Πρόλογος
Στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και κυρίως στην ηλιακή και αιολική εναποτίθενται οι ελπίδες για την κάλυψη των ολοένα και αυξανόμενων παγκόσμιων ενεργειακών αναγκών. Ιδιαίτερα η συνδυασμένη αξιοποίηση δύο ή περισσοτέρων ανανεώσιμων ενεργειακών πηγών, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επαρκέστερη κάλυψη των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών είτε μεγάλων εγκαταστάσεων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είτε μικρότερων μονάδων.
Στο πλαίσιο της πτυχιακής αυτής εργασίας γίνεται παρουσίαση της κατάστασης που επικρατεί στο χώρο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και γενικότερα του ενεργειακού τομέα στην Ελλάδα και διεθνώς. Γίνεται αναφορά των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων της χρήσης τους και των προοπτικών ανάπτυξής τους. Το κύριο θέμα που εξετάζεται είναι η διερεύνηση δυνατοτήτων εγκατάστασης μικρών ανεμογεννητριών και φωτοβολταϊκών συστημάτων στην Ελλάδα.
Η πτυχιακή αποτελείται από τέσσερα Κεφάλαια. Στο πρώτο, δεύτερο και τρίτο κεφάλαιο περιλαμβάνεται βιβλιογραφική έρευνα ενώ στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη που εκπονήθηκε με χρήση του υπολογιστικού προγράμματος Homer.
Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση όλων των πηγών ενέργειας, ανανεώσιμων και συμβατικών, και των προοπτικών ανάπτυξης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση της αιολικής και της ηλιακής ενέργειας, των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων τους, καθώς και του τρόπου με τον οποίο γίνεται η εκμετάλλευσή τους σήμερα.
Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα υβριδικά συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οι τύποι τους και τα επιμέρους τμήματα που τα αποτελούν. Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στο συνδυασμό της ηλιακής με την αιολική ενέργεια.
Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζονται 13 ελληνικές πόλεις για τις οποίες προτείνεται ο οικονομικότερος και αποδοτικότερος συνδυασμός
φωτοβολταϊκών συστημάτων, ανεμογεννητριών, συσσωρευτών και αντιστροφέα. Χρησιμοποιείται το υπολογιστικό πρόγραμμα Homer, στο οποίο εισάγονται τα απαραίτητα δεδομένα και ακολουθεί η μελέτη του κόστους της εγκατάστασης του υβριδικού συστήματος που ανταποκρίνεται σε έναν κανονικό οικιακό καταναλωτή.
Ευχαριστίες
Η παρούσα πτυχιακή εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του Προγράμματος Σπουδών του τμήματος Ηλεκτρολογίας της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών του α.Τ.Ε.Ι.
Καβάλας την περίοδο 2010-2011.
Ευχαριστώ ιδιαιτέρως τον υπεύθυνο καθηγητή της πτυχιακής, δρα. Ιάκωβο Φαντίδη, για την επίβλεψη, τη βοήθεια και τις χρήσιμες υποδείξεις που μου παρείχε για την επιτυχή ολοκλήρωση της εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Ευστάθιο Μακρή για τη συμβολή του στην εύρεση υλικού σχετικά με την WES-5 Tulipo. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τους γονείς, τον αδερφό μου και τους φίλους μου για την ηθική και υλική υποστήριξη που μου παρείχαν όλα τα χρόνια των σπουδών μου.
Αφιερώνεται στην Άννα Ζούμπερερ και στη Θεανώ Ποτήρη, για τη βοήθεια και τη στήριξή τους.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
Πρόλογος 1
Ευχαριστίες 3
Περιεχόμενα 5
Κεφάλαιο 1ο : Στροφή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 9
1.1 Εισαγωγή 9
1.2 Πηγές Ενέργειας 9
1.3 Συμβατικά καύσιμα 10
1.3.1 Στερεά καύσιμα 11
1.3.2 Πετρέλαιο 12
1.3.3 Φυσικό αέριο 12
1.4 Πυρηνική ενέργεια 13
1.5 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας 15
1.5.1 Ηλιακή ενέργεια 15
1.5.2 Αιολική ενέργεια 15
1.5.3 Υδροδυναμική ενέργεια 16
1.5.4 Ενέργεια από Βιομάζα 17
1.5.5 Γεωθερμική ενέργεια 18
2ο Κεφάλαιο: Αιολική – Ηλιακή Ενέργεια 21
2.1 Εισαγωγή 21
2.2 Εξέλιξη της Αιολικής Ενέργειας 22
2.3 Μέρη – Λειτουργία Ανεμογεννήτριας 23 2.4 Ισχύς ανεμογεννήτριας – Ενεργειακές απώλειες 25
2.5 Αιολικά Πάρκα 26
2.6 Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα 27
2.7 Η αιολική ενέργεια στην Ελλάδα και στον κόσμο 29
2.8 Εφαρμογές αιολικής ενέργειας 29
2.9 Ο Ήλιος 30
2.10 Προσπίπτουσα ακτινοβολία στη Γη 30
2.11 Υπολογισμός ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο 31
2.12 Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο 31
2.13 Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων - Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση
32
2.14 Βασικοί τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων 32
2.15 Φωτοβολταϊκά πλαίσια 33
2.16 Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών συστημάτων 34
3ο Κεφάλαιο : Υβριδικό σύστημα παραγωγής ενέργειας 35
3.1 Εισαγωγή 35
3.2 Είδη υβριδικών συστημάτων και χαρακτηριστικά τους 36 3.3 Ανάλυση Συστατικών Μερών Υβριδικού Συστήματος Παραγωγής Ενέργειας
36
3.4 Αποθήκευση Ενέργειας 37
3.5 Υβριδικός Σταθμός Συνδυασμένης Αιολικής και Ηλιακής Ενέργειας
38
3.6 Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα 39
3.7 Αδειοδότηση Υβριδικού Σταθμού 40
3.8 Οικονομικά 42
3.9 Εφαρμογές Υβριδικών Συστημάτων 42
3.9.1 Εφαρμογές στην Ελλάδα 43
3.9.2 Εφαρμογές στο Εξωτερικό 43
3.10 Συμπεράσματα Υβριδικού Συστήματος Παραγωγής Ενέργειας από Α.Π.Ε
43
4ο Κεφάλαιο: Εύρεση λύσεων ενεργειακών προβλημάτων, μέσω προγραμμάτων υπολογιστή
44
4.1 Εισαγωγή 44
4.2 Προγράμματα υπολογιστικών συστημάτων 44
4.3 Homer 45
4.4 Εισαγωγή δεδομένων στο Homer 47
4.5 Αποτελέσματα προσομoιώσεων 62
4.5.1 Αλεξανδρούπολη 62
4.5.2 Αθήνα 66
4.5.3 Ιωάννινα 70
4.5.4 Ηράκλειο 74
4.5.5 Καλαμάτα 78
4.5.6 Καβάλα 82
4.5.7 Κέρκυρα 86
4.5.8 Λάρισα 90
4.5.9 Λήμνος 94
4.5.10 Πάτρα 98
4.5.11 Ρόδος 102
4.5.12 Σάμος 106
4.5.13 Θεσσαλονίκη 110
4.5.14 Τελικά αποτελέσματα περιοχών 114
Συμπεράσματα 115
Παράρτημα εικόνων 118
Βιβλιογραφία 120
Κεφάλαιο 1
ο: Στροφή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας
1.1 Εισαγωγή
Τα τελευταία 200 χρόνια η παγκόσμια βιομηχανία γνώρισε ραγδαία εξέλιξη χάρη στην εξόρυξη καύσιμων, όπως ο λιγνίτης και το πετρέλαιο, η ζήτηση των οποίων αυξήθηκε εκθετικά, με αποτέλεσμα την υπερεκμετάλλευση των υπαρχόντων κοιτασμάτων. Σήμερα είναι γνωστό ότι ο 21ος αιώνας θα είναι αυτός που θα σημάνει το τέλος αυτών των πηγών ενέργειας. Καθώς μειώνονται τα κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων, οι κυβερνήσεις στρέφονται προς άλλες πηγές ενέργειας οι οποίες θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν τις ανάγκες του μέλλοντος. Αυτές οι πηγές ενέργειας εκτιμάται ότι θα είναι οι ανανεώσιμες, οι οποίες, σε αντίθεση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας, δεν εκπέμπουν ρύπους και δε συμβάλλουν με τη λειτουργία τους στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Με όλο και αυξανόμενο παγκόσμιο ενδιαφέρον προς αυτές, οι τεχνολογικές εξελίξεις είναι πολλές και ραγδαίες.
