ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ. Αριθμ. Ημεμυμ. Uv?...ί?.:.?γ.ζβρζ.

Transcript

1 ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Αριθμ. Ημεμυμ "^ΓΌΛΟΓΙΑΣ Uv?.....ί?.:.?Γ.ΖβρΖ. ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ : ΗΛΕΚΤΡΟΔΟΤΗΣΗ ΚΑΤΟΙΚΙΑΣ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ : ΦΩΤΙΑΔΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΦ. ; ΜΠΟΥΤΑΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2002

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ : Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. ΥΛΗ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2. ΟΡΘΟΛΟΓΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3. ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 4. ΜΟΡΦΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 5. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ Α.Π.Ε. 6. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ Α.Π.Ε. 7. ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ : ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : Η ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 1. ΡΟΗ ΚΑΙ ΕΝΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 2. Η ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΦΑΣΜΑΤΟΣ 3. ΟΙ ΣΥΜΒΑΤΙΚΕΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΕΣ 4. Η ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΤΟΥ ΕΝΟΣ ΗΛΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : Η ΝΕΑ ΕΠΑΝΑΣΤΑΤΙΚΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. ΗΛΙΑΚΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ( ΤΙ ΓΙΝΕΤΑΙ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΚΑΙ ΣΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ) 2. Η ΑΜΕΡΙΚΑΝΙΚΗ ΑΓΟΡΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 3. Η ΙΑΠΩΝΙΚΗ ΑΓΟΡΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 4. Η ΓΕΡΜΑΝΙΚΗ ΑΓΟΡΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 5. Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 6. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΕΧΟΥΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΘΕΙ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ 1. ΓΕΝΙΚΑ 2. Η ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΑ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΑ 3. Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΡΕΥΜΑΤΟΣ 4. ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΠΡΩΤΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ 5. Ο ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣ 6. ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΔΕΥΤΕΡΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ 7. Η ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΣΕ ΣΤΑΘΕΡΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ

3 8. Η ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΣΕ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ 9. Η ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΓΙΑ ΗΛΙΑΚΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : ΤΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ 1. ΓΕΝΙΚΑ 2. Η ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΟΥ 3. Η ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ 4. Η ΙΣΧΥΣ ΑΙΧΜΗΣ ΤΟΥ Φ/Β ΠΑΝΕΛ 5. Φ/Β ΠΑΝΕΛ ΚΑΙ ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ 6. ΟΙ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 7. Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΑ SIEMENS ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1. ΓΕΝΙΚΑ 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 3. ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 5. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 6. ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΟΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΤΑΘΜΟ ΣΤΟΥΣ ΑΡΚΟΥΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1. ΓΕΝΙΚΗ ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 3. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΠΙΛΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΕΙΣ 5. Η ΖΗΤΗΣΗ : ΟΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΕΙΣ 6. Η ΠΡΟΣΦΟΡΑ : Η ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 7. ΤΟ ΖΗΤΟΥΜΕΝΟ : ΤΟ ΠΛΗΘΟΣ ΤΩΝ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ 8. Η ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΣΥΣΤΟΙΧΙΩΝ 9. Η ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ 10. ΟΙ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΜΟΛΥΒΔΟΥ 11. Η ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ 12. ΔΟΜΗ, ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΚΑΙ ΚΟΣΤΟΣ 13. ΡΥΘΜΙΣΤΕΣ, ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 : ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΕΞΟΧΙΚΗΣ ΚΑΤΟΙΚΙΑΣ 1. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 2. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΕΞΟΧΙΚΟΥ ΣΠΙΤΙΟΥ

4 3. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΓΕΝΙΚΟΥ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4. ΟΔΗΓΙΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ

5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ; ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΑΝΔΡΕΑΣ Ε. ΜΟΣΧΑΤΟΣ ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΤΟΠΟΣ ΤΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΩΝ ΙΔΡΥΜΑΤΩΝ ΧΑΝΙΩΝ ΚΑΙ ΗΡΑΚΛΕΙΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ «ΗΛΙΑΚΟ ΣΧΟΛΕΙΟ» ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΟ ΔΙΚΤΥΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ «ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ» ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΗΝΙΑΙΑ ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΠΙΘΕΩΡΗΣΗ ΔΗΜΟΣΙΕΥΜΕΝΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΚΑΠΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΝΟΜΟΥ ΤΡΙΚΑΛΩΝ ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΑ SPITIA.GR

6 Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εν αρχή ην ο ήλιος... και εστί... και εσταί... Έτσι θα μπορούσε να αρχίσει οποιαδήποτε ιστορία της γης και επίσης οποιαδήποτε ιστορία των ενεργειακών της αποθεμάτων. Αν, εξαιρέσουμε τη γεωθερμική και την πυρηνική ενέργεια που είναι γηγενείς, οι υπόλοιπες ενεργειακές πηγές που γνωρίζει και εκμεταλλεύεται ο άνθρωπος αποτελούν δέσμευση με διάφορες φυσικοχημικές διαδικασίες, της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στη γη αδιάλειπτα επί δισεκατομμύρια έτη. Έτσι η γη μας αποτελεί και μια τεράστια αποθήκη ενέργειας, την οποία ο άνθρωπος καλείται να χρησιμοποιήσει για την ανάπτυξη του πολιτισμού του και τα άλλα έμβια όντα για την επιβίωσή τους. Μέχρι πριν τρεις αιώνες η ανθρωπότητα χρησιμοποιούσε κατά βάση ένα καύσιμο, το ξύλο. Ακούγεται λίγο παράξενο στις ανεπτυγμένες κοινωνίες, αλλά και σήμερα αυτό αποτελεί το πρώτο καύσιμο για πολλούς ανθρώπους στις υποανάπτυκτες περιοχές της γης. Και έτσι χάρις το ξύλο οι άνθρωποι αυτοί επιβιώνουν, επιτείνοντας όμως πολύ την οικολογική υποβάθμιση του πλανήτη μας αφού τεράστιες δασικές εκτάσεις κάθε χρόνο ερημώνονται. Βέβαια το ξύλο είναι πολύ φτωχό καύσιμο και αυτό έγινε αντιληπτό όταν οι ανάγκες του ανθρώπου σε αγαθά και κυρίως σε σίδερο άρχισαν να αυξάνονται. Αναζήτησε λοιπόν άλλες πηγές ενέργειας και η πιο πρόσφορη ήταν ο άνθρακας. Το καύσιμο αυτό γνωστό από πολύ παλαιότερα έπαιξε και παίζει μεγάλο ρόλο στη βιομηχανική παραγωγή και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, έχει όμως και σημαντικά μειονεκτήματα. Έτσι ο άνθρακας υποβαθμίζει σημαντικά το περιβάλλον της εξόρυξης, της αποθήκευσης και της κατανάλωσης και ρυπαίνει σοβαρά την ατμόσφαιρα κατά την καύση του. Η στροφή λοιπόν προς το πετρέλαιο ήταν φυσική και έγινε πριν ένα αιώνα περίπου. Το πετρέλαιο και γενικότερα οι υδρογονάνθρακες, υγροί και αέριοι, αποτελούν το βασιλιά των καυσίμων για τις ανάγκες του πολιτισμού μας. Είναι εκπληκτικό το πόσο έχει προσαρμοστεί ο πολιτισμός μας στην ανάλωση του καυσίμου αυτού, ανασταλτικός παράγοντας για την ανάπτυξη των άλλων ενεργειακών πηγών. Τα καύσιμα λοιπόν από τα παράγωγα του πετρελαίου είναι φθηνά, με μεγάλη θερμογόνο δύναμη, εύκολα στη μεταφορά και διακίνηση, καλά και εύκολα στη καύση, με λιγότερη ρύπανση της ατμόσφαιρας, έχουν όμως δύο βασικά μειονεκτήματα. Οι ποσότητες τους ως ενεργειακών αποθεμάτων είναι πολύ μικρότερες του άνθρακα και κυρίως είναι άνισα κατανεμημένα στον πλανήτη μας. Το τελευταίο αποτελεί πηγή δεινών για τις πετρελαιοφόρες περιοχές, αιτία πλουτισμού για τους ιδιοκτήτες τους και ετήσιο φόρο αίματος για τους υπόλοιπους λαούς και κράτη που τα στερούνται. Ανάμεσα σε αυτούς και η χώρα μας που πληρώνει τεράστια ποσά

