Καθηγητης Παναγιώτης Γιαννούλης
DESCRIPTION
Έρευνα και Διδασκαλία στον κλάδο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών από το 1975 ως σήμερα. Καθηγητης Παναγιώτης Γιαννούλης. ΔΙΗΜΕΡΙΔΑ Διδασκαλία Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας με χρήση Εικονικής Πραγματικότητας 24-25 ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2014. Ενέργεια. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
olar
nergy aboratory
Physics DepartmentUniversity of Patras
Έρευνα και Διδασκαλία στον κλάδο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών από το 1975 ως σήμερα
Καθηγητης Παναγιώτης Γιαννούλης
ΔΙΗΜΕΡΙΔΑ Διδασκαλία Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας με χρήση Εικονικής Πραγματικότητας
24-25 ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2014
olar
nergy aboratory
Ενέργεια
1. Πηγές Ενέργειας (ανανεώσιμες/ ήπιες, πυρηνική…)2. Μετατροπή Ενέργειας (ηλεκτρισμός, υγρά/ αέρια καύσιμα…)3. Μεταφορά Ενέργειας (υπεραγωγιμότητα, υδρογόνο, heat pipes)4. Αποθήκευση Ενέργειας (θερμοχημεία, συσσωρευτές…)5. Εξοικονόμηση Ενέργειας (smart windows, παθητικά συστήματα…)
Επιπτώσεις● Θερμική μόλυνση● CO2 (φαινόμενο θερμοκηπίου)● Στρώμα O3 ● Χημική μόλυνση● Θόρυβος● Πυρηνικά ατυχήματα/ ραδιενέργεια
olar
nergy aboratory
ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ρυθμός Ενέργειας [kWh/year ]
Ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται από τη γη ~ 10 18
Γεωθερμία ~ 3×10 14
Παλίρροιες ~ 3×10 13
Έμμεσες μορφές ηλιακής ενέργειας
Φωτοσύνθεση (βιομάζα) ~ 8×10 14
Κινητική ενέργεια (συνολική αιολική και ενέργεια κυμάτων) ~ 2×10 17
Εξάτμιση νερού στην ατμόσφαιρα ~ 2,9×10 17
Συνολική υδροδυναμική ενέργεια. ~ 7,8×10 13
Εκμεταλλεύσιμη υδροδυναμική ενέργεια ~ 2,5×10 13
Θερμική ενέργεια ωκεανών (μεταβολή θερμοκρασίας με το βάθος) ~ 2×1012
olar
nergy aboratory
Ερευνητική δραστηριότητα για την αξιοποίηση των
ανανεώσιμων πηγών ενέργειας
● Ηλιακά Ενεργητικά Συστήματα
● Παθητικά Συστήματα
● Φωτοβολταϊκά
● Στοιχεία καυσίμου (Fuel Cells)
● Αιολική Ενέργεια
● Βιομάζα
● Εξοικονομιση Ενέργειας
olar
nergy aboratory
Σήμερα στηριζόμαστε στην εντατική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας και των υγρών καυσίμων για μεταφορές.
Ως πηγή ενέργειας χρησιμοποιούνται κυρίως τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία είναι αποθηκευμένη χημική ενέργεια που έχει παραχθεί από την ηλιακή ακτινοβολία σε χρονικό διάστημα εκατομμυρίων ετών με τη βοήθεια γεωλογικών φαινομένων κάτω από ευνοϊκές φυσικοχημικές συνθήκες και μεταβολές.
Η πυρηνική ενέργεια η οποία ελευθερώνεται κατά την αλληλεπίδράση σωματιδίων και πυρήνων, ή σωματιδίων μέσα στον πυρήνα έχει μικρή συμμετοχή στο ενεργειακό ισοζύγιο. Πυρηνικές διεργασίες που μας ενδιαφέρουν από πλευράς ενέργειας είναι η σχάση και η σύντηξη.
Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν έχουν αξιοποιηθεί σε σημαντικό βαθμό, παρά τις υποδείξεις της επιστημονικής κοινότητας σχετικά με την ευεργετική επίπτωση στο περιβάλλον (μείωση εκπομπών αερίων θερμοκηπίου και άλλων).
olar
nergy aboratory
olar
nergy aboratory
Physics DepartmentUniversity of Patras
Φωτοβολταϊκές (Φβ) Τεχνολογίες
Μονοκρυσταλλικά Πυριτίου (c-Si)
Πολυκρυσταλλικά Πυριτίου (poly-Si)
Αμόρφου Πυριτίου (a-Si:H), Μικροκρυσταλλικό
Άλλα Πολυκρυσταλλικά Φβ GaAs (III-Vs)
Thin films Cu(In, Ga) (Se, S)2 CdTe/CdS
Μονοκρυσταλλικά Πυριτίου Ανώτατη Απόδοση ~ 29%
Εμπορικά διαθέσιμα με Απόδοση 24%
olar
nergy aboratory
olar
nergy aboratory
olar
nergy aboratory
olar
nergy aboratory
Μετατροπή με ενδιάμεσο Θερμικό μετασχηματισμό
olar
nergy aboratory
olar
nergy aboratory
Κατηγορίες φ/β συστημάτων · Αυτόνομο σύστημα: Το σύστημα αποτελείται από συστοιχία φ/β στοιχείων, ηλεκτρονικό σύσημα ελέγχου και μπαταρίες με δυνατότητα παροχής συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος με χρήση αντιστροφέα.
· Σύστημα συνδεδεμένο με το δίκτυο: Το σύστημα αποτελείται από συστοιχία φ/β στοιχείων τα οποία μέσω αντιστροφέα συνδέονται με το ηλεκτρικό δίκτυο. Το δίκτυο χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας.
· Υβριδικό σύστημα: Αυτόνομο σύστημα που αποτελείται από φ/β panel που λειτουργούν μαζί με άλλες πηγές ενέργειας (π.χ. σε συνδυασμό με ανεμογεννήτρια).
Σύστημα μικρής ισχύος: Τοποθετείται σε κτίσματα που διαθέτουν ενεργητικά ή παθητικά ηλιακά συστήματα. Για τη λειτουργία αντλιών ή ανεμιστήρων συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιούνται για την κυκλοφορία του αέρα ή του νερού στους ηλιακούς συλλέκτες. Ενσωματωμένος ρυθμιστής ισχύος σταματά την λειτουργία του συστήματος, όταν η ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί. π. χ. πλαίσιο, με ανεμιστήρα που το χειμώνα βοηθά την κυκλοφορία του ζεστού αέρα από ένα θερμοκήπιο στο υπόλοιπο κτίριο ή τον αερισμό των υπερθερμαινόμενων χώρων το καλοκαίρι.
olar
nergy aboratory
Ισοδύναμο κύκλωμα Φβ στοιχείου
olar
nergy aboratory
Current–voltage characteristic of a c-silicon solar cell
olar
nergy aboratory
I-V και Ισχύς Φβ συστήματος
olar
nergy aboratory
Επίδραση της θερμοκρασίας και της έντασης της ακτινοβολίας στις καμπύλες I-V
olar
nergy aboratory
olar
nergy aboratory
CdTe/CdS solar cells
TCO
CdTe, 3μm
CdS, 0.1μm
Glass Substrate
ILLUMINATION
olar
nergy aboratory
Physics DepartmentUniversity of Patras
CdS, 3μm
Cu xS, 0.1μm
Glass Substrate
ElectrodesAu or Ni-Cr
ILLUMIN AT ION
TCO
CdTe, 3μm
CdS, 0.1μm
Glass Substrate
ILLU MIN AT ION
CuxS/CdS
CdTe/CdS
CuxS/CdS
olar
nergy aboratory
Οργανικά φωτοβολταϊκά (organic solar cells)
φωτοβολταϊκά με νανοσωματίδια ημιαγωγών ευρέως χάσματος (TiO2)
olar
nergy aboratory
Dye-sensitized Solar Cells
olar
nergy aboratory
P3HT:PCBM devices
olar
nergy aboratory
Quantum Dot PV
● Possible application of Quantum Dots and very thin PV solar energy converters.
● Confinement increases the energy gap of a semiconductor nanocrystal. (In QM decreased size increases the energy gap of a quantum dot).
