Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ : ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ : ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Χρήση τεχνολογιών ΑΠΕ ως δομικά προϊόντα στο κέλυφος κτιρίων Εκπόνηση: ΚΑΤΣΙΡΜΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Επιβλέπων Καθηγητής: κ. ΝΑΜΛΗΣ ΘΕΟΦΙΛΟΣ ΚΑΒΑΛΑ 2009
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι τεχνολογίες Ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ή (ΑΠΕ) όπως αλλιώς λέγονται μπορούν να παίξουν καθοριστικό ρόλο στο σημερινό ενεργειακό πρόβλημα αξιοποιώντας αέναες και προσιτές στον καθένα μας πηγές ενέργειας όπως τον ήλιο και τον αέρα. Όσον αφορά τον ήλιο, η τεχνολογία εκμετάλλευση του είναι τα φωτοβολταϊκά,τα οποία είναι γνωστά εδώ και αρκετά χρόνια παρ όλα αυτά η ενσωμάτωση τους σε κτίρια ή σε κάποιο οικιστικό περιβάλλον μόλις τα τελευταία χρόνια αρχίζει και κερδίζει έδαφος. Τα ενσωματωμένα σε κτίρια φωτοβολταϊκά (B.I.PV.,Building integrated Photo Voltaics) αποτελούν πλέον μια επιλογή εφαρμόσιμη και λειτουργική που έχει ανάδειξη σημαντικά αποτελέσματα. Πράσινη ενέργεια και προστασία του περιβάλλοντος μέσω της μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, αρχιτεκτονική καλαισθησία,θερμικά κέρδη, υποστήριξη κλιματισμού, καινοτομία στον χώρο της τεχνολογίας αποτελούν κάποια από αυτά. Ενσωματώνονται πλέον με πληθώρα διαφορετικών τρόπων σε στέγες, προσόψεις, αίθρια, σκίαστρα σε χώρους στάθμευσης παλαιών και νέων κτιρίων. Πέραν αυτών αποτελούν από μόνα τους ιδανικά οικοδομικά υλικά, ικανά να αντικαταστήσουν παραδοσιακά υλικά σε εφαρμογές όπως σκίαση και στεγανοποίηση.τα Φωτοβολταϊκά αλλά και από την άλλη οι ανεμογεννήτριες αποτελούν το μέλλον για τις πόλεις μας γιατί η εγκατάσταση τους στο οικιστικό περιβάλλον μπορεί να συνδράμει στην κάλυψη της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας όπου αύτη παρουσιάζεται μειώνοντας έτσι απώλειες μεταφοράς και διανομής. Στην παρούσα εργασία έγινε προσπάθεια για μία πλήρη περιγραφή συστημάτων ΑΠΕ για χρήση αυτών ως δομικά προϊόντα στο κέλυφος κτιρίων. Πληροφορίες για το θέμα έχουν ληφθεί από συγγράμματα ελληνικά και ξενόγλωσσα όπως επίσης και από ο διαδίκτυο. Σκοπός της εργασίας αυτής ήταν η εκμάθηση εμού του ίδιου λόγω μελλοντικής ενασχόλησης επί του ενεργειακού τομέα αλλά και με την συγγραφή αυτής της εργασίας να αποτελέσει βοήθημα στους αγαπητούς συναδέλφου που θα ενασχοληθούν με τον τομέα αυτό. 1
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εργασία αυτή αποτελείται από 8 κεφάλαια. Το 1ο κεφάλαιο ξεκινά με μια σύντομη ιστορική αναδρομή σχετικά με την παρατήρηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου και πως δημιουργείται. Στη συνέχεια δίνει τον ορισμό του φωτοβολταϊκού στοιχείου και το εξηγεί σχηματικά μέσω ενός κυκλώματος αλλά και γραφικά με γραφική παράσταση. Αναφέρεται στην απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου καθώς επίσης και στα υλικά και τα πάχη των Φ/Β. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά οι κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων,οι λειτουργίες τους και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των Φ/Β συστημάτων. Το 3ο κεφάλαιο πραγματεύεται την ενσωμάτωση των Φ/Β συστημάτων σε κτήρια. Παρουσιάζει του συνηθισμένους τρόπους ένταξης Φ/Β στον κτηριακό τομέα αλλά και άλλες εφαρμογές τους.στην συνέχεια αναφέρεται στα κριτήρια επιλογής των Φ/Β πλαισίων, στους μηχανισμούς εγκατάστασης και στο συντελεστή απόδοσης Φ/ Β συστήματος και παραγωγής ενέργειας. Στο 4ο κεφάλαιο, περιγράφονται οι βασικές αρχές του βιοκλιματικού σχεδιασμού. Στη συνέχεια, στο 5ο κεφάλαιο, αναφέρονται τα βασικά ηλιακά παθητικά συστήματα, άμεσου και έμμεσου κέρδους, ενώ στο 6οκεφάλαιο, παρουσιάζεται η σπουδαιότητα της σωστής χωροθέτησης και του προσανατολισμού του κτηρίου. Στο 7ο κεφάλαιο, γίνεται παρουσίαση των μεθόδων θερμικής προστασίας του κελύφους. Περιγράφονται συστήματα σκιασμού για επίτευξη ηλιοπροστασίας, καθώς επίσης, οι μέθοδοι φυσικού αερισμού και δροσισμού, προκειμένου να μειωθούν τα θερμικά κέρδη του κτηρίου.αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της βλάστησης στα κτήρια, τόσο στον περιβάλλοντα χώρο, όσο και στις στέγες- φυτεμένα δώματα.το 8ο κεφάλαιο, σχετίζεται με το φυσικό φωτισμό και τις τεχνικές αξιοποίησης του, αφού πρώτα γίνει αναφορά στην επίδραση του φυσικού φωτισμού τόσο στην εξοικονόμηση ενέργειας, όσο και στην οπτική άνεση και ευεξία των ενοίκων 2
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Σελίδα ΠΡΟΛΟΓΟΣ 1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Αρχές της παραγωγής Φ/Β ενέργειας 5 1.1. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο 6 1.2. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο 7 1.2.1. Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός Φ/Β στοιχείου 7 1.2.2. Η καμπύλη ενός Φ/Β στοιχείου 8 1.2.3. Η απόδοση ενός Φ/Β στοιχείου 9 1.2.4. Φωτοβολταϊκά στοιχεία και υλικά 9 1.2.5. Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο - συστοιχία 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Φωτοβολταϊκά συστήματα 15 2.1. Κατηγορίες Φ/Β συστημάτων 16 2.1.1. Απομονωμένα Φ/Β συστήματα. 16 2.1.2. Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα σε δίκτυο 19 2.2. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Φ/Β συστημάτων 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Ενσωμάτωση Φ/Β σε κτίρια 22 3.1. Εισαγωγή 23 3.2. Υλοποίηση ένταξης Φ/Β σε κτίρια 23 3.2.1. Εγκαταστάσεις σε στέγες, ταράτσες, σκεπές 23 3.2.2 Τοποθετήσεις σε προσόψεις κτιρίων 24 3.2.3 Εφαρμογές πάνω σε ειδικά διαμορφωμένα σκίαστρα ή στέγαστρα 25 3.2.4.Άλλες εφαρμογές 26 3.3. Υπολογισμός συνολικής παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας 27 3.3.1. Εισροή ηλεκτρικής ενέργειας 27 3.3.2. Καθορισμός επιμέρους επιφανειών του κτιρίου 27 3.3.3. Περιπτώσεις σκιάσεων 28 3.3.4. Προσανατολισμός και κλίση των Φ/Β 28 3.3.5. Χωροθέτηση των Φ/Β 28 3.3.6. Επιλογή κατάλληλων πλαισίων για ενσωμάτωση σε κτίρια 29 3.4. Μηχανισμοί εγκατάστασης Φ/Β πλαισίων σε κτίρια 30 3.5. Συντελεστής απόδοσης Φ/Β συστήματος και παραγωγή ενέργειας 30 3.6. Προβλήματα κατά τη λειτουργία Φ/Β εγκαταστάσεων σε κτίρια 32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. Βιοκλιματικός σχεδιασμός κτιρίων 33 4.1 Βιοκλιματικός Σχεδιασμός 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5.Ηλιακά Παθητικά συστήματα 35 5.1 Συστήματα άμεσου ή απευθείας ηλιακού κέρδους 36 5.1.1 Θερμική Μάζα 38 5.1.2 Ανοίγματα 47 5.2 Συστήματα έμμεσου ηλιακού κέρδους 53 5.2.1 Τοίχοι θερμικής αποθήκευσης 53 5.2.2 Ηλιακοί χώροι 69 3
