Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης

Πολυτεχνική Σχολή

Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης

Τομέας Υλικών, Διεργασιών και Μηχανολογίας

Επιβλέπων Καθηγητής: Θ. Καρακατσάνης Επίκουρος Καθηγητής Δ.Π.Θ

Τεχνοοικονομική μελέτη αυτόνομου υβριδικού συστήματος φωτοβολταϊκών με χρήση υδρογόνου για κατοικία

στην περιοχή της Θεσσαλονίκης

Διπλωματική Εργασία

Αποστολίδης Σωφρόνιος Αρ. Μητρώου 622

Ξάνθη, Απρίλιος 2012

Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης

Πολυτεχνική Σχολή

Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης

Τομέας Υλικών, Διεργασιών και Μηχανολογίας

Επιβλέπων Καθηγητής: Θ. Καρακατσάνης Επίκουρος Καθηγητής Δ.Π.Θ.

Τεχνοοικονομική μελέτη αυτόνομου υβριδικού συστήματος φωτοβολταϊκών με χρήση υδρογόνου για κατοικία

στην περιοχή της Θεσσαλονίκης

Αποστολίδης Σωφρόνιος Αρ. Μητρώου 622

i

Άνθρωπος και ενέργεια είναι δύο στοιχεία αλληλένδετα. Ανάμεσα στην πρώτη φωτιά

που άναψε ο άνθρωπος για να ζεσταθεί και να επιβιώσει στις αντίξοες καιρικές

συνθήκες έως και τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα το κοινό στοιχείο είναι η

παραγωγή ενέργειας. Ωστόσο υπάρχει μία σημαντική και ειδοποιός διαφορά

ανάμεσα στο τότε και στο τώρα. Μια εξελικτική διαφορά, καθώς η αρχική ανάγκη

του ανθρώπου για επιβίωση, εξελίχθηκε σε ανάγκη για πολυτέλεια. Πλέον η

παραγωγή της ενέργειας αφορά κάθε πτυχή της ανθρώπινης δραστηριότητας. Όμως η

αλόγιστη σπατάλη των φυσικών πόρων με σκοπό την κάλυψη των απαιτήσεων σε

ενέργεια έχουν φτάσει σε κρίσιμο σημείο το περιβάλλον. Και δεν είναι μόνο η

εξάντληση των φυσικών πόρων. Η παραγωγή ενέργειας από μόνη της προκαλεί

προβλήματα στο περιβάλλον. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η τρύπα του όζοντος, η

μόλυνση του περιβάλλοντος, με άμεση συνέπεια την εξαφάνιση ειδών πανίδας και

χλωρίδας, είναι μόνο μερικές από τις συνέπειες που έχει η χρήση των ορυκτών

καυσίμων. Αν και κάπως αργά η ανθρωπότητα έχει αρχίσει να δραστηριοποιείται. Τα

τελευταία χρόνια παρατηρείται μία σημαντική προσπάθεια αντιμετώπισης του

προβλήματος από όλες τις αναπτυγμένες χώρες, οι οποίες είναι και οι κύριες

υπεύθυνες τόσο για την Ενεργειακή Κρίση όσο και για την Καταστροφή του

Περιβάλλοντος. Μέσα από την υπογραφή συνθηκών και πρωτοκόλλων

τοποθετούνται όρια στην αλόγιστη χρήση ορυκτών καυσίμων από τις χώρες, για την

παραγωγή ενέργειας, ενώ παράλληλα επιβάλλεται σταδιακά η χρήση Α.Π.Ε. Η

Ελλάδα, αν και ουραγός στο θέμα της ευαισθητοποίησης απέναντι στο περιβάλλον,

συμμετέχει στην προσπάθεια αυτή αναλαμβάνοντας ορισμένες υποχρεώσεις. Ήδη ο

Πρόλογος

ii

τομέας της έρευνας και της τεχνολογικής ανάπτυξης έχει στραφεί αρκετά προς την

εύρεση εναλλακτικών μορφών ενέργειας.

Στόχος της διπλωματικής είναι τόσο η περιγραφή ενός αυτόνομου συστήματος

παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας φιλικού προς το περιβάλλον, και η οικονομική του

αξιολόγηση. Ειδικά σε περιοχές που βρίσκονται μακριά από το δίκτυο

ηλεκτροδότησης και που η μεταφορά νέων γραμμών είναι μια χρονοβόρα και

δύσκολη διαδικασία με μεγάλο κόστος, η λειτουργία τέτοιων συστημάτων είναι μια

εξαιρετικά αξιόλογη επιλογή.

iii

Οφείλω να ευχαριστήσω θερμά όλους όσους συνέβαλαν στην εκπόνηση της

διπλωματικής εργασίας. Κυρίως θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα

καθηγητή μου κ. Θεόκλητο Καρακατσάνη για την ανάθεση του θέματος και την

συνεχή καθοδήγηση που μου παρείχε. Επίσης, τον κύριο Π. Μπότσαρη για τις

πληροφορίες που μου έδωσε σχετικά με τους συσσωρευτές, και τον πατέρα μου για

την συνεχή υποστήριξη και την βοήθεια στην ολοκλήρωση του συστήματος.

Ευχαριστίες

iv

Πρόλογος .......................................................................................................................................... i

Ευχαριστίες ................................................................................................................................... iii

Πίνακας περιεχομένων .................................................................................................................. iv

Πίνακας σχημάτων ........................................................................................................................ ix

Κατάλογος πινάκων ....................................................................................................................... xi

Περίληψη..................................................................................................................................... xiii

Abstract ........................................................................................................................................ xiv

1. Ενέργεια .................................................................................................................................... 1

1.1 Τι είναι ενέργεια .......................................................................................................... 1

1.2 Από πού προέρχεται η ενέργεια .................................................................................... 2

1.3 Ενεργειακό πρόβλημα .................................................................................................. 3

1.4 Παρούσα κατάσταση στην Ελλάδα .............................................................................. 3

1.5 Το φαινόμενο του Θερμοκηπίου .................................................................................. 6

1.6 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ......................................................................... 8

1.7 Γενικό πλαίσιο για τις ΑΠΕ .......................................................................................... 9

1.8 Πρόγραμμα οικιακού συνδεδεμένου δικτύου ............................................................. 12

1.9 ΑΠΕ στην Ελλάδα ...................................................................................................... 14

1.10 Ηλιακή ενέργεια ......................................................................................................... 16

Πίνακας περιεχομένων

v

2 Φωτοβολταϊκά Συστήματα ................................................................................................... 21

2.1 Φωτοβολταϊκά τεχνολογία.......................................................................................... 21

2.2 Τύποι Φωτοβολταϊκών ............................................................................................... 23

2.3 Βασικά στοιχεία φωτοβολταϊκών ............................................................................... 27

2.4 Μοντελοποίηση ηλιακών κελιών ............................................................................... 28

2.5 Επίδραση έντασης ακτινοβολίας και θερμοκρασίας .................................................. 31

2.6 Εφαρμογές φωτοβολταϊκών συστημάτων .................................................................. 34

2.6.1 Αυτόνομο σύστημα .................................................................................... 34

2.6.2 Διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα .............................................. 34

2.6.3 Φωτοβολταϊκά πάρκα ................................................................................. 35

2.7 Ηλιακή Γεωμετρία ...................................................................................................... 36

2.7.1 Ηλιακή σταθερά Gsc .................................................................................. 36

2.7.2 Γεωγραφικό πλάτος του τόπου φ ............................................................... 37

2.7.3 Απόκλιση του ήλιου δ ................................................................................ 38

2.7.4 Ύψος και αζιμούθιο ήλιου ......................................................................... 39

2.7.5 Προσανατολισμός του συλλέκτη ............................................................... 40

2.7.6 Η διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας .................................................. 43

2.7.7 Μέση μηνιαία απορροφώμενη ακτινοβολία ............................................... 45

2.8 Ηλιακοί ιχνηλάτες ...................................................................................................... 46

3 Υδρογόνο ................................................................................................................................ 49

3.1 Γενικά για το υδρογόνο .............................................................................................. 49

3.2 Χρήση υδρογόνου ....................................................................................................... 51

3.3 Παρασκευή υδρογόνου ............................................................................................... 53

3.3.1 Θερμοχημικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου .................................... 53

3.3.2 Ηλεκτρολυτικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου ................................. 55

3.3.3 Φωτολυτικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου ...................................... 58

3.4 Αποθήκευση υδρογόνου ............................................................................................. 58

3.4.1 Αποθήκευση του υδρογόνου σε αέρια μορφή ............................................. 59

3.4.2 Αποθήκευση υδρογόνου σε υγρή μορφή .................................................... 60

vi

3.4.3 Αποθήκευση υδρογόνου σε στερεά μορφή με την μορφή των υδριδίων .... 63

3.5 Κυψέλες καυσίμου...................................................................................................... 64

3.5.1 Αρχή λειτουργίας ........................................................................................ 65

3.5.2 Είδη κυψελών καυσίμου ............................................................................. 66

3.5.3 Απόδοση ...................................................................................................... 67

3.6 Μηχανές Εσωτερικής Καύσης υδρογόνου ................................................................. 68

3.6.1 Καύση του υδρογόνου σε ΜΕΚ .................................................................. 68

3.6.2 Φαινόμενο backfire ..................................................................................... 69

3.6.3 Βαθμός απόδοσης των ΜΕΚ υδρογόνου .................................................... 70

4 Υβριδικά Συστήματα Φωτοβολταϊκών των με χρήση υδρογόνου ................................... 73

4.1 Αντιστροφέας DC-AC (inverter) ................................................................................ 73

4.2 Μετατροπή εναλλασσόμενης τάσεως σε συνεχή (Ανορθωτής) ................................. 75

4.3 Μετατροπή συνεχούς ρεύματος (DC-DC converter).................................................. 76

4.4 Συσσωρευτές .............................................................................................................. 77

4.4.1 Είδη συσσωρευτών ..................................................................................... 78

4.4.2 Συστοιχίες συσσωρευτών ............................................................................ 80

4.4.3 Σχεδιαστική δομή και αρχή λειτουργίας συσσωρευτών ............................. 81

4.4.4 Φόρτιση και εκφόρτιση ............................................................................... 84

4.4.5 Χρόνος ζωής συσσωρευτή .......................................................................... 85

4.4.6 Συσσωρευτές για φωτοβολταϊκά ................................................................. 87

4.4.7 Εκφόρτιση και επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης ........................................ 88

4.4.8 Σωστή χρήση συσσωρευτών ....................................................................... 89

4.4.9 Φόρτιση ....................................................................................................... 91

4.4.10 Συντελεστής φόρτισης και απόδοσης ισχύος .............................................. 92

4.5 Αυτοματισμοί ............................................................................................................. 93

4.5.1 Ελεγκτές φόρτισης ...................................................................................... 93

4.5.2 Ηλεκτρονόμος (ρελέ) .................................................................................. 94

4.6 Παρακολούθηση του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT) ............................................ 96

4.7 Περιγραφή πλήρους συστήματος ............................................................................... 97

vii

4.7.1 Βασικό μοντέλο .......................................................................................... 97

4.7.2 Εναλλακτικά μοντέλα ................................................................................. 99

5 Μοντελοποίηση υβριδικού συστήματος σε κατοικία στο νομό Θες/νίκης ..................... 103

5.1 Στοιχεία σπιτιού ........................................................................................................ 103

5.1.1 Τοποθέτηση φωτοβολταϊκών .................................................................... 103

5.1.2 Αρχιτεκτονική σπιτιού .............................................................................. 105

5.2 Πληροφορίες συσκευών κατανάλωσης .................................................................... 107

5.2.1 Γενικές προϋποθέσεις ............................................................................... 107

5.2.2 Μέση κατανάλωση .................................................................................... 108

5.3 Ηλιοφάνεια στην Θεσσαλονίκη ................................................................................ 109

5.4 Επιλογή Inverter ....................................................................................................... 110

5.5 Διαστασιολόγηση ηλιογεννήτριας ............................................................................ 112

5.5.1 Μηνιαίες ανάγκες ρεύματος ...................................................................... 112

5.5.2 Μηνιαία παραγωγή ................................................................................... 113

5.5.3 Σύγκριση κατανάλωσης – παραγωγής ...................................................... 116

5.5.4 Διαστασιολόγηση και διάταξη φωτοβολταϊκής συστοιχίας ...................... 116

5.6 Επιλογή – Διαστασιολόγηση συσσωρευτών ............................................................ 119

5.7 Επιλογή συσκευών υδρογόνου……………………………………………………...122

5.7.1 Γενικές μετρήσεις ..................................................................................... 122

5.7.2 Επιλογή συσκευής ηλεκτρόλυσης ............................................................. 123

5.7.3 Μοντελοποίηση αποθήκευσης υδρογόνου ................................................ 125

5.7.3.1 Περιγραφή μοντέλου δεξαμενών αποθήκευσης................. 126

5.7.3.2 Προσομοίωση μοντέλου (Buffer & Final Storage) ............ 128

5.7.4 Επιλογή συμπιεστή ................................................................................... 129

5.7.5 Γεννήτρια με ΜΕΚ υδρογόνου ................................................................. 130

5.7.6 Σωληνώσεις ............................................................................................... 133

5.8 Καλωδίωση ............................................................................................................... 134

5.8.1 Πλευρά συνεχούς ρεύματος ...................................................................... 135

5.8.2 Πλευρά εναλλασσομένου ρεύματος .......................................................... 137

viii

5.9 Ασφάλεια υδρογόνου ................................................................................................ 137

5.10 Γείωση ...................................................................................................................... 140

5.11 Επιλογή και ρύθμιση αυτοματισμών ........................................................................ 141

5.11.1 Χαρακτηριστικά των ρελέ ......................................................................... 142

5.11.2 Πιεσοστάτες .............................................................................................. 143

5.11.3 Ηλεκτροβαλβίδα ....................................................................................... 143

5.12 Συμπεράσματα .......................................................................................................... 143

6 Οικονομική αξιολόγηση ...................................................................................................... 149

6.1 Εισαγωγή .................................................................................................................. 149

6.2 Ανάλυση Κόστους Κύκλου Ζωής (LCC Analysis) .................................................. 150

6.2.1 Υπολογισμός Κόστους Κύκλου Ζωής ...................................................... 150

6.2.2 Μελέτη ευαισθησίας ................................................................................. 152

6.3 Δείκτης Καθαρής Παρούσας Αξίας .......................................................................... 153

6.3.1 Κόστος αγοράς ενέργειας από την ΔΕΗ ................................................... 153

6.3.2 Κόστος επέκτασης δικτύου ....................................................................... 154

