Α.Τ.Ε.Ι. Κρήτης. Εισηγητής: ΓΙΑΝΝΗΣ ΒΟΥΡ ΟΥΜΠΑΣ Χηµικός Μηχανικός ΕΜΠ, M.Sc. Καθηγητής Eφαρµογών. Τµήµα Φυσικών Πόρων & Περιβάλλοντος

Transcript

1 Α.Τ.Ε.Ι. Κρήτης Τµήµα Φυσικών Πόρων & Περιβάλλοντος ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ι Εισηγητής: ΓΙΑΝΝΗΣ ΒΟΥΡ ΟΥΜΠΑΣ Χηµικός Μηχανικός ΕΜΠ, M.Sc. Καθηγητής Eφαρµογών

2 5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑ 1. ΜΙΚΡΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΑΝΤΛΙΑ ( Ηλιακή ενέργεια-φωτοβολταικά ) 2. ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ PEM ( Κυψέλη καυσίµου µε µεµβράνη ανταλλαγής πρωτονίων ) 3. ΑΛΚΑΛΙΚΗ ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ( Κυψέλη καυσίµου αλκαλική ) 4. ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΥΣΩΡΕΥΤΩΝ ( Αποθήκευση ενέργειας ) 5. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ( Ενέργεια κινητήρων ) 6. ΗΛΙΑΚΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ( Ηλιακή ενέργεια ) 7. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ( Ηλιακή ενέργεια-φωτοβολταικά ) 8. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΗΛΙΟΘΕΡΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ( Ηλιακή Ενέργεια-ηλιοθερµικά ) 9. ΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ( Αιολική ενέργεια ) 10. ΜΗΧΑΝΗ STIRLING ( Μηχανές υψηλού βαθµού απόδοσης ) 11. ΣΥΝ ΕΣΗ 2 ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ( Κυψέλες καυσίµου ) 12. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΚΑΤΟΙΚΙΑ ( Ηλιακή ενέργεια-φωτοβολταικά ) 13. ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΗΠΟΥ. ( Ηλιακή ενέργεια φωτοβολταικά ) 14. ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΚΡΗΣ Υ ΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ (Υδροηλεκτρικά ) [ Επιµέλεια άσκησης Τριανταφυλλιά Νικολάου] * Χρήσιµοι πίνακες ηλιακής ακτινοβολίας 2

3 5 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ 1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΝΤΛΙΑΣ ΝΕΡΟΥ ΠΟΥ ΤΡΟΦΟ ΟΤΕΙΤΑΙ ΜΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ 1. ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της εργαστηριακής αυτής άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών µε µία πειραµατική φωτοβολταϊκή αντλία καθώς και µε την µεθοδολογία διαστασιολόγηση ενός τέτοιου συστήµατος. 2. ΘΕΩΡΙΑ Για τη λειτουργία µιας αντλίας απαιτείται η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία µπορεί να επιτευχθεί µε φωτοβολταϊκά στοιχεία. εδοµένου ότι η αντλία θα µπορεί να λειτουργεί και σε ώρες χωρίς ηλιοφάνεια, είναι απαραίτητη η ύπαρξη συσσωρευτών για την αποθήκευση της παραγόµενης από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ηλεκτρικής ενέργειας. Η αντλία µπορεί να λειτουργεί είτε στα 12V ΣΡ είτε στα 220V EP. Εάν λειτουργεί στα 220 V ΣΡ απαιτείται η ύπαρξη µετατροπέα ανορθωτή για την µετατροπή της τάσης από 12V ΣΡ σε 220V EP και τη λειτουργία της αντλίας. Είναι απαραίτητη επίσης η ύπαρξη ενός ηλεκτρονικού ρυθµιστή φόρτισης / αποφόρτισης της µπαταρίας για την αποφυγή της ταχείας φθοράς της. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που χρησιµοποιούνται στο πείραµα αυτό δίδουν τάση 12V ΣΡ. 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ Η πειραµατική διάταξη αποτελείται από: α) αντλία νερού, 35W, 12V ΣΡ, 3Α β) φωτοβολταϊκή γεννήτρια, 12V ΣΡ, 30W γ) συσσωρευτή 12VΣΡ, 100ΑΗ δ) ηλεκτρονικό ρυθµιστή µπαταρίας, 10Α ε) πολύµετρα 4. ΙΕΞΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ εδοµένου ότι η αντλία λειτουργεί στα 12V ΣΡ δεν απαιτείται η ύπαρξη µετασχηµατιστή / ανορθωτή Α. Συναρµολόγησε τη συσκευή όπως στο σχήµα Β. Πριν κάνεις τις συνδέσεις εµβάπτισε την αντλία σε δοχείο νερού Γ. Συνέδεσε, άρχισε και παρατήρησε τη λειτουργία της αντλίας. Κατέγραψε την ένταση του ρεύµατος α) από τη µπαταρία στην αντλία β) από το φωτοβολταϊκό στην αντλία γ) από το φωτοβολταϊκό στην µπαταρία 3

4 5 Νερό Φωτοβολταϊκό στοχείο Συσσωρευτής Αντλία Νερό Ηλεκτρονικός Ρυθµιστής φόρτισης / αποφόρτισης Πειραµατική διάταξη φωτοβολταϊκής αντλίας 5. ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Κατά τη διεξαγωγή του πειράµατος θα καταγράψετε: α) την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας β) την ένταση από το φωτοβολταϊκό στην αντλία γ) την ένταση από το φωτοβολταϊκό στην µπαταρία δ) την ένταση από τη µπαταρία στην αντλία ε) την ισχύ λειτουργίας της αντλίας στ) την παραγόµενη ισχύ του φωτοβολταϊκού 6. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΕΜΠΕ ΩΣΗΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 1. Τι συσκευή θα απαιτείτο επιπλέον εάν η αντλία λειτουργούσε στα 220V EΡ αντί στα 12V ΣΡ; 7. BIBΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Κ.Καγκαράκη «Φωτοβολταική τεχνολογία «Εκδόσεις συµµετρία,αθήνα, Renewable Energy - Power for a sustainable future.edited by Godfrey Boyle, The Open University press, Oxford, UK,