7 σε συνάλλαγμα κάθε χρόνο για την εισαγωγή τους. Τα σημερινά αττοθέματα αντιστοιχούν σε 180 χρόνια για τον άνθρακα και 40 χρόνια για το πετρέλαιο. Ακριβώς, όλα τα παραπάνω προβλήματα οδήγησαν ήδη στην τρίτη μεγάλη ενεργειακή πηγή. Την ενέργεια από την διάσπαση ή την σύντηξη. Ήδη πολλές χώρες έχουν αναπτύξει ένα δίκτυο ατομικών αντιδραστήρων και παράγουν μεγάλο ποσοστό της ηλεκτρικής τους ενέργειας από αυτούς. Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες για κάθε ανύποπτο και καλοπροαίρετο φαινόταν ιδανική απάντηση στο ενεργειακό ερώτημα. Πολύ μικρότεροι σε μέγεθος από τους συμβατικούς σταθμούς άνθρακα, με ελάχιστη διακίνηση καυσίμου χωρίς καμία συμβατική μόλυνση για το περιβάλλον, έχουν όμως για μεγάλο εχθρό την ίδια τους την φύση. Το σχάσιμο υλικό είναι ραδιενεργό. Έτσι υπό κανονικές συνθήκες μια εγκατάσταση και η γύρω περιοχή μετά από λίγες δεκαετίες λειτουργίας εγκαταλείπεται λόγω ραδιενέργειας για διακόσια τουλάχιστον χρόνια. Τα τελευταία χρόνια αναζητώντας λύση στο ενεργειακό τους πρόβλημα οι Ευρωπαίοι και οι Βορειοαμερικάνοι στην αρχή, και στη συνέχεια κάποιοι άλλοι λαοί ξαναθυμήθηκαν κάποιες ξεχασμένες γνώσεις, κάποιες παραμερισμένες ενεργειακές πηγές. Ονομάστηκαν εναλλακτικές γιατί υποκαθιστούν και σε ορισμένες περιπτώσεις αντικαθιστούν τις συμβατικές. Ακόμα λέγονται ήπιες γιατί η ενέργεια προσφέρεται απ αυτές σε μεγάλη αραίωση. Τέλος ονομάζονται και ανανεώσιμες, όρος που έχει επικρατήσει, γιατί είναι ακένωτες. Μπορείτε να φανταστείτε τη ζωή χωρίς τηλεόραση, αυτοκίνητα ή υπολογιστές; Τι θα λέγατε αν έπρεπε να μαγειρέψετε το φαγητό σας πάνω σε φωτιά ή αν μαζεύατε νερό από το ποτάμι; Μπορεί αυτό να είναι διασκεδαστικό για ένα ταξίδι στην εξοχή, αλλά το πιο πιθανό είναι να μην θέλετε να το κάνετε κάθε μέρα. Όμως κάπως έτσι ήταν η ζωή πριν οι επιστήμονες βρουν τρόπους χρησιμοποίησης της ενέργειας, ώστε να κάνουν τη ζωή μας ευκολότερη. Σήμερα, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιούμε προέρχεται από ορυκτές καύσιμες ύλες. Στο πέρασμα εκατομμυρίων ετών η αποσύνθεση των φυτών, των δεινόσαυρων και άλλων ζώων οδήγησε στο σχηματισμό των ορυκτών καύσιμων υλών. Αυτά τα καύσιμα βρίσκονται θαμμένα ανάμεσα σε στρώματα χώματος και πετρωμάτων. Ο μόνος τρόπος για να τα βρούμε είναι με γεώτρηση ή με εξόρυξη. Ενώ οι ορυκτές καύσιμες ύλες δημιουργούνται ακόμα μέσω υπόγειας θέρμανσης και πίεσης, καταναλώνονται όμως πιο γρήγορα απ ότι δημιουργούνται. Γϊ αυτό το λόγο, τα ορυκτά καύσιμα θεωρούνται μη-ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, δηλαδή δεν αντικαθίστανται τόσο γρήγορα όσο τις χρησιμοποιούμε. Έτσι μπορούν να μας τελειώσουν κάποια στιγμή στο μέλλον ή μπορεί να καταναλώνουμε τόσο πολύ που θα είναι αδύνατο να κάνουμε γεωτρήσεις και εξορύξεις αρκετά γρήγορα, ώστε να προλάβουμε τη ζήτηση. Επειδή ο κόσμος μας εξαρτάται τόσο πολύ από την ενέργεια, πρέπει αν βρούμε πηγές ενέργειας μεγάλης διάρκειας. Τι θα γινόταν αν υπήρχε μια μορφή ενέργειας που δεν θα τελείωνε ποτέ; Πράγματι υπάρχει και ονομάζεται ανανεώσιμη ενέργεια.

8 Επιπρόσθετα, επειδή υπάρχουν τόσοι πολλοί άνθρωποι πάνω στη γη που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα, παράγεται μεγάλη μόλυνση του περιβάλλοντος. Έτσι πρέπει να βρούμε νέες μορφές ενέργειας που θα παράγουν όσο το δυνατό λιγότερη μόλυνση. Αφού όλες οι πηγές ενέργειας παράγουν κάποια μόλυνση είτε στην δημιουργία τους, είτε στην κατανάλωσή τους, τα συστήματα ανανεώσιμων μορφών ενέργειας, γενικά, προκαλούν λιγότερη μόλυνση από τα ορυκτά καύσιμα. 1. ΥΛΗ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ύλη και ενέργεια, οι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος ή ένα νόμισμα με δύο όψεις. Το ότι η ύλη περικλείει ενέργεια είναι μια συνηθισμένη καθημερινή παρατήρηση. Όταν καίγεται ένα χαρτί, η ενέργεια ελευθερώνεται στο περιβάλλον με την μορφή της θερμότητας. Η βενζίνη με την οποία εφοδιασθήκαμε στο πρατήριο απέδωσε την ενέργεια που μας μετέφερε από το σπίτι μας μέχρι την διπλανή πόλη. Εντυπωσιακότερη αλλά με καταστρεπτικά αποτελέσματα είναι η αποδέσμευση της ενέργειας από την ύλη κατά την έκρηξη μιας χειροβομβίδας. Είναι απαραίτητο να γραφεί ότι σε όλα τα φαινόμενα που αναφέραμε έχουμε μετατροπή των αρχικών υλικών σωμάτων σε κάποια άλλα, τα οποία όμως δεν αντιλαμβανόμαστε πάντοτε άμεσα, και όχι εξαφάνιση τους. Ακόμη να σημειώσουμε ότι στα συνηθισμένα χημικά φαινόμενα ένα απίθανα μικρό μέρος της ύλης συνήθως μετατρέπεται σε ενέργεια Το ερώτημα που τίθεται τώρα είναι : Η ύλη μπορεί να "εξαφανιστεί" και να μετατραπεί αποκλειστικά σε ενέργεια; Και αντίστροφα: Η ενέργεια μπορεί να "υλοποιηθεγ και να πάρει την μορφή συγκεκριμένων υλικών σωματιδίων; Η απάντηση στα δύο παραπάνω ερωτήματα είναι θετική και θεμελιωμένη από τον Albert Einstein, την μεγαλύτερη ίσως επιστημονική προσωπικότητα του 20ου αιώνα. Ναι! Η ύλη μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια και η ενέργεια σε ύλη. Είναι μάλιστα εντυπωσιακό ότι ολόκληρη αυτή η πολύπλοκη θεωρία "χώρεσε" σε μια απλούστατη μαθηματική σχέση ΕΝΕΡΓΕΙΑ = ΥΛΗ * (ταχύτητα του φωτός) ^ ή E=m.c^ 2. ΟΡΘΟΛΟΓΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ορθολογική Χρήση Ενέργειας σημαίνει περιορισμός της σπατάλης ενέργειας χωρίς όμως να περιορίζονται και οι ανέσεις του ανθρώπου. Η αλήθεια είναι ότι οι ενεργειακές καταναλώσεις με την βελτίωση του βιοτικού επιπέδου αυξάνονται. Χαρακτηριστικό είναι ότι στην Ελλάδα του 1950 η ετήσια ενεργειακή κατανάλωση αντιστοιχούσε σε 70 kwh ανά άτομο και σήμερα, 50 χρόνια μετά, εκτιμάται σε 4000 kwh ανά άτομο. Η ορθολογική διαχείριση της ενεργειακής ζήτησης αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο για την μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης, τη διατήρηση των ενεργειακών αποθεμάτων και τη βιώσιμη ανάπτυξη. Στην Πράσινη Βίβλο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής για την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού.

