ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΡΟΛΟΓΙΑΣ ΘΕΜΑ: Ηλεκτρική τροφοδοσία οικίας 200 τμ με συνδυασμό ηλικιακής και αιολικής ενέργε ιας και γεννήτρια ανάγκης. ΠΤΥΧΙΑΚΉ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΥ ΣΠΟΥΔΑΣΤΉ ΚΑΠΕΤΑΝΑΚΗ ΑΝΤΩΝΗ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓ ΑΣΙΑΣ: ΓΟΥΝΑΡΙΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΜΙΟ ΗΠΙΕΣ -ΑΝΑΝΕΩΣΙΝΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ,.... : Εισαγωγη......... ιr,,,,,. ~. ιατι ηπιες-.ανανεωσιμες μορφες ενεργειας... 2 ~.2.Ποιές είναι οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας ;... 3 i.2..ενέργεια από βιομάζα..... 3 ι 2.2. Ενέργεια από γεωθερμία... 3 ~.2.3.Ενέργεια από τον ήλιο... 4 ~.) Αξιοποίηση θερμικής ενέργειας :.......4 :.) Αξιοποίηση φωτεινη' ς ενέργειας:..... 4....2.4.Ενέργεια από το νερό.................... 5 '~ ~ 25Ε' ' '...... νεργεια απο τον ανεμο................ 6.3.Υβριδικά συστη' ματα............ ~.. 8. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ι tιολικο Δ ΥΝΑΜΙΚΟ. ~..Άνεμοι......... 9 f.2εκτίμηση του αιολικού δυναμικού της Ελλάδας... :...,... 0 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3..., '.\ j ΗΛΙΑΚΉ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ι 3.. Η συ' στ αση του ηλιακού φάσματος............ 2 3.2. Οι συμβατικές ηλιακές ακτινοβολίες...... 4 3.3. Η ακτινοβολία του «ενός ηλίου»...:"... 7 3.4. Ηλιακή γεωμετρία......,.......... 9 3.5. Προσανατολισμός του συλλέκτη...... 23 3.6. Η βέλτιστη κλίση......................... 24 3.7. Ροή και ένταση της ακτινοβολίας...:...:...... 28 3.8. Η διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας...... )"... 30 ΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΉ ΚΕΦΆΛΑΙΟ 4..Το φωτοβολταtκό φαινόμενο....33.2. Η απορρόφηση της ακτινοβολίας στα φωτοβολταϊκά στοιχεία....35.3. Η δημιουργία του φωτορεύματος....38.4. Αρχή λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων... 4
,, ΚΕΦΆΛΑΙΟ 5. ~ΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΑΝΑΓΚΩΝ ΚΑ ΤΟΙΚΙΑΣ 200 τ.μ... /~.Ειδικότερα για τη μελέτη της κατοικίας...45 f.εκτίμηση των εvεργιάκών αναγκών της κατοικίας...:...:... 46 ' ΚΕΦΑΛΑΙΟ6 ΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ Α/Γ!.Εκτίμηση ύπαρξης αιολικού δυναμικού...49,, 2Θ. ~ εση εγκαταστασης ανεμογεvνητριας κατοικιας... 50 3.Επίπεδη μορφολογία... 50 4.Θέση εγκατάστασης Α/Γ σε ανώμαλη μορφολογία εδάφους... 54 4..Λοφοσειρά... :... 55 4.2.Περάσματα και διάσελα... 58 ΕΠΙΛΟΓΉ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ 5.Εκτίμηση γενικών διαστάσεων τηςα/γ...59 ' 5.l:Υψος πύργου... 59 J 5.2.Καθορισμ?ς της ~νομαστικής ταχύτητας V και ισχύος Ρ......:... 59, 5.3.Καθορισμος διαμετρου δρομέα...:...:...... 6 5.4.Καθορισμός ταχύτητας ενάρξεως λειτουργίας V cut-in........................... 63 ~ 5.5.Καθορίσμός της ταχύτητας διακοπής λειτουργίας, Vf... 64 ΚΕΦΆΛΑΙΟ 7 JΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΤΗΣ ΚΑΤΟΙΚΙΑΣ ΜΕ ΗΟΛΙΚΗ,ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΟ ΖΕΥΓΟΣ. :. ι.ανεμογεννήτρια... ;... 64 ' 2Η βλ.., ',. φωτο ο ταικη γεvνητρια......... 65 ' :.3.Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος... 70 ~ 4 Δ 'ξ 'θ λ'. '..... ιατα εις ρυ μισης και ε εγχου,συσσωρευτες... 70 Βιβλιογραφϊα...... 74.....
ΕΙΣΑΓΩΓΗ i Ότι κινείται ή αλλάζει στον κόσμο μας εξαρτάται από μια δύναμη που ονο 'μάζουμε ενέργεια.ακόμα και στον άνθρωπο(το σώμα του)βασίζεται στην ~ενέργεια, για να μιλήσει, να περπατήσει, να εργασθεi. Σίγουρα, χωρίς αυτήν, ο θαυμάσιος τέχνολογικός κόσμος μας δεν θα υπήρχε.! Παρόλα αυτά, ως το 973., όπου σημειώθηκε η τεχνολογική κρίση, λίγο μας!είχε απασχολήσει το. θέμα τον αποθεμάτων των καυσίμων από απολιθώματα(πετρελαιοειδή).. Δεν μας είχε προβληματίσει σοβαρά η ~πεπερασμένη φύση τους, το γεγονός ότι μια. ημέρα θα εξαντλούνταν χωρίς να είναι εύκολο να. αντικατασταθούν, αλλά και η επιβάρυνση του περιβάλλοντος με ffτάρα πολλούς ρύπους.! Έδώ και δέκα περίπου χρόνια γίνεται αρκετός λόγος για τις ανανεώσιμες μορφές ενέργειας και την αξιοποίησή τους. Η κρίση του πετρελαίου, η επικείμενη εξάvτληgη των ορυκτών καυ~ίμων, η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος, το : φαινόμενο του θερμοκηπίου, η βούληση των κρατών για εθνική και ανεξάρτητη jενεργειακή πολιτική μέσο της αξιοποίησης των εγχώριων πήγων ενέργειας,. οδηγούν στη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που δίνουν σε μεγάλο βαθμό λύση στα παραπάνω προβλήματα, Πηγές ενέργειας όπως η αιολική, η ηλιακή κ.α. έχουν ένα χαρακτηριστικό που.: δίνει την ονομασία ανανε~σιμες, ότι,δηλαδή από την φύση τους ανανεώνονται συνεχώς και προσφέρονται στον!άνθρωπο δωρεάν για εκμετάλλευση.. Ένα δεύτερο ιδιαίτερα ευπρόσδεκτο χαρακτηριστικό των ανανεώσιμων!πηγών ενέργειας είναι ότι οι τεχνολογίες εκμετάλλευσης τους βρίσκονται μέσα στις J κατασκευαστικές δυνατότητες των αναπτυσώμενω~ τεχνολογικά χωρών, j συνεπώς εκτός από την συνεισφορά τους στο ενεργειακό ισοζύγιο της χώρας,. συνεισφέρουν σημαντικά, αναπτυχθούν κατάλληλα, και στην δημιουργία μιας.! εθνικής βιομηχανίας για την εκμετάλλευση των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. ; Ένα τρίτο χαρακτηριστικό τους είναι ότι οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας δεν! είναι εξαγωγικές, συνεπώς η εκμετάλλευση τους πρέπει να γίνει στην θέση όπου '! εμφανίζονται άρα πρόκειται για ένα αποκεντρωμένο σύστημα παραγωγής! ενέργειας μέσα στην ανθρώπινη κλίμακα δραστηριότητα. ' Ένα ακόμη χαρακτηριστικό τους είναι ότι δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον οπότε ; η εκμετάλλευσή τους είναι συνεπής προς μία οικολογικά σωστή αντιμετώπιση της! σχέσης ανάμεσα στην ανθρώπινη δραστηριότητα και το περιβάλλον, μία σχέση j που μόνο τα τελευταrα χρόνια ο άνθρωπος συνειδητοποίησε ότι πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπ ' όψιν σε όλα τα σενάρια οικονομικής και τεχνολογικής ανάπτυξης. i Στην πτυχιακή εργασία που ακολουθεί θα γίνει μια προσπάθεια προσέγγισης μελέτης εγκατάστασης συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με αιολική ; και ηλιακή ενέργεια, με σκοπό την ηλεκτροδότηση μιας κατοικίας.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΗΠΙΕΣ -ΑΝΑΝΕΩΣΙΝΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. ΓΙΑΤΙ ΗΠΙΕΣ-ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ; ' Είναι γνωστό οτι η παγκόσμια ζήτηση ενέργειας αυξάνεται διαρκώς,τόσο p ιότι η κατά κεφαλήν κατανάλωση μεγαλώνει όσο και ο πληθυσμός της γης p υξάνεται σημαντικά.τα αποθέματα των ορυκτών καύσιμων του πλανήτη μας( άνθρακας και πετρέλαιο )δεν είναι ανανεώσιμα και σε προβλέψιμο χρονικό διάστημα θα εξαντληθούν. Επιπροσθέτως η..:κατανάλωση των ορυκτών καυσίμων!