Σελίδα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Χωροθέτηση, σχήμα και προσανατολισμός του κτηρίου 74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Ειδικά συστήματα προστασίας του κελύφους και 78 θερμικής προστασίας του κτηρίου 7.1 Ηλιοπροστασία-Σκιασμός 80 7.1.1 Σταθερά σκίαστρα 81 7.1.2 Κινητά Σκίαστρα 84 7.1.3 Σκίαση από δέντρα 86 7.1.4 Σκίαση από γειτονικά κτήρια 87 7.1.5 Ειδικά Κρύσταλλα 87 7.1.6 Ανακλαστικά επιχρίσματα 90 7.1.7 Φράγμα ακτινοβολίας 91 7.1.8 Βλάστηση-Φυτεμένα δώματα 95 7.2 Φυσικός αερισμός 105 7.2.1 Πύργος αερισμού 107 7.2.2 Ηλιακή καμινάδα 108 7.2.3 Διαμπερής αερισμός 113 7.2.4 Αεριζόμενο κέλυφος 114 7.3 Φυσική Ψύξη-Δροσισμός 115 7.3.1 Δροσισμός από εξάτμιση 115 7.3.2 Δροσισμός από το έδαφος 117 7.3.3 Δροσισμός από ακτινοβολία 118 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8.Φωτισμός 120 8.1 Φυσικός φωτισμός και ευεξία ενοίκων 121 8.2 Οπτική άνεση 122 8.3 Φυσικός φωτισμός και εξοικονόμηση ενέργειας 123 8.4 Συντελεστής φυσικού φωτός 124 8.5 Βάθος δωματίου και φυσικός φωτισμός 126 8.6 Συστήματα και τεχνικές φυσικού φωτισμού 126 8.6.1 Ανοίγματα Οροφής 127 8.6.2 Αίθρια 128 8.6.3 Ηλιοστάσια 129 8.6.4 Φωτοσωλήνες 130 8.6.5 Φωταγωγοί 131 8.6.6 Πρισματικά φωτοδιαπερατά υλικά 131 8.6.7 Ράφια Φωτισμού 132 8.6.8 Ανακλαστικές περσίδες 134 8.6.9 Διαφανή μονωτικά υλικά 135 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 136 4
Κεφάλαιο 1 Αρχές της παραγωγής Φ/Β ενέργειας 5
1.1. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Η αρχική παρατήρηση του φωτοβολταϊκού φαινόμενου έγινε το 1839 από τον Γάλλο φυσικό Henri Becquerel. Ο Becquerel επεσήμανε ότι είναι δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος κατά την εφαρμογή μιας φωτεινής πηγής σε ορισμένα χημικά διαλύματα. Την ανακάλυψη του Becquerel ακολούθησε η πρώτη παρατήρηση του φωτοβολταϊκού φαινόμενου σε στερεά (σελήνιο-se) από τους Adams και Day. Όμως δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο έγινε για πρώτη φορά γνωστή παγκοσμίως με την κατασκευή του ηλιακού στοιχείου πυριτίου Si απόδοσης 6% το 1954 από τους επιστήμονες Fuller, Pearson και Chappin. Οι πρώτες μάλιστα εφαρμογές των φωτοβολταϊκών σε διαστημικές επιχειρήσεις από τη NASA συνέβαλαν στο να γίνει ευρέως γνωστή η νέα αυτή τεχνολογία. Το φαινόμενο αναφέρεται στη δημιουργία ηλεκτρικών φορέων στο εσωτερικό ενός ημιαγωγού με φωτοαγωγιμότητα η οποία προκαλείται από την ενέργεια η οποία εκλύεται από μια φωτεινή πηγή. Απαραίτητη προϋπόθεση του φαινόμενου είναι η συνύπαρξη δύο φωτοαγώγιμων ημιαγώγιμων υλικών σε επαφή. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται στις επαφές των δύο υλικών προκαλεί την κίνηση ηλεκτρικών φορέων η οποία αποτελεί το φωτοβολταϊκό ρεύμα. Συνοπτικά προκύπτουν τα εξής: 1. Η μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που απορροφάται στο εσωτερικό μιας διάταξης υλικών σε επαφή, σε ηλεκτρική ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η διάταξη αυτή ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο. 2. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά (τάση-ρεύμα) ενός Φ/Β στοιχείου η συνδυασμού μερικών εξ αυτών κάτω από συνήθη ηλιακό φωτισμό έχουν τιμές κατάλληλες για την αξιοποίηση της διάταξης αυτής ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. 3. Το Φ/Β φαινόμενο είναι αποτέλεσμα του συνδυασμού δύο διαφορετικών εσωτερικών φαινόμενων Της φωτοδημιουργίας «ελεύθερων» ηλεκτρικών φορέων στο εσωτερικό των ημιαγωγών (φωτοαγωγιμότητα) Της δημιουργίας εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή της επαφής δύο ημιαγωγών. Εικόνα 1: Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο 6
Στο παραπάνω σχήμα μπορούμε εύκολα να παρατηρήσουμε την επαφή p-n και να κατανοήσουμε πως παράγεται το ηλεκτρικό ρεύμα. Οι φορείς πλειονότητας στις περιοχές p και n είναι τα ηλεκτρόνια και οι οπές αντίστοιχα. Στην περιοχή της επαφής λόγω της θερμοκρασίας της διάταξης και λόγω της εξωτερικής φωτεινής πηγής δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων - οπών. Οι πρόσθετοι φορείς φορτίζουν τους χώρους στους οποίους φτάνουν με πλεονάζοντα φορτία. Το δυναμικό στο χώρο p λόγω των επιπλέον οπών γίνεται θετικότερο ως προς το αντίστοιχο του χώρου n όπου έχουν καταλήξει τα ηλεκτρόνια που δημιουργήθηκαν στην επαφή. Η συνεχής κίνηση των φωτοδημιουργούμενων φορέων με την επίδραση του ισχυρού πεδίου αποτελεί ρεύμα με φορά αυτή του ενδογενούς πεδίου, δηλαδή, από τον ημιαγωγό τύπου n στον ημιαγωγό τύπου ρ. Το φωτοδημιουργούμενο ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται φωτόρευμα. Εικόνα 2: Παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος Συνεπώς, το φωτόρευμα εξαρτάται από το μεγαλύτερο μέρος των φορέων οι οποίοι είναι αποτέλεσμα των απορροφημένων φωτονίων δηλαδή της πυκνότητας ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας της φωτεινής πηγής δηλαδή της ηλιακής ακτινοβολίας και του εμβαδού της επαφής των δύο ημιαγωγών της διάταξης. Η διάταξη αυτή λέγεται φωτοβολταϊκό στοιχείο. 1.2. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο 1.2.1. Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός Φ/Β στοιχείου Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα ενός Φ/Β στοιχείου. : δ - * ------------ι- Λ Λ Λ Λ Λ γ- γ^ ^ Ζ γ II1*! X J) 2 ν r, 1 1» 1» V ο* Cl μ I t Εικόνα 3 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός Φ/Β στοιχείου 7
Πρόκειται για μια πηγή ρεύματος σε συνδυασμό με μια ιδανική δίοδο. Ακολουθεί το μη ιδανικό κομμάτι του Φ/Β στοιχείου το οποίο αποτελείται από την αντίσταση απωλειών διαρροής του ρεύματος μεταξύ των άκρων του Φ/Β στοιχείου και την αντίσταση απωλειών στο δρόμο ροής του ρεύματος της διόδου. Η πρώτη αντίσταση θεωρείται εν παραλλήλω και σε καλής απόδοσης Φ/Β είναι μμεγαλύτερη τουί kω ενώ η δεύτερη αντίσταση θεωρείται εν σειρά και είναι της τάξης του 0.1-0.3 Ω 1.2.2. Η καμπύλη I-V ενός Φ/Β στοιχείου Έχοντας ως σκοπό την αποδοτική λειτουργία ενός Φ/Β αλλά και τη σχεδίαση ηλεκτρονικών που σχετίζονται με αυτό προσδιορίζουμε σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας τα σημεία μέγιστης ισχύος. Εννοείται πως σε κάθε περίπτωση, βασική μας επιδίωξη είναι το σημείο λειτουργίας του Φ/Β να αποτελεί σημείο μέγιστης ισχύος. Μπορούμε να βρούμε πειραματικά το σημείο μέγιστης ισχύος της καμπύλης με την γραφική παράσταση της παρεχόμενης από το Φ/Β ηλεκτρικής ισχύος. Διάγραμμα 1: Η καμπύλη I-V ενός Φ/Β στοιχείου Παρατηρώντας την γραφική παράσταση διακρίνουμε ένα μέγιστο το οποίο βρίσκεται κοντά στο «γόνατο» της καμπύλης. Σε αυτό το σημείο έχουμε το ρεύμα I mp m= Vm I m και την τάση Vm. Οπότε η μέγιστη ισχύς που μπορεί να αποδώσει το Φ/Β στοιχείο υπό δεδομένη πυκνότητα ακτινοβολίας ισούται με P m= Vm I m. 8
