V Περιεχόμενα Πρόλογος ΧΙΙΙ Κεφάλαιο 1 Πηγές και Μορφές Ενέργειας 1 1.1 Εισαγωγή 1 1.2 Η φύση της ενέργειας 1 1.3 Πηγές και μορφές ενέργειας 4 1.4 Βαθμίδες της ενέργειας 8 1.5 Ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη της χρήσης της ενέργειας 10 1.6 Βιβλιογραφία 12 Κεφάλαιο 2 Ηλιακό Δυναμικό 15 2.1 Εισαγωγή 15 2.2 Βασικές έννοιες 17 Εποχιακές μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας 17 Γεωγραφικές συντεταγμένες Ηλιακός χρόνος 19 Θέση του Ήλιου στον ουράνιο θόλο 22 Ηλιακή ακτινοβολία σε επίπεδο 23 Μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα 24 Μέτρηση ηλιακής ακτινοβολίας 25 2.3 Μοντέλα υπολογισμού ηλιακής ακτινοβολίας 26 Μοντέλο μέσης ακτινοβολίας 26 Μοντέλο αίθριας ημέρας 28 2.4 Ηλιοστάτες 29 2.5 Σκίαση 30 2.6 Βιβλιογραφία 31 2.7 Υπολογιστικές εφαρμογές 33 Εφαρμογή 2.1 Υπολογισμός της ηλιακής σταθεράς 33 Εφαρμογή 2.2 Υπολογισμός της διάρκειας ημέρας σε 5 πόλεις 34 Εφαρμογή 2.3 Χάραξη ηλιακών διαδρομών 35 Εφαρμογή 2.4 Χάραξη αναλήμματος 37 Εφαρμογή 2.5 Εφαρμογή μοντέλου Lui Jordan 37 Εφαρμογή 2.6 Εφαρμογή μοντέλου Hottel 40 Εφαρμογή 2.7 Ηλιακή ακτινοβολία σε διαξονικό ηλιοστάτη 42 Εφαρμογή 2.8 Υπολογισμός ελάχιστης απόστασης συλλεκτών 44 Εφαρμογή 2.9 Ισοϋψείς καμπύλες ηλιακής ακτινοβολίας σε επίπεδο 45
VI ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Κεφάλαιο 3 Ηλιακοί Συλλέκτες 49 3.1 Εισαγωγή 49 Τύποι ηλιακών συλλεκτών 49 Συλλογή ηλιακής ενέργειας 52 3.2 Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης 54 Εισαγωγή 54 Συντελεστής ολικών θερμικών απωλειών 55 Παράγοντας απόδοσης συλλέκτη 59 Μεταβολή της θερμοκρασίας κατά τη διεύθυνση της ροής 61 Εξίσωση συλλέκτη, παράγοντας θερμικής απολαβής και παράγοντας ροής 62 Μέση θερμοκρασία ρευστού και μέση θερμοκρασία απορροφητικής επιφάνειας 63 Γινόμενο διαπερατότητας καλύμματος με απορροφητικότητα επιφάνειας απορρόφησης 63 Βαθμός απόδοσης συλλέκτη 65 3.3 Βιβλιογραφία 66 3.4 Υπολογιστικές εφαρμογές 67 Εφαρμογή 3.1 Καμπύλες απόδοσης ηλιακών συλλεκτών 67 Εφαρμογή 3.2 Απώλειες άνω μέρους ηλιακού συλλέκτη 68 Εφαρμογή 3.3 Υπολογισμός παράγοντα απόδοσης 71 Εφαρμογή 3.4 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης συλλέκτη 72 Κεφάλαιο 4 Θερμικά ηλιακά συστήματα 75 4.1 Εισαγωγή 75 4.2 Ηλιακή θέρμανση νερού χρήσης 76 Υπολογισμός αναγκών ζεστού νερού χρήσης 78 Ανάλυση και σχεδιασμός ηλιακού θερμικού συστήματος ζεστού νερού χρήσης 79 4.3 Ηλιακή θέρμανση πισίνας 81 Απώλειες εξάτμισης 83 Απώλειες ακτινοβολίας 84 Απώλειες λόγω συναγωγής 84 Απώλειες αναπλήρωσης 85 Ηλιακό κέρδος 85 Απώλειες αγωγής 85 4.4 Ηλιακή θέρμανση/ψύξη χώρου 85 Ηλιακή θέρμανση 87 Ηλιακή ψύξη/κλιματισμός 88 Θερμικές και ψυκτικές ανάγκες 92 Μέθοδος βαθμοημερών 98 Διαστασιολόγηση συστημάτων 100 4.5 Ηλεκτροπαραγωγή 102 Σύστημα με παραβολικά κάτοπτρα 103 Σύστημα ηλιοστατών με ηλιακό πύργο 105 Σύστημα με παραβολοειδή συγκεντρωτικό δίσκο 107 Σύστημα με ανακλαστήρες τύπου Fresnel 108