π ροκάλεσε και συνεχίζει να προκαλεί σημαντικές επιπτώσεις στο trrεριβάλλον,όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου και της όξινης βροχής που ~αποτελούν μεγάλες απειλές για την ανθρωπότητα. Υπάρχει, κατά συνέπεια,!επιτακτική ανάγκη να ελαττώσουμε την εξάρτηση μας από τις συμβατικές και μη \ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αντικαθιστώντας τες με άλλες, ανανεώσιμες και ~ φιλικές προς το περιβάλλον καθώς επίσης και να μειώσουμε τη συνολική i κατανάλωση, εφαρμόζοντας ένα πρόγραμμα ορθολογικής χρήσης ενέργειας. ο δρόμος λοιπόν, που μας απομένει είναι η ανάπτυξη και η προώθηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας,(Α.Π.Ε) ηλιακή, αιολική, βιομάζα, γεωθερμία μικρουδροηλεκτρική κ. τ.λ. από την μια μεριά-και η εφαρμόγη της Ορθολογικής ~ Χρήσης Ενέργειας (Ο.Χ. Ε) από την άλλη.και οι δυο αυτές προσπάθειες έχουν σαν άμεσο αποτέλεσμα την καλύτερη Προστασία του Περιβάλλοντος (Π.Π.Ο).Για ι το σκοπό αυτό,πολλά έχουν ήδη επιτευχθεί και ακόμη περισσότερα αναμένεται να! επιτευχθούν σαν αποτέλεσμα μιας συντονισμένης παγκόσμιας προσπάθειας στην! οποία συμμετέχει ενερyά και η Ελλάδα. i 2
.2 ΠΟΙΕΣ ΕΙΝΑΙ οι ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ;..2. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ Η βιομάζα είναι από τις παλαιότερες μορφές καύσιμης ύλης στην ανθρωπότητα.η βιομάζα υπάρχει παντού γύρω μας.μπορούμε να την αναζητήσουμε στα δέντρα,στις καλλιέργειες, στα θαλάσσια φυτά.η βιομάζα αράγεται από αυτά που ζουν και αναπτύσονται με τη βοήθεια της wωτοσύνθεσης.τα φύλλα,οι φλούδες,οι κορμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν καύσιμα για να παράξουν ηλεκτρική ενέργεια.άν η βιομάζα καλλεργείται και συλλέγεται μέσω ενός επαναλαμβανόμενου και υποστηριζόμενου κύκλου μπορεί να έχουμε σημαντική συμβολή της στο παγκόσμιο ενεγρειακό δίκτυο. Η ενέργεια από βιομάζα χρησιμέυει στη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργεια,υγρών και αεριών καυσίμων,καθώς και μεγάλης ποικιλίας χρήσιμων χημικών προιοντων,μεταξύ των οποίων και εκείνα που προηγούμενα παράγονταν από πετρελαιοειδή. Επειδή όμως η ενέργεια στη βιομάζα έχει μικρότερη συγκέντρωση απ' ότι στα καύσίμα από απολιθωμένα,απαιτείται η εξέλιξη νέων τεχνολογικών που να μπορέσουν να κάνουν αύτη τη πηγή ενέργειας ανταγωνιστική σε απόδοση ως προς τον άνθρακα, το πετρελαίο και το φυσικα αέριο. ) - Τις δύο τελευταίες δεκαετίες, η ενέργεια 'από βιομάζα έχει εξελιχθεί στην δεύτερη πιο διαδεδομένη μορφή qv.ανεώσιμης ενέργειας μετά την υδατοενέργεια.ακριβώς όπως και η υδατοενέργεια παρουσιάζει ευχρηστία στην παραγωγή και την μεταφορά της. Μπορούμε να παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια j από βιομάζα όποτε μας χρειάζεται. ι Σήμερα η βιομηχανία παραγωγής ενέργειας έχει εξελιχθεf σε ένα ξεχωριστό κλάδο, που απασχολεί επιστήμονες τεχνικούς εργάτες και καλλιεργητές. Πολλά εργοστάσια βιομάζας χρησιμοποιούν υπολλείματα κατεργασίας ξύλου καθώς και ι υπολλείματα από τις σοδειές σε αγροτοκαλλιέργειες. Η Ελλάδα έχει σημαντικό ενεργειακό δυναμικό βιομάζας, το οποίο πρακτικά θα μπορούσε να καλύψει ένα σημαντικό μέρος του συνόλου της ενεργειακής κατανάλωσης..2.2. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ: Η θερμική ενέργεια που υπάρχει στα υψηλότερα στρώματα του εδάφους ονομάζεται γεωθερμική. Αυτή μπορεί να απαχθεί και να χρησιμοποιηθεί στην θέρμανση ή στην ψύξη κατοικιών, ιχθυοκαλλιεργιών, θερμοκηπίων και βιομηχανιών, όπως επίσης και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα, με την άντληση νερού υψηλής θερμοκρασίας και την διοχέτευση του μέσο δικτύ,ου σε κτίρια πετυχαίνει την θέρμανση τους (τηλεθερμία). Επίσης η διοχέτευση μέσο δικτύου νερού χαμηλής θερμοκρασίας σε κτίρια πετυχαίνει την ψύξη τους. Τέλος, η χρήση γεωθερμίας χαμηλής ενθαλπίας για την αφαλάτωση 3
του ύδατος. Είναι προφανές, ότι η χρήση αυτής της μορφής ενέργειας δεν παράγει καθόλου ρυπούς, οι πηγές είναι θεωρητικά ανεξάντλητες, απαιτείται όμως επισταμένη μελέτη για την εύρεση και την αξιοποίηση των πηγών γεωθερμίας..2.3. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΟΝ ΗΛΙΟ: Ηλιακή ενέργεια ονομάζουμε την θερμική ενέργεια που εκπέμπεται από τον ήλιο καθώς και την φωτεινή ενέργεια που εκπέμπεται από αυτόν. Α.) Αξιοποίηση θερμικής ενέργειας: Η θερμική ενέργεια που εκπέμπεται από τον ήλιο εγκλωβίζεται από ηλιακούς συλλέκτες από τους οποίους απάγεται μέσω σωληνώσεων στις οποίες κυκλοφορούν κατάλληλα υγρά ή νερό. Κύρια εφαρμογή βρίσκει στην θέρμανση κτιρίων, θερμοκηπίων και ιχθυοκαλλιεργιών. 8.) Αξιοποίηση φωτεινής ενέργειας: Σαφή πλεονέκτημα είναι το χαμηλό κόστος αγοράς, υψηλή αξιοπιστία, ελάχιστη συντήρηση και πολύ μεγάλη ευελιξίας στην επεκτασιμότητα τους. Ηλιακά κτίρια: Προσπάθεια εφαρμογής της πλήρους αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας αποτελεί η κατασκευή κτιρίων εξοπλισμένων με κάθε μορφής ηλιακούς συλλέκτες (θερμικούς, φωτοβολτdί'κούς, κάτοπτρα κ.λ.π.) ώστε να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες του κτιρίου για θέρμανση και ηλεκτρική ενέργεια. Προφανώς η χρήση της ηλιακής ενέργειας δεν ρυπαίνει, η πηγή της είναι ανεξάντλητη και μόνο πρόβλημα στην αξιοποίησή της είναι η ηλιοφάνεια του τόπου που γίνεται η εφαρμογή. Γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι η Ελλάδα με την πολύ μεγάλη ηλιοφάνεια προσφέρει ιδανικές συνθήκες των κάθε μορφής ηλιακών συλλεκτών. Η Ευρωπαική Ένωση έχει υπολογίσει για παράδειγμα πως το θεωρητικό δυναμικό παραγωγής ηλεκτρισμού απο φωτοβολταϊκά στις 5 χώρες μέλη της ανέρχεται σε 620.000 MW (μέγαβατ). Για σύγκριση όλη η εγκατεστημένη ισχύς της ΔΕΗ στην Ελλάδα (λιγνιτικοί, πετρελαϊκοί, υδροηλεκτρικοί σταθμοί) είναι περίπου 9.000 MW. Η ίδια μελέτη της Ε.Ε. εκτιμά ότι η εγκατάσταση φωτοβολταϊκών στις 4
στέγες των κτιρίων στην Ελλάδα (λαμβάνοντας υπ'όψιν μόνο τα κατάλληλα γι'αυτή χρήση κτίρια) θα μπορούσε να καλύψει το /3 των συνολικών αναγκών της χώρας σε ηλεκτρισμό. Ακόμα κι αν δεχτούμε ότι οι εκτιμήσεις αυτές απέχουν πολύ από την πραγματικότητα, το δυναμικό της ηλιακής ενέργειας παραμένει τεράστιο, η δε συμβολή της στην επίλυση του ενεργειακού προβλήματος αναμφι σβήτητη..2.4. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ το ΝΕΡΟ: Οι μεγάλες συγκεντρώσεις υδάτων σε γεωλογικές λεκάνες δίνουν την δυνατότητα παραγωγής ενέργειας με δύο τρόπους, την εκμετάλλευση υδατοπτώσεων και την εκμετάλλευση κυματισμών. Α.) Ενέργεια απο υδατόπτωση: Η ύπαρξη γεωλογικής λεκάνης (λίμνης) σε μεγάλο υψόμετρο από την επιφάνεια της θάλάσσας δίνει την δυνατότητα παραγωγής έργου από την διαφορά βαρυντικού δυναμικού ανάμεσα στο ύψος της επιφάνειας της λίμνης και της επιφάνειας της θάλασσας. Πιο συγκεκριμένα η πτώση ύδατος από το υψόμετρο της λίμνης στο ύψος επιφάνειας της θάλασσας δίνει κινητική ενέργεια στο νερό ανάλογη με την μάζα του και το βάθος πτώσης του. Η κινητική αυτή ενέργεια δίνει κίνηση σε ηλεκτρογεννήτριες μεγάλης ισχύος. Επειδή η ύπαρξη τέτοιων φυσικών λιμνών είναι σπάνια δημιουργούνται τεχνητές με την ανέγερση φραγμάτων. Στην περίπτωση φυσικών λιμνών έχουμε παραγωγή ενέργειας φθηνή, χωρίς ρύπανση, από πηγές σχετικά ανανεώσιμες και χωρίς βλαπτική παρέμβαση στο περιβάλλον οικοσύστημα. Στην περίπτωση τεχνητών λιμνών ισχύουν τα ίδια με την διαφορά ότι υπάρχει παρέμβαση στο περιβάλλον οικοσύστημα άλλοτε οφέλιμη άλλοτε βλαπτική. Ωφέλιμη γιατί 5