9 υπογραμμίζεται ότι οι δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας κυρίως στα κτίρια και τις μεταφορές, είναι μεγάλες. Σημαντικό ρόλο στην αξιοποίηση των δυνατοτήτων αυτών διαδραματίζουν οι τεχνολογικές εξελίξεις και οι συνεχείς ερευνητικές προσπάθειες σε όλο το εύρος του πεδίου της ορθολογικής χρήσης ενέργειας. Κύριος στόχος των ερευνών και τεχνολογικών δράσεων στο πεδίο της ορθολογικής χρήσης ενέργειας είναι η ανάπτυξη βιώσιμων ενεργειακών συστημάτων αφενός μέσω σημαντικής μείωσης της ενεργειακής ζήτησης αφετέρου μέσω βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης. Προτεραιότητα δίδεται σε τομείς με μεγάλες δυνατότητες εξοικονόμησης, όπως τα κτίρια και οι μεταφορές. Στο πεδίο των κτιρίων ο στόχος που θέτει η ΕΕ είναι εξοικονόμηση 30% για το 2010 και 50% πιο μακροπρόθεσμα. Για τις μεταφορές μεσοπρόθεσμα ο στόχος είναι 5-10% εξοικονόμηση και μείωση των εκπομπών, ενώ πιο μακροπρόθεσμα στόχος είναι να επιτευχθεί μείωση των εκπομπών C02 έως 25%. 3. ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ορίζονται οι ενεργειακές πηγές, οι οποίες υπάρχουν εν αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον. Είναι η πρώτη μορφή ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος πριν στραφεί έντονα στη χρήση του άνθρακα και των υδρογονανθράκων. Οι ΑΠΕ πρακτικά είναι ανεξάντλητες, η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον και η αξιοποίησή τους έγκειται μόνο στην ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών που θα δεσμεύουν το δυναμικό τους. Το ενδιαφέρον στη σύγχρονη εποχή για την ανάπτυξη των τεχνολογιών αυτών και την ευρύτερη αξιοποίηση των ΑΠΕ, παρουσιάσθηκε αρχικά μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε μετά τη συνειδητοποίηση των παγκόσμιων περιβαλλοντικών προβλημάτων την τελευταία δεκαετία. Για πολλές χώρες, οι ΑΠΕ αποτελούν μια εγχώρια πηγή ενέργειας με ευνοϊκές προοπτικές συνεισφοράς στο ενεργειακό τους ισοζύγιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από το ακριβό εισαγόμενο πετρέλαιο και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού τους εφοδιασμού. Παράλληλα, συμβάλλουν στη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος, καθώς έχει πλέον διαπιστωθεί ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο κλάδος που ευθύνεται κατά κύριο λόγο για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Είναι χαρακτηριστικό ότι ο μόνος δυνατός τρόπος που διαφαίνεται για να μπορέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση να ανταποκριθεί στο φιλόδοξο στόχο που έθεσε το 1992 στη συνδιάσκεψη του Ρίο για το Περιβάλλον και την Ανάπτυξη, να περιορίσει δηλαδή, μέχρι το έτος 2000 τους ρύπους του διοξειδίου του άνθρακα στα επίπεδα του 1993, είναι να επιταχύνει την ανάπτυξη των ΑΠΕ.

10 4. ΜΟΡΦΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι μορφές των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι: 1. Η ηλιακή ενέργεια, ιδίως δε στη θερμική μορφή της, αποτελεί την πιο χρησιμοποιούμενη μορφή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας π.χ. οι ηλιακοί συλλέκτες. Στην Ελλάδα, σύμφωνα με μελέτη της Ε.Ε. η οποία έγινε υπό την εποπτεία του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών, το 11% της κατανάλωσης ενέργειας στα κτίρια προέρχεται από την ηλιακή ενέργεια. 2. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, τα οποία παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια, αλλά το κόστος τους είναι τρεις με τέσσερις φορές υψηλότερο από τις συμβατικές μορφές ενέργειας, πετρέλαιο ή άνθρακα, άρα μη επιλέξιμα για άμεσες επενδύσεις. Εκ μέρους της Ε.Ε. καταγράφονται τάσεις προώθησης των φωτοβολταϊκών στοιχείων, κάτι που κινείται πολύ γρήγορα στη Γερμανία, εξαιτίας της βούλησης της χώρας να απαγκιστρωθεί από τα πυρηνικά. Εκεί, λοιπόν, οι αρχές δίνουν μπόνους περίπου εκατό δρχ. την κιλοβατώρα σε όσους έχουν φωτοβολταϊκά στα σπίτια τους. Στην Ολλανδία, ήδη μια ολόκληρη συνοικία από πεντακόσια σπίτια στην περιοχή Νίθυννΐ3ηό/ΑπΐθΓ5ίοοι1 ζει και κινείται στους φωτοβολταϊκούς ρυθμούς και το αρμόδιο υπουργείο ευελπιστεί ότι σύντομα ο αριθμός των σπιτιών θα αυξηθεί μια και η εξοικονόμηση ενέργειας είναι αισθητή. 3. Η αιολική ενέργεια, η οποία έχει μια γιγαντιαία ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια και το κόστος είναι παραπλήσιο με τις συμβατικές μορφές ενέργειας. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει στη διάθεσή της το λεγόμενο αιολικό δυναμικό της Ε.Ε., όπου φαίνονται καθαρά οι πολύ μεγάλες δυνατότητες της Ελλάδας. 4. Η γεωθερμία είναι αναπτυγμένη εκεί όπου υπάρχει το γεωθερμικό δυναμικό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να θερμάνουμε θερμοκήπια, να προβούμε σε ξηράνσεις αγροτικών προϊόντων, να καλλιεργήσουμε σπαράγγι και τριαντάφυλλα που χρειάζονται... ζεστασιά για να ανθίσουν! 5. Η βιομάζα, η οποία έχει σχέση με την αξιοποίηση γεωργικών υπολειμμάτων, στην Ελλάδα εμφανίζει μικρή ανάπτυξη. Μια μορφή βιομάζας είναι τα γεωργικά υπόλοιπα, τα οποία μπορεί να χρησιμοποιηθούν με διάφορες τεχνολογίες για να παράγουν ενέργεια. Η μέθοδος είναι αναπτυγμένη στη Γαλλία, στη Γερμανία και στη Δανία, όπου υπάρχει σημαντική συμμετοχή της βιομάζας στο ενεργειακό ισοζύγιο. 6. Τα υδροηλεκτρικά, τα οποία γνωρίζουν αρκετά σημαντική άνθηση στην Ελλάδα, αν και διεθνώς, κυρίως δε από τις περιβαλλοντικές οργανώσεις, κατατίθενται αντιρρήσεις για τις επιπτώσεις αυτών των έργων και των φραγμάτων στη γη. 7. Η ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας και των παλιρροιών.

11 η εξοικονόμηση ενέργειας και η ορθολογική χρήση ενέργειας, που αποτελεί έμμεση ενεργειακή πηγή με μεγάλη, όμως, σημασία, αφού επιτυγχάνεται το ίδιο τελικό αποτέλεσμα με κατανάλωση μικρότερου ποσού ενέργειας και μάλιστα με το χαμηλότερο δυνατό κόστος. 5. Πλεονεκτήματα των Α.Π.Ε. Τα κύρια πλεονεκτήματα των ΑΠΕ είναι τα εξής: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους εξαντλήσιμους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους, Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίττεδο. Είναι γεωγραφικά διεσπαρμένες και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, δίνοντας τη δυνατότητα να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας τα συστήματα υποδομής και μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς ενέργειας. Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών έως αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή), επιτυγχάνοντας ορθολογικότερη χρησιμοποίηση των ενεργειακών πόρων. Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος, το οποίο επιπλέον δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Οι εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης των ΑΠ Ε διατίθενται σε μικρά μεγέθη και έχουν μικρή διάρκεια κατασκευής, επιτρέποντας έτσι τη γρήγορη ανταπόκριση της προσφοράς προς τη ζήτηση ενέργειας, με επαναλαμβανόμενα συστήματα σε πολλές περιπτώσεις. Οι επενδύσεις των ΑΠΕ είναι εντάσεως εργασίας, δημιουργώντας πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο. Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση επενδύσεων που στηρίζονται στη συμβολή των ΑΠΕ (π,χ. θερμοκηπιακές καλλιέργειες με γεωθερμική ενέργεια). Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό.

12 6. Μειονεκτήματα των ΑΠΕ Εκτός αττό τα παραττάνω πλεονεκτήματα οι ΑΠΕ παρουσιάζουν και ορισμένα χαρακτηριστικά που δυσχεραίνουν την αξιοποίηση και ταχεία ανάπτυξή τους: Το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί σε μεγάλα μεγέθη ισχύος, να μεταφερθεί και να αποθηκευθεί. Έχουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας και συνεπώς για μεγάλες ισχύεις απαιτούνται συχνά εκτεταμένες εγκαταστάσεις. Παρουσιάζουν συχνά διακυμάνσεις στη διαθεσιμότητά τους που μπορεί να είναι μεγάλης διάρκειας απαιτώντας την εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών ή γενικά δαπανηρές μεθόδους αποθήκευσης. Η χαμηλή διαθεσιμότητά τους συνήθως οδηγεί σε χαμηλό συντελεστή χρησιμοποίησης των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσής τους, Το κόστος επένδυσης ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος σε σύγκριση με τις σημερινές τιμές των συμβατικών καυσίμων είναι ακόμη υψηλό.

