμια, είτε είναι φυσικές (φύλλα, κλαδιά, ή/και κορμοί δέντρων) είτε τεχνητές (καρότσια, πλαστικά σακιά ή άλλα απορρίμματα). Αυτό γίνεται με τη χρήση σητών, των οποίων ο καθαρισμός συνιστά σημαντικό ποσοστό του λειτουργικού κόστους, ειδικά στις περιπτώσεις μικρού ύψους πτώσης όπου διέρχονται μεγάλες παροχές. Ευλόγως, αν και κάπως άδικα, απαγορεύεται δια νόμου στους χειριστές των υδροηλεκτρικών σταθμών να ξαναρίχνουν στον ποταμό τα απορρίμματα που συλλέγονται από τις σήτες. Έτσι, η συλλογή και η αποκομιδή των απορριμμάτων σε έναν ΜΤΗ μπορούν να συμβάλλουν στο σημαντικό καθαρισμό προς γενικό όφελος του ποταμού κατάντη, με αρκετή πάντως επιβάρυνση για το χειριστή του σταθμού. Τπάρχουν και κάποια άλλα ζητήματα περιβαλλοντικής επίπτωσης που σχετίζονται με την οξυγόνωση του νερού (ή την έλλειψή της), τη διατάραξη ή αποσάθρωση της κοίτης του ποταμού, το θόρυβο του ηλεκτρικού εξοπλισμού, τα ηλεκτρικά καλώδια, τη γενική εμφάνιση μιας εγκατάστασης, κλπ. Εντούτοις, είναι δυνατό όλα αυτά τα προβλήματα να αμβλυνθούν με τη χρήση κατάλληλων τεχνικών σχεδιασμού και το τελικό προϊόν αποτελεί μια μακροβιότατη, αξιόπιστη και εν δυνάμει οικονομική πηγή καθαρής ενέργειας Οικονομικά στοιχεία των Μικρής Κλίμακας Τδροηλεκτρικών υστημάτων Παραδόξως, κάνοντας χρήση των σύγχρονων συμβάσεων για τη χρηματοοικονομική αξιολόγηση, οι περισσότερες νέες εγκαταστάσεις ΜΤΗ εμφανίζονται να παράγουν σχετικά ακριβή ηλεκτρική ενέργεια, καθώς το υψηλό κόστος των αρχικών κεφαλαίων αποσβένεται συνήθως μόνο μετά από 1 με 2 χρόνια (αν και τα συστήματα αυτά εν γένει διαρκούν, χωρίς σημαντικά κόστη αντικατάστασης, για 5 χρόνια ή παραπάνω). Αντίθετα, η λειτουργία ενός παλαιότερου υδροηλεκτρικού που έχει αποσβέσει την αρχική επένδυση είναι ολιγοδάπανη καθώς οι μόνες δαπάνες σχετίζονται με τις σποραδικές συντηρήσεις και αντικαταστάσεις. Για παράδειγμα, το μοναδιαίο κόστος κυριότητας ενός τυπικού ΜΤΗ μικρού ύψους πτώσης στη Μεγάλη Βρετανία μπορεί να είναι.7/kwh κατά τη διάρκεια των πρώτων δέκα ετών ενόσω αποπληρώνεται η αρχική επένδυση, αλλά στη συνέχεια, λόγω των χαμηλών τρεχούμενων δαπανών, το κόστος αυτό μειώνεται περίπου στο ένα δέκατο της ανωτέρω τιμής, δηλ. σε.7/kwh. τις περισσότερες περιπτώσεις, η παραγωγή κατά την πρώτη δεκαετία θα είναι σαφώς πιο δαπανηρή από την αγοραζόμενη από το δίκτυο ισχύ, καίτοι, αφότου αποπληρωθεί η αρχική επένδυση, οι τιμές της υδροηλεκτρικής ισχύος καθίστανται ελκυστικότατες. Γενικά, οι λήψεις αποφάσεων για τη χρήση μιας τεχνολογίας εξαρτώνται πρωτίστως από τα οικονομικά στοιχεία, επομένως φυσιολογικά υφίσταται η ανάγκη ελάττωσης του κόστους των ΜΤΗ. Σα υδροηλεκτρικά με το ελάχιστο κόστος είναι τα μεγάλου ύψους πτώσης, καθώς όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος πτώσης τόσο μικρότερη ποσότητα νερού απαιτείται για μία ορισμένη ποσότητα ισχύος, οπότε χρειάζεται μικρότερος και χαμηλότερου κόστους εξοπλισμός. Επομένως, στις ορεινές περιοχές 36

45 ακόμη και τα μικρά ρυάκια, εάν χρησιμοποιηθούν σε μεγάλα ύψη πτώσης, μπορούν να αποδώσουν σημαντικά επίπεδα ισχύος σε ελκυστικά χαμηλά κόστη. Δυστυχώς, οι περισσότερες θέσεις μικρού ύψους πτώσης προς το παρόν είναι στην καλύτερη περίπτωση μόνο οριακά ελκυστικές από οικονομικής πλευράς, έναντι της συμβατικής ηλεκτροπαραγωγής με ορυκτά καύσιμα, και γι αυτό το λόγο παραμένουν ανεκμετάλλευτες πολλές πιθανές περιοχές. Για παράδειγμα, στη Μεγάλη Βρετανία υπάρχουν περίπου 2 θέσεις υδρόμυλων εν αχρηστία, όλες μικρού ύψους πτώσης, οι οποίες χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν αλλά μέχρι τώρα δεν έχουν επαναξιοποιηθεί. Παρόμοιες περιπτώσεις παρουσιάζονται σε πολλές άλλες χώρες. 1.7 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Θερμικά Ηλιακά υστήματα Σα θερμικά ηλιακά συστήματα δεσμεύουν την ηλιακή ακτινοβολία και, στη συνέχεια, τη μεταφέρουν σε νερό, αέρα ή κάποιο άλλο ρευστό, υπό μορφή θερμότητας. Για το σκοπό αυτό γίνεται χρήση διάφορων μηχανικών μέσων, τα οποία αποτελούν και την ειδοποιό διαφορά των συστημάτων αυτών σε σχέση με τα υπόλοιπα ηλιακά συστήματα. Η πιο διαδεδομένη εφαρμογή τους είναι η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, χρησιμοποιούνται όμως ακόμη για τη θέρμανση και ψύξη χώρων, αλλά και για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Ένα τυπικό σύστημα παραγωγής ζεστού νερού αποτελείται από τους ηλιακούς συλλέκτες, ένα δοχείο αποθήκευσης (δεξαμενή) της πλεονάζουσας θερμότητας, καθώς και τις απαραίτητες σωληνώσεις και συστήματα ελέγχου. Η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από το συλλέκτη και η συλλεγόμενη θερμότητα αντλείται, με φυσικό ή τεχνητό τρόπο, στο δοχείο αποθήκευσης. Σα ενεργητικά ηλιακά συστήματα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο που χρησιμοποιείται το θερμαινόμενο μέσο για να μεταφέρει τη θερμότητα στο νερό χρήσης. Ανοικτά ονομάζονται τα συστήματα εκείνα στα οποία θερμαίνεται απ' ευθείας το νερό του δικτύου ύδρευσης και στη συνέχεια, διοχετεύεται προς τελική χρήση. τα κλειστά συστήματα αντιθέτως, μέσα στις σωληνώσεις του συλλέκτη κυκλοφορεί ειδικό αντιψυκτικό διάλυμα. τη συνέχεια, μ' έναν εναλλάκτη μεταδίδεται η θερμότητα από το αντιψυκτικό διάλυμα στο νερό του δικτύου. Σέτοιου είδους συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως σε περιοχές όπου υπάρχει πιθανότητα παγετού Ηλιακοί συλλέκτες Η καρδιά κάθε θερμικού ηλιακού συστήματος είναι ο ηλιακός συλλέκτης. Τπάρχουν διάφοροι τύποι συλλεκτών, από τους οποίους οι επίπεδοι είναι οι περισσότερο χρησιμοποιούμενοι. Ένας τυπικός ηλιακός συλλέκτης αποτελείται από ένα μονωμένο μεταλλικό πλαίσιο, που περιέχει μία απορροφητική επιφάνεια και σωλήνες κάτω από ένα ή περισσότερα διαφανή καλύμματα. 37

46 Σο θερμαινόμενο μέσο ρέει στους σωλήνες αυτούς, οι οποίοι είτε είναι ενσωματωμένοι, είτε τοποθετούνται επάνω στην απορροφητική επιφάνεια του συλλέκτη. Οι απορροφητικές επιφάνειες είναι συνήθως μεταλλικές, από σίδερο ή χαλκό, και βαμμένες με μαύρη βαφή. Αντί αυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ειδική επιλεκτική επίστρωση, η οποία έχει τη δυνατότητα να αξιοποιεί την ηλιακή ακτινοβολία αποδοτικότερα τότε οι συλλέκτες ονομάζονται επιλεκτικοί. Ένα μέρος της απορροφούμενης από το συλλέκτη ηλιακής ακτινοβολίας αποβάλλεται υπό μορφή θερμότητας προς το περιβάλλον, εξαιτίας των θερμικών απωλειών του. Αυτές είναι τόσο μεγαλύτερες όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του ρευστού, σε σχέση με αυτή του περιβάλλοντος, και, προκειμένου να ελαττωθούν, τοποθετείται μόνωση στο οπίσθιο και τα πλευρικά μέρη του μεταλλικού κελύφους, μέσα στο οποίο εδράζεται η επιφάνεια απορρόφησης. Για θερμοκρασίες του νερού χρήσης από 6 C ως 7 C μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλοί ή επιλεκτικοί επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες. Όταν απαιτούνται θερμοκρασίες της τάξης των 9 C, χρησιμοποιούνται συλλέκτες κενού, οι οποίοι αποτελούνται από γυάλινους σωλήνες κενού που περιέχουν τον απορροφητή. Μ ' αυτό τον τρόπο, ελαχιστοποιούνται οι απώλειες προς το περιβάλλον και επιτυγχάνονται μεγαλύτερες θερμοκρασίες λειτουργίας. υλλέκτες που κατασκευάζονται από απλούς πλαστικούς μαύρους σωλήνες, χωρίς γυάλινο κάλυμμα, χρησιμοποιούνται για να θερμαίνονται πισίνες τις εποχές εκείνες του έτους που τόσο η ηλιακή ακτινοβολία, όσο και η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι υψηλές, ενώ η επιθυμητή θερμοκρασία του νερού χρήσης είναι εν γένει χαμηλή. την περίπτωση αυτή, η απόδοση του ηλιακού συλλέκτη δεν χρειάζεται να είναι ιδιαίτερα υψηλή, καθώς οι απώλειες προς το περιβάλλον είναι μικρές. Αυτή είναι η απλούστερη μορφή ηλιακού συλλέκτη και χαρακτηρίζεται από σχετικά χαμηλό κόστος. Οι συλλέκτες εγκαθίστανται με νότιο ή ελαφρώς αποκλίνοντα από αυτόν προσανατολισμό, όσον αφορά τις χώρες του βόρειου ημισφαιρίου, και με σταθερή κλίση ως προς τον ορίζοντα, η οποία εξαρτάται από τη χρήση τους. Για χρήση του συστήματος καθ ' όλο το χρόνο, συνιστάται η κλίση τους να είναι ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Για χρήση μόνο κατά τους θερινούς μήνες, είναι προτιμότερο οι συλλέκτες να εγκαθίστανται σχεδόν οριζόντιοι, ώστε να γίνεται έτσι καλύτερη εκμετάλλευση του θερινού ήλιου, ο οποίος βρίσκεται ψηλά στον ουρανό. Θερμαίνοντας νερό με τη βοήθεια ενός ηλιακού συλλέκτη επιφανείας ενός τετραγωνικού μέτρου, εξοικονομούνται από 2 έως 6 KWh ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως, για τις ελληνικές μετεωρολογικές συνθήκες. Σο ποσό της ενέργειας που εξοικονομείται εξαρτάται πρωτίστως από τη γεωγραφική περιοχή στην οποία είναι εγκατεστημένο το σύστημα, καθώς και από τον τύπο του συλλέκτη που χρησιμοποιείται. ημασία έχουν, επίσης, ο τρόπος και ο χρόνος, κατά τη διάρκεια της ημέρας, που καταναλώνεται το ζεστό νερό. Ψς γενικός κανόνας, μπορεί να λεχθεί ότι, όπως έχει προκύψει από την πολυετή εμπειρία εγκατάστασης και χρήσης των συστημάτων αυτών, αρκούν 2 τετραγωνικά μέτρα επίπεδων ηλιακών συλλεκτών για να καλυφθούν οι ανάγκες σε ζεστό νερό μιας οικογένειας 2 ατόμων. Για κάθε επιπλέον άτομο απαιτούνται 3/4 του τετραγωνικού μέτρου επιπρόσθετης συλλεκτικής επιφάνειας. 38

47 χήμα 1.9: Επίπεδος Ηλιακός υλλέκτης [4] Αξιοποίηση των Θερμικών Ηλιακών υστημάτων Σα θερμικά ηλιακά συστήματα μπορούν να καλύψουν μια ποικιλία από χρήσεις, καθώς επίσης και ένα μεγάλο εύρος από μεγέθη εγκατάστασης. Η κυρίαρχη εφαρμογή τους αυτήν τη στιγμή, τόσο στην Ελλάδα όσο και παγκοσμίως, είναι η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, για κατοικίες, δημόσια κτίρια, ξενοδοχεία ή ολόκληρα οικιστικά συγκροτήματα. Εφαρμόζονται όμως και οπουδήποτε αλλού απαιτείται η θέρμανση κάποιου μέσου, προκειμένου αυτό να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για οποιαδήποτε θερμική εφαρμογή. Σέλος, σε συνδυασμό με κάποιο ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος υπάρχει δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, με τη βοήθεια ειδικών τύπων των θερμικών ηλιακών συστημάτων. ε μια χώρα με κλιματολογικές συνθήκες όπως αυτές της Ελλάδας, η χρήση της βοηθητικής πηγής ενέργειας περιορίζεται κυρίως σε κάποιες μέρες του χειμώνα. Αυτός είναι και ο λόγος που περισσότερες από 6 ελληνικές οικογένειες καλύπτουν με ηλιακούς θερμοσίφωνες το σύνολο σχεδόν των αναγκών τους σε ζεστό νερό χρήσης. Ο αριθμός αυτός μεγαλώνει διαρκώς, καθώς σήμερα στη χώρα μας πωλούνται ετησίως πάνω από 5 ηλιακοί θερμοσίφωνες. Η αρχή λειτουργίας ενός οικιακού θερμοσιφωνικού συστήματος είναι απλή. Σο νερό θερμαίνεται στο συλλέκτη, διαστέλλεται και γίνεται ελαφρύτερο από το χαμηλότερης θερμοκρασίας νερό της δεξαμενής. Αυτή η διαφορά στην πυκνότητα του νερού έχει ως αποτέλεσμα τη φυσική κυκλοφορία του μέσω του συλλέκτη και τη μεταφορά του θερμού νερού στην αποθηκευτική δεξαμενή της οποίας το ψυχρότερο νερό αντικαθιστά το ζεσταμένο στο συλλέκτη, συνεχίζοντας κατά αυτόν τον τρόπο την κυκλοφορία του. Απαραίτητη προϋπόθεση, προκειμένου να είναι εφικτή η φυσική κυκλοφορία του νερού, είναι η αποθηκευτική δεξαμενή να είναι τοποθετημένη σε υψηλότερο από τους συλλέκτες σημείο. Σο ευνοϊκό ελληνικό κλίμα επιτρέπει την τοποθέτηση της δεξαμενής στις οροφές των κατοικιών χωρίς μεγάλες απώλειες θερμότητας από το θερμό νερό προς το περιβάλλον. Αυτή είναι και η πιο κοινή λύση, που χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά στους ηλιακούς θερμοσίφωνες. ε περιπτώσεις όπου δεν είναι δυνατή ή επιθυμητή η εγκατάσταση της δεξαμενής στην οροφή ενός κτιρίου, το κρύο νερό της δεξαμενής μεταφέρεται στους 39

48 συλλέκτες με τη βοήθεια μιας αντλίας. Η αντλία αυτή ελέγχεται από κατάλληλο σύστημα αυτοματισμού το οποίο τη θέτει σε λειτουργία όταν η θερμοκρασία νερού στο συλλέκτη είναι μεγαλύτερη από αυτή της δεξαμενής. Πέρα από την οικιακή χρήση, που είναι και η πιο διαδεδομένη σήμερα, θερμικά ηλιακά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν οπουδήποτε απαιτείται θερμότητα χαμηλής θερμοκρασιακής στάθμης. Έτσι για παράδειγμα η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή ψύξης, για κλιματισμό χώρων, κατάψυξη προϊόντων και άλλες εφαρμογές, εμφανίζει σημαντικές προοπτικές, λόγω της αυξημένης ηλιακής ακτινοβολίας που υφίσταται ακριβώς την εποχή που απαιτείται η ψύξη. την περίπτωση που για την κάλυψη των αναγκών σε ψύξη επιλεγεί ως λύση ένα θερμικό ηλιακό σύστημα, η συλλεγόμενη θερμότητα τροφοδοτεί ψυκτικές μηχανές κύκλου απορρόφησης, προκειμένου να αυξηθεί η πίεση και η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου όταν αυτό βρίσκεται σε αέρια φάση. Σα γνωστά σε όλους ψυγεία τύπου camping λειτουργούν με βάση αυτήν την αρχή, η οποία σήμερα εφαρμόζεται και σε μεγαλύτερες έως πολύ μεγάλες μονάδες. Εξάλλου, είναι δυνατόν η διαθέσιμη ηλιακή ενέργεια να καταστεί εκμεταλλεύσιμη όχι μόνο για την ψύξη, αλλά και για την θέρμανση χώρων, όποτε αυτό απαιτείται. Έτσι, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, τις ημέρες και ώρες που υπάρχει ηλιοφάνεια συλλέγεται θερμότητα, η οποία αποθηκεύεται και, εν συνεχεία, χρησιμοποιείται τις νυχτερινές ώρες ή όταν η ηλιοφάνεια δεν επαρκεί, προκειμένου να καλύπτονται τα απαιτούμενα θερμικά φορτία. Σα συστήματα αυτά είναι οικονομικά όταν ο χειμώνας διαρκεί αρκετούς μήνες, όπως συμβαίνει στη βόρεια Ευρώπη ή και κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, όταν γίνεται εκμετάλλευση της συλλεγόμενης θερμότητας και για άλλες χρήσεις. Σέλος, τα θερμικά ηλιακά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για να επιτευχθούν οι μεγάλες σχετικά θερμοκρασίες που απαιτούνται για το σκοπό αυτό, η ηλιακή ακτινοβολία πρέπει με κάποιο τρόπο να συγκεντρωθεί σε ένα σημείο της συλλεκτικής επιφάνειας ή σε κάποια σχετικά μικρής έκτασης περιοχή της. Οι κυριότερες τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί είναι: α) Σα συστήματα παραβολικών κοίλων β) Σα συστήματα πύργου ισχύος (ή ηλιακού πύργου) γ) Σα συστήματα δίσκου / μηχανής Η κατάσταση στην Ελλάδα την Ελλάδα δεν έχουν ακόμα εγκατασταθεί τέτοιες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής, αν και ο κλάδος των θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι ιδιαίτερα δραστήριος. Πράγματι, πέρα από τον πολύ μεγάλο αριθμό ηλιακών θερμοσιφώνων που είναι εγκατεστημένοι σε κατοικίες, η χρήση των θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι διαδεδομένη και σε εγκαταστάσεις με αναλογικά πολύ υψηλότερες ανάγκες, όπως είναι τα ξενοδοχεία, τα νοσοκομεία ή τα αθλητικά κέντρα. τα τέλη του 22 η Ελλάδα είχε κάτι λιγότερο από 3 εκατομμύρια τετραγωνικά μέτρα συλλεκτών (με ποσοστό διείσδυσης περί το 3 %) και τον υψηλότερο δείκτη χρήσης ηλιακών ανά κάτοικο στην Ευρωπαϊκή Ένωση, περίπου 265 m 2 ανά 1 κατοίκους. Η ανάπτυξη του κλάδου τα τελευταία χρόνια είναι αλματώδης, ενώ γίνονται προσπάθειες για την 4

49 περαιτέρω διάδοση της χρήσης των συστημάτων αυτών μέσω, μεταξύ άλλων, της εγκατάστασης καινοτόμων και επιδεικτικών εφαρμογών. Σο Ηλιακό Φωριό είναι ένας οικισμός του Οργανισμού Εργατικής Κατοικίας που, στα πλαίσια διακρατικής ελληνογερμανικής συνεργασίας, κατασκευάστηκε το 1988 στην Πεύκη και αποτελεί τη μεγαλύτερη από τις πιλοτικές εφαρμογές μαζικής χρήσης θερμικών και άλλων ηλιακών συστημάτων που έχουν αναπτυχθεί στη χώρα μας. χήμα 1.1: Άποψη Ηλιακού Φωριού στην Πεύκη Αττικής [41] το Ηλιακό Φωριό εγκαταστάθηκαν, μετρήθηκαν και αξιολογήθηκαν επί σειρά ετών επίπεδοι συλλέκτες, συλλέκτες αέρα και κενού, αλλά και διάφορα συστήματα αποθήκευσης και διανομής του ζεστού νερού για απευθείας χρήση ή θέρμανση κατοικιών το χειμώνα. Ιδιαίτερο βάρος δόθηκε στη μελέτη των κεντρικών συστημάτων, που εξυπηρετούν ομάδες κατοικιών ή/και το σύνολο του οικισμού Κεντρικά, ονομάζονται τα θερμικά ηλιακά συστήματα που παρέχουν μεγάλες ποσότητες ζεστού νερού, ικανές να καλύψουν τις ανάγκες μεγάλων συγκροτημάτων ή ομάδων μικρότερων καταναλωτών. Σα συστήματα αυτά αποτελούνται από ένα πεδίο συλλεκτών, δεξαμενές κεντρικής αποθήκευσης της συλλεγόμενης θερμότητας, εναλλάκτες, κυκλοφορητές και αυτοματισμούς. Σο μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι ότι χάρη στο μεγαλύτερό τους μέγεθος, μπορούν να αντιμετωπίσουν αποδοτικότερα τις διακυμάνσεις στη ζήτηση ζεστού νερού που παρουσιάζει ο κάθε χρήστης μεμονωμένα. ε ένα από τα κτιριακά συγκροτήματα του Ηλιακού Φωριού, οι συλλεγόμενοι από συλλέκτες κενού θερμότητα αποθηκεύεται, καθ όλη τη διάρκεια του καλοκαιριού σε μια μεγάλη υπόγεια δεξαμενή, σε θερμοκρασία μέχρι και 9 ο C, και καταναλώνεται το χειμώνα για τη θέρμανση των κατοικιών και την κάλυψη των αναγκών σε ζεστό νερό χρήσης. Σα ηλιακά συστήματα που εγκαταστάθηκαν στο Ηλιακό Φωριό, λειτουργούν εδώ και μια δεκαετία εξοικονομώντας σημαντικά ποσά συμβατικών καυσίμων και εξασφαλίζοντας υψηλό επίπεδο εξυπηρέτησης στους χρήστες τους. 41