δημιουργούνται δυνατότητες άρδευσης καλλιεργιών, νέων υδροβιότοπων και κέντρων αναψυχής. Βλαπτική γιατί εξαφανίζεται βίαια ένα οικοσύστημα με τον κατακλυσμό του από ύδατα. Η Ελλάδα με την μεγάλη εδαφική της κάλυψη από βουνά παρουσιάζει πολύ μεγάλες δυνατότητες αξιοποίησης υδατοπτώσεων από τεχνητές λίμνες. Μερική αξιοποίηση έχει γίνει όπως η τ.λ. Καστρακίου, Λάδωνα, Ταυρωπού που ενισχύουν το ηλεκτροδοτικό δίκτυο με μεγάλες ποσότητες ενέργειας αλλά και τα αρδευτικά συστήματα με μεγάλες ποσότητες νερού. Β.) Ενέργεια από τα κύματα: Η προφανής μεταφορά ενέργειας από τον υψηλό κυματισμό εκτεταμένης υδατικής επιφάνειας (θάλασσες, πολύ μεγάλες λίμνες), βάζει σε πειρασμό για την δέσμευση και συλλογή της. Τα τελευταία χρόνια γίνονται προσπάθειες για τον σχεδιασμό συστημάτων δέσμευσης αυτής της ενέργειας, όμως οι εντελώς ακανόνιστες συνθήκες εμφάνισης κυματισμού αλλά και μεγέθους ισχύος του καθιστούν προβληματική οικονομικά την αξιοποίηση της, μολονότι η πηγή είναι ουσιαστικά αστείρευτη..2.5. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ: Ενέργεια από τον άνεμο είναι η κινητική ενέργεια των αερίων μαζών που περιβάλουν την γήινη σφαίρα. Αυτές οι αέριες μάζες κινούνται εξαιτίας της άνισης κατανομής θερμότητας που απορροφούν από τον ήλιο. Κατα τη διάρκεια της κίνησης τους συναντουν τις ανωμαλίες της γήινης επιφάνειας (βουνά, δάση, φαράγγια, καλλιέργιες) που αλλάζουν βίαια την ροή των αερίων ρευμάτων, όπως επίσης και μεγάλες υδάτινες επιφάνειες που ψύχουν τις αέριες αυτές μάζες. Αυτή η ποικιλία κίνησης των αερίων μαζών δημιουργεί ροές ανέμων ποικίλων εντάσεων 6
τrου μπορούν να δώσουν κίνηση σε κατάλληλα μηχανικά συστήματα τα οποία θα κινήσουν ηλεκτρογεννήτριες και θα παράξουν ρεύμα. Απο τα πιο παλιά ιστορικά δεδομένα γίνεται γνωστή η χρήση της κινητικής ενέργειας του ανέμου στην κίνηση πλοίων, αντλιών ύδατος και μύλων άλεσης. Τα μηχανικά συστήματα που συλλέγουν την κινητική ενέργεια του ανέμου αποτελούνται από έλικα στηριγμένη σε άξονα άλλοτε οριζόντιο και άλλοτε κατακόρυφο. Το ρεύμα του ανέμου αναγκάζει το σύστημα έλικα-άξονα να περιστρέφεται ηλεκτρογεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Η σημερινή τεχνολογία δίνει τη δυνατότητα συνδυασμού νέων ελαφρών και ανθεκτικών υλικών, ειδικών ηλεκτρονικών, μηχανολογικών και αεροδυναμικών εφαρμογών που βελτιώνουν πολύ την αξιοπιστία και την απόδοση των συστημάτων. Πολύ συχνά τοποθετούνται πολλά συστήματα μαζί σε μία εγκατάσταση παραγωγής ενέργειας από άνεμο ώστε να παράγουν μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, που μπορεί να διανεμηθεί σε καταναλωτές μέσω δικτύου όπως ακριβώς γίνεται με τις συμβατικές μεθόδους ηλεκτρισμού. Το μέγεθος των ελίκων ποικίλει πολύ ξεκινώντας από εγκατάσταση στην Χαβάη που το μήκος του πτερυγίου της έλικας είναι όσο το μήκος ποδοσφαιρικού σταδίου και στηρίζεται σε εικοσαόροφο πύργο, παράγοντας ενέργεια άρκετή να καλύψει 400 κατοικίες μέχρι τη μικρή ανεμογεννήτρια με μήκος πτερυγίου περίπου,5 μέτρο και πύργο Ο μέτρων που μ'fτ:ο ρεί να καλύψει τις ηλεκτρικές ανάγκες μιας κατοικίας. Οι ανεμογεννήτριες ανεξάρτητου.: ~'μεγέθους αποτελούνται από μερικά επιμέρους συστήματα: την έλικα με τον άξονά της, τον πύργο στήριξης του άξονα, το σύστημα ελέγχού ταχύτητας περιστροφής, την ηλεκτρογεννήτρια και το ηλεκτρικό σύστημα τροποποίησης ηλεκτρικού ρεύματος (inνerter). Η αιολική ενέργεια είναι εντελώς αβλαβής για το περιβάλλον και η πηγή της είναι αστείρευτη αλλά πρέπει να έχουμε υπ' όψη μας ότι δεν υπάρχει όποτε την έχουμε ανάγκη. Ενώ έχει ελάχιστο κόστος παραγωγής απαιτεί υψηλό κόστος αρχικής εγκατάστασης. Πρόβλημα παρέμβασης στο περιβάλλον δημιουργείται μόνο από θόρυβο που μπορεί να παράγεται από περιστροφή των ελίκων, πιθανές παρεμβολές σε ραδιοτηλεοπτική λήψη καθώς και τραυματισμούς πτηνών από τις έλικες. Πρόβλημα στην επιλογή της κατάλληλης εγκατάστασης αποτελεί το ότι δεν μπορούμε να έχουμε ρεύματα αέρα όποτε τα έχουμε ανάγκη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ είναι αδύνατη η αποθήκευση της κινητικής αιολικής ενέργειας. Αυτό οδηγεί σε αύξηση του κόστους αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας σε συσσωρευτές. Η Ελλάδα βρίσκεται στην εύκρατη ζώνη όπου επικρατούν άνεμοι κατάλληλης ταχύτητας για εκμετάλλευση, ενώ συγχρόνως έχει και ευνοική διαμόρφωση εδάφους που συμβάλει στην επαύξηση της αιολικής εκμεταλλεύσιμης ενέργειας. Οι παραλιακές περιοχές και ιδιαίτερα οι νησιωτικές, προσφέρονται για εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου και εξασφαλίζουν ικανοποιητικό συντελεστή χρησιμοποίησης της εγκατάστασης. Επομένως τα νησιά διεκδικούν 7
ι ττρωταρχική θέση στην εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, δεν εfναι άσχετο δε ότι από πολύ παλιά γινόταν σε μεγάλη κλίμακα εκμετάλλευση της ενέργειας αυτής σε μηχανικά αποτελέσματα (άντληση, άλεση), δεδομένου ότι δεν υπήρχαν διαθέσιμες άλλες πρωτογενείς μορφές ενέργειας. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας θα μπορούσε να καλύψει ένα μεγάλο μέρος των αναγκών των νησιών και να γίνει πηγή εθνικού πλούτου, αφού στα νησιά δεν εμφανίζονται τυφώνες ενώ υπάρχει πνοή ανέμου καθ'όλο το χρόνο με ελάχιστες ημέρες άπνοιας..3. ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ανατρέχοντας στις πιο πάνω παρουσιάσεις των ηπίων και ανανεώσιμων μορφών ενέργειας, βλέπουμε ότι εκτός από την κοινή τους ονομασία έχουν και ένα άλλο κοινό χαρακτηριστικό: είναι προσιτή η εκμετάλλευση τους στον ελλαδικό χώρο. Έχοντας δεδομένο ότι κάθε μία από. αυτές μπορεί να αποδώσει ηλεκτρική ενέργεια που, να καλύπτει από το 0% έως 20% των αναγκών ( εφ' όσον έχουν γίνει αξιόλογες σε αριθμό εγκαταστάσεις τους), _ (, συμπεραίνουμε εύκολα ότι η προοπτική της κάλυψης του 50% των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια, από την αξιοποίηση τους είναι εφικτή. Σημειώνουμε,:,δ.