5 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ ( CH3OH) 1. ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός του πειράµατος αυτού είναι η εξοικείωση των σπουδαστών µε τις κυψέλες καυσίµου, η επίδειξη ενός τέτοιου συστήµατος που σαν πηγή υδρογόνου χρησιµοποιεί τη µεθανόλη και η χάραξη της χαρακτηριστικής καµπύλης της κυψέλης καυσίµου. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πειραµατική συσκευή Η πειραµατική διάταξη αποτελείται από: Κυψέλη καυσίµου Εξωτερικό κύκλωµα µε αντίσταση, αµπερόµετρο και βολτόµετρο και καλώδια. ιάλυµα µεθανόλης σε απεσταγµένο νερό 4 % κ.ο. Η θεωρητική τάση της κυψέλης καυσίµου µεθανόλης είναι 1,21V ιεξαγωγή του πειράµατος Συναρµολόγησε τη συσκευή όπως στο σχήµα 6.1. Βάλτε τη CH 3 OH στη κυψέλη καυσίµου χωρίς να εγκλωβιστούν φυσαλίδες αέρα. Τοποθέτησε το τάπωµα στην οπή. Περιµένετε 5-10 λεπτά, µε το διακόπτη φορτίου στο OPEN έως ότου η ένδειξη είναι 500 mv. Προσαρµόστε το φορτίο στα 3 Ω για 2 λεπτά και θα δείτε ένταση 40 ma. Γυρίστε πάλι το διακόπτη στο OPEN για 3 λεπτά. Τώρα η συσκευή είναι έτοιµη για µετρήσεις. 5

6 Συσκευή κυψέλης καυσίµου µε µεθανόλη Μετρήσεις Πάρτε τις µετρήσεις και κατέγραψτε τις σε πίνακα ως εξής: Αρχίστε µε το διακόπτη στο OPEN και µειώστε σταδιακά την αντίσταση. Περιµένετε 1 λεπτό πριν πάρετε την κάθε ένδειξη. - Αντίσταση (Ω) - Τάση ( V) - (Τάση/ 1,21) * 100 (V) - Ένταση (ma) - Ισχύς (mw) Μετά το τέλος γυρίστε το διακόπτη στο OPEN. Αδειάστε τη CH 3 OH και ξεπλύνετε τη κυψέλη καυσίµου µε απεσταγµένο νερό. Επεξεργασία αποτελεσµάτων Σχηµατίστε τα διαγράµµατα: α) Τάση- Ένταση ρεύµατος β) Ισχύς- Ένταση ρεύµατος γ) (Τάση/ 1,21) * 100 Ένταση ρεύµατος Επανεκτέλεση του πειραµατος Επαναλάβετε το πείραµα χρησιµοποιώντας 2 % κ.ο. διάλυµα CH 3 OH σε απεσταγµένο νερό. 6

7 ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Άνοδος CH 3 OH(l) + H 2 O(l) CO 2 (g) + 6H + + 6e - Κάθοδος 1,5 O 2 (g) + 6H + + 6e - 3 H 2 O(l) Συνολικά CH 3 OH(l) + 1,5 O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) 3. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Σχολιάστε τις οµοιότητες και τις διαφορές µεταξύ κυψελών καυσίµου µε: α) καύσιµο H 2 β) καύσιµο CH 3 OH 2. Σχολιάστε τις διαφορές µεταξύ διαγράµµατος P-I και V-I στα δύο πειράµατα που κάνατε: α) Με χρήση διαλύµατος CH 3 OH 4% β) Με χρήση διαλύµατος CH 3 OH 2% 3. Πότε έχουµε τη µέγιστη απόδοση της κυψέλης καυσίµου; Πόση είναι η τάση στη περίπτωση αυτή; Μπορούµε να πάρουµε περισσότερο ρεύµα σε βάρος της απόδοσης της κυψέλης καυσίµου; 4. Παρουσιάζει πλεονεκτήµατα σήµερα η όχι η µεθανόλη σαν καύσιµο οχηµάτων έναντι του αερίου Η2? 5. Από τι αποτελούνται τα ηλεκτρόδια και από τι ο ηλεκτρολύτης στη κυψέλη καυσίµου που χρησιµοποιήσατε? 6. Συγκρίνατε τις αποδόσεις των κυψελών καυσίµου µε τις αποδόσεις των µηχανών εσωτερικής καύσεως. 7. Περιγράψτε τη διαδικασία µέσω της όποιας από την ηλιακή ενέργεια µπορούµε να παράξοµε ηλεκτρική, να την αποθηκεύσοµε υπό µορφή Η2, και στη συνέχεια από το Η2 να παράξοµε ηλεκτρική ενέργεια µέσω κυψελών καυσίµου. 8. Από ποιές πρώτες ύλες κυρίως παράγεται η Μεθανόλη; 9. Ποιά αντίδραση γίνεται στη κάθοδο και ποιά στην άνοδο στη κυψέλη καυσίµου του πειράµατος σας; 10. Ποιά ενεργειακή µετατροπή έχει το µεγαλύτερο βαθµό απόδοσης και ποιά το µικρότερο; α) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ηλιακή µε φωτοβολταϊκή τεχνολογία. β) Παραγωγή βιοµάζας (χηµική ενέργεια) από την ηλιακή ενέργεια µε τη φωτοσύνθεση. γ) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από µεθανόλη µε κυψέλες καυσίµου. δ) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ηλιακή µε ηλιοθερµική τεχνολογία. 1. Οι µπαταρίες και οι κυψέλες καυσίµου: α) Αποτελούν συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας; β) Αποτελούν συστήµατα παραγωγής ενέργειας; γ) Λειτουργούν µε ηλεκτροχηµικές διεργασίες; δ) Εχουν βαθµούς απόδοσης κατά την ενεργειακή µετατροπή κάτω του 30%; ε) Ο ηλεκτρολύτης µπορεί να είναι µόνο σε υγρή µορφή; στ) Οταν συνδεθούν στη σειρά η συνολική τάση του συστήµατος είναι το άθροισµα των επί µέρους τάσεων; 7

