ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΗΛΙΑΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΣΤΗΝ ΚΡΗΤΗ

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 1 ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΗΛΙΑΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΣΤΗΝ ΚΡΗΤΗ Γ. ΖΗΔΙΑΝΑΚΗΣ, Μ. ΛΑΤΟΣ, Ι. ΜΕΘΥΜΑΚΗ, Θ. ΤΣΟΥΤΣΟΣ Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πολυτεχνείο Κρήτης ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εργασία αυτή απεικονίζεται ψηφιακά το δυναμικό ηλιακών εφαρμογών στην Κρήτη, τόσο από φωτοβολταϊκά όσο και από θερμικά ηλιακά σε χάρτες με μορφή Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS), οι οποίοι αναπτύχθηκαν από το Πολυτεχνείο Κρήτης, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Η προμήθεια των μετεωρολογικών δεδομένων για τα τελευταία περίπου 22 χρόνια έγινε από την Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία. Υπολογίστηκαν οι ωριαίες τιμές της πυκνότητας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια, καθώς επίσης και οι ώρες ημέρας συναρτήσει του γεωγραφικού μήκους και πλάτους, το οπτικό βάθος των αιωρούμενων σωματιδίων, το ύψος στήλης όζοντος και υδρατμών, η ατμοσφαιρική πίεση και η ανακλαστικότητα του εδάφους. Μετά από περαιτέρω επεξεργασία, προέκυψαν μηνιαίες και ετήσιες τιμές της πυκνότητας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε επιφάνεια με τρεις διαφορετικούς τρόπους στήριξης (συνεχή παρακολούθηση του ηλίου, παρακολούθηση ωριαίας γωνίας και σταθερή στήριξη) καθώς και οι ώρες ημέρας ανά μήνα. Μετά την παραπάνω ανάλυση υπολογίστηκαν οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών και θερμικών συστημάτων συλλογής για κάθε σταθμό. Στη συνέχεια, οι τιμές αυτές εισήχθησαν στο λογισμικό arcinfo 9.0 και με γραμμική παλινδρόμηση προέκυψαν οι χάρτες ηλιακού δυναμικού για φωτοβολταϊκά συστήματα και θερμικά συστήματα ηλιακών συλλεκτών.

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Κρήτη αποτελεί πανευρωπαϊκά προνομιακό χώρο για την ευρεία εφαρμογή συστημάτων αξιοποίησης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Προκειμένου να απεικονισθεί ψηφιακά το δυναμικό ηλιακών εφαρμογών στο νησί, τόσο από φωτοβολταϊκά όσο και από θερμικά ηλιακά αναπτύχθηκαν από το Πολυτεχνείο Κρήτης, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, χάρτες σε μορφή Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS). Τα μετεωρολογικά δεδομένα ήταν προσφορά της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας (ΕΜΥ), Διεύθυνση Κλιματολογίας 1. Στη συνέχεια υπολογίστηκαν οι μέσες τιμές ωρών ηλιοφάνειας για τα τελευταία περίπου 22 χρόνια, ανά μετεωρολογικό σταθμό, μήνα και χρόνο. Με τη βοήθεια του λογισμικού birdsmall υπολογίστηκαν οι ωριαίες τιμές της πυκνότητας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια, καθώς επίσης και οι ώρες ημέρας συναρτήσει του γεωγραφικού μήκους και πλάτους, το οπτικό βάθος των αιωρούμενων σωματιδίων, το ύψος στήλης όζοντος και υδρατμών, η ατμοσφαιρική πίεση και η ανακλαστικότητα του εδάφους. Στα πεδία όπου υπήρχε έλλειψη δεδομένων, χρησιμοποιήθηκαν τυπικές τιμές για την περιοχή της Κρήτης. ΘΕΩΡΙΑ Η απόδοση των συστημάτων εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται από πλήθος παραγόντων, όπως η ροή ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο που θα τοποθετηθεί ο συλλέκτης, ο προσανατολισμός της συλλεκτικής επιφάνειας, οι μετεωρολογικές συνθήκες και η απόδοση των συστημάτων μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ή θερμική. Λόγω της συνεχούς κίνησης της γης γύρω από τον ήλιο, η γωνία πρόσπτωσης μεταβάλλεται συνεχώς κατά την διάρκεια της ημέρας ή του έτους. Για να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή απόδοση του συλλέκτη θα πρέπει θεωρητικά η ηλιακή ακτινοβολία να προσπίπτει κάθετα στην επιφάνειά του [1,2]. Αυτό θα μπορούσε να συμβεί μόνο αν ο συλλέκτης παρακολουθούσε συνεχώς την φαινόμενη κίνηση του ηλίου γύρω από τη γη, διατηρώντας 1 Οι ερευνητές θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τους συναδέλφους της Διεύθυνσης Κλιματολογίας της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας για τα πολύτιμα δεδομένα.

