Γ .Ε ^ Ι . Κ / ^
■ ■ ' ■ • Λ Α Η Λ Ι - Τ ί · ΐ ) , - , , ι 0<ρ - Οέ· - ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΠΤΥΧΙΑΚ Η ΕΡΓΑΣΙΑ
ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ ΣΥΑΑΟΓΗΣ ΗΑΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
SPS 2000
ΕΙΣΗΓΗΤΡΙΑ; ΚΟΠΑ ΦΩΤΕΙΝΗ
ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: AΙΤΣΙΚΑΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ
ΙΙΡΟΛΟΓΟΣ
Η κεντρική ιδέα βάσει τιις οποίας θα γίνει η όλη ανάπτυξιι και επιστιιμονικιί βιβλιογραφική έρευνα για ηιν ολοκλήρωσιι της Πτυχιακής Εργασίας στηρίζεται στο φιλόδοξο σχέδιο δημιουργίας ενός
«διαστιιμικού σταθμού συλλογής ηλιακι'ις ενέργειας ονομαζόμενου SPS 2000» .
Η απειλή της έλλειψης ενεργειακών πηγών ειδικά για την ηλεκτρική ενέργεια λόγω επικείμενης εξάντλησης των ενεργειακών πόρων, έστω κι αν αυτή τοποθετείται σε μακρινούς χρονικούς ορίζοντες οδήγησε μηχανικούς και επιστήμονες να επανεξετάσουν την αρχική'] ιδέα του Tesla, της μετάδοσης της ηλεκτρικής ενέργειας σε μια απόμακρη θέση μέσω τιις υιμηλής τεχνολογίας των μικροκυμάτων, αφού πλέον διατίθεται η συγκεκριμένη τεχνολογία .
Αυτές οι προσπάθειες οδήγησαν στην ιδέα του δορυφόρου ηλιακΊ'ις ενέργειας (SPS) που είναι ένας γιγάντιος σταθμός ηλιακι'ις παραγωγής τ|λεκτρικού ρεύματος ο οποίος αποτελείται από έναν γεωστατικό δορυφόρο που τίθεται σε τροχιά σε ύψος 36.Θ00 km καθώς και από ηλιακά πλαίσια (Si ή GaAlAs). Ο δορυφόρος θα παράγει ενέργεια 5 ως 10 MW , και θα μεταδίδει τη συλλεχθείσα ενέργεια στί] Γη μέσω τιις τεχνολογίας των μικροκυμάτων .
Η μελέτη του θέματος κρίθηκε σκόπιμο να χωριστεί σε τέσσερα τμήματα, ανεξάρτητα μεταξύ τους αλλά συγχρόνως και αλληλένδετα , υπό την έννοια ότι όλα μαζί συγκροτούν τη μελέτη ττις εκμετάλλευστ|ς τιις ηλιακι'ις ενέργειας .
Τα άρθρα και συγγράμματα που συμβουλεύτηκα και τΐ]ν συγγραφή του παρόντος αναφέρονται στο τέλος της εργασίας στη βιβλιογραφία .
Τέλος οφείλω να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στην καθηγήτριά μου κ. Φωτεινή Κόγια η οποία με υποδείξεις και σχόλια ή
εμπράκτως συνέβαλε στην καλύτερη διαμόρφωσιτ της παρούσας πτυχιακής εργασίας . Επίσης δε μπορώ να παραλείνμω την αδερφή μου Ευαγγελία Λίτσικα και το φίλο μου Σωκράτη Δαββόπουλο που με την πολύτιμη γνώσΐ] τους με βοήθησαν στην προσαρμογή του απόλυτα εξειδικευμένου Αγγλικού Επιστημονικού Κειμένου σε αντίστοιχο Ελληνόγλωσσο Κείμενο .
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1° «ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ-ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ»
1.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ
1.2 ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΧΡΗΣΗ ΚΑΙ ΠΗΓΕΣ 1.3 ΠΡΟΒΑΑ,λΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΧΡΗΣΗ 1.4 ΠΙΘΑΝΕΣ ΕΠΙΓΕΙΕΣ ΑΥΣΕΙΣ 1.5 ΕΚΜΕΤΑΑΑΕΛ^ΣΗ ΗΑΓΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙ.ΛΣ α) Ήλιος και κατανομή
β) Ηλιακή ενέργεια-Η κατάσταση στην Ελλάδα
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2° «ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΥ Υ\ΟΓΗΣ ΗΑΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ»
2.1 ΚΕΝΤΡΙΚΟΙ ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 2.2 ΔΥΟ ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ ΗΑΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΩΜΕΝΟΙ
ΣΤΗΝ ΑΑΜΕΡΙΑ (ΝΟΤΙΑ ΙΣΠΑΝΙΑ)
2.3 ΗΑ1ΑΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ ΗΑΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 1MW EURELIUS ΤΗΣ Ε.Ο.Κ ΣΤΗ ΣΙΚΕΛΙΑ
2.4 ΥΠΑΡΧΟΝ Φ/Β ΣΤΑΘΜΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΑΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΙΤΑΑΙΑ 3,3 MW
2.5 α) ΣΧΕΔΙΑ ΤΗΣ GREENPEACE ΓΙΑ ΜΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΚΡΗΤΗ β) Ο ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟΣ Η ΛΙΑΚΟΣ ΦΩΤΟΒΟΑΤΑΪΚΟΣ
ΣΤΑΘΜΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΕΦΑ.ΛΑΙΟ 3“ «SPS 2000»
3.1 Ένα εξελικτικό δορυφορικό σύστημα ενέργειας για διεθνοί επίδειξη σε ανατττυσσομενα κράτου
3.1.1 Εισαγωγή
3.1.2 Ομάδα εργασίας ISAS SPS
3.1.3 Εννοιολογική μελέτη ενός δορυφόρου ηλιακής ενέργειας SPS 2000 3.1.4 Βασικές απαιτήσεις
3.2 ΣΥΣΤΗΜΑ SPS 2000 3.2.1 Γενική διάταξη 3.2.2 Σχέδιο κατασκευής 3.2.3 Σταθερές τροχιές και αποστολή 3.2.4 Δυναμική και σταθερότητα 3.2.5 Συναρμολόγηση
3.2.6 Παραγωγή ενέργειας και γραμμή ενέργειας 3.2.7 Σύστημα μετάδοσης ενέργειας 3.3 ΔΕΚΤΗΣ ΚΑΙ ΠΑΡΟΧΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ 3.3.1 Συλλογισμοί λετΓΓομεριακού σχεδιασμού του δέκτη 3.3.2 Εδαφικός σταθμός δορυφορικού διαβήματος 3.3.3 Πειράματα για τη χρήση εδαφικού τμήματος 3.3.4 Επιπλοκές για τον σχεδίασμά του εδαφικού τμήματος
3.4 TO ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΟ ΤΜΗΜΑ ΠΡΟΣ ΑΝΑΒΑΘΜΗΣΗ 3.5 ΕΠΙΧΕΙΡΙΣΙΑΚΗ ΑΝΑΑΥΣΗ ΤΟΥ SPS 3.6 ΘΕΩΡΗΣΕΙΣ
3.7 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΤΟΙΜΟΤΗΤΑ 3.8 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
93 97 100 103 106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4° «ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ ΗΑΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ-ΚΑΘΑΡΗ
ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ»
4.1 ΕΝΕΡΓΕΙΑ, ΔΟΡΥΦΟΡΟΙ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 108 4.2 ΕΝΕΡΓΕΓΔΚΟΣ ΑΝΕΦΟΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ (ΜΕΡΟΣ 1) 109 4.2.1 Γιατί το SPS θα είναι πιο οικονομικό απο τις συμβατικές πήγες
ενέργειας 110
4.2.2 Περιβάλλον 111
4.2.3 Πολιτική χαμήλου κόστους 113
4.2.4 Οι ακτίνες του SPS 114
4.3 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΑΝΕΦΟΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ (ΜΕΡΟΣ 2) 117
4.3.1 Διεθνοί χαρακτηριστικά 119
4.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 120
ΕΠΓΔΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΕΥΘΥΝΣΕΙΣ INTERNET
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Κάθε πρόγραμμα που η εκτέλεοτή του φαίνεται απίθανη ή αδύνατη, χαρακτηρίζεται αρχικά φανταστικό, ώσπου να περιληφθεί μετά ττιν πραγματοποίησι'ι του, στα πολλά αυτονόητα γεγονότα καθημερινιίς ζωής.