13 7. ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ : ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Η προώθηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και η ενίσχυση της διείσδυσής τους στα ενεργειακά συστήματα αποτελεί προτεραιότητα τόσο της εθνικής όσο και της Ευρωπαϊκής ενεργειακής πολιτικής. Η αύξηση του ποσοστού των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο της ΕΕ αναγνωρίζεται ως ο πλέον αξιόπιστος τρόπος μείωσης των εκπομπών C02 για την εκπλήρωση των διεθνών δεσμεύσεων της Ε.Ε. που απορρέουν από το Πρωτόκολλο του Κιότο. Επιπλέον, σύμφωνα με τη Λευκή Βίβλο της Επιτροπής για τις ΑΠΕ (1997) το ποσοστό των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο της Ε.Ε θα πρέπει να διπλασιαστεί και από 6% που είναι σήμερα να φθάσει το 12% το Η ικανοποίηση του στόχου αυτού γίνεται όλο και δυσκολότερη δεδομένου ότι η ενεργειακή ζήτηση αυξάνεται συνεχώς. Οι περισσότερες τεχνολογίες και συστήματα εκμετάλλευσης των ΑΠΕ δεν είναι ακόμη οικονομικά ανταγωνιστικά σε σύγκριση με τις συμβατικές τεχνολογίες και καύσιμα. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση χώρες πρωτοπόροι τόσο στην τεχνολογία όσο και στην διείσδυση των ΑΠΕ είναι η Δανία, η Γερμανία, η Ισπανία αλλά και η Ελλάδα σε ορισμένους τομείς (π.χ. ηλιακών συλλεκτών). Στη Γερμανία έχουν αναπτυχθεί εκτεταμένα προγράμματα τα οποία υποστηρίζονται από τη σχετική νομοθεσία για την προώθηση των ΑΠΕ. Στη Δανία η ανάπτυξη του παραγωγικού τομέα στο πεδίο των ΑΠΕ έχει οδηγήσει στην δημιουργία πολλών θέσεων εργασίας (15,000). Ο ρυθμός εγκατάστασης συστημάτων για την εκμετάλλευση των ΑΠΕ εξαρτάται από την οικονομική βιωσιμότητά τους αλλά και από τις μελλοντικές τιμές των συμβατικών καυσίμων καθώς και από την γενικότερη ενεργειακή και περιβαλλοντική πολιτική. Είναι χαρακτηριστικό ότι στη δεκαετία του '80 παρουσιάστηκε μείωση του ενδιαφέροντος για την ανάπτυξη των ΑΠΕ και των τεχνολογιών εξοικονόμησης, λόγω της πτώσης των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας από ΑΠΕ παράγεται από τα μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα. Η τεχνολογία των ΑΠΕ με τη μεγαλύτερη δυναμική σήμερα είναι η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Η παραγωγή ενέργειας από τα αιολικά συστήματα αυξήθηκε κατά 1275% στην περίοδο Η παραγωγή ενέργειας από ηλιακά-θερμικά συστήματα διπλασιάσθηκε την ίδια περίοδο ενώ από τη βιομάζα αυξήθηκε κατά ένα τρίτο. Η παραγόμενη ενέργεια από την εκμετάλλευση της γεωθερμίας αυξήθηκε κατά 27% και από τα μεγάλα υδροηλεκτρικά κατά 18% αντίστοιχα. Το 1997 η παραγωγή ΑΠΕ της ΕΕ παρουσίασε αύξηση 27% από το Η ανταγωνιστικότητα των τεχνολογιών ΑΠΕ συνεχώς βελτιώνεται. Από τα μέσα της δεκαετίας του 70 το κόστος παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ έχει μειωθεί σημαντικά και συνεχίζει να μειώνεται, όπως φαίνεται και στον πίνακα που ακολουθεί.

14 Κόστος (1988 cents / KWh) παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με συστήματα ΑΠΕ ( ). Τεχνολογία Αιολική Γεωθερμία Φωτοβολταϊκά Θερμικά Ηλιακά Βιομάζα 5 5 ΠΗΓΗ: WorldWatch Institute Σύμφωνα με την Πράσινη Βίβλο της Επιτροπής για την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού, οι ΑΠΕ σε συνδυασμό με κατάλληλες επενδύσεις σε Έρευνα και Τεχνολογία καθώς και ανάλογες δράσεις για προώθηση των προϊόντων και των τεχνολογιών στην αγορά, έχουν τη δυναμική να προσφέρουν λύσεις φιλικές προς το περιβάλλον αλλά και οικονομικά βιώσιμες στο πρόβλημα του ενεργειακού εφοδιασμού της Ε.Ε

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Η ηλιακή ακτινοβολία έχει ορισμένα χαρακτηριστικά τα οποία επηρεάζουν τις μεταβολές που προκαλεί στα διάφορα υλικά. Γενικά η ηλιακή ακτινοβολία προέρχεται από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο εσωτερικό του ήλιου. Σαν αποτέλεσμα των αντιδράσεων αυτών μεγάλες ποσότητες υδρογόνου μετατρέπονται σε ήλιο με τη σύγχρονη ελευθέρωση μεγάλων ποσών ενέργειας και με συνέπεια την ελάττωση της μάζας του ήλιου που συντελείται με ρυθμό τόνους το δευτερόλεπτο. Σε αυτά τα ποσά ενέργειας που έφτασαν στη γη κατά το παρελθόν, οφείλεται και η δημιουργία όλων των ποσοτήτων πετρελαίου και άνθρακα που υπάρχουν στο εσωτερικό της γης. Η ηλιακή ακτινοβολία ταξιδεύει προς τη γη με ταχύτητα χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο και μεταφέρει ενέργεια με τα κύματα (ή φωτόνια ) της. Όταν γίνει φασματοσκοπική ανάλυση της ακτινοβολίας, εμφανίζονται τα διάφορα χρώματα που περιέχονται σε αυτή. Το σύνολο αυτών των χρωμάτων αποτελεί το ηλιακό φάσμα. Σε κάθε χρώμα αντιστοιχεί μια συχνότητα. Στο ένα άκρο του φάσματος υπάρχει το κόκκινο χρώμα με συχνότητα 4,3x1014 ταλαντώσεις το δευτερόλεπτο και στο άλλο άκρο το ιώδες χρώμα με συχνότητα 7,5x1014 ταλαντώσεις το δευτερόλεπτο. Ο χρόνος μιας ταλάντωσης ενός σημείου που βρίσκεται στη διεύθυνση μετάδοσης του κύματος ονομάζεται περίοδος (Τ). Η περίοδος είναι 1,3x10"' δευτερόλεπτα και για το κόκκινο 2,3.10"' δευτερόλεπτα. Η σχέση μεταξύ συχνότητας και περιόδου είναι: Τ=1Λ/ Το μήκος κύματος λ είναι η απόσταση που διανύει το κύμα μέσα στο χρόνο της περιόδου και βρίσκεται από τον τύπο. λ=υ χτ Απόσταση = Ταχύτητα χ Χρόνος Ώστε το μήκος κύματος για το ιώδες είναι 4χ10 ' Γη=0,4μΓΠ και το μήκος κύματος για το κόκκινο είναι 7x10"'' μιπ (1 μπι = 10" πι). Μεταξύ του κόκκινου και του ιώδους χρώματος περιλαμβάνεται το ορατό ηλιακό φάσμα που αποτελείται από όλα τα γνωστά χρώματα και περιλαμβάνει μόνο τα 44% περίπου της ηλιακής ακτινοβο^ας. Το φάσμα της ηλιακής δεν περιορίζεται μεταξύ του κόκκινου και ιώδους άκρου. Αυτό σημαίνει ότι εκτός από τις ακτινοβολίες της ορατής περιοχής υπάρχουν και ακτινοβολίες αόρατες. Έτσι μετά το άκρο που βρίσκεται το κόκκινο υπάρχει η αόρατη υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκος κύματός μεγαλύτερο των 0,7 μπι, που αποτελεί τα 50% περίπου της ηλιακής ακτινοβολίας. Τέλος μετά το άκρο του ιώδους χρώματος υπάρχει η αόρατη

16 υπεριώδης ακτινοβολία, με μήκος κύματος μικρότερο των 0,4μπη, που αποτελεί τα 6% περίπου της ηλιακής ακτινοβολίας (σχήμα 1). 0,4 μητ 0,7 μηι Υπεριώδες Ορατό Υπέρυθρο Ιώδες Ερυθρό Σχ. 1 Η umpuepii «KTTVopoAj<( βρισκιτςα (τ-πιν πϊριοχη μ? μι κη κύματος μεγαλύτερα του 0,7 μτη. Η οπτριωδης ακηνοροαια Ρρισκεται στην ιτεριοχή με μηκί-) κύματος μικρότερα του 0,4 μηι. Η ενέργεια Εφ κάθε φωτονίου βρίσκεται από τον τύπο: Εφ= h X V Η σταθερά του Plank h έχει την τιμή 6,63.10 J.s. Το ν είναι η συχνότητα του κύματος στο οποίο ανήκει το φωτόνιο. Εφαρμόζοντας τον τύπο βρίσκεται ότι η ενέργεια κάθε φωτονίου του ορατού ηλιακού φάσματος κυμαίνεται μεταξύ της τιμής 2,85x10 J που έχει το φωτόνιο του κόκκινου χρώματος και της τιμής 4,97x10 J που έχει το φωτόνιο του ιώδους χρώματος. Από όλες τις συχνότητες του ηλιακού φάσματος μόνο οι μεγάλες συχνότητες στις οποίες αντιστοιχούν φωτόνια μεγάλης ενέργειας είναι δυνατό να προκαλέσουν ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο. Οι συχνότητες αυτές αποτελούν το 75% του φάσματος περίπου ενώ οι υπόλοιπες δεν προκαλούν αξιοσημείωτα αποτελέσματα στα φωτοβολταϊκό στοιχεία. 1. ΡΟΗ ΚΑΙ Η ΕΝΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Κάθε φωτοβολταϊκό σύστημα τροφοδοτείτε με ηλιακή ενέργεια και παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ένα βασικό όμως μειονέκτημα του φωτοβολταϊκού συστήματος είναι ότι, σε αντίθεση με πολλά άλλα συστήματα μετατροπής, η τροφοδοσία του δεν είναι καθόλου σταθερή αλλά αυξομειώνεται μεταξύ μιας μέγιστης και της μηδενικής τιμής, ακολουθώντας συχνά απρόβλεπτες και απότομες διακυμάνσεις. Έτσι το μέγεθος που έχει μεγάλη σημασία για την αποτελεσματικότητα των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, δηλαδή το ποσό της ενέργειας που περιέχεται στο φως του