50 Αποδεικνύεται έτσι εμπράκτως ότι είναι δυνατή η αποτελεσματική και ταυτόχρονα οικονομικά βιώσιμη χρήση των συστημάτων αυτών σε ευρεία κλίμακα στην Ελλάδα. ημαντικός αριθμός κεντρικών ηλιακών συστημάτων χρησιμοποιείται σήμερα σε εμπορικές εφαρμογές. την Ελλάδα, τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται εγκατεστημένα σε ξενοδοχεία, σχολεία ή/και νοσοκομεία και συμβάλλουν στην κάλυψη μεγάλου ποσοστού των ενεργειακών αναγκών τους για την παραγωγή ζεστού νερού. Μάλιστα, σε αρκετά από αυτά, δεν καταναλώνονται καθόλου συμβατικά καύσιμα για το σκοπό αυτό, με αποτέλεσμα να εξοικονομούνται μεγάλες ποσότητες καυσίμων και να μειώνονται σημαντικά οι εκπομπές ρύπων προς το περιβάλλον. Από την άλλη, οι μεγάλες ποσότητες ζεστού νερού που χρειάζονται τα κολυμβητήρια, για τις ανάγκες θέρμανσης της πισίνας, αλλά και τα γυμναστήρια, τα γήπεδα και οι άλλες αθλητικές εγκαταστάσεις, για τις ανάγκες των αθλητών σε ζεστό νερό, μπορούν άνετα να εξασφαλισθούν με την εγκατάσταση κατάλληλα διαστασιολογημένων κεντρικών ηλιακών συστημάτων. την περίπτωση αυτή, πέρα από τη σημαντική βελτίωση στο επίπεδο εξυπηρέτησης των αθλητών οι λογαριασμοί καυσίμων και ηλεκτρικού ρεύματος μπορούν να μειωθούν πάρα πολύ. Μια τέτοια εγκατάσταση, 3 τετραγωνικών μέτρων επιπέδων ηλιακών συλλεκτών, βρίσκεται σε λειτουργία στο τάδιο Ειρήνης και Υιλίας και καλύπτει τις ανάγκες σε ζεστό νερό του κόσμου που το χρησιμοποιεί. Με συσκευές τηλεμέτρησης, που τοποθετήθηκαν από το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, παρακολουθήθηκε για μεγάλο χρονικό διάστημα η λειτουργία του συστήματος και επιβεβαιώθηκε στην πράξη η αποδοτική λειτουργία του υμπεράσματα σχετικά με τα Θερμικά Ηλιακά υστήματα Οι εφαρμογές στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα θερμικά ηλιακά συστήματα είναι πολλές. Σο μεγαλύτερο μέρος των αναγκών ενός χρήστη σε ζεστό νερό μπορεί να καλυφθεί από τέτοια συστήματα, σε συνδυασμό με κάποιο συμβατικό σύστημα για τις ανάγκες αιχμής ή τις περιόδους περιορισμένης ηλιοφάνειας. ε χώρες όπως η Ελλάδα η περίοδος απόσβεσης είναι αρκετά μικρή ώστε η επένδυση να γίνεται ελκυστική. Παρότι το κόστος αγορά και εγκατάστασης ενός ηλιακού συστήματος είναι μεγαλύτερο από αυτό ενός ανάλογου συστήματος που χρησιμοποιεί συμβατικά καύσιμα, το κόστος λειτουργίας του είναι σχεδόν μηδενικό. Επομένως, ακόμα και με καθαρά οικονομικά κριτήρια, κάθε χρήστης ζεστού νερού θα πρέπει να σκεφτεί σοβαρά το ενδεχόμενο να καλύψει το σύνολο ή μέρος των αναγκών του με τη βοήθεια συστημάτων αυτού του είδους. Με τις σύγχρονες εξελίξεις της τεχνολογίας, η απόδοση των συστημάτων αυτών συνεχώς βελτιώνεται και το κόστος τους περιορίζεται. Επιπλέον, καθ όλη τη διάρκεια της υπηρεσιακής τους ζωής, μπορεί να εξοικονομηθεί σημαντική ποσότητα συμβατικών καυσίμων και συγχρόνως, να αποτραπεί η εκπομπή μεγάλων ποσοτήτων ρύπων στην ατμόσφαιρα. Εκτιμάται ότι, με τα συστήματα που είναι εγκατεστημένα στην Ελλάδα σήμερα, αποφεύγεται κάθε χρόνο η εκπομπή περισσότερων από 1.5 εκατομμύριων τόνων CO2, ενώ τα οφέλη για την εθνική οικονομία και όλους μας είναι τεράστια. 42

51 1.7.2 Υωτοβολταϊκά υστήματα Η ενέργεια που εκπέμπεται από τον Ήλιο και φτάνει έως τη Γη με τη μορφή της ηλιακής ακτινοβολίας, είναι η κύρια πηγή ενέργειας γι αυτήν, αφού συντελεί στη διατήρηση της θερμοκρασίας της, τροφοδοτεί τις άλλες πηγές ενέργειας και δίνει, μέσω της φωτοσύνθεσης, ζωή στα φυτά και συνακόλουθα στα ζώα. Η ηλιακή ακτινοβολία όμως, γίνεται και άμεσα αντιληπτή ως θερμότητα. Έτσι, ο άνθρωπος από παλιά τη χρησιμοποίησε για να καλύψει κάποιες θερμικές ενεργειακές του ανάγκες. Μέχρι πριν μερικούς αιώνες άλλωστε, οι θερμικές ήταν και οι σημαντικότερες χρήσεις της ενέργειας γενικότερα. τη σύγχρονη εποχή όμως, οι ενεργειακές εφαρμογές έχουν αυξηθεί σημαντικά, και παράλληλα έχουν αποκτήσει μεγάλη ποικιλία, με αποτέλεσμα η ποιότητα ζωής των ανθρώπων να εξαρτάται πλέον από το επίπεδο εξασφάλισης των ενεργειακών τους αναγκών, και κυρίως από αυτό της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας. Από την άλλη, τα μεγάλα προβλήματα που έχουν δημιουργηθεί στο περιβάλλον, με κυριότερα από αυτά το φαινόμενο του θερμοκηπίου και τη μείωση του όζοντος στην ατμόσφαιρα, έχουν πλέον γίνει πολύ γνωστά και κατανοητά σε όλους. Καθώς για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται μεγάλες ποσότητες συμβατικών καυσίμων, όπως είναι το πετρέλαιο και ο λιγνίτης, αυτή ευθύνεται κατά μεγάλο μέρος για τα προαναφερθέντα περιβαλλοντικά προβλήματα. Εάν μάλιστα, ληφθεί υπ όψη ότι τα διαθέσιμα αποθέματα των συμβατικών καυσίμων έχουν μειωθεί αισθητά τα τελευταία χρόνια, προκύπτει ότι το ενεργειακό προβάλλει ως το ζοφερότερο σύγχρονο πρόβλημα του πλανήτη, το οποίο μάλιστα χρήζει άμεσης επίλυσης. Προς την κατεύθυνση αυτή, ευοίωνες είναι οι προοπτικές που ανοίγονται από την ανάπτυξη των τεχνολογιών εκμετάλλευσης των Α.Π.Ε.. Πράγματι, καθημερινά προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης μια τεράστια ποσότητα ηλιακής ενέργειας, η οποία, αν και αποτελεί ένα μικρό μόλις κλάσμα της ολικής ενέργειας που παράγεται από τον Ήλιο, εντούτοις είναι 2 φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που καταναλώνεται σήμερα σε ολόκληρο τον κόσμο και με οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρική, μηχανική, θερμική κλπ.). Η εκμετάλλευση της δυνατότητας αποδοτικής παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος απευθείας από την ηλιακή ενέργεια μπορεί να υποκαταστήσει σε σημαντικό βαθμό τους συμβατικούς τρόπους παραγωγής του, δίνοντας ταυτόχρονα λύση σε μεγάλο μέρος των περιβαλλοντικών προβλημάτων. Ήδη από τον περασμένο αιώνα, για την ακρίβεια το 1839, παρατηρήθηκε ότι η ηλιακή ακτινοβολία αλλάζει τις ιδιότητες ορισμένων υλικών, των ημιαγωγών. Αυτοί, όταν φωτίζονται, μπορούν να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα, μέσω του «φωτοβολταϊκού φαινομένου». Εάν σε ένα κομμάτι ημιαγώγιμου υλικού (συνήθως εμπλουτισμένος κρύσταλλος πυριτίου), τοποθετηθούν δύο ηλεκτρόδια, στις άκρες των οποίων λαμβάνεται το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα, η σχετικά απλή διάταξη που προκύπτει ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο. Αυτό αποτελεί την κύρια συνιστώσα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος όπως ονομάζεται το σύστημα που εκμεταλλεύεται την ηλιακή ακτινοβολία για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Οι πρώτες εφαρμογές των φωτοβολταϊκών συστημάτων αναπτύχθηκαν μόλις τη διαστημική δεκαετία του 5, με σκοπό την ηλεκτροδότηση των δορυφόρων. Σο υψηλό τους κόστος όμως, εμπόδισε την περαιτέρω διάδοσή τους την εποχή εκείνη. τις 43

52 αρχές της δεκαετίας του 7, μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, έγινε ιδιαιτέρως αισθητή παγκοσμίως η ανάγκη απεξάρτησης από τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Τπήρξαν τότε τα κίνητρα για την ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής βιομηχανίας και έτσι άρχισε δειλά η μαζική παραγωγή φωτοβολταϊκών στοιχείων για ευρύτερη καταναλωτική χρήση. χήμα 1.11: Υωτοβολταϊκό Panel στην ταράτσα του κτιρίου των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Πατρών (από την εγκατάσταση που πραγματοποιήθηκε) Φαρακτηριστικά των Υωτοβολταϊκών υστημάτων Σα βασικά πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, τα οποία τα ξεχωρίζουν από τις συμβατικές πηγές ενέργειας, αλλά ακόμα και από τις άλλες τεχνολογίες εκμετάλλευσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, είναι ότι: Έχουν μηδενικό κόστος λειτουργίας, διότι δεν καταναλώνουν πρώτη ύλη. Μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Δεν παράγουν υποπροϊόντα και δε μολύνουν το περιβάλλον, αλλά βρίσκονται σε πλήρη αρμονία με το οικοσύστημα. Επίσης, δεν προκαλούν ηχορύπανση, αφού η λειτουργία τους είναι εντελώς αθόρυβη. Είναι εύχρηστα. Δεν προσβάλλουν αισθητικά το περιβάλλον και μπορούν εύκολα να εγκατασταθούν μέσα σε πόλεις. 44

53 Μπορούν να ενσωματωθούν στην αρχιτεκτονική του κτιρίου και να χρησιμοποιηθούν ακόμη και ως δομικά στοιχεία, μειώνοντας έτσι το κόστος κατασκευής μιας εγκατάστασης. Μπορούν να συνδυαστούν με άλλες πηγές ενέργειας, π.χ. με ένα αιολικό πάρκο, σε υβριδικά συστήματα. Επεκτείνονται εύκολα και ανά πάσα στιγμή, για να καλύψουν κάποια αύξηση των αναγκών σε ενέργεια των χρηστών. Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και μεγάλη αξιοπιστία. Έχουν πρακτικά μηδενικές απαιτήσεις συντήρησης. Παρέχουν πλήρη ενεργειακή ανεξαρτησία στο χρήστη όπου και αν βρίσκεται αυτός. Μπορούν έτσι να εγκατασταθούν σε δυσπρόσιτες περιοχές ή όπου δεν είναι δυνατό ή/και οικονομικά συμφέρον, να φτάσει το ηλεκτρικό δίκτυο. Προσφέρουν τη δυνατότητα αποκεντρωμένης παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Παρόλα τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα, το βασικότερο μειονέκτημα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, είναι το υψηλό κόστος που απαιτείται για την αγορά και την εγκατάσταση τους. Σο σχετικά μεγάλο κεφάλαιο που απαιτείται να επενδυθεί για την αγορά των συστημάτων αυτού του είδους, με συνακόλουθα μεγάλο διάστημα απόσβεσης της σχετικής επένδυσης, έναντι της χρήσης των συμβατικών μορφών ενέργειας, αποτελεί τροχοπέδη για την επέκταση της χρήσης τους σε ευρεία κλίμακα. υνεπώς, μέχρι σήμερα έχει περιοριστεί η χρήση τους σε ειδικές εφαρμογές, που χαρακτηρίζονται συνήθως από μικρές ενεργειακές απαιτήσεις, απαιτήσεις μεγάλης αξιοπιστίας, αδυναμία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας από άλλη πηγή και τέλος επιθυμία ελάχιστης συντήρησης και παρακολούθησης. ε εφαρμογές που παρουσιάζουν μερικά ή και όλα από τα παραπάνω χαρακτηριστικά, τα φωτοβολταϊκά συστήματα γνωρίζουν σημαντική εξάπλωση Εφαρμογές των Υωτοβολταϊκών υστημάτων Η κατάσταση στην Ελλάδα Σα φωτοβολταϊκά συστήματα, βρίσκουν πάρα πολλές εφαρμογές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σχεδόν παντού, όπου απαιτείται η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η τεχνολογία τους έχει ωριμάσει αρκετά και μπορούν να εξυπηρετούν και τα πλέον απαιτητικά ηλεκτρικά φορτία, χωρίς κανέναν πρόβλημα. Σα φωτοβολταϊκά συστήματα δίνουν αξιόπιστες και ικανοποιητικές λύσεις στο πρόβλημα του ηλεκτρισμού εκεί όπου δεν υπάρχει ηλεκτρική ενέργεια ή η μεταφορά της συνεπάγεται μεγάλο κόστος, καθώς επίσης εκεί όπου είναι αδύνατον να εγκατασταθεί άλλη πηγή ενέργειας. Σέλος τα συστήματα αυτά είναι σκόπιμο να εγκαθίστανται εκεί όπου απαιτείται υψηλή αξιοπιστία, καθώς και ελαχιστοποίηση των απαιτήσεων για συντήρηση και επίβλεψη. Οι πιο ευρέως διαδεδομένες εφαρμογές τους είναι ορισμένες συσκευές χειρός, όπως π.χ. φανοί, ρολόγια, ηλεκτρονικά παιχνίδια, αριθμητικές μηχανές και άλλα, που συχνά τροφοδοτούνται από φωτοβολταϊκά στοιχεία και ενεργοποιούνται με τη βοήθεια του φωτός, αντί να καλύπτουν τις ανάγκες τους με μπαταρίες. Επίσης, τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται σε τροχόσπιτα και σκάφη αναψυχής, σε αγροτικές ή εξοχικές κατοικίες, καθώς και σε μικρά ή/και απομονωμένα ξενοδοχεία, προκειμένου να αποφευχθεί η εξάρτηση από το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. 45

54 Εξάλλου, τέτοια φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται και σε ορεινά καταφύγια, παρατηρητήρια δασοπυρόσβεσης, τηλεπικοινωνιακούς σταθμούς ή/και σε φάρους ναυτιλίας, εξαιτίας της αδυναμίας πρόσβασης τους στο κεντρικό δίκτυο. Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, μπορούν να εξυπηρετήσουν άριστα μεμονωμένες κατοικίες ή μεγαλύτερες μονάδες, όπως ξενοδοχεία, νοσοκομεία, σχολεία, κλπ. Παράδειγμα τέτοιας εφαρμογής είναι μια κατοικία στις Μαργαρίτες Ρεθύμνου, όπου το φωτοβολταϊκό σύστημα, ισχύος 1 W περίπου, που εγκαταστάθηκε το 1992, ηλεκτροδοτεί όλες σχεδόν τις εγκατεστημένες ηλεκτρικές συσκευές. Πιο πρόσφατα, τον Ιούνιο του 1996, εγκαταστάθηκε ένα ανάλογο, αλλά αρκετά μεγαλύτερο, φωτοβολταϊκό σύστημα στο ξενοδοχείο Elounda Island Villas (στην Κρήτη). Σο εν λόγω σύστημα, ισχύος 65 W, εξυπηρετεί όλες τις ανάγκες ηλεκτροδότησης του δυναμικότητας 5 κλινών ξενοδοχείου. Επιπλέον, συστήματα αυτού του είδους, μεγάλης εγκατεστημένης ισχύος, μπορούν να εξυπηρετήσουν ικανοποιητικά τις ανάγκες ολόκληρων μικρών οικισμών, όπως έχει γίνει στην περίπτωση του παραδοσιακού οικισμού στον Άσπρο Ποταμό Κρήτης. Ο εν λόγω οικισμός αποτελείται από 14 οικίες, ανακαινίσθηκε το 1989 και έκτοτε γίνεται συστηματική εκμετάλλευσή του για τουριστικούς λόγους. Σον Οκτώβριο του 1991 εγκαταστάθηκε φωτοβολταϊκό σύστημα ισχύος 15 W το οποίο ηλεκτροδοτεί τα ψυγεία και τα φώτα του οικισμού, καθώς και μερικές τηλεοράσεις. Κατά το σχεδιασμό του, δόθηκε μεγάλη προσοχή, τόσο στην αξιοπιστία του συστήματος, όσο και στην αισθητική του, με αποτέλεσμα να τοποθετηθεί σε ειδικά διαμορφωμένο χώρο και να μη φαίνεται σχεδόν από πουθενά. Η σημαντικότερη βέβαια χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων, αφορά τη λειτουργία σταθμών ηλεκτροπαραγωγής μεσαίου ή μεγάλου μεγέθους, όπου το ηλεκτρικό ρεύμα αυτοκαταναλώνεται από τον παραγωγό ή διοχετεύεται στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο ή συμβαίνουν και τα 2 παράλληλα ανάλογα με τις ανάγκες. την Ελλάδα, η πρώτη και σημαντικότερη τέτοια εγκατάσταση έχει γίνει από τη Δ.Ε.Η. στην Κύθνο. Σο φωτοβολταϊκό πάρκο που εγκαταστάθηκε εκεί, σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί σε συνδυασμό με τον υπάρχοντα συμβατικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ένα αιολικό πάρκο, που έχει επίσης εγκαταστήσει η Δ.Ε.Η. στο νησί, με σκοπό τη μείωση της ποσότητας ρεύματος που παράγεται από ορυκτά καύσιμα. Η ηλιακή γεννήτρια του φωτοβολταϊκού σταθμού της Κύθνου, που έχει μέγιστη δυνατότητα εξόδου 1 KWp (ο δείκτης p σημαίνει peak, αναφέρεται δε σε τιμή αιχμής). Άλλη μια σημαντική εγκατάσταση είναι αυτή της ίφνου. Σο 2 εγκαταστάθηκε στη ίφνο φωτοβολταϊκό πάρκο εγκατεστημένης ισχύος 6 KWp συνδεδεμένο στο τοπικό δίκτυο με μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας 1 KWh. Φρησιμοποιήθηκαν φωτοβολταϊκοί συλλέκτες πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Σέλος στις εγκαταστάσεις του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Πικέρμι Αττικής) τοποθετήθηκε φωτοβολταϊκό σύστημα ισχύος 4 KWp το Νοέμβριο του Προοπτικές των Υωτοβολταϊκών υστημάτων Αν και το κόστος εγκατάστασης των διαφόρων φωτοβολταϊκών συστημάτων μειώνεται με ταχύ ρυθμό, δεν έχει ακόμα φτάσει σε επίπεδα τέτοια, που να είναι 46

55 βραχυπρόθεσμα ανταγωνιστικό άλλων, συμβατικών κυρίως, τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας. Δεν είναι όμως απολύτως ορθό και δίκαιο η φωτοβολταϊκή τεχνολογία, όπως και οι άλλες τεχνολογίες εκμετάλλευσης των Α.Π.Ε., να συγκρίνεται με τις συμβατικές τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας, μόνο από την άποψη του οικονομικού οφέλους του επενδυτή. Πρέπει παράλληλα, κατά τις συγκρίσεις να λαμβάνονται υπόψη οι ιδιαιτερότητες των εφαρμογών, κυρίως δε το περιβαλλοντικό όφελος το οποίο, αν και δεν υπάρχει ακριβής τρόπος αποτίμησής του, αποτελεί τεράστιο παράγοντα στις μέρες μας. Η Ελλάδα είναι μια από τις πιο ευνοημένες χώρες του πλανήτη από πλευράς ηλιοφάνειας και παρουσιάζει ευνοϊκότερες προϋποθέσεις για τη χρήση και την ευρεία διάδοση των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Λόγω της μορφολογίας της, υπάρχουν περιοχές, τόσο στην ηπειρωτική, όσο και στη νησιωτική χώρα, όπου η εγκατάσταση συστημάτων αυτού του είδους είναι η πλέον ανταγωνιστική οικονομικά λύση, ακόμα και με τα σημερινά δεδομένα. Για το λόγο αυτό, έχουν ήδη εγκατασταθεί και λειτουργούν αρκετά φωτοβολταϊκά συστήματα σε διάφορες περιοχές, για τις οποίες αποτελούν τις πιο ενδεδειγμένες τεχνικά και οικονομικά λύσεις. Η περαιτέρω ανάπτυξη και χρησιμοποίηση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας, η οποία είναι μία από τις πλέον «καθαρές» τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας, ακόμα και σε σχέση με τις τεχνολογίες εκμετάλλευσης των άλλων μορφών των Α.Π.Ε., είναι βέβαιο ότι θα συμβάλλει σημαντικά στο ενεργειακό ισοζύγιο της χώρας. Κατ αυτόν τον τρόπο θα μειωθεί η εξάρτηση από το εισαγόμενο πετρέλαιο και θα ενισχυθεί η ασφάλεια του ενεργειακού ανεφοδιασμού. Παράλληλα θα συντελέσει σε μεγάλο βαθμό στην προστασία του περιβάλλοντος που είναι το μέγιστο πλανητικό πρόβλημα απειλώντας την ίδια τη ζωή, και στην αξιοποίηση των τοπικών ενεργειακών πόρων, με αντίστοιχες ευεργετικές επιπτώσεις στην τοπική ανάπτυξη (πραγματοποίηση επενδύσεων με μακρύ χρονικό ορίζοντα, δημιουργία νέων θέσεων εργασίας σε τοπικό επίπεδο, ενεργειακή αποκέντρωση). Η εξέλιξη της εγκατεστημένης ισχύος από φωτοβολταϊκά συστήματα στην Ελλάδα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: χήμα 1.12: Ετήσια και η συνολική εγκατεστημένη ισχύς Υωτοβολταϊκών συστημάτων στην Ελλάδα [31] 47