ε ότι η αξιοποίηση του γεωθερμικού δυναμικού της χώρας για θέρμανση, ψύξη κτιριακών εγκαταστάσεων θα αποφέρει μείωση των αναγκών για ηλεκτρική ενέργεια. Με μία λοιπόν καλά τεκμηριωμένη μελέτη για συνδιασμένη αξιοποίηση των πιο πάνω μορφών ενέργειας αλλά και τολμηρή εφαρμογή των συμπερασμάτων της στην πράξη θα είναι δυνατόν να έχουμε φθηνή ενέργεια, χωρίς πρόβλημα προμήθειάς της και ένα καθαρότερο περιβάλλον. Σε μικρή κλίμακα κτιριακής εγκατάστασης (μια κατοικία, με μια μικρή επιχείρηση) μπορούμε επίσης να έχουμε αρκετά υψηλό βαθμό ενεργειακής αυτονομίας αλλά και χαμηλό κόστος ενέργειας, υλοποιώντας μια ανάλογη μελέτη για εγκατάσταση συστημάτων παραγωγής ενέργειας από ήπιες ανανεώσιμες πηγές. Επειδή όμως ο Χώρος της εγκατάστασης είναι περιορισμένος στα όρια κάποιου οικοπέδου, που υπόκεινται σε συγκεκριμένες καιρικές και περιβαλλοντικές συνθήκες, πρέπει να ζυγιστούν πολύ προσεκτικά οι επιλογές του είδους των συστημάτων, καθώς και ο χρονισμός λειτουργίας του καθ'ενός ώστε να έχουμε το μικρότερο δυνατό κόστος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα σε μια κατοικία θα μπορούσαμε να εγκαταστήσουμε θερμικούς ηλιακούς συλλέκτες για θέρμανση νερού, ανεμογεννήτρια και σύστημα φωτοβολταικών για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, σύστημα συσσωρευτών για την αποθήκευσή της και κλίβανο βιομάζας για θέρμανση νερού. 8
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΙΟΛΙΚΟ Δ ΥΝΑΜΙΚΟ 2. Άνεμοι Οι άνεμοι αποτελούν κίνηση αέριας μάζας στην αμόσφαιρα που κυριώς προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Ειδικότερα είναι αποτέλεσμα των θερμοκρασιακών διαφορών που δημιουργούνται στην Τροπόσφαιρα είτε λόγω γεωγραφικού πλάτους είτε λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας της επιφάνειας της Γης. Οι διαφορετικές γεωγραφικές θερμοκραάίες οφείλονται σε δύο κυρίους παράγοντες : υψομετρική διαφορά δύο σημείων διαφορετική φύση της επιφάνειας (έδαφος ή νερό) Οι άνεμοι ποu δημιουργούνται λόγω διαφορετικού πλάτους είναι φαινόμενα σχεδόν σταθερά ή μεταβλητά με μεγάλη περίοδο μεταβολής (εποχιακά). Λόγω των μεγάλων γεωγραφικών αποστάσεων που καλύπτουν οι κινήσεις αυτές καθώς και. της μεγάλης ατμοσφαιρικής μάζας που μετακινείται, τα φαινόμενα αυτά επηρεάζονται και από την περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της. Οι άνεμοι που οφείλονται στον δεύτερο παράγοντα χαρακτηρίζονται από μικρή χρονική διάρκεια (ωριαία ή ημερήσια) και παρατηρούνται είτε κοντά σε ορεινούς όγκους, σε κοιλάδες ή λεκανοπέδι,q, είτε σε περιοχές κοντά σε θάλασσα ή λίμνη που υπάρχει διαφορετικός ρυθμός θέρμανσης και ψύξης του εδάφους και του υδάτινου όγκου, ένταση των τοπικών ανέμων και τα φαινόμενα που συνδέονται με αυτούς, εντείνονται ή εξασθενούν ανάλογα με τους συνοπτικούς ανέμους της πρώτης κατηγορίας. Στην Ευρώπη, άνεμοι που πνέουν επηρεάζονται από τα ανατολικά ρεύματα του Ατλαντικού, τα ψυχρά βόρεια και τα θερμά τροπικά της Σαχάρας. Έτσι οι επικρατούντες άνεμοι είναι για μεν το χειμώνα οι Νοτιοδυτικοί ενώ για το καλοκαίρι οι Δυτικοί και οι Βορειοδυτικοί. Ως προς την ένταση, οι άνεμοι της χειμερινής περιόδου είναι ισχυρότεροι καθώς το καλοκαίρι τα τοπικά συστήματα, όπως οι θαλάσσιες αύρες, έχουν μεγαλύτερη ένταση και μειώνουν την επίδραση του συνοπτικού πεδίου. 9
2.2 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΑΙΟΛΙΚΟΥ Δ ΥΝΑΜΙΚΟΥ ΤΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ Μεθοδολογία Το αιολικό δυναμικό της χώρας εκτιμήθηκε για πρώτη φορά από το Εργαστήριο Αεροδυναμικής του Ε.Μ.Π. Στην έρευνα αυτή, το πρώτο βήμα αποτέλεσε η χάραξη καμπύλων ισοταχυτήτων ανέμου σε ολόκληρο τον ελλαδικό χώρο και σε κλίμακα χάρτου : 00.000. Κατόπιν θεωρήθηκε μέση απόσταση θέσεων εγκατάστασης ανεμογεννητριών μεγάλου μεγέθους τα 5km, οπότε οι κορυφές των Ισοπλεύρων τριγώνων αποτελούσαν πιθανές θέσεις εγκατάστασης ανεμογεννητpιών. Στην συνέχεια πάνω στο χάρτη χαράχθηκαν οι γραμμές μέσης τάσης του εθνικού ηλεκτρικού δικτύου και σημειώθηκαν οι θέσεις εκεrνες εγκατάστασής ανεμογεννητριών που γειτνιάζούν με το δίκτυο. Οι θέσεις αυτές εγκατάστασης Α/Γ είναι οικονομικότερες από άποψη κόστους για διασύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της μεθόδου παρουσιά,ζονται στη συνέχεια. Καμπύλων ισοταχυτήτων ανέμου Για την χάραξη των καμπυλών μέσης ετήσιας ταχύτητας ανέμου στον ελλαδικό χώρο χρησιμοποιήθηκαν οι μετρήσεις της Μετεωρολογικής Υπηρεσrας και οι μετρήσεις της ΔΕΗ, πίνακας 2. και 2.2., Ορισμένα αποτελέσματα της Μετεwρολογικής Υπηρεσίας βασίζονται παρατηρήσεις 20-40 ετών και προέρχονται από 00 μετεωρολογικούς σταθμούς. Σε 40 απ'αυτούς, οι μετρήσεις γίνονται με ανεμογράφο είτε ανεμόμετρο χειρός 8 φορές την ημέρα~ Τα αποτέλεματα της εργασrας βασrστηκαν στη στατιστική επεξεργασία μετρήσεων 20 μετεωρολογικών σταθμών της Μετεωρολογικής Υπηρεσίας που βρίσκονται σε απόσταση μικρότερη απο 50 km και καλύπτουν έτσι ικανοποιητικά την περιοχή του Αιγαίου πελάγους και επαρκούν για τη χάραξη των ισοταχυτήτων ανέμου στην περιοχή αυτή. Στο εσωτερικό της χώρας όμως δεν υπάρχει επαρκές δίκτυο μετεωρολογικών σταθμών για την ακριβή χάραξη των ισοταχυτήτων ανέμου. Έτσι τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται βασίστηκαν σε ανεπαρκή αριθμό μετεωρολογικών σταθμών. Πρέπει να τονιστεί ότι σχεδόν όλες οι θέσεις των μετεωρολογικών σταθμών είναι ακατάλληλες για την εκτίμηση του αιολικού δυναμικού επειδή διαφορετικοί είναι οι σκοποί που οι σταθμοί αυτοί εξυπηρετούν (π.χ. συνήθως θέσεις αεροδρομίων που είναι κατά κανόνα υπήνεμες θέσεις). Γι'αυτό για τη σωστή εκτίμηση του αιολικού δυναμικού απαιτείται η ακριβής γνώση της μορφολογίας του εδάφους, της παραμέτρου τραχύτητας και κατά συνέπεια του εκθέτη a αναγωγής ταχυτήτων με το ύψος από το έδαφος. Για ανεμογεννήτριες διαμέτρου δρομέα 50m το τυπικό ύψος από το έδαφος εγκατάστασης του είναι 50m. Στο ύψος αυτό η ταχύτητα εrναι κατά 3 % μεγαλύτερη της ταχύτητας στο ύψος μετρήσεων Om. Ο εκθέτης a λήφθηκε rσος 0 σε
με 0.7 τυπικη τιμή για την τοπογραφfα του ελλαδικού χώρου. Μέσn ταχύτnτα (τυπική απόκλισn) Ετησiως ΘΕΣΗ (3) (4) (5) δεσμευομένη (ΔΕΗ) (ΕΜΥ) αιολική ενέργεια kwh/m2 Αθήνα 4.0(±0.2) 4 Αθήνα(Αστεροσκοπείο) 2.3(±0.) 27 Αλεξανδρούπολη 3.5 (±0.5) 94 Άνδρος - 6.7 662 Βόλος 3.9 (±0.4) 30 Ζάκυνθος - 6.6 632 Ηοάκλειο 4.6(±0.8) 4 Θεσσαλονίκη 2.9 (±0.6) 54 Θήρα 6.6(±0.8) 632 Καβάλα.6 (±0.2) 9 Κύθηρα 6.2 5.4(±0.4) 429 Κύθνος - 6.8 69 Κύμη 2.5(±0.) 34, Κως 6.2 6.2(±0.5) 524 Λαύριο - 6.4 576 Λήuνοc 6.0 5.2(±0.4) 386 Μήλος 6.3 (±0.4) 550 Μυτιλήνη 5.2 5.2(±0.6) 29 Νάξος 7.0 7.2(±0.6) 787 Ναύπλιο 3.9(±0.7) 30 Ρόδος 5.3(±0.6) 5.7 366 Σάμοc 6.0 6.3(±0.5) 5 Σκύρος 7.0 6.. 5.t±0.8) 677 Σητεία 3.3(±0.5) 79 Χανιά 2.4(±0.8) 30 Χίος 4.0(±0.3) 6.2 524 Πiνακας2. : Μέσες ταχύτητες ανέμου. α/α 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 Πiνακας2.2: Μέση ετήσια ταχύτητα ανέμων (0m από το έδαφος. Μετρήσεις ΔΕΗ.)
