Aνανεώσιµες ΠηγέςΕνέργειας

Aνανεώσιµες ΠηγέςΕνέργειας Ταουσανίδης Νίκος Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών & Βιοµηχανικού Σχεδιασµού

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης CreativeCommons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδειαχρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηµατοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδηµαϊκά Μαθήµατα στο TEI υτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδηµία Θεσσαλονίκης» έχει χρηµατοδοτήσει µόνο τη αναδιαµόρφωση του εκπαιδευτικούυλικού. υλικού Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοτείται τείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και απόεθνικούς πόρους. 2

Περιεχόµενα 1. Σκοποί ενότητας... 12 2. Περιεχόµενα ενότητας... 12 3. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 12 3.1 ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 12 4. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 13 4.1 Α. ΓENIKA... 14 4.2 ΘΕΡΜΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ... 15 4.2.1 Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης... 16 4.2.1.1 Περιγραφή - Αρχή λειτουργίας... 17 4.2.1.2 Υπολογισµός βαθµού απόδοσης επίπεδου ηλιακού συλλέκτη µε υγρό 19 4.2.2 Αποθήκευση ηλιακής ενέργειας... 21 4.2.2.1 Τρόποι και µέσα αποθήκευσης ηλιακής ενέργειας.... 22 4.2.2.2 Αποθήκευση σε νερό.... 23 4.2.2.3 ιαστρωµάτωση σε δεξαµενές αποθήκευσης.... 24 4.2.2.4 Αποθήκευση σε στρώµατα µε χαλίκια.... 25 4.2.2.5 Εποχιακή αποθήκευση... 26 4.2.3 Ηλιακά συστήµατα... 26 4.2.4 Επίδραση µετεωρολογικών δεδοµένων και θέσης συλλέκτη στην απόδοσή του... 27 4.2.4.1 Μετεωρολογικά δεδοµένα... 27 4.2 Θέση και προσανατολισµός συλλέκτη... 28 4.2.5 Εφαρµογές θερµικής µετατροπής της ηλιακής ενέργειας - Υπολογισµός φορτίων 35 4.2.5.1 Θέρµανση χώρων... 35 4.2.5.2 Παραγωγή ζεστού νερού... 37 4.2.5.3 Θέρµανση κολυµβητικών δεξαµενών... 39 4.2.5.4 Ξήρανση αγροτικών προϊόντων... 41 4.2.5.5 Ψύξη - Κλιµατισµός... 42 4.2.6 Μέθοδοι υπολογισµού ωφέλιµης ενέργειας από ηλιακή εγκατάσταση 42 4.2.6.1 Mέθοδος καµπυλών f... 43 4.2.6.2 Mέθοδος καµπυλών Φ... 54 4.2.6.3 Μέθοδος καµπυλών Φ-f... 65 4.3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ... 78 4.3.1 Θεωρία... 78 3

4.3.2 Χαρακτηριστικά και µοντέλα φωτοβολταϊκών γεννητριών... 80 4.3.3 Θερµοκρασία κυψέλης... 83 4.3.4 Πρακτική διερεύνηση επίδρασης µεταβλητών... 83 4.3.5 Συγκρότηση φωτοβολταϊκής συστοιχίας... 87 4.3.6 Ενεργειακοί υπολογισµοί συστοιχίας... 89 4.3.7 Αποθήκευση ενέργειας... 93 4.3.8 Εφαρµογές φωτοβολταϊκών συστηµάτων... 94 4.3.9 Περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις... 94 4.3.10 Υγεία και ασφάλεια.... 95 5. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΑ 95 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 95 5.2 ΜΕΘΟ ΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ... 99 5.2.1 Φυσικές µέθοδοι... 99 5.2.2 Βιολογικές - Βιοχηµικές µέθοδοι... 100 5.2.3 Θερµικές µέθοδοι... 101 5.2.4 Χηµικές µέθοδοι... 104 5.3 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ... 108 6. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 111 6.1 AIOΛΙΚΟ ΥΝΑΜΙΚΟ... 111 6.2 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ... 112 6.3 ΙΣΧΥΣ ΙΑΘΕΣΙΜΗ ΣΤΗΝ ΜΗΧΑΝΗ... 113 6.4 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΤΗΣΙΑΣ ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 115 6.5 ΟΡΟΛΟΓΙΑ KΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ... 117 6.6 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ, ΥΛΙΚΑ... 119 6.6.1 Σχεδιασµός ΑΟΑ.... 119 6.6.2 Σχεδιασµός ΑΚΑ... 122 6.6.3 Επίλογος... 123 6.7 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ... 125 6.8 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ... 126 6.9 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 129 7. ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΕΝΕΡΓΕΙΑ... 130 7.1 ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΦΥΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 130 7.1.1 Ορισµός της γεωθερµικής ενέργειας... 130 7.1.2 Οµαλές και ανώµαλες γεωλογικά περιοχές... 130 7.1.3 Εκµεταλλεύσιµες Γεωθερµικές περιοχές σήµερα... 131 4

7.1.4 υνατή µελλοντική εκµετάλλευση γεωθερµικών πηγών... 133 7.2 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 134 7.2.1 Ενεργειακοί σταθµοί ξηρού (ή υπέρθερµου) ατµού... 134 7.2.2 Σταθµοί διαχωριζόµενου ατµού... 136 7.2.3 ίδυµοι σταθµοί... 137 7.2.4 Συστήµατα Ολικής ροής... 138 7.2.5 Υβριδικά συστήµατα καύσης-γεωθερµικής ενέργειας... 138 7.3 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ... 140 7.4 ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 143 8. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΗ ΘΑΛΑΣΣΑ... 143 8.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΠΑΛΙΡΡΟΙΕΣ... 145 8.1.1 Αρχή λειτουργίας - µέθοδοι εγκαταστάσεων εκµετάλλευσης... 145 8.1.2 Αντιδιαβρωτική προστασία... 149 8.1.3 Περιβαλλοντολογικές και κοινωνικοοικονοµικές επιπτώσεις... 150 8.2 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΚΥΜΑΤΑ... 150 8.2.1 Μηχανές παραγωγής ενέργειας από κύµατα... 151 8.2.2 Σχεδιασµός συστηµάτων ανάκτησης ενέργειας κυµάτων... 154 8.2.3 Περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις... 154 8.3 ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΘΑΛΑΣΣΩΝ... 154 8.3.1 Συστήµατα OTEC... 155 8.3.2 Ειδικά προβλήµατα OTEC... 159 8.3.3 Περιβαλλοντολογικές και άλλες επιπτώσεις... 162 8.4 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΥΠΑΡΞΗ ΙΑΦΟΡΑΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΑΛΑΤΩΝ... 163 8.4.1 Μέθοδοι ανάκτησης ενέργειας... 163 8.4.2 Μεµβράνες... 166 8.4.3 Περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις... 166 8.5 Ε. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΡΕΥΜΑΤΑ... 166 9. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ - ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ... 169 9.1 Ενεργειακή ανάλυση... 169 9.2 Ενεργειακή ανάλυση ήπιων µορφών ενέργειας... 171 10. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 175 11. Παράρτηµα... 176 5

ΠεριεχόµεναΠινάκων Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά µεγέθη διαφόρων συλλεκτών.... 20 Πίνακας 2: Κατάταξη των κυριοτέρων πόλεων σε ζώνες.... 29 Πίνακας 3: Α. ΜΕΣΗ ΜΗΝΙΑΙΑ ΟΛΙΚΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΕ OΡΙΖΟΝΤΙΟ ΕΠΙΠΕ Ο ( MJ/m 2 mo).... 29 Πίνακας 4: B. ΜΕΣΗ ΜΗΝΙΑΙΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΕΡΑ 24ΩΡΟΥ ( o C).... 30 Πίνακας 5: Γ. ΜΗΝΙΑΙΑ ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( o C).... 30 Πίνακας 6:. ΒΑΘΜΟΗΜΕΡΕΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΜΕ ΒΑΣΗ 18 o C.... 30 Πίνακας 7: Α. ΖΩΝΗ 1.... 31 Πίνακας 8:Β. ΖΩΝΗ 2.... 31 Πίνακας 9:Γ. ΖΩΝΗ 3.... 32 Πίνακας 10:. ΖΩΝΗ 4.... 32 Πίνακας 11: Ε. ΖΩΝΗ 5.... 32 Πίνακας 12: ΣΤ. ΖΩΝΗ 6.... 33 Πίνακας 13: Μέση µηνιαία ακτινοβολία εκτός ατµόσφαιρας Ηext, για κάθε µήνα και για διάφορα γεωγραφικά πλάτη, σε Βtu/Day ft3.... 33 Πίνακας 14: α. ΓΙΑ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΤΥΠΟΥ Ι (µε ένα τζάµι).... 36 Πίνακας 15: β. ΓΙΑ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΤΥΠΟΥ ΙΙ (µε δύο τζάµια).... 37 Πίνακας 16: Ηµερήσια κατανάλωση ζεστού νερού για διάφορες χρήσεις, Vw.... 38 Πίνακας 17: Θερµοκρασία νερού µεγάλων υπογείων δικτύων (Τm).... 38 Πίνακας 18: Απώλειες ανά µονάδα µήκους και oc σε δίκτυα διανοµής ζεστού νερού (W/m o C).... 39 Πίνακας 19: Η µέση ταχύτητα του αέρα και η ταχύτητα στην επιφάνεια του εδάφους.... 40 Πίνακας 20: Μέση πίεση υδρατµών (mbar).... 41 Πίνακας 21: ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Χ.... 49 Πίνακας 22: ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Υ.... 49 Πίνακας 23: ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΛΥΨΗΣ.... 50 Πίνακας 24: Απόδοση ηλιακού συλλέκτη τύπου IV (MJ/m 2 mo).... 59 Πίνακας 25: ΠΙΝΑΚΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗΣ ΣΥΛΛΕΚΤΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ.... 61 Πίνακας 26: Παράµετροι διαφόρων συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας... 94 Πίνακας 27: Εφαρµογές φωτοβολταϊκών συστηµάτων ανά τον κόσµο.... 94 Πίνακας 28: Εκτιµήσεις της καθαρής φωτοσυνθετικής παραγωγής ξηρής βιοµάζας και δεσµευµένου άνθρακα.... 98 Πίνακας 29: Τυπικές τιµές κατώτερης θερµογόνου δύναµης διαφόρων ειδών βιοµάζας και καυσίµων.... 99 Πίνακας 30: Συνοπτικοί πίνακες τροφοδοτικών υλών, διαδικασιών, προϊόντων... 100 Πίνακας 31: Χαρακτηριστικά τροφοδοτικής ύλης που επιδρούν στην καταλληλότητα της διαδικασίας µετατροπής και πρέπει να εξεταστούν λεπτοµερώς για επιτυχή εφαρµογή.... 101 Πίνακας 32:Προϊόντα πυρόλυσης ξύλου.... 107 Πίνακας 33: Προτεινόµενες τεχνικές βελτιώσεις.... 124 Πίνακας 34: Στοιχεία.... 134 Πίνακας 35: Ισχύς (kw/m ύψους) κυµάτων.... 151 Πίνακας 36: Ανάλυση βασισµένη σε συλλέκτες οροφής 4m2 για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης.... 172 6