(1, 2, 3)
1.2 Πηγές Ενέργειας
Η ενέργεια αδιαμφισβήτητα αποτελεί βασικό παράγοντα ανάπτυξης.
Σήμερα η κοινωνία και η βιομηχανία στηρίζεται κατά το 81% στα ορυκτά καύσιμα, τα οποία όμως παρουσιάζουν μια ολοένα αυξανόμενη κοστολόγηση, ενώ επηρεάζονται και από τις εκάστοτε γεωπολιτικές συνθήκες. Η προσπάθεια των κρατών να αναπτύξουν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η οποία παρατηρείται τα τελευταία 30 χρόνια, δεν είναι τυχαία. Οφείλεται στην προσπάθεια διεύρυνσης του ενεργειακού φάσματος, δηλαδή της πολλαπλής ενεργειακής διαθεσιμότητας από διαφορετικές πηγές, που δημιουργεί ενέργεια οικονομικά σταθερότερη και ευνοεί την ευημερία.
Σχήμα 1.1: Οι πιο διαδεδομένες πηγές ενέργειας
Οι μορφές της ενέργειας είναι πολλές και οι πηγές της ακόμα περισσότερες˙ η ηλεκτρική, η βαρυτική, η χημική, η θερμική, η πυρηνική και η κινητική είναι κάποιες από τις μορφές της. Όμως, παρότι ο άνθρωπος έχει μελετήσει όλες τις μορφές που αντιλαμβάνεται, λίγες από αυτές μπορεί να εκμεταλλευτεί.
Συνεπώς, για να θεωρηθεί ότι μια μορφή ενέργειας είναι και πηγή ενέργειας, πρέπει αυτή να έχει κάποια χαρακτηριστικά όπως, να είναι εφικτή η εκμετάλλευσή της με αποδεκτό οικονομικά κόστος και να είναι δυνατόν να μεταφερθεί από τον τόπο παραγωγής στον τόπο κατανάλωσης. Με αυτήν την προϋπόθεση, οι κύριες μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας καταλήγουν να είναι τα ορυκτά καύσιμα, η γεωθερμία, η πυρηνική ενέργεια, η ηλιακή ενέργεια και τέλος, η αιολική ενέργεια. (1, 3, 4, 5)
1.3 Συμβατικά καύσιμα
Καύσιμα λέγονται οι ανθρακούχες κυρίως ύλες (με εξαίρεση το υδρογόνο), οι οποίες προκαλούν εξώθερμη αντίδραση όταν ενώνονται με το οξυγόνο. Διαχωρίζονται σε πρωτογενή και δευτερογενή ανάλογα με το αν βρίσκονται στην κατάσταση εξόρυξης ή έχουν υποστεί επεξεργασία. (4, 6)
Σχήμα 1.2: Γαιάνθρακας
1.3.1 Στερεά καύσιμα
Τα στερεά καύσιμα όπως γαιάνθρακες, ξύλο, πισσούχοι σχιστόλιθοι και πετρελαιοφόροι άμμοι, είναι τα πρωτογενή και τα δευτερογενή είναι πλινθία ανθράκων, κολλοειδείς καύσιμες ύλες, Κοκ, ξυλάνθρακας και απορρίμματα πόλεων.
Οι Άνθρακες είναι το κύριο μέρος των στερεών καυσίμων και αποτελούν το 25% του συνόλου των παγκόσμιων καυσίμων (2003).
Δημιουργούνται από φυτικές ύλες, οι οποίες είναι έως 350 εκατομμυρίων χρόνων, μέσω της τυρφοποίησης και της ανθρακοποίησης. Υπάρχουν διάφορα είδη άνθρακος όπως τύρφη, λιγνίτες (σε αφθονία στην Ελλάδα), υποπισσούχοι άνθρακες, πισσούχοι άνθρακες, ημιπισσούχοι άνθρακες, ημιανθρακίτες και ανθρακίτες. Οι προβλέψεις που αφορούν στην κατανάλωση των ανθράκων προβλέπουν ότι το ορυκτό αυτό καύσιμο θα εκλείψει σύντομα, καθώς καταναλώνεται περίπου 2.5% ετησίως από το διαθέσιμο παγκόσμιο κοίτασμα. (4, 7)
1.3.2 Πετρέλαιο
Πετρέλαιο ονομάζεται η ουσία που παράγεται από φυσικές διεργασίες, η οποία είναι ένα ελαιώδες υγρό πλούσιο σε υδράνθρακες με μικρές προσμίξεις άλλων ουσιών. Είναι γνωστό και ως μαύρος χρυσός, χάρη στο γεγονός ότι οι αυξομειώσεις στην τιμή του επηρεάζουν άμεσα την παγκόσμια οικονομία. Αποτελεί το κινητήριο μέσο της κοινωνίας, καθώς τα υποπροϊόντα του χρησιμοποιούνται σχεδόν παντού, και αποτελεί το 33% των παγκόσμιων πηγών ενέργειας.