Από τη παρατήρηση των παραπάνω πινάκων συμπεραίνουμε την ύπαρξη υψηλού αιολικού δυναμικού στο νησιώτικο χώρο. Για την περιοχή αυτή η πυκνότητα πιθανότητας διανομής ταχύτητας εκφράζεται ικανοποιητικά με την καμπύλη διανομής Weibull και ότι η παράμετρος k είναι περίπου ίση με k=2. Παραμετρική μελέτη αναφορικά με την επίδραση του k στο ετήσιο δεσμευμένο αιολικό δυναμικό από ανεμοκινητήρα δείχνει ότι η παράμετρος αυτή έχει μικρή επίδραση και ότι τα ετήσια δεσμευμένα αιολικά kvvh στο ύψος Om δίνονται από την έκφραση Ε = 0.5 V 3 ΚWh Ι εrησίως Ι m 2 Όπου V η μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου m/s. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 3. Η σύσταση του ηλιακού φάσuατος Η διαμόρφωση του φάσματος του φωτός που εκπέμπει ο ήλιος παρομοιάζεται συνήθως με την ακτινοβολία ενός μέλανος σώματος θερμοκρασίας περίπου 5800 Κ, όση είναι, κατά μέσο όρο, η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας του ήλιου. Η προσέγγιση αυτή είναι επαρκής για τη μελέτη των θερμικών εφαρμογών της ηλιακής ακτινοβολίας, όπως π.χ. η θέρμανση νερού (ηλιακοί θερμοσίφωνες). Στις περιπτώσεις αυτές ενδιαφέρει συνήθως η συνολική θερμική ισχύς της ακτινοβολίας και ο μηχανισμός μετάδοσης της θερμότητας π.χ. στους ηλιακούς συλλέκτες του «θερμοσίφωνα» ή τους θερμοσυσσωρευτικούς τοίχους του κτιρίου κλπ. Δεν είναι όμως το ίδιο και για τη φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ενέργειας, αφού αυτή καθορίζεται από τη λεπτομερειακή φωτονική σύσταση της ακτινοβολίας. Άλλωστε, τα φωτοβολτάϊκά στοιχεία είναι κατασκευασμένα από ημιαγωγούς, και όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η δυνατότητα της απορ.ρόφησης των φωτονίων της ακτινοβολίας σε έναν ημιαγωγό εξαρτάται ουσιαστικά από τη σύγκριση της τιμής της ενέργειας τους, σε σχέση με το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού. 2
Εκτός από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ο ήλιος εκπέμπει και μια ασθενή σωματιδιακή ακτινοβολία, που αποτελείται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, κυρίως ηλεκτρόνια και πρωτόνια, και ονομάζεται ηλιακός άνεμος. Σε περίπτωση ηλιακών εκρήξεων η ένταση του ηλιακού ανέμου αυξάνει σημαντικά και μπορεί να φτάσει π.χ. τα 0 8 πρωτόνια ανά cm 2 και sec, στην αirόσταση που βρίσκεται η γη. Πάντως, η μορφή αυτή της ηλιακής ακτινοβολίας δεν παρουσιάζει ενδιαφέρον από πλευράς ενεργειακής εκμετάλλευσης. Η ανάγκη για τη λεπτομερειακή εξέταση της φασματικής σύστασης της ηλιακής ακτινοβολίας στις φωτοβολταϊκές εφαρμογές γίνεται φανερή στο σχήμα 3., που δείχνει τη μεγάλη διαφοροποίηση του πραγματικού φάσματος του ηλιακού φωτός στην επιφάνεια της γης, σε σχέση με την προσέγγιση που αναφέρθηκε παραπάνω. Βλέπουμε δτι το ηλιακό φως αποκτά τελικά μία πολύ ανώμαλη φασματική κατανομή, που οφείλεται σε εκλεκτικές απορροφήσεις και σκεδάσεις στα συστατικά της ατμόσφαιρας που διασχίζει. i 2,0 Ε ::ι. c,ι,5 Ε,,.c:: 5 ~,0.Q -<. g ο ~ 0,5 ~ < ollll.l~-.:..ι~~~~~ 0,2 0,5,0,5 2,0 -λ,μm- Σχήμα 3. Το φάσμα της ακτινοβολfας που αντιστοιχεί στην εκπομπή μέλανος σώματος θερμοκρασίας 5800Κ (εξωτερική συνεχής γραμμή), το φάσμα της ίδιας πηγής ύστερα από απορροφήσεις από το όζον και από σκεδάσεις από τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας (ασυνεχής γραμμή), και το πραγματικό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης σε συνθήκες μέτριας υγρασίας (εσωτερική συνεχής γραμμή). 3
Ενδεικτική, άλλωστε, της επίδρασης της ατμόσφαιρας στην ηλιακή ακτινοβολία είναι η εξάρτηση της έντασής της από το υψόμετρο της τοποθεσίας της γης, που δέχεται την ακτινοβολία. Έτσι, έχει μετρηθεί ότι, ενώ στη στάθμη της θάλασσας η μέγιστη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας φτάνει μέχρι περίπου 900- OOOW/m 2, η τιμή της αυξάνεται κατά περίπου 7W/m 2 για κάθε OOm ύψους της τοποθεσίας, επειδή μειώνετάι αντίστοιχα το πάχος του στρώματος της ατμόσφαιρας που διασχίζουν οι ηλιακές ακτίνες. Το όζον, που είναι άφθονο στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, απορροφά έντονα την υπεριώδη ακτινοβολία, και ειδικότερα στην περιοχή Ο,2-Ο,35μm, το μοριακό οξυγόνο απορροφά κυρίως στην περιοχή του ερυθρού (π.χ. 0,63 και Ο,69μm), το διοξείδιο του άνθρακα στο υπέρυθρο (2,7 και 4,3μm) και οι υδρατμοί στο ερυθρό και στο υπέρυθρο. Επίσης, από τη συνολική ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης, συνήθως λιγότερο από το 60% είναι άμεση, σε μορφή δέσμης ακτινών, που μπορούν π.χ. να εστιαστούν με κάτοπτρα ή φακούς. Η υπόλοιπη είναι διάχυτη, διότι έχει η;,:ροηγουμένως σκεδαστεί και ανακλαστεί στα διάφορα σωματίδια και σταγονίδια που αιωρούνται στον αέρα, ανάλογα βέβαια με τη σύσταση :.της ατμόσφαιρας και το μήκος της διαδρομής της ακτινοβολίας μέσα σ αυτήν. 3.2. Οι συuβατικές ηλιακές ακτινοβολίες. Πέρα από τη γεωγραφική θέση και το υψόμετρο, η τελική μορφή και η ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης, διαφέρει σημαντικά ανάλογα με τις εκάστοτε μετεωρολογικές συνθήκες, και την περιεκτικότητα της υγρασίας στην ατμόσφαιρα. κυρίως τη θέση του ήλιου στον ουρανό και Συμβατικά, το μήκος της διαδρομής της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα μέχρι τη στάθμη της θάλασσας, που είναι άμεση συνέπεια της θέσης του ήλιου, χαρακτηρίζεται από μια κλίμακα μάζας αέρα ΑΜ (air mass, ονομάζεται επίσης οπτική αέρια μάζα) βαθμολογημένης με την τέμνουσα (το αντίστροφο του συνημίτονου) της ζενιθιακής απόστασης (ζ), δηλαδή της γωνίας ανάμεσα στη θέση του ήλιου και στην κατακόρυφο (σχήμα 3.2). 4
Δηλαδή η κλίμακα της μάζας αέρα δείχνει ουσιαστικά πόσες φορές μεγαλύτερη είναι η διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα, σε σύγκριση με την κατακόρυφη διαδρομή της. Ζενίθ ο Ζενίθ Α ' Η λ ος -0- -0- ------,,.,.,.. / ' Ηλ ος ο (α) ο " (β) Σχήμα 3.2 Η εξάρτηση της κλίμακας μάζας αέρα (ΑΜ) από τη θέση ήλιου. (α) Απλοποιημένη απεικόνιση, με την ατμ,όοφαιρα να έχει επίπεδη ανάπτυξη σε άπειρη έκταση. Εξ' ορισμού είναι /4 (~/ΟΒ/ΟΑ=/συνζ. (β) Η πραγματική διαμόρφωση της γήινης ατμόσφαιρας, με τα στρώματα της να ορίζονται από σφαιρικές επιφάνειες και η αντίστοιχη ατμοσφαιρική διάθλαση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διαδρομή της μέσα από τα στρώματα αυτά. Συγκεκριμένα, ως ΑΜ συμβολίζεται η συνθήκη για τη θέση του ήλιου στην κατακόρυφο, στο ζενίθ, που αντιστοιχεί στο ελάχιστο μήκος της διαδρομής της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Όμοια, ως ΑΜ, 5 συμβολίζεται η διαδρομή της. ακτινοβολίας με τον ήλιο σε γωνία 45 από το ζενίθ, ως ΑΜ2 με τον ήλιο σε γωνία 60 κ.λ.π. Το μηδέν της κλίμακας (ΑΜΟ) συμβολίζει την πλήρη απουσία ατμοσφαιρικής παρεμβολής, δηλαδή την ηλιακή ακτινοβολία στο διάστημα, σε θέση που να απέχει όση είναι η μέση απόσταση της γης από τον ήλιο. Στον πίνακα 3. γράφονται οι πυκνότητες της ισχύος και η μέση ενέργεια των φωτονίων της ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορες πρότυπες συνθήκες στην κλίμακα μάζας αέρα. Πάντως, η παραπάνω προτυποποίηση δεν είναι πάρα πολύ αυστηρή. Έτσι π.χ. εκτός από τις τιμές του πίνακα, η ΑΜΟ αναφέρεται επίσης ως 353W/m 2, ήαμ2ως740w/m 2 κ.λ.π. 5
