ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ (PROJECT): Ο ΗΛΙΟΣ ΩΣ ΠΗΓΗ ΖΩΗΣ, ΕΜΠΝΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ.

Transcript

1 ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ (PROJECT): Ο ΗΛΙΟΣ ΩΣ ΠΗΓΗ ΖΩΗΣ, ΕΜΠΝΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. ΟΜΑΔΑ Β / ΘΕΜΑΤΙΚΕΣ ΕΝΟΤΗΤΕΣ: 1)Ο ΗΛΙΟΣ ΣΑΝ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΗΛΙΑΚΟ ΣΠΙΤΙ) ΚΑΙ 2)ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ. 2ο ΓΕΝΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΛΑΜΙΑΣ / ΤΑΞΗ: Α ΛΥΚΕΙΟΥ / ΣΧΟΛΙΚΟ ΕΤΟΣ: ΥΠΕΥΘΥΝΟΙ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ: ΠΛΑΚΑΣ ΗΛΙΑΣ ΓΙΩΤΑ ΕΥΑΓΓΕΛΙΑ ΜΕΛΗ ΟΜΑΔΑΣ: ΝΙΑΝΙΟΥ ΣΟΦΙΑ ΜΠΟΥΡΟΓΙΑΝΝΗ ΜΑΡΙΑ ΠΑΠΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΕΛΕΑΝΑ ΠΑΠΟΥΤΣΑ ΜΑΓΙΑ ΝΤΑΛΑ ΚΑΤΕΡΙΝΑ 1

2 ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ 4 ΗΛΙΟΣ Η ΚΥΡΙΑ ΠΡΩΤΑΡΧΙΚΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 4 ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 5 ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 8 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 11 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 12 ΧΡΗΣΕΙΣ Φ/Β 12 ΣΥΛΛΟΓΗ ΤΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΦΩΤΟΣ 12 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 13 Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 13 ΗΛΙΑΚΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ 14 ΗΛΙΑΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΙΑΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ 14 ΠΩΣ ΔΟΥΛΕΥΟΥΝ ΤΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 14 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ 16 Η ΒΑΣΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ ΠΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΙ ΤΗΝ ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ 17 ΤΙ ΕΙΝΑΙ Ο ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ 17 ΟΙ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΜΟΥ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ 17 ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ 18 ΤΑ ΑΝΟΙΓΜΑΤΑ ΤΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ 19 ΤΟ ΣΧΗΜΑ ΚΑΙ Η ΘΕΣΗ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ 19 ΠΟΙΟ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΣΩΣΤΟ ΣΧΗΜΑ ΚΑΙ Η ΘΕΣΗ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ 20 2

3 Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο. Τέτοιες είναι το φως, η θερμότητα καθώς και διάφορες ακτινοβολίες. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου για την εκμετάλλευση της. Ο όρος ηλιακή κατοικία προσδιορίζει ένα κτίριο που εκμεταλλεύεται φυσικούς παράγοντες, αρχιτεκτονικές πρακτικές και το τοπικό κλίμα χρησιμοποιώντας συστήματα θέρμανσης για τον δροσισμό του χώρου χωρίς να επιβαρύνει το περιβάλλον. Δηλαδή καταναλώνει λιγότερη ενεργεία για την ψύξη και την θέρμανση που χρειάζεται. Αυτό επιτυγχάνεται από τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν εξωτερικά και εσωτερικά της τοιχοποιίας. Επίσης η επιλογή οικόπεδου όπου θα δημιουργήσετε μια σωστή ηλιακή κατοικία θα πρέπει να έχει θέα προς τον νότο και κύριο άξονα κατά την φορά ανατολής-δύσης. Έτσι το κτίριο καλύπτεται από τους βορινούς ανέμους και αξιοποιεί σωστά τη θερμική ηλιακή ενέργεια. 3

