Πτυχιαιο^ εργασία tou Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσίμ ς Πηγής Ενέργειες ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στις μέρες μας οι πηγές ενέργειας αποτελούν σημαντικό στοιχείο επιβεβαίωσης των ανθρώπων, χωρίς αυτές δεν μπορεί να γίνει η οποιαδήποτε παραγωγική διαδικασία, οπότε ανάγκες ανθρώπων δεν μπορούν να καλυφθούν. Γενικά η ανθρωπότητα εξελίσσεται βάσει της ενέργειας που χρησιμοποιεί. Από την αρχαιότητα χρησιμοποιούσαν την ενέργεια πως όφελος τους. Σημαντικό όμως είναι να αναφερθεί ότι η ενέργεια δεν έχει μόνο θετικά αποτελέσματα, αλλά και πολλές επιπτώσεις,όπως για παράδειγμα στο περιβάλλον και στη μακροζωία ανθρώπων. Στη φύση υπάρχουν ελεύθερες πηγές ενέργειας,όπως η αιολική, ηλιακή, γεωθερμική, βιομάζα, υδροηλεκτρική και η ωκεάνια, αλλά κ οι παραγόμενες πηγές ενέργειας όπως ο ηλεκτρισμός. Η χρήση αυτών βοηθούν στην εξέλιξη του ανθρώπου. Στην παρούσα εργασία θα αναφερθούν, καθ όλη την έκταση της όλες οι υπάρχουσες πηγές ενέργειας. Βασικές έννοιες θα δοθούν για να γίνει κατανοητή η χρήση με την οποία γίνονται οι ενέργειες. Μια βιβλιοανασκοπική θεώρηση που θα δώσει όλες τις έννοιες που αφορούν πηγές ενέργειας.
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνστοηττίνου ΑνανΕώσιμες Πηγής Ενέργειες ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1.1 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1.1 Βασικές έννοιες 1.1.2 Χρησιμότητα της αιολικής ενέργειας 1.2 ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ 1.2.1 Βασικές έννοιες 1.2.2 Που υπάρχει ενδιαφέρον στην Ελλάδα 1.2.3 Η κατάσταση στην Ελλάδα 1.3 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ 1.3.1 Βασικές έννοιες 1.3.2 Κατηγορίες της ανεμογεννήτριας 1.3.3 Η λειτουργία της ανεμογεννήτριας 1.3.4 Περιγραφή μονάδας ανεμογεννήτριας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2.1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1.1 Βασικές έννοιες 2.1.2 Ηλιακή ακτινοβολία 2.2 ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ηλιοθερμικά συστήματα Φωτοβολταϊκά συστήματα 2.3 ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 3.1 ΒΙΟΜΑΖΑ 3.1.1 Βασικές έννοιες 3.1.2 Επιπτώσεις της ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας 3.1.3 Οι κύριες εφαρμογές με καύσιμο βιομάζα
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνστοτίττίνου Αν<χνεώσιμ ς Πηγής ΕνέργείΕς ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 4.1 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 56 4.1.1 Βασικές έννοιες 56 4.1.2 Εκμετάλλευση της γεωθερμίας 58 4.1.3 Φυσικά Γεωθερμικά πεδία 58 4.1.4 Ανανεώσιμοι τύποι γεωθερμικής ενέργειας 60 4.2 ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΥΨΗΛΗΣ, ΜΕΣΗΣ & ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ 61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 5.1 ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 67 5.1.1 Βασικές έννοιες 67 5.1.2 Υδροηλεκτρικοί σταθμοί 70 5.1.3 Υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις 72 5.1.4 Στοιχεία εκμετάλλευσης υδροηλεκτρικών σταθμών 73 5.1.5 Οι Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί ως έργα πολλαπλού σκοπού 76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 6.1 ΩΚΕΑΝΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 81 6.1.1 Ενέργεια ωκεανών (κυμάτων, παλίρροιας, θερμοκρασιακών διαφορών) 81 6.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 86 6.2.1 Βασικές έννοιες 86 6.2.2 Μετατροπή της θερμικής ενέργειας των ωκεανών ΜΩΘΕ 86 6.2.3 Μελλοντικές Προοπτικές της Τεχνολογίας ΜΩΘΕ 87 6.3 ΩΚΕΑΝΙΑ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ, ΘΕΡΜΙΚΟ ΑΠΟΘΕΜΑ, ΠΕΡΙΒΑΝΤΟΛΛΟΓΙΚΗ ΕΚΤΙΜΗΣΗ 90 Σελίδα 3 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανΕώσιμΕς Πηγής Ενέργειες ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποτελούν ήπιες μορφές ενέργειας και προέρχονται από φυσικές διαδικασίες. Εξαντλώντας τα όρια της φύσης μέσω της υπερεκμετάλλευσης και την καταστροφή του φυσικού περιβάλλοντος ερχόμαστε σήμερα και επιστρέφουμε πάλι στην φύση για να βρούμε λύσεις στα προβλήματα. Η χρήση συμβατικών καυσίμων είναι ένα θέμα το οποίο έχει προκαλέσει τεράστιες επιτπώσεις στο περιβάλλον και ο μόνος τρόπος αντιμετώπισης του είναι η αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων με τις ΑΠΕ που είναι φιλικές προς το περιβάλλον. Επειδή η καταστροφή του περιβάλλοντος είναι ένα θέμα που απασχολεί ανά το παγκόσμιο βλέπουμε ότι όλες οι χώρες έχουν αρχίσει να λαμβάνουν μέτρα και να συμμορφώνονται για να σταματήσουν την καταστροφική πορεία που έχουν αρχίσει. Σε παγκόσμιο επίπεδο οι ΑΠΕ συνεισφέρουν περίπου στο 18% της παραγωγής ενέργειας. Εξαπλώνονται συνεχώς και οι τεχνολογίες αναπτύσσονται έτσι ώστε να μπορούν να συνεισφέρουν όσο το δυνατότερο σε περισσότερους τομείς αντικαθιστώντας τα συμβατικά καύσιμα. Όσον αφορά την Ευρώπη κατέχοντας ηγετική θέση στην εισαγωγή καυσίμων από τρίτες χώρες προσπαθεί να απεξαρτητοποιηθεί προωθώντας όλο και περισσότερο τη χρήση των ΑΠΕ. Με σύνθημα το 20-20-20 όλα τα κράτη μέλη υποχρεούνται να επιτύχουν τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα στο 20% και τη συμμετοχή των ΑΠΕ στο 20% μέχρι το 2020. Επίσης, η Ε.Ε έχει θέσει στόχους για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας, της αιολικής, της υδραυλικής και της βιομάζας ξεχωριστά. Κάποιοι από τους στόχους βρίσκονται κοντά στην πραγματοποίηση άλλοι όμως απέχουν. Σήμερα ένα από τα μεγάλα θέματα για το μέλλον της ανθρωπότητας είναι και το θέμα του περιβάλλοντος. Οι παρεμβάσεις του ανθρώπου, ιδιαίτερα τους τελευταίους 1-2 αιώνες, δημιούργησαν προβλήματα και καταστροφικές προοτττικές για την ανθρωπότητα. Μια από τις παρεμβάσεις του ανθρώπου, που δημιουργούν τεράστια προβλήματα στο φυσικό περιβάλλον, είναι οι αναγκαίες σήμερα μεγάλες ποσότητες ενέργειας, που απαιτούνται στη σύγχρονη κοινωνία, θέρμανση, ηλεκτρισμός, μεταφορές είναι Σελίδα 4 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνστ(τντίνου ΑνανΕώσιμΕς Πηγής Ενέργίΐίς αναγκαία σε κάθε νοικοκυριό, ενώ και η παραγωγή αγαθών βασίζεται σήμερα στην ενέργεια (βιομηχανία, βιοτεχνία, γεωργία, ορυκτό πλούτο). Για να περιοριστεί η ρύπανση του φυσικού περιβάλλοντος από την παραγωγή ενέργειας, γίνονται πολλές προτάσεις, μια από τις οποίες είναι οι ΑΠΕ. Καταρχήν πρέπει να τονίσουμε ότι και οι ΑΠΕ έχουν αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όμως σε μικρότερο βαθμό. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα που έχουν οι ΑΠΕ έναντι των καυσίμων είναι ότι δεν έχουν ημερομηνία λήξης, αφού έχουν διαρκή ανανέωση. Αντίθετα τα καύσιμα, που σήμερα καλύπτουν το μεγαλύτερο ποσοστό σε ενέργεια, έχουν εξαντληθεί αποθέματα, π.