Αν οι πρόγονοί μας του 1600 και 1700 ξαναγύριζαν σε μας θα εύρισκαν ασφαλώς πολλά φανταστικά στον αιώνα μας, όπως τους κινητήρες, το ηλεκτρικό φως, το ραδιόφωνο, τιιν πιλεόραστ], τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές , κ.α.
Όλα αυτά έχουν δημιουργηθεί με το ανθρώπινο μυαλό και επικρατεί σχεδόν η αντίληιμη ότι η φύση μπορεί να δαμαστεί. Σ-πιν εξέλιξη αυτή συντέλεσαν οι διάφορες τεχνικές μετατροπής της ενέργειας.
Γνωρίζουμε τις φυσικές ενεργειακές πηγές, που κρύβονται στα σπλάχνα τιις Γης, αλλά ελάχιστοι γνωρίζουν ότι ο Ήλιος είναι βασικά τ|
πρωταρχική πηγή ενέργειας.Μέσα σε εκατό μόνο χρόνια καταναλώθηκε μεγάλο μέρος των γνωστών αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων (άνθρακα, πετρελαίου, φυσικών αερίων), τα οποία σχηματίσηικαν σε εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια από φυτικές ύλες που απανθρακώθηκαν με τους γεωλογικούς μετασχηματισμούς .
Ο βαθμός επάρκειας των αποθεμάτων σε άνθρακα , πετρέλαιο και φυσικό αέριο διαφέρει από χώρα σε χώρα. Η χρονική διάρκεια ττις επάρκειας μπορεί γενικά να θεωρηθεί γνωστή. Και αν ακόμα οι περισσότερες χώρες στραφούν στην ατομικι) ενέργεια, που συνοδεύεται από πλήθος προβλημάτων, και αυτό δε θα αποτελέσει λύση γιατί τα ορυκτά ουρανίου κάποτε θα εξαντληθούν .
Από μελέτες που έγιναν προκύπτει ότι η ανθρωπότιιτα βρίσκεται στο όριο της δυνατότητας ύπαρξής της στη Γη. Προσφέρονται ακόμα ευκαιρίες, με κοινή δραστηριότητα όλων των εθνών, να δημιουργηθεί μια κοινωνία με διεθνή ισορροπία, με υπόστασι^ για ολόκληρες γενιές. Αν
όμως δε θέλουμε να ζούμε τελείως απερίσκεπτα πρέπει να αλλάξουμε πορεία όσο γίνεται νωρίτερα. Όσο περισσότερο αναβάλλουμε τΐ] λήΐ(/η των αναγκαίων μέτρων τόσο χειρότερες θα είναι οι καταστροφές που θα υποστούν η ανθρωπότητα και γενικά ο πλανήτης. Με λίγα λόγια οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι αποτελεί επιτακτική'] ανάγκη σύμφωνα με τΐ]ν ενεργειακή κρίση η προώθηση, ανάπτυξη και εφαρμογή ενεργειακών συστημάτων και νέων τεχνολογιών που στηρίζονται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, μία εκ των οποίων είναι και η ΐ]λιακΐ]
ενέργεια που μας έρχεται με σταθερό ρυθμό δωρεάν και αιώνια . Στα συμπεράσματα που προαναφέρθηκαν, λοιπόν, στηρίχθηκε η κεντρική ιδέα των Ιαπώνων, οι οποίοι παρά το γεγονός ότι οι προσπάθειες τους να κατακτήσουν το Διάστημα έχουν γνωρίσει μόνο λίγες επιτυχίες, ο υπουργός Οικονομίας, Εμπορίου και Βιομηχανίες Οσάμου Τακενούτσι, ανακοίνωσε φιλόδοξα σχέδια για τΐ]ν δημιουργία έως το 2040 ενός διαστημικού σταθμού που θα συγκεντρώνει την ηλιακή ενέργεια .
Ο Τακενούτσι δήλωσε ότι η χώρα του θα αρχίσει μελέτες για τη δημιουργία ενός δορυφόρου που θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια από τον Απρίλιο του 2001 . Κίνητρο για την δημιουργία του Σταθμού είναι το γεγονός ότι από το διάστΐ]μα η αξιοποίησί] τΐ]ς ηλιακι'ις ενέργειας {.ιπορεί να γίνει πολύ πιο αποτελεσματικά. Στη Γη τα σύννεφα απορροφούν μεγάλο μέρος της ενέργειας που προέρχεται από τον Ήλιο, ενώ στο διάστημα η συλλογή της μπορεί να γίνεται όλο το 24ωρο .
Οι Ιάπωνες σκοπεύουν να θέσουν σε τροχιά έναν γεωστατικό δορυφόρο σε ύψος τριάντα έξι χιλιομέτρων, ο οποίος θα μπορεί να παράγει ένα εκατομμύριο κιλοβατώρες που αντιστοιχούν στΐ]ν παραγωγή ενέργειας ενός πυρηνικού εργοστασίου .
Ο δορυφόρος θα είναι εξοπλισμένος με δύο γιγάντιους συλλέκτες , μιήκους τριών χιλιομέτρων ο καθένας, ανάμεσα στους οποίους θα
τοποθετηθεί μια τεράστια κεραία , διαμέτρου ενός χιλιομέτρου, που θα μεταδίδει τΐ] συλλεχθείσα ενέργεια στη Γη με τη μορφή μικροκυμάτων.
Στο έδαφος θα υπάρχει μια δεύτερη κεραία με διάμετρο αρκετών χιλιομέτρων, η οποία πιθανότατα να βρίσκεται σε έρημο ή στί] επιφάνεια τνις θάλασσας. Από εκεί η ενέργεια θα μεταφέρεται ως ηλεκτρικό ρεύμα με καλώδια προς κατανάλωση .
