«Μελέτη και Σχεδίαση Αυτοδύναμης Ενεργειακά Αγροτικής Εκμετάλλευσης με χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας»

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Γ.Γ.Ν.Γ.: ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΝΕΩΝ ΑΓΡΟΤΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ «Μελέτη και Σχεδίαση Αυτοδύναμης Ενεργειακά Αγροτικής Εκμετάλλευσης με χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας» ΙΙ. Τροχήλατη Μονάδα Παραγωγής Ενέργειας από Φωτοβολταϊκά Στοιχεία ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΟΜΑΔΑ: Δημήτριος Τσελές, Καθηγητής, Επιστημονικός Υπεύθυνος Κωνσταντίνος Αλαφοδήμος, Καθηγητής Μιχάλης Παπουτσιδάκης, Επ. Καθηγητής Πρόδρομος Φετφατζής Τ.Ε.Ι. Πειραιά- 2011

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα Περίληψη 3 ΚΕΦΑΛΑΙΑ 1. Μελέτη Σχεδιασμού 4 2. Η Κατασκευή 11 3. Επεκτάσεις και Βελτιώσεις 17 4. Παράδειγμα Εφαρμογής Τροχήλατης Μονάδας Παραγωγής ενέργειας σε Αγροτική Καλλιέργεια. 18 5. Παράρτημα Α. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Β. Ψηφιακή Απεικόνιση (Φωτογραφίες) Συστήματος Γ. Πειραματικά Δεδομένα Προσομοιώσεων 20 22 25 Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 2

Περίληψη Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αποτελούν πλέον ένα ευρύ πεδίο έρευνας και εξέλιξης στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας έχει παρουσιάσει ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών, λόγω του χαμηλού κόστους, της ευκολίας στην μετακίνηση και της ικανοποιητικής του απόδοσης. Στην παρούσα μελέτη ερευνάται και σχεδιάζεται ο τρόπος, με τον οποίο μια ολοκληρωμένη φωτοβολταϊκή πλατφόρμα θα μπορούσε να κατασκευαστεί και να τοποθετηθεί πάνω σε ένα τροχήλατο όχημα, το οποίο θα ρυμουλκείται από ένα κοινό αυτοκίνητο. Σκοπός της ευκολίας της μετακίνησης είναι μεταφορά της ηλεκτρογεννήτριας σε απομακρυσμένες περιοχές, στις οποίες δραστηριοποιούνται αγρότες ή/και κτηνοτρόφοι. Οι συγκεκριμένοι επαγγελματίες έχουν απαιτήσεις από παροχή ηλεκτρικής ενέργειας για τις καθημερινές τους δραστηριότητες με πρώτη και κύρια αυτή του φωτισμού. Η λεπτομερής περιγραφή της κατασκευής με σχηματικές απεικονίσεις, δεδομένα λειτουργίας και προδιαγραφές των επιμέρους εξαρτημάτων, παρατίθενται στην παρούσα μελέτη, όπως και μια έρευνα γύρω από πιθανές επεκτάσεις και μελλοντικές βελτιώσεις της κατασκευής. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 3

1. ΜΕΛΕΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Το πιο βασικό και θεμελιώδες εξάρτημα της φωτοβολταϊκής μονάδας παραγωγής ενέργειας είναι το πάνελ, το οποίο μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Στοχεύοντας, για προφανείς λόγους, να κρατηθεί ο λόγος απόδοση προς κόστος μεγάλος, επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ένα πάνελ πολυκρυσταλλικού τύπου με ισχύ 240W. Προκειμένου να γίνει η συνολική διαστασιολόγηση του αυτόνομου συστήματος παραγωγής ενέργειας και να αξιοποιηθούν στο έπακρο οι δυνατότητες απόδοσής του, πραγματοποιήθηκε μία μελέτη βασιζόμενη σε παγκόσμια αποδεκτά κριτήρια και standards, όπως παρατίθενται παρακάτω. Ένα σύστημα αυτόνομο με Φ/Β πάνελ 230Wp πολυκρυσταλλικής τεχνολογίας, όταν βρίσκεται τοποθετημένο σταθερά αποδίδει λιγότερη ενέργεια τους μήνες Δεκέμβριο και Ιανουάριο. Οι δύο παράγοντες που καθορίζουν την σχεδίαση του συστήματος είναι: Η ενεργειακή απόδοση του Φ/Β κατά τους μήνες Δεκέμβριο και Ιανουάριο. Η ποσότητα της απαιτούμενης προς κατανάλωση ενέργειας αυτή την περίοδο. Η μικρή διάρκεια της ημέρας αλλά και η μικρότερη ισχύς του ηλιακού φωτός μειώνουν την ενέργεια που παράγεται αυτούς τους μήνες. Αντίθετα, τους μήνες αυτούς έχουμε την μεγαλύτερη κατανάλωση σε φωτισμό, λόγω της μεγαλύτερης διάρκειας της νύκτας (14 ώρες). Ένα αυτόνομο σύστημα, σταθερό ή σύστημα σταθερής κλίσης, επιλέγεται με το κριτήριο της βέλτιστης επίδοσης σε αυτή την χρονική περίοδο. Τους υπόλοιπους μήνες η ενέργεια ανά μέρα θα είναι περισσότερη αλλά και η απαιτούμενη ενέργεια για φωτισμό θα είναι μικρότερη. Σύμφωνα με τα παραπάνω, επιλέγεται η κλίση των πάνελ, ώστε την περίοδο αυτή να έχουμε την μεγαλύτερη απόδοση. Η κλίση που δίνει την μέγιστη ενέργεια αυτή την περίοδο είναι αυτή των 55 ο 60 ο προς το νότο. Σύμφωνα με το πρόγραμμα PVGIS, το φωτοβολταϊκό σύστημα 230Wp σε περιοχή της Αθήνας μπορεί να έχει απόδοση, η οποία περιγράφεται στον ακόλουθο πίνακα: Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 4