χ. τα υγρά καύσιμα και το φυσικό αέριο προβλέπεται ότι θα εξαντληθούν σε λιγότερο από 1 αιώνα. Στις ΑΠΕ υπάγονται: 1. Η αιολική ενέργεια 2. Η ηλιακή ενέργεια 3. Η βιομάζα 4. Η γεωθερμική ενέργεια 5. Η υδροηλεκτρική ενέργεια 6. Η ωκεάνια ενέργεια Είδη ήπιων μορφών ενέργειας Αιολική ενέργεια. Χρησιμοποιήθηκε παλιότερα για την άντληση νερού από πηγάδια καθώς και για μηχανικές εφαρμογές (π.χ. την άλεση στους ανεμόμυλους). Έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται πλατιά για ηλεκτροπαραγωγή. Ηλιακή ενέργεια. Χρησιμοποιείται περισσότερο για θερμικές εφαρμογές (ηλιακοί θερμοσίφωνες και φούρνοι) ενώ η χρήση της για την παραγωγή ηλεκτρισμού έχει αρχίσει να κερδίζει έδαφος, με την βοήθεια της πολιτικής προώθησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας από το ελληνικό κράτος και την Ευρωπαϊκή Ένωση. Υβριδικό αυτόνομο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, αποτελούμενο από φωτοβολταϊκή συστοιχία, ανεμογεννήτρια, εφεδρικό Η/Ζ και συσσωρευτές Υδατοπτώσεις. Είναι τα γνωστά υδροηλεκτρικά έργα, που στο πεδίο των ήπιων μορφών ενέργειας εξειδικεύονται περισσότερο στα μικρά υδροηλεκτρικά. Είναι η πιο διαδεδομένη μορφή ανανεώσιμης ενέργειας. Σελίδα 5 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανΕώσιμ^ς Πηγής Ενέργειες Βιομάζα. Χρησιμοποιεί τους υδατάνθρακες των φυτών (κυρίως αποβλήτων της βιομηχανίας ξύλου, τροφίμων και ζωοτροφών και της βιομηχανίας ζάχαρης) με σκοπό την αποδέσμευση της ενέργειας που δεσμεύτηκε απ' το φυτό με τη φωτοσύνθεση. Ακόμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αστικά απόβλητα και απορρίμματα. Μπορεί να δώσει βιοαιθανόλη και βιοαέριο, που είναι καύσιμα πιο φιλικά προς το περιβάλλον από τα παραδοσιακά. Είναι μια πηγή ενέργειας με πολλές δυνατότητες και εφαρμογές που θα χρησιμοποιηθεί πλατιά στο μέλλον. Γεωθερμική ενέργεια. Προέρχεται από τη θερμότητα που παράγεται απ' τη ραδιενεργό αποσύνθεση των πετρωμάτων της γης. Είναι εκμεταλλεύσιμη εκεί όπου η θερμότητα αυτή ανεβαίνει με φυσικό τρόπο στην επιφάνεια, π.χ. στους θερμοπίδακες ή στις πηγές ζεστού νερού. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε απευθείας για θερμικές εφαρμογές είτε για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η Ισλανδία καλύτττει το 80-90% των ενεργειακών της αναγκών με γεωθερμική ενέργεια. Ενέργεια από παλίρροιες. Εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Το νερό αποθηκεύεται καθώς ανεβαίνει και για να ξανακατέβει αναγκάζεται να περάσει μέσα από μια τουρμπίνα, παράγοντας ηλεκτρισμό. Έχει εφαρμοστεί στην Αγγλία, τη Γαλλία, τη Ρωσία και αλλού. Ενέργεια από κύματα. Εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας. Ενέργεια από τους ωκεανούς. Εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, κάνοντας χρήση θερμικών κύκλων. Βρίσκεται στο στάδιο της έρευνας. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας ουσιαστικά μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα, Δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. Σελίδα 6 από 96
Πτυχιαιαί εργασία tou Κακαμπάκου Κωνρτιιντίνου Ανανεώσίμ ς Πηγής Ενέργειες Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς και να αποτελόσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. Είναι ευέλικτες εφαρμογές που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσμού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής ενέργειας (καταρχήν για την ύπαιθρο) αλλά και για μεταφορά της ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Ο εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει μεγάλο χρόνο ζωής. Μειονεκτήματα Έχουν αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 30% ή και χαμηλότερο. Συνεπώς απαιτείται αρκετά μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια γης. Γι αυτό το λόγο μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται σαν συμπληρωματικές πηγές ενέργειας. Για τον παραπάνω λόγο προς το παρόν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους αλλά και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Για τις αιολικές μηχανές υπάρχει η άποψη ότι δεν είναι κομψές από αισθητική άποψη κι ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Με την εξέλιξη όμως της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης (π.χ. σε πλατφόρμες στην ανοιχτή θάλασσα) αυτά τα προβλήματα έχουν σχεδόν λυθεί. Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω απ' το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Σελίδα 7 από 96
τυχιακή εργασία του Κα> αμπάκου Κωνσταντίνου ΑνοτνεώσίμΕς Πηγής Ενέρ- ειες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1.1ΑΙΟΛΙΛΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1.1 Βασικές έννοιες Η αιολική ενέργεια είναι από τις πλέον γνωστές και από τις παλαιότερες χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας. Η τεχνολογία των ανεμόμυλων, με την βοήθεια των οποίων η ενέργεια του ανέμου μετατρεπόταν σε μηχανική ενέργεια, ήταν αρκετά γνωστή από αιώνες. Είναι ακόμα γνωστό ότι οι αρχαίοι Έλληνες ανάπτυξαν τους πολιτισμούς τους βασισμένοι στη δύναμη του ανέμου, ο οποίος κινούσε τα πλοία με τα οποία έκαναν το εμπόριο στον τότε γνωστό κόσμο. Σήμερα, στη γενική τους μορφή οι ανεμοκινητήρες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε άλλες πιο χρήσιμες μορφές ενέργειας, όπως θερμική, ηλεκτρική και φυσικά μηχανική. Πετρελαιοφόρα με αεροδυναμικά ιστία. Γενικά αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του ττνέοντος ανέμου. Η ενέργεια αυτή χαρακτηρίζεται "ήπια μορφή Σελίδα 8 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνοταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέργειες ενέργειας" και περιλαμβάνεται στις "καθαρές" πηγές όπως συνηθίζονται να λέγονται οι πηγές ενέργειας που δεν εκπέμπουν ή δεν προκαλούν ρύπους. Η αρχαιότερη μορφή εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας ήταν τα ιστία (πανιά) των πρώτων ιστιοφόρων πλοίων και πολύ αργότερα οι ανεμόμυλοι στη ξηρά. Η αιολική ενέργεια αποτελεί σήμερα μια ελκυστική λύση στο πρόβλημα της ηλεκτροπαραγωγής. Το «καύσιμο» είναι άφθονο, αποκεντρωμένο και δωρεάν. Δεν εκλύονται αέρια θερμοκηπίου και άλλοι ρύποι, και οι επιτπώσεις στο περιβάλλον είναι μικρές σε σύγκριση με τα εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής από συμβατικά καύσιμα. Επίσης, τα οικονομικά οφέλη μιας περιοχής από την ανάπτυξη της αιολικής βιομηχανίας είναι αξιοσημείωτα. Η αιολική ενέργεια δημιουργείται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία, γιατί η ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της γης προκαλεί τη μετακίνηση μεγάλων μαζών αέρα από τη μια περιοχή στην άλλη, δημιουργώντας έτσι τους ανέμους. Είναι μια ήπια μορφή ενέργειας, φιλική προς το περιβάλλον, πρακτικά ανεξάντλητη, γγ αυτό και είναι ανανεώσιμη. Αν υπήρχε η δυνατότητα, με