ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ - ΤΜΗΜΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΕ ΚΕΛΥΦΗ ΚΤΙΡΙΩΝ Στέφανος Δ. Γαζέας Υποψήφιος διδάκτωρ ΑΠΘ
Μορφές Α.Π.Ε. Αιολική ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Υδροηλεκτρική ενέργεια Βιομάζα Ηλιακή ενέργεια
Ενσωμάτωση Α.Π.Ε. σε κελύφη Δεν είναι δυνατή η ενσωμάτωση όλων των μορφών Α.Π.Ε. στα κελύφη των κτιρίων...... υπερτερεί σε ευχρηστία η ηλιακή ενέργεια η οποία είναι διαθέσιμη παντού και πάντα.
Η ισχύς του ήλιου Ο Ήλιος, μέσα σε 30 λεπτά της ώρας, στέλνει τόση ενέργεια στη Γη που επαρκεί για την κάλυψη του συνόλου των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη για έναν ολόκληρο χρόνο. Η ποσότητα αυτή αντιστοιχεί σε 70 εκατομμύρια βαρέλια αργού πετρελαίου την ημέρα, δηλαδή καύσιμα αξίας 0, τρις ευρώ ημερησίως ( 60/βαρέλι βαρέλι). «Αν ο 9ος ήταν ο αιώνας του κάρβουνου και ο 0ος ήταν ο αιώνας του πετρελαίου, τότε ο ος θα είναι ο αιώνας του Ηλιου». Thomas, R. (ed.), Photovoltaics and Architecture, London, Spon Press, 00, σελ.3
Ιστορικά στοιχεία Το 839, ο Γάλλος φυσικός Edmund Becquerel παρατήρησε πως όταν μια επιφάνεια, πάνω σε δυο ημιαγωγούς, εκτίθεται στο φως, τότε δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα. Το 873, ο Βρετανός Willoughby Smith διαπίστωσε πως το Σελήνιο (Se) ήταν ιδιαίτερα ευαίσθητο στο φως. Το 905, ο Albert Einstein διατύπωσε τη θεωρία του για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και τις ιδιότητες του Σεληνίου. Το 954, στα Εργαστήρια Bell, εξελίχθηκαν τα πρώτα φωτοβολταϊκά κύτταρα Πυριτίου με απόδοση 4,5%. Το 958 πραγματοποιείται η εκτόξευση του Vanguard I, του πρώτου δορυφόρου με φωτοβολταϊκά συστήματα Πυριτίου.
Αρχή λειτουργίας Φ/Β στοιχείου Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ορίζεται ως «η απευθείας μετατροπή της απορροφούμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια». Το φως, ως μορφή ενέργειας (φωτόνια), επιδρά στον ημιαγωγό που με τη σειρά του προκαλεί την απελευθέρωση ηλεκτρονίων. Η κίνηση αυτή των ηλεκτρονίων παράγει ηλεκτρικό ρεύμα που μεταφέρεται μέσω ενός ηλεκτρικού κυκλώματος, δηλαδή: επαφή υλικών + φως = φωτοβολταϊκό φαινόμενο
Δομή τυπικού Φ/Β στοιχείου Η δομή ενός τυπικού Φ/Β στοιχείου Πυριτίου αποτελείται από: Αντιανακλαστικό στρώμα Ηλεκτρόδιο όψης Δύο στρώματα ημιαγωγού (Πυριτίου n και p) Ηλεκτρόδιο πίσω πλευράς Σημειώσεις: το πάχος ενός τυπικού Φ/Β στοιχείου είναι περίπου 0,5 χιλιοστόμετρα, ενώ τα τελειότερα σύγχρονα κύτταρα έχουν πάχος μόλις 0,03 χιλιοστόμετρα. το Πυρίτιο είναι το δεύτερο σε αφθονία υλικό στον πλανήτη μετά το οξυγόνο.
Κατασκευή Φ/Β συστήματος Κύτταρο ή στοιχείο: Η βασική μονάδα ενός Φ/Β συστήματος. Κατασκευάζεται σε διαστάσεις που κυμαίνονται από -55 εκ. και παράγουν ισχύ - Watts, στα 0.5 Volt. Πλαίσιο ή τόξο: Μια ομάδα κυττάρων (συνήθως 36) που παράγουν ηλιακή ενέργεια συνδεδεμένα σε σειρά και διαθέτουν κοινή ηλεκτρική έξοδο. Συστοιχία: Ένα σύνολο συνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων αποτελούν μια συστοιχία.