Πίνακας Ι: Απόδοση Φωτοβολταϊκού Συστήματος Σταθερό σύστημα: κλίση=55, προσανατολισμός=0 (Νότιος) Μήνας Μέση Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια (kwh) Μέση Μηνιαία Παραγόμενη Ενέργεια (kwh) ΙΑΝ 1.36 42.3 ΦΕΒ 1.53 42.9 ΜΑΡ 1.89 58.6 ΑΠΡ 1.92 57.6 ΜΑΙ 1.86 57.5 ΙΟΥΝ 1.89 56.6 ΙΟΥΛ 1.92 59.4 ΑΥΓ 2.06 63.9 ΣΕΠΤ 1.95 58.6 ΟΚΤ 1.85 57.3 ΝΟΕ 1.42 42.6 ΔΕΚ 1.16 36.0 Ετήσια Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια 1.74 52.8 Συνολική Ενέργεια για το Έτος (kwh) 633 Παρατηρούμε ότι τους μήνες Δεκέμβριο και Ιανουάριο το σύστημα παρουσιάζει την μικρότερη παραγόμενη ενέργεια 1160 και 1360 Wh αντίστοιχα, όπως ήταν αναμενόμενο εξάλλου, αλλά περισσότερη από εκείνη σε μία κλίση της τάξης των 32 ο, όπου θα παρουσίαζε μέγιστη απόδοση σε όλο το χρόνο. Όμως, τους μήνες Δεκέμβριο και Ιανουάριο, θα είχαμε μικρότερη μέση ενέργεια ανά ημέρα 1040 και 1230 Wh, αντίστοιχα. Από τα παραπάνω προκύπτει, σε ότι αφορά την κλίση προς το Νότο σε σταθερό σύστημα, ότι θα πρέπει να είναι αυτής της τάξης, δηλαδή 55 ο, και θα γίνει διερεύνηση παρακάτω για το αν μεγαλύτερη γωνία είναι προτιμότερη. Το σύστημα που σχεδιάζεται μπορεί να φέρει ηλιοτρόπιο (Tracker). Συγκρίνοντας τις αποδόσεις των ηλιοτροπίων (ηλιακός παρατηρητής-ανιχνευτής), παρατηρείται ότι γενικά το διαξονικό ηλιοτρόπιο παρουσιάζει μεγαλύτερη απόδοση από ένα σταθερό σύστημα και για το συγκεκριμένο σύστημα των 230Wp έχει συνολική ενεργειακή απόδοση 908 kwh ανά έτος, ενώ το σταθερό με 55 ο μόνο 633 kwh. Τους μήνες που μας ενδιαφέρουν, η διαφορά είναι μικρότερη και το διαξονικό σύστημα δίνει μόνο 1310 και 1560Wh, αντίστοιχα, ενώ το σταθερό 1160 και 1360Wh. Επιπλέον, προσφέρει περισσότερη ενέργεια κατά περίπου 15% σε σχέση με το σταθερό σύστημα στις 55 ο τους μήνες που μας ενδιαφέρουν. Ακόμη, αν η κλίση σε μονοαξονικά ηλιοτρόπια (Tracker), όπως αυτά του κατακόρυφου άξονα και κεκλιμένου άξονα, είναι μεγάλη, της τάξης των 55 ο, το σύστημα αποδίδει σχεδόν την ίδια ενέργεια τους μήνες αυτούς, με το διαξονικό σύστημα να μην πλεονεκτεί σημαντικά σε ενεργειακή απόδοση. Στον ακόλουθο πίνακα, δίνεται η σύγκριση των Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 5