Σχήμα 1.3: Πετρέλαιο
Τα μεγαλύτερα παγκόσμια κοιτάσματα πετρελαίου εντοπίζονται κυρίως στην περιοχή της Σαουδικής Αραβίας (25%), αλλά και σε άλλες χώρες όπως Ιράκ (11%) και Κουβέιτ (9%). Ο μεγαλύτερος καταναλωτής πετρελαίου είναι οι ΗΠΑ με κατανάλωση του 25,4% της παγκόσμιας παραγωγής, και ακολουθεί η Ευρώπη και Ευρασία με 26,3% (BP 2003). (3, 7, 8)
1.3.3 Φυσικό αέριο
Αποτελώντας το 19% των παγκόσμιων πηγών ενέργειας, το φυσικό αέριο είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας. Το 33% των παγκόσμιων κοιτασμάτων παράγεται από τη Ρωσία και εξάγεται κυρίως με χρήση σωλήνων υψηλής πίεσης. Αποτελούμενο από μεθάνιο, εθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο, αιθυλένιο και άλλα, όταν εξορύσσεται, μετά από επεξεργασία, ο καταναλωτής λαμβάνει κυρίως μεθάνιο. Οι αέριοι υδρογονάνθρακες που περιέχει είναι χαμηλής μοριακής περιεκτικότητας ανά mole και έτσι, όταν καίγονται, δημιουργούν
λιγότερα κατάλοιπα διοξειδίου του άνθρακα ανά μονάδα ενέργειας σε σχέση με άλλες ορυκτές πηγές ενέργειας, καθιστώντας το μια σχετικά καθαρή πηγή ενέργειας συγκριτικά με το λιγνίτη ή το πετρέλαιο.
Σχήμα 1.4: Μαγειρική εστία φυσικού αερίου
Η βιομηχανική του χρήση –αν και δεν περιορίζεται μόνο σε αυτή- είναι κυρίως η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή θερμότητας χώρων, νερού και μαγειρέματος σε οικιακή χρήση.
(3, 4, 7)
1.4 Πυρηνική ενέργεια
Πυρηνική ενέργεια είναι αυτή που προκύπτει όταν στην αλληλεπίδραση δύο πυρήνων ατόμων δημιουργείται άλλος πυρήνας ή σωματίδιο, με ταυτόχρονη έκλυση ενέργειας, η οποία δίνεται από τον τύπο του Einstein:
E=(ΔM)*C2 (1.1)
Οι πρώτες προσπάθειες τιθάσευσης της ενέργειας του πυρήνα έγιναν το 1940, με στρατιωτικές βλέψεις. Το 1950 έγινε στροφή στη χρήση της για ειρηνικούς σκοπούς. Σήμερα η πυρηνική ενέργεια καλύπτει περίπου το 2,8%
των παγκόσμιων πηγών ενέργειας.
Η μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι αυτή της σχάσης, δηλαδή ένας πυρήνας διασπάται σε δύο πυρήνες και ταυτόχρονα παράγονται μεγάλα ποσά ενέργειας. Σε ερευνητικό στάδιο είναι η μέθοδος της σύντηξης δύο πυρήνων, καθώς δεν είναι εύκολο να σταθεροποιηθεί η διαδικασία για ικανοποιητικό χρονικό διάστημα.
Η πυρηνική ενέργεια στη μορφή της σχάσης έχει εμφανίσει πολλά μειονεκτήματα. Τα περίπου 30 σοβαρά ατυχήματα παγκοσμίως, τα σοβαρότερα εκ των οποίων είναι αυτά του Chernobyl και της Fukushima, λειτουργούν σαν δείκτης του πόσο επικίνδυνη μπορεί να αποβεί αυτή η ενέργεια. Επίσης, η πυρηνική σχάση έχει ραδιενεργά κατάλοιπα, όπως τα δομικά υλικά στο εσωτερικό των παλιών αντιδραστήρων και τις απεμπλουτισμένες πρώτες ύλες. Για την ασφαλή αποθήκευση αυτών έχουν βρεθεί τρόποι και συγκεκριμένα, για την περίπτωση των απεμπλουτισμένων πρώτων υλών, υπάρχει μέθοδος επανεμπλουτισμού.
Σχήμα 1.5: Αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης ITER τύπου Tokamak Η πυρηνική ενέργεια στη μορφή της σύντηξης είναι πολλά υποσχόμενη. Θερμαίνοντας τα υλικά προς σύντηξη σε κατάσταση πλάσμα, ενεργοποιείται η διαδικασία της σύντηξης και εκλύονται μεγάλα ποσά
ενέργειας. Δυστυχώς, η διαδικασία δεν μπορεί να σταθεροποιηθεί για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, παρόλα αυτά οι μελέτες συνεχίζονται με σκοπό να επιτευχθούν 480 δευτερόλεπτα συνεχής λειτουργίας. (3, 4, 5, 8)
1.5 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
Η χρήση των ορυκτών πηγών ενέργειας τα τελευταία 200 χρόνια έχει δημιουργήσει καταστροφικές αλλαγές στο περιβάλλον, πράγμα το οποίο σε συνδυασμό με τη μείωση των ορυκτών πηγών ενέργειας έχει οδηγήσει τις κυβερνήσεις στην εύρεση νέων πηγών ενέργειας. Οι δυνατότητες που προσφέρουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στη λύση των προαναφερθέντων προβλημάτων είναι σημαντικές.
Η μετάβαση από συμβατικές πηγές ενέργειας σε ανανεώσιμες γίνεται όλο και πιο πιθανή με την πάροδο του χρόνου, καθώς κάθε είδος ανανεώσιμης πηγής ενέργειας αναπτύσσεται όλο και περισσότερο, χάρη σε χρηματοδοτήσεις και στην προοπτική κέρδους, σε συνδυασμό με την περιβαλλοντολογική συνείδηση που αναπτύσσεται.
1.5.1 Ηλιακή ενέργεια
Χάρη στη διαρκή τεχνολογική εξέλιξη, μεγάλα ποσά ηλιακής ενέργειας μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρική με τη χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων. Ο Ήλιος, ο οποίος στο κέντρο του έχει θερμοκρασία 15 εκατομμύρια βαθμούς Kelvin και στην επιφάνειά του 5900, παρέχει στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας της Γης 1353 Watt ανά τετραγωνικό μέτρο, στην οποία φτάνουν 342 Watt ανά τετραγωνικό μέτρο. (9, 10, 11)
1.5.2 Αιολική ενέργεια
Η αιολική ενέργεια δημιουργείται από τη θερμική ενέργεια του ήλιου. Η γη περιβάλλεται από την ατμόσφαιρα, την οποία διέπουν διάφορες φυσικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένων των ανέμων. Η ατμόσφαιρα κινείται πάντα λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας των διάφορων μερών της. Στην κίνηση αυτή οφείλεται η δημιουργία ανέμων σε τοπικό, αλλά και σε παγκόσμιο επίπεδο. Σημαντική είναι επίσης η διαμόρφωση του εδάφους, καθώς καθορίζει το ποσοστό απορρόφησης ηλιακής ενέργειας και την κίνηση του
ανέμου λόγω εμποδίων – τα όρη. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας περιλαμβάνει σωστή μελέτη της έντασης του ανέμου στην περιοχή, καθώς και την ανύψωση της κατασκευής όσο το δυνατόν υψηλότερα, διότι τα μεγαλύτερα ύψη προσφέρουν μεγαλύτερες εντάσεις ανέμου. (12, 13, 14)
Σχήμα 1.6: Ανεμογεννήτρια 1.5.3 Υδροδυναμική ενέργεια
Υδροδυναμική είναι η ενέργεια η οποία δημιουργείται από την κίνηση μιας υδάτινης μάζας, καθώς μεταβαίνει από ένα υψηλό σε ένα χαμηλότερο επίπεδο. Η δυναμική ενέργεια του ύδατος είναι δυνατόν να κινήσει μηχανικές κατασκευές οι οποίες χρησιμοποιούνται για διάφορες χρήσεις. Για πολλούς αιώνες έχει χρησιμοποιηθεί σε νερόμυλους και σήμερα χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή ηλεκτρισμού.