Ο δορυφόρος αναμένεται να ζυγίζει είκοσι χιλιάδες τόννους και το κόστος του θα φτάσει τα δεκαεφτά δις δολλάρια . Αξίζει να σιμιειωθεί ότι και η NASA έχει εκπονήσει ανάλογα σχέδια, αλλά δεν προχώρησε στην υλοποίησή τους .
Επιστιί μονές θεωρούν ότι το σχέδιο έχει και οικολογικπί αξία αφού η παραγωγή ενέργειας από το διάστημα θα μπορούσε να βοηθήσει στον περιορισμό της θέρμανσης του πλανήτη, αφού δεν προκαλεί εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, ενώ εκλείπουν κάθε είδους προβλήματα ασφάλειας που σχετίζονται με την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας .
Με βάση τα παραπάνω το παρόν σύγγραμμα αποτελείται από 4 κεφάλαια .
Στο πρώτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα προβλήματα που συνδέονται με τις παρούσες τεχνικές παροχής ενέργειας και προδιαγράφονται οι πιθανές στρατιιγικές για την αντιμετώπκηι του ενεργειακού προβλήματος. Στη συνέχεια γίνεται μια συνοπτική ανάλυση ττις στιμασίας της εκμετάλλευσης τν|ς ηλιακιίς ενέργειας και ττις δυνατότητας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ττ| χρήση φωτοβολταϊκών συσττιμάτων στη χώρα μας .
Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία συνοπτική αναφορά σε διάφορους Σταθμούς συλλογής ηλιακής ενέργειας .
Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με τη λεπτομερή τεχνική ανάλυστ) και παρουσίαση του Διαστιιμικού Σταθμού Συλλογής Ηλιακιίς Ενέργειας
SPS 2000. Συγκεκριμένα αναλύεται η κατασκευή, εγκατάσταστι, λειτουργία και προϋπολογισμός - κόστος του ανωτέρου Σταθμού .
Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια εκτίμηση του οφέλους που προκύπτει για ττιν ανθρωπότητα από την εγκατάσταστ) και λειτουργία του ως άνω Σταθμού.
Κ ΕΦ ΑΛΑΙΟ 1“
ΕΝΕΡΓΕΙΑ : Π ΡΟ ΒΛ Η Μ Α ΤΑ - ΣΤΡΑ ΤΗ ΓΙΚ ΕΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1“ ΕΝΕΡΓΈΙΑ ; ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ
ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ
Μόλις τελευταία η ανθρωπότητα άρχισε να αντιλαμβάνεται τους κινδύνους για τη μεγάλη καταστροφή που θα αντιμετωπίσουν οι σημερινές και μελλοντικές γενιές από την ελευθέρωση στην ατμόσφαιρα των μεγάλων ποσοτήτων αερίων που προήλθαν από τις καύσεις πετρελαίου και άνθρακα μέσα στα τελευταία 200 χρόνια .
Το πρόβλημα είναι ότι παρούσες πρακτικές για την παροχή ενέργειας στην Γη δεν είναι βιώσιμες μακροπρόθεσμα. Ο μεγάλος όγκος της ενέργειας μας προέρχεται από τα απολιθωμένα καύσιμα των οποίων υπάρχει ένας πεπερασμένος ανεφοδιασμός. Τα αποθέματα των ορυκτών καυσίμων του πλανήτη μας (άνθρακας, πετρέλαιο) δεν είναι ανανεώσιμα και σε προβλέψιμο χρονικό διάστημα θα εξαντληθούν. Ακόμη η κατανάλωση ορυκτών καυσίμων προκάλεσε, και συνεχίζει να προκαλεί ,σημαντικές ετηπτώσεις στο περιβάλλον, όπως το φαινόμενο του θερμοκηττίου και της όξινης βροχής, που αποτελούν μεγάλες απειλές για την ανθρωπότητα και την πλανητική ευημερία .
Εν τούτοις είναι γνωστό ότι η παγκόσμια ζήτηση ενέργειας αυξάνεται διαρκώς. Στην επόμενη δεκαπενταετία σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας, θα αυξηθούν οι ανάγκες του πλανήτη κατά 35-45% . Δεδομένου ότι οι μεγαλύτερες προμήθειες από τις παρούσες πηγές μας παρέχονται μόνο με αυξανόμενο κόστος και
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
συχνότερα με ακόμη μεγαλύτερη περιβαλλοντολογική επίδραση, πρέπει να ετηδιώξουμε νέες ττηγές που θα είναι βιώσιμες οικονομικά και δεν θα επιδεινώνουν την περιβαλλοντολογική ζημιά .
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ® ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 8
1.2 ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΧΡΗΣΗ ΚΑΙ ΠΗΓΕΣ
Η χρήση της ενέργειας* παγκοσμίως έχει αυξηθεί γρήγορα ειδικά κατά τη διάρκεια των τελευταίων εκατό ετών και τρέχει αυτήν την περίοδο περίπου στα δώδεκα έτη Terrawatt ετησίως** (Σχήμα 1.1) . Η κατά κεφαλήν χρήση ποικίλει από πάνω από τα έξι έτη κιλοβάτ ετησίως ,στις ιδιαίτερα βιομηχανικώς αναπτυγμένες χώρες και λιγότερο από το ένα έτος κιλοβάτ ετησίως σε πολλές αναπτυσσόμενες χώρες .
* Η ενέργεια που κυκλοφορεί στο εμπόριο, στα εμπορικά κανάλια, αποκαλούμενη εμπορική ή βιομηχανική ενέργεια. Η συνολική ανθρώπινη ενεργειακή χρήση περιλαμβάνει πρόσθετες ττηγές όπως τα ξύλα και ζωικά απόβλητα.
** Έτη Terrawatt ετησίως (που βραχύνεται ως TW) όπου ένα terrawatt είναι 1012Watt θα είναι το μέτρο που χρησιμοποιείται για την παγκόσμια κατανάλωση . Η κατά κεφαλήν δίδεται σαν έτη kilowatt ετησίως (kW ).
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1“ ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΑΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
Σχ 1.1 Πρόσφατη ιστορία χρήσης της παγκόσμιας ενέργειας
Οι περισσότερες από τις παρακάτω ενεργειακές πηγές προέρχονται σήμερα, γύρω στο 88% ,από την καύση απολιθωμένων καυσίμων . (Σχήμα1.2)
Φ υστκό
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΑΕΚΤΡΟΑΟΠΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1” ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
1.3 ΠΡΟΒΑΛΛΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΧΡΗΣΗ
Η ενεργειακή χρήση είναι το προϊόν δύο παραγόντων : 1) Πληθυσμός οποίος αυξάνεται σταθερά και
2) Κατά κεφαλήν κατανάλωση, η οποία οδηγείται κατά ένα μεγάλο μέρος από την οικονομική δραστηριότητα .