4 Τρόπος λειτουργίας της ηλιακής ενέργειας. Όταν η ηλιακή ενέργεια, δηλαδή τα φωτόνια, προσπίπτουν επάνω σε ένα ηλιακό Φ/Β στοιχείο, τότε διεγείρονται και απελευθερώνονται ηλεκτρόνια τα οποία παράγουν συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα (DC). Σε εγκαταστάσεις που περιλαμβάνουν σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, ο ηλεκτρισμός περνά μέσα από έναν ελεγκτή φόρτισης για τη ρύθμιση της τάσης και του ρεύματος, ο οποίος προστατεύει το σύστημα αποθήκευσης (π.χ. τη μπαταρία) από την πρόκληση ζημιών και την υπερφόρτιση. Ο ηλεκτρισμός μετατρέπεται από συνεχές (DC) σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) μέσω ενός μετατροπέα. Το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) είναι ο στάνταρ τύπος ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται για τη λειτουργία του φωτισμού και των συσκευών του σπιτιού. Το κουτί ασφαλειών (ηλεκτρολογικός πίνακας, κουτί διακοπτών) διανέμει στη συνέχεια στο σπίτι σας την ηλεκτρική ενέργεια για χρήση. Για τη μέτρηση της ηλεκτρικής ενέργειας που εισέρχεται και εξέρχεται από το σπίτι σας χρησιμοποιείται ένας έξυπνος μετρητής. Εάν παράγετε περισσότερη ενέργεια απ όση καταναλώνετε (κατά τη διάρκεια της ημέρας), η τυχόν περίσσεια ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να επιστραφεί στο δημόσιο ηλεκτρικό δίκτυο και εσείς λαμβάνετε μία πίστωση. Όταν χρειάζεστε περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από αυτήν που παράγεται από το ηλιακό Φ/Β σύστημα (τις βραδινές ώρες), το δημόσιο ηλεκτρικό δίκτυο τροφοδοτεί απευθείας το σπίτι σας με ηλεκτρική ενέργεια. Ήλιος Η κύρια και πρωταρχική πηγή ενέργειας για τη Γη είναι ο ήλιος μας. Η ακτινοβολία του Ήλιου, η ηλιακή ακτινοβολία, όπως συνηθίζουμε να τη λέμε, έχει τροφοδοτήσει και εξακολουθεί να τροφοδοτεί με ενέργεια όλες σχεδόν τις ανανεώσιμες και μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η ενέργεια του Ηλίου είναι όμως και από μόνη της μια σημαντική πηγή, την οποία αξιοποίησε ο άνθρωπος από τα αρχαία ακόμα χρόνια. Η χώρα μας, που δέχεται άφθονη ηλιακή ακτινοβολία, προσφέρεται ιδιαίτερα για την εκμετάλλευση αυτής της πηγής ενέργειας. Θυμηθείτε: Αρχιμήδης, τον 3ο π.χ. αιώνα, έκαψε το Ρωμαϊκό στόλο συγκεντρώνοντας τις ηλιακές ακτίνες με ασπίδες - κάτοπτρα. Είναι γνωστό ότι η ακτινοβολία του ήλιου όχι μόνο δίνει φως, αλλά επίσης θερμαίνει τα σώματα στα οποία προσπίπτει. Αυτή τη θερμότητα μπορούμε είτε να τη 4

5 χρησιμοποιήσουμε αμέσως καθώς έρχεται από τον Ήλιο, είτε να την αποθηκεύσουμε με τεχνητά μέσα και να τη χρησιμοποιήσουμε όταν τη χρειαστούμε. Λιγότερο γνωστό είναι ότι η ηλιακή ακτινοβολία αλλάζει και τις ιδιότητες κάποιων υλικών, που παράγουν έτσι ηλεκτρικό ρεύμα. Για να εκμεταλλευτούμε όσο γίνεται πιο αποδοτικά την ηλιακή ενέργεια, πρέπει να έχουμε στο νου μας πώς μεταβάλλεται η θέση του ήλιου στη διάρκεια της μέρας και στη διάρκεια του έτους. Από το παραπάνω διάγραμμα φαίνεται ότι στις χώρες του βορείου ημισφαιρίου, όπως είναι η Ελλάδα, οι επιφάνειες που είναι προσανατολισμένες στο Νότο δέχονται περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. Επίσης, παρατηρούμε ότι το καλοκαίρι ο ήλιος βρίσκεται ψηλά ως προς τον ορίζοντα, ενώ το χειμώνα είναι χαμηλά. Ας δούμε πως αξιοποιούμε άμεσα την ηλιακή ακτινοβολία για ενεργειακούς σκοπούς. Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Η καρδιά ενός ενεργητικού ηλιακού συστήματος είναι ο ηλιακός συλλέκτης, που είναι, συνήθως, τοποθε-τημένος στην ταράτσα ή στη στέγη ενός σπιτιού. Ο συλλέκτης παγιδεύει την ηλιακή ακτινοβολία για να παράγει θερμό-τητα. Στη συνέχεια, αυτή η θερμότητα μετα-φέρεται στον τόπο που θα αποθηκευτεί ή θα καταναλωθεί. Ας παρακολουθήσουμε, με τη βοήθεια του παρακάτω σχήματος, πώς συμβαίνει αυτό: Η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει στη μαύρη, μεταλλική συνήθως, επίπεδη επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη, η οποία απορροφά την ακτινοβολία και θερμαίνεται. Τυπικό ενεργητικό ηλιακό σύστημα Πάνω από την απορροφητική επιφάνεια βρίσκεται ένα διαφανές κάλυμμα, συνήθως από γυαλί ή πλαστικό, που αφήνει τις ακτίνες του ήλιου να περάσουν αλλά εμποδίζει τη θερμότητα να ξεφύγει (φαινόμενο θερμοκηπίου). Αν τοποθετήσουμε σωληνώσεις μέσα στις οποίες κυκλοφορεί νερό, σε επαφή με την απορροφητική επιφάνεια, μπορούμε να της αποσπάσουμε την πολύτιμη, συγκεντρωμένη 5

