Εργαστήριο ΑΠΕ I. Εισαγωγικά στοιχεία: Δομή εργαστηρίου. Τεχνολογίες ΑΠΕ. Πολυζάκης Απόστολος Καλογήρου Ιωάννης Σουλιώτης Εμμανουήλ

Transcript

1 Εργαστήριο ΑΠΕ I Εισαγωγικά στοιχεία: Δομή εργαστηρίου. Τεχνολογίες ΑΠΕ. Πολυζάκης Απόστολος Καλογήρου Ιωάννης Σουλιώτης Εμμανουήλ

2 Ενότητες Εργαστηρίου ΑΠΕ Ι και Ασκήσεις Ενότητα 1 - Εισαγωγή: Τεχνολογίες ΑΠΕ και τεχνολογίες ΑΠΕ στα κτίρια. Ενότητα 2 Άσκηση 1: Γεωμετρικοί Παράμετροι του Ηλιακού Δυναμικού (Μέρος Α). Άσκηση 2: Γεωμετρικοί Παράμετροι του Ηλιακού Δυναμικού (Μέρος Β) Ενότητα 3 Άσκηση 3: Μέτρηση, Υπολογισμός και Εκτίμηση Ηλιακού Δυναμικού (Μέρος Α). Άσκηση 4: Μέτρηση, Υπολογισμός και Εκτίμηση Ηλιακού Δυναμικού (Μέρος Β). Ενότητα 4 Άσκηση 5: Μελέτη Σκίασης των Ηλιακών Συστημάτων. Ενότητα 5 Άσκηση 6: Πειραματική Μελέτη Επίπεδου Ηλιακού Θερμικού Συλλέκτη. Άσκηση 7: Πειραματική Μελέτη Ηλιακού Θερμικού Συστήματος Θέρμανσης Νερού. Άσκηση 8: Πειραματική Μελέτη Ηλιακού Θερμικού Συστήματος Θέρμανσης Νερού - Χώρου Άσκηση 9: Η Μέθοδος των Καμπυλών f (Μέρος Α) Άσκηση 10: Η Μέθοδος των καμπυλών f (Μέρος Β) 2

3 Δομή Εργαστηριακών Ασκήσεων Θεωρητικό μέρος: Σύντομη θεωρητική ανάπτυξη της διεργασίας υπό μελέτη Παρουσίαση φύλλου μετρήσεων Περιγραφή μετρητικής διαδικασίας Ανάλυση διαδικασίας υπολογισμών Εκτέλεση μετρήσεων Επεξεργασία μετρήσεων Παράδοση εργασίας 3

4 Εξώφυλλο: φόρμα αναφοράς Εισαγωγή Δομή εργασιών Σύντομη αναφορά (1 παράγραφος) στο αντικείμενο και σκοπό της άσκησης. Θεωρητικό μέρος Συνοπτική παρουσίαση των βασικών φαινόμενων (και της μαθηματικής τους ανάλυση) που σχετίζονται με τη διεργασία υπό μελέτη. Φύλλο μετρήσεων Επισύναψη του φύλλου μετρήσεων που συμπληρώθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος. Αναλυτική παρουσίαση απαιτούμενων υπολογισμών Η παρουσίαση θα είναι ενδεικτική υπό την έννοια ότι δε θα περιλαμβάνει υπολογισμούς που επαναλαμβάνονται. Αποτελέσματα (& διαγράμματα) Συμπεράσματα Τα συμπεράσματα θα πρέπει να προκύπτουν από την ανάλυση των αποτελεσμάτων. 4

