[PENDING] Έρευνα στο διαδίκτυο πάνω στις ήπιες μορφές ενέργειας

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ & Φ.Α.

ΚΑΤΩΠΟΔΗΣ ΑΠΟΣΤΟΛΗΣ ΣΚΟΥΡΙΔΗΣ ΠΑΣΧΑΛΗΣ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ : “ ΕΡΕΥΝΑ ΣΤΟ ΔΙΑΔ ΥΚΤΙΟ ΠΑΝΩ ΣΤΙΣ ΗΠΙΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ “

ΚΑΒΑΛΑ 2009

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5

ΠΕΡΙΛΗΨΗ 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 8

1.1. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ 8

1.2. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 8

1.3. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 9

1.4. ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ 9

1.5. ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 12

1.6. ΚΟΣΤΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ 13

1.7. ΧΡΗΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ 14

1.7.1. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ 14

1.7.2. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ 19

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 21

2.1. ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 21 2.2. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 22

2.3. Η ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ 22

2.3.1. ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΝΕΜΟΥ 22

2.3.2. ΑΕΡΙΕΣ ΜΑΖΕΣ 23

2.3.3. ΜΕΤΩΠΑ 23

2.3.4. ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ 23

2.3.5. ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ 24

2.4. ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 24

2.4.1. ΤΥΠΟΙ Α/Γ-ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 24

2.4.2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ 25

2.4.3. Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ Α/Γ 26

2.4.4. ΜΙΚΡΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ 29

2.4.5. ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ 30

2.4.6. ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΗΣ ΘΕΣΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ 31

2.5. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ 32

2.5.1. ΓΕΝΙΚΑ 32

2.5.2. ΑΙΣΘΗΤΙΚΗ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ 32

2.5.3. ΘΟΡΥΒΟΣ 35

2.5.4. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗ ΣΚΙΑ ΤΩΝ Α/Γ 37

2.5.5. ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΝΕΡΟΥ 37

2.5.6. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΠΑΡΕΝΟΧΛΗΣΗ 37 2.5.7. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΥΓΕΙΑ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΑΣΦΑΛΕΙΑ 38

2.5.8. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΑ ΠΟΥΛΙΑ 38

2.5.9. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΑ ΕΔΑΦΗ 38

2.6. ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ 39

2.7. ΚΟΣΤΟΣ 39

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 41

3.1. ΓΕΝΙΚΑ-ΟΡΙΣΜΟΙ 41

3.2. Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΤΕΚΤΟΝΙΚΩΝ ΠΛΑΚΩΝ ΚΑΙ

Η ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ 42

3.3. ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ 44

3.4. ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΗΓΩΝ 45

3.5. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ 48

3.6. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ 49

3.6.1. ΑΜΕΣΗ ΧΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 49

3.6.2. ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΝΤΛΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 51

3.6.3. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ 52

3.6.4. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ 52

3.7. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 53

3.7.1. ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΑΕΡΑ 54

3.7.2. ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΝΕΡΟΥ 54

3.7.3. ΧΡΗΣΗ ΓΗΣ 56

3.8. ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ 56

3.9. Η ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 56

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 59

4.1. ΓΕΝΙΚΑ-ΟΡΙΣΜΟΙ 59

4.2. ΙΣΤΟΡΙΚΑ 60

4.3. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ 61

4.4. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ 62

4.5. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΕΡΓΟΥ 63

4.5.1. ΤΥΠΟΙ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ 63

4.5.2. ΤΥΠΟΙ ΦΡΑΓΜΑΤΩΝ 64

4.5.3. ΚΤΙΡΙΑ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ 65

4.5.4. ΥΔΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ 65

4.5.4. α.ΥΔΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ ΠΡΟΣΠΤΩΣΗΣ 65

4.5.4. β.ΥΔΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 69

4.5.4. γ.ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΔΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥ 70

4.6. ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΕΣ 70

4.7. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ 71

4.7.1. ΛΙΜΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΚΑΙ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ 71

4.7.2. ΥΠΟΓΕΙΑ ΝΕΡΑ 73

4.7.3. ΕΥΤΡΟΦΙΣΜΟΣ 73

4.7.4. ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΙΖΗΜΑΤΟΣ 74

4.7.5. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ 74

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΒΙΟΜΑΖΑ 76

5.1. ΓΕΝΙΚΑ-ΟΡΙΣΜΟΙ 76

5.2. ΠΗΓΕΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 77

5.2.1. ΑΓΡΟΤΙΚΕΣ ΦΥΤΕΙΕΣ 77

5.2.2. ΑΓΡΟΤΙΚΑ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΑ 78

5.2.3. ΖΩΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ 78

5.2.4. ΜΑΥΡΟ ΡΕΥΣΤΟφΙαοΕ liquor) 78

5.2.5. ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΤΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΖΑΧΑΡΕΩΣ 79

5.2.6. ΔΑΣΙΚΕΣ ΦΥΤΕΙΕΣ 79

5.2.7. ΔΑΣΙΚΑ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΑ 79

5.2.8. ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ 79

5.2.9. ΑΣΤΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ 80

5.2.10. ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ 80

5.3. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 80

5.3.1. ΑΝΑΕΡΟΒΙΚΗ ΧΩΝΕΥΣΗ 80

5.3.2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΜΠΡΙΚΕΤΤΩΝ ΚΑΙ ΣΦΑΙΡΙΔΙΩΝ 81 5.3.3. ΑΜΕΣΗ ΚΑΥΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ 81

5.3.4. ΠΥΡΟΛΥΣΗ 83

5.3.5. ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ 83

5.3.6. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΞΥΛΟΚΑΡΒΟΥΝΟΥ 84

5.3.7. ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΚΑΥΣΗ 84

5.3.8. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ 84

5.4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 85

5.4.1. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ 85

5.4.2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ 86

5.4.3. ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΑΤΜΟΣ 86

5.4.4. ΚΑΥΣΙΜΟ ΑΕΡΙΟ 86

5.5. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 86

5.5.1.ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 87

5.6. ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 87

5.7. ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 88

ΕΠΙΛΟΓΟΣ 89

ΔΙΑΔΙΚΤΥΑΚΟΙ ΤΟΠΟΙ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ 90

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι μια έρευνα στο διαδίκτυο πάνω στις ήπιες ή ανανεώσιμες μορφές ενέργειας. Μέσα απ’ αυτή την εργασία προσπαθήσαμε να παρουσιάσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα πάνω στο πεδίο των ήπιων μορφών ενέργειας. Προσπαθήσαμε να δώσουμε ορισμούς, να προσδιορίσουμε τα φυσικά φαινόμενα απ’ τα οποία προέρχονται, να περιγράψουμε τα τεχνολογικά μέσα με τα οποία παράγονται, να εξετάσουμε τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον, να δούμε κατά πόσο είναι οικονομικά συμφέρουσες και να αναφέρουμε την ισχύουσα γι’ αυτές νομοθεσία.