Πίνακας 37: Ανάλυση βασισµένη σε ένα απλό ζεύγος πηγών µε αντλίες, εναλλάκτες και παροχή ζεστού νερού στους 70οC και επιστροφή στους 35οC.... 173 Πίνακας 38: εδοµένα.... 174 Πίνακας 39: Τρεις περιπτώσεις δεδοµένων.... 174 Πίνακας 40: υπολογισµός του ενεργειακού λόγου.... 175 Πίνακας 41:ενεργειακοί λόγοι διαφόρων ήπιων µορφών ενέργειας και αναγράφονται οι χρόνοι απόσβεσης κεφαλαίου... 175 7

Περιεχόµενα Σχηµάτων Σχήµα 1: Ροή ηλιακής ενέργειας από το διάστηµα προς τη γη και αντίστροφα Φαίνονται οι µετατροπές της... 14 Σχήµα 2: Σύστηµα θερµικής µετατροπής ηλιακής ενέργειας και υποσυστήµατα αυτού.... 15 Σχήµα 3: Κατάταξη ηλιακών συλλεκτών µε βάση τις οπτικές τους ιδιότητες.... 16 Σχήµα 4: ιάγραµµα πού παριστάνει τις κλίµακες των θερµοκρασιών λειτουργίας των διαφόρων ειδών συλλεκτών.... 16 Σχήµα 5: Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης σε τοµή... 17 Σχήµα 6: Τυπικές καµπύλες απόδοσης επιπέδων συλλεκτών.... 21 Σχήµα 7: Ηλιακό σύστηµα µε αποθήκευση. (a) Προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια GT, ωφέλιµη ηλιακή ισχύς συλλέκτη Qu και φορτίο L, συναρτήσει του χρόνου για ένα τριήµερο., (b) Ενέργεια προστιθέµενη στην/ή αφαιρούµενη από την αποθήκευση, (c) Ολοκληρωµένες τιµές, ωφέλιµης ηλιακής ισχύος συλλέκτη Qu, φορτίου L και βοηθητικής ενέργειας για τριήµερο.... 22 Σχήµα 8: Ένα τυπικό σύστηµα µε δεξαµενή νερού για αποθήκευση.... 24 Σχήµα 9: εξαµενή χωρίς διαστρωµάτωση µάζας m µε θερµοκρασία λειτουργίας Ts και θερµοκρασία περιβάλλοντος T'a.... 24 Σχήµα 10: Μονάδα αποθήκευσης µε στρώµα χαλικιών.... 25 Σχήµα 11: Σύστηµα κλειστού κυκλώµατος.... 26 Σχήµα 12: Χωρισµός της χώρας σε 6 ζώνες.... 29 Σχήµα 13: Επίδραση του προσανατολισµού του συλλέκτη στο βαθµό απόδοσής του.... 34 Σχήµα 14: Επίδραση της κλίσης του συλλέκτη στο βαθµό απόδοσής του (περίπτωση που ο συλλέκτης χρησιµοποιείται για την παραγωγή ζεστού νερού).... 35 Σχήµα 15: Σύστηµα θέρµανσης αέρα µε ηλιακή ενέργεια σε σύνδεση µε τυπικό ξηραντήρα και ανακοµιστή θερµότητας... 42 Σχήµα 16: Σύστηµα παραγωγής µόνο ζεστού νερού.... 43 Σχήµα 17: Σύστηµα θέρµανσης χώρου µε ζεστό αέρα και παραγωγής ζεστού νερού.... 44 Σχήµα 18: Σύστηµα θέρµανσης χώρου µε ζεστό νερό χαµηλής θερµοκρασίας και παραγωγής ζεστού νερού.... 44 Σχήµα 19: Χρονική κατανοµή χρήσης νερού.... 45 Σχήµα 20: Καµπύλες f.... 46 Σχήµα 21: ιορθωτικός συντελεστής Κ4.... 48 Σχήµα 22: Ποσοστό ετήσιου φορτίου που καλύπτεται από ηλιακή ενέργεια.... 51 Σχήµα 23: Θέρµανση χώρων - Σύντοµος υπολογισµός µεγέθους εγκατάστασης.... 51 Σχήµα 24: Παραγωγή ζεστού νερού - Σύντοµος υπολογισµός µεγέθους εγκατάστασης (Ζώνη 1 (α) και 2 (β)).... 52 Σχήµα 25: (συνέχεια) Παραγωγή ζεστού νερού. Σύντοµος υπολογισµός εγκατάστασης (Ζώνη 3 (γ) και 4(δ)).... 53 Σχήµα 26: (συνέχεια) Παραγωγή ζεστού νερού - Σύντοµος υπολογισµός εγκατάστασης.... 54 Σχήµα 27: Απόδοση ηλιακών συλλεκτών τύπου Ι µε τη µέθοδο των καµπυλών Φ. Ζώνη 1.... 55 Σχήµα 28: (συνέχεια) Απόδοση ηλιακών συλλεκτών τύπου Ι µε τη µέθοδο των καµπυλών Φ.... 56 8

Σχήµα 29: (συνέχεια) Απόδοση ηλιακών συλλεκτών τύπου Ι µε τη µέθοδο των καµπυλών Φ.... 57 Σχήµα 30: Απόδοση ηλιακών συλλεκτών τύπου ΙΙ µε τη µέθοδο των καµπυλών Φ. 58 Σχήµα 31: (συνέχεια) Απόδοση ηλιακών συλλεκτών τύπου ΙΙ µε τη µέθοδο των καµπυλών Φ.... 58 Σχήµα 32: (συνέχεια) Απόδοση ηλιακών συλλεκτών τύπου ΙΙ µε τη µέθοδο των καµπυλών Φ. Ζώνη 5 (ε) και 6 (στ).... 59 Σχήµα 33:Σύστηµα ανοικτού κυκλώµατος για θέρµανση κολυµβητικών δεξαµενών. 60 Σχήµα 34:Σύστηµα ανοικτού κυκλώµατος για θέρµανση κολυµβητικών δεξαµενών. 60 Σχήµα 35: ιάρκεια άνετης κολύµβησης για δεξαµενές που θερµαίνονται αποκλειστικά µε ηλιακούς συλλέκτες τύπου IV σε διάταξη ανοικτού κυκλώµατος.... 62 Σχήµα 36: ιάρκεια άνετης κολύµβησης για δεξαµενές που θερµαίνονται αποκλειστικά µε ηλιακούς συλλέκτες τύπου Ι σε διάταξη κλειστού κυκλώµατος.... 63 Σχήµα 37: Θέρµανση κολυµβητικών δεξαµενών µε ηλιακούς συλλέκτες τύπου IV (διάταξη ανοικτού κυκλώµατος) σε συνδυασµό µε συµβατικό σύστηµα.... 64 Σχήµα 38: Θέρµανση κολυµβητικών δεξαµενών µε ηλιακούς συλλέκτες τύπου Ι.... 65 Σχήµα 39: Μοντέλο ηλιακού συστήµατος (µέθοδος καµπυλών Φ-f).... 65 Σχήµα 40: Καµπύλες Φ-f.... 69 Σχήµα 41: (συνέχεια) Καµπύλες Φ-f.... 70 Σχήµα 42: Ηλιακή θέρµανση κολυµβητικής δεξαµενής -λειτουργικό διάγραµµα.... 75 Σχήµα 43: ιάγραµµα ροής της πειραµατικής εγκατάστασης ξήρανσης µε ηλιακή ενέργεια.... 75 Σχήµα 44: Λεβητοστάσιο εγκατάστασης κλιµατισµού.... 76 Σχήµα 45: Solar House I Θέρµανση-Κλιµατισµός-Παραγωγή ζεστού νερού.... 77 Σχήµα 46:Κλιµατισµός µε αντλία θερµότητας (αριστερά το κύκλωµα ψύξης και δεξιά το κύκλωµα θέρµανσης).... 77 Σχήµα 47:Ολοκληρωµένο σύστηµα κλιµατισµού SHACOB.... 78 Σχήµα 48:(α) Τοµή ηλιακής κυψέλης πυριτίου (β) Σχήµα κυψέλης όπου δείχνει τις πάνω επαφές.... 79 Σχήµα 49: Τυπικές καµπύλες I-V και P-V για ένα φωτοβολταϊκό µόντουλο.... 81 Σχήµα 50: Καµπύλες I-V για µια φωτοβολταϊκή γεννήτρια σε διάφορα επίπεδα ακτινοβολίας. Φαίνεται η θέση των σηµείων µέγιστης ισχύος.... 81 Σχήµα 51: Καµπύλες I-V για φωτοβολταϊκές γεννήτριες συνδεδεµένες µε διάφορους τρόπους, εν σειρά και παράλληλα.... 82 Σχήµα 52:Χαρακτηριστικές I-V και σηµεία µέγιστης ισχύος ενός φωτοβολταϊκού µόντουλου σε θερµοκρασίες 25 C και 50 C.... 83 Σχήµα 53: Πειραµατική διάταξη ηλιακής κυψέλης.... 84 Σχήµα 54:Τάση και ένταση ρεύµατος συναρτήσει της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας για ηλιακή κυψέλη πυριτίου.... 85 Σχήµα 55:Τάση, ένταση και ισχύς συναρτήσει της θερµοκρασίας για µία ηλιακή κυψέλη πυριτίου.... 86 Σχήµα 56: Καµπύλες I/V ηλιακών κυψελών συνδεδεµένων κατά διάφορους τρόπους.... 89 Σχήµα 57: Τα κύρια στοιχεία της τεχνολογίας ανάκτησης ενέργειας από βιοµάζα.... 97 Σχήµα 58: Παραγωγή µεθανίου µε αναερόβια µετατροπή.... 102 Σχήµα 59: Παραγωγή αιθανόλης µε αλκοολική ζύµωση.... 103 Σχήµα 60: Παραγωγή µεθανίου µε πυρόλυση σε ρευστές κλίνες και µε ανακύλωση της αιθάλης.... 104 9