1.2.3.Η απόδοση του Φ/Β στοιχείου Τεράστιας σημασίας μέγεθος για ένα Φ/Β στοιχείο είναι ο βαθμός απόδοσης του. Ως βαθμός απόδοσης ορίζεται το πηλίκο της ηλεκτρικής ισχύος Pm που αποδίδει το Φ/Β προς την προσπίπτουσα ισχύ ακτινοβολίας στην επιφάνεια Pin και καθορίζει την απόδοση της ενεργειακής μετατροπής. Pm ImV m F F lscvoc C Pin P in P in Η απόδοση του Φ/Β στοιχείου εξαρτάται από: Το υλικό του ημιαγωγού Την πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας στην οποία εκτίθεται Την θερμοκρασία του Φ/Β στοιχείου Αξίζει να σημειωθεί ότι από τους κοινούς τύπους Φ/Β στοιχείων το μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης παρουσιάζουν τα μονοκρυσταλλικά ακολουθούμενα από τα πολυκρυσταλλικά και τα άμορφα αντίστοιχα. Για να μπορεί να γίνει κάποια ασφαλής σύγκριση μεταξύ των διαφόρων ειδών Φ/Β στοιχείων οι ονομαστικές τιμές απόδοσης τους υπολογίζονται κάτω από τις πρότυπες συνθήκες STC. Πίνακας 1: Συνθήκες STC Μέγεθος Τιμή Πυκνότητα ακτινοβολίας 1000 W/ m 2 Μάζα αέρα ΑΜ 1.5 Θερμοκρασία στοιχείου 25 C 1.2.4. Φωτοβολταϊκά στοιχεία και υλικά Το υλικό που χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή Φ/Β στοιχείων στη βιομηχανία είναι το πυρίτιο. Είναι ένα υλικό που απαντάται στη φύση σε τεράστιες ποσότητες και για αυτό αποτελεί τη βασική πρώτη ύλη για το μεγαλύτερο κομμάτι της αγοράς φωτοβολταϊκών. 9
Φωτοβολταϊκά στοιχεία «μεγάλου πάχους» Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Single Crystalline Silicon, sc-si). Όσον αφορά το πάχος τους κυμαίνεται γύρω στα 0.3 χιλιοστά. Η απόδοση για ένα πλαίσιο τέτοιας τεχνολογίας βρίσκεται συνήθως μεταξύ του 15 και του 18%. Παρ όλα αυτά σε εργαστηριακό περιβάλλον έχουν επιτευχθεί αποδόσεις που αγγίζουν και το 24%. Τα μονοκρυσταλλικά Φ/Β υπερέχουν των υπόλοιπων στην καλύτερη σχέση απόδοσης ανά μονάδα επιφάνειας. Στον αντίποδα όμως διακρίνονται για υψηλότερο κόστος κατασκευής έναντι των αντίστοιχων πολυκρυσταλλικών. (α) (β) Εικόνα 4: Φ/Β στοιχεία α) Μονοκρυσταλλικού πυριτίου β) Πολυκρασταλλικού πυριτίου Φωτοβολταϊκά κελιά πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Multi Crystalline Silicon, mc- Si) Το πάχος τους είναι αντίστοιχο των μονοκρυσταλλικών. Είναι συνήθως φτηνότερα των πολυκρυσταλλικών γιατί η μέθοδος παραγωγής τους είναι λιγότερο δαπανηρή. Διακρίνονται επάνω τους οι μονοκρυσταλλικές περιοχές και η απόδοση τους ποικίλει ανάλογα με την έκταση αυτών. Σε εφαρμογές εργαστηρίων έχουν επιτευχθεί αποδόσεις της τάξης και του 20% ενώ αυτά που κυκλοφορούν στο εμπόριο διατίθενται σε αποδόσεις της τάξης του 13-15% Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Πρόκειται για νεότερη σχετικά τεχνολογία η οποία έχει να δείξει μια μείωση ως και 50% στη χρήση πυριτίου έναντι των παραδοσιακών τεχνικών. Η απόδοση τους πλέον αγγίζει το 12 με 13% ενώ σε εργαστηριακές συνθήκες έχουν επιτευχθεί και μεγαλύτερες αποδόσεις, γύρω στο 18%. 10
Εικόνα 5: Φ/Β στοιχεία ταινίας πυριτίου Φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών επιστρώσεων thin film Δισεληνοινδιούχος χαλκός (CuInSe2 ή CIS με προσθήκη γάλλιου CIGS) Αυτού του είδους ο χαλκός έχει ως πλεονέκτημα την εξαιρετική απορροφητικότητα του προσπίπτοντος φωτός. Η απόδοση του όμως υπολείπεται άλλων σημερινών τεχνολογιών και είναι περίπου 11%. Σε εργαστηριακό περιβάλλον έχουν επιτευχθεί και μεγαλύτερες αποδόσεις κυρίως με τη βοήθεια του γάλλιου. Το μεγαλύτερο πρόβλημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε πολύ περιορισμένες ποσότητες στη φύση γεγονός που καθιστά δύσκολη τη μαζική παραγωγή τέτοιων στοιχείων. Εικόνα 6: Φ/Β υλικά λεπτών επιστρώσεων thin film Φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon, a-si) Οι αποδόσεις σε αυτή την τεχνολογία είναι αισθητά χαμηλότερες σε σχέση με τις προαναφερθείσες. Ουσιαστικά είναι ταινίες λεπτών επιστρώσεων που παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού πάνω σε κάποιο υπόστρωμα όπως αλουμίνιο ή γυαλί. Η τιμή τους εύλογα λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που 11
χρησιμοποιείται είναι μικρότερη. Αποκαλούνται άμορφα Φ/Β λόγω του τυχαίου τρόπου με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Όσον αφορά τις αποδόσεις, όπως ήδη αναφέρθηκε είναι μικρότερες και μάλιστα γύρω στο 6-8% με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των εργαστηρίων να είναι στο 14%. Υπερέχουν έναντι των άλλων στο γεγονός ότι δεν επηρεάζονται το ίδιο από υψηλές θερμοκρασίες και στο ότι διατηρούν τις επιδόσεις τους σε συνθήκες συννεφιάς. Στον αντίποδα η σχέση απόδοσης ανα μονάδα επιφάνειας είναι πολύ μικρότερη ενώ και όσον αφορά τη διάρκεια ζωής τους δεν έχουν δοκιμαστεί λόγω του ότι αποτελούν φρέσκια τεχνολογία. Τελουριούχο Κάδμιο (CdTe) Το τελουριούχο κάδμιο υπερέχει έναντι των άλλων καθώς έχει να επιδείξει απορροφητικότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε ποσοστό που φτάνει και το 99%. Σε επίπεδο πλαισίου επιτυγχάνονται αποδόσεις περίπου 6 με 8% ενώ σε εργαστηριακές δοκιμές μέχρι και διπλάσιες. Το κόστος τους για την ώρα είναι υψηλό και αναμένεται μελλοντικά να πέσει. Γ ενικά πάντως σημαντικότερη χρήση του είναι η ενθυλάκωση του στο γυαλί ως δομικό υλικό (B.I.P.V.) Αρσενιούχο Γάλλιο (GaAs) Ως υλικό θεωρείται ιδανικό ως προς την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Όμως η δηλητηρίασης φύση του αρσενίου και η σπανιότητα του γαλλίου το καθιστούν πανάκριβο ως επιλογή. Τα πλεονεκτήματα του είναι σημαντικά, όπως η ανθεκτικότητα του σε υψηλές θερμοκρασίες και η απόδοση του που φτάνει στο 30%. Υβριδικά Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Ένα υβριδικό φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται από στρώσεις υλικών διαφορετικών τεχνολογιών. HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) Είναι τα πιο γνωστά εμπορικά υβριδικά φωτοβολταϊκά και αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου με μια ενδιάμεση στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Ο βαθμός απόδοσης ενός πλαισίου τέτοιας τεχνολογίας φτάνει το 17%, και κρίνεται ιδιαίτερα υψηλός και σε συνδυασμό με την ανθεκτικότητα του σε υψηλές θερμοκρασίες έρχονται να αντικρούσουν την υψηλή για την ώρα τιμή τους. 12
Άλλες τεχνολογίες Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκώ ν αναπτύσσεται ραγδαία και εμφανίζονται συνεχώ ς ν έες πατέντες όπως: Ν ανοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου (nc-si) Ο ργανικά/π ολυμ ερή στοιχεία Πίνακας 2: Η εξέλιξη της απόδοσης των Φ/Β στοιχείω ν 1.2.5. Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο - Συστοιχία Ένα Φ/Β στοιχείο από μόνο του έχει μικρή ισχύ, οπότε δεν είναι ικανό από μόνο του να καλύψει τις συνήθεις ηλεκτρικές ενεργειακές ανάγκες μας. Γι αυτό καταφεύγουμε στη λύση της σύνδεσης πολλών Φ/Β μαζί. Μια τέτοια διάταξη με συγκεκριμένα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ονομάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Η σύνδεση των επιμέρους Φ/Β στοιχείων με σκοπό την τελική παραγωγή ενός Φ/Β πλαισίου μπορεί να γίνει είτε εν σειρά είτε παράλληλα πάντα με σκοπό την αύξηση της ισχύος αιχμής του. 13