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 3 κάθετη τη γωνία πρόπτωσης των ηλιακών ακτινών. Στην πράξη όμως, επειδή η χρήση ενός συστήματος παρακολούθησης της κίνησης του ηλίου (αστροστάτης) απαιτεί μεγαλύτερο κόστος κατασκευής και πρόσθετη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, η μέθοδος αυτή αποφεύγεται και έχει αναπτυχθεί μόνο σε πειραματικό στάδιο. Υπάρχουν τρεις περιπτώσεις προσανατολισμού του συλλέκτη: Σταθερή στήριξη: Στην περίπτωση της σταθερής στήριξης ο προσανατολισμός της συλλεκτικής επιφάνειας επιλέγεται με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουμε την μέγιστη δυνατή απόδοση κατά την διάρκεια ενός έτους. Για την περιοχή της Κρήτης εκτιμήθηκε, με μια σειρά δοκιμών ότι η βέλτιστη στήριξη είναι: Νότιος προσανατολισμός και κλίση φ = 40Ί - 44Ί[1,3]. Κίνηση μόνο στο κατακόρυφο επίπεδο (εισέρχεται μόνο η μεταβολή της ζενίθειας γωνίας με τον χρόνο): Σε αυτή την περίπτωση η κίνηση πραγματοποιείται μόνο σε έναν άξονα. Δηλαδή η κλίση είναι σταθερή και η συλλεκτική επιφάνεια κινείται με τέτοιο τρόπο ώστε να παρακολουθεί την κίνηση της ωριαίας γωνίας του ηλίου. Σύστημα παρακολούθησης της κίνησης του ήλιου (εισέρχεται τόσο η μεταβολή της ζενίθειας γωνίας, όσο και η μεταβολής ωριαίας γωνίας συναρτήσει του χρόνου): Σε αυτό το σύστημα στήριξης η παρακολούθηση του ηλίου είναι πλήρης, ώστε οι ακτίνες του να προσπίπτουν κάθετα στην συλλεκτική επιφάνεια, με αποτέλεσμα την πλήρη εκμετάλλευση του ηλιακού δυναμικού της εκάστοτε περιοχής. Ωστόσο το συγκεκριμένο σύστημα δεν έχει διαδοθεί ακόμα λόγω του κόστους. Όσον αφορά τον υπολογισμό της ζενίθειας και της ωριαίας γωνίας συναρτήσει του χρόνου, έγινε με την βοήθεια του προγράμματος birdsmall για τις γεωγραφικές συντεταγμένες του εκάστοτε μετεωρολογικού σταθμού μέτρησης. Μία εναλλακτική μέθοδος που μπορεί να εφαρμοστεί, συνίσταται στη μεταβολή της κλίσης του συλλέκτη κατά τακτά διαστήματα στη διάρκεια του έτους. ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τους υπολογισμούς είναι το birdsmall, ένα μοντέλο καθαρού ουρανού που υπολογίζει την άμεση και έμμεση πυκνότητα ροής ηλιακής ακτινοβο-