56 Κατά το 28 εκτιμάται ότι συνδέθηκαν και παρέχουν ακόμα και σήμερα ισχύ στο ηλεκτρικό δίκτυο περίπου 12 MWp φωτοβολταϊκών συστημάτων. Για το 29 η αντίστοιχη εκτίμηση ήταν για 4 8 MWp Οικονομικά στοιχεία των Υωτοβολταϊκών υστημάτων Προκειμένου να υπάρξει ευρεία χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων, τα κόστη τους πρέπει να είναι ανταγωνιστικά με εκείνα των συμβατικών μορφών ηλεκτρισμού. Η μέση τιμή του ηλεκτρισμού είναι /KWh, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα παράγουν σήμερα ηλεκτρική ενέργεια με.5.6 /KWh. Επομένως, τα κόστη πρέπει να μειωθούν κατά πέντε φορές περίπου για να είναι ανταγωνιστικά στη χονδρική αγορά ηλεκτρισμού. ε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, οι κυψέλες συνιστούν ένα σημαντικό ποσοστό του τελικού κόστους, κυρίως λόγω της απαίτησης για υψηλής καθαρότητας πυρίτιο. Σο κόστος της φωτοβολταϊκής ενέργειας επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, με πιο σημαντικούς την αποδοτικότητα του πλαισίου, τη διάρκεια ζωής και το κόστος ανά μονάδα επιφάνειας. Από τις συσχετίσεις του κόστους και της αποδοτικότητας του πλαισίου που οδηγούν σε ειδικά κόστη του ηλεκτρισμού, για διάρκεια ζωής 3 ετών του πλαισίου και βάσει διάφορων οικονομικών υποθέσεων, προκύπτει ότι τα πλαίσια μικρότερης αποδοτικότητας πρέπει να κοστίζουν λιγότερο από τα πλαίσια υψηλής αποδοτικότητας για την παραγωγή ηλεκτρισμού με το ίδιο κόστος. υνεπώς, υπάρχει μια επιβάρυνση για την υψηλότερη αποδοτικότητα. 1.8 ΑΝΑΠΣΤΞΗ ΣΨΝ Α.Π.Ε. ΣΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Η συνεισφορά των Α.Π.Ε. στο εθνικό ενεργειακό ισοζύγιο, ήταν της τάξης του 5.3 % το 26, σε επίπεδο συνολικής διάθεσης πρωτογενούς ενέργειας στη χώρα και της τάξης του 18 %, σε επίπεδο εγχώριας παραγωγής πρωτογενούς ενέργειας. Η παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας από Α.Π.Ε. το 26 ήταν 1.8 ΜΣΙΠ (1 ΜΣΙΠ = 16 ΣΙΠ, όπου ΣΙΠ σημαίνει: Σόνοι Ισοδύναμου Πετρελαίου όπως αναφέρθηκε και παραπάνω), ενώ στις αρχές της δεκαετίας του 9 ήταν 1.2 ΜΣΙΠ. Εξ αυτών, 72 ΚΣΙΠ (δηλαδή 39 %) οφείλεται στη χρήση βιομάζας στα νοικοκυριά, 23 ΚΣΙΠ περίπου στη χρήση βιομάζας στη βιομηχανία για ίδιες ανάγκες (συνολικό ποσοστό της βιομάζας 52 %), 536 ΚΣΙΠ (3%) από την παραγωγή των υδροηλεκτρικών, 146 ΚΣΙΠ (8.1 %) από την παραγωγή των αιολικών, 19 ΚΣΙΠ (6 %) από την παραγωγή των θερμικών ηλιακών συστημάτων, 11 ΚΣΙΠ από τη γεωθερμία και 33 ΚΣΙΠ από το βιοαέριο κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτροπαραγωγή από τις κλασσικές Α.Π.Ε. στην Ελλάδα (χωρίς τα μεγάλα υδροηλεκτρικά) αυξάνεται σημαντικά τα τελευταία χρόνια και είναι της τάξης του 3.3% της ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Αφορά κυρίως σε αιολικά και μικρά υδροηλεκτρικά συστήματα, σε μικρότερο βαθμό στη βιομάζα και στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Λαμβάνοντας υπόψη τα μεγάλα υδροηλεκτρικά συστήματα, η ηλεκτροπαραγωγή από Α.Π.Ε. είναι 12.4 % της ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Η εγκατεστημένη ισχύς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από 48

57 Α.Π.Ε. ήταν 3894 MW στο τέλος του 26 (όπως φαίνεται και στον πίνακα 1.2) και όπως φαίνεται η συνέπεια των μέτρων οικονομικής υποστήριξης, κυρίως των επιχειρησιακών προγραμμάτων «Ενέργεια» και «Ανταγωνιστικότητα» του 2 ου και 3 ου Κοινοτικού Πλαισίου τήριξης και του Αναπτυξιακού Νόμου, είναι η σταθερά αυξανόμενη διείσδυση που είχαν τα αιολικά συστήματα, τα μικρά υδροηλεκτρικά συστήματα και το βιοαέριο. Πίνακας 1.2: Ισχύς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. (MW) [31] Ειδικότερα τα 27 MW των αιολικών πάρκων το 1997, έφθασαν τα 745 MW στο τέλος του 26. Σα μικρά υδροηλεκτρικά έφθασαν τα 18 MW στο τέλος του 26 από τα 43 MW (όλα της Δ.Ε.Η.) το Σέλος, οι εγκαταστάσεις ηλεκτροπαραγωγής από βιοαέριο Φ.Τ.Σ.Α. (Φώροι Τγειονομικής Σαφής Απορριμμάτων) και συμπαραγωγής από βιοαέριο λυμάτων (στα Λιόσια κι στην Χυτάλλεια) έχουν ηλεκτρική ισχύ 14 και 1 MW αντίστοιχα. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. το 26, έφθασε τις 8.3 TWh περίπου και προήλθε κατά 79 % από υδροηλεκτρικούς σταθμούς (6774 GWh), κατά 2 % από αιολικά πάρκα (1691 GWh), κατά 1.1 % (92 GWh) από βιοαέριο, ενώ υπήρχε και μια μικρή παραγωγή από φωτοβολταϊκούς σταθμούς (όπως φαίνεται και στον πίνακα 1.3). Η ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας την ίδια χρονιά ήταν 64.3 TWh. Για το 26 η συνολική πρωτογενής παραγωγή θερμότητας ήταν της τάξεως των 44 TJ, προερχόμενη κυρίως από τη βιομάζα και σε μικρότερο ποσοστό από την ηλιακή ενέργεια και το βιοαέριο. Σα στατιστικά στοιχεία των τελευταίων ετών ενώ παρουσιάζουν διακύμανση του ποσοστού συμμετοχής των Α.Π.Ε. στην ηλεκτροπαραγωγή από 1 % μέχρι 12 % (πίνακας 1.3), η οποία οφείλεται, κυρίως στη μεταβλητότητα της λειτουργίας των μεγάλων υδροηλεκτρικών σταθμών, η οποία εξαρτάται από το επίπεδο των υδατικών αποθεμάτων, ενώ οι συμβατικές Α.Π.Ε. έχουν μια σταθερά αυξανόμενης συμμετοχής που έφθασε το 3.3 % το 26. ημειώνεται, ότι το 12.4 % του 26, δεν είναι απόλυτα αντιπροσωπευτικό γιατί τα μεγάλα υδροηλεκτρικά στην Ελλάδα (που είναι σχεδόν αποκλειστικά τύπου φράγματος), χρησιμοποιούνται κυρίως για φορτία αιχμής και η παραγωγή τους εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα υδάτων στα φράγματα. 49

58 Πίνακας 1.3: Παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. (GWh) [31] Η παραγωγή θερμικής ενέργειας από Α.Π.Ε. προέρχεται κυρίως από ενεργητικά ηλιακά, θερμικές χρήσεις της βιομάζας και γεωθερμικές αντλίες θερμότητας (πίνακας 1.4). Η μεγάλη ανάπτυξη της βιομηχανίας ηλιακών συλλεκτών κατά τις τελευταίες δεκαετίες έχει οδηγήσει την Ελλάδα στη δεύτερη θέση σε εγκατεστημένη επιφάνεια συλλεκτών σε ευρωπαϊκό επίπεδο. Ψστόσο, η κύρια παραγωγή θερμότητας από Α.Π.Ε. προέρχεται είτε από καύση βιομάζας, στον οικιακό τομέα, είτε από υπολείμματα βιομάζας σε βιομηχανικές μονάδες κατεργασίας ξύλου, τροφίμων, βάμβακος, κλπ. όπου και χρησιμοποιείται για ίδιες ανάγκες. Η ελληνική αγορά θερμότητας από Α.Π.Ε. είναι σε στάδιο εκκίνησης. Ένα προνομιακό πεδίο για τη θερμική διείσδυση των Α.Π.Ε., φαίνεται να είναι ο κτιριακός τομέας, σε συνδυασμό πάντοτε με την αναθεώρηση της εθνικής νομοθεσίας για τα κτίρια αυξημένης ενεργειακής αποδοτικότητας. Η χρήση των βιοκαυσίμων στην Ελλάδα είναι επίσης σε φάση εκκίνησης. την παρούσα φάση, η προσοχή έχει στραφεί προς το βιοντήζελ και αναμένεται σύντομα να εξεταστεί και η προοπτική της βιοαιθανόλης. Προς το παρόν, η διάθεση και εισαγωγή της βιοαιθανόλης δεν αναμένεται να ξεκινήσει πριν το 21. Πίνακας 1.4: Παραγωγής θερμικής ενέργειας από Α.Π.Ε. (GWh) [31] Εξετάζοντας τις αντίστοιχες αγορές, το μέλλον των Α.Π.Ε. είναι διαφορετικό για τον ηλεκτρισμό, τη θερμότητα και τις μεταφορές. Η παρούσα εξέλιξη των αγορών των Α.Π.Ε. παρουσιάζεται στους παραπάνω πίνακες. Δεδομένου ότι το ενεργειακό σύστημα της Ελλάδος θεωρείται ρυπογόνο, μη αποδοτικό, ελλειμματικό και εξαρτημένο από πεπερασμένους πόρους, πρώτη πολιτική προτεραιότητα είναι η προώθηση των Α.Π.Ε.. Άλλωστε, οι κοινοτικοί στόχοι για ενεργειακή ασφάλεια και για 2 % διείσδυση των Α.Π.Ε. στη συνολική κατανάλωση των κρατών μελών, 2 % μείωση των εκπομπών CO2 και 2 % εξοικονόμηση στη συνολικά 5

59 καταναλισκόμενη ενέργεια, επιβάλλουν τη μείωση της εξάρτησης από το εισαγόμενο πετρέλαιο και το ρυπογόνο λιγνίτη. Προς επίτευξη των παραπάνω στόχων, απαιτείται και είναι τεχνικά εφικτή, η εγκατάσταση και λειτουργία συνολικής ισχύος GW Α.Π.Ε. (κυρίως αιολικών και υδροηλεκτρικών συστημάτων, αλλά και φωτοβολταϊκών συστημάτων) που θα παράγουν περί τις 15 GWh ενέργειας. ημειώνεται ότι η εξέλιξη της εγκατεστημένης ισχύος Α.Π.Ε. είχε ένα σταθερό ρυθμό αύξησης από το 2 έως κι το 24, της τάξης του 22 % κατ έτος. Σα 483 MW εγκατεστημένης ισχύος στο τέλος του 24 έγιναν 16 MW στο τέλος του 27, ενώ μέσα στο 28 προστέθηκαν 14 MW επιπλέον οι παραπάνω αριθμοί δείχνουν μια ετήσια αύξηση της ισχύος κατά περίπου 38 % κατά την περίοδο Για την ταχύτερη διείσδυση κάθε μορφής Α.Π.Ε. στην ελληνική αγορά, η ελληνική ενεργειακή στρατηγική αποβλέπει στη δημιουργία αξιόπιστων και σταθερών θεσμικών, ρυθμιστικών και ελεγκτικών πλαισίων, καθώς και τη θέσπιση αποτελεσματικών κανόνων για την ομαλή λειτουργία των ενεργειακών αγορών και του ανταγωνισμού. Παρακάτω ακολουθεί ένας σχήμα που δείχνει την ηλεκτροπαραγωγή ανά καύσιμο. χήμα 1.13: Ηλεκτροπαραγωγή ανά καύσιμο [31] Οι λιγνιτικοί σταθμοί αποτελούν το 36 % της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος, οι πετρελαϊκοί σταθμοί το 16.3 %, οι σταθμοί φυσικού αερίου το 18.4 %, οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί το 23.4 % και τα αιολικά πάρκα το 5.6 %. 51

60 1.9 ΙΦΤΟΤΑ ΝΟΜΟΘΕΙΑ ΦΕΣΙΚΑ ΜΕ ΣΙ Α.Π.Ε. Οι κυριότερες νομοθετικές διατάξεις, οι οποίες αφορούν την αδειοδότηση σταθμών ηλεκτροπαραγωγής με χρήση Α.Π.Ε., είναι οι ακόλουθες: Ν. 3734/29 «Προώθηση της συμπαραγωγής δύο ή περισσότερων χρήσιμων μορφών ενέργειας, ρύθμιση ζητημάτων σχετικών με το Τδροηλεκτρικό Έργο Μεσοχώρας και άλλες διατάξεις», ΥΕΚ 8A, 28 Ιανουαρίου 29 Ειδικό πλαίσιο, χωροταξικού σχεδιασμού και αειφόρου ανάπτυξης ΑΠΕ. ΥΕΚ Β, 2464, 3 Δεκεμβρίου 28, Αριθμός απόφασης 49828, σελ Ν. 2244/1994 «Ρύθμιση θεμάτων ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ και από συμβατικά καύσιμα και άλλες διατάξεις» (ΥΕΚ Α 168) Ν. 2273/1999 «Απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας Ρύθμιση θεμάτων ενεργειακής πολιτικής και λοιπές διατάξεις» (ΥΕΚ Α 286) Ν. 2941/21 «Απλοποίηση διαδικασιών ίδρυσης εταιρειών, αδειοδότησης ΑΠΕ, ρύθμιση θεμάτων της Α.Ε. ΕΛΛΗΝΙΚΕ ΑΛΤΚΕ και άλλες διατάξεις» (ΥΕΚ Α 21) Ν. 3175/23 «Αξιοποίηση του γεωθερμικού δυναμικού, τηλεθέρμανση και άλλες διατάξεις» (ΥΕΚ Α 27) Ν. 3468/26 «Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από ΑΠΕ και υμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Τψηλής Απόδοσης και λοιπές διατάξεις» (ΥΕΚ Α 129) Ν. 3489/26 «Ζώνη καινοτομίας Θεσσαλονίκης και άλλες διατάξεις» (ΥΕΚ Α 25) Τπουργική απόφαση Δ5-ΗΛ/Β/Υ.1/οικ /2 «Κανονισμός Αδειών Παραγωγής και Προμήθειας Ηλεκτρικής Ενέργειας (Έκδοση 1)» (ΥΕΚ Β 1498) «Οδηγός Αξιολόγησης Αιτήσεων Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας από ΑΠΕ και Μικρή ΗΘ» (κείμενο συνταχθέν από τη ΡΑΕ τον Ιούλιο του 21 και διαθέσιμο στο δικτυακό της τόπο) Τπουργική απόφαση Δ6/Υ1/2/22 «Διαδικασία έκδοσης αδειών εγκατάστασης και λειτουργίας σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση ΑΠΕ και μεγάλων υδροηλεκτρικών σταθμών και τύποι συμβάσεων αγοραπωλησίας ηλεκτρικής ενέργειας» (ΥΕΚ Β 158) στο βαθμό που δεν έρχεται σε σύγκρουση με τις ρυθμίσεις του Ν. 3468/26 Κοινή υπουργική απόφαση οικ /ΕΤΠΕ/ΤΠΕΦΨΔΕ «Διαδικασία Προκαταρκτικής Περιβαλλοντικής Εκτίμησης και Αξιολόγησης (Π.Π.Ε.Α.) και Έγκρισης Περιβαλλοντικών Όρων (Ε.Π.Ο.) έργων ΑΠΕ, σύμφωνα με το άρθρο 4 του ν. 165/1986, όπως αντικαταστάθηκε με το άρθρο 2 του ν. 31/22» (ΥΕΚ Β 663) Κοινή υπουργική απόφαση οικ /ΕΤΠΕ/ΤΠΕΦΨΔΕ «Περιεχόμενο, δικαιολογητικά και λοιπά στοιχεία των Προμελετών Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων (Π.Π.Ε.), των Μελετών Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων (Μ.Π.Ε.), καθώς και συναφών μελετών περιβάλλοντος, έργων ΑΠΕ» (ΥΕΚ Β 663) Εγκύκλιος 171/ ΤΠΕΦΨΔΕ για τη διευκρίνηση θεμάτων ρυθμιζόμενων με τις δύο προηγούμενες υπουργικές αποφάσεις 52

61 Κοινή υπουργική απόφαση Δ6/Υ1/οικ. 195/ «Σροποποίηση και συμπλήρωση της 13727/724/23 κοινής υπουργικής απόφασης ως προς την αντιστοίχηση των δραστηριοτήτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τους βαθμούς όχλησης που αναφέρονται στην πολεοδομική νομοθεσία» (ΥΕΚ Β 1671) Εγκύκλιοι Τπουργείου Ανάπτυξης Δ6/Υ1/οικ /9.7.23, Δ6/Υ1/οικ / και Δ6/Υ1/οικ. 263/ Οτιδήποτε σχετικό με νόμους βρίσκεται στη σελίδα του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. 53

62 1.1 ΣΙΜΟΛΟΓΙΑ ΠΨΛΗΗ ΗΛΕΚΣΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ Α.Π.Ε. Παρακάτω παρουσιάζονται τα τιμολόγια απορρόφησης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από παραγωγό ή αυτοπαραγωγό μέσω σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε., ή υμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Τψηλής Απόδοσης (.Η.Θ.Τ.Α.), ή μέσω Τβριδικού ταθμού: Σιμή Ενέργειας ( /MWh) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από: Διασυνδεδεμένο ύστημα Μη Διασυνδεδεμένα Νησιά (α) Αιολική ενέργεια (β) Αιολική ενέργεια από αιολικά πάρκα στη θάλασσα (γ) Τδραυλική ενέργεια που αξιοποιείται με μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς με εγκατεστημένη ισχύ έως δεκαπέντε (15) MWe (δ) Ηλιακή ενέργεια που αξιοποιείται από φωτοβολταϊκές μονάδες, με εγκατεστημένη ισχύ μικρότερη ή ίση των εκατό (1) KWpeak, οι οποίες εγκαθίστανται σε ακίνητο ιδιοκτησίας ή νόμιμης κατοχής ή όμορα ακίνητα του ίδιου ιδιοκτήτη ή νομίμου κατόχου (ε) Ηλιακή ενέργεια που αξιοποιείται από φωτοβολταϊκές μονάδες, με εγκατεστημένη ισχύ μεγαλύτερη των εκατό (1) kwpeak (στ) Ηλιακή ενέργεια που αξιοποιείται από μονάδες άλλης τεχνολογίας, πλην αυτής των φωτοβολταϊκών, με εγκατεστημένη ισχύ έως πέντε (5) MWe (ζ) Ηλιακή ενέργεια που αξιοποιείται από μονάδες άλλης τεχνολογίας, πλην αυτής των φωτοβολταϊκών, με εγκατεστημένη ισχύ μεγαλύτερη των πέντε (5) MWe (η) Γεωθερμική ενέργεια, βιομάζα, αέρια εκλυόμενα από χώρους υγειονομικής ταφής και από εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού και βιοαέρια (θ) Λοιπές Α.Π.Ε (ι).η.θ.τ.α

63 2 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ 2.1 ΗΛΙΑΚΗ ΣΑΘΕΡΑ Gsc Η μονάδα μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας είναι W/m 2. Δηλαδή είναι ισχύς ανά μονάδα επιφανείας και η τιμή της είναι το μέτρο της έντασής της. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει ανά μονάδα επιφανείας και εκτός γήινης ατμόσφαιρας σε ένα επίπεδο που είναι κάθετο στις ηλιακές ακτίνες και βρίσκεται στη μέση απόσταση ήλιου γης λέγεται ηλιακή σταθερά Gsc. Από πειραματικές μετρήσεις έχουν προταθεί διάφορες τιμές της ηλιακής σταθεράς. Μια τιμή που έχει προταθεί με αβεβαιότητα 1% είναι: G = 1367 W/m sc Επειδή η κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο είναι ελλειπτική, η εκτός γήινης ατμόσφαιρας ακτινοβολία σε επίπεδο κάθετο στις ηλιακές ακτίνες Gon, μεταβάλλεται στη διάρκεια του έτους σύμφωνα με τη σχέση: 2 (2.2) 36 n Gon Gsc 1.33cos 365 όπου: n οι ημέρες του έτους n=1, 2, 3, <, 365 (2.3) Gon η ακτινοβολία που δέχεται επίπεδο εκτός ατμόσφαιρας και κάθετο στις ακτίνες του Ήλιου. 2.2 ΓΕΨΓΡΑΥΙΚΟ ΠΛΑΣΟ ΣΟΤ ΣΟΠΟΤ φ Σο γεωγραφικό πλάτος του τόπου εκφράζει τη γωνία που σχηματίζει ο τόπος με τον ισημερινό και είναι: o 9 9 Η σωστή κλίση του ηλιακού συλλέκτη είναι περίπου ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου και κατά τη διεύθυνση του Νότου (στο βόρειο ημισφαίριο). Ενδεικτικά, για την Πάτρα είναι 38 ο και 3, ενώ για την Κέρκυρα 39 ο και 3. Τπάρχουν και εφαρμογές, όπου κρίνεται σκόπιμη η αναπροσαρμογή της κλίσης του συλλέκτη δύο ή περισσότερες φορές στη διάρκεια του έτους, ώστε να παρακολουθεί κάπως την απόκλιση του ήλιου. o 2.3 ΑΠΟΚΛΙΗ ΣΟΤ ΗΛΙΟΤ δ Κατά τη διάρκεια ενός έτους, η θέση του ήλιου παίρνει πολύ διαφορετικές τιμές σαν αποτέλεσμα της μεταβολής της απόκλισης (δ), δηλαδή της γωνίας που σχηματίζεται ανάμεσα στη ευθεία που ενώνει το κέντρο της γης με το κέντρο του 55

