ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΓΕΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Τσαρούχη Παναγιώτας του Αντωνίου Αριθμός Μητρώου: 6650 Θέμα: «Ευφυής έλεγχος ενεργειακής μηχανής τεχνολογίας Stirling χαμηλής θερμοκρασιακής διαφοράς» Επιβλέπων: Τζες Αντώνιος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, ΙΟΥΝΙΟΣ 2011

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 2

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ευφυής έλεγ3χος ενεργειακής μηχανής τεχνολογίας Stirling χαμηλής θερμοκρασιακής διαφοράς» Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τσαρούχη Παναγιώτας του Αντωνίου Αριθμός Μητρώου:6650 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 23.../ 05 / 2011 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Τζες Αντώνιος Καθηγητής Παν. Πατρών Κούσουλας Νικόλαος Καθηγητής Παν. Πατρών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 3

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 4

Θέμα: «Ευφυής έλεγχος ενεργειακής μηχανής τεχνολογίας Stirling χαμηλής θερμοκρασιακής διαφοράς» Φοιτήτρια: Τσαρούχη Α Παναγιώτα Επιβλέπων: Τζες Αντώνιος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα τον ευφυή έλεγχο μιας μηχανής Stirling χαμηλής θερμοκρασιακής διαφοράς, με στόχο την πρακτική εφαρμογή σε οικιακούς καταναλωτές για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έγινε διασύνδεση μιας σειρά αισθητήρων (μέτρηση θερμοκρασίας) και επενεργητών (αντλίες) σε ένα πρωτότυπο σύστημα, έτσι ώστε να προσομοιωθεί κατά το καλύτερο δυνατό τρόπο η λειτουργία της αύξησης της θερμοκρασίας του υγρού σε ένα ηλιακό θερμοσίφωνα και της τυπικής οικιακής ημερήσιας κατανάλωσης. Με βάση αυτό το πρότυπο παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας διαμορφώθηκε ένας ευριστικός έλεγχος έτσι ώστε να παραχθεί η περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να παραβιασθούν μία σειρά από περιορισμούς που αφορούν στην χρήση του ηλιακού θερμοσίφωνα. Πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα της μηχανής Stirling και την ανάγκη προσαρμοστικοτητας της λειτουργίας της έτσι ώστε να ανταποκρίνεται στις ιδιάζουσες ανάγκες της κάθε οικογένειας. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 5

Abstract This thesis is on the intelligent control of a Stirling engine with a low temperature difference in order to practice residential consumers for electricity production. An interface of a series of sensors (temperature measurement) and actuators (pumps) became in a prototype system in order to simulate as best as possible the function of warming the liquid in a solar water heater and the standard daily household consumption. Under this model of production and consumption was a Heuristic control order to generate more electricity without having violated a number of restrictions on the use of solar water heater. Experimental results confirm the effectiveness of the Stirling engine and the need for adaptability of its operation to meet the specific needs of each family. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 6

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 7

Λέξεις κλειδιά: Ευφυής έλεγχος, κινητήρας Stirling, χαμηλή θερμοκρασιακή διαφορά,ηλιακή ενέργεια, ηλιακοί θερμοσίφωνες Key-words: Intelligent control, Stirling engine, low temperature difference, solar energy, solar water heaters ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 8

«Στρέψου στον ήλιο και θα αφήσεις τις σκιές πίσω σου» (Γερμανική παροιμία) ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 9

Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στον Τομέα Συστημάτων και Αυτομάτου Ελέγχου υπό την επίβλεψη του Καθηγητή Τζε Αντωνίου και τη συνεπίβλεψη του Καθηγητή Μάνεση Σταμάτη, στο εργαστήριο Γενικής Ηλεκτροτεχνίας. Το θέμα της αφορά τον ευφυή έλεγχο συστημάτων μηχανής Stirling χαμηλής θερμοκρασιακής διαφοράς, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας προς όφελος του χρήστη- καταναλωτή. Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Καθηγητή μου για την ευκαιρία που μου πρόσφερε για τη συνεργασία αυτή καθώς και για τις οδηγίες του και την υπομονή του σε κάθε δύσκολο σημείο που συνάντησα το χρονικό διάστημα αυτό. Σημαντική υποχρέωση αισθάνομαι και απέναντι στον Κύριο Μάνεση, με τον οποίο είχαμε μια άψογη συνεργασία στο χώρο του εργαστηρίου, καθώς οι πρακτικές του γνώσεις και δεξιότητες συνετέλεσαν στην επιτυχή ολοκλήρωση και εγκατάσταση της πειραματικής διάταξης. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Λέκτορα ΠΔ 407/80 κ. Νικολακόπουλο Γεώργιο για την πολύτιμη βοήθεια του τόσο στο χώρο του εργαστηρίου για την επίλυση διάφορων πρακτικών προβλημάτων, όσο και για την καθοδήγησή του για τη διεξαγωγή της διπλωματικής μου εργασίας. Τέλος, ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω και στην εταιρία Agrino ΑΕ και ιδιαίτερα στην Κ. Κυρίτση Αθανασία, υπεύθυνη παραγωγής της εταιρίας για την άψογη συνεργασία μας στα πλαίσια του ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ, που πραγματοποιήθηκε κατά το τετράμηνο Νοεμβρίου-Μαρτίου. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 10

Περιεχόμενα Περίληψη... 20 1.Ενέργεια και εναλλακτικές μορφές ενέργειας... 22 1.1 Εισαγωγή... 22 1.2 Ιστορική αναδρομή ΑΠΕ... 22 1.3 Πλεονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ)... 25 1.4 Μειονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ)... 26 1.5 Ανάπτυξη νομοθεσιών, σε επίπεδο κράτους, που βοηθούν την ανάπτυξη των ΑΠΕ.... 28 1.6 Ανταγωνιστικότητα των CPC... 28 1.7 Σχολιασμός των αποτελεσμάτων... 30 1.8 Προοπτικές ΑΠΕ... 33 1.9 Εναλλακτικές διαθέσιμες τεχνολογίες με κρυσταλλικό πυρίτιο... 34 1.10 Απόδοση επενδύσεων στις ΑΠΕ... 34 1.11 Στοιχεία για την Ελλάδα... 35 1.12 Κινητήρας Stirling, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και εφαρμογές... 38 2. Ηλιακή ενέργεια, φωτοβολταϊκό φαινόμενο και ηλιακοί συλλέκτες... 41 2.1 Ηλιακή ενέργεια... 41 2.2 Φωτοβολταϊκό Φαινόμενo... 44 2.2.1 Χαρακτηριστικά Ημιαγωγών... 44 2.2.2 Δημιουργία της Επαφής του ηλεκτρικού πεδίου... 46 2.2.3 Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας... 46 2.2.4 Περιορισμοί στην Απόδοση των Φωτοβολταϊκών... 47 2.2.5 Εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών στην παγκόσμια αγορά-στατιστικά στοιχεία... 49 2.3 Ηλιακοί θερμοσίφωνες-ενεργητικά ηλιακά συστήματα... 53 2.3.1 Ηλιακοί συλλέκτες... 55 2.3.2 Δεξαμενή αποθήκευσης... 56 2.3.3 Αρχή λειτουργίας... 57 2.3.4 Τοποθέτηση-Εγκατάσταση... 57 2.3.5 Ο θερμοσίφωνας σαν οικολογική συσκευή... 58 2.4 Ο ηλιακός θερμοσίφωνας και η μηχανή Stirling... 58 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 11

3. Η μηχανή Stirling... 62 3.1 Ιστορία... 62 3.2 Εφαρμογές Stirling μηχανής στην ξηρά... 67 3.3 Εφαρμογές Stirling μηχανής στην θάλασσα... 73 3.4 Εφαρμογές Stirling μηχανής στο διάστημα... 75 3.5.3 Συμπέρασμα... 80 4. Ανάλυση συστήματος-περιγραφή... 83 4.1 Η θερμοδυναμική ανάλυση του κύκλου Stirling... 83 Διάγραμμα Ρ-V και παραγόμενο έργο:... 91 4.1.1. Διαμορφώσεις μηχανών Stirling... 93 4.1.2 Διαμορφώσεις και χρησιμότητα κάθε τύπου... 94 4.1.3 Διαμόρφωση τύπου Β και μηχανή Stirling... 96 4.2 Ανάλυση μηχανής και τύποι ανάλυσης... 97 4.2.1 Ισοθερμική ανάλυση... 98 4.2.1.2 Schmidt ανάλυση... 101 4.2.1.3 Μέση πραγματική θερμοκρασία αναγεννητή... 105 4.2.1.4 Ενεργειακή ανάλυση-ιδανικό Ισοθερμοκρασιακό μοντέλο... 106 4.2.2 Αδιαβατική ανάλυση... 109 4.2.2.1 Ανάπτυξη της εξίσωσης... 111 4.2.3 Απλουστευμένη ανάλυση... 115 4.3 Πραγματική ανάλυση κινητήρα Stirling... 116 4.3.1 Ιδανική Αδιαβατική ανάλυση - Συνοπτική παρουσίαση εξισώσεων και μέθοδος επίλυσης... 117 5.1 Βαθμοί Απόδοσης για Mηχανικά Συστήματα Stirling... 122 5.2 Εισαγωγή... 122 5.3 Αντικειμενικός Σκοπός... 123 5.4 Ορισμός Ισχύος &Θερμοκρασίας... 125 5.5 Ορισμός Των Όρων Απόδοσης... 130 6. Πειραματική διάταξη-πρόγραμμα μετρήσεων... 135 6.1 Πρόγραμμα μετρήσεων- Παραδείγματα για μετρήσεις... 136 6.2 Διάγραμμα P-V... 137 6.3 Λειτουργία ανοιχτού βρόχου... 139 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 12

6.4 Διάγραμμα λειτουργίας Λειτουργία με χρήση fuzzy controller... 141 6.5 Επεξήγηση λειτουργίας διάταξης... 144 7. Περιγραφή προβλήματος-τοπολογία-πρακτική εφαρμογή... 148 7.1 Περιγραφή... 148 7.2 Περιγραφή της φιλοσοφίας για την ανάπτυξη του ευφυούς συστήματος- ελεγκτή... 154 7.3 Προσομοίωση της λειτουργίας-αποτελέσματα για πιθανή λειτουργία του πειράματος... 156 8. Αγορά και εφαρμογές μηχανής Stirling με χρήση ηλιακής ενέργειας... 172 8.1 Η δύναμη του ήλιου... 172 8.2 Βασικά σημεία για την ηλιακή ενέργεια και την αγορά... 172 8.3 Stirling Energy Systems... 173 8.4 Απόδοση συστήματος Suncather - Σύνδεση του συστήματος στο ηλεκτρικό δίκτυο... 175 8.5 Rider- Ericsson Stirling Engine- εταιρία SWEE Technologies, Pune (India)... 175 8.6 Σύστημα SolarHeart Engine, low temperature Stirling Engine- εταιρία CoolEnergy Inc... 176 8.7 COOL ENERGY COMMISSIONS SOLAR FIELD FOR INITIAL TEST OF SOLAR HEATING AND POWER SYSTEM- January 18, 2011... 178 8.8 Στατιστικά στοιχεία εφαρμογής... 180 8.9 Άλλα παραδείγματα από την αγορά των Stirling μηχανών... 182 9. Εφαρμογή συστήματος Stirling μηχανής σε πραγματικό σύστημα με χρήση βιοκαυσίμου- Συνεργασία με την εταιρεία Agrino Α.Ε.... 187 9.1 Βιομάζα... 187 9.3 Φλοιός ρυζιού ως πηγή βιοκαυσίμου... 188 9.4 Διαδικασία καύσης φλοιού ρυζιού... 189 9.5 Σύγκριση πηγών βιομάζας... 190 9.6 Συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού... 191 9.7 Διάγραμμα ροής διαδικασίας και επεξήγηση λειτουργίας της... 194 9.8 Πρόταση για αντικατάσταση της ατμομηχανής με την μηχανή Stirling... 201 Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 205 Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 210 Γ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 218 Δ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ... 226 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...240 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 13

Πίνακας εικόνων Εικόνα 1.1 Παγκόσμια παραγωγή ενέργειας από ποικίλες πηγές... 26 Εικόνα 1.2 Προβλεπόμενη αύξηση των ΑΠΕ στην παγκόσμια αγορά ενέργειας... 27 Εικόνα 1.3 Προβλεπόμενοι σταθμοί καύσης γαιάνθρακα στις ΗΠΑ ως το 2030... 28 Εικόνα 1.4 Τιμολόγια τροφοδότησης Φ/ Β σταθμών για διάφορες χώρες... 30 Εικόνα 1.5 Δεδομένα για την Ισπανία και τιμές KWh για τις παραπάνω χώρες... 31 Εικόνα 1.6 Εξοικονόμηση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από το πρωτόκολλο Kyoto σε σύγκριση με επιπλέον εκπομπές από νέους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής... 32 Εικόνα 1.7 Παγκοσμίως χρησιμοποιούμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας,2006... 33 Εικόνα 1.8 Τεχνολογίες κρυσταλλικού πυριτίου... 34 Εικόνα 1.9. Κόστος επένδυσης και παραγωγής ανανεώσιμων και μη πηγών ενέργειας... 35 Εικόνα 1.10 Ενεργειακό μίγμα Ελλάδας... 36 Εικόνα 1.11 Εκπομπές CO2 και πηγές ενέργειας... 36 Εικόνα 1.12 Σύνολο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα... 37 Εικόνα 1.13 Αποδόσεις σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα... 38 Εικόνα 2.1:Διάγραμμα ηλιακής ενέργειας... 41 Εικόνα 2.2:Κόστος τυπικών ηλιοθερμικών συστημάτων στην Ελλάδα... 43 Εικόνα 2.3: Πυρίτιο (Si)... 44 Εικόνα 2.4: Αρσένιο (Αs)... 45 Εικόνα 2.5: Βόριο(Β)... 45 Εικόνα 2.6:Μορφή ηλεκτρικού πεδίου... 46 Εικόνα 2.7:Μήκη κύματος ακτινοβολίας... 47 Εικόνα 2.8:Αποδοτικότητα κυψελίδων... 48 Εικόνα 2.9:Αποδοτικότητα και τεχνολογίες φωτοβολταϊκών... 48 Εικόνα 2.10:Αποδοτικότητα με βάση το γεωγραφικό πλάτος... 49 Εικόνα 2.11: Προφίλ χώρας με χαμηλό κόστος για παραγωγή ενέργειας με χρήση φωτοβολταϊκών... 49 Εικόνα 2.12: Παγκόσμιες ετήσιες εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων... 50 Εικόνα 2.13: Η μεγαλύτερη αγορά στον κόσμο είναι η Γερμανία με εγκατεστημένη ισχύ 3834ΜW στο τέλος του 2007... 51 Εικόνα 2.14: Αγορά φωτοβολταϊκών segments στη Γερμανία... 51 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 14

Εικόνα 2.15: Ανάπτυξη της αγοράς των Φ/Β βοηθήθηκε από τη συνεχή μείωση του κόστους... 52 Εικόνα 2.16: Τιμές φωτοβολταϊκών σε σχέση με τις τιμές δικτύου για τη Γερμανία... 52 Εικόνα 2.17: Ελκυστικότητα της αγοράς ηλιακών συλλεκτών... 53 Εικόνα 2.18:Ηλιακός θερμοσίφωνας... 54 Εικόνα 2.19:Σύστημα παραγωγής ενέργειας με χρήση ηλιακού θερμοσίφωνα... 59 Εικόνα 3.1: Rev Dr Robert Stirling(1790-1878)... 63 Εικόνα 3.2: Η γνήσια ευρεσιτεχνία της μηχανής(1790-1878) Stirling στα 1816 (Finkelstein 1959)-Σημειώνεται η απουσία του ψύκτη... 63 Εικόνα 3.3: Ηλεκτρική Γεννήτρια της Philips... 65 Εικόνα3.4:Εφαρμογή Stirling μηχανής σε λεωφορείο... 69 Εικόνα3.5: Ηλεκτρική Γεννήτρια της SOLO... 72 Εικόνα 3.6: Ενεργειακό ηλιακό σύστημα της Σουηδικής εταιρίας Kockums... 72 Εικόνα 3.7: Σύγχρονο Σουηδικό υποβρύχιο κινούμενο με μηχανή Stirling... 73 Εικόνα 3.8: Το Σύστημα Stirling AIP της Kockums... 75 Εικόνα 3.9: Η αρχή του συστήματος Stirling AIP της Kockums... 75 Εικόνα 3.10: Stirling ελευθέρων εμβόλων για διαστημική χρήση... 76 Εικόνα 3.11: Ψυκτική μηχανή SPC-1... 78 Εικόνα 3.12: Ο cryocooler CryoTel... 79 Εικόνα 3.13: Μηχανή Ελευθέρου Εμβόλου... 79 Εικόνα 3.14: Μηχανή χαμηλής διαφοράς θερμοκρασίας... 80 Εικόνα 4.1:Σχηματική αναπαράσταση μιας μηχανής Stirling P-40... 84 Εικόνα 4.2: Ο Θερμοδυναμικός κύκλος Stirling σε διάγραμμα P V(α)... 85 Εικόνα 4.3: Ο Θερμοδυναμικός κύκλος Stirling σε διάγραμμα P V(β)... 86 Εικόνα 4.4: Φάσεις ισοθερμοκρασιακής συμπίεσης Τc... 87 Εικόνα 4.5: Φάση ισοθερμοκρασιακής συμπίεσης Τc διάγραμμα P V... 87 Εικόνα 4.6: Φάσεις ισόχωρης θέρμανσης... 88 Εικόνα 4.7: Φάση ισόχωρης θέρμανσης διάγραμμα P V... 88 Εικόνα 4.8: Φάσεις ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης Τh... 89 Εικόνα 4.9: Φάση ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης Τh διάγραμμα P V... 89 Εικόνα 4.10: Φάσεις ισόχωρης ψύξης... 90 Εικόνα 4.11: Φάσεις ισόχωρης ψύξης διάγραμμα P V... 91 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 15

Εικόνα 4.12: Κυκλική διεργασία... 93 Εικόνα 4.13:Διαμορφώσεις μηχανής Stirling... 94 Εικόνα 4.14: Η μηχανή Ford-Phillips 4-215... 94 Εικόνα 4.15: Ο ρομβικός μηχανισμός οδήγησης των εμβόλων... 95 Εικόνα 4.16: Η μηχανή ελευθέρων εμβόλων (Free piston Stirling engine)... 95 Εικόνα 4.17.: Μονοκύλινδρη μηχανή Stirling (Διαμόρφωση B)... 96 Εικόνα 4.18: Μονοκύλινδρη μηχανή Stirling (Διαμόρφωση B)... 96 Εικόνα 4.19.Ιδανικό ισοθερμικό μοντέλο... 98 Εικόνα 4.20.Ημιτονοειδείς διακυμάνσεις όγκων χώρων εκτόνωσης και συμπίεσης... 102 Εικόνα 4.21.Τριγωνική θεώρηση των αποστάσεων και σχέσεις... 103 Εικόνα 4.22.Γραμμική μορφή θερμοκρασίας... 105 Εικόνα 4.23.Ιδανικό Ισοθερμοκρασιακό μοντέλο... 107 Εικόνα 4.24.Ιδανικό Αδιαβατικό μοντέλο... 110 Εικόνα 4.25.Ιδανικό Αδιαβατικό μοντέλο-καθορισμός ορίων... 110 Εικόνα 5.1:Δυνατοί συνδυασμοί των 3 συνιστωσών των μηχανικών συστημάτων Stirling 123 Εικόνα 5.2: Όροι απόδοσης για τις 3 συνιστώσες των μηχανικών συστημάτων Stirling... 124 Πίνακας 1:Περιγραφή των όρων ισχύος και θερμοκρασιών... 125 Εικόνα 5.3:Ενεργειακός ισολογισμός για τα ενεργειακά συστήματα Stirling... 130 Πίνακας 2: Βασικοί όροι απόδοσης... 133 Εικόνα 6.1: Πειραματική διάταξη Stirling Engine... 135 Εικόνα 6.2: Πειραματική διάταξη αύξησης θερμοκρασιακής διαφοράς... 135 Εικόνα 6.3: Πρόγραμμα μετρήσεων Smart Stirling Engine... 136 Εικόνα 6.4: Πρόγραμμα μετρήσεων... 137 Εικόνα 6.5: Πρόγραμμα μετρήσεων... 137 Εικόνα 6.6: Διάγραμμα P-V... 138 Εικόνα 6.6: Indicator Power Vs DT... 138 Εικόνα 6.7: Τh και Tc σαν συναρτήσεις του χρόνου... 140 Εικόνα 6.8: ΔΤ σαν συνάρτηση του χρόνου... 140 Εικόνα 6.9: Στροφές σαν συνάρτηση του χρόνου συνολικά και για διαφορετικές θερμοκρασιακές διαφορές... 141 Εικόνα 6.10: Αναπαράσταση διάταξης... 143 Εικόνα 7.1: Στέγη με φωτοβολταικά... 148 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 16