Σχήµα 61: Παραγωγή υγρού καυσίµου µε κλασµατική πυρόλυση µε ανακύκλωση αιθάλης (αεριοποιηµένου άνθρακα).... 105 Σχήµα 62: Εφαρµογές του αερίου συνθέσεως που παράγεται από τη βιοµάζα.... 106 Σχήµα 63: Σχηµατικό διάγραµµα της εγκατάστασης της Ford Motor Company (1929).... 106 Σχήµα 64: Μερικά από τα κυριότερα χηµικά παράγωγα βιοµάζας Χ (Χηµικά), Ζ (Ζύµωση), Ε (Ενζυµικά), Φ (Φυσιολογικά).... 107 Σχήµα 65: Επίδραση θερµοκρασίας στην φωτοσύνθεση του σόργου & βαµβακιού.... 108 Σχήµα 66: Επίδραση της απόδοσης συλλογής ηλιακής ενέργειας στην παραγωγή βιοµάζας.... 110 Σχήµα 67: εσµευµένη στη φυτοµάζα ηλιακή ενέργεια συναρτήσει καλλιεργούµενης επιφάνειας και βαθµού φωτοσυνθετικής αξιοποίησης για ελληνικές συνθήκες.... 110 Σχήµα 68: Γεωγραφική κατανοµή του βαθµού φωτοσυνθετική αξιοποίησης nφ (%) στην ελληνική γεωργική γη.... 111 Σχήµα 69: Ειδική ισχύς kw/m2 συναρτήσει ταχύτητας αέρα, για πυκνότητα στο επίπεδο.... 114 Σχήµα 70: Ειδική επιφάνεια,m2/kw συναρτήσει ταχύτητας αέρα για πυκνότητα στο επίπεδο της θάλασσας.... 115 Σχήµα 71: Ετήσια παραγόµενη ενέργεια και ισοδύναµες ώρες λειτουργίας (%) Α/Γ σαν συνάρτηση των k, Vµ.... 116 Σχήµα 72: υνάµεις άνωσης και οπισθέλκουσας σε µια αεροτοµή.... 117 Σχήµα 73: Τύποι ανεµογεννητριών.... 118 Σχήµα 74: Παραστατικό διάγραµµα της ανεµογεννήτριας MOD-1... 120 Σχήµα 75: Παραστατικό διάγραµµα της ανεµογεννήτριας MOD-2... 121 Σχήµα 76: Σχηµατικά διαγράµµατα δύο ΑΚΑ µε "µαλακές" στηρίξεις (a) στην κορυφή (b) στην βάση.... 125 Σχήµα 77: Μεγάλες ανεµογεννήτριες.... 126 Σχήµα 78: Mικρές ανεµογεννήτριες.... 127 Σχήµα 79: ιάγραµµα εγκατάστασης αφαλάτωσης µε αιολική - ηλιακή ενέργεια... 128 Σχήµα 80: Σχηµατισµός κοιλάδων από χωρισµό πλακών, που επιτρέπουν το µάγµα να διαπεράσει το φλοιό.... 130 Σχήµα 81: Εισχωρούσες ζώνες σχηµατίζουσες αλυσίδες ηφαιστείων και "φωλιές" µάγµατος σε µικρά βάθη.... 131 Σχήµα 82: Υδρογεωθερµική δεξαµενή µε τα 5 απαραίτητα συστατικά.... 132 Σχήµα 83: Πιθανό σύστηµα µετατροπής γεωθερµικής ενέργειας.... 133 Σχήµα 84: ιάγραµµα γεωθερµικού σταθµού ξηρού ατµού.... 135 Σχήµα 85: ιάγραµµα γεωθερµικού σταθµού διαχωριζόµενου ατµού.... 136 Σχήµα 86: ιάγραµµα γεωθερµικού σταθµού διαχωριζόµενου ατµού/ζεστού νερού.... 137 Σχήµα 87: ιάγραµµα απλού δίδυµου γεωθερµικού σταθµού.... 138 Σχήµα 88: ιάγραµµα γεωθερµικού-προθερµαντικού υβριδικού γεωθερµικού σταθµού καύσης-γεωθερµίας. Σύµβολα: SG ατµογεννήτρια, RH αναθερµαντήρας, HPT-IPT-LPT στρόβιλος υψηλής-µέσης-χαµηλής πίεσης, C συµπυκνωτής, GHX γεωθερµικός εναλλάκτης, D απαεριωτής FWH θερµαντ.... 139 Σχήµα 89: ιάγραµµα υβριδικού γεωθερµικού σταθµού καυσίµου-υπερθέρµανσης. F1,F2 οχεία κλασµατικού διαχωρισµού R αναγεννητής, FSH υπερθερµαντήρας 10

καυσίµου, ST1, ST2 ατµογεννήτριες, G γεννήτρια, C συµπυκνωτής, P αντλία Ένας άλλος τύπος είναι η συνδυασµένη υβριδική... 140 Σχήµα 90: ιάγραµµα τυπικού συνδυασµένου υβριδικού σταθµού καύσηςγεωθερµίας... 141 Σχήµα 91: ιάγραµµα προτεινόµενου υβριδικού γεωθερµικού /καταλοίπων ξύλων σταθµού.... 141 Σχήµα 92: Εκτιµήσεις της κατανοµής ενέργειας στην θάλασσα.... 144 Σχήµα 93: Πυκνότητα ενέργειας σε ισοδύναµα µέτρα στήλης νερού.... 145 Σχήµα 94: Χάρτης των κυριότερων σταθµών εκµετάλλευσης παλιρροϊκής ενέργειας.... 146 Σχήµα 95: υνατότητες λειτουργίας σταθµού παραγωγής ενέργειας από παλίρροιες.... 148 Σχήµα 96: Τοµή του σταθµού παραγωγής ενέργειας στο Rance.... 149 Σχήµα 97: Τοµή του σταθµού παραγωγής ενέργειας στην Kislayaguba (ΕΣΣ ).... 150 Σχήµα 98:Προφίλ επιφάνειας νερού (από ακίνητο καταγραφικό κυµάτων).... 151 Σχήµα 99: Μηχανή µε πλωτήρες (προτάθηκε από Essington, Η.Π.Α., 1902).... 152 Σχήµα 100: Μηχανή κυµάτων άνωσης (ΤG2) της Ryokuseisha Corporation (Ιαπωνία, 1965).... 153 Σχήµα 101:Μηχανήκυµάτωνάνωσηςπουδοκιµάστηκεεπιτυχώςαπότο Institute of Marine Resources του University of California.... 153 Σχήµα 102:Η "πάπια" του Salter.... 154 Σχήµα 103:Σχηµατικό διάγραµµα κλειστού κυκλώµατος OTEC.... 155 Σχήµα 104:Σχηµατικό διάγραµµα ανοικτού κυκλώµατος OTEC κλασµατικής ατµοποίησης θαλασσινού νερού... 156 Σχήµα 105:Σχηµατικό διάγραµµα ανοικτού κυκλώµατος OTEC.... 157 Σχήµα 106: Ενεργειακός σταθµός 100 MW καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας της Westinghouse τύπου OTEC ανοικτού κυκλώµατος.... 157 Σχήµα 107: Η κατασκευή OTEC κλειστού κυκλώµατος της LOKHEED.... 158 Σχήµα 108: ιάγραµµα εγκατάστασης OTEC 100 MW κλειστού κυκλώµατος.... 159 Σχήµα 109: Έξι προτάσεις για εµπορικές πλατφόρµες OTEC για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος 400 MW.... 160 Σχήµα 110: Σχέδια για πλατφόρµες OTEC.... 160 Σχήµα 111: Σχέδιο πλωτής εγκατάστασης παραγωγής 100 MW ηλεκτρικής ενέργειας για παραγωγή αµµωνίας.... 161 Σχήµα 112:Τύποι εναλλακτών θερµότητας.... 162 Σχήµα 113:Μηχανική µέθοδος παραγωγής ενέργειας από διαφορές συγκέντρωσης αλάτων (D.P.Shoemaker).... 164 Σχήµα 114: Στήλη ανάστροφης ηλεκτροδιάλυσης. Τα Α & C αναφέρονται στις ηµιπερατές από ανιόντα και κατιόντα αντίστοιχα µεµβράνες.... 164 Σχήµα 115:Σχηµατικό διάγραµµα συστήµατος µετατροπής ενέργειας µε αναχαιτιζόµενη µε πίεση ώσµωση.... 165 Σχήµα 116:Σχηµατικό διάγραµµα της "διπλής ελικοειδούς αντλίας" για τη µετατροπή της ενέργειας από διαφορά συγκέντρωσης αλάτων (κατά µήκος και εγκάρσια τοµή).... 165 Σχήµα 117: Προφίλ ταχύτητας σε διάφορα βάθη στα στενά Florida.... 167 Σχήµα 118:Τα κυριότερα θαλάσσια ρεύµατα του κόσµου.... 167 Σχήµα 119:Σχηµατικό διάγραµµα του µετατροπέα ενέργειας του G.E. Steelman.. 168 Σχήµα 120:Αγκυρωµένοι υδροστρόβιλοι του P.B.S.Lissaman.... 169 11