Η υδροδυναμική ενέργεια καλύπτει το 3,4% των παγκόσμιων πηγών ενέργειας και θεωρείται μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Οι μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί, με σωστή μελέτη και κατασκευή, μπορούν να εμφανίσουν ελάχιστη επιρροή στην υδάτινη χλωρίδα και πανίδα της περιοχής.
Επίσης, δε δημιουργείται από αυτούς ατμοσφαιρική ή θερμική ρύπανση. Όλα
τα παραπάνω τούς καθιστούν μια φιλική προς το περιβάλλον μορφή ενέργειας.
Σχήμα 1.7: Τουρμπίνες εκμετάλλευσης υδροδυναμικής ενέργειας, για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τύπου βίδας
Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί είναι ιδιαίτερα αποδοτικοί, αξιόπιστοι και με μεγάλο χρόνο ζωής, εφόσον συντηρούνται επαρκώς. Μπορούν να ανταποκριθούν σε απότομες αλλαγές απαιτούμενης ισχύος και η ενεργοποίηση και απενεργοποίησή τους είναι άμεση. (2, 4, 5, 7, 8)
1.5.4 Ενέργεια από Βιομάζα
Από το σύνολο των πηγών ενέργειας, η ενέργεια της βιομάζας συντροφεύει τον άνθρωπο από την αρχή της ιστορίας του. Ως βιομάζα ορίζονται όλοι οι τύποι ζώσης ύλης που δύναται να μετατραπούν σε κάποια μορφή ενέργειας. Χαρακτηρίζεται ως ανανεώσιμη και μη ρυπαίνουσα μορφή ενέργειας. Εφόσον τηρούνται κάποια κριτήρια, όπως πχ. ο ρυθμός αναδάσωσης να μη ξεπερνά το ρυθμό υλοτόμησης, η βιομάζα ως μορφή ενέργειας μπορεί να θεωρηθεί αέναη.
Σχήμα 1.8: Βιομάζα αποτελούμενη από αποξηραμένα κατάλοιπα φυτών
Θεωρείται μη ρυπαίνουσα μορφή ενέργειας, διότι έχει μηδενικό ισοζύγιο ρύπων, δηλαδή οι ρύποι που εκλύονται με την καύση της βιομάζας έχουν ήδη δεσμευτεί με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Σήμερα καλύπτει περίπου 10% των παγκόσμιων πηγών ενέργειας. Οι πιο σημαντικές μορφές βιομάζας είναι η ξυλεία, τα απομείναντα γεωργικά προϊόντα και τα ποώδη ενεργειακά φυτά. Η παραγωγή της ενέργειας γίνεται με άμεση καύση ή με θερμοχημική μετατροπή, π.χ. μέσω της πυρόλυσης, σε άλλα είδη.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα η βιο-αλκοόλη της Βραζιλίας. (2, 4, 5, 8) 1.5.5 Γεωθερμική ενέργεια
Η γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο φλοιό της γης, κοντά στην επιφάνεια του εδάφους.
Προκαλείται από τη θερμική ενέργεια της γης, η οποία οφείλεται στην ύπαρξη του μάγματος. Το 1904, η Ιταλία ήταν η πρώτη χώρα που παρήγαγε ηλεκτρικό ρεύμα χάρη στη γεωθερμική ενέργεια, και σήμερα περίπου 1% από τη συνολική παραγωγή ενέργειας παγκοσμίως οφείλεται στη γεωθερμία.
Σχήμα 1.9: Πίδακας από έκλυση γεωθερμικής ενέργειας
Τα εκμεταλλεύσιμα είδη γεωθερμικών κοιτασμάτων είναι ξηρού ατμού, υγρού καπνού, καυτού νερού, ζεστού νερού και καυτού ξερού βράχου. Τα τρία πρώτα χρησιμοποιούνται κυρίως στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και το ζεστό νερό στη θέρμανση κτιρίων. Ο καυτός ξερός βράχος είναι προς το παρόν ασύμφορος στην εκμετάλλευσή του. Για την εκμετάλλευση των κοιτασμάτων οι θερμοκρασίες τους πρέπει να κυμαίνονται σε ικανοποιητικές τιμές. Τα κοιτάσματα διαχωρίζονται σε υψηλής, μέσης και χαμηλής ενθαλπίας.
Οι γεωθερμικές πηγές υψηλής ενθαλπίας είναι οι πιο αποδοτικές στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Κάποιες από τις εφαρμογές της γεωθερμίας είναι η παραγωγή ηλεκτρισμού, θέρμανση κτιρίων, θέρμανση θερμοκηπίων, ξήρανση αγροτικών προϊόντων, θέρμανση ιχθυοκαλλιεργειών.
Ως μορφή ενέργειας η γεωθερμία είναι εξαιρετικά φιλική προς το περιβάλλον και μια εγκατάσταση έχει δυνατότητα απόδοσης πολλά χρόνια.
Στα γεωθερμικά κοιτάσματα βρίσκονται υλικά όπως το υδρόθειο, το αρσενικό και άλλα, τα οποία όμως με σωστή μέριμνα μπορούν να αντιμετωπιστούν με επιτυχία. Το πιο απρόσμενο μειονέκτημα των γεωθερμικών εγκαταστάσεων είναι ο έντονος θόρυβος, καθώς το υγρό ή αέριο ρέει στις σωληνώσεις.
(1, 4, 5, 7, 8)
2
οΚεφάλαιο: Αιολική – Ηλιακή Ενέργεια
2.1 Εισαγωγή
Εκ του συνόλου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η αιολική και η ηλιακή λαμβάνουν τη μεγαλύτερη προσοχή, γεγονός το οποίο οφείλεται κυρίως στο ότι οι πηγές αυτές είναι ανεξάντλητες. Το αιολικό και το ηλιακό δυναμικό είναι τεράστιο και με τη σωστή εκμετάλλευσή τους μπορούν να καλύψουν μεγάλο ποσοστό των ενεργειακών αναγκών παγκοσμίως.
Σχήμα 2.1 : Ανεμογεννήτριες
Η συνεχής εξέλιξη της τεχνογνωσίας στους τομείς των δύο αυτών πηγών ενέργειας, ειδικά μετά το 1970, έχει σαν αποτέλεσμα την ολοένα και περισσότερο αυξανόμενη χρήση τους. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα πλέον πλησιάζουν αποδόσεις της τάξεως του 20%, ενώ παρουσιάζεται βελτίωση στην αξιοπιστία των ανεμογεννητριών, στην αθόρυβη λειτουργία αυτών και στην καλύτερη εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού. Με τα προαναφερθέντα
είναι λογικό ότι η χρήση των συγκεκριμένων πηγών ενέργειας γίνεται περισσότερο επιθυμητή αλλά και εφικτή.