6 ενέργεια. Αυτή την ενέργεια τη μεταφέρουμε, με τη μορφή ζεστού νερού, σε μια μονωμένη δεξαμενή αποθήκευσης, απ όπου θα την πάρουμε όταν τη χρειαστούμε. Θυμηθείτε: Μια μαύρη επιφάνεια όταν εκτεθεί στον ήλιο, θερμαίνεται πιο εύκολα (έντονη απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας) απ ότι μια ανοιχτόχρωμη επιφάνεια (ανάκλαση ηλιακής ακτινοβολίας). Το θερμό νερό που μας δίνει ένα ενεργητικό ηλιακό σύστημα μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε, στη συνέχεια, για τις καθημερινές μας ανάγκες, δηλαδή για τη θέρμανση χώρων κατοικίας ή εργασίας, τη θέρμανση κολυμβητικών δεξαμενών, γεωργικών εγκαταστάσεων, κ.λπ. Το πιο απλό, και πιο διαδομένο σήμερα, ενεργητικό ηλιακό σύστημα είναι ο γνωστός μας ηλιακός θερμοσίφωνας, που βρίσκεται ήδη στα περισσότερα ελληνικά σπίτια, μια και η χώρα μας εμφανίζει υψηλές τιμές σε ηλιοφάνεια. Παρατηρείστε :οι ηλιακοί συλλέκτες των θερμοσιφώνων έχουν πάντα νότιο προσανατολισμό στη χώρα μας και κλίση 30ο - 60ο, γιατί έτσι συλλέγουν περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία στη διάρκεια της μέρας και στη διάρκεια του έτους. Ένας ηλιακός θερμοσίφωνας μπορεί να δώσει όσο ζεστό νερό χρειάζεται καθημερινά μια οικογένεια (τις μέρες βέβαια που έχουμε ήλιο!).μπορούμε, όμως, να παράγουμε μεγάλη ποσότητα ζεστού νερού αν συνδέσουμε μεταξύ τους πολλούς ηλιακούς συλλέκτες και αποθηκεύσουμε το ζεστό νερό σε μεγάλες μονωμένες δεξαμενές. Σκεφτείτε :οι ηλιακοί συλλέκτες που έχουν εγκατασταθεί στην Ελλάδα είναι περίπου οι μισοί απ όσους έχουν εγκατασταθεί σε όλες τις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Μερικά από τα πλεονεκτήματα των ενεργητικών ηλιακών συστημάτων είναι η απλότητα κατασκευής και εγκατάστασής τους, τα σχετικά φτηνά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους και η αποδοτική μετατροπή της ενέργειας, που επιτυγχάνεται με αυτά. Ενεργητικά ηλιακά συστήματα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε, επίσης, και για το δροσισμό χώρων, με τη βοήθεια κατάλληλων ενεργειακών τεχνολογιών. Ακόμα, με τη χρήση κοίλων κατόπτρων, είναι δυνατό να συγκεντρώσουμε τις ακτίνες του ήλιου σε μικρή επιφάνεια ή σε ένα μόνο σημείο και έτσι να επιτύχουμε υψηλές θερμοκρασίες για βιομηχανική χρήση ή για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Δυστυχώς όμως, αυτές οι εφαρμογές είναι ακόμα αρκετά ακριβές. 6