1. Σκοποί ενότητας ΜΕ ΤΗΝ ΕΠΙΤΥΧΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Ο ΦΟΙΤΗΤΗΣ ΕΙΝΑΙ ΣΕ ΘΕΣΗ ΝΑ: 1.κατανοείτην λειτουργίατων διαφόρων συστηµάτωναξιοποίησηςτηςηλιακήςενέργειας,αιολικήςενέργειας, βιοµάζαςκαιγεωθερµικήςενέργειας, 2.δύναταιναυλοποιείτηνµέτρησηκαιτονυπολογισµότηςαπόδοσήςτους, 3.δύναταιναµελετάένα σύστηµαανανεώσιµωνπηγώνενέργειας σε σχέσηµετηνενεργειακή,περιβαλλοντικήκαικοινωνικήπαρέµβασητου στιςτοπικέςκοινωνίες, 4.δύναταινα συµµετέχει σεεπιστηµονικέςοµάδεςεργασίαςµε στόχοτηνέρευνα,τηνδιάδοσηκαιτηνεκπαίδευση στιςανανεώσιµεςπηγέςενέργειας. 2. Περιεχόµενα ενότητας ΜΕΡΟΣ Α: Μέθοδοιανάλυσηςηλιακήςακτινοβολίας. Ηλιακοί συλλέκτες,τύποι, βαθµόςαπόδοσης,υπολογισµοί. Ενεργητικάκαιπαθητικάηλιακά συστήµαταγιαθέρµανσηκαι ψύξη. Μέθοδοιαποθήκευσηςθερµότητας. Ηλιακές λίµνες. Φωτοβολταϊκήµέθοδοςπαραγωγήςηλεκτρικήςενέργειας. Αγροτικέςκαι βιοµηχανικέςεφαρµογέςτηςηλιακήςενέργειας. Συστήµαταπαραγωγήςµηχανικήςκαιηλεκτρικήςενέργειαςαπότονάνεµο. Ανεµογεννήτριες. Υβριδικά συστήµατα.μεροσ Β: Μέθοδοιεκτίµησηςτουαιολικού δυναµικού,εκλογήθέσηςανεµογεννητριών. Συστήµαταπαραγωγής,αποθήκευσηςκαιαξιοποίησηςπροϊόντων βιοµάζας. Ενέργειααπόθάλασσα (κύµατα,παλίρροια,θερµοκρασιακή διαφορά). Γεωθερµία. Μικράυδροηλεκτρικάέργα. Ενεργειακήοικονοµία. Βελτιστοποίησηπαραµέτρωνκατάτηνεκµετάλλευσηήπιωνµορφώνενέργειας. 3. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3.1 ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σήµερα οι ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας ικανοποιούνται, ως επί το πλείστον, µε την καύση κάρβουνου, πετρελαίου, φυσικού αερίου και ξύλου (το τελευταίο κυρίως στις υπανάπτυκτες χώρες). Το ερώτηµα είναι πόσο ακόµα θα διαρκέσουν τα ενεργειακά αποθέµατα των µη ανανεώσιµων αυτών µορφών ενέργειας. Υπάρχουν πολλές και διαφορετικές απόψεις που συγκλίνουν όµως στο γεγονός ότι το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο δε θα διαρκέσουν πολύ, ενώ το κάρβουνο µπορεί να διαρκέσει αρκετά ώστε να προλάβουµε να βρούµε άλλες πηγές ενέργειας. Αλλά υπάρχει και η διάχυτη πίστη ότι η ζωή των αποθεµάτων αυτών είναι 12

αρκετή για να καταστραφεί πλήρως το περιβάλλον µας, ώστε να µη µπορούµε να ζήσουµε ακόµα και όσο θα υπάρχουν αποθέµατα ενέργειας. Το σκεπτικό αυτό, όπως και οι ενεργειακές κρίσεις της δεκαετίας του 70, ώθησαν την ανθρωπότητα προς τη χρήση της πυρηνικής ενέργειας, που, µέχρι και τη στιγµή που γράφεται το παρόν σύγγραµµα, δεν έχει πείσει τον κόσµο για τα ευεργετικά της αποτελέσµατα, κύρια εξ αιτίας της θανατηφόρας ρύπανσης που µπορεί να προκαλέσει καθώς και του προβλήµατος διάθεσης των πυρηνικών αποβλήτων. Αντίθετα πιο ελκυστική φαίνεται η χρήση των λεγόµενων ήπιων µορφών ενέργειας (ή ανανεώσιµων) µε επικεφαλής την ηλιακή ενέργεια. Τα βασικά πλεονεκτήµατα των ήπιων µορφών ενέργειας είναι τα εξής: 1) Τα αποθέµατά τους είναι ανεξάντλητα. 2) εν ρυπαίνουν το περιβάλλον (το 95% της ατµοσφαιρικής ρύπανσης και ένα σηµαντικό µέρος της θερµικής ρύπανσης οφείλονται στην παραγωγή, το µετασχηµατισµό και τη χρήση των συµβατικών καυσίµων). 3) Υπάρχουν παντού, µε αποτέλεσµα να µην υπάρχουν ούτε προνοµιούχες ούτε εξαρτώµενες ενεργειακά, και κατά συνέπεια οικονοµικά, κοινωνικές οµάδες. 4) Λόγω του παραπάνω, συνεισφέρουν σηµαντικά στο ενεργειακό ισοζύγιο (σε εθνικό και τοπικό επίπεδο) συµβάλλοντας στη µείωση της εξάρτησης από εισαγόµενα καύσιµα και στην ενίσχυση της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασµού. 5) Έχουν συνήθως χαµηλό λειτουργικό κόστος. Τα βασικά µειονεκτήµατά τους είναι: 1) εν έχει γίνει εκτεταµένη έρευνα για την εκµετάλλευσή τους (λόγω µη διάθεσης των απαραίτητων κονδυλίων). 2) Η συγκέντρωση ισχύος των ήπιων µορφών ενέργειας είναι µικρή. 3) Οι περισσότερες από αυτές επηρεάζονται από µη ελεγχόµενα φαινόµενα (π.χ. καιρός). Οι κυριότερες µορφές ενέργειας είναι: 1) η ηλιακή ενέργεια, 2) η αιολική ενέργεια, 3) η ενέργεια από τις θάλασσες, 4) η ενέργεια από βιοµάζα και 5) η γεωθερµική ενέργεια. 4. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 13

4.1 Α. ΓENIKA Η µέση ηλιακή ισχύς που φθάνει στη γη ανέρχεται σε 1,8*1011 ΜW. Για να κατανοήσουµε το µέγεθός της αρκεί να πούµε ότι το ποσό της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στην γη σε µια ώρα είναι ισοδύναµο µε την παγκόσµια κατανάλωση καυσίµων σε ένα χρόνο. Και τέλος ότι σε ένα µήνα παίρνουµε από τον ήλιο τόση ενέργεια όση αντιστοιχεί στο σύνολο των εκµεταλλεύσιµων πηγών ενέργειας του πλανήτη µας. Βέβαια το ποσό αυτό της ηλιακής ενέργειας δεν το κρατά η γη αλλά εκπέµπει ίσο ποσό για να διατηρείται η ενεργειακή ισορροπία του πλανήτη. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 1. - τα 31% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην ατµόσφαιρα, αντανακλάται προς το διάστηµα - τα υπόλοιπα 69% περνάν µέσα από την ατµόσφαιρα και στην διαδροµή αυτή ένα ποσοστό 17.4% απορροφάται από αυτή (ουσιαστικά από τα συστατικά της στοιχεία) - το ποσοστό λοιπόν που φθάνει στη γη είναι 51,6% αλλά και από αυτά ένα ποσοστό 4.3% αντανακλάται στην επιφάνεια της γης και τελικά η γη απορροφά το 47.3%. - από αυτό το ποσοστό τα 32.7% τα απορροφά η θάλασσα και τα 14,3% η στεριά Μικρότερα ποσοστά όπως αυτά που αναφέρονται στην γεωθερµική ενέργεια φαίνονται στο Σχήµα 1. Η ενέργεια αυτή πηγάζει από τον ήλιο ο οποίος είναι ένας τεράστιος θερµοπυρηνικός αντιδραστήρας σύντηξης που εκπέµπει 4*1026W ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας στο διάστηµα. Τα 99.78% αυτής της ενέργειας εκπέµπονται στο περιορισµένο φάσµα µεταξύ υπεριώδους και υπέρυθρου. Ο ήλιος ακτινοβολεί σαν µέλαν σώµα. Ας σηµειωθεί ότι λιγότερο από το 10-9 της ακτινοβολούµενης ενέργειας φθάνει στη γη καθώς διανύει περί τα 145 µε 153 εκατοµµύρια χιλιόµετρα. Σχήµα 1:Ροή ηλιακής ενέργειας από το διάστηµα προς τη γη και αντίστροφα Φαίνονται οι µετατροπές της. 14