64 ήλιου, και στο επίπεδο του ισημερινού. Οι τιμές της απόκλισης του ήλιου είναι θετικές για το βόρειο ημισφαίριο και αρνητικές για το νότιο. Οι ακραίες της τιμές είναι o στις 21 Ιουνίου ( θερινό ηλιοστάσιο για το βόρειο ημισφαίριο) και o στις 21 Δεκεμβρίου (χειμερινό ηλιοστάσιο). Άμεση συνέπεια των διαφορετικών τιμών της απόκλισής του ήλιου κατά τη διάρκεια του έτους είναι οι κυκλικές τροχιές που διαγράφονται βορειότερα στο ουρανό το καλοκαίρι, με νωρίτερη ανατολή και αργότερη δύση στο βόρειο ημισφαίριο, ενώ το χειμώνα συμβαίνει το αντίθετο. Παράλληλα διαμορφώνονται οι αντίστοιχες μετεωρολογικές και κλιματολογικές συνθήκες που επικρατούν σε διάφορες εποχές του έτους. Ιδιαίτερα χρήσιμα μεγέθη για τη γενική εκτίμηση της καθημερινής και της εποχιακής διακύμανσης της ακτινοβολίας σε ένα τόπο, είναι η θεωρητική ηλιοφάνεια, δηλαδή το χρονικό διάστημα από την ανατολή μέχρι τη δύση του ήλιου, καθώς και η μέση πραγματική ηλιοφάνεια που δείχνει το μέσο όρο των ωρών που ο ήλιος δεν καλύπτεται από σύννεφα. Εξίσου χρήσιμα μεγέθη είναι, ο αριθμός των ημερών με ηλιοφάνεια, στη διάρκεια των οποίων ο ήλιος δεν καλύπτεται από σύννεφα, καθώς και των ανήλιων ημερών, που ο ήλιος καλύπτεται από σύννεφα σε ολόκληρο το διάστημα της ημέρας. χήμα 2.1 Η απόκλιση του Ήλιου Η απόκλιση του ήλιου δίνεται από την εξίσωση: όπου n η n-οστή ημέρα του έτους. o 36(284 n) sin ΤΧΟ ΚΑΙ ΑΖΙΜΟΤΘΙΟ ΗΛΙΟΤ Η θέση του ήλιου στον ουρανό ενός τόπου περιγράφεται συνήθως τις οριζόντιες συντεταγμένες του: το ύψος του ήλιου (α) και το αζιμούθιο του ήλιου (γ). Σο ύψος του 56

65 ήλιου (α) είναι η γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στην κατεύθυνση του ήλιου και στον ορίζοντα. Αζιμούθιο (γ) είναι η γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στη προβολή της κατεύθυνσης του ήλιου και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά νότου, με αρχή το Νότο για το βόρειο ημισφαίριο και έχει θετικές τιμές προς Δυσμάς και αρνητικές προς Ανατολάς. Ο όρος προέρχεται από την αραβική λέξη assummut, που σημαίνει κατεύθυνση. Κατά την διάρκεια της ημέρας, το ύψος του ήλιου και το αζιμούθιο μεταβάλλονται καθώς ο ήλιος διατρέχει τον ουρανό. Σο αζιμούθιο είναι: Για νότιο προσανατολισμό γ= o Για γωνίες δυτικά από το νότο παίρνει θετικές τιμές Για γωνίες ανατολικά από το νότο παίρνει αρνητικές τιμές χήμα 2.2 Σο ύψος (α) και το αζιμούθιο του ήλιου (γs στο σχήμα) Σο μέγιστο ημερήσιο ύψος του Ήλιου, δηλαδή το ύψος κατά τη μεσημβρία, αλλάζει από μέρα σε μέρα. Για το βόρειο ημισφαίριο, σε πλάτος φ είναι, όπου δ η απόκλιση του Ήλιου. Για την Πάτρα με φ=38.5 ο, στις 21 max (9 ) Ιουνίου έχουμε max και στις 21 Δεκεμβρίου max Για την Κέρκυρα με φ=39.5 ο, στις 21 Ιουνίου έχουμε max και στις 21 Δεκεμβρίου max ΖΕΝΙΘΙΑΚΗ ΓΨΝΙΑ ΣΟΤ ΗΛΙΟΤ Αντί για το ύψος, χρησιμοποιείται επίσης συχνά η συμπληρωματική του γωνία, δηλαδή η γωνία ανάμεσα στην κατεύθυνση του ήλιου και στην κατακόρυφο, που ονομάζεται ζενιθιακή απόσταση (ή ζενιθιακή γωνία) του ήλιου (θz). Ζενίθ είναι το σημείο του ουρανού που συναντά η κατακόρυφος ενός τόπου, και ο όρος προέρχεται από την αραβική λέξη Senit που σημαίνει ευθεία οδός. 57

66 2.6 ΨΡΙΑΙΑ ΓΨΝΙΑ ΣΟΤ ΗΛΙΟΤ Ορίζεται ως ωριαία γωνία (ω) του ήλιου, η γωνιακή απόσταση του ηλίου από το μεσημβρινό του τόπου και αλλάζει κάθε στιγμή λόγω της περιστροφής της γης περί τον άξονά της. την ηλιακή μεσημβρία ω= ενώ κάθε ώρα η ω μεταβάλλεται κατά 15. Σις πρωινές ώρες η ω είναι θετική (+) και κατά τις απογευματινές γίνεται αρνητική (-)..25 (min ό ό έ ) 2.7 ΠΡΟΑΝΑΣΟΛΙΜΟ ΣΟΤ ΠΛΑΙΙΟΤ Ή ΣΟΤ ΤΛΛΕΚΣΗ Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία κάθε συστήματος που εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια είναι ο προσανατολισμός του ηλιακού πλαισίου ή συλλέκτη σε σχέση με την κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας. Όπως η θέση του ήλιου στον ουρανό, έτσι και ο προσανατολισμός ενός επιπέδου στην επιφάνεια της γης περιγράφεται από δύο γωνίες, την κλίση και την αζιμούθια γωνία. Η κλίση του συλλέκτη (β) είναι η δίεδρη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του συλλέκτη και στον ορίζοντα και μπορεί να πάρει τιμές από ο μέχρι 18 ο. Για γωνίες β>9 ο το επίπεδο του συλλέκτη είναι στραμμένο προς τα κάτω. Η αζιμούθια γωνία του συλλέκτη (γ) είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κατακόρυφου του συλλέκτη και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά - νότου. Παίρνει τιμές από -18 ο μέχρι +18 ο. Η γωνία - 18 ο (που συμπίπτει με την +18 ο ) αντιστοιχεί σε τοποθέτηση του συλλέκτη προς το βορρά, η γωνία 9 ο προς την ανατολή, η γωνία ο προς το νότο και η γωνία +9 ο προς τη δύση. Προφανώς, η πυκνότερη ισχύς μιας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας, πάνω σε ένα επίπεδο συλλέκτη θα πραγματοποιείται όταν η επιφάνεια του είναι κάθετη προς τη κατεύθυνση της ακτινοβολίας, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσης (θ) είναι ο. Η συνθήκη όμως αυτή δεν είναι εύκολο να εξασφαλιστεί, καθώς ο ήλιος συνεχώς μετακινείται στον ουρανό κατά τη διάρκεια της ημέρας. 'Έχουν κατασκευαστεί μηχανικές διατάξεις που επαναπροσανατολίζουν συνεχώς τον συλλέκτη (π.χ. με τη βοήθεια υπολογιστή ή φωτοκύτταρων) ώστε η επιφάνεια του να αντικρίζει πάντα κάθετα τον ήλιο. Οι διατάξεις όμως αυτές είναι πολύπλοκες και δαπανηρές. Έτσι, η χρήση τους δικαιολογείται μόνον σε περιπτώσεις εφαρμογών, όπως στα συστήματα συγκεντρωμένης ακτινοβολίας με φακούς ή κάτοπτρα. χήμα 2.3 Η κλίση του συλλέκτη (β), το αζιμούθιο του συλλέκτη (γ), η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στο συλλέκτη (θ) 58

67 τις συνηθισμένες περιπτώσεις οι συλλέκτες τοποθετούνται σε σταθερή κλίση και αζιμούθια γωνία, που επιλέγονται ώστε η γωνία της πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας να είναι όσο το δυνατό μικρότερη, κατά τη διάρκεια του έτους. Η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας θ, συνδέεται με το αζιμούθιο του συλλέκτη γ, την κλίση του συλλέκτη β, το γεωγραφικό πλάτος του τόπου φ, την ωριαία γωνία ω του Ήλιου και την απόκλιση δ του Ήλιου, με τη σχέση: cos sin sin cos sin cos sin cos cos cos cos cos cos sin sin cos cos cos sin sin sin Οι επίπεδοι συλλέκτες χρησιμοποιούν την άμεση και τη διάχυτη ακτινοβολία και συνήθως τοποθετούνται υπό σταθερή κλίση και προσανατολισμό κατά τη διάρκεια του έτους. Η επιλογή του ευνοϊκού προσανατολισμού και της κλίσης του συλλέκτη είναι το σημαντικότερο μέτρο για τη βελτίωση του ηλιακού κέρδους. Η θέση του συλλέκτη (προσανατολισμός και κλίση) επηρεάζει την απόδοσή του κατά δύο τρόπους. Πρώτα επηρεάζει σημαντικά το ποσό της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στην επιφάνεια του συλλέκτη. Ακόμα η θέση του συλλέκτη επηρεάζει τον συντελεστή διάβασης των διαφανών καλυμμάτων και τον συντελεστή απορρόφησης του απορροφητήρα, αφού οι δύο συντελεστές είναι συναρτήσεις της γωνίας που η ακτινοβολία προσπίπτει στην επιφάνεια του συλλέκτη. Γενικά η μεγαλύτερη ποσότητα της ηλιακής ενέργειας, λαμβάνεται σε μία νότια προσανατολισμένη κλίση (για το βόριο ημισφαίριο της Γης). Εάν ή επιφάνεια του συλλέκτη δεν αντικρίζει ακριβώς το νότο, το ποσό της ωφέλιμης ενέργειας, μειώνεται ελαφρά σε μία γωνία 3 ο ανατολικά, δυτικά ή νότια. Η κλίση για συστήματα που λειτουργούν όλο το χρόνο είναι 45 ο ενώ αντίθετα για συστήματα που λειτουργούν καλοκαιρινούς μήνες π.χ ξενοδοχεία, η κλίση λαμβάνεται μικρότερη περίπου 25 ο. Έτσι είναι δυνατόν να αξιολογηθεί ορθά η εγκατάσταση ηλιακών συστημάτων (π.χ. ηλιακοί συλλέκτες), ώστε να βελτιστοποιηθεί η απόδοσή τους. 2.8 ΠΡΑΚΣΙΚΟΙ ΚΑΝΟΝΕ ΓΙΑ ΜΕΓΙΣΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ το βόρειο ημισφαίριο, η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη, για τη διάρκεια του έτους, είναι ίση με τον γεωγραφικό παράλληλο του τόπου, και η αζιμούθια γωνία είναι ο (προς το νότο). Λόγω όμως της μεταβολής της απόκλισης του ήλιου στη διάρκεια του έτους, η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη είναι διαφορετική για κάθε εποχή. Έτσι εάν επιδιώκεται να παράγει το σύστημα όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια στη διάρκεια του καλοκαιριού, η κλίση του συλλέκτη επιλέγεται περίπου 1 ο ως 15 ο μικρότερη από την παράλληλο του τόπου, ενώ για τον χειμώνα η κλίση επιλέγεται περίπου 1 ο ως 15 ο μεγαλύτερη από την παράλληλο του τόπου. υνοψίζοντας: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) θα πρέπει να είναι περίπου ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ) Κατά την διάρκεια της θερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να είναι περίπου 1-15 μικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). 59

68 Κατά την διάρκεια της χειμερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να είναι περίπου 1 ο -15 ο μεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). Αν στο έδαφος υπάρχει επιφάνεια με μεγάλο συντελεστή ανάκλασης (π.χ. χιόνι) απαιτείται μεγαλύτερη κλίση Ο βέλτιστος προσανατολισμός (αζιμούθιο γ) είναι νότιος (γ= o ), ενώ απόκλιση κατά 2-3 από νότο έχει μικρή επίδραση στην ετήσια συλλεγόμενη ενέργεια χήμα 2.4 Ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε συλλεκτικές επιφάνειες καθ όλη τη διάρκεια του έτους χήμα 2.5 Βέλτιστες κλίσεις συλλέκτη Σα παραπάνω ισχύουν για τη συλλογή της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που έρχεται σαν δέσμη από τον ήλιο. Για τις άλλες, από ενεργειακή άποψη λιγότερο σημαντικές, μορφές της ηλιακής ακτινοβολίας, ο κυριότερος παράγοντας είναι η απόλυτη τιμή της κλίσης του συλλέκτη, ανεξάρτητα από τη θέση του ήλιου. Έτσι, όσο η κλίση απέχει περισσότερο από το οριζόντιο, τόσο μεγαλύτερο ποσό ανακλώμενης 6

69 ακτινοβολίας από το έδαφος δέχεται ο συλλέκτης, αλλά και τόσο μικρότερο ποσό διάχυτης ακτινοβολίας από τον ουρανό. Για παράδειγμα, σε περιοχές με υγρό κλίμα, όπου λόγω των σταγονιδίων του νερού στην ατμόσφαιρα, ένα μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας διαχέεται στον ουρανό, η βέλτιστη κλίση του ηλιακού συλλέκτη για τη διάρκεια ολόκληρου του έτους είναι περίπου 1 15 % μικρότερη από τη γωνία του τοπικού γεωγραφικού πλάτους. Έτσι, ο συλλέκτης αντικρίζει περισσότερο τον ουρανό και δέχεται αφθονότερα τη διάχυτη ακτινοβολία. Η ποσότητα της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το υλικό που καλύπτει την επιφάνεια που δέχεται την ακτινοβολία. Η ικανότητα της ανάκλασης εκφράζεται από ένα συντελεστή που κυμαίνεται από, για πλήρη απορρόφηση της ακτινοβολίας, μέχρι 1, για πλήρη ανάκλαση. Ενδεικτικά σε επιφάνεια νερού ο συντελεστής ανάκλασης είναι.5, σε πράσινο αγρό.15 και σε χιόνι Η ΔΙΑΚΤΜΑΝΗ ΣΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ηλιακή ακτινοβολία παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις. τα παρακάτω σχήματα φαίνονται παραδείγματα της ομαλής μεταβολής της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας για 3 ενδεικτικές ημερομηνίες (καλοκαίρι, άνοιξη και φθινόπωρο, χειμώνα), σε συνθήκες ιδανικά καθαρού ουρανού. Φαρακτηριστικό μέγεθος είναι η τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (ένταση αιχμής), που μετράται στο ηλιακό μεσημέρι, δηλαδή όταν ο ήλιος βρίσκεται στο μεγαλύτερο ύψος του ορίζοντα, το οποίο δεν είναι αναγκαστικό να συμπίπτει με το ωρολογιακό μεσημέρι. χήμα 2.6 Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται μία οριζόντια επιφάνεια στη διάρκεια τριών χαρακτηριστικών ημερών του έτους (οι ώρες είναι σε ηλιακές τιμές) 61

70 : 1:2 2:4 4: 5:2 6:4 8: 9:2 1:4 12: 13:2 14:4 16: 17:2 18:4 2: 21:2 22:4 χήμα 2.7 Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας με τον ηλιακό συλλέκτη σε κλίση ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται μια επίπεδη επιφάνεια γίνεται σημαντικά μεγαλύτερη όταν βρίσκεται σε κατάλληλη κλίση, ώστε η πρόσπτωση των ακτινών να γίνεται κάθετα. την περίπτωση αυτή, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η μέγιστη ισχύς της ακτινοβολίας το ηλιακό μεσημέρι, στις ευνοϊκότερες ημέρες του έτους, δεν διαφέρει παρά πολύ από τόπο σε τόπο και η τιμή 1 kw/m 2 αποτελεί μια πολύ χονδρική, αλλά πάντως γενικά αποδεκτή προσέγγιση Ηλιακή ακτινοβολία W/m χήμα 2.8 Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στη διάρκεια των ωρών μιας ημέρας με μερική νέφωση Όταν ο ουρανός έχει σύννεφα, η μεταβολή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης γίνεται ανώμαλη, όπως φαίνεται στο χήμα 2.8. Οι παρατηρούμενες απότομες πτώσεις της έντασης οφείλονται στην παρεμβολή ενός νέφους που μετακινεί ο άνεμος. Επίσης, το γρήγορο πέρασμα ενός σμήνους πουλιών ή ενός αεροπλάνου μέσα από τη δέσμη του ηλιακού φωτός που δέχεται ο συλλέκτης, 62

71 καταγράφεται σε μία πολύ οξεία στιγμιαία πτώση της έντασης της ακτινοβολίας. Παρατηρούμε, ακόμη, εξάρσεις που ξεπερνούν τις κανονικές τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας σε συνθήκες καθαρού ουρανού (όχι στο σχήμα 2.8 αλλά γενικότερα). Προφανώς στα αντίστοιχα χρονικά διαστήματα θα συμβαίνει αθροιστική επίδραση της άμεσης ακτινοβολίας από τον ήλιο, μέσα από ένα άνοιγμα των νεφών, και της ανακλώμενης από τα σύννεφα. τη διάρκεια του έτους, στο βόρειο ημισφαίριο, ο αριθμός των φωτεινών ωρών της ημέρας, η μέγιστη ισχύς, καθώς και συνολική ημερήσια ενέργεια που δέχεται μια οριζόντια επιφάνεια, φτάνουν στις μέγιστες τιμές τους στις 21 Ιουνίου (θερινό ηλιοστάσιο) και πέφτουν στις αντίστοιχές ελάχιστες τιμές τους στις 21 Δεκεμβρίου (χειμερινό ηλιοστάσιο). τις επιφάνειες όμως, π.χ. που βρίσκονται σε κλίση ίση με τον γεωγραφικό παράλληλο του τόπου, η μέγιστη τιμή της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας είναι στα ηλιακά μεσημέρια των ισημεριών (21 Μαρτίου και 21 επτεμβρίου), διότι τότε δέχονται κάθετα τις ακτίνες του ήλιου. 2.1 ΔΙΑΠΕΡΑΣΟΣΗΣΑ ΣΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ Η διαπερατότητα, η αvακλαστικότητα και η απορροφητικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας από τα ποικίλα μέρη ενός ηλιακού συλλέκτη, είναι σπουδαίοι παράμετροι για τον προσδιορισμό της απόδοσης του ηλιακού συλλέκτη. Οι τρεις αυτές παράμετροι αποτελούν λειτουργίες της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας και εξαρτώνται τόσο από τον συντελεστή απόσβεσης Κ όσο και από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας ΜΕΗ ΜΗΝΙΑΙΑ ΑΠΟΡΡΟΥΟΤΜΕΝΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ Μέθοδοι υπολογισμού της απόδοσης ηλιακών συστημάτων, για μακρά χρονική περίοδο, απαιτούν τον μέσο όρο της απορροφούμενης ακτινοβολίας από τον συλλέκτη, υπολογισμένη σε μηνιαίες περιόδους. Η διαπερατότητα και η απορροφητικότητα εξαρτώνται από τη γωνία κατά την οποία η ηλιακή ακτινοβολία χτυπά τον συλλέκτη. Ο Κlein ήταν ο πρώτος που υπολόγισε τη μέση μηνιαία απορροφούμενη ακτινοβολία από έναν συλλέκτη. Η εξίσωση υπολογισμού είναι: S H ( ) HR( ) όπου S: απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία *MJ/m 2 ] H: μέση μηνιαία τιμή της ολικής ακτινοβολίας σε οριζόντιο συλλέκτη. *MJ/m 2 ] Η : μέση μηνιαία τιμή της ολικής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο συλλέκτη *MJ/m 2 ] Για μέση μηνιαία ακτινοβολία, τα αποτελέσματα δίνονται από τον Klein στα διαγράμματα από a-j (χήμα 2.9). ε αυτά τα διαγράμματα, η γωνία πρόσπτωσης δίνεται συναρτήσει της κλίσης του συλλέκτη, του γεωγραφικού πλάτους και της αζιμούθιας γωνίας. Ο Κlein βρήκε επίσης ότι για επίπεδους συλλέκτες, το μέγεθος (τα)b, μπορεί να παρθεί κατά προσέγγιση από το μέσο όρο των τιμών του μεγέθους (τα), σε γωνία πρόσπτωσης που λαμβάνεται σε χρονικό διάστημα 2.5 ωρών από το ηλιακό μεσημέρι 63

72 για τη μέση μέρα του μήνα. Ακόμη βρήκε ότι η τιμή του λόγου (τα)/(τα)n, κατά την διάρκεια των χειμερινών μηνών, είναι σχεδόν σταθερή και ίση με.96, για συλλέκτες με ένα κάλυμμα και προτείνει την χρησιμοποίηση αυτής της σταθεράς σε κεκλιμένους προς τον ισημερινό συλλέκτες, με κλίση κατά προσέγγιση, ίση με το γεωγραφικό πλάτος προσθέτοντας και 15 ο παραπάνω. Για ηλιακούς συλλέκτες με δύο καλύμματα, προτείνεται ο λόγος (τα)/ (τα)n να έχει σταθερή τιμή ίση με

73 χήμα 2.9 Μέση μηνιαία γωνία πρόσπτωσης ακτίνας για διάφορες θέσεις και προσανατολισμούς Η μέση μηνιαία απορροφούμενη ακτινοβολία σε κεκλιμένο επίπεδο δίνεται από τον τύπο: H R H όπου R: συντελεστής μετατροπής και δίνεται από τον τύπο: όπου: H d R b H d 1 cos 1 cos R 1 Rb H 2 2 η μέση μηνιαία διάχυτη ακτινοβολία ο λόγος της μέσης μηνιαίας άμεσης ακτινοβολίας στο κεκλιμένο επίπεδο προς αυτή σε οριζόντιο επίπεδο β η κλίση της επιφάνειας ως προς το οριζόντιο επίπεδο ρ ο συντελεστής ανάκλασης του εδάφους. Οι τιμές του κυμαίνονται από.2 μέχρι.7 (η τιμή.7 για κάλυψη του εδάφους με χιόνι) την παραπάνω εξίσωση ο πρώτος όρος εκφράζει τη συμμετοχή της άμεσης ακτινοβολίας, ο δεύτερος όρος τη συμμετοχή της έμμεσης ακτινοβολίας και ο τρίτος όρος τη συμμετοχή της ακτινοβολίας που ανακλάται από το έδαφος πάνω στον συλλέκτη. H d Ο λόγος εκφράζεται σαν συνάρτηση του συντελεστή αιθριότητας, που H είναι ο λόγος της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο αν δεν υπήρχε ατμόσφαιρα. 65

74 Jordan: Η σχέση μεταξύ H d H και δίνεται από την εμπειρική σχέση των Liu και Hd H ( s 9) ( s 9) cos(115 13) όπου: s R b ' ' cos cos sin s ssin sin 18 cos cos sin s ssin sin 18 η ωριαία γωνία δύσης του ηλίου σε οριζόντιο επίπεδο: arccos tan tan s ' s η ωριαία γωνία δύσης του ηλίου στην κεκλιμένη επιφάνεια με κλίση β: min,arccos tan tan ' s όπου δ η ηλιακή απόκλιση. s Ο τρόπος αυτός υπολογισμού ισχύει για επιφάνειες με νότιο προσανατολισμό, μπορεί δε να εφαρμοστεί χωρίς μεγάλο σφάλμα και για επιφάνειες με προσανατολισμό που αποκλίνει μέχρι 15 από το νότο. 66