Πίνακας 3.. Οι πρότυπες τιμές της ηλιακής ακτινοβολfας στην κλίμακα μάζας αέρα (Air Mass). Τιμή Ιαχuς Μiση μάζας Σuμβaτικtς αuνθήκις (Nlm; ινtργιιa αέρα των φwτονfwν (ev) ΑΜΟ Στο διάστημα, έξω από την 350,48 ατμόσφαιρα. Ο ήλιος στο ζενiθ. Κάβετη ΑΜ πρόσπτωση σε επιφάνεια στη 000,32 στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα. Απόσταση του ήλιου 60 από το ΡΜ2 ζενίθ. Κάθετη πρόσπτωση σε 880,~ επιφάνεια στη στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα. Απόσταση του ήλιου 70,5 από ΡΜ3 το ζεν ί θ. Κάθετη πρόσπτωση σε 750,2 επιφάνεια στη στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα.,., Ο άλλος πολύ σημαντικός παράγοντας της διαμόρφωσης των μετεωρολογικών συνθηκών, δηλαδή η ατμοσφαιρική υγρασία, χαρακτηρίζεται από το ύψος w της στήλης του νερού (μετρημένης σε cm), που σχηματίζεται από την υποθετική συμπύκνωση του συνόλου των υδρατμών της ατμόσφαιρας, στο συγκεκριμένο τόπο και χρόνο. Πάντως, έτσι και αλλιώς, το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας συγκεντρώνεται στη φασματική περιοχή του κυανού και του πρασίνου, και ειδικότερα σε μήκη κύματος από 0,45 μέχρι Ο,6μm, που αντιστοιχεί σε φωτόνια ενέργειας περίπου 2, -2,8eV. Για την αντιστοιχία μήκους κύματος και ενέργειας φωτονίων, υπενθυμίζεται ότι από τη σχέση: V=c/ λ που συνδέει τη. συχνότητα ν και το μήκος κύματος λ μιας ακτινοβολίας με την ταχύτητα του φωτός c, βρίσκουμε ότι η ενέργεια του φωτονίου hν, σε ev, συνδέεται με το αντίστοιχο μήκος της ακτινοβολίας λ, σε μm, με τη σχέση: hv=l,238 Ι λ 6
~ -. 3.3. Η ακτινοβολία του «ενός ηλίου)) Το σχήμα 3.3 δείχνει τη ροή των φωτονίων που αντιστοιχε ί στα διάφορα μήκη κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας ΑΜΙ, 5 όταν φτάνει στη γη, στη στάθμη της θάλασσας. Η καμπύλη έχει βγει υπολογιστικά, δηλαδή έχουν αφαιρεθεί από το διαστημικό φάσμα της ηλιακής αl(τινοβολία ς τα φωτόνια που ε κτιμήθηκε ότι απορροφούνται ή σκεδάζονται από το όζον, τους υδρατμούς και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. 5χΟ 2. ε > ::!, -~ ό c-.( """ Ε 2 4χ0 (j) 2 > 3χ0 ~' Q > 'C" ο 'Ο α.. ι- ~ θ-... 2χ0 2 ;ιn 02 ο 0. 0.5.0.5 2.0 2.5 --λ, μm-- Σχήμα 3.3 Η συμβατική φωτονική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας σε συνθήκες ΑΜ,5. 7
Επίσης, στη δεύτερη περίπτωση, δηλαδή για το μεγαλύτερο μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας, η ενέργεια των φωτονfων δ ε ν επαρκ ε f για τη διέγερση των ηλεκτρονίων σθένόυς του πυριτίου και τη μεταφορά τους στη ζώνη αγωγιμότητας. Έτσι, η απόδοση ενός κοινού ηλιακού στοιχείου πυριτίου καλής ποιότητας, μπορεί να είναι 6% σε συνθήκες ΑΜ2, ενώ σε συνθήκες ΑΜΟ δεν ξεπερνά το,5%. 3.4. Ηλιακή γεωμετρία Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας και φωτονική της σύσταση παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές ανάλογα με την ώρα, την εποχή, τις κλιματολογικές συνθήκες και την περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε υγρασία, σε αιωρούμενες σωματίδια και σε άλλα συστατικά. Επίσης, επηρεάζονται σε αξιόλογο βαθμό και από άλλους προβλεπόμενους ή απρόβλεπτους παράγοντες, όπως οι εκρήξεις, η ατμοσφαιρική ρύπανση κ.λ.π. η ηλιακές κηλίδες και Ο σημαντικότερος παράγοντας που διάμορφώνει την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας είναι η θέση του ήλιου σε σχέση με το σημείο της γης που δέχεται την ακτινοβολία. Κατά η διάρκεια μιας χρονιάς, η θέση του ήλιου παίρνει πολύ διαφορετικές τιμές, σαν αποτέλεσμα της μεταβολής της απόκλισης (δ), δηλαδή της γωνίας που σχηματίζεται ανάμεσα στην ευθεία που ενώνει το κέντρο της γης με το κ έ ντρο του ήλιου και στο επίπεδο του ισημερινού (σχήμα 3.4). Οι τιμές της απόκλισης του ηλίου είναι θετικές για το βόρειο ημισφαίριο και αρνητικές για το νότιο. Οι ακραίες της τιμές είναι +23.45 στις 2 Ιουνίου (θερινό ηλιοστάσιο για το βόρειο ημισφαίριο) και -23.45 στις 2 Δεκεμβρίου (χειμερινό ηλιοστάσιο)'. ΆμΕση συνέπεια των διαφορετικών τιμών της απόκλισης του ήλιου κατά τη διάρκεια του έτους είναι ότι οι κυκλικές τροχιές του διαγράφονται βορειότερα στον ουρανό το καλοκαίρι, με νωρίτερα ανατολή και αργότερα δύση στο βόρειο ημισφαίριο, ενώ τον χειμώνα συμβαίνει το αντίθετο. Παράλληλα, διαμορφώνονται οι αντίστοιχες μ ε τεωρολογικές και κλιματολογικές συνθήκες που επικρατούν στις διάφορες εποχές του έτους. 9
Ιδιαίτερα χρήσιμα μεγέθη για τη γενική εκτiμηση της καθημερινής και της εποχιακής διακύμανσης της ακτινοβολiας σε έναν τόπο, είναι η θεωρητική ηλιοφάνεια, δηλαδή το χρονικό διάστημα από την ανατολή μέχρι τη δύση του ηλiου, καθώς και η μέση πραγματική ηλιοφάνεια που δείχνει τον μέσο όρο των ωρών που ο ήλιος δεν καλύπτεται από σύννεφα. Επίσης, ο αριθμός των ηλιοφεγγών ημερών, στη διάρκεια των οποίων ο ήλιος δεν καλύπτεται καθόλου από σύννεφα, καθώς και των ανήλιων ημερών, που ο ήλιος καλύπτεται από σύννεφα σε ολόκληρο το διάστημα της ημέρας. Α,,,,,,.. ' Ηλος ~ (2 louvlou),,..~ ' +23,45" Γη Ήλ ι ο<; ~. (2 Δe<εμβpίου) (α) ~ -.."". " --------------- - """,,.,... 20 if~_._...,_._.._.._,_..._._..._~_,_,_,,_,,_.,,._..._._.. ~ ~ - ~ if ~ ~ ~ ~ Ανατολή - Ηλιακό αζιμούθιο (θ ) _..., (β ) Δύ σ η Σχήμα 3.4 Η μεταβολή της απόκλισης και η επfδραση της στην τροχιά του Γ\λιου στον ουρανό, (α) Η ακραία απόκλιση του ήλιου κατά το θερινό και το 20
ι χειμερινό ηλιοστάσιο, (β) Παράδειγμα των αντrστοιχων τροχιών που διαγράφει. ο ήλιος στον ουρανό στη διάρκεια της ημέρας, κατά τα ηλιοστάσια καθώς και τις ισημερίες, σε τοποθεσrα με γεωγραφικό πλάτος βόρειο 38, όπως της Αθήνας. Οι ενδείξεις του μεσημεριού και των ωρών της ημέρας εrναι σε ηλιακές τιμές. Για παράδειγμα, στον πίνακα 3. δίνονται οι τιμές για τα χαρακτηριστικά ορισμένων εποχών στην Αθήνα, και είναι φανερές οι μεγάλες διαφορές μεταξύ τους. Πίνακας 3. Ενδεικτικά μετεωρολογικά και κλιματολογικά χαρακτηριστικά για την Αθήνα. α) Ύψος του ήλιου, θεωρητική ηλιοφάνεια και μέση θερμοκρασrα του αέρα στις φωτεινές ώρες της ημέρας. Ημερομηνία Ύψος του ήλιου Θεωρητική Μέση το μεσημέρι ηλιοφάνεια θερμοκρασί (ώρες) 2 Μαρτίου (εαρινή ισημερία) 5,08 ',9 3 C 2 Ιουλίου (θερινό ηλιοστάσιο) 75,25. J. 4,8 25 C 2 Σεπτεμβρίου (φθινοπωρινή 5,08,9 23 C ισημερία) 2 Δεκεμβρίου (Χειμερινό 28,35 9,5 C ηλιοστάσιο) α β) Μέσος αριθμός ηλfοφεγγών και ανήλιων ημερών και οι ώρες της μέσης. πραγματικής ηλιοφάνειας στους διάφορους μήνες του έτους. Είδος φ Μ Α Μ ι ι Α Σ ο Ν Δ ημερών Ηλιοφεν-νείς Ανήλιες 3,2 4.3 5,6 7,5 7,0 n,9 2,3 2,6 5,4 8,9 3,8 3,4 3,7 3, 2,5, 0,5 0, 0,0 ο. ο D,2,0?,5 f4. ~ Ηλιοφάνεια 23 39 80 233 303 β35 373 357 '77 2 62 ~27 - (ώρες) 2