8 ζ) Το ρεύµα που παράγεται είναι συνεχές; 4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. J.Larminie, A. Dicks, Fuel cell systems explained, J Wiley and sons, New York,

9 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΛΚΑΛΙΚΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ KΑΥΣΙΜΟΥ 1. ΣΚΟΠΟΣ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ Σκοπός του πειράµατος αυτού είναι η εξοικείωση των σπουδαστών µε τη λειτουργία των αλκαλικών κυψελών καυσίµου, και η ευρεση της καµπυλης I-V. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Περιγραφή της συσκευής H κυψέλη καυσίµου που θα χρησιµοποιήσετε αποτελείται από 2 µέρη. α. Mια κόκκινη κάθοδο β. Mία άνοδο που µοιάζει µε ποτήρι Mεταξύ της ανόδου και της καθόδου παρεµβάλλεται ένας ηλεκτρολύτης που είναι διάλυµα KOH συγκέντρωσης 1M (5,6 gr KOH στα 100ml απεσταγµένου νερού) Στη συσκευή προστίθενται 65ml διαλύµατος KOH 1M. Tο καύσιµο (πηγή H2) αναµιγνύεται µε το διάλυµα KOH, και µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε α. NαBH4 β. Mεθανόλη ( CH3OH) γ. Aιθανόλη (CH3CH2OH) H προσθήκη του ηλεκτρολύτη (65ml KOH 1M) γίνεται µέχρι τη χαραγή που φαίνεται στο ποτήρι της ανόδου. H χηµεία της κυψέλης καυσίµου 1. Aντίδραση στην κάθοδο Στην κάθοδο της κυψέλης γίνεται η εξής αντίδραση µε τη χρησιµοποίηση του O2 του αέρα 4e- + O2+ 2H2O = 4OH- (1) 2. H αντίδραση στην άνοδο όταν το καύσιµο είναι αιθανόλη είναι η εξής: C2H5OH+2OH- = CH3CHO+2H2O +2e- (2) 3. Η Aντίδραση στην άνοδο όταν το καύσιµο είναι µεθανόλη γίνεται σε φάσεις: H χρησιµοποίηση της µεθανόλης σαν καύσιµο γίνεται ως εξής σε 3 στάδια CH3OH+2OH- = HCHO+2H2O+2e- (3) HCHO+2OH- = HCOOH+H2O+2e- (4) HCOOH+2OH- = CO2+2H2O+2e- (5) Συνολικά CH3OH+6OH- = CO2+5H2O+6e- (6) Παρατηρούµε ότι σε ολες τις αντιδράσεις υπεισέρχονται ιόντα υδροξυλίου OH-, κάτι που είναι δυνατόν γιατί ο ηλεκτρολύτης είναι αλκαλικός (KOH) Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η απόδοση της κυψέλης καυσίµου µεταβάλλεται σηµαντικά µε τη θερµοκρασία λειτουργίας της. ιεξαγωγή του πειράµατος O απαραίτητος εξοπλισµός για την διεξαγωγή του πειράµατος είναι α. H κυψέλη καυσίµου β. Mεταβλητή αντίσταση, βολτόµετρο, αµπερόµετρο, καλώδια σύνδεσης. γ. 65 ml διαλύµατος KOH, 1M ( Μορ. Βάρος KOH=56) 9

10 δ. Mεθανόλη ή αιθανόλη (5ml) Tο πείραµα αρχίζει µε την προσθήκη του ηλεκτρολύτη (διάλυµα KOH περίπου 1Μ ) στην κυψέλη καυσίµου. Στη συνέχεια προστίθεται στον ηλεκτρολύτη το καύσιµο, Mεθανόλη ή αιθανόλη (3-5 ml) και το µίγµα αναδεύεται ελαφρά. Σε λίγα λεπτά η κυψέλη καυσίµου είναι έτοιµη. Λήψη πειραµατικών δεδοµένων Συνδέουµε τη µετρητική συσκευή µε την κυψέλη καυσίµου όπου διακρίνονται σαφώς ο θετικός και ο αρνητικός πόλος. α. µετράµε την τάση ανοικτού κυκλώµατος β. µεταβάλλοντας την αντίσταση µετράµε τη τάση και την ένταση γ. καταγράφουµε τα δεδοµένα ως εξής Aντίσταση (Ω): Aνοικτό κύκλωµα Eνταση (A): 0 Tάση (V) Aντίσταση (Ω): Eνταση (A): Tάση (V): Aντίσταση (Ω): Eνταση (A): - Yπολογίζοµε Tάση (V): Και την ισχύ της κυψέλης καυσίµου Oταν µεταβάλοµε την αντίσταση, περιµένοµε 1 λεπτό, πριν καταγράψοµε την τάση και την Eνταση. Eεπεξεργασία και παρουσίαση πειραµατικών δεδοµένων - Παρουσιάζοµε τα δεδοµένα σε διαγράµµατα α. I-V β. I-P Eφόσον υπάρχει και δεύτερη κυψέλη καυσίµου (οπότε χρειάζεται διπλάσια ποσότητα ηλεκτρολύτη και καυσίµου) συνδέουµε τις δύο κυψέλες α) σε σειρά και β) παράλληλα και επαναλαµβάνουµε το πείραµα στις δύο αυτές περιπτώσεις. 3. EΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Tί διαφέρει η κυψέλη καυσίµου που χρησιµοποιήσατε στο πείραµα αυτό µε την κυψέλη καυσίµου που χρησιµοποιήσατε στο άλλο πείραµα (6), ως προς τον ηλεκτρολύτη; 2. Ποιο κατά τη γνώµη σας είναι καλύτερο καύσιµο (µεθανόλη ή αιθανόλη) για αυτή την κυψέλη καυσίµου και γιατί; 3. Mπορείτε να χρησιµοποιήσετε γεωργικές πρώτες ύλες πλούσιες σε σάκχαρα ή άµυλο για τη λειτουργία αυτής της κυψέλης καυσίµου και πώς; 4. Σχολιάστε τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα των 2 κυψελών καυσίµου (PEM και Aλκαλικής) που χρησιµοποιήσατε στις εργαστηριακές ασκήσεις σας. 10