Εικόνα 7.2: Στατιστικά στοιχεία χρήσης ηλιακών θερμοσιφώνων στην Ευρώπη... 149 Εικόνα 7.3: Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος παραγωγής ενέργεια μέσω σταδίων μετατροπής της ενέργειας... 150 Εικόνα 7.4:Ημερήσια Ενεργειακή απολαβή σε σχέση με την ακτινοβολία στο επίπεδο συλλέκτη... 151 Εικόνα 7.5: Αύξηση θερμοκρασίας σε σχέση με την ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία στο επίπεδο του συλλέκτη... 152 Εικόνα 7.6: Αρχική θερμοκρασία νερού και μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά το 12ωρο... 153 Εικόνα 7.7: Κατανομή απομάστευσης σε σχέση με τον όγκο του νερού απομάστευσης... 153 Εικόνα 7.8:θερμοκρασία νερού απομάστευσης σε σχέση με τον όγκο απομάστευσης... 154 Εικόνα 7.9: Fuzzy controller for Stirling Engine... 156 Εικόνα 7.10: Αποτέλεσμα προσομοίωσης λειτουργίας... 158 Εικόνα 7.11: Αποτέλεσμα πειράματος 1-μέρος α... 160 Εικόνα 7.12: Αποτέλεσμα πειράματος 2-μέρος α... 161 Εικόνα 7.13: Αποτέλεσμα πειράματος 3-μέρος α... 162 Εικόνα 7.14: Αποτέλεσμα πειράματος 4-μέρος α... 163 Εικόνα 7.15: PWM-αρχή λειτουργίας... 163 Εικόνα 7.16: Αποτέλεσμα πειράματος 1-μέρος β... 165 Εικόνα 7.17: Αποτέλεσμα πειράματος 2-μέρος β... 166 Εικόνα 7.18: θερμοκρασία πλάκας για διαφορετικά PWM και διάφορες περιόδους... 167 Εικόνα 7.19: Αποτέλεσμα πειράματος 3-μέρος β... 168 Εικόνα 7.20: Αποτέλεσμα πειράματος 4-μέρος β... 169 Εικόνα 7.21: Αποτέλεσμα πειράματος 5-μέρος β... 169 Εικόνα 8.1: California ISO-Load Profile (summer)... 172 Εικόνα 8.2 Global Energy... 173 Εικόνα 8.3: Dish-Stirling Engine... 174 Εικόνα 8.4: Stirling engine in time... 175 Εικόνα 8.5: Rider-Ericson Stirling Engine... 176 Εικόνα 8.6: SolarHeart Engine... 177 Εικόνα 8.7:Installation of new solar thermal collectors for test... 178 Εικόνα 8.8:Installation of new solar heating and power system... 179 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 17

Εικόνα 8.9: SolarFlow System... 180 Εικόνα 8.10: Installation of new solar heating and power system... 180 Εικόνα 8.11: Thermal and Electrical Output of NJ SolarFlow System... 181 Εικόνα 8.12:SolarFlow System in an average size US home provides up to: 80% of heat, 100% of hot water and 60% of electricity... 181 Εικόνα 8.13: The ST-5 Engine, produced by Stirling Technology, Inc.... 182 Εικόνα 8.14: The PowerUnit, produced by Stirling Biopower... 183 Εικόνα 8.15:The PowerUnit, produced by Stirling Biopower... 184 Εικόνα 8.16:Genoa Stirling Engine, produced by Genoastirling s.r.l.... 185 Εικόνα 9.1: Βιομάζα και αγροτική παραγωγή... 187 Εικόνα 9.2: Ενεργειακός κύκλος βιομάζας... 188 Εικόνα 9.3: Φλοιός ρυζιού... 189 Εικόνα 9.4: Αναπαράσταση ατμομηχανής διαδικασίας... 189 Εικόνα 9.5: Καύση φλοιού σε ειδικό φούρνο... 190 Εικόνα 9.6: Βιοκαύσιμα και πετρέλαιο... 191 Εικόνα 9.7: Απλό σύστημα συμπαραγωγής... 192 Εικόνα 9.8: Ενεργειακό διάγραμμα συμπαραγωγής... 194 Εικόνα 9.9: Χώρος τοποθέτησης γεννήτριας στο χώρο της βιομηχανίας... 195 Εικόνα 9.10: Χώρος τοποθέτησης ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους στο χώρο της βιομηχανία 195 Εικόνα 9.11: Διάγραμμα ροής διαδικασίας καύσης φλοιού ρυζιού... 196 Εικόνα 9.12: Χώρος τοποθέτησης γεννήτριας στο χώρο της βιομηχανίας... 197 Εικόνα 9.13: Χώρος τοποθέτησης ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους στο χώρο της βιομηχανίας... 197 Εικόνα 9.14: Χώρος τοποθέτησης λέβητα στο χώρο της βιομηχανίας... 198 Εικόνα 9.15: Χώρος τοποθέτησης σακκόφιλτρων στο χώρο της βιομηχανίας... 199 Εικόνα 9.16: Χώρος τοποθέτησης σακκόφιλτρων για διάθεση της στάχτης... 200 Εικόνα 9.17: Χαρακτηριστικά του λέβητα που χρησιμοποιείται... 202 Εικόνα 9.18: Εποπτικός έλεγχος συστήματος από ηλεκτρονικό υπολογιστή... 203 Ηλιακή εγκατάσταση θέρμανσης νερού με εξαναγκασμένη κυκλοφορία... 205 Ολική εγκατάσταση ζεστού νερού... 209 Εικόνα 1: Παρουσίαση πρόσοψης μηχανής Stirling... 220 Εικόνα 2: Παρουσίαση κάτοψης μηχανής Stirling... 220 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 18

Εικόνα 3: Παρουσίαση πρόοψης ηλεκτρονικών... 221 Εικόνα 4: Παρουσίαση δοχείου νερού και σωλήνα... 222 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 19

Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει θέμα τον ευφυή έλεγχο μηχανής Stirling χαμηλής θερμοκρασιακής διαφοράς, με πρακτικές εφαρμογές σε οικιακούς καταναλωτές και χρήστες ηλιακών θερμοσιφώνων. Χωρίζεται σε εννέα κεφάλαια και ένα παράρτημα, για επιπλέον πληροφορίες σε κάποια θέματα που δεν δίνεται μεγάλη έκταση στο κύριο σώμα. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια εισαγωγή στις εναλλακτικές μορφές ενέργειας και στην πράσινη στροφή των χωρών στο χώρο της ενέργειας. Ακολουθούν στο δεύτερο κεφάλαιο, στοιχεία που αφορούν την ηλιακή ενέργεια καθώς και την ευρέως διαδιδομένη χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων, καθώς έχει μπει για τα καλά στη ζωή του οικιακού καταναλωτή. Η κύρια γνωριμία και εισαγωγή για τη μηχανή Stirling γίνεται στο τρίτο κεφάλαιο και στο τέταρτο αναλύεται η αρχή της λειτουργίας και οι διάφοροι τρόποι μαθηματικής προσέγγισης και μοντελοποίησης του συστήματος που χρησιμοποιούνται από την επιστημονική κοινότητα για την περιγραφή του συστήματος. Μια αναφορά για την απόδοση ενός συστήματος Stirling γίνεται στο πέμπτο κεφάλαιο και αρχίζει με το έκτο, η περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας και ανάλυσης του συστήματος, προκειμένου να γίνει ο έλεγχός του. Στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της εφαρμογής του ελεγκτή που σχεδιάστηκε για το παρόν πρόβλημα. Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στην αγορά και χρήση της Stirling με διάφορες εφαρμογές που έχουν γίνει στο πρόσφατο χρονικό διάστημα και στο ένατο παρουσιάζεται η συνεργασία με την εταιρία Agrino και η εναλλακτική πρόταση που έγινε στην εταιρία για χρήση της μηχανής Stirling. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 20

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 21

1.Ενέργεια και εναλλακτικές μορφές ενέργειας 1.1 Εισαγωγή Σχεδόν ταυτόχρονα με την εμφάνιση του ανθρώπου στη γη, δημιουργήθηκε η ανάγκη για χρήση ενεργειακών πηγών. Από την πρώτη φωτιά των πρωτόγονων ανθρώπων, μέχρι τα σύγχρονα πυρηνικά εργοστάσια, συναντάται η ενέργεια σε κάθε της μορφή. Οι κυρίαρχες κατηγορίες ενεργειακής χρήσης είναι ακόμη και σήμερα τρεις: θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών για ανθρώπινη άνεση, θερμότητα υψηλών θερμοκρασιών για φωτισμό και επεξεργασία υλικών και τέλος δύναμη εφαρμοζόμενη για τη δημιουργία κίνησης. Στις μέρες μας, ένα έντονα φορτισμένο πρόβλημα από το βάρος της παγκοσμιοποίησης είναι το γνωστό σε όλους μας ενεργειακό πρόβλημα. Κάθε χώρα έχει μερίδιο ευθύνης αλλά συγχρόνως και μερίδιο στη λύση, ανάλογα με το μέγεθός της από πληθυσμιακή και γεωγραφική άποψη, το ρυθμό της οικονομικής της ανάπτυξης κλπ. 1.2 Ιστορική αναδρομή ΑΠΕ Η υπερθέρμανση του πλανήτη είναι ένα τεράστιο θέμα το οποίο υπόσχεται να αλλάξει το πρόσωπο του πλανήτη με ριζικούς και αμετάκλητους τρόπους. Είναι αναμφίβολο ότι οι κυβερνήσεις και ο βιομηχανικός κλάδος κάθε χώρας, κάνουν κάθε δυνατή προσπάθεια για να σταματήσουν την εξάπλωση του φαινομένου αυτού ωστόσο, ο στόχος αυτός φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με την επιθυμία των φορέων αυτών-το χρήμα. Η παραγωγή φθηνής ενέργειας είναι το θεμέλιο της σημερινής βιομηχανίας και με τη σειρά της η βιομηχανία είναι η βάση για την παραγωγή χρήματος. Αν η ενέργεια κοστίζει παραπάνω, αυτό σημαίνει ότι θα κοστίσει σε όλους και αυτός είναι ο ουσιαστικός λόγος για τον οποίο τουλάχιστον το ήμισυ της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από την καύση άνθρακα, που είναι φθηνός τρόπος παραγωγής αλλά ταυτόχρονα επιβλαβής για το περιβάλλον. (σχήμα 1) Οι πρόγονοί μας στα πρώτα χρόνια της ζωής τους πάνω στη γη, δε γνώριζαν πολλά πράγματα για τη χρήση της ενέργειας. Χρησιμοποιούσαν μόνο τη μυϊκή τους δύναμη και αργότερα τη μυϊκή δύναμη των ζώων για τις μεταφορές τους και την καλλιέργεια της γης. Αργότερα διαπίστωσαν ότι ο άνεμος, η φωτιά και το νερό είχαν ενέργεια που μπορούσαν να την εκμεταλλευτούν. Αυτή η διαπίστωση οδήγησε τους ανθρώπους στο σχεδιασμό και την δημιουργία εργαλείων και μηχανών με τα οποία μείωσαν τον προσωπικό τους μόχθο ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 22

(ανεμόμυλοι, υδραυλικοί τροχοί κ.ά). Αρκετά αργότερα εμφανίστηκαν οι θερμικές μηχανές και μετά η ατμομηχανή. Από κει και πέρα η τεχνολογική εξέλιξη ήταν ραγδαία. Στα νεότερα χρόνια, το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας προέρχεται από τη χρήση καυσίμων υλών, που προέρχονται από μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ιδιαίτερα το αργό πετρέλαιο και τα προϊόντα του αποτελούν μία από τις βασικότερες ύλες, που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αγαθών σε όλο τον κόσμο. Η αλόγιστη χρήση όμως τέτοιων πηγών ενέργειας έχει αποφέρει αρνητικά αποτελέσματα στην ατμόσφαιρα και γενικότερα στο περιβάλλον. Η κλιματική αλλαγή συνιστά καίρια απειλή για το φυσικό περιβάλλον με πολλαπλές επιπτώσεις, όπως η άνοδος της στάθμης της θάλασσας, οι υψηλότερες ακραίες θερμοκρασίες, οι ξηρασίες και οι πιο ραγδαίες και συχνές καταιγίδες. Η αλλαγή του κλίματος ενδέχεται επίσης να οδηγήσει στην εξαφάνιση του 15-37% των ειδών που ζουν πάνω στον πλανήτη μέχρι το 2050. Η αλόγιστη χρήση όμως μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αναγνωρίζεται ως ο κυριότερος παράγοντας δημιουργίας σωρείας προβλημάτων, που οδήγησαν σε οικολογική κρίση τον πλανήτη. Η αλλαγή στάσεων και συμπεριφορών σε σχέση με την ανηφορική χρήση ενέργειας, καθώς και η αναγνώριση της χρήσης εναλλακτικών πηγών ενέργειας ως ζητούμενη λύση στο ενεργειακό και οικολογικό πρόβλημα, πρέπει να απασχολήσει τον άνθρωπο. Κατά προσέγγιση, το 88% της παγκόσμιας ζήτησης σε ενέργεια καλύπτεται με τη χρήση ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο: 44%, γαιάνθρακες: 24%, φυσικό αέριο: 23%). Ως ανανεώσιμες πηγές θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας (π.χ. του πετρελαίου ή του άνθρακα) που από τη φύση τους ανανεώνονται και είναι διαρκώς διαθέσιμες. Ο χαρακτηρισμός «ανανεώσιμες» είναι κάπως καταχρηστικός, μια και ορισμένες από αυτές τις πηγές, όπως η γεωθερμική ενέργεια δεν ανανεώνονται σε κλίμακα χιλιετιών. Οι ανανεώσιμες ή ήπιες μορφές ενέργειας (ΑΠΕ) είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχεται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεμος, η γεωθερμία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Ο όρος "ήπιες" αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους. Κατ αρχήν, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση, όπως εξόρυξη, άντληση, καύση, όπως με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας αλλά απλώς η εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. Δεύτερο, πρόκειται για "καθαρές" μορφές ενέργειας, πολύ φιλικές στο περιβάλλον, που δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 23

ή τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα όπως οι υπόλοιπες πηγές που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα. Η εκμετάλλευση άλλωστε των ανανεώσιμων πηγών για ενέργεια δεν είναι κάτι νέο. Ο παλιός ανεμόμυλος, ο νερόμυλος του χωριού ακόμη και η απλή καύση των ξύλων, συντρόφευαν τους προγόνους μας και υπήρξαν πρόδρομοι της γνώσης που σήμερα εφαρμόζεται τεχνολογικά αναβαθμισμένη και σε μεγαλύτερη κλίμακα. Χρησιμοποιούνται είτε άμεσα (κυρίως για θέρμανση) είτε μετατρεπόμενες σε άλλες μορφές κυρίως ηλεκτρισμό ή μηχανική ενέργεια. Υπολογίζεται ότι το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο ενεργειακό δυναμικό απ' τις ήπιες μορφές ενέργειας είναι πολλαπλάσιο της παγκόσμιας συνολικής κατανάλωσης. Η υψηλή όμως μέχρι πρόσφατα τιμή των νέων ενεργειακών εφαρμογών, τα τεχνικά προβλήματα εφαρμογής καθώς και πολιτικές και οικονομικές σκοπιμότητες που έχουν να κάνουν με τη διατήρηση του παρόντος «στάτους κβο» στον ενεργειακό τομέα εμπόδισαν την εκμετάλλευση έστω και μέρους αυτού του δυναμικού. Ειδικά στην Ελλάδα, που έχει μορφολογία και κλίμα κατάλληλο για νέες ενεργειακές εφαρμογές, η εκμετάλλευση αυτού του ενεργειακού δυναμικού θα βοηθούσε σημαντικά στην ενεργειακή αυτονομία της χώρας. Το ενδιαφέρον για τις ήπιες μορφές ενέργειας δημιουργήθηκε τη δεκαετία του 1970, ως αποτέλεσμα κυρίως των αλλεπάλληλων πετρελαϊκών κρίσεων της εποχής, αλλά και της αλλοίωσης του περιβάλλοντος και της ποιότητας ζωής από τη χρήση κλασικών πηγών ενέργειας. Σήμερα όμως λαμβάνονται υπόψη στους επίσημους σχεδιασμούς των ανεπτυγμένων κρατών για την ενέργεια και, αν και αποτελούν πολύ μικρό ποσοστό της ενεργειακής παραγωγής, ετοιμάζονται βήματα για παραπέρα αξιοποίησή τους. Το κόστος δε των εφαρμογών ήπιων μορφών ενέργειας πέφτει συνέχεια τα τελευταία είκοσι χρόνια και ειδικά η αιολική και υδροηλεκτρική ενέργεια, αλλά και η βιομάζα, μπορούν πλέον να ανταγωνίζονται παραδοσιακές πηγές ενέργειας όπως ο άνθρακας και η πυρηνική ενέργεια. Ενδεικτικά, στην Ευρωπαϊκή Ένωση το 2010 το 25% της ενέργειας θα προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές (κυρίως υδροηλεκτρικά και βιομάζα). Η χώρα μας, γεωγραφικά και γεωλογικά, διαθέτει σημαντικά πλεονεκτήματα σχετικά με την εκμετάλλευση των ΑΠΕ. Έτσι, συνυπολογίζοντας τα μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα που αποτελούν περίπου το 70% του συνόλου, το ποσοστό της συνολικής ενεργειακής παραγωγής της χώρας που προέρχεται από ΑΠΕ ανέρχεται σήμερα στο 11,5%. Ο στόχος για το 2020 είναι να φτάσει το 20%. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 24

Τη στιγμή που οι περισσότερες αναπτυσσόμενες χώρες εξαρτώνται σήμερα από εισαγόμενα ορυκτά καύσιμα (ας σκεφτούμε και την επίδραση που έχει η άνοδος της τιμής του πετρελαίου, ιδίως στις αναπτυσσόμενες χώρες), οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας αποτελούν μια ευκαιρία για αποκεντρωμένη προμήθεια ενέργειας. Τέτοιου τύπου αποκεντρωμένη παραγωγή ενέργειας δημιουργεί περισσότερες θέσεις εργασίας τοπικά και είναι πολύ λιγότερο επιρρεπής στη διαφθορά και στις κρίσεις. Οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας δεν ανοίγουν μόνο προοπτικές για την περιβαλλοντικά συμβατή αναδιάρθρωση της ενεργειακής μας αλυσίδας. Συμβάλλουν επίσης στην εκτόνωση εντάσεων στην παγκόσμια αγορά ενέργειας, και κατ επέκταση σε πολιτική και οικονομική ασφάλεια. Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή επίσης προβλέπει ότι η σταθερή προμήθεια ανανεώσιμης ενέργειας θα έχει θετικές επιπτώσεις στην απασχόληση. Η Ευρωπαϊκή Ένωση ορίζει μια Κοινοτική Στρατηγική και Σχέδιο Δράσης για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Λευκή Βίβλο με τίτλο "Ενέργεια για το Μέλλον: Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας". Η Λευκή αυτή Βίβλος έγινε Κοινοτική οδηγία για την προαγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές (οδηγία 77/2001/ΕΚ). Με την υιοθέτηση της Οδηγίας, η Ελλάδα δεσμεύτηκε να παράγει το 20,1% της ηλεκτρικής της ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. 1.3 Πλεονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) o Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας ουσιαστικά μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. o Δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. o Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς και να αποτελέσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. o Είναι ευέλικτες εφαρμογές που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του τοπικού πληθυσμού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής (καταρχήν για την ύπαιθρο) αλλά και για μεταφορά της σε μεγάλες αποστάσεις. o Ο εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει μεγάλο χρόνο ζωής. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 25