6.3.3 Υπολογισμός Καθαρής Παρούσας Αξίας ................................................. 155

6.4 Λόγος οφέλους προς δαπάνες ................................................................................... 156

6.5 Εναλλακτικό σενάριο με υδρογονοκίνηση ............................................................... 157

6.5.1 Το υδρογόνο ως καύσιμο αυτοκινήτου ...................................................... 157

6.5.2 Μετρήσεις νέου συστήματος ..................................................................... 158

6.5.3 Οικονομική αξιολόγηση νέου συστήματος ................................................ 161

Συμπεράσματα .............................................................................................................................. 164

Προτάσεις ..................................................................................................................................... 165

Παράρτημα ................................................................................................................................... 167

ix

Σχήμα 1.1 Από που προέρχεται η ηλεκτρική ενέργεια της ΔΕΗ για το έτος 2011 ....................... 2

Σχήμα 1.2 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου ................................................................................... 7

Σχήμα 1.3 Εγκατεστημένη ισχύς σε ΜW ανανεώσιμων πηγών ενεργείας στην Ελλάδα

και στόχος για το 2020 ........................................................................................................... 14

Σχήμα 2.1 Τύποι ηλιακών κελιών και καταγεγραμμένες µέγιστες αποδόσεις (Πηγή:

NREL) .................................................................................................................................... 23

Σχήμα 2.2 Απλό μοντέλο ηλιακού κελιού ................................................................................... 28

Σχήμα 2.3 Μοντέλο ηλιακού κελιού με αντιστάσεις................................................................... 29

Σχήμα 2.4 Καμπύλες I-V και P-V ενός ηλιακού κελιού ............................................................. 30

Σχήμα 2.5 Επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας στην καμπύλη I-V ενός ηλιακού κελιού................ 32

Σχήμα 2.6 Επίδραση της θερμοκρασίας στην I-V χαρακτηριστική καμπύλη ενός

ηλιακού κελιού ....................................................................................................................... 32

Σχήμα 2.7 Το ύψος (α) και το αζιμούθιο του ήλιου .................................................................... 40

Σχήμα 2.8 Η κλίση του συλλέκτη (β), το αζιμούθιο του συλλέκτη (γ) και η γωνία

πρόσπτωσης των ηλιακών ακτινών του συλλέκτη (θ) ........................................................... 41

Σχήμα 2.9 Ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε συλλεκτικές επιφάνειες καθ’ όλη

τη διάρκεια του έτους ............................................................................................................. 43

Σχήμα 2.10 Βέλτιστες κλίσεις συλλέκτη ..................................................................................... 43

Σχήμα 2.11 Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται μία

οριζόντια επιφάνεια στη διάρκεια τριών χαρακτηριστικών ημερών του έτους ..................... 44

Πίνακας Σχημάτων

x

Σχήμα 2.12 Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας με τον ηλιακό

συλλέκτη σε κλίση ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου ................................................ 44

Σχήμα 3.1 Παραγωγή υγρού υδρογόνου ..................................................................................... 61

Σχήμα 4.1 Κύκλωμα ανορθωτή ................................................................................................... 76

Σχήμα 4.2 Κυψελίδα συσσωρευτή .............................................................................................. 81

Σχήμα 4.3 Φόρτιση-εκφόρτιση μπαταρίας μολύβδου-οξέως ...................................................... 85

Σχήμα 4.4 Διάγραμμα cell voltage – SOC και επίπεδα τάσης εκλύσεως αερίων για

συσσωρευτή Pb-Sb ................................................................................................................. 92

Σχήμα 4.5 Χαρακτηριστική καμπύλης εντοπισμού ΜΡΡ ............................................................ 97

Σχήμα 4.6 Περιγραφή πλήρους συστήματος ............................................................................... 98

Σχήμα 4.7 Περιγραφή εναλλακτικού συστήματος .................................................................... 100

Σχήμα 5.1 Αναπαράσταση γωνίας φ ......................................................................................... 104

Σχήμα 5.2 Παραγόμενες kWh ανά μήνα (πρώτου έτους) ......................................................... 114

Σχήμα 5.3 Σύγκριση παραγόμενης ενέργειας και ενέργειας που καταναλώνεται ..................... 116

Σχήμα 5.4 Αναλογία Βάθους εκφόρτισης με Αριθμό Κύκλων Ζωής σε θερμοκρασία

20ºC ...................................................................................................................................... 121

Σχήμα 5.5 Τα μέρη που αποτελείται η συσκευή ηλεκτρόλυσης ............................................... 125

Σχήμα 5.6 Αναπαράσταση του συνολικού μήκους του καλωδίου για το συνεχές

ρεύμα .................................................................................................................................... 137

Σχήμα 5.7 Πλήρες σύστημα με αυτοματισμούς, μετρητές και ασφάλειες ................................ 141

Σχήμα 5.8 Περίσσια ενέργεια ανά μήνα (kWh) ........................................................................ 144

Σχήμα 5.9 Ποσοστό ενέργειας που πηγαίνει στην κατανάλωση μετά από απώλειες ................ 145

Σχήμα 6.1 Αντιστοιχία Κόστους κύκλου ζωής του συστήματος και προεξοφλητικό

επιτόκιο ................................................................................................................................ 153

Σχήμα 6.2 Μεταβολή του δείκτη καθαρής παρούσας αξίας της επένδυσης του

συστήματος, με την απόσταση της κατοικίας από τον κοντινότερο στύλο .......................... 154

Σχήμα 6.3 Καθαρή παρούσα αξία και απόσταση από τον κοντινότερο στύλο ΔΕΗ ................ 156

Σχήμα 6.4 Αναλογία καυσίμου που χρησιμοποιείται ................................................................ 161

Σχήμα 6.5 Κόστος και κέρδος του νέου συστήματος ανά έτος λειτουργίας ............................. 162

xi

Πίνακας 2.1 Γεωγραφικά πλάτη περιοχών .................................................................................. 38

Πίνακας 2.2 Μέση μηνιαία ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο εκτός ατμόσφαιρας

(Mj/m2) ................................................................................................................................... 45

Πίνακας 3.1 Παγκόσμια ζήτηση υδρογόνου ............................................................................... 52

Πίνακας 3.2 Παγκόσμια παραγωγή υδρογόνου ανά μέσο παραγωγής ........................................ 53

Πίνακας 4.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά ενός inverter .................................................................... 74

Πίνακας 5.1 Βέλτιστες κλίσεις ανά μήνα για την περιοχή της Θεσσαλονίκης ......................... 104

Πίνακας 5.2 Οι ηλεκτρικές συσκευές της κατοικίας και ο χρόνος που αυτές

λειτουργούν .......................................................................................................................... 108

Πίνακας 5.3 Εκτιμώμενες μέσες καταναλώσεις κατοικίας ....................................................... 109

Πίνακας 5.4 Υπολογισμός Αμπερωρίων/ημέρα που καταναλώνει η κατοικία ......................... 109

Πίνακας 5.5 Κλιματολογικά στοιχεία Θεσσαλονίκης ............................................................... 110

Πίνακας 5.6 Χαρακτηριστικά Inverter Sunny Island 5048 ....................................................... 111

Πίνακας 5.7 Εκτιμώμενη μηνιαία κατανάλωση κατοικίας........................................................ 113

Πίνακας 5.8 Εισερχόμενα δεδομένα στον εξομοιωτή ............................................................... 113

Πίνακας 5.9 Παραγόμενες kWh ανά μήνα (πρώτου έτους) ...................................................... 114

Πίνακας 5.10 Οι παραγόμενες kWh κάθε έτους ....................................................................... 115

Πίνακας 5.11 Παραγόμενες kWh ανά μήνα (25ου

έτους) .......................................................... 115

Κατάλογος πινάκων

xii

Πίνακας 5.12 Συντελεστές απωλειών ενέργειας από τα Φ/Β στην κατανάλωση ...................... 116

Πίνακας 5.13 kWh που καταλήγουν στην κατανάλωση το 25ο έτος ......................................... 116

Πίνακας 5.14 Συνοπτικά στοιχεία σχετικά με την διαστασιολόγηση των Φ/Β ......................... 117

Πίνακας 5.15 Στοιχεία επιλεγμένων συσσωρευτών .................................................................. 119

Πίνακας 5.16 Υπολογισμός απαιτούμενων Ah ......................................................................... 121

Πίνακας 5.17 Στοιχεία συσκευής ηλεκτρόλυσης ...................................................................... 123

Πίνακας 5.18 Παραγωγικότητα υδρογόνου .............................................................................. 123

Πίνακας 5.19 Χαρακτηριστικά τελικής δεξαμενής .............................................................. 128

Πίνακας 5.20 Υπολογισμός αξιοποιήσιμης ενέργειας φιάλης ............................................ 129

Πίνακας 5.21 Χαρακτηριστικά φιαλών που χρειαζόμαστε ....................................................... 129

Πίνακας 5.22 Αναλογία αέρα / υδρογόνου κατά moles, βάρος και όγκο .................................. 131

Πίνακας 5.23 Στοιχεία γεννήτριας ............................................................................................ 132

Πίνακας 5.24 Χαρακτηριστικά καλωδίου ανάλογα με την διατομή του ................................... 136

Πίνακας 5.25 Αντιστοιχία SOC-Volts ....................................................................................... 143

Πίνακας 5.26 Περίσσια ενέργεια ανά μήνα (kWh) ................................................................... 143

Πίνακας 5.27 Συνολική απόδοση εκμετάλλευσης περίσσιας ενέργειας, μετά από

απώλειες ............................................................................................................................... 145

Πίνακας 5.28 Αξιοποίηση ενέργειας ανά μήνα ......................................................................... 145

Πίνακας 5.29 Εκτιμήσεις μεγίστου χρόνου λειτουργίας, και παραγόμενου υδρογόνου

ανά μήνα ............................................................................................................................... 146

Πίνακας 6.1 Υπολογισμός κόστους κύκλου ζωής του συστήματος .......................................... 151

Πίνακας 6.2 Αναλυτικά ο λογαριασμός της ΔΕΗ ανά τετράμηνο ............................................ 153

Πίνακας 6.3 Χαρακτηριστικά electrolyzer LM-10.000 όπως τα δίνει η

κατασκευάστρια εταιρία ....................................................................................................... 159

Πίνακας 6.4 Παραγωγή συνολικού υδρογόνου με την νέα συσκευή ηλεκτρόλυσης

LM-10.000............................................................................................................................ 159

Πίνακας 6.5 Υδρογόνο που προορίζεται για καύσιμο αυτοκινήτου, καθώς και η

ισάξια ποσότητα βενζίνης και τα αντίστοιχα χιλιόμετρα ..................................................... 160

xiii

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία ενός εύχρηστου και

αποτελεσματικού «εργαλείου», για τη μελέτη και μοντελοποίηση ενός

ολοκληρωμένων συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα που

εξετάζεται παράγει ενέργεια από φωτοβολταϊκά, και συνάμα με τη βοήθεια μέρους

αυτής της ενέργειας, παράγεται υδρογόνο. Το υδρογόνο μπορεί να λειτουργήσει ως

εναλλακτική πηγή ενέργειας αποδίδοντας ηλεκτρικό ρεύμα.

Στο πρώτο εισαγωγικό κεφάλαιο αναφέρεται τι είναι ενέργεια, από πού προέρχεται

και την παρούσα ενεργειακή κατάσταση στην Ελλάδα.

Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας, τους τύπους

φωτοβολταϊκών κελιών και τους τρόπους λειτουργίας τους.

Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται το υδρογόνο, οι φυσικές και χημικές του ιδιότητες, ο

τρόπος παρασκευής, αποθήκευσης και αξιοποίησής του.

Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το υβριδικό σύστημα φωτοβολταϊκών με

συμπαραγωγή και χρήση υδρογόνου, και οι συσκευές από τις οποίες αποτελείται.

Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η μοντελοποίηση αυτού του συστήματος σε κατοικία

στην περιοχή της Θεσσαλονίκης.

Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η οικονομική αξιολόγηση του συστήματος και

παρουσιάζεται το εναλλακτικό σενάριο της υδρογονοκίνησης.

Λέξεις–Κλειδιά: Ηλιακή ενέργεια, Αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα, Yδρογόνο, Hλεκτρόλυση

Περίληψη

xiv

The aim of this thesis is to design a practical and effective “tool” for studying and

modeling integrated power systems. The specific system produces energy from

photovoltaic, and some part of this energy, we produce hydrogen. The hydrogen can

serve as an alternative source of energy by dissipating electrical current.

The first chapter refers to “what is energy”, where it comes from and the current

energy situation in Greece.

The second chapter analyzes the photovoltaic technology, the types of photovoltaic

cells and how they operate.

The third chapter describes the hydrogen, its physical and chemical properties, how

we produce it, how we store it and how we use it.

The forth chapter presents the hybrid photovoltaic system with co-production and use

of hydrogen, and the devices making up.

The fifth chapter is the modelling of the system at a home in the area of Thessaloniki.

The sixth chapter is the economical evaluation of the system and presents the scenario

of using hydrogen in a car.

Keywords: Solar energy, Off-grid photovoltaic system, Hydrogen, Electrolysis

Abstract

Design and modeling of integrated off-grid photovoltaic system with co-production,

storage and use of hydrogen

Thesis submitted to the Department of Production and Management Engineering,

School of Engineering, Democritus University of Thrace, Greece, on April 2012

for the degree

Diploma in Production and Management Engineering (Dip. Eng.)

Supervisor: Assist. Prof. T. Karakatsanis

1

1.1 Τι είναι ενέργεια

Kάθε φυσικό σύστημα περιέχει (ή εναλλακτικά αποθηκεύει) μία ποσότητα που

ονομάζεται ενέργεια. Ενέργεια, συνεπώς, είναι η ικανότητα ενός σώματος ή

συστήματος να παραγάγει έργο.

Οποιαδήποτε μορφή δράσης από τα παιδικά παιχνίδια μέχρι τη λειτουργία των

μηχανών και από το μαγείρεμα τροφών μέχρι τη γραμμή παραγωγής στο εργοστάσιο

προϋποθέτει κατανάλωση ενέργειας. Οι πράγματι πολυποίκιλες μορφές ενέργειας

βρίσκονται πίσω από την ασύλληπτη ποικιλία των φυσικών φαινομένων.

Η ενέργεια με την οποία τροφοδοτείται ο πλανήτης μας προέρχεται σχεδόν εξ

ολοκλήρου από τον Ήλιο.