την σημερινή τεχνολογία, να καταστεί εκμεταλλεύσιμο το συνολικό αιολικό δυναμικό της γης, εκτιμάται ότι η παραγόμενη σε ένα χρόνο ηλεκτρική ενέργεια θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες τις ανθρωπότητας στο ίδιο διάστημα. Υπολογίζεται ότι στο 25% της επιφάνειας της γης επικρατούν άνεμοι μέσης ετήσιας ταχύτητας πάνω από 5,1m/sec, σε ύψος 10πι πάνω από το έδαφος. Όταν οι άνεμοι πνέουν με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή την τιμή, τότε το αιολικό δυναμικό του τόπου θεωρείται εκμεταλλεύσιμο και οι απαιτούμενες εγκαταστάσεις μπορούν να καταστούν οικονομικά βιώσιμες, σύμφωνα με τα σημερινά δεδομένα. Άλλωστε το κόστος κατασκευής των ανεμογεννητριών έχει μειωθεί σημαντικά και μπορεί να θεωρηθεί ότι η αιολική ενέργεια διανύει την πρώτη περίοδο ωριμότητας, καθώς είναι πλέον ανταγωνιστική των συμβατικών μορφών ενέργειας. Η χώρα μας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναμικό και η αιολική ενέργεια μπορεί αν γίνει σημαντικός μοχλός ανάπτυξής της. Από το 1982, οπότε εγκαταστάθηκε από τη ΔΕΗ το πρώτο αιολικό πάρκο στην Κύθνο, μέχρι και σήμερα έχουν εγκατασταθεί στην Άνδρο, στην Εύβοια, στην Λήμνο, Λέσβο, Χίο, Σάμο, και στην Κρήτη εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο συνολικής ισχύος πάνω από 30MW. Μεγάλο ενδιαφέρον επίσης δείχνει και ο ιδιωτικός τομέας για την Σελίδα 9 από 96
Πτυχιακή Εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανεώσιμΕς Πηγής Ενέργειες εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, ιδιαίτερα στην Κρήτη, όπου το Υπουργείο Ανάπτυξης έχει εκδώσει άδειες εγκατάστασης για νέα αιολικά πάρκα συνολικής ισχύος δεκάδων MW, 1.1.2 Χρησιμότητα της αιολικής ενέργειας Η συστηματική εκμετάλλευση του πολύ αξιόλογου αιολικού δυναμικού της χώρας μας θα συ μ βάλει: Στην αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ταυτόχρονη εξοικονόμηση σημαντικών ποσοτήτων συμβατικών καυσίμων, που συνεπάγεται συναλλαγματικά οφέλη. Σε σημαντικό περιορισμό της ρύπανσης του περιβάλλοντος, αφού έχει υπολογισθεί ότι η παραγωγή ηλεκτρισμού μιας μόνο ανεμογεννήτριας ισχύος 550KW σε ένα χρόνο, υποκαθιστά την ενέργεια που παράγεται από την καύση 2.700 βαρελιών πετρελαίου, δηλαδή αποτροπή της εκπομπής 735 περίπου τόνων CO2 ετησίως καθώς και 2 τόνων άλλων ρύπων στη δημιουργία πολλών νέων θέσεων εργασίας, αφού εκτιμάται ότι για κάθε νέο MW αιολικής ενέργειας δημιουργούνται 14 νέες θέσεις εργασίας. Περιβαλλοντικό όφελος αττό την χρήση της αιολικής ενέργειας μέχρι το 2012. Με την αυξημένη χρήση της αιολικής ενέργειας και παραγωγής ηλεκτρισμού μέσω αυτής υπολογίζεται μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα στην Ευρώπη. Στο πιο κάτω ιστόγραμμα σχηματίζονται οι προβλέψεις για τις χώρες μέλη. Σελίδα 10 από 96
Πτυχιακή εργασία tou Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανΕώσιμες Πηγής Ενέργειες Σελίδα 11 από 96
n.k <.p y a c la,.v K 1.2 ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΛΡΚΛ 1.2.1 Βασικές έννοιες Τα αιολικά πάρκα (ΑΓ) αποτελούνται από σειρές ανεμογεννητριών (ΑΓ) που μετατρέπουν την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική έτσι γίνεται η εκμετάλλευση του τοπικού αιολικού δυναμικού που αποτελείται από μια ανεξάντλητη φυσική πηγή. Η λειτουργία των ΑΓ δεν απαιτεί πρώτες ύλες, εκτός από την αιολική ενέργεια, και δεν εκπέμπει καμία μορφή ρύπου ή αποβλήτων επίσης, το παραγόμενο προϊόν μεταφέρεται απευθείας στο δίκτυο της ΔΕΗ προς κατανάλωση και, επομένως, δεν απαιτείται κανενός είδους μετατροπή πρώτης ύλης ή προϊόντος. ΕΙΚΟΝΑ:ΑΙΟΛΙΚΟ ΠΑΡΚΟ Σελίδα 12 από 96
Πτυχιακή Εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέργειχς 1.2.2 Που υπάρχει ενδιαφέρον στην Ελλάδα Το πολυσχιδές ανάγλυφο της Ελλάδας, βουνά, πεδιάδες, λόφοι, νησιά κάνουν αρκετά περίπλοκη την κατανομή των ανέμων ως προς την ταχύτητα και την διεύθυνση. Υπάρχουν περιοχές όπως το στενό Ρίου - Αντιρρίου που είναι γνωστές για τους πολύ ισχυρούς τους ανέμους, όμως αυτό δεν βοηθά πολύ την υπόθεση της αξιοποίησης, αφού αυτό συμβαίνει για σχετικά μικρό ποσοστό ημερών. Αντίθετα, η παράκτια και λοφώδης ζώνη της Αιγιαλείας, έχει μεγάλη συχνότητα επικράτησης σταθερών ΒΔ ανέμων, με καλύτερες προοτπικές αξιοποίησης ως προς το αιολικό δυναμικό. Οι πιο ευνοημένες, από πλευράς αιολικού δυναμικού, περιοχές στην Ελλάδα βρίσκονται πάντως στο Αιγαίο, κυρίως στην περιοχή των Κυκλάδων, της Κρήτης (βόρειο τμήμα του νησιού) στην Ανατολική και Νοτιανατολική Πελοπόννησο και στην Εύβοια (άνεμοι βόρειοι έως ΒΑ) Εκεί επικεντρώνονται οι προσπάθειες ανάτπυξης των αιολικών πάρκων. Από πλευράς οικονομικών συνθηκών όμως το πρόβλημα των νησιών είναι η μη ύπαρξη διασύνδεσης με το εθνικό δίκτυο, ώστε να υπάρχει απορρόφηση της παραγόμενης ενέργειας κατά την εποχή χαμηλής ζήτησης αυτής, έξω από την τουριστική περίοδο. Περιοχές με αιολικό ενδιαφέρον όμως υπάρχουν και στη λοφώδη παράκτια ζώνη της Δ. Ελλάδας αλλά και σε αρκετά βουνά. Σε κάθε περίτττωση όμως πρέπει να υπάρχει εμπεριστατωμένη περιβαλλοντική μελέτη, όπου θα συνεκτιμάται η επίδραση στην πανίδα (κυρίως στα τττηνά) και χλωρίδα και στην γενικότερη αισθητική του τοπίου (στο τελευταίο πάντως πιστεύουμε ότι μια αιολική από μια καμινάδα που βγάζει καττνούς). Το ότι η καταακευή αιολικών πάρκων δεν συνδέεται κατ ανάγκην με την εγκατάσταση σε βουνά φαίνεται από το παράδειγμα των ακτών της Βόρειας Θάλασσας, στη Δανία και στη Γερμανία: Στη ζώνη της παλίρροιας, της οποίας το εύρος είναι περί τα 2-3 μέτρα, υπάρχει μια εκτεταμένη περιοχή (που ονομάζεται Watt στα γερμανικά και tibal flat στα αγγλικά) η οποία μάλιστα αποτελεί το μεγαλύτερο εθνικό πάρκο της Γερμανία, με σημαντικό βιολογικό και γεωλογικό ενδιαφέρον, ενώ είναι και παράδεισος έρευνας για βιολόγους, ειδικούς της θαλάσσιας γεωλογίας και ιζηματολογίας, μετεωρολόγους, χωροτάκτες, οικολόγους αλλά και ενεργειακούς μηχανικούς. Σελίδα 13 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανεώσιμΕς Πηγής Ενέργειες Κριτήρια για την κατάλληλη θέση εγκατάστασης ενός Αιολικού Πάρκου (ΑΠ) Το υψηλό αιολικό δυναμικό της εξεταζόμενης περιοχής δεν αποτελεί το μόνο κριτήριο για την επιλογή της. Άλλοι παράμετροι που θα πρέπει να συμπεριληφθούν στην εξέταση είναι: Τα γειτονικά δίκτυα με τη ΔΕΗ ανάλογης ισχύος και η ύπαρξη δρόμων πρόσβασης. Αποστάσεις από τις κοντινότερες κοινότητες. Το αρχαιολογικό ενδιαφέρον για την εξεταζόμενη περιοχή. Η θέση της ΑΓ σε σχέση με τους αναμεταδότες της ΕΡΤ και του ΟΤΕ. Αποστάσεις από τα αεροδρόμια. Ειδικά προγράμματα περιβαλλοντικής προστασίας (NATURA, RAMSAR, κλπ.) 1.2.3 Η κατάσταση στην Ελλάδα Αιολικά πάρκα στο μέγεθος της Ελλάδας θα καλύπτουν τις ενεργειακές ανάγκες της Ευρώπης. Υπεράκτια αιολικά πάρκα με συνολική έκταση μικρότερη από 150.