17 ήλιου. Η ένταση είναι ένας πολύ γενικός όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράφει το μέγεθος ή την αποτελεσματικότητα διαφόρων φαινομένων, π,χ. μιλάμε για ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, του ηλεκτροστατικού πεδίου, του ήχου, του ανέμου κ.λ.π. Σε αυστηρότερη ορολογία, το μέγεθος που χαρακτηρίζει την ποσότητα της ενέργειας, την οποία μεταφέρει σε ένα τόπο μια ακτινοβολία που μεταδίδεται προς μία κατεύθυνση στο χώρο, ονομάζεται ροή ακτινοβολίας (KW/m^). Ακριβολογώντας παραπέρα, βλέπουμε ότι ο όρος «ροή ακτινοβολίας» έχει έννοια όταν πρόκειται μόνο για ακτινοβολία που αποτελείται από δέσμη παράλληλων ακτινών. Όταν όμως η ακτινοβολία είναι διάχυτη και διαδίδεται προς διάφορες κατευθύνσεις, όπως συμβαίνει συχνά με ένα μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας, τότε ως μέτρο του ποσού της που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη μονάδα μιας επιφάνειας, χρησιμοποιείτε ο γενικότερος όρος ακτινοβολίας (Η). Δηλαδή σαν ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ορίζεται η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει σε 1 επιφάνεια σε βάση τον τύπο : H=E/(S X t)=p/s Όπου Ε είναι η ενέργεια και Ρ η ισχύς που προσπίπτει στην επιφάνεια S σε χρόνο t. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας μετράται σε ; J/m^s=W/m^ Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολία στα διάφορα σημεία του ήλιου και της επιφάνειας της γης βρίσκεται από τον τύπο: Ηο=Εο/ (4πΛ)=Ρο/(4πι^) Όπου Εο είναι η λογική ενέργεια που εκπέμπεται από τον ήλιο σε χρόνο t και φτάνει στην εσωτερική επιφάνεια 4πι^ νοητής σφαίρας που έχει ακτίνα r. Η ένταση δηλαδή ελαττώνεται αντιστρόφως ανάλογα με την απόσταση από τον ήλιο. Στην αρχή της ατμόσφαιρας της γης η ένταση της ακτινοβολίας είναι: Ηο=Εο/ (4πΡ^)=Ρο/(4πΡ^) όπου R η απόσταση του ήλιου με την γη (σχήμα 2). φθάνει την εσωτερική εττιφάνεια 4nR2 νοητής σφαίρας που έχει ακτίνα R την απόσταση ήλιου - γπς

18 Ελάττωση της έντασης συμβαίνει σε όλη τη διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα της γης λόγο απορρόφησης. Όταν η ατμόσφαιρα είναι καθαρή και ο ήλιος αρκετά ψηλά ώστε οι ακτίνες να προσπίπτουν σχεδόν κάθετα στην επιφάνεια της γης, το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια απ' ευθείας είναι γύρω στα 72%, Εκτός από το ποσοστό αυτό άλλα 7% φτάνουν στην επιφάνεια από διάχυση στα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Τα υπόλοιπα 18% απορροφούνται από το όζον, τους υδρατμούς, τον αέρα και την σκόνη ενώ 3% επιστρέφει πίσω στο διάστημα. Φυσικά σε περίπτωση που οι ποσότητες των υδρατμών και της σκόνης είναί περισσότερες, η απορρόφηση είναι μεγαλύτερη και έτσι φτάνει μικρότερο ποσοστό από το 79% στην επιφάνεια της γης. Επίσης η απορρόφηση εξαρτάται από τη μάζα αέρα που συναντά η ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διαδρομή της προς την επιφάνεια της γης. Συχνά, δεν μας ενδιαφέρει τόσο η συνολική ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας όσο η κατανομή της μέσα στο ηλιακό φάσμα. Ως φασματική ροή ακτινοβολίας (Ηα) ορίζεται το ποσό της ενέργειας με μήκη κύματος μεταξύ λ και λ+άλ, που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη μονάδα του εμβαδού μιας επιφάνειας τοποθετημένης κάθετα στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας και εκφράζεται σε μονάδες (Κνν/ιπΣ.μτη). 2. Η ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΦΑΣΜΑΤΟΣ Η διαμόρφωση του φάσματος του φωτός που εκπέμπει ο ήλιος προσομοιάζεται συνήθως με την ακτινοβολία ενός μέλανος σώματος θερμοκρασίας περίπου 5800 Κ, όση είναι, κατά μέσο, η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας του ήλιου. Η προσέγγιση αυτή είναι επαρκής για τη μελέτη των θερμικών εφαρμογών της ηλιακής ακτινοβολίας, όπως π.χ. η θέρμανση νερού. Στις περιπτώσεις αυτές ενδιαφέρει συνήθως η συνολική θερμική ισχύς της ακτινοβολίας και ο μηχανισμός μετάδοσης της θερμότητας π.χ. στους ηλιακούς συλλέκτες του θερμοσίφωνα ή τους θερμοσυσσωρευτικούς τοίχους του κτιρίου κ.λ.π. Δεν είναι όμως το ίδιο και για τη φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ενέργειας αφού αυτή καθορίζεται από τη λεπτομερειακή φωτονική σύσταση της ακτινοβολίας. Εκτός από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ο ήλιος εκπέμπει και μια ασθενή σωματιδιακή ακτινοβολία, που αποτελείται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, κυρίως ηλεκτρόνια και πρωτόνια, και ονομάζεται ηλιακός άνεμος. Σε περιπτώσεις ηλιακών εκρήξεων η ένταση του ηλιακού ανέμου αυξάνει σημαντικά και μπορεί να φτάσει π.χ. τα 10 πρωτόνια ανά cm^ και Sec, στην απόσταση που βρίσκεται η γη. Πάντως, η μορφή αυτή της ηλιακής ακτινοβολίας δεν παρουσιάζει ενδιαφέρον από πλευράς ενεργειακής εκμετάλλευσης. Η ανάγκη για τη λεπτομερειακή εξέταση της φασματικής σύστασης της ηλιακής ακτινοβολίας στις φωτοβολταϊκές εφαρμογές γίνεται φανερή στο

19 (σχήμα 4 ) που δείχνει τη μεγάλη διαφοροποίηση του πραγματικού φάσματος του ηλιακού φωτός στην επιφάνεια της γης. Βλέπουμε ότι το ηλιακό φως αποκτά τελικά μια πολύ ανώμαλη φασματική κατανομή, που οφείλεται σε εκλεκτικές απορροφήσεις και σκεδάσεις στα συστατικά της ατμόσφαιρας που διασχίζει. Ενδεικτική, άλλωστε, της επίδρασης της ατμόσφαιρας στην ηλιακή ακτινοβολία είναι η εξάρτηση της έντασής της από το υψόμετρο της τοποθεσίας της γης, που δέχεται την ακτινοβολία. Έτσι, έχει μετρηθεί ότι ενώ στη στάθμη της θάλασσας η μέγιστη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας φτάνει μέχρι περίπου \N lnr η τιμή της, αυξάνεται κατά περίπου 7 W/m^ για κάθε 100 m ύψος της τοποθεσίας, επειδή μειώνεται αντίστοιχα το πάχος του στρώματος της ατμόσφαιρας που διασχίζουν οι ηλιακές ακτίνες. μίπ Κοψ ιηιλες φ α σ μ α η κ η ς κα τα ν ο μής α.ηαιοκο φ α α σ μ α εξω απο τη ν α τμ ό σ φ α ιρ α ΜΑΟ ρ.κα τα νομή α κτινορολίας απο μα ύρο σ ώ μ α S γ.μα1 η OKTTVopoAia ε χ ο δια π ερ α σει την α τμ ό σ φ α ιρ α κ ά θ ετα προς την επ ιφ ά ν εια της γής δ.διά χ υτη ακττνοροαία Το όζον που είναι άφθονο στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας απορροφά έντονα την υπεριώδη ακτινοβολία, και ειδικότερα στην περιοχή 0,2-0,35 μηι, το μοριακό οξυγόνο απορροφά κυρίως στην περιοχή του ερυθρού (π.χ. 0,63 και 0,69 μιπ), το διοξείδιο του άνθρακα στο υπέρυθρο (2,7 και 4,3 μηι), και οι υδρατμοί στο ερυθρό και στο υπέρυθρο. Επίσης από τη συνολική ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην επιφάνεια της γης, που συνήθως