Ήπιες μορφές ενέργειας είναι οι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχονται από διάφορες φυσικές διεργασίες, όπως ο άνεμος, η ενέργεια του ήλιου, η γεωθερμία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Ο όρος «ήπιες» αναφέρεται σε δύο βασικά χαρακτηριστικά τους:

-Πρώτον, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση, όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση όπως συμβαίνει με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας, αλλά απλώς χρησιμοποιείται η ήδη υπάρχουσα ροή ενέργειας στη φύση.

-Δεύτερο, πρόκειται για «καθαρές» μορφές ενέργειας, πολύ φιλικές στο περιβάλλον, που δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα όπως οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα.

Ως «ανανεώσιμες πηγές» θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας (π.χ. του πετρελαίου ή του άνθρακα), όπως η ηλιακή και η αιολική. Ο χαρακτηρισμός «ανανεώσιμες» είναι κάπως καταχρηστικός, μια και ορισμένες από αυτές τις πηγές, όπως η γεωθερμική ενέργεια δεν ανανεώνονται σε κλίμακα χιλιετιών.

Στις ήπιες μορφές ενέργειας κατατάσσονται οι ακόλουθες:

-Η ηλιακή ενέργεια. Είναι η ενέργεια που εκλύει ο ήλιος, η ενέργεια που δίνει ζωή στον πλανήτη. Το φυσικό φαινόμενο που χρησιμοποιούμε για την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί και αυτούσια για θέρμανση.

-Η αιολική ενέργεια. Είναι η ενέργεια του "θεού" του ανέμου του Αίολου.

Μέσω μιας πτερωτής και μιας τουρμπίνας η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Η αιολική ενέργεια είχε και έχει ακόμα και σήμερα πιο άμεσες εφαρμογές όπως την ιστιοπλοΐα, την άντληση νερού από πηγάδια, το άλεσμα δημητριακών κ.α..

-Η γεωθερμική ενέργεια. Είναι η ενέργεια που κρύβεται στο φλοιό της γης.

Οφείλεται στην γεωθερμία, την ενέργεια θερμού νερού που βρίσκεται εγκλωβισμένο σε κοιλότητες του φλοιού, και χρησιμοποιείται είτε άμεσα για θέρμανση ή με τη βοήθεια γεωθερμικών αντλιών μετατρέπεται σε ηλεκτρική.

-Η υδροηλεκτρική ενέργεια. Είναι η ενέργεια που εκρέει από τη μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του νερού σε κινητική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική. Η υδροηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιούνταν από την αρχαιότητα με τη μορφή του υδρόμυλου κυρίως για άλεσμα δημητριακών και μετακίνηση αντικειμένων.

-Η βιομάζα. Είναι η αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια στα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης. Χρησιμοποιείται είτε με τη μετατροπή της οργανικής ύλης που την

περιέχει σε καύσιμο(παραγωγή βιοκαυσίμου) ή με την άμεση καύση της για παραγωγή θερμότητας (καύση ξύλων).

-Ενέργεια από παλίρροιες. Είναι η εκμετάλλευση της βαρύτητας του ηλίου και της σελήνης που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Η παραγωγή ενέργειας από παλίρροιες γίνεται με δύο τρόπους.

α)Το νερό αποθηκεύεται σε δεξαμενές κατά την άνοδο και κατεβαίνοντας διοχετεύεται μέσω μιας τουρμπίνας παράγοντας ηλεκτρισμό και

β)Το νερό διοχετεύεται μέσα από παλιρροϊκούς φράχτες, τεράστιες περιστρεφόμενες πόρτες διατεταγμένες σε σειρά, που σφραγίζουν την είσοδο ενός καναλιού έτσι ώστε όλο το νερό της παλίρροιας να περνά από μέσα. Οι πόρτες είναι συνδεμένες με άξονες και αυτοί στη συνέχεια με πηνία τα οποία μετατρέπουν την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική.

-Ενέργεια από κύματα. Είναι η κινητική ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Τα συστήματα κυματικής ενέργειας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες

α) στα σταθερά, τα οποία τοποθετούνται στην ακτή ή σε ρηχά νερά και χρησιμοποιούν την κινητική ενέργεια των κυμάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής και

β) στα πλωτά, τα οποία χρησιμοποιούν τις ταλαντώσεις των κυμάτων.

Χαρακτηριστική περίπτωση είναι τα "θαλάσσια φίδια" της Πορτογαλίας που παράγουν ενέργεια από την αρμονική κίνηση των πλωτών μερών τους.

-Ενέργεια των ωκεανών. Παράγεται ενέργεια από τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, κάνοντας χρήση των θερμικών κύκλων. Η διαδικασία αυτή βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο.

Οι ήπιες μορφές ενέργειας βασίζονται στην ουσία στην ηλιακή ακτινοβολία, με εξαίρεση τη γεωθερμική ενέργεια, η οποία είναι ροή ενέργειας από το εσωτερικό του φλοιού της γης, και την ενέργεια από τις παλίρροιες που εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα. Οι βασιζόμενες στην ηλιακή ακτινοβολία ήπιες πηγές ενέργειας είναι ανανεώσιμες, αφού δεν πρόκειται να εξαντληθούν όσο υπάρχει ο ήλιος. Ουσιαστικά είναι ηλιακή ενέργεια "συσκευασμένη" κατά τον ένα ή τον άλλο τρόπο: η βιομάζα είναι ηλιακή ενέργεια δεσμευμένη στους ιστούς των φυτών μέσω της φωτοσύνθεσης, η αιολική εκμεταλλεύεται τους ανέμους που προκαλούνται από τη θέρμανση του αέρα, ενώ αυτές που βασίζονται στο νερό εκμεταλλεύονται τον κύκλο εξάτμισης- συμπύκνωσης του νερού και την κυκλοφορία του. Η γεωθερμική ενέργεια δεν μπορεί να θεωρηθεί ως ανανεώσιμη μια και τα γεωθερμικά πεδία κάποια στιγμή θα εξαντληθούν.

Χρησιμοποιούνται είτε άμεσα (κυρίως για θέρμανση) είτε μετατρεπόμενες σε άλλες μορφές ενέργειας (κυρίως ηλεκτρισμό ή μηχανική ενέργειας). Υπολογίζεται ότι το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο ενεργειακό δυναμικό από τις ήπιες μορφές ενέργειας είναι πολλαπλάσιο της παγκόσμιας συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Σε σχέση με τις παραδοσιακές μορφές ενέργειας (άνθρακα, πετρέλαιο, πυρηνική) είναι ασύγκριτα πιο φιλικές στο περιβάλλον, καθώς δεν εκπέμπουν ρύπους ούτε δημιουργούν απόβλητα.

Όσον αφορά το κόστος παραγωγής τους είναι πιο συμφέρουσες μια και απαιτούν φθηνότερες εγκαταστάσεις και οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται είναι παντού γύρω μας (ήλιος, άνεμος, ποτάμια, κύματα, ωκεανοί).

