ΗΛΙΑΚΑ ΚΑΤΟΠΤΡΑ
TRANSCRIPT
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
1
ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ Χρήσεις: Ξήρανση γεωργικών προϊόντων
Θέρµανση χώρων
Ωφέλιµη ροή θερµότητας: 2 1( )dmQ c q c T Tdt
ρ= ∆Τ = −
∆ιαφορές από τον επίπεδο ηλιακό συλλέκτη Πυκνότητα: ραέρα = 0.001 ρνερού Θερµική αγωγιµότητα αέρα πολύ µικρότερη του νερού Βελτίωση της αποδοτικότητας: • ∆ιαµόρφωση της επιφάνειας επαφής ώστε να αυξηθεί η ενεργός
επιφάνεια και οι τυρφώδεις κινήσεις • Χρήση πορώδους
απορροφητικής επιφάνειας
ΗΛΙΑΚΗ
ΨΥΧΡΟΣ ΑΕΡΑΣ ΘΕΡΜΟΣ ΑΕΡΑΣ
ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ
ΣΥΛΛΕΚΤΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ
Τ1 Τ2
ΓΥΑΛΙΝΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ
ΠΟΡΩ∆ΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ
ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗ
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
2
ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΟΥ
ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΚΟΠΟΣ: ∆ιατήρηση της θερµοκρασίας ενός κλειστού χώρου σε επίπεδα ανεκτά (15-20° C) ελαχιστοποιώντας τη χρήση βοηθητικής θέρµανσης ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Περιοχές µε ψυχρό κλίµα (π.χ. µεγάλα γεωγραφικά πλάτη)
ΠΑΡΑΘΥΡΟ
ΜΟΝΩΣΗ
ΜΑΖΑ ΜΕΓΑΛΗΣ ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
3
( )ro t r a
dTmc E P T T Udt
τα= + − −
ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ ΣΤΟΧΟΙ: Μέγιστη προσλαµβανόµενη ενέργεια Ελάχιστη χρήση βοηθητικής θέρµανσης Ελάχιστες απώλειες
ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟ
• Γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων
• Προσανατολισµός κτηρίου
• Επάρκεια θερµότητας για τη νύχτα ή για µερικές ηµέρες (αποθήκευση)
• Αποφυγή υπερβολικής θέρµανσης
• ∆ιακυµάνσεις της εσωτερικής θερµοκρασίας
• Επιπλέον θερµότητα (φωτισµός, οικιακές δραστηριότητες, ένοικοι)
• Αισθητική και λειτουργικότητα
Απώλειες θερµότητας α) Θερµοµόνωση β) Εξαερισµός του χώρου (ανάκτηση θερµότητας) γ) Είσοδος - έξοδος χρηστών (διαδοχικές πόρτες) δ) Ακτινοβολία θερµότητας τη νύχτα (πετάσµατα) *Τα παθητικά συστήµατα είναι γενικά µη εφαρµόσιµα σε υπάρχοντα κτήρια
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
4
ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η θερµότητα παράγεται από εξωτερικά συστήµατα και µεταφέρεται στο κτήριο Η µεγάλη επιφάνεια συλλεκτών περιορίζει την εφαρµογή τους σε πόλεις Αποτελεσµατική θερµοµόνωση Εσωτερική αποθήκη θερµικής ενέργειας Σύστηµα διανοµής της θερµότητας στους χώρους του κτηρίου
ΗΛΙΑΚΕΣ ∆ΕΞΑΜΕΝΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Μεγάλες ποσότητες θερµικής ενέργειας χαµηλής θερµοκρασίας
Θερµοκρασία νερού στον πυθµένα ~90° (ή και µεγαλύτερη) Χρόνος αποθήκευσης µεταξύ µερικών ηµερών ή και µερικών µηνών) Παραγωγή ενέργειας µε κύκλους χαµηλής θερµοκρασίας
°ΠΟΛΥ ΠΥΚΝΟ
ΠΥΚΝΟ
ΑΡΑΙΟ
ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΣ ΠΥΘΜΕΝΑΣ
ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
5
min 2c sRr θ
=
ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΕΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΟΧΟΣ: Αύξηση της ροής της ακτινοβολίας στο συλλέκτη ώστε να επιτευχθούν πολύ υψηλές θερµοκρασίες
Ικανότητα συµπύκνωσης: r
a
AAX =
Απορροφούµενη ισχύς Pabs = rc α l D Eb Ισχύς που χάνεται µε ακτινοβολία
( ) ( )4 2 1rad rP T r l ζε σ ππ
= −
Όπου
Επιφάνεια κάτοπτρου
Επιφάνεια συλλέκτη
ζ
θs
D
Rc
ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΣΥΛΛΟΓΗΣ
ΑΣΠΙ∆Α
ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΟ ΚΑΤΟΠΤΡΟ
ΗΛΙΟΣ
ψ
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
6
2 4s
c
DDR r
θψ = =
Όταν επιτευχθεί θερµοδυναµική ισορροπία, Pabs = Prad
( )
11 44
2 1c b
rr a E DT
rε σ π ζ π
= −
Η θερµοκρασία Τr µεγιστοποιείται όταν ζ π – ψ Επειδή
14
max 2 c br
s
r a ETε σ θ
=
Για τυπικές συνθήκες: Εb = 600 W m-2
rc = 0.8 θs = 4.6 10-3 rad σ = 5.67 10-8 W m-2 K-4 α = ε (νόµος του Kirchhoff)
Trmax = 1160 K
Απώλειες: Ατέλειες στο παραβολικό κάτοπτρο (θ > θs) Μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης κατά τις µη µεσηµβρινές ώρες
Απόσυρση θερµού νερού για χρήση Πρακτικά Τ ~ 700 °C