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα θα μπορούσαν να καλύψουν στο μέλλον τις ενεργειακές ανάγκες ολόκληρης της Ευρώπης με μηδενικές εκπομπές αέριων ρύπων, υποστηρίζει η Ευρωπαϊκή Ένωση Αιολικής Ενέργειας (EWEA). Η βιομηχανία αιολικής ενέργειας βρίσκεται σε άνθηση, καθώς η διεθνής κοινότητα έρχεται αντιμέτωπη με την κλιματική αλλαγή, συνέπεια της καύσης ορυκτών καυσίμων. Ωστόσο η επέκταση των αιολικών πάρκων συναντά αντιστάσεις, καθώς πολλοί θεωρούν ότι οι ανεμογεννήτριες ασχημαίνουν το τοπίο και απειλούν τα διερχόμενα πουλιά. Η EWEA ανακοίνωσε πάντως ότι σύντομα θα ξεκινήσει ενημερωτική καμπάνια με στόχο να καθησυχάσει τους φόβους των πολιτών. Η εκστρατεία θα περιλαμβάνει Σελίδα 14 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέργειες αφίσες, καταχωρήσεις σε εφημερίδες και εκθέσεις φωτογραφίας αφιερωμένες στην «ομορφιά των τουρμπίνων». Η Ένωση ευελπιστεί ότι μέχρι το 2012 η ισχύς των αιολικών πάρκων στην Ευρώπη θα έχει αυξηθεί στα 75 Gigawatt (τα 10GW από υπεράκτιες τουρμπίνες) και θα καλύπτει το 5,5% της ζήτησης. Καθώς οι περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες θα πρέπει να μειώσουν τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, όπως προβλέπει το Πρωτόκολλο του Κιότο, το νούμερο αυτό θα μπορούσε να αυξηθεί στο 12% έως το 2020. Όσον αφορά τις επιπτώσεις των αιολικών πάρκων στα πουλιά, ακόμα και περιβαλλοντικές οργανώσεις, όπως οι Φίλοι της Γης, παραδέχονται ότι το θέμα αυτό είναι δευτερεύον, συγκρινόμενο με την απειλή της παγκόσμιας θέρμανσης. Σελίδα 15 από 96
Πτυχιακή Εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής ΕνέργΕί ς 1.3 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡ1ΕΣ 1.3.1 Βασικές έννοιες Σήμερα η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας γίνεται σχεδόν αποκλειστικά με μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική και ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Η σημερινή τεχνολογία βασίζεται σε ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα 2 ή 3 πτερυγίων, με αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύ 200-400kW. Όταν εντοπιστεί μια ανεμώδης περιοχή - και εφόσον βέβαια έχουν προηγηθεί οι απαραίτητες μετρήσεις και μελέτες - για την αξιοποίηση του αιολικού της δυναμικού τοποθετούνται μερικές δεκάδες ανεμογεννήτριες, οι οποίες απαρτίζουν ένα «αιολικό πάρκο». Η εγκατάσταση κάθε ανεμογεννήτριας διαρκεί 1-3 μέρες. Αρχικά ανυψώνεται ο πύργος και τοποθετείται τμηματικά πάνω στα θεμέλια. Μετά ανυψώνεται η τάτρακσο στην κορυφή του πύργου. Στη βάση του πύργου συναρμολογείται ο ρότοραο ή δρουέαο (οριζοντίου άξονα, πάνω στον οποίο είναι προσαρτημένα τα πτερύγια), ο οποίος αποτελεί το κινητό μέρος της ανεμογεννήτριας. Η άτρακτος περιλαμβάνει το σύστημα μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στη συνέχεια ο ρότορας ανυψώνεται και συνδέεται στην άτρακτο. Τέλος, γίνονται οι απαραίτητες ηλεκτρικές συνδέσεις Διακρίνουμε δύο είδη ανεμογεννητριών: τις δίτττερες και τις τρίτπερες. Οι τρίπτερες, με ρότορα μικρότερο των 10 μέτρων, έχουν τη δυνατότητα εκμετάλλευσης ασθενούς αιολικού δυναμικού. Στις μηχανές μεγάλου μεγέθους επικρατούν οι δίτπερες, με κόστος κατασκευής και συντήρησης μικρότερο απ' αυτό των τρίτπερων αντίστοιχου μεγέθους. Η σύγχρονη τεχνολογία χρήσης της αισλικής ενέργειας ξεκίνησε με μικρές Α/Γ δυναμικότητας 20 ως 75 KW. Σήμερα χρησιμοποιούνται Α/Γ δυναμικότητας 200 ως 2.000 KW. 1.3.2 Κατηγορίες της ανεμογεννήτριας Οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες. Στις ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα και σε αυτές που έχουν κατακόρυφο άξονα. Οι οριζοντίου άξονα είναι εκείνες των οποίων ο δρομέας είναι τύπου έλικας και ο άξονάς Σελίδα 16 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώοίμες Πηγής Ενέργειτς τους μπορεί να περιστρέφεται συνεχώς παράλληλα προς τον άνεμο. Οι κατακόρυφου άξονα είναι εκείνες των οποίων ο άξονας παραμένει σταθερός. Οι κατακόρυφου άξονα έχουν τα πλεονεκτήματα ότι δεν χρειάζονται σύστημα προσανατολισμού και η ηλεκτρική τους γεννήτρια είναι στο έδαφος. Αντίθετα έχουν τα μειονεκτήματα ότι εκμεταλλεύονται μικρότερες ταχύτητες ανέμων αφού είναι κοντά στο έδαφος, έχουν μικρότερο συντελεστή ισχύος και η στερέωσή τους στο έδαφος απαιτεί εγκαταστάσεις που καταλαμβάνουν μεγάλο εμβαδόν. ^ Μ ε τά δ ο σ η Λ ιό μ ε τ ρ ο ς ik iu n a n c \ Γ ε υ ν ή τ ρ ισ / J j 1, ( Φ τ ε ρ ω τ ή \ ) j σ τ α θ ε ρ ή ς \ ' ' α κ τ ίν α ς Ο ρ ιζ ο ν τ ίο υ ά ξ ο ν α Σ τ ή ρ ι ξ η >, > Μ ε τ ά δ ο σ η κ ί ν η σ η ς Α ν ε μ ο γ ε ν ν ή τ ρ ιε ς ^ Γ ε ν ν ή τ ρ ια Κ α θέτο υ ά ξο να Σελίδα 17 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέργειες Οριζοντίου άςονα Κατακορύφου άξονα 1.3.3 Η λειτουργία της ανεμογεννήτριας Ο άνεμος περιστρέφει τα πτερύγια μιας ανεμογεννήτριας, τα οποία είναι συνδεδεμένα με ένα περιστρεφόμενο άξονα. Ο άξονας περνάει μέσα σε ένα κιβώτιο μετάδοσης της κίνησης όπου αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής. Το κιβώτιο συνδέεται με έναν άξονα μεγάλης ταχύτητας περιστροφής ο οποίος κινεί μια γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Αν η ένταση του ανέμου ενισχυθεί πάρα πολύ, η τουρμπίνα έχει ένα φρένο που περιορίζει την υπερβολική αύξηση Σελίδα 18 από 96
τυχιακή εργασία του Κα» αμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέρ ειες περιστροφής των πτερυγίων για να περιοριστεί η φθορά της και να αποφευχθεί η καταστροφή της. Η ταχύτητα του ανέμου πρέπει να είναι περισσότερο από 15Kph για να μπορέσει η μια κοινή τουρμπίνα να παράγει ηλεκτρισμό. Συνήθως παράγουν 50-300KW η κάθε μια. Ένα KW ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να ανάψει 100 λάμπες των 100W. Καθώς η γεννήτρια περιστρέφεται παράγει ηλεκτρικό ρεύμα τάση 25.000Volt. Το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει πρώτα από έναν Μ/Σ στην ηλεκτροπαραγωγική μονάδα ο οποίος ανεβάζει την τάση του στα 400.000Volt. Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διανύει μεγάλες αποστάσεις είναι καλύτερα να έχουμε υψηλή τάση. Τα μεγάλα χοντρά σύρματα της μεταφοράς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι κατασκευασμένα από χαλκό ή αλουμίνιο για να υπάρχει μικρότερη αντίσταση στη μεταφορά του ρεύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του σύρματος τόσο πιο πολύ θερμαίνεται. Έτσι κάποιο ποσό ηλεκτρικής ενέργειας χάνεται επειδή μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Τα σύρματα μεταφοράς καταλήγουν σε ένα υποσταθμό όπου οι Μ/Σ του μετατρέπουν την υψηλή τάση σε χαμηλή για να μπορέσουν να λειτουργήσουν οι ηλεκτρικές συσκευές. Σελίδα 19 από 9ι