1.4 Μειονεκτήματα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) o Έχουν αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης. Γι αυτό το λόγο μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται σαν συμπληρωματικές πηγές. Για τον παραπάνω λόγο προς το παρόν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. o 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. o 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. o 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. Εικόνα 1.1 Παγκόσμια παραγωγή ενέργειας από ποικίλες πηγές ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 26

Μπορεί μας βάλει τόσο σε σκέψη, όσο και να μας σοκάρει κοιτάζοντας τον αριθμό των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με καύση άνθρακα, τόσο αυτών που υπάρχουν σήμερα αλλά και όσων δημιουργούνται καθημερινά. Στο σχήμα 2 βλέπουμε ότι πάνω από 100 μονάδες παραγωγής με άνθρακα σχεδιάστηκαν στις ΗΠΑ τις δύο τελευταίες δεκαετίες. Η Κίνα και η Ινδία είναι σε χειρότερη μοίρα, καθώς σχεδίασαν να χτίσουν πάνω 562 και 213 σταθμούς παραγωγής με καύση γαιάνθρακα αντίστοιχα μόνο μέσα στην επταετία 2005-2012. Εικόνα 1.2 Προβλεπόμενη αύξηση των ΑΠΕ στην παγκόσμια αγορά ενέργειας Η ζήτηση για παραγωγή ενέργειας συνεχίζει να αυξάνεται.πιο συγκεκριμένα, ο παγκόσμιος πληθυσμός της γης αυξάνεται κατά 200,000 ετησίως, τι στιγμή που 1,6 δισ. άνθρωποι δεν έχουν πρόσβαση σήμερα σε ηλεκτρικό ρεύμα. Κάποια μέτρα εξοικονόμησης ενέργειας που πρέπει να παρθούν θα ελαττώσουν κατά κάποιο ποσοστό τον βαθμό της ζήτησης ενέργειας. Ταυτόχρονα, τα αποθέματα των ορυκτών υδρογονανθράκων εξαντλούνται σταδιακά ενώ τα παραμένοντα αποθέματα υπολογίζονται για πετρέλαιο, φυσικό αέριο και άνθρακα σε 40,60 και 130 χρόνια αντιστοίχως. Τα ρυπογόνα παράγωγα της ενέργειας ευθύνονται GHG) για πιθανές επιζήμιες συνέπειες στην καθημερινή μας ζωή. Παράλληλα, παράγοντες όπως το γεγονός ότι οι πάγοι στους πόλους ελαττώνονται, η θερμοκρασία αυξάνεται και το πόσιμο νερό μειώνεται κάνουν την κατάσταση χειρότερη. Σύμφωνα με το πρωτόκολλο του Κιότο για μείωση των αερίων του θερμοκηπίου (GHG) των ανεπτυγμένων χωρών μεταξύ 2008 2012 κατά 5,2% από το 1990,η Σύνοδος Κορυφής στο ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 27

Μπαλί κάλεσε για 50% μείωση των GHG μέχρι το 2050 από το 1990 και έθεσε δεσμευτικούς στόχους από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή για το 2020. Οι στόχοι αυτοί πιο συγκεκριμένα είναι: 20% της Ευρωπαϊκής κατανάλωσης ενέργειας να προέρχεται από ΑΠΕ 20% μείωση GHG, σε σύγκριση με το 1990 20% εξοικονόμηση ενέργειας 10% των καυσίμων μεταφοράς να προέρχεται από Βιοκαύσιμα 1.5 Ανάπτυξη νομοθεσιών, σε επίπεδο κράτους, που βοηθούν την ανάπτυξη των ΑΠΕ. Τα μέτρα που προτάθηκαν προς την κατεύθυνση αυτή είναι τα εξής: Μεγάλες επενδύσεις από κατασκευαστές και επενδυτές οδηγούν σε δυναμική ανάπτυξη τον κλάδο των ΑΠΕ Μια αγορά σε αναβρασμό, καινοτόμος τεχνολογία, νέο συμβόλαιο Πολιτείας Βιομηχανίας Εικόνα 1.3 Προβλεπόμενοι σταθμοί καύσης γαιάνθρακα στις ΗΠΑ ως το 2030 1.6 Ανταγωνιστικότητα των CPC Τιμολόγια τροφοδότησης: Τα τιμολόγια τροφοδότησης που αφορούν τα θερμικά συστήματα είναι διαθέσιμα σε λιγότερες αγορές που παρουσιάζουν ενδιαφέρον, και μπορεί να είναι και με μειωμένα ποσοστά. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 28

Αξιοπιστία: Αποθήκευση και την υβριδοποίηση (δηλαδή, απόθεμα αέριου τουρμπίνας) που διατίθενται με θερμική παρέχει μεγαλύτερη αξιοπιστία. Απαιτήσεις χώρου: Θερμικοί και Φ / Β σταθμοί έχουν παρόμοιες γενικές απαιτήσεις εκτάσεων ανά MW με τις παρακάτω ικανότητες : 03.02-06.05 στρέμματα / MW για τα Φ / Β 4,0-7,0 στρέμματα / MW για τις θερμικές βασίζονται σε ήδη υφιστάμενες εγκαταστάσεις) Ωστόσο, η ελάχιστη αποδοτική κλίμακα για τις θερμικές είναι μεγαλύτερο από ό, τι για τα Φ / Β. Μεγαλύτερες εγκαταστάσεις περιλαμβάνουν πλέον τις επιτρεπτές διεργασίες: Οι Φ / Β εγκαταστάσεις προσφέρουν μεγαλύτερη ευελιξία όσον αφορά τη χρήση της γης η έκταση που καταλαμβάνουν οι Φ / Β σταθμοί δεν πρέπει να είναι συνεχόμενη Οι θερμικοί σταθμοί απαιτούν μεγάλες εκτάσεις με συνεχή επίπεδη γη Καθώς τα τιμολόγια τροφοδότησης ελαττώνονται, τα οικονομικά του κλάδου πρέπει να διατηρήσουν μια ελαστικότητα για την επίτευξη της σωστής ανάπτυξης. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 29

Εικόνα 1.4 Τιμολόγια τροφοδότησης Φ/ Β σταθμών για διάφορες χώρες 1.7 Σχολιασμός των αποτελεσμάτων ΗΠΑ Τελευταίο ομοσπονδιακό νομοσχέδιο για την ενέργεια δεν έχει επεκταθεί σε φορολογικά κίνητρα, αν και οι αναλυτές αναμένουν το Κογκρέσο να επανεξετάσει το θέμα σε χωριστά νομοσχέδια. ΓΑΛΛΙΑ Συνολικά, τα τιμολόγια τροφοδότησης είναι χαμηλά, αν και πιο ελκυστικά (δηλαδή, είναι 0,30 / kwh έναντι 0,55 / kwh) για τη δημιουργία ολοκληρωμένης εγκατάστασης. ΓΕΡΜΑΝΙΑ Η τρέχουσα νομοθεσία που διέπει ηλιακά κίνητρα, EEG, αναμένεται για αναθεώρηση έως και μετά το 2008. Η ετήσια μείωση των δασμών αναμένεται να πάει στο 7-9% από το τρέχον ποσοστό του 5%. ΕΛΛΑΔΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 30

Η κυβέρνηση ξετυλίγει κίνητρο με πρόγραμμα γραφειοκρατίας, οι δασμοί θα παραμείνουν υψηλά και έτσι θα προσελκύσουν περαιτέρω επενδύσεις. ΙΤΑΛΙΑ Ο στόχος της Κυβέρνησης είναι ο διπλασιασμός της παραγωγής της ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές έως το 2012 πράγμα που θα έπρεπε να διατηρεί τους δασμούς σε ίδια ή περίπου ίδια με τα σημερινά επίπεδά τους. Η ζήτηση ενδέχεται να ισχυρή. ΙΣΠΑΝΙΑ Στόχος του 2010 της εγκατεστημένης ισχύος 400MW πραγματοποιήθηκε στο Σεπτέμβρη του '07, αν και ορισμένα αποδεικτικά στοιχεία δείχνουν ότι το ανώτατο όριο μπορεί να ανέλθει σε 2.26GW. Προτεινόμενη νέα δασμολογική βάση για όλες τους σταθμούς Φ / Β είναι 0,31 / kwh, ανεξάρτητα από το μέγεθός τους. Μπορούν να μετριάσουν την ανάπτυξη στις μεγάλες εγκαταστάσεις (σημερινό τιμολόγιο είναι 0,41 / kwh). Εικόνα 1.5 Δεδομένα για την Ισπανία και τιμές KWh για τις παραπάνω χώρες ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 31

Υποστηρίζεται ότι οι προβλεπόμενοι σταθμοί πρόκειται να εξοικονομήσουν αποθέματα που διαπιστώνονται με το Kyoto Protocol, όπως φαίνεται στο σχήμα 3 παρακάτω. Πολλοί ειδικοί μάλιστα πιστεύουν ότι είναι απαραίτητο όχι μόνο να μειώσουν, αλλά και να αντιστρέψουν τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα έτσι ώστε να αποφευχθεί η τεράστια περιβαλλοντική αλλαγή που λαμβάνει χώρα στον πλανήτη μας. Εικόνα 1.6 Εξοικονόμηση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από το πρωτόκολλο Kyoto σε σύγκριση με επιπλέον εκπομπές από νέους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής Σε όλα τα παραπάνω που αναφέραμε, η λύση είναι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Πρόκειται για ένας είδος ενέργειας το οποίο είναι ανεξάντλητο (εξαιρώντας την άποψη ότι ο ήλιος θα πεθάνει σε μερικά δισεκατομμύρια χρόνια) και καθαρό, καθώς δεν επιφέρει κάποια μόλυνση με την καύση κάποιου υλικού και άρα την εκπομπή αερίων επιβλαβών για το περιβάλλον. Αυτού του είδους οι πηγές χαρακτηρίζονται ιδανικές για το περιβάλλον, αλλά η δημιουργία τους κοστίζει πολύ περισσότερο από τις αντίστοιχες περιβαλλοντικά ανεύθυνες εφάμιλλες τεχνολογίες. Μέρος από τον επιπλέον κόστος αυτό αποτελείται από το χαμηλό κόστος λειτουργίας, καθώς δεν υπάρχουν απαιτήσεις σε καύσιμα και με αυτό εξασφαλίζεται μεγαλύτερη ασφάλεια παροχών, έχοντας παράλληλα ανεξαρτησία από ξένους παρόχους καυσίμων και θωράκιση έναντι των διακυμάνσεων τιμών των καυσίμων. Σήμερα, αρκετές βασικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας χρησιμοποιούνται σε όλο τον κόσμο αλλά η εξάπλωσή τους είναι ιδιαίτερα αργή. Οι προσφάτως διαθέσιμες τεχνολογίες ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 32

ανανεώσιμων πηγών ενέργειας φαίνονται στο σχήμα 4, με την υδροηλεκτρική να κατέχει τα 2/3 του μέρους των πηγών αυτών. Εικόνα 1.7 Παγκοσμίως χρησιμοποιούμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας,2006 Αν και η ηλιακή ενέργεια έχει σημαντική μερίδα για την παροχή ζεστού νερού θέρμανσης, η χρήση της είναι ελάχιστη όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι ανεμογεννήτριες ωστόσο, αποτελούν σημαντικό κομμάτι του ποσοστού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, καθώς αποτελεί περισσότερο εδραιωμένη τεχνολογία σε σχέση με νεότερες τεχνικές, όπως είναι η παλιρροϊκή ισχύς. 1.8 Προοπτικές ΑΠΕ Προοπτικές Αλλαγή της αγοράς εξοπλισμού σε μια πιο «ισορροπημένη» αγορά Επικρατέστερο μοντέλο το Pure Operator /Generator (π.χ. ευκαιρίες και για niche εταιρείες) Επικράτηση του Distributed model ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 33

Επίτευξη Grid Parity στα Φ/Β μεταξύ του 2012 και 2015 στην Μεσόγειο και στις ΗΠΑ Σημαντική διείσδυση Φ/Β προϊόντων και εφαρμογών στη τοπική κοινωνία Δημιουργία της ενός νέου πλαισίου συνεργασίας μεταξύ πολιτείας και της βιομηχανίας 1.9 Εναλλακτικές διαθέσιμες τεχνολογίες με κρυσταλλικό πυρίτιο Είναι πιο ώριμες πηγές ενέργειας. Παρουσιάζουμε παρακάτω τις συνοπτικά τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στα ηλιακά συστήματα όσον αφορά τη χρήση του ευρέως γνωστού στον κόσμο των ηλιακών συλλεκτών, κρυσταλλικού πυριτίου. Εικόνα 1.8 Τεχνολογίες κρυσταλλικού πυριτίου 1.10 Απόδοση επενδύσεων στις ΑΠΕ Στη συνέχεια βλέπουμε στο διάγραμμα την οικονομική απόδοση των συστημάτων με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) και την απόδοση των σταθμών που χρησιμοποιούν λιθάνθρακα. Παρατηρούμε ότι σταδιακά οι δύο διαφορετικές οικονομικές αποδόσεις πλησιάζουν και παρουσιάζουμε συγκεκριμένα δεδομένα για το κάθε είδος ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 34

ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Τα κόστη που βλέπουμε είναι αρχικά το κόστος επένδυσης και μετέπειτα το κόστος παραγωγής. Εικόνα 1.9. Κόστος επένδυσης και παραγωγής ανανεώσιμων και μη πηγών ενέργειας 1.11 Στοιχεία για την Ελλάδα Ενεργειακοί Πόροι και Κατανάλωση Το ενεργειακό ισοζύγιο της Ελλάδας στηρίζεται κυρίως στην εισαγωγή πετρελαίου. Η πρόσφατη εισαγωγή του φυσικού αερίου στην αγορά αναμένεται να αυξήσει τη διαφοροποίηση του ενεργειακού μείγματος. Η κατανάλωση φυσικού αερίου βαίνει αυξανόμενη. Το μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας επί του συνολικού εφοδιασμού πρωτογενούς ενέργειας βρίσκεται πολύ κοντά στο μέσο όρο της ΕΕ των 27. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται κυρίως από λιγνίτη, με αποτέλεσμα τις υψηλές τιμές έντασης CO2. Η Ελλάδα διαθέτει σημαντική εγκατεστημένη ισχύ από αιολικά συστήματα. Ο πλέον ενεργοβόρος τομέας στη χώρα είναι οι µεταφορές. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 35

Εικόνα 1.10 Ενεργειακό μίγμα Ελλάδας Εκπομπές CO2 από την Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας το 2005 Τα στοιχεία που παρέχονται παρακάτω παρουσιάσθηκαν από τη Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού (ΔΕΗ) στην Ημερίδα «Κλιματική Αλλαγή και Στρατηγικές για την Αντιμετώπισή της» που οργανώθηκε από το Ινστιτούτο Ενέργειας Νοτιοανατολικής Ευρώπης (ΙΕΝΕ) στην Αθήνα τον Φεβρουάριο 2007 και αφορούν την Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας μόνο από τη ΔΕΗ. Σύμφωνα με το Eurostat, το 2005 η ΔΕΗ παρήγε και προμήθευσε το 96% της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώθηκε στην Ελλάδα. Συνεπώς οι αριθμοί που ακολουθούν δίδουν μία αρκετά ακριβή εικόνα για τις εκπομπές CO2 από την Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας στην Ελλάδα. Εικόνα 1.11 Εκπομπές CO2 και πηγές ενέργειας ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 36

Εικόνα 1.12 Σύνολο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 37

Εικόνα 1.13 Αποδόσεις σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα Αυτό που προκαλεί μεγάλη έκπληξη είναι το ελάχιστο ποσό ενέργειας που παράγεται από τη γεωθερμία (για την Ελλάδα καθόλου σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα). Οι δυνατότητες για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση ζεστού νερού ή ατμού που υπάρχει κάτω από την επιφάνειας της γης, και αποτελεί ταυτόχρονα ανανεώσιμη, καθαρή πηγή παραγωγής ενέργειας αλλά και διαθέσιμη όλο το 24ωρο και τις 365 μέρες του χρόνου. 1.12 Κινητήρας Stirling, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και εφαρμογές Ο λόγος που αναφέρουμε όλα τα παραπάνω για τον Stirling κινητήρα είναι ότι είναι σε θέση να παράγει ηλεκτρική ενέργεια με οποιαδήποτε μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας αρκεί αυτή να μας παρέχει ζεστό νερό (πχ. Ηλιακή, γεωθερμική). Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν πολλοί τομείς στους οποίους μπορεί να εφαρμόζεται ο συγκεκριμένος κινητήρας, είτε σε κλειστές εκδόσεις που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια για το τοπικό δίκτυο, είτε μικρές εκδόσεις που παράγουν για το τοπικό δίκτυο και συνεισφέρουν στη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας, είτε ακόμα σαν ευθείες κινητήριες δυνάμεις για χρησιμοποίηση σε αντλίες είτε σαν κινητήρες. Μια τέτοια εφαρμογή θα μπορούσε να είναι μια εναλλακτική λύση σε μια ήδη υπάρχουσα εγκατάσταση, όπου το ζεστό νερό αποβλήτων θα μπορούσε να υποπροϊόν της διαδικασίας. Έχει εκτιμηθεί ότι αν όλη η απορριπτόμενη θερμότητα αξιοποιούταν, θα μπορούσε να μας παρέχει το 20% του συνόλου της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αναγκών των Δυτικών χωρών παγκοσμίως. Αυτές οι εφαρμογές-εγκαταστάσεις περιλαμβάνουν, χωρίς να περιορίζονται σε γεωθερμική ενέργεια, σε καύση άνθρακα, σε φυσικό αέριο ή σε σταθμούς παραγωγής πυρηνικής ενέργειας, σε βιομηχανικές διαδικασίες και εγκαταστάσεις επεξεργασίας τροφίμων. Μια άλλη πιθανή εφαρμογή για μια μηχανή Stirling είναι αυτού του τύπου είναι για εξόρυξη πετρελαίου και φυσικού αερίου στις βιομηχανίες γεωτρήσεων. Στις βιομηχανίες αυτές είναι σύνηθες τα υποθαλάσσια πηγάδια πετρελαίου και φυσικού αερίου να είναι πολλές δεκάδες ή και εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά από τις ακτές. Χρησιμοποιούνται ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 38

αντλίες και εξοπλισμός σχετικός για μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας από κάπου στην ακτή μέσω ομοαξονικών καλωδίων. Για μεγάλες αποστάσεις αυτή η διαδικασία είναι δαπανηρή και ιδιαίτερα αναποτελεσματική, καθώς χάνεται πολύ ισχύς κατά τη μεταφορά. Μερικές φορές, ντίζελ ή φυσικό αέριο χρησιμοποιείται στις εγκαταστάσεις, αν και είναι δαπανηρή, τρέχει και απαιτεί ένα σταθερό ανεφοδιασμό καυσίμων. Ένα από τα χαρακτηριστικά του πετρελαίου και του φυσικού αερίου είναι οι υψηλές θερμοκρασίες που έχουν κατά την εξόρυξή τους από το έδαφος. Αυτή η θερμότητα, θα μπορούσε να διοχετεύεται μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας της μηχανής Stirling να κινεί ένα τέτοιο κινητήρα που θα ωθεί μια αντλία και/ ή θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ο λόγος που η εφαρμογή αυτή θα ταίριαζε τόσο καλά στην μηχανή Stirling είναι ότι θα βυθιζόταν μέσα στον ωκεανό, όσο το βάθος είναι περισσότερα χιλιόμετρα. Η πίεση του νερού σε αυτά τα βάθη, θα αντιστάθμισε φυσικά την πίεση της μηχανής (και αυτό σχετίζεται άμεσα με την ισχύ στην έξοδο της διάταξης), επιτρέποντας έτσι σε μια μεγάλη μηχανή να κατασκευαστεί και να υποστεί πίεση χρησιμοποιώντας φθηνά υλικά. Επιπρόσθετα, το νερό που περικλείει τη μηχανή είναι ένα φυσικό δοχείο θέρμανσης σε μια χαμηλότερη αλλά τυπική διαφορά λίγων βαθμών θερμοκρασίας. Οι εφαρμογές που αναφέρουμε παραπάνω και σίγουρα περισσότερες μας προσφέρει η τεχνολογία της μηχανής Stirling, εμείς όμως θα επικεντρωθούμε στα επόμενα κεφάλαια στην εφαρμογή που αναπτύξαμε για τη χρήση της μηχανής σε οικιακούς καταναλωτές αλλά και για χρήση σε βιομηχανία για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με την εταιρία Agrino- ΕΥΓΕ ΠΙΣΤΟΛΑΣ στα πλαίσια του προγράμματος ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 39

