Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Φωτοβολταϊκά και ανεμογεννήτριες 1
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Φωτοβολταϊκά και ανεμογεννήτριες Συντελεστές 1) Γιάννης κουρνιώτης 2) Κων/νος Αντωνάκος 3) Θεόδωρος Δημητρόπουλος 4) Λυμπεσάρι Σαντιάγκο 5) Διονύσης Βασίλις 1ο Επαλ Σπάρτης Α' τάξη Σχολικό Έτος 2016-2017 2
Πρόλογος Στα πλαίσια του μαθήματος της ερευνητικής εργασίας στην τεχνολογία ως εργασία επιλέξαμε να μελετήσουμε τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συγκεκριμένα τα Φωτοβολταϊκά και τις ανεμογεννήτριες. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στο μέλλον πιθανότατα θα αντικαταστήσουν τις μη ανανεώσiμες πηγές. Γενικά με τον όρο ανανεώσιμες εννοούμε τις πηγές ενέργειας που δεν εξαντλούνται, ενώ με τον όρο μη ανανεώσιμες εννοούμε αυτές που κάποια στιγμή στο μέλλον θα εξαντληθούν και δεν θα μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε πια. Ένα ακόμη πλεονέκτημα τον ανανεώσιμων πηγών είναι ότι δεν μολύνουν το περιβάλλον. Τέλος επιλέξαμε αυτό το θέμα διότι είναι επίκαιρο, αρκετά ενδιαφέρον και σίγουρα στο μέλλον η ενέργεια η οποία απαιτούμε για τις ανάγκες μας θα βασίζεται σε τέτοιες μορφές ενέργειας. 3
Περιεχόμενα Πρόλογος...2 Α' μέρος θεωρητικό 1 ο Κεφάλαιο Ανεμογεννήτριες 1.1 Aνεμογεννήτρια...4 1.2 Tα είδη ανεμογεννητριών...5 1.3 Tα μέρη μιας ανεμογεννήτριας...6-7 1.4 Oι ανεμογεννήτριας σε αριθμούς στην χώρα μας...8 2 ο Κεφάλαιο Φωτοβολταϊκά 2.1 Φωτοβολταικα.. 9-11 2.2 Τα μέρη ενός φωτοβολταικου 12 2.3 Τα είδη φωτοβολταϊκών...12-15 2.4 Τα Φωτοβολταϊκά σε αριθμούς στην χώρα μας...15-16 Β' μέρος Πειραματικό 3 ο Κεφάλαιο Φωτοβολταϊκά 2.5 Η εργασία μας.17 Συμπέρασμα 17 Πηγές.17 4
Α Μέρος θεωρητικό 1 ο κεφάλαιο 1.1 Ανεμογεννήτρια Η ανεμογεννήτρια είναι αιολική μηχανή που παράγει ρεύμα από την αιολική ενέργεια και μπορεί να τροφοδοτήσει με ρεύμα κατοικημένες περιοχές όπως πόλεις, κωμοπόλεις ή χωριά. Πολλές ανεμογεννήτριες μαζί αποτελούν ένα αιολικό πάρκο. Όμως υπάρχει μεγάλο κόστος για να κατασκευαστεί και να τοποθετηθεί μία ανεμογεννήτρια και ακόμη μεγαλύτερο κόστος για να κατασκευαστεί ένα αιολικό πάρκο. 5
1.2 Τα είδη ανεμογεννητριών Υπάρχουν πολλών ειδών ανεμογεννήτριες οι οποίες κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες : 1:Οριζοντίου άξονα, των οποίων ο δρομέας είναι τύπου έλικα και βρίσκεται συνεχώς παράλληλος με την κατεύθυνση του ανέμου και του εδάφους 2:Κατακόρυφου άξονα, ο οποίος παραμένει σταθερός και είναι κάθετος προς την επιφάνεια του εδάφους Η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας εξαρτάται από το μέγεθος της και την ταχύτητα του ανέμου. Το μέγεθος είναι συνάρτηση των αναγκών που καλείται να εξυπηρετήσει και ποικίλει από μερικές εκατοντάδες μέχρι μερικά εκατομμύρια Watt. Οι τυπικές διαστάσεις μιας ανεμογεννήτριας 500 kw είναι : Διάμετρος δρομέα, 40 μέτρα και ύψος 40-50 μέτρα. 6
