Ήλιος: αντιδραστήρας σύντηξης ταχύτατα κινούμενοι πυρήνες υδρογόνου μετατρέπονται σε πυρήνες ηλίου (ο ήλιος χάνει 4,5 10 6 tn/sec από την μάζα του) η οποία μετατρέπεται σε ισοδύναμη ενέργεια Η ηλιακή ακτινοβολία που δέχεται η Γη είναι σχεδόν 7.000 φορές περισσότερη από την τρέχουσα παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην επιφάνεια της Γης γεωγραφική θέση εποχή νεφοκάλυψη η έρημος δέχεται περίπου διπλάσιο ποσό ηλιακής ακτινοβολίας από άλλες περιοχές Ελλάδα 2200-2300ώρες στην Δυτική Μακεδονία και την Ήπειρο πλέον των 3100 ωρών στη Ρόδο και την νότια Κρήτη Ηλιακή Ενέργεια
Ηλιακή Ακτινοβολία Συνδυασμός εκπομπής και διάδοσης ενέργειας με ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Όσο μεγαλύτερο το λ τόσο λιγότερη ενέργεια μεταφέρεται Το μέγιστο μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι αντιστρόφως ανάλογο της θερμοκρασίας του σώματος από το οποίο εκπέμπεται Όσο μεγαλύτερη η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο αυτό εκπέμπει περισσότερη ενέργεια Εύρος Περιοχής λ ΗΜ ακτινοβολίας λ < 10-4 μm 10-4 μm < λ < 10-3 μm 10-3 μm < λ < 0.2 μm 0.2 μm < λ <0.32 μm 0.32 μm < λ < 0.38 μm 0.38 μm <λ < 0.72 μm 0.72 μm < λ < 1.5 μm 1.5 μm < λ < 5.6 μm 5.6 μm < λ < 10 3 μm λ > 10 3 μm Ονομασία Περιοχής Ακτίνες γ και σκληρές ακτίνες Χ Μαλακιές ακτίνες Χ Μακρινό Υπερυώδες Μέσο Υπεριώδες Εγγύς Υπεριώδες ΟΡΑΤΟ Ιώδες (0.4 μm 0.44 μm) Κυανό (0.45 μm 0.49 μm) Πράσινο (0.50 μm 0.53 μm) Κίτρινο (0.54 μm 0.58 μm) Πορτοκαλί (0.59 μm 0.64 μm) Κόκκινο (0.65 μm 0.70 μm) Εγγύς Υπέρυθρο Μέσο Υπέρυθρο Μακρινό Υπέρυθρο Μικροκύματα και Ραδιοκύματα
Φύση της ηλιακής ακτινοβολίας
Νόμοι της ακτινοβολίας μέλανος σώματος Κάθε αντικείμενο θερμοκρασίας μεγαλύτερης του απολύτου μηδενός εκπέμπει ακτινοβολία λόγω της θερμικής ταλάντωσης των δομικών του λίθων. Μέλαν σώμα: ένα ιδεατό σώμα το οποίο απορροφά όλη την προσπίπτουσα σε αυτό ακτινοβολία και του οποίου η εκπεμπόμενη ισχύς εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα (ν) και τη θερμοκρασία (Τ) Πραγματικό σώμα: απορροφά και ακτινοβολεί ενέργεια εξαρτώμενη από: Μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας Χρώμα (ορατή ακτινοβολία) Τραχύτητα Υγρασία που εμπεριέχεται Θερμοκρασία
Ηλιακή σταθερά που τοποθετείται στο ανώτερο όριο της ατμόσφαιρας
Ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της γης Ηλιοφάνεια: το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η άμεση ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει ανεμπόδιστα στην επιφάνεια της Γης Χειμώνας: 70ωρες Καλοκαίρι: 310-390 ώρες
Ηλιακές μηχανές του 19 ου αιώνα (Αugustin Mouchot, Abel Pifre, John Ericsson) Solar Concentrator, 1869 Solar Concentrator at the Universal Exhibition in Paris, 1878. solar powered printing press,1882 http://landartgenerator.org/blagi/archives/2004
Το πρώτο ηλιακό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας (F. Shuman) Solar Power Plant Meadi, Egypt 1913 http://hyperion-1.net/fileadmin/user_upload/csp_history_2.pdf
Αξιοποίηση ηλιακής ενέργειας Θερμικά ηλιακά συστήματα Ενεργητικά ηλιακά συστήματα Χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας Υψηλής θερμοκρασίας Παθητικά ηλιακά συστήματα Παθητικά ηλιακά συστήματα δροσισμού Παθητικά ηλιακά συστήματα θερμανσης Παθητικά ηλιακά συστήματα φωτισμού Υβριδικά Φωτοβολταικά συστήματα