20 λιγότερο από το 60% είναι άμεση, σε μορφή δέσμης ακτινών, που μπορούν π.χ, να εστιαστούν με κάτοπτρα ή φακούς. Η υπόλοιπη είναι διάχυτη, διότι έχει προηγουμένως σκεδαστεί και ανακλαστεί στα διάφορα σωματίδια και σταγονίδια που αιωρούνται στον αέρα, ανάλογα βέβαια με τη σύσταση της ατμόσφαιρας και το μήκος της διαδρομής της ακτινοβολίας μέσα σε αυτήν. 3. ΟΙ ΣΥΜΒΑΤΙΚΕΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΕΣ Σχ.5 Η εξάρτησπ της κλίμακας μάζας αέρα (AM ) απο τη θέση του ήλιου α) αττλοποιημένη απεικόνηση, με την ατμόσφ αιρα να έχει επίπεδη ανάτπυξη σε άπειρη έκταση.εξ ορισμού ΑΜ = ΟΒ ΟΑ = 1 συνζ. Ρ)Η πραγματική διαμόρφω ση της γήινης ατμόσφαιρας με τα στρώ ματα τηςνα ορίζονται απο σ φαιρικές επιφάνειες και η αντίστοιχη ατμοσφ αιρική διάθλαση της ηλιακής ακτινορολίας κατά τη διαδρομή της μέσα απο τα στρώματα αυτά, Πέρα από τη γεωγραφική θέση και το υψόμετρο, η τελική μορφή και η ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης, διαφέρει σημαντικά ανάλογα με τις εκάστοτε μετεωρολογικές συνθήκες και κυρίως τη θέση του ήλιου στον ουρανό και την περιεκτικότητα της υγρασίας στην ατμόσφαιρα. Συμβατικά, το μήκος της διαδρομής της ηλιακής ακτινοβο^ας μέσα στην γήινη ατμόσφαιρα μέχρι τη στάθμη της θάλασσας, που είναι άμεση συνέπεια της θέσης του ήλιου, χαρακτηρίζεται από μία κλίμακα μάζας αέρα (AM) βαθμολογημένης με την τέμνουσα της ζενιθιακής απόστασης (ζ), δηλαδή της γωνίας ανάμεσα στη θέση του ήλιου και στην κατακόρυφο. (σχήμα 5). Δηλαδή η κλίμακα της μάζας αέρα δείχνει ουσιαστικά πόσες φορές μεγαλύτερη είναι η διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα, σε σύγκριση με την κατακόρυφη διαδρομή της. Συγκεκριμένα, ως ΑΜ1 συμβολίζεται η συνθήκη για τη θέση του ήλιου στην κατακόρυφο, στο ζενίθ, που αντιστοιχεί στο ελάχιστο μήκος της διαδρομής της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Όμοια, ως ΑΜ1,5 συμβολίζεται η διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας με τον ήλιο σε γωνία 45 από το ζενίθ και

21 ΑΜ2 με τον ήλιο σε γωνία 60 κ.λ,π. Το μηδέν της κλίμακας ΑΜΟ συμβολίζει την πλήρη απουσία ατμοσφαιρικής παρεμβολής, δηλαδή την ηλιακή ακτινοβολία στο διάστημα, σε θέση που να απέχει όση είναι η μέση απόσταση της γης από τον ήλιο. Στον πίνακα 1 γράφονται οι πυκνότητες της ισχύος και η μέση ενέργεια των φωτονίων της ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορες πρότυπες συνθήκες της κλίμακας μάζας αέρα. Πάντως η παραπάνω προτυποποίηση δεν είναι πολύ αυστηρή. Έτσι π.χ εκτός από τις τιμές του πίνακα, η ΑΜΟ αναφέρεται επίσης ως 1353 W/m^, ή ΑΜ2 ως 740 \Λ//ιπ^κλπ. Πίνακας 1. Οι πρότυπες τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας στην κλίμακα μάζας αέρα (ΑίΓ Mass) Τιμή μάζας αέρα Συμβατικές συνθήκες Ισχύς W/m" Μέση ενέργεια των φωτονίων ΑΜΟ Στο διάστημα, έξω από την ατμόσφαιρα ,48 ev ΑΜ1 ΑΜ2 ΑΜ3 0 ήλιος στο ζενίθ. Κάθετη πρόσπτωση σε επιφάνεια στη στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα Απόσταση του ήλιου 60 από το ζενίθ. Κάθετη πρόσπτωση σε επιφάνεια στη στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα Απόσταση του ήλιου 70,5 από το ζενίθ.κάθετη πρόσπτωση σε επιφάνεια στη στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα , , ,21 Ο άλλος πολύ σημαντικός παράγοντας της διαμόρφωσης των μετεωρολογικών συνθηκών, δηλαδή η ατμοσφαιρική υγρασία, χαρακτηρίζεται από το ύψος w της στήλης του νερού (μετρημένης σε cm), που σχηματίζεται από την υποθετική συμπύκνωση του συνόλου των υδρατμών της ατμόσφαιρας, στον συγκεκριμένο τόπο και χρόνο. Πάντως έτσι και αλλιώς, το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας συγκεντρώνεται στη φασματική περιοχή του κυανού και του πράσινου, και ειδικότερα σε μήκη κύματος από 0,45 μέχρι 0,6 pm, που αντιστοιχεί σε φωτόνια ενέργειας περίπου 2,1-2,8 ev. Για την αντιστοιχία μήκους κύματος και ενέργειας των φωτονίων, υπενθυμίζεται ότι από τη σχέση : v=c/a που συνδέει τη συχνότητα ν και το μήκος κύματος λ μιας ακτινοβολίας με τη ταχύτητα του φωτός C, βρίσκουμε ότι η ενέργεια του φωτονίου hv, σε ev, συνδέεται με το αντίστοιχο μήκος της ακτινοβολίας λ, σε pm, με τη σχέση : hv=1,238/a

22 4. Η ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΤΟΥ «ΕΝΟΣ ΗΛΙΟΥ» Σχ.6 Η συμβατική φωτονική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας σε συνθήκες AM 1,5 Το σχήμα 6 δείχνει τη ροή των φωτονίων που αντιστοιχεί στα διάφορα μήκη κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας ΑΜ1,5 όταν φτάνει στη γη, στη στάθμη της θάλασσας. Η καμπύλη έχει βγει υπολογιστικά, δηλαδή έχουν αφαιρεθεί από το διαστημικό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας τα φωτόνια που εκτιμήθηκε ότι απορροφούνται ή σκεδάζονται από το όζον, τους υδρατμούς και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Η ηλιακή ακτινοβολία ΑΜ1,5 έχει πυκνότητα 935 W/m^ και αποτελεί χονδρικά μια αρκετά αντιπροσωπευτική προσέγγιση της μέσης μέγιστης ισχύος που περίπου δέχεται σε επιφάνεια κάθετη προς την ακτινοβολία και στις ευνοϊκότερες δυνατές συνθήκες αιχμής (καλοκαίρι, μεσημέρι, καθαρός ουρανός κ.λ.π.) ένα μεγάλο μέρος από τις περισσότερο κατοικημένες περιοχές της γης. Για απλοποίηση, η παραπάνω πυκνότητα στρογγυλεύεται

23 στα 1000 V\llrrr, ονομάζεται συμβατικά ακτινοβολία ενός ήλιου (ή ενός πλήρους ήλιου) και παίρνεται συχνά σαν βάση σύγκρισης της ακτινοβολίας που δέχονται τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, Η μονάδα αυτή χρησιμοποιείται επίσης για την αναφορά της ισχύος αιχμής των φωτοβολταϊκών διατάξεων, καθώς και για την πυκνότητα της ακτινοβολίας στις συγκεντρωτικές φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούν φακούς ή κάτοπτρα. Π.χ. η συγκεντρωμένη δέσμη ηλιακής ακτινοβολίας με πυκνότητα ισχύος 100 KW/m^ονομάζεται «100 ήλιοι». Οι συνθήκες ΑΜΟ και ΑΜ2 χρησιμοποιούνται συχνά ως πρότυπες για τον έλεγχο και την αξιολόγηση των ηλιακών στοιχείων που προορίζονται για διαστημικές και επίγειες εφαρμογές, αντίστοιχα. Για αντικειμενικές συγκρίσεις είναι απαραίτητο να γίνεται σαφής αναφορά των συνθηκών διεξαγωγής των μετρήσεων, διότι οι ιδιότητες των ηλιακών στοιχείων, και γενικότερα η απόδοση τους, επηρεάζονται σημαντικά από τη μορφή της ακτινοβολίας που δέχονται, π.χ. από τις δύο παραπάνω συνθήκες, η ΑΜ2 δίνει μεγαλύτερη απόδοση στα ηλιακά στοιχεία πυριτίου από η ΑΜΟ, διότι ένα μεγάλο μέρος από τα φωτόνια από την υπεριώδη και την υπέρυθρο περιοχή της ακτινοβολίας, που δείχθηκε στο σχήμα 4 έχουν αφαιρεθεί από την ΑΜ2, έχουν σχετικά μικρή μόνο συμβολή ή είναι εντελώς άχρηστα για φωτοβολταϊκή μετατροπή με πυρίτιο. Συγκεκριμένα, η ενέργεια των φωτονίων της υπεριώδους ακτινοβολίας είναι πολύ μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο το πυριτίου ενώ η ενέργεια των περισσοτέρων φωτονίων της υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι μικρότερη από αυτό. Επομένως, στη, περίπτωση, ένα μικρό μέρος της ενέργειας των φωτονίων αξιοποιείται για τη δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Επίσης, στη δεύτερη περίπτωση, δηλαδή για το μεγαλύτερο μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας, η ενέργεια των φωτονίων δεν επαρκεί για την διέγερση των ηλεκτρονίων σθένους του πυριτίου και τη μεταφορά τους στη ζώνη αγωγιμότητας. Έτσι, η απόδοση ενός κοινού ηλιακού στοιχείου πυριτίου καλής ποιότητας, μπορεί να είναι 16% σε συνθήκες ΑΜ2, ενώ σε συνθήκες ΑΜΟ δεν ξεπερνά το 11,5%.