7 Η "καρδιά" ενός ενεργητικού ηλιακού συστήματος είναι ο ηλιακός συλλέκτης που είναι συνήθως τοποθετημένος στη στέγη ενός σπιτιού ή στο δώμα του κτιρίου. συλλέκτης Ηλιακός Ηλιακό χωριό στην Πεύκη Αττικής Ο συλλέκτης αυτός περιλαμβάνει μια μαύρη, συνήθως επίπεδη μεταλλική επιφάνεια, η οποία απορροφά την ακτινοβολία και θερμαίνεται. Πάνω από την απορροφητική επιφάνεια βρίσκεται ένα διαφανές κάλυμμα (συνήθως από γυαλί ή πλαστικό) που παγιδεύει τη θερμότητα (φαινόμενο θερμοκηπίου). Σε επαφή με την απορροφητική επιφάνεια τοποθετούνται λεπτοί σωλήνες μέσα στους οποίους διοχετεύεται κάποιο υγρό, που απάγει την θερμότητα και τη μεταφέρει, με τη βοήθεια μικρών αντλιών (κυκλοφορητές), σε μια μεμονωμένη δεξαμενή αποθήκευσης. Το πιο απλό και διαδεδομένο σήμερα ενεργητικό ηλιακό σύστημα θέρμανσης νερού είναι ο γνωστός μας ηλιακός θερμοσίφωνας. Διάγραμμα ηλιακού θερμοσίφωνα Με τη βοήθεια παραβολικών ανακλαστικών δίσκων, η ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να συγκεντρωθεί στο εστιακό σημείο 600 ως 2000 φορές περισσότερο 7

8 από τη συνήθη και η θερμοκρασία να ανέλθει στους 800 ως 1500 οc. Η θερμότητα που συλλέγεται με τις παραπάνω μεθόδους χρησιμοποιείται για την παραγωγή υπέρθερμου ατμού, ο οποίος κινεί μια ηλεκτρογεννήτρια. Έτσι με τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα μπορούμε να παράγουμε και ηλεκτρική ενέργεια. Παθητικά ηλιακά συστήματα Ο άνθρωπος από παλιά έχει καταλάβει ότι μπορεί να χτίσει το σπίτι του με τέτοιο τρόπο, ώστε να αξιοποιεί τον ήλιο όσο το δυνατό περισσότερο για τη θέρμανσή του το χειμώνα, αλλά και να προστατεύεται απ αυτόν το καλοκαίρι. Θυμηθείτε: τα σπίτια των κυκλαδίτικων οικισμών, όπου υπάρχει άφθονος ήλιος και λίγη βλάστηση, είναι ολόλευκα για να ανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία. Για να επιτύχουμε την καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, χρησιμοποιούμε τα παθητικά ηλιακά συστήματα, που είναι κομμάτια του ίδιου του κτιρίου (δομικά στοιχεία), κατάλληλα σχεδιασμένα και συνδυασμένα μεταξύ τους. Τα συστήματα αυτά δεν χρησιμοποιούν μηχανικά μέσα για να μεταφέρουν τη θερμότητα που συλλέγουν, αλλά αξιοποιούν τους φυσικούς τρόπους μετάδοσης της θερμότητας. Ας δούμε πως μπορούν να εφαρμοστούν ορισμένα από αυτά τα συστήματα για τη θέρμανση χώρων: 8

9 Τοποθετώντας μεγάλα παράθυρα στη νότια πλευρά ενός κτιρίου, επιτρέπουμε, το χειμώνα, στην ηλιακή ακτινοβολία να περάσει στο χώρο και να τον θερμάνει. Χρησιμοποιώντας, ταυτόχρονα, θερμομόνωση και φροντίζοντας να μην υπάρχουν χαραμάδες, εμποδίζουμε αυτή τη θερμότητα να διαφύγει. Επιπλέον χρησιμοποιώντας, κατάλληλα υλικά για τους τοίχους και το δάπεδο, που να απορροφούν και να αποθηκεύουν τη θερμότητα της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της μέρας, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή τη θερμότητα το βράδυ, που τη χρειαζόμαστε περισσότερο! Είναι δυνατό όμως να επιτύχουμε και δροσισμό των χώρων που κατοικούμε και εργαζόμαστε, αξιοποιώντας άμεσα ή έμμεσα τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία. Εξάλλου τοποθετώντας σταθερά ή κινητά σκίαστρα (προβόλους, τέντες, κουρτίνες και άλλα) στα νότια παράθυρα, εμποδίζουμε την ηλιακή ακτινοβολία να περάσει στο χώρο μας το καλοκαίρι, που ο ήλιος είναι ψηλά. Ακόμα, φροντίζοντας να υπάρχουν ανοίγματα (παράθυρα, φεγγίτες) σε κατάλληλα σημεία του σπιτιού, βοηθάμε τη δημιουργία ρευμάτων αέρα, μέσα από αυτό, με τα οποία δροσίζονται με φυσικό τρόπο οι χώροι ενός σπιτιού. Θυμηθείτε : ο θερμός αέρας έχει την τάση να ανεβαίνει πιο ψηλά από τον ψυχρό αέρα, και ακόμα, όταν γύρω μας κυκλοφορεί αέρας μας δροσίζει, καθώς εξατμίζεται η υγρασία του σώματός μας. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα είναι απλά, έχουν χαμηλό κόστος και μειώνουν σημαντικά την κατανάλωση ακριβής και βλαβερής για το περιβάλλον ενέργειας. 9