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 4 λίας (W/m 2 ) που προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια με βήμα μίας ώρας για έναν χρόνο[4]. Τα δεδομένα εισαγωγής που απαιτεί το υπόδειγμα (inputs), αναλύονται παρακάτω: 1. Γεωγραφικό μήκος (long) : Το γεωγραφικό μήκος του εκάστοτε σταθμού 2. Γεωγραφικό πλάτος (lat) : Το γεωγραφικό πλάτος του εκάστοτε σταθμού 3. Ζώνη ώρας (tz) : +2 4. Πίεση (pressure mb) : Η ατμοσφαιρική πίεση του εκάστοτε σταθμού που προκύπει από το ύψόμετρο που είναι εγκατεστημένος μέσω της σχέσης:, όπου P 0 = 1013,5 mb 5. Ύψος στήλης όζοντος (ozone cm) : Προκαθορισμένη τιμή 6. Ύψος στήλης νερού (H 2 O cm) : Προκαθορισμένη τιμή 7. Οπτικό βάθος στα 500nm (AOD 500nm) : Προκαθορισμένη τιμή 8. Οπτικό βάθος στα 380nm (AOD 380nm) : Προκαθορισμένη τιμή 9. Συντελεστής εμπρόσθιας σκέδασης (Ba) : Προκαθορισμένη τιμή 10. Ανακλαστικότητα επιφάνειας (Albedo) : Προκαθορισμένη τιμή Στη συνέχεια από τα αποτελέσματα του μοντέλου υπολογίζεται η ωριαία, μηνιαία και ετήσια ενέργεια που προσπίπτει σε επιφάνια με διαφορετικούς τρόπους στήριξης. Η κίνηση του ηλίου μπορεί να αναλυθεί σε δύο επιμέρους κινήσεις: μια που οφείλεται στην περιστροφή της γης γύρω από τον ήλιο και μία που οφείλεται στην περιστροφή της γης γύρω από τον εαυτό της. Ωστόσο οι δύο κινήσεις είναι εξαρτημένες μεταξύ τους. Οι γωνίες που εισέρχονται στους υπολογισμούς είναι η ζενίθεια γωνία (0Ί-90Ί), που καθορίζει «το πόσο ψηλά θα ανέβει ο ήλιος από τον ορίζοντα», και η ωριαία γωνία (- 180Ί, 180Ί) που καθορίζει «τι γωνία σχηματίζει ο ήλιος με τον Νότο». Υπολογισμός της ενέργειας που προσπίπτει σε επιφάνεια που παρακολουθεί την φαινόμενη κίνηση του ηλίου Διαιρείται η ενέργεια που προσπίπτει στην οριζόντια επιφάνεια με το συνημίτονο της ζενίθειας γωνίας. Η ενέργεια που προσπίπτει σε επιφάνεια που παρακολουθεί τη φαινόμενη κίνηση του ηλίου

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5 όπου F 0 : η ενέργεια που προσπίπτει σε επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες του ήλιου F : η ενέργεια που προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια θ : η ζενίθεια γωνία Υπολογισμός της ενέργειας που προσπίπτει σε επιφάνεια που παρακολουθεί μόνο την κίνηση της ωριαίας γωνίας Πολλαπλασιάζεται η ενέργεια που προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια με το συνημίτονο της ζενίθειας γωνίας αφαιρώντας την γωνία στήριξης φ. Υπολογισμός της ενέργειας που προσπίπτει σε επιφάνεια με σταθερή στήριξη Πολλαπλασιάζεται η ενέργεια που προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια με το συνημίτονο της ζενίθειας γωνίας μείον την γωνία στήριξης και επί το συνημίτονο της ωριαίας γωνίας. Στη συνέχεια αθροίζοντας τις ώρες ανά μήνα υπολογίζονται οι ώρες ημέρας ανά μήνα. Ενδεικτικά παρατίθενται τα αποτελέσματα που υπολογίστηκαν για το σταθμό της Σούδας (Πίνακας 1, Εικόνες 1 και 2). Πίνακας 1: Μέση μηνιαία ενέργεια ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε επιφάνεια με διαφορετικούς τρόπους στήριξης σε kwhr/m 2

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 6 Εικόνα 1: Μηνιαία μεταβολή της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας για τον σταθμό της Σούδας Εικόνα 2: Ενέργεια που προσπίπτει σε επιφάνεια με διαφορετικούς τρόπους στήριξης ανά έτος για τον σταθμό της Σούδας Το επόμενο βήμα είναι να υπολογιστεί η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από φωτοβολταϊκά συστήματα και η συλλεγόμενη θερμική ενέργεια από συστήματα ηλιακών συλλεκτών. Για να υπολογιστεί η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από Φ/Β συστήματα πολλαπλασιάζεται η προσπίπτουσα ενέργεια με το ποσοστό ηλιοφάνειας και με την απόδοση των Φ/Β συστημάτων (πίνακας 2). i = 0 : Συνεχή παρακολούθηση του ηλίου i = 1 : Παρακολούθηση Η i = 2 : Σταθερή στήριξη α : % απόδοση των Φ/Β συστημάτων τ ηλ : ποσοστό ηλιοφάνειας