● Maximum spectral utilization.
olar
nergy aboratory
Πλεονεκτήματα των φ/β ● Δεν έχουν κινούμενα μέρη● Σταθερή απόδοση για μικρά και μεγάλα συστήματα● Τα φ/β συστήματα δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον, δεν προκαλούν θόρυβο● Κατάλληλα για κάλυψη μικρών φορτίων σε απομακρυσμένες περιοχές.● Μεγάλος λόγος ισχύος προς βάρος (σημαντικό για τις διαστημικές εφαρμογές)● Τα φ/β συστήματα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής● Είναι ανεξάρτητα από καύσιμα και δίκτυα διανομής● Απλότητα και ασφάλεια● Αφθονία πρώτης ύλης (Si)
η τεχνολογία της φ/β μετατροπής, όπως και οι περισσότερες τεχνολογίες αξιοποίησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, εμφανίζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τα οποία κάνουν δύσκολη τη σύγκριση με τις συμβατικές τεχνολογίες π.χ. δεν λαμβάνεται υπόψη το κόστος στο περιβάλλον από τις κοινές τεχνολογίες.
olar
nergy aboratory
Physics DepartmentUniversity of Patras
The HERMES solar car
Si cells of 20% efficiency are commonly considered as the most cost effective option for use in solar cars
The solar car HERMES was developed for the Phaethon 2004 solar car race
olar
nergy aboratory
Experimental: Methods
Glass Cover Substrates
Quartz Crystal
L-gasket
Pressure Gauge
Shutter
to Vacuum Pumps
Base
Vacuum Chamber
High-Voltage Electrodes
Water FlowClucible
PirraniPenning
Fore-Vacuum
Mechanical Pump
Gass
Liquid Nitrogen Trap
Valve
Turbomolecular Pump
Strangulation Valve
3-way Valve
The Vacuum Chamber System
olar
nergy aboratory
0
20
40
60
80
100
400 450 500 550 600 650 700 750 800Μήκος κύματος [nm]
Διαπ
ερατ
ότητ
α [%
]
0
20
40
60
80
100
Ευα
ισθη
σία
ανθρ
ώπι
νου
ματι
ού [%
]
Ευαισθησία ανθρώπινου ματιού
Αρχική κατάσταση
Τελική κατάσταση
Ηλεκτροχρωμική συσκευή μεγάλων διαστάσεων (40x40 cm) στην διαυγή και τη χρωματισμένη κατάσταση. Διάγραμμα των οπτικών ιδιοτήτων της
olar
nergy aboratory
olar
nergy aboratory
olar
nergy aboratory
Advantages of electrochromic windowsAdvantages of electrochromic windows
reduction of cooling, heating and ventilating loads reduction of electric lighting use by managing daylight admittance
do not impede visibility
provide glare control and thermal comfort management
have no moving parts resulting to minimum maintenance costs
require low voltage power supply
can be integrated into the central power management of the building
have practically infinite coloration stages
can block both direct and diffuse solar radiation
have low energy consumption (typically 8 W/m2)
energenergy savingy saving benefits benefits
olar
nergy aboratory
Cyclic votammograms of EC devices
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600
Applied Voltage (mV)
Textured WO3 - No Ion Storage"Flat" WO3 - No Ion Storage"Flat" WO3 - LiyV2O5
Cur
rent
den
sity
(mA
/cm
2)
Cell EMF and Diffusion coefficient vs x in LixWO3
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
x in LixWO3
E
MF
(Vo
lt)
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
Diffu
sion
Co
efficient (cm
2/s)
Textured WO3 - No Ion Storage 'Flat' WO3 - No Ion Storage
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000Voltage [mV]
Cur
rent
Den
sity
[m
A/c
m2 ]
-5000
0
5000
10000
15000
20000
Mas
s C
hang
e [μ
g]
0
10
20
30
40
50
60
70
400 500 600 700 800λ [nμ]
Tra
nsm
itta
nce
as prep. (63.43%)2 min (37.35%)4 min (20.12%)6 min (10.88%)8 min (5.17%)10 min (1.96%)
Cyclic Voltammetry
Electrochemical Quartz Crystal Microbalance
Optical measurements
Galvanostatic Intermittent Titration
Experimental techniques usedExperimental techniques used
olar
nergy aboratory
Cycling reversibility testing of prototypesCycling reversibility testing of prototypes
Various coloration/bleaching scenarios have been employed.
In principle galvanostatic coloration galvanostatic coloration ensures no trapped charge during the coloration/bleaching cycle. We observed high overvoltage
bleaching values resulting to degradation of the devices.
Potentiostatic coloration Potentiostatic coloration was used in prototypes accepting that an amount of charge would be trapped after each cycle.