Πηγή: Meyers (1983). Η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε οποιοδήποτε σηµείο της γης προσδιορίζεται από πολλούς παράγοντες µεταξύ των οποίων: 1) η θέση του ήλιου. 2) η νέφωση. 3) η ατµοσφαιρική ρύπανση. 4) το ύψος από την επιφάνεια της θάλασσας. Τα κυριότερα είδη µετατροπής ηλιακής ενέργειας σε άλλη µορφή ενέργειας είναι: 1) η θερµική µετατροπή. 2) η χηµική µετατροπή (θα αναλυθεί στο κεφάλαιο περί βιοµάζας). 3) η ηλεκτρική µετατροπή (κυριότερη µορφή της η φωτοβολταϊκή που θα αναλυθεί παρακάτω). 4.2 ΘΕΡΜΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ Στο κεφάλαιο αυτό θα εξετάσουµε τη θερµική µετατροπή της ενέργειας και µάλιστα θα αναφερθούµε αποκλειστικά στα ενεργητικά ηλιακά συστήµατα. Κάθε ηλιακό θερµικό σύστηµα αποτελείται από τα υποσυστήµατα που φαίνονται στο Σχήµα 2. ΗΛΙΟΣ ΣΥΛΛΟΓΗ ΑΠΟΡΡΟ- ΦΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΑΠΟΘΗ- ΚΕΥΣΗ ΣΥΝΑΛΛΑΓΗ Ή ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΗΛΙΑΚΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ Σχήµα 2:Σύστηµα θερµικής µετατροπής ηλιακής ενέργειας και υποσυστήµατα αυτού. Πηγή: ιδάσκων (2015). Ένα ακόµα σηµαντικό υποσύστηµα, που δεν παριστάνεται στο Σχήµα 2, είναι και τα όργανα ελέγχου και λειτουργίας του συστήµατος. Η λειτουργία του συστήµατος αναλύεται ως εξής. Το υποσύστηµα συλλογήςσυγκέντρωσης παρέχει µια επιφάνεια µέσω της οποίας συλλέγεται η ηλιακή ενέργεια και στη συνέχεια συγκεντρώνεται σε µια περιορισµένη επιφάνεια µέσα στο σύστηµα. Στους απλούς επίπεδους συλλέκτες η ηλιακή ακτινοβολία δε συγκεντρώνεται ούτε αντανακλάται. Και αυτό γιατί η επιφάνεια συλλογής και απορρόφησης είναι η ίδια. Σε διάφορα συγκεντρωτικά συστήµατα όµως, η προσπίπτουσα ακτινοβολία αντανακλάται και εστιάζεται σε µια πιο περιορισµένη επιφάνεια. Οι οπτικές λοιπόν ιδιότητες κάθε συλλέκτη χαρακτηρίζουν τους διαφορετικούς µηχανισµούς συλλογής του καθενός. Τα υποσυστήµατα συλλογής και απορρόφησης, όπως προαναφέραµε, µπορεί να είναι ενσωµατωµένα στην ίδια συσκευή ή να είναι ξέχωρα. Πάντως το 15

υποσύστηµα απορρόφησης είναι απαραίτητο γιατί παραλαµβάνει την ηλιακή ακτινοβολία από το υποσύστηµα συλλογής και τη µεταφέρει στο υποσύστηµα µεταφοράς όπου υπάρχει ένα υγρό συναλλαγής θερµότητας. Τέλος, όσον αφορά τα υποσυστήµατα αποθήκευσης και συναλλαγής-µετατροπής αυτά δεν είναι απαραίτητα στοιχεία όλων των ηλιακών θερµικών συστηµάτων. Συγκεντρωτικοί 2 άξονες κίνησης 1 άξονας κίνησης Επικεντρωµένοι σηµειακήεστίαση κατανεµηµένη εστίαση 2 άξονες κίνησης κινητός συλλέκτης 1 άξονας κίνησης κινητός απολήπτης κεντρικός αποροφητής σηµειακής εστίασης κεντρικός αποροφητής γραµµικής εστίασης παραβολοειδές κάτοπτρο ηµισφαιρικά κάτοπτρα (FMDF) παραβολικός συλλέκτης τµηµατικός συλλέκτης µη συγκεντρωτικοί χωρίς άξονα κίνησης ενοποιηµένοι σωλήνες κενού επίπεδοι συλλέκτες σταθεροί ηλιακή πισίνα Σχήµα 3: Κατάταξη ηλιακών συλλεκτών µε βάση τις οπτικές τους ιδιότητες. Πηγή: Meyers (1983). Το παραπάνω διάγραµµα παρουσιάζει όλα τα συστήµατα συλλογής - απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας που χρησιµοποιούνται σήµερα. Στο Σχήµα 4 παριστάνονται οι τυπικές κλίµακες θερµοκρασιών λειτουργίας των παραπάνω συστηµάτων. Στα επόµενα κεφάλαια θα ασχοληθούµε µε τον επίπεδο ηλιακό συλλέκτη. Σχήµα 4: ιάγραµµα πού παριστάνει τις κλίµακες των θερµοκρασιών λειτουργίας των διαφόρων ειδών συλλεκτών. Πηγή: ιδάσκων (2015). 4.2.1 Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης 16

4.2.1.1 Περιγραφή - Αρχή λειτουργίας Ο επίπεδος συλλέκτης αποτελείται από τα εξής επί µέρους τµήµατα (κοίτα Σχήµα 5). Σχήµα 5:Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης σε τοµή. Πηγή: ιδάσκων (2015). 1. Προστατευτικό κέλυφος. 2. ιαφανές κάλυµµα. 3. Στοιχείο απορρόφησης. 4. Θερµοµόνωση. 5. Ρευστό µεταφοράς θερµότητας. 6. ιάφορα άλλα βοηθητικά στοιχεία (π.χ. διαφορικός θερµοστάτης κ.λ.π.). Το κέλυφος περιβάλλει το συλλέκτη και τον προστατεύει από τις δυσµενείς καιρικές συνθήκες. Κατασκευάζεται από µέταλλο (επιψευδαργυρωµένο χάλυβα, φύλλο αργιλίου, ανοδιοµένο αλουµίνιο), πλαστικό (ΑΒS), ρητίνη ενισχυµένη µε ίνες γυαλιού ή και ξύλο. Η στεγανότητα του κελύφους παίζει σηµαντικό ρόλο στην απόδοση του συλλέκτη καθώς και στην διάρκεια ζωής του στοιχείου απορρόφησης. Και αυτό γιατί αν είναι ελαττωµατική η στεγανότητα αυξάνονται οι απώλειες θερµότητας, δηµιουργούνται ρεύµατα αέρα στο εσωτερικό του κελύφους και αφήνουν να περνά το νερό της βροχής. Η στεγανότητα επιτυγχάνεται µηχανικά ή όπου υπάρχει ανάγκη προστίθενται παρεµβύσµατα και σπανιότερα διενεργούνται κολλήσεις. Τα παρεµβύσµατα πρέπει να είναι από υλικά ανθεκτικά στην ηλιακή ακτινοβολία και τις ψηλές θερµοκρασίες πού αναπτύσσονται στα σηµεία όπου τοποθετούνται. Το διαφανές κάλυµµα καλύπτει το στοιχείο απορρόφησης και ταυτόχρονα επιτρέπει τη διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας. Το κάλυµµα στηρίζεται στο κέλυφος και αποτελείται από έναν ή περισσότερους υαλοπίνακες ή πλαστικά φύλλα. Η στερέωσή τους στο κέλυφος όπως προαναφέρθηκε, γίνεται µηχανικά, µε παρεµβύσµατα ή µε πολυµεριζόµενες ή οξειδούµενες οργανικές ουσίες. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι αυξανόµενου του αριθµού των καλυµµάτων αυξάνεται η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ στοιχείου απορρόφησης και περιβάλλοντος. 17

ιαφορές µεταξύ καλυµµάτων από υαλοπίνακες και πλαστικά φύλλα Οι υαλοπίνακες αφήνουν να περάσει η ηλιακή ακτινοβολία µήκους κύµατος πάνω από 0.3 µm ενώ απαγορεύουν τη διέλευση της υπέρυθρης ακτινοβολίας (3µm -5µm). Ο συντελεστής διαφάνειας τους εξαρτάται από το πόσο FexOy περιέχουν και τη γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας (συνήθως τ=0.8 για κάθετη πρόσπτωση). Η διάρκεια ζωής τους είναι απεριόριστη αλλά σπάζουν από αντικείµενα που µπορεί να πέσουν πάνω τους ή αν υπάρχει κακή συναρµογή και απότοµες µεταβολές θερµοκρασίας. Τα πλαστικά φύλλα επιτρέπουν διέλευση ηλιακής ακτινοβολίας από 0.3 µm - 9µm (ορατή και υπέρυθρη). Αποτέλεσµα είναι ο συντελεστής διαφάνειας στην περιοχή του υπέρυθρου να είναι της τάξης του 0.40, δηλαδή να έχουµε σηµαντικές απώλειες θερµότητας. Είναι ανθεκτικότερα στις κρούσεις αλλά επηρεάζεται δυσµενώς η διαφάνειά τους µε την πάροδο του χρόνου από τις καιρικές συνθήκες µε αποτέλεσµα να περιορίζεται η ζωή τους στα 8 µε 10 χρόνια. Η θερµοµόνωση τοποθετείται στα πλάγια και στην "πλάτη" του στοιχείου απορρόφησης µε σκοπό τη µείωση των θερµικών απωλειών του προς το περιβάλλον. Μπορεί να είναι από ορυκτοβάµβακα (λ=0.046 W/m2oK στους 60oC), υαλοβάµβακα (λ=0.057 W/m2oK για ρ= 123 kg/m3), πολυουρεθάνη (λ=0.026 W/m2oK στους 50oC), πολυστυρένιο (λ=0.031 W/m2oK στους 50oC και για ρ=36 kg/m3) κ.λ.π. Όπως φαίνεται η πολυουρεθάνη έχει πολύ καλές θερµοµονωτικές ιδιότητες αλλά αποσυντίθεται από τις ηλιακές ακτίνες και εποµένως χρησιµοποιείται υπό προϋποθέσεις. Σηµειωτέο ότι το στρώµα αέρα που παγιδεύεται µεταξύ καλύµµατος και στοιχείου απορρόφησης προσφέρει µόνωση της θερµής επιφάνειας. Τα ρευστά µεταφοράς θερµότητας µπορεί να είναι νερό, αέρας ή λάδι. To νερό χρησιµοποιείται χωρίς πρόβληµα µέχρι τους 85 o C ενώ για µεγαλύτερες θερµοκρασίες πρέπει να λαµβάνονται µέτρα για τον παραγόµενο ατµό. Έχει τη µεγαλύτερη θερµοχωρητικότητα από τα άλλα ρευστά και άρα µπορεί να απάγει µεγάλα ποσά θερµότητας. Ο αέρας έχει το πλεονέκτηµα να µην αλλάζει φάση, να µη διαβρώνει το στοιχείο απορρόφησης, να µη χρειάζεται αντιψυκτικό ούτε στεγανότητα υψηλής ποιότητας. Τέλος τα λάδια που δεν αλλάζουν φάση άπω 0-300 o C έχουν τα πλεονεκτήµατα του αέρα αλλά η χρήση τους περιορίζεται από το κόστος τους. Το στοιχείο απορρόφησης είναι το τµήµα εκείνο του συλλέκτη όπου πραγµατοποιείται η µετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερµότητα. Υπάρχουν δύο κατηγορίες στοιχείων απορρόφησης τα φαιά και τα συγκεντρωτικά. Στους επίπεδους συλλέκτες χρησιµοποιούνται κυρίως τα πρώτα. Η ηλιακή ακτινοβολία πέφτει πάνω στο κάλυµµα του συλλέκτη, ένα µέρος της απορροφάται από αυτό και το υπόλοιπο περνώντας το διάκενο µεταξύ καλύµµατος και στοιχείου απορρόφησης πέφτει πάνω στην µπροστινή επιφάνεια του στοιχείου απορρόφησης. Από το ποσό αυτό ένα µέρος αντανακλάται πάλι πίσω προς το κάλυµµα ενώ το υπόλοιπο απορροφάται (σηµ. αν α ο συντελεστής απορρόφησης και r ο συντελεστής ανάκλασης µιας επιφάνειας α+r=1). Ακολούθως γίνεται η µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερµική και η θερµότητα µεταφέρεται, εν µέρει µε αγωγή και ως επί το πλείστον µε µεταφορά, από το εσωτερικό της µάζας του στοιχείου απορρόφησης στο ρευστό που κυκλοφορεί στο εσωτερικό των αγωγών και τους ψύχει ενώ ένα µέρος 18