Θερμές ευχαριστίες πρέπει να αποδοθούν στον επόπτη αυτής της εργασίας Κύριο Καργιώτη Ευάγγελο για την πολύτιμη συνεισφορά του στην ολοκλήρωση της.

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Ηλιακή είναι η ενέργεια που εκλύεται από τον ήλιο σε μικρά πακέτα ενέργειας τα φωτόνια. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ηλεκτροπαραγωγή βάση του φωτοβολταϊκού φαινομένου και οι μηχανισμοί που χρησιμοποιούνται για την επίτευξή της ονομάζονται φωτοβολταϊκά στοιχεία. Μπορεί να παραχθεί είτε ατομικά είτε σε μαζική παραγωγή. Τέλος είναι φιλική στο περιβάλλον.

Αιολική είναι η ενέργεια του ανέμου και μετατρέπεται σε ηλεκτρική μέσω της ανεμογεννήτριας. H ανεμογεννήτρια μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική. Υπάρχουν ανεμογεννήτριες για μαζική παραγωγή, οικιακής και για άλλες χρήσεις. Είναι φιλική στο περιβάλλον αλλά παρουσιάζουν και κάποια προβλήματα όπως θόρυβο, αισθητική υποβάθμιση του τοπίου κ.α..

Η γεωθερμική ενέργεια οφείλεται στην γεωθερμία. Είναι αποτέλεσμα της θερμοκρασιακής βαθμίδας της γης (θερμοκλινές), της διαμόρφωσης του φλοιού και της κίνησης του μάγματος. Χρησιμοποιείται για θέρμανση ή για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πιθανά περιβαλλοντικά προβλήματα που μπορούν να δημιουργηθούν είναι η θερμική ρύπανση, πιθανές καθιζήσεις, τοξικότητα αλμόλοιπου.

Η υδροηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από την δυναμική ενέργεια του νερού, η οποία μετατρέπεται σε κινητική και εν συνεχεία σε ηλεκτρική. Είναι απαραίτητη η κατασκευή φραγμάτων για την αποθήκευση του νερού και η χρησιμοποίηση διάφορων ειδών τουρμπίνων για να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια. Κύριες περιβαλλοντικές επιπτώσεις ενός υδροηλεκτρικού έργου είναι διατάραξη του τοπικού οικοσυστήματος και η αισθητική υποβάθμιση του τοπίου.

Τέλος ενέργεια μπορεί να παραχθεί από βιομάζα δηλαδή την οργανική ύλη η οποία έχει προέλθει από φυτά ως αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής διεργασίας. Η βιομάζα μπορεί να παραχθεί από αγροτικές φυτείες, αγροτικά υπολείμματα, ζωικά απόβλητα, αστικά απόβλητα, βιομηχανικά απόβλητα κ.α.. Από τη βιομάζα μπορούμε να παράγουμε βιοκαύσιμο, ηλεκτρισμό, θερμότητα, και καύσιμο αέριο. Οι τεχνολογίες που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για την μετατροπή της είναι αναεροβική χώνευση, άμεση καύση και συμπαραγωγή, πυρόλυση, αεριοποίηση, παράλληλη καύση κ.α..

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

1.1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ

Η φωτοβολταϊκή (PV) επίδραση ανακαλύφτηκε από ένα Γάλλο φυσικό επιστήμονα, τον Alexandre Edmond Becquerel το 1839 όταν ανακάλυψε ότι το ηλεκτρικό φορτίο μπορεί να παραχθεί όταν συγκεκριμένες δομές εκτίθενται στο φως (βούτηξε ράβδους πλατίνας σε υγρούς ηλεκτρολύτες). Οι Αμερικάνοι Adams και Day το 1876 χρησιμοποιώντας έναν κρύσταλλο σελήνιου έχουν επιδείξει την επίδραση αυτή. Η αποδοτικότητα σε αυτή την περίπτωση ξεπέρασε μόνο ελαφρώς το 1%. Το 1905 ο Albert Einstein διατύπωσε μια εξήγηση της επίδρασης PV (την υπόθεση φωτονίου). Το 1949 οι Αμερικάνοι Shockley, Bardeen και Brattain ανακάλυψαν την κρυσταλλολυχνία και όρισαν τη φυσική των ενώσεων π και ν σε υλικά από απόλυτα καθαρούς ημιαγωγούς. Η πρώτη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με αποδοτικότητα περίπου 6% αναπτύχθηκε και, αργότερα το 1956 φτιάχτηκε μια άλλη από σιλικόνη με αποδοτικότητα 10%. Η γρήγορη ανάπτυξη της εξερεύνησης του διαστήματος άνοιξε άριστες ευκαιρίες για εφαρμογές φωτοβολταϊκών. Το 1958, 108 φωτοβολταϊκές γεννήτριες στάλθηκαν στο διάστημα δοκιμαστικά για πρώτη φορά. Αργότερα, η μαζική παραγωγή ξεκίνησε σύντομα, μολονότι σε μικρό αριθμό. Το 1970, ξεκίνησε ετήσια παραγωγή φωτοβολταϊκών για διαστημικές εφαρμογές συνολικά 500 m2. Η γήινη χρήση φωτοβολταϊκών γεννητριών άνθισε κατά τη διάρκεια της κρίσης πετρελαίου το 73-74, και αυτό το γεγονός οδήγησε έκτοτε στην παρουσία πολυάριθμων ερευνητικών και αναπτυξιακών έργων. Ο πιο σημαντικός σκοπός εδώ ήταν να μειωθεί το κόστος ΦΒ εγκαταστάσεων. Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες έχουν έκτοτε γίνει ένα κοινό μέρος της καθημερινής ζωής. Το φάσμα των εφαρμογών τους διευρύνεται συνέχεια και κυμαίνεται από εφαρμογές μικρής κλίμακας σε αριθμομηχανές τσέπης και ρολόγια έως μεγάλα ηλεκτροπαραγωγικά έργα με παροχές σε κλίμακες kW και MW.

1.2.ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Το ηλιακό φως είναι ουσιαστικά μικρά πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. Τα φωτόνια περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού φάσματος. Το γαλάζιο χρώμα ή το υπεριώδες π.χ. έχουν περισσότερη ενέργεια από το κόκκινο ή το υπέρυθρο. Όταν λοιπόν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο (που είναι ουσιαστικά ένας

“ημιαγωγός”), άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται από το φωτοβολταϊκό. Αυτά τα τελευταία φωτόνια είναι που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτόνια αυτά αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του φωτοβολταϊκού να μετακινηθούν σε άλλη θέση και ως γνωστό ο ηλεκτρισμός δεν είναι τίποτε άλλο παρά κίνηση ηλεκτρονίων. Σ’ αυτή την απλή αρχή της φυσικής λοιπόν βασίζεται μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρισμού στις μέρες μας.