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανΕώσιμ ς Πηγής Ενέργειες Ο αεροκινητήρας από την εποχή της εμφάνισης του μέχρι σήμερα έχει περάσει από πολλά στάδια εξέλιξης, τόσο ως προς τον τύπο του (οριζοντίου ή κάθετου άξονα) όσο και ως προς τα υποσυστήματα του (πτερύγια, κιβώτιο ταχυτήτων, πύργος, αυτοματισμοί, γεννήτρια κ.α.). Εξελίξεις έχουν επίσης σημειωθεί και στον τρόπο δέσμευσης, αξιοποίησης, αποθήκευσης ή μεταφοράς της ενέργειας του ανέμου που μετατρέπεται από την Α/Γ σε άλλη μορφή ενέργειας. Μια εικόνα των βασικών μερών που αποτελούν μια διάταξη εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας καθώς και της ροής ενέργειας παρουσιάζεται στο σχήμα2. Η διάταξη αυτή είναι μια γενική περίπτωση όπου η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται σε μηχανικό έργο με τη βοήθεια αεροδυναμικής διάταξης (π.χ. μιας έλικας). Αυτό το μηχανικό έργο μπορεί να είναι εκμεταλλεύσιμο επί τόπου ή να χρειαστεί να μετατραπεί σε μια άλλη μορφή ενέργειας και να μεταφερθεί στον τόπο της ζήτησης. Παραδείγματα εκμετάλλευσης της παραγόμενης ενέργειας επί τόπου είναι αυτό της παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση του νερού που μπορεί να αποθηκευτεί, μεταφερθεί, και να καεί ως αέριο καύσιμο με μηδαμινή επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Στη δεύτερη που είναι και πιο ευρέως διαδεδομένη είναι αυτή της μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια λόγω της εύκολης μεταφοράς αλλά και της δυνατότητας που έχει να μετατρέπεται σε οποιαδήποτε άλλη μορφή θέλουμε. Βέβαια οι μεγάλες διακυμάνσεις της ενέργειας του ανέμου με το χρόνο πολλές φορές έχουν χρονική ασυμφωνία με την ζήτηση ενέργειας με αποτέλεσμα την αναγκαιότητα της αποθήκευσης της ενέργειας για τις χρονικές στιγμές στις οποίες η ισχύς του ανέμου πέφτει κάτω από ένα όριο. Σελίδα 20 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταναίνου Ανο[νΕώσίμ ς Πηγής Ενέργειες Έτσι Ο βέλτιστος σχεδιασμός ενός συστήματος εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας πρέπει να περιλαμβάνει: 1. Μελέτη των χαρακτηριστικών του ανέμου με σκοπό την εκλογή της βέλτιστης τοποθεσίας για την εγκατάσταση της Α/Γ και την πιθανή παραγωγή ενέργειας. 2. Σχεδιασμός της αεροδυναμικής διάταξης που να μετατρέπει κατά τον αποδοτικότερο τρόπο την κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανικό έργο. 3. Μελέτη της περίπτωσης μετατροπής του μηχανικού έργου σε άλλη πιο συμφέρουσα μορφή ενέργειας και βέλτιστο σχεδίασμά του συστήματος μετατροπής του μηχανικού έργου του δρομέα. 4. εύρεση του καλύτερου τρόπου αντιμετώπισης των διακυμάνσεων της ενέργειας του ανέμου. 5. Μελέτη του βέλτιστου τρόπου μεταφοράς, αν απαιτείται 6. Διεύρυνση της καλύτερης προσαρμογής της μεταβαλλόμενης παραγωγής ενέργειας του συστήματος προ την κατανάλωση. Όλα τα παραπάνω για να είναι εφικτά θα πρέπει το τελικό προϊόν που θα διατεθεί στην αγορά κατανάλωσης πάνω από όλα να είναι οικονομικά ανταγωνίσιμο έναντι στις άλλες συμβατικές πηγές ενεργείας έτσι ώστε μια οποιαδήποτε επιστημονική προσέγγιση να μην χάσει την αξία της αλλά και το σκοπό της. Σελίδα 21 από 96
τυχιακή εργασία του Και αμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανεώσιμΕς Πηγής Ενέρ Εί ς 1.3.4 Περιγραφή Μονάδας Ανεμογεννήτριας Μ MrCMJ (1) Πτερύγιο. (2) Φυγοκεντρικός μηχανισμός αεροδυναμικού φρένου. (3) Πλήμνη. (4) Κάλυμμα ττλύμνης. (5) Πλαίσιο ατράκτου. (6) Κιβώτιο πολλαττλασιασμού. (7) Δισκόφρενο. (8) Υδραυλική μονάδα ελέγχου του φρένου. (9) Ελαστικός σύνδεσμος. (10) Γεννήτρια. (11) Μονάδα προσανεμισμού ατράκτου. (12) Τράπεζα ολίσθησης. (13) Πυλώνας. (14) Κάλυμμα ατράκτου. Σελίδα 22 από 96
τυχια)οή εργασία του Κα> αμπάκου Κωνστοιντίνου ΑνανΕώσιμες Πηγής Ενέρ ειχς Η περιγραφή αντιστοιχεί σε μια Α/Γ του τύπου «BW 10» η οποία είναι σχεδιασμένη για να παρέχει ρεύμα 220/150 ΗΖ κυρίως για την εξυπηρέτηση εγκαταστάσεων που η σύνδεσή τους με το δίκτυο της ΔΕΗ δεν είναι δυνατόν να γίνει.στο (σχήμα 5 ), που ακολουθεί φαίνεται η γενική μορφή της ατράκτου της Α/Γ,η οποία αποτελείται από τα εξής μέρη. Επίσης στο (σχήμα 6 ),το οποίο είναι πιο απλό, φαίνονται καλύτερα τα εξαρτήματα της ατράκτου μιας Α/Γ οριζόντιου άξονα τα οποία είναι: (1) Πλαίσιο ατράκτου. (2) Γεννήτρια. (3) Δευτερογενής κινητήριος άξονας. (4) Κιβώτιο πολλαπλασιασμού. (5) Έδρανο άξονα. (6) Προσκόλληση πυλώνα. (7) Πυλώνας. (8) Φρένο. (9) Κύριος άξονας. (10) Κύριο έδρανο άξονα. (11) Πτερύγιο,στο (σχήμα 7 φαίνεται η μορφή του). (12) Βάση πτερυγίου. (13) Πλύμνη. :.4πλή μ«pf ή της βτρίκτοϊ μιας.\τ Κίνηση αεοοκινητήοα : Η κίνηση του αεροκινητήρα αρχίζει λόγω των δυνάμεων και ροπών που ενεργούν στο στρεφόμενο τμήμα του καθώς ο άνεμος διέρχεται δια μέσου του δρομέα. Οι δυνάμεις αυτές μπορεί να οφείλονται στην αντίσταση που ο δρομέας του Σελίδα 23 από 96
Π rυχ^αιcή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανΕώσιμίς Πηγής Ενέργειες αεροκινητήρα προβάλει στη ροή του ανέμου ή σε δυνάμεις άνωσης. Οι δυνάμεις αντίστασης έχουν την ίδια φορά με την κατεύθυνση ττνοής του ανέμου, ενώ οι δυνάμεις άνωσης έχουν φορά κάθετη προς την κατεύθυνση του ανέμου. Επίσης είναι γνωστό από την Αεροδυναμική ότι η δύναμη άνωσης που αναπτύσσεται πάνω σε μια αεροτομή (πτέρυγα) που βρίσκεται σε γωνία πρόσπτωσης ως προς το ρεύμα του αέρα είναι πολλαπλάσια της δύναμης αντίστασης που εφαρμόζεται στην αεροτομή. ΓΓαυτό και καταρχήν οι αεροκινητήρες των οποίων η λειτουργία βασίζεται στην εκμετάλλευση των δυνάμεων άνωσης είναι αποδοτικότεροι από τους αεροκινητήρες των οποίων η λειτουργία βασίζεται σε δυνάμεις αντίστασης. Μειονεκτήματα Οι ανεμογεννήτριες μπορεί να προκαλέσουν τραυματισμούς ή θανατώσεις πουλιών, κυρίως αποδημητικών γιατί τα ενδημικά «συνηθίζουν» την παρουσία των μηχανών και τις αποφεύγουν. Γι αυτό καλύτερα να μην κατασκευάζονται αιολικά πάρκα σε δρόμους μετανάστευσης πουλιών. Σε κάθε περίπτωση, πριν τη δημιουργία ενός αιολικού πάρκου ή και οποιασδήποτε εγκατάστασης ΑΠΕ θα πρέπει να έχει προηγηθεί Μελέτη Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων (ΜΠΕ). Πάντως η συχνότητα ατυχημάτων πουλιών σε αιολικά πάρκα είναι πολύ μικρότερη αυτής των ατυχημάτων με αυτοκίνητα. Με την εξέλιξη όμως της τεχνολογίας και την αυστηρότερη επιλογή του τόπου εγκατάστασης (π.χ. πλωτές πλατφόρμες σε ανοικτή θάλασσα) το παραπάνω πρόβλημα, αλλά και ο θόρυβος από τη λειτουργία των μηχανών, έχουν σχεδόν λυθεί. Σελίδα 24 από 96