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 7 Πίνακας 2 : Τιμές παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β συστήματα Το ωφέλιμο ενεργειακό κέρδος από έναν επίπεδο ηλιακό συλλέκτη, σε δεδομένη χρονική στιγμή, είναι η διαφορά του ποσού της ηλιακής ακτινοβολίας που απορροφάται από τον απορροφητήρα, και των απωλειών ενέργειας στο περιβάλλον (πίνακας 3). Πίνακας 3 : Τιμές παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του ωφέλιμου ενεργειακού κέρδους από συστήματα επίπεδων ηλιακών συλλεκτών Η σχέση που χρησιμοποιείται για να υπολογιστεί η ωφέλιμη θερμικής ισχύς είναι: Όπου: Q = ωφέλιμη συλλεγόμενη θερμική ισχύς (W) A c = επιφάνεια συλλέκτη (m 2 ) G T = ένταση της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του συλλέκτη (W/m 2 ) F R = συντελεστής θερμικής απολαβής του συλλέκτη τ = διαπερατότητα του διαφανούς καλύμματος του συλλέκτη στην ηλιακή ακτινοβολία

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 8 α = απορροφητικότητα του απορροφητήρα για την ηλιακή ακτινοβολία U L = συντελεστής ενεργειακών απωλειών του συλλέκτη T εισ = θερμοκρασία του ρευστού στην είσοδο του συλλέκτη T α = θερμοκρασία περιβάλλοντος Στους χάρτες 1 και 2 παρουσιάζεται το δυναμικό της εκμεταλλεύσιμης ηλιακής ενέργειας χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά συστήματα και επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες αντίστοιχα. Και στις δύο περιπτώσεις έχει θεωρηθεί ότι οι συλλέκτες είναι εξοπλισμένοι με σύστημα συνεχούς παρακολούθησης του ήλιου, ώστε η ακτινοβολία να προσπίπτει κάθετα σε αυτούς. Αν επιλεγεί η παρακολούθηση μόνο της ωριαίας γωνίας, τότε η εκμεταλλεύσιμη ενέργεια μειώνεται κατά 5,9%, ενώ αν χρησιμοποιήσουμε σταθερή στήριξη των συστημάτων μειώνεται κατά 35,7%. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στη συνέχεια, στους χάρτες 1 και 2 παρουσιάζεται το δυναμικό της εκμεταλλεύσιμης ηλιακής ενέργειας χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά συστήματα και επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες αντίστοιχα. Και στις δύο περιπτώσεις τα συστήματα εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας είναι σταθερά. Αν επιλεγεί η παρακολούθηση μόνο της ωριαίας γωνίας η εκμεταλλεύσιμη ενέργεια αυξάνεται κατά 5,9% ενώ αν χρησιμοποιηθεί συνεχή παρακολούθηση της φαινόμενης κίνησης του ηλίου των συστημάτων αυξάνεται κατά 35,7%. Από τους χάρτες παρατηρείται ότι η μέγιστη δυνατότητα αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας μας δίνεται στην Νότιο-Ανατολική Κρήτη. Το αποτέλεσμα αυτό έρχεται σε συμφωνία και με προηγούμενες μελέτες [5,6] που αναφέρουν ότι στην Ιεράπετρα οι ώρες ηλιοφάνειας ανά έτος είναι περισσότερες από την υπόλοιπη Ελλάδα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Μπάης Α., Πηγές ενέργειας στο περιβάλλον, Εκδόσεις Α.Π.Θ. υπηρεσία δημοσιευμάτων, 2003

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 9 [2] Βάρβογλης Χ. Σειραδάκης Ι., Εισαγωγή στη σύγχρονη αστρονομία, εκδόσεις Γαρταγάνη, 1994 [3] Αυγολούπης Σ., Σειραδάκης Ι., Παρατηριασιακή αστρονομία, Εκδόσεις Α.Π.Θ. υπηρεσία δημοσιευμάτων, 1993 [4] R.E. Bird and R.L Hulstrom, A Simplified Clear Sky model for Direct and Diffuse Insolation on Horizontal Surfaces,, SERI Technical Report SERI/TR-642-761, Feb 1991. Solar Energy Research Institute, Golden, CO., 1991 [5] A. P. Matzarakis and V. D. Katsoulis, Sunshine duration hours over the Greek region, Theor. Appl. Climatol. 83, 107 120, 2006 [6] www.cres.gr, Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΚΑΠΕ), 2006

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 10 Εικόνα 3: Χάρτης 1 - Δυναμικό εκμεταλλεύσιμης Ηλιακής Ενέργειας με χρήση Φωτοβολταϊκών συστημάτων

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ-ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2006 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 11 Εικόνα 4: Χάρτης 2 - Δυναμικό εκμεταλλεύσιμης Ηλιακής ενέργειας με χρήση επίπεδων Ηλιακών Συλλεκτών