Χαρακτηριστικό πάντως των Φ/Β πλαισίων είναι ότι τελικά παρουσιάζουν βαθμό απόδοσης μικρότερο από τον θεωρητικά υπολογισμένο σε εργαστήριο. Οι βασικότεροι λόγοι είναι : Η μη πλήρης κάλυψη της γεωμετρικής επιφάνειας του από επιφάνεια Φ/Β στοιχείων Η ανομοιογένεια Των Φ/Β στοιχείων που συνθέτουν ένα Φ/Β πλαίσιο Η ανακλαστικότητα του υαλοπίνακα του πλαισίου Πίνακας 3: Αποδόσεις Φ/Β πλαισίων: Πλαίσιο Απόδοση (%) Μονοκρυσταλλικό 13-16 Πολυκρυσταλλικό 12-14 Άμορφο 6-8 Όπως το Φ/Β στοιχείο αποτελεί τη βασική μονάδα του Φ/Β πλαισίου έτσι και το ίδιο το πλαίσιο το συστατικό του φωτοβολταϊκού πάνελ. Μιας ομάδας δηλαδή φωτοβολταϊκών πλαισίων έτοιμων για εγκατάσταση. Τέλος ένα σύνολο από συστοιχίες ονομάζεται Φ/Β πάρκο το οποίο μαζί με τις απαραίτητες διατάξεις δημιουργούν ένα Φ/Β σταθμό. 14
Κεφάλαιο 2 Φωτοβολταϊκά συστήματα 15
2.1. Κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων και λειτουργίες τους Ανάλογα με τις απαιτήσεις ισχύος σε κάθε περίπτωση κατηγοριοποιούνται και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Ένας πρώτος διαχωρισμός των Φ/Β συστημάτων μπορεί να γίνει ανάλογα με τις εγκαταστάσεις που τροφοδοτούν (κάποιο απομακρυσμένο νησί, κάποιο φωτοβολταϊκό πάρκο κ.λπ.). Με βάση λοιπόν αυτό το κριτήριο οι δύο βασικές κατηγορίες είναι: Απομονωμένα ή εκτός δικτύου Φ/Β συστήματα (stand alone - off grid) Συστήματα συνδεδεμένα σε δίκτυο (On grid) Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνονται όλες οι κατηγορίες και υποκατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων με τις λειτουργίες τους. Κατηγορία Φ/Β συστημάτων Λειτουργία Εικόνα 7: Κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων και λειτουργίες τους 2.1.1 Απομονωμένα Φ/Β συστήματα Πρόκειται για συστήματα που δεν είναι ενταμένα σε κάποιο εθνικό η μικρότερης κλίμακας δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και για αυτό το λόγο αποκαλούνται και εκτός δικτύου συστήματα. Ενδείκνυνται σε περιπτώσεις που η διανομή - μεταφορά ενέργειας είναι αδύνατη ή σε περιπτώσεις που απαιτείται πλήρης ενεργειακή αυτονομία. Διακρίνονται στις εξής επιμέρους κατηγορίες: 16
Αυτόνομα Φ/Β συστήματα. Σε αυτά τα συστήματα η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται αποκλειστικά από Φ/Β συστοιχίες και η παροχή της γίνεται είτε με άμεσο τρόπο (Συστήματα άμεσης τροφοδοσίας του φορτίου direct coupled) είτε με τη βοήθεια συσσωρευτών (με αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας).τέλος η αποδιδόμενη ενέργεια μπορεί να είναι είτε συνεχούς τάσης (DC) κατευθείαν από την Φ/Β συστοιχία είτε εναλλασσόμενης τάσης(λο) μέσω του αντιστροφέα (inverter) για την μετατροπή τους συνεχούς σε εναλλασσόμενο. Τα χαρακτηριστικά διαγράμματα και των δύο περιπτώσεων ακολουθούν από κάτω. Φ/Β συστοιχία Φορτία DC Συσσωρευτής Inverter Πίνακας ελέγχου Φορτία AC Φωτοβολταίκό πλαίσιο Αντιστροφέας (inverter)] ΡιΛμιστής φόρτισης Μπαταρίες Αυτόνομο σύστημα Εικόνα 8: Αυτόνομα Φ/Β συστήματα 17
Υβριδικά Φ/Β συστήματα. Τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται όταν οι απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια δεν είναι δυνατόν να καλυφθούν αποκλειστικά από τις Φ/Β συστοιχίες. Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιείται ο συνδυασμός των Φ/Β με κάποια άλλη πηγή παραγωγής ενέργειας, ανανεώσιμης όπως: οι ανεμογεννήτριες ή μη ανανεώσιμης όπως : μια συμβατική πηγή δηλαδή μια γεννήτρια πετρελαίου. Σε τέτοια συστήματα όπως φαίνεται και πιο κάτω συνηθίζεται η αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας. Εικόνα 8: Υβριδικά Φ/Β συστήματα Υβριδικό σύστημα 18
2.1.2. Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο Αυτά είναι τα συνηθέστερα και παράγουν το μεγαλύτερο ποσοστό ισχύος των εγκατεστημένων Φ/Β συστημάτων. Χαρακτηριστική εφαρμογή αυτού του είδους των συστημάτων είναι και τα ενσωματωμένα σε κτίρια Φ/Β για τα οποία γίνεται εκτενής αναφορά στο υπόλοιπο της εργασίας. Είναι διασυνδεδεμένα σε κάποιο δίκτυο ηλεκτρικής παροχής και αντλούν από αυτό ισχύ όταν αδυνατούν να ικανοποιήσουν τις ανάγκες τους. Σε περίπτωση φυσικά περίσσειας ενέργειας η ροή ισχύος είναι ανάποδη, από τις Φ/Β συστοιχίες προς το δίκτυο δηλαδή. Φορτία AC _τ I ----- --------- 1 Φ/Β συστοιχία Inverter Πίνακας διανομής Πίνακος ελέγχου Δίκτυο Εθνικό/Τοττικό Φωτοβολτοΐκό πλαίσιο Μετρητής ΔΕΗ Αντιστροφέας (inverter) ΔιασυνΟεΟεμένο σύστημα (ανταλλάσσει ενέργεια με το δίκτυο της ΔΕΗ) Εικόνα 9: Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο 19
Μπορούν να αποτελούν κεντρικούς σταθμούς με μεγάλη ισχύ η οποία διοχετεύεται στο δίκτυο (centralized systems) ή να είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο ως κατανεμημένα συστήματα (distributed systems). Τα τελευταία είναι και τα πιο συνηθισμένα και κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον τρόπο αλληλεπίδρασης τους με το δίκτυο ως εξής: Φ/Β συστήματα που χρησιμοποιούν το δίκτυο ως βοηθητική πηγή ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση ο σχεδιασμός του συστήματος γίνεται με βάση τις μέσες μηνιαίες απαιτήσεις ενέργειας της εφαρμογής. Φ/Β συστήματα τα οποία λειτουργούν με συνεχή αλληλεπίδραση με το δίκτυο. Εδώ ο σχεδιασμός γίνεται με βάση τις αντίστοιχες ετήσιες απαιτήσεις. 2.2. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Φ/Β συστημάτων Τα Φ/Β συστήματα αποτελούν ένα ταχύτατα αναπτυσσόμενο τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας εξαιτίας των πολλών πλεονεκτημάτων τους έναντι των συμβατικών τρόπων παραγωγής ενέργειας. Κάποια από τα πλεονεκτήματα τους είναι: Είναι από τους πλέον φιλικού προς το περιβάλλον τρόπους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καθώς δεν εκπέμπονται τοξικά ή άλλα αέρια και δεν επιβαρύνεται το οικοσύστημα με την παραγωγή παραπροϊόντων κατά την διαδικασία ηλεκτροπαραγωγής. Πηγή ενέργειας αποτελεί η ηλιακή ακτινοβολία και ως πρώτη ύλη κατασκευής των φωτοβολταϊκών στοιχείων επιλέγονται υλικά που υπάρχουν σε αφθονία στη φύση. Χαρακτηρίζονται από τεράστιο εύρος εφαρμογών και μπορούν να τοποθετηθούν παντού αρκεί να υπάρχει στοιχειώδης ηλιοφάνεια. Έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής και δεν απαιτούν συχνές και δαπανηρές συντηρήσεις. Ένα Φ/Β σύστημα είναι ανεξάρτητο από ηλεκτρικά δίκτυα διανομής ενώ σε περιπτώσεις αυτόνομων δικτύων υπάρχει το όφελος της μη ύπαρξης απωλειών κατά τη διαδικασία μμεταφοράς και διανομής. Είναι αθόρυβα Η μέγιστη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας συμβαδίζει στις περισσότερες των περιπτώσεων με τη μέγιστη ζήτηση. 20