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Συστήματα που μετατρέπουν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε χρήσιμη θερμότητα Δέσμευση ηλιακής ακτινοβολίας από ηλιακούς συλλέκτες Ενεργητικά ηλιακά συστήματα χαμηλών & μέσων θερμοκρασιών Ηλιακοί θερμοσίφωνες ανοικτού ή κλειστού κυκλώματος Συστήματα υποβοήθησης θέρμανσης χώρων και παραγωγής ζεστού νερού χρήσης Συστήματα ψύξης χώρων Συστήματα αφαλάτωσης νερού Συστήματα θέρμανσης νερού πισινών κλπ υψηλών θερμοκρασιών Ηλιοθερμικοί συλλέκτες με παραβολικά κάτοπτρα Ηλιοθερμικοί γραμμικοί ανακλαστήρες Ηλιοθερμικοί δίσκοι Ηλιοθερμικοί πύργοι Ηλιοθερμικοί πύργοι ανερχόμενου ρεύματος Ηλιοθερμικοί φούρνοι
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Ενεργητικά Συστήματα που για την συλλογή, αποθήκευση και διανομή της ενέργειας χρησιμοποιούνται βοηθητικές συσκευές για την μεταφορά του αποθηκευτικού ή τελικά θερμαινόμενου ρευστού (κυκλοφορητές, αντλίες, ) Συνήθως συσκευές που χρησιμοποιούνται μόνο για την παραγωγή ενέργειας και δεν αποτελούν αναγκαίο μέρος του συστήματος στο οποίο θα προσφερθεί η ενέργεια (συλλέκτης σε κτίριο) Παθητικά Συστήματα που για την συλλογή, αποθήκευση και διανομή της ενέργειας δεν χρησιμοποιούνται βοηθητικές συσκευές για την μεταφορά του αποθηκευτικού ή τελικά θερμαινόμενου ρευστού (θερμοκήπιο) Συνήθως αποτελούν αναγκαίο τμήμα του συστήματος στο οποίο θα προσφερθεί η ενέργεια (π.χ. παράθυρο ή τοίχος Trombe σε ένα κτίριο) Υβριδικά συνδυασμός παθητικών και ενεργητικών συστημάτων (π.χ. ένα κτίριο εφοδιασμένο με παθητικά συστήματα στο οποίο έχουν εγκατασταθεί ηλιακοί συλλέκτες)
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Τα θερμικά ηλιακά συστήματα χαμηλών θερμοκρασιών αποτελούνται από τρία κύρια τμήματα: Τμήμα συλλογής Τμήμα αποθήκευσης Τμήμα διανομής διαχείρισης Τμήμα συλλογής: Αποτελείται συνήθως από μία επιφάνεια επί της οποίας προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία. Η συσκευή συλλογής χαρακτηρίζεται από μεγάλη διαπερατότητα στην ηλιακή ακτινοβολία. Η προσπίπτουσα στο σύστημα ηλιακή ακτινοβολία αφού διαπεράσει την ηλιοδιαπερατή επιφάνεια, απορροφάται από επιφάνεια μεγάλου συντελεστή απορρόφησης στην ηλιακή ακτινοβολία. Ανάλογα με την θερμοχωρητικότητα της απορροφητικής επιφάνειας, η ενέργεια αυτή αποθηκεύεται εντός της επιφάνειας είτε μεταφέρεται σε ξεχωριστό τμήμα μεγάλης θερμοχωρητικότητας που καλείται σύστημα αποθήκευσης
Τμήμα διανομής διαχείρισης: Η ανάκτηση της αποθηκευμένης ενέργειας και η διαχείρισή της πραγματοποιείται δια μέσου του τμήματος διανομής- διαχείρισης. Το τμήμα αυτό αποτελείται από το υποσύστημα ελέγχου και το υποσύστημα διανομής. Το υποσύστημα ελέγχου μπορεί να είναι ένας απλός θερμοστάτης ή ένα πολυπλοκότερο σύστημα όπως ένας μικροεπεξεργαστής Η διανομή της ενέργειας γίνεται με φυσικές διαδικασίες (π.χ. ακτινοβολία, μεταφορά θερμότητας, χρήση συσκευών εξαναγκασμένης μεταφοράς όπως κυκλοφορητές και αντλίες)
Ηλιακός θερμοσίφωνας Aνοικτού κυκλώματος: απευθείας θέρμανση νερού (προβλήματα στις χαμηλές θερμοκρασίες) Κλειστού κυκλώματος: έμμεση θέρμανση νερού με χρήση λαδιού ή νερού με αντιψυκτικό και αντιδιαβρωτικό σαν θερμαινόμενο μέσο (εναλλάκτης θερμότητας) Κύρια μέρη: επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες, δεξαμενή αποθήκευσης Χωρητικότητα, τοποθέτηση Απόδοση ηλιακού συλλέκτη: f (απορροφητικότητας πλάκας στην ηλιακή ακτινοβολία(ανάλογη), συντελεστή εκπομπής πλάκας - μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (αντιστρόφως ανάλογη), βαθμού διαφάνειας γυαλιού - μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (αντιστρόφως ανάλογη))