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 40

2. Ηλιακή ενέργεια, φωτοβολταϊκό φαινόμενο και ηλιακοί συλλέκτες 2.1 Ηλιακή ενέργεια Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα ή θερμική ενέργεια καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο, και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου και χρόνου για την εκμετάλλευσή της. Όσον αφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσαμε να πούμε ότι χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Εικόνα 2.1:Διάγραμμα ηλιακής ενέργειας Από την Εικόνα 2.1 καταλαβαίνουμε ότι για να συνδέσουμε το αντικείμενο που μας ενδιαφέρει, πρέπει να εξετάσουμε τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, δίνοντας παράλληλα έμφαση και σε βασικά στοιχεία-εφαρμογές που αφορούν την ηλιακή ενέργεια. Αρχικά, αξίζει να εξετάσουμε σφαιρικά τους λόγους που πρέπει να μας στρέφουν στην ηλιακή ενέργεια. Εκτός του ότι είναι μια καθόλα ώριμη και δοκιμασμένη τεχνολογία, η ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 41

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%). Επίσης, 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. 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. 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. 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 MW. 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. Ακόμη, αποτρέπεται η έκλυση μεγάλων ποσοτήτων ρύπων που επιβαρύνουν το περιβάλλον και τη δημόσια υγεία και έτσι προάγεται η προστασία του περιβάλλοντος. Τελευταίο και πιο σημαντικό, αποτρέπεται η κατανάλωση ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και κατά συνέπεια οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) 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 CO 2 το χρόνο, όσο δηλαδή θα απορροφούσε 1,5 στρέμμα δάσους. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 42

Κόστος τυπικών ηλιοθερμικών συστημάτων στην Ελλάδα Ατομικά ηλιακά συστήματα Κεντρικά συστήματα ηλιακά Κόστος ( /τ.μ.) 300 200 Τυπικό μέγεθος συστήματος (τ.μ.) 2,4 100 Εικόνα 2.2:Κόστος τυπικών ηλιοθερμικών συστημάτων στην Ελλάδα Τα παραπάνω δεδομένα έχουν αναφερθεί για την Ελλάδα και αξίζει τον κόπο να δούμε τι γίνεται με τις υπόλοιπες χώρες. Τα πλαίσια ηλιακών κυψελίδων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θέρμανση του νερού και σε χώρες όπου το κλίμα δεν είναι ιδιαίτερα θερμό, όπως η Βρετανία και η Σουηδία. Η απόδοσή τους όμως είναι πολύ μεγάλη σε θερμά κλίματα όπως στα δυτικά των Ηνωμένων Πολιτειών, στη Μέση Ανατολή και στην Αυστραλία. Σε αυτές τις περιοχές έχουν δοκιμαστεί πάρα πολλές μέθοδοι εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Στην Καλιφόρνια, για παράδειγμα, υπάρχει ένας «πύργος ηλιακής ενέργειας», ο οποίος λειτουργεί με μεγάλη επιτυχία και παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Σε αυτές τις εγκαταστάσεις χρησιμοποιούνται 1.800 καθρέπτες που αντανακλούν το φως και φυσικά και τη θερμότητα σε ένα πύργο. Οι καθρέπτες είναι έτσι κατασκευασμένη ώστε να παρακολουθούν την κίνηση του ήλιου. Η θερμότητα συλλέγεται και χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του νερού Στη συνέχεια ο ατμός που δημιουργείται, κινεί γεννήτριες και έτσι παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα. Στη νότια Γαλλία, στο Οντεϊγιό, έχει κατασκευαστεί ένας τεράστιος ηλιακός κλίβανος, στον οποίο με την ηλιακή ενέργεια και μόνο αναπτύσσονται θερμοκρασίες που φτάνουν τους 4.000 βαθμούς κελσίου. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 43

2.2 Φωτοβολταϊκό Φαινόμενo Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και η λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος στηρίζεται στις βασικές ιδιότητες των ημιαγωγών υλικών σε ατομικό επίπεδο. Όταν το φως προσπίπτει σε μια επιφάνεια είτε ανακλάται, είτε την διαπερνά, είτε απορροφάται από το υλικό της επιφάνειας. Η απορρόφηση του φωτός ουσιαστικά σημαίνει τη μετατροπή του σε μια άλλη μορφή ενέργειας, η οποία συνήθως είναι η θερμότητα. Παρόλα αυτά όμως υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των προσπιπτόντων φωτονίων (πακέτα ενέργειας) σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται επίσης η τεράστια τεχνολογική πρόοδος που έχει συντελευτεί στον τομέα της ηλεκτρονικής και συνεπακόλουθα στον ευρύτερο χώρο της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. Γενικότερα τα υλικά στην φύση σε σχέση με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους εμπίπτουν σε τρεις κατηγορίες, τους αγωγούς του ηλεκτρισμού, τους μονωτές και τους ημιαγωγούς. 2.2.1 Χαρακτηριστικά Ημιαγωγών Το χαρακτηριστικό στοιχείο ενός ημιαγωγού που το διαφοροποιεί από τα υπόλοιπα υλικά είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων ενός ατόμου που βρίσκεται στην εξωτερική του στοιβάδα. Ο περισσότερο γνωστός ημιαγωγός είναι το πυρίτιο (Si). Εικόνα 2.3: Πυρίτιο (Si) Το πυρίτιο έχει ατομικό αριθμό 14 και έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 4 ηλεκτρόνια. Όλα τα άτομα που έχουν λιγότερα η περισσότερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (είναι "γενικά" συμπληρωμένη με 8 e) ψάχνουν άλλα άτομα με τα οποία μπορούν να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια ή να μοιρασθούν κάποια με σκοπό τελικά να αποκτήσουν συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα σθένους. Σε αυτήν την τάση οφείλεται και η κρυσταλλική δομή του πυριτίου αφού όταν συνυπάρχουν πολλά άτομα μαζί διατάσσονται με τέτοιο τρόπο ώστε να συνεισφέρουν ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 44

ηλεκτρόνια με όλα τα γειτονικά τους άτομα και τελικά με αυτόν τον τρόπο να αποκτούν μια συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα και κρυσταλλική δομή. Αυτή είναι και η καθοριστική ιδιότητα που έχουν τα κρυσταλλικά υλικά. Στην κρυσταλλική του μορφή όμως το πυρίτιο είναι σταθερό. Δεν έχει ανάγκη ούτε να προσθέσει ούτε να διώξει ηλεκτρόνια κάτι που ουσιαστικά του δίνει ηλεκτρικά χαρακτηριστικά πολύ κοντά σε αυτά ενός μονωτή, αφού δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια για την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στο εσωτερικό του. Τις ημιαγωγές ιδιότητες του το πυρίτιο τις αποκτά με τεχνητό τρόπο. Αυτό πρακτικά γίνεται με την πρόσμειξη με άλλα στοιχεία τα οποία είτε έχουν ένα ηλεκτρόνιο περισσότερο είτε ένα λιγότερο στην στοιβάδα σθένους των. Αυτή η πρόσμειξη τελικά κάνει τον κρύσταλλο δεκτικό είτε σε θετικά φορτία, είτε σε αρνητικά φορτία. Για να φτιαχτεί λοιπόν ένας ημιαγωγός τύπου n ή αλλιώς ένας αρνητικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτίου θα πρέπει να γίνει πρόσμειξη ενός υλικού με 5e στην εξωτερική του στοιβάδα όπως για παράδειγμα το Αρσένιο (As). Εικόνα 2.4: Αρσένιο (Αs) Αντίστοιχα για να δημιουργήσουμε έναν ημιαγωγό τύπου p η αλλιώς θετικά φορτισμένος κρύσταλλος πυριτίου χρειάζεται να γίνει πρόσμειξη στον κρύσταλλο κάποιου υλικού όπως το βόριο (Β) που έχει 3e στην εξωτερική του στοιβάδα. Εικόνα 2.5: Βόριο(Β) ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 45

2.2.2 Δημιουργία της Επαφής του ηλεκτρικού πεδίου Εάν φέρουμε σε επαφή δύο κομμάτια πυριτίου τύπου n και τύπου p, το ένα απέναντι από το άλλο, δημιουργείται μια δίοδος η αλλιώς ένα ηλεκτρικό πεδίο στην επαφή των δύο υλικών το οποίο επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων προς μια κατεύθυνση μόνο. Εικόνα 2.6:Μορφή ηλεκτρικού πεδίου Τα επιπλέον ηλεκτρόνια της επαφής n έλκονται από τις οπές τις επαφής p. Αυτό το ζευγάρι των δύο υλικών είναι το δομικό στοιχείο του φωτοβολταϊκού κελιού και η βάση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. 2.2.3 Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας Η ηλιακή ακτινοβολία έρχεται με την μορφή πακέτων ενέργειας ή φωτονίων. Τα φωτόνια όταν προσπίπτουν σε μια διάταξη φβ κελιού περνούν αδιατάραχτα την επαφή τύπου n και χτυπούν τα άτομα της περιοχής τύπου p. Τα ηλεκτρόνια της περιοχής τύπου p αρχίζουν και κινούνται μεταξύ των οπών ώσπου τελικά φτάνουν στην περιοχή της διόδου όπου και έλκονται πλέον από το θετικό πεδίο της εκεί περιοχής. Αφού ξεπεράσουν το ενεργειακό χάσμα αυτής της περιοχής μετά είναι αδύνατον να επιστρέψουν. Στο κομμάτι της επαφής n πλέον έχουμε μια περίσσεια ηλεκτρονίων που μπορούμε να εκμεταλλευτούμε. Αυτή η περίσσεια των ηλεκτρονίων μπορεί να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα εάν τοποθετήσουμε μια διάταξη όπως ένας μεταλλικός αγωγός στο πάνω μέρος της επαφής n και στο κάτω της επαφής p και ένα φορτίο ενδιάμεσα με τέτοιο τρόπο ώστε να κλείσει ένας αγώγιμος δρόμος για το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται. Αυτή είναι απλοποιημένα η γενική αρχή λειτουργίας του φωτοβολταϊκού φαινόμενου. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 46

2.2.4 Περιορισμοί στην Απόδοση των Φωτοβολταϊκών Γιατί όμως δεν μπορούμε να εκμεταλλευτούμε όλη την προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια; Το κάθε ημιαγωγό υλικό αντιδρά σε διαφορετικά μήκη κύματος της ακτινοβολίας. Κάποια υλικά αντιδρούν σε ευρύτερα φάσματα ακτινοβολίας από κάποια άλλα. Βλέπουμε στην Εικόνα 2.11 που ακολουθεί για τα υλικά αυτά,έτσι ώστε να κατανοήσουμε τους περιορισμούς. Εικόνα 2.7:Μήκη κύματος ακτινοβολίας Έτσι ανάλογα με το υλικό που χρησιμοποιούμε μπορούμε να εκμεταλλευτούμε μόνο εκείνο το φάσμα της ακτινοβολίας που αντιδρά με το συγκεκριμένο υλικό. Το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται σε σχέση με την προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια συμβολίζει τον συντελεστή απόδοσης του υλικού. Οι δύο βασικοί παράγοντες για την απόδοση ενός φωτοβολταϊκού υλικού είναι το ενεργειακό χάσμα του υλικού και ο συντελεστής μετατροπής. Συνεχής βελτίωση στην αποδοτικότητα. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 47

Εικόνα 2.8:Αποδοτικότητα κυψελίδων Εικόνα 2.9:Αποδοτικότητα και τεχνολογίες φωτοβολταϊκών Στόχος είναι η ραγδαία αύξηση παραγωγής φωτοβολταϊκών με προσδοκώμενο αποτέλεσμα τη συνεχή μείωση του κόστους. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 48

Εικόνα 2.10:Αποδοτικότητα με βάση το γεωγραφικό πλάτος Εικόνα 2.11: Προφίλ χώρας με χαμηλό κόστος για παραγωγή ενέργειας με χρήση φωτοβολταϊκών 2.2.5 Εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών στην παγκόσμια αγορά-στατιστικά στοιχεία Ρυθμιστικό/Νομοθετικό Πλαίσιο: Συνέχιση και περαιτέρω ανάπτυξη των αναγκαίων συστημάτων υποστήριξης- Ελάττωση συστημάτων υποστήριξης σε πιο ώριμες αγορές (π.χ. Γερμανία). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 49

Τεχνολογία: Μετάβαση από κρυσταλλική τεχνολογία σε thin film καινούριες τεχνολογίες που χρησιμοποιούν κάδμιο και ίνδιο με λιγότερη εξάρτηση στο πυρίτιο -Κόστος πυριτίου -Βελτιωμένη αποδοτικότητα κυψελών. Εμπορία: Επιθετική αύξηση προσφοράς με κατακόρυφη καμπύλη πείρας -Μετάβαση παραγωγής και έρευνας στην Άπω Ανατολή. Χρονισμός επίτευξης grid parity -Προοδευτική συγκέντρωση του κλάδου και καθετοποίηση δραστηριοτήτων. Παρακάτω παρουσιάζουμε κάποια στατιστικά στοιχεία όσον αφορά τις παγκόσμιες ετήσιες εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων, τη μεγαλύτερη αγορά στον κόσμο που είναι η Γερμανία όσον αφορά την παραγωγή ενέργειας για συγκεκριμένη χρονιά, την αγορά φωτοβολταϊκών segments στη Γερμανία καθώς επίσης και κάποια στοιχεία για την ανάπτυξη της αγοράς των Φ/Β και τη μείωση του κόστους αυτών. Τα σχόλια που μπορούν να γίνουν για το κάθε διάγραμμα είναι πολλά αλλά η σκοπιμότητα στην παρούσα διπλωματική δεν είναι να εξετάσουμε εκτενώς τέτοιου είδους θέματα. Εικόνα 2.12: Παγκόσμιες ετήσιες εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 50

Εικόνα 2.13: Η μεγαλύτερη αγορά στον κόσμο είναι η Γερμανία με εγκατεστημένη ισχύ 3834ΜW στο τέλος του 2007 Εικόνα 2.14: Αγορά φωτοβολταϊκών segments στη Γερμανία ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 51

Εικόνα 2.15: Ανάπτυξη της αγοράς των Φ/Β βοηθήθηκε από τη συνεχή μείωση του κόστους Στη Γερμανία υπάρχουν διαφορετικές τιμές για στέγες και οικόπεδα που μειώνονται με την πάροδο του χρόνου. Εικόνα 2.16: Τιμές φωτοβολταϊκών σε σχέση με τις τιμές δικτύου για τη Γερμανία Τα προγνωστικά για την ανάπτυξη της παγκόσμιας αγοράς είναι πολύ θετικά με την εμφάνιση νέων αγορών. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 52

Εικόνα 2.17: Ελκυστικότητα της αγοράς ηλιακών συλλεκτών Σχόλια-Παρατηρήσεις Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζεται η ανάλυση που βασίζεται σε ρυθμιστικές συμπεριφορές, ο χρόνος μέχρι την ισοτιμία και το μέγεθος της δυνητικής αγοράς. Η Καλιφόρνια αποτελεί την καλύτερη μελλοντική αγορά για ηλιακή ενέργεια που στηρίζεται στην τεχνολογία των Φ/Β. Στο εσωτερικό της Ευρώπης η Ιταλία, οι Κάτω Χώρες, Πορτογαλία, Ισπανία και η Γαλλία αποτελούν τις αγορές κλειδί. Η Γερμανία και η Ιαπωνία είναι ισχυρές αγορές, αλλά και οι δύο ήδη διεισδύσει σχετικά πολύ βαθιά, περιορίζοντας έτσι για αυτές τις νέες ευκαιρίες. 2.3 Ηλιακοί θερμοσίφωνες-ενεργητικά ηλιακά συστήματα Ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι ένα ενεργητικό ηλιακό σύστημα που ζεσταίνει νερό χρησιμοποιώντας την ηλιακή ακτινοβολία. Χρησιμοποιείται ευρύτατα στις χώρες που έχουν μεγάλη ηλιοφάνεια, όπως για παράδειγμα στις χώρες της Μεσογείου και στην Ελλάδα. Ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι η απλούστερη και η γνωστότερη ηλιακή συσκευή. Κατά την λειτουργία του γίνεται εκμετάλλευση δυο φυσικών φαινομένων. Με την αρχή του ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 53

θερμοσίφωνου επιτυγχάνεται η κυκλοφορία του νερού με φυσικό τρόπο χωρίς μηχανικά μέρη (αντλίες κλπ.) ενώ η θέρμανση του νερού γίνεται με την εκμετάλλευση του φαινομένου του θερμοκηπίου που αναπτύσσεται στους συλλέκτες του. Εικόνα 2.18:Ηλιακός θερμοσίφωνας Διακρίνουμε δύο είδη ηλιακών θερμοσιφώνων ανάλογα με το κύκλωμα κυκλοφορίας του θερμαινόμενου μέσου: Ανοικτού κυκλώματος: απευθείας θέρμανση του νερού χρήσης (το θερμαινόμενο μέσο είναι το ίδιο το νερό που θα χρησιμοποιήσουμε). Κλειστού κυκλώματος: έμμεση θέρμανση του νερού χρήσης (το θερμαινόμενο μέσο κυκλοφορεί σε ιδιαίτερο κύκλωμα το οποίο θερμαίνει το νερό που θα χρησιμοποιήσουμε χωρίς να γίνεται ανάμιξή τους, μέσω εναλλάκτη θερμότητας). Οι ηλιακοί θερμοσίφωνες ανοικτού κυκλώματος είναι απλούστεροι και φθηνότεροι, έχουν όμως προβλήματα σε χαμηλές θερμοκρασίες (παγετούς) γιατί δεν μπορούμε να τους προσθέσουμε αντιψυκτικά μίγματα (το θερμαινόμενο μέσο είναι το ίδιο το νερό χρήσης). Στους ηλιακούς θερμοσίφωνες κλειστού κυκλώματος μπορεί το θερμαινόμενο μέσο να είναι και άλλο ρευστό (πχ. λάδι). Αν είναι νερό, έχει αντιψυκτικά και αντιδιαβρωτικά πρόσθετα για προστασία της συσκευής. Επίσης μπορούμε να κατηγοριοποιήσουμε τους ηλιακούς θερμοσίφωνες ανάλογα με τον αριθμό ενεργειακών πηγών που μπορούν να εκμεταλλευτούν σε: ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 54