Κάθε κιλοβατώρα ηλεκτρισμού που προμηθευόμαστε από το δίκτυο της ΔΕΗ και παράγεται από ορυκτά καύσιμα, επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με ένα τουλάχιστον κιλό διοξειδίου του άνθρακα. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι, ως γνωστό, το σημαντικότερο “αέριο του θερμοκηπίου” που συμβάλλει στις επικίνδυνες κλιματικές

αλλαγές. Η στροφή στις καθαρές πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή, αποτελεί τη μόνη διέξοδο για την αποτροπή των κλιματικών αλλαγών που απειλούν σήμερα τον πλανήτη. Επιπλέον, η χρήση της ηλιακής ενέργειας συνεπάγεται λιγότερες εκπομπές άλλων επικίνδυνων ρύπων (όπως τα καρκινογόνα μικροσωματίδια, τα οξείδια του αζώτου, οι ενώσεις του θείου, κ.λπ). Οι ρύποι αυτοί επιφέρουν σοβαρές βλάβες στην υγεία και το περιβάλλον.

1. 3. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Η μελέτη της μεταφοράς ενέργειας μεταξύ δύο υλικών σωμάτων λόγω διαφοράς θερμοκρασίας είναι το αντικείμενο της επιστήμης της Μετάδοση της Θερμότητας. Η Θερμοδυναμική ασχολείται με συστήματα σε ισορροπία. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει το ποσόν της ενέργειας που απαιτείται για τη μεταβολή ενός συστήματος από μία κατάσταση ισορροπίας σε μία άλλη. Δεν μπορεί όμως να υπολογίσει με ποιο ρυθμό θα προχωρήσει η μεταβολή καθώς το σύστημα δεν βρίσκεται σε ισορροπία κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Ο υπολογισμός του ρυθμού συναλλαγής ενέργειας επιχειρείται από τη Μετάδοση της Θερμότητας, η οποία υποστηρίζει τους δύο νόμους της Θερμοδυναμικής με πρόσθετους πειραματικούς κανόνες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του ρυθμού μεταφοράς ενέργειας. Θεωρείστε το παράδειγμα μίας θερμής ράβδου από σίδηρο που βυθίζεται σε μια δεξαμενή με κρύο νερό. Η Θερμοδυναμική μπορεί να προβλέψει τη τελική θερμοκρασία ισορροπίας του συστήματος ράβδος-νερό. Δεν μπορεί να προσδιορίσει ποιος χρόνος θα απαιτηθεί για να επιτευχθεί αυτή η θερμοκρασία, ούτε ποια θα είναι η θερμοκρασία του συστήματος κάποια χρονική στιγμή κατά τη μεταβατική περίοδο. Η μετάδοση της θερμότητας γίνεται με τρεις μηχανισμούς ( βλ. Σχήμα 1.1) :

• με Αγωγή, ( Επαφή )

• με Συναγωγή ( Μεταφορά ) και,

• με Ακτινοβολία.

h eat conduct»

throo^Vt wall warmer

air

HEAT TRANSFER warm a i r

wall radiate*?

heat to 'ejeace

e>on ^radiate»

h eat t o wall

wall heat» a ir cautMoe cofweorioin

V»

cooler

c u r r e n an- i&d id m aso n ry cool air

N a tu ra l h e a t n o w s - C o n v e c tio n C flM B f f lf f lM B d M M B m

Σχήμα 1.1.Εικονική διάταξη μετάδοσης της θερμότητας . 1.4.ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ

Φωτοβολταϊκό φαινόμενο ονομάζεται η άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική τάση. Για ευκολία, συνήθως χρησιμοποιούμε τη σύντμηση Φ/Β για τη λέξη “φωτοβολταϊκό” (photovoltaic - PV).

Φωτοβολταϊκό στοιχείο: Η ηλεκτρονική διάταξη που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν δέχεται ακτινοβολία. Λέγεται ακόμα Φ/Β κύτταρο ή Φ/Β κυψέλη (PV cell) .Εικόνα 1.1.

Εικόνα 1.1.Φωτοβολταϊκα στοιχεία.

Φωτοβολταϊκό πλαίσιο: Ένα σύνολο Φ/Β στοιχείων που είναι ηλεκτρονικά συνδεδεμένα. Αποτελεί τη βασική δομική μονάδα της Φ/Β γεννήτριας (PV module) .Εικόνα 1.2.

Εικόνα 1.2.Φωτοβολταϊκό πλαίσιο

Φωτοβολταϊκό πανέλο: Ένα ή περισσότερα Φ/Β πλαίσια, που έχουν προκατασκευαστεί και συναρμολογηθεί σε ενιαία κατασκευή, έτοιμη για να εγκατασταθεί σε Φ/Β εγκατάσταση (PV panel).

Φωτοβολταϊκή συστοιχία: Μια ομάδα από Φ/Β πλαίσια ή πανέλα με ηλεκτρική αλληλοσύνδεση, τοποθετημένα συνήθως σε κοινή κατασκευή στήριξης (PV array) .Εικόνα 1.3.

Εικόνα 1.3.Φωτοβολταϊκή συστοιχία

Φωτοβολταϊκή γεννήτρια: Το τμήμα μιας Φ/Β εγκατάστασης που περιέχει Φ/Β στοιχεία και παράγει συνεχές

ρεύμα (PV generator).

Αντιστροφέας (inverter): Ηλεκτρονική συσκευή που μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο.

Ρυθμιστής φόρτισης (charge controller): Συσκευή που χρησιμοποιείται σε αυτόνομα συστήματα για να

ρυθμίζει τη φόρτιση των συσσωρευτών.

kW (κιλοβάτ): μονάδα ισχύος [1 kW = 1.000 Watt, 1 MW = 1.000 kW]

kWp (κιλοβάτ πικ-peak): μονάδα ονομαστικής ισχύος του φωτοβολταϊκού (ίδιο με το kW)

kWh (κιλοβατώρα): μονάδα ενέργειας

Όταν τα φωτοβολταϊκά εκτεθούν στην ηλιακή ακτινοβολία, μετατρέπουν ένα 5­

19% της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική (με τη σημερινή τεχνολογία, η οποία πάντως βελτιώνεται). Το πόσο ακριβώς είναι αυτό το ποσοστό εξαρτάται από την τεχνολογία που χρησιμοποιούμε. Υπάρχουν π.χ. τα λεγόμενα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά, τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά, τα φωτοβολταϊκά “λεπτού υμενίου” (thin-film, όπως είναι τα άμορφα [a-Si], τα μικρομορφικά [μ-Si], τα CIS- CIGS, CdTe, κ.λπ). Η επιλογή του είδους των φωτοβολταϊκών είναι συνάρτηση των αναγκών, του διαθέσιμου χώρου ή ακόμα και της οικονομικής ευχέρειας του χρήστη.

Μερικά χαρακτηριστικά μεγέθη φωτοβολταϊκών φαίνονται στον Πίνακα 1.1.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1.