11 5. Σε ποιες εφαρµογές µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε την αλκαλική κυψέλη καυσίµου; 6. Ποια είναι η τάση ανοικτού κυκλώµατος όταν συνδέετε τις δύο κυψέλες στη σειρά και παράλληλα; 7. Ποια είναι τα ηλεκτρόδια και ποιος ο ηλεκτρολύτης σε αυτή τη κυψέλη καυσίµου και ποιά στη κυψέλη του προηγουµένου πειράµατος; 4.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. J.Larminie, A. Dicks, Fuel cell systems explained, J. Wiley and sons, New York,

12 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 4 ΦΟΡΤΙΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΓΕΝΙΚΑ Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ένα αυτόνοµο φωτοβολταϊκό ή αιολικό σύστηµα, θα πρέπει να αποθηκευτεί πριν καταναλωθεί. Συνήθως η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται µε τη µετατροπή της σε χηµική ενέργεια σε κατάλληλους ηλεκτρικούς συσσωρευτές. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ηλεκτρικών συσσωρευτών, ανάλογα µε τον τύπο των ηλεκτροδίων τους. Οι πιο διαδεδοµένοι είναι εκείνοι που τα ηλεκτρόδιά τους είναι πλάκες από κράµατα µολύβδου (Pb) βυθισµένα σε διάλυµα θειϊκού οξέος (H 2 SO 4 ). Η λειτουργία των συσσωρευτών Μολύβδου στηρίζεται σε µια αντιστρεπτή ηλεκτροχηµική διαδικασία, που περιγράφεται από την αµφίδροµη αντίδραση : 2 PbSO 4 + 2H 2 O φόρτιση εκφόρτιση PbO 2 + 2H 2 SO 4 + Pb Κάθε συσσωρευτής µε ονοµαστική τάση περίπου 12 V αποτελείται από 6 κυψελίδες στη σειρά, ονοµαστικής τάσεως 2V εκάστη. Οι απλοί συσσωρευτές αυτοκινήτου χρησιµοποιούνται για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε πολύ απλές εφαρµογές των Α.Π.Ε. και το βάθος της εκφόρτισής τους δεν υπερβαίνει το 10-20%. Συνήθως όµως χρησιµοποιούνται πιο σύνθετοι συσσωρευτές, όπου το βάθος εκφόρτισής τους κυµαίνεται από 50% έως 90%. Ανάλογα µε τον τύπο τους οι συσσωρευτές µολύβδου αντέχουν συνήθως µέχρι κύκλους φορτίσεων-εκφορτίσεων, ενώ µετά αχρηστεύονται. Είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθούν συσσωρευτές εν σειρά, οπότε αυξάνεται η τάση τους και έτσι µπορούν να επιτευχθούν τάσεις συνεχούς ρεύµατος 100 ή και περισσότερων Volts. Όταν χρησιµοποιηθούν παράλληλα αυξάνεται η χωρητικότητά τους, ενώ η τάση παραµένει στα 12V. Οι φορτισµένοι συσσωρευτές εξάλλου αυτοεκφορτίζονται µε ρυθµό 2-5% µηνιαίως, ρυθµός που αυξάνει µε την ηλικία των συσσωρευτών. Xωρητικότητα συσσωρευτών Χαρακτηριστικό µέγεθος ενός συσσωρευτή είναι η χωρητικότητά του και εκφράζεται σε αµπερώρια (Αh). Η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που µπορεί να αποθηκευθεί σε έναν σωσσωρευτή είναι το γινόµενο της χωρητικότητάς του επί την ονοµαστική του τάση. Έτσι ένας συσσωρευτής χωρητικότητος 75 Ah µε ονοµαστική τάση 12V, έχει ονοµαστική ικανότητα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας 75Ah x 12V = 900 AVh = 900WH. Εφόσον ο συσσωρευτής αυτός εκφορτιστεί κατά 20%, µπορεί να δώσει ωφέλιµη ηλεκτρική ενέργεια 900 wh x 0.2 = 180 wh. 12

13 Χαρακτηριστικό µέγεθος του συσσωρευτή είναι ο βαθµός απόδοσής του, που ορίζεται ως: Μέση ενέργεια εκφόρτισης Βαθµός απόδοσης συσσωρευτή= Μέση ενέργεια φόρτισης (0.1) Ο βαθµός απόδοσης των συσσωρευτών συνήθως λαµβάνεται Αν δεχθούµε ότι ένας συσσωρευτής έχει: α) βαθµό απόδοσης 0.85 (η) β) επιτρεπόµενο βαθµό εκφόρτισης 0.6 (a) γ) ονοµαστική χωρητικότητα 100 Αh (C) δ) τάση 12V (V) τότε η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας (E) που λαµβάνεται κατά την εκφόρτισή του είναι : E = C V n α = 100 Ah 12V = 612Wh Από την προαναφερθείσα εξίσωση µπορούµε να υπολογίσουµε την ονοµαστική χωρητικότητα ενός συσσωρευτή που θέλουµε να µας καλύπτει τις ανάγκες µας σε ηλεκτρική ενέργεια. E C = C n α (0.2) Η χωρητικότητα των συσσωρευτών εξαρτάται από την ένταση του ρεύµατος που δίδουν στην κατανάλωση. Έτσι ένας συσσωρευτής ονοµαστικής χωρητικότητος ορισµένων αµπεροωρών θα εξαντληθεί συντοµότερα, εάν η ένταση του ρεύµατος που δίδει στην κατανάλωση είναι µεγαλύτερη, και αργότερα εάν η ένταση του ρεύµατος που δίδει στην κατανάλωση είναι µικρότερη. Ορισµένοι κατασκευαστές συσσωρευτών δίδουν τη χωρητικότητα του συσσωρευτή συναρτήσει του χρόνου αποφόρτισής τους. Φόρτιση και εκφόρτιση ηλεκτρικών συσσωρευτών Η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές και στη συνέχεια η χρησιµοποίησή της συνεπάγεται τη διαδοχική φόρτιση και εκφόρτιση του συσσωρευτή. Η διάρκεια της χρήσιµης ζωής των συσσωρευτών εξαρτάται: α) από το πλήθος των διαδοχικών κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης β) από το βάθος κάθε εκφόρτισης. Για να αποφεύγεται η εκφόρτιση των συσσωρευτών πέρα από κάποιο σηµείο καθώς και η υπερβολική φόρτισή τους (που έχουν σαν αποτέλεσµα την ταχεία φθορά τους), χρησιµοποιούνται ηλεκτρονικές διατάξεις, οι οποίες : α) διακόπτουν τη ροή ενέργειας προς το συσσωρευτή όταν η χωρητικότητά τους υπερβεί κάποιο σηµείο, β) διακόπτουν τη ροή ενέργειας προς την κατανάλωση όταν η χωρητικότητα του συσσωρευτή κατέλθει σε κάποιο σηµείο. Οι ηλεκτρονικές αυτές διατάξεις προφυλάσσουν τους συσσωρευτές και είναι απαραίτητες σε κάθε αιολικό ή φωτοβολταϊκό αυτόνοµο σύστηµα. 13