5 Φόρμα Αναφοράς Εργαστηριακής Άσκησης 5

6 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΠΕ Ι Οδηγίες προς τους φοιτητές/τριες σχετικά με τις υποχρεώσεις τους στο εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Για την επιτυχή παρακολούθηση του εργαστηριακού μαθήματος είναι υποχρεωτική η παρουσία των σπουδαστών στην διεξαγωγή των εργαστηριακών ασκήσεων για τις οποίες επιτρέπονται μέχρι δύο απουσίες. Σε αντίθετη περίπτωση ο σπουδαστής είναι υποχρεωμένος/νη να επαναλάβει το εργαστήριο το επόμενο έτος. Κάθε εργαστηριακό μάθημα συνοδεύεται και από εργασία (αναφορά) η οποία θα πρέπει να παραδοθεί από τον σπουδαστή/τρια στο επόμενο μάθημα διεξαγωγής του εργαστηρίου. Εάν η εργασία δεν παραδοθεί εμπρόθεσμα θεωρείται ανεπιτυχής (μη γενόμενη). Εάν ο σπουδαστής/τρια απουσιάσει σε κάποιο μάθημα, δεν έχει δικαίωμα να παραδώσει εργασία για το εργαστήριο που δεν παρακολούθησε. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η εργασία λαμβάνεται υπόψη με μηδέν στο μέσο όρο. Οι παραδοθείσες εργαστηριακές ασκήσεις βαθμολογούνται με κλίμακα από 1 έως 10. Ο μέσος όρος των ασκήσεων του εργαστηρίου αντιστοιχεί στο 70% του συνολικού βαθμού, ενώ ο βαθμός της τελικής γραπτής εξέτασης, για το εργαστήριο, στο 30%. Οι φοιτητές με την είσοδό τους στο εργαστήριο είναι υποχρεωμένοι να υπογράφουν στο παρουσιολόγιο. Οι σπουδαστές/σπουδάστριες προτρέπονται να υλοποιούν τις εργασίες σε ομάδες των δύο ατόμων Κάθε άσκηση/εργασία που παραδίδεται θα πρέπει να έχει στο συνημμένο εξώφυλλο τα στοιχεία του/των σπουδαστή/ών. 6

7 Σύντομη παρουσίαση τεχνολογιών ΑΠΕ Εισαγωγή: το ενεργειακό και περιβαλλοντικό πρόβλημα Η λύση των ΑΠΕ ΑΠΕ για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (σε μεγάλη κλίμακα) ΑΠΕ με εφαρμογή στο κτίριο 7

8 Το Ενεργειακό και Περιβαλλοντικό Πρόβλημα είναι Σύνθετο: Αύξηση πληθυσμού (από 7 δις στα 10 δις το 2050) και κατά συνέπεια αύξηση κατανάλωσης ενέργειας Αύξηση κατανάλωσης ενέργειας με την βελτίωση του βιοτικού επιπέδου στις μικρής ανάπτυξης χώρες Αύξηση εκπομπών CO 2 με την ανεξέλεγκτη κοπή των δασών καθώς και τη χρήση τους για επιβίωση Αύξηση των εκπομπών CO 2 από την χρήση των υδρογονανθράκων, με συνέπεια την αύξηση της θερμοκρασίας και των περιβαλλοντικών προβλημάτων από το παγκόσμιο φαινόμενο του θερμοκηπίου Μείωση των αποθεμάτων πετρελαίου μετά το 2030 και του φυσικού αερίου μετά το

9 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΤΗΝ Ε.Ε. Μια μικρή αλλά σημαντική συμβολή στην αντιμετώπιση του ενεργειακούπεριβαλλοντικού προβλήματος είναι οι στόχοι της Ε.Ε. για το 2020: 20% της ενέργειας να είναι από Α.Π.Ε. 20% μείωση εκπομπών CO2 ως προς το % εξοικονόμηση συνολικής κατανάλωσης ενέργειας Χρήση βιοκαυσίμων κατά 10% στις μεταφορές 9

10 Πώς θα αντιμετωπίσουμε όμως το ενεργειακό πρόβλημα στη χώρα μας; Είναι ο λιγνίτης η λύση για το ενεργειακό πρόβλημα; Η μείωση των αποθεμάτων, ο μικρός βαθμός απόδοσης μετατροπής σε ηλεκτρισμό και η σημαντική ρύπανση που προκαλεί, δείχνουν πως πρέπει να γίνει σταδιακή αποδέσμευση. Πρέπει να κρατηθούν λίγα αποθέματα για ώρα ανάγκης και για την ενεργειακή επάρκεια της χώρας μετά από χρόνια. Ο λιθάνθρακας είναι εξίσου ρυπογόνος σαν το λιγνίτη και επιπλέον είναι εισαγόμενος. 10

11 Τι γίνεται όμως με τις άλλες ενεργειακές πηγές της χώρας μας; Εκτιμάται πως υπάρχουν στη χώρα μας κοιτάσματα πετρελαίου, αλλά χρειάζεται συστηματική μελέτη και κυρίως πολιτική απόφαση για την εξόρυξη και αξιοποίηση. Όσον αφορά το υδρο-δυναμικό, στην Ελλάδα υπάρχουν περιθώρια για ανάπτυξη και διπλασιασμό της παραγόμενης ενέργειας με τα μεγάλα Υ/Η, που όμως αλλοιώνουν το τοπικό περιβάλλον. Τα μικρά Υ/Η (κυρίως σε ποτάμια) είναι φιλικά προς το περιβάλλον αλλά οι δυνατότητές τους είναι σχετικά περιορισμένες. 11