Διπλής ενέργειας: Ο θερμοσίφωνας λειτουργεί εκμεταλλευόμενος είτε την ηλιακή ενέργεια είτε το ηλεκτρικό ρεύμα (π.χ. κατά την διάρκεια συννεφιάς οπότε η ηλιακή ενέργεια δεν είναι αρκετή για να ζεστάνει το νερό). Για τον σκοπό αυτό, υπάρχει ηλεκτρική αντίσταση τοποθετημένη εντός του τμήματος αποθήκευσης. Τριπλής ενέργειας: Λειτουργεί όπως ο ηλιακός θερμοσίφωνας διπλής ενέργειας αλλά έχει επιπλέον μια είσοδο για να εκμεταλλευτεί ως θερμαντικό μέσο το ζεστό νερό του καλοριφέρ που παράγεται από τον λέβητα κεντρικής θέρμανσης. Προϋπόθεση για την εγκατάσταση ηλιακού θερμοσίφωνα τριπλής ενέργειας είναι να υπάρχει η κατάλληλη υποδομή στο οίκημα υπό την μορφή ξεχωριστών σωληνώσεων (ανά διαμέρισμα εάν πρόκειται για πολυκατοικία) που να συνδέουν το λεβητοστάσιο με τον χώρο εγκατάστασης του ηλιακού θερμοσίφωνα (ταράτσα ή σκεπή). Οι ηλιακοί θερμοσίφωνες, ανεξάρτητα από το είδος τους, αποτελούνται από δύο βασικά μέρη: Το τμήμα συλλογής (οι ηλιακοί συλλέκτες, η επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας) Το τμήμα αποθήκευσης (η δεξαμενή αποθήκευσης του νερού) Τα δύο αυτά μέρη είναι συναρμολογημένα μαζί και συνδέονται με σωληνώσεις, αλλά σε μεγαλύτερα συστήματα μπορούν να είναι και χωριστά και να χρησιμοποιούνται αντλίες για την κυκλοφορία του θερμαινόμενου μέσου, ειδικά όταν το τμήμα αποθήκευσης δεν βρίσκεται στον ίδιο χώρο με το τμήμα συλλογής. Το τμήμα αποθήκευσης διαθέτει και ηλεκτρική αντίσταση με θερμοστάτη, για να μπορεί να παράγεται ζεστό νερό και σε άσχημες καιρικές συνθήκες. Οι ακριβότεροι ηλιακοί θερμοσίφωνες διαθέτουν και κάποια λίγα εξαρτήματα ελέγχου όπως βαλβίδα υπερπίεσης ή αυτόματα εξαεριστικά. 2.3.1 Ηλιακοί συλλέκτες Το κυριότερο μέρος ενός ηλιακού θερμοσίφωνα είναι οι ηλιακοί συλλέκτες (ή καθρέπτες), που είναι η επιφάνεια συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτή αποτελείται από τέσσερα μέρη: ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 55

Την πλάκα συλλογής της ακτινοβολίας Τους σωλήνες ροής του νερού Την κάλυψη (κρύσταλλο) της πλάκας απορρόφησης και Το θερμικά μονωμένο πλαίσιο πάνω στο οποίο στερεώνονται τα υπόλοιπα εξαρτήματα. Η λειτουργία των συλλεκτών του ηλιακού θερμοσίφωνα βασίζεται στο φαινόμενο του θερμοκηπίου που αναπτύσσεται στο χώρο ανάμεσα στην πλάκα απορρόφησης και τη γυάλινη επικάλυψη. Καταρχήν η ηλιακή ακτινοβολία πέφτει στην (συνήθως μαύρη) απορροφητική πλάκα, ανεβάζοντας της θερμοκρασία της. Η πλάκα με τη σειρά της εκπέμπει μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (θερμική ακτινοβολία) για την οποία το τζάμι που καλύπτει την πλάκα είναι σχεδόν διαφανές. Έτσι η μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (η ζέστη) παγιδεύεται ανάμεσα στην πλάκα και το τζάμι, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η απόδοση όσον αφορά τη θέρμανση του νερού (που κυκλοφορεί σε σωλήνες που είναι σ' επαφή με την πλάκα στο πίσω μέρος της ή ενσωματωμένοι σ' αυτή). Οι κρίσιμοι παράγοντες για την καλή απόδοση του συστήματος είναι η μεγάλη απορροφητικότητα της πλάκας στην ηλιακή ακτινοβολία, ο μικρός συντελεστής εκπομπής της πλάκας στη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία και η μεγάλη αδιαφάνεια του κρυστάλλου για τη δεύτερη. Τα υλικά που προσφέρουν την καλύτερη σχέση απόδοσηςτιμής είναι γυαλί και επιφάνεια από αλουμίνιο ή χαλκόχρωματισμένη μαύρη. 2.3.2 Δεξαμενή αποθήκευσης Η δεξαμενή αποθήκευσης του νερού χρήσης έχει χωρητικότητα που κυμαίνεται από 100 έως 200 λίτρα για συνήθεις οικιακές εφαρμογές. Η χωρητικότητά της είναι συνάρτηση της συλλεκτικής επιφάνειας που διαθέτει. Είναι συνήθως χαλύβδινη, με εσωτερική επίστρωση για προστασία από την διάβρωση. Η επίστρωση αυτή είναι συνήθως από ειδικά πλαστικά ή εποξειδικά χρώματα ή εμαγιέ (υαλόκραμα). Εναλλακτικά και για ακριβότερα συστήματα η δεξαμενή αποθήκευσης μπορεί να είναι χάλκινη ή ανοξείδωτη. Εξωτερικά έχει πολύ καλή μόνωση συνήθως από πολυουρεθάνη ή υαλοβάμβακα. Συνήθως έχει ενσωματωμένη κάποια ηλεκτρική αντίσταση. Στα συστήματα κλειστού κυκλώματος έχει επιπλέον ενσωματωμένο εναλλάκτη (σερπαντίνα) για την κυκλοφορία του ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 56

θερμαινόμενου μέσου ή σε πιο ακριβά συστήματα είναι διπλών τοιχωμάτων (ανάμεσα στα δύο τοιχώματα κυκλοφορεί το θερμαινόμενο μέσο). 2.3.3 Αρχή λειτουργίας Ο ηλιακός θερμοσίφωνας κατά την λειτουργία του εκμεταλλεύεται το φυσικό φαινόμενο της ροής των ρευστών λόγω διαφοράς θερμοκρασίας (διαφοράς πυκνότητας), γνωστό και σαν αρχή του θερμοσίφωνου. Έτσι πετυχαίνεται με φυσικό τρόπο χωρίς κυκλοφορητή (αντλία) συνεχής ροή του θερμαινόμενου μέσου, από το θερμότερο σημείο (ηλιακοί συλλέκτες) προς το ψυχρότερο (δεξαμενή νερού), μέχρις ότου τα δύο σημεία να αποκτήσουν παρόμοιες θερμοκρασίες. Για να είναι αυτό δυνατό πρέπει το ψυχρότερο σημείο να είναι ψηλότερα από το θερμότερο σημείο και για τον λόγο αυτό σε όλους τους ηλιακούς θερμοσίφωνες η δεξαμενή αποθήκευσης είναι πάντα ψηλότερα από τους ηλιακούς συλλέκτες. Η συνολική απόδοση του ηλιακού θερμοσίφωνα εξαρτάται και από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τη νεφοκάλυψη και την αποτελεσματικότητα της θερμικής μόνωσης του συστήματος. 2.3.4 Τοποθέτηση-Εγκατάσταση Ο καλύτερος προσανατολισμός για την τοποθέτηση των ηλιακών θερμοσιφώνων (ακριβέστερα των ηλιακών συλλεκτών) είναι ο νότιος, για να εκμεταλλεύεται ο θερμοσίφωνας όσο περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας γίνεται. Απόκλιση μέχρι 15 μοίρες από τον νότο δεν έχει μεγάλη επίπτωση στην απόδοσή του. Σε μεγαλύτερη απόκλιση παρατηρείται μείωση της απόδοσης. Ακόμα η κλίση του ηλιακού συλλέκτη πρέπει να είναι 20-50 μοίρες. Μεγαλύτερη ή μικρότερη κλίση μειώνει την απόδοση. Οι προβλεπόμενες συνδέσεις για την λειτουργία του είναι δύο υδραυλικές (είσοδος κρύου νερού, έξοδος ζεστού νερού χρήσης) και μία ηλεκτρική (ηλεκτρική αντίσταση). Στην είσοδο του κρύου νερού πρέπει να τοποθετηθεί βάνα για να είναι δυνατή η απομόνωσή του από το δίκτυο σε περίπτωση συντήρησης ή επισκευής. Καλό είναι στις υδραυλικές σωληνώσεις να τοποθετηθεί βαλβίδα ασφαλείας έναντι υπερπίεσης και αυτόματο εξαεριστικό, αν δεν υπάρχουν ήδη ενσωματωμένα από τον κατασκευαστή. Καλό είναι επίσης στην σωλήνωση εξόδου του ζεστού νερού χρήσης να τοποθετηθεί εξωτερικό μονωτικό περίβλημα καλής ποιότητας. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 57

Χρειάζεται στοιχειώδης συντήρηση, κυρίως καθαρισμός των πλακών επιφανειακά, αντικατάσταση της αντιδιαβρωτικής προστασίας όποτε αυτό απαιτείται σύμφωνα με τον κατασκευαστή και συμπλήρωση με αντιψυκτικό υγρό τον χειμώνα (μόνο στους ηλιακούς θερμοσίφωνες κλειστού κυκλώματος). Ακόμα σε περιπτώσεις ισχυρού ψύχους (χιόνι, παγετός κλπ) συνιστάται η κάλυψη των κρυστάλλων με πανί ή χαρτόνι για να αποφευχθεί η καταστροφή τους (θραύση). Σημειώνεται ότι η κάλυψη των κρυστάλλων δεν προσφέρει καμία προστασία σε περίπτωση θερμοσιφώνων ανοικτού κυκλώματος. Το μόνο αποτελεσματικό μέτρο σε τέτοιες περιπτώσεις είναι το πλήρες άδειασμα του θερμοσίφωνα από το νερό μέχρι να αυξηθεί η θερμοκρασία του περιβάλλοντος πάνω από το μηδέν. 2.3.5 Ο θερμοσίφωνας σαν οικολογική συσκευή Ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι μια απ' τις "καθαρότερες" και πιο αποδοτικές συσκευές που χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στη διάρκεια ζωής του ο ηλιακός θερμοσίφωνας εξοικονομεί περίπου δυο χιλιάδες ευρώ απ' τους λογαριασμούς ρεύματος σε τιμές 2005, ενώ αποφεύγεται η έκλυση περίπου τριάντα τόνων διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Κάθε ντους με νερό από ηλιακό θερμοσίφωνα ισοδυναμεί με τρία κιλά διοξειδίου του άνθρακα λιγότερα στην ατμόσφαιρα. 2.4 Ο ηλιακός θερμοσίφωνας και η μηχανή Stirling Ο λόγος που αναφερόμαστε στα παραπάνω με τόση έκταση είναι ο στόχος που θέλουμε να φτάσουμε στην εργασία αυτή και να μελετήσουμε τη συμπεριφορά και τα αποτελέσματα που μας δίνει μια πραγματική εφαρμογή με μια μηχανή Stirling. Το γεγονός ότι ο ηλιακός θερμοσίφωνας συμβάλει στην προστασία του περιβάλλοντος και στην εξοικονόμηση ενέργειας, δικαιωματικά του αξίζει ο όρος οικολογική συσκευή και αυτό είναι που θέλουμε να εκμεταλλευτούμε προκειμένου να παράγουμε, εκτός από το να εξοικονομούμε, ηλεκτρική ενέργεια σε μια εποχή που η στροφή προς την πράσινη ενέργεια είναι επιτακτική ανάγκη. Το δεδομένο ότι ο κινητήρας που θα μελετήσουμε βασίζει τη λειτουργία του στην θερμοδυναμική και η κίνηση του αρκείται στην απόκτηση μιας ικανοποιητικής διαφοράς θερμοκρασίας προκειμένου να εκτελέσει τον προβλεπόμενο κύκλο του(γίνεται αναλυτική αναφορά σε επόμενο κεφάλαιο). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 58

Το σκεπτικό του συστήματος αποτυπώνεται στο παρακάτω σχήμα όπου φαίνονται αναλυτικά τα τμήματα που το απαρτίζουν. Εικόνα 2.19:Σύστημα παραγωγής ενέργειας με χρήση ηλιακού θερμοσίφωνα Το προτεινόμενο σύστημα μετατροπής ενέργειας είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να έχουμε μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική σε τρία στάδια: ηλιακή σε θερμική, τη θερμική σε μηχανική και τη μηχανική σε ηλεκτρική. Η μηχανή Stirling είναι αυτή με την οποία θα έχουμε τη μετατροπή της ηλιακής σε μηχανική. Ένα βασικό πλεονέκτημα του κύκλου της μηχανής αυτής είναι η πιθανότητα χρήσης αέρα σαν εργαζόμενο αέριο και έτσι αποφεύγονται θέματα με πιθανή μακροπρόθεσμη κατακράτηση ενός εργαζόμενου αερίου όπως το ήλιο (He) και οι συναφείς απαιτήσεις συντήρησης. Το σκεπτικό να χρησιμοποιήσουμε μια μηχανή Stirling σε ένα σύστημα που εμπεριέχει έναν ηλιακό θερμοσίφωνα, δηλαδή στο σπίτι μας, είναι πολύ βολικό για χώρες όπως είναι η Ελλάδα και γενικά χώρες με έντονη ηλιοφάνεια. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι έχουμε ήδη εγκατεστημένο στο σπίτι μας τον ηλιακό θερμοσίφωνα και μπορούμε να τον εκμεταλλευτούμε για ζεστό νερό, μας γλιτώνει από ένα μεγάλο έξοδο για την περίπτωση στην οποία θέλουμε επιπλέον εκμετάλλευση του ηλιακού μας και πιο συγκεκριμένα για παραγωγή ενέργειας στην περίπτωσή μας. Το ζεστό νερό που δε θα χρησιμοποιούμε όλο το ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 59

24ωρο μπορούμε να το εκμεταλλευτούμε κάποιες ώρες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και να έχουμε όφελος στο λογαριασμό της ΔΕΗ. Για τα περισσότερα σπίτια, η εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος στα πλαίσια της πράσινης ανάπτυξης και της χρήσης εναλλακτικής ενέργειας, θα είναι μια ανάσα και εξυπηρέτηση μακροπρόθεσμα καθώς το κόστος εγκατάστασης θα αποσβεστεί στα πρώτα 3 χρόνια λειτουργίας του συστήματος και για τα επόμενα χρόνια θα υπάρχει μόνο κέρδος. Το σύστημα αυτό εφαρμόζεται σε πολιτείες της Αμερικής που έχουν έντονη ηλιοφάνεια και χρησιμοποιούν ηλιακούς όπως είναι η Φλόριντα και η Καλιφόρνια. Επίσης θα ήταν μια καλή ευκαιρία το σύστημα να αρχίζει να εφαρμόζεται και σε χώρες της Μεσογείου και βέβαια στην Ελλάδα καθώς οι συνθήκες είναι ευνοϊκές και υπάρχουν ήδη πολλοί εγκατεστημένοι ηλιακοί θερμοσίφωνες. Για την αναμενόμενη λειτουργία και συμπεριφορά του συστήματος αναφερόμαστε σε επόμενα κεφάλαια. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 60

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 61

3. Η μηχανή Stirling 3.1 Ιστορία Η μηχανή «αέρος» Stirling είναι μια διάταξη κλειστού αναγεννητικού θερμοδυναμικού κύκλου με περιοδική συμπίεση και εκτόνωση του εργαζόμενου αερίου (αέρας ή ήλιο) σε διαφορετικά θερμοκρασιακά επίπεδα. Η ροή του εργαζόμενου μέσου ελέγχεται από αλλαγές στους όγκους στο ζεστό και κρύο χώρο χωρίς χρήση βαλβίδων. Έτσι υπάρχει μια καθαρή παραγωγή ή απορρόφηση θερμότητας, αφού ο κύκλος είναι και αντιστρέψιμος. Ο R. Stirling γεννήθηκε στο Cloag της Σκοτίας στις 25 Οκτωβρίου του 1790. Σπούδασε στo Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης και του Εδιμβούργου (1805-1808), μαθηματικά, μεταφυσική, ρητορική, Λατινικά και Ελληνικά σε προχωρημένο επίπεδο. Χειροτονήθηκε πάστορας στις 19 Σεπτεμβρίου 1816 και δύο μήνες αργότερα κατοχύρωσε και εφάρμοσε την ευρεσιτεχνία του (UK Patent 4081) πάνω στη μηχανή Stirling και στον θερμικό αναγεννητή (regenerator) τον οποίο ο ίδιος ονόμαζε οικονομητήρα (economizer). Η ευρεσιτεχνία του R. Stirling περιέγραφε ένα πλήθος από εφαρμογές πάνω σε γυαλί και σε διάφορους κλιβάνους. Επίσης περιέγραφε και μια μηχανή ισχύος (εργοπαραγωγό) που ήταν σχεδιασμένη να λειτουργεί με μειωμένη κατανάλωση καυσίμου, σε σχέση με τις μηχανές ατμού που υπήρχαν και χρησιμοποιούσαν εκείνη την εποχή. Η μειωμένη κατανάλωση οφειλόταν στην ύπαρξη του αναγεννητή. Και άλλοι όπως ο Sir George Caley (1807) είχαν εφεύρει μηχανές αέρα πριν από τον R. Stirling. Επίσης ήταν ήδη γνωστές από το 1699 και άλλες διατάξεις που αποκαλούνταν μηχανές αέρα. Ο οικονομητήρας ή αναγεννητής υπήρξε όμως ένα πολύ σημαντικό τμήμα της πατέντας του 1816. Αυτές οι καινοτομίες ήταν πολύ αξιόλογες λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι προηγήθηκαν της γέννησης της θερμοδυναμικής και των συγγραμμάτων του Sadi Carnot (1796-1832). Ορισμένοι ιστορικοί θεωρούν ότι οι προσπάθειες του αιδεσιμότατου R. Stirling για μια τέτοια μηχανή ήταν αποτέλεσμα του ενδιαφέροντος που έδειχνε για τους ανθρώπους της εργατικής τάξης των ενοριών του καθώς οι ατμομηχανές είχαν την εποχή εκείνη εκτεταμένη χρήση στη συγκεκριμένη περιοχή. Εξαιτίας των μη ανθεκτικών υλικών που χρησιμοποιούνταν στην κατασκευή καυστήρων (ο χάλυβας ή ο σίδηρος του Sir Henry Bessemer δεν είχε ακόμα εφευρεθεί), συχνά έσκαγαν με καταστρεπτικά αποτελέσματα για τους ανθρώπους που δούλευαν κοντά. Οι συνέπειες του ατμού με υψηλή πίεση στο ανθρώπινο σώμα είναι σημαντικές, όπως μπορεί να βεβαιώσει ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 62

όποιος έχει εμπειρία εγκαύματος από ατμό στην κουζίνα. Η μηχανή Stirling δεν έσκαγε γιατί οι πιέσεις δεν έφταναν σε αυτό το υψηλό επίπεδο. Ο Rev. Stirling άρχισε να εργάζεται με την πρώτη του εφαρμογή πάνω σε αυτή την μηχανή και το οικονομητήρα το 1816, λίγους μήνες αφότου έγινε πάστορας της εκκλησίας της Σκότιας σε ηλικία 25 χρονών. Άλλοι, όπως ο Sir George Caley είχαν κατασκευάσει μηχανή αέρος από πριν (1806) και άλλες μηχανές με την επωνυμία «μηχανές αέρος» έχουν αναφερθεί από το 1699. Ο «οικονομητήρας» ή «αναγεννητής» έχει αναγνωριστεί ως το πιο σημαντικό μέρος της πατέντας του Rev. Stirling(εικόνα 3.1). Αυτή η καινοτομία έκανε την κατασκευή πολύ πιο ελαφριά σε σχέση με τα δεδομένα της εποχής. Εικόνα 3.1: Rev Dr Robert Stirling(1790-1878) Εικόνα 3.2: Η γνήσια ευρεσιτεχνία της μηχανής(1790-1878) Stirling στα 1816 (Finkelstein 1959)- Σημειώνεται η απουσία του ψύκτη ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 63