Τύποι Φ/Β συστημάτων Διασυνδεδεμένο με το δίκτυο Με δίκτυο κοινής ωφέλειας (ΔΕΗ) Αυτόνομο (ή μη διασυνδεδεμένο με το δίκτυο) Απαιτείται αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε συσσωρευτές. Υβριδικό Συνδυασμός με γεννήτρια πετρελαίου, ή με ανεμογεννήτρια κ.α.
Υλικά κατασκευής Φ/Β κυττάρων ης ης Γενιάς: ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (Si) Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (m-si) Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (p-si) Άμορφο πυρίτιο (a-si) ης Γενιάς: ης ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΛΕΠΤΩΝ ΕΠΙΣΤΡΩΣΕΩΝ Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) Κράματα Πυριτίου (a-sige,, a-sica SiC) Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός (CIS) Τελουριούχο Κάδμιο (CdTe) Ετεροένωση (CuS/CdS) ης Γενιάς: 3 ης ΟΡΓΑΝΙΚΑ, ΠΟΛΥΜΕΡΗ & ΥΒΡΙΔΙΚΑ Οργανική ουσία και TiO Οργανικές βαφές Πολυμερή στοιχεία Υβριδικά (CdSe)
Πίνακας απόδοσης Φ/Β στοιχείων ΥΛΙΚΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΚΥΤΤΑΡΟΥ-ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ (ΚΥΤΤΑΡΟ) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ (ΚΥΤΤΑΡΟ) ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ (ΠΛΑΙΣΙΟ) ης Γενιάς: ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ: Μονοκρυσταλλικό Πυρίτιο (m-si) 9% -4% 3-6% Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο (p-si) 5% 7-0% -4% Άμορφο Πυρίτιο (a-si) 7% -3% 6-8% ης Γενιάς: ΛΕΠΤΗΣ ΕΠΙΣΤΡΩΣΗΣ: Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) 3% 5-6% 6-8% Κράματα Πυριτίου (a-sige, a-sic) 7% 3% 9-% Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός (CIS) 7% 6-7% -4% Τελουριούχο Κάδμιο (CdTe) 3% 0-6% 7-0% Ετεροένωση (CuS/CdS) - 0% - 3 ης Γενιάς: ΟΡΓΑΝΙΚΑ, ΠΟΛΥΜΕΡΗ & ΥΒΡΙΔΙΚΑ: Οργανική ουσία & TiO 30% 0% - Οργανικές βαφές - 0,4% - Πολυμερή στοιχεία 0%,5% - Υβριδικά (CdSe) 6,9-0%,7% -
Παράγοντες απόδοσης συστήματος Γεωγραφικό πλάτος (διαθέσιμη ηλιοφάνεια) Κλιματολογικές συνθήκες τόπου & εποχή του έτους Προσανατολισμός Φ/Β συστήματος Γωνία πρόσπτωσης ηλιακής ακτινοβολίας Σκίαση
Μειονεκτήματα των Φ/Β Απαιτούν καθάρισμα τουλάχιστον μια φορά το χρόνο. Υψηλό κόστος επένδυσης και παραγόμενης ηλιακής kwh. Όμως: Το κόστος παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας (σε kwh) για τα διασυνδεδεμένα συστήματα, φθίνει σταθερά. Πολύ σύντομα θα αποτελεί την ανταγωνιστικότερη ίσως τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπως φαίνεται και στον ακόλουθο πίνακα: Έτος 006 00-05 030 Κόστος ηλιακής kwh 0.5-0.65 /kwh 0.3-0.35 /kwh 0.05-0. /kwh
Πλεονεκτήματα των Φ/Β Αθόρυβη λειτουργία και μηδενικές εκπομπές ρύπων. Μηδενικές απαιτήσεις συντήρησης (δεν έχουν κινητά μέρη). Διαθέτουν μεγάλη διάρκεια ζωής και υψηλή αξιοπιστία. Ευχρηστία (τα μικρά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν από το χρήστη). Μπορούν να επεκταθούν ανά πάσα στιγμή. Ενεργειακή ανεξαρτησία του χρήστη όπου κι αν αυτός βρίσκεται. Δυνατότητα για σύνδεση και με άλλες πηγές ενέργειας (υβριδικά συστήματα). Έχουν μεγάλα περιθώρια να γίνουν ανταγωνιστικότερα αφού οι αποδόσεις τους συνεχώς βελτιώνονται, ενώ το κόστος παραγωγής τους φθίνει με σταθερό ρυθμό. Ειδικά στην Ελλάδα, οι κλιματολογικές συνθήκες, η μέση θερμοκρασία και τα ποσοστά ηλιοφάνειας ευνοούν τη λειτουργία τους. Ειδικά στην Ελλάδα, οι κλιματολογικές συνθήκες, η μέση θερμοκρασία και τα ποσοστά ηλιοφάνειας ευνοούν τη λειτουργία τους.