διαφορετικών ηλιοτροπίων ανά μήνα. Τα δεδομένα του πίνακα έχουν προκύψει από το πρόγραμμα PVGIS για το παραπάνω σύστημα. Μήνας Πίνακας ΙΙ: Σύγκριση Ηλιοτροπίων Σταθερό σύστημα: κλίση=55, προσανατολισμός=0 (Νότιος) Μέση Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια (kwh) Κατακόρυφου άξονα: κλίση=55 Κεκλιμένου άξονα: κλίση=55 2 αξονικό σύστημα ΙΑΝ 1.36 1.53 1.56 1.56 ΦΕΒ 1.53 1.80 1.82 1.82 ΜΑΡ 1.89 2.41 2.41 2.45 ΑΠΡ 1.92 2.72 2.65 2.79 ΜΑΙ 1.86 2.95 2.79 3.08 ΙΟΥΝ 1.89 3.33 3.08 3.53 ΙΟΥΛ 1.92 3.29 3.09 3.48 ΑΥΓ 2.06 3.15 3.04 3.27 ΣΕΠΤ 1.95 2.59 2.57 2.63 ΟΚΤ 1.85 2.24 2.26 2.26 ΝΟΕ 1.42 1.61 1.63 1.64 ΔΕΚ 1.16 1.29 1.31 1.31 Ετήσια Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια Συνολική Ενέργεια για το Έτος 1.74 2.41 2.35 2.49 633 880 859 908 Στο παρακάτω γράφημα παρουσιάζονται καμπύλες απόδοσης, στις οποίες καταγράφεται ότι τους μήνες Σεπτέμβριο, Οκτώβριο, Νοέμβριο, Δεκέμβριο, Ιανουάριο, Φεβρουάριο και Μάρτιο τα μοναξονικά συστήματα (για κλίση 55 ο ) έχουν ενεργειακή απόδοση παραπλήσια με το διαξονικό σύστημα. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 6

Εικόνα 1: Απόδοση Φωτοβολταϊκών Συμπερασματικά, προκύπτει ότι το διαξονικό σύστημα έχει μικρό ενεργειακό προβάδισμα, μόνο το καλοκαίρι, ενώ τους χειμερινούς μήνες τα μονοαξονικά συστήματα έχουν απόδοση εφάμιλλη με το διαξονικό και το σύστημα κατακόρυφου άξονα να έχει πολύ μικρή διαφορά στην συνολική ετήσια απόδοση, σχετικά με το διαξονικό. Παρατηρούμε επίσης την μικρή διαφορά σε απόδοση του σταθερού συστήματος σε σχέση με αυτά των ηλιοτροπίων κατά του μήνες Δεκέμβριο και Ιανουάριο. Ο ορίζοντας που χρησιμοποιήθηκε για το πρόγραμμα PVGIS είναι: Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 7

Εικόνα 2: Ορίζοντας Φωτοβολταϊκού Με βάση τα παραπάνω, από την μέση ημερήσια ενεργειακή απόδοση των συστημάτων γίνεται εφικτός ο υπολογισμός της ημερήσιας κατανάλωσης, σχετικά με την ενέργεια που θα παράγει το σύστημα τον μήνα Δεκέμβριο. Για τον υπολογισμό της κατανάλωσης θα πρέπει να μπει και ο παράγοντας αποθήκευσης της ενέργειας. Έτσι τις ημέρες μεγάλης ηλιοφάνειας κατά τον Δεκέμβριο θα πρέπει να αποθηκεύεται ένα ποσοστό ενέργειας διαθέσιμο για κατανάλωση τις επόμενες ημέρες. Η λογική που προτείνεται είναι ότι το 40% της παραγόμενης ενέργειας θα αποθηκεύεται για την φόρτιση των μπαταριών και θα καταναλώνεται το υπόλοιπο 60% σε ανάγκες, όπως ο φωτισμός τη νύκτα. Σύμφωνα με αυτήν την προσέγγιση, το σύστημα σε τέσσερις έως πέντε ημέρες θα είναι σχεδόν πλήρως φορτισμένο. Προτείνεται το σύστημα να δαπανά για φωτισμό τα εξής: Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 8