14 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Σκοπός του πειράµατος είναι να καταγράψει τη σχέση χρόνου-έντασης του ρεύµατος κατά τη διάρκεια της φόρτισης δύο συσσωρευτών και να υπολογίσει τη ροή της εισερχόµενης ενέργειας συναρτήσει του χρόνου καθώς και τη συνολικά προστιθέµενη ενέργεια κατά τη διάρκεια της φόρτισης των συσσωρευτών. Πειραµατική διάταξη Κατά τη διεξαγωγή του πειράµατος χρησιµοποιούνται τα εξής : Συσσωρευτής τύπου αυτοκινήτου χωρητικότητας ΑΗ. Συσσωρευτής µεγαλύτερου βάθους εκφόρτισης χωρητικότητας περίπου 100 ΑΗ. Απλή συσκευή φόρτισης συσσωρευτών µε ενσωµατωµένο αµπερόµετρο ισχύος 100 W. Πολύµετρο. Η πειραµατική διάταξη φαίνεται στο σχήµα 2.1. Φορτιστής A Συσσωρευτής Σχ. Πειραµατική διάταξη για τη µέτρηση της έντασης του ρεύµατος κατά τη διάρκεια της φόρτισης συσσωρευτή Εκτέλεση πειράµατος Πριν αρχίσουν οι µετρήσεις πρέπει να είµεθα βέβαιοι ότι ο συσσωρευτής έχει εκφορτισθεί µέχρι του σηµείου εκείνου που το επιτρέπει ο ηλεκτρονικός ρυθµιστής υπερφόρτισης-αποφόρτισης συσσωρευτή, δηλαδή µέχρι να ανάψει η ένδειξη συσσωρευτής εκφορτισµένος. Κατά τη διάρκεια του πειράµατος µετρώνται τα εξής : Α. Η τάση των συσσωρευτών πριν αρχίσει η φόρτισή τους. Β. Μετά την έναρξη της φόρτισης η ένταση του ρεύµατος κάθε 15 λεπτά. Γ. Η τάση των συσσωρευτών µετά το πέρας της φόρτισης. Από τα δεδοµένα αυτά µπορούν να υπολογιστούν τα Αµπερώρια που εισέρχονται στο συσσωρευτή κάθε ώρα καθώς και τα συνολικά αµπερώρια που προστέθηκαν κατά τη διάρκεια της φόρτισης (όπως και το βάθος εκφόρτισης του συσσωρευτή). Αποτελέσµατα Τα αποτελέσµατα θα δοθούν σε πίνακες και διαγράµµατα υπό την ακόλουθη µορφή (για κάθε συσσωρευτή) : Πίνακας 1: Χρόνος φόρτισης - Ένταση του ρεύµατος φόρτισης Πίνακας 2: Χρόνος φόρτισης - Αµπερώρια που προστίθενται στο συσσωρευτή Πίνακας 3: Χρόνος φόρτισης - Σύνολο αµπερωρίων που έχουν εισέλθει στο συσσωρευτή Πίνακας 4: Χρόνος φόρτισης - % της χωρητικότητας του συσσωρευτή Τα στοιχεία των πινάκων αυτών θα παρουσιαστούν σε διαγράµµατα. Θα υπολογιστεί η ωφέλιµη ενέργεια που µπορεί να ληφθεί από το συσσωρευτή, όταν ο βαθµός απόδοσής του είναι