75 3 ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΗ ΣΕΦΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 ΣΟ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΥΑΙΝΟΜΕΝΟ χήμα 3.1 Απλοποιημένο σχήμα του φωτοβολταϊκού φαινομένου [42] Η φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ενέργειας στηρίζεται αφ ενός μεν στην ηλιακή ακτινοβολία, αφ ετέρου δε στις ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών. Σο άτομο του πυριτίου (που αποτελεί τον κυριότερο εκπρόσωπο των ημιαγωγών) έχει 14 ηλεκτρόνια τοποθετημένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε τα 4 εξωτερικά, που λέγονται και ηλεκτρόνια σθένους να μπορούν να δοθούν, να γίνουν αποδεκτά ή να μοιρασθούν με ένα άλλο άτομο. Ένας μεγάλος αριθμός ατόμων, μέσω των ηλεκτρονίων σθένους, μπορούν να αλληλοσυνδεθούν με δεσμούς και να σχηματίσουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Κάθε άτομο του πυριτίου είναι ενωμένο με 4 γειτονικά άτομα, μέσω ενός χημικού δεσμού που αποτελείται από ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σθένους, με αποτέλεσμα να μην υπάρχουν ελεύθεροι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν δώσουμε ενέργεια στο καθαρό πυρίτιο είτε μέσω θερμότητας είτε από ακτινοβολία, η θερμική ενέργεια που παρέχεται προκαλεί την ελευθέρωση πολλών ηλεκτρονίων από τους δεσμούς τους. Σα ελεύθερα ηλεκτρόνια, χάρη στη κινητική ενέργεια που απέκτησαν από τη θερμότητα μετακινούνται στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας, πίσω στη ζώνη σθένους, ένα δεσμό από τον οποίο λείπει ένα ηλεκτρόνιο, που καλείται οπή. Σα ελευθερωμένα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και οι οπές στη ζώνη σθένους μπορούν να κινούνται μέσα στο κρύσταλλο όσο διάστημα διατηρείται η αυξημένη τους ενέργεια και ονομάζονται ελεύθεροι φορείς. Εξαιτίας ενός μηχανισμού που είναι χαρακτηριστικό των ηλιακών κυττάρων, τα παραγόμενα ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών διαχωρίζονται από το φράγμα δυναμικού με μικρή πιθανότητα επανασύνδεσης τους. Ο χωρισμός των φορτίων στις δύο πλευρές του κυττάρου δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού στα δύο άκρα, και τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Όμως στο πυρίτιο οι φορείς αυτοί είναι πολύ λίγοι οπότε και το ρεύμα που δημιουργούν μικρό και δεν είναι συμφέρον να φτιαχτούν φωτοβολταϊκά στοιχεία μόνο από άτομα πυριτίου. Αν σε ένα καθαρό κρύσταλλο πυριτίου γίνει μια πρόσμιξη (νόθευση) με άτομο από τη πέμπτη ομάδα του περιοδικού συστήματος π.χ. φώσφορο, που έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους, θα υπάρχει περίσσεια ενός ηλεκτρονίου σθένους που δεν θα ανήκει σε δεσμό 67

76 με άτομο του πυριτίου. Σο επιπλέον ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε μια ενδιάμεση στάθμη κοντά στη στάθμη αγωγιμότητας. Η πρόσμιξη λοιπόν είναι δότης ηλεκτρονίου και ο ημιαγωγός που έχει νοθευτεί με άτομα με πέντε ηλεκτρόνια σθένους καλείται τύπου-n. Αντίστοιχα με τη νόθευση με ένα άτομο από την τρίτη ομάδα του περιοδικού συστήματος π.χ. βόριο που έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους, θα δημιουργείται κενή θέση ηλεκτρονίου σε ένα δεσμό, δηλαδή μια οπή. Η οπή αυτή βρίσκεται στη πολύ κοντά στη ζώνη σθένους. Προσμίξεις με τρία ηλεκτρόνια σθένους ονομάζονται δέκτες, διότι οι ελεύθερες οπές μπορούν να δεχτούν ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, ενώ ο ημιαγωγός που έχει νοθευτεί καλείται τύπου-p. χήμα 3.2 Ημιαγωγοί τύπου-n και τύπου-p ενωμένοι μεταξύ τους δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο Αν φέρουμε σε επαφή έναν ημιαγωγό τύπου-n και έναν τύπου-p, στο σημείο που ενώνονται αναπτύσσεται το φράγμα δυναμικού (σχήμα 3.2). Σα ελεύθερα ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό τύπου n κινούνται προς τις οπές του ημιαγωγού τύπου p, έως ότου αναπτυχθεί ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο είναι το φράγμα δυναμικού και τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να το ξεπεράσουν. Σο φωτοβολταϊκό κύτταρο λοιπόν είναι μια δίοδος ημιαγωγού, δηλαδή μια n-p επαφή, η οποία νοθεύεται και έτσι προκαλείται ένα ηλεκτρικό πεδίο, όπου προσπίπτει ηλιακή ενέργεια και παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα (σχήμα 3.3). χήμα 3.3 Ο μηχανισμός της εκδήλωσης του φωτοβολταϊκού φαινομένου σε ένα ηλιακό κύτταρο [15] 68

77 Η ηλιακή ενέργεια μεταφέρεται σε μικρά πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια, τα οποία περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού φάσματος. Όταν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο ή και γενικά σε έναν ημιαγωγό, άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται από το κύτταρο. Σο φωτόνιο που απορροφάται έχει αρκετά μεγάλη ενέργεια, ώστε όταν προσκρούει σε ένα ηλεκτρόνιο σθένους, αυτό αποσπάται από το άτομο του και μετακινείται από το ηλεκτρικό πεδίο στην άλλη μεριά της ένωσης, δημιουργώντας έτσι μια τάση κατά μήκους της ένωσης. Η εκδήλωση της τάσης αυτής ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου κυττάρου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η διάταξη αποτελεί μια πηγή τάσης που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του κυττάρου. Αν συνδεθεί ένα εξωτερικό φορτίο μεταξύ της n- και p- μεριάς ένα συνεχές ρεύμα θα διαρρεύσει. Η ισχύς από το φωτοβολταϊκό κύτταρο εξαρτάται από την ηλιακή ακτινοβολία, το φορτίο και την θερμοκρασία του κυττάρου. 3.2 ΣΕΦΝΟΛΟΓΙΕ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΨΝ ΚΤΣΣΑΡΨΝ Γενικά, τα κύτταρα κατασκευάζονται από ημιαγωγικά υλικά όπως το GaAs, CdTe αλλά αυτή τη στιγμή, η μεγάλη πλειοψηφία των φωτοβολταϊκών κυττάρων γίνεται από πυρίτιο. Σα φωτοβολταϊκά κύτταρα πυριτίου χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: τα μονοκρυσταλλικά, τα πολυκρυσταλλικά και τα άμορφα. Αυτήν την περίοδο οι τεχνολογίες κρυστάλλινου πυριτίου (ενιαίο κρύσταλλο ή πολυκρυσταλλικό) αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της γενικής παραγωγής κυψελών όπως μπορούμε να δούμε και στο σχήμα 3.4. χήμα 3.4 Τλικά κατασκευής φωτοβολταϊκών κυττάρων σε παγκόσμια κλίμακα [43] 69

78 3.2.1 Μονοκρυσταλλικά Κύτταρα Si Η ονομασία τους προέρχεται από την μορφή του κρυσταλλικού πλέγματος των ατόμων Si που πλησιάζει τον τέλειο κρύσταλλο. Σο πυρίτιο και τα οξυγόνο τα δύο πλέον άφθονα στοιχεία της γης σχηματίζουν μια χημική ένωση, το SiO2, που αποτελεί το πρωταρχικό υλικό, το οποίο με κατάλληλες βιομηχανικές διεργασίες δηλαδή τήξη, αργή στερεοποίηση, πρόσθεση προσμίξεων, καθαρισμός, κοπή και στίλβωση, καταλήγει σε λεπτές πλάκες τα ηλιακά κύτταρα. Βασικό μειονέκτημα της όλης διαδικασίας είναι το κόστος κατασκευής του κυττάρου, που είναι σχετικά μεγάλο, λόγω της ανάγκης χρησιμοποίησης ιδιαίτερα καθαρού Si, η χρήση εξειδικευμένων μεθόδων τήξης και κοπής για την επίτευξη του μονοκρυσταλλικού πλέγματος αυξάνει το κόστος παραγωγής. Η εμπορική αποδοτικότητα τους όμως φτάνει μεταξύ 15% και 18 %, δίνοντας τους τον καλύτερο βαθμό απόδοσης από όλες τις τεχνολογίες κατασκευής κυττάρων. Σο ποσοστό αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι τα μονοκρυσταλλικά κύτταρα είναι πιο ευαίσθητα στην υπέρυθρη ακτινοβολία που το ενεργειακό της περιεχόμενο είναι σχετικά χαμηλό. χήμα 3.5 Μονοκρυσταλλικοί ράβδοι Si [42] Πολυκρυσταλλικά Κύτταρα Si Σα πολυκρυσταλλικά κύτταρα στο πλέγμα τους περιλαμβάνουν κρυστάλλους ποικίλων προσανατολισμών. Οι πολυκρυσταλλικές κυψέλες που κατασκευάζονται συνήθως μετά από τήξη και διαδικασία στερεοποίησης, είναι λιγότερο ακριβές να παραχθούν διότι είναι μαζική και λιγότερο ελεγχόμενη η ψύξη του Si. Όπως και στην προηγούμενη τεχνολογία, μετά την ψύξη το πολυκρυσταλλικό πλέγμα πριονίζεται στα λεπτά φωτοβολταϊκά κύτταρα. Η ύπαρξη διαφόρων κρυστάλλων μέσα στο πλέγμα αυξάνει την εσωτερική αντίσταση στα σημεία σύνδεσής τους, με αποτέλεσμα μια μέση αποδοτικότητα περίπου 14 % Άμορφα Κύτταρα Si Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της κατηγορίας αυτής είναι η μη κρυσταλλική της δομή. Κατασκευάζονται με την εφαρμογή Si σε ειδικό υπόστρωμα γυαλιού. Η μικρή και οικονομική ποσότητα πρώτων υλών, ο απλός τρόπος κατασκευής, η ευκολία στην εγκατάσταση και συναρμολόγηση καθιστούν τα άμορφα κύτταρα ικανά για μαζική παραγωγή. Δυστυχώς, η έλλειψη του κρυσταλλικού πλέγματος από την δομή τους περιορίζει τον βαθμό απόδοσης μόλις στο 5-8%. Για τον λόγο αυτό τα άμορφα κύτταρα 7

79 δεν απαρτίζουν αμιγώς φωτοβολταϊκά πλαίσια αλλά προτιμούνται σε τεχνολογίες όπως υβριδικά φωτοβολταϊκά πλαίσια ή λεπτά φιλμ Η Σεχνολογία των Λεπτών Τμενίων Σα κύτταρα λεπτών υμενίων (thin films) κατασκευάζονται με την απόθεση των εξαιρετικά λεπτών στρωμάτων φωτοβολταϊκών ημιαγώγιμων υλικών επάνω σε υλικό όπως το γυαλί, ο ανοξείδωτος χάλυβας ή το πλαστικό. Η αποδοτικότητα της λεπτής ταινίας φωτοβολταϊκών στοιχείων κυμαίνεται αυτήν την περίοδο από 7% (α-si) ως 13% (CIS) αλλά είναι ενδεχομένως φτηνότερες να κατασκευαστούν από τις κρυστάλλινες κυψέλες. Σο μειονέκτημα της χαμηλής αποδοτικότητας μετατροπής, είναι ότι απαιτείται μεγαλύτερη επιφάνεια φωτοβολταϊκών σειρών για να παραχθεί το ίδιο ποσό ηλεκτρικής ενέργειας. Σα υλικά λεπτών υμενίων που χρησιμοποιούνται πιο πολύ εμπορικά είναι το άμορφο πυρίτιο (α-si), το τελουριούχο κάδμιο (CdTe), το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) και ο δισεληνοϊνδιούχος χαλκός με προσθήκη γαλλίου (CIGS). Πίνακας 3.1: υγκριτικός πίνακας φωτοβολταϊκών τεχνολογιών [42] 71

80 3.3 ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΕ ΔΙΑΣΑΞΕΙ Σο μοντέλο του φωτοβολταϊκού κυττάρου Σο ισοδύναμο κύκλωμα ενός ιδανικού φωτοβολταϊκού κυττάρου απεικονίζεται στο χήμα 3.6. χήμα 3.6 Σο κύκλωμα του ιδανικού φωτοβολταϊκού κυττάρου Όπως παρατηρούμε, αποτελείται από μια πηγή ρεύματος ΙL (το ρεύμα που δημιουργείται από το ηλιακό φως) και από μια δίοδο με ρεύμα ΙD παράλληλα τοποθετημένη στην πηγή ρεύματος. Σο ρεύμα I που παράγεται από το κύτταρο είναι: όπου: ev mkt I = IL-I e -1 (3.1) Ι είναι το ρεύμα ανάστροφης πόλωσης e το φορτίο του ηλεκτρονίου V η τάση στα άκρα του κυττάρου k η σταθερά του Boltzmann T η θερμοκρασία του κυττάρου σε βαθμούς Kelνin και m ο συντελεστής ιδανικότητας της διόδου ( 1 m 2 ) Η αντίστοιχη χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης φαίνεται στο χήμα 3.7. Σο ρεύμα για το οποίο είναι V= ονομάζεται ρεύμα βραχυκύκλωσης και είναι: I =I(V=)=I sc L (3.2) Η τάση για την οποία ισχύει Ι= ονομάζεται τάση ανοιχτοκύκλωσης και δίνεται από τη σχέση : kt I L V oc=m ln 1 e I (3.3) 72

81 χήμα 3.7 Η χαρακτηριστική Ι-V του φωτοβολταϊκού κυττάρου το χήμα 3.7 απεικονίζεται με διακεκομμένη γραμμή και η ισχύς του κυττάρου συναρτήσει της τάσης. Τπάρχει ένα σημείο (Vm,Im) στο οποίο η ισχύς μεγιστοποιείται. Σο σημείο αυτό ονομάζεται σημείο μέγιστης ισχύος (maximum power point, MPP). Ψς συντελεστής πλήρωσης (Fill Factor) ορίζεται το πηλίκο : IV m m FF= (3.4) I V sc oc Όσο πιο απότομη είναι η χαρακτηριστική του κυττάρου τόσο πιο κοντά θα είναι το FF στη μονάδα. Σότε το εμβαδόν του ορθογωνίου που ισούται με θα είναι πιο κοντά στο εμβαδόν του ορθογωνίου I V sc oc IV. Ο FF είναι ένα ποιοτικό μέτρο της μορφής της χαρακτηριστικής καμπύλης. Παίρνει τιμές συνήθως από.7 ως.8. Η ενεργειακή απόδοση ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου ορίζεται ως ο λόγος της μέγιστης ισχύος που μπορεί να μεταφερθεί στο φορτίο προς την ισχύ που παράγεται από το κύτταρο (την ισχύ δηλαδή που αντιστοιχεί στο ρεύμα ΙL): m m IV m m n= (3.5) P L την πραγματικότητα βέβαια, το παραπάνω ιδανικό μοντέλο δε χρησιμοποιείται. Ένα πιο ρεαλιστικό μοντέλο απεικονίζεται στο χήμα 3.8. Ουσιαστικά είναι το ίδιο με το ιδανικό μοντέλο αλλά έχουν προστεθεί δύο αντιστάσεις, μία παράλληλα με τη δίοδο (Rp) και μία σε σειρά με το υπόλοιπο μοντέλο (Rs). Η χρήση αυτών των αντιστάσεων γίνεται για να καλυφθούν διάφορα εξωτερικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στο κύτταρο σε επίπεδο ημιαγωγών. Αν και τα φαινόμενα αυτά είναι κατανεμημένα και δε μπορούν εν γένει να αναπαρασταθούν με αντιστάσεις σταθερής τιμής, οι χρήσεις των σταθερών αντιστάσεων Rs και Rp είναι αποδεκτή από πρακτικής άποψης. 73

82 χήμα 3.8 Σο κύκλωμα ενός πραγματικού φωτοβολταϊκού κυττάρου Αν συμπεριληφθούν οι αντιστάσεις Rs και Rp στην Εξ. (3.1) τότε το ρεύμα εξόδου του κυττάρου θα δίνεται από τη σχέση: e(v+ir s ) mkt I = IL- I exp -1 - V+IR R p s (3.6) Κατά την εφαρμογή της Εξ. (3.6) γίνονται συνήθως οι παρακάτω παραδοχές: Η επίδραση της Rp είναι αμελητέα (η Rp είναι δηλαδή αρκετά μεγάλη), το ρεύμα IL είναι ίσο με το ρεύμα βραχυκύκλωσης και πάντα ισχύει ότι παραδοχές το ρεύμα του κυττάρου υπολογίζεται ως εξής: e V IR s mkt e 1. Με αυτές τις όπου: I = I sc V - V oc+ IR 1 - exp Vt s (3.7) mkt V= t e (3.8) I I sc Από την Εξ. (3.7) προκύπτει το εξής παράδοξο: αν θέσουμε V = τότε δεν ισχύει όπως θα ήταν αναμενόμενο. Όμως, για εμπορικά διαθέσιμα φωτοβολταϊκά στοιχεία, ισχύει ότι I I sc. V oc IR s, οπότε τελικά ισχύει Ι = Ιsc, ενώ για V = τελικά ισχύει Υωτοβολταϊκά πλαίσια Εισαγωγή Επειδή τα φωτοβολταϊκά στοιχεία παράγουν στην έξοδό τους μικρή τάση (.5 1 Volt) οι κατασκευαστές παρέχουν φωτοβολταϊκά στοιχεία σε διατάξεις με κοινή ηλεκτρική έξοδο. Αυτές οι διατάξεις ονομάζονται φωτοβολταϊκά πλαίσια (modules) και περιλαμβάνουν κάποιο αριθμό φωτοβολταϊκών στοιχείων συνδεμένων μεταξύ τους. Σα στοιχεία στερεώνονται με κολλητική ουσία επάνω σε ανθεκτικό φύλλο μετάλλου ή 74

83 πλαστικού που αποτελεί την πλάτη του πλαισίου. Η εμπρός όψη καλύπτεται από ένα προστατευτικό φύλλο γυαλιού ή πλαστικού. Σα φωτοβολταϊκά πλαίσια αποτελούν τα κύρια δομικά στοιχεία ενός φωτοβολταϊκού συστήματος Φαρακτηριστικά λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων Θεωρούμε ότι ένα πλαίσιο αποτελείται από Νp ομάδες φωτοβολταϊκών στοιχείων παράλληλα συνδεμένες μεταξύ τους. Έστω ότι κάθε τέτοια ομάδα αποτελείται από Νs στοιχεία τα οποία είναι συνδεδεμένα σε σειρά. Η συνολική τάση και το συνολικό ρεύμα εξόδου του πλαισίου δίνεται από τις σχέσεις: και I =IN M p V =VN M (3.9) s (3.1) όπου Ι είναι το ρεύμα που διαρρέει κάθε κύτταρο και V είναι η τάση κάθε κυττάρου. το σχήμα 3.9 παρουσιάζεται το γενικό διάγραμμα ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου αποτελούμενου από φωτοβολταϊκά στοιχεία. χήμα 3.9 Σο φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελούμενο από φωτοβολταϊκά στοιχεία Ακόμη το ρεύμα βραχυκύκλωσης I SCM, και η τάση ανοιχτοκύκλωσης V είναι: OCM I SCM=IscN p (3.11) V OCM=Voc N s (3.12) όπου Ιsc και Voc είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης και η τάση ανοιχτοκύκλωσης κάθε κυττάρου του πλαισίου αντίστοιχα. Έτσι σύμφωνα με τις Εξ. (3.9), (3.1), (3.11), (3.12) το ρεύμα του πλαισίου δίνεται από τη σχέση: 75

84 όπου: I M=ISCM 1-e (V -V +I R ) M OCM M SM NV s t (3.13) RN s s R SM= (3.14) N p Σόσο η Εξ. (3.13) όσο και η Εξ. (3.7) περιλαμβάνουν το ρεύμα και στα δυο μέλη. Η επίλυση μιας τέτοιας εξίσωσης είναι δύσκολη. Κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος μπορεί χωρίς σφάλμα το ρεύμα του δεύτερου μέλους να αντικατασταθεί με το ρεύμα βραχυκύκλωσης. Η μορφή της χαρακτηριστικής καμπύλης IM - VM της Εξ.(3.13) είναι όμοια με αυτή του χήματος 3.7. Και εδώ υπάρχει ένα ζεύγος τιμών *VΜm, IΜm+ για το οποίο μεγιστοποιείται η ισχύς εξόδου του πλαισίου. Ένα σημαντικό μέγεθος που χαρακτηρίζει τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι η «nominal cell operating temperature» (NCOT). Η NCOT εκφράζει τη θερμοκρασία των στοιχείων των πλαισίων υπό τις εξής συνθήκες: ακτινοβολία 8 W/m 2, AM 1.5, θερμοκρασία περιβάλλοντος 2 ο C και ταχύτητα ανέμου 1 m/s. Όταν ο κατασκευαστής δε δίνει την τιμή της NCOT η τιμή που χρησιμοποιείται είναι 44 ο C. Οι κατασκευαστές φωτοβολταϊκών πλαισίων παρέχουν τις τιμές των παρακάτω μεγεθών: της μέγιστης ισχύος εξόδου, του ρεύματος βραχυκύκλωσης και της τάσης ανοιχτοκύκλωσης. Οι παραπάνω τιμές αντιστοιχούν σε ακτινοβολία 1 W/m 2, ΑΜ 1.5 και θερμοκρασία στοιχείων 25 ο C Τπολογισμός ισχύος πλαισίων σε οποιεσδήποτε συνθήκες Πολύ συχνά είναι αναγκαίο να υπολογιστεί η ισχύς εξόδου ενός πλαισίου για συνθήκες διαφορετικές από αυτές που δίνει ο κατασκευαστής. Ειδικότερα είναι επιθυμητό να υπολογιστεί η μέγιστη ισχύς εξόδου ενός πλαισίου σε προκαθορισμένες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Για την επίλυση ενός τέτοιου προβλήματος μπορούν να εφαρμοστούν οι παρακάτω απλοί αλλά ικανοποιητικά ακριβείς κανόνες. Σο ρεύμα βραχυκύκλωσης ενός κυττάρου στις εκάστοτε συνθήκες δίνεται από τη σχέση: I sc= C1G (3.15) όπου G είναι η προσπίπτουσα ακτινοβολία και η σταθερά C1 δίνεται από τη σχέση: C = 1 2 I sc(1w /m ) 1 (Am 2 /W) (3.16) Η τάση ανοιχτοκύκλωσης μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία στοιχείων με ρυθμό: dv dt oc c o 2.3 mv / C (3.17) 76