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΝΕΑ ΕΠΑΝΑΣΤΑΤΙΚΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Με την εξέλιξη της τεχνολογίας μεγάλα ττοσά ηλιακής ενέργειας μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρική με την χρησιμοποίηση κατασκευών που αποτελούνται από φωτοβολταϊκά στοιχεία. Όταν το ηλιακό φως προσπέσει στα φωτοβολταϊκά στοιχεία ελευθερώνει ηλεκτρικά φορτία στο εσωτερικό τους τα οποία με την ενέργεια που παίρνουν κινούνται ελεύθερα και μπορούν να περάσουν από έναν καταναλωτή όπως είναι μια λάμπα ή ένας κινητήρας και να τον θέσουν σε λειτουργία. Τα πρώτα φωτοβολταϊκά στοιχεία αναπτύχθηκαν από τη δεκαετία του πενήντα για να τροφοδοτήσουν τους διαστημικούς δορυφόρους με την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζονταν για την λειτουργία των συσκευών τους. Από τότε μέχρι σήμερα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία βρήκαν πολλές επίγειες εφαρμογές σε διάφορους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας για δύο βασικούς λόγους. Ο ένας είναι η ευκολία με την οποία παράγουν την ηλεκτρική ενέργεια και ο άλλος τα διάφορα δισεπίλυτα προβλήματα που παρουσιάζει ο κλασσικός τρόπος παραγωγής και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Πραγματικά ο μεγάλος κεντρικός ηλεκτροπαραγωγικός σταθμός που παράγει τεράστια ποσά ηλεκτρικής ενέργειας με την καύση πετρελαίου, άνθρακα ή ακόμη και με τη διάσπαση ουρανίου και τα διανέμει με ένα εκτεταμένο ηλεκτρικό δίκτυο σε όλη τη χώρα, αντιμετωπίζει πολλά ερωτηματικά και κριτικές. Ένα σοβαρό επιχείρημα κατά της κατασκευής

25 τέτοιων μεγάλων σταθμών είναι οι καταστροφικές διακοπές παροχής ρεύματος που συμβαίνουν τακτικά και καλύπτουν συνήθως μεγάλες περιοχές προκαλώντας αναστάτωση και πολλά προβλήματα με σοβαρά οικονομικά επακόλουθα. Όλες αυτές οι διακοπές μπορούν να προέλθουν από βλάβη, κακή λειτουργία κάποιου συστήματος του σταθμού ή ακόμη και από δολιοφθορές ή θεομηνίες. Άλλο επιχείρημα κατά της κατασκευής θερμοηλεκτρικών σταθμών είναι η πλήρης εξάρτηση της λειτουργίας τους από τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται. Κάθε καύσιμο έχει τα δικά του προβλήματα που με τη σειρά τους γίνονται και προβλήματα του σταθμού. Σχετικά με την ενέργεια που ελευθερώνεται με τη διάσπαση των πυρήνων ουρανίου, η εξάρτηση από αυτή είναι πολύ δύσκολη λόγω του είδους της πρώτης ύλης. Είναι όμως και εξαιρετικά επικίνδυνη αν κρίνει κανείς από το ατύχημα που έγινε στον πυρηνικό σταθμό του Three Mile Island στην Πενσυλβανία, το ατύχημα του Τσερνομπίλ και τα τόσα άλλα γνωστά άγνωστα ατυχήματα που συνέβησαν στα διάφορα πυρηνικά εργοστάσια. Άλλο μειονέκτημα του μεγάλου κεντρικού σταθμού είναι το τεράστιο οικονομικό κόστος που συνεπάγεται η κατασκευή του. Τεράστια ποσά πρέπει να δαπανηθούν και μάλιστα ο προϋπολογισμός της δαπάνης πρέπει να γίνει πολλά χρόνια πριν την τελική κατασκευή του σταθμού. Το χειρότερο όμως είναι ότι το ποσό που υπολογίζεται είναι συνήθως πολύ μικρότερο συγκριτικά με το ποσό που τελικά χρειάζεται να ξοδευτεί για την πλήρη και σωστή αποπεράτωση του σταθμού, κατά τρόπο που να μην προκαλεί ρύπανση του περιβάλλοντος. Για όλους αυτούς τους λόγους χρειάζεται μια διαφορετική αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος με τη χρησιμοποίηση νέων τεχνολογιών. Πραγματικά η λύση μπορεί να δοθεί με τη κατασκευή πολλών μικρών ηλεκτροπαραγωγών σταθμών σε περιοχές που γειτονεύουν με το ηλεκτρικό δίκτυο διανομής. Οι σταθμοί αυτοί μπορούν να λειτουργήσουν με εκείνες τις εναλλακτικές πηγές ενέργειας που υπάρχουν σε μεγάλο βαθμό στη χώρα. λ; '

26 Για την Ελλάδα και την Κύττρο η ηλιακή ενέργεια παρέχει απεριόριστες δυνατότητες. Ο εναλλακτικός τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη μέθοδο των φωτοβολταϊκών στοιχείων μπορεί να δώσει μεγάλα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας. Τα ποσά αυτά είναι αρκετά για να αντικαταστήσουν εκείνα που δίνει ένας θερμοηλεκτρικός σταθμός καθιστώντας τον αχρείαστο ή περιορίζοντας κατά πολύ την λειτουργία του. Αυτό μπορεί να γίνει με την κατασκευή διαφόρων μικρών ηλεκτροπαραγωγών σταθμών ή ακόμη και τη σύγχρονη εγκατάσταση ανεξάρτητων αυτοτελών Φ/β συστημάτων σε διάφορες κτιριακές εγκαταστάσεις και οικιακές μονάδες. Ένα τέτοιο Φ/β σύστημα αποτελείται βασικά από τα Φ/β στοιχεία, τη συσκευή μετατροπής της τάσης που δίδουν τα Φ/β στοιχεία, και την συσκευή αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας για να υπάρχει δυνατότητα συνεχούς κατανάλωσης. Τα Φ/β στοιχεία κατασκευάζονται από διάφορα υλικά όπως είναι το δεύτερο στη σειρά διαδεδομένο στοιχείο Πυρίτιο, το στοιχείο Γερμάνιο, οι χημικές ενώσεις Αρσενιούχο Γάλλιο, Φωσφορούχο Γάλλιο, Φωσφορούχο, Ίνδιο και πολλά άλλα υλικά. Σε αυτά ενσωματώνονται τεχνητά, ίχνη διαφόρων άλλων στοιχείων (προσμίξεις) και έτσι αποκτούν την ιδιότητα να εμφανίζουν τάση στα άκρα τους όταν φωτίζονται. Η τάση αυτή που στην περίπτωση του Φ/β στοιχείου είναι της τάξης των 0,5 Volts, μπορεί να τροφοδοτήσει με ηλεκτρικό ρεύμα ένα καταναλωτή. Επειδή οι διάφοροι καταναλωτές είναι να λειτουργούν με ορισμένη συνεχή ή εναλλασσόμενη τάση, είναι ανάγκη η συνεχής τάση των Φ/β στοιχείων να μετατραπεί στην κατάλληλη τάση λειτουργίας των καταναλωτών. Το Φ/β σύστημα θα πρέπει να παρέχει επαρκή ηλεκτρική ενέργεια και στις περιόδους που δεν υπάρχει ηλιοφάνεια (νυκτερινές ώρες, συννεφιασμένες μέρες). Αυτό επιτυγχάνεται με τη συσκευή αποθήκευσης που αποτελείται από συσσωρευτές (μπαταρίες) πολύ καλής κατασκευής, ικανούς να αποθηκεύσουν το περίσσευμα της παραγόμενης από τα Φ/β στοιχεία ηλεκτρικής ενέργειας για να χρησιμοποιηθεί όταν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή. Ένα Φ/β σύστημα μπορεί να είναι μικρό ώστε να ανάψει μόνο μια λάμπα ή να τροφοδοτήσει με ρεύμα την εγκατάσταση ενός σπιτιού ή συγκροτήματος κτιρίων. Είναι δυνατό όμως το σύστημα να είναι πιο μεγάλο ώστε να τροφοδοτεί ένα χωριό ή μια κοινότητα. Τα Φ/β συστήματα μπορούν να λειτουργήσουν με δύο τρόπους. Με τον πρώτο τρόπο, το σύστημα λειτουργεί σαν ανεξάρτητο και αυτοτελές και τροφοδοτεί με ρεύμα που παράγει το οικοδόμημα ή σύμπλεγμα κτιρίων για το οποίο κατασκευάστηκε. Στην περίπτωση αυτή είναι απαραίτητη και η συσκευή αποθήκευσης των περισσευμάτων της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας.