10 Νότιος προσανατολισμός κτιρίου Τα παθητικά ηλιακά συστήματα είναι τα δομικά στοιχεία ενός κτιρίου που υποβοηθούν την καλύτερη άμεση ή έμμεση εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τη θέρμανση ή το δροσισμό του κτιρίου. Προϋπόθεση για την εφαρμογή σ' ένα κτήριο παθητικών ηλιακών συστημάτων είναι η θερμομόνωσή του, ώστε να περιοριστούν οι θερμικές απώλειες (χρήση κατάλληλων υλικών και διπλών τζαμιών, στεγανοποίηση, κ.ά.). Η αρχή λειτουργίας των παθητικών συστημάτων θέρμανσης βασίζεται στο "φαινόμενο του θερμοκηπίου" ενώ τα παθητικά συστήματα δροσισμού βασίζονται στην ηλιοπροστασία του κτηρίου, δηλαδή στην παρεμπόδιση της εισόδου των ανεπιθύμητων κατά τη θερινή περίοδο ακτίνων του ήλιου στο κτήριο. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση μόνιμων ή κινητών σκίαστρων (πρόβολοι, τέντες, περσίδες, κληματαριές κ.ά.) που τοποθετούνται κατάλληλα, καθώς και με τη διευκόλυνση της φυσικής κυκλοφορίας του αέρα στο εσωτερικό των κτηρίων. Τα μεγάλα παράθυρα και ο νότιος προσανατολισμός του κτηρίου εκμεταλλεύονται καλύτερα την ηλιακή ενέργεια Φωτισμός κτιρίου από τον ήλιο 10

11 Βιοκλιματική θέρμανση και ψύξη Ένα κτήριο που περιλαμβάνει παθητικά συστήματα θέρμανσης, δροσισμού ή ακόμη και φυσικού φωτισμού, κατασκευασμένο εξαρχής ή τροποποιημένο, ονομάζεται "βιοκλιματικό κτήριο" και είναι δυνατό να καλύψει μεγάλο μέρος των ενεργειακών του αναγκών από την άμεση ή έμμεση αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Φωτοβολταϊκά συστήματα Με το γενικό όρο φωτοβολταϊκά χαρακτηρίζονται οι βιομηχανικές διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στην ουσία πρόκειται για ηλεκτρογεννήτριες που συγκροτούνται από πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία σε επίπεδη διάταξη που έχουν ως βάση λειτουργίας το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Τα φωτοβολταϊκά ανήκουν στη κατηγορία των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Μικρά κομμάτια αυτών των υλικών (φωτοβολταϊκά στοιχεία) ή συστοιχίες πολλών μαζί (φωτοβολταϊκά συστήματα) είναι δυνατό να τροφοδοτούν ηλεκτρικές συσκευές ή και να φορτίζουν ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) με εκμετάλλευση μόνο της ηλιακής ενέργειας. Σκεφτείτε: τα συστήματα δορυφόρων ή η ηλεκτρονική υπολογιστική σας μηχανή ή το ρολόϊ σας, που τροφοδοτούνται από φωτοβολταϊκά στοιχεία, είναι δυνατό να λειτουργούν επ άπειρο, όσο τουλάχιστον ο Ήλιος θα λάμπει. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν ακόμα να χρησιμοποιηθούν για την κίνηση ελαφρών αυτοκινήτων (ηλιακά αυτοκίνητα), για την κάλυψη μέρους των ενεργειακών αναγκών μικρών και απομονωμένων κατοικιών ή για τη λειτουργία φάρων και, γενικά, σε όλες εκείνες τις περιπτώσεις που είναι πολύ δύσκολο, ή και αδύνατο, μια εγκατάσταση να τροφοδοτηθεί από το ηλεκτρικό δίκτυο. 11