12 Το ενεργειακό πρόβλημα θα είναι έντονο σε χρόνια Εισάγουμε πετρέλαιο, φυσικό αέριο και ηλεκτρισμό (μέρος της εισαγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από πυρηνική ενέργεια) Έτσι η λύση για μη εξαρτώμενες ενεργειακές πηγές για τη χώρα μας, τώρα και στο μέλλον, είναι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Η Ελλάδα είναι πλούσια σε όλες τις μορφές ΑΠΕ και η αξιοποίησή τους θα δώσει: Ενεργειακή επάρκεια Ανεξαρτησία Ανάπτυξη του παραγωγικού τομέα Νέες θέσεις εργασίας 12

13 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΑΠΕ): Αιολική Ενέργεια - - άνεμος Βιομάζα ξύλο, χόρτα, βιοαέριο, βιοντήζελ, βιοαιθανόλη Ηλιακή Ενέργεια - - ηλιακή ακτινοβολία Ενέργεια νερού υδροηλεκτρική, κύματα, παλίρροια Γεωθερμία θερμότητα εδάφους, θερμό νερό 13

14 Πρόβλεψη για τις ΑΠΕ σε παγκόσμιο επίπεδο το 2100 Οι προβλέψεις δείχνουν τον σημαντικό ρόλο των ΑΠΕ στο παγκόσμιο ενεργειακό ισοζύγιο στα επόμενα 100 χρόνια 14

15 Σημερινή Κατάσταση Ηλεκτρισμού από ΑΠΕ στην Ελλάδα Η εγκατεστημένη ισχύς των ΑΠΕ είναι σήμερα στην Ελλάδα 1350 MW: (η αιχμή είναι: MW) Αιολικά 1100 MW Μικρά Υ/Η (Μεγάλα Υ/Η 150 MW 3020 MW) Βιομάζα 50 MW Φωτοβολταϊκά 50 MW Θερμικοί συλλέκτες 2500 MWth (3.5 εκατ. m 2 ) 15

16 Ενέργεια και Κτίριο - Ο κτιριακός τομέας είναι ο πιο ενεργοβόρος τομέας, με ποσοστό 40%, μετά από την παραγωγή βιομηχανικών και αγροτικών προϊόντων (30%) και τις μεταφορές (30%). - Τα ελληνικά κτίρια : 67% παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας & 43% συνολικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. - Η ενέργεια που τελικά αποδίδεται στην χρήση είναι γενικά το 20%-30% της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας, με την υπόλοιπη να είναι ενεργειακές απώλειες, που ως θερμότητα διαχέεται στο περιβάλλον. - Στον κτιριακό τομέα έχει αρχίσει σε πολλές χώρες μια προσπάθεια εξοικονόμησης ενέργειας με σκοπό τον περιορισμό της χρήσης υδρογονανθράκων και της εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα (βλ. ΚΕΝΑΚ Ελλάδα) 16

17 Κατανάλωση ενέργειας στα κτίρια (Ελλάδα) Ο μέσος ετήσιος ρυθμός αύξησης της κατανάλωσης ενέργειας στα ελληνικά κτήρια, τα τελευταία 20 χρόνια ήταν 4,5% μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο ρυθμό αύξησης της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας (3%) της χώρας 17

18 Κατανομή της ενεργειακής ζήτησης στα κτίρια και της προσφερόμενης ηλιακής ενέργειας στη διάρκεια του έτους Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορούν να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες των κτιρίων: - Ηλιακή Ενέργεια (θερμικοί συλλέκτες, φωτοβολταϊκά) - Αιολική ενέργεια (μικρές Α/Γ) - Βιομάζα - Γεωθερμία 18

19 Η συμβολή της ηλιακής ενέργειας (θερμικά, φωτοβολταϊκά) και τον ΑΠΕ γενικότερα γίνεται ουσιαστική όταν το κτίριο έχει ταυτόχρονα πολύ καλή ενεργειακή συμπεριφορά. Βιοκλιματική αρχιτεκτονική Αξιοποίηση του μικροκλίματος στο οποίο εντάσσεται το κτίριο με στόχο τη δημιουργία ενός κτιρίου που θα ανταποκρίνεται στις ανάγκες των ενοίκων για οπτική και θερμική άνεση με παράλληλη μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και κατά συνέπεια περιορισμένη επίδραση στο περιβάλλον 19