Η θέση του ήλιου στον ουρανό ενός τόπου περιγράφεται συνήθως με δυο γωνίες: το ύψος και το αζιμούθιο. Το ύψος του ήλιου (β) είναι η γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στην κατεύθυνση του ήλιου και στον ορίζοντα (σχήμα 3.5). Αντί για το ύψος, χρησιμοποιείται. επίσης συχνά η συμπληpωματική της γωνία, δηλαδή η γωνία ανάμεσα στην κατεύθυνση του ήλιου και στην κατακόρυφο, που όπως είδαμε ονομάζεται ζενιθιακή απόσταση (ή ζενιθιακή γωνία) του ήλιου. Ζενίθ είναι το σημείο του ουρανού που συναντά η κατακόρυφος ενός τόπου, και ο όρος προέρχεται από την αραβική λέξη «senit» που σημαίνει ευθεία οδός. Ανατολή Βορράς Δύση Σχήμα 3.5: Οι γωνίες του ύψους (β) και του αζιμούθιο, που περιγράφουν κάθε στιγμή τη θέση του ήλιου στον ουρανό. Η δεύτερη χαρακτηριστική γωνία του ήλιου, το ηλιακό αζιμούθιο (θ), είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κατεύθυνσης του ήλιου και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου. Ο όρος προέρχεται από την αραβική έκφραση «as summut», που σημαίνει κατεύθυνση. Προς τα δεξιά από τον νότο, το ηλιακό αζιμούθιο παίρνει θετικές τιμές, και προς τα αριστερά αρνητικές. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, το ύψος του ήλιου και το αζιμούθιο μεταβάλλονται συνεχώς, καθώς ο ήλιος διατρέχει τον ουρανό. 22
rι:. - 3.5. Προσανατολισuόc του συλλέκτη Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία κάθε συστήματος που εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια εfναι ο προσανατολισμός του ηλιακού συλλέκτη σε σχέση με την κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολfας. Όπως η θέση του ήλιου στον ουρανό, έτσι και ο προσανατολισμός ενός επιπέδου στην επιφάνεια της γης περιγράφεται από δυο γωνίες: την κλfση και την αζιμούθιο γωνία (σχήμα 3.6). Η κλίση του συλλέκτη (βσ) εfναι η δίεδρη γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επrπεδο του συλλέκτη και στον ορίζοντα. Δείχνει πόσο γέρνει ο συλλέκτης και μπορεf να πάρει τιμές από Ο μέχρι 80. Για γωνίες βσ>90 το επίπεδο του συλλέκτη είναι στραμμένο προς τα κάτω. Η αζιμούθιο γωνία του συλλέκτη (θσ) είναι η γωνrα που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της κατακόρυφου του συλλέκτη και στον τοπικό μεσημβρινό βορράνότου. Παίρνει τιμές από -80 μέχρι +80 (που συμπίπτει με την +80 ) αντιστοιχεί σε τοποθέτηση του συλλέκτη προς ro βορρά, η γωνία -90 προς την ανατολή, η γωνία 0 προς το νότο και η γωνfα +@0 προς τη δύση..... ο.....:... :::........-....._................ ~,. y~ }. ; /. Βορράς Σχήμα 3.6 Η κλίση (βσ) και η αζιμούθια γωνία (θσ), που χαρακτηρίζουν τον προσανατολισμό ενός επιπέδου ηλιακού συλλέκτη στην επιφάνεια της γης. 23
Έτciι, αν επιδιώκεται να παράγει το σύστημα όσο το δυνατόν περ ι σ σ ότερ η ενέρ γ ε ι α σ τη δι ά ρκ ε ια του καλοκαιριού, η κλίση του συλλέκτη επιλέγεται περfπου 0 ω ς 5 μι κρ ότερ η από τ ην παράλληλο του τόπου, ενώ για το χειμώνα η κλίση επιλέγεται περίπου Ό 0 ως 5 μεγαλύτερη από την.παράλληλο του τόπου. Σ τ ο σχ ήμ α 3.8 δ fν ε ται ένα παράδ ε ιγμα της βέλτιστης κλίσης για τον ηλιακό συλλέκτη στις χαρακτηριστικότ ε ρ ε ς ημ ε ρ ο μηνίες του έ τ ο υ ς. 6 5 Ν Ε :i 2 ι Φ ΜΑ ι. Α Σ ΟΝ Δ Σχήμα 3.7 Παράδειγμα της εξάρτησης της μέσης ημερήσιας ηλιακής ακτινοβολίας Η, που δέχεται μια επfπεδη επιφάνεια κατά τη διάρκεια των διαφόρων μηνών του έτους, σε συνάρτηση με την κλίση της. Το παράδειγμα είναι για τοποθεσία με γεωγραφικό πλάτος 45 και αφορά σε κλίσεις του ηλιακού συλλέκτη (βσ) ίσες με 0 (οριζόντιο επίπεδο), 30, 45, 60 και 90 (κατακόρυφο επίπεδο). Επίσης, στον πίνακα 3.2 δίνονται τα γεωγραφικά πλάτη διαφόρων ελληνικών περιοχών, για την επιλογή της σωστής κλίσης του ηλιακού συλλέκτη. Υπάρχουν και εφαρμογές, όπου κρίνεται σκόπιμη η αναπροσαρμογή της κλίσης του συλλέκτη δύο ή περισσότερες φορές στη διάρκεια του έτους, ώστε να παρακολουθεί κάπως την απόκλιση του ηλιου 25
Πίνακας 3.2 γεωγραφικά πλάτη διαφόρων ελληνικών πόλεων και περιοχών. Π6λη ή ττιριοχή Γιωγραφικ6 πλάτος Σιδηρόκαστρο, Δ ι δυμότειχο, Ορεστιάδα 4 3( Φλώρινα, Έδεσσα, Γι α ννιτσά, Κιλκi ς, Σ έρρ ε ς, Δράμα, Καβάλα, Ξάνθη, Κομ ο τηνή, Αλεξανδροίίπολη 4 Καστορι ά, Πτολ εμαϊδα, Κοζάνη, Νάο υ σα, Β έ ροι α, Κ α τ ε ρiνη, Θεσσαλον ί κη, Πολίί:γυρο ς, Σ αμοθρ άκη 40 30' Κόν ι τσα, Γρεβενά, Λιτόχωρο, Κασσάνδρα, Λήμνος 40 Κέρκυρα, Ηγουμενίτσα, Ιω άννινα, Μέτσοβο, Τρiκαλα, Καρδiτσα, Λάρισα, Βόλος.. 39 30' Λευκάδα, Πρέβεζα, Άρτα, Καρπενήσι, Λαμiα, Σ κίίρο ς, Μυτιλήνη ΚΕΦΑΛΛΗΝΙΑ, Ιθάκη, Αγρiνιο, Μεσολόγγι,.;~:.. Πάτρα, Άμφισσα, Λιβαδειά, Θήβα, Χαλκiδα, Χiος < 39 38 30' Ζάκυνθος, Αμαλιάδα, Καλάβρυτα, Κόρινθος, Μ έ γαρα, Ε λευσίνα, Αθήνα, Ραφήνα, Κάρυστος, Άνδρος, Ι καρiα, Σάμος 38 Πύργος, Μεγαλόπολ η, Τρίπολη, Αργός, Ναίίπλιο, Πόρος, Σύρος, Π άτμος Π ύλος, Καλαμά τ α, Σπάρτη, Πάρος, 37 30' 37 Νάξος, Κάλυμνος, Κως Γύθ ε ιο, Μήλος, Σαντορίνη, Ρ όδος 36 30' Κύθηρα, Καστελόριζο 36 Χανιά, Ρέθυμνο, Ηράκλειο, Κάσσο ς, Κάρπαθος 35 30' Χώρα Σφακίων, Ιεράπετρα, Αγ. Νικόλαος Κρήτης, Κύπρος 35 26
χ 2 Ιουνίου 2 Δεκ. ~ ~ Σχήμα 3.8. Η βέλτιστη κλίση ενός ηλιακού συλλέκτη στο θερινό (2 Ιουνίου) και το χειμερινό (2 Δεκεμβρίου) ηλιοστάσιο και στην εαρινή (2 Μαρτίου) και τη φθινοπωρινή (2 Σεπτεμβρίου) ισημερία, σε μια τοποθεσία με γεωγραφικό πλάτος 38, όπως η Αθήνα. Τα ύψη του ήλιου που εικονίζονται αφορούν στα αντίστοιχα ηλιακά μεσημέρια... Τα παραπάνω ισχύουν για τη συλλογή της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας, που έρχεται σαν δέσμη από τον Λλιο. Για τις άλλες, από ενεργειακή άποψη λιγότερο σημαντικές, μορφές. της ηλιακής ακτινοβολίας, ο κυριότερος παράγοντας είναι η απόλυτη ~J;μή της κλίσης του συλλέκτη, ανεξάρτητα από τη θέση. του ήλιου. Έτσι, όσο η κλίση απέχει ττερισσότερο από το οριζόντιο, τόσο μεγαλύτερο ποσό ανακλώμενης ακτινοβολίας από το έδαφος δέχεται ο συλλέκτης, αλλά και τόσο μικρότερο ποσό διάχυσης ακτινοβολίας από τον ουρανό. Για παράδειγμα, σε περιοχές με υγρό κλίμα, όπου λόγω των σταγονιδίων του νερού στην ατμόσφαιρα, ένα μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας διαχέεται στον ουρανό, η βέλτιστη κλίση του ηλιακού συλλέκτη για τη διάρκεια ολόκληρου του έτους είναι περίπου 0-5% μικρότερη από τη γωνία του τοπικού γεωγραφικού πλάτους. Έτσι, ο συλλέκτης αντικρίζει περισσότερο τον ουρανό και δέχεται αφθονότερα τη διάχυτη ακτινοβολία. 27