Οι μελέτες πληθυσμού δείχνουν ότι θα υπάρχουν 10 δισεκατομμύρια από μας μέχρι το έτος 2050, ενώ σήμερα αριθμούμε περίπου 5,4 δισεκατομμύρια. Αυτή η προσδοκία βεβαιώνεται απο τη γρήγορη σταθεροποίηση του ποσοστού αύξησης και μπορεί να είναι κάπως αισιόδοξη, δηλαδή πάρα πολύ χαμηλή . Άλλες ττηγές δείχνουν ότι ο πληθυσμός θα είναι 10 δισεκατομμύρια μέχρι το 2030 . Κατά συνέπεια, με βάση πληθυσμών, μόνο ,χωρίς να ληφθούν μέτρα για την οικονομική ανάπτυξη, η κατανάλωση ενέργειας θα μπορούσε να διπλασιαστεί σχεδόν από τα μέσα του επόμενου αιώνα. Τα προβαλλόμενα ποσοστά κατανάλωσης ποικίλουν ευρέως ανάλογα με τις υποθέσεις που γίνονται και την περιοχή ή τη χώρα που εξετάζεται. Οι χαρακτηριστικές προβολές εμφανίζονται στον Πίνακα 1 και αυτές οι προβολές χρησιμοποιούνται για να απεικονίσουν γραφικά ένα φάκελο των τηθανών ενεργειακών χρήσεων μελλοντικά (Σχήμα 1.3).
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ, ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1° ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΑΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
Προβολές του παγκόσμιου πληθυσμού και της ενεργειακής χρήσης
Έτος Πληθυσμός
(δισεκατομ.)
Κατά κεφαλήν ενέργεια (kW)
Συνολική ενέργεια (TW)
2020 Χαμηλό 6.95 Μεσαίο 7.40 Υψηλό 7.40 2025
2 0 ^
8.2
Χαμηλό 10 Μεσαίο 14 Υψηλό 10
Οι χαμηλότερες προβολές είναι από μια μελέτη που θέτει ως αίτημα τις πολυσήμαντες και επιτυχείς προσπάθειες συντήρησης στις βιομηχανικές χώρες που κόβουν την παρούσα κατά κεφαλήν κατανάλωση στο μισό .
Ετηπλέον, υποθέτει τη γρήγορη εισαγωγή των ιδιαίτερα αποδοτικών τεχνολογιών στις αναπτυσσόμενες χώρες καθώς η οικονομική δραστηριότητά τους αυξάνεται. Αυτό το σενάριο είναι ιδιαίτερα αισιόδοξο .
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΑΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1“ ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
Ετος
Σχ 1.3 Πρόσφατη ιστορία της παγκόσμιας ενεργειακής χρήσης και προβολές έως 2100
Βασικά το ενεργειακό πρόβλημα είναι ότι από τα μέσα του 21 °”
αιώνα περίπου 20 έως 30 TW θα είναι απαραίτητα. Δηλαδή πρέπει να αυξήσουμε τον παρόντα ανεφοδιασμό από έναν παράγοντα δυο ή τριών, ή κατά τουλάχιστον πρόσθετα 10 TW .
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1“ ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
1.4 ΠΙΘΑΝΕΣ ΕΠΙΓΕΙΕΣ ΛΥΣΕΙΣ
Η Γη μπορεί βεβαίως να παράσχει περισσότερη ενέργεια, εντούτοις έχουμε ζήσει με μια μεγάλη ενεργειακή κληρονομιά από το παρελθόν και έχουμε χρησιμοποιήσει ήδη ένα μεγάλο μέρος αυτής που λαμβάνεται εύκολα. Αντιμετωπίζοντας τώρα λοιπόν τα προβλήματα της διαθεσιμότητας, της περιβαλλοντολογικής ζημιάς και του κόστους, εξετάζουμε τη δυνατότητα εκμετάλλευσης των γήινων ενεργειακών πηγών και κατά πόσο αυτές μπορούν να ικανοποιήσουν τις ανάγκες του πλανήτη όσον αφορά αυτές τις εκτιμήσεις .
Μια λεπτομερής επεξεργασία των ενεργειακών δαπανών θα καθιστούσε σαφές το γεγονός ότι η συνεχής εμπιστοσύνη στα απολιθωμένα καύσιμα θα οδηγήσει σε αυξανόμενες ενεργειακές δαπάνες στο μέλλον. Παραδείγματος χάριν, καθώς το εύκολα ευρισκόμενο πετρέλαιο καταναλώνεται, άλλες ττηγές όμως όπως το βαθύ παράκτιο πετρέλαιο, η αμμότησσα, τα βαριά ακατέργαστα πετρέλαια και οι σχιστόλιθοι θα χρησιμοποιηθούν εντούτοις, μόνο με ουσιαστικά υψηλότερες δαπάνες .
Η δυνατότητα των παρουσών πηγών ενέργειας για να μας εξυπηρετήσει επαρκώς στο μέλλον είναι μια ανησυχία. Η εττίδραση στην ευημερία του πλανήτη που συνεχίζει να χρησιμοποιεί μερικές από αυτές τις πηγές θα είναι άλλη .
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1“ ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 14
Η δυνατότητα χρησιμοποίησης των παρουσών πηγών για να παράσχει την πρόσθετη ενέργεια που απαιτείται από τα μέσα του επόμενου αιώνα αλλά και των περιορισμών που συνδέονται με τέτοιες πηγές δίδεται στον Πίνακα 2 .
ΠΙΝΑΚΑΣ 2
Δυνατότητα των παρουσών πηγών ενέργειας να παρέχουν πρόσθετα 10 TW από τα μέσα του 21*™ αιώνα .
Πηγή Περιοριστικοί παράγοντες
Σχόλια Εφικτά
Πετρέλαιο Ανεφοδιασμός ρύπανσης
Περιορισμένος ανεφοδιασμός 60 ετών στο παρόν ποσοστό χρήσης
ΟΧΙ
Φυσικό αέριο Ανεφοδιασμός ρύπανσης
Περιορισμένος ανεφοδιασμός 120 ετών στο παρόν ποσοστό χρήσης
ΟΧΙ
Άνθρακας Ρύπανση - ΟΧΙ
Διάσπαση Αποδοχή διαθέσιμων αποβλήτων
Αναπαραγωγή που
απαιτείται τηθανώς για μακροπρόθεσμο ανεφοδιασμό
ΟΧΙ
Ύδρο Ανεφοδιασμός
θέσης
Μέγιστη ικανότητα μόνο 30% της τωρινής χρήσης .
Μη αναπτυχθείσα
ικανότητα απομακρυσμένη από πολλούς καταναλωτές .
ΟΧΙ
Τ.Ε.Γ ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ι» ΕΝΕΡΓΕΙΑ ; ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΠΚΕΣ
Άνεμος Θέση Μέγιστη δυνατότητα στις
αραιά εποικημένες περιοχές
Ήλιος Θέση Μέγιστη δυνατότητα στις
αραιά εποικημένες περιοχές.
Βιομάζα Ανεφοδιασμός Αντίκτυπος εδάφους.