Η ενέργεια είναι σε τέτοιο βαθμό συνυφασμένη με την καθημερινή μας ζωή που μόνο

η έλλειψή της καθιστά πρόδηλη την αναγκαιότητά της. Το σύνολο των ανθρώπινων

δραστηριοτήτων δεσμεύει, παράγει, καταναλώνει, μετατρέπει, αποθηκεύει και

υποβαθμίζει τεράστια ποσά ενέργειας. Κάθε πολίτης των αναπτυγμένων κρατών

καταναλώνει ημερησίως τόση ενέργεια όση παράγουν οι μύες 100 μεγαλόσωμων

ανδρών ή 12 δυνατών αλόγων.

Η ενέργεια εμφανίζεται με πολλές μορφές. Κίνηση, θερμότητα, ενέργεια χημικών

δεσμών ή ηλεκτρισμός. Ακόμη και η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας. Η ενέργεια

μπορεί να προέρχεται από διαφορετικές πηγές όπως ο άνεμος, ο άνθρακας, η ξυλεία ή

Κεφάλαιο 1

Ενέργεια

2

τα τρόφιμα. Όλες οι πηγές ενέργειας έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό. Η χρήση τους

μας δίνει τη δυνατότητα να θέσουμε αντικείμενα σε κίνηση, να μεταβάλουμε

θερμοκρασίες, να παράγουμε ήχο και εικόνα. Με άλλα λόγια, μας δίνεται η

δυνατότητα να παράγουμε έργο. [1]

1.2 Από πού προέρχεται η ενέργεια

Ο κύκλος της παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας ξεκινά από τις αρχικές μορφές

ενέργειας όπως ο άνθρακας, το αργό πετρέλαιο, ο άνεμος, το ηλιακό φως ή το φυσικό

αέριο. Αυτές οι μορφές χαρακτηρίζονται ως πρωτογενή ενέργεια και βεβαίως,

ελάχιστα μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τους καταναλωτές. Το επόμενο βήμα

είναι η μετατροπή των πρωτογενών μορφών σε τελική ενέργεια όπως για παράδειγμα

ηλεκτρισμός ή βενζίνη. Τέλος, κατάλληλος εξοπλισμός ή συσκευές όπως το

αυτοκίνητο ή η τηλεόραση, μετατρέπουν την τελική ενέργεια σε χρήσιμη ενέργεια

παρέχοντας ενεργειακές υπηρεσίες. Από την πρωτογενή έως την χρήσιμη ενέργεια,

μεσολαβούν πολλά ενδιάμεσα στάδια ανάλογα με τη μορφή της ενέργειας. Εξόρυξη

άνθρακα η πετρελαίου, μεταφορά με αγωγούς, χρήση δεξαμενόπλοιων, καύση σε

μεγάλους θερμικούς σταθμούς, δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και πολλά

άλλα. Όλη αυτή η πολυσύνθετη αλυσίδα είναι γνωστή ως ενεργειακό σύστημα [2].

Σχήμα 1.1 - Από που προέρχεται η ηλεκτρική ενέργεια της ΔΕΗ για το έτος 2011 [3]

3

1.3 Ενεργειακό πρόβλημα

Το ενεργειακό πρόβλημα στις μέρες μας εμφανίζεται οξύτερο από ποτέ. Τι όμως είναι

το ενεργειακό πρόβλημα; Μπορούμε να πούμε ότι η ουσία του ενεργειακού

προβλήματος βρίσκεται στην συσχέτιση των ενεργειακών αποθεμάτων που διαρκώς

μειώνονται με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας που διαρκώς αυξάνονται.

Είναι αρκετά εύκολο να κατανοήσουμε τι σημαίνει αύξηση της ενέργειας που

καταναλώνεται αν αναλογιστούμε το πλήθος των ηλεκτρικών συσκευών που έχουμε

σήμερα στο σπίτι μας σε σχέση με τις συσκευές που είχαμε, ας πούμε, πριν 50 χρόνια,

ή τον αριθμό των αυτοκινήτων που κυκλοφορούν τώρα στους δρόμους σε σχέση με

τότε. Στο ίδιο συμπέρασμα θα καταλήξουμε αν παρατηρήσουμε τις ενεργοβόρες

εγκαταστάσεις ενός σύγχρονου κτιρίου (π.χ. νοσοκομείου με κεντρική εγκατάσταση

κλιματισμού, δίκτυο υπολογιστών, ιατρικό εξοπλισμό) και τις συγκρίνουμε με ένα

ανάλογο κτίριο που κατασκευάστηκε πριν μερικές δεκαετίες.

Υπολογίζεται ότι ο πρωτόγονος άνθρωπος χρησιμοποιούσε για τις ανάγκες του

ενέργεια ίση με 6,3 MJ την ημέρα που έπαιρνε μέσω της τροφής του. Ο σημερινός

άνθρωπος χρησιμοποιεί περίπου 1.000 MJ δηλαδή 150 φορές περισσότερη. [4]

1.4 Παρούσα κατάσταση στην Ελλάδα

Το πετρέλαιο και ο λιγνίτης καλύπτουν περίπου το 86% της συνολικής διάθεσης

ενέργειας στην Ελλάδα. Ακολουθεί µια σύντοµη ανάλυση του ενεργειακού ισοζυγίου

της Ελλάδος στην Ευρωπαϊκή Ένωση (Ε.Ε.) αλλά και την θέση του πετρελαίου σε

αυτήν.

Μέσα στην δεκαετία του 70 πραγματοποιήθηκαν δυο μεγάλες κρίσεις στο πετρέλαιο,

οι οποίες επηρέασαν σηµαντικά το οικονοµικό σύστηµα. Στόχος για ελληνικό κράτος

έγινε η μείωση της εξάρτησης του ενεργειακού συστήµατος της χώρας από το

πετρέλαιο. Βασικό στοιχείο των πολιτικών αυτών ήταν η εξάρτηση του λιγνίτη και

τη δημιουργία έργων υποδοµής για την παραγωγή ηλεκτρισµού και τη

4

διαφοροποίηση της προσφοράς ενέργειας µε την εισαγωγή του φυσικού αεριού

(Υπουργείο Ανάπτυξης, 2007).

Το 2005 η συνολική ∆ιάθεση Πρωτογενούς Ενέργειας (∆ΠΕ) στην Ελλάδα έφτασε

τα 31.1 Mtoe, αυξημένη κατά 40% περίπου από τα επίπεδα του 1990 όταν η

ακαθάριστη εγχώρια κατανάλωση ήταν 22.2 Mtoe. Την περίοδο (1995-2005) ο µέσος

ετήσιος ρυθµός αύξησης ήταν 2.3%. [5]

Ο λιγνίτης και το πετρέλαιο καλύπτουν περίπου το 86% της συνολικής διάθεσης

ενέργειας, η οποία παρουσιάζει µια σταθερή αύξηση τα τελευταία χρόνια. Το φυσικό

αέριο πρωτοεμφανίστηκε το 1995 και οι ανανεώσιµες πήγες ενέργειας άρχισαν να

εµφανίζονται σαν υπολογίσιµη πηγή παραγωγής ηλεκτρισµού. Η ενεργειακή

εξάρτηση της χώρας ήταν 75% το 2005 γι αυτό αυξήθηκε η εισαγωγή πετρελαίου και

φυσικού αεριού.

Πιο αναλυτικά, η «1η Έκθεση για το μακροχρόνιο ενεργειακό σχεδιασµό της

Ελλάδας 2008-2020» του Υπουργείου Ανάπτυξης (2007) αποκάλυψε τα εξής για τον

ενεργειακό χάρτη της Ελλάδας:

Πετρελαϊκά Αποθέµατα

Η Ελλάδα εισάγει αργό πετρέλαιο και πετρελαϊκά προϊόντα, κατά κύριο λόγο, από τη

Ρωσία (32,3%), τη Σαουδική Αραβία (31,1%) και το Ιράν (28,6%). Τα πετρελαϊκά

αποθέµατα καλύπτουν τη ζήτηση για µέχρι το τέλος του Επενδύσεις των

Φωτοβολταϊκών Επενδύσεων στην Κρήτη παρόντος αιώνα. Η εξέλιξη της τιµής του

πετρελαίου δεν επηρεάζεται αρνητικά παρασύρεται από άλλους παράγοντες εκτός

από την πρόσφορα και την ζήτηση. Σηµαντικά στοιχεία του παγκόσμιου ισοζυγίου

πετρελαίου για την ερχόµενη πενταετία είναι η εκτίµηση ότι η παγκόσμια παραγωγή

πετρελαίου θα ξεπερνά οριακά τη ζήτηση. Σηµαντικά αυξητική θα είναι η διύλιση

κυρίως λόγο έργων στη Μέση Ανατολή. Παρά την αύξηση της διύλισης πετρελαίου

εκτιµάται ότι θα παρουσιαστεί αύξηση στη ζήτηση του βίο καυσίµου.

5

Φυσικό Αέριο

Η ζήτηση της Ελλάδας σε φυσικό αέριο γίνεται από τη Ρωσία (85%) µέσω της

Βουλγαρίας και σε µορφή υγροποιημένου φυσικού αεριού από την Αλγερία (15%). Η

παγκόσμια κατάσταση στον τοµέα του φυσικού αεριού χαρακτηρίζεται από την

αναµενόµενη αύξηση της ζήτησης λόγω πρόσθετων αναγκών αεριού για

ηλεκτροπαραγωγή στις αναπτυσσόμενες χώρες. Η τιµή του φυσικού αεριού

κυµαίνεται σε υψηλά επίπεδα όπως και του πετρελαίου και αναµένεται κάµψη µετά

το 2010.

Ηλεκτρισµός

Η συνολική εγχώρια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα ανήλθε το 2005

στις 58,7TWh από την οποία, περίπου, το 6,5% καλύφθηκε από καθαρές εισαγωγές

που πραγματοποιήθηκαν, κατά κύριο λόγο, από τη Βουλγαρία (81%) και την πΓ∆Μ

(14%).

Τα σταθερά καύσιµα συνεχίζουν να αποτελούν τη βασική µορφή ενέργειας για την

παραγωγή σε σχετική σταθερότητα τιµών. Μια ανάλυση για τα βασικά αποθέµατα

δείχνει ότι ακολουθώντας την σηµερινή παγκόσµια παραγωγή υπάρχει διαθεσιµότητα

τροφοδοσίας για λιθάνθρακα και λιγνίτη για πολλά χρόνια. Οι θετικές εξελίξεις στην

τεχνολογία για αποθήκευση και την δέσµευση του διοξειδίου του άνθρακα αποτελούν

µια βιώσιµη και µακροχρόνια χρήση του άνθρακα. Η ανταγωνιστικότητα και η

ασφάλεια τροφοδοσίας της χρήσης του άνθρακα στο ενεργειακό ισοζύγιο εξετάζεται

για την µείωση των εκποµπών αέριων του θερµοκηπίου. Οι επενδύσεις σε

τεχνολογίες άνθρακα αποδεικνύεται µεγάλης άξιας για την διαθεσιμότητα,

προσβασιμότητα, και ευελιξία του πόρου αυτού.

Βιοκαύσιµα

Η προώθηση του βιοκαυσιµου της αιθανόλης και του βιο ντίζελ είναι µια από τις

σηµαντικές αναζήτησης της ελληνικής πολιτείας. Η αύξηση της παγκόσµιας

παραγωγής βιοκαυσιµων αναµένεται να είναι ραγδαία. Οι Η.Π.Α είναι µια από τις

χώρες κλειδιά για την ανάπτυξη του βιοκαυσιµου ξεπερνώντας την Βραζιλία που

ήταν ο µεγαλύτερος παραγωγός της αιθανόλης.

6

Ανανεώσιµες Μορφές Ενέργειας

Η συνεισφορά των ΑΠΕ στο εθνικό ενεργειακό ισοζύγιο το 2008 είναι της τάξης του

5,6%, σε επίπεδο συνολικής ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης, και της τάξης του

17,7%, σε επίπεδο εγχώριας παραγωγής πρωτογενούς ενέργειας (ΚΑΠΕ, 2009).

Η παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας από ΑΠΕ το 2008 ήταν 1,8Mtoe, ενώ στις αρχές

της δεκαετίας του 90 ήταν 1,2 Mtoe. Εξ’ αυτών:

600 ktoe περίπου οφείλονται στη χρήση βιοµάζας στα νοικοκυριά,

264 ktoe στη χρήση βιοµάζας στη βιοµηχανία για ίδιες ανάγκες (συνολικό

ποσοστό της βιοµάζας 53,6%),

από την παραγωγή βιοκαυσίµων 63 ktoe (3,5%),

357 ktoe (19,7%) από την παραγωγή των υδροηλεκτρικών σταθµών,

193 ktoe (10,7%) από την παραγωγή των αιολικών συστηµάτων

174 ktoe (9,6%) από την παραγωγή των θερµικών ηλιακών συστηµάτων,

35 ktoe (2%) από το βιοαέριο, κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής

ενέργειας και

17 ktoe (1%) από την παραγωγή γεωθερμικών συστηµάτων

Στόχος της Ελλάδας είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ να αγγίξει το

29% επί της συνολικής ηλεκτροπαραγωγής µέχρι το 2020. [6]

1.5 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου

Από τα στοιχεία που αναφέραμε παραπάνω ότι συνθέτουν το περιβαλλοντικό

πρόβλημα ασφαλώς το σημαντικότερο είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Το

φαινόμενο αυτό συνίσταται στον εγκλωβισμό της θερμικής ενέργειας στην γήινη

ατμόσφαιρα με αποτέλεσμα την αύξηση της συνολικής θερμοκρασίας του πλανήτη με

ανυπολόγιστες συνέπειες για τους ζωντανούς οργανισμούς. Οι συνέπειες αυτές

μπορεί να είναι άμεσες (εμφάνιση ακραίων θερμοκρασιών, ερημοποίηση

«πράσινων» περιοχών) ή μελλοντικές (συνολική αλλαγή του κλίματος,

λιώσιμο των πάγων, άνοδος του επιπέδου της θάλασσας, καταποντισμός

παράκτιων περιοχών).

7

Σχήμα 1.2 - Το φαινόμενο του θερμοκηπίου

Τα βασικά χαρακτηριστικά του φαινομένου του θερμοκηπίου είναι ότι:

Έχει οικουμενικό χαρακτήρα, δηλαδή, παρά το ότι δημιουργείται από ρύπους που

παράγονται κυρίως σε συγκεκριμένες περιοχές (αστικά κέντρα, βιομηχανικές ζώνες),

οι επιπτώσεις του διαχέονται σε κάθε γωνιά του πλανήτη, (πχ λιώσιμο των πάγων

στους πόλους).

Τα αποτελέσματά του εμφανίζονται με χρονική υστέρηση, επομένως σε κάποιο

βαθμό είναι δύσκολο να γίνει πρόβλεψη για το πραγματικό μέγεθος του

προβλήματος.