.. Η ποσότητα της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το υλικό που καλύπτει την επιφάνεια που δέχεται την ακτινοβολία. Η ικανότητα της ανάκλασης εκφράζεται από ένα συντελεστή που κυμαίνεται από Ο, για πλήρη απορρόφηση της ακτινοβολίας, μέχρι, για πλήρη ανάκλαση. Στον πίνακα 3.6.2 δίνονται ενδεικτικές τιμές _ του συντελεστή ανάκλασης για ορισμένα από τα είδη επιφανειών που συμβαίνει να έχει το περιβάλλον στις περιοχές, όπου τοποθετούνται οι ηλιακοί συλλέκτες.- Πίνακας 3.3. ηλιακής ακτινοβολίας. Παραδείγματα τιμών του συντελεστή ανάκλασης της Α Είδος επιφάνειας Συντελεστr,.,, ανάκλασης 0,05 ο 07 0,08 0,5 0,20 ~ - ο 24 Επιφάνεια νέου τσιμέντου ή Χρωματισμένη με ανοιχτό χρώμα Χιόνι 0,60 3. 7. Ροή και ένταση της ακτινοβολίας. Κάθε φωτοβολταϊκό σύστημα τροφοδοτείται με ηλιακή ενέργεια Ι\αι παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ένα βασικό, όμως, μειονέκτημα του φωτοβολτάί'κού συστήματος είναι ότι, σε αντίθεση με πολλά άλλα συστήματα μετατροπής, η τροφοδοσία του δεν είναι καθόλου σταθερή, Ctλλά αυξομειώνεται μεταξύ μιας μέγιστης και της μηδενικής τιμής, ttκολουθώντας συχνά απρόβλεπτες και απότομες διακυμάνσεις. Είναι λοιπόν χρήσιμο να εξετάσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες Ίiως μεταβάλλεται χρονικά η ενέργεια που δέχεται ένας ηλιακός συλλέκτης. Αρχικά, πρέπει να γίνει μια διευκρίνιση ως προς την ομολογία. Το 28
ποσό της ενέργειας που περιέχεται στο φως του ήλιου, ονομάζεται συνήθως ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, χωρίς να συγκεκριμενοποιείται η έννοια της λέξης. Η «ένταση» είναι πολύ γενικός όρος που χρησιμοποιείται, για να περιγράψει το μέγεθος ή την αποτελεσματικότητα διαφόρων φαινομένων. Π.χ. μιλάμε για ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, του ηλεκτροστατικού πεδίου του ήχου, του ανέμου, της βροχής κ.λ.π. Σε αυστηρότερη ορολογία, το μέγεθος που χαρακτηρίζει την ποσότητα της ενέργειας, την οποία μεταφέρει σε έναν τόπο μια ακτινοβολία που μεταδίδεται προς μια κατεύθυνση στο χώρο, ονομάζεται ροή ακτινοβολίας (Η). Ορίζεται, συγκεκριμένα, ως το ποσό της ενέργειας της ακτινοβολίας που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη μονάδα του εμβαδού μιας επιφάνειας, τοποθετημένης κάθετα στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας. συνηθως σε kw/m 2. Η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας εκφράζεται Ακριβολογώντας παραπέρα, βλέπουμε ότι ο όρος «ροή ακτινοβολίας» έχει έννοια, όταν. πρόκειται μόνο για ακτινοβολία που αποτελείται από δέσμη παράλληλων ακτινών. Όταν όμως η ακτινοβολία είναι διάχυτη και διαδίδεται προς διάφορες κατευθύνσεις, όπως συμβαίνει συχνά με ένα μεγάλο μέρος της ηλιακή~ς ακτινοβολίας, τότε ως μέτρο του ποσού της ενέργειας που περνά,.σ'τη μονάδα του χρόνου από τη μονάδα μιας επιφάνειας, χρησιμοποιείται περισσότερο ο Υενικότερος όρος ένταση ακτινοβολίας. Συνώνυμη, για οποιοδήποτε ΧΡήση, είναι η πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας. Με τον ίδιο όρο, «ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας», Χαρακτηρίζεται και η πυκνότητα της ηλιακής ενέργειας που δέχεται μια επιφάνεια σε ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα. Π.χ. στον σχεδιασμό Των φωτοβολταϊκών συστημάτων χρησιμοποιείται συχνά ως μετεωρολογικό δεδομένο η μέση ηλιακή ενέργεια ανά τετραγωνικό μέτρο οριζόντιας επιφάνειας και ανά ημέρα, και εκφράζεται συνήθως σε kwtm 2 day. Μια ανάλογη ασάφεια στη φωτοβολταϊκή ορολογία υπάρχει και Ο'ε άλλες γλώσσες. Π.χ. στα αγγλικά οι όροι so/ar irradiance, lntensity of radiation, insolation (στην Αμερική), solar power, solar radiation Χρησιμοποιούνται σχεδόν αδιάκριτα, για να χαρακτηρίσουν την έvταση της ηλιακής ακτινοβολίας ως πυκνότητα ισχύος ή ως 'Ί'ruκνότητα ενέργειας. Συχνά δεν μας ενδιαφέρει τόσο η συνολική ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας, όσο η κατανομή της μέσα στο ηλιακό φάσμα. Ως φασματική ροή ακτινοβολίας (H;J ορίζεται το ποσό της εvέργειας με μήκη κύματος μεταξύ λ και +dλ, που περνά στη μονάδα 29
. :, του χρόνου από τη μονάδα του εμβαδού μιας επιφάνειας τοποθετημένης κάθετα στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας. Συνήθως εκφράζεται σε μονάδες kw/m 2 μm, όπως είδαμε π.χ. στο σχήμα 3... 3.8. Η διακύuανση της ηλιακής ακτινοβολίας Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ηλιακή ακτινοβολία παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις. Στο σχήμα 3.9 δείχνονται παραδείγματα της ομαλής μεταβολής της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας για τρεις ενδεικτικές ημερομηνίες (καλοκαίρι, άνοιξη και φθινόπωρο, χειμώνα) σε συνθήκες ιδανικά καθαρού ουρανού. Χαρακτηριστικό μέγεθος είναι η τιμή της μέγιστης έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (ένταση αιχμής), που μετράται στο ηλιακό μεσημέρι, δηλαδή όταν ο ήλιος βρίσκεται στο μεγαλύτερο ύψος του ορίζοντα, το οποίο δεν είναι αναγκαστικό να συμπίπτει με το ωρολογιακό μεσημέρι. Π.χ. στην Αθήνα έχουμε ηλιακό μεσημέρι όταν το ρολόι δείχνει 2.25' τον. χειμώνα, και 3.25' το καλοκαίρι, όταν ισχύει η θερινή ώρα..0 ~ t 0.9 ""' Ε 0.8... $ 0.7 :::...2 0.6 < ο C!. 0.5 :>... ::: 0.4 "" ο -<::" ο "' 0,3 -< 0,2 ::r: 0. 27 Μαρτ!ο υ r} 2 Σεπ τεμβρ ίου ο 5 0 5 20 24 t Μεσά ν υχ τα Μ εσημέρ ι f\ιεσά νυχτα -Ώρα τη ς η μέρ α ς (h) - t Σχήμα 3.9. Παράδειγμα της διακύμανσης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, που δέχεται μια οριζόντια επιφάνεια στη διάρκεια των φωτεινών ωρών τριών χαρακτηριστικών ημερομηνιών, με εντελώς καθαρό ουρανό. Οι ώρες είναι σε ηλιακές τιμές. 30
Έχουμε ήδη τονίσει ότι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται μια επίπεδη επιφάνεια γίνεται σημαντικά μεγαλύτερη όταν βρίσκεται σε κατάλληλη κλίση, ώστε η πρόσπτωση των ακτινών να γίνεται περισσότερο κάθετα (σχήμα 3. Ο). Στην περίπτωση αυτή, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η μέγιστη ισχύς της ακτινοβολίας το ηλιακό μεσημέρι στις ευνοϊκότερες ημέρες του έτους δεν διαφέρει πάρα πολύ από τόπο σε τόπο και η τιμή kw/m 2 αποτελεί μια πολύ χονδρική, αλλά πάντως γενικά αποδεκτή προσέγγιση..... ' f.,2 ι Ν,0 Ε,, $.:.:.. 0,8,Q -< ο <:!). ~ ;: 0,6 "' ο -cr "' ~ 0,4 r 2 J Mclprίόu ή 2 Σεrπεμβρίι'υ 2 Δεκεμβρίο υ 0,2 ο t Μωάνυχ τσ 5 0 t 5 Μεσημlφι -- Ώρα της ημέρας. f - 20 24 t Μεσάνυχτα Σχήμα 3. ο. Η διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στις Υεωγραφικές, εποχικές $αι κλιματικές ~υνθήκες τ_ου ~αραδείγματος του, σχήματος ο, αλλά με τον ηλιακό συλλεκτη σε κλιση ιση με το γεωγραφικο Ίiλάτος του τόπου. Όταν ουρανός έχει σύννεφα, η με!αβολή τ~ς έντασης της η~ιακής 0 cχκτινοβολίας στην επιφάνεια τη~ γης γινεται ανωμα~η, όπως δειχνεται οτο σχήμα 3.. οι παρ~τηρ?υμ~νες απότομες πτ~σεις της έντασης οφείλονται στην παρεμβολη ενος νεφους που μετακινει ο άνεμος. 3