ΤΥΠΟΣ 'Λεπτού υμενίου’

ή ‘Thin Film'

Πολυκρυσταλλικά Μονοκρυσταλλικά

Απόδοση

a-Si: 4,2-6,6%

μ-Si: 8,1-8,5%

CIS-CIGS: 6-11%

CdTe: 6-11,1%

11-14,8% 11-19,3%

Απαιτούμενη επιφάνεια

ανά kWp

9-25 m2 7-9 m2 5,5-9 m2

Μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας (kWh ανά kWp)

1.300-1.450 1.300 1.300

Μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας (kWh ανά m2)

50-160 145-185 145-235

Ετήσια μείωση εκπομπών διοξειδίου του ά νθρ α κ α ^ CO2 ανά kWp)

1.300-1.450 1.300 1.300

Όλα τα φωτοβολταϊκά πάντως μοιράζονται τα παρακάτω πλεονεκτήματα:

• μηδενική ρύπανση

• αθόρυβη λειτουργία

• αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής (που φθάνει τα 30 χρόνια)

• απεξάρτηση από την τροφοδοσία καυσίμων για τις απομακρυσμένες περιοχές

• δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες

• ελάχιστη συντήρηση.

1.5.ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

Η ηλιακή ενέργεια είναι καθαρή, ανεξάντλητη, ήπια και ανανεώσιμη. Η ηλιακή ακτινοβολία δεν ελέγχεται από κανέναν και αποτελεί ένα ανεξάντλητο εγχώριο ενεργειακό πόρο, που παρέχει ανεξαρτησία, προβλεψιμότητα και ασφάλεια στην ενεργειακή τροφοδοσία. Τα φωτοβολταϊκά, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα, θεωρούνται τα ιδανικά συστήματα ενεργειακής μετατροπής καθώς χρησιμοποιούν την πλέον διαθέσιμη πηγή ενέργειας στον πλανήτη και παράγουν ηλεκτρισμό, που αποτελεί την πιο χρήσιμη μορφή ενέργειας. Τα φωτοβολταϊκά παρέχουν τον απόλυτο έλεγχο στον καταναλωτή και άμεση πρόσβαση στα στοιχεία που αφορούν την παραγόμενη και καταναλισκόμενη ενέργεια. Τον καθιστούν έτσι πιο προσεκτικό στον τρόπο που καταναλώνει την ενέργεια και συμβάλλουν μ’ αυτό τον τρόπο στην ορθολογική χρήση και εξοικονόμηση της ενέργειας. Δεδομένου ότι η παραγωγή και κατανάλωση του ηλιακού ηλεκτρισμού γίνονται τοπικά, αποφεύγονται οι σημαντικές απώλειες της μεταφοράς και διανομής του ηλεκτρισμού και κατ’ αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας της τάξης του 10% σε σχέση με τη συμβατική παροχή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του δικτύου. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν αθόρυβη λειτουργία, αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής, δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες, δυνατότητα αποθήκευσης της παραγόμενης ενέργειας (στο δίκτυο ή σε συσσωρευτές) και απαιτούν ελάχιστη συντήρηση. Τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών είναι αδιαμφισβήτητα. Κάθε κιλοβατώρα που παράγεται από φωτοβολταϊκά, και άρα όχι από συμβατικά καύσιμα, συνεπάγεται την αποφυγή έκλυσης ενός περίπου κιλού διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (με βάση το σημερινό ενεργειακό μείγμα στην Ελλάδα και τις μέσες απώλειες του δικτύου). Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό σύστημα του ενός κιλοβάτ, αποτρέπει κάθε χρόνο την έκλυση 1,3 τόνων διοξειδίου του άνθρακα, όσο δηλαδή θα απορροφούσαν δύο στρέμματα δάσους. Επιπλέον, συνεπάγεται λιγότερες εκπομπές άλλων επικίνδυνων ρύπων (όπως τα αιωρούμενα μικροσωματίδια, τα οξείδια του αζώτου, οι ενώσεις του θείου, κ.λπ).

Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα πυροδοτούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου και αλλάζουν το κλίμα της Γης, ενώ η ατμοσφαιρική ρύπανση έχει σοβαρές επιπτώσεις στην υγεία και το περιβάλλον. Ο Πίνακας 1.2. συνοψίζει την ποσότητα των ρύπων (σε γραμμάρια) η έκλυση των οποίων αποφεύγεται για κάθε ηλιακή κιλοβατώρα που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2.

Αποφυγή εκλυόμενων ρύπων (σε gr) ανά ηλιακή κιλοβατώρα

(λαμβάνοντας υπ’ όψη και τις απώλειες του δικτύου)

Υποκατάσταση

Λιγνίτη 1.482 1-1,8 1,17-1,23 1,1

Πετρελαίου (χαμηλού θείου)

830 3,5 1,5 0,34

Φυσικού αερίου 475 0,017 0,6 -

Μέσου ενεργειακού μείγματος χώρας

(2008)

1.017

CO2: διοξείδιο του άνθρακα, SO2: διοξείδιο του θείου NOx: οξείδια του αζώτου, ΡΜ10: μικροσωματίδια 1.6.ΚΟΣΤΟΣ ΦΟΤΩΒΟΛΤΑΪΚΩΝ

Η βαθμιαία αύξηση των μικρών ηλεκτροπαραγωγών μπορεί να καλύψει αποτελεσματικά τη διαρκή αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία σε διαφορετική περίπτωση θα έπρεπε να καλυφθεί με μεγάλες επενδύσεις για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Η παραγωγή ηλεκτρισμού από μικρούς παραγωγούς μπορεί να περιορίσει επίσης την ανάγκη επενδύσεων σε νέες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Το κόστος μιας νέας γραμμής μεταφοράς είναι πολύ υψηλό, αν λάβουμε υπόψη μας πέρα από τον τεχνολογικό εξοπλισμό και θέματα που σχετίζονται με την εξάντληση των φυσικών πόρων και τις αλλαγές στις χρήσεις γης. Οι διάφοροι μικροί παραγωγοί “πράσινης” ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν ιδανική λύση για τη μελλοντική παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στις περιπτώσεις όπου αμφισβητείται η ασφάλεια της παροχής. Η τοπική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν δοκιμάζεται από δαπανηρές ενεργειακές απώλειες που αντιμετωπίζει το ηλεκτρικό δίκτυο (απώλειες, οι οποίες στην Ελλάδα ανέρχονται σε 10,6% κατά μέσο όρο)(Σχήμα 1.2.).

Από την άλλη, η μέγιστη παραγωγή ηλιακού ηλεκτρισμού συμπίπτει χρονικά με τις ημερήσιες αιχμές της ζήτησης (ιδίως τους καλοκαιρινούς μήνες), βοηθώντας έτσι στην εξομάλυνση των αιχμών φορτίου, στην αποφυγή black-out και στη μείωση του συνολικού κόστους της ηλεκτροπαραγωγής, δεδομένου ότι η κάλυψη αυτών των αιχμών είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. Σημειωτέων ότι, κάθε ώρα black-out κοστίζει στην εθνική οικονομία 25-40 εκατ. ευρώ.