85 Η θερμοκρασία των στοιχείων του πλαισίου εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος Σa, σύμφωνα με τη σχέση: όπου: T c - T a = C2G (3.18) o NCOT 2 C C 2 = 2 8 W /m (3.19) Σέλος, θεωρείται ότι η αντίσταση Rs, των στοιχείων των πλαισίων δεν επηρεάζεται από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και δίνεται από τη σχέση: FF Voc R s = 1 - (3.2) FF o I sc Σα FF και FFο συνδέονται με τον εξής εμπειρικό τύπο: VmIm FF FF o(1 r s) V I oc sc (3.21) Tα rs και FFo υπολογίζονται αντίστοιχα από τις σχέσεις: R s r= s V oc I sc (3.22) και FF o voc ln(voc.72) v 1 oc (3.23) Γνωρίζοντας τη μέγιστη ισχύ εξόδου PMm, στις standard test conditions (STC) συνθήκες (ακτινοβολία 1 W/m 2, ΑΜ 1.5 και θερμοκρασία στοιχείων 25 ο C) που δίνουν οι κατασκευαστές, καθώς και τις τιμές των Νp και Νs, προκύπτει εύκολα η μέγιστη ισχύς εξόδου ενός κυττάρου σε STC συνθήκες: P Mm P m= NN s p (3.24) Επίσης από τις Εξ. (3.11) και (3.12) μπορούν να υπολογιστούν τα Ιsc και Voc των στοιχείων καθώς και η εξής ποσότητα : ev oc v oc= (3.25) mkt 77

86 υνήθως χρησιμοποιείται η τιμή m=1. Πρέπει πάντα να ισχύει voc>15, διαφορετικά αυτή η μέθοδος δε μπορεί να εφαρμοστεί. Από την Εξ. (3.21) λύνουμε ως προς rs. Σο rs πάντα πρέπει να είναι μικρότερο από.4 αλλιώς αυτή η μέθοδος δε μπορεί να εφαρμοστεί. Σο Rs προκύπτει εύκολα από την Εξ. (3.2) και θεωρείται ότι δεν αλλάζει με τις συνθήκες. Εν συνεχεία εφαρμόζονται οι Εξ. (3.15), (3.16), (3.17), (3.18) και (3.19) από τις οποίες προκύπτουν οι νέες τιμές των Isc και Vsc καθώς και η τιμή Σa. Σο Νt υπολογίζεται εκ νέου σύμφωνα με την τιμή του Ta και κατόπιν μέσω των Εξ. (3.19), (3.2) και (3.21) προκύπτει εύκολα το γινόμενο I V δηλαδή η ζητούμενη μέγιστη τιμή της ισχύος του κυττάρου Pm, στις υπάρχουσες συνθήκες. Έχοντας υπολογίσει το Pm η μέγιστη ισχύς του πλαισίου (panel) υπολογίζεται με τη σχέση: P N N P Mm s p m (3.26) m m 78

87 4 ΤΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΣΟ ΔΙΚΣΤΟ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΤΣΗΜΑ τα συνδεδεμένα στο δίκτυο φωτοβολταϊκά συστήματα, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται τροφοδοτείται στο δίκτυο. Τπάρχουν δύο διαφορετικές υλοποιήσεις, ανάλογα με το αν τροφοδοτείται κάποιο φορτίο απευθείας από το σύστημα ή όχι (χήμα 4.1). ε ένα συνδεδεμένο στο δίκτυο σύστημα, το δίκτυο ενεργεί όπως μια μπαταρία με απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης. Επομένως, η συνολική αποδοτικότητα ενός συνδεδεμένου στο δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος, θα είναι καλύτερη από την αποδοτικότητα ενός αυτόνομου συστήματος, αφού το δίκτυο έχει πρακτικά απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης και επομένως η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί πάντοτε να αποθηκεύεται. Αντιθέτως, στις αυτόνομες εφαρμογές οι συσσωρευτές θα είναι ενίοτε πλήρως φορτισμένοι, όποτε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει με κάποιο τρόπο να αποβάλλεται. χήμα 4.1 Γενικό διάγραμμα συνδεδεμένου στο δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος 4.1 ΑΝΙΦΝΕΤΣΕ ΗΜΕΙΟΤ ΜΕΓΙΣΗ ΙΦΤΟ Η τεχνολογία της ανίχνευσης της μέγιστης ισχύος, άρχισε να χρησιμοποιείται σχετικά πρόσφατα στις εφαρμογές των φωτοβολταϊκών συστημάτων και αποτελεί πλέον χαρακτηριστικό κάθε καλού αντιστροφέα για σύνδεση με το δίκτυο ή φορτιστή συσσωρευτών. ήμερα χρησιμοποιούνται πολυάριθμες τεχνικές και αλγόριθμοι για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος. Όλες αυτές οι τεχνικές μπορούν να ομαδοποιηθούν σε δυο μεγάλες κατηγορίες: Έμμεσοι ανιχνευτές MPP Άμεσοι ανιχνευτές MPP Έμμεσοι ανιχνευτές ΜΡΡ Αυτοί οι ανιχνευτές προσεγγίζουν το σημείο μέγιστης λειτουργίας με βάση απλές υποθέσεις και έμμεσες μετρήσεις. ύμφωνα με μία μέθοδο, η τάση λειτουργίας ρυθμίζεται ανάλογα με την εποχή του χρόνου. Μεγαλύτερες τιμές τάσης στο σημείο μέγιστης λειτουργίας αναμένονται τον χειμώνα, όπου οι θερμοκρασίες είναι χαμηλές, 79

88 ενώ το καλοκαίρι οι τιμές της τάσης είναι σαφώς μικρότερες. Μια άλλη μέθοδος ρυθμίζει την τάση ανάλογα με την θερμοκρασία που αναπτύσσει το πλαίσιο. Σέλος, μια τρίτη κάνει χρήση του γεγονότος ότι στα περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία ο λόγος τάσης στη μέγιστη ισχύ προς την τάση ανοιχτοκύκλωσης είναι σταθερός, δηλαδή: V V m oc K ό Ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο το οποίο παραμένει ανοιχτοκυκλωμένο τοποθετείται δίπλα από τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες για να μετράται συνεχώς η τάση ανοιχτοκύκλωσης αυτού. Η τάση τότε των παραγωγικών φωτοβολταϊκών στοιχείων ρυθμίζεται κάθε στιγμή στο σημείο V, που εξασφαλίζει τη μέγιστη ισχύ. oc Άμεσοι ανιχνευτές ΜΡΡ Η λειτουργία τους βασίζεται στη συνεχή παρακολούθηση των τιμών της τάσης και έντασης εξόδου των φωτοβολταϊκών γεννητριών, προκαλώντας ανά τακτά χρονικά διαστήματα μια διαταραχή της τάσης εξόδου αυτής. Αν διαπιστωθεί ότι με την ανύψωση της τάσης αυξάνεται η ισχύς που παρέχει η γεννήτρια, τότε αυξάνουν την τάση προς τα πάνω ώσπου να έρθει μια ισορροπία. Αυτό είναι και το σημείο μέγιστης λειτουργίας. Η ένταση που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται αντίστροφα απ ό,τι μεταβάλλεται η τάση. Για κάποιο συγκεκριμένο ζεύγος τάσης έντασης, το κύτταρο δίνει τη μέγιστη ισχύ του. Ψστόσο, επειδή κάθε στιγμή η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο κύτταρο δεν είναι σταθερή, ομοίως σταθερή δεν είναι και η τάση εξόδου του. Είναι λοιπόν επιθυμητό για κάθε στιγμή το φωτοβολταϊκό κύτταρο να μην παράγει την τάση και την ένταση όπως αυτά καθορίζονται από την αντίσταση του κυκλώματος που υπάρχει στα άκρα του, αλλά να δίνει στην έξοδο αυτό το ζεύγος τάσης έντασης που μεγιστοποιεί την ισχύ του. το σχήμα 4.2 φαίνονται οι χαρακτηριστικές τάσης - έντασης και ισχύος ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου. χήμα 4.2 Η συνεχής καμπύλη δείχνει την μεταβολή της τάσης σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου πυριτίου, σε συνθήκες σταθερής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Η διακεκομμένη καμπύλη δείχνει την αντίστοιχη μεταβολή της ηλεκτρικής ισχύος που παράγεται 8

89 Για να επιτευχθεί η λειτουργία στο σημείο μέγιστης ισχύος, χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα DC/DC αντιστροφέα ανύψωσης - υποβιβασμού τάσης στα άκρα της ηλεκτρονικής συσκευής, στην οποία εισέρχεται η ισχύς της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Ένα απλό σχεδιάγραμμα DC/DC converter που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό της μέγιστης ισχύς εξόδου της φωτοβολταϊκής γεννήτριας φαίνεται παρακάτω. χήμα 4.3 χεδιάγραμμα DC/DC converter για εύρεση MPPT Ανά πάσα στιγμή η ισχύς που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο είναι: P V I Εάν λόγω μεταβολής στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία ή μεταβολή του φορτίου αλλάξει η παραγόμενη ισχύς, μετατοπιστεί δηλαδή σε διαφορετικό σημείο λειτουργίας πάνω στη καμπύλη V-I, τότε θα υπάρξει μεταβολή της τάσης και μεταβολή της έντασης κατά dv και dι αντίστοιχα. Η ισχύς στο καινούργιο σημείο λειτουργίας θα είναι τώρα: P V dv I di V I V di I dv όπου αγνοήθηκε η ποσότητα dv di γιατί είναι πολύ μικρή. υνεπώς η μεταβολή στην ισχύ προκύπτει: dp P' P V di I dv το σημείο της μέγιστης ισχύος η κλίση της καμπύλης ισχύος του φωτοβολταϊκού κυττάρου μηδενίζεται, όπως φαίνεται και από το χήμα 4.2. Δηλαδή ισχύει: dp V di I dv V dv dv di I όπου ο πρώτος όρος εκφράζει την δυναμική αντίσταση της πηγής (Ζd) ενώ ο δεύτερος την στατική αντίσταση (Zs). Με βάση αυτή την εξίσωση υπάρχουν δυο διαφορετικοί τρόποι για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος: Μία διαταραχή ρεύματος εισάγεται περιοδικά στην φωτοβολταϊκή πηγή ενώ μετρούνται η δυναμική αντίσταση αυτής Zd και η στατική αντίσταση Zs. Η τάση λειτουργίας αυξάνεται ή μειώνεται μέχρι να ικανοποιηθεί η εξίσωση του σημείου μέγιστης ισχύος, δηλαδή: Z Z d s 81

90 ύμφωνα με μια δεύτερη μέθοδο ελέγχου, η τάση αυξάνεται όσο ισχύει η συνθήκη: dp dv που συνεπάγεται και ταυτόχρονη αύξηση της ισχύος. ε αντίθετη περίπτωση η τάση μειώνεται, ενώ όταν ο ρυθμός μεταβολής είναι πολύ κοντά στο μηδέν η τάση σταθεροποιείται. Σο λογικό κύκλωμα ελέγχου μετρά την τάση και την ένταση εξόδου των φωτοβολταϊκών γεννητριών, η οποία βέβαια εξαρτάται κάθε στιγμή από την ακτινοβολία που προσπίπτει, τη θερμοκρασία της γεννήτριας και φυσικά από την αντίσταση που συναντά η γεννήτρια στα άκρα της. Εφαρμόζοντας μία από τις παραπάνω μεθόδους, στέλνει σήμα στον DC/DC μετατροπέα να ανυψώσει ή να μειώσει την τάση μέχρι να εντοπιστεί το σημείο μέγιστης ισχύος. Ανάλογα με την περίπτωση λοιπόν το συγκεκριμένο κύκλωμα λειτουργεί είτε ως μετατροπέας ανύψωσης είτε ως μετατροπέας υποβιβασμού τάσης. χήμα 4.4 Διάγραμμα ροής ενός απλού αλγορίθμου εύρεσης MPP Εναλλακτικές μορφές ανίχνευσης της μέγιστης ισχύος χρησιμοποιούν κυκλώματα με μνήμη ώστε να συγκρίνουν τις τρέχουσες μετρούμενες τιμές ισχύος, τάσης και έντασης με προηγούμενες, οπότε προσαρμόζουν ανάλογα τη στάθμη της 82

91 τάσης που θα απορροφήσει ο αντιστροφέας. Σο διάγραμμα ροής ενός απλού αλγορίθμου που συγκρίνει δύο διαδοχικές μετρήσεις της ισχύος φαίνεται στο σχήμα 4.4. ύμφωνα με αυτό, εισάγεται μια περιοδική διαταραχή της τάσης και ελέγχεται αν αυτή προκαλεί αύξηση ή μείωση της παραγόμενης ισχύος. Αν το αποτέλεσμα είναι η αύξηση της ισχύος, τότε εισάγεται εκ νέου η ίδια διαταραχή (αν εισήχθηκε αύξηση της τάσης τότε εισάγεται και πάλι αύξηση και το αντίστοιχο αν είχε εισαχθεί μείωση), ενώ αν το αποτέλεσμα είναι η μείωση της ισχύος τότε εισάγεται η αντίθετη διαταραχή (αν εισήχθηκε αύξηση της τάσης τότε εισάγεται μείωση και το αντίστοιχο αν είχε εισαχθεί μείωση της τάσης). Ο παραπάνω αλγόριθμος χρησιμοποιεί δύο σημεία της καμπύλης ισχύος και ταλαντεύεται γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος. Σο κύριο μειονέκτημά του είναι ότι εμφανίζει απώλειες ισχύος, ιδίως στη περίπτωση που η ηλιακή ακτινοβολία αλλάζει απότομα. Μια καλύτερη υλοποίηση μπορεί να προσφέρει ένας αλγόριθμος που εκμεταλλεύεται τρία σημεία της καμπύλης ισχύος. 4.2 ΑΝΣΙΣΡΟΥΕΑ DC/AC (DC/AC INVERTER) Όπως έχει ήδη αναφερθεί η τάση που παράγεται από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια είναι ακατάλληλη για την άμεση σύνδεση του φωτοβολταϊκού σταθμού στο δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Ο ρόλος του αντιστροφέα είναι η μετατροπή της συνεχούς τάσης που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία σε εναλλασσόμενη, κατάλληλης τιμής και συχνότητας για σύνδεση στο δίκτυο. Οι αντιστροφείς DC/AC μπορεί να είναι είτε μονοφασικοί είτε τριφασικοί. Όταν η είσοδος είναι μια πηγή τάσης, αυτοί ονομάζονται αντιστροφείς πηγής τάσης (VSI) ενώ όταν ως είσοδος λαμβάνεται μια πηγή έντασης ονομάζονται αντιστροφείς πηγής έντασης (CSI). Ο χαρακτηρισμός του αντιστροφέα δεν έχει να κάνει απαραίτητα με την ενεργειακή πηγή του συστήματος, αλλά με την τοπολογία. Έτσι είναι δυνατόν να αλλάξει η μορφή της πηγής χρησιμοποιώντας παθητικά στοιχεία. Οι αντιστροφείς πηγής τάσης έχουν μια χωρητικότητα παράλληλα συνδεδεμένη με την πηγή, ενώ οι αντιστροφείς πηγής έντασης ένα πηνίο σε σειρά με την πηγή Μονοφασικός αντιστροφέας Οι μονοφασικοί αντιστροφείς χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με την τοπολογία τους σε αντιστροφείς ημιγέφυρας και πλήρους γέφυρας. Οι πρώτοι υστερούν σαφώς για αυτό και σε εφαρμογές Α.Π.Ε. χρησιμοποιούνται οι αντιστροφείς πλήρους γέφυρας (χήμα 4.5). Παρακάτω θα αναλυθούν οι μονοφασικοί αντιστροφείς με έλεγχο SPWM. Διαμόρφωση με την τεχνική SPWM Με την τεχνική αυτή επιτυγχάνεται η παραγωγή μιας ημιτονοειδούς κυματομορφής εξόδου, η οποία μπορεί να ελεγχθεί τόσο κατά πλάτος, όσο και κατά συχνότητα, καθώς και να μειωθεί η επίδραση των αρμονικών στην έξοδο. Είναι η μέθοδος που χρησιμοποιείται περισσότερο στα συστήματα σύνδεσης πηγών Α.Π.Ε. και δικτύου χαμηλής τάσης. 83

92 χήμα 4.5 Μονοφασικός αντιστροφέας πλήρους γέφυρας ελεγχόμενος από πηγή τάσης Πιο συγκεκριμένα σύμφωνα με την τεχνική SPWM, δημιουργούνται δύο κυματομορφές. Μια τριγωνική κυματομορφή πλάτους v, η οποία έχει το ρόλο του φορέα και μια κυματομορφή αναφοράς πλάτους v C, η οποία έχει ημιτονοειδή μορφή. Οι κυματομορφές αυτές, οι οποίες δημιουργούνται στο κύκλωμα ελέγχου, είναι συγχρονισμένες και παράγονται από γεννήτριες κυματομορφών. Σα δύο αυτά σήματα συγκρίνονται και καθορίζουν ποιοι διακόπτες θα άγουν και για ποιο χρονικό διάστημα. Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής ονομάζεται φέρουσα συχνότητα (ή f συχνότητα μετάβασης) και είναι αυτή που καθορίζει την συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του αντιστροφέα. Σο σήμα αναφοράς χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της σχετικής διάρκειας αγωγής των διακοπτών και έχει συχνότητα f. Αυτή ονομάζεται συχνότητα διαμόρφωσης και είναι η επιθυμητή C θεμελιώδης συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Η παραγόμενη αυτή τάση, δεν είναι τελείως ημιτονοειδής, αλλά περιέχει και αρμονικές συνιστώσες της συχνότητας διαμόρφωσης. f C Ορίζεται ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας συχνότητας προς τη συχνότητα διαμόρφωσης: m f f f m m f v C ως ο λόγος της φέρουσας Ομοίως ορίζεται και ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους ως ο λόγος του πλάτους του σήματος ελέγχου προς το πλάτος της τριγωνικής κυματομορφής: m a v C v Παρακάτω παρουσιάζονται οι διακοπτικές καταστάσεις για τον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας: 84

93 Πίνακας 4.1 Κατάσταση va vb vo 1 S1+, S2- ON S1-, S2+ OFF v/2 -v/2 v 2 S1-, S2+ ON S1+, S2- OFF -v/2 v/2 -v 3 S1+, S2+ ON S1-, S2- OFF v/2 v/2 4 S1-, S2- ON S1+, S2+ OFF -v/2 -v/2 χήμα 4.6 Διαμόρφωση με διπολική τάση εξόδου a) ήμα φορέα και σήμα αναφοράς b) Καταστάσεις διακοπτών S1, S2 c) Καταστάσεις διακοπτών S1, S2 d) Εναλλασσόμενη τάση εξόδου τον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας του σχήματος 4.5 δεν πρέπει να είναι ταυτόχρονα κλειστοί οι διακόπτες του ίδιου κλάδου, γιατί τότε προκύπτει βραχυκύκλωμα στη πλευρά DC. Δηλαδή πρέπει να αποφευχθεί η κατάσταση στην οποία οι S1 και S1 είναι κλειστοί ταυτόχρονα και αντίστοιχα η κατάσταση στην οποία 85

94 οι S2 και S2 είναι κλειστοί ταυτόχρονα. Τπάρχουν τέσσερις δυνατοί συνδυασμοί για τους διακόπτες, οι οποίοι παραστάθηκαν παραπάνω. Η διαμόρφωση μπορεί να γίνει είτε με διπολική τάση εξόδου είτε με μονοπολική. S, 1 Α. Διαμόρφωση με διπολική τάση εξόδου Κατά αυτήν την περίπτωση ελέγχου, τα ζευγάρια των διακοπτών S2 αλλάζουν καταστάσεις μαζί. Δηλαδή είναι πιθανές μόνο οι καταστάσεις 1 και 2 του πίνακα 4.1 και τα προηγούμενα ζευγάρια θα έχουν τους ίδιους παλμούς έναυσης (χήμα 4.6). Αυτά τα δύο ζεύγη διακοπτών ελέγχονται με βάση τη σύγκριση των κυματομορφών και και ανεξάρτητα από τη φορά του ρεύματος εξόδου io, v C προκύπτει τάση εξόδου: vo=vi όταν vo=-vi όταν v v C v C > v < v και οι διακόπτες και οι διακόπτες S1, S1 S2 S2, άγουν άγουν τη γραμμική περιοχή της διαμόρφωσης (mα<1), η κυματομορφή εξόδου που προκύπτει είναι ημιτονοειδούς μορφής και περιέχει μια θεμελιώδη συνιστώσα με πλάτος v o1, η οποία δίνεται από τη σχέση: Όταν ο συντελεστής v v m v o1 ab a i m a S1, S2 και είναι μεγαλύτερος της μονάδας έχουμε υπερδιαμόρφωση, με αποτέλεσμα η τάση εξόδου v o να περιέχει περισσότερες αρμονικές στις πλευρικές ζώνες σε σύγκριση με τη γραμμική περιοχή. Για μεγάλες τιμές του λόγου m, η κυματομορφή εξόδου του αντιστροφέα εκφυλίζεται σε a τετραγωνική. Σότε η τάση εξόδου λαμβάνει τιμές: 4 v v v v i o1 ab i Β. Διαμόρφωση με μονοπολική τάση εξόδου ε αντίθεση με την διαμόρφωση με διπολική τάση εξόδου, η μονοπολική χρησιμοποιεί και τις τέσσερις διακοπτικές καταστάσεις του πίνακα 4.1. Με αυτό τον τρόπο η εναλλασσόμενη τάση εξόδου μπορεί να πάρει τις τρεις τιμές που φαίνονται στον ίδιο πίνακα, δηλαδή v, -v,. υγκεκριμένα χρησιμοποιείται εκτός από το σήμα αναφοράς και άλλο ένα με αντίθετο πρόσημο (χήμα 4.7). v c v c 86

95 χήμα 4.7 Διαμόρφωση με μονοπολική τάση εξόδου a) ήμα φορέα και σήματα αναφοράς b) Κατάσταση διακόπτη c) Κατάσταση διακόπτη d) Εναλλασσόμενη τάση εξόδου e) Κατανομή συχνοτήτων τάσης εξόδου S1 S2 τον κλάδο 1 του μονοφασικού αντιστροφέα πλήρους γέφυρας του σχήματος 4.5 συγκρίνεται το σήμα αναφοράς με το v, ενώ στον κλάδο 2 γίνεται σύγκριση μεταξύ του vc και του v v c. Έτσι για το σκέλος 1 προκύπτει: van vi όταν vc v και ο διακόπτης S1 άγει van όταν vc v και ο διακόπτης S1 άγει 87