Η πρώτη καταγεγραμμένη προσπάθεια υλοποίησης αυτού του εγχειρήματος από εταιρεία ήταν από την Dundee Foundry Company στην οποία εργαζόταν ο αδελφός του Robert, James Stirling. Ο James ήταν πολύ καλός μηχανικός και ένθερμος υποστηρικτής του εγχειρήματος του αδελφού του. Μια πολύ μεγάλη σε διαστάσεις μηχανή με διπλά ενεργά έμβολα με πολλές σχεδιαστικές και κατασκευαστικές καινοτομίες κατασκευάστηκε στο εργοστάσιο που δούλευε με την δική του επίβλεψη. Η μηχανή αυτή δούλευε για πολλά χρόνια στο εργοστάσιο, αλλά λόγω αστοχιών των μετάλλων αντικαταστάθηκε πάλι από μια ατμομηχανή. Το 1908 η μηχανή Stirling είχε ήδη αναπτυχθεί αρκετά, αφού τόσο ο αναγεννητής όσο και η μηχανή διπλών εμβόλων ήταν αρκετά γνωστά και στις δύο ακτές του Ατλαντικού. Συζητήσεις για την χρησιμότητα και τις πιθανές μελλοντικές εφαρμογές της, γίνονταν από το Institution of Mechanical Engineers της μεγάλης Βρετανίας. Ήταν γεγονός ότι από τα μέσα του 19ου αιώνα μέχρι την έναρξη του 1ου παγκόσμιου πολέμου, τόσο μηχανές ανοικτού κύκλου λειτουργίας όσο και μηχανές κλειστού κύκλου λειτουργίας είχαν μελετηθεί, αναπτυχθεί και εφαρμοστεί σε διάφορες περιπτώσεις, από την τοποθέτησή τους σε πλοία μέχρι και την χρήση τους σε εκκλησιαστικά όργανα για την άντληση του απαραίτητου αέρα για τη λειτουργία τους. Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι πολλές από εκείνες τις μηχανές λειτουργούν ακόμα και μάλιστα ικανοποιητικά. Παρόλο ότι η μηχανή Stirling ήταν μια πολύ καλή εναλλακτική λύση των απρόβλεπτων εκείνη την εποχή ατμομηχανών, η έλλειψη την εποχή εκείνη κατάλληλων υλικών για τους κυλίνδρους και για τις κεφαλές τους, είχαν σαν αποτέλεσμα να μην πρεσάρονται όσο θα έπρεπε οι κύλινδροι, με αποτέλεσμα να διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα η παραγόμενη ισχύς και ο βαθμός απόδοσης, περίπου 1 kw ανά τόνο και 1% αντίστοιχα. Παρόλα αυτά η μηχανή είχε πολύ καλή απόδοση και ευρεία εφαρμογή σε περιπτώσεις άντλησης υδάτων Το 1908 εμφανίσθηκε για πρώτη φορά η μηχανή Stirling που έπαιρνε ενέργεια από τον ήλιο. Η επιτυχία της μηχανής του Stirling αναγνωρίστηκε από τα διάφορα ερευνητικά κέντρα και από το ενδιαφέρον που έδειξαν γι αυτήν ισχυρές προσωπικότητες της εποχής όπως ο βασιλιάς Εδουάρδος VII, ο Σουλτάνος της Τουρκίας, ο Andrew Carnegie κ.α. Παρά την επιτυχίας της, μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 20 η μηχανή Stirling κόντευε να «πεθάνει». Η κατάσταση αυτή επιδεινώθηκε από την ραγδαία ανάπτυξη και χρήση των μηχανών εσωτερικής καύσης την εποχή του 2ου παγκόσμιου πόλεμου. Η ανάπτυξη της μηχανής Otto και του ηλεκτροκινητήρα συνετέλεσαν στο μαρασμό της Stirling σε μια εποχή που κατά ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 64

ειρωνικό τρόπο όλοι περίμεναν το αντίθετο αφού είχε αναπτυχθεί τόσο πολύ η τεχνολογία των υλικών, και όλοι πίστευαν στην μεγάλη εξέλιξη της Stirling αφού θα βελτιωνόταν σημαντικά ο βαθμός απόδοσής της. Την δεκαετία του 20 ο Beale της Sunpower Inc. κατασκεύασε μια μηχανή βασισμένη στον θερμοδυναμικό κύκλο Stirling που όμως λάμβανε θερμότητα από τις ηλιακές ακτίνες. Λόγω των βελτιωμένων υλικών και της καλύτερης σχεδίασης, η μηχανή αυτή είχε πολύ βελτιωμένο βαθμό απόδοσης και παρήγαγε πολύ μεγαλύτερη ισχύ. Η Ολλανδική εταιρία Philips είδε τα αποτελέσματα αυτά και άρχισε να ασχολείται και εκείνη με την Stirling για άλλους λόγους. Ήθελε να κατασκευάσει γεννήτριες ρεύματος ώστε να φτάσει σε όλα τα μέρη του κόσμου η νέα ανακάλυψη, το ραδιόφωνο, που όμως χρειάζονταν ηλεκτρικό ρεύμα για να λειτουργήσει. Εικόνα 3.3: Ηλεκτρική Γεννήτρια της Philips Τη δεκαετία το 30 η μηχανή Stirling έχει πλέον πέσει σε ολοκληρωτική απαξίωση. Λίγες μόνο πολύ μικρές μονάδες βρίσκονται σε λειτουργία και αυτές σε τροπικά μέρη, όπου χρησιμοποιούνται για να κινούν κάποια πρωτόγονα συστήματα κλιματισμού. Καμιά από τις ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 65

καινοτομίες της μηχανής Stirling δεν χρησιμοποιούνταν πλέον και καμιά περαιτέρω εξέλιξη δεν είχε επιτευχθεί από τις αρχές του 20oυ αιώνα. Ο βαθμός απόδοσης της μηχανής ήταν μόλις 1% ενώ ο βαθμός απόδοσης κατά Carnot ξεπερνούσε το 50%. Η Philips αμέσως συνειδητοποίησε την δυναμική εξέλιξης και ανάπτυξης των μηχανών Stirling και την υπεροχή της σε σχέση με την ατμομηχανή. Καθώς η απειλή ενός νέου παγκόσμιου πόλεμου πλανιόταν πάνω από την Ευρώπη, ξεκίνησε η Ολλανδική εταιρεία να δουλεύει πάνω στη μηχανή αυτή, ξεκινώντας από το αρχικό σχέδιο του 1816. Η έρευνα συνεχίστηκε την περίοδο 1936-45 και το 1946 η ομάδα της Phillips είχε ήδη δημοσιεύσει αρκετές μελέτες στις οποίες υπήρχαν οι πρώτες μετά από πολλά χρόνια νέες πληροφορίες για τη μηχανή Stirling. Μέσα σε διάστημα μικρότερο από 10 χρόνια, σε μια περίοδο μάλιστα πολύ δύσκολη για την ανθρωπότητα, η Phillips είχε πάρει μια σχεδόν ξεχασμένη μηχανή, αύξησε την παραγόμενη ισχύ ανά χιλιόγραμμο μάζας της κατά 50 φορές, μείωσε το μέγεθος της ανά μονάδα ισχύος με ένα συντελεστή της τάξης του 125 και βελτίωσε το βαθμό απόδοσής της κατά περίπου 15 φορές. Η μηχανή Stirling είχε πλέον περάσει σε άλλη εποχή εξέλιξης. Η πρώτη μηχανή που κατασκευάστηκε από την Phillips είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα χρήσης αναθερμαντών με πτερύγια ως επιφάνειες συναλλαγής θερμότητας και όχι σωλήνων όπως εφαρμόστηκε αργότερα. Η συγκεκριμένη αυτή μηχανή παρήγαγε 0.7 kw ισχύος και κινούσε γεννήτρια 200W. Παρόλα αυτά, οι εξελίξεις την εποχή εκείνη στις μπαταρίες και την ηλεκτρονική παραγκώνισαν για άλλη μια φορά τη μηχανή Stirling ως γεννήτρια. Μεγαλύτερες μηχανές που θα μπορούσαν να σταθούν καλά και εμπορικά δεν εμφανίστηκαν μέχρι το 1948. Τότε ο Henry Ford II κατασκεύασε στα εργαστήρια του Αϊντχόβεν μια μηχανή απόδοσης 11kW. H General Motors ακολούθησε τη Philips στην έρευνά της πάνω στη μηχανή Stirling. Η Phillips δεν πτοήθηκε από το γεγονός αυτό, πήρε το ρίσκο και με την προσθήκη και άλλων ερευνητών στην υπάρχουσα ομάδα εξέλιξε τη μηχανή όχι μόνο ως κινητήρια και θερμική, αλλά και ως ψυκτική και ως κρυογεννητική. Με το πρόγραμμα αυτό η Phillips πέτυχε και εμπορική επιτυχία. Μια μονοβάθμια τέτοια μηχανή πέτυχε θερμοκρασία 12Κ. Ήταν μια πολύ σημαντική ανακάλυψη που επιτεύχθηκε με την ανάστροφη λειτουργία της μηχανής. Η χρήση του ηλίου ή του υδρογόνου ανακαλύφθηκε ότι μείωνε τις απώλειες του εργαζόμενου μέσου στο περιβάλλον και βελτίωνε σημαντικά το βαθμό απόδοσης της μηχανής. Η επιτυχία της ψυκτικής μηχανής Stirling και η ταυτόχρονη γιγάντωση των Otto ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 66

και Diesel οδήγησαν σε εξαφάνιση από την αγορά της θερμικής κινητήριας μηχανής, γεγονός που μπορούσε να σημάνει το τέλος της θερμικής Stirling. Όμως ο ενθουσιασμός και η καθοδήγηση ενός από τους μηχανικούς της Phillips, του Meijer, κράτησε ζωντανή την έρευνα πάνω στην θερμική Stirling με την ανακάλυψη του ρομβικού μηχανισμού κίνησης των εμβόλων (1953) που έδωσε νέα ώθηση και μέλλον στη μηχανή αυτή. Η χρήση του ρομβικού μηχανισμού οδήγησης των εμβόλων, οι σωληνωτοί εναλλάκτες θερμότητας και εργαζόμενων αερίων με πολύ μικρά μοριακά βάρη είχαν σαν αποτέλεσμα μέχρι τα τέλη του 50 να κατασκευάσει η Phillips μηχανές με βαθμούς απόδοσης πλέον του 30% και παραγόμενη ισχύ μερικές δεκάδες kw. Το γεγονός αυτό έκανε την Phillips να εμπορεύεται πλέον την τεχνολογία της. Από τότε όλοι οι μεγάλοι ερευνητές των μηχανών Stirling με στροφαλοφόρο άξονα βασίστηκαν πάνω στις ανακαλύψεις της Phillips και χρειάζονταν την άδειά της για να προχωρήσουν. 3.2 Εφαρμογές Stirling μηχανής στην ξηρά Όλα τα παραπάνω σε μια χρονολογική σειρά δίνονται ως εξής: 1937 1938 O Ν.V. Philips (ιδιοκτήτης του Ολλανδικού κολοσσού Phillips) ενδιαφέρεται για την κλειστού κύκλου μηχανή θερμού αέρα για μικρές γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος. 1938 1947 Έχουν είδη κατασκευαστεί αρκετά πρωτότυπα μηχανών βασισμένα στην αρχικό μοντέλο του 1816, με πολύ βελτιωμένη όμως απόδοση. 1948 1953 Αρχίζει η έρευνα στις ψυκτικές μηχανές Stirling. Από την αρχή εμφανίζουν πολύ καλύτερη απόδοση από τις αντίστοιχες θερμικές, χρησιμοποιώντας για εργαζόμενο μέσο αέρια με πολύ μικρό μοριακό βάρος. Ταυτοχρόνως και οι κινητήριες μηχανές ερευνώνται και αναπτύσσονται από την Ford (USA) και την General Motors. Το 1953 πραγματοποιήθηκε μια μεγάλη τεχνολογική ανακάλυψη. Η δημιουργία και εξέλιξη του ρομβικού μηχανισμού κίνησης των εμβόλων από τον Meijer. Με το μηχανισμό αυτό μπορούσαμε πλέον να λειτουργούμε τη μηχανή και σε πολύ μεγαλύτερες πιέσεις. Οι ομάδες που ασχολιόντουσαν με τις θερμικές και τις ψυκτικές μηχανές διαχωρίζουν πλέον τις δραστηριότητες τους. 1954 1958 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 67

Tην περίοδο αυτή κατασκευάζονται και δοκιμάζονται πολλές μηχανές ρομβικού μηχανισμού οδήγησης των εμβόλων, σε συνθήκες πίεσης μέχρι τα 14 MPa και εργαζόμενο αέριο το υδρογόνο, όπως στη μηχανή 1-365. Η χρήση υψηλών πιέσεων επιβάρυνε το πρόβλημα στεγανότητας. Ελατήρια στεγανότητας από χυτοσίδηρο ήταν μια καλή λύση αλλά όχι η κατάλληλη λόγω των απωλειών λιπαντικού. Το κάλυμμα με τσιμούχες στεγανότητας για τον στροφαλοφόρο ήταν μια λύση που εγκαταλείφθηκε γρήγορα. Τέλος ανακαλύφθηκε το κέλυφος των κυλίνδρων που άφηνε κάποιο κενό μεταξύ της οροφής του εμβόλου και του καπακιού του κυλίνδρου (close clearance piston engine). Tο έμβολο ήταν κατασκευασμένο από Sn Pb MoS2 και επέτρεπε στο δαχτυλίδι να δέσει γύρω του και να συσφιχθεί θερμικά. Η General Motors ενδιαφέρθηκε για τη μηχανή, πλησίασε την Phillips το 1957 και υπέγραψαν μια συμφωνία για 10ετή χρήση της μηχανής το Νοέμβριο του 1958 που κόστισε στην GM 1,2 εκατομμύρια δολάρια Αμερικής. 1958 1962 H Phillips συνέχισε της έρευνά της πάνω στον ρομβικό μηχανισμό κίνησης των εμβόλων με τη μηχανή 1-98 της οποίας κατασκευάστηκαν πάνω από τριάντα μοντέλα, που χρησιμοποιήθηκαν ως κινητήριες μηχανές γεννητριών ρεύματος των 4kW. Κατά την έρευνα η μηχανή δούλευε με μια μέση πίεση 22MPa ενώ σε μια μακροχρόνια δοκιμή των 10.000 ωρών δούλεψε σε πίεση 11 ΜPa. Η μηχανή 1-365 τοποθετήθηκε σε σκάφος αναψυχής, το «Johan de Wit» και σε δοκιμή έφτασε τα 42kW ισχύς και βαθμό απόδοσης το 38% με μέση πίεση 16,5 MPa σε σύγκριση με την 1-98 μηχανή που απέδωσε 19 kw με βαθμό απόδοσης 33% και μέση πίεση 21MPa. H General Motors είχε ασχοληθεί με τρεις εφαρμογές της μηχανής Stirling: Ως έσω-εξωλέμβια μηχανή, ως μηχανή για διαστημικούς τεχνητούς δορυφόρους που θα ελάμβανε ενέργεια από τις ηλιακές ακτίνες και τέλος ως μικρή γεννήτρια για επίγειες χρήσεις που θα την χρησιμοποιούσε κυρίως ο Αμερικάνικος στρατός (την ground power unit GPU). Άλλες πιθανές εφαρμογές θα μπορούσαν να ήταν η πρόωση μικρών σκαφών για ποτάμια ή την ακτοπλοΐα, η κίνηση υποβρυχίων καθώς και μηχανών τρένων. Η πρώτη μηχανή που δοκιμάστηκε από την General Motors ήταν μια μονοκύλινδρη, μηχανή «close clearance» και απέδιδε 23 kw. Η χρήση ελατηρίων στεγανότητας από Teflon ελάττωσε το πρόβλημα των διαρροών. Όμως δεν θα μπορούσε να εξελιχθεί περαιτέρω η μηχανή αν το 1960 δεν είχε ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 68

ανακαλυφθεί ένα ειδικό είδος κελύφους, το rollsock seal. Αυτό βοήθησε στο να κατασκευαστούν μεγαλύτερες σε μέγεθος μηχανές και με καλύτερο βαθμό απόδοσης κυρίως λόγω της εξέλιξης στους εναλλάκτες που μπορεί να είναι πλέον και σωληνοειδείς και με πτερύγια, αλλά περισσότερο στην ανάπτυξη του αναγεννητή. Η GM χρησιμοποίησε την μηχανή 1-98 σε δορυφόρους και στα μοντέλα GPU. Το «close clearance seal» εγκαταλείφθηκε και ξεκίνησε νέα έρευνα για την εύρεση στεγανωτικών τόσο για τα έμβολα όσο και για τους διωστήρες. Τότε ανακαλύφθηκε το πρώτο κυλιόμενο κέλυφος (Sliding seal). Η πιο σπουδαία απόφαση όμως που πάρθηκε την περίοδο εκείνη ήταν από την GM και αφορούσε την χρήση μηχανών Stirling σε αυτοκίνητα., χρησιμοποιώντας στερεό καύσιμο ως αποθηκευμένη πηγή θερμότητας. 1963 1968 Οι επινοήσεις του ρομβικού συστήματος οδήγησης των εμβόλων, του κελύφους rollsock σε συνδυασμό με την απόδοση της καύσης, την εξέλιξη στους εναλλάκτες θερμότητας και τα συστήματα ελέγχου, μας έδωσαν τη δυνατότητα να κατασκευάσουμε πολύ μεγαλύτερες μηχανές. Η GPU είχε εξελιχθεί και απέδιδε 9kW, αλλά υπήρχαν ήδη μονάδες τόσο της Phillips όσο και της GΜ που απέδιδαν ακόμα και 200kW για ναυτικές κυρίως εφαρμογές. Παρόλα αυτά το αμερικάνικο ναυτικό δοκίμασε για πρώτη φορά την μηχανή αυτή της Phillips σε ένα λεωφορείο (Εικόνα 3.4). Εικόνα3.4:Εφαρμογή Stirling μηχανής σε λεωφορείο ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 69

Στα μέσα της δεκαετίας του 60 η μηχανή Stirling είχε γίνει ανταγωνιστική της Diesel αλλά όχι και της Otto. Ήταν το 1964 που η Phillips αποφάσισε να ασχοληθεί με τις μηχανές Stirling διπλών εμβόλων, όμως παρόλο που αυτή πήρε πρώτη την απόφαση, ήταν η GM που αναπτύχθηκε περισσότερο στον τομέα αυτό και το 1968 κατασκεύασε μια μηχανή αυτοκινήτου 186kW ισχύος και μια μηχανή για τορπίλη 375 kw. Οι ελπιδοφόρες προσπάθειες των δύο αυτών κατασκευαστών, τράβηξαν την προσοχή και άλλων και το 1968 η Philips υπέγραψε άλλες δύο συμφωνίες με κοινοπραξίες. Μία Σουηδική την ΚΒ United Stirling και μια Δυτικογερμανική την Maschnenfabrik Augsburg Nurnberg συνεργαζόμενη με τη Motorenwerke Mannheim (MAN MWM). Και οι δύο αυτές κοινοπραξίες ειδικεύονταν στις μηχανές Diesel. Την περίοδο αυτή η εταιρεία Harwell και η ομάδα του William Beale ξεκίνησαν έρευνα πάνω στη μηχανή Stirling ελευθέρου εμβόλου (free piston) και ρευστού εμβόλου (liquid piston). 1968 1978 Ήταν μια περίοδος έντονων ερευνών αλλά ξαφνικά η GM, προφανώς στο στάδιο ολοκλήρωσης των ερευνών, αποφάσισε να τερματίσει όλες τις έρευνες της πάνω στη Stirling. Δυστυχώς τα τεράστια έξοδα των ερευνών δεν είχαν τα αντίστοιχα αποτελέσματα και περισσότερα από 300 σχέδια ήταν αδύνατον να εκτελεστούν. Παρόλα αυτά η εργασία πάνω στην αυτοκίνηση δεν εγκαταλείφθηκε, αλλά συνεχίστηκε από την FORD και την Phillips με μια συμφωνία το 1972. Η Σουηδική εταιρεία United Stirling επίσης ασχολιόνταν με μεταφορικές μηχανές μεγάλων αποστάσεων για φορτηγά και λεωφορεία. Την εποχή αυτή ο Walker και ο Martini δημοσίευσαν εργασίες για μηχανές Stirling που προορίζονταν για ναυτική χρήση. Το 1968 ξεκίνησαν οι εργασίες των συνεργασιών της Phillips με την Σουηδική United Stirling πάνω στην ρομβική μηχανή 1 98 και την 4 615. Από την άλλη μεριά η MAN MWM εγκατέλειψε τη μελέτη της ρομβικής μηχανής και ασχολήθηκε με μηχανές με άτρακτο. Η περίοδος των ρομβικών μηχανών έφτασε στο τέλος της στα τέλη του 1971. Μέχρι το τέλος της περιόδου αυτής έγιναν πολλές έρευνες πάνω σε μηχανές τόσο με υγρό όσο και στερεό καύσιμο με σκοπό την εφαρμογή τους σε αυτοκίνητα. Η ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 70