1.3 Τα μέρη μιας ανεμογεννήτριας Παρόλο που δεν υφίσταται κανένας καθοριστικός λόγος, εκτός ίσως από την εμφάνιση, στην αγορά έχουν επικρατήσει αποκλειστικά οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα, με δύο ή τρία πτερύγια. Μια τυπική ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα αποτελείται από τα εξής μέρη : το δρομέα, που αποτελείται από δύο ή τρία πτερύγια από ενισχυμένο πολυεστέρα. Τα πτερύγια προσδένονται πάνω σε μια πλήμνη είτε σταθερά, είτε με τη δυνατότητα να περιστρέφονται γύρω από το διαμήκη άξονα τους μεταβάλλοντας το βήμα το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, αποτελούμενο από τον κύριε άξονα, τα έδρανα του και το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών, το οποίο προσαρμόζει την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα στη σύγχρονη ταχύτητα της ηλεκτρογεννήτριας. Η ταχύτητα περιστροφής παραμένει σταθερή κατά την κανονική λειτουργία της μηχανής την ηλεκτρική γεννήτρια, σύγχρονη ή επαγωγική με 4 ή 6 πόλους η οποία συνδέεται με την έξοδο του πολλαπλασιαστή μέσω ενός ελαστικού ή υδραυλικού συνδέσμου και μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική και βρίσκεται συνήθως πάνω στον πύργο της ανεμογεννήτριας. Υπάρχει και το σύστημα πέδης το οποίο είναι ένα συνηθισμένο δισκόφρενο που τοποθετείται στον κύριο άξονα ή στον άξονα της γεννήτριας 7
το σύστημα προσανατολισμού, αναγκάζει συνεχώς τον άξονα περιστροφής του δρομέα να βρίσκεται παράλληλα με τη διεύθυνση του ανέμου τον πύργο, ο οποίος στηρίζει όλη την παραπάνω ηλεκτρομηχανολογική εγκατάσταση. Ο πύργος είναι συνήθως σωληνωτός ή δικτυωτός και σπανίως από οπλισμένο σκυρόδεμα τον ηλεκτρονικό πίνακα και τον πίνακα ελέγχου, οι οποίοι είναι τοποθετημένοι στη βάση του πύργου. Το σύστημα ελέγχου παρακολουθεί, συντονίζει και ελέγχει όλες τις λειτουργίες της ανεμογεννήτριας, φροντίζοντας για την απρόσκοπτη λειτουργία της. 8
1.4 Oι ανεμογεννήτριες σε αριθμούς στην χώρα μας Στην χώρα μας βλέπουμε ο αριθμός των ανεμογεννητριών να αυξάνεται όσο περνά ο χρόνος Με βάση την Στατιστική, το σύνολο της αιολικής ισχύος που κατά τα τέλη 2015 βρισκόταν σε εμπορική ή δοκιμαστική λειτουργία είναι: 2150,8 MW αυξημένη κατά 8,7% σε σχέση με πέρυσι. 9
2 ο κεφάλαιο 2.1 Φωτοβολταϊκά Με τον γενικό όρο Φωτοβολταϊκά ονομάζεται η βιομηχανική διάταξη πολλών φωτοβολταϊκών κυττάρων σε μία σειρά. Στην ουσία πρόκειται για τεχνητούς ημιαγωγούς (συνήθως από Πυρίτιο) οι οποίοι ενώνονται με σκοπό να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα σε σειρά. Οι ημιαγωγοί αυτοί απορροφούν φωτόνια από την ηλιακή ακτινοβολία και παράγουν μια Ηλεκτρική τάση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται "Φωτοβολταϊκό φαινόμενο". Τα φωτοβολταϊκά είναι διατάξεις που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από την ηλιακή ακτινοβολία. Το ηλεκτρικό αυτό ρεύμα χρησιμοποιείται για να δώσει ενέργεια σε μια συσκευή ή για τη φόρτιση μπαταρίας. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται ευρέως σε μικροϋπολογιστές τσέπης που λειτουργούν χωρίς μπαταρία, απλώς με την έκθεσή τους στο φως. Τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται συχνά σε συστοιχίες για την παραγωγή ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα. Σε τέτοια μορφή χρησιμοποιούνται για να δίνουν ενέργεια σε δορυφόρους, διαστημόπλοια, αλλά και σε απλούστερες εφαρμογές, όπως για την ενεργειοδότηση απομακρυσμένων τηλεφώνων εκτάκτου ανάγκης σε εθνικές οδούς, σε σπίτια κλπ. 10