15 Να απαντηθούν από τους σπουδαστές κατά τη διάρκεια του πειράµατος : 1. Γιατί πρέπει να αποφεύγεται η υπερφόρτιση και η υπερβολική αποφόρτιση των ηλεκτρικών συσσωρευτών ; 2. Πώς µπορεί να αποθηκευτεί η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ένα αυτόνοµο αιολικό ή φωτοβολταϊκό σύστηµα εκτός από τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές ; 3. Πώς µεταβάλλεται η τάση του ηλεκτρικού συσσωρευτή κατά τη διάρκεια της φόρτισής του ; Άσκηση Αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα χρησιµοποιεί ηλεκτρικούς συσσωρευτές για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας. Κατανάλωση 1250 w πρέπει να τροφοδοτείται για 6 ώρες ηµερησίως και για 4 συνεχείς ηµέρες χωρίς ηλιοφάνεια από τους συσσωρευτές, οι οποίοι έχουν µέγιστο βάθος εκφόρτισης 60%. Υπολογίσατε τη χωρητικότητα των συσσωρευτών (βαθµός απόδοσης συσσωρευτών = 0,85). 3. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Η Μπαταρία αποτελεί ένα σύστηµα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενεργείας σε Χηµική Ενέργεια. Αναφέρατε άλλα συστήµατα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας σε άλλη ενεργειακή µορφή. 2. Οι διεργασίες που γίνονται στη µπαταρία κατά τη µετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χηµική είναι α) Φυσικές β) Θερµοχηµικές γ) Βιολογικές δ) Ηλεκτροχηµικές. 3. Οταν αποθηκεύεται ηλεκτρική ενέργεια σε χηµική µορφή στη µπαταρία που κυµαίνεται ο βαθµός απόδοσης της ενεργειακής µετατροπής. 4. Μεταβάλλεται ή όχι η χωρητικότητα της µπαταρίας ανάλογα µε την ένταση του ρεύµατος εκφόρτισης. 5. Πώς µεταβάλλεται η τάση της ηλεκτρικής µπαταρίας κατά τη διάρκεια της φόρτισής του; 6. Γιατί πρέπει να αποφεύγεται η υπερφόρτιση και η υπερβολική αποφόρτιση των ηλεκτρικών µπαταριών; 7. Κάντε το σκαρίφηµα τάση µπαταρίας ένταση ρεύµατος για µεταβαλλόµενο φορτίο κατανάλωσης (πριν φθάσοµε το επιθυµητό βάθος εκφόρτισης). 8. Σε τί µοιάζει και σε τί διαφέρει µια µπαταρία από µία κυψέλη καυσίµου; 9. Στις απλές µπαταρίες αυτοκινήτου Μολύβδου Θειϊκού οξέως α) Ποιό είναι το βάθος εκφόρτισης τους β) Πόσους κύκλους φόρτισης εκφόρτισης αντέχουν. 10. Από τι επηρεάζεται ο χρόνος ζωής των µπαταριών; 11. Πώς µεταβάλλεται η τάση και η χωρητικότητα των µπαταριών όταν συνδέονται; α) Στη σειρά β) Παράλληλα 12. Το ρεύµα που δίδουν οι µπαταρίες είναι α) συνεχές; β) Εναλλασόµενο; 15

16 5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Κ.Καγκαράκη, «Φωτοβολταική τεχνολογία «, Εκδόσεις συµµετρία, Αθήνα,

17 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5 ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ (Ι) ΙΑΦΟΡΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΣΕ ΕΝΑ ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ Η ΑΙΟΛΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Για την τροφοδοσία ηλεκτρικών συσκευών στα 220V EP από συσσωρευτές 12V ΣΡ απαιτείται η παρεµβολή µετατροπέων (µετασχηµατιστών/ανορθωτών). Κατά την εκκίνηση ενός κινητήρα, για µικρό χρονικό διάστηµα απαιτείται αυξηµένη κατανάλωση ισχύος σε σχέση µε την κανονική λειτουργία του κινητήρα. Έτσι στιγµιαία απαιτείται πολλαπλάσια ένταση ρεύµατος (5-7 φορές συνήθως η ένταση κανονικής λειτουργίας) από τον κινητήρα, γεγονός το οποίο πρέπει να ληφθεί υπ όψη κατά τη διαστασιολόγηση του µετατροπέα που τροφοδοτεί τον κινητήρα µε ηλεκτρική ενέργεια. Έτσι π.χ. σε ένα ψυγείο το οποίο κατά την κανονική λειτουργία του απαιτεί 1Α, στιγµιαία κατά την εκκίνηση του µοτέρ καταναλώνει 6-7Α. Η διαστασιολόγηση του µετατροπέα θα πρέπει να λάβει υπ όψη της το γεγονός αυτό, γιατί διαφορετικά, εφόσον ο µετατροπέας παρέχει µόνο την απαιτούµενη ενέργεια για την κανονική λειτουργία της συσκευής, δεν θα είναι δυνατή η εκκίνηση του κινητήρα. Ο κατασκευαστής του µετατροπέα δίδει συνήθως : α) Την ισχύ (και την ένταση) κανονικής λειτουργίας του. β) Την ισχύ (και την ένταση) για µικρό χρονικό διάστηµα (περίπου 30 sec). Γνωρίζοντας τις στιγµιαίες και τις κανονικές απαιτήσεις µιας ηλεκτρικής συσκευής (ή και περισσότερων) καθώς και τα χαρακτηριστικά του µετατροπέα, µπορεί να γίνει η επιλογή του κατάλληλου συστήµατος, ούτως ώστε να ικανοποιούνται οι στιγµιαίες αλλά και κανονικές απαιτήσεις της. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Σκοπός του πειράµατος αυτού είναι η µέτρηση της έντασης του ρεύµατος διαφόρων ηλεκτρικών συσκευών µε κινητήρα και ο υπολογισµός της απαιτούµενης ισχύος του µετατροπέα (µετασχηµατιστή/ανορθωτή) για την τροφοδοσία τους µε ένα αυτόνοµο φωτοβολταϊκό ή αιολικό σύστηµα. Πειραµατική διάταξη Η πειραµατική διάταξη αποτελείται από : Μία αµπεροτσιµπίδα. Μία µπαλαντέζα όπου σε ένα σηµείο έχει αποµακρυνθεί το εξωτερικό περίβληµα και είναι διακριτά τα τρία καλώδια (φάση, ουδέτερος, γείωση), ούτως ώστε τα άκρα της αµπεροτσιµπίδας να µπορούν να εγκλωβίζουν το καλώδιο της φάσης ή του ουδέτερου. Εκτέλεση πειράµατος Με τη χρήση της αµπεροτσιµπίδας και της µπαλαντέζας µετρώνται : 1. Η στιγµιαία (εκκίνησης) και η κανονική ένταση που απαιτεί η λειτουργία ενός ψυγείου. 17