συλλέκτες με σειρά υαλοσωληνώσεων κενού ένας απορροφητής/σωλήνα που παγιδεύει την ηλιακή ενέργεια υψηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με αυτές του περιβάλλοντος (ως και 100 ο C), μικρότερη απόδοσή σε μεγάλη ηλιοφάνεια Εφαρμογές βιομηχανικές εφαρμογές (αποστείρωση) παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ηλιακό κλιματισμό Όχι οικιακή χρήση μεγάλο κόστους ανάπτυξη πολύ υψηλών θερμοκρασιών στο εσωτερικό τους (>300 ο C) το καλοκαίρι
κατηγοριοποίηση των ηλιακών θερμοσιφώνων απλοί ηλιακοί θερμοσίφωνες ηλιακοί θερμοσίφωνες «διπλής ενέργειας»: επί πλέον ηλεκτρική αντίσταση στην δεξαμενή αποθήκευσης νερού για χρηση κατά τη διάρκεια νεφοκάλυψης ή τη νύκτα ηλιακοί θερμοσίφωνες «τριπλής ενέργειας»: θερμοσίφωνες διπλής ενέργειας με επί πλέον είσοδο για εκμετάλλευση ζεστού νερού της συμβατικής κεντρικής θέρμανσης (καλοριφέρ)
Πρώτος Ηλιακός Θερμοσίφωνας Clarence M. Kemp, 1891 Μαύρο δοχείο νερού μέσα σε ένα μονωμένο κουτί με μια γυάλινη πλευρά εκτεθειμένη στον ήλιο Κανένας έλεγχος της θερμοκρασίας μέχρι το 1920
Ηλιακά συστήματα θέρμανσης χώρων και παραγωγής ζεστού νερού χρήσης (Combi solar system) ηλιακοί συλλέκτες κενού (άμεση και διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία) - μεγαλύτερη απόδοση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες θερμοδοχείο combi με εναλλάκτη θερμότητας, διπλή δεξαμενή αποθήκευσης ζεστού νερού (νερό για θέρμανση χώρων - νερό χρήσης) σύστημα ελέγχου για ενεργοποίηση κυκλοφορητή για την μεταφορά θερμότητας (ηλιακός συλλέκτης ή βοηθητική θέρμανση) βοηθητική πηγή θέρμανσης (αντλία θερμότητας ή λέβητας πετρελαίου ή αερίου) θερμαντικά σώματα (σώματα καλοριφέρ κλπ.)
Συστήματα ηλιακής ψύξης αρχή λειτουργίας: ψύκτες νερού, με πρόσληψη απαιτούμενης ενέργειας από τον ήλιο μέσω ηλιακών συλλεκτών κενού ή αέρος απορρόφηση/προσρόφηση ψυκτικό μέσο: νερό Ψεκασμός νερού σε δοχείο (ψύξη λόγω εξάτμισης) Απορρόφηση/προσρόφηση υδρατμών από διαλυτικό μέσο απορρόφησης ή προσρόφησης (χαμηλότερες θερμοκρασίες) Θέρμανση κορεσμένου διαλυτικού μέσου για την απελευθέρωση των υδρατμών Συμπύκνωση των υδρατμών από ρευστό ψύξης(νερό με Τ<35 ο C) αφύγρανση Αφύγρανση αέρα με αφυγραντικό υλικό με χαμηλή θερμοκρασία και υγρασία που απορροφά/προσροφά την υγρασία του αέρα Θέρμανση κορεσμένου αφυγραντικού υλικού για αποβολή υγρασίας Ψύξη ακόρεστου πλέον αφυγραντικού υλικού για επαναχρησιμοποιηση Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Καλύπτονται υψηλές κλιματιστικές ανάγκες Ενσωματώνονται σε υπάρχοντα συστήματα υψηλό κόστος των μικρών μονάδων
Ηλιακά συστήματα αφαλάτωσης νερού χρήση ηλιακής θερμικής ενέργειας με σύστημα απόσταξης ηλιακός συλλέκτης και αποστακτήρας (έμμεση ηλιακή αφαλάτωση) ολοκληρωμένο σύστημα το οποίο θα περιλαμβάνει και τα δύο μαζί (άμεση ηλιακή αφαλάτωση). ηλιακοί συλλέκτες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν: επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες σε συστήματα χαμηλών θερμοκρασιών ηλιακοί συλλέκτες κενού για περιόδους μικρής ηλιοφάνειας αποδίδοντας υψηλές θερμοκρασίες
Συστήματα ηλιακής θέρμανσης νερού πισίνων Ηλιακοί συλλέκτες χωρίς κάλυμμα Αποτελούνται από μαύρους πλαστικούς ή μεταλλικούς σωλήνες χωρίς μόνωση μέσα στους οποίους κυκλοφορεί το νερό της πισίνας Οικονομικά συμφέρουσα λύση Τ: 20 ο C μεγαλύτερες από την θερμοκρασία του περιβάλλοντος λειτουργία πισίνας(23-26 ο C). Α: 0,8 της επιφάνειας της πισίνας Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες χωρίς κάλυμμα ανοικτού κυκλώματος Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες χωρίς κάλυμμα κλειστού κυκλώματος Με εναλλάκτη θερμότητας