Η ανάπτυξη του φαινομένου είναι ανάλογη της βιομηχανικής ανάπτυξης και της

αύξησης του βιοτικού επιπέδου, και για το λόγο αυτό συνεχής τις τελευταίες

δεκαετίες. Με τα σημερινά δεδομένα η ανάσχεση του φαινομένου μπορεί να

πραγματοποιηθεί περισσότερο με τη χρήση αντιρρυπαντικών τεχνολογιών (φίλτρα,

καλύτερης ποιότητας κινητήρες), παρά με την αναδιάρθρωση του συνδυασμού των

χρησιμοποιούμενων πηγών ενέργειας.

Το αέριο που ευθύνεται κυρίως για τη δημιουργία του φαινομένου του θερμοκηπίου

είναι το διοξείδιο του άνθρακα CO2. [2]

8

1.6 Ανανεώσημες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ)

Ως «ανανεώσιμες πηγές ενέργειας» θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των

παραδοσιακών πηγών ενέργειας (π.χ. του πετρελαίου ή του άνθρακα), όπως η ηλιακή

και η αιολική. Ο χαρακτηρισμός «ανανεώσιμες» είναι κάπως καταχρηστικός, μιας και

ορισμένες από αυτές τις πηγές, όπως η γεωθερμική ενέργεια δεν ανανεώνονται σε

κλίμακα χιλιετιών. Σε κάθε περίπτωση οι ΑΠΕ έχουν μελετηθεί ως λύση στο

πρόβλημα της αναμενόμενης εξάντλησης των (μη ανανεώσιμων) αποθεμάτων

ορυκτών καυσίμων. Τελευταία από την Ευρωπαϊκή Ένωση, αλλά και από πολλά

μεμονωμένα κράτη, υιοθετούνται νέες πολιτικές για τη χρήση ανανεώσιμων πηγών

ενέργειας, που προάγουν τέτοιες εσωτερικές πολιτικές και για τα κράτη μέλη. Οι

ΑΠΕ αποτελούν τη βάση του μοντέλου οικονομικής ανάπτυξης της πράσινης

οικονομίας και κεντρικό σημείο εστίασης της σχολής των οικολογικών οικονομικών,

η οποία έχει κάποια επιρροή στο οικολογικό κίνημα. [1]

Σύμφωνα με τον νόμο:

«Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) είναι οι μη ορυκτές ανανεώσιμες πηγές

ενέργειας, δηλαδή η αιολική, η ηλιακή και η γεωθερμική ενέργεια, η ενέργεια

κυμάτων, η παλιρροϊκή ενέργεια, η υδραυλική ενέργεια, τα αέρια τα εκλυόμενα από

χώρους υγειονομικής ταφής, από εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού και τα

βιοαέρια, όπως ορίζει η ΟΔΗΓΙΑ 2001/77/ΕΚ»

Επίσης:

«Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από ΑΠΕ (σύμφωνα με τον Ν 2773/1999) είναι η

Ηλεκτρική Ενέργεια η προερχόμενη από:

1. Την εκμετάλλευση Αιολικής ή Ηλιακής Ενέργειας ή βιομάζας ή Βιοαερίου.

2. Την εκμετάλλευση Γεωθερμικής Ενέργειας, εφόσον το δικαίωμα

εκμετάλλευσης του σχετικού Γεωθερμικού Δυναμικού έχει παραχωρηθεί στον

ενδιαφερόμενο, σύμφωνα με τις ισχύουσες κάθε φορά διατάξεις.

3. Την εκμετάλλευση της Ενέργειας από την Θάλασσα.

9

4. Την εκμετάλλευση Υδάτινου Δυναμικού με Μικρούς Υδροηλεκτρικούς

Σταθμούς μέχρι 10 MW.

5. Συνδυασμό των ανωτέρω.

6. Τη Συμπαραγωγή, με χρήση των Πηγών Ενέργειας, των (1) και (2) και

συνδυασμό τους.»

1.7 Γενικό πλαίσιο για τις ΑΠΕ

Tο θεσμικό πλαίσιο για την στήριξη των ΑΠΕ στην Ελλάδα αποτελείται από δύο

βασικές παραμέτρους. Η πρώτη παράμετρος έχει να κάνει με οικονομική στήριξη της

παραγόμενης κιλοβατώρας από ΑΠΕ (feed-in-tariff system), ενώ η δεύτερη

παράμετρος με την οικονομική στήριξη των επενδύσεων για ΑΠΕ, μέσω παροχής

επιδοτήσεων για την υλοποίηση έργων για παραγωγή ηλεκτρισμού. [7]

Ο πρώτος νόμος που έδωσε λύση σε παρατεινόμενα προβλήματα των ΑΠΕ τέθηκε σε

ισχύ το 1994 (Νόμος 2244/94 “Ρύθμιση θεμάτων ηλεκτροπαραγωγής από

ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και από συμβατικά καύσιμα και άλλες διατάξεις”),

αλλά πρακτικά εφαρμόστηκε το 1998, όταν ψηφίστηκε ο Εθνικός Αναπτυξιακός

Νόμος (2601/98) και δεσμεύτηκαν από το 2ο Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης κονδύλια

για τους τομείς των Ανανεώσιμων, της Εξοικονόμησης Ενέργειας και της

Συμπαραγωγής. Το Επιχειρησιακό Πλαίσιο Στήριξης των ΑΠΕ, απέδωσε θετικά

αποτελέσματα κατά τη διάρκεια ισχύος του. Συγκεκριμένα η εγκατεστημένη ισχύς

από ΑΠΕ αυξήθηκε από 71 MWe το 1997 (ίδια κατάσταση με το 1994) σε 500 MWe

το 2004 και 1.100MWe το 2007. Το μεγαλύτερο μέρος της εγκατεστημένης ισχύος

των ΑΠΕ αφορά αιολικά πάρκα.

Ο νόμος 2773/1999 για την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας και ο

νόμος 3468/2006 , που συμπλήρωσε και αντικατέστησε τον 2244/1994, για την

παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συμπαραγωγή

ηλεκτρισμού και θερμότητας υψηλής απόδοσης, αποτελούν μέχρι σήμερα το βασικό

νομοθετικό πλαίσιο της σημερινής αγοράς ΑΠΕ. Με τους νόμους αυτούς έγινε η

ενσωμάτωση των Ευρωπαϊκών Οδηγιών 96/92/ΕΚ και 2001/77/ΕΚ στο εθνικό

δίκαιο. Δυστυχώς στην παρούσα φάση δεν υπάρχει κάποιος νόμος που να

10

αναφέρεται ειδικότερα στην παραγωγή θέρμανσης/ ψύξης από ΑΠΕ. Οι

σημαντικότερες διατάξεις των νόμων 2773/1999 και 3468/2006 που αφορούν τις

ΑΠΕ συνοψίζονται παρακάτω:

1) Σύμφωνα με το νόμο 2773/1999 ιδρύεται η Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας

(ΡΑΕ) και ο Διαχειριστής Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας

(ΔΕΣΜΗΕ). Και τα δύο αυτά σώματα είναι βασικοί φορείς της απελευθερωμένης

ηλεκτρικής αγοράς.

2) Σύμφωνα με το νόμο 2773/99 ορίζεται η άδεια παραγωγής ηλεκτρικής

ενέργειας, η οποία είναι απαραίτητη για τη λειτουργία ενός σταθμού παραγωγής

ηλεκτρικής ενέργειας, είτε συμβατικού είτε με ΑΠΕ. Η χορήγηση της άδειας

παραγωγής δεν απαλλάσσει τον κάτοχό της από την υποχρέωση να λαμβάνει άλλες

άδειες ή εγκρίσεις που προβλέπονται από την ισχύουσα νομοθεσία, όπως οι άδειες

εγκατάστασης και λειτουργίας.

3) Ο Διαχειριστής του Συστήματος (ΔΕΣΜΗΕ) υποχρεούται να δίνει

προτεραιότητα, κατά την κατανομή του Φορτίου, σε διαθέσιμες εγκαταστάσεις

παραγωγής, στις οποίες η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από ΑΠΕ, ανεξάρτητα από

την εγκατεστημένη ισχύ τους, καθώς και σε υδροηλεκτρικές μονάδες με

εγκατεστημένη ισχύ μέχρι 15MWe.

4) Ο Διαχειριστής του συστήματος (ΔΕΣΜΗΕ) είναι υποχρεωμένος να

συνάπτει σύμβαση πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας με τον κάτοχο άδειας παραγωγής

της για 10 έτη, η οποία μπορεί να παρατείνεται για 10 επιπλέον έτη.

5) Ο νόμος 3468/06 προσπαθεί να απλοποιήσει και να επιταχύνει την

αδειοδοτική διαδικασία και επιπλέον θέτει ένα τιμολόγιο για επιδότηση της

παραγόμενης κιλοβατώρας (feed-in-tariff system). Όπως προαναφέρθηκε στο θεσμικό

πλαίσιο στήριξης των ΑΠΕ, πέρα από την επιδότηση της παραγόμενης κιλοβατώρας

προβλέπεται και η παροχή επιδοτήσεων για την υλοποίηση έργων ΑΠΕ

(προβλέπονται επιδοτήσεις και για άλλου τύπου επενδύσεις). Οι επιδοτήσεις αυτές

προβλέπονται κυρίως μέσω:

1. Του νόμου 3299/2004, που συχνά καλείται και Αναπτυξιακός Νόμος.

2. Επιχειρησιακού Προγράμματος Ανταγωνιστικότητας (ΕΠΑΝ), υπό την

11

στήριξη του 3ου

Κοινοτικού Πλαισίου Στήριξης (ΚΠΣ III, 2000-2006).

3. Του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) 2007-2013 υπό

την στήριξη του 4ου

Κοινοτικού Πλαισίου Στήριξης (ΚΠΣ IV, 2007-2013).

Ο επενδυτικός νόμος (3299/2004) χορηγεί ελκυστικά κίνητρα για επενδύσεις, σε

όλους τους τομείς της οικονομίας, όπως είναι ο πρωτογενής τομέας (π.χ.

θερμοκήπια, ιχθυοτροφεία), ο δευτερογενής (π.χ. κατασκευές, ενέργεια), ο

τριτογενής (π.χ. υπηρεσίες) και ο τουρισμός. Ο συγκεκριμένος νόμος έχει ισχυρό

γεωγραφικό χαρακτήρα, καθώς το επίπεδο της επιδότησης που δίνεται κάθε φορά

εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση που θα υλοποιηθεί η επένδυση. Έτσι γίνεται

διαίρεση της επικράτειας σε τέσσερις ζώνες, ενώ οι δραστηριότητες που εμπίπτουν

στις παροχές του χωρίζονται σε πέντε κατηγορίες.

Όσον αφορά τώρα τις επενδύσεις ΑΠΕ, ο νόμος 3299/2004 δίνει επιδοτήσεις για

επενδύσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας από ΑΠΕ, καθώς και

για επενδυτικά σχέδια παραγωγής βιοκαυσίμων ή στερεών καυσίμων από βιομάζα,

επενδυτικά σχέδια παραγωγής βιομάζας από φυτά, με σκοπό τη χρήση της ως πρώτης

ύλης για την παραγωγή ενέργειας. Η πιο συνηθισμένη περίπτωση από τις παραπάνω

επενδύσεις είναι βέβαια η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ.

Στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Ανταγωνιστικότητας (ΕΠΑΝ), υπό την στήριξη του

3ου Κοινοτικού Πλαισίου Στήριξης (ΚΠΣ III, 2000-2006), σύμφωνα με το μέτρο 2.1

του υποπρογράμματος 2, δίνονται κρατικές επιδοτήσεις σε ιδιωτικές επενδύσεις για:

α) επενδύσεις ΑΠΕ, γ) ορθολογική χρήση ενέργειας και γ) μικρής κλίμακας

συμπαραγωγή (< 50 MWe).

Το Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Ανταγωνιστικότητας (ΕΠΑΝ), έχει πλέον κλείσει

αλλά ως συνέχειά του έρχεται το Εθνικό Στρατηγικό Πλαίσιο Αναφοράς (ΕΣΠΑ)

2007-2013, το οποίο μόλις ξεκίνησε και καλύπτει όλους τους τομείς της οικονομίας,

συμπεριλαμβανομένου και του ενεργειακού τομέα. Σύμφωνα και με ένα πρόσφατο

δελτίο τύπου από το Υπ. Ανάπτυξης η ιεραρχία στον ενεργειακό τομές είναι ως εξής:

ηλεκτροπαραγωγή από ΑΠΕ, εξοικονόμηση ενέργειας και ενεργειακή

αποδοτικότητα, παραγωγή θέρμανσης και ψύξης από ΑΠΕ, βιομάζα και

συμπαραγωγή.

12

1.8 Πρόγραμμα οικιακού συνδεδεμένου δικτύου

Από 1η Ιουλίου 2009 ισχύει ένα πρόγραμμα για την εγκατάσταση μικρών

φωτοβολταϊκών συστημάτων σε οικίες ή πολύ μικρές επιχειρήσεις. Με το πρόγραμμα

αυτό δίνονται κίνητρα με τη μορφή ενίσχυσης της παραγόμενης ηλιακής

κιλοβατώρας, ώστε ο οικιακός καταναλωτής ή μία μικρή επιχείρηση να κάνουν

απόσβεση του συστήματος που εγκατέστησαν και να έχουν ένα λογικό κέρδος για τις

υπηρεσίες (ενεργειακές και περιβαλλοντικές) που παρέχουν στο δίκτυο.

Στην περίπτωση φωτοβολταϊκού συστήματος σε κοινόχρηστο ή κοινόκτητο χώρο

κτιρίου (ταράτσα), επιτρέπεται η εγκατάσταση ενός και μόνο συστήματος και τότε

πρέπει να πληρούνται οι παρακάτω όροι. Είτε να συμφωνήσουν εγγράφως οι

υπόλοιποι ιδιοκτήτες, είτε το φωτοβολταϊκό να εγκατασταθεί εξ ονόματος όλων των

ιδιοκτητών (τους οποίους στην περίπτωση αυτή εκπροσωπεί ο διαχειριστής). Αν η

ταράτσα είναι κοινόκτητη και οι κύριοι του χώρου αυτού θέλουν να την

παραχωρήσουν σε κάποιο άλλο ιδιοκτήτη του κτιρίου που δεν έχει δικαιώματα στην

ταράτσα, μπορούν να το κάνουν. Αν το σύστημα μπει σε στέγαστρο βεράντας

διαμερίσματος, προφανώς μπορούν να μπουν περισσότερα συστήματα σε μια

πολυκατοικία.