12 Αυτή η ενέργεια, η ηλιακή, που την εκμεταλλευόμαστε είτε κατ ευθείαν ως θερμική είτε αφού μετατραπεί σε ηλεκτρική μέσω φωτοβολταϊκών συστημάτων, είναι βέβαια ανεξάντλητη, όπως και η πηγή από την οποία προέρχεται, δηλαδή ο Ήλιος. Ακόμα, είναι περιβαλλοντικά καθαρή, αφού για την αξιοποίησή της δε μεσολαβεί καμία ρυπογόνος διαδικασία. Χρησιμοποιώντας ολοένα και περισσότερο τα παθητικά και ενεργητικά ηλιακά συστήματα (που ήδη είναι φτηνά) και επιτυγχάνοντας τη μείωση του κόστους των φωτοβολταϊκών συστημάτων (που ακόμα είναι ακριβά) μπορούμε να καλύψουμε μεγάλο μέρος των αναγκών μας σε ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια, λοιπόν, είναι δυνατό να αποτελέσει στο μέλλον την κυριότερη εναλλακτική λύση στο ενεργειακό και περιβαλλοντικό πρόβλημα. Tεχνολογίες Φ/Β Στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες: 1. Κρυσταλλικού Πυριτίου 2. Λεπτών Μεμβρανών Χρήσεις Τα φωτοβολταϊκά είναι διατάξεις που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από την ηλιακή ακτινοβολία. Το ηλεκτρικό αυτό ρεύμα χρησιμοποιείται για να δώσει ενέργεια σε μια συσκευή ή για τη φόρτιση μπαταρίας. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται ευρέως σε μικροϋπολογιστές τσέπης που λειτουργούν χωρίς μπαταρία, απλώς με την έκθεσή τους στο φως. Τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται συχνά σε συστοιχίες για την παραγωγή ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα. Σε τέτοια μορφή χρησιμοποιούνται για να δίνουν ενέργεια σε δορυφόρους, διαστημόπλοια, αλλά και σε απλούστερες εφαρμογές, όπως για την ενεργειοδότηση απομακρυσμένων τηλεφώνων εκτάκτου ανάγκης σε εθνικές οδούς, σε σπίτια κλπ. 12

13 Σε πολλές χώρες έχουν ξεκινήσει προγράμματα επιδότησης των επενδύσεων σε φωτοβολταϊκά, τα οποία παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που μεταπωλείται και εισάγεται στα δημόσια δίκτυα μεταφοράς. Τα προγράμματα αυτά έχουν στόχο τη διαφοροποίηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τη σταδιακή απεξάρτησή της από το πετρέλαιο. Συλλογή του ηλιακού φωτός Ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει ο σχεδιαστής μιας διάταξης είναι το που θα στερεωθούν οι βασικές μονάδες, αν θα στερεωθούν σε σταθερές θέσεις ή οι προσανατολισμοί τους θα ακολουθούν (ιχνηλατούν) την κίνηση του ηλίου. Στις περισσότερες διατάξεις οι βασικές μονάδες στερεώνονται σ ένα σταθερό κεκλιμένο επίπεδο με την πρόσοψη προς τον ισημερινό. Αυτό έχει την αρετή της απλότητας, δηλαδή κανένα κινούμενο τμήμα και χαμηλό κόστος. H άριστη γωνία κλίσης εξαρτάται κυρίως από το γεωγραφικό πλάτος, την αναλογία της διάχυτης ακτινοβολίας στην τοποθεσία και το είδος του φορτίου. Χαρακτηριστικά Φ/Β Συστημάτων Τα βασικά χαρακτηριστικά των Φ/Β συστημάτων, που τα διαφοροποιούν από τις άλλες μορφές ΑΠΕ είναι: 1.Απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμη και σε πολύ μικρή κλίμακα, π.χ. σε επίπεδο μερικών δεκάδων W ή και mw. 2. Είναι εύχρηστα. Τα μικρά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν από τους ίδιους τους χρήστες. 3.Μπορούν να εγκατασταθούν μέσα στις πόλεις, ενσωματωμένα σε κτίρια και δεν προσβάλλουν αισθητικά το περιβάλλον. 4.Μπορούν να συνδυαστούν με άλλες πηγές ενέργειας (υβριδικά συστήματα). 5.Λειτουργούν αθόρυβα, εκπέμπουν μηδενικούς ρύπους, χωρίς επιπτώσεις στο περιβάλλον. 6.Οι απαιτήσεις συντήρησης είναι σχεδόν μηδενικές. 7.Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιοπιστία κατά τη λειτουργία. Οι εγγυήσεις που δίνονται από τους κατασκευαστές για τις Φ/Β γεννήτριες είναι περισσότερο από 25 χρόνια καλής λειτουργίας. Η λειτουργία την φωτοβολταϊκών ηλιακών συστημάτων στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό 13