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ VII 4.6 Ηλιακή τήξη μετάλλων 109 4.7 Βοηθητικές συσκευές 111 Αντλίες και κυκλοφορητές 111 Εναλλάκτες θερμότητας 114 Μόνωση σωληνώσεων 116 Δεξαμενές αποθήκευσης 118 Δοχείο διαστολής 120 4.8 Βιβλιογραφία 120 4.9 Υπολογιστικές εφαρμογές 121 Εφαρμογή 4.1 Υπολογισμός επιφάνειας ηλιακού συλλέκτη (Μέση ετήσια προσέγγιση) 121 Εφαρμογή 4.2 Υπολογισμός επιφάνειας ηλιακού συλλέκτη (Μηνιαία προσέγγιση) 122 Εφαρμογή 4.3 Ανάλυση συστήματος με τη μέθοδο καμπυλών f 123 Εφαρμογή 4.4 Σχεδιασμός οικονομικά βέλτιστου συστήματος 125 Εφαρμογή 4.5 Υπολογισμός απωλειών θερμότητας πισίνας 129 Εφαρμογή 4.6 Υπολογισμός συντελεστή θερμικού φορτίου οικίας 131 Εφαρμογή 4.7 Υπολογισμός θερμικών και ψυκτικών αναγκών με τη μέθοδο των βαθμοημερών134 Εφαρμογή 4.8 Υπολογισμός συντελεστή κάλυψης ηλιακής θέρμανσης οικίας 138 Εφαρμογή 4.9 Επίδραση μόνωσης σε σωλήνωση ηλιακού συστήματος 140 Εφαρμογή 4.10 Απώλειες από δεξαμενή αποθήκευσης ΖΝΧ 142 Κεφάλαιο 5 Φωτοβολταϊκή τεχνολογία 145 5.1 Εισαγωγή 145 5.2 Φωτοβολταϊκό κελί 145 5.3 Αρχή λειτουργίας 146 Ηλεκτρονική δομή των ημιαγωγών 146 Μαθηματικό μοντέλο φωτοβολταϊκού κελιού 149 5.4 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο & συστοιχία 152 Φωτοβολταϊκό πλαίσιο 152 Φωτοβολταϊκη συστοιχία 154 5.5 Επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας 155 5.6 Επίδραση θερμοκρασίας 155 5.7 Βιβλιογραφία 156 5.8 Υπολογιστικές εφαρμογές 157 Εφαρμογή 5.1 Χαρακτηριστική καμπύλη φωτοβολταϊκού κελιού 157 Εφαρμογή 5.2 Χαρακτηριστική καμπύλη φωτοβολταϊκού πλαισίου 158 Εφαρμογή 5.3 Επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο 160 Εφαρμογή 5.4 Επίδραση θερμοκρασίας σε φωτοβολταϊκό πλαίσιο 161 Εφαρμογή 5.5 Εξαγωγή παραμέτρων από φυλλάδιο φωτοβολταϊκού πλαισίου 163 Κεφάλαιο 6 Φωτοβολταϊκά συστήματα 167 6.1 Εισαγωγή 167 Απόδοση ισχύος 167 6.2 Κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων 168 Διασυνδεδεμένα συστήματα 168