Το συγκεκριμένο πρόγραμμα, αφορά οικιακούς καταναλωτές και πολύ μικρές

επιχειρήσεις που επιθυμούν να εγκαταστήσουν φωτοβολταϊκά ισχύος έως 10 κιλοβάτ

(KWp) στο δώμα ή τη στέγη κτιρίου, συμπεριλαμβανομένων των στεγάστρων

βεραντών. Για να ενταχθούν στο πρόγραμμα, θα πρέπει να έχουν στην κυριότητά

τους το χώρο στον οποίο εγκαθίσταται το φωτοβολταϊκό σύστημα.

Όλη η παραγόμενη από το φωτοβολταϊκό ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται στο δίκτυο

της ΔΕΗ και ο αδειούχος πληρώνεται γι’ αυτή με 55 λεπτά την κιλοβατώρα (0,55

€/kWh), τιμή που είναι εγγυημένη για 25 χρόνια. Ο αδειούχος συνεχίζει να αγοράζει

ρεύμα από τη ΔΕΗ και να το πληρώνει στην τιμή που το πληρώνει και σήμερα

(περίπου 10-12 λεπτά την κιλοβατώρα). Στην πράξη αυτό σημαίνει ότι η ΔΕΗ θα

εγκαταστήσει ένα νέο μετρητή για να καταγράφει την παραγόμενη ενέργεια. Αν, για

παράδειγμα, στο δίμηνο το φωτοβολταϊκό παράγει ηλεκτρική ενέργεια αξίας 250 €

13

και ο αδειούχος καταναλώνει ενέργεια αξίας 100 €, θα του έρθει πιστωτικός

λογαριασμός 150 €, ποσό που θα καταθέσει η ΔΕΗ στον τραπεζικό του λογαριασμό.

Τρεις είναι οι προϋποθέσεις:

1. Ο ιδιοκτήτης να έχει μετρητή της ΔΕΗ στο όνομά του (ή στον κοινόχρηστο

λογαριασμό της πολυκατοικίας αν επιλεγεί η συλλογική εγκατάσταση).

2. Αν είναι οικιακός καταναλωτής, να καλύπτει μέρος των αναγκών του σε ζεστό

νερό από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (π.χ. ηλιακό θερμοσίφωνα, βιομάζα,

γεωθερμική αντλία θερμότητας), και

3. Αν είναι επιχείρηση, να μην έχει πάρει κάποια άλλη επιδότηση για το

φωτοβολταϊκό από εθνικά ή κοινοτικά προγράμματα.

Ο οικιακός μικροπαραγωγός ηλιακού ηλεκτρισμού δεν θεωρείται πια επιτηδευματίας,

με άλλα λόγια απαλλάσσεται από το άνοιγμα βιβλίων στην εφορία. Όπως αναφέρει η

σχετική κοινή υπουργική απόφαση, “δεν υφίστανται για τον κύριο του

φωτοβολταϊκού συστήματος φορολογικές υποχρεώσεις για τη διάθεση της ενέργειας

αυτής στο δίκτυο”. Με άλλα λόγια, τα όποια έσοδα έχει από την πώληση της

ενέργειας δεν φορολογούνται. Με βάση τον ισχύοντα φορολογικό νόμο, δικαιούτε

επιπλέον και έκπτωση δαπανών από το εισόδημα (εκπίπτει 20% της δαπάνης για

εγκατάσταση φωτοβολταϊκού και μέχρι 700 € ανά σύστημα).

Δεν επιτρέπεται η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πάνω από την απόληξη του

κλιμακοστασίου, του φρεατίου ανελκυστήρα και οποιασδήποτε άλλης κατασκευής. Η

διάταξη των φωτοβολταϊκών πλαισίων δεν θα πρέπει να δημιουργεί χώρο κύριας ή

βοηθητικής χρήσης ή ημιυπαίθριο. Σε περίπτωση τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών

σε υπάρχουσες στέγες, θα πρέπει αυτή να γίνεται εντός του όγκου της στέγης

ακολουθώντας την κλίση τους και να απέχει μισό μέτρο από τη περίγραμμά της. Αν

τα φωτοβολταϊκά τοποθετούνται σε δώμα, θα πρέπει η απόσταση από το στηθαίο του

δώματος να είναι ένα (1) μέτρο εσωτερικά αυτού για λόγους ασφαλείας.

14

1.9 ΑΠΕ στην Ελλάδα

Η Ελλάδα αποτελεί ιδανικό τόπο για ευρεία χρήση των ΑΠΕ. Τα ιδιαίτερα φυσικά

τοπιολογικά χαρακτηριστικά της σε συνδυασμό με τα ποικιλόμορφα κλιματολογικά

στοιχεία της ικανοποιούν την αναγκαία συνθήκη για την ανάπτυξη κάθε εφαρμογής

των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. H χώρα μας βρίσκεται σε μια περιοχή εξαιρετικά

ηλιόλουστη, όπου υπάρχουν πλούσιοι υδάτινοι πόροι και πνέουν συχνά ισχυροί

άνεμοι. Η Ελλάδα διαθέτει σχεδόν ανεξάντλητο δυναμικό κάθε μορφής ΑΠΕ.

Ενδεικτικά, σύμφωνα με μελέτη για τις ανανεώσιμες πηγές στη Μεσόγειο, η

οικονομικά εκμεταλλεύσιμη παραγωγή ηλεκτρισμού στην Ελλάδα από κάθε μορφής

ΑΠΕ ανέρχεται σε 55.000 GWh το χρόνο, ενώ το τεχνικά εκμεταλλεύσιμο δυναμικό

υπερβαίνει τις 218.000 GWh.

Σχήμα 1.3 - Εγκατεστημένη ισχύς σε ΜW ανανεώσιμων πηγών ενεργείας στην Ελλάδα και στόχος για το 2020 ( http://www.investingreece.gov.gr/default.asp?pid=36&sectorID=51&la=2 )

Η γεωγραφική της θέση (γεωγρ. πλάτος 33°) εξασφαλίζει μια εκτεταμένη περίοδο

ηλιοφάνειας, προσφέροντας την δυνατότητα μιας ουσιαστικής αξιοποίησης της

ηλιακής ενέργειας. Στο μεγαλύτερο τμήμα της χώρας η ηλιοφάνεια διαρκεί

περισσότερο από 2700 ώρες τον χρόνο. Στην Δυτική Μακεδονία και στην Ήπειρο

15

εμφανίζει τις μικρότερες τιμές της κυμαινόμενη από 2200 έως 2300 ώρες , ενώ στη

Ρόδο και στη νότια Κρήτη ξεπερνά τις 3100 ώρες ετησίως. Ο συνδυασμός του

γεωγραφικού πλάτους της Ελλάδας και της υψηλής ηλιοφάνειάς της έχει ως

αποτέλεσμα να προσπίπτουν ημερησίως κατά μέσο όρο 4,3 kwh ηλιακής ενέργειας

ανά τετραγωνικό μέτρο οριζόντιας επιφάνειας. Αυτό συντελεί στο να είναι δυνατή σε

ολόκληρη της επικράτεια η οικονομικά επωφελής εκμετάλλευση της ηλιακή

ακτινοβολίας σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Εκτιμάται ότι η ηλιακή ενέργεια

μπορεί να καλύψει το ένα τρίτο των αναγκών της χώρας σε ηλεκτρισμό. (Η

κατανάλωση ηλεκτρισμού αντιστοιχούσε σε 58,7 ΤWh το 2005).

Επίσης, η διάσπαρτη παρουσία μιας πλειάδας μικρών αλλά ορμητικών ποταμών,

λόγω του έντονου τοπογραφικού της ανάγλυφου, επιτρέπει την αξιοποίηση της

διαθέσιμης υδραυλικής ενέργειας ως συνέπεια της φυσικής ροής του ύδατος προς

κατώτερα υψομετρικά επίπεδα . Εκτιμάται ότι το σύνολο του οικονομικά

εκμεταλλεύσιμου υδροδυναμικού της Ελλάδας είναι 10.000 GWh/έτος (με θεωρητικό

επιφανειακό υδροδυναμικό 80.000 GWh και τεχνικά εκμεταλλεύσιμο 21.500 GWh).

Το 10% περίπου του δυναμικού αυτού (1.000 GWh) θεωρείται ότι είναι δυνατό να

αξιοποιηθεί μέσω μικρών υδροηλεκτρικών έργων (μέχρι 5 MW).

Ακόμα, η συνύπαρξη ηπειρωτικού – νησιωτικού τοπίου προσφέρει φυσικές διόδους

στην νομοτελειακή μετακίνηση μεγάλων αέριων μαζών, διαμορφώνοντας ένα

ιδιαίτερα αξιόλογο αιολικό δυναμικό κυρίως στις παράκτιες περιοχές. Το

εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό εκτιμάται ότι αντιπροσωπεύει το 13,6% του

συνόλου των ηλεκτρικών αναγκών της χώρας.

Επιπλέον η «πράσινη» ενέργεια από τα έγκατα της γης , δηλαδή η παραγωγή

ενέργειας από το πλήθος των θερμών πηγών που υπάρχουν διάσπαρτες στις χερσαίες

αλλά και στις νησιώτικες περιοχές της χώρας .Σύμφωνα με τα μέχρι σήμερα γνωστά

στοιχεία, το ενεργειακό απόθεμα που υπάρχει κάτω από τη γη με τη μορφή ζεστού

νερού αντιστοιχεί σε πάνω από 1.000 θερμικά MW ετησίως. Το άμεσα αξιοποιήσιμο

δυναμικό ξεπερνά σε ισχύ τα 200 MWt και μπορεί να αντικαταστήσει 160.000 τόνους

ισοδύναμου πετρελαίου ανά έτος.

Τέλος η βιομάζα. Στην Ελλάδα, τα κατ’ έτος διαθέσιμα γεωργικά και δασικά

υπολείμματα ισοδυναμούν ενεργειακά με 3-4 εκατ. τόνους πετρελαίου, ενώ το

16

δυναμικό των ενεργειακών καλλιεργειών μπορεί, με τα σημερινά δεδομένα, να

ξεπεράσει άνετα εκείνο των γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων. Το ποσό αυτό

αντιστοιχεί ενεργειακά στο 30-40% της ποσότητας του πετρελαίου που

καταναλώνεται ετησίως στη χώρα μας. Σημειώνεται ότι 1 τόνος βιομάζας ισοδυναμεί

με περίπου 0,4 τόνους πετρελαίου. Εντούτοις, με τα σημερινά δεδομένα, καλύπτεται

μόλις το 3% περίπου των ενεργειακών αναγκών της με τη χρήση της διαθέσιμης

βιομάζας . [10]

Έτσι ο νέος νόμος για τις ΑΠΕ, που ψηφίστηκε στις 25 Μαΐου 2010 από το Ελληνικό

Κοινοβούλιο, καθορίζει ως εθνικό δεσμευτικό στόχο το 20%, για τη συμμετοχή των

ΑΠΕ στην κάλυψη της τελικής κατανάλωσης ενέργειας το 2020 και το 40% για τον

ηλεκτρισμό. Επίσης προβλέπει ακόμη ότι έως τις 31 Δεκ 2019, όλα τα νέα κτίρια θα

πρέπει να καλύπτουν το σύνολο της ενεργειακής τους κατανάλωσης με ανανεώσιμες

πηγές ενέργειας, συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας, συστήματα

τηλεθέρμανσης σε κλίμακα περιοχής ή οικοδομικού τετραγώνου, καθώς και σε

αντλίες θερμότητας. Για τα κτίρια του Δημοσίου η υποχρέωση αυτή θα τεθεί σε ισχύ

πέντε χρόνια νωρίτερα, δηλαδή το 2014. [11]

1.10 Ηλιακή Ενέργεια

Η ηλιακή ενέργεια αποτελεί µία ανεξάντλητη µορφή ενέργειας. Έτσι όταν υλοποιηθεί

ένα σύστηµα εκµετάλλευσής της για την παραγωγή χρήσιµης ενέργειας (ηλεκτρική ή

θερµική για παράδειγµα), η πρώτη ύλη-καύσιµο είναι δωρεάν και δεν υποβάλλεται

ποτέ στις διακυµάνσεις των αγορών ενέργειας. Επιπλέον, η ηλιακή ενέργεια

αντιπροσωπεύει µία «καθαρή»µορφή ενέργειας εν συγκρίσει µε την ενέργεια που

προέρχεται από ορυκτά καύσιµα, οι ρύποι από τη χρήση της οποίας συµβάλλουν στην

ανάπτυξη του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Έτσι η ηλιακή ενέργεια µπορεί

ενδυνάµει να αποτελέσει µία σηµαντική µορφή ενέργειας προς εκµετάλλευση.

Γενικότερα, η ηλιακή ενέργεια έχει ζωτική σηµασία για την διατήρηση της ζωής στη

Γη και αποτελεί τη βάση για όλες σχεδόν τις άλλες µορφές ενέργειας που

χρησιµοποιούµε. Για παράδειγµα, η ηλιακή ενέργεια είναι απαραίτητη για την

ανάπτυξη των φυτών που µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως βιοµάζα ή, υπό

17

κατάλληλες συνθήκες, να οδηγήσουν στη δηµιουργία πετρελαίου µετά από

εκατοµµύρια χρόνια. [12]

Εικόνα 1.1 - Επίπεδο ηλιακής ακτινοβολίας σε κάθε περιοχή της Ελλάδας

Η θερµότητα του ήλιου δηµιουργεί θερµοκρασιακές διαφορές µεταξύ περιοχών και

ανάπτυξη ανέµων η ενέργεια των οποίων χρησιμοποιείται στις σύγχρονες

ανεµογεννήτριες. Επιπλέον, ποσότητες νερού εξατµίζονται λόγω της θερµότητας του

ήλιου, πέφτουν ως βροχή σε υψόμετρα και κατηφορίζουν προς τη θάλασσα, µε

δυνατότητα εκμετάλλευσης της δυναµικής τους ενέργειας σε υδροηλεκτρικές

γεννήτριες. Ωστόσο, µε τον όρο «ηλιακή ενέργεια» αναφερόµαστε συνήθως στην

18

ενέργεια του ήλιου που µπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για την παραγωγή

κυρίως θερµικής και ηλεκτρικής ενέργειας ποσό της ηλιακής ενέργειας που

προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης είναι πραγματικά τεράστιο: όλη η ενέργεια που

βρίσκεται αποθηκευμένη στα παγκόσμια κοιτάσματα άνθρακα, πετρελαίου και

φυσικού αερίου αντιστοιχεί σε ποσότητα ενέργειας που προκύπτει από µόλις 20

ηµέρες ηλιοφάνειας. Πέρα από τη γήινα ατμόσφαιρα, η ενέργεια του ήλιου είναι

περίπου 1,3kW/τ.µ. Περίπου ένα τρίτο (1/3) αυτής της ενέργειας ανακλάται πίσω στο

διάστηµα και µία ποσότητα της απορροφάται από την ατµόσφαιρα. Όταν η ηλιακή

ενέργεια φτάσει στην ατµόσφαιρα, η ισχύς της µειώνεται σε περίπου 1kW/τ.µ. κατά

τις μεσημβρινές ώρες σε καθαρό ουρανό. Κατά µέσο όρο, λαµβάνοντας υπόψη όλη

την επιφάνεια του πλανήτη, κάθε τ.µ. δέχεται περίπου 4,2 kWh την ηµέρα. Τα

ποσοστά ενέργειας είναι υψηλότερα σε επιφάνειες όπως έρηµοι όπου µπορούν να

ξεπεράσουν τις 6 kWh/τ.µ. την ηµέρα.