Αποκεντρωμένη

εγκαταστάσεις

Παραγωγή Μεταφορά Διανομή Ζήτηση

παραγωγή Υπαρχουσες

n il

Δεν χρειάζονται Δεν χρειάζονται

νέες κεντρικές μονάδες νεα δίκτυα μεταφοράς

Σε ενα αποκεντρωμένο σύστημα, η παραγωγή γίνεται με μικρές μονάδες κοντά στην κατανάλωση και αποφεύγονται έτσι οι μεγάλες κεντρικές μονάδες

και τα ακριβα δίκτυα με τις μεγάλες απώλειες

Σχήμα 1.2.Εικονική παράσταση διανομής ενέργειας.

1.7. ΧΡΗΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ

1.7.1.ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΟΤΩΒΟΛΤΑΙΚΩΝ

Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικά υλικά παρέχοντας τη δυνατότητα για καινοτόμους αρχιτεκτονικούς σχεδιασμούς, καθώς διατίθενται σε ποικιλία χρωμάτων, μεγεθών, σχημάτων και μπορούν να παρέχουν ευελιξία και πλαστικότητα στη φόρμα, ενώ δίνουν και δυνατότητα διαφορικής διαπερατότητας του φωτός ανάλογα με τις ανάγκες του σχεδιασμού.

Αντικαθιστώντας άλλα δομικά υλικά (π.χ. κεραμοσκεπές ή υαλοστάσια σε προσόψεις) συμβάλλουν στη μείωση του συνολικού κόστους μιας κατασκευής (ιδιαίτερα σημαντικό στην περίπτωση των ηλιακών προσόψεων σε εμπορικά κτίρια).

Στην περίπτωση μάλιστα των υαλοστασίων σε προσόψεις εμπορικών κτιρίων, διατίθενται σήμερα διαφανή φωτοβολταϊκά με θερμομονωτικές ιδιότητες αντίστοιχες με αυτές των υαλοστασίων χαμηλής εκπεμψιμότητας (low-e), τα οποία επιτυγχάνουν (πέραν της ηλεκτροπαραγωγής) και εξοικονόμηση ενέργειας 15-30% σε σχέση με ένα κτίριο με συμβατικά απλά υαλοστάσια.(Σχήμα 1.3.)

Υπάρχουν δύο τρόποι να χρησιμοποιήσει κανείς τα φωτοβολταϊκά. Σε συνεργασία με το δίκτυο της ΔΕΗ ή ανεξάρτητα από αυτό:

1. Ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρισμού με φωτοβολταϊκά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με το δίκτυο της ΔΕΗ (διασυνδεδεμένο σύστημα).

Στην περίπτωση αυτή, πουλάει κανείς το ηλιακό ρεύμα στο δίκτυο έναντι μιας ορισμένης από το νόμο τιμής και συνεχίζει να αγοράζει ρεύμα από τη ΔΕΗ όπως και σήμερα για να καλύψει τυχόν ανάγκες του. Έχει δηλαδή ένα διπλό μετρητή για την καταμέτρηση της εισερχόμενης και εξερχόμενης ενέργειας.(Σχήματα 1.4. & 1.5.)

Σχήμα 1.4.Εικονική διάταξη εξερχόμενης ενέργειας από φωτοβολταϊκό προς δίκτυο.

Wm w g/s ςΑ<ϋνχυυ

Φωτοβολταϊκό πλαίσιο

Μετρητής ΔΕΗ

Αντιστροφεας (inverter) |

Διασυνδεδεμενο σύστημα

(ανταλλάσσει ενέργεια με το δίκτυο της ΔΕΗ)

Σχήμα 1.5.Διασυνδεδεμένο σύστημα.

2. Εναλλακτικά, μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση μπορεί να αποτελεί ένα αυτόνομο σύστημα που να καλύπτει το σύνολο των ενεργειακών αναγκών ενός κτιρίου ή μιας επαγγελματικής χρήσης. Για τη συνεχή εξυπηρέτηση του καταναλωτή, η εγκατάσταση θα πρέπει να περιλαμβάνει και μια μονάδα αποθήκευσης (μπαταρίες) και διαχείρισης της ενέργειας.(Σχήμα 1.6.)

Πίνακας ελεγχου

Φωτοβολταϊκο πλαίσιο

Αντιστροφεας (inverter) |

Ρυθμιστής φόρτισης

Μπαταρίες

Αυτονομο σύστημα

Σχήμα 1.6.Αυτονομο σύστημα.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται για παροχή ηλεκτρικής ενέργειας εφεδρείας (δηλαδή ως συστήματα αδιάλειπτης παροχής - UPS).

Στην περίπτωση αυτή, το σύστημα είναι μεν διασυνδεδεμένο με τη ΔΕΗ, αλλά διαθέτει και μπαταρίες (συν όλα τα απαραίτητα ηλεκτρονικά) για να αναλαμβάνει την κάλυψη των αναγκών σε περίπτωση διακοπής του ρεύματος και για όσο διαρκεί αυτή.

Κατά κανόνα τα φωτοβολταϊκά συστήματα που είχαν εγκατασταθεί μέχρι πρόσφατα στην Ελλάδα εξυπηρετούσαν απομονωμένες χρήσεις, σε σημεία όπου δεν υπάρχει δίκτυο της ΔΕΗ, επειδή στις περιπτώσεις αυτές η οικονομική βιωσιμότητα του συστήματος είναι πολύ πιο εμφανής. Σ’ αυτές τις περιπτώσεις, η εναλλακτική λύση μιας ηλεκτρογεννήτριας αποδεικνύεται μακροπρόθεσμα εξαιρετικά ακριβή. Όταν όμως υπάρχουν ισχυρά κίνητρα για την παραγόμενη ηλιακή κιλοβατώρα (όπως ισχύει πλέον από τον Ιούνιο του 2006), τότε συμφέρει στον καταναλωτή να είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο και να πουλά ηλιακό ηλεκτρισμό σ’ αυτό έναντι μιας ορισμένης από το νόμο τιμής. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο είναι εξαιρετικά προβλέψιμη. Αυτό που ενδιαφέρει, είναι πόσες κιλοβατώρες θα μας δώσει το σύστημά μας σε ετήσια βάση. Σε γενικές γραμμές, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα στην Ελλάδα παράγει κατά μέσο όρο ετησίως περί τις 1.150-1.400 κιλοβατώρες ανά εγκατεστημένο κιλοβάτ (KWh/έτος/KW). Προφανώς στις νότιες και πιο ηλιόλουστες περιοχές της χώρας ένα φωτοβολταϊκό παράγει περισσότερο ηλιακό ηλεκτρισμό απ’

ότι στις βόρειες.(Σχήμα 1.7.).