14 ρεύμα. Μερικά υλικά, όπως το πυρίτιο με πρόσμιξη άλλων στοιχείων, γίνονται ημιαγωγοί (άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα προς μια μόνο διεύθυνση), έχουν δηλαδή τη δυνατότητα να δημιουργούν διαφορά δυναμικού όταν φωτίζονται και κατά συνέπεια να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Συνδέοντας μεταξύ τους πολλά μικρά κομμάτια τέτοιων υλικών (φωτοβολταϊκές κυψέλες ή στοιχεία), τοποθετώντας τα σε μία επίπεδη επιφάνεια (φωτοβολταϊκό σύστημα) και στρέφοντάς τα προς τον ήλιο, γίνετε δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος το οποίο μπορεί να καλύψει ανάγκες όπως: λειτουργία επιστημονικών συσκευών (δορυφόρων), κίνηση ελαφρών αυτοκινήτων (ηλιακά αυτοκίνητα), λειτουργία φάρων, ή την κάλυψη έστω και μέρους των ενεργειακών αναγκών μικρών κατοικιών όπως φωτισμός, τηλεπικοινωνίες, ψύξη κτλ. Η μέγιστη απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων (Φ/Β), ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους κυμαίνεται από 7% (ηλιακά στοιχεία άμορφου πυριτίου) έως 12-15% (ηλιακά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου).το σημαντικό είναι ότι η ενέργεια που παράγεται με αυτό τον τρόπο, μπορεί να αποθηκευτεί σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) με αποτέλεσμα να υπάρχει ανεξάντλητη, ανανεώσιμη, φθηνή και κυρίως "καθαρή" ενέργεια. ΗΛΙΑΚΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ 14

15 15

16 16

17 17

18 Η βασική εξίσωση που απλοποιεί μεθοδολογικά το βιοκλιματικό σχεδιασμό είναι: όπου, o = occupant/χρήστης c = climate/κλίμα e = environment/περιβάλλον a = architect/αρχιτέκτων b = building/κτίριο Ο σημαντικότερος παράγοντας του σχεδιασμού είναι ο ίδιος ο χρήστης με τις επιθυμίες του και τις ανάγκες του. Στη συνέχεια υπεισέρχονται οι τοπικές επικρατούσες κλιματολογικές συνθήκες και το υπάρχον περιβάλλον του μελλοντικού κτιρίου. Αυτούς τους δύο παράγοντες μελετά και ερμηνεύει ο μηχανικός του έργου προκειμένου να θέσει τους θεμελιώδεις άξονες της μελετητικής διαδικασίας. Η ερμηνεία των δεδομένων λόγω του φίλτρου επεξεργασίας του εκάστοτε μηχανικού, ενέχει σε ένα βαθμό υποκειμενικότητα. Η τρίτη παράμετρος, είναι ο ίδιος ο μελετητής που με τις αποφάσεις του θα διαμορφώσει το τελικό αποτέλεσμα που δεν είναι άλλο από το κτίριο. Η μοναδικότητα της διαδικασίας αυτής είναι το ότι ακόμα και αν τεθούν ακριβώς οι ίδιες παράμετροι στον ίδιο χρήστη και μελετητή, το τελικό αποτέλεσμα b δεν θα είναι ποτέ ακριβώς ίδιο. Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός είναι ο αρχιτεκτονικός σχεδιασμός του κτιρίου που γίνεται λαμβάνοντας υπόψη εξαρχής το τοπικό κλίμα μιας περιοχής, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται θερμική και οπτική άνεση στο κτίριο με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση ενέργειας καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου. Σημαντικό στοιχείο του βιοκλιματικού σχεδιασμού αποτελεί η αξιοποίηση των διαθέσιμων περιβαλλοντικών πηγών (ήλιος, αέρας, νερό, έδαφος) με την ενσωμάτωση παθητικών συστημάτων για σκοπούς θέρμανσης, ψύξης, φωτισμού και αερισμού των κτιρίων. Μερικές από τις βασικότερες αρχές του βιοκλιματικού σχεδιασμού των κτιρίων είναι: Η θερμική προστασία των κτιρίων, με χρήση τεχνικών θερμομόνωσης και αεροστεγάνωσης των ανοιγμάτων (πόρτες, παράθυρα) του κτιρίου. Ο προσανατολισμός των χώρων του κτιρίου και ιδιαίτερα των ανοιγμάτων, με σκοπό να εξασφαλίζεται θέρμανση των κτιρίων το χειμώνα και φωτισμός αξιοποιώντας την ηλιακή ακτινοβολία (νότιος προσανατολισμός). Η προστασία από τον καλοκαιρινό ήλιο με εφαρμογή συστημάτων σκίασης. Η απομάκρυνση της θερμότητας και ο δροσισμός του κτιρίου το καλοκαίρι με φυσικό τρόπο. Η εξασφάλιση επαρκούς φυσικού φωτισμού και η ομαλή κατανομή του φωτός μέσα στο κτίριο. Διαμόρφωση του κλίματος των χώρων έξω και γύρω από το κτίριο. 18