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα-Συλλέκτες Ο ηλιακός συλλέκτης είναι εναλλάκτης θερμότητας που μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε θερμική Μέσο θέρμανσης: Νερό Αέρας Διακρίνονται σε συστήματα: Tracking (βασικός επίπεδος συλλέκτης, επίπεδος συλλέκτης με πλευρικούς ανακλαστήρες, κυλινδρικούς συλλέκτες, παραβολικούς) Non tracking (παραβολικά, ανακλαστήρες Fresnel, παραβολοειδή, ηλιοστάτες)
ηλιακός συλλέκτης Συστήματα υψηλών θερμοκρασιών δέκτης (μετατροπή ηλιακής ακτινοβολία σε θερμότητα) κατοπτρα/φακοί μέσο μεταφοράς (ή αποθήκευσης) θερμότητας δεξαμενή νερού σύστημα μετατροπής της ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια ατμογεννήτρια ή κινητήρας Stirling Παραγωγή θερμότητας μετατροπή σε ηλεκτρισμό αποθήκευση - Χρήση τη νύκτα
Ηλιοθερμικοί συλλέκτες με παραβολικά κάτοπτρα Διάταξη μορφής σκάφης στον άξονα Βορράνότου με διαφανή διπλότοιχο σωλήνα υψηλής θερμικής αγωγιμότητας Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με ατμοστρόβιλο Κάλυψη αναγκών νυκτερινών ωρών Εγκατεστημένη ισχύς 30-350MW με απόδοση ~14-18%. Ηλιοθερμικοί γραμμικοί ανακλαστήρες Επίπεδα κάτοπτρα ή πρίσματα με μια γραμμή μεταφοράς χωρίς εναλλάκτη Μικρότερη απόδοση Μικρότερο κόστος Ηλιοθερμικοί δίσκοι Θερμοκρασία ρευστού:750 C -> απόδοση ως 31% Παρακολούθηση κίνησης ήλιου καθ ύψος και αζιμούθιο
Ηλιοθερμικοί πύργοι σύστημα επίπεδων ηλιακών συλλεκτών, δέκτης ηλιακής ακτινοβολίας, εναλλάκτης θερμότητας, σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σύστημα αποθήκευσης, σύστημα ελέγχου, σύστημα αποβολής θερμότητας Θερμοκρασία ρευστού: 550 C -> απόδοση 15-18% Ηλιοθερμικοί πύργοι ανερχόμενου ρεύματος θέρμανση με ηλιακή ακτινοβολία του αέρα σε συλλέκτη που κατευθύνεται με την βοήθεια ανεμιστήρων προς την κορυφή του πύργο στροβιλογεννήτρια στη βάση η οποία τίθεται σε κίνηση από τον ανερχόμενο αέρα δεν απαιτεί νερό για τη λειτουργια Ηλιοθερμικοί φούρνοι τεράστια αρχικά κεφάλαια και πολύ μεγάλες εκτάσεις για την εγκατάστασή του, ενώ η απόδοσή του δεν ξεπερνά το 15%
Απόδοση Επίπεδου Ηλιακού Συλλέκτη ωφέλιμη συλλεγόμενη θερμική ισχύς Q=F R A C I T τα U L T i T a Αc: επιφάνεια συλλέκτη (m2) I T : ένταση της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του συλλέκτη (W/m2) F R : συντελεστής θερμικής απολαβής του συλλέκτη τ: διαπερατότητα του διαφανούς καλύμματος στην ηλιακή ακτινοβολία α: απορροφητικότητα του απορροφητήρα για την ηλιακή ακτινοβολία U L : συντελεστής ενεργειακών απωλειών του συλλέκτη (W/m2/oC)) Τi: θερμοκρασία του ρευστού στην είσοδο του συλλέκτη ( o C) Τa: θερμοκρασία περιβάλλοντος ( o C) Απώλειες του συλλέκτη (αν Τ απορροφητήρα =Τ i )
Απόδοση Επίπεδου Ηλιακού Συλλέκτη μέγιστη συλλεγόμενη ισχύς βαθμός απόδοσης Q max = A C I T n = Q Q max, ΣΤΙΓΜΙΑΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ n = F R τα F R U L T i T a I T
Απόδοση Επίπεδου Ηλιακού Συλλέκτη Από δοκιμές