VIII ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αυτόνομα συστήματα με μπαταρία 169 Συστήματα συνεχούς ρεύματος 170 Υβριδικά συστήματα με ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος 170 Ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά σε κτήρια 171 Φωτοβολταϊκά συστήματα για άντληση 172 6.3 Σύνδεση αντιστροφέα με συστοιχία 174 Κανόνες σχεδιασμού συστημάτων και βοηθητικός εξοπλισμός 176 Βοηθητικός εξοπλισμός 177 6.4 Βιβλιογραφία 178 6.5 Υπολογιστικές εφαρμογές 179 Εφαρμογή 6.1 Παραγωγή ισχύος από φωτοβολταϊκό σύστημα 179 Εφαρμογή 6.2 Διασυνδεδεμένο σύστημα σε στέγη 180 Εφαρμογή 6.3 Σύνδεση φωτοβολταϊκής συστοιχίας με αντιστροφέα 180 Εφαρμογή 6.4 Απώλειες καλωδιώσεων 182 Εφαρμογή 6.5 Σχεδιασμός συστήματος αυτόνομης οικίας 185 Εφαρμογή 6.6 Ανάλυση συστήματος αυτόνομης οικίας για θερινή και χειμερινή ημέρα 188 Εφαρμογή 6.7 Οικονομική ανάλυση αυτόνομου συστήματος 192 Εφαρμογή 6.8 Σημείο λειτουργίας φορτίου σταθερής αντίστασης 193 Εφαρμογή 6.9 Διαστασιολόγηση φωτοβολταϊκής αντλίας 196 Κεφάλαιο 7 Αιολικό δυναμικό 197 7.1 Εισαγωγή 197 7.2 Κίνηση του ανέμου 197 7.3 Χαρακτηριστικά ανέμου 198 Ταχύτητα 199 Διεύθυνση 200 Μέτρηση χαρακτηριστικών ανέμου 200 7.4 Κατανομή Weibull 202 7.5 Υπολογισμός παραμέτρων κατανομής Weibull από μετρήσεις 203 7.6 Κατανομή του ανέμου καθ ύψος 204 7.7 Ενέργεια και ισχύς του ανέμου 205 7.8 Θεωρία του δίσκου ενέργειας 206 7.9 Βιβλιογραφία 209 7.10 Υπολογιστικές εφαρμογές 210 Εφαρμογή 7.1 Υπολογισμός παραμέτρων κατανομής Weibull 210 Κεφάλαιο 8 Αιολικές μηχανές 213 8.1 Εισαγωγή 213 8.2 Ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα 213 Πυλώνας 214 Δρομέας 214 Σύστημα μετάδοσης 215 Γεννήτρια 215
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IX Αισθητήρες και μηχανισμός περιστροφής 216 Συστήματα ελέγχου και ασφαλείας 216 8.3 Αεροδυναμική πτερυγίου 217 Αεροτομή 217 8.4 Επιδόσεις ανεμογεννήτριας 220 8.5 Εκτίμηση της παραγόμενης ενέργειας 222 8.6 Βιβλιογραφία 224 8.7 Υπολογιστικές εφαρμογές 225 Εφαρμογή 8.1 Υπολογισμός χαρακτηριστικής καμπύλης ανεμογεννήτριας 225 Εφαρμογή 8.2 Μείωση διαμέτρου ανεμογεννήτριας 226 Εφαρμογή 8.3 Επίδραση υψομέτρου και θερμοκρασίας στην απόδοση ανεμογεννήτριας 227 Εφαρμογή 8.4 Υπολογισμός ετήσιας ενέργειας από ανεμογεννήτρια 229 Εφαρμογή 8.5 Ανάλυση κύκλου ζωής ρύπων και ενέργειας για μια ανεμογεννήτρια 231 Κεφάλαιο 9 Αιολικά πάρκα 235 9.1 Εισαγωγή 235 9.2 Χωροθέτηση ανεμογεννητριών 235 9.3 Ηλεκτρική διασύνδεση 236 9.4 Ενεργειακή παραγωγή αιολικού πάρκου 237 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 240 Θόρυβος 240 Οπτική όχληση 241 Επιπτώσεις στην πανίδα 241 9.5 Βιβλιογραφία 242 9.6 Υπολογιστικές εφαρμογές 243 Εφαρμογή 9.1 Εγκατάσταση αιολικού πάρκου 243 Εφαρμογή 9.2 Υπολογισμός απωλειών ομόρου 245 Κεφάλαιο 10 Υδατικό δυναμικό 249 10.1 Εισαγωγή 249 10.2 Υδρολογικός κύκλος 250 10.3 Εκτίμηση δυναμικού 251 Υδρογράφημα 251 Υδραυλικό ύψος 252 Οικολογική παροχή 254 10.4 Βιβλιογραφία 255 10.5 Υπολογιστικές εφαρμογές 256 Εφαρμογή 10.1 Καμπύλη διάρκειας παροχής 256 Κεφάλαιο 11 Υδροηλεκτρικά συστήματα 259 11.1 Εισαγωγή 259 11.2 Κατηγοριοποίηση υδροηλεκτρικών συστημάτων 260 11.3 Υδροηλεκτρικά συστήματα 261 Πλεονεκτήματα 261
X ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μειονεκτήματα 261 Χρήσεις 262 11.4 Υδροστρόβιλοι 262 Υδροστρόβιλoι δράσης 264 Υδροστρόβιλoι αντίδρασης 266 11.5 Ταμιευτήρες 266 11.6 Ενεργειακοί υπολογισμοί 268 Απώλειες προσαγωγής 268 Παραγωγή ισχύος στροβίλου 269 Παραγωγή ενέργειας 270 11.7 Επιλογή και σχεδιασμός συστήματος στροβίλου 270 11.8 Συστήματα αντλησιωταμίευσης 271 11.9 Βιβλιογραφία 273 11.10 Υπολογιστικές εφαρμογές 274 Εφαρμογή 11.1 Υπολογισμός ισχύος στροβίλου Pelton 274 Εφαρμογή 11.2 Υπολογισμός απωλειών ύψους πτώσης 275 Εφαρμογή 11.3 Παραμετρική σχεδίαση υδροηλεκτρικού συστήματος 276 Κεφάλαιο 12 Βιοκλιματικά Συστήματα 281 12.1 Εισαγωγή 281 12.2 Αρχές βιοκλιματικού σχεδιασμού 282 12.3 Παθητική ηλιακή θέρμανση 282 Συστήματα άμεσου ηλιακού κέρδους 283 Συστήματα έμμεσου ηλιακού κέρδους 284 Συστήματα απομονωμένου ηλιακού κέρδους 288 12.4 Παθητικός δροσισμός 289 Μικροκλίμα 290 Σκίαση 290 Ηλιακή καμινάδα 291 12.5 Βιβλιογραφία 292 Κεφάλαιο 13 Γεωθερμική ενέργεια 293 13.1 Εισαγωγή 293 13.2 Προέλευση της θερμότητας 294 Θερμότητα από τον πυρήνα 294 Θερμότητα από το φλοιό 295 13.3 Γεωθερμική πηγή 295 Ένταση δυναμικού 296 Μετρήσεις και αξιολόγηση 297 Κατανομή της θερμοκρασίας 298 13.4 Αξιοποίηση γεωθερμίας 300 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 300 Παραγωγή θερμότητας Γεωθερμικές αντλίες 301
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XI 13.5 Βιβλιογραφία 306 Κεφάλαιο 14 Βιοενέργεια 307 14.1 Εισαγωγή 307 14.2 Πηγές βιομάζας 309 14.3 Τύποι βιοκαυσίμων 310 Αέρια βιοκαύσιμα 310 Υγρά βιοκαύσιμα 310 Στερεά βιοκαύσιμα 311 14.4 Βασικά χαρακτηριστικά βιομάζας και βιοκαυσίμων 311 Κατάσταση και συστατικά 312 Θερμογόνος ικανότητα 316 14.5 Δυναμικό 317 14.6 Εφοδιαστική αλυσίδα βιομάζας 317 Συλλογή βιομάζας 318 Μεταφορά 318 Επεξεργασία 319 Αποθήκευση 319 14.7 Τυπικά βιοκαύσιμα 319 Βιο αιθανόλη 319 Βιο μεθανόλη 321 Βιο ντίζελ 321 Πυρολυτικά υγρά 321 Βιο αέριο 322 Πτωχό αέριο 324 Αέριο σύνθεσης 324 14.8 Αστικά απορρίμματα 325 14.9 Βιβλιογραφία 325 Παράρτημα 327 Π.1 Οικονομική αξιολόγηση ενεργειακών επενδύσεων 327 Π.2 Μπαταρίες 333 Π.3 Μονάδες ενέργειας 340 Π.4 Πίνακες δεδομένων 341 Π.5 Μέθοδος μέσης ηλιακής ακτινοβολίας κατά Klein & Theilacker 345 Π.6 Σύντομη Εισαγωγή στο MathCad με παραδείγματα 347