Μήνας Σταθερό σύστημα: κλίση=55, Μέση Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια (kwh) Κατανάλωση σε φωτισμό kwh Ώρες h Πίνακας ΙΙΙ: Κατανάλωση Φωτισμού Κατακόρυφου άξονα: κλίση=55 Μέση Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια (kwh) Κατανάλωση σε φωτισμό kwh Ώρες h Κεκλιμένου άξονα: κλίση=55 Μέση Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια (kwh) Κατανάλωση σε φωτισμό kwh Ώρες h 2 αξονικό σύστημα Μέση Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια (kwh) Κατανάλωση σε φωτισμό ΙΑΝ 1.36 0.70 14 1.53 0.78 14 1.56 0.79 14 1.56 0.79 14 ΦΕΒ 1.53 0.65 13 1.80 0.72 13 1.82 0.73 13 1.82 0.73 13 ΜΑΡ 1.89 0.60 12 2.41 0.66 12 2.41 0.67 12 2.45 0.67 12 ΑΠΡ 1.92 0.55 11 2.72 0.61 11 2.65 0.62 11 2.79 0.62 11 ΜΑΙ 1.86 0.50 10 2.95 0.55 10 2.79 0.56 10 3.08 0.56 10 ΙΟΥΝ 1.89 0.45 9 3.33 0.50 9 3.08 0.51 9 3.53 0.51 9 ΙΟΥΛ 1.92 0.45 9 3.29 0.50 9 3.09 0.51 9 3.48 0.51 9 ΑΥΓ 2.06 0.50 10 3.15 0.55 10 3.04 0.56 10 3.27 0.56 10 ΣΕΠΤ 1.95 0.55 11 2.59 0.61 11 2.57 0.62 11 2.63 0.62 11 ΟΚΤ 1.85 0.60 12 2.24 0.66 12 2.26 0.67 12 2.26 0.67 12 ΝΟΕ 1.42 0.65 13 1.61 0.72 13 1.63 0.73 13 1.64 0.73 13 ΔΕΚ 1.16 0.70 14 1.29 0.78 14 1.31 0.79 14 1.31 0.79 14 Ετήσια Ημερήσια Παραγόμενη Ενέργεια Συνολική Ενέργεια για το Έτος 1.74 2.41 2.35 2.49 633 880 859 908 kwh Ώρες h Για την κατανάλωση προκύπτουν τρία σενάρια: 1) Για σταθερό σύστημα 700Wh, κατανάλωση φωτισμού για 14 ώρες τον Δεκέμβριο. Αυτό μπορεί να τροφοδοτήσει 50Watt στον φωτισμό. 2) Για σύστημα κατακόρυφου άξονα 780Wh, κατανάλωση φωτισμού για 14 ώρες τον Δεκέμβριο. Αυτό μπορεί να τροφοδοτήσει 55.7Watt στον φωτισμό. 3) Για σύστημα κεκλιμένου άξονα και διαξονικό 790Wh, κατανάλωση φωτισμού για 14 ώρες τον Δεκέμβριο. Αυτό μπορεί να τροφοδοτήσει 56.4Watt στον φωτισμό. Για τα παραπάνω σενάρια οι μπαταρίες που χρειάζονται θα είναι: 1) Για σταθερό σύστημα 700Wh, κατανάλωση φωτισμού και αυτονομία 3 ημερών, έχουμε 2100Wh, δηλαδή 175Αh/12V. Τον μήνα Δεκέμβριο θα φορτίζει σχεδόν πλήρως σε πέντε ημέρες, με φορτίο μόνο τον φωτισμό. 2) Για σύστημα κατακόρυφου άξονα 780Wh, κατανάλωση φωτισμού και αυτονομία 3 ημερών, έχουμε 2340Wh, δηλαδή 195Αh/12V. Τον μήνα Δεκέμβριο θα φορτίζει πλήρως σε πέντε ημέρες, με φορτίο μόνο τον φωτισμό. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 9

3) Για σύστημα κεκλιμένου άξονα και διαξονικό 790Wh, κατανάλωση φωτισμού και αυτονομία 3 ημερών, έχουμε 2370Wh, δηλαδή 197.5Αh/12V. Τον μήνα Δεκέμβριο θα φορτίζει πλήρως σε πέντε ημέρες, με φορτίο μόνο τον φωτισμό. Στα σενάρια αυτά θα πρέπει να ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι η μπαταρία δεν θα πρέπει να αποφορτίζεται πλήρως, άρα αυτές οι τιμές για τα Ah θα πρέπει να αυξηθούν, ώστε να παραμένει ένα 40% φόρτισης. Στην περίπτωση αυτή οι χωρητικότητες των μπαταριών διαμορφώνονται ως εξής: 175Ah 245Ah 195Ah 273Ah 197.5Ah 277Ah Στη συγκεκριμένη μελέτη λαμβάνεται υπόψη η απώλεια ενέργειας από τον φορτιστή, αλλά και την καλωδίωση (καλώδια μέχρι τον φορτιστή), έχοντας υπολογίσει για τις απώλειες ποσοστό της τάξης του 14%. Το ποσό των απωλειών είναι σχετικά μεγάλο και με προσεκτικότερη διερεύνηση μπορεί να μειωθεί. Ανωτέρω έχουμε σαν παραδοχή ότι κατά τις ημέρες του μηνός Δεκεμβρίου οι απαιτήσεις σε φωτισμό είναι περίπου 14 ώρες ημερησίως. Η παραδοχή αυτή δεν έχει γίνει τυχαία, έχει προκύψει από πειραματικά δεδομένα και μετρήσεις παγκοσμίως, αποδεκτά μέσω της χρήσης του προσομοιωτή «DayLight Hours Explorer» από το Πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα στις Η.Π.Α. και του «U.S. Naval Observatory Astronomical Applications Department». Αξιοποιώντας αυτά τα δύο εργαλεία, παρατηρούμε ότι κατά το χειμερινό ηλιοστάσιο 21 Δεκεμβρίου η διάρκεια της ημέρας έχει την τιμή περίπου 9.4-9.5 ώρες για την Αθήνα. Στο Παράρτημα Γ παρατίθενται τα πειραματικά δεδομένα των προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν για να υποστηριχτούν οι παράμετροι της μελέτης της κατασκευής. Ενδεικτικά, από τις επόμενες εικόνες φαίνεται ότι μετά την δύση του ηλίου αλλά και πριν την ανατολή υπάρχει ένα χρονικό διάστημα που ο ουρανός παραμένει φωτεινός. Εικόνα 3: Ηλιοφάνεια στον παράλληλο 36,6 Β Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 10