18 2. Η στιγµιαία (εκκίνησης) και η κανονική ένταση που απαιτεί η λειτουργία ενός ανεµιστήρα. 3. Η στιγµιαία (εκκίνησης) και η κανονική ένταση που απαιτεί η λειτουργία µιας ηλεκτρικής συσκευής µε µοτέρ της επιλογής σας. Υπολογισµός ισχύος µετατροπέα Για να διαστασιολογήσετε και να επιλέξετε τον κατάλληλο µετατροπέα για ένα σύστηµα θα πρέπει να γνωρίζετε τις απαιτήσεις των ηλεκτρικών συσκευών. Έστω λοιπόν ότι θα τροφοδοτήσετε ένα ψυγείο 200 W, του οποίου ο κινητήρας απαιτεί στιγµιαία 1200 W. Θα πρέπει να επιλέξετε ένα µετατροπέα, ο οποίος θα καλύπτει τις ανάγκες του ψυγείου και στιγµιαία, αλλά και στις κανονικές συνθήκες λειτουργίας του. Άσκηση Έστω ένα αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα που θα τροφοδοτεί : α) ύο λαµπτήρες των 20 W. β) Ένα ραδιόφωνο των 15 W. γ) Ένα ψυγείο των 100 W (στιγµιαία των 600 W). δ) Έναν ανεµιστήρα των 50 W (στιγµιαία των 320 W). Επιλέξατε τα χαρακτηριστικά του µετατροπέα. 3. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Σε ποιές περιπτώσεις η στιγµιαία ένταση του ρεύµατος κατά την εκκίνηση µιας συσκευής είναι µεγαλύτερη από την ένταση κατά τη κανονική λειτουργία της. α) Ηλεκτρική σόµπα β) Ηλεκτρικός θερµοσίφωνας γ) Λαµπτήρας φθορισµού δ) Ψυγείο ε) Πλυντήριο πιάτων στ) Ηλεκτρικό µάτι ζ) Κλιµατιστικό µηχάνηµα Εξηγείστε 18

19 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 1. ΣΚΟΠΟΣ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ Σκοπός του πειράµατος αυτού είναι η εξοικείωση του σπουδαστή µε την ηλιακή γεωµετρία καθώς και µε τον υπολογισµό της ηλιακής ακτινοβολίας. Είναι επίσης η εξοικείωση µε τον προκαταρκτικό υπολογισµό των ενεργειακών εισροών σε µία κατοικία. 2. ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ 1) Γεωγραφικό πλάτος (φ) είναι η γωνιακή απόσταση ενός τόπου από τον Ισηµερινό. 2) Ηλιακή απόκλιση (δ) είναι η γωνιακή απόσταση των ηλιακών ακτίνων βόρεια ή νότια του Ισηµερινού (κυµαίνεται +23,5 0 έως ). ίδεται από τη σχέση: 360 δ=23,45 ηµ ( 284 +η), όπου δ σε µοίρες 365 η=ηµέρα του έτους π.χ. 30/1=30 2/2=33 1/3=60 3) Γωνία ώρας (ω) ενός σηµείου στην επιφάνεια της γης είναι η γωνία κατά την οποία πρέπει να περιστραφεί ο µεσηµβρινός του συγκεκριµένου σηµείου για να γίνει παράλληλος προς τις ακτίνες ήλιου. ίδεται από τη σχέση: ω = γωνία ώρας = 1/4 αριθµός λεπτών από το τοπικό ηλιακό µεσηµέρι. Οι γωνίες που αντιστοιχούν τις απογευµατινές ώρες λαµβάνονται θετικές. 4) Γωνία Ζενίθ του ήλιου (θ Ζ ) του ήλιου είναι η γωνία µεταξύ των ηλιακών ακτίνων και της κατακόρυφης. 5) Γωνία ύψους του ήλιου (α) είναι η γωνία µεταξύ των ηλιακών ακτίνων και της οριζόντιας. 6) Γωνία Αζιµουθίου του ήλιου (Ψ) είναι η γωνία που σχηµατίζουν η προβολή των ηλιακών ακτίνων στο οριζόντιο επίπεδο µε τη κατεύθυνση του νότου (οι δυτικές γωνίες θεωρούνται θετικές) ΙΣΧΥΟΥΝ θ Ζ + α = 90 0 cos (θ Ζ ) = sin(α) = sin(φ) sin(δ) + cos(φ)cos(δ)cos(ω) 19

20 sin( ω) sin(ψ) = cos(δ) cos( α) 7) ιάρκεια ηµέρας (σε ώρες) = 2/15 arc cos [-tan(φ)tan(δ)] 24 Η 0 = G Π 8) Ηλιακή ακτινοβολία που πέφτει έξω από την ατµόσφαιρα της γης (W/m2) σε µία επιφάνεια οριζόντια παράλληλη προς το έδαφος της πλησιέστερης γήινης τοποθεσίας. 360 η G = G 0 + 0,033 cos sin( φ )sin( δ ) + cos( φ)cos( δ )cos( ω) [ ] 9) Ηλιακή ακτινοβολία έξω από την ατµόσφαιρα της γης (W/m2) που πέφτει σε µία µοναδιαία επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες του ηλίου. 360 η G = G ,033 cos 365 W G 0 = ηλιακή σταθερά = m 10) Ολική ηλιακή ακτινοβολία Η 0 (W/m2)που πέφτει σε µία εξωγήινη οριζόντια επιφάνεια κατά τη διάρκεια µιας ηµέρας 360 η 2Π ως 1 + 0,033cos cos( φ)cos( δ )sin( ως ) + sin( φ) sin( Όπου ω ς =ha= ώρα ανατολής του ήλιου 0 δ 11) Ώρα ανατολής (hα) και δύσης του ηλίου (hδ) (ώρες) διάρκειαηµ έρας hα = 12-2 διάρκειαηµ έρας hδ = Απαντήστε στα εξής Για το µόνιµο τόπο διαµονής σας: Υπολογίσατε για τις 22 Νοεµβρίου, στις 3 το απόγευµα. Α) Την εξωγήινη προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία που πέφτει σε µία επιφάνεια κάθετα στις ακτίνες του ηλίου Β) Την ηλιακή απόκλιση, το γεωγραφικό πλάτος και την γωνία ώρας Γ) Την γωνία ύψους του ήλιου Την γωνία αζιµουθίου του ήλιου Τη γωνία ζενίθ του ήλιου εδοµένων των γωνιών της παραγράφου Β. ) 20