Στον αντίποδα υπάρχουν για την ώρα και αρκετά μειονεκτήματα όπως: Υψηλό κόστος κατασκευής του συστήματος λόγω του ότι από μόνη της η διαδικασία παραγωγής Φ/Β στοιχείων είναι δαπανηρή. Έχουν χαμηλό βαθμό απόδοσης, κάτι που σημαίνει απαίτηση μεγάλων εκτάσεων και επιφανειών προκειμένου να επιτευχθεί ικανοποιητική παραγωγή ισχύος. Υψηλό κόστος εγκατάστασης, οπότε και σε συνδυασμό με το υψηλό κόστος αγοράς τους οδηγούν σε μμεγάλη χρονική διάρκεια για να γίνει απόσβεση. Το ενθαρρυντικό στα παραπάνω είναι ότι τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει μεγάλα βήματα προόδου τόσο στις τιμές των Φ/Β οι οποίες έχουν πέσει αισθητά όπως και στις αποδόσεις τους οι οποίες εμφανίζουν ανοδική πορεία. 21
Κεφάλαιο 3 Ενσωμάτωση Φ/Β σε κτίρια B.I.P.V. 22
3.1. Εισαγωγή Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα θεωρείται ενσωματωμένο σε κτίριο όταν είναι ενταγμένο στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και αποτελεί μέρος της κατασκευής του οικοδομήματος. Τα ενταγμένα στο κτίριο Φ/Β πέραν του ξεκάθαρου ρόλου της παραγωγής πράσινης και καθαρής ενέργειας προς όφελος των ενοίκων του κτιρίου και του περιβάλλοντος αποτελούν στις μέρες μας και δομικά υλικά του κελύφους του κτιρίου. Συμβάλλουν με λίγα λόγια σε εξοικονόμηση κόστους τόσο των υλικών όσο και της ενέργειας. Αποτελούν ιδανικά οικοδομικά στοιχεία με πολλαπλούς ρόλους και πλεονεκτήματα. Μετέχουν σε λειτουργίες μόνωσης και στεγανοποίησης καθώς και σε εφαρμογές σκίασης αναδεικνύοντας αισθητικά και αρχιτεκτονικά το κτίριο. Οι πολλές εναλλακτικές λύσεις μεταξύ των εμπορευμάτων που έχουν κατακλύσει την αγορά επιτρέπουν μεγάλη ευελιξία τόσο στο σχεδιασμό όσο και στην υλοποίηση και θα περίμενε κανείς την εδραίωση τους ως βασικό δομικό συστατικό στα περισσότερα κτίρια. Ωστόσο το -για την ώρα- υψηλό κόστος αγοράς και εγκατάσταση τους όπως επίσης και η ελλιπής πληροφόρηση και τεχνογνωσία όσον αφορά τα πλεονεκτήματα τους καθιστούν την απορρόφηση τους από το αγοραστικό κοινό φτωχή. 3.2. Υλοποίηση ένταξης Φ/Β σε κτίρια Η σύγχρονη τεχνολογία των Φ/Β και ο ανταγωνισμός μεταξύ των εταιριών έχει φέρει στην αγορά Φ/Β συστήματα μεγάλης ενεργειακής αποδοτικότητας ικανά παράλληλα να ικανοποιήσουν εφαρμογές ενσωμάτωσης σε κτίρια. Αισθητικές παράμετροι (μιας και μιλάμε για το σπίτι μας... ) έχουν πλέον ξεπεραστεί με μοντέρνα και καλαίσθητα σχέδια. Πλέον εύχρηστα Φ/Β συστήματα πληρούν τις προϋποθέσεις και για απαιτητικές εφαρμογές στεγανοποίησης κ.λπ. Οι πλέον συνηθισμένοι τρόποι ένταξης Φ/Β αφορούν: 3.2.1. Εγκαταστάσεις σε στέγες, ταράτσες, σκεπές Υπάρχουν διάφορες τεχνικές ώστε να τοποθετηθούν Φ/Β στην στέγη ενός κτιρίου. Ο επικρατέστερος τρόπος είναι δεν είναι η ενσωμάτωση στο ίδιο το κτίριο αλλά η τοποθέτηση των Φ/Β πάνω στην επιφάνεια της στέγης με ειδική προεργασία πάνω στην επιφάνεια. Αυτός ο τρόπος είναι οικονομικότερος και ευκολότερος να υλοποιηθεί. Εικόνα 10: Εγκαταστάσεις σε στέγες, ταράτσες, Το μεγαλύτερο δε πλεονέκτημα είναι ότι έτσι μπορούμε να τοποθετήσουμε Φ/Β και σε παλαιότερα κτίρια για τα οποία δεν είχε προβλεφθεί κάτι τέτοιο. Πέραν αυτής της μεθόδου 23
υπάρχει η μέθοδος της απευθείας ενσωμάτωσης των Φ/Β στη στέγη ή σε κάποιο τμήμα αυτής. Τέλος νέες τεχνολογίες και υλικά μας δίνουν την δυνατότητα της πλήρους ενσωμάτωσης Φ/Β στη στέγη υποκαθιστώντας τα αντίστοιχα οικοδομικά υλικά που χρησιμοποιούνταν για χρόνια όπως κεραμιδιά και ξύλινες επιφάνειες Εικόνα 11: Εγκαταστάσεις σε σκεπές 3.2.2. Τοποθετήσεις σε προσόψεις κτιρίων Όπως και στη περίπτωση των στεγών τα Φ/Β τοποθετούνται στην πρόσοψη ενός κτιρίου με 3 τρόπους. Συνηθέστερα «γαντζώνονται» επάνω στον εξωτερικό φλοιό του κτιρίου, ενώ άλλες φορές αποτελούν μέρος ή και το σύνολο της ίδιας της πρόσοψης του. Η τοποθέτηση Φ/Β σε προσόψεις κτιρίων ενδείκνυται να λαμβάνεται υπόψη από τον αρχικό σχεδιασμό του κτιρίου και δύσκολα αποτελεί αποδοτική ενεργειακά και αισθητικά λύση για ήδη κτισμένα κτίρια. Μιας και τα κτίρια εκ των πραγμάτων δεν στρίβουν δεν μπορούν να επιτευχθούν συνθήκες βέλτιστου προσανατολισμού οπότε έχουμε μειωμένες αποδόσεις. Συν τοις άλλοις γνωρίζοντας εξ αρχής διαστάσεις και μεγέθη των πλευρικών επιφανειών του κτιρίου γίνεται κατάλληλη επιλογή υλικών με τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα. Τα Φ/Β πλαίσια αντιμετωπίζονται ως τυπικοί υαλοπίνακες και με την κατάλληλη και ασφαλή σύνδεση τους δύνανται να ενσωματωθούν στην κατασκευαστική δομή της πρόσοψης του κτιρίου. Εικόνα 11: Τοποθετήσεις σε προσόψεις κτιρίων Μια σύγχρονη πρόσοψη ενός κτιρίου παρέχει πλήθος λειτουργιών όπως θερμική προστασία, μόνωση, προστασία από τον ήλιο και τον θόρυβο. Χρησιμοποιώντας Φ/Β επιτυγχάνονται όλα τα παραπάνω έχοντας φυσικά το τεράστιο συγκριτικό πλεονέκτημα της παραγωγής φιλικής προς το περιβάλλον ενέργειας. 24
3.2.3. Εφαρμογές πάνω σε ειδικά διαμορφωμένα σκίαστρα ή στέγαστρα Η χρήση φωτοβολταϊκών για λόγους σκίασης είναι από τις πλέον ελκυστικές και παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα. Καταρχάς εξοικονομούνται τα χρήματα από την αγορά των συμβατικών σκιάστρων τα οποία επενδύονται στα ειδικά διαμορφωμένα για Φ/Β μέσω των οποίων μπορεί να γίνει απόσβεση. Εικόνα 12: Εφαρμογές πάνω σε ειδικά διαμορφωμένα σκίαστρα Με τη χρήση των ημιπερατών πλαισίων επιτρέπεται ο προσδιορισμός του βαθμού διαφάνειας ανάλογα με το βαθμό σκίασης που απαιτείται. Επιπλέον γίνεται και σε αυτή την περίπτωση μια επένδυση σε καθαρή ηλεκτρική ενέργεια. 25
Εικόνα 13 :Εφαρμογές πάνω σε ειδικά διαμορφωμένα στέγαστρα Τελικά όμως το συγκριτικό πλεονέκτημα στην περίπτωση των σκίαστρων έναντι των άλλων επιλογών είναι ότι με κατάλληλης τεχνολογίας σκίαστρα μπορούν να επιτευχθούν ιδανικές κλίσεις ικανές να βελτιστοποιήσουν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. «Παίζοντας» με τις ρυθμίσεις και αναλογιζόμενοι την περιοχή την ηλιοφάνεια την εποχή καθώς και τις απαιτήσεις σκίασης μπορούμε να επιτύχουμε τη βέλτιστη λύση. 3.2.4. Άλλες εφαρμογές Η χρηστικότητα των Φ/Β και ικανότητα τους να προσαρτώνται σε διαφόρων ειδών επιφάνειες οδήγησε στην ενσωμάτωση τους και σε άλλες εγκαταστάσεις. Συνηθίζεται η εφαρμογή τους σε χώρους στάθμευσης σε γηπεδικές εγκαταστάσεις όπως και σε ηχοπετάσματα κατά μήκος δρόμων η γραμμών τρένων. ( α) (β) Εικόνα 14 : Εφαρμογές α)σε χώρους στάθμευσης β) σε ηχοπετάσματα 26