Εικόνα 4: Ηλιοφάνεια στον παράλληλο 38,1 Β Για την Αθήνα (longitude W24.1, latitude N37.8) και για την 21 Δεκεμβρίου έχουμε τα παρακάτω στοιχεία: Sun and Moon Data for One Day Wednesday 21 December 2011 Universal Time SUN Begin civil twilight 08:18 Sunrise 08:48 Sun transit 13:34 Sunset 18:21 End civil twilight 18:50 Από αυτά τα δεδομένα προκύπτει ότι ο φωτισμός θα πρέπει για λίγες ημέρες να υπολογιστεί περίπου 13.5 ώρες, κάτι το οποίο είναι πάρα πολύ κοντινό με το 14 ώρες, με το οποίο έχει σχεδιαστεί το συγκεκριμένο σύστημα παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, έχει ληφθεί υπόψη ότι μόνο για 20 (από 10 μέχρι 30 Δεκεμβρίου) περίπου ημέρες η διάρκεια της νύκτας θα είναι 13.5 ώρες. 2. Η κατασκευή Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 11

Τα μέρη της κατασκευής, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν, προκειμένου να υλοποιηθεί η τροχήλατη μονάδα παραγωγής ενέργειας από ηλιακή ενέργεια, είναι τα ακόλουθα: 1) Ένα Φ/Β πάνελ 230W, axitec AC-230P/156-60S. Τα αναλυτικά χαρακτηριστικά λειτουργίας του παρέχονται στο Παράρτημα Α. Εικόνα 5: Το Φωτοβολταϊκό Πάνελ 2) Ένας φορτιστής μπαταριών, ο οποίος εξασφαλίζει την σύνδεση και παροχή ενέργειας από το πάνελ στην μπαταρία, MPPT 50A Εικόνα 6: Φορτιστής Μπαταρίας 3) Μία μπαταρία 200Ah, UltraCell 200AH Εικόνα 7: Συσσωρευτής 4) Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ηλιοτροπίου (tracker), με όλα τα απαιτούμενα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και τον ηλεκτρικό κινητήρα, ο οποίος εξασφαλίζει την κίνηση του πάνελ, ακολουθώντας την κίνηση του ηλίου. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 12

Εικόνα 8: Ηλεκτρονικό Σύστημα Ηλιοτροπίου και Κινητήρας Όλα τα απαιτούμενα (και τα εφεδρικά) εξαρτήματα, που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση του κυκλώματος του ηλιοτροπίου, συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα: Πίνακας ΙV: Εξαρτήματα Ηλιοτροπίου ΕΙΔΟΣ (Σύστημα Tracking) ΤΕΜΑΧΙΑ IC Συγκριτής 2 Αντιστάσεις 10 Δίοδοι 5 Διακόπτες 10 Ηλεκτρονόμοι 5 Τερματικοί σύνδεσμοι 6 Φωτοαντιστάσεις 4 Μοτέρ 12VDC 1 Γρανάζια με βάση στήριξης 4 5) Αντιστροφέας (inverter 2.000W-12V) καθαρού ημιτόνου Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 13

Εικόνα 9: Αντιστροφέας 6) Τροχήλατο-ρυμουλκούμενο με διαστάσεις 1750x1100x400mm, το οποίο διαθέτει φώτα και φλάς και επομένως έχει άδεια ρυμούλκησης στον δρόμο. Εικόνα 10: Τροχήλατο Όχημα Η συνδεσμολογία που πραγματοποιήθηκε προκειμένου να τοποθετηθούν και να λειτουργούν αρμονικά τα εξαρτήματα πάνω στο ρυμουλκούμενο όχημα, δίδεται σχηματικά στο επόμενο σχήμα: Εικόνα 11: Συνδεσμολογία Εξαρτημάτων Σε αυτό το σημείο, εκτός από την ψηφιακή απεικόνιση της κατασκευής (φωτογραφίες), οι οποίες περιλαμβάνονται στο Παράρτημα Β, κρίνεται σκόπιμο να δοθούν και οι σχηματικές απεικονίσεις για το τρόπο με τον οποίο τοποθετήθηκε ο εξοπλισμός πάνω στο τροχήλατο, καθώς και ο τρόπος, με τον οποίο το ηλιοτρόπιο (tracker) καταφέρνει να κάνει ανίχνευση της πορείας του ήλιου και να περιστρέφει το ηλιακό πάνελ, αναλόγως. Ο σχεδιασμός του ηλιακού ανιχνευτή επιτρέπει στην κατασκευή να εκτείνεται και να αναδιπλώνεται για τις ανάγκες μεταφοράς πάνω στο τροχήλατο όχημα. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 14

Η κλίση του πάνελ μπορεί να ρυθμιστεί χειροκίνητα, ανάλογα με την ηλιοφάνεια της εποχής, δεδομένου ότι ο ανιχνευτής μπορεί να λειτουργήσει σε πολλές διαφορετικές γωνίες κλίσης, όπως φαίνεται στα επόμενα σχήματα: Εικόνα 12: Κλίση του Πάνελ Τα πλεονεκτήματα της σχεδίασης είναι ότι, όταν το όχημα κινείται στο δρόμο, κανένα μέρος του εξοπλισμού ή εξάρτημα δεν προεξέχει, ώστε να υπάρχουν περιπτώσεις ατυχημάτων και κινδύνου κυκλοφορίας. Για το λόγο αυτό παίρνει και έγκριση για ρυμούλκηση μπαγκαζιέρας-τρέιλερ από το Υπουργείο Μεταφορών. Το χαμηλό κέντρο βάρους της κατασκευής με τη βάση του ηλιοτροπίου στηριγμένη στον πάτο της μπαγκαζιέρας και η μικρή επιπρόσθετη επιφάνεια δεν προκαλούν αεροδυναμική αστάθεια και επιπλέον φορτίο κατά την διάρκεια την μεταφοράς, όπως φαίνεται παρακάτω στις όψεις και κατόψεις: Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 15