Εικόνα 1.2 - Μόλις το 51% της συνολικής ηλιακής ενέργειας απορροφάται από το έδαφος της Γης

19

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1ου

ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

[1] el.wikipedia.org/

[2] www.allaboutenergy.gr/Intro11.html

[3] Εκκαθαριστικός λογαριαμός ΔΕΗ

[4] www.a2green.gr/energProblem.php

[5] kathimerini.gr "Πρωταθλήτρια στη χρήση πετρελαίου η Ελλάδα" Hμερομηνία

δημοσίευσης: 26-10-07

[6] www.ypan.gr "Έκθεση μακροχρόνιου σχεδιασμού"

[7] www.rae.gr

[8]http://www.piraeusbank.gr/ecPage.asp?id=300789&lang=1&nt=96&from=links&ti

d=298256&fromsearch=298256&sid=

[9] http://www.retd.gr/index.php?cat=2&page=4&language=gr

[10] www.cres.gr/energy-saving/images/pdf/biomass_guide.pdf

[11] www.pvtech.gr/fotovoltaika-ktiria.html

[12] Οδηγός Μελέτης και Υλοποίησης Φωτοβολταϊκών Έργων "Μόνιμη Επιτροπή

Ενέργειας" Πόρισμα Ομάδας Εργασίας του ΤΕΕ/ΤΚΜ όπως εγκρίθηκε με την

απόφαση Α159/Σ9/11.04.2011 της Διοικούσας Επιτροπής

20

21

2.1 Φωτοβολταϊκή τεχνολογία

Το 1839, ο Γάλλος φυσικός Edmund Becquerel ανακάλυψε ότι ορισµένα υλικά

µπορούσαν να παράγουν σπινθήρες ηλεκτρισµού όταν υποβάλλονταν σε ηλιακή

ακτινοβολία. Αυτό το φαινόµενο, γνωστό και ως φωτοηλεκτρικό φαινόµενο,

χρησιμοποιήθηκε σε «πρωτόγονα» ηλιακά κελιά από σελήνιο στα τέλη του 18ου

αιώνα. Τη δεκαετία του 1950, επιστήμονες στα Bell Labs, αναπροσάρµοσαν την

τεχνολογία και, χρησιμοποιώντας ως βάση το πυρίτιο, κατασκεύασαν ηλιακά κελιά

τα οποία µπορούσαν να μετατρέψουν ποσοστό περίπου 4% της ηλιακής ενέργειας

απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Με απλά λόγια, τα σημαντικότερα στοιχεία ενός

ηλιακού κελιού (solar cell) είναι δύο στρώµατα ηµιαγωγικού υλικού τα οποία γενικά

αποτελούνται από κρυστάλλους πυριτίου. Το κρυσταλλικό πυρίτιο, αυτό καθ’ αυτό

δεν είναι ένας πολύ καλός αγωγός του ηλεκτρισµού, αλλά όταν προστίθενται σ’ αυτό

προσµίξεις, δηµιουργούνται οι προϋποθέσεις για την παραγωγή ηλεκτρισµού. Στο

κάτω στρώµα του ηλιακού κελιού προστίθεται συνήθως βόριο, το οποίο δημιουργεί

δεσµούς µε το πυρίτιο οδηγώντας στην ανάπτυξη θετικού φορτίου (p). Στο πάνω

µέρος του ηλιακού κελιού προστίθεται συνήθως φώσφορος, το οποίο δηµιουργεί

δεσµούς µε το πυρίτιο οδηγώντας στην ανάπτυξη αρνητικού φορτίου (n). Η

επιφάνεια µεταξύ των ηµιαγωγών τύπου p και τύπου n που δημιουργούνται

ονοµάζεται p-n επαφή (Ρ-Ν junction).

Κεφάλαιο 2

Φωτοβολταϊκά Συστήματα

22

Εικόνα 2.1 - Δομή ηλιακού κελιού

Όταν το ηλιακό φως εισέρχεται στο κελί , η ενέργεια του ελευθερώνει ηλεκτρόνια

και στα δύο στρώµατα. Τα ηλεκτρόνια αυτά, γνωστά και ως ελεύθερα ηλεκτρόνια,

προσπαθούν, λόγω των διαφορετικών φορτίσεων των δύο στρωµάτων, να

µετακινηθούν από τοστρώµα τύπου-n στο στρώµα τύπου-p, αλλά εµποδίζονται από

το ηλεκτρικό πεδίο στην επαφή p-n. Ωστόσο, η παρουσία ενός εξωτερικού

κυκλώµατος δηµιουργεί την απαραίτητη διαδρομή για τη µεταφορά ηλεκτρονίων από

το στρώµα τύπου-n στο στρώµα τύπου-p. Εξαιρετικά λεπτά καλώδια κατά µήκος του

στρώµατος τύπου-n επιτρέπουν τη διέλευση ηλεκτρονίων και η κίνηση αυτή των

ηλεκτρονίων προκαλεί τη δηµιουργία ρεύµατος. Τα ηλιακά κελιά έχουν συνήθως

τετράγωνο σχήµα πλευράς περίπου 10 εκατοστών. Ένα ηλιακό κελί παράγει πολύ

µικρή ισχύ (συνήθως λιγότεροαπό 2W) και έτσι ενώνονται ηλεκτρικά εν σειρά ή εν

παραλλήλω, όπως θα αναλυθεί παρακάτω για να δηµιουργηθούν τα φωτοβολταϊκά

πάνελ. Η απόδοση των ηλιακών κελιών, εκφραζόµενη ως το ποσοστό της ηλιακής

ενέργειας που µετατρέπεται σε ηλεκτρική, εξαρτάται από την τεχνολογία των υλικών

23

που χρησιμοποιούνται. Σε ερευνητικό επίπεδο έχουν αναφερθεί (Σχήµα 2.1)

αποδόσεις έως και 40%. Ωστόσο η πλειονότητα των ηλιακών κελιών και των

δημιουργούμενων φωτοβολταϊκών πάνελ που στο εµπόριο έχουν µία µέγιστη

απόδοση της τάξης του 17-19%.

Σχήμα 2.1 - Τύποι ηλιακών κελιών και καταγεγραμμένες µέγιστες αποδόσεις(Πηγή: NREL)

2.2 Τύποι φωτοβολταϊκών

Οι κυριότεροι τύποι ηλιακών κελιών είναι οι παρακάτω:

1. Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο

Τα κελιά µονοκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευάζονται από έναν

µεγάλοκρυσταλλικό δίσκο (wafer) πυριτίου. Τα κελιά αυτά κατασκευάζονται µε µία

διαδικασία γνωστή ως διαδικασία “Czochralski”. Χαρακτηρίζονται από υψηλή

απόδοση, της τάξης του 15-18% αλλά και υψηλότερο κόστος. Τα ηλιακά κελιά

κατασκευάζονται σε σχήµα κύκλου, ή σχεδόν κύκλου καθώς και τετράγωνα. Τα

24

κυκλικά ηλιακά κελιά είναι φθηνότερα από τα υπόλοιπα επειδή είναι λιγότερα τα

υπολείµµατα κατά την κατασκευή τους. Ωστόσο δεν χρησιµοποιούνται συχνά στην

κατασκευή φωτοβολταϊκών πάνελ επειδή δεν χρησιμοποιείται αποδοτικά µία

επιφάνεια, λόγω των κενών µεταξύ τους όταν τοποθετούνται δίπλα το ένα στο άλλο.

Αποτελούν όµως µία καλή προοπτική για ενσωµάτωση σε κτίρια όταν απαιτείται

µερική διαπερατότητα στο φως. Το χρώµα τους είναι συνήθως βαθύ µπλε έως µαύρο

όταν διαθέτουν αντί-ανακλαστική (AR) επίστρωση ή γκρι (χωρίς αντί-ανακλαστική

επίστρωση).

Εικόνα 2.2 - Μορφές µονοκρυσταλλικών κελιών πυριτίου

2. Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο

Τα κελιά πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι φθηνότερα από αυτά του

µονοκρυσταλλικού πυριτίου αλλά και λιγότερο αποδοτικά. Όπως προκύπτεικαι από

τον όρο, κατασκευάζονται από δίσκους (wafers) πυριτίου που κόβονται από

τετραγωνισµένους ράβδους πυριτίου. Η µέθοδος κατασκευής ενός πολυκρυσταλλικού

κελιού απαιτεί πολύ µικρότερη ακρίβεια και κόστος σε σχέση µε τα

µονοκρυσταλλικά κελιά. Η απόδοση τους κυµαίνεται από13% έως 16% και

κατασκευάζονται συνήθως σε τετράγωνο σχήµα. Το χρώµα τους είναι συνήθως µπλε

25

(µε αντί-ανακλαστική επίστρωση) ή γκρι-ασηµί (χωρίς αντί-ανακλαστική

επίστρωση).

Εικόνα 2.3 - Μορφές πολυκρυσταλλικών κελιών πυριτίου

3. Γ. Τεχνολογίες λεπτού υµενίου (thin-film)

Αρκετή έρευνα έχει διεξαχθεί τα τελευταία χρόνια για την τελειοποίηση µεθόδων

κατασκευής ηλιακών κελιών µε ηµιαγωγούς πάχους µόλις µερικών µικροµέτρων, µε

στόχο την επίτευξη µίας εύλογης απόδοσης µε τηχρήση µικρής ποσότητας πυριτίου. Τα

κελιά αυτά έχουν µικρότερη απόδοση από τα κελιά κρυσταλλικού πυριτίου (της τάξης

του 5-7%) αλλάµε αρκετά χαµηλότερο κόστος, ώστε να τα καθιστά ανταγωνιστικά.

Συνήθως χαρακτηρίζονται από το έντονα σκούρο (σχεδόν µαύρο) χρώµατους.

Κυριότεροι αντιπρόσωποι της κατηγορίας αυτής αποτελούν τα παρακάτω:

Κελιά άµορφου πυριτίου (amorphous-Si) : Αποτελούν την πιο συνηθισµένη

µορφή και έχουν χρησιµοποιηθεί ευρέωςσε ηλεκτρονικά προϊόντα ευρείας

κατανάλωσης (π.χ. υπολογιστές τσέπης).Το άµορφο πυρίτιο, η µη-κρυσταλλική

µορφή του πυριτίου, µπορεί να τοποθετηθεί σε ένα αγώγιμο υπόστρωμα σε ένα

στρώμα πάχους μερικών μικρομέτρων δημιουργώντας ένα κελί τεχνολογίας

λεπτού υμενίου. Η διαδικασία τοποθέτησης επιτρέπει στο όμορφο πυρίτιο να έχει

λιγότερο από 1% του πάχους ενός κρυσταλλικού κελιού. Επιπλέον, τα κελιά

άμορφου πυριτίου δίνουν τη δυνατότητα κατασκευής εύκαμπτων φωτοβολταϊκών

πάνελ.

26

Εικόνα 2.4 - Φωτοβολταϊκά πάνελ από άμορφο πυρίτιο

αντιστοιχεί σε γωνία του ήλιου ίση προς 41,8° ως προς τον ορίζοντα. Ιδιαίτερη µνεία

πρέπει να γίνει στον παράγοντα της θερµοκρασίας κελιού, η οποία είναι συνήθως κατά

25-30°C υψηλότερη από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Έτσι συνήθως οι

κατασκευαστές παρέχουν και τα δεδοµένα ισχύος στις λεγόµενες NOCT συνθήκες

(Normal Operating Cell Temperature), οι οποίες αντιστοιχούν σε θερµοκρασία κελιού

περί τους 45-48°C για θερµοκρασία περιβάλλοντος 20°C, ένταση ακτινοβολίας

800W/mAM=1.5 και ταχύτητα ανέµου 1m/sec. Τα δεδοµένα αυτά παρέχουν µία

περισσότερο ρεαλιστική εικόνα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τα ηλιακά

κελιά, αναφορικά µε τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Κελιά καδμίου-τελλουρίου (CdTe) : Η κρυσταλλική ένωση καδμίου-τελλουρίου

(CdTe) είναι ένα αποτελεσματικό υλικό κατασκευής φωτοβολταϊκών κελιών. Για

τη δημιουργία μίας ένωσης pWn σε ένα ηλιακό κελί, ένα στρώμα σουλφιδίου

του καδμίου προστίθεται στο CdTe. Λόγω της αποτελεσματικότητας ένα κελί

CdTe χρησιμοποιεί περίπου το 1% του ημιαγωγού υλικού σε σχέση με ένα

κρυσταλλικό κελί. Μειονέκτημα τους αποτελεί το γεγονός της χρήσης του

σπάνιου μετάλλου τελλουρίου. Επιπλέον, η χρήση του καδμίου επιβάλλει την

αναγκαστική ανακύκλωση τους μετά το πέρας της ζωής τους.

Κελιά χαλκού-Ινδίου / Γαλλίου – Δισεληνιούχου : Αποτελεί μία από τις

περισσότερο υποσχόμενες τεχνολογίες, όπου κελιά λεπτού υμενίου

κατασκευάζονται από έναν συνδυασμό χαλκού-ινδίου-δισεληνιούχου και χαλκού-

γαλλίου-δισεληνιούχου (κελιά CIGS). Τα κελιά αυτά έχουν επιδείξει αποδόσεις

της τάξης του 19,9%, που αποτελεί την υψηλότερη για κελιά λεπτού υμενίου.