96 Ενώ για το σκέλος 2: όταν v v bn bn v i όταν v v c c v v και ο διακόπτης και ο διακόπτης S2 S2 Παρόμοια συμπεράσματα με την περίπτωση της διπολικής διαμόρφωσης μπορούν να εξαχθούν και σε αυτή την περίπτωση, όσον αφορά το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής της τάσης εξόδου, τη λειτουργία για μικρές και μεγάλες τιμές της παραμέτρου mf και για την περίπτωση της υπερδιαμόρφωσης. Επειδή όμως, οι τάσεις και v an άγει άγει v bn αν και έχουν το ίδιο πλάτος, εμφανίζουν διαφορά φάσης 18 ο, η τάση εξόδου δεν θα περιέχει άρτιες αρμονικές. Έτσι αν επιλεγεί το mf να είναι περιττό, τότε οι αρμονικές στην έξοδο του αντιστροφέα εμφανίζονται σε κανονικοποιημένες περιττές συχνότητες fh γύρω από το διπλάσιο της κανονικοποιημένης συχνότητας mf και των πολλαπλασίων της (χήμα 4.7e). υγκεκριμένα έχουμε: h l m k f l=2, 4, < και k=1,3,5, < Σο γεγονός αυτό προσδίδει ένα πλεονέκτημα στη τεχνική της διαμόρφωσης με μονοπολική τάση εξόδου έναντι της διαμόρφωσης με διπολική τάση, καθώς οι αρμονικές στην έξοδο εμφανίζονται σε μεγαλύτερες συχνότητες, γεγονός που συνεπάγεται μικρότερο και φθηνότερο φίλτρο Σριφασικός αντιστροφέας Οι τριφασικοί αντιστροφείς χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μέσης και υψηλής ισχύος. κοπός τους είναι να παρέχουν μια τριφασική πηγή τάσης ή έντασης, όπου το πλάτος, η φάση και η συχνότητα να είναι ανά πάσα στιγμή ελεγχόμενα. Η τοπολογία ενός τριφασικού αντιστροφέα ελεγχόμενου από πηγή τάσης φαίνεται στο σχήμα 4.8, ενώ οι επιτρεπόμενοι συνδυασμοί των καταστάσεων των διακοπτών δίνονται στον πίνακα 4.2. χήμα 4.8 Σριφασικός αντιστροφέας ελεγχόμενος από πηγή τάσης Παρατηρούμε ότι υπάρχουν οκτώ επιτρεπόμενες διακοπτικές καταστάσεις. Όπως και στον μονοφασικό αντιστροφέα, έτσι και εδώ, δεν γίνεται οι διακόπτες του ίδιου κλάδου να είναι ταυτόχρονα κλειστοί, καθώς τότε δημιουργείται βραχυκύκλωμα στη πλευρά DC. Ακόμα σε περίπτωση που οι διακόπτες αυτοί είναι ταυτόχρονα ανοιχτοί τότε καταλήγουμε σε απροσδιόριστες καταστάσεις, για αυτό και οι 88

97 καταστάσεις αυτές είναι μη επιτρεπόμενες. Σέλος υπάρχουν δύο καταστάσεις, που η τάση στη πλευρά AC μηδενίζεται. Πίνακας 4.2 Διακοπτικές καταστάσεις για τριφασικό αντιστροφέα Κατάσταση va vb vab 1 S1, S2, S6 ON S4, S5, S3 OFF -v v 2 S2, S3, S1 ON S5, S6, S4 OFF -v v 3 S3, S4, S2 ON S6, S1, S5 OFF v -v 4 S4, S5,S3 ON S1, S2, S6 OFF v -v 5 S5, S6,S4 ON S2, S3, S1 OFF v -v 6 S6, S1,S5 ON S3, S4, S2 OFF -v v 7 S1, S3,S5 ON S4, S6, S2 OFF 8 S4, S6,S2 ON S1, S3, S5 OFF Διαμόρφωση με την τεχνική SPWM Η τεχνική αυτή είναι μια επέκταση αυτής που παρουσιάστηκε στους μονοφασικούς αντιστροφείς. Για τον τριφασικό αντιστροφέα χρησιμοποιούνται τρεις ημιτονοειδείς κυματομορφές αναφοράς με διαφορά φάσης 12 ο και μια τριγωνική κυματομορφή φορέα. Σο πλάτος της κυματομορφής αναφοράς είναι μεταβλητό σε σχέση με το πλάτος της κυματομορφής του φορέα, το οποίο παραμένει σταθερό. το σχήμα 4.9 παρουσιάζονται οι κυματομορφές ενός ιδανικού τριφασικού αντιστροφέα. Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας επιλέγεται να είναι περιττό πολλαπλάσιο του 3. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι φασικές τάσεις να μην έχουν άρτιες αρμονικές και επιπλέον οι αρμονικές σε συχνότητες πολλαπλάσιες του 3 κάθε φάσης, να είναι ίδιες τόσο σε πλάτος όσο και σε φάση. Άρα, οι φασικές τάσεις δεν περιέχουν αρμονικές σε συχνότητες πολλαπλάσιες του 3. Σότε οι αρμονικές στην έξοδο του αντιστροφέα εμφανίζονται σε κανονικοποιημένες συχνότητες fh γύρω από την κανονικοποιημένη συχνότητα mf και τα πολλαπλάσιά της (χήμα 4.7e). υγκεκριμένα: h l m k f l=1, 2, 3, < όπου l=1, 3, 5, < για k=2, 4, 6, < και l=2, 4, 6, < για k=1, 5, <, έτσι ώστε το h να μην είναι πολλαπλάσιο του 3. Δηλαδή οι αρμονικές θα εμφανιστούν σε συχνότητες: m f 2, m f 4, 2 1, 2m f 5<, 3m f 2, 3m f 4< κτλ. m f 89

98 χήμα 4.9 Σριφασικός αντιστροφέας VSI, διαμόρφωση SPWM a) ήμα φορέα και σήμα αναφοράς, b), c) Καταστάσεις διακοπτών S1, S3 d) Εναλλασσόμενη τάση εξόδου e) Κατανομή συχνοτήτων τάσης εξόδου f) Ρεύμα εξόδου g) υνεχές ρεύμα h) Κατανομή συχνοτήτων συνεχούς ρεύματος i) Ρεύμα διακόπτη S1 j) Ρεύμα διόδου D1 τη γραμμική περιοχή διαμόρφωσης ( ma 1), το πλάτος της βασικής αρμονικής συνιστώσας της πολικής τάσης εξόδου του αντιστροφέα είναι: v 3 m v 2 ab,1 a i Ενώ στην περίπτωση της υπερδιαμόρφωση προκύπτει: v v,1 v 2 i ab 2 i Όπου το άνω όριο περιγράφει την περίπτωση του εκφυλισμού. 9

99 4.2.3 Ηλεκτρική απομόνωση των μετατροπέων ισχύος Πιο πάνω περιγράφηκαν οι βασικές θεωρητικές τοπολογίες με τις οποίες γίνεται η μετατροπή μιας συνεχούς τάσης εισόδου σε ημιτονοειδή τάση εξόδου, ελεγχόμενη κατά πλάτος και συχνότητα. Διάφορες εφαρμογές απαιτούν είτε την ύπαρξη μόνο μιας γέφυρας DC/AC, για την μετατροπή της εισερχόμενης τάσης κατευθείαν σε εναλλασσόμενη, είτε την μετατροπή της (μη σταθερής) DC εισερχόμενης τάσης σε μια στάθμη σταθερής τιμής και στη συνέχεια την μετατροπή αυτής σε εναλλασσόμενη. Ένας αντιστροφέας ωστόσο δεν περιλαμβάνει μόνο τις διατάξεις που επιτυγχάνουν αυτή τη μετατροπή, αλλά και σειρά άλλων διατάξεων που αφορούν τον έλεγχο, την προστασία και την βελτίωση της ποιότητας της παραγόμενης τάσης. Ασφάλειες, αυτόματοι διακόπτες, και κυκλώματα εντοπισμού υπερτάσεων αποτελούν διατάξεις προστασίας του αντιστροφέα. Υίλτρα πηνίων και πυκνωτών χρησιμοποιούνται για την εξομάλυνση των ρευμάτων εισόδου και εξόδου. Πολύ σημαντική είναι και η παρεμβολή ενός μετασχηματιστή, έτσι ώστε να υπάρχει πλήρης ηλεκτρική απομόνωση της πλευράς εισόδου από την έξοδο. Ένας μετασχηματιστής απομόνωσης χαμηλής συχνότητας μπορεί να τοποθετείται κατευθείαν στο στάδιο εξόδου, οπότε η παραγόμενη ημιτονοειδής κυματομορφή οδηγείται μέσω αυτού στο κύκλωμα της εναλλασσόμενης τάσης (π.χ. ηλεκτρικό δίκτυο πόλης). Μεγάλη συζήτηση διεξάγεται σχετικά με το αν είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός μετασχηματιστή απομόνωσης σε αντιστροφείς που συνδέονται με το κεντρικό δίκτυο. Κανονισμοί μερικών χωρών καθιστούν υποχρεωτική την ύπαρξη αυτού στους αντιστροφείς που συνδέονται στο δίκτυο τους. Είναι πολύ πιθανό όταν δεν υπάρχει μετασχηματιστής απομόνωσης, είτε σε κανονική λειτουργία, είτε πολύ περισσότερο σε περιπτώσεις σφάλματος, ο αντιστροφέας να εισάγει μια DC συνιστώσα ρεύματος στην ημιτονοειδής κυματομορφή εξόδου του, κάτι εντελώς ανεπιθύμητο για το ηλεκτρικό δίκτυο και τις συσκευές που βρίσκονται κοντά, προκαλώντας υπερθέρμανση στα τυλίγματα κινητήρων και μετασχηματιστών ή παρεμβολές σε άλλες συσκευές. Η παρεμβολή αυτού του μετασχηματιστή, λειτουργεί ως ένα αδιαπέρατο φίλτρο πιθανών DC ρευμάτων. Η ύπαρξη μετασχηματιστή χαμηλής συχνότητας επιτρέπει απόδοση του αντιστροφέα μέχρι 92%. Μια διαφορετική τοπολογία που επιτρέπει την γαλβανική απομόνωση της DC από την AC πλευρά, είναι η τοποθέτηση μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας πριν τη γέφυρα παραγωγής της ημιτονοειδούς τάσης. Κατά τη διάταξη αυτή, η εισερχόμενη DC τάση εισέρχεται σε μια διάταξη DC/DC μετατροπέα η οποία και λειτουργεί με υψηλή διακοπτική συχνότητα. Η συνεχής τάση εισόδου μετατρέπεται με γέφυρα διακοπτών σε τάση υψηλής συχνότητας και έπειτα ανορθώνεται ώστε να μετατραπεί σε DC τάση ελεγχόμενου πλάτους. το ενδιάμεσο στάδιο του μετατροπέα αυτού, είναι δυνατόν να παρεμβληθεί ο υψίσυχνος μετασχηματιστής. Έτσι πάλι επιτυγχάνεται απομόνωση της εισόδου από την έξοδο του αντιστροφέα, η οποία ωστόσο πάλι είναι πιθανό να μην αποκλείει την ενδεχόμενη έγχυση DC ρεύματος, από το μετέπειτα στάδιο της PWM γέφυρας DC/AC, στο ηλεκτρικό δίκτυο. Ψστόσο, με την τοπολογία αυτή επιτυγχάνονται αποδόσεις λίγο μεγαλύτερες (της τάξης του 94%), καθώς ο μετασχηματιστής υψηλής συχνότητας, λόγω της ισχυρής μαγνητικής του σύζευξης, έχει μικρότερες απώλειες απ ό,τι ένας που λειτουργεί στα 5Hz. Παράλληλα 91

100 μειώνονται ο όγκος, το βάρος και το κόστος του μετασχηματιστή σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μεγέθη ενός μετασχηματιστή χαμηλής συχνότητας. 4.3 ΤΝΔΕΗ ΜΕ ΣΟ ΔΙΚΣΤΟ Η λειτουργία ενός ηλεκτρικού δικτύου ελέγχεται από συσκευές προστασίας και ρύθμισης της τάσης, που έχουν σκοπό την παροχή προς τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας αποδεκτής ποιότητας, ελαχιστοποιώντας τον αριθμό των σφαλμάτων και προσφέροντας υψηλό επίπεδο ασφαλείας. Η σύνδεση στο δίκτυο μονάδων παραγωγής πρέπει να συμβαδίζει με αυτές τις γενικές αρχές, ώστε αφενός μεν να μην προκαλούνται ενοχλήσεις στους λοιπούς καταναλωτές και αφετέρου να υπάρχει συμβατότητα μεταξύ του δικτύου διανομής και των εγκαταστάσεων των παραγωγών. Ο τρόπος σύνδεσης μιας δεδομένης εγκατάστασης παραγωγής δεν προκύπτει μονοσήμαντα από την ονομαστική ισχύ της. Δηλαδή σταθμοί παραγωγής ίδιας ισχύος μπορεί να συνδέονται στο δίκτυο κατά τελείως διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με τα ειδικά τεχνικά τους χαρακτηριστικά, την κατά περίπτωση υφιστάμενη κατάσταση δικτύων και την προβλεπόμενη ανάπτυξή τους. Παρ όλα αυτά υπάρχουν οι ακόλουθοι δύο περιορισμοί ως προς το επίπεδο τάσης στο οποίο μπορεί να συνδεθεί μια εγκατάσταση παραγωγής, οι οποίοι εφαρμόζονται κατά την εξέταση, ασχέτως των λοιπών τεχνικών κριτηρίων: Εγκαταστάσεις συμφωνημένης ισχύος μεγαλύτερης των 1 kw δε μπορούν να συνδεθούν στο δίκτυο Φαμηλής Σάσης (ΦΣ) Εγκαταστάσεις συμφωνημένης ισχύος μεγαλύτερης των 2 MW δε μπορούν να συνδεθούν στο δίκτυο Mέσης Σάσης (ΜΣ) Γενικά, η επιλογή του τρόπου σύνδεσης αποτελεί αντικείμενο τεχνικοοικονομικής εξέτασης, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος κεφαλαίου των έργων ενίσχυσης και επέκτασης του δικτύου, τις απώλειες ενέργειας κάθε τρόπου σύνδεσης στο δίκτυο καθ όλη τη διάρκεια ζωής της εγκατάστασης και άλλους παράγοντες (χρόνος και δυνατότητα κατασκευής των έργων, χρηματοδότησή τους κλπ.). ύνδεση στο δίκτυο ΦΣ Η σύνδεση παραγωγών στο δίκτυο ΦΣ επιτρέπεται για εγκαταστάσεις συνολικής ισχύος μέχρι 1 kw. Ανάλογα με την ισχύ των γεννητριών που θα συνδεθούν στο δίκτυο ΦΣ, εξετάζεται αν είναι δυνατή η σύνδεση χωρίς επαύξηση της παροχής του παραγωγού. Αν απαιτείται επαύξηση της παροχής, γίνεται μελέτη επάρκειας του δικτύου. 92

101 χήμα 4.1 Συπική διάταξη σύνδεσης παραγωγού στο δίκτυο ΦΣ (1) Κιβώτιο σύνδεσης (link-box) δύο διευθύνσεων (2) Ασφαλειοκιβώτιο παροχής (3) Εναλλακτικές θέσεις εγκατάστασης του Αυτόματου Διακόπτη της διασύνδεσης (ΑΔΔ) (4) Διακόπτης γεννήτριας (5) Μέτρηση το χήμα 4.1 φαίνεται μια τυπική διάταξη σύνδεσης παραγωγού στο δίκτυο ΦΣ. Βασική απαίτηση για λόγους ασφάλειας είναι η ύπαρξη μέσων διακοπής (με ικανότητα διακοπής ρεύματος φορτίου) και ορατής απόζευξης, προσιτών ανά πάσα στιγμή στο προσωπικό της ΔΕΗ, ώστε να εξασφαλίζεται η απομόνωση του παραγωγού από το δίκτυο όταν αυτό απαιτείται από τη Δ.Ε.Η.. Η απαίτηση ορατής απόζευξης ικανοποιείται τόσο από το κιβώτιο σύνδεσης (1), όσο και από τις ασφάλειες της παροχής (2). Για εγκαταστάσεις μικρής ισχύος, τα μέσα αυτά μπορούν σε έκτακτες περιπτώσεις να χρησιμοποιηθούν και για τη διακοπή της εγκατάστασης. ε εγκαταστάσεις μεγαλύτερης ισχύος, είναι αναγκαία η ύπαρξη διακόπτη φορτίου ή ισχύος. Σο μέσο διακοπής (3) είναι ο αυτόματος διακόπτης της διασύνδεσης (ΑΔΔ). Μπορεί να τοποθετηθεί εναλλακτικά σε δύο θέσεις, όπως φαίνεται στο χήμα 4.1, ανάλογα με την επιθυμία του παραγωγού. Εάν επιλεγεί η θέση (3α), τότε είναι εφικτή η απομονωμένη λειτουργία της συνολικής εγκατάστασης (εγκατάσταση παραγωγής και φορτία). Ο παραγωγός θα πρέπει να παρέχει πρόσβαση στον ΑΔΔ και στο σχετικό σύστημα προστασίας στο αρμόδιο προσωπικό της Δ.Ε.Η.. Είναι γενικά αποδεκτό, αλλά απαιτεί προηγούμενη συμφωνία με τη Δ.Ε.Η., οι λειτουργίες του ΑΔΔ να πραγματοποιούνται από τον διακόπτη και το σύστημα προστασίας των γεννητριών, 93

102 όταν δεν προβλέπεται η απομονωμένη λειτουργία των εγκαταστάσεων. Σο είδος και ο αριθμός των απαιτούμενων μετρητικών διατάξεων και συσκευών ρύθμισης καθορίζονται σύμφωνα με τους όρους της σύμβασης Δ.Ε.Η. - Παραγωγού. ε κάθε περίπτωση πάντως, χρησιμοποιούνται μετρητικές διατάξεις χωρίς δυνατότητα αντίθετης περιστροφής και πραγματοποιείται ανεξάρτητη μέτρηση της παραγόμενης και καταναλισκόμενης ενέργειας στις εγκαταστάσεις του παραγωγού. Εάν η παροχή είναι τριφασική, ο μετρητής της παρεχόμενης στο δίκτυο ενέργειας πρέπει να είναι τριφασικός, ακόμη και για μονοφασικές εγκαταστάσεις παραγωγής. υνθήκες ζεύξης Για εγκαταστάσεις παραγωγής με αντιστροφείς Ρ / ΕΡ (υνεχούς Ρεύματος / Εναλλασσομένου Ρεύματος), η ζεύξη πρέπει να γίνεται με την πλευρά ΕΡ του μετατροπέα, χωρίς τάση. Προστασία απόζευξης Η εγκατάσταση παραγωγής πρέπει να διαθέτει προστασία έναντι βραχυκυκλώματος, έναντι υπερφόρτισης και έναντι άμεσης και έμμεσης επαφής. Επιπλέον, για την προστασία της ίδιας της εγκατάστασης, αλλά και των άλλων εγκαταστάσεων του δικτύου, απαιτείται η ύπαρξη συστήματος προστασίας απόζευξης το οποίο επενεργεί στον ΑΔΔ και εξασφαλίζει την αποσύνδεση της εγκατάστασης από το δίκτυο, όταν εμφανιστούν αποκλίσεις τάσης ή/και συχνότητας άνω των προβλεπόμενων ορίων. ε εγκαταστάσεις παραγωγής με αντιστροφείς Ρ/ΕΡ η επιτήρηση συχνότητας μπορεί να απουσιάζει, εάν ο αντιστροφέας δεν διαθέτει τη δυνατότητα αυτή. Αντίθετα, η επιτήρηση της τάσης (προστασίες υπότασης και υπέρτασης) είναι πάντοτε αναγκαία, η δε συνιστώμενη ρύθμιση για την προστασία υπέρτασης είναι 1.1 Un. Επιπτώσεις στην τάση του δικτύου Η σύνδεση εγκαταστάσεων παραγωγής σε κάποιο σημείο του δικτύου ΦΣ είναι δυνατή, υπό την προϋπόθεση ότι η λειτουργία τους δεν προκαλεί υπέρβαση της επιτρεπόμενης στάθμης διαταραχών για δημόσια δίκτυα ΦΣ και συνεπώς δεν παρενοχλεί άλλες εγκαταστάσεις και συσκευές του δικτύου. Διαταραχές οι οποίες εξετάζονται είναι οι προκαλούμενες μεταβολές της τάσης στο σημείο κοινής σύνδεσης, το flicker και η αρμονική παραμόρφωση της τάσης εξαιτίας της λειτουργίας των εγκαταστάσεων. Η λειτουργία μιας εγκατάστασης παραγωγής είναι αποδεκτή όταν δεν γίνεται υπέρβαση των ορίων που καθορίζονται από τα θεσπισμένα πρότυπα. 94

103 5 ΜΕΛΕΣΗ ΥΨΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟΤ ΤΣΗΜΑΣΟ 288 W ε αυτή τη μελέτη θα παρουσιαστεί λεπτομερώς το φωτοβολταϊκό σύστημα που κατασκευάστηκε. τις σελίδες που ακολουθούν θα αναλυθούν οι τρόποι λειτουργίας της εγκατάστασης, ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση της, ο τρόπος υπολογισμού των απωλειών και η σωστή μέθοδος εκκίνησης και παύσης της λειτουργίας του συστήματος 5.1 ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΑ ΤΣΗΜΑΣΟ Η κατασκευή του συγκεκριμένου φωτοβολταϊκού συστήματος επιτρέπει τη μελέτη τριών επιμέρους συστημάτων: Σριφασικό ύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο Διανομής Μονοφασικό ύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο Διανομής Μονοφασικό Αυτόνομο ύστημα χήμα 5.1: Γενικό διάγραμμα του συστήματος που δημιουργήθηκε Η επιλογή του τρόπου λειτουργίας επιτυγχάνεται με τη χρήση 2 μεταγωγικών διακοπτών. Ο ένας διακόπτης χρησιμοποιείται για την επιλογή ανάμεσα σε «τριφασικό» ή σε «μονοφασικό» σύστημα, και ο άλλος χρησιμοποιείται για την επιλογή «μονοφασικού συνδεδεμένου στο δίκτυο» ή «μονοφασικού αυτόνομου» συστήματος. Αυτοί οι διακόπτες τοποθετήθηκαν στην πόρτα του πίνακα AC, έτσι ώστε να είναι άμεση η εναλλαγή των λειτουργιών. Δε δίνεται η δυνατότητα να μελετηθεί «τριφασικό αυτόνομο» γιατί σε αυτή την περίπτωση θα χρειάζονταν 2 ακόμη αντιστροφείς αυτόνομου συστήματος (Sunny Island). 95