Χάρτες ηλιακής ακτινοβολίας
Ενσωμάτωση Φ/Β σε κελύφη Πρόσθετα πλεονεκτήματα από την ενσωμάτωση στα ίδια τα κτίρια (BiPVs) BiPVs), γιατί: Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται στο σημείο κατανάλωσης. Ελαχιστοποιούνται οι απώλειες από τη μεταφορά και τη διανομή της ενέργειας. Δεν καταλαμβάνονται πολύτιμες εκτάσεις γης.
Περιβαλλοντικές επιπτώσεις ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ μόλυνση οξέως Εκπο μπές CO Εκπο μπές CH 4 Υγεία & ασφά λεια Αιωρ ούμε να σωμα τίδια Βαρέ α μέταλ λα Κατα στρο φές Διάθε ση αποβ λήτω ν Οπτι κή όχλη ση Θόρυ βος Απαιτ ήσεις γης Παθητική ηλιακή Φωτοβολταϊκή BiPVs Αιολική 4 Βιομάζα 4 4 Γεωθερμία 3 Υδροηλεκτρισμός 3 4 4 Παλιρροιακή 4 Κυματική Κάρβουνο 5 5 3 3 3 3 3 4 Πετρέλαιο 4 5 3 3 Φυσικό αέριο 5 4 3 Πυρηνική 4 4 3 Υπόμνημα πίνακα: Η αμελητέα επίδραση αξιολογείται με () και αυξάνεται μέχρι την κλίμακα (5) ανάλογα με την επίδραση που η συγκεκριμένη τεχνολογία ενέργειας ασκεί προς το περιβάλλον. Εργασία των Hohmeyer & Ottinger (99) και Bauman & Hill (99).
Διαθέσιμα προϊόντα (α)
Διαθέσιμα προϊόντα (β) PV Roof Tiles by Sanyo
Διαθέσιμα προϊόντα (γ)
Επιλογές ενσωμάτωσης Στέγες και δώματα Παράθυρα οροφής (κουπόλες) Αίθρια Αναρτημένα στις όψεις Φεγγίτες Διαφανή (ως υαλοπίνακες) Σκίαστρα & περσίδες Εφελκυόμενες κατασκευές Συνδυασμένα
Κριτήρια αξιολόγησης Σύμφωνα με τα κριτήρια αξιολόγησης του ΙΕΑ (Πρόγραμμα Task 7 ), τα χαρακτηριστικά μιας επιτυχημένης ενσωμάτωσης Φ/Β συστημάτων στα κελύφη των κτιρίων είναι: Φυσική ένταξη Αρχιτεκτονική αρτιότητα Σύνθεση χρωμάτων και υφών Κάνναβος και διαστάσεις του Φ/Β συστήματος Συνέπεια προς την κεντρική αρχιτεκτονική ιδέα Άρτια κατασκευή Πρωτοποριακός και καινοτομικός σχεδιασμός
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Hubble Space Telescope by NASA SkyLab (973-979) 979) by NASA
ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Antarctica Australia Morocco California, USA
ΚΑΤΟΙΚΙΕΣ The Woubrugge House, Netherlands Oxford EcoHouse, UK by Susan Roaf Heliotrop,, Germany by Prof. Rolf Disch Architect Low-energy House, Bregenz, Germany, by Daniel Sauter Darmstadt Solar House, Germany by DoE
ΣΥΓΚΡΟΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΟΙΚΙΩΝ Point Blocks, Innsbruck, Austria Student Housing, Switzerland Panta Rhei subproject, (50 houses), Holland 5 housing development, Kroosbuurt,, Holland MW PV Housing, Amersfoort, Holland
ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΑ ΙΔΡΥΜΑΤΑ Mont-Cenis Academy, Herne, Germany,, by Jourda Architects Northumberland Building, Newcastle, UK Jubilee Campus, Nottingham, UK by M. Hopkins & Partners Mont-Cenis Academy, Herne, Germany,, by Jourda Architects
ΔΗΜΟΣΙΑ ΚΤΙΡΙΑ Handelshaus,, Innsbruck, Austria Service centre Tax Offices, Munich, Germany by Bernhard Peck Municipal Services Building, Pirmasens,, Germany by Bachmann & Weidinger
International Solar Office, Doxford, UK by Studio E Architects ΚΤΙΡΙΑ ΓΡΑΦΕΙΩΝ BRE Office of the Future, Garston, UK by Feilden Clegg Architects Okotec 3, Office Building, Berlin, Germany by Aicher, Jatzlau von Lennep and Schuler Architects Office Building, Switzerland By BP Solar
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ-ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΑ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΑ Scheidegger Metallbau, Kirchberg,, Switzerland by Hostettler & Partner Super Energy Conservation Building, Tokyo, Japan by Ohbayashi-Gumi Architect Solarzentrum Freiburg, Germany by Planerwerkstatt Holken & Berghoff KIER Super Low Energy Building, S. Korea