4. Άλλοι τύποι κελιών

27

Εκτός των παραπάνω συναντά κανείς και τους παρακάτω τύπους κελιών σε μικρό

βαθμό ή σε εργαστηριακό επίπεδο:

Κελιά Γαλλίου-Αρσενικούχου (GaAs) : Αποτελούν κελιά υψηλής (έως και

36%), ωστόσο είναι ιδιαίτερα ακριβά

Οργανικά/πολυμερή κελιά : Αποτελούν μία σχετικά νέα τεχνολογία. Τα

οργανικά κελιά λειτουργούν με έναν λίγο διαφορετικό τρόπο σε σχέση με τις

άλλες τεχνολογίες: αντί για ημιαγώγιμες p-n επαφές, τα οργανικά κελιά

χρησιμοποιούν οργανικά υλικά που λειτουργούν ως δότες και δέκτες

ηλεκτρονίων. Το μεγάλο πλεονέκτημα χρήσης οργανικών υλικών είναι ότι

επιτρέπουν την μεγάλης κλίμακας, χαμηλής θερμοκρασίας κατασκευή

εύκαμπτων ηλιακών κελιών σε υποστρώματα πλαστικών. Η απόδοση των

οργανικών κελιών είναι σήμερα της τάξης του 5-6%, ωστόσο η αύξηση της

πρόκειται να μειώσει σημαντικά το κόστος παραγωγής ηλιακών κελιών.

2.3 Βασικά στοιχεία φωτοβολταϊκών

Συνήθως τα ηλιακά στοιχεία σε μια βασική μονάδα συνδέονται μεταξύ τους σε μια

βασική σειρά. Αυτό οφείλεται στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κάθε ηλιακού

στοιχείου. Ένα τυπικό (διαμέτρου 4 ιντσών) ηλιακό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου

ή ένα (10 cm Χ 10 cm) πολυκρυσταλλικό στοιχείο θα παρέχουν κάτω από κανονικές

συνθήκες ισχύ μεταξύ 1 και 1,5 W, εξαρτώμενη από την απόδοση του ηλιακού

στοιχείου. Αυτή η ισχύς παρέχεται συνήθως υπό τάση 0,5 ή 0,6 V. Από τη στιγμή που

υπάρχουν πολύ λίγες εφαρμογές, οι οποίες μπορούν να λειτουργούν σε αυτή την

τάση, η άμεση λύση είναι να συνδεθούν τα ηλιακά στοιχεία σε σειρά. [1]

Ο αριθμός των ηλεκτρικών στοιχείων μέσα σε μια βασική μονάδα ρυθμίζεται από την

τάση της βασικής μονάδας. Η ονομαστική τάση λειτουργίας του συστήματος

συνήθως πρέπει να ταιριάζει με την ονομαστική τάση του υποσυστήματος

αποθήκευσης. Οι περισσότερες εκ των φωτοβολταϊκών βασικών μονάδων, που

κατασκευάζονται βιομηχανικά έχουν, επομένως, σταθερές διατάξεις, οι οποίες

μπορούν να συνεργασθούν ακόμη και με μπαταρίες των 12Volt. Προνοώντας για

κάποια υπέρταση προκειμένου να φορτιστεί η μπαταρία και να αντισταθμιστεί

28

χαμηλότερη έξοδος, κάτω από συνθήκες χαμηλότερες των κανονικών, έχει βρεθεί ότι

μια ομάδα των 33 έως 36 ηλιακών στοιχείων σε σειρά συνήθως εξασφαλίζουν

αξιόπιστη λειτουργία.

Έτσι η ισχύς των βασικών μονάδων πυριτίου συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 40 και 60

W. Οι παράμετροι της βασικής μονάδας καθορίζονται από τον κατασκευαστή κάτω

από τις ακόλουθες κανονικές συνθήκες:

Ακτινοβολία 1 ΚW/m2

Φασματική κατανομή ΑΜ 1,5

Θερμοκρασία ηλιακού στοιχείου 25°C

Πρόκειται για τις ίδιες συνθήκες με αυτές που χρησιμοποιούνται για να

χαρακτηρισθούν τα ηλιακά στοιχεία. Η ονομαστική έξοδος συνήθως ονομάζεται

ισχύς κορυφής μιας βασικής μονάδας και εκφράζεται σε W κορυφής (Wp). [1]

Τα τρία περισσότερο σημαντικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μιας βασικής μονάδας

είναι το ρεύμα βραχυκυκλώματος, η τάση ανοικτού κυκλώματος και το σημείο

μέγιστης ισχύος σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και την ακτινοβολία. Αυτές οι

χαρακτηριστικές μοιάζουν με τη χαρακτηριστική Ι-V ενός ηλιακού στοιχείου,

ωστόσο υπάρχουν συγκεκριμένες ιδιομορφίες.

2.4 Μοντελοποίηση ηλιακών κελιών

Το απλούστερο μοντέλο ηλιακού κελιού παρουσιάζεται στο παρακάτω Σχήμα 2.2:

Σχήμα 2.2 - Απλό μοντέλο ηλιακού κελιού [1]

29

Στο μοντέλο αυτό το ρεύμα κελιού προκύπτει από το συνδυασμό του φωτορεύματος

Iph, δηλαδή του ρεύματος που παράγεται από την έκθεση σε ηλιακή ακτινοβολία και

είναι ανάλογο αυτής και του ρεύματος της διόδου που δημιουργείται λόγω της

ύπαρξης της επαφής p-n. [1] Έτσι ισχύει η παρακάτω εξίσωση:

Icell = Iph – ID = Iph – I0 ( eqV / kT – 1 ) (2.1)

όπου

Icell : ρεύμα κελιού

Iph: φωτορεύμα, ανάλογο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας

ID : ρεύμα διόδου

I : ρεύμα διαρροής της διόδου

q: φορτίο ηλεκτρονίου

V: τάση στα άκρα της διόδου

k: σταθερά Boltzmann

Τ: θερμοκρασία (Κ)

Από την παραπάνω εξίσωση γίνεται φανερό ότι οι κυριότεροι παράγοντες που

επηρεάζουν την παραγωγή ρεύματος σε ένα ηλιακό κελί είναι η ένταση της

ακτινοβολίας και η θερμοκρασία. Ωστόσο, ένα ακριβέστερο μοντέλο ενός ηλιακού

κελιού πρέπει να εμπεριέχει και τις ηλεκτρικές αντιστάσεις των υλικών, όπως

παρουσιάζεται στο παρακάτω Σχήμα 2.3:

Σχήμα 2.3 - Μοντέλο ηλιακού κελιού με αντιστάσεις

30

Στην περίπτωση αυτή η εξίσωση που περιγράφει το ηλιακό κελί είναι η παρακάτω:

(2.2)

όπου RS RP, είναι εν σειρά και εν παραλλήλω ηλεκτρικές αντιστάσεις:

Μακροσκοπικά, ένα ηλιακό κελί μοντελοποιείται με την βοήθεια της

χαρακτηριστικής του καμπύλης έντασης-τάσης I-V (Ι-V curve) ή ισχύος- τάσης P-V

(P-V curve). Τυπικές καμπύλες παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.4:

Σχήμα 2.4 - Καμπύλες Ι-V και P-V ενός ηλιακού κελιού

Χαρακτηριστικά μεγέθη αποτελούν:

• Η τάση ανοικτού κυκλώματος Voc: είναι η τάση που επικρατεί στην έξοδο ενός

ηλιακού κελιού όταν τα δύο άκρα του είναι ανοικτά

• Το ρεύμα βραχυκύκλωσης: Isc: είναι το ρεύμα που διαρρέει το ηλιακό κελί όταν τα

δύο άκρα του βραχυκυκλωθούν.

• Η μέγιστη ισχύς του κελιού Pmpp (maximum power point): είναι η μέγιστη ισχύς

του ηλιακού κελιού που αντιστοιχεί σε τάση Vmpp και ένταση Impp. Με στόχο τη

δυνατότητα σύγκρισης διαφορετικών κελιών ή και πάνελ υπό κοινές συνθήκες, έχουν

οριστεί οι λεγόμενες Πρότυπες Συνθήκες Ελέγχου, περισσότερο γνωστές ως STC

συνθήκες από τα αρχικά των λέξεων Standard Test Conditions. Οι συνθήκες αυτές

αντιστοιχούν σε [1] :

31

••• Ένταση προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας ίσης προς 1000W/m2

••• Θερμοκρασία κελιού ίση προς 25°C.

••• Μάζα αέρα (air mass) ίση προς 1.5

Η μάζα αέρα είναι μία παράμετρος που πρακτικά σχετίζεται με τη διαδρομή της

ηλιακής ακτινοβολίας διαμέσου της ατμόσφαιρας. Έτσι όταν ο ήλιος βρίσκεται

κάθετα στην επιφάνεια της γης, η ηλιακή ακτινοβολία περνάει μόνο μία φορά

διαμέσου του ατμοσφαιρικού αέρα, γεγονός που δηλώνεται ως ΑΜ=1. Ο παράγων

ΑΜ=1.5, που χρησιμοποιείται ως πρότυπη συνθήκη για τον χαρακτηρισμό των

ηλιακών κελιών αντιστοιχεί σε γωνία του ήλιου ίση προς 41.8° ως προς τον

ορίζοντα. Ιδιαίτερη μνεία πρέπει να γίνει στον παράγοντα της θερμοκρασίας κελιού,

η οποία είναι συνήθως κατά 25-30°C υψηλότερη από τη θερμοκρασία

περιβάλλοντος. Έτσι συνήθως οι κατασκευαστές παρέχουν και τα δεδομένα ισχύος

στις λεγόμενες NOCT συνθήκες (Normal Operating Cell Temperature), οι οποίες

αντιστοιχούν σε θερμοκρασία κελιού περί τους 45- 48°C για θερμοκρασία

περιβάλλοντος 20°C, ένταση ακτινοβολίας 800W/m2 AM=1.5 και ταχύτητα ανέμου

1m/sec. Τα δεδομένα αυτά παρέχουν μία περισσότερο ρεαλιστική εικόνα της

παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τα ηλιακά κελιά, αναφορικά με τις

επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες.

2.5 Επίδραση έντασης ακτινοβολίας και θερµοκρασίας

Όπως αναφέρθηκε προηγουµένως, η ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και η

θερµοκρασία αποτελούν τους δύο κυριότερους παράγοντες πουεπηρεάζουν την

παραγωγή ενέργειας από ένα ηλιακό κελί.Το Σχήµα 2.5 παρουσιάζει τη µεταβολή της

I-V χαρακτηριστικής ενός ηλιακού κελιού µε µεταβολή της έντασης ακτινοβολίας.

[1]

32

Σχήμα 2.5 - Επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας στην καμπύλη I-V ενός ηλιακού κελιού

Όπως προκύπτει από το Σχήµα 2.5, η ένταση ηλιακής ακτινοβολίας επιδρά (σχεδόν

ανάλογα) στο ρεύµα βραχυκύκλωσης του κελιού ενώ η τάση ανοικτού κυκλώµατος

αυξάνεται ελαφρά µε την αύξηση της έντασης. Αποτέλεσµα των παραπάνω είναι η

σχεδόν αναλογική σχέση ανάµεσα στην ισχύ του κελιού και την ένταση της ηλιακής

ακτινοβολίας, για σταθερές φυσικά θερµοκρασίες κελιού. Το Σχήµα 2.6 παρουσιάζει

την επίδραση της θερµοκρασίας κελιού στην I-V χαρακτηριστική του κελιού:

Σχήμα 2.6 - Επίδραση της θερμοκρασίας στην I-V χαρακτηριστική καμπύλη ενός ηλιακού κελιού

33

Όπως προκύπτει από το Σχήµα 2.6, η θερµοκρασία επιδρά κυρίως στην τάση του

ηλιακού κελιού. Ειδικότερα, η τάση ανοικτού κυκλώµατος αυξάνεται σηµαντικά µε

µείωση της θερµοκρασίας, γεγονός που πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη κατά το

σχεδιασµό ενός συστήµατος, ενώ το ρεύµα βραχυκύκλωσης µειώνεται ελαφρά.

Συνολικά, η ισχύς του ηλιακού κελιού µειώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας

[1]. Συνήθως οι κατασκευαστές των ηλιακών κελιών και πάνελ αναφέρουν

ενδεικτικούς συντελεστές µεταβολής των παρακάτω µεγεθών µε τη θερµοκρασία:

•Ρεύµα βραχυκύκλωσης Isc,, µε τυπικές τιµές της τάξης του 0,04-0,07% ανά βαθµό

Kelvin (ή Κελσίου)

•Τάση ανοικτού κυκλώµατος Voc µε τυπικές τιµές της τάξης του -0,3έως -0,4% ανά

βαθµό Kelvin (ή Κελσίου).

•Μέγιστη ισχύς Pmpp µε τυπικές τιµές της τάξης του -0,4 έως -0,5%ανά βαθµό

Kelvin (ή Κελσίου).

Οι παραπάνω τιµές είναι ενδεικτικές για πάνελ κρυσταλλικού πυριτίου. Για πάνελ

άµορφου πυριτίου, η µείωση στις τιµές της τάσης και κυρίως της ισχύος (που είναι

και το µέγεθος µε το άµεσο ενδιαφέρον) είναι µικρότερη µε ενδεικτικές τιµές της

τάξης του -0,3% ανά βαθµό Kelvin για την τάση του ανοικτού κυκλώµατος και -0,3

έως -0,4% ανά βαθµό Kelvin για την ισχύ του κελιού.Το γεγονός αυτό φανερώνει ένα

σηµαντικό πλεονέκτηµα της τεχνολογίας του άµορφου πυριτίου που είναι η

µικρότερη µείωση ισχύος σε υψηλές θερµοκρασίες. Ωστόσο κατά τη σχεδίαση ενός

συστήµατος και την επιλογή τεχνολογιών θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ο σηµαντικά

µικρότερο βαθµός απόδοσης (δηλαδή ποσοστού της προσπίπτουσας ακτινοβολίας

που µετατρέπεται σε ηλεκτρικής ενέργεια, 6-7% έναντι 15-17% για κρυσταλλικά

κελιά) γεγονός που αυξάνει τις απαιτήσεις χώρου και συναφών εγκαταστάσεων

σταθµών µε πάνελ άµορφου πυριτίου έναντι αντίστοιχων σταθµών µε κρυσταλλικά

πάνελ. [1]

34

2.6 Εφαρμογές φωτοβολταικών συστημάτων

2.6.1 Αυτόνομο σύστημα

Τα αυτόνομα φωτοβολταικά συστήματα είναι η κατάλληλη λύση για κάποιον ο

οποίος είτε για προσωπικούς λόγους θέλει να επωφεληθεί από την άπλετη και δωρεάν

ενέργεια του ήλιου ως επιλογή, είτε βρίσκεται πολύ μακριά από το δίκτυο της ΔΕΗ

ως ανάγκη. Έτσι δεν συνδέονται στο δίκτυο της ΔΕΗ και δεν επιβαρύνουν τον

ιδιοκτήτη με πάγια κόστη ή πτώσεις τάσεων του παροχέα (black out). Κατά αυτήν την

έννοια δεν επιδοτούνται και δεν μπορούν να χαρακτηριστούν ως επαγγελματικά ή

επενδυτικά συστήματα.