της ακτινοβολείται από το στοιχείο απορρόφησης προς το κάλυµµα και τέλος ένα πολύ µικρό µέρος της µεταφέρεται µε µεταφορά µέσω του αέρα (γιατί όπως είπαµε είναι µονωτικό) πάλι από το στοιχείο προς το κάλυµµα. Αν επικαλύψουµε το εσωτερικό του γυάλινου καλύµµατος µε ΜgF 2 ή SnO 2 αυξάνεται η αντανακλαστική ικανότητά του και µηδενίζονται οι απώλειες λόγω ακτινοβολίας (φαινόµενο θερµοκηπίου). Όπως αντιλαµβανόµαστε συµφέρει το α του στοιχείου απορρόφησης να είναι µεγάλο (µαύρη και τραχιά επιφάνεια). Αυτό επιτυγχάνεται µε διάφορες µεθόδους: 1) βαφή του στοιχείου. 2) επικάλυψη της επιφάνειας µε επιλεκτική ουσία. 3) κατάλληλη διαµόρφωση της επιφάνειάς του (µικροσκοπική). 4) χρήση αντιακτινοβολουσών κατασκευών (π.χ. κυψέλες). 4.2.1.2 Υπολογισµός βαθµού απόδοσης επίπεδου ηλιακού συλλέκτη µε υγρό Ο υπολογισµός του βαθµού απόδοσης ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη υγρού βασίζεται ουσιαστικά στην εξίσωση: Qu=FR*Ac*[IT*(τ*α) - UL*(Ti-Tα)]... (1) Όπου: Qu: ωφέλιµη συλλεγόµενη θερµική ισχύς (W). Αc: oλικό εµβαδόν συλλέκτη (m2). IT: ένταση ολικής (άµεσης και διάχυτης) ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στον επίπεδο συλλέκτη (W/m 2 ). τ : συντελεστής διαπερατότητας διαφανούς καλύµµατος συλλέκτη στην ηλιακή ακτινοβολία (εξαρτάται από το υλικό). α : συντελεστής απορρόφησης του στοιχείου απορρόφησης στην ηλιακή ακτινοβολία (εξαρτάται από το υλικό). (τ*α): ενεργό γινόµενο διαπερατότητας - απορροφητικότητας για τυχαία γωνία πρόσπτωσης. U L : συντελεστής απωλειών θερµότητας συλλέκτη (W/m 2o C). T i : θερµοκρασία ρευστού µεταφοράς θερµότητας στην είσοδο του συλλέκτη ( o C). T α : θερµοκρασία αέρα περιβάλλοντος ( o C). F R : παράγοντας απαγωγής θερµότητας (εισάγεται για να µπορώ να χρησιµοποιώ την πιο εύκολα ευρισκόµενη θερµοκρασία Ti από την µέση θερµοκρασία της συλλεκτικής επιφάνειας). 19

Στην εξίσωση 1 το γινόµενο F R *A c *U L *(T i -T α ), εκφράζει το απαγόµενο προς το περιβάλλον ποσό θερµότητας (απώλειες) και το γινόµενο F R *A c *I T *(τ*α), το συλλεγόµενο ποσό ισχύος. Ο βαθµός απόδοσης υπολογίζεται για κάθετη πρόσπτωση (αντί του τ*α χρησιµοποιείται το (τ*α) n ) και είναι το πηλίκο της πραγµατικής ωφέλιµης ισχύος προς τη συνολική προσπίπτουσα ηλιακή ισχύ: Qu η = I *A T c = F R *( τ * α) n - F R *U L Ti T * I Τ α (2) Η γραφική παράσταση της σχέσης αυτής είναι µια ευθεία µε κλίση FR*UL και τεταγµένη επί την αρχή FR*(τ*α)n σε σύστηµα αξόνων µε οριζόντιο άξονα (Ti-Tα)/ΙT και κατακόρυφο n (κοίτα Σχήµα 6). ηλαδή µε τον προσδιορισµό της ευθείας αυτής τα διάφορα δοκιµαστήρια ηλιακών συλλεκτών βρίσκουν τον βαθµό απόδοσης για κάθε περίπτωση όπως επίσης και τις σταθερές F R *U L και F R *(τ*α)n που εξαρτώνται απλά και µόνο από το είδος των υλικών και τον τρόπο κατασκευής του συλλέκτη. Τύπος Περιγραφή F R *(τ*α) n F R *U L (W/m 2ο C) I Mαύρο χρώµα 1 τζάµι 0,82 7,5 ΙΙ Μαύρο χρώµα 2 τζάµια ή επιλεκτική επιφάνεια 0,75 5,0 ΙΙΙ Σωλήνες κενού 0,45 1,25 IV Πλαστικός συλλέκτης χωρίς τζάµι και µόνωση (ταχύτητα ανέµου 2,2m/s) Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά µεγέθη διαφόρων συλλεκτών. Πηγή: ιδάσκων (2015). 0,86 21.5 20

Σχήµα 6: Τυπικές καµπύλες απόδοσης επιπέδων συλλεκτών. Πηγή: ιδάσκων (2015). 4.2.2 Αποθήκευση ηλιακής ενέργειας Η ηλιακή ενέργεια είναι µια χρονικά µεταβαλλόµενη πηγή ενέργειας. Αλλά και οι διάφορες ανάγκες κάλυψης φορτίων σε µεγάλο αριθµό εφαρµογών είναι χρονικά µεταβαλλόµενες, µε τρόπο όµως διαφορετικό από αυτόν της παρεχόµενης ηλιακής ενέργειας. Η αποθήκευση της ενέργειας σε ένα ηλιακό σύστηµα είναι απαραίτητη για την εξισορρόπηση προσφοράς και ζήτησης ενέργειας. Η βέλτιστη χωρητικότητα ενός συστήµατος αποθήκευσης εξαρτάται από: Την εξάρτηση της διατιθέµενης ηλιακής ενέργειας από τον χρόνο. Το είδος των φορτίων που θα καλυφθούν. Το βαθµό αξιοπιστίας του συστήµατος. Τον τρόπο παροχής της βοηθητικής ενέργειας. Μια οικονοµοτεχνική ανάλυση που θα εκτιµά το ποσοστό του ετήσιου φορτίου. που θα καλυφθεί από την ηλιακή ενέργεια και από τη βοηθητική ενέργεια. Για να αντιληφθούµε την χρονική εξάρτηση φορτίου L και της ωφέλιµης συλλεγόµενης ενέργειας ενός συλλέκτη Qu σε ένα απλοποιηµένο ηλιακό σύστηµα ας παρατηρήσουµε το Σχήµα 7 (a). Σε κάποιες χρονικές περιόδους, η διατιθέµενη ενέργεια υπερβαίνει το φορτίο, ενώ σε άλλες συµβαίνει το αντίστροφο. Με την προσθήκη ενός συστήµατος αποθήκευσης η επιπρόσθετη ενέργεια από τον συλλέκτη (όποτε αυτή υπάρχει) αποθηκεύεται και διατίθεται όποτε παρίσταται ανάγκη, όπως φαίνεται στο Σχήµα7 (b). Η αποθήκευση ενέργειας είναι όπως φαίνεται σηµαντική στον καθορισµό της απόδοσης ενός συστήµατος. Αν δεν υπήρχε αποθήκευση στο εικονιζόµενο σύστηµα, το όφελος από την ηλιακή ενέργεια την πρώτη και τρίτη ηµέρα θα ήταν µειωµένο κατά το ποσό που αποθηκεύθηκε τις µέρες αυτές και άρα θα είχαµε συνολικά µια µείωση της συµβολής της ηλιακής ενέργειας στην κάλυψη των αναγκών µας. Στα περισσότερα συστήµατα δεν είναι φρόνιµο να καλύπτουµε το σύνολο των αναγκών µας µε ηλιακή ενέργεια για µακρές χρονικές περιόδους και κατά συνέπεια χρησιµοποιούµε βοηθητική πηγή ενέργειας Στην 21