2.2 Εξέλιξη της Αιολικής Ενέργειας
Ο άνθρωπος στην πάροδο των χιλιετιών έχει χρησιμοποιήσει την ενέργεια του ανέμου σε πολλές εφαρμογές του. Ξεκινώντας από το 3100 π.Χ.
όπου οι Αιγύπτιοι χρησιμοποιούσαν μικρά ιστιοπλοϊκά σκαφίδια στο Νείλο, τις ιστορίες που έλπιζαν σε κάποτε τιθάσσευση του ανέμου, όπως ο πασίγνωστος μύθος του Δαίδαλου και του Ίκαρου, την πρώτη χρήση ανεμόμυλων το 640 μ.Χ., την πρώτη ανεμογεννήτρια του Brush με κινητήρα 12 KW DC (γνωστή ως Brush’s Dynamo) και φτάνοντας σήμερα στην ευρεία χρήση της για μαζική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες με ισχύ της τάξεως των 7,5 MW (Enercon E-126). (13, 14, 15, 16)
Τον 19ο αιώνα μετά την πρώτη ανεμογεννήτρια του Brush ακολούθησε η πειραματική έρευνα του Pour La Cour (1891-1918) στη Δανία, καθώς και οι πρώτες προσπάθειες από τον ίδιο να λύσει το πρόβλημα αποθήκευσης ενέργειας μέσω της ηλεκτρόλυσης νερού και αποθήκευσης του υδρογόνου.
Το 1925 εμφανίστηκαν στην Αμερική οι πρώτες εμπορικές ανεμογεννήτριες ισχύος 200-3000 W, κυρίως για το γέμισμα μπαταριών. Από το 1925 και μετά η ανάπτυξη των ανεμογεννητριών έγινε κυρίως από Δανέζους μηχανικούς στην προσπάθεια αντιμετώπισης διακοπών ρεύματος κατά τη διάρκεια των παγκοσμίων πολέμων. Το 1941-42 η δανέζικη εταιρία Smidth ανέπτυξε ανεμογεννήτριες, οι οποίες θεωρούνται προπομποί των σημερινών ανεμογεννητριών. Η εξέλιξη των ανεμογεννητριών συνεχίζεται κυρίως από την Αμερική και τη Δανία, ενώ παράλληλα πραγματοποιούνται κάποιες έρευνες στη Γερμανία χωρίς όμως κάποια άλλη πρωτοποριακή εξέλιξη, λόγω της φτηνής παραγωγής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα. (12, 15, 16, 17)
Έως τη δεκαετία του ΄70 η ανάπτυξη στον τομέα της αιολικής ενέργειας ήταν σχετικά αργή, διότι τα κίνητρα ήταν κυρίως επιστημονικά και υπήρχαν λίγα περιθώρια για κέρδος. Με την ενεργειακή κρίση του 1973 στην Αμερική όμως, όταν οι τιμές του πετρελαίου εκτοξεύθηκαν στα ύψη, αυτό άλλαξε. Η αμερικανική κυβέρνηση και κυρίως η πολιτεία της Καλιφόρνια, προώθησαν
την ανάπτυξη νέων πηγών ενέργειας στην προσπάθεια να αντιμετωπίσουν την κρίση, με αποτέλεσμα μεγάλες χρηματοδοτήσεις σε διάφορα προγράμματα. Η αιολική ενέργεια, όπως και η ηλιακή, ήταν από τους πρωτοπόρους χάρη στην αέναη πρώτη ύλη τους. Έτσι, έως το 1980, στην Καλιφόρνια είχε εγκατασταθεί μεγάλος αριθμός μικρών ανεμογεννητριών (<100 ΚW), συνολικής ισχύος 1500 ΜW.
Σήμερα, η ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει γίνει παγκόσμια ανάγκη και η εγκατεστημένη ισχύς τους όλο και αυξάνεται στην προσπάθεια πρόληψης μιας καινούργιας ενεργειακής κρίσης, καθώς και μείωσης των ρύπων του πλανήτη, αλλά και χάρη σε διάφορες φοροαπαλλαγές και προγράμματα χρηματοδότησης. Μέχρι το 2010, η εγκατεστημένη ισχύς αιολικής ενέργειας έφτασε τα 198GW παγκοσμίως, από μόλις 10 GW που ήταν το 1999. (5, 12, 13, 17)
2.3 Μέρη – Λειτουργία Ανεμογεννήτριας
Με το πέρασμα των ετών η τεχνολογία των ανεμογεννητριών έχει καταλήξει σε ορισμένες μορφές, οι οποίες στοχεύουν σε βελτιωμένες επιδόσεις, αξιοπιστία στη λειτουργία και χαμηλό κόστος.
Η λειτουργία της ανεμογεννήτριας βασίζεται στις διαφορετικές πιέσεις στα διάφορα σημεία των πτερυγίων της. Συγκεκριμένα, για τις ανεμογεννήτριες τύπου πτερυγίων στο δρομέα, η προαναφερόμενη διαφορά στις πιέσεις γίνεται ως εξής: Οι αεροδυναμικές ανυψωτικές δυνάμεις στο διάστημα του δρομέα, ακτίνας r και μήκους δ των πτερυγίων είναι υπεύθυνες για το ρυθμό μεταβολής της γωνιακής και αξονικής στροφορμής του συνόλου του αέρα που περνά μέσα από την επιφάνεια που σαρώνουν τα πτερύγια.
Επιπλέον, η δύναμη που εφαρμόζεται στα πτερύγια, χάρη στην πτώση πίεσης λόγω της γωνιακής ταχύτητας, πρέπει να παρέρθει από την αεροδυναμική ανύψωση και υστέρηση. Καθώς δεν υπάρχει περιστροφή της ροής που εισέρχεται στο δρομέα, η ελαττωμένη πίεση στην κάτωθεν πλευρά του δρομέα που δημιουργείται από την περιστροφή του αέρα, δημιουργεί την εμφάνιση πτώσης πίεσης στην κάτωθεν πλευρά του δρομέα με αποτέλεσμα την αλλαγή της γωνιακής στροφορμής. (13)
Είδη ανεμογεννητριών υπάρχουν πολλά και κάθε είδος έχει δικά του χαρακτηριστικά. Τα συνήθη μέρη των ανεμογεννητριών είναι τα εξής (12, 13, 14, 15):
Πτερωτή: Αποτελείται από ένα έως εικοσιτέσσερα πτερύγια συνήθως. Τα σημαντικότερα σημεία της ανεμογεννήτριας είναι ο αριθμός των πτερυγίων, η αεροδυναμική και το μέγεθός τους, τα οποία καθορίζουν τα χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας.
Άξονας Κίνησης: Μεταφέρει την κίνηση της πτερωτής προς τα συστήματα μετάδοσης κίνησης.
Υδραυλικό φρένο: Απαραίτητο μέρος της ανεμογεννήτριας.
Σταματάει τον άξονα κίνησης σε περίπτωση μεγάλης ταχύτητας ανέμου ή άλλης ανάγκης. Σε κάθε ανεμογεννήτρια είναι απαραίτητη η ύπαρξη δύο ανεξάρτητων συστημάτων φρεναρίσματος.