104 χήμα 5.2: Η ηλεκτρολογική εγκατάσταση του συστήματος που δημιουργήθηκε 96

105 5.2 ΕΞΟΠΛΙΜΟ ε αυτό το κομμάτι της μελέτης, θα παρουσιαστεί ο εξοπλισμός, τα χαρακτηριστικά και ο τρόπος λειτουργίας κάθε κυττάρου που χρησιμοποιήθηκε για την ολοκλήρωση της εγκατάστασης. Φάριν ευκολίας η μελέτη θα χωριστεί σε 8 παραγράφους: Πλαίσια (modules) Αντιστροφείς (Inverters) υνδεσμολογία των Πλαισίων Βάσεις Προστατευτικά στοιχεία υσσωρευτές Μετρητικά στοιχεία, στοιχεία ελέγχου Καλωδιώσεις Πλαίσια Σα πλαίσια που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα SQ-8p της Shell Solar. Είναι μονοκρυσταλλικό Si και έχουν προεγκατεστημένη δίοδο Bypass. Σα χαρακτηριστικά τους είναι: Pmin=76W Voc=21.8V Isc=5.35A Vmpp=16.9V Impp=4.76A το εργαστήριο υπάρχουν 36 πλαίσια, συνεπώς η μέγιστη συνολική ισχύς πού θα μπορεί να παραχθεί είναι 288W Αντιστροφείς Αντιστροφείς για συνδεδεμένο στο δίκτυο ύστημα την εγκατάσταση χρησιμοποιήθηκαν 3 αντιστροφείς Sunny Boy 11, της εταιρίας SMA. Σο κύριο κριτήριο που οδήγησε στην επιλογή τους, είναι η δυνατότητα χρήσης τους για τη δημιουργία τριφασικού συστήματος. Για το λόγο αυτό δεν επιλέξαμε έναν μόνο αντιστροφέα με ισχύ 3 W, αλλά 3 με μικρότερη ισχύ. 97

106 χήμα 5.3: Μετατροπέας Sunny Boy 11 [1] Σεχνικά χαρακτηριστικά τοιχεία σύνδεσης της SB 11 φωτοβολταϊκής γεννήτριας Μέγιστη τάση εισόδου UDC max 4 V Σάση εισόδου, περιοχή σημείου μέγιστης ισχύος (MPP) UPΝ 139 V V Μέγιστο ρεύμα εισόδου IPΝ max 1 A Μέγιστη ισχύς εισόδου PDC 121 W υνιστώμενη συνολική ισχύς γεννήτριας 135 Wp (για την κεντρική Ευρώπη) Διακύμανση τάσης USS < 1 % της τάσης εισόδου Ιδία κατανάλωση κατά τη < 4 W (Stand by) λειτουργία ύνδεση δεδομένων δικτύου SB 11 Ονομαστική ισχύς εξόδου PAC Nenn 1 W Μέγιστη ισχύς εξόδου PAC max 11 W Ονομαστικό ρεύμα εξόδου IAC Nenn 4.4 A Μέγιστο ρεύμα εξόδου IAC max 5.6 A Μέγιστη ασφάλεια 16 A υντελεστής θορύβου ρεύματος εξόδου (σε KUNetz < 2 %, PAC >.5 PACNenn) KIAC < 3 % Αντοχή σε βραχυκύκλωμα Από πλευράς δικτύου με ρύθμιση ρεύματος Ονομαστική τάση λειτουργίας UAC Nenn 22 V / 23 V / 24 V Εύρος τιμών τάσης (διευρυμένο UAC 18 V V εύρος λειτουργίας) Ονομαστική συχνότητα λειτουργίας fac Nenn 5 Hz / 6 Hz 98

107 Εύρος συχνότητας (διευρυμένο εύρος λειτουργίας) υντελεστής ισχύος (για ονομαστική ισχύ εξόδου) Κατηγορία υπέρτασης Σάση ελέγχου DC Κρουστική τάση ελέγχου Ιδία κατανάλωση κατά τη νυχτερινήλειτουργία fac 5 Hz: 45.5 Hz Hz 6 Hz: 55.5 Hz Hz cos φ 1 III 1.7 kv(1 δευτ. δοκιμή τεμ./ 5 s δοκιμή τύπου 4 kv (σειριακή διεπαφή: 6 kv).1 W Προβλεπόμενη χρήση Ο μετατροπέας Sunny Boy είναι ένας φωτοβολταϊκός μετατροπέας, ο οποίος μετατρέπει τη συνεχή τάση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας σε εναλλασσόμενη και τροφοδοτεί την παραγόμενη ενέργεια στο δίκτυο. Ηλεκτρική σύνδεση χήμα 5.4: Κατανομή των υποδοχών του κελύφους στο κάτω τμήμα του Sunny Boy [1] Αντικείμενο A B C D Περιγραφή Ηλεκτρικός συνδετήρας για τη σύνδεση της φωτοβολταϊκής στοιχειοσειράς Ένθεμα υποδοχής για τη σύνδεση του αποζεύκτη φορτίου DC Electronic Solar Switch (ESS) Δίοδος καλωδίου για την επικοινωνία μαζί με πώματα σφράγισης Δίοδος καλωδίου για σύνδεση AC 99

108 χήμα 5.5: Δομικά εξαρτήματα και σημεία σύνδεσης ενός ανοιχτού μετατροπέα Sunny Boy [1] Αντικείμενο A B C D E F G H I J Περιγραφή Βαρίστορ Θέση σύνδεσης επικοινωνίας (RS485, ασύρματη επικοινωνία) Οθόνη Καλώδιο σύνδεσης PE για το καπάκι Υωτοδίοδοι ένδειξης κατάστασης λειτουργίας ημείο σύνδεσης του βραχυκυκλωτήρα για την επικοινωνία Βύσμα σύνδεσης (AC) Επίπεδο βύσμα για τη γείωση της θωράκισης του καλωδίου στη σύνδεση επικοινωνίας RS485 Τποδοχή για το διακόπτη Electronic Solar Switch (ESS) Βύσμα εισόδου φωτοβολταϊκού ρεύματος (DC) Ακολουθεί μια φωτογραφία με τον πραγματικό ανοικτό μετατροπέα Sunny Boy 1

109 χήμα 5.6: Πραγματικός ανοικτός μετατροπέας Sunny Boy Η πλήρης καλωδίωση του Sunny Boy απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. χήμα 5.7: Πλήρης καλωδίωση του Sunny Boy [1] την εγκατάσταση χρησιμοποιείται μια φωτοβολταϊκή στοιχειοσειρά συνδεδεμένη σε κάθε αντιστροφέα. Ανάμεσα στην στοιχειοσειρά και τον αντιστροφέα έχει τοποθετηθεί ένας πίνακας DC, ο οποίος περιγραφεται αναλυτικά στη συνέχεια. Ακολουθεί η καμπύλη απόδοσης του αντιστροφέα Sunny Boy σε σχέση με την ισχύ εξόδου. Βαθμός απόδοσης SB 11 Μέγ. βαθμός απόδοσης ηmax 93 % Ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης ηeuro 91.6 % 11

110 χήμα 5.8: Καμπύλη απόδοσης του Sunny Boy σε σχέση με την ισχύ εξόδου [1] Αντιστροφέας για αυτόνομο σύστημα Για το αυτόνομο σύστημα, χρησιμοποιήθηκε εκτός των Sunny Boy και ένας αντιστροφέας Sunny Island, ο οποίος δημιουργεί το αυτόνομο δίκτυο. Ακόμη, ο Sunny Island έχει την δυνατότητα φόρτισης μπαταριών, έτσι ώστε σε περιπτώσεις μη ηλιοφάνειας (π.χ. το βράδυ, κακοκαιρία) να υπάρχει δυνατότητα τροφοδότησης του φορτίου. Για το σύστημα που δημιουργήθηκε, κατάλληλος είναι ο Sunny Island χήμα 5.9: Μετατροπέας αυτόνομου συστήματος Sunny Island 2224 [9] Σεχνικά χαρακτηριστικά Μεγέθη Εισόδου Σιμές Ονομαστική Σάση AC UAC 23 V (22 V V) υχνότητα δικτύου fac 5Hz/6Hz (45 Hz - 65 Hz) υνεχόμενη απόδοση AC στους 25 ο C/ 45 o C υνεχόμενη απόδοση AC στους 25 ο C για 3/15/1 min 22W/16W 29W/38W/38W Ονομαστικό ρεύμα AC IAC(nom) 9.6 A Μέγιστο ρεύμα AC IAC(max) 25 Α (eff 3s) υντελεστής ισχύος cosφ -1 έως 1 12

111 Μεγέθη εξόδου Σιμές Σάση εξόδου Vεξ 23V ( V) υχνότητα Εξόδου Fεξ 5Hz (4-7Hz) Μέγιστο ρεύμα εξόδου IAC(max) 25A Μέγιστη ισχύς εξόδου Pεισ(max) 5.75 kw τοιχεία συσσωρευτών Σιμές Σάση συσσωρευτών Vσ 24V ( V) Μέγιστο ρεύμα φόρτισης Iφορ(max) 9A Φωρητικότητα συσσωρευτών Ah 1-1Ah Βαθμός απόδοσης : 93.6% Λειτουργία Η κύρια λειτουργία του Sunny Island είναι η δημιουργία του αυτόνομου δικτύου, στο οποίο θα συγχρονιστούν οι αντιστροφείς Sunny Boy, καθώς και η διαχείρισή του. Ο Sunny Island επιτηρεί το τοπικό φορτίο που τροφοδοτείται από σύστημα. Οι αντιστροφείς Sunny Boy τροφοδοτούν το φορτίο και με την περίσσεια ισχύος φορτίζουν τις μπαταρίες, εφόσον χρειάζεται. ε περίπτωση που η παραγόμενη ισχύς δεν είναι αρκετή για να τροφοδοτηθεί το φορτίο, ή στην περίπτωση που δεν υπάρχει παραγωγή ισχύος, η επιπλέον ισχύς που χρειάζεται το φορτίο τροφοδοτείται από τους συσσωρευτές. ε περίπτωση εκφόρτισης των συσσωρευτών ή μεγάλης ζήτησης ενέργειας, ο Sunny Island μπορεί κατά περίπτωση να θέσει σε λειτουργία μια γεννήτρια ντίζελ ή να αποσυνδέσει τα φορτία κατανάλωσης. Όταν οι συσσωρευτές είναι φορτισμένοι και η ανάγκη παροχής ρεύματος είναι περιορισμένη, μειώνει την παραγωγή ρεύματος της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Καθορίζει επίσης τη βέλτιστη στρατηγική για τη φόρτιση του συσσωρευτή, παρατείνοντας κατ' αυτόν τον τρόπο τη διάρκεια ζωής του. Ακολουθεί ένα σχέδιο με όλες τις λειτουργίες του Sunny Island και με τις συνδέσεις του. 13

112 χήμα 5.1: Λειτουργίες του Sunny Island [9] 14

113 Ηλεκτρική σύνδεση το ακόλουθο σχήμα φαίνονται όλες τις συνδέσεις του Sunny Island. χήμα 5.11: υνδέσεις του Sunny Island [9] Αντικείμενο A B C D E F G H Περιγραφή υνδέσεις DC Πρόσθετη σύνδεση αγωγού προστασίας Πρόσθετοι ηλεκτρικοί συνδετήρες (αισθητήρας ρεύματος συσσωρευτή, αισθητήρας θερμοκρασίας συσσωρευτή κ.λπ.) υνδέσεις επικοινωνίας ύνδεση Sunny Remote Control («οθόνη») ημείο σύνδεσης διεπαφής (Piggy-Back) RS485 υνδέσεις πολυλειτουργικών ρελέ υνδέσεις AC υνδεσμολογία των πλαισίων Η ισχύς του αντιστροφέα καθορίζει τον αριθμό των πλαισίων που θα συνδέονται σε αυτόν. υνεπώς υπάρχει δυνατότητα σύνδεσης μέχρι και 16 πλαίσια. Δεδομένου όμως ότι το σύστημα δημιουργήθηκε με σκοπό να λειτουργεί είτε ως μονοφασικό είτε ως τριφασικό, σε κάθε αντιστροφέα συνδέθηκαν 12 πλαίσια, για να ισοκατανεμηθεί η ισχύς σε κάθε φάση. Για τον υπολογισμό του αριθμού των πλαισίων που θα συνδέονται σε σειρά, θα χρησιμοποιηθούν οι τύποι: Με Vοc(-1 o c)=1.14 * Vc = V δηλαδή έως και 16 πλαίσια στη σειρά n max V V max( inv) oc( 1 c) 15

114 και n min V V mpp( min inv) oc(7 c) με Vοc(7 o c)=.82 * Vc = V δηλαδή 8 πλαίσια τουλάχιστον Από τα παραπάνω, υπολογίστηκε ότι υπάρχει δυνατότητα σύνδεσης από 8 έως 16 πλαίσια. Για λόγους που προαναφέρθηκαν στην αρχή της ενότητας, σε κάθε αντιστροφέα συνδέθηκαν 12 πλαίσια στη σειρά Βάσεις Για τις βάσεις που χρησιμοποιήθηκαν έγινε ειδική παραγγελία σε σιδερά, με τον οποίο συνεργάζεται το πανεπιστήμιο. Λόγω της μόνωσης της ταράτσας, οι βάσεις έπρεπε να τοποθετηθούν στο στηθαίο. Οι βάσεις είναι ενός άξονα κίνησης, δηλαδή υπάρχει δυνατότητα επιλογής μόνο της κλίσης. Για το λόγο αυτό τοποθετήθηκαν έτσι ώστε να έχουν νότιο προσανατολισμό. Ακολουθούν φωτογραφίες με τις βάσεις τοποθετημένες. 16

115 χήμα 5.12: Οι βάσεις τοποθετημένες Προστατευτικά στοιχεία την εγκατάσταση χρησιμοποιήθηκε ένας πίνακας DC, ένας ασφαλειοαποζεύκτης και ένας πίνακας AC. τη συνέχεια παρουσιάζονται αναλυτικά τα επιμέρους προστατευτικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε πίνακα Πίνακας DC τον πίνακα DC έχουν τοποθετηθεί: 6 Ασφαλειοδιακόπτες DC που περιέχουν μονοπολικές ασφάλειες τήξεως NEOZED των 6A (1.25 * IDC=6 A) την πρώτη εικόνα φαίνεται ο ασφαλειοδιακόπτης κλειστός. τη δεύτερη εικόνα είναι ανοικτός και διακρίνεται η ασφαλειοθήκη. χήμα 5.13: Ασφαλειοδιακόπτης κλειστός (αριστερά) και ανοικτός (δεξιά) 17

116 3 Απαγωγείς υπερτάσεων (Surge Arrester) DG M YPΝ SCI 1 της DEHN. Ο απαγωγέας υπερτάσεων οδηγεί τις κρουστικές υπερτάσεις που εισέρχονται από την πλευρά των φωτοβολταϊκών πλαισίων στο κύκλωμα (συνήθως μέσου έμμεσου κεραυνικού πλήγματος), στη γη. χήμα 5.14: Απαγωγέας υπερτάσεων DG M YPΝ SCI 1 την εικόνα που ακολουθεί φαίνεται το κύκλωμα του απαγωγέα υπερτάσεων. χήμα 5.15: Κύκλωμα του απαγωγέα υπερτάσεων Σα τεχνικά χαρακτηριστικά του απαγωγέα υπερτάσεων φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. 18

117 χήμα 5.16: Σεχνικά χαρακτηριστικά του απαγωγέα υπερτάσεων Ασφαλειοαποζεύκτης Ο Ασφαλειοαποζεύκτης εγκαταστάθηκε ανάμεσα στις μπαταρίες και τον Sunny Island. Ακόμη, όπως ορίζει το φυλλάδιο κατασκευαστή του Sunny Island, οι ασφάλειες που τοποθετήθηκαν είναι μαχαιρωτές των 125 Α. την αριστερή εικόνα φαίνεται μια ασφάλεια και στη δεξιά εικόνα ο Ασφαλειοαποζεύκτης που έχουμε εγκαταστήσει. χήμα 5.17: Ασφαλειοαποζεύκτης (δεξιά) και μια ασφάλειά του (αριστερά) 19

118 Πίνακας AC τα σχήματα που ακολουθούν φαίνεται το εξωτερικό της πόρτας του πίνακα (αριστερά) και το εσωτερικό του πίνακα (δεξιά). Κάτω, διακρίνονται οι 2 περιστροφικοί διακόπτες (στην πίσω μεριά της πόρτας του πίνακα) που επιτρέπουν την επιλογή ανάμεσα σε μονοφασικό, τριφασικό ή αυτόνομο σύστημα, και τις μπόρνες (μαύρο = φάση, μπλε = ουδέτερος και κίτρινο πράσινο = γείωση). Η φάση και ο ουδέτερος είναι συνδεδεμένοι στο διπολικό διακόπτη φορτίου, και η γείωση στη γέφυρα γείωσης του πίνακα. χήμα 5.18: Κλειστός πίνακας AC (αριστερά), ανοικτός πίνακας AC (δεξιά) και περιστροφικοί διακόπτες (κάτω) 11

119 τον πίνακα AC έχουν τοποθετηθεί τα παρακάτω προστατευτικά στοιχεία: 3 διπολικοί διακόπτες προστασίας 6 Α και 3 ενδεικτικές λυχνίες (.5 W) Οι διακόπτες προστατεύουν τους αντιστροφείς από σφάλματα του δικτύου, επιπλέον χρησιμοποιούνται ως διακοπτικά μέσα για τον κάθε αντιστροφέα ξεχωριστά. Οι λυχνίες υποδεικνύουν αν οι αντιστροφείς έχουν πρόσβαση στο δίκτυο. χήμα 5.19: Διπολικός διακόπτης προστασίας και ενδεικτική λυχνία 1 τετραπολικός περιστροφικός (μεταγωγικός) διακόπτης μέγιστου ρεύματος 32Α. Μέσω αυτού γίνεται η επιλογή ανάμεσα σε τριφασική (επιλογή 1) ή σε μονοφασική λειτουργία (επιλογή 2). χήμα 5.2: Σετραπολικός περιστροφικός (μεταγωγικός) διακόπτης 1 διπολικός περιστροφικός (μεταγωγικός) διακόπτης μέγιστου ρεύματος 2 Α, με τη χρήση του οποίου γίνεται η επιλογή ανάμεσα σε μονοφασική σύνδεση στο δίκτυο της Δ.Ε.Η. (επιλογή 1) ή σε μονοφασική σύνδεση με το αυτόνομο δίκτυο που δημιουργείται από τον Sunny Island (επιλογή 2). χήμα 5.21: Διπολικός περιστροφικός (μεταγωγικός) διακόπτης 111

120 1 διακόπτης φορτίου αντοχής 25 Α. Προστατεύει το φορτίο στο αυτόνομο δίκτυο. Σο φορτίο συνδέεται σε 3 μπόρνες (φάση, ουδέτερος και γείωση), οι οποίες έχουν τοποθετηθεί στην πόρτα του πίνακα. χήμα 5.22: Διακόπτης φορτίου 1 τριπολικός διακόπτης προστασίας 2 Α και 3 ενδεικτικές λυχνίες Ο τριπολικός διακόπτης επιτρέπει την ροή ενέργειας προς το δίκτυο της Δ.Ε.Η.. χήμα 5.23: Σριπολικός διακόπτης προστασίας και ενδεικτικές λυχνίες 1 τετραπολικός διακόπτης 4 Α, ως γενικός διακόπτης του πίνακα AC. Ο διακόπτης αυτός αποκόπτει τη σύνδεση της εγκατάστασης με το δίκτυο της Δ.Ε.Η.. χήμα 5.24: Σετραπολικός διακόπτης 112

121 1 διακόπτης προστασίας των 16Α διότι στο χώρο της εγκατάστασης έχουν τοποθετηθεί 2 ρευματοδότες (πρίζες σούκο) για την τροφοδοσία των συσκευών (του ηλεκτρονικού υπολογιστή, του Sunny WebBox, του Sunny Power Injector - Sunny SensorBox, κ.ά.). Οπότε αυτός ο διακόπτης τοποθετήθηκε για λόγους ασφαλείας. χήμα 5.25: Διακόπτης προστασίας ρευματοδοτών 1 διακόπτης διαφυγής έντασης 4 Α με ΙΔΝ =.3 Α, στον οποίο συνδέεται ο διακόπτης προστασίας των 16 Α Ο διακόπτης διαφυγής τοποθετήθηκε για προστασία από ρεύματα διαφυγής, δηλαδή οι ρευματοδότες είναι συνδεδεμένοι με το γενικό διακόπτη μέσω του διακόπτη διαφυγής, όπως σε μια οικιακή εγκατάσταση. Η σύνδεση πραγματοποιήθηκε με αυτόν τον τρόπο για να υπάρχει συνεχόμενη τροφοδοσία στους ρευματοδότες. χήμα 5.26: Διακόπτης διαφυγής έντασης Ακόμη, δίνεται η δυνατότητα να συνδεθεί ο Sunny Island στο δίκτυο διανομής της Δ.Ε.Η., στην περίπτωση που υπάρχει ανάγκη να φορτιστούν οι μπαταρίες ή να τροφοδοτηθεί ένα φορτίο. Έτσι, για τη σύνδεση του Sunny Island στο δίκτυο διανομής της Δ.Ε.Η., είναι απαραίτητη η τοποθέτηση ενός επιπλέον διακόπτη προστασίας στον πίνακα AC. 113

122 5.2.6 Μετρητικά στοιχεία - τοιχεία ελέγχου Αυτή η ενότητα αναφέρεται στον απαιτούμενο εξοπλισμό που ελέγχει την εγκατάσταση και συλλέγει τις μετρήσεις Sunny WebBox Οι συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν είναι: Sunny WebBox Sunny SensorBox Μετρητές διπλής ενέργειας της Δ.Ε.Η. υλλέγει συνεχώς όλα τα δεδομένα των μετατροπέων και ενημερώνει ανά πάσα στιγμή για την κατάσταση του συστήματος. Σο Sunny WebBox είναι ένας πολυλειτουργικός καταγραφέας δεδομένων, με μικρή κατανάλωση, ο οποίος παρέχει μια πληθώρα επιλογών για την προβολή, την αρχειοθέτηση και την περαιτέρω επεξεργασία των δεδομένων ακόμα και σε δίκτυα με υψηλές απαιτήσεις ασφαλείας. χήμα 5.27: Sunny WebBox [12] Οι λειτουργίες του είναι: υνεχής έλεγχος της ηλιακής εγκατάστασης Έγκαιρη αναγνώριση σφαλμάτων λειτουργίας Καταγραφή των ενεργειακών αποδόσεων Ασφαλής αποθήκευση δεδομένων και αξιολόγηση με MS Excel Διάγνωση και διαμόρφωση εγκατάστασης Αυτόματη μετάδοση δεδομένων σε ρυθμιζόμενα χρονικά διαστήματα Επεξεργασία δεδομένων και γραφική απεικόνιση στο διαδίκτυο μέσω του Sunny Portal 114

123 χήμα 5.28: Λειτουργίες του Sunny WebBox [12] Sunny SensorBox Σο Sunny SensorBox επιτρέπει τη συνεχή ανάλυση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου και μετράει την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και τη θερμοκρασία του πλαισίου. ε συνδυασμό με το Sunny WebBox και το Sunny Portal πραγματοποιεί μια συνεχή σύγκριση κανονικών/θεωρητικών τιμών της ισχύος της εγκατάστασης. Με αυτόν τον τρόπο διασφαλίζεται η εύκολη ανίχνευση σκιών, ακαθαρσιών ή μιας παρατεταμένης μείωσης ισχύος στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Οι πρόσθετες συνδέσεις των αισθητήρων για βέλτιστη μέτρηση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος ή της ταχύτητας του ανέμου επιτρέπουν ακόμα πιο ακριβείς υπολογισμούς. χήμα 5.29: Sunny SensorBox 115