3.3. Υπολογισμός συνολικής παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας Θέλοντας να υπολογίσουμε τις δυνατότητες ενεργειακής απολαβής από ένα κτίριο πρέπει να ληφθούν υπόψη κάποια ζητήματα τα οποία θα κρίνουν την σωστότερη και αποδοτικότερη εγκατάσταση φωτοβολταϊκών. 3.3.1. Εισροή ηλεκτρικής ενέργειας (ηλιακής ακτινοβολίας) Εννοείται πως η ηλεκτρική ενέργεια που τελικά θα παραχθεί από Φ/Β συστήματα είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ηλιακή ακτινοβολία που θα προσπέσει σε δεδομένη επιφάνεια φωτοβολταϊκού. Αντίστοιχα λοιπόν καθοριστικό ρόλο στον υπολογισμό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β σε ένα κτίριο παίζει η συνολική επιφάνεια των εγκατεστημένων Φ/Β πλαισίων για δεδομένο προσανατολισμό και μμετεωρολογικά στοιχεία φυσικά. Εννοείται πως η ηλιακή ακτινοβολία ποικίλει από περιοχή σε περιοχή ακόμη και μέσα στα όρια της Ελλάδας. Εικόνα 15 :Χαρτης ηλιακής ακτινοβολίας 3.3.2. Καθορισμός επιμέρους επιφανειών του κτιρίου Όπως προαναφέρθηκε οι τρόποι ενσωμάτωσης Φ/Β στο κτίριο ποικίλουν. Σε ορισμένες περιπτώσεις τα Φ/Β μπορεί να τοποθετηθούν οριζόντια ενώ σε άλλες με κλίση. Τα Φ/Β μπορούν να τοποθετηθούν πάνω σε κάποια επιφάνεια του κτιρίου ή να αποτελέσουν από μόνα τους μέρος του σκελετού του κτιρίου. Όλες οι επιφάνειες και τα αντίστοιχα υλικά πρέπει να καθοριστούν ώστε να βγούνε τα ακριβέστερα δυνατά συμπεράσματα για την επένδυση. 27
3.3.3. Περιπτώσεις σκιάσεων Κατά τον υπολογισμό της διαθέσιμης επιφάνειας για εγκατάσταση Φ/Β λαμβάνουμε φυσικά υπόψη μας ενδεχόμενες σκιάσεις τμημάτων του κτιρίου. Γειτονικά κτίρια, δέντρα, μέρη του ίδιου του κτιρίου ή ακόμη και γειτονικά Φ/Β πλαίσια μπορούν να μειώσουν δραστικά την ωφέλιμη προς εγκατάσταση Φ/Β επιφάνεια. Η σκιά μειώνει αισθητά την αποδοτικότητα των Φ/Β πλαισίων και προκαλεί προβλήματα στη λειτουργία τους για αυτό πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη. Αξίζει να σημειωθεί το φαινόμενο αυτό είναι ακόμη χειρότερο τους χειμερινούς μήνες όταν το ηλιακό ύψος είναι πολύ μικρότερο. Ο υπολογισμός των επιφανειών που σκιάζονται καθώς και των μετεωρολογικών δεδομένων θα μας απασχολήσει στη συνέχεια της εργασίας και θα τα λάβουμε υπόψη μας με τη χρήση των λογισμικών METEONORM και PVsyst. 3.3.4. Προσανατολισμός και κλίση των Φ/Β Τα Φ/Β μπορούν να τοποθετηθούν οριζόντια η με κλίση. Είναι γνωστό ότι με την χωροθέτηση τους με κατάλληλο προσανατολισμό γίνεται να επιτύχουμε την καλύτερη δυνατή απολαβή ηλιακής ακτινοβολίας. Για την Ελλάδα συγκεκριμένα ως βέλτιστη επιλογή θεωρείται ο νότιος προσανατολισμός και μια κλίση 30 μοιρών. Βέβαια το θέμα της κλίσης είναι ζήτημα άμεσα συνδεδεμένο με το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής και την επιθυμία της περιόδου μέγιστης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 3.3.5. Χωροθέτηση των Φ/Β Πέραν του ζητήματος των κλίσεων και του προσανατολισμού τα Φ/Β πρέπει να εγκατασταθούν σε σωστές αποστάσεις μεταξύ τους ώστε να μη σκιάζει το ένα το άλλο καμιά στιγμή της μέρας. Η ελάχιστη απόσταση (s) υπολογίζεται βάσει του λόγου του διακένου (d) μεταξύ δύο συστοιχιών προς το ύψος τους (h). Ο λόγος προκύπτει από την γραφική παράσταση συναρτήσει του γεωγραφικού πλάτους του τόπου και αναφέρεται στην κλίση για μέγιστη απόδοση το χειμώνα. Η γραφική παράσταση δίνει δύο τιμές ανάλογα με τον επιθυμητό μέγιστο ποσοστό των απώλεια κατά την παραπάνω κλίση. Η απόσταση υπολογίζεται από την σχέση: ^ = r h + b συνβ Διάγραμμα 2: Υπολογισμός ελάχιστης απόστασης (s) 28
Επιπλέον τα Φ/Β δεν είναι δυνατόν να γεμίζουν σε ποσοστό 100% μια επιφάνεια γιατί πρέπει να προβλέπονται κάποιο διάδρομοι σε περίπτωση συντήρησης η επισκευής. Για αυτό το λόγο ορίζεται ένας συντελεστής χρησιμοποίησης της επιφάνειας που κυμαίνεται γύρω στο 75 με 80%. 3.3.6. Επιλογή κατάλληλων πλαισίων για ενσωμάτωση σε κτίρια Τα περισσότερα Φ/Β πλαίσια που κυκλοφορούν στην αγορά έχουν φτιαχτεί για καθαρά εξωτερική χρήση. Οπότε διακρίνονται για πολύ καλή αντοχή σε ακραίες θερμοκρασίες, χαλαζοπτώσεις,χιονοπτώσεις, βροχή και υγρασία. Χαρακτηρίζονται επίσης και από κάποια standards όσον αφορά τις μηχανικές άντεχες τους. Όλα αυτά συμβάλλουν σε ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα των Φ/Β, την μεγάλη διάρκεια ζωής. Όμως σε εφαρμογές ενσωμάτωσης Φ/Β σε κτίρια λόγω των αυστηρών περιορισμών σε διαστάσεις δεν μπορούμε να βάλουμε οποιοδήποτε πλαίσιο. Σε αυτές τις περιπτώσεις λαμβάνουμε υπόψη μας πέραν όλων των προαναφερθέντων την επιθυμητή διαφάνεια τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά την ποικιλία των διαστάσεων και την κατάλληλη τοποθέτηση τους με στόχο την βέλτιστη απόδοση. Δίνουμε επιπλέον μεγάλη σημασία σε ζητήματα εγκατάστασης και συνδέσεων για λόγους ασφαλείας όπως επίσης και σε ζητήματα καλαισθησίας του κτιρίου. Αδιαφανείς επιφάνειες Σε τέτοιου είδους επιφάνειες συνηθίζονται οι ευρέως χρησιμοποιούμενοι τύποι μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών πλαισίων. Αυτά τα πλαίσια όπως και τα άμορφου πυριτίου συγκεντρώνουν τα πλεονεκτήματα του μικρού πάχους και βάρους και των μικρών απωλειών σε αυξομειώσεις θερμοκρασίας. Λόγω της περιορισμένης προς κάλυψη με Φ/Β πλαίσια επιφάνειας οι κατασκευαστές προσπαθούν να επιτύχουν τον μέγιστο δυνατό συντελεστή πλήρωσης με σκοπό το βέλτιστο ενεργειακά αποτέλεσμα. Διαφανείς επιφάνειες Σε αυτές τις περιπτώσεις επιλέγονται ειδικά πλαίσια με γυαλί στις δύο όψεις τους. Ανάλογα με τις ρυθμίσεις κατά την κατασκευή και εγκατάσταση του Φ/Β πλαισίου μπορεί να επιτευχθεί εύρος ρυθμίσεων και διαβαθμίσεων όσον αφορά τη διαφάνεια. Τέτοια υλικά επιλέγονται για να αντικαταστήσουν υαλοπίνακες των κτιρίων σύμφωνα με την ποσότητα φωτός η οποία θέλουμε να περνάει στον εσωτερικό χώρο και σε συνδυασμό φυσικά με τον βαθμό απόδοσης καθώς και τις ικανότητες μόνωσης. Ειδικές επιφάνειες Σε περιπτώσεις ειδικών εφαρμογών όπως ανομοιόμορφες η κεκλιμένες επιφάνειες χρησιμοποιούνται κατάλληλα Φ/Β πλαίσια όπως πλαίσια με καμπυλόγραμμη επιφάνεια ή ελαστικά πλαίσια άμορφου πυριτίου 29
3.4. Μηχανισμοί εγκατάστασης Φ/Β πλαισίων σε κτίρια Από τη στιγμή που θα αποφασιστεί η εγκατάσταση Φ/Β σε ένα κτίριο θα πρέπει να βρεθεί και ένας ασφαλής και αποδοτικός τρόπος ενσωμάτωσης τους. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως θα πρέπει να εγκατασταθεί κάποιο ειδικό σύστημα πάνω στο οποίο θα «κάτσουν» τα φωτοβολταϊκά μιας και δε γίνεται να «καρφωθούν» απευθείας στο φλοιό του κτιρίου. Σε κάποιες περιπτώσεις φυσικά γίνεται πρόβλεψη πριν κτιστεί ακόμη το κτίριο και τα Φ/Β αποτελούν δομικό τμήμα αυτών. Σε κάθε περίπτωση πάντως ένα σύστημα εγκατάστασης θα πρέπει να διασφαλίζει: Μηχανική αντοχή για το σύνολο του βάρους της εγκατάστασης λαμβάνοντας φυσικά υπόψη πιθανό επιπρόσθετο βάρος (π.χ. χιόνι) και ακραίες καιρικές συνθήκες. Εύκολες συνθήκες συντήρησης και επισκευής η ακόμη και εξαγωγής - αντικατάστασης κάποιου πλαισίου. Την ελάχιστη δυνατή επιπλέον επιβάρυνση σε κατειλημμένο χώρο μιας και σε ένα κτίριο είναι ιδιαίτερα περιορισμένη Ομοιομορφία στην επιφάνεια εγκατάστασης γιατί έτσι επιτυγχάνεται ομοιόμορφη παραγωγή από όλα τα πλαίσια οπότε και ισομερής καταπόνηση και φθορά τους. Κατάλληλες συνθήκες αερισμού μεταξύ του φλοιού του κτιρίου και των ίδιων των Φ/Β πλαισίων, ζήτημα πολύ σημαντικό για τον υψηλό βαθμό απόδοσης της εγκατάστασης. 3.5. Συντελεστής απόδοσηc Φ/Β Συστήματος και παραγωγή ενέργειαc Μια σειρά απωλειών περιορίζει την αποδοτικότητα ενός Φ/Β συστήματος και μειώνει ονομαστική συνολική ενέργεια εξόδου. Οι απώλειες αυτές εκφράζονται μέσω συντελεστή απόδοσης ο οποίος δίνεται ως εξής: την ενός όπου Η είναι η μέση ημερήσια τιμή της πυκνότητας ενέργειας ηλεκτρικής ακτινοβολίας στο επίπεδο της Φ/Β συστοιχίας, S είναι το εμβαδό της επιφάνειας και Ε η αποδιδόμενη ηλεκτρική ενέργεια από τη Φ/Β συστοιχία και το αντίστοιχο σύστημα. Ο συντελεστής μεταφοράς n προκύπτει από τους βαθμούς απόδοσης του αντιστροφέα και των καλωδιώσεων αντίστοιχα. Σε στιγμιαία βάση ο συντελεστής απόδοσης ενός Φ/Β πλαισίου δίνεται από το πηλίκο της αποδιδόμενης μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος P m, προς την προσπίπτουσα στο πλαίσιο ισχύ της ηλεκτρικής ακτινοβολίας E S όπου E είναι η πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο του Φ/Β πλαισίου. Pm Ώ-m= E S 30