27 Με το δεύτερο τρόπο το σύστημα όπως είναι συνδεδεμένο με ένα σπίτι ή το συγκρότημα κτιρίων, συνδέεται συγχρόνως και με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο διανομής. Με τον τρόπο αυτό, όταν το σύστημα παράγει περισσεύματα ηλεκτρικής ενέργειας αυτά διοχετεύονται σε άλλα κτιριακά συγκροτήματα που είναι συνδεδεμένα με το δίκτυο. Στην περίπτωση αυτή που το σύστημα δεν παράγει την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται το συγκρότημα των κτιρίων, συμπληρώνει με ενέργεια που αντλεί από το δίκτυο. Ένα μεγάλο Φ/β σύστημα μπορεί να κατασκευαστεί σε κάποια περιοχή κοντά στο δίκτυο και να συνδεθεί μόνο με αυτό, ώστε με την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει να το ενισχύει και έμμεσα να τροφοδοτεί κτιριακά συγκροτήματα. Είναι φανερό ότι ένα τέτοιο σύστημα αποτελεί στην ουσία ένα μικρό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργεί με ηλιακή ενέργεια. Πολλοί τέτοιοι σταθμοί είναι δυνατόν να κατασκευαστούν σε άγονες υπαίθριες περιοχές κατά μήκος του δικτύου και να συνδεθούν με αυτό. Έτσι, με τη συνολική ενέργεια που θα παράγουν, θα μπορούν να αντικαταστήσουν ένα μεγάλο θερμοηλεκτρικό σταθμό πετρελαίου ή κάρβουνου. Οι ηλιακοί σταθμοί Φ/β στοιχείων έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτά έχουν αποδειχθεί στην πράξη με την πείρα που αποκτήθηκε από την λειτουργία των σταθμών που κατασκευάστηκαν μέχρι σήμερα. Το σπουδαιότερο πλεονέκτημά τους είναι ότι δεν προκαλούν ρύπανση στο περιβάλλον και δεν δημιουργούν απόβλητα. Επίσης δεν έχουν κινητά μέρη ώστε να προκαλούνται φθορές από την τριβή απώλειες ενέργειας σε θερμότητα αλλά και θόρυβο. Η λειτουργία τους είναι σίγουρη και συνεχής διότι είναι βασισμένη στην τεχνολογία της στερεός κατάστασης της ύλης που έχει οδηγήσει στην κατασκευή πολλών άλλων ηλεκτρονικών συσκευών.

28 Δεν χρειάζονται τη συνεχή επιδιόρθωση και φροντίδα όπως γίνεται στους άλλους σταθμούς και έτσι τα έξοδα λειτουργίας είναι μηδαμινά διότι χρησιμοποιούν σαν καύσιμο την αιώνια και χωρίς κόστος ηλιακή ακτινοβολία, με τα νέα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους τα τελευταία χρόνια, η διάρκεια ζωής των Φ/β σταθμών είναι πρακτικά απεριόριστη ( γύρω στα 30 χρόνια). Ο χρόνος που χρειάζεται να κατασκευαστεί ένας τέτοιος σταθμός είναι μόνο μερικοί μήνες και όχι μερικά χρόνια που απαιτούνται για την ανέγερση ενός θερμοηλεκτρικού σταθμού. Γενικά η τεχνολογία της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/β στοιχεία είναι βασισμένη σε συμπεράσματα που έχουν εξαχθεί μελετώντας τη φύση του φωτός και τη δομή της ύλης. 1. ΗΛΙΑΚΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΤΙ ΓΙΝΕΤΑΙ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΚΑΙ ΣΤΟΝ ΚΟΣΜΟ) Η παγκόσμια αγορά των Φωτοβολταϊκών βιώνει την μετάβασή της από τους εξοπλισμούς εκτός δικτύου που θεωρούνται οικονομικοί για τους αγοραστές, σε μια διευρυνόμενη αγορά για τους εντός δικτύου εξοπλισμούς. Παρακάτω θα γίνει παρουσίαση του ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ (Δ.Μ.Τ.Δ) τμήματος των Φωτοβολταϊκών (Φ/Β) οικιακών εγκαταστάσεων της αγοράς και για τις δυνάμεις που ωθούν και προκαλούν την εξάπλωσή του, μιλώντας κυρίως για τις ΗΠΑ, την Ιαπωνία και τη Γερμανία. Τέλος θα αναφερθούμε στην κατάσταση που επικρατεί και στη χώρα μας σχετικά τα φ/β. ΤΙ ΓΙΝΕΤΑΙ ΣΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ; ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΑΓΟΡΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Η παγκόσμια αγορά για τα Φωτοβολταϊκά συστήματα ξεπέρασε τα 200MW το 1999, μπορεί να φθάσει τα 260 MW το 2000, 550 MW το 2005 και 1800 το δεδομένου ότι το κόστος εγκατάστασης για τα εντός δικτύου Φωτοβολταϊκά συστήματα αναμένεται να μειωθεί σε λιγότερο από $4 ανά W το 2005 και $3 το 2010 Η παγκόσμια εντός δικτύου αγορά, εξ' αιτίας των επιδοτήσεων κυρίως στην Ιαπωνία, την Γερμανία και στις ΗΠΑ, μπορεί να αυξηθεί στα 110MW το 2000, 400 MW το 2005 και 700 MW το 2010, δεδομένου ότι το κόστος εγκατάστασης θα μειωθεί σε 3 δολάριαλ/v, το 2010, στην τιμή το δολαρίου τη δεδομένη εκείνη στιγμή Κατά την διάρκεια του 1996, οι παράγοντες «Καταναλωτής» και «Επικοινωνία» κυριάρχησαν στην αγορά των Φωτοβολταϊκών Συστημάτων, σε μέγεθος και ανάπτυξη. Το 1997, με την εμφάνιση του Ιαπωνικού προγράμματος Φωτοβολταϊκών Στεγών, ο εντός δικτύου οικιακός & εμπορικός τομέας, που περιλαμβάνει το ιδιωτικό οικιακό τομέα, και άλλους

29 εμπορικούς εντός δικτύου εξοπλισμούς, εξελίχθηκαν σε έναν τεράστιο και γρήγορα αναπτυσσόμενο κομμάτι της αγοράς. Για περισσότερο από 15 χρόνια, από το , ο Δ.Μ.Τ.Δ τομέας έφθανε λιγότερο από 1MW ανά έτος παγκοσμίως, με τα περισσότερα σχέδια να ολοκληρώνονται με την κρατική υποστήριξη σε ποσοστό % Το , ξεκίνησε η εφαρμογή του Ιαπωνικού Προγράμματος κατασκευής Στεγών με Φωτοβολταϊκό Σύστημα (με στόχο την ενίσχυσή του το Σεπτέμβρη του 1998, με 5GW - 1,2 σε 1,4 εκατομμύρια σπίτια), οι πωλήσεις παρουσίασαν ενδεικτική αύξηση Το Γερμανικό πρόγραμμα των « Στεγών», το 1998 και 1999 κυριολεκτικά καθυστέρησε τις εισαγωγές στη χώρα (Γερμανία) εξαιτίας της πολιτικής και διοικητικής αβεβαιότητας που επικρατούσε σχετικά με την εφαρμογή-υλοποίηση του προγράμματος. Το 1996 ο εντός δικτύου τομέας ανέβηκε στην έβδομη θέση από την έκτη που κατείχε, και μέσα σε περίοδο 3 χρόνων στην πρώτη θέση. Στην ουσία όλη αυτή η ανάπτυξη οφειλόταν στην εφαρμογή του επιχορηγούμενου Ιαπωνικού Προγράμματος κατασκευής οροφών με Φωτοβολταϊκά Συστήματα Τα Φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ενέργειας προσπάθησαν επίσης να προβλέψουν τις εξελίξεις στην παγκόσμια αγορά μέχρι το Σ' αυτή την πρόβλέψη, η μέση ανάπτυξη είναι περίπου 25% ανά χρόνο. Ο πιο γρήγορα αναπτυσσόμενος τομέας είναι ο Δ.Μ.Τ.Δ. Ας σημειωθεί ότι προβλέπεται πως τα κόστη του σχεδιασμού και της εγκατάστασης των εντός δικτύου συστημάτων, θα μειωθούν. Αυτή η μείωση του κόστους εγκατάστασης είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη της αγοράς αφού οι αλλαγές διαμορφώνονται ή υπαγορεύονται από πολιτικές τάσεις. 2. Η ΑΜΕΡΙΚΑΝΙΚΗ ΑΓΟΡΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Η αμερικανική αγορά Φωτοβολταϊκών συστημάτων κορυφώθηκε στα 20MW το 1999, με την μεγαλύτερη αύξηση που παρουσίασε ποτέ εξαιτίας του Υ2Κ (αφού οι ιδιοκτήτες κατοικιών εφοβούντο μήπως καταρρεύσει το αυτόνομο εγκατεστημένο δίκτυο της φωτοβολταϊκής ισχύος). Η οικονομική ανάλυση των Φωτοβολταϊκών για δύο αντιπροσωπευτικά κλιματικά πεδία στην Αμερική, δείχνει ότι για ιδιωτικές αγορές για τις οποίες χρησιμοποιούνται συμβατικές χρηματοδοτήσεις, τα Φωτοβολταϊκά χωρίς