Εικόνα 13: Όψεις Τροχήλατου Οχήματος Ο σχεδιασμός επιτρέπει την χειροκίνητη επιλογή γωνίας κλίσης, ανάλογα με την εποχή, με την αυτόματη περιστροφική κίνηση (παρακάτω εικόνες) να γίνεται στον κάθετο άξονα για ηλιακή ανίχνευση. Με αυτή την λειτουργία, το Φ/Β αυξάνει την αποτελεσματικότητά του κατά 28% για την συνολική ετήσια ενέργεια σε σύγκριση με ένα όμοιο σταθερό σύστημα. Εικόνα 14: Δυνατότητες Περιστροφής Φωτοβολταϊκού Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 16

Η αυτονομία του συστήματος είναι ικανή να εξασφαλίσει την συνεχόμενη λειτουργία φωτισμού 30.5W LED για 4 ημέρες χωρίς επαναφόρτιση. Επίσης, έχει γίνει πρόβλεψη χώρου και παροχής ενέργειας πάνω στο τροχήλατο για την φιλοξενία: - ZigBee to USB gateway - Tablet PC - GPRS gateway Ο εξοπλισμός αυτός θα συνδυάζεται με ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων για μετρήσεις θερμοκρασίας, υγρασίας κ.λ.π., οι οποίες θα περιλαμβάνονται στις ποικίλες εφαρμογές που το σύστημα θα έχει, δεδομένου ότι στο Πρόγραμμα «Επιστημονική Υποστήριξη Νέων Αγροτών» με ανάδοχο το ΤΕΙ Πειραιά, έχει ήδη σχεδιαστεί ένα τέτοιο δίκτυο. 3. Επεκτάσεις και Βελτιώσεις Σε κάθε νέας σχεδίασης σύστημα προκύπτουν πάντα ανάγκες για βελτιστοποιήσεις και επεκτάσεις, ειδικά όταν αυτό χρησιμοποιείται και βρίσκει πρακτικές εφαρμογές καθημερινά. Οι χρήστες του τροχήλατου σταθμού παραγωγής ενέργειας (αγρότες, κτηνοτρόφοι κ.α) μπορούν να κάνουν προτάσεις για βελτιώσεις ανάλογα με τις ανάγκες τους σε παροχή ενέργειας. Στην συγκεκριμένη κατασκευή, υπάρχουν οι βάσεις για περαιτέρω επεκτάσεις και έχουν προβλεφθεί μελλοντικές μετεξελίξεις. Πιο συγκεκριμένα, ένα σύστημα με 4 ηλιακά πάνελ συνολικής ισχύος 1KW, είναι ήδη σχεδιασμένο και από την μελέτη ενέργειας, που έχει ήδη πραγματοποιηθεί, έχει προκύψει ως αποτέλεσμα μια εμφανέστατα αυξημένη αυτονομία για φωτισμό 122W LED για 4 ημέρες χωρίς επαναφόρτιση. Ο σχεδιασμός του νέου ηλιοτροπίου-ηλιακού ανιχνευτή (solar tracker) είναι ο ίδιος, παρόλο που οι διαστάσεις θα είναι μεγαλύτερες, με σκοπό να υποστηρίξουν το αυξημένο βάρος. Το σύστημα ανταποκρίνεται σε όλες τις κύριες απαιτήσεις ενέργειας στον τομέα της σύγχρονης αγροτικής και κτηνοτροφικής παραγωγής με αυξημένη απόδοση, λόγω της μεγαλύτερης παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος. Στο παρακάτω σχήμα δίδεται μια σχηματική αναπαράσταση της κατασκευής με τα τέσσερα Φ/Β πάνελ. Εικόνα 15: Κάτοψη Οχήματος με 4 Φωτοβολταϊκά Πάνελ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 17