χρήσής
Η μάλλον απαισιόδοξη όψη που παρουσιάζεται στον Πίνακα 2 μπορεί σωστά να επικριθεί για να υποτεθεί ότι κάθε πηγή θα έπρεπε να αντέξει ολόκληρο το φορτίο του πρόσθετου ανεφοδιασμού. Εναλλακτικά κάποιος θα μπορούσε να ρωτήσει ποιο μίγμα ττηγών μπορούσε να κληθεί για να ικανοποιήσει την ανάγκη; Για να ακολουθήσει απάντηση στην ερώτηση πρέπει να υπολογίσουμε το βαθμό στον οποίο τα απολιθωμένα καύσιμα μπορούν να συνεχίσουν να χρησιμοποιούνται* χωρίς μόνιμη ζημία στον πλανήτη και να εξεταστούν έπειτα άλλες συνεισφορές .
* Το κάψιμο των απολιθωμένων καυσίμων συμβάλλει, κυρίως με την εκπομπή του διοξειδίου του άνθρακα στο αποκαλούμενο φαινόμενο του θερμοκηπίου που θα μπορούσε να έχει σημαντικές συνέπειες για ολόκληρο τον πλανήτη. Σημειώσεις των παγκόσμιων στοιχείων συμπεριφοράς γνωστοποιούν ότι το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι πραγματικό, ότι τα επίπεδα αερίων θερμοκηπίου αυξάνονται σε πρωτοφανή ποσοστά και όη οι συγκεντρώσεις αερίου θερμοκηπίου έχουν ακολουθήσει τη σφαιρική αλλαγή του κλίματος πολύ στο παρελθόν. Επίσης περιγράφει σαφώς τις αβεβαιότητες και την παρούσα ανικανότητα να προβλεφθεί ακριβώς πώς το παγκόσμιο κλίμα θα αποκριθεί στις αυξανόμενες εκπομπές. Εντούτοις τείνει να παρατηρηθεί
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ότι η παγκόσμια αύξηση θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου του θερμοκηττίου δεν είναι το μόνο πολιτικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι ανθρώπινες κοινωνίες που χαρακτηρίζεται από την ογκώδη αβεβαιότητα και τον εξίσου ογκώδη κίνδυνο . Στην αξιολόγηση των αμυντικών αναγκών, παραδείγματος χάριν, οι χώρες έρχονται αντιμέτωπες με την πιθανότητα της μελλοντικής καταστροφής με την καιροσκοπία και το ενδεχόμενο τέτοιας καταστροφής που παραμένει αβέβαιη.
Δυο προσεγγίσεις στην άνω ερώτηση είναι επεξηγηματικές. Ο Hoffert και οι συνάδελφοι του έχουν μιμηθεί τα σενάρια στα οποία η χρήση των απολιθωμένων καυσίμων ελαττώνεται αρκετά με αποτέλεσμα να περιορίζει τη θέρμανση του πλανήτη κατά τη διάρκεια του επόμενου αιώνα σε μισό βαθμό. Για να ολοκληρωθεί αυτό, ένα 1% ανά μείωση έτους σε χρήση απολιθωμένων καυσίμων θα έπρεπε να εφαρμοστεί αμέσως. Μια άλλη προσέγγιση από τους Dessus και Pharabod εξετάζει τις προαιρετικές δυνατότητες που θα περιόριζαν την παραγωγή CO2 από τα απολιθωμένα καύσιμα σε ένα επίπεδο που θεωρείται ικανό στη Γη. Το σενάριο τους ετητρέπει μια μικρή αύξηση σε χρήση απολιθωμένων καυσίμων (συνήθως φυσικό αέριο) κατά τη διάρκεια των πρώτων ετών του επόμενου αιώνα ακολουθούμενης από μια σταθερή πτώση σε περίπου το 2/3 των παρόντων ετηπέδων από το 2100.Τα αποθέματα απολιθωμένων καυσίμων είναι διευκρινισμένα (στην ίδια κλίμακα με την προηγούμενη «ιστορική χρήση») στο Σχήμα 1.4 .
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 “ ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 16
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΑΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1“ ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
Σχ 1.4 Επιτρεπόμενη χρήση απολιθωμένων καυσίμων
Η τηθανή έκταση του προβλήματος μπορεί τώρα να καθοριστεί με τη σύγκριση της συνολικής ενεργειακής ανάγκης και της μερίδας που μπορούν να παρέχουν τα απολιθωμένα καύσιμα εάν αποδεχόμαστε ότι η χρήση αυτών των καυσίμων πρέπει να περιοριστεί αυστηρά. Ένα χάσμα προβάλλεται (Σχήμα 1.5) ως διαφορά μεταξύ της εκτίμησης αυτού του συντάκτη ενός σεναρίου καλύτερης περίπτωσης που ενδέχεται να έρθει περίπου και υψηλότερου «του επιτρεπόμενου» που παρουσιάζεται στο προηγούμενο σχήμα.
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ I" ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
Σχ 1.5 Πιθανό ενεργειακό έλλειμμα για τον επόμενο αιώνα
Τα απολιθωμένα καύσιμα έπειτα θα συνεχίσουν να καλύπτουν μέρος των ενεργειακών αναγκών μας. Οι πηγές πυρηνικής και υδροηλεκτρικής ενέργειας μπορούν και θα συμβάλουν. Εντούτοις θα χρειαστούμε ακόμα τις νέες ττηγές ενέργειας για να καλύψουμε ένα κενό περίπου 15 TW μέχρι το έτος 2050. Ποιες είναι οι εναλλακτικές επίγειες πηγές που θα ικανοποιήσουν ης απαιτήσεις του επόμενου αιώνα; Πολλές προαιρετικές δυνατότητες έχουν γενικά προταθεί, αλλά οι περισσότερες έχουν σημαντικούς περιορισμούς. Ο Πίνακας 3 συνοψίζει την αξιολόγηση αυτού του συντάκτη των συνεισφορών που θα προέλθουν από τις διάφορες πηγές .
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1° ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΠΚΕΣ
Μια άλλη αξιολόγηση που ερμηνεύεται από την αναφορά εμφανίζεται στο Σχήμα 1.6 .
ΠΙΝΑΚΑΣ 3
Συνεισφορές των γήινων ενεργειακών πηγών
Π ηγή Χαρακτηριστικά γνωρίσματα
Περιοριστικοί παράγοντες
Ανεφοδιασμός
Τήξη Ελεγχόμενη
αντίδραση στην ακραία θερμοκρασία
Τεχνικές δυσκολίες ραδιενεργών μερών
Μερικώς
Κρύα τήξη Αντίδραση στην θερμοκρασία δωματίου. Ισχύ αμφισβητούμενη
-
Πιθανόν καμία
Περιλαμβανόμενες εκρήξεις
Μίνι εκρήξεις στις υπόγειες αίθουσες
Ραδιενεργά υποπροϊόντα
Καμία
Άνεμος Καθαρός γίνεται οικονομικός
Ανεφοδιασμός 2
Γ εωθερμία Καθαρές περιορισμένες περιοχές
Ανεφοδιασμός « 1
Ωκεανοθερμία Καθαρή Ανεφοδιασμός <1
Βιομάζα Καύση της
ανανεώσιμης βλάστησης
Ανεφοδιασμός, μεθάνιο, διάβρωση
<1
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ I ° ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ
Ήλιος Καθαρός γίνεται Θέση, ΧΡήση 10(?) οικονομικός εδάφους
Φυσικό Αέριο
Σχ 1.6 Μέσες ττηγές ενέργειας του 21”* αιώνα
1.5 ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
α) ΗΛΙΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΝΟΜΗ
Το ενεργειακό δίλημμα της ανθρωπότητας είναι ότι πρέπει να διαθέτει ταυτόχρονα και λίγη και πολλή ενέργεια :
• Λίγη ενέργεια για να μπορεί να καλύψει τις κατετκίγουσες σημερινές και αυριανές ανάγκες ενέργειας του κόσμου.