Πλεονεκτήματα ηλιοθερμικών συστημάτων Φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία χωρίς εκπομπές ρύπων Αθόρυβη λειτουργία Αξιόπιστες και δοκιμασμένες τεχνολογίες εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας Παραγωγή ενέργειας στα σημεία ζήτησης, αποφυγή απωλειών κατά την μεταφορά Κάλυψη μέχρι 30-50% των απαιτήσεων σε θέρμανση και ψύξη κτηρίων Σημαντικά οικονομικά πλεονεκτήματα από την ελάττωση της εξάρτησης από τα συμβατικά καύσιμα Συνδυασμός με άλλες μορφές ενέργειας (υβριδικά συστήματα) Μικρό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης Μηδενικό κόστος λειτουργίας Δημιουργία νέων θέσεων εργασίας Εξοικονόμηση ενέργειας και χρημάτων
Mειονεκτήματα των ηλιοθερμικών συστημάτων Υψηλότερο αρχικό κόστος εγκατάστασης( 3,5Ευρώ/W) σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα Χαμηλή παραγωγή και υψηλότερο κόστος συντήρησης σε σύγκριση με φωτοβολταϊκούς σταθμούς Τα ηλιοθερμικά συστήματα υψηλών θερμοκρασιών περιλαμβάνουν πολλές νέα τεχνολογίες που δεν είναι ακόμα επαρκώς δοκιμασμένες Για την πλήρη κάλυψη των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια απαιτείται η ύπαρξη συγχρόνως και του ηλεκτρικού δικτύου Μικρότερα ποσά παραγόμενης ενέργειας το χειμώνα λόγω μικρότερης ηλιοφάνειας και μικρότερης διάρκειας της ημέρας, περίοδο κατά την οποία είναι μεγαλύτερη η ζήτηση Κίνδυνος φθοράς σε περιπτώσεις παγετού Η εγκατάσταση ηλιακών θερμοσιφώνων δημιουργεί οπτική όχληση
Παθητικά ηλιακά συστήματα Εκμετάλλευση ηλιακής ενέργειας χωρίς μηχανικά μέσα για την ρύθμιση της θερμοκρασίας και του φωτισμού των εσωτερικών χώρων του κτηρίου Ελλάδα: 30-40% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης προέρχεται από τον κτιριακό τομέα Αρχή βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής: κάλυψη μέχρι το 80% της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας Λειτουργία παθητικών ηλιακών συστημάτων Φαινόμενο του θερμοκηπίου Θερμική υστέρηση των υλικών (θερμοχωρητικότητα) Αρχές μετάδοσης της θερμότητας Βασικοί στόχοι του βιοκλιματικού σχεδιασμού ηλιακής θέρμανσης εξασφάλιση ηλιασμού το χειμώνα ελαχιστοποίηση απωλειών θερμότητας το χειμώνα προστασία από υψηλές ταχύτητες ανέμων(κυρίως νοτίων) το χειμώνα
Παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης Παθητικά ηλιακά συστήματα άμεσης ωφέλειας συνδυασμός θερμικής μάζας υψηλής θερμοχωρητικότητας με συστήματα θερμικής προστασίας και ηλιοπροστασία τους καλοκαιρινούς μήνες Ανοίγματα (παράθυρα, μπαλκονόπορτες), υαλόφρακτες επιφάνειες: νότιο προσανατολισμό 30 ο Κατάλληλα δομικά υλικά. Σκίαστρα στα νότια ανοίγματα και ανοίγματα στο χώρο Προσανατολισμός, μέγεθος και θέση των ανοιγμάτων Τύπος υαλοπινάκων Τύπος και μέγεθος δομικών υλικών (θερμοχωρητικότητα)
Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Χαμηλό κόστος Ευκολία κατασκευής Συνδυασμένα οφέλη - επιτρέπουν το φωτισμό του εσωτερικού χώρου και την οπτική επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον Μειονεκτήματα Θάμβωση Είσοδος υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας Μεγάλες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις αν δεν υπάρχει αρκετή θερμική μάζα Κόστος απαιτούμενης νυκτερινής θερμικής μόνωσης για αποφυγή θερμικών απωλειών
Παθητικά ηλιακά συστήματα έμμεσης ωφέλειας Ηλιακοί τοίχοι Σύστημα «τοίχου μάζας» νότιο προσανατολισμό, μεγάλη θερμοχωρητικότητα, σκουρόχρωμη εξωτερική επιφάνεια Ηλιακός τοίχος με ανοίγματα στο πάνω και στο κάτω μέρος (φαινόμενο θερμοσιφωνισμού) Τοίχος Trombe - Michel (συνδυασμός) Συνδυασμός σκυρόδεματος πάχους 30-40cm (σκούρο χρώμα εξωτερικά) με γυάλινη επιφάνεια προς τα έξω σε απόσταση 3-5cm ηλιοπροστασία με κινητή εξωτερική κάλυψη Παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης
Ηλιακοι τοίχοι Παθητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης «τοίχοι νερού» πλαστικά ή μεταλλικά στεγανά δοχεία γεμάτα με νερό μπροστά από γυάλινη επιφάνεια Μεγάλη θερμοχωρητικότητα νερού Χρειάζεται νυκτερινή θερμική μόνωση Τοίχος Barra Constantini δεν υπάρχει θερμική μάζα αλλά θερμομονωτική επικάλυψη, μεταφορά θερμότητας μόνο με μεταφορά του θερμού αέρα διαμέσου αγωγών και όχι με ακτινοβολία Ηλιακοί χώροι Κλειστοί υαλόφρακτοι χώροι σε νότια τμήματα θερμοκήπια Μεταφορά θερμότητας: μάζα κτηρίου ή ανοίγματα στο πάνω και κάτω μέρος του τοίχου Ηλιακά αίθρια Κάλυψη οροφής με υαλοπίνακες (σύστημα έμμεσου ηλιακού κέρδους θερμοκήπιο) κατάλληλα δομικά υλικά και θερμομόνωση για μεγαλύτερη ηλιακή ενέργεια με χρονική υστέρηση ηλιοπροστασία και ανοίγματα αερισμού για αποφυγή υπερθέρμανσης
Φυσικός δροσισμός (εκμετάλλευση των φυσικών φαινομένων) Παθητικά Ηλιακά συστήματα δροσισμού Παθητικός δροσισμός (διοχέτευση πλεονάζουσας θερμότητας) Ηλιοπροστασία Προεξοχές κτηρίου Ειδικοί υαλοπίνακες Σκίαστρα εσωτερικά ή εξωτερικά των ανοιγμάτων Φυσική βλάστηση Φυσικός αερισμός Φυσικός νυκτερινός διαμπερής αερισμός Χρήση ανακλαστικών επιχρισμάτων στις εξωτερικές επιφάνειες Σχεδιασμό καμινάδων αερισμού
Παθητικά Ηλιακά συστήματα δροσισμού Σχεδιασμός ηλιακών καμινάδων Εγκατάσταση τεχνητών δεξαμενών νερού, σιντριβανιών κλπ. και με κατάλληλη βλάστηση στο έδαφος γύρω από το κτίριο ώστε να επιτυγχάνεται δροσισμός μέσω της διαδικασίας της εξατμοδιαπνοής. Δροσισμός από το έδαφος ο οποίος επιτυγχάνεται με διάχυση θερμότητας προς το έδαφος με αγωγή ή μεταφορά. Νυκτερινό δροσισμό με ακτινοβολία προς τον ουρανό
36.6 C 35 30 AR01: 21.0 C 25 20 AR02: 30.1 C 14.5 C 15 35.4 C 35 AR01: 21.3 C 30 25 20 16.3 C Μελέτες και έρευνες έχουν δείξει ότι η θερμοκρασία εντός των αστικών πάρκων είναι έως και 8 C χαμηλότερη από ότι στους γειτονικούς
www.greenroofs.com.gr Chicago City Hall Green Roof (en.wikipedia.org)
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των παθητικών ηλιακών συστημάτων Πλεονεκτήματα Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση, δροσισμό και φωτισμό των κτηρίων Προστασία του περιβάλλοντος λόγω μείωσης της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας και μείωση των εκπομπών CO 2 Βελτίωση της ποιότητας ζωής λόγω επίτευξης καλύτερης θερμικής και οπτικής άνεσης Μειονεκτήματα Δύσκολη και ακριβή η εφαρμογή των παθητικών ηλιακών συστημάτων σε ήδη υπάρχοντα κτίρια Τα μεγάλα ανοίγματα με νότιο προσανατολισμό προκαλούν το καλοκαίρι προβλήματα υπερθέρμανσης, απαιτείται μεγάλη κατανάλωση ενέργειας για τον δροσισμό τους Αύξηση κόστους κατασκευής λόγω της ανάγκης επαρκούς δροσισμού και σκίασης του κτιρίου κατά την διάρκεια των θερινών μηνών
Φωτοβολταϊκά συστήματα Άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό Εκμετάλλευση άμεσης και διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας λειτουργία και όταν δεν υπάρχει ηλιοφάνεια Φωτοβολταϊκό φαινόμενο: άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική (μέγιστη πραγματική απόδοση από 7% ως 16%) «φωτοαγωγιμότητα»: ικανότητα υλικού να λειτουργήσει ως αγωγός (δημιουργία διαφοράς δυναμικού με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του ήλιου)