Επιπροσθέτως, θα υπάρχει πρόβλεψη για αυτόματη προστασία του συστήματος και κυρίως των πάνελ από δυνατό άνεμο, χαλάζι, χιόνι κ.λ.π., βασιζόμενη σε ειδικούς αισθητήρες, οι οποίοι θα ενεργοποιούν κινητήρες περιστροφής ή/και κάλυψης των πάνελ. 4. Παράδειγμα Εφαρμογής Τροχήλατης Μονάδας Παραγωγής ενέργειας σε Αγροτική Καλλιέργεια. Ως παράδειγμα σύγκρισης καταναλώσεων και κόστους χρήσης επιλέχτηκε ένα σύγχρονο και εξελιγμένο θερμοκήπιο εκτάσεως 0,5 στρέμματος για την καλλιέργεια τομάτας και μάλιστα τα στοιχεία που θα χρησιμοποιηθούν αφορούν την περιοχή της Βοιωτίας και έχουν προκύψει από τις αντίστοιχες μελέτες του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών. Οι συγκρινόμενες μέθοδοι παροχής ηλεκτρικής ενέργειας σε μια τέτοια αγροτική εκμετάλλευση είναι α) η παροχή ενέργειας από το δίκτυο της ΔΕΗ, β) η παροχή ενέργειας από μια γεννήτρια πετρελαίου και γ) από την τροχήλατη αυτόνομη Φ/Β γεννήτρια που παρουσιάζεται στην παρούσα μελέτη. Α). Σύμφωνα με τα στοιχεία των αγροτών που επιβεβαιώνει και το Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών, μια καλλιέργεια σαν αυτή του παραδείγματος απαιτεί σε ετήσια βάση (σεζόν) 1500 kwh ενέργειας για να ολοκληρωθεί. Αυτό το μέγεθος απαιτούμενης ενέργειας συμπεριλαμβάνει όλες τις ανάγκες, όπως άντληση νερού, φωτισμό, ηλεκτρικά μηχανήματα, θέρμανση κτλ. Με αυτό σαν δεδομένο λοιπόν, μία γεννήτρια πετρελαίου θα καταναλώσει βάση στατιστικής 4 τόνους πετρέλαιο το οποίο με σημερινά δεδομένα τιμολογείτε προς 0.93 Ευρώ. Το συνολικό κόστος κατανάλωσης πετρελαίου για μία σεζόν της συγκεκριμένης καλλιέργειας ανέρχεται σε 3720 Ευρώ. Στο ποσό αυτό ΔΕΝ συμπεριλαμβάνεται το κόστος αγοράς και συντήρησης της γεννήτριας πετρελαίου γιατί αυτό είναι θέμα επιλογής του αγρότη/κτηνοτρόφου. Β). Μια άλλη περίπτωση παροχής ενέργειας είναι η σύνδεση με το δίκτυο της ΔΕΗ. Η τελευταία τιμολογεί, για αγροτική χρήση, την 1 kwh προς 0,055 Ευρώ, οπότε για την συγκεκριμένη κατανάλωση της καλλιέργειας του παραδείγματος θα απαιτηθούν μόλις 82 Ευρώ ΧΩΡΙΣ τα τέλη σύνδεσης και τυχόν άλλους φόρους. Όμως, εάν το θερμοκήπιο είναι σε μία απομακρυσμένη περιοχή από το δίκτυο της ΔΕΗ και χρειαστεί η αντίστοιχη επέκταση, τότε το ποσό αυτό πολλαπλασιάζεται με μεγάλο συντελεστή. Πιο συγκεκριμένα, η ΔΕΗ χρεώνει για κάθε μέτρο επέκτασης του δικτύου της σε ευθεία γραμμή 22 Ευρώ. Αυτό σημαίνει ότι στο αρχικό ποσό των 82 Ευρώ πρέπει να προστεθεί και η αξία επέκτασης για την σύνδεση η οποία είναι 22.000 Ευρώ για απόσταση 1 km, 44.000 Ευρώ για 2 km, 110.000 Ευρώ για 5 km επέκτασης κ.ο.κ. Γ). Η τροχήλατη πλατφόρμα παραγωγής ενέργειας από Φ/Β στοιχεία συνολικής ισχύος 960 W, έχει κόστος αγοράς 6980 Ευρώ και μηδενικό κόστος σύνδεσης ή συντήρησης, όπως έχει για παράδειγμα η γεννήτρια πετρελαίου. Βάση των στοιχείων ηλιοφάνειας σε ετήσια βάση που παρουσιάζονται στην παρούσα μελέτη, η συγκεκριμένη γεννήτρια εξασφαλίζει μια παροχή ενέργειας της τάξης των 1965 kwh ανά έτος. Το ποσό αυτό κρίνεται υπεραρκετό για να καλύψει τις ανάγκες της Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 18

καλλιέργειας ενώ το παραπάνω ποσό ενέργειας που θα παράγεται (περίπου 465 kwh) μπορεί να αποθηκεύεται στους συσσωρευτές και να χρησιμοποιείται σε άλλες εφαρμογές του χρήστη. Συμπερασματικά, μπορούμε να ισχυριστούμε ότι η λύση για παροχή ενέργειας σε θερμοκήπιο εκτάσεως 0,5 στρέμματα από την φωτοβολταϊκή μονάδα είναι η πιο συμφέρουσα δεδομένου ότι: 1. Σε διάστημα μικρότερο από 2 έτη/σεζόν θα έχει αποσβεστεί το κόστος αγοράς της έναντι στην αγορά, συντήρηση και ετήσια κατανάλωση της γεννήτριας πετρελαίου. 2. Εάν η καλλιέργεια είναι σε περιοχή από την οποία διέρχεται το δίκτυο της ΔΕΗ γίνεται αντιληπτό ότι η σύνδεση με την ΔΕΗ είναι η προτιμότερη λύση λόγω κόστους. Σε αντίθετη περίπτωση, εάν η καλλιέργεια είναι σε απομακρυσμένη περιοχή τότε, συνυπολογίζοντας το κόστος επέκτασης του δικτύου όπως περιγράφεται προηγούμενα, η φωτοβολταϊκή μονάδα παραγωγής ενέργειας είναι και πάλι η προτιμότερη λύση. Επιπροσθέτως, θα υπάρχει πρόβλεψη για αυτόματη προστασία του συστήματος και κυρίως των πάνελ από δυνατό άνεμο, χαλάζι, χιόνι κτλ βασιζόμενη σε ειδικούς αισθητήρες οι οποίοι θα ενεργοποιούν κινητήρες περιστροφής ή/και κάλυψης των πάνελ. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 19