Πτυχιαιο^ εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέργ ί ς ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2.1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1.1 Βασικές έννοιες Ο ήλιος εκπέμπει τεράστια ποσότητα ενέργειας ημερησίως. Η ηλιακή ακτινοβολία αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού με δύο τρόπους. Θερμικές και φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Η πρώτη είναι η συλλογή της ηλιακής ενέργειας για να παραχθεί θερμότητα, κυρίως για τη θέρμανση τσυ νερού και τη μετατροπή του σε ατμό για την κίνηση τουρμπίνων. Στη δεύτερη εφαρμογή τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρισμό με τη χρήση φωτοβολτάίκών κυψελών ή συστοιχιών. Αυτή η τεχνολογία που εμφανίστηκε στις αρχές του 1970 στα διαστημικά προγράμματα των ΗΠΑ έχει μειώσει το κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού με αυτόν τον τρόπο από $300 σε $4 το Watt. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως σε αγροτικές και απομακρυσμένες περιοχές όπου η σύνδεση με το δίκτυο είναι πολύ ακριβή. Αν και όλη η γη δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία, η ποσότητά της εξαρτάται κυρίως από τη γεωγραφική θέση, την ημέρα, την επσχή και τη νεφοκάλυψη. Η έρημος δέχεται περίπου το διπλάσιο ποσό ηλιακής ενέργειας από άλλες περιοχές. 2.1.2 Ηλιακή ακτινοβολία Η ηλιακή ακτινοβολία έχει ορισμένα χαρακτηριστικά τα οπαία επηρεάζουν τις μεταβολές που προκαλεί στα διάφορα υλικά. Γενικά η ηλιακή ακτινοβολία προέρχεται από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις πσυ 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 4.000.000 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. Σελίδα 25 από 96
Πτυχιακή εργασία tou Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανεώσιμΕς Πηγής ΕνέργείΕς Η ηλιακή ακτινοβολία ταξιδεύει προς τη γη με ταχύτητα 300.000 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 4,3.1014 ταλαντώσεις το δευτερόλεπτο και στο άλλο άκρο το ιώδες χρώμα με συχνότητα 7,5.1014 ταλαντώσεις το δευτερόλεπτο. 10 λόγοι για να στραφούμε στην ηλιακή ενέργεια 1. Αξιοπιστία Είναι μια καθόλα ώριμη και δοκιμασμένη τεχνολογία. Σελίδα 26 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανεώσιμΕς Πηγής Ενέργειας 2. Αποκέντρωση Η θερμική ενέργεια παράγεται στα σημεία ζήτησής της. Αποφεύγονται έτσι οι τεράστιες απώλειες μεταφοράς ενέργειας μέσω του ηλεκτρικού δικτύου (που στην Ελλάδα φτάνουν κατά μέσο όρο το 12%). 3. Αυτονουία Αποτρέπονται οι τεράστιες δαπάνες για εισαγωγή ενέργειας και η ανασφάλεια λόγω εξάρτησης από εισαγόμενους ενεργειακούς πόρους, το 70% των ενεργειακών πόρων που καταναλώνει, τη στιγμή που ο ήλιος είναι δωρεάν και υπάρχει παντού. 4. Ανάπτυξη Η ενίσχυση της εγχώριας αγοράς θα αυξήσει την ποιότητα των ελληνικών προϊόντων προκειμένου να αντιμετωπίσουν το ανταγωνιστικότερο περιβάλλον των εξαγωγών. 5. Gtacic Epvaaiac Ήδη πάνω από 3.500 άτομα απασχολούνται στη βιομηχανία ηλιοθερμικών συστημάτων στην Ελλάδα. Η περαιτέρω ανάπτυξη της αγοράς συνεπάγεται νέες θέσεις εργασίας σε μια καθαρή τεχνολογία. Η τοποθέτηση ενός ηλιακού συλλέκτη είναι απλή. Η δε συντήρηση που απαιτεί είναι ελάχιστη. 7. Ε^οικονόυηση γοηυάτων Για τον απλό καταναλωτή, ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι η πιο απλή και συμφέρουσα λύση για να περικόψει τους λογαριασμούς ρεύματος. Το μέσο ετήσιο κέρδος του μπορεί να φτάσει έως 100 ευρώ περίπου. Σελίδα 27 από 96
Πτυχιαιοή εργασία του Κακαμπάκου Κωνοταντίνου ΑνανεώσιμΕς Πηγής ΕνεργΕίίς 8. Ε^οικονόυηση ενέρνεια Για την Ελλάδα, η εξοικονόμηση που ήδη συντελείται είναι πολύ σημαντική. Οι εγκατεστημένοι ηλιακοί θερμοσίφωνες εξοικονομούν ήδη 1,1 δισεκατομμύρια κιλοβατώρες το χρόνο, όση ενέργεια παράγει δηλαδή ένας συμβατικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής, ισχύος 200 μεγαβάτ. Χωρίς τους ηλιακούς θερμοσίφωνες θα υπήρχε ένα σημαντικό έλλειμμα ισχύος, ιδιαίτερα στα απομονωμένα ηλεκτρικά δίκτυα των νησιών που θα αντιμετώπιζαν έτσι συχνές διακοπές ρεύματος, ιδίως κατά την καλοκαιρινή τουριστική περίοδο. 9. Προστασία περιβάλλοντο Αποτρέπεται η έκλυση μεγάλων ποσοτήτων ρύπων που επιβαρύνουν το περιβάλλον και τη δημόσια υγεία. 10. Κλιυατικέ αλλαγές Αποτρέπεται η κατανάλωση ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και κατά συνέπεια οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που προκαλούν τις παγκόσμιες κλιματικές αλλαγές. Ένα τυπικό θερμοσιφωνικό σύστημα για οικιακή χρήση παράγει στην Ελλάδα ετησίως 840-1.080 κιλοβατώρες και αποσοβεί την έκλυση 925-1.200 κιλών C02 το χρόνο, όσο δηλαδή θα απορροφούσε 1,5 στρέμμα δάσους. Κόστος τυπικών ηλιοθερμικών συστημάτων στην Ελλάδα Ατομικά ηλιακά συστήματα Κεντρικά ηλιακά συστήματα Κόστος ( /τ.μ.) 300 200 Τυπικό μέγεθος 2,4 100 συστήματος (τ.μ.) Σελίδα 28 από 96
Πτυχιαισ^ εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανεώσιμΣς Πηγής Ενέργεΐ ς 2.2 ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ηλιακή ενέργεια είναι καθαρή, ανεξάντλητη, ήπια και ανανεώσιμη. Η ηλιακή ακτινοβολία δεν ελέγχεται από κανέναν και αποτελεί ένα ανεξάντλητο εγχώριο ενεργειακό πόρο, που παρέχει ανεξαρτησία, προβλεψιμότητα και ασφάλεια στην ενεργειακή τροφοδοσία. Υπάρχουν δύο τρόποι για να αξιοποιήσει κανείς την ηλιακή ενέργεια. Παράγοντας ηλιακό ηλεκτρισμό μέσω των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Αξιοποιώντας τη θαλπωρή του ήλιου για θέρμανση, ψύξη και ζεστό νερό με τα ηλιοθερμικά συστήματα. Ηλιοθερμικά συστήματα Εδώ και μια εικοσαετία οι Έλληνες καταναλωτές έχουν εξοικειωθεί με τους ηλιακούς θερμοσίφωνες για την παραγωγή ζεστού νερού. Εκείνο όμως που αγνοεί η πλειοψηφία των καταναλωτών είναι, όχι μόνο οι τεχνολογικές βελτιώσεις των ηλιοθερμικών συστημάτων για ζέσταμα του νερού, αλλά κυρίως οι λοιπές χρήσεις των ηλιοθερμικών τεχνολογιών όπως η θέρμανση χώρων, η τηλεθέρμανση οικισμών, ο ηλιακός κλιματισμός και η ηλιοθερμική παραγωγή ηλεκτρισμού. Φωτοβολταϊκά συστήματα Ειδικότερα Όταν τα φωτοβολταϊκά εκτεθούν στην ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπουν ένα 5-17% της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική (με τη σημερινή τεχνολογία, η οποία συνεχώς Σελίδα 29 από 96
Πτυχιακή εργασία του ΚακαμπΑκου Κωνσταντίνου ΑνοτνΕώσιμίς Πηγής Ενέργειες βελτιώνεται). Το πόσο ακριβώς είναι αυτό το ποσοστό εξαρτάται από την τεχνολογία που χρησιμοποιούμε. Υπάρχουν π.χ. τα λεγόμενα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά, τα πολύ κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά, και τα άμορφα. Τα τελευταία έχουν χαμηλότερη απόδοση είναι όμως φθηνότερα. Η επιλογή του είδους των φωτοβολταϊκών είναι συνάρτηση των αναγκών, του διαθέσιμου χώρου ή ακόμα και της οικονομικής ευχέρειας του χρήστη. Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να τοποθετηθούν σε οικόπεδα, στέγες (επίπεδες και κεκλιμένες) ή και σε προσόψεις κτιρίων. Υπάρϊουν δύο τρόποι να τα χρησιμοποιήσει καvείc. Ανεξάρτητα από το δίκτυο τηρ ΔΕΗ ή σε συνερνασία υ αυτό. Μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση μπορεί να αποτελεί λοιπόν ένα αυτόνομο σύστημα που να καλύπτει το σύνολο των ενεργειακών αναγκών ενός κτιρίου ή μιας επαγγελματικής χρήσης. Για τη συνεχή εξυπηρέτηση του καταναλωτή, η εγκατάσταση θα πρέπει να περιλαμβάνει και μια μονάδα αποθήκευσης (μπαταρίες) και διαχείρισης της ενέργειας. 1. φωτοβολταϊκά πλαίσια<όγ>2. πίνακας ελέγχου<ότ>3. αντιστροφέας (invei1er)<br>4. μετρητής ΔΕΗ Εναλλακτικά, ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρισμού με φωτοβολταϊκά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με το δίκτυο της ΔΕΗ (διασυνδεδεμένο σύστημα). Στην περίπτωση αυτή, καταναλώνει κανείς ρεύμα από το δίκτυο όταν το φωτοβολταϊκό σύστημα δεν επαρκεί (π.χ. όταν έχει συννεφιά ή κατά τη διάρκεια της νύχτας) και δίνει ενέργεια στο δίκτυο όταν η παραγωγή υπερκαλύπτει τις ανάγκες του, π.χ. τις ηλιόλουστες ημέρες ή όταν λείπει κανείς. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται για παροχή ηλεκτρικής ενέργειας εφεδρείας (δηλαδή ως συστήματα αδιάλειπτης παροχής - UPS). Στην περίπτωση αυτή, το σύστημα είναι μεν διασυνδεδεμένο με τη ΔΕΗ, Σελίδα 30 από 96