Δομή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος Φωτοβολταϊκό κύτταρο (solar cell) - κρυσταλλικό πυρίτιο συνένωση ατόμων πυριτίου (κακός αγωγός του ηλεκτρισμού λόγω της κρυσταλλικής μορφής) ανάμιξή φωσφόρου(ημιαγωγός πρόσμιξης) - απελευθέρωση ηλεκτρόνιου φορέα ηλεκτρικού ρεύματος πυρίτιο τύπου n [negative] : ανάμιξη του κρυσταλλικού πυριτίου με άτομα φωσφόρου επιπλέον ηλεκτρόνιο πυρίτιο τύπου p [positive]: ανάμιξη του κρυσταλλικού πυριτίου με άτομα βορίου - έλλειμμα ενός ηλεκτρονίου - κενές θέσεις(οπές) Ηλιακή ενέργεια -> ηλεκτρικό πεδίο αντιστροφή πολικότητας με τα ηλεκτρόνια και τις οπές να κινούνται αντίστοιχα προς το τμήμα n και προς το τμήμα p του ημιαγωγού Ηλεκτρικό ρεύμα: σύνδεση δύο πλευρών ημιαγωγού με εξωτερικό αγώγιμο στοιχείο θεμελιώδη φωτοβολταϊκή μονάδα: μικρού πάχους ημιαγωγός σε επίπεδη επιφάνεια (10cmx10cm από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο υπό κανονικές συνθήκες παρέχει ισχύ 1-1,5W υπό τάση 0,5-0,6V)
Δομή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος Φωτοβολταϊκή μονάδα(module) ομάδες φωτοβολταϊκών κυττάρων ηλεκτρικά διασυνδεδεμένων «εν σειρά» ή «παράλληλα» επικαλυμμένων με ειδικές μεμβράνες (σε κέλυφος από αλουμίνιο με γυάλινη επιφάνεια έκθεσής) «μέγιστη ενέργεια» (ή χωρητικότητα): ισχύς της μονάδας σε θερμοκρασία 25 ο C για μεσημβρινή ηλιακή ακτινοβολία, έντασης 1kW που προσπίπτει κάθετα πάνω σε φωτοβολταϊκή μονάδα επιφανείας 1m 2 υλικό κατασκευής των φωτοβολταϊκών κυττάρων και το μέγεθος της επιφάνειας που αναπτύσσονται ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και μήκος κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος μετά τις απορροφήσεις από την ατμόσφαιρα Βασικά γνωρίσματα του κελύφους μιας φωτοβολταϊκής μονάδας: Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση Η διαφάνεια της εκτεθειμένης στον ήλιο επιφάνειας Η θερμική αγωγιμότητα του κελύφους Η θερμική διαστολή Το βάρος Η ανθεκτικότητα του κελύφους Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ανάλογη της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και εμφανίζει ημερήσια και ετήσια πορεία νότιος προσανατολισμός για το βόρειο ημισφαίριο, με κλίση περίπου ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου 10 ο (τοποθέτηση πάνω σε ηλιοστάτη(tracker)) - αύξηση αποδιδόμενης ισχύος από 30 ως 50% έντονη ηλιοφάνεια περιοχής κατά το μεγαλύτερο διάστημα του χρόνου δεν δημιουργείται σκίαση από γειτονικά κτίρια ή δένδρα Ελεύθερη κίνηση του αέρα συχνότητα καθαρισμού (απώλεια παραγόμενης ισχύος ~ 25%)
Δομή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος Φωτοβολταϊκές συστοιχίες(arrays) διασύνδεση φωτοβολταϊκών μονάδων/ ένα σύνολο συστοιχειών αποτελεί ένα φωτοβολταϊκό πάρκο Συστοιχία: ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, μια φωτοβολταϊκή μονάδα ή πολλές φωτοβολταϊκές μονάδες Φωτοβολταϊκός σταθμός: μια ή περισσότερες φωτοβολταϊκές μονάδες που εδράζονται σε σταθερές βάσεις στήριξης με νότιο προσανατολισμό ή πάνω σε ηλιοστάτες αντιστροφείς(inverters) οι οποίοι μετατρέπουν το συνεχές σε εναλλασσόμενο ρεύμα βάσεις στήριξης Συσσωρευτές (αποθήκευση παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας σε τοπική χρήση) Ρυθμιστής φόρτισης(charge controller) - αυτόνομα συστήματα για την φόρτιση των συσσωρευτών
Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών συστημάτων Απευθείας μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική Ιδιαίτερα εύχρηστα πολύ μικρής ισχύος συστήματα Εγκατάσταση στις οροφές των κτιρίων, μέσα σε πόλεις, χωρίς να επηρεάζουν αισθητικά το περιβάλλον Επέκταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος χωρίς να απαιτούνται μετατροπές του αρχικού συστήματος Αξιόπιστα συστήματα