19 ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ Ο σωστός προσανατολισμός των κτιρίων είναι προϋπόθεση για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για τη θέρμανσή τους. Ο νότιος προσανατολισμός προσφέρει τις καλύτερες δυνατότητες. Εξασφαλίζει τις περισσότερες ώρες αποτελεσματικού ηλιασμού των κτιρίων το χειμώνα και ταυτόχρονα τη δυνατότητα σκιασμού τους το καλοκαίρι. Το χειμώνα ο ήλιος ανατέλλει και δύει νοτιότερα της Ανατολής και της Δύσης. Διαγράφει μικρή τροχιά. Κινείται χαμηλά, κοντά στον ορίζοντα και προς την πλευρά του Νότου. Τα κτίρια πρέπει να είναι στραμμένα προς Νότο, ώστε να δέχονται τη μέγιστη δυνατή ηλιακή ακτινοβολία βαθιά στο εσωτερικό τους. Το καλοκαίρι ο ήλιος ανατέλλει και δύει βορειότερα της Ανατολής και της Δύσης. Διαγράφει μεγάλη τροχιά. Κινείται πάλι προς την πλευρά του Νότου, αλλά ψηλά στο στερέωμα. Έτσι, οι νότιες όψεις μπορούν να σκιαστούν τελείως με μικρές οριζόντιες προεξοχές. Στοιχεία για τις θέσεις του ήλιου, για την κάθε ώρα και την κάθε μέρα του έτους, βρίσκονται είτε από σχετικούς πίνακες είτε από τους ηλιακούς χάρτες. 19

20 ΤΑ ΑΝΟΙΓΜΑΤΑ ΤΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ Τα νότια ανοίγματα του κτιρίου αποτελούν το χειμώνα την κύρια είσοδο της ηλιακής ενέργειας στον εσωτερικό του χώρο. Πρέπει να είναι μεγάλα και να μη σκιάζονται κατά τη χειμερινή περίοδο. Στη βόρεια Ελλάδα (Γ.Π. 40ο), 10m² νότιου ανοίγματος αρκούν για να θερμάνουν πλήρως, σε μία ηλιόλουστη μέρα, 20m² εσωτερικού χώρου. Τα ανατολικά και δυτικά ανοίγματα: Τα ανατολικά και δυτικά ανοίγματα δέχονται το χειμώνα μικρές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας. Αντίθετα, το καλοκαίρι επιτρέπουν την είσοδο επιβαρυντικής ακτινοβολίας. Οι διαστάσεις τους πρέπει να είναι περιορισμένες και επίσης να σκιάζονται είτε από φυλλοβόλα δέντρα, είτε από κατακόρυφες τέντες ή παντζούρια. Τα βορινά ανοίγματα: Τα βορινά ανοίγματα πρέπει να είναι λίγα και μικρά, να κλείνουν καλά και να είναι προστατευμένα (παντζούρια). Φυσικός δροσισμός: Πολύ σημαντική για το φυσικό δροσισμό των κτιρίων είναι η κατασκευή ενός μεγάλου ανοίγματος στην υψηλότερη στάθμη τους, στο δώμα ή στη στέγη, απ' όπου το καλοκαίρι απάγεται ο θερμός εσωτερικός αέρας προς το 20

21 εξωτερικό χώρο με φυσικό ελκυσμό.τα μικρά βορινά ανοίγματα,ιδιαίτερα αυτά που βρίσκονται χαμηλά, κοντά στο έδαφος της βορινής αυλής,αντικαθιστούν το θερμό αέρα που απάγεται και τροφοδοτούν το κτίριο με δροσερό αέρα. ΤΟ ΣΧΗΜΑ ΚΑΙ Η ΘΕΣΗ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ Τα κτίρια πρέπει να εκθέτουν τις μεγάλες τους επιφάνειες στο Νότο. Οι βορινές τους επιφάνειες πρέπει να είναι μικρότερες ή καλά προστατευμένες από έδαφος, στέγες, ανεμοφράκτες ή από γειτονικά κτίρια. Ειδικά προς την πλευρά απ' όπου πνέουν χειμερινοί άνεμοι, τα κτίρια πρέπει να έχουν τη μικρότερη δυνατή έκθεση. Το καλοκαίρι τα κτίρια πρέπει να δέχονται τους δροσερούς ανέμους και τις αύρες της περιοχής τους, να διαθέτουν εισόδους δροσερού αέρα από βορινές σκιασμένες αυλές και να σκιάζονται πολύ προσεκτικά στην ανατολική και δυτική τους πλευρά και στο δώμα. ΠΡΕΠΕΙ ΔΕΝ ΠΡΕΠΕΙ 21

22 22