United Stirling ανέπτυξε τα sliding seal τα οποία αν και δεν έλυσαν το πρόβλημα στεγανότητας των κελυφών των διωστήρων, παρόλα αυτά βελτίωσαν την λειτουργία της μηχανής. Η επιτυχία που είχαν οι έρευνες της Ford είχαν σαν συνέπεια την υπογραφή συμβολαίου με το USA Energy Research an Development Administration (ERDA) το 1975 και το Department of Energy (D of E) το 1977. Η επιτυχής λειτουργία της Ρ σειράς της United Stirling που χρησιμοποιούσε τον στρόφαλο Ricardo U-crank οδήγησε στο ενδιαφέρον πολλών ευρωπαϊκών και αμερικανικών εταιρειών. Αυτοί ενδιαφέρθηκαν για εφαρμογές εκτός της αυτοκίνησης, όπως ηλεκτρικές γεννήτριες από ηλιακή ενέργεια, μηχανές υποβρυχίων και τηλεκατευθυνόμενοι ηλεκτροκινητήρες με στερεό καύσιμο. Στην πραγματικότητα τόσες πολλές εταιρείες και οργανισμοί ασχολήθηκαν που ήταν πλέον αδύνατον να καταγράψει κάποιος όλα τα επιτεύγματα. Συμφωνίες με εταιρείες και πανεπιστήμια υπογράφτηκαν στην Μεγάλη Βρετανία και την Ιαπωνία και μέχρι το τέλος του 1978 πάνω από 100 ομάδες ήταν γνωστό ότι μελετούσαν τη μηχανή Stirling. Οι μηχανές ελευθέρου εμβόλου άρχισαν να αναπτύσσονται εκείνη την εποχή και τόσο η εφαρμογή του Harwell όσο και αυτή του Beale βρήκαν εμπορική απήχηση. 1978 Σήμερα H έρευνα των Ford Phillips και του Department of Energy τερματίστηκε το 1978 αφού οι συνθήκες δεν ήταν ιδανικές για τις μηχανές Stirling και το κυρίως πρόγραμμα της αυτοκίνησης απασχολούσε ήδη μεγάλες εταιρείες όπως η Mechanical Technologies, η United Stirling και η GM. Ο οργασμός έρευνας πάνω στην μηχανή Stirling αυξήθηκε τρομερά αλλά η εξέλιξη πραγματοποιείται με τον συνδυασμό των τεχνολογιών και όχι με τη διαφορά και την συνεχή καινοτομία. Δεν μπορούμε να πούμε ότι δεν έγιναν σημαντικές ανακαλύψεις το διάστημα αυτό, το αντίθετο. Η εξέλιξη σε όλα τα μέτωπα θα γίνει πιο παραγωγική από τη στιγμή που σε όλα τα προγράμματα καθοριστεί μια και σαφής εφαρμογή. Παράδειγμα της σημερινής ενασχόλησης με την μηχανή Stirling είναι η σύγχρονη ηλεκτρογεννήτρια της Γερμανικής εταιρίας SOLO που παράγει ηλεκτρική ισχύ 2-9 kw από 8-24 kw θερμική ισχύ(εικόνα 3.5). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 71

Εικόνα3.5: Ηλεκτρική Γεννήτρια της SOLO Στην εικόνα 3.6 φαίνεται ένα ενεργειακό ηλιακό σύστημα της Σουηδικής εταιρίας Kockums. Στην γειτονιά της εστίας του κατόπτρου βρίσκεται μια εργοπαραγωγός Stirling. Το τμήμα ενέργειας της Kockums υποστηρίζει ότι μέχρι το έτος 2020 θα υπάρχουν μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος ίσως και μεγαλύτερες από 7 MW. Εικόνα 3.6: Ενεργειακό ηλιακό σύστημα της Σουηδικής εταιρίας Kockums Με την παρακάτω δήλωση, γνωστοποιήθηκε η συμφωνία για την κατασκευή της μεγαλύτερης ηλιακής εγκατάστασης στο κόσμο που χρησιμοποιεί την τεχνολογία της Stirling μηχανής για την παραπάνω εταιρία. 20-year purchase agreement between Southern California Edison and Stirling Energy Systems, Inc. will result in 20,000+ dish array, covering 4,500 acres, and capable of generating 500 MW -- more electricity than all other present U.S. solar projects combined. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 72

"We operate in a competitive marketplace. While [for confidentiality reasons] we cannot give out precise dollar amounts for how much these installations will cost, we believe the final agreement is very beneficial to our customers. We do not need any subsidies to make this work." -- Gil Alexander (Aug. 11, 2005) Spokesperson, Southern California Edison Για το συγκεκριμένο ηλιακό πάρκο, η προσφορά της Stirling μηχανής είναι η παροχή καθαρής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό σε περιόδους αύξησης τιμών των ορυκτών είτε λόγω έλλειψης είτε λόγω ανησυχίας εκπομπής επιβλαβών αερίων για την υγεία και το περιβάλλον, και έτσι υπολογίζεται να έχουμε την εξυπηρέτηση 278.000 σπιτιών για ένα ολόκληρο έτος στις ΗΠΑ. 3.3 Εφαρμογές Stirling μηχανής στην θάλασσα Στα τέλη της δεκαετίας του 1980 η Σουηδική εταιρία Kockums προσάρμοσε μια μηχανή Stirling (Εικόνα 3.7) στο υποβρύχιο Nacken του Βασιλικού Σουηδικού Ναυτικού. Το υποβρύχιο τοποθετήθηκε αρχικά στη δεξαμενή του ναυπηγείου, κόπηκε στα δύο και εισήχθη ένα πλήρως εφοδιασμένο σύστημα ΑΙΡ μήκους οκτώ μέτρων. Τα χρόνια των πρακτικών θαλάσσιων δοκιμών που ακολούθησαν ήταν εξαιρετικά ικανοποιητικά και οδήγησαν στην εγκατάσταση των συστημάτων Stirling ΑΙΡ στα νέα υποβρύχια τύπου Gotland. Αλλά τι ακριβώς είναι το σύστημα Stirling ΑΙΡ και ποια τα πλεονεκτήματά του; Εικόνα 3.7: Σύγχρονο Σουηδικό υποβρύχιο κινούμενο με μηχανή Stirling ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 73

Το κύριο χαρακτηριστικό του συστήματος πρόωσης ανεξαρτήτως αέρα (Εικόνα 3.8,3.9) της Kockums (ΑΙΡ) είναι η χρήση μηχανών Stirling. Αυτές καίνε diesel με καθαρό οξυγόνο σε θάλαμο καύσης υψηλής πίεσης. Η πίεση της καύσης είναι υψηλότερη από την πίεση του περιβάλλοντος θαλασσινού νερού (υδροστατική πίεση), επιτρέποντας έτσι στα προϊόντα της καύσης, που διαλύονται στο νερό, να αποβάλλονται από το υποβρύχιο χωρίς της χρήση συμπιεστή. Το οξυγόνο αποθηκεύεται σε υγρή μορφή (LOX) σε κρυογονικές δεξαμενές. Ο χρόνος παραμονής κάτω από το νερό καθορίζεται κυρίως από την ποσότητα του αποθηκευμένου υγρού οξυγόνου (LOX). Το σύστημα Kockums Stirling AIP αυξάνει έτσι σημαντικά την παραμονή του υποβρύχιου κάτω από την επιφάνεια του νερού και προσφέρει μια εναλλακτική λύση στην παροχή ενέργειας από συσσωρευτές. Αυτό σημαίνει λιγότερο συχνές απαιτήσεις, επαναφόρτισης συσσωρευτών, με τη βοήθεια γεννητριών diesel, η οποία είναι μια θορυβώδης διαδικασία. Αντί για χρόνο παραμονής κάτω από την επιφάνεια του νερού της τάξεως ολίγων ημερών, ένα υποβρύχιο με σύστημα Stirling AIP μπορεί να τον παρατείνει σε εβδομάδες, υπερτερώντας έτσι κάθε άλλου συμβατικού υποβρυχίου. Επίσης το σύστημα είναι πρακτικά απαλλαγμένο κραδασμών, αθόρυβο και βαρύ, δηλαδή το υπέρυθρο σήμα εκπομπής του είναι πολύ χαμηλό. Όταν εξαντληθούν τα αποθέματα υγρού οξυγόνου (LOX), το υποβρύχιο παραμένει ένα ισχυρό συμβατικό υποβρύχιο. Έχει χαμηλό κόστος αγοράς και χαμηλό κόστος κύκλου λειτουργίας. Το σύστημα Stirling AIP μπορεί να συμπεριληφθεί στο σχεδιασμό νέων υποβρυχίων, όπως στα Σουηδικά τύπου Gotland και στα Αυστραλιανά τύπου Collins τα οποία είναι προετοιμασμένα για την εγκατάσταση αυτή. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 74

Εικόνα 3.8: Το Σύστημα Stirling AIP της Kockums Εικόνα 3.9: Η αρχή του συστήματος Stirling AIP της Kockums 3.4 Εφαρμογές Stirling μηχανής στο διάστημα Η NASA (Glenn Research Center-Rockwell International) το Μάρτιο του 1993 δημοσίευσε μία ολοκληρωμένη μελέτη με τον τίτλο Lunar Electric Power Systems Utilizing the SP-100 Reactor Coupled to Dynamic Conversion Systems. Στη μελέτη αυτή παρουσιάζεται μία ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 75

εφαρμογή μηχανής Stirling η οποία καταναλώνοντας πυρηνικό καύσιμο παράγει ηλεκτρική ενέργεια η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις ανάγκες ενός διαστημικού σταθμού. Ο σταθμός αυτός μπορεί να είναι εγκατεστημένος πάνω στην επιφάνεια ενός απομακρυσμένου πλανήτη ή να βρίσκεται πάνω σε διαστημικό όχημα που κινείται στις εσχατιές του Ηλιακού συστήματος όπου η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας είναι ασήμαντη. Η καθαρή ηλεκτρική ισχύς είναι 550 kw στα 70Hz, η πραγματική απόδοση 29.7%, η θερμοκρασία στην έξοδο του αντιδραστήρα 1355 K, η θερμοκρασία στο θερμαντήρα 1265 K και η θερμοκρασία στον Ψύκτη 602 K. Χρησιμοποιώντας σαν εργαζόμενο ρευστό το Ήλιο, έχει μέση πίεση 150 bar. Η διάρκεια ζωής του αντιδραστήρα με πλήρη ισχύ είναι 9.6 χρόνια. Οι τέσσερις επιφάνειες ακτινοβόλησης ενέργειας που συνδέονται με τον ψύκτη έχουν διαστάσεις 6 x 9 m, ο δε εναλλάκτης του χρησιμοποιεί NaK για την αποβολή της θερμότητας. Για την ελαχιστοποίηση των κραδασμών η μηχανή έχει αντικριστή διάταξη. Εικόνα 3.10: Stirling ελευθέρων εμβόλων για διαστημική χρήση Στην Εικόνα 3.10 παραπάνω φαίνεται μια άλλη δικύλινδρη βοηθητική μηχανή Stirling ελευθέρων εμβόλων (Free piston) παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος 25 kw (12.5 kw/κύλινδρο), στα 100 Hz, με συνολική απόδοση 25%. Χρησιμοποιεί σαν εργαζόμενο μέσο το Ήλιο, σε μέση πίεση 150 bar, με θερμοκρασία στο θερμό άκρο 650 K και θερμοκρασία στο ψυχρό άκρο 325 K. 3.5 Άλλες εφαρμογές της Stirling μηχανής ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 76

3.5.1 Η ψυκτική μηχανή Οι μηχανές Stirling λειτουργούν πολύ καλά και ως ψυκτικές. Οι δυνατότητες αυτές είχαν αναγνωριστεί ήδη από το 1834, από τον John Herschel. Ο 1876 ο Alexander Kirk περιέγραψε μια μηχανή ψύξης η οποία χρησιμοποιούνταν δέκα χρόνια. Ωστόσο, μόνο προς τα τέλη της δεκαετίας του 1940 έγιναν σοβαρές προσπάθειες ως προς την εμπορική ανάπτυξη των ψυκτικών μηχανών κύκλου Stirling. Αυτό το ανέλαβε η εταιρεία Philips στο Eindhoven. Η πρώτη ψυκτική μηχανή παρουσιάστηκε το 1953 και ήταν ένας υγροποιητής αέρα. Από τότε, περαιτέρω έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη μιας ποικιλίας ψυκτικών μηχανών Stirling που αφορούν ψυκτική ικανότητα ευρέως φάσματος, και στην κατασκευή σχετικού εξοπλισμού για κρυογονική έρευνα και βιομηχανικές εφαρμογές. Ως τώρα, οι ψυκτικές μηχανές κύκλου Stirling έχουν αποδειχθεί πιο κατάλληλες για το κρυογονικό πεδίο (δηλαδή για εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες), σε αντίθεση με το πεδίο υψηλών θερμοκρασιών (οικιακού και βιομηχανικού ενδιαφέροντος) το οποίο κυριαρχείται προς το παρόν από ψυκτικές μηχανές συμπίεσης ατμού π.χ. Αμμωνίας, R22 [CHClF2] και άλλων οικολογικότερων ψυκτικών ρευστών. Άλλοι κατασκευαστές έχουν εισέλθει στην αγορά των μικρών (και μικροσκοπικών) κρυογονικών μηχανών ψύξης οι οποίες χρησιμοποιούνται σαν βοηθητικές σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, κυρίως σε ανιχνευτικούς μηχανισμούς με υπέρυθρη ακτινοβολία για ποικιλία στρατιωτικών και πολιτικών σκοπών. Η ανάπτυξη, από τον Samuel Collins στο M.I.T., μιας σχετικά μη δαπανηρής και αξιόπιστης μηχανής εκτόνωσης, ικανής να υγροποιεί Ήλιο, ήταν ανάμεσα στα πιο σημαντικά βήματα στην κρυογονική τεχνική, διευρύνοντας σε σημαντικό βαθμό τις δυνατότητες μελέτης αυτού του στοιχείου. Είναι ανυπολόγιστης αξίας τα μελλοντικά πλεονεκτήματα της έρευνας στο πεδίο της υπεραγωγιμότητας και της μικροηλεκτρονικής. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 77

Εικόνα 3.11: Ψυκτική μηχανή SPC-1 Οι συνήθεις ψυκτικές μηχανές Stirling λειτουργούν με εργαζόμενο μέσο το Ήλιο. Χρησιμοποιούνται σε αρκετά εργαστήρια για την επίτευξη χαμηλότερων θερμοκρασιών και από 12 Κ. Ενδεικτικά αναφέρονται: i) Βιομηχανικό ψυγείο ψυκτικής ικανότητας 20 kw στα 70 K το οποίο παράγει 250 L υγρό N2 την ώρα με κλασματική απόσταξη αέρα. Η απόδοση στη θερμοκρασία αυτή είναι περίπου 42% της τιμής της απόδοσης Carnot. H τετρακύλινδρη αυτή μηχανή που έχει μάζα 6.500 kg και διαστάσεις 1.6x3x2 m, οδηγείται από μοτέρ 240 HP. ii) Minicooler της Philips. Έχει ψυκτική ικανότητα 1W, μήκος 22cm, βάρος 2 kg, χρόνο πτώσης της θερμοκρασίας λιγότερο από 15 min, ακουστικό θόρυβο μικρότερο από 40 db στα 8 m, συντήρηση μετά από 2.500 ώρες λειτουργίας. Χρησιμοποιείται κυρίως για ψύξη διαφόρων ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών (lasers, ανιχνευτές υπερύθρων κλπ). Στην Εικόνα 3.11 φαίνεται μία επιδαπέδια ψυκτική μηχανή, η SPC-1, της Ολλανδικής εταιρίας Stirling Cryogenics & Refrigeration BV. Έχει μάζα 600kg, εργάζεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος έως 45 C, με μέγιστη σχετική υγρασία 95%, έχει ψυκτική ικανότητα 1kW στους 70K ή 3kW στους 200K, ψύχει 750 L νερό ανά ώρα και απαιτεί συντήρηση κάθε 6.000 ώρες λειτουργίας. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 78

Εικόνα 3.12: Ο cryocooler CryoTel Στην Εικόνα 3.12 φαίνεται μία μικρή κρυογονική μηχανή, η CryoTel, της Αμερικανικής εταιρίας Sunpower. Έχει ψυκτική ικανότητα 6W στους 60Κ, συχνότητα 60Hz, καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύ 155W, διάρκεια ζωής 50.000 ώρες, εργάζεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από 40ο C έως 60oC, και ενδεικτική τιμή αγοράς 10.000$. 3.5.2 Ειδικές μηχανές Stirling 3.5.2.1 Free piston Από τις πιο καινούριες εφαρμογές του κύκλου Stirling είναι η μηχανή με διαμόρφωση ελευθέρων εμβόλων την οποία σχεδίασε και κατασκεύασε στις αρχές του 1960 οwilliam T Beale (Εικόνα 3.13). Οι μηχανές αυτές λειτουργούν χωρίς φυσικές συνδεσμολογίες. Στηρίζονται μόνο στις πιέσεις των αερίων για να μεταβιβάσουν τις σωστές κινήσεις στα παλινδρομούντα μέρη. Τέτοιες μηχανές έχουν το πλεονέκτημα της απλότητας, του χαμηλού κόστους, και της αξιοπιστίας σε σχέση με τις συμβατικές μηχανές Stirling. Εικόνα 3.13: Μηχανή Ελευθέρου Εμβόλου ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 79

Οι μηχανές αυτές μπορούν να λειτουργούν με σταθερή συχνότητα και αναπτύχθηκαν για ποικίλες εφαρμογές μερικές από τις οποίες είναι οι αντλίες θερμότητας, οι ηλιακοί ηλεκτρικοί εναλλάκτες, οι απομακρυσμένες γεννήτριες ισχύος, τα ολικά συστήματα ενέργειας, οι αντλίες νερού κλπ. [Walker and Senft, 7]. 3.5.2.2 Χαμηλής διαφοράς θερμοκρασίας Μία επίσης ενδιαφέρουσα κατηγορία μηχανών Stirling είναι αυτές που λειτουργούν με μικρή διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής και ψυχρής δεξαμενής. Συνήθως οι μηχανές αυτές είναι μεγάλων διαστάσεων και μαζών. Η διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να φθάσει μόλις ένα με δύο βαθμούς. Έχουν κατασκευαστεί επίσης μηχανές χαμηλής διαφοράς θερμοκρασίας που λειτουργούν με ηλιακή ενέργεια. Η απόδοση αυτών των μηχανών είναι μικρή αλλά μπορούν να εκμεταλλευθούν θερμές πηγής όχι ιδιαίτερα υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. Γεωθερμία). Στην Εικόνα 3.14 φαίνεται μία μηχανή Ιαπωνικής προέλευσης, 300 W που λειτουργεί με υψηλή θερμοκρασία μόλις 130οC και με χαμηλή 15οC. Ο εναλλάκτης που συνδέεται με τον θερμαντήρα έχει παροχή 20 L/min Αιθυλενογλυκόλη, ενώ ο εναλλάκτης που συνδέεται με τον ψύκτη έχει παροχή 20 L/min νερό. Εικόνα 3.14: Μηχανή χαμηλής διαφοράς θερμοκρασίας 3.5.3 Συμπέρασμα Στα 1816 η ιδέα από τον R. Stirling ήταν πρωτοποριακή αφού ο κινητήρας του λειτουργεί χωρίς χρήση βαλβίδων (σε αντίθεση με τις ΜΕΚ), σε κλειστό χώρο με το εργαζόμενο μέσο να χρησιμοποιείται συνεχώς. Το έμβολο ισχύος βρίσκεται στην κρύα περιοχή του κινητήρα ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 80