Ο συντελεστής αυτός εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως: Φυσικές ιδιότητες των υλικών παρασκευής του πλαισίου Θερμοκρασία κυψελίδων Πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας Όπως αναφέρθηκε και στην εισαγωγή περί Φ/Β στοιχείου και Φ/Β πλαισίου η απόδοση ενός Φ/Β πλαισίου είναι αισθητά μικρότερη αυτής του Φ/Β στοιχείου εργαστηριακής παρασκευής. Οι κυριότεροι λόγοι για αυτό είναι: Ο παράγοντας κάλυψης, δηλαδή το ποσοστό κάλυψης της επιφάνειας του Φ/Β πλαισίου από Φ/Β στοιχεία. Ποτέ δεν γίνεται πλήρης εκμετάλλευση της επιφάνειας οπότε έχουμε αρνητική επίδραση στην απόδοση του πλαισίου. Η ανακλαστικότητα του υαλοπίνακα του πλαισίου Το γεγονός ότι τα Φ/Β στοιχεία που απαρτίζουν το Φ/Β πλαίσιο εμφανίζουν ανομοιογένειες και διαφορές. Την δική τους σημασία σε θέματα αποδοτικότητας των πλαισίων έχουν και παράγοντες όπως υγρασία, αλλοιώσεις στη δομή της κυψελίδας όπως και η ίδια η ποιότητα κατασκευής του πλαισίου. Διάγραμμα 3 :Διακρίνονται εύκολα οι απώλειες ενός Φ/Β πλαισίου και φαίνεται πως από το επίπεδο της ενέργειας ηλιακής ακτινοβολίας μεταβαίνουμε στο επίπεδο ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως φαίνεται και από το σχήμα σημαντική επιρροή στο τελικό αποτέλεσμα έχουν: Ένας συντελεστής καθαρότητας υαλοπίνακα Φ/Β πλαισίου, ηκαθ Ένας συντελεστής απόκλισης λόγω διαφοροποίησης της ανακλαστικότητας σε γωνία πρόσπτωσης διάφορης της κάθετου, nr Ένας συντελεστής απόκλισης στην περιοχή χαμηλών τιμών πυκνότητας ισχύος, nli 31
Έ νας συντελεστής γήρανσης, η γ Έ νας συντελεστής φασματικής απόκλισης, n s Έ νας συντελεστής απόκλισης λόγω της πόλω σης της ηλιακής ακτινοβολίας, ηρ Έ νας συντελεστής απόκλισης λόγω διαφοροποίησης της θερμοκρασίας κυψελίδας, ητ Έ νας συντελεστής απω λειώ ν στη δίοδο ανεπίστροφης, nd Β ά σει όλω ν αυτών μ πορούμε να πούμε ότι ο συντελεστής απόδοσης η μπορεί ν α δοθεί ως γινόμενο όλω ν των προαναφερθέντω ν συντελεστώ ν ενεργειακώ ν απωλειών, που π ρ οσ δ ιορ ίζουν την απόκλιση της απόδοση ς από αυτή τω ν πρότυπω ν συνθηκώ ν. Οπότε: n m= ηκαθ 'nr ' η Li ' ηγ,' n s ' ηρ ' nt ' nd 3.6. Προβλήματα σε εφαρμογές ενσωμάτωσης Φ/β σε κτίρια Πέραν όλων των θετικών και των πλεονεκτημάτων σε μια εγκατάσταση Φ/Β σε κάποιο κτίριο εμφανίζονται και κάποιες δυσκολίες που επιδρούν αρνητικά στην όλη εφαρμογή. Βασικότερα εμπόδια στην αποδοτική λειτουργία μιας τέτοιας εγκατάστασης είναι η χω ροταξία του κτιρίου και η μορφή του δικτύου. Στην πρώτη κατηγορία εντάσσονται ζητήματα στα οποία ήδη αναφερθήκαμε όπως σκιάσεις από γειτονικούς όγκους, μη ευνοϊκός προσανατολισμός αλλά και δυσκολίες στην πρόσβαση σε τμήματα της εγκατάστασης. Στην δεύτερη κατηγορία εντάσσονται θέματα της μεταβολής της τάσης και της συχνότητας όπως και το πρόβλημα της νησιδοποίη ση ς. Όπως θα φανεί και στις εφαρμογές που θα ακολουθήσουν με την χρήση κατάλληλου λογισμικού τα ζητήματα σκιάσεων και προσανατολισμών είναι από τα πλέον σημαντικά στην αποδοτικότητα μιας τέτοιας εφαρμογής, για αυτό το λόγο πριν την εγκατάσταση πρέπει να προηγηθεί εκτενής μελέτη της χωροθέτησης των panels. Τα παραπάνω προκαλούν διαφοροποίηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στις συστοιχίες των πλαισίω ν κάτι που σημαίνει εμφάνιση ανεπιθύμητων απωλειών. Ο λόγος εμφάνισης αυτών των απωλειών είναι η αδυναμία των πλαισίων να λειτουργήσουν στο σημείο μέγιστης ισχύος τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η συνολική τους ισχύς να είναι μικρότερη από το άθροισμα όλων των επιμέρους θεωρητικών ισχύω ν κάθε πλαισίου. Α υτό το φ αινόμενο λέγεται m ismatch. Έ γινε αναφορά και πριν στην ανάγκη ύπαρξης εύκολης πρόσβασης προς όλα τα panels προκείμενου ν α γίνονται εργασίες συντήρησης ή και αντικατάστασης σε περιπτώσεις κάποιας βλάβης. Σε περίπτωση βλάβης ενός πλαισίου είναι επιτακτική η άμεση αντικατάσταση του γιατί αλλιώς μπορεί ν α τεθεί σε κίνδυνο το σύνολο της εγκατάστασης. Οι επιπτώσεις αυτής της μορφής είναι άμεσα συνδεδεμένες με την κυκλωματική μορφή του Φ/Β συστήματος και το αν υπάρχουν τρόποι ν α παρακαμφθεί μια τέτοια βλάβη χωρίς να χρειάζεται ν α βγει εκτός όλο το σύστημα. Γενικά η βέλτιστη λύση για ν α αποφύγουμε τα προαναφερθέντα προβλήματα είναι η χρήση όσο το δυνατόν μικρότερω ν κυκλωμάτων. Επειδή όπως είναι φυσικό το μικρότερο δυνατό σειριακό κύκλω μα είναι αυτό που αποτελείται από ένα και μ όνο Φ/Β πλαίσιο μια τέτοια εγκατάσταση κρίνεται ασύμφ ορη οικονομ ικά και π ολύ δ ύσ κολα αποσβέσιμ η. Η νησιδοποίηση τέλος είναι ένα ακόμη πρόβλημα. Μ ε τον όρο νησιδοποίηση εννοούμε την μη επιθυμητή τροφ οδοσία του δικτύου σε χρονική στιγμή κάποιας βλάβης ή κάποιου ανοίγματος διακόπτη. Για τέτοιες περιπτώσεις έχουν αναπτυχθεί συστήματα και συσκευές που αποτρέπουν δυσάρεστες συνέπειες ενώ παράλληλα φ ροντίζουν μέσω ειδικών διατάξεων στην πρ οστα σία του συστή μ ατος από μ ετα βολές της τάσης ή της συχνότη τας του δικτύου 32
Κεφάλαιο 4 Βιοκλιματικός Σχεδιασμός Κτιρίων 33