[k W h /k W p ]

P V G I S (C) E u r o p e a n C o m m u n it ie s 2 0 0 1 - 2 0 0 7 http://re. j rc. e c. e u r o p a . e u/pvg i sf

Ε τ ή σ ια π α ρ α γ ω γ ή ε ν ε ρ γ ε ια ς ( κ ιλ ο β α τ ώ ρ ε ς α ν α κ ιλ ο β α τ ) α π ο φ ω τ ο β ο λ τ α ικ α κ ρ υ σ τ α λ λ ικ ο ύ π υ ρ ιτ ίο υ σ τη β έ λ τ ισ τ η κ λ ίσ η

Σχήμα 1.7.Χάρτης ετήσιας παραγωγής ενέργειας.

1.7.2.ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ.

Εικόνα 1.4.Εφαρμογή φωτοβολταϊκών σε ταράτσα

Εικόνα 1.5.Ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών σε δημόσιο κτίριο

Εικόνα 1.6.Ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών στο σταθμό του μετρό στο αεροδρόμιο Ελευθέριος Βενιζέλος

Εικόνα 1.7.Εφαρμογή φωτοβολταϊκών στη στέγη της Γερμανικής Σχολής στο Μαρούσι

Εικόνα 1.8.Ενσωμάτωση άμορφων φωτοβολταϊκών στο Τεχνολογικό Μουσείο Θεσσαλονίκης

Εικόνα 1.9.Ηλιακός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής στην Κρήτη

Εικόνα 1.10.Εφαρμογή φωτοβολταϊκών σε ρόλο ηχοφράγματος σε αυτοκινητοδρόμους

Εικόνα 1.11.Εφαρμογή φωτοβολταϊκών σε χώρο στάθμευσης στο Μαρούσι

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

2.1.ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Η αιολική ενέργεια έχει χρησιμοποιηθεί από την αρχαιότητα για άντληση νερού, άλεσμα και άλλες εφαρμογές (η λέξη «μύλος» προέρχεται από το λατινικό molina που σημαίνει σιτάρι)(Σχήμα 2.1).Σήμερα υπάρχουν χιλιάδες ανεμόμυλοι που χρησιμοποιούνται κυρίως για άντληση νερού από μικρά σχετικώς βάθη. Η χρήση του ανέμου λέγεται ότι έλκει την καταγωγή από τους πολιτισμούς της Κίνας, του Θιβέτ, της Ινδίας, του Αφγανιστάν και της Περσίας. Η πρώτη γραπτή πληροφορία για την χρήση των ανεμόμυλων είναι εκείνη του Ήρωνα της Αλεξάνδρειας που περίγραψε τον τρίτο ή δεύτερο αιώνα π.Χ. έναν απλό ανεμόμυλο οριζοντίου άξονα. Οι Πέρσες επίσης είχαν από τον έβδομο αιώνα π.Χ. ανακαλύψει έναν ανεμόμυλο κατακόρυφου άξονα.

Σχήμα 2.1. Διάταξη ανεμόμυλου και πτερωτής.

Από την Ασία η χρήση της αιολικής ενέργειας μεταδόθηκε στην Ευρώπη και από τον 11ον και 12ον αιώνα ανεμόμυλοι ήσαν εγκατεστημένοι στην Αγγλία .Με την ανακάλυψη της ατμομηχανής τον 18ον αιώνα η ζήτηση για ενέργεια μετατοπίστηκε σε τεχνικές και μηχανές που στηρίζονται σε θερμοδυναμικές διαδικασίες. Ιδιαίτερα με την εισαγωγή των καυσίμων από απολιθώματα (άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) τα πλεονεκτήματα αυτών των μηχανών έγιναν προφανή. Πρώτον, οι ατμομηχανές, οι ατμοστρόβιλοι και οι αεριοστρόβιλοι, καθώς και οι μηχανές εσωτερικής καύσης πετρελαίου και φυσικού αερίου, είναι περισσότερο συμπαγείς, και μπορούν να παράγουν ενέργεια σε μεγαλύτερη κλίμακα από αυτήν που απαιτείται για άντληση και άλεσμα. Δεύτερον, μπορούν να εγκατασταθούν οπουδήποτε, ακόμα και εκεί που δεν υπάρχει άνεμος ή ποτάμι. Τέλος, είναι περισσότερο αξιόπιστες από τις ανεμογεννήτριες. Η σημασία συνεπώς της αιολικής ενέργειας μειώθηκε σταδιακά κατά τον 19ον αιώνα και περιορίστηκε ακόμα περισσότερο στον 20ον αιώνα με την ηλεκτροδότηση του αναπτυγμένου κόσμου, καθώς τα συμβατικά καύσιμα έδειξαν ότι είναι περισσότερο αποδοτικά για την παραγωγή ηλεκτρισμού σε μεγάλη κλίμακα.

Όμως η έρευνα και η ανάπτυξη των ανεμογεννητριών συνεχίστηκε παρά τις αντιξοότητες, και μάλιστα κατά την δεκαετία του 1920 και 1930 ο Γάλλος F.M.Darrieus και o Φιλανδός S.J.Savonius σχεδίασαν και κατασκεύασαν νέα μοντέλα

ανεμογεννητριών. Την δεκαετία του 1980 εγκαταστάθηκαν στην Καλιφόρνια ανεμογεννήτριες του τύπου Darrieus Καναδικής κατασκευής, οι οποίες είναι σήμερα ένα σημαντικό ποσοστό των αιολικών πάρκων. Ταυτόχρονα συνεχίστηκε η θεωρητική έρευνα (αεροδυναμική) και η πειραματική έρευνα με την χρήση της αεροδυναμικής σήραγγας (wind tunnel) με αποτέλεσμα η εξέλιξη να μην σταματήσει και, όταν αναζωογονήθηκε το ενδιαφέρον μετά το 1970 υπήρχαν οι βάσεις για περαιτέρω ανάπτυξη. Ταυτόχρονα εμφανίστηκαν καινούργια υλικά, όπως το fiberglass για τα πτερύγια, και η ηλεκτρονική για τον έλεγχο της ανεμογεννήτριας.

2.2. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Η αιολική ενέργεια είναι σήμερα ανταγωνιστική σε ορισμένα μέρη που έχουν ευνοϊκό επίπεδο ανέμων, και αναμένεται να είναι πλήρως ανταγωνιστική με τα συμβατικά καύσιμα και την πυρηνική ενέργεια τα επόμενα 5 με 10 χρόνια.