• Πολλή ενέργεια, διότι το παρόν ποσοστό ελεύθερης εναπόθεσης ενέργειας οδηγεί σήμερα ήδη σε μεγάλες οικολογικές ανωμαλίες και μπορεί στο μέλλον να είναι ακόμη πιο δυσμενείς οι ετητηώσεις .
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
Τα μέτρα εξοικονόμησης ενέργειας, όσο σπουδαία και να' ναι αυτά, μπορούν μόνο να καταπραΰνουν ή να αναβάλλουν το δίλημμα, όχι όμως και να το λύσουν. Η μοναδική λύση κείται στη συστηματική μετάσταση για τη χρήση της ενέργειας που προσρέει πλουσίως σε παγκόσμια κλίμακα και είναι η ηλιακή ενέργεια .
Ο Ήλιος είναι αστέρι του Γαλαξία και μάλιστα ένα από τα εκατό δισεκατομμύρια αστέρια του. Έχει διάμετρο εκατόνδέκα φορές μεγαλύτερη από τη Γη και είναι τριακόσιες τριάντα τέσσερις χιλιάδες τριακόσιες είκοσι φορές μεγαλύτερος σε όγκο από τη Γη. Η εξωτερική θερμοκρασία του είναι γύρω στους 5740° C . Η Γη απέχει από τον Ήλιο περίπου εκατόν πενήντα εκατομμύρια χιλιόμετρα. Η ακτινοβολία του Ήλιου στον πλανήτη μας ισοδυναμεί με 1,5 χ 10^ χ 10^ kWh ενέργειας ετησίως. Από την ενέργεια αυτή το 31% περίπου ανακλάται προς τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, ενώ το 17% περίπου απορροφάται από τον ατμοσφαιρικό κλοιό της Γης και το υπόλοιπο 50% περίπου φτάνει μέχρι την εταφάνεια της Γης . Εττίσης το 1/5 της ηλιακής ενέργειας που ακτινοβολείται φτάνει για την διατήρηση του αιώνιου κυκλώματος του νερού που δημιουργείται μέσω εξάτμισης από τους ωκεανούς, οι οποίοι απορροφούν το 33% της συνολικής ακτινοβολίας που φτάνει στην ετηφάνεια της Γης. Τα ρεύματα των ανέμων και των θαλασσών χρησιμοποιούν μόνο το 0,2% της ακτινοβολίας του Ήλιου πάνω στη Γη .
Τέλος το 0,1% της προσπίπτουσας πάνω στη Γη ηλιακής ενέργειας αποθηκεύεται στα φυτά. Το ποσό αυτό που αντιστοιχεί με 40 δισεκατομμύρια kW ετησίως μετασχηματίζεται μέσα απο μια πολύπλοκης χημική διεργασία τη φωτοσύνθεση και δημιουργεί τη χλωροφύλλη των φυτών.
Το ασήμαντο δε αυτό ποσό σχετικά με την όλη ενέργεια είναι αυτό που δημιούργησε στο πέρασμα των αιώνων τα καύσιμα επάνω στη Γη
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ; ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 21
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1“ ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 2 2
και δίνεν, από τότε που άρχισε η ζωή ,τροφή σε ζώα και ανθρώπους. Αν μπορούσε να αξιοποιήσει όλη την ηλιακή ενέργεια ,ο άνθρωπος σε σαράντα μόνο ημέρες θα μπορούσε να καλύψει για έναν αιώνα τις παγκόσμιες σημερινές ενεργειακές ανάγκες του .
β) ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ - Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ
Είναι η ενέργεια που προέρχεται από τον Ήλιο και αξιοποιείται μέσω τεχνολογιών που εκμεταλλεύονται την θερμική και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του Ήλιου με χρήση μηχανικών μέσων για τη συλλογή , αποθήκευση και διανομή της .
Η Ελλάδα, χώρα με μεγάλη ηλιοφάνεια προσφέρεται για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Η μέση ημερήσια ενέργεια που
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
δίδεται από τον Ήλιο στην Ελλάδα είναι 4,6 kWh/m^ . Η επιφάνεια των εγκατεστημένων συλλεκτών στη χώρα μας ανέρχεται περίπου σε 2.000.000 . Η τιμή αυτή αποτελεί ποσοστό 50% περίπου της επιφάνειας των συλλεκτών που είναι εγκατεστημένει σε ολόκληρη την Ευρώττη. Οι συλλέκτες αυτοί κύρια αφορούν σε μικρά οικιακά συστήματα.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ® ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 23
ΦοοχοΒολχαϊκή εγκαχάσχαση κχτρίου
Σχ 1.7 Απομακρυσμένο Φ/Β σύστημα ενέργειας
Η δυνατότητα παραγοογής ηλεκτρικής ενέργειας, τόσο σε απομακρυσμένες όσο και σε κατοικημένες περιοχές, χωρίς επιπτώσεις στο περιβάλλον, κάνει ελκυστική τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων στην Ελλάδα.
Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν τη δυνατότητα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ένα τυπικό φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από
• Το Φ/Β πλαίσιο (είδος ηλιακού συλλέκτη).
• Το σύστημα αποθήκευσης της ενέργειας (μπαταρίες).
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
• Τα ηλεκτρονικά συστήματα που ελέγχουν την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει η Φ/Β συστοιχία .
Μια τυτηκή συστοιχία αποτελείται από ένα ή περισσότερα Φ/Β πλαίσια ηλεκτρικά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Όταν τα Φ/Β πλαίσια εκτεθούν στην ηλιακή ακτινοβολία τότε αυτά μετατρέπουν ένα 10%
περίπου της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική .
Επιπλέον, η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική γίνεται αθόρυβα, αξιότηστα και δίχως καμία ετηβάρυνση για το περιβάλλον . • ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ® ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - Σ ΤΡΑΤΗΠΚΕΣ 2 4
• Σχ 1.8 Τυπικό Φ/Β σύστημα
Τα Φ/Β πλαίσια αποτελούνται από κατάλληλα εττεξεργασμένους δίσκους ττυριτίου (ηλιακά στοιχεία) που βρίσκονται ερμητικά σφραγισμένοι μέσα σε πλαστική ύλη για να προστατεύονται από τις καιρικές συνθήκες (π.χ. υγρασία). Η μπροστινή όψη του τιλαισίου προστατεύεται από ανθεκτικό γυαλί. Η κατασκευή αυτή, που δεν ξεπερνά
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1® ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 25
σε πάχος τα τέσσερα με πέντε χιλιοστά του μέτρου, τοποθετείται συνήθως σε πλαίσιο αλουμινίου, όπως στους υαλοπίνακες των κτιρίων.