περίπτωση αυτή το σύνολο του φορτίου L καλύπτεται από συνδυασµό της ηλιακής ενέργειας Qu και της βοηθητικής ενέργειας. LA. Σηµαντικό στην ανάλυση της απόδοσης ενός συστήµατος είναι ο προσδιορισµός των µακροπρόθεσµων τιµών του LA, του ποσού δηλαδή της ενέργειας που θα αγορασθεί, για να εκτιµήσουµε το κόστος παροχής ενέργειας από το ηλιακό σύστηµα και τη συµβολή του (σαν ποσοστό) στην κάλυψη των αναγκών. Αυτό γίνεται συνήθως για ετήσια χρονική διάρκεια, και οι παράµετροι που χρησιµοποιούνται είναι η επιφάνεια του συλλέκτη και η χωρητικότητα του συστήµατος αποθήκευσης. Σχήµα 7:Ηλιακό σύστηµα µε αποθήκευση. (a) Προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια GT, ωφέλιµη ηλιακή ισχύς συλλέκτη Qu και φορτίο L, συναρτήσει του χρόνου για ένα τριήµερο., (b) Ενέργεια προστιθέµενη στην/ή αφαιρούµενη από την αποθήκευση, (c) Ολοκληρωµένες τιµές, ωφέλιµης ηλιακής ισχύος συλλέκτη Qu, φορτίου L και βοηθητικής ενέργειας για τριήµερο. Πηγή: Duffie καιbeckman (1991). 4.2.2.1 Τρόποι και µέσα αποθήκευσης ηλιακής ενέργειας. Η αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας µπορεί να γίνει µε τη µορφή : Της αισθητής θερµότητας ενός ρευστού ή στερεού µέσου. Της θερµότητας αντίδρασης σε χηµικά συστήµατα. Της χηµικής ενέργειας των προϊόντων µιας αντιστρεπτής χηµικής αντίδρασης. Μπορούν επίσης να αποθηκευθούν και άλλα προϊόντα ηλιακών διεργασιών εκτός της ενέργειας, όπως π.χ. απεσταγµένο νερό από ένα ηλιακό αποστακτήρα, ή ηλεκτρική ενέργεια σαν χηµική σε µπαταρίες. Η επιλογή του µέσου αποθήκευσης εξαρτάται από τη φύση της διεργασίας. Για θέρµανση νερού είναι λογικό να αποθηκεύσω ενέργεια µε τη µορφή αισθητής θερµότητας αποθηκευµένου νερού. Αν χρησιµοποιούνται συλλέκτες αέρα για θέρµανση, ενδείκνυται η αποθήκευση µε τη µορφή αισθητής ή λανθάνουσας 22

θερµότητας σε µονάδες µε υλικό σε µορφή µικρών σωµατιδίων, όπως σε εναλλάκτη µε στρώµατα µε χαλίκια. Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός συστήµατος αποθήκευσης θερµικής ενέργειας είναι: Α) η αποθηκευτική ικανότητα ανά µονάδα όγκου. Β) το εύρος θερµοκρασιών στο οποίο λειτουργεί, δηλαδή οι θερµοκρασίες προσθήκης και παροχής θερµότητας. Γ) ο τρόπος προσθήκης και παροχής θερµότητας. ) η θερµοκρασιακή διαστρωµάτωση στη µονάδα αποθήκευσης. Ε) η αναγκαία ισχύς για την προσθήκη και παροχή θερµότητας. Στ) οι δεξαµενές ή άλλα σχετικά κατασκευαστικά στοιχεία. Ζ) ο τρόπος ελέγχου των θερµικών απωλειών από το σύστηµα αποθήκευσης. Η) το κόστος. Ιδιαίτερα σηµαντικοί σε ένα σύστηµα αποθήκευσης είναι εκείνοι οι παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία του ηλιακού συλλέκτη. Η ωφέλιµη συλλεγόµενη ισχύς ενός συλλέκτη µειώνεται, αυξανοµένης της µέσης θερµοκρασίας της απορροφητικής επιφάνειας. Επίσης ένας από τους στόχους του σχεδιασµού της µονάδας αποθήκευσης είναι η ελαχιστοποίηση οποιωνδήποτε απωλειών θερµότητας σε λογικά πλαίσια κόστους. 4.2.2.2 Αποθήκευση σε νερό. Για πολλά ηλιακά συστήµατα το νερό είναι το ιδανικό µέσο αποθήκευσης θερµότητας. Η ενέργεια προστίθεται και αφαιρείται µεταφέροντας το ίδιο το µέσο αποθήκευσης, ελαττώνοντας τις απώλειες (και την πτώση θερµοκρασίας) µεταξή αποθηκευτικού µέσου και µέσου µεταφοράς θερµότητας που θα υπήρχαν αν χρησιµοποιούνταν εναλλάκτης. Το σύστηµα του Σχήµατος8 είναι ένα τυπικό δείγµα συστήµατος µε δεξαµενές νερού. Η αποθηκευτική ικανότητα µιας δεξαµενής νερού (ή άλλου υγρού µέσου) οµοιόµορφης θερµοκρασίας (δηλ. πλήρως αναµεµιγµένης ή χωρίς διαστρωµάτωση) που λειτουργεί σε µία θερµοκρασιακή διαφορά Τs δίνεται από τη σχέση: Qs = (mc p ) s Τ s (3) όπου Qs είναι η συνολική θερµική ικανότητα για ένα κύκλο λειτουργίας σε θερµοκρασιακό εύρος TS και m η µάζα του νερού στη δεξαµενή. Το θερµοκρασιακό εύρος στο οποίο µια δεξαµενή µπορεί να λειτουργήσει περιορίζεται προς τα κάτω από τις απαιτήσεις της διεργασίας. Η διεργασία, η πίεση των ατµών και οι θερµικές απώλειες του συλλέκτη περιορίζουν το θερµοκρασιακό εύρος προς τα πάνω. Για µια δεξαµενή χωρίς διαστρωµάτωση, σαν αυτή του Σχήµατος9 µπορεί να γραφεί το παρακάτω ενεργειακό ισοζύγιο. 23

(mc p ) s ' Τ = Q - L - (UA) (T - T α ) (4) s u S S S όπουq u και L s είναι οι ρυθµοί προσθήκης και αφαίρεσης ενέργειας από το συλλέκτη και το φορτίο αντίστοιχα και T a η θερµοκρασία περιβάλλοντος για τη δεξαµενή (που µπορεί να µην είναι ίδια µε αυτή του συλλέκτη που τροφοδοτεί τη δεξαµενή). Σχήµα 8: Ένα τυπικό σύστηµα µε δεξαµενή νερού για αποθήκευση. Πηγή: DuffieκαιBeckman(1991). Το νερό κυκλοφορεί µέσω του συλλέκτη για να παραλάβει ενέργεια και µέσω του φορτίου για να προσφέρει ενέργεια. Σχήµα 9: εξαµενή χωρίς διαστρωµάτωση µάζας m µε θερµοκρασία λειτουργίας Ts και θερµοκρασία περιβάλλοντος T'a. Πηγή: Duffie καιbeckman (1991). 4.2.2.3 ιαστρωµάτωση σε δεξαµενές αποθήκευσης. Οι δεξαµενές νερού µπορεί να λειτουργούν µε σηµαντική διαστρωµάτωση, δηλαδή µε το πάνω µέρος της δεξαµενής θερµότερο από το κάτω. Έχουν αναπτυχθεί πολλά µοντέλα για διαστρωµατωµένες δεξαµενές, τα οποία εντάσσονται σε δύο κατηγορίες. Στην πρώτη, τη διαδικασία πολλαπλών σηµείων, η δεξαµενή διαιρείται σε Ν σηµεία (τοµείς), και σχηµατίζουµε τα ενεργειακά ισοζύγια για κάθε τοµέα της δεξαµενής. Το αποτέλεσµα είναι ένα σύνολο Ν διαφορικών εξισώσεων που επιλύονται για τις θερµοκρασίες των Ν σηµείων συναρτήσει του χρόνου. Στη δεύτερη, τη διαδικασία plug flow, στοιχεία ρευστού σε διάφορες θερµιοκρασίες δεχόµαστε ότι κινούνται διαµέσου της δεξαµενής, διατηρώντας στοιχεία όπως το µέγεθος, τη θερµοκρασία και τη σχετική θέση. Υπάρχουν πολλές διαφοροποιήσεις για κάθε διαδικασία και η επιλογή του µοντέλου εξαρτάται από την τελική χρήση. 24

Ο βαθµός διαστρωµάτωσης σε µία πραγµατική δεξαµενή εξαρτάται από τον σχεδιασµό της δεξαµενής, το µέγεθος, τη θέση εισαγωγής και εξαγωγής και τις παροχές των εισερχόµενων και εξερχόµενων ρευµάτων. Είναι δυνατό να σχεδιάσουµε δεξαµενές µε πολύ χαµηλές ταχύτητες εισόδου και εξόδου που να έχουν υψηλό βαθµό διαστρωµάτωσης. 4.2.2.4 Αποθήκευση σε στρώµατα µε χαλίκια. Μία µονάδα αποθήκευσης µε στρώµατα (από χαλίκια ή βότσαλα) χρησιµοποιεί τη θερµοχωρητικότητα ενός στρώµατος χαλαρά στρωµατοποιηµένου υλικού σε µικρά τεµάχια για την αποθήκευση ενέργειας. Ένα ρευστό, συνήθως αέρας, κυκλοφορεί µέσα από το στρώµα και προσθέτει ή αφαιρεί ενέργεια. Μία µονάδα αποθήκευσης µε στρώµατα από χαλίκια φαίνεται στο Σχήµα 10. Τα απαραίτητα είναι ένα µεγάλο δοχείο, ένα πλέγµα στήριξης του στρώµατος, υποστηρίγµατα για το πλέγµα και αεραγωγοί εισόδου και εξόδου. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας διατηρείται η ροή µέσα από το στρώµα κατά τη µία διεύθυνση κατά την προσθήκη θερµότητας (συνήθως από πάνω προς τα κάτω) και κατά την αντίθετη κατά την αφαίρεση θερµότητας. Σηµειωτέον ότι θερµότητα δεν µπορεί να προστίθεται και να αφαιρείται ταυτόχρονα σε αντιπαράθεση µε τα συστήµατα αποθήκευσης νερού όπου αυτό είναι δυνατό. Σχήµα 10:Μονάδα αποθήκευσης µε στρώµα χαλικιών. Πηγή: DuffieκαιBeckman(1991). Τα καλοσχεδιαασµένα στρώµατα µε βότσαλα έχουν αρκετά χαρακτηριστικά που είναι επιθυµητά για ηλιακές εφαρµογές: ο συντελεστής µετάδοσης θερµότητας ανάµεσα στον αέρα και τα βότσαλα είναι υψηλός, κάτι που βοηθά στη µεγάλη θερµική διαστρωµάτωση. το κόστος υλικού αποθήκευσης και δοχείου αποθήκευσης είναι χαµηλό. η θερµική αγωγιµότητα του στρώµατος είναι χαµηλή όταν δεν υπάρχει ροή αέρα. 25