Πτυχιακή εργασίπ του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής ΕνέργΕίες αλλά διαθέτει και μπαταρίες (συν όλα τα απαραίτητα ηλεκτρονικά) για να αναλαμβάνει την κάλυψη των αναγκών σε περίπτωση διακοπής του ρεύματος και για όσο διαρκεί αυτή. Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό ισχύος 1 κιλοβάτ (kw) παράγει κατά μέσο όρο 1.200-1.500 κιλοβατώρες το χρόνο (ανάλογα με την ηλιοφάνεια της περιοχής) και αποτρέπει κατά μέσο όρο κάθε χρόνο την έκλυση 1.450 κιλών διοξειδίου του άνθρακα, όσο δηλαδή θα απορροφούσαν δύο στρέμματα δάσους. Τα φωτοβολταϊκά εννυώνται: μηδενική ρύπανση αθόρυβη λειτουργία αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής (που φθάνει τα 30 χρόνια) απεξάρτηση από την τροφοδοσία καυσίμων για τις απομακρυσμένες περιοχές δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες ελάχιστη συντήρηση Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως δομικά υλικά, υποκαθιστώντας άλλα παραδοσιακά υλικά (π.χ. κεραμοσκεπές ή υαλοστάσια σε προσόψεις). Κατ αυτό τον τρόπο εξοικονομούνται χρήματα και φυσικοί πόροι. Στην περίπτωση μάλιστα των υαλοστασίων σε προσόψεις εμπορικών κτιρίων, διατίθενται σήμερα διαφανή φωτοβολταϊκά με θερμομονωτικές ιδιότητες αντίστοιχες με αυτές των υαλοστασίων χαμηλής εκπεμψιμότητας (low-e), τα οποία επιτυγχάνουν (πέραν της ηλεκτροπαραγωγής) και εξοικονόμηση ενέργειας 15-30% σε σχέση με ένα κτίριο με συμβατικά υαλοστάσια. Τα βασικά ναοακτηοιστικά των Φ/β συστημάτων, που τα διακρίνουν από tic άλλεο υορφέο ΑΠΕ είναι: Απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμη και σε πολύ μικρή κλίμακα, π.χ σε επίπεδο μερικών δεκάδων Watt ή και lowatt Σελίδα 31 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέργειες Είναι εύχρηστα. Σε μικρά συστήματα μττορούν να εγκατασταθούν από τους ίδιους τους χρήστες. Μπορούν να εγκατασταθούν μέσα στις πόλεις και δεν προσβάλλουν αισθητικά το περιβάλλον Μπορούν να συνδυαστούν με άλλες πηγές ενέργειας (υβριδικά συστήματα) Μπορούν να επεκταθούν ανά πάσα στιγμή για να αντιμετωπίσουν τις αυξημένες ανάγκες των χρηστών. Έχουν αθόρυβη λειτουργία και μηδενικές εκπομπές ρύπων Οι απαιτήσεις συντήρησης είναι σχεδόν μηδενικές Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιοπιστία Υψηλό κόστος επένδυσης. Η ενεργειακή ανεξαρτησία του χρήστη, όπου και να βρίσκεται αυτός είναι το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των Φ/β συστημάτων. Το κόστος των Φ/β πλαισίων είναι σήμερα το μεγαλύτερο μειονέκτημα των Φ/β συστημάτων. Όμως πρέπει να τονιστεί ότι υπάρχουν σήμερα αρκετοί χρήστες για τους οποίους το Φ/β σύστημα είναι η πλέον ενδεδειγμένη οικονομική λύση. Πρέπει να τονιστεί ότι η Φ/β τεχνολογία, όπως άλλωστε και οι περισσότερες τεχνολογίες Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, παρουσιάζει ιδιαιτερότητες που κάνουν δύσκολη τη σύγκριση της με τις συμβατικές τεχνολογίες π. χ : Δεν υπάρχει σαφής τρόπος αποτίμησης του περιβαλλοντικού κόστους των συμβατικών τεχνολογιών. Το κόστος της ενέργειας από Φ/β συστήματα εξαρτάται πάρα πολύ από το κόστος του χρήματος Σελίδα 32 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέρ>γεΐ ς Εφαρμογές Τα Φ/β συστήματα αττευθύνονται σε περιοχές εφαρμογών, όπου το σχετικά υψηλό κόστος τους δεν αποτελεί σημαντικό εμπόδιο. Οι εφαρμογές αυτές συνήθως χαρακτηρίζονται από: χαμηλές ενεργειακές ανάγκες έλλειψη εναλλακτικών τρόπων παροχής ενέργειας ή, όπου υπάρχουν, αυτοί είναι πολύ ακριβοί (π.χ. σύνδεση με ένα απομακρυσμένο δίκτυο) απαιτήσεις υψηλής αξιοπιστίας ή και χαμηλές ανάγκες συντήρησης Σαν κυριότερες κατηγορίες εφαρμογών Φ/Β συστημάτων μπορούν να θεωρηθούν οι εξής: α) Καταναλωτικά προϊόντα (0.001-100Wp) Τα συστήματα της κατηγορίας αυτής χρησιμοποιούνται σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες με το δίκτυο ή σε τροχόσπιτα, σκάφη αναψυχής, κλπ., για την εξυπηρέτηση αναγκών φωτισμού και ψύξης και για προϊόντα όπως ηλεκτρονικοί υπολογιστές, φανοί κ.ά. β) Αυτόνομα ή απομονωμένα συστήματα (loowp -200KWp) Στην κατηγορία αυτή συγκαταλέγονται συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για κατοικίες και μικρούς οικισμούς που δεν είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο. Ακόμη χρησιμοποιούνται για : αφαλάτωση / άντληση / καθαρισμό νερού φωτισμό (δρόμων, πάρκων, αεροδρομίων) συστήματα τηλεπικοινωνιών, τηλεμετρήσεων και συναγερμού συστήματα σηματοδότησης (οδικής κυκλοφορίας, ναυτιλίας, αεροναυτιλίας) ψύξη (αγροτικών προϊόντων, φαρμάκων κ.λπ.) γ) Συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο ( 200 KWp - αρκετά MWp) Στην κατηγορία αυτή, που σύμφωνα με τις συμβατικές θεωρήσεις προς το παρόν δεν αξιολογείται σαν οικονομικά βιώσιμη, διακρίνονται δύο κατηγορίες συστημάτων. Σελίδα 33 από 96
Πτυχιακή Εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέργειες Φ/Β συστήματα μεγέθους έως μερικών εκατοντάδων KWp ττου τροφοδοτούν κατοικίες, συγκροτήματα κατοικιών ή άλλα κτίρια και όττου η τυχόν πλεονάζουσα ενέργεια τροφοδοτείται (πωλείται) προς το δίκτυο Φ/Β σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπου η παραγόμενη ενέργεια διοχετεύεται απευθείας στο δίκτυο Για τα Φ/Β συστήματα που αναρτώνται σε κτίρια (σε προσόψεις, οροφές, κλπ.), σε σύνδεση με το δίκτυο, τελευταία έχει εκδηλωθεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Τα οφέλη που προκύπτουν είναι: συγχρονισμός Ψυκτικών φορτίων κτιρίων με μεγίστη παραγόμενη ισχύ από Φ/Β αποφυγή χρήσης γης αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Επίσης, γίνεται προσπάθεια για χρήση των Φ/Β και ως δομικών στοιχείων στα κτίρια, αυξάνοντας έτσι τα οικονομικά οφέλη, εκτός από αυτά που ήδη αναφέρθηκαν. Σελίδα 34 από 96