Τα εσωτερικά είναι διασυνδεδεμένα εν σειρά και εν παραλλήλω ανάλογα με την εφαρμογή.
Σχ 1.9 Φιοτοβολταϊκό πλαίσιο
Στις περισσότερες εφαρμογές στο δικό μας παράλληλο, πολλά πλεονεκτήματα παρέχει το σταθερό μοντάρισμα των Φ/Β με κατεύθυνση προς το νότο και φυσικά με την προϋπόθεση ότι η προσαρμογή γίνεται κάτω από την κατάλληλη γωνία ροτιής . Τα πλεονεκτήματα είναι τα εξής:
• Εύκολο μοντάρισμα με μικρότερο κόστος .
• Καλή μηχανική σταθερότητα της εγκατάστασης ακόμα και κάτω από ισχυρούς ανέμους.
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 2 6
• Ποικιλία δυνατοτήτων για μια αισθητικά ικανοποιητική ενσωμάτωση στις υφιστάμενες κτιριακές δομές .
Από την άλλη πλευρά η απόδοση των Φ/Β σε ενέργεια μπορεί να βελτιωθεί με την κατάλληλη κατεύθυνση τους προς τον Ήλιο και μάλιστα παρατηρείται μεγαλύτερη βελτίωση όσο μεγαλύτερο είναι το εύρος της ευθείας ακτινοβολίας στο σύνολο της ακτινοβολίας .
Τεχνικά η συνεχής στροφή προς τον ήλιο απαιτεί μια σταθερή κατασκευή με κίνηση και ρύθμιση της κατεύθυνσης .
Αυτό βέβαια συνδέεται πάντα με μεγαλύτερο κόστος σε σχέση με το σταθερό μοντάρισμα, αλλά και με την κατανάλωση πρόσθετου ρεύματος. Η διεξαγωγή με δύο άξονες λειτουργεί με δυο προωστήρες, ώστε να προσαρμοστεί και η κατεύθυνση (δηλαδή η περιστροφή γύρω από κάθετο άξονα) και η κλίση (ροπή γύρω από οριζόντιο άξονα) των Φ/Β στη θέση του Ηλίου και να φέρει την καλύτερη δυνατή απόδοση .
Αντίθετα στη μονοαξονική διεξαγωγή χρησιμοποιείται ένας κυρτός, πολικός (δηλαδή κατευθυνόμενος προς το βορρά) άξονας με έναν μόνο προωστήρα. Αυτού του είδους η διεξαγωγή έχει μικρότερη απόδοση και ενέργεια, σε σχέση με τη διεξαγωγή των δύο αξόνων .
Η ηλιακή ακτινοβολία πάνω στην ηλιακή γεννήτρια ενισχύεται, κατά κύριο λόγο και με έναν καθρέφτη, δηλαδή μέσω της συγκέντρωσης του ηλιακού φωτός. Βέβαια η χρήση ανακλαστήρων έχει νόημα μόνο στην κινούμενη εγκατάσταση . Η μορφή αυτή δεν μπόρεσε να ετηκρατήσει στη χώρα μας για τί:
• Η συγκέντρωση του ηλιακού φωτός αξίζει μόνο υπό συνθήκες κινούμενου μονταρίσματος και υψηλού μέρους ευθείας ακτινοβολίας .
• Οι φωτοκυψέλες θερμαίνονται έντονα μέσω της συγκέντρωσης της ακτινοβολίας έτσι ώστε ο βαθμός συγκέντρωσης να είναι μεγαλύτερος
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ I» ΕΝΕΡΓΕΙΑ : ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ - ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΕΣ 2 7
του δύο.Χωρίς ενεργή ψύξη σε κυψέλες από Silitium, προξενούνται ζημίες στις κυψέλες .
• Η παραγωγή καθρεφτών είναι φθηνότερη από ότι η παραγωγή Φ/Β αλλά δε φέρνουν τόσο μεγάλη πρόσθετη απόδοση . Επίσης, εκτός αυτού, απαιτούν πολύ χώρο στο μοντάρισμα όταν είναι σε κινούμενη εγκατάσταση .
Στο δικό μας παράλληλο, θα ενισχυόταν ακόμη περισσότερο το μειονέκτημα του κινούμενου μονταρίσματος. Όταν η ύπαρξη ευθείας (άμεσης) ακτινοβολίας είναι μεγάλη, δηλαδή κυρίως το καλοκαίρι, παράγεται πολύ ρεύμα, ενώ όταν είναι χαμηλή η ακτινοβολία με μεγάλο ποσοστό σε διάχυτη ακτινοβολία το χειμώνα, δεν ετητυγχάνεται η πρόσθετη απόδοση .
Η ενσωμάτωση των Φ/Β πλαισίων στα κτίρια μπορεί να έχει πολλαπλά οφέλη. Εκτός από την παραγωγή ηλεκτρισμού τα Φ/Β πλαίσια μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως δομικά στοιχεία για την κάλυψη της οροφής, ή για την επένδυση της πρόσοψης ή και ως σκίαστρα. Το νέο αυτό στοιχείο στην αρχιτεκτονική, θα μπορούσε να οδηγήσει σε πρωτότυπες λύσεις για την εμφάνιση των κτιρίων .
Για την κατάλληλη τοποθέτηση ενός ηλιακού συστήματος, υπολογίζεται πρώτα το μέγεθος της γεννήτριας ρεύματος, ανάλογα με την υφιστάμενη ανάγκη για ενέργεια σε κάθε περίπτωση. Το ηλιακό σύστημα θα πρέπει να προμηθεύει ενέργεια σε επαρκή ποσότητα, ώστε να καλύπτει το ρεύμα που καταναλώνουν στη διάρκεια της ημέρας λάμπες, συσκευές, καθώς επίσης και την ενέργεια που καταναλώνει η ίδια η εγκατάσταση .
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τ
ΣΤΑΘ Μ ΟΙ ΣΥΛΛΟ ΓΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2° ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
ΚΕΦΑ.ΛΑΙΟ 2 ’
ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΥΑΑΟΙΤΙΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
2.1. ΚΕΝΤΡΙΚΟΙ ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Η ΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ
Η αποκεντρωμένη χρησιμοποίηση της ηλιακής ενέργειας π.χ. για θέρμανση χώρων βρίσκεται σήμερα στο προσκήνιο του ενδιαφέροντος.
Παρόλα αυτά όμως δεν πρέπει να παραβλεφθούν τα προγράμματα κατασκευής ηλιακών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής .
Ένας σύγχρονος ηλιακός σταθμός ηλεκτροπαραγωγι'ις ισχύος 100.000 kW (100 MW) εφοδιασμένος με κάτοπτρα χρωμίου, θα χρειαστεί 2,38 km^ ετηφάνεια για να μπορέσει να εκμεταλλευθεί την ηλιακή ακτινοβολία . Αν αντίθετα χρησιμοποιηθούν κάτοπτρα από καθαρό αλουμίνιο, επαρκεί επιφάνεια μόνο 1,5 km“ . Για ηιν ίδια παραγωγή ενέργειας θα χρειαζόταν κατανάλωση 175 kg ουρανίου - 235 το χρόνο, σ' έναν πυρηνικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής. Επομένως απ' αυτά φαίνεται ότι, όταν θα τείνει να αυξηθεί η τιμή και να μειωθούν τα αποθέματα ουρανίου, ο ηλιακός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής θα αποκτήσει περισσότερο ενδιαφέρον. Πρόκειται άλλωστε για μια μοναδικι'ι και όχι πολύ ακριβή επένδυσιι.
Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2“ ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΥΛ.ΑΟΓΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
' F s '
ί' ' Γ 3 '
Σχ 2.1. Σοβιετικό μοντέλο ενός μελλοντικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος 10.000 kWh από ηλιακή ενέργεια .
5'" - ^ ■
•Τ. - ·-·.
Σχ 2.2. Αμερικανικό μοντέλο μιας ηλιακής συστοιχίας με επιλεκτικές απορροφητικές επιφάνειες σε με^/άλους ηλιακούς συλλέκτες. Το νερό υπό πίεση θερμαίνεται στους +160" C και μεταφέρεται στο σταθμό ηλεκτροπαραγωγής, αφ' ενός για την άμεση μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια και αφ' ετέρου για την αποθήκευση σε υπόγειες δεξαμενές. Ολικής ισχύος 25 Megawatt .
Τ.Ε.Ι, ΚΑΒΛλΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2° ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 31
Αναφέρθηκαν κάτοπτρα τοποθετημένα διαδοχικά σαν τμήματα μιας μεγάλης επιφάνειας . Μια άλλη δυνατότητα είναι η ηλιακι']
συστοιχία φωτοστοιχείων τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία απ' ευθείας σε ηλεκτρικό'] ενέργεια . Ο E.L. Ralph της Διεύθυνσης Ηλιοτεχνικής της Textrom, Sylmar στΐ]ν Καλιφόρνια θεωρεί σαν ττ|ν καλύτερη λύση έναν ηλιακό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής από στοιχεία πυριτίου συναρμολογημένα μεταξύ τους, ο οποίος θα μπορούσε να εγκατασταθεί στο Phoenix ηις Αριζόνας, σε επιφάνεια Ιαυ^.
Ο Καθηγητής Aden Baker Meinel διευθυντής του Κέντρου Οπτικών Επιστημών του Πανεπιστημίου της Αριζόνας στο Tucson των Η.Π.Α. και η σύζυγός του Marjorie Pettit Meinel, επίσιις πολύ δραστήρια στιιν έρευνα της ηλιακής ενέργειας θεωρούν πολύ πιθανό ένας σταθμός ηλεκτροπαραγωγής αυτού του είδους να παράγει 1.000 MW . Αλλά τα φωτοστοιχεία, όπως χρησιμοποιούνται για τις διαστημικές πτήσεις είναι ως γνωστόν ακόμα πολύ ακριβά, παρά τον αισθητά καλύτερο βαθμό απόδοσΐ]ς που μπορούν να αναπτύξουν κατά τις επίγειες εφαρμογές τους.
Όμως δεν απαιτούνται εδώ κριτήρια ποιότητας όπως συμβαίνει στις διαστημικές πτήσεις. Έτσι δοκιμάζονται ήδη από πολύ καιρό κυρίως στη Γερμανία, φτηνά ειδικά φωτοστοιχεία για επίγειες εφαρμογές .
Το πρόβλημα της αποθήκευσης ενέργειας για να χρησιμοποιείται κατά τις ώρες που δεν υπάρχει ηλιοφάνεια, επιβάλλει, κατά τΐ] γνώμη του Meinel, αντί των φωτοστοιχείων τους συγκεντρωτικούς συλλέκτες που παράγουν ατμό με τΐ] θερμική μετατροπή της ηλιακι'ις ακτινοβολίας . Ο Meinel προτείνει σα λύση παραγωγή ατμού 540° που θα συμφωνούσε με τις συνθήκες λειτουργίας των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής . Ιδιαίτερη επιτυχία υπόσχεται η αποθήκευσΐ] μεγάλων ποσοτήτων θερμικής ενέργειας μέσω του μηχανισμού τήξης των αλάτων .
Τ.Ε,Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2° ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Ο Meinel αναφέρεται στην πολύτιμη εμπειρία της χρήσης υγρών μετάλλων σα μέσο μεταφοράς της θερμότιιτας από τους ηλιακούς συλλέκτες στο δοχείο αποθι'ικευσης θερμότητας .
Νέες σκέψεις για επίτευξη μεγαλύτερων βαθμών απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών οδήγησαν τον Meinel σττ|ν εξής διάταξη : Το ηλιακό φως συγκεντρώνεται σε ένα γυάλινο σωλήνα κενού με τη βοήθεια ενός κυλινδρικού φακού Fresnel. Μέσα σ' αυτόν βρίσκεται ένας σωλήνας από χάλυβα με επιλεκτική επίστρωση. Η αναπτυσσόμενη θερμόττιτα απάγεται με τη βοήθεια υγρού νατρίου στους 550° C . Στη συνέχεια διοχετεύεται σε ένα δοχείο αποθήκευσης θερμότητας, όπου μπορεί να διατιιρηθεί η θερμοκρασία σταθερή με ττ| βοήθεια ενός μίγματος τι-ιγμένων αλάτων που βρίσκονται μέσα σ' αυτό .
Μεγάλο πειραματικό ηλιακό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με ισχύ 5 MW, κατασκεύασε το Υπουργείο Ενέργειας των Η.Π.Α. στο Albuquerque, την πρωτεύουσα του Νέου Μεξικού στις Η.Π.Α. Εδώ επικρατεί μια ιδιαίτερα υψηλή ηλιοφάνεια ττις τάξης των 4.500 ωρών το χρόνο. Η πραγματοποίηση του προγράμματος ανατέθηκε στον Glen Ε.
Brandrold, προϊστάμενο του τμήματος της Sandia για την έρευνα ενεργειακών πηγών. Συγκεκριμένα πρόκειται για ένα πεδίο με 300 κάτοπτρα, τους λεγάμενους ηλιοστάτες, επιφάνειας 40 ιη^ ο καθένας . Κάθε κάτοπτρο είναι εφοδιασμένο με 25 επιμέρους κάτοπτρα. Οι ηλιοστάτες αντανακλούν θερμικη'ι ενέργεια σ' έναν ηλιακό λέβητα τοποθετημένο σε πύργο από μπετόν ύψους 45,55 m . Η παραγόμενη εκεί θερμική ενέργεια των 5 MW χρησιμοποιείται για την κίνηση ενός ατμοστρόβιλου .
TJE.I. ΚΑΒΑΛΑΣ Σ.Τ.Ε.Φ.
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