20 Συστήματα ΑΠΕ Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα - Ανεμογεννήτριες - Συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα - Φ/Β συστοιχίες - Αξιοποίηση βιομάζας/βιοκαυσίμων σε ΑΗΣ - Γεωθερμικοί σταθμοί παραγωγής Εφαρμογή στο κτίριο 20

21 Συστήματα ΑΠΕ Συγκεντρωτικά ηλιακά θερμικά συστήματα - Συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας - Επίτευξη υψηλών θερμοκρασιών (~1000 o C) - Εναλλακτικές γεωμετρίες συγκέντρωσης & απορρόφησης - Χρήση νερού υπό πίεση ή οργανικών θερμικών μέσων Γεωμετρικός Λόγος συγκέντρωσης = Επιφάνεια συλλογής Επιφάνεια απορρόφησης 21

22 Συστήματα ΑΠΕ Με εφαρμογή στο κτίριο 22

23 Ενεργειακές απαιτήσεις κτιρίου Θέρμανση Ψύξη Αερισμός Ζεστό νερό Χρήσης Φωτισμός Ηλεκτρικές συσκευές 23

24 Συστήματα ΑΠΕ στο κτίριο Παροχή Θερμότητας / παραγωγή ψύχους Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 24

25 Ηλιακοί θερμικοί συλλέκτες Ηλιακά θερμικά συστήματα Συστήματα ηλιακού κλιματισμού Θερμικά ηλιακά συστήματα 25

26 Θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες o C Θέρμανση νερού και χώρων Αφαλάτωση, ξήρανση κλπ Τεχνολογία απλή Κυρίαρχη τεχνολογία σήμερα o C Θέρμανση νερού και χώρων Ηλιακός κλιματισμός Βιομηχανικές χρήσεις Αφαλάτωση 26

27 Θερμικά ηλιακά συστήματα Θερμοσιφωνικά Βεβιασμένης κυκλοφορίας 27

28 Συστήματα ηλιακού κλιματισμού Αξιοποίηση θερμικής ηλιακής ενέργειας για ψύξη Δυνατότητα χρήσης επίπεδων ηλιακών συλλεκτών ή συλλεκτών σωλήνων κενού Ταυτοχρονισμός προσφοράς ηλιακού δυναμικού & ζήτησης φορτίων κλιματισμού (εποχιακή & ημερήσια) 28

29 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Τα φωτοβολταϊκά είναι συσκευές που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία απ ευθείας σε ηλεκτρισμό. Η ηλεκτρική απόδοση της μετατροπής κυμαίνεται από 5-20% και εξαρτάται από την τεχνολογία και τις συνθήκες. 29

30 Μικρές Α/Γ Εναλλακτικός ορισμός: Α/Γ μικρής ισχύος Μεγέθη έως 50 KW (σύμφωνα με την ελληνική νομοθεσία) Μέση διάμετρος πτερωτής για ανεμογεννήτρια ισχύος 10kW, ενδεικτικά 8μ. για ανεμογεννήτρια ισχύος 50kW, ενδεικτικά 15μ. Μέσο ύψος πύργου: για ανεμογεννήτρια ισχύος 10kW, ενδεικτικά 10μ. για ανεμογεννήτρια ισχύος 50kW, ενδεικτικά 20μ. 30

31 Μικρές Α/Γ Η εφαρμογή των μικρών Α/Γ έχει ενδιαφέρον όταν οι αιολικές μηχανές έχουν ιδιαίτερη αισθητική και ρόλο στο χώρο 31

32 Παραδείγματα ενσωμάτωσης Φ/Β και θερμικών ηλιακών σε κτίρια 32

33 Παραδείγματα ενσωμάτωσης Φ/Β και θερμικών ηλιακών σε κτίρια 33

34 Παραδείγματα ενσωμάτωσης Φ/Β και μικρών Α/Γ σε κτίρια 34

35 Φακοί Fresnel για τον ηλιακό έλεγχο των κτιρίων Απορροφητές επί της εστίας για την μείωση του φωτισμού και της θερμοκρασίας του εσωτερικού χώρου 35

36 Φ/Β με ανακλαστήρες Επίπεδοι ενισχυτικοί ανακλαστήρες για την αύξηση της ενεργειακής απολαβής των φωτοβολταϊκών 36

37 Ενσωμάτωση ηλιακών συλλεκτών PV/T & μικρών Α/Γ σε κυκλαδίτικο κτίριο 37