Σύστημα μετάδοσης κίνησης (χαμηλών στροφών και υψηλών στροφών): Ρυθμίζουν τη μετάδοση κίνησης σε επιθυμητές ταχύτητες.
Κιβώτιο ταχυτήτων: Ρύθμιση μετάδοσης κίνησης σε επιθυμητές ταχύτητες.
Γεννήτρια ρεύματος: Σύγχρονη, ασύγχρονη ή άλλοι τύποι.
Μερικές φορές πάνω από μία γεννήτρια σε κάθε ανεμογεννήτρια.
Ηλεκτρονικά αισθητήρια: Ταχύτητας ανέμου, ταχύτητας άξονα και πολλά ακόμα, τα οποία σε συνδυασμό με τα συστήματα αυτόματου ελέγχου κάνουν μια ανεμογεννήτρια μια πλήρως αυτοματοποιημένη κατασκευή.
Ανεμόμετρο: Μετρητής ταχύτητας ανέμου
Ανεμοδείκτης: Δείκτης φοράς ανέμου
Κέλυφος μηχανισμού: Κάλυμμα προστασίας των μερών της ανεμογεννήτριας από υγρασία, νερό, σωματίδια. Επίσης, μηχανισμός ηχομόνωσης στις μεγάλες ανεμογεννήτριες.
Σύστημα περιστροφής: Σύστημα που επιτρέπει την περιστροφή της ανεμογεννήτριας στη σωστή φορά ανέμου.
Μοτέρ περιστροφής: Μηχανισμός περιστροφής της ανεμογεννήτριας στη σωστή κατεύθυνση (σε μικρές ανεμογεννήτριες παραβλέπεται συνήθως).
Πύργος στήριξης: Η βάση της ανεμογεννήτριας και ταυτόχρονα ο τρόπος που εξασφαλίζεται ότι η ανεμογεννήτρια έχει πρόσβαση σε δυνατότερους ανέμους, οι οποίοι είναι ψηλότερα από το επίπεδο του εδάφους.
2.4 Ισχύς ανεμογεννήτριας – Ενεργειακές απώλειες
Όταν μια ανεμογεννήτρια λειτουργεί, εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια του ανέμου και τη μετατρέπει σε κινητική στον άξονά της. Αυτή η διαδικασία όμως έχει κάποιες ενεργειακές απώλειες. Μετά τον άξονα η κινητική ενέργεια μεταφέρεται στη γεννήτρια, διαδικασία η οποία έχει περαιτέρω απώλειες. Επίσης, η ίδια η γεννήτρια παρουσιάζει απώλειες στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Η ισχύς λοιπόν του ηλεκτρικού ρεύματος που δεχόμαστε από τη μηχανή μετά τον υπολογισμό όλων των απωλειών δίνεται από τον τύπο:
P= 0,5*Cp*ρ*A* V3 (2.1)
όπου P η ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος, ρ η πυκνότητα του αέρα, Α η επιφάνεια που σαρώνουν τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας σε τετραγωνικά μέτρα, V η ταχύτητα του αέρα και Cp ο συνολικός συντελεστής ισχύος της ανεμογεννήτριας μετά τον υπολογισμό όλων των απωλειών.
Ένα άλλο σημαντικό μέγεθος όσον αφορά την ισχύ της ανεμογεννήτριας είναι η ονομαστική ισχύς. Αυτή καθορίζεται από τη γεννήτρια
και μπορεί να αποδοθεί συνήθως για ταχύτητες ανέμου από 11 μέτρα ανά δευτερόλεπτο έως και 25 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. (12, 13, 14)
2.5 Αιολικά Πάρκα
Η τοποθέτηση μιας ανεμογεννήτριας προϋποθέτει την ίδια την ανεμογεννήτρια με όλα τα μέρη της, η μεταφορά των οποίων απαιτεί την ύπαρξη, ακόμα και τη διάνοιξη, κατάλληλων οδών. Επίσης, απαραίτητη είναι η κατασκευή θεμελίων για την παροχή της απαραίτητης σταθερότητας της κατασκευής. Εξέχουσας σημασίας είναι η ύπαρξη κατάλληλου ηλεκτρικού δικτύου και η πραγματοποίηση μελετών έργου και περιβάλλοντος κ.ά. Από τις παραπάνω προϋποθέσεις προκύπτει το συμπέρασμα πως ένα τέτοιο έργο μπορεί να αποβεί ασύμφορο, συγκρίνοντας τη συνολική απόδοσή του με το κόστος του. Για να μπορεί να χαρακτηριστεί μια τέτοιου είδους επένδυση επικερδής συνήθως πραγματοποιείται μαζική τοποθέτηση ανεμογεννητριών σε μια έκταση, ώστε να μπορεί να γίνεται χρήση κοινών πόρων π.χ. δρόμοι, ηλεκτρικό δίκτυο κ.ά. Η έκταση αυτή ονομάζεται αιολικό πάρκο. (13, 14)
Σχήμα 2.2: Αιολικό πάρκο
2.6 Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα
Οι ανεμογεννήτριες και τα αιολικά πάρκα εμφανίζουν μια σειρά από πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Τα πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών είναι πολύ βαρυσήμαντα, έστω και αν δεν είναι πολλά στον αριθμό τους. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν ένα είδος ενέργειας με μηδαμινές εκπομπές σε αέρια που δημιουργούν φαινόμενο θερμοκηπίου. Συγκεκριμένα, κατά την κατασκευή και εγκατάσταση των ανεμογεννητριών δημιουργούνται κάποιες έμμεσες εκπομπές ρυπογόνων αερίων, οι οποίες αντιστοιχούν περίπου στο 0-1% των εκπομπών που θα προέκυπταν από την καύση άνθρακα. Επίσης, η αιολική ενέργεια είναι αέναη και εφόσον εγκατασταθεί, η ανεμογεννήτρια μπορεί με σωστή συντήρηση να έχει πολύ μεγάλο χρόνο ζωής. Παράδειγμα αποτελεί το Altamont Pass της California, ένα λειτουργικό αιολικό πάρκο ισχύος 125 MW το οποίο ανεγέρθηκε το 1970. (12, 16)
Η αιολική ενέργεια αποτελεί την πλέον βιώσιμη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, ενώ μακροπρόθεσμα αναμένονται σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις κυρίως στα παράκτιες ανεμογεννήτριες που θα αυξήσουν τη διείσδυσή τους. Οι οικονομικές και κοινωνικές επιπτώσεις από την ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας είναι ίσως πολύ πιο ενδιαφέρουσες από τις περιβαλλοντικές. Αυτές είναι δημιουργία νέων θέσεων απασχόλησης, η μείωση της εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα, η μείωση των περιφερειακών ανισοτήτων, η εξασφάλιση αειφόρου περιφερειακής ανάπτυξης και κυρίως οι καταλυτικές επιπτώσεις στη μελλοντική μορφή οργάνωσης των κοινωνιών.