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
7
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
8
Παραβολικά κάτοπτρα εκ περιστροφής
Συνεχής παρακολούθηση της κίνησης του ήλιου για καθετοποίηση των ακτίνων Μεγάλες διαστάσεις Τεχνικές δυσκολίες για την κίνηση Μεµονωµένα κάτοπτρα:
παράγουν υψηλές θερµοκρασίες ~700 °C
δεν ενδείκνυνται για παραγωγή ηλεκτρισµού
Παράδειγµα: ∆ιάµετρος κατόπτρου 30 m παραγόµενη ισχύς: π(15 m2) (1 kW m-2) ~ 700 kW παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος 700 kW *0.3 = 210 kW (απόδοση ~30%)
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
9
ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΗΛΙΑΚΑ ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΚΑΤΟΠΤΡΑ
1463 2 2
12
kJ mole−ΝΗ → Ν +Η
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
10
ΗΛΙΑΚΟΙ ΠΥΡΓΟΙ – ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
11
ΗΛΙΑΚΟΙ ΦΟΥΡΝΟΙ
Συγκέντρωση µεγάλης πυκνότητας ενέργειας σε ένα σηµείο για επίτευξη εξαιρετικά υψηλών θερµοκρασιών (π.χ. Odellio Γαλία Τ = 33,000 °C)
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
12
ww o b r v e
dTmc E q q q qdt
τα= − − − −
Απώλειες θερµότητας: b: Βάση r: ακτινοβολία v: αγωγή e: εξάτµιση
LΗ2Ο = 2.4 ΜJ kg-1 Εο = 20 ΜJ m-2 day-1
MΗ2Ο = 8 kg-1 m-2 day-1
Τελική απόδοση συστήµατος ~ 60%
ΕΞΑΤΜΙΣΥΓΡΟΠΟΙΗΣΗ ΘΑΛΑΣΣΙΝΟ ΝΕΡΟ
ΑΦΑΛΑΤΙΣΜΕΝΟ ΝΕΡΟ
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
13
ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ
∆ιαφορά δυναµικού ~ 0.5 Volt
Παράγεται συνεχές ηλεκτρικό ρεύµα ~200 Α m-2
(για 1 kW m-2 ροή ηλιακής. ακτινοβολίας) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι πηγές ηλεκτρικού ρεύµατος όχι τάσης Το παραγόµενο ρεύµα µεταβάλλεται ακολουθώντας τις µεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας (συστηµατικές ή τυχαίες)
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
14
Αποδοτική χρήση της παραγόµενης ισχύος εξαρτάται από: • Αποτελεσµατική παραγωγή ενέργειας από το στοιχείο • ∆υναµικό συνδυασµό του φορτίου µε το εξωτερικό κύκλωµα
o Αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας για να µπορεί να χρησιµοποιηθεί αποτελεσµατικά
ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΦΩΤΟΝΙΩΝ Φωτοβολταϊκό φαινόµενο όταν: hν ≥ Εg Για φωτοβολταϊκά στοιχεία Si: Εg ≈ 1 eV
19 115
34
8 1
15
(1.1 )(1.6 10 ) 0.27 106.63 10
3.0 10 1.1 11000.27 10
gE eV J eVv Hzh J s
ms m nmHz
λ µ
− −
−
−
×> ≈ = ×
×
×< = =
×
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
15
A. Ενέργεια πολύ µικρή για φωτοβολταϊκή παραγωγή σε στοιχεία Si Β. Ενέργεια που χρησιµοποιείται για φωτοβολταϊκή παραγωγή Ψ. Επιπλέον ενέργεια που δεν χρησιµοποιείται Η αχρησιµοποίητη απορροφούµενη ενέργεια καταναλώνεται σαν θερµότητα
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
16
Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου εξαρτάται από το συνδυασµό του φάσµατος της ηλιακής ακτινοβολίας και του Εg του υλικού
ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ • Πλέγµα των ηλεκτροδίων (απώλειες ~3%) • Φωτόνια µικρότερης ενέργειας (hν < Εg) (απώλειες ~23%) • Επιπλέον ενέργεια φωτονίων (hν - Εg) (απώλειες ~33%) • Ικανότητα συλλογής (ποσοστό ζευγών οπών-ηλεκτρονίων που παράγουν ρεύµα) (απώλειες ~30%)
• Από ανακλάσεις (~40%) στην επιφάνεια (τελική απώλεια ~2%)
Τελική απόδοση ~ 14%
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
17
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ
Ανάγκη συνδυασµού περισσότερων του ενός (τυπικά 33 στοιχεία)
Σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας: Ηλεκτρικά στοιχεία + κύκλωµα
Προστασία από υπερφόρτιση
Προστασία από αποφόρτιση
Μέγιστο ρεύµα ~1.5Α Μέγιστο δυναµικό ~15V (ανοιχτό κύκλωµα)
Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης
18
ZΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ
ΣΤΟΙΧΕΙΟ
ΕΛΕΓΧΟΣ ΥΠΕΡΦΟΡΤΙΣΗΣΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ
ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟΦΟΡΤΙΣΗΣΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ
ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣΤΟΙΧΕΙΟ
ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥΣΤΟΙΧΕΙΟΥ
ΦΟΡΤΙΟ