η πτώση πίεσης δια µέσου του στρώµατος µπορεί να είναι χαµηλή. Ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα της αποθήκευσης σε στρώµα είναι ο υψηλός βαθµός διαστρωµάτωσης που επιτυγχάνεται. 4.2.2.5 Εποχιακή αποθήκευση Τα µεγάλης κλίµακας ηλιακά συστήµατα (για παράδειγµα αυτά που χρησιµοποιούνται σε τηλεθέρµανση κτιρίων και νερού) απαιτούν αποθήκευση µεγάλης κλίµακας. Για την αποθήκευση χρησιµοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις το έδαφος, καθώς είναι το µόνο που µπορεί να προσφέρει τέτοια χωρητικότητα. Ο στόχος της αποθήκευση µεγάλης κλίµακας είναι να αποθηκεύει ενέργεια το καλοκαίρι για να τη χρησιµοποιήσει το χειµώνα. Τα χρονικά διαστήµατα λοιπόν στα οποία έχουµε απώλειες από την δεξαµενή είναι της τάξης του έτους και επίσης συµβαίνουν και κατά τη διάρκεια των θερινών µηνών κάτι που δε συµβαίνει µε συστήµατα αποθηκευτικής ικανότητας µερικών ηµερών. Ο όγκος µιας µονάδας αποθήκευσης αυξάνει (περίπου) ανάλογα µε τον κύβο της χαρακτηριστικής διάστασης και η επιφάνεια θερµικών απωλειών της ανάλογα µε το τετράγωνο, άρα αυξάνοντας το µέγεθος µειώνουµε τον λόγο απώλειας προς χωρητικότητα. Η χωρητικότητα ανά µονάδα συλλεκτικής επιφάνειας πρέπει να είναι δύο µε τρεις τάξεις µεγέθους µεγαλύτερη από αυτής της ηµερήσιας αποθήκευσης. Αυτοί οι παράγοντες οδήγησαν στην αποθήκευση πολύ µεγάλης κλίµακας ή εποχιακή αποθήκευση. 4.2.3 Ηλιακά συστήµατα Για να εκµεταλλευθούµε την συλλεγόµενη ηλιακή ενέργεια όπως προαναφέραµε χρησιµοποιούµε και κάποια άλλα υποσυστήµατα. Ο απλούστερος συνδυασµός είναι ο συλλέκτης (υποσύστηµα συλλογής - απορρόφησης) µε ένα δοχείο αποθήκευσης ζεστού νερού (υποσύστηµα αποθήκευσης). Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες συστηµάτων: Σχήµα 11:Σύστηµα κλειστού κυκλώµατος. Πηγή: ιδάσκων (2015). 26

α) Ανοικτού κυκλώµατος: Ο συλλέκτης θερµαίνει απ' ευθείας το ρευστό που αποθηκεύεται στο δοχείο αποθήκευσης και διατίθεται στη συνέχεια. (β) Κλειστού κυκλώµατος: Ο συλλέκτης θερµαίνει ένα µέσο µεταφοράς θερµότητας (πρωτεύον κύκλωµα) το οποίο µέσω ενός εναλλάκτη θερµότητας µεταφέρει θερµότητα στο ανοικτό κύκλωµα του δοχείου αποθήκευσης (δευτερεύον κύκλωµα). Προφανώς στο κλειστό κύκλωµα πρέπει να επιλύσουµε κάποια τεχνικά προβλήµατα που δεν συναντώνται στο ανοικτό, όπως για παράδειγµα την ανάπτυξη πιέσεων όταν ζεσταθεί το υγρό του συλλέκτη (προσθήκη δοχείου διαστολής). Άλλο πρόβληµα είναι οι φυσαλίδες του αέρα που µπορεί να εγκλωβιστούν και να δηµιουργήσουν προβλήµατα µεταφοράς θερµότητας (προσθήκη βαλβίδας εξαερισµού). Τέλος αν δεν προσεχθεί ιδιαίτερα η στεγανότητα στο πρωτεύον κύκλωµα θα πρέπει το συλλεκτικό υγρό να αναπληρώνεται σε τακτά χρονικά διαστήµατα. Παρουσιάζει όµως τα ακόλουθα πλεονεκτήµατα: 1) Μπορεί να εγκατασταθεί σε περιοχές όπου η θερµοκρασία τον χειµώνα πέφτει κάτω από τους 0oC χωρίς να υπάρχει κίνδυνος παγώµατος των σωληνώσεων λόγω της δυνατότητας προσθήκης αντιπηκτικού στο πρωτεύον κύκλωµα. 2) Ο συλλέκτης προστατεύεται αποτελεσµατικά από επικαθίσεις αλάτων που µε τον καιρό δηµιουργούν σηµαντικά προβλήµατα κυκλοφορίας και µετάδοσης θερµότητας. Λόγω των ανωτέρω σήµερα στην Ελλάδα χρησιµοποιείται σχεδόν κατ αποκλειστικότητα το κλειστό κύκλωµα. Λαµβάνοντας το τελευταίο στοιχείο υπ' όψη στην εξίσωση 1 αντί του συντελεστού θερµικής απολαβής FR χρησιµοποιείται ένας συντελεστής F R για να ληφθεί υπ' όψη το γεγονός της προσθήκης του εναλλάκτη. Ο συντελεστής µετατροπής F R/FR είναι συνάρτηση παραµέτρων του συλλέκτη και του εναλλάκτη. Θα θέλαµε εδώ να τονίσουµε την χρησιµότητα των αντιπηκτικών τα οποία κατεβάζουν το σηµείο πήξης του συλλεκτικού υγρού µε αποτέλεσµα την επίτευξη του πρώτου από τα δύο πλεονεκτήµατα που προαναφέραµε. Το συνηθέστερο αντιπηκτικό είναι η προπυλενογλυκόλη λόγω της µη τοξικότητάς της, δηλαδή αν από λάθος αναµιχθεί υγρό του πρωτεύοντος µε υγρό του δευτερεύοντος κυκλώµατος δεν θα υπάρχει κίνδυνος για τον τελικό χρήστη. 4.2.4 Επίδραση µετεωρολογικών δεδοµένων και θέσης συλλέκτη στην απόδοσή του 4.2.4.1 Μετεωρολογικά δεδοµένα Από τον τύπο 1 που προαναφέραµε όπως και από άλλους που θα ακολουθήσουν συνάγεται το συµπέρασµα ότι υπάρχει άµεση σχέση µετεωρολογικών δεδοµένων και απόδοσης συλλέκτη (ηλιακή ακτινοβολία, θερµοκρασία περιβάλλοντος κ.λ.π.). Φυσικά υπάρχουν εγκατεσπαρµένοι µετεωρολογικοί σταθµοί σε όλα τα µήκη και τα πλάτη της γης που δίνουν τα στοιχεία αυτά για κάθε τόπο. Όµοια και στην Ελλάδα µπορούν να εξαχθούν τέτοια στοιχεία για κάθε πόλη ή χωριό. Για την διευκόλυνση όµως των υπολογισµών έγινε µια κατανοµή της χώρας σε 6 ζώνες (Σχήµα12 και 27

Πίνακας 2) και υπολογίστηκαν µέσες τιµές για διάφορα µεγέθη, µερικά από τα οποία φαίνονται στουςπίνακες3 έως 6. Για να βρούµε την µέση ολική µηνιαία ακτινοβολία σε κεκλιµένο επίπεδο θα χρησιµοποιήσουµε τον τύπο: H T = R * H (5) Όπου: H : η τιµή της µέσης ολικής µηνιαίας ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο από τουςπίνακας3 έως 6 και R : ο συντελεστής µετατροπής, οι τιµές του οποίου δίνονται στους Πίνακες8 έως 12 συναρτήσει της κλίσης του συλλέκτη, του µήνα και της ζώνης. Θα τονίσουµε εδώ ότι το 1960 ο Liu και ο Jordan διατύπωσαν µια σχέση που συνδέει το R µε τον συντελεστή αιθριότητας K T, που είναι ο λόγος της µέσης ολικής ηλιακής ακτινοβολίας που πέφτει σε οριζόντιο επίπεδο στην επιφάνεια της γης προς αυτήν που πέφτει σε οριζόντιο επίπεδο εκτός της ατµόσφαιρας ( οποίας δίνονται στον Πίνακα13. H ext) τιµές της 4.2 Θέση και προσανατολισµός συλλέκτη Η επίδραση του προσανατολισµού στο ποσό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας φαίνεται στο Σχήµα14. Όπως µπορούµε να δούµε ο βέλτιστος προσανατολισµός είναι ο νότιος µε µέγιστη επιτρεπόµενη απόκλιση ±15 o. Oσον αφορά τη θέση του συλλέκτη αυτή επηρεάζει κυρίως το γινόµενο (τ*α) το οποίο συνδέεται µε το γινόµενο (τ*α) n µε τη σχέση (τ * α) = K ατ * (τ * α)n ή (τ * α)/(τ * α) n = K ατ K όπου ο συντελεστής γωνίας πρόσπτωσης ατ υπολογίζεται κατά τη διαδικασία δοκιµής του συλλέκτη. Ο Πινακας 3-6 δίνει τα αποτελέσµατα της µεθόδου αυτής για διάφορες κλίσεις συλλέκτη και για κάθε µήνα για συλλέκτες τύπου Ι και ΙΙ. Ας K σηµειωθεί ότι µεγιστοποίηση του ατ -άρα και της απόδοσης του συλλέκτη - επιτυγχάνεται για κλίση 45-50o και ειδικότερα. α) για θέρµανση χώρων η βέλτιστη κλίση είναι 10-15o µεγαλύτερη του γεωγραφικού πλάτους του τόπου (στην Ελλάδα 45-55ο). β) για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης η βέλτιστη κλίση είναι ίση µε το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (στην Ελλάδα περίπου 40o, κοίτα και Σχήµα15). 28