ΚΤΙΡΙΑ ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ Sports Complex, Nieuwland,, Holland SBIC East Building, Tokyo, Japan ECN Building 4, Petten,, Holland Lehrter Railway Station, Berlin, Germany by Von Gerkan Marg and Partners Railway Station, Morges,, Switzerland Brundtland Centre,, Denmark by KHR Architects
ΕΙΔΙΚΑ ΚΤΙΡΙΑ BP Demonstration Building,, UK BP Fuel Station, UK Church of Steckborn,, Switzerland by Nordostschweizerische Kraftwerke AG PV Cube, DSC, Santa Ana, California, USA by Arquitectonica Sainsbury s s Petrol Station, UK
ΟΧΗΜΑΤΑ Honda Dream Solar Car (996) Audi A8 (996 & 00) Mercedes-Benz E-Class E (00) Honda Dream Solar Car (99) Solar Bus by Foster Associates Audi A8 (996 & 00) Mercedes-Benz E-Class E (00)
Ica-Ra Solar Airplane by the University of Stuttgart ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Helios Solar Airplane by NASA PV Boat, Sydney, Australia Helios Solar Airplane
ΑΛΛΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ PV Raincoat Canopy at RWE HQ, Essen, Germany by ASE Solar Sail, Holland PV Sunflower, Japan Ηχοπετάσματα,, Autobahn N3, Switzerland by TNC Consulting AG PV Canopy, Kochi, Japan Bahnhof 000 Station PV Tree, Gleisdorf,, Austria
Lobosillo PV Plant (,7 MW), Spain ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΠΑΡΚΑ Lobosillo PV Plant (,7 MW), Spain Pocking PV Plant (0 MW), Germany PV Plant, USA
ΚΤΙΡΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Soft Centre HQ, Αθήνα ΗΛΙΟΔΟΜΗ Α.Ε.,., Κιλκίς
Πράσινες πόλεις Το κέντρο διοίκησης του Masdar City, United Arab Emirates, by Foster & Partners 50 kwp Project, Housing Development, Amsterdam (995), Holland Kensal Green, UK units at Gele Lis,, Holland
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Στα αγγλικά: Galloway, T., Solar House: A Guide for the Solar Designer,, Oxford, Architectural Press, 004 Hindrichs,, D. U. and Heusler,, W. (ed.), Facades Building Envelopes for the st Century, Birkhauser,, Berlin, 004 IEA (International Energy Agency), Solar Energy Houses (second edition), London, James & James (Science Publishers) Ltd., 003 Messenger, R. A. and Ventre,, J., Photovoltaic Systems Engineering,, nd edition, USA, CRC Press LLC, 004 Prasad, D. and Snow, M. (ed.), Solar Power, Australia, Images Publishing, 005 Roaf S. and Walker V. (ed.), AD: Photovoltaics, Oxford Brookes University, 997 Schittich,, C., (ed.), In Detail: Solar Architecture,, Munich, Birkhauser (edition Detail), 003 Sick, F. and Erge T., Photovoltaics in Buildings,, Task 6, London, IEA, 996 Studio E Architects Ltd., BIPV Projects, Photovoltaics in Buildings (DTI New & Renewable Energy E Programme,, London, Crown, 000 Technology Review, 0 Emerging Technologies, (Vol. No. ), March/April 009 Thomas, R. (ed.), Photovoltaics and Architecture,, London, Spon Press, 00 Στα ελληνικά: Αλεξάκης, Σ. Α., Ηλιακή Ενέργεια, Αθήνα, εκδόσεις Σιδέρη Καπλάνης, Σ.Ν.,., Ήπιες Μορφές Ενέργειας I: Μηχανική των Φωτοβολταϊκών Συστημάτων, Αθήνα, εκδόσεις Ιων,, 003 Markvart, T.. (επιμέλεια( Σκούτζος, Π.,), Ηλεκτρισμός από Ηλιακή Ενέργεια, Αθήνα, Ίων,, 003 Φραγκιαδάκης, Ι.Ε.,., Φωτοβολταϊκά Συστήματα, Θεσσαλονίκη, Εκδόσεις Ζήτη,, 004