Μακροπρόθεσμα οι επιλογές που έχει η ανθρωπότητα για κάλυψη των αυξημένων ενεργειακών της αναγκών είναι μεταξύ της πράσινης και της πυρηνικής τεχνολογίας οι οποίες, όπως κάθε τεχνολογία, δεν είναι πολιτικά και κοινωνικά ουδέτερες. Η επικράτηση της πράσινης τεχνολογίας θα ευνοήσει την αποκεντρωμένη και δημοκρατική οργάνωση των κοινωνιών. (18) Παρότι η αιολική ενέργεια προσφέρει πολύ ισχυρά πλεονεκτήματα, οι ανθρώπινες κοινότητες μπορεί να αντιδράσουν στην κατασκευή ενός αιολικού πάρκου εξαιτίας κάποιων αρνητικών χαρακτηριστικών του. Ένα από αυτά είναι η εμφάνιση των ανεμογεννητριών, η οποία έχοντας χαρακτηριστεί αντί-
αισθητική, αναγκάζει τις εταιρίες που αναλαμβάνουν την κατασκευή ενός αιολικού πάρκου στην ανεύρεση ενός απόμερου σημείου για την κατασκευή του. (13, 16)
Ένα άλλο πρόβλημα είναι η ηχορύπανση, η οποία εμφανιζόταν ειδικά στις πρώτες ανεμογεννήτριες. Όμως, με σωστή μοντελοποίηση των μερών της ανεμογεννήτριας αυτό αποτελεί πλέον ένα πρόβλημα του παρελθόντος, καθώς μπορεί να παράγεται θόρυβος, αλλά κυμαίνεται πλέον σε πολύ μικρότερες εντάσεις. (13, 16)
Τη δεκαετία του 1980 υπήρξε αντίδραση στην ανέγερση ανεμογεννητριών, διότι υπήρχαν θάνατοι πτηνών από τα πτερύγιά τους και από τότε υπήρξαν διάφορες μελέτες καταμέτρησης θανάτων πτηνών. Αξίζει να αναφερθεί η μελέτη του Clausager (ETSU, 1996), η οποία καταμέτρησε περίπου 6-7 θανάτους πτηνών ανά τουρμπίνα στη Δανία, με το συνολικό αριθμό θανάτων πτηνών στη χώρα αυτή να ανέρχεται σε 20.000-25.000. Όσο μεγάλος και αν φαίνεται αυτός ο αριθμός, οι θάνατοι πτηνών από την κυκλοφορία οχημάτων είναι τουλάχιστον 1.000.000 στην ίδια χώρα. (13, 16)
Ένα επιπλέον πρόβλημα της αιολικής ενέργειας είναι η αστάθειά της, η οποία δημιουργεί εναλλαγές στην ποιότητα του ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτό όμως είναι ένα πρόβλημα το οποίο λύνεται μέσω της σωστής μοντελοποίησης των ανεμογεννητριών, με κάποια αύξηση του κόστους φυσικά. (12, 15)
Ένα απρόσμενο πρόβλημα ήταν οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές που δημιουργούν οι ανεμογεννήτριες. Ο Hall το 1992 ανέφερε ότι σε απόσταση 100 μέτρων από μια ανεμογεννήτρια 400 KW δεν ήταν δυνατό να εντοπιστούν ηλεκτρομαγνητικά σήματα, γεγονός το οποίο λύθηκε με σωστή μόνωση της γεννήτριας. (13)
Τέλος, ένα ακόμα μειονέκτημα που παρουσιάστηκε, είναι ο επηρεασμός της ανθρώπινης υγείας από τη σκίαση που δημιουργούν τα πτερύγια. Αυτό το φαινόμενο παρουσιάζεται όταν η σκίαση από τα πτερύγια συμβαίνει με συχνότητα 2.5 έως 20 Hz και πρέπει να υπολογίζεται πριν την εγκατάσταση ανεμογεννητριών σε κατοικημένες περιοχές.(13)
2.7 Η αιολική ενέργεια στην Ελλάδα και στον κόσμο
Η προσπάθεια των κρατών να μειωθούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη χρήση συμβατικών πηγών ενέργειας, σε συνδυασμό με την πιθανότητα μιας νέας ενεργειακής κρίσης, έχει οδηγήσει στην έρευνα και ανάπτυξη όλων των εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Την παγκόσμια ανάπτυξη στον τομέα της αιολικής ενέργειας ακολούθησε και η Ελλάδα, η οποία διαθέτει τεχνικά και οικονομικά εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό.
Στην Ελλάδα έχουν μέχρι σήμερα εγκατασταθεί ανεμογεννήτριες συνολικής ισχύος άνω των 1.140 ΜW, με εγκατεστημένα αιολικά πάρκα σε όλη τη χώρα και κάποια από αυτά σε νησιά. Παράδειγμα αποτελεί η Κεφαλληνία με τα τρία αιολικά πάρκα της, αυτά του Αργοστολίου και Πυλαρέων, ισχύος 30, 32 και 13,6 ΜW. (19)
Παγκοσμίως η εγκατεστημένη ισχύς αιολικής ενέργειας αγγίζει τα 198 GW. Η Κίνα κατέχει τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ παγκοσμίως, αγγίζοντας τα 45 GW. Κάποια από τα αιολικά πάρκα σε όλο τον κόσμο είναι αυτό στο Roscoe, Texas με 781,5 MW εγκατεστημένης ισχύος, το θαλάσσιο αιολικό πάρκο στο Kent, UK με 300 MW εγκατεστημένης ισχύος. (5)
2.8 Εφαρμογές αιολικής ενέργειας
Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται ανά τον κόσμο σε πολλές εφαρμογές όπως, στην τροφοδοσία απομακρυσμένων καταναλωτών με χρήση συσσωρευτών ή υβριδικών συστημάτων, στην ηλεκτροδότηση μικρών αντλιών, στην τροφοδότηση δικτύου με ηλεκτρική ισχύ με χρήση αιολικών πάρκων ή και μεμονωμένων ανεμογεννητριών, στη φόρτιση συσσωρευτών και την τροφοδοσία πλατφορμών εξόρυξης πετρελαίου.
Οι εφαρμογές περιορίζονται όσο η φαντασία του ανθρώπου, καθώς με τη σωστή μελέτη πολλά από τα προβλήματα ενέργειας του πλανήτη μπορούν να λυθούν ή τουλάχιστον να μειωθούν, με σωστή χρήση της αιολικής ενέργειας σε συνδυασμό με τις υπόλοιπες ήπιες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
2.9 Ο Ήλιος
Χάρη στην πυρηνική σύντηξη υδρογόνου σε ήλιο που διενεργείται στο εσωτερικό του Ηλίου, η επιφάνειά του διαρκώς εκπέμπει θερμότητα στους 5800° Kelvin και φωτόνια. Η ενέργεια του ήλιου είναι υπεύθυνη για την ύπαρξη ζωής στον πλανήτη, καθώς δημιουργεί ισορροπία χημικών ενώσεων και διεργασιών απίστευτης πολυπλοκότητας. (9, 11, 20)
Σχήμα 2.3: Ο Ήλιος
2.10 Προσπίπτουσα ακτινοβολία στη Γη
Από την ενέργεια που εκπέμπεται από τον Ήλιο, στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας της Γης φτάνουν 1353 W ανά τετραγωνικό μέτρο. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στην ατμόσφαιρα, κάποιο μέρος της περνάει ανεπηρέαστο και κάποιο άλλο απορροφάται από τα ατμοσφαιρικά σωματίδια ή ανακλάται σ΄αυτά. Όταν φτάνει στην επιφάνεια της Γης, η εναπομείνουσα
ακτινοβολία είτε θα απορροφηθεί, είτε θα ανακλαστεί στα σώματα του εδάφους.