5. Παράρτημα Α. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ηλιακό Πάνελ (axitec AC-230P/156-60S) Electrical Characteristics STC Power Rating 230W PTC Power Rating 191.3W 1 STC Power per unit of area 135.2W/m 2 (12.6W/ft 2 ) Peak Efficiency 13.52% Power Tolerances -3%/+3% Number of Cells 60 Nominal Voltage not applicable Imp 7.67A Vmp 28.7V Isc 8.25A Voc 36.7V NOCT 45 C Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 20

Temp. Coefficient of Power -0.43%/C Temp. Coefficient of Voltage -0,117V/C Series Fuse Rating 20A Maximum System Voltage 600V Mechanical Characteristics Type Polycrystalline Silicon Output Terminal Type Multicontact Connector Type 4 Frame Color Silver (Clear) Length 1.640mm (64,6in) Width 992mm (39,1in) Depth 40mm (1,6in) Weight 19kg (41,9lb) Warranty and Certifications 80% Power Output Warranty Period 25yrs 90% Power Output Warranty Period 10yrs Workmanship Warranty Period 5yrs CSI Listed Yes Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 21

Β. Ψηφιακή Απεικόνιση (Φωτογραφίες) Συστήματος Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 22

Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 23

Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 24

Γ. Πειραματικά Δεδομένα Προσομοιώσεων PVGIS estimates of solar electricity generation Location: 37 55'36" North, 23 38'33" East, Elevation: 0 m a.s.l., Solar radiation database used: PVGIS-CMSAF Nominal power of the PV system: 0.4 kw (crystalline silicon) Estimated losses due to temperature: 9.8% (using local ambient temperature) Estimated loss due to angular reflectance effects: 2.7% Other losses (cables, inverter etc.): 14.0% Combined PV system losses: 24.5% Fixed system: inclination=55, orientation=0 Month E d E m H d H m Jan 1.36 42.3 3.89 121 Feb 1.53 42.9 4.43 124 Mar 1.89 58.6 5.53 171 Apr 1.92 57.6 5.73 172 May 1.86 57.5 5.68 176 Jun 1.89 56.6 5.92 178 Jul 1.92 59.4 6.07 188 Aug 2.06 63.9 6.51 202 Sep 1.95 58.6 6.04 181 Oct 1.85 57.3 5.56 172 Nov 1.42 42.6 4.15 125 Dec 1.16 36.0 3.33 103 Yearly average 1.74 52.8 5.24 159 Total for year 633 1910 Vertical axis tracking system inclination=55 Month E d E m H d H m Jan 1.53 47.5 4.38 136 Feb 1.80 50.3 5.20 146 Mar 2.41 74.7 7.02 218 Apr 2.72 81.5 8.04 241 May 2.95 91.3 8.89 276 Jun 3.33 99.8 10.20 307 Jul 3.29 102 10.30 318 Aug 3.15 97.6 9.80 304 Sep 2.59 77.6 7.95 238 Oct 2.24 69.3 6.71 208 Nov 1.61 48.4 4.71 141 Dec 1.29 39.9 3.70 115 Yearly average 2.41 73.3 7.25 221 Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 25

Total for year 880 2650 Inclined axis tracking system inclination=55 Month E d E m H d H m Jan 1.56 48.3 4.45 138 Feb 1.82 50.8 5.26 147 Mar 2.41 74.8 7.01 217 Apr 2.65 79.5 7.81 234 May 2.79 86.4 8.34 259 Jun 3.08 92.5 9.41 282 Jul 3.09 95.7 9.53 295 Aug 3.04 94.3 9.43 292 Sep 2.57 77.1 7.88 236 Oct 2.26 70.0 6.77 210 Nov 1.63 49.0 4.78 143 Dec 1.31 40.5 3.75 116 Yearly average 2.35 71.6 7.05 214 Total for year 859 2570 2-axis tracking system Month E d E m H d H m Jan 1.56 48.4 4.46 138 Feb 1.82 50.9 5.26 147 Mar 2.45 75.8 7.13 221 Apr 2.79 83.7 8.29 249 May 3.08 95.6 9.37 290 Jun 3.53 106 11.00 329 Jul 3.48 108 10.90 339 Aug 3.27 101 10.20 317 Sep 2.63 79.0 8.11 243 Oct 2.26 70.2 6.79 211 Nov 1.64 49.1 4.78 143 Dec 1.31 40.6 3.77 117 Yearly average 2.49 75.7 7.52 229 Total for year 908 2740 Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 26

E d : Average daily electricity production from the given system (kwh) E m : Average monthly electricity production from the given system (kwh) H d : Average daily sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kwh/m 2 ) H m : Average sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kwh/m 2 ) Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 27

PVGIS European Communities, 2001-2010 Reproduction is authorised, provided the source is acknowledged Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ-2011 28