Σε πολλές χώρες έχουν ξεκινήσει προγράμματα επιδότησης των επενδύσεων σε φωτοβολταϊκά, τα οποία παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που μεταπωλείται και εισάγεται στα δημόσια δίκτυα μεταφοράς. Τα προγράμματα αυτά έχουν στόχο τη διαφοροποίηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τη σταδιακή απεξάρτησή της από το πετρέλαιο. 11
2.2 Τα μέρη ενός Φωτοβολταϊκου 2.3 Τα είδη φωτοβολταϊκών Είδη φωτοβολταϊκών Φ/Β Ημιαγωγοί Λεπτών Υμενίων (thin films) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία thin films, έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού (πχ. πυρίτιο) πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης, χαμηλού κόστους όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Έτσι λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται, η τιμή τους είναι γενικότερα αρκετά χαμηλότερη. 12
Οι επιδόσεις που επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά thin films πυριτίου κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8%. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα για αυτήν την κατηγορία είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζονται από τις υψηλές θερμοκρασίες ενώ το βασικό μειονέκτημα τους είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα κάτι που σημαίνει ότι για να παράγουμε την ίδια ενέργεια χρειαζόμαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα μονοκρυσταλλικά ή πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Επίσης υπάρχουν αμφιβολίες όσων αφορά την διάρκεια ζωής τους μιας και δεν υπάρχουν στοιχεία από παλιές εγκαταστάσεις αφού η τεχνολογία είναι σχετικά καινούρια. Παρόλα αυτά οι κατασκευαστές πλέον δίνουν εγγυήσεις απόδοσης 20 ετών. Φ/Β μονο-κρυσταλλικού Πυριτίου (Single-crystal Silicon) Κατασκευάζονται από κυψέλες που έχουν κοπεί από ένα κυλινδρικό κρύσταλλο πυριτίου. Αποτελούν τα πιο αποδοτικά φωτοβολταϊκά με αποδόσεις της τάξεως του 15%. Η κατασκευή τους όμως είναι πιο πολύπλοκη γιατί απαιτεί την κατασκευής του μονοκρυσταλλικού πυριτίου με αποτέλεσμα το υψηλότερο κόστος κατασκευής. Φ/Β πολυ-κρυσταλλικού Πυριτίου (Multi-crystalline Silicon) Τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κατασκευάζονται από ράβδους λιωμένου και επανακρυσταλλομένου πυριτίου. Για την παραγωγή τους οι ράβδοι του πυριτίου κόβονται σε λεπτά τμήματα από τα οποία κατασκευάζεται η κυωέλη του φωτοβολταϊκού. Η διαδικασία κατασκευής τους είναι απλούστερη από εκείνη των μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών με αποτέλεσμα το φθηνότερο κόστος παραγωγής. Παρουσιάζουν όμως σε γενικές γραμμές μικρότερη απόδοση της τάξεως του 12%. 13
Φ/Β άμορφου Πυριτίου (Amorphous or thin Silicon) Τα φωτοβολταϊκά αυτής της κατηγορίας αποτελούνται από ένα λεπτό στρώμα πυριτίου που έχει εναποτεθεί ομοιόμορφα σε κατάλληλο υπόβαθρο. Σαν υπόβαθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια μεγάλη γκάμα υλικών από δύσκαμπτα μέχρι ελαστικά με αποτέλεσμα να βρίσκει μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών, ιδιαίτερα σε καμπύλες ή εύκαμπτες επιφάνειες. Ενώ το άμορφο πυρίτιο παρουσιάζει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στην