Στην επιφάνεια της Γης η ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει από τόπο σε τόπο λόγω των κλιματικών διαφορών και της διαφορετικής γεωγραφικής θέσης. Επίσης, η ηλιακή ακτινοβολία μειώνεται από την ανάκλαση των φωτονίων στα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Τέλος, υπάρχει διαφορά στην ακτινοβολία λόγω της κίνησης του Ηλίου ανά μέρα και κατά τη διάρκεια του έτους. Από την αρχική ισχύ στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας, καταλήγουν κατά μέσο όρο στην επιφάνεια της γης 342 W ανά τετραγωνικό μέτρο. (9, 11, 20)
2.11 Υπολογισμός ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο
Ενώ τα δεδομένα που είναι διαθέσιμα για την ηλιακή ακτινοβολία συνήθως αναφέρονται σε οριζόντια επιφάνεια, τα φωτοβολταϊκά τοποθετούνται σε κλίση, ώστε να είναι στραμμένα προς τον ήλιο για να μην υπάρχει μεγάλη απώλεια ισχύος.
Ο υπολογισμός της ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο γίνεται ως εξής: Πρώτα υπολογίζεται ο δείκτης αιθριότητας, δηλαδή τι ποσοστό από την ακτινοβολία στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας φτάνει στην επιφάνεια της γης στο σημείο προς μελέτη, κατόπιν υπολογίζεται η ακτινοβολία λόγω διάχυσης και τέλος, υπολογίζονται οι διαφοροποιήσεις στην ακτινοβολία λόγω γωνίας και για τις δύο προηγούμενες ακτινοβολίες. (11, 20)
2.12 Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο
Το 1839 ο Henry Becquerel καθώς διεξήγαγε πειράματα παρατήρησε ότι όταν φωτοβολεί δύο ράβδους από ασήμι, ενώ αυτές είναι βυθισμένες σε ηλεκτρολύτη, είναι δυνατό να μετρηθεί ύπαρξη χαμηλής εντάσεως ρεύματος.
Από την πρώτη αυτή ανακάλυψη του εν λόγω φυσικού έως σήμερα το φαινόμενο έχει αναλυθεί διεξοδικά.
Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι η μετατροπή της ισχύος του φωτός σε ηλεκτρική ισχύ και βασίζεται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο που απέδειξε ο
Άινσταϊν το 1905. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο περιγράφεται ως εξής: καθώς ένα φωτόνιο προσπίπτει στην επιφάνεια ενός μετάλλου, ένα ηλεκτρόνιο εξέρχεται από την επιφάνειά του. Στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, καθώς το φωτόνιο προσπίπτει στη θετική επιφάνεια ενός ημιαγωγού δημιουργείται διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις επιφάνειες p-n. (10, 20, 21)
2.13 Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών στοιχείων - Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση
Κατά την αγορά φωτοβολταϊκών στοιχείων παρέχεται ένα συνοδευτικό ενημερωτικό έντυπο, το οποίο αναφέρει τα ονομαστικά χαρακτηριστικά τους.
Τα χαρακτηριστικά αυτά αναφέρονται σε συγκεκριμένες συνθήκες, οι οποίες κατά πάσα πιθανότητα δε θα είναι εφικτές. Η μέγιστη ισχύς που μπορεί να αποδώσει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες (11, 20):
Ο προσανατολισμός των στοιχείων: Είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας για το εάν το φωτοβολταϊκό στοιχείο θα αποδίδει το μέγιστο δυνατό. Όσο πιο κάθετα είναι η επιφάνειά του στον ήλιο, τόσο αυξάνεται η απόδοση της ισχύος του.
Η σκίαση του φωτοβολταϊκού πλαισίου: Έστω και ένα μικρό μέρος του πλαισίου να σκιάζεται, η μείωση στην ένταση του ρεύματος είναι πολύ σημαντική.
Η θερμοκρασία: Όσο πιο θερμή είναι η κατάσταση λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων, τόσο μειώνεται η τάση που αποδίδεται.
2.14 Βασικοί τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων
Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία υπάρχουν σε πολλές μορφές. Από την πιο συνηθισμένη, την κρυσταλλική σιλικόνη έως τα πειραματικά πολυμερών με έλεγχο σε επίπεδο νανοδομής.
Ένα από τα υλικά που χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι το πυρίτιο. Οι πρώτες ύλες είναι άφθονες,
καθώς το 50% της γης αποτελείται από πυρίτιο. Παρόλα αυτά, η παραγωγή καθαρού πυριτίου είναι μια αρκετά ενεργοβόρα διαδικασία. Εφόσον εξασφαλισθεί καθαρό πυρίτιο, αυτό θα μετατραπεί σε φωτοβολταϊκά στοιχεία είτε μονοκρυσταλλικού πυριτίου (αποδόσεις περίπου 13-18%), είτε πολυκρυσταλλικού (αποδόσεις περίπου 10-14%). Υπάρχουν, επίσης, τεχνολογίες, όπως η στρωμάτων πυριτίου (αποδόσεις περίπου 22-25%) (Buried Contact Silicon Cells) και άμορφου πυριτίου (αποδόσεις περίπου 10%).
Ένα άλλο υλικό για την κατασκευή τους είναι το αρσενικούχο γάλλιο.
Τα στοιχεία που κατασκευάζονται από αυτό το υλικό έχουν απόδοση συνήθως 20%. Υπάρχουν επίσης πολλές έρευνες για άλλες καινοτόμες τεχνολογίες όπως, οργανικών ημιαγωγών, με διάχυση χρωστικών για κάλυψη μεγαλύτερων φασμάτων ενέργειας φωτονίων κ.ά. (11, 20, 21)
2.15 Φωτοβολταϊκά πλαίσια
Κάθε φωτοβολταϊκό στοιχείο των 100 τετραγωνικών εκατοστών αποδίδει τάση της τάξεως του 0.5 Volt και ένταση 3 Amperes σε πλήρη ηλιοφάνεια. Αυτή η μικρή τάση και ένταση δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμη, συνδέοντας τα φωτοβολταϊκά στοιχεία όμως σε σειρά και παράλληλα σε ένα πλαίσιο αυξάνεται η τάση, αλλά και η ένταση του ρεύματος που αποδίδει η εγκατάσταση. Έτσι, είναι εφικτό το φωτοβολταϊκό πλαίσιο με 30 έως 36 φωτοβολταϊκά στοιχεία να αποδίδει σε πλήρη ηλιοφάνεια ισχύ τάξεως 50 Watts.
Σχήμα 2.4: Φωτοβολταϊκά Πλαίσια