Η αιολική ενέργεια είναι καθαρή και ασφαλής: οι ανεμογεννήτριες δεν εκπέμπουν αέρια θερμοκηπίου, όπως η συμβατική ηλεκτροπαραγωγή, οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι σχετικά μικρές, και δεν έχουν τα προβλήματα που έχει η πυρηνική ενέργεια με την αποσυναρμολόγηση και τελική διάθεση των παλιών σταθμών. Η ενέργεια που έχει επενδυθεί για την παραγωγή μιας τυπικής ανεμογεννήτριας έχει χρόνο αποπληρωμής (ενεργειακό ισοζύγιο) κάτω του μισού χρόνου λειτουργίας. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της αιολικής ενέργειας έχουν γίνει αντικείμενο ενδελεχούς σχεδιασμού, ιδιαίτερα ο παραγόμενος θόρυβος και η εναρμόνιση με το τοπίο. Η αιολική ενέργεια είναι μια τοπική πηγή ενέργειας και βελτιώνει την αυτάρκεια και αυτονομία κάθε περιοχής, ενώ η εγκατάσταση μιας ανεμογεννήτριας δεν απαιτεί μεγάλα χρονικά διαστήματα καθώς παίρνει λιγότερο από έναν χρόνο για να ολοκληρωθεί. Η αιολική ενέργεια από μόνη της δεν μπορεί να ικανοποιήσει την ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια, ενώ λόγω της στοχαστικής φύσης του ανέμου δεν είναι σε θέση να καλύψει το βασικό φορτίου ζήτησης για ηλεκτρισμό.

Αποτελεί όμως μια αξιόπιστη συμπληρωματική, εναλλακτική λύση σε ένα διευρυμένο σενάριο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας.

2.3. Η ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ 2.3.1. ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΝΕΜΟΥ

Η αιολική ενέργεια είναι μια έμμεση μορφή ηλιακής ενέργειας. Ένα ποσοστό της τάξεως του 1-2% της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στην επιφάνεια της Γης μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του ανέμου. Ο άνεμος οφείλεται στην ανισομερή θέρμανση περιοχών της Γης - οι τροπικοί δέχονται σημαντικά μεγαλύτερες ποσότητες ηλιακής ενέργειας ανά τετραγωνικό μέτρο - η οποία προκαλεί την κυκλοφορία ψυχρών, πυκνότερων αέριων μαζών που μετακινούνται για να καταλάβουν την θέση θερμότερων, αραιότερων αερίων μαζών. Η ηλιακή ακτινοβολία διέρχεται μέσα από την ατμόσφαιρα με μικρή σχετικά απορρόφηση, προσπίπτει και απορροφάται από την επιφάνεια του εδάφους, την θερμαίνει ενώ στην συνέχεια ο υπερκείμενος αέρας θερμαίνεται με συναγωγικά ρεύματα. Στα επόμενα αναπτύσσονται οι έννοιες της ατμοσφαιρικής πίεσης, των αερίων μαζών, πού οφείλεται η κίνηση τους και πώς μεταβάλλεται. Εξηγείται ο σχηματισμός ψυχρών και θερμών μετώπων και ο σχηματισμός της αύρας κοντά σε παραθαλάσσιες περιοχές(Σχήμα 2.2).

Σχήμα 2.2. Σχηματισμός θαλάσσιας αύρας κατά τη διάρκεια της ημέρας και της νύχτας.

2.3.2. ΑΕΡΙΕΣ ΜΑΖΕΣ

Αέριες μάζες είναι μεγάλα σώματα αέρα με παρόμοιες καταστάσεις θερμοκρασίας και υγρασίας σε όλη την έκταση τους. Σχηματίζονται συνήθως σε μεγάλες επίπεδες επιφάνειες όπου ο αέρας μπορεί να παραμείνει στάσιμος για αρκετό διάστημα και να λάβει τα χαρακτηριστικά της περιοχής. Υγρές αέριες μάζες σχηματίζονται συνήθως στις θάλασσες, ενώ στους πόλους δημιουργούνται κρύες, ηπειρωτικές, πολικές αέριες μάζες. Όταν μία αέρια μάζα μετακινείται από την αρχική περιοχή σχηματισμού της, τότε αλλάζει η κατάσταση θερμοκρασίας και υγρασίας της καθώς συναντά διαφορετικές συνθήκες επιφανείας.

2.3.3. ΜΕΤΩΠΑ

Ένα μέτωπο ορίζεται ως η μεταβατική ζώνη ανάμεσα σε δύο αέριες μάζες με διαφορετική πυκνότητα. Εκτείνονται τόσο οριζόντια όσο και κατακόρυφα. Υπάρχουν στάσιμα μέτωπα, κρύα μέτωπα και θερμά μέτωπα.(Σχήμα 2.3.)

Σχήμα 2.3. Δημιουργία μετώπου.

2.3.4. ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ

Η ατμοσφαιρική πίεση ορίζεται ως η δύναμη ανά μονάδα επιφανείας που εξασκείται πάνω σε μία επιφάνεια λόγω του βάρους του αέρα που βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια αυτή. Η πίεση στο σημείο Χ του σχήματος αυξάνει όταν αυξάνει το βάρος του αέρα και μειώνεται όταν μειώνεται αντίστοιχα του βάρος του υπερκείμενου αέρα. Οι μονάδες πίεσης είναι: χιλιοστά υδραργύρου(mmHg), Πασκάλ (Pa), ατμόσφαιρες(α1^, bar κ.α.. Οι σχέσεις τους μεταξύ τους είναι:

1 atm=760mmHg= 1.013bar =1.013*10Λ5 Pa

Η μέση ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας είναι 1.013 bar. (Σχήμα 2.4.)

2.3.5. ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΠΙΕΣΗΣ

Η διαφορά πίεσης ανάμεσα σε δύο περιοχές έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας δύναμης με κατεύθυνση από την περιοχή υψηλής πίεσης προς την περιοχή χαμηλής πίεσης. Αυτή η δύναμη είναι ο κινητήριος μοχλός για την κίνηση των αερίων μαζών από μια περιοχή σε μια άλλη με αποτέλεσμα την δημιουργία του ανέμου.(Σχήμα 2.5.)

High Net Low Pressure Force Pressure

1004 mb 1000 mb

Σχήμα 2.5. Δημιουργία ανέμου από διαφορά πίεσης.

2.4. ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 2.4.1. ΤΥΠΟΙ Α/Γ-ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Η τεχνολογία μπορεί να ομαδοποιηθεί σε τρεις εφαρμογές :

• Ανεμογεννήτριες συνδεδεμένες σε μεγάλα δίκτυα,

• Υβριδικά ενεργειακά συστήματα που συνδυάζουν ανεμογεννήτριες με άλλες ενεργειακές πηγές, όπως φωτοβολταϊκά, υδροηλεκτρικά και πετρελαιογεννήτριες και/ή αποθήκευση που χρησιμοποιούνται σε μικρά απομονωμένα δίκτυα ή για ειδικές εφαρμογές όπως άντληση νερού, φόρτιση μπαταριών, αφαλάτωση,

• Μικρά αυτόνομα συστήματα ανεμογεννητριών για άντληση νερού, φόρτιση μπαταριών, θέρμανση, κλπ. Το μέγεθος των εμπορικά διαθέσιμων ανεμογεννητριών