απορρόφηση του φωτός, εντούτοις η φωτοβολταϊκή απόδοση του είναι του μικρότερη των κρυσταλλικών, περίπου 6%. Το φθηνό όμως κόστος κατασκευής τους τα κάνει ιδανικά σε εφαρμογές όπου δεν απαιτείται υψηλή απόδοση. Φ/Β στοιχεία ταινίας (Ribbon Silicon) Φ/Β φωτιστικά δομικά στοιχεία (SolarCap) Το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι συνήθως τετράγωνο, με πλευρά 120-160mm. Δυο τύποι πυριτίου χρησιμοποιούνται για την δημιουργία φωτοβολταϊκών στοιχείων: το άμορφο και το κρυσταλλικό πυρίτιο, ενώ το κρυσταλλικό πυρίτιο διακρίνεται σε μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό. Το άμορφο και το κρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιάζουν τόσο πλεονεκτήματα, όσο και μειονεκτήματα, και κατά τη μελέτη του φωτοβολταϊκού συστήματος γίνεται η αξιολόγηση των ειδικών συνθηκών της εφαρμογής (κατεύθυνση και διάρκεια της ηλιοφάνειας, τυχόν σκιάσεις κλπ.) ώστε να επιλεγεί η κατάλληλη τεχνολογία. 14
2.4 Τα Φωτοβολταϊκά σε αριθμούς στην χώρα μας Στην Ελλάδα Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θέσει ως στόχο της για το 2020 το 20% της κατανάλωσης ενέργειας να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές. Ως προς την ηλιοθερμική ενέργεια η Ελλάδα ήταν πρωτοπόρος χώρα στην Ευρώπη τις τελευταίες δεκαετίες με περίπου ένα εκατομμύριο εγκατεστημένους ηλιακούς θερμοσίφωνες, που συμβάλουν σημαντικά στην εξοικονόμηση ενέργειας και στην προστασία του περιβάλλοντος, αξιοποιώντας το ανεξάντλητο ηλιακό δυναμικό. Τώρα μένει να γίνει το ίδιο και ως προς την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι προϋποθέσεις μάλιστα για τα Φωτοβολταϊκά Συστήματα είναι ακόμα καλύτερες, αφού τα Φ/Β συστήματα παρουσιάζουν την μέγιστη παραγωγή ακριβώς εκείνες τις ώρες της ημέρας που και η κατανάλωση (ζήτηση) φτάνει στο μέγιστο και η ΔΕΗ ζητά από όλους τους καταναλωτές να περιορίσουν την ζήτηση ή αναγκάζεται να κάνει περικοπές (ελεγχόμενη συσκότιση) 15
Β Μέρος Πειραματικό 3 ο κεφάλαιο 2.6 Η εργασία μας Σαν μια ομάδα πέντε ατόμων και με την βοήθεια του καθηγητή μας φτιάξαμε μια αναπαράσταση ενός αιολικού πάρκου στο οποίο προσθέσαμε και κάποια Φωτοβολταϊκά χρησιμοποιώντας κυρίως υλικά που κάποιο μέλος είχε από πριν η δεν χρειαζόταν κάποιος άλλος έτσι ώστε να μειώσουμε το κόστος της κατασκευής όσο το δυνατόν περισσότερο γίνετε. Παρακάτω φαίνονται διάφορες εικόνες της εργασίας μας: Εικόνα 1 16
Εικόνα 2 Η εικόνα 3 αφορά μία παράλληλη εργασία που δούλευε παράλληλα η άλλη ομάδα και έχει να κάνει με τον υδροηλεκτρισμό 17
Εικόνα 3 Συμπέρασματα Το συμπέρασμα μέσα από αυτήν την εργασία είναι το ότι μας βοήθησε να καταλάβουμε πως λειτουργούν αυτές η συσκευές και το πόσο προσφέρουν στο περιβάλλον και βοηθούν αυτό, οι ανανεώσιμες πηγές είναι κάτι που σίγουρα θα μας απασχολήσει στο μέλλον και μέσα από την εργασία μάθαμε πολλά πράγματα για αυτές. 18
Πηγές: http://www.cres.gr/kape/energeia_politis/energeia_politis_windmill.htm https://el.wikipedia.org/wiki/%ce%91%ce%bd%ce%b5%ce%bc%ce%bf%ce%b3%ce%b5%ce%bd%ce%bd %CE%AE%CF%84%CF%81%CE%B9%CE%B1 https://el.wikipedia.org/wiki/%ce%a6%cf%89%cf%84%ce%bf%ce%b2%ce%bf%ce%bb%cf%84%ce%b1% CF%8A%CE%BA%CE%AC 19