Κατηγοριοποίηση των φωτοβολταϊκών συστημάτων Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα (μη συνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο της χώρας) Διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα (η ενέργεια δεν αποθηκεύεται, αλλά αποδίδεται στο ηλεκτρικό δίκτυο) Μεγάλα διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα μεγέθους από 50kWp ως μερικά MWp Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία είναι συγχρόνως διασυνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο για την διοχέτευση της πλεονάζουσας ενέργειας στο δίκτυο με οικονομικό όφελος του ιδιοκτήτη, αλλά και συγχρόνως την άντληση ενέργειας από το ηλεκτρικό δίκτυο όταν δεν καλύπτονται οι ανάγκες της κατοικίας Υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήματα Αυτόνομο Αυτόνομο με σύγχρονη υποστήριξη του ηλεκτρικού δικτύου Συνδεδεμένο απευθείας με το δίκτυο
Υπολογισμός απόδοσης PV Μέγιστη παραγόμενη ισχύς n max = Ροή προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (STC) = 1000 W/m 2 P max Ι STC A c https://www.pinterest.com/pin/360991726361875946/ https://www.teachengineering.org/lessons/view/cub_pveff_lesson01 http://www.qldwindmillandsolar.com.au/solar-trackers
https://news.energysage.com/what-are-the-most-efficient-solar-panels-on-the-market/
https://www.homepower.com/tracker-types-features https://sites.lafayette.edu/egrs352-sp14-pv/technology/history-of-pv-technology/
Πλεονεκτήματα των φωτοβολταικών συστημάτων Αξιόπιστη τεχνολογία με προβλέψιμη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ανεξάντλητη και με μηδενικό κόστος πρώτη ύλη Τεχνολογία που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον (1 παραγόμενη kwh αποτρέπει την έκλυση περίπου 1,1kg CO 2 ) Δεν προκαλεί ακουστική όχληση στο περιβάλλον καθώς δεν έχουν κινούμενα μέρη Ενσωμάτωση σε οροφές ή και προσόψεις κτιρίων ως κύρια δομικά στοιχεία: μείωση κόστους κατασκευής/ μη κατάληψη γης Δυνατότητα μελλοντικής επέκτασης με προσθήκη και άλλων μονάδων χωρίς καμία τροποποίηση της όλης εγκατάστασης Ελάχιστες απώλειες κατά την μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας με την κοντινή εγκατάσταση στο χώρο εκμετάλλευσης ή το δίκτυο Μεγάλη διάρκεια ζωής (20-30 χρόνια) Μικρό κόστος συντήρησης Απεξάρτηση από τις ανάγκες μεταφοράς καυσίμου (αυτόνομα συστήματα) Ευελιξία στις εφαρμογές, τόσο τα αυτόνομα, όσο και τα αυτόνομα υβριδικά συστήματα (συνδυασμός με συμβατικές ή ανανεώσιμες πηγές ενέργειας). Διασύνδεση με το δίκτυο ηλεκτροδότησης, ενίσχυση δικτύου κατά τις ώρες αιχμής ο κάτοχος φωτοβολταϊκού συστήματος μπορεί να πουλήσει την πλεονάζουσα ηλεκτρική ενέργεια στον διαχειριστή του ηλεκτρικού δικτύου (όπου το επιτρέπει ο νόμος) Εύκολη μεταφορά και εγκατάσταση σε απομακρυσμένες περιοχές Δεν επηρεάζονται από ακραίες καιρικές καταστάσεις, αρκεί να υπάρχει ηλιοφάνεια
Μειονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων Υψηλό κόστος εγκατάστασης και κατασκευής Υψηλό κόστος φωτοβολταϊκών κυττάρων - απόσβεσή σε 5 με 6 χρόνια Ανάγκη συσσωρευτών για τα αυτόνομα συστήματα τις νυκτερινές ώρες Η διάρκεια ζωής των συσσωρευτών είναι πολύ μικρότερη από την διάρκεια ζωής των φωτοβολταϊκών κυττάρων Για την εγκατάσταση μεγάλων φωτοβολταϊκών μονάδων απαιτείται η χρήση μεγάλων εκτάσεων γης, λόγω της μικρής απόδοσης των φωτοβολταϊκών σε σχέση με άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Κίνδυνος ρύπανσης του περιβάλλοντος σε συγκεκριμένες τεχνολογίες