τυχιακή εργασία του Κα> αμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανεώσιμΕς Πηγής Ενερ ειες 2.3 ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΦΩΤΟΒΟΑΤΑΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Η συνηθέστερη, αλλά και ίσως η πληρέστερη, εφαρμογή της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας είναι η κατασκευή αυτόνομων φωτοβολταϊκών Φ/Β συστημάτων Δηλαδή εγκαταστάσεων που λειτουργούν αυτοδύναμα για την τροφοδότηση καθορισμένων καταναλώσεων, χωρίς να συνδέονται με μεγάλα κεντρικά δίκτυα διανομής, από τα οποία θα μπορούσαν να αντλούν συμπληρωματική ενέργεια ή να στέλνουν την ενδεχόμενη περίσσεια της παραγόμενης φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας. Σχ.1 Παράδειγμα γενικού διαγράμματος ενός αυτόνομου Φ/β συστήματος Το βασικό συστατικό ενός αυτόνομου Φ/β συστήματος, όπως άλλωστε κάθε Φ/β εγκατάστασης, είναι η Φ/β γεννήτρια, στους ηλιακούς συλλέκτες της οποίας γίνεται η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Συνήθως, όπως δείχνει το (σχήμα 1), το σύστημα περιλαμβάνει επίσης, ανάλογα με το είδος της κατανάλωσης και το βαθμό της απαιτούμενης αξιοπιστίας, συσσωρευτές για την αποθήκευση της περίσσειας της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργεια, ώστε να χρησιμοποιηθεί όταν η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι ανεπαρκής ή ανύπαρκτη, διατάξεις για ρύθμιση και τη μετατροπή της τάσης και τη ρύθμιση της ισχύος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να αυξηθεί η απόδοση του συστήματος, άλλες διατάξεις προστασίας και ελέγχου και συχνά μια βοηθητική Σελίδα 35 από 96
Πτυχιακή εργασία tou Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανΕώσιμΕς Πηγής Ενέργείίς γεννήτρια, συνήθως ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος που να λειτουργεί με καύση βενζίνης, ή πετρελαίου για την αντιμετώπιση έκτακτων περιστάσεων (συντήρηση ή βλάβη του συστήματος, τροφοδότηση πρόσθετων φορτίων κλπ). Ο συμπληρωματικός εξοπλισμός των Φ/β συστημάτων πέρα από τη Φ/β γεννήτρια, ονομάζεται συνήθως B.O.S, από τα αρχικά της αγγλικής έκφρασης Balance of the system (υπόλοιπα του συστήματος). Στον πίνακα 1 δείχνεται πως περίπου συμβάλλουν τα διάφορα μέρη που συγκροτούν ένα αυτόνομο Φ/β σύστημα, στη συνολική διαμόρφωση του κόστους του. Δεν αναγράφονται οι δαπάνες για την αγορά και τη διαμόρφωση της απαιτούμενης εδαφικής έκτασης και για την οικοδόμηση του κτιρίου τοποθέτησης των συσσωρευτών κλπ, καθώς και τα διάφορα μεταφορικά, εργατικά και χρηματοοικονομικά έξοδα, διότι κυμαίνονται πολύ ανάλογα με την περίπτωση. Επίσης, δεν αναφέρεται η δαπάνη για την εκτέλεση της μελέτη. Σύμφωνα με τους κανονισμούς που ισχύουν η αμοιβή για την προμελέτη, με τον προκαταρτικό σχεδίασμά και την εκτίμηση του κόστους της εγκατάστασης, είναι περίπου το 1,75% μέχρι 2,5% της συνολικής δαπάνης, ανάλογα και με το τελικό ύψος της. Ένα πρόσθετο ποσοστό περίπου 2,4% προβλέπεται για την αμοιβή της πλήρους μελέτης και του ελέγχου των προσφορών για την κατασκευή του έργου. Σελίδα 36 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμ ς Πηγής ΕνέργΕίΕς Πίνακας 1. Παράδειγμα της διαμόρφωσης του κόστους ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος. Παράγοντας κόστους Συμβολή στο συνολικό κόστος Φ/β πλαίσια ή πάνελα για τη Φ/β γεννήτρια Στηρίγματα των Φ/β συλλεκτών και ηλεκτρικές καλωδιώσεις των Φ/β στοιχείων. Συσσωρευτές αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Διατάξεις ρυθμίσεων τάσης και ισχύος, μετατροπής τάσης, προστασίας ελέγχου κ.λ.π Βοηθητική γεννήτρια ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΕΙΣ Όπως αναφέρθηκε ο σχεδιασμός ξεκινά με την εκτίμηση των ηλεκτρικών καταναλώσεων του συστήματος. Ένα αυτόνομο Φ/β σύστημα μπορεί να τροφοδοτεί μία μόνο κατανάλωση ή περισσότερες. Σελίδα 37 από 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου Ανανεώσιμες Πηγής Ενέργεΐ ς Παράδειγμα της πρώτης περίπτωσης είναι ένας φάρος ή ένας τηλεπικοινωνιακός αναμεταδότης. Της δεύτερης περίπτωσης μια κατοικία ή ένας ολόκληρος οικισμός. Ύστερα από προσεκτική έρευνα, απαριθμούνται οι διάφορες ενδεχόμενες χρήσεις ηλεκτρικής ενέργειας και καταγράφονται όλες οι ηλεκτρικές συσκευές, η ισχύς τους και ο πιθανός χρόνος της λειτουργίας τους στη διάρκεια ενός 24ώρου (πίνακας 9). Επίσης, συχνά είναι χρήσιμο να καταγράφεται η πιθανότητα της ταυτόχρονης λειτουργίας περισσότερων συσκευών, ώστε να υπολογιστεί η μέγιστη ισχύς στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Σε ορισμένες περιπτώσεις είναι σκόπιμο να γίνεται προγραμματισμένη κατανομή και ιεράρχηση της ζήτησης από τις διάφορες συσκευές, για την αποφυγή υπερβολικών αιχμών. ΣΠΙΤΙ ΜΕ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ ΣΤΗ ΣΚΕΠΗ Πάντως, η πείρα έχει δείξει ότι είναι παράλογη η χρήση των Φ/β γεννητριών για την τροφοδότηση ηλεκτρικών συσκευών με μεγάλη θερμική κατανάλωση. Έτσι αποφεύγεται, π.χ. το μαγείρεμα με ηλεκτρικές κουζίνες, η θέρμανση χώρου με ηλεκτρικά καλοριφέρ ή αερόθερμα, η θέρμανση νερού με ηλεκτρικούς θερμοσίφωνες κλπ. Για τις ανάγκες αυτές είναι σκόπιμο να χρησιμοποιούνται άλλες συσκευές, όπως κουζίνες και θερμάστρες υγραερίου ή πετρελαίου, ηλιακοί θερμοσίφωνες κλπ. Σελίδα 38 ατιό 96
Πτυχιακή εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανΕώσιμ^ς Πηγής Ενέργειες Πίνακας 2. Παράδειγμα των ημερήσιων ηλεκτρικών καταναλώσεων σε μια κατοικία με μια οικογένεια. Συσκευή Ισχύς Ώρες λειτουργ. Ηλεκτρική κατανάλ. Φώτα 1,0 KW 3,0 KWh 3.0 h Ψυγείο 0,3 KW 2,7 KWh 9.0 h Τηλεόραση 0,2 KW 0,8 KWh 4.0 h Ηλεκτρική σκούπα 0,6 KW 0,3 KWh 0,5 h Στεγνωτήρας μαλλιών 0,4 KW 0,2 KWh 0,5 h Φρυγανιέρα 1,5 KW 0,3 KWh 0,2 h Πλυντήριο ρούχων 3.5 KW 0.7 KWh 0,2 h Σύνολο 7,5 KW 8,0 KWh Σελίδα 39 από 96
Πτυχιακή Εργασία του Κακαμπάκου Κωνσταντίνου ΑνανεώσιμΕς Πηγής Ενέργειες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 3.1 ΒΙΟΜΑΖΑ 3.1.1 Βασικές έννοιες Μια από τις ανερχόμενες και περισσότερο αξιοποιήσιμες, τώρα τελευταία, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι η βιομάζα. Η βιομάζα ορίζεται ως το βιοαποδομήσιμο κλάσμα των προϊόντων, αποβλήτων και υπολειμμάτων που προέρχονται από τη γεωργία (συμπεριλαμβανομένων των φυτικών και ζωικών ουσιών), τη δασοκομία και τις συναφείς βιομηχανίες, καθώς και το βιοαποδομήσιμο κλάσμα των βιομηχανικών αποβλήτων και αστικών λυμάτων. Με τον όρο βιομάζα ονομάζουμε οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς(όπως είναι το ξύλο και άλλα προϊόντα του δάσους, υπολείμματα καλλιεργειών, κτηνοτροφικά απόβλητα, απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων κ.λπ.) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιυο για παραγωγή ενέργειας. Η ενεργειακή αξία της βιομάζας από φυτική ύλη προέρχεται αρχικά από την ηλιακή ενέργεια η οποία δεσμεύεται μέσω της φωτοσύνθεσης. Ενκατάσταση επεξεονασίαο βιουάδαο