Βιοκλιματικός σχεδιασμός Θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο βιοκλιματικός σχεδιασμός λαμβάνει υπόψη μια σύνθεση δεδομένων που αφορούν τις κλιματικές συνθήκες μιας περιοχής, την τοποθεσία, την θερμική και οπτική άνεση των ενοίκων, για το σχεδιασμό και την κατασκευή κτηρίων και χώρων αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια, αλλά και τα φυσικά φαινόμενα του κλίματος. Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός που έχει ως βασικά στοιχεία τα ηλιακά παθητικά συστήματα, συμβάλλει στον περιορισμό της κατανάλωσης συμβατικών καυσίμων και στην ανάδειξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας(ηλιακής ενέργειας). Στοχεύει, δηλαδή, στην εξοικονόμηση ενέργειας και στην προσαρμογή των κτηρίων στο περιβάλλον τους. Οι βασικές αρχές του βιοκλιματικού σχεδιασμού συνοψίζονται στα εξής: Εξασφάλιση ηλιασμού και μείωσης των θερμικών απωλειών κατά τη διάρκεια του χειμώνα, ώστε να αξιοποιείται η ηλιακή ενέργεια για την θέρμανση των χώρων Εξασφάλιση ηλιοπροστασίας το καλοκαίρι προκειμένου να επιτυγχάνεται μείωση των θερμικών κερδών, άρα και μείωση της ανάγκης για ψυκτικό φορτίο. Αξιοποίηση του ήλιου για φυσικό φωτισμό Εκμετάλλευση τω δροσερών ανέμων για φυσικό αερισμό και δροσισμό Βελτίωση του μικροκλίματος γύρω από το κτήριο Βελτίωση και ρύθμιση των εσωτερικών συνθηκών ενός χώρου για επίτευξη θερμικής άνεσης των ατόμων Συνεπώς, για να κατασκευαστεί και να λειτουργεί ένα κτήριο βιοκλιματικά, πρέπει να κατανοήσουμε πλήρως τις τοπικές κλιματικές συνθήκες και να σταθμίσουμε τα κλιματικά οφέλη και τους περιορισμούς. Το κτήριο θα πρέπει να είναι ικανό να συλλέγει και να αποθηκεύει θερμότητα όταν υπάρχει ανάγκη για θέρμανση, να λειτουργεί ως φυσικός συλλέκτης δροσισμού και ως αποθήκη ψύξης, όταν χρειάζεται ψυκτικά φορτία και να δρα ως φυσικός ανανεωτής αέρα, προκειμένου να προσφέρει στους χρήστες άνετο θερμικό εσωκλίμα. Επίσης, πεδίο μελέτης της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής είναι η χρήση τοπικών δομικών υλικών μιας περιοχής, φιλικών προς το περιβάλλον μετά από μελέτη των χαρακτηριστικών και των ιδιοτήτων τους. Βασικά κριτήρια για την εφαρμογή του βιοκλιματικού σχεδιασμού πρέπει να είναι η απλότητα χρήσης των εφαρμογών και η αποφυγή περίπλοκων συστημάτων και τεχνικών, ώστε να είναι περιορισμένη η συμβολή του χρήστη στη λειτουργία τους,καθώς και η χρήση ευρέως εφαρμοσμένων συστημάτων. 34
Κεφάλαιο 5 Ηλιακά παθητικά συστήματα 35
5.Ηλιακά Παθητικά συστήματα ϊζαμ ^ χώρος Α. ΧΩΡΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ άμεσα ηλιακά κέρδη μόνωση rfy///////,y// τζάμι Ιερμική μ άζα χώρο μόνωση ξωτερικ rsw/s//*"f Β. 1 ΤΟΙΧΟΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ έμμεσα ηλιακά κέρδη μόνωση τζάμι έμμεσα ηλιακά κέρδη χώρος w m m m m M m tm ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟ ΠΡΟΣΑΡΤΗΜΕΝΟ ΣΤΟ ΝΟΤΙΟ ΤΟΙΧΟ. Εικόνα 16: Ηλιακά Παθητικά Συστήματα Πρόκειται για συστήματα που παρέχουν στο κτήριο θέρμανση και δροσισμό από την εκμετάλλευση των φυσικών πηγών ενέργειας, καθώς και των στοιχείων απορρόφησης ενέργεια. Καθημερινά, η γη δέχεται από τον ήλιο μια εντυπωσιακή ποσότητα θερμότητας που αποβάλλεται προς τον ουρανό κυρίως μέσω της νυχτερινής επανακτινοβολίας. Για την επίτευξη μιας ικανοποιητικής θερμικής άνεσης μέσα σε ένα κτήριο, με ταυτόχρονο περιορισμό της χρήση συμβατικών πηγών, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε πηγές φυσικής ενέργειας(ηλιακή ακτινοβολία, εξωτερικός αέρας,εσωτερικά κέρδη), καθώς και κατάλληλα στοιχεία απορρόφησης (όπως είναι ο ουρανός, ο εξωτερικός αέρας, οι υγρές επιφάνειες και η βλάστηση). Η θερμική εκμετάλλευση στα παθητικά κτήρια γίνεται, εκτός από τον τρόπο του σχεδιασμού του, την τοποθέτηση, προσανατολισμό, τη μορφή του, κλπ. με τη χρήση παθητικών ηλιακών συστημάτων τα οποία συγκεντρώνουν, αποθηκεύουν, μεταδίδουν και διαχέουν θερμότητα και αποτελούν μέρη των αρχιτεκτονικών στοιχείων.σε γενικές γραμμές, τα αρχιτεκτονικά και δομικά στοιχεία που ρυθμίζουν τη θερμική συμπεριφορά ενός κτιρίου είναι: Τα γυάλινα ανοίγματα και ο εξοπλισμός τους Οι τοίχοι θερμικής αποθήκευσης που λειτουργούν ως συλλέκτες θερμότητας Τα προσαρτημένα θερμοκήπια 36
Οι προσαρτημένες ηλιακές καμινάδες Η εφαρμογή κατάλληλης γεωμετρίας σκιάστρων Η δημιουργία ενεργειακής σκεπής Τα κατάλληλα δομικά στοιχεία (μονώσεις, χρώματα, κονιάματα, υαλοπίνακες, στοιχεία τοιχοποιίας) Η διαμόρφωση του εξωτερικού περιβάλλοντος χώρου (βλάστηση) Όταν σε ένα κτήριο η ροή της θερμότητας γίνεται, λοιπόν, με φυσικό τρόπο, δηλαδή μέσω αγωγής, μεταφοράς και ακτινοβολίας και η ηλιακή ενέργεια συνεισφέρει πάνω από το μισό της ολικής εξωτερικής ενέργειας που απαιτείται για θέρμανση, το κτήριο θεωρείται σαν ηλιακή παθητική κατασκευή. Τα παθητικά συστήματα συνεισφέρουν θετικά στις θερμικές απαιτήσεις του κτηρίου σε ψυχρό καιρό, ενώ σε θερμές περιόδους, αποτρέπουν τη διείσδυση του θερμού εξωτερικού αέρα και περιορίζουν τα εσωτερικά κέρδη, ώστε να εξασφαλίζουν αποδεκτές θερμικές καταστάσεις για τους ενοίκους. Ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους από θερμική άποψη, χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: Α. Συστήματα άμεσου ή απευθείας ηλιακού κέρδους: 1. Κατάλληλη θερμική μάζα (χρήση υλικών υψηλής θερμοχωρητικότητας), σε συνδυασμό με συστήματα θερμικής προστασίας (θερμομόνωση κελύφους, διπλοί υαλοπίνακες) και την απαιτούμενη ηλιοπροστασία για τους καλοκαιρινούς μήνες 2. Κατάλληλα προσανατολισμένα ανοίγματα Β. Συστήματα έμμεσου ηλιακού κέρδους: 1. Ηλιακοί τοίχοι οι οποίοι αποτελούνται από τοιχοποιία συνδυαζόμενη με υαλοστάσιο που τοποθετείται εξωτερικά Μπορεί να πρόκειται για αμόνωτο τοίχο-τοίχος ηλιακής συλλογής και θερμικής αποθήκευσης- ή θερμομονωμένο τοίχο με θυρίδες-θερμοσιφωνικό πανέλο. Στην κατηγορία αυτή είναι: Τοίχοι μάζας Trombe Τοίχος Barra Constantini Τοίχοι νερού Θερμοσιφωνικό πανέλο Οροφή νερού 2. Στα συστήματα αυτά ανήκουν και οι χώροι θερμικής αποθήκευσης: Θερμοκήπια, προσαρτημένα στη νότια όψη του κτηρίου Ηλιακά αίθρια 37
Γ. Συστήματα απομονωμένου ηλιακού κέρδους, όπου η συλλέκτρια επιφάνεια της ηλιακής ενέργειας, διαχωρίζεται από το χώρο της θερμικής αποθήκευσης. Πρόκειται για μικτά συστήματα που ονομάζονται υβριδικά και βασίζονται στη φυσική ροή κάποιου ρευστού (π.χ. του αέρα). Σε αυτά τα συστήματα, χρησιμοποιούνται κάποια απλά μηχανικά μέσα για την μεταφορά της θερμότητας (π.χ. ανεμιστήρες) 5.1 Συστήματα άμεσου ή απευθείας ηλιακού κέρδους Εικόνα 17: Συστήματα άμεσου κέρδους 51.1 Θερμική Μάζα Το σύνολο των δομικών στοιχείων και υλικών ενός κτηρίου που έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν θερμότητα, αποτελεί τη θερμική μάζα του κτηρίου. Η μάζα αυτή όταν αξιοποιηθεί σωστά μπορεί να συνεισφέρει στη μείωση των απαιτήσεων σε θέρμανση και κλιματισμό και να έχει ευεργετική επίδραση τόσο κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού (ψύξη), όσο και κατά τη χειμερινή περίοδο (θέρμανση).ιδανικά υλικά για τη συγκρότηση της θερμικής μάζας ενός κτηρίου είναι υλικά μεγάλης θερμοχωρητικότητας, δηλαδή ικανά να αποθηκεύουν θερμότητα σε μεγάλο βαθμό. Τέτοια υλικά είναι συμπαγή, πυκνά υλικά, όπως είναι η πέτρα και οι φυσικοί λίθοι γενικότερα, το τούβλο, το μπετόν, κεραμικές πλάκες κ.α.,τα οποία επιλέγονται παραδοσιακά για τα μέρη του κτηρίου όπου απαιτείται καλή θερμική αποθήκευση. Έχουν την ιδιότητα να συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας, χωρίς να γίνονται τα ίδια ιδιαίτερα θερμά και να την αποβάλλουν όταν το περιβάλλον γίνει ψυχρότερο.mε άλλα λόγια, λειτουργούν ως μέσα αποθήκευσης θερμότητας και κρύου με το να θερμαίνονται, αλλά και να αποβάλλουν θερμότητα σχετικά αργά. Το ξύλο, για παράδειγμα, είναι ελαφρύ υλικό και έχει μικρή ικανότητα αποθήκευσης θερμότητας. 38