Galvanostatic colorationGalvanostatic coloration Potentiostatic colorationPotentiostatic coloration
- 5
- 4
- 3
- 2
- 1
0
1
2
3
4
5
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0
T i m e ( m i n )
Appli
ed Vo
ltage
(Volt)
- 0 . 7
- 0 . 5
- 0 . 3
- 0 . 1
0 . 1
0 . 3
0 . 5
0 . 7
Current pulse (mA/cm2)
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6 7
Time (min)
Ap
pli
ed
Vo
lta
ge (
Vo
lt)
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
Cu
rre
nt p
ulse
(mA
)
Coloration onset
Equilibrationvoltage
Initialbleaching
stages
Application of high voltage
Safe voltagelimits
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Time (min)
App
lied
Vol
tage
(V
olt)
-0.7
-0.5
-0.3
-0.1
0.1
0.3
0.5
0.7
Current pulse (m
A/cm
2)
> 90% of thebleaching
olar
nergy aboratory
Coloration Efficiency of EC devices at 532 nm
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
x in LixWO3
CE
(cm
2/C
)
ION STORAGE LAYERS:
No Ion StorageV2O5
LiyV2O5 Vacuum dopedLiyV2O5 Electrochemically doped
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Wavenumber [cm-1]
Abs
orba
nce
[a.u
.]
as-preparedafter 9 days in atmosphereafter 30 days in atmosphere
1400-1700 cm-1: Deformation modes of molecular
H2O
CO2
2800-3800 cm-1 :O-H streching modes
Change in the optical density of EC devices. Coloration: 3 Volt, 30 sec
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
λ (nm)
Δ O
D
EC Device Characteristics:
WO3 - LiyV2O5
WO3 - No Ion Storage
ZnS / Ag / ZnS TC - No Ion Storage (Measured)
ZnS / Ag / ZnS TC - No Ion Storage (Optimum)
Optical density
FTIR SEM
Coloration Efficiency
Experimental techniques usedExperimental techniques used
olar
nergy aboratory
MaterialPreparation
methodThickness
(nm)Coloration
type
Chargecapacity
(mC/cm2)
Luminoustransmittance (%)(Bleached/Colored)
StabilityDurability
WO3
e-gun,sputtering,
sol-gel350-500 Cathodic 20 – 40 80 / 10
Stable, more than 5.000voltammetric cycles
EC
laye
r
MoO3
Thermal evap.,sputtering,
sol-gel300-400 Cathodic ~ 20 85 / 20
Unstable above 5.000cycles
SnO2:F Spray pyrolysis >1000 N/A N/A ~90Hard coating, stable up to
350 °CIn2O3:Sn Spray pyrolysis >1000 N/A N/A ~90 Hard coating, stable
TC
ZnS/Ag/ZnSe-gun,
sputtering,40/10/40 N/A N/A ~85
Soft coating, stable up to250°C, optical
interference problems
V2O5
e-gun,sputtering,
sol-gel300 - 500 Anodic 30 (maximum) 70 / 60
Sol-gel films are unstabledue to phase transitions
CeO2 - TiO2Sputtering
sol-gel150 – 450 Passive 20 – 50 80
10% reduction of chargecapacity after 300 cycles
NiOSputtering(low yield)
400 Anodic 1 70 / 50 Stable, 1200 cycles
CeO2
e-gun,sputtering,
sol- gel150 – 500 Passive 10 90 Stable
Ion
stor
age
– pr
otec
tive
laye
r
MgF2e-gun,
sputtering150 – 200 Passive 5 95 Stable, optically neutral
Properties of materials suitable for Properties of materials suitable for the electrochromic devices the electrochromic devices
olar
nergy aboratory
Υμένια WO3 με διαμορφωμένη επιφάνεια.
ΗΕΔ και συντελεστής διάχυσης ηλεκτροχρωμικών συσκευών
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Παράμετρος παρεμβολής x σε LixWO3
Η
ΕΔ
(Vo
lt)
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
Συντελεσ
τής δ
ιάχυσ
ης (cm
2/s)
WO3 με διαμορφωμένη επιφάνεια WO3 με 'επίπεδη' επιφάνεια
Υμένιο WO 3
Υπόστρωμα
olar
nergy aboratory
MethodologyMethodology
Life Cycle Assessment (LCA)
Eco-efficiency Analysis (EEA)
Environmental – economic – Environmental – economic – energy evaluation and energy evaluation and
optimisation of the productoptimisation of the product
Raw materials production
Fabrication
Energy saved
Operation
Rawmaterials
Emissions
Energy used
EC prototype inventory analysisEco-efficiency indicatorsEco-efficiency indicators
economic aspect value unitindicator = ,
environmental aspect burden unit
olar
nergy aboratory
Heating dominatedHeating dominatedHeating dominatedHeating dominated
Cooling dominatedCooling dominatedCooling dominatedCooling dominated
ModerateModerateModerateModerate
44%33%
23%
EC DGss DG
38%30% 27%
EC DGss DG
56%
39%
12%EC DGss DG
The energy gains from the implementation of electrochromic windows in buildings depend on
various parameters, such as: window window orientationorientation, geographic location geographic location and mostly the climatic type climatic type of the area.