και η παρουσία του αναγεννητή (regenerator) αυξάνει την απόδοση του πραγματικού κύκλου [Urieli, Berchowitz, 6]. Σήμερα οι μηχανές Stirling διεγείρουν σημαντικά το ενδιαφέρον μας αφού ρυπαίνουν ελάχιστα, λειτουργούν αθόρυβα, πρακτικά χωρίς ταλαντώσεις (σέβονται το περιβάλλον), καταναλώνουν πολλαπλά καύσιμα (ηλιακή ενέργεια, διάφορα στερεά, υγρά ή αέρια καύσιμα, ακόμα και πυρηνικό καύσιμο), λειτουργούν αναστρέψιμα (σαν θερμικές μηχανές ή αντλίες θερμότητας), παρουσιάζουν μηχανολογική απλότητα, πολλαπλές εφαρμογές, μέγιστη απόδοση (θεωρητικά όση του κύκλου Carnot). Τα μειονεκτήματα των μηχανών Stirling εντοπίζονται κυρίως: I. Στο υψηλό κόστος κατασκευής των. Συνήθως κοστίζουν τουλάχιστον διπλάσια τιμή σε σχέση με τις μηχανή Diesel της ίδιας αποδιδόμενης ισχύος. Αυτό οφείλεται στα ακριβά τμήματα της μηχανής (π.χ. Heater). Στα στεγανωτικά (Seals) τα οποία πρέπει να είναι πολύ καλής ποιότητας για να μη διαρρέει το εγκλωβισμένο εργαζόμενο μέσο, το οποίο συνήθως έχει μικρό ΜΒ και εργάζεται σε υψηλές ταχύτητες και υπό μεγάλες πιέσεις. II. Στην έλλειψη εξειδικευμένου τεχνικού προσωπικού για την συντήρηση των μηχανών. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 81

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 82

4. Ανάλυση συστήματος-περιγραφή 4.1 Η θερμοδυναμική ανάλυση του κύκλου Stirling Η ανακάλυψη της μηχανής Stirling από τον Robert Stirling, προς τιμή του οποίου η μηχανή πήρε και το όνομα αυτό χαρακτηρίζεται στις μέρες μας συναρπαστική. Ο λόγος όμως για αυτό το χαρακτηρισμό, δεν είναι άλλος παρά οι αρχές θερμοδυναμικής που στηρίχτηκε ο ίδιος για να κατασκευάσει τη μηχανή του χωρίς να υπάρχουν οι αρχές αυτές ως θεμελιωμένα αποστάγματα της επιστήμης και της τεχνολογίας. Εδώ πρέπει να αναφέρουμε ότι ο Sadi Carnot παρουσίασε την θεωρία του Reflection on the Motive Power of Fire το 1824, ενώ ο Joule καθόρισε το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας και έτσι έθεσε τις βάσεις για την διατύπωση του 1ου θερμοδυναμικού νόμου μόλις το 1849. Η καινούργια μηχανή Stirling παρουσίαζε πολλές καινοτομίες με αντίστοιχα μηχανικά επιτεύγματα της εποχής. Όπως: Δεν χρησιμοποιούσε βαλβίδες ή θυρίδες για την εισαγωγή και εξαγωγή του εργαζόμενου μέσου. Λειτουργούσε σε έναν κλειστό κύκλο, δηλαδή το εργαζόμενο μέρος μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ξανά και ξανά. Αυτό επέτρεπε την ελάχιστη πίεση του κύκλου λειτουργίας να είναι λίγο μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής, με αποτέλεσμα την ανάλογη αύξηση του παραγομένου έργου. Ο Stirling κατάφερε να υλοποιήσει αυτά τα σχέδιά του στην πιο πετυχημένη μηχανή που κατασκεύασε το 1846. Το έμβολο ισχύος βρισκόταν απομονωμένο στο κρύο άκρο της μηχανής. Εισήγαγε έναν «οικονομητήρα» (τώρα είναι γνωστός ως «αναγεννητής») για την αποθήκευση θερμότητας κατά τη διάρκεια μιας φάσης του κύκλου λειτουργίας και επαναχρησιμοποίησης της κατά την διάρκεια του υπόλοιπου μέρους του κύκλου. Αυτό το συγκεκριμένο γεγονός ήταν η μεγαλύτερη συνεισφορά της ανακάλυψης αυτής. Τα επόμενα 100 χρόνια πολλές «ανακαλύψεις» είδαν το φως της δημοσιότητας χωρίς να αναγνωρίζουν την σημαντική αξία του αναγεννητή, του οποίου την χρησιμότητα είχε αμέσως αναγνωρίσει ο Stirling. Ο αναγεννητής βοηθούσε στην βελτίωση της απόδοσης του κύκλου λειτουργίας. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 83

Ο Stirling οραματίστηκε μια μηχανή που να λειτουργεί συνεχώς, και όλη η προδιδόμενη θερμότητα να μετατρέπεται σε ωφέλιμο έργο. Αυτό μπορούσε θεωρητικά να συμβεί αφού το αρχικό σχέδιο δεν περιελάμβανε ψύκτη αλλά μόνο αναθερμαντή. Η θεωρία του Carnot αναφέρει ότι οι μηχανές που λειτουργούν στις ίδιες θερμοκρασιακές συνθήκες θα έχουν και τον ίδιο βαθμό απόδοσης, ο οποίος θα είναι βέβαια πάντα μικρότερος από τον ιδανικό βαθμό απόδοσης Carnot (Carnot 1824). Αυτό το αξίωμα αποδείχθηκε από τους Celsius και Kelvin και ήταν η βάση για τον 2ο θερμοδυναμικό νόμο. Η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας θεωρείται ως ισοθερμοκρασιακή. Έτσι οι δύο θερμοκρασίες που αναφέρονται από τον Carnot είναι η υψηλή θερμοκρασία στην οποία η θερμότητα προστίθεται αντιστρεπτά και η χαμηλή θερμοκρασία στην οποία η θερμοκρασία απορρίπτεται αντιστρεπτά επίσης. Η διαδικασία που συνδέει την προσαγωγή με την απόρριψης της θερμότητας, πρέπει να είναι αδιαβατική. Ο ιδανικός κύκλος Stirling επίσης ικανοποιεί τις απαιτήσεις αντιστρεπτής λειτουργίας του Carnot και περιγράφεται στις Εικόνες 4.2 έως 4.6. Εικόνα 4.1:Σχηματική αναπαράσταση μιας μηχανής Stirling P-40 Είναι γνωστό ότι ο θερμοδυναμικός κύκλος του Stirling (Εικόνα 2.2) αποτελείται διαδοχικά από τέσσερις αντιστρεπτές μεταβολές: ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 84

i. Iσοθερμοκρασιακή εκτόνωση, ii. Ισόογκη ψύξη, iii. Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση και iv. Ισόογκη θέρμανση. Η θεωρητική απόδοση e th του κύκλου είναι ίση με την θεωρητική απόδοση του κύκλου Carnot εφόσον χρησιμοποιηθούν θερμές δεξαμενές μεγάλης θερμοχωρητικότητας της ίδιας υψηλής θερμοκρασίας Τ1 και ψυχρές δεξαμενές μεγάλης θερμοχωρητικότητας της ίδιας χαμηλής θερμοκρασίας Τ2 (T1 > T2 ). Για τη θεωρητική απόδοση e th του κύκλου Carnot έχουμε: Η πραγματική απόδοση e r της μηχανής είναι σαφώς μικρότερη e th. της Εικόνα 4.2: Ο Θερμοδυναμικός κύκλος Stirling σε διάγραμμα P V(α) ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 85

Εικόνα 4.3: Ο Θερμοδυναμικός κύκλος Stirling σε διάγραμμα P V(β) Στο διάγραμμα πίεσης - όγκου (Εικόνα 4.3) η δεξιόστροφη διαγραφή του θερμοδυναμικού κύκλου αντιστοιχεί σε θερμική (εργοπαραγωγό) μηχανή ενώ η αριστερόστροφη σε κρυογονική (cryocooler - ψυκτική). Αναλύουμε τις μεταβολές που έχουμε για τον παραπάνω κύκλο στα τέσσερα στάδια για να έχουμε καλύτερη εποπτεία του συστήματος. A. Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση Το «κρύο» έμβολο κινείται προς τα πάνω σε μια τυχαία θέση συμπιέζοντας το αέριο, το οποίο ταυτοχρόνως κινείται προς τον αναγεννητή με σταθερή χαμηλή θερμοκρασία Tc (Εικόνα 4.5,4.6). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 86

Εικόνα 4.4: Φάσεις ισοθερμοκρασιακής συμπίεσης Τc Η γωνιακή εκτροπή του στρόφαλου μετρούμενη από την κατακόρυφη και με δεξιόστροφη φορά διαγραφής στην αρχή της φάσης είναι μηδέν. Στο τέλος της πρώτης φάσης ο στρόφαλος στις 90 ο. Εικόνα 4.5: Φάση ισοθερμοκρασιακής συμπίεσης Τc διάγραμμα P V B. Ισόχωρη θέρμανση Το «κρύο» έμβολο εξακολουθεί και κινείται προς την ίδια κατεύθυνση μέχρι το άνω νεκρό σημείο. Το «θερμό» έμβολο, ταυτοχρόνως κινείται προς τα κάτω (δηλαδή στην αντίθετη κατεύθυνση ώστε να διατηρείται ο όγκος σταθερός) και βρίσκεται σε μια τυχαία θέση. Έτσι το εργαζόμενο μέσο διέρχεται μέσα από τον αναγεννητή. Από τον προηγούμενο κύκλο λειτουργίας είχε αποθηκευτεί στον αναγεννητή θερμότητα και καθώς το εργαζόμενο μέσω διέρχεται από αυτόν αυξάνεται η θερμοκρασία του. Καθώς ο όγκος παραμένει σταθερός, η αύξηση αυτή της θερμοκρασίας του εργαζόμενου μέσου προκαλεί και αύξηση της πίεσης του (Εικόνα 4.7, 4.8). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 87

Εικόνα 4.6: Φάσεις ισόχωρης θέρμανσης Στην αρχή της φάσης ο στρόφαλος στις 90 ο ενώ στο τέλος στις 180 ο. Εικόνα 4.7: Φάση ισόχωρης θέρμανσης διάγραμμα P V C. Ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση Το αέριο βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία (Th) και εκτονώνεται. Στην εκτόνωση το «θερμό» έμβολο ωθείται προς τα κάτω, στο κάτω νεκρό σημείο(εικόνα 4.9, 4.10). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 88

Εικόνα 4.8: Φάσεις ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης Τh Στην αρχή της φάσης ο στρόφαλος στις 180 ο ενώ στο τέλος στις 270 ο. Εικόνα 4.9: Φάση ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης Τh διάγραμμα P V D. Ισόχωρη ψύξη Το «θερμό» έμβολο κινείται τώρα προς την υψηλότερη θέση του και το «κρύο» έμβολο συγχρόνως κινείται προς το χαμηλότερο σημείο διατηρώντας τον όγκο σταθερό. Το εργαζόμενο μέσο αποδίδει θερμότητα στο πλέγμα του αναγεννητή καθώς διέρχεται από αυτόν. Άρα καθώς ο όγκος μένει σταθερός, η πίεση του μειώνεται. Η θερμότητα αυτή αποθηκεύεται στον αναγεννητή ώστε να αποδοθεί ξανά στο εργαζόμενο μέσο καθώς αυτό θα ξαναπεράσει από εκεί στον επόμενο κύκλο και στη φάση της ισοθερμοκρασιακής συμπίεσης(εικόνα 2.9, 2.10). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 89

Εικόνα 4.10: Φάσεις ισόχωρης ψύξης Στην αρχή της φάσης ο στρόφαλος στις 270 o ενώ στο τέλος στις 360 ο. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 90

Εικόνα 4.11: Φάσεις ισόχωρης ψύξης διάγραμμα P V Διάγραμμα Ρ-V και παραγόμενο έργο: Το παραγόμενο έργο σε κάθε κύκλο λειτουργίας της μηχανής είναι το εμβαδόν που περικλείεται από τη κλειστή μεταβολή στο P-V διάγραμμα της Εικόνας 2.10. Η λογική που προκύπτει το αποτέλεσμα αυτό στηρίζεται στον 1 ο και το 2 ο θεμελιώδη νόμο της θερμοδυναμικής για μια κυκλική θερμοδυναμική διαδικασία. Πιο συγκεκριμένα, σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, έχουμε ως αποτέλεσμα ότι σε μια κυκλική διεργασία η διαφορά της εσωτερικής δυναμικής ενέργειας είναι μηδέν για κάθε κύκλο και ως απόρροια αυτού έχουμε ότι η θερμότητα που προστίθεται στο σύστημα είναι και το καθαρό έργο που παράγεται σε κάθε κύκλο. Επίσης, από τα χαρακτηριστικά της κάθε μεταβολής γνωρίζουμε ότι στην ισόχωρη μεταβολή δεν παράγεται έργο και έτσι η θερμότητα που προστίθεται στο σύστημα μετατρέπεται σε εσωτερική δυναμική ενέργεια έτσι ώστε να ικανοποιείται η αρχή διατήρησης ενέργειας. Στη ισόθερμη μεταβολή, έχουμε την μεταβολή εσωτερικής ενέργειας μηδενική γιατί η θερμοκρασία παραμένει σταθερή και έτσι η θερμότητα που προστίθεται στο σύστημα είναι το έργο που παράγεται στη συγκεκριμένη μεταβολή. Για να προκύψει ο τύπος με τον οποίο θα υπολογίσουμε το συνολικό έργο που παράγεται σε κάθε κύκλο, θα αναλύσουμε το δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο ο οποίος χαρακτηρίζεται ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 91

ωε θεμελιώδης νόμος για τη λειτουργία των θερμικών μηχανών, μια εκ των οποίων είναι και η μηχανή Stirling. Σύμφωνα με αυτόν, είναι αδύνατη η κατασκευή μηχανής που θα μπορεί συνεχώς να μετατρέπει εξολοκλήρου τη θερμική ενέργεια σε οποιαδήποτε άλλη μορφή ενέργειας. Ισοδύναμα, η κατασκευή μηχανής που ακολουθεί μια κυκλική διεργασία, δεν παράγει άλλο αποτέλεσμα παρά μόνο την απορρόφηση θερμότητας από τη δεξαμενή που μας δίνει θερμότητα και την παραγωγή ισόποσου έργου. Με βάση τα παραπάνω, μπορούμε να καταλήξουμε με βάση τα στοιχεία της κυκλικής διεργασίας στον τύπο που μας δίνει το καθαρό έργο. Αυτό είναι τα η διαφορά μεταξύ της παραγόμενης θερμότητας εκτόνωσης και της απαιτούμενης θερμότητας συμπίεσης. Θα συνοψίσουμε τα παραπάνω με μαθηματικές σχέσεις έτσι ώστε να γίνεται πιο κατανοητή η ροή του σκεπτικού που θα μας δώσει το συνολικό έργο. Q=U+W, αρχή διατήρησης ενέργειας W=0, ΔU=Q, ιδανική ισόχωρη μεταβολή vf v f W=Q= PdV=nRTln( ), ΔU=0, ιδανική ισόθερμη μεταβολή v v i i W net=wout -Win Qh-Q c, καθαρό έργο στην κυκλική διεργασία(1ος ΘΝ) Qh W, (2ος ΘΝ) Εξειδικεύουμε το παραπάνω σκεπτικό, με βάση τους αριθμούς που έχουμε δώσει στο σχήμα της κυκλικής διεργασίας ώστε να υπολογίσουμε το καθαρό έργο που παράγεται. Σημειώνεται ότι στο διάγραμμα αυτό το συνολικά παραγόμενο έργο μπορεί να θεωρηθεί ως η διαφορά του παραγόμενου κατά την εκτόνωση έργου μείον το απαιτούμενο κατά την συμπίεση έργο. Το παραγόμενο κατά την εκτόνωση έργο ισούται με το εμβαδόν του χωρίου που καθορίζεται από τις μεταβολές 2-3, 3-4 και 4-1, αν οι γραμμές 2-3 και 4-1 προεκταθούν μέχρι να κόψουν τον άξονα του όγκου V. To απαιτούμενο έργο συμπίεσης ισούται με το εμβαδόν του χωρίου που βρίσκεται κάτω από την μεταβολή 1-2 και μέχρι τον άξονα του όγκου V. Το αποτέλεσμα είναι φυσικά η επιφάνεια που περικλείεται από τις μεταβολές 1-2, 2-3, 3-4, 4-1. Έτσι όσο πιο πολλούς κύκλους στον χρόνο πραγματοποιεί η μηχανή τόσο πιο μεγάλη θα είναι και η παραγόμενη ισχύς της. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 92

Εικόνα 4.12: Κυκλική διεργασία Παρ όλα αυτά είναι εξαιρετικά δύσκολο να προσεγγίσουμε την ισοθερμοκρασιακή μεταβολή του εργαζόμενου μέσου με χρήση συμβατών εναλλακτών θερμότητας. Οι αναγεννητές από την άλλη μεριά παρουσιάζουν βαθμό απόδοσης της τάξης του 98%. Γι αυτό προτείνεται η χρήση ξεχωριστών εναλλακτών (ψύκτες και αναθερμαντές). Είναι εύκολο λοιπόν να φανταστούμε ότι ο ιδανικός κύκλος Stirling να αποτελείται από δύο ισοθερμοκρασιακές μεταβολές, μία για κάθε εναλλάκτη θερμότητας και δύο ισόχωρες μεταβολές, μία σε κάθε εργαζόμενο χώρο. 4.1.1. Διαμορφώσεις μηχανών Stirling Υπάρχουν αρκετοί τρόποι κατάταξης των μηχανών Stirling. Οι κυριότερες διαμορφώσεις (τύποι) είναι τρεις [3]: 1) Διαμόρφωση Α. Ο κρύος χώρος συμπίεσης και το έμβολο ισχύος ή έμβολο συμπίεσης (ΡΡ) σε ξεχωριστό κύλινδρο από το θερμό χώρο εκτόνωσης όπου υπάρχει το έμβολο εκτόνωσης (P) (Εικόνα 4.13). 2) Διαμόρφωση Β. Το έμβολο ισχύος (ΡΡ) και ο εκτοπιστής (displacer, DP) στον ίδιο κύλινδρο (Εικόνα 4.13). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 93

3) Διαμόρφωση Γ. Το έμβολο ισχύος (ΡΡ) και ο εκτοπιστής (displacer, DP) σε διαφορετικούς κυλίνδρους (Εικόνα 4.13). Εικόνα 4.13:Διαμορφώσεις μηχανής Stirling 4.1.2 Διαμορφώσεις και χρησιμότητα κάθε τύπου Η διάταξη τύπου Άλφα, προτείνεται από τους υποστηρικτές της χρήσης των μηχανών Stirling για αυτοκίνηση, με καλύτερο παράδειγμα την Ford Philips 4-215. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των μηχανών Άλφα τύπου είναι ο απλός τρόπος συναρμολόγησής τους και ο μικρός όγκος τους σε σχέση με την παραγόμενη ισχύ. Εικόνα 4.14: Η μηχανή Ford-Phillips 4-215 Οι μηχανές Βήτα τύπου θεωρούνται οι κλασσικές μηχανές Stirling και είναι δημοφιλείς λόγω της εύκολης έναρξης της λειτουργίας τους. Η αρχική μηχανή που σχεδίασε και κατασκεύασε ο Stirling ήταν μια Βήτα τύπου μηχανή (η οποία είναι αυτή που υπάρχει στην αρχή του κεφαλαίου της ιστορικής αναδρομής). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΗΜ&ΤΥ-ΤΣΑΡΟΥΧΗ Α ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Σελίδα 94