21 ) Τις ώρες ανατολής και δύσης του ήλιου καθώς και τη διάρκεια της ηµέρας Ε) Την εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία σε µία οριζόντια επιφάνεια παράλληλη προς το έδαφος της πλησιέστερης γήινης τοποθεσίας καθώς και την ολική εξωγήινη ηµερήσια ακτινοβολία στο τόπο διαµονής σας. ΣΤ) Για το σπίτι που µένετε, εκτιµήστε, λαµβάνοντας υπ όψη την ετήσια κατανάλωση πετρελαίου και τους λογαριασµούς της ΕΗ: α) Την ενέργεια που απαιτείται για τη θέρµανση και τη ψύξη β) Την ενέργεια που απαιτείται για ζεστό νερό χρήσης γ) Την ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία ηλεκτρικών συσκευών ίδονται α) Μέση ηµερήσια κατανάλωση ζεστού νερού στο µπάνιο lt/ άτοµο (θερµοκρασίας 50 0 C) ΚCAL β) Θερµογόνος δύναµη πετρελαίου 9000 lt γ) Βαθµός απόδοσης συστήµατος κεντρικής θέρµανσής µε χρήση πετρελαίου 82% δ) Ισχύς µικρής µονάδας ψύξεως 2500 ε) 1 KWH = 861 KCAL KCAL, 1 KW h Παραδείγµατα των ηµερήσιων ηλεκτρικών καταναλώσεων σε µια κατοικία µε µία οικογένεια Ώρες λειτουργίας (h) Ηλεκτρική κατανάλωση (kwh) Ισχύς Συσκευή (kw) Φώτα Ψυγείο 0,3 9 2,7 Τηλεόραση 0,2 4 0,8 Ηλεκτρική σκούπα 0,6 0,5 0,3 Στεγνωτήρας µαλλιών 0,4 0,5 0,2 Φρυγανιέρα 1,5 0,2 0,3 Πλυντήριο ρούχων 3,5 0,2 0,7 Σύνολο 7,5 8 - Αν αντί για πετρέλαιο χρησιµοποιήστε πυρηνόξυλο για τη θέρµανση του χώρου, κάτι που είναι διαδεδοµένο για µονοκατοικίες στη Κρήτη, σε τι συµπεράσµατα καταλήγετε; ίδονται 21

22 Kcal - Θερµογόνος δύναµη πυρηνόξυλου: 3500 Kg - Βαθµός απόδοσης συστήµατος θέρµανσης µε πυρηνόξυλο: 70% δρχ - Κόστος πυρηνόξυλου: 8, κόστος πετρελαίου θέρµανσης: 120 δρχ/lt Kg 3. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΕΜΠΕ ΩΣΗΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 1. Τι διαφορά έχει η ηλιακή απόκληση στην Αθήνα και τη Θεσσαλονίκη στις 30 Μαϊου. 2. Τι συµβαίνει στην ηλιακή ακτινοβολία όταν διέρχεται µέσα από την ατµόσφαιρα της γης; 3. Που είναι µεγαλύτερη η ηλιακή ακτινοβολία; Στην επιφάνεια του πλανήτη ή έξω από την ατµόσφαιρα της γης; 4. Πώς θα βρείτε το γεωγραφικό πλάτος ενός τόπου; 5. Πού κυµαίνεται η ηλιακή απόκλιση; 6. Οι γωνίες ύψους του ηλίου και ζενίθ του ηλίου είναι: Α) συµπληρωµατικές ή Β) παραπληρωµατικές 4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΜΕΛΕΤΗ 1. J. Twidell, T. Weir Renewable energy resources E. FN, Spon, England Godfrey Boyle Renewable Energy Oxford University press,

23 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΝΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της άσκησης αυτής είναι η εξοικείωση του σπουδαστή µε τη διαδικασία υπολογισµού ενός αυτόνοµου φωτοβολταϊκου συστήµατος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 2. ΓΕΝΙΚΑ Η ηλεκτρική ενέργεια Ε που παράγει ένα Φ/Β στοιχείο (ή και περισσότερα) επιφανείας Α και συντελεστού απόδοσης η όταν δεχθεί ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας Π δίδεται από τη σχέση: 1) Ε= Π x A x η, όπου Ε σε KWH Π σε KWH/m Α σε m 2 η αδιαστατο 2 ( Βρίσκεται από πίνακες ) Ε = Π Α η σ ρ σ θ στη πράξη ισχύει (Εφόσον το Π δίδεται σε KWH/m2* day τότε το Ε δίδεται σε KWH/Day ) Ο συντελεστής καθαρότητος (σ ρ) (αδιάστατος) ορίζεται σαν το πηλίκο της ενέργειας που δίδει το Φ/Β στοιχείο εάν στην επιφάνεια του υπάρχει επικάθηση σκόνης σε σχέση µε την ενέργεια που δίδει το ίδιο στοιχείο εάν είναι τελείως καθαρή η επιφάνεια του. Ο συντελεστής θερµοκρασιακής διόρθωσης (σ θ )(αδιάστατος) ενός στοιχείου ορίζεται σαν το πηλίκο της ενέργειας που αποδίδει το Φ/Β στοιχείο στη θερµοκρασία που βρίσκεται σε σχέση µε την ενέργεια που αποδίδει το ίδιο Φ/Β στοιχείο στη θερµοκρασία των 20 Ο C. Ο συντελεστής σ θ µειώνεται κατά 0,005 ανά βαθµό αύξησης της θερµοκρασίας άνω των 20 Ο C. O συντελεστής αποδοσης ή βαθµός απόδοσης (η)(αδιάστατος) ενός Φ/Β στοιχείου ορίζεται σαν ο λόγος της µέγιστης ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το Φ/Β πλαίσιο προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται στην επιφάνεια του. 23