Commonly used terms are cooling and heating dominated zones, implying areas that buildings mostly spend
energy for cooling or heating respectively throughout the year. In
moderate climate areas mixed heating and cooling loads are supposed.
An assessment of the energy saving profile of an electrochromic window
has been carried out for implementation in an office building in Greece .
Implementation in buildingsImplementation in buildings
olar
nergy aboratory
raw mat. fabrication operation cooling sav. heating sav.-200
-100
0
100
200
300
4000
4500
5000
55005230.7
377.3
-3.3-108.1-72.1
Ene
rgy
[MJ/
EC
uni
t]
The total energy for the production is 180.2 MJ180.2 MJ
The energy for the operation for 25 years will
be 3.3 MJ3.3 MJ.
The maximum energy gain (cool. dom. zone) can
reach the 5608 5608 MJMJ
The total energy spent during the device lifecycle are 183.5
MJ. 98.2% are attributed to the
production processes and only 1.8% to the operation phase.
The energy saving is accomplished through the reduction in heating and cooling loads and varies
(depending on the climatic region) from 4400 to 5600
MJ.
Energy balanceEnergy balance
olar
nergy aboratory
Fuel cells: The SOFC
Major Parts of IT-SOFC
AnodeNiO / YSZΝi-(CeO2 ντοπαρισμένο με 20% Sm2O3) (Ni-SDC)
ElectrolyteYSZ (ZrO2 – Y2O3)CeO2 – Ln2O3 (Ln: Sm, Gd, Y)LaGaO3 ντοπαρισμένα με Sr, Mg (LSGM)
CathodeLa1-xSrxMnO3
olar
nergy aboratory
Παραγωγή Υδρογόνου από νανοδομημένα ηλεκτρόδιαΠαραγωγή Υδρογόνου από νανοδομημένα ηλεκτρόδια
Πειραματική διάταξη ηλεκτρολυτικής παραγωγής
Υδρογόνου
Λεπτό υμένιο Ni-Fe-Zn σε υπόστρωμα StS 304
Πειραματική διάταξη ηλεκτροχημικής εναπόθεσης
λεπτών υμενίων
Λεπτό υμένιο Ni-Mo-Zn σε υπόστρωμα StS 304
Είδη υποστρωμάτων (StS 304, Carbon rod, Cu & Pt wires, Cu
& Pt plates, Ti)
olar
nergy aboratory
2H
el
W nHn= =
W VIt
Τυπικό διάγραμμα Tafel n=f(logI)
1
22
k
adskH O M e MH OH
2
22 2
k
ads kMH H O e M H OH
2
222 2
k
ads kMH M H
αντίδραση Volmer
αντίδραση Tafel
αντίδραση Heyrovsky
olar
nergy aboratory
SEM micrographs of Ni-Co-Fe-Zn electrodeposit at 100mA/cm2 current density and pH=0.5
SEM micrographs of Ni-Co-Zn electrodeposit at 250mA/cm2 current
density and pH=3.6
SEM micrographs of Ni-Mo-Zn electrodeposit at 250mA/cm2 current density and pH=5.5
Vμέσο
(ml)
Υπερδυναμικό(mV)
Κλίση Tafel(mV/dec)
Πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής(mA/cm2)
NiFeZn 8,93 302 408 15,8
NiCoZn 18,0 190 345 22,7
NiCoFeZn 21,4 170 316 23,9
NiMoZn 23,9 157 314 25,1
● Ni-Co-Fe-Zn
● Ni-Co-Zn
● Ni-Mo-Zn
● Co-Mo-Zn
SEM micrographs of Co-Mo-Zn electrodeposit at 500mA/cm2
olar
nergy aboratory
Fuel cell bus used in 2008 summer olympics, Beijing, ChinaThe Global Environment Facility (GEF)