Τα κύρια μέρη από τα οποία αποτελείται ένα φωτοβολταϊκό σύστημα είναι το

φωτοβολταϊκό πλαίσιο, η μπαταρία, ο ρυθμιστής τάσης, ο μετατροπέας (inverter) και

ο καταναλωτής. Στην Εικόνα 2.5 που ακολουθεί περιγράφονται τα βασικά μέρη ενός

τέτοιου συστήματος. Αναλυτική περιγραφή του συστήματος θα γίνει στο πέμπτο

κεφάλαιο. [2]

Εικόνα 2.5 - Αυτόνομο Φ/Β σύστημα

2.6.2 Διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα

Είναι φωτοβολταϊκά συστήματα τα οποία συνδέονται και λειτουργούν παράλληλα με

το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. Δεν διαθέτουν σύστημα αποθήκευσης ενέργειας

(μπαταρίες), οπότε δεν έχουν και αναλώσιμα υλικά. Η ηλεκτρική ενέργεια που

35

παράγουν, καταναλώνεται από τον ιδιοκτήτη και η πλεονάζουσα ή και όλη η

παραγόμενη ενέργεια πωλείται στο δίκτυο. Χρησιμοποιούνται για εξοικονόμηση

ενέργειας ή παραγωγή και πώληση της ενέργειας στο δίκτυο. Για τα διασυνδεδεμένα

συστήματα (on–grid), δεν απαιτείται η χρήση μπαταριών, ενώ για τον έλεγχο της

προσφερόμενης ενέργειας στο σύστημα τοποθετείται ένας μετρητής που καταγράφει

τις παραγόμενες kWh. Στην Εικόνα 2.6 που ακολουθεί περιγράφονται τα βασικά

μέρη ενός τέτοιου συστήματος. [3]

Εικόνα 2.6 - Διασυνδεδεμένο Φ/Β σύστημα

Όπου:

1. Φωτοβολταϊκά πάνελ

2. Μετατροπέας από συνεχές σε εναλλασσόμενο (inverter)

3. Μετρητής παροχής στο δίκτυο

4. Μετρητής τροφοδοσίας από το δίκτυο

2.6.3 Φωτοβολταϊκά πάρκα

Οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί ή αλλιώς φωτοβολταικά πάρκα είναι βιομηχανικές

μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, οι οποίες χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη

την Ηλιακή ενέργεια, η οποία παρέχεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας σε μεγάλη

κλίμακα.

36

Εικόνα 2.7 - Φωτοβολταϊκό πάρκο

Τα βασικά μέρη ενός φωτοβολταϊκού πάρκου είναι τα φωτοβολταϊκά πάνελ, ο inverter

και ο μετασχηματιστής.

Η Ελλάδα από το 2006, έχει μπει δυναμικά στο χώρο των ΑΠΕ, με την ηλιακή

ενέργεια να διαδραματίζει πρωτεύοντα ρόλο. Οι νομοθετικές ρυθμίσεις που

πραγματοποιήθηκαν στην χώρα τα τελευταία χρόνια, σε συνδυασμό με τις αξιοπιστία

μιας τέτοιας επένδυσης, έδωσαν αρκετή ώθηση στην δημιουργία ολοένα και

περισσοτέρων φωτοβολταϊκών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. [2]

2.7 Ηλιακή Γεωμετρία

Ο σημαντικότερος παράγοντας που διαμορφώνει την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας

είναι η θέση του ήλιου σε σχέση με το σημείο της γης που δέχεται την ακτινοβολία.

Στο κεφάλαιο που ακολουθεί περιγράφονται οι βασικές αρχές ηλιακής γεωμετρίας.

[4]

2.7.1 Ηλιακή σταθερά Gsc

Ως ηλιακή σταθερά ορίζεται η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μία

μοναδιαία επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες του ήλιου στο όριο της ατμόσφαιρας:

Gsc = 1353 W / m2

37

Λόγω της μεταβολής της απόστασης ήλιου-γης κατά την διάρκεια του έτους

χρησιμοποιείται η Σχέση 2.3 για τον υπολογισμό της διαχρονικής μεταβολής της

ηλιακής σταθεράς:

(2.3)

Όπου:

n οι ημέρες του έτους n=1,2,3,…,365

Gon η ακτινοβολία που δέχεται επίπεδο εκτός ατμόσφαιρας και κάθετο στις ακτίνες

του ήλιου.

2.7.2 Γεωγραφικό πλάτος του τόπου φ

Το γεωγραφικό πλάτος του τόπου εκφράζει τη γωνία που σχηματίζει ο τόπος με τον

ισημερινό και είναι:

-90º ≤ φ ≤ 90º

Στον πίνακα δίνονται τα γεωγραφικά πλάτη διαφόρων ελληνικών περιοχών, για την

επιλογή της σωστής κλίσης του ηλιακού συλλέκτη. Υπάρχουν και εφαρμογές, όπου

κρίνεται σκόπιμη η αναπροσαρμογή της κλίσης του συλλέκτη δύο ή περισσότερες

φορές στη διάρκεια του έτους ώστε να παρακολουθεί κάπως την απόκλιση του ήλιου.

[4]

38

Πίνακας 2.1 - Γεωγραφικά πλάτη περιοχών της Ελλάδος

2.7.3. Απόκλιση του ήλιου δ

Κατά τη διάρκεια ενός έτους, η θέση του ήλιου παίρνει πολύ διαφορετικές τιμές σαν

αποτέλεσμα της μεταβολής της απόκλισης (δ), δηλαδή της γωνίας που σχηματίζεται

ανάμεσα στη ευθεία που ενώνει το κέντρο της γης με το κέντρο του ήλιου, και στο

επίπεδο του ισημερινού. Οι τιμές της απόκλισης του ήλιου είναι θετικές για το βόρειο

ημισφαίριο και αρνητικές για το νότιο. Οι ακραίες της τιμές είναι +23.45º στις 21

Ιουνίου (θερινό ηλιοστάσιο για το βόρειο ημισφαίριο) και -23,45º στις 21 Δεκεμβρίου

(χειμερινό ηλιοστάσιο).

Άμεση συνέπεια των διαφορετικών τιμών της απόκλισής του ήλιου κατά τη διάρκεια

του έτους είναι οι κυκλικές τροχιές που διαγράφονται βορειότερα στο ουρανό το

καλοκαίρι, με νωρίτερη ανατολή και αργότερη δύση στο βόρειο ημισφαίριο, ενώ το

χειμώνα συμβαίνει το αντίθετο. Παράλληλα διαμορφώνονται οι αντίστοιχες

39

μετεωρολογικές και κλιματολογικές συνθήκες που επικρατούν σε διάφορες εποχές

του έτους. Ιδιαίτερα χρήσιμα μεγέθη για τη γενική εκτίμηση της καθημερινής και της

εποχιακής διακύμανσης της ακτινοβολίας σε ένα τόπο, είναι η θεωρητική ηλιοφάνεια,

δηλαδή το χρονικό διάστημα από την ανατολή μέχρι τη δύση του ήλιου, καθώς και η

μέση πραγματική ηλιοφάνεια που δείχνει το μέσο όρο των ωρών που ο ήλιος δεν

καλύπτεται από σύννεφα. Επίσης, ο αριθμός των ημερών με ηλιοφάνεια, στη

διάρκεια των οποίων ο ήλιος δεν καλύπτεται από σύννεφα, καθώς και των ανήλιων

ημερών, που ο ήλιος καλύπτεται από σύννεφα σε ολόκληρο το διάστημα της ημέρας.

[4]

Η απόκλιση του ήλιου δίνεται από την Σχέση 2.4:

(2.4)

2.7.4. Ύψος και αζιμούθιο ήλιου

Η θέση του ήλιου στον ουρανό ενός τόπου περιγράφεται συνήθως με δύο γωνίες : το

ύψος του ήλιου (α) και το αζιμούθιο του ήλιου (γ). Το ύψος του ήλιου (α) είναι η

γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στην κατεύθυνση του ήλιου και στον ορίζοντα (Σχ.

2.7). Αζιμούθιο γ είναι η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο

ανάμεσα στη προβολή της κατεύθυνσης του ήλιου και στον τοπικό μεσημβρινό

βορρά - νότου. Ο όρος προέρχεται από την αραβική λέξη as summut, που σημαίνει

κατεύθυνση. Προς τα δεξιά από τον νότο, το ηλιακό αζιμούθιο παίρνει θετικές τιμές,

και προς τα αριστερά αρνητικές τιμές. Κατά την διάρκεια της ημέρας, το ύψος του

ήλιου και το αζιμούθιο μεταβάλλονται συνεχώς καθώς ο ήλιος διατρέχει τον ουρανό.

Το αζιμούθιο είναι:

Για νότιο προσανατολισμό γ=0

40

Για γωνίες δυτικά από το νότο παίρνει θετικές τιμές. Για γωνίες ανατολικά από το

νότο παίρνει αρνητικές τιμές.

Σχήμα 2.7 - Το ύψος (α) και το αζιμούθιο του ήλιου (γ)

2.7.5. Προσανατολισμός του συλλέκτη

Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία κάθε συστήματος που εκμεταλλεύεται την

ηλιακή ενέργεια είναι ο προσανατολισμός του ηλιακού συλλέκτη σε σχέση με την

κατεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας. Όπως η θέση του ήλιου στον ουρανό, έτσι και

ο προσανατολισμός ενός επίπεδου στην επιφάνεια της γης περιγράφεται από δύο

γωνίες : την κλίση και την αζιμούθια γωνία. Η κλίση του συλλέκτη (β) είναι η δίεδρη

γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στο επίπεδο του συλλέκτη και στον ορίζοντα και

μπορεί να πάρει τιμές από 0º μέχρι 180º. Για γωνίες β>90º το επίπεδο του συλλέκτη

είναι στραμμένο προς τα κάτω (Σχ. 2.8). Η αζιμούθια γωνία του συλλέκτη (γ) είναι

η γωνία που σχηματίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάμεσα στην προβολή της

κατακόρυφου του συλλέκτη και στον τοπικό μεσημβρινό βορρά-νότου. Παίρνει τιμές

από -180º μέχρι +180º. Η γωνία -180º (που συμπίπτει με την +180º) αντιστοιχεί σε

τοποθέτηση του συλλέκτη προς το βορρά, η γωνία –90º προς την ανατολή, η γωνία

0º προς το νότο και η γωνία +90º προς τη δύση. Προφανώς, η πυκνότερη ισχύς μιας

δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας, πάνω σε ένα επίπεδο συλλέκτη θα πραγματοποιείται

όταν η επιφάνεια του είναι κάθετη προς τη κατεύθυνση της ακτινοβολίας, δηλαδή

όταν η γωνία πρόσπτωσης (θ) είναι 0º. Η συνθήκη όμως αυτή δεν είναι εύκολο να

εξασφαλιστεί καθώς ο ήλιος συνεχώς μετακινείται στον ουρανό κατά τη διάρκεια της

41

ημέρας. 'Έχουν κατασκευαστεί μηχανικές διατάξεις που επαναπροσανατολίζουν

συνεχώς τον συλλέκτη (π.χ. με τη βοήθεια υπολογιστή ή φωτοκύτταρων) ώστε η

επιφάνεια του να αντικρίζει πάντα κάθετα τον ήλιο. Οι διατάξεις όμως αυτές είναι

πολύπλοκες και δαπανηρές. Έτσι, η χρήση τους δικαιολογείται μόνον σε περιπτώσεις

εφαρμογών, όπως στα συστήματα συγκεντρωμένης ακτινοβολίας με φακούς ή

κάτοπτρα.

Σχήμα 2.8 - Η κλίση του συλλέκτη (β), το αζιμούθιο του συλλέκτη (γ) και η γωνία πρόσπτωσης

των ηλιακών ακτινών στο συλλέκτη (θ)

Στις συνηθισμένες περιπτώσεις οι συλλέκτες τοποθετούνται σε σταθερή κλίση και

αζιμούθια γωνία, που επιλέγονται ώστε η γωνία της πρόσπτωσης της ηλιακής

ακτινοβολίας να είναι όσο το δυνατό μικρότερη, κατά τη διάρκεια του έτους. Η γωνία

πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας συνδέεται με τις άλλες γωνίες της ηλιακής

γεωμετρίας, που αναφέρθηκαν παραπάνω, με τη Σχέση 2.5:

(2.5)

Οι επίπεδοι συλλέκτες χρησιμοποιούν την άμεση και τη διάχυτη ακτινοβολία και

συνήθως τοποθετούνται υπό σταθερή κλίση και προσανατολισμό κατά τη διάρκεια

του έτους. Η επιλογή του ευνοϊκού προσανατολισμού και της κλίσης του συλλέκτη

είναι το σημαντικότερο μέτρο για τη βελτίωση του ηλιακού κέρδους. Η θέση του

(προσανατολισμός και κλίση) επηρεάζει την απόδοσή του κατά δύο τρόπους. Πρώτα

42

επηρεάζει σημαντικά το ποσό της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στην επιφάνεια

του συλλέκτη. Ακόμα η θέση του συλλέκτη επηρεάζει τον συντελεστή διάβασης των

διαφανών καλυμμάτων και τον συντελεστή απορρόφησης του απορροφητήρα, αφού

οι δύο συντελεστές είναι συναρτήσεις της γωνίας, που η ακτινοβολία προσπίπτει

στην επιφάνεια του συλλέκτη.

Στο βόρειο ημισφαίριο, η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη, για τη διάρκεια του έτους,

είναι ίση με τον γεωγραφικό παράλληλο του τόπου, και η αζιμούθια γωνία είναι 0º

(προς το νότο). Λόγων όμως της μεταβολής της απόκλισης του ήλιου στη διάρκεια

του έτους, η βέλτιστη κλίση του συλλέκτη είναι διαφορετική για κάθε εποχή . Έτσι,

αν επιδιώκεται να παράγει το σύστημα όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια στη

διάρκεια του καλοκαιριού, η κλίση του συλλέκτη επιλέγεται περίπου 10º ως 15º

μικρότερη από την παράλληλο του τόπου, ενώ για τον χειμώνα η κλίση επιλέγεται

περίπου 10º ως 15º μεγαλύτερη από την παράλληλο του τόπου. Στο Σχήμα 2.10

δίνεται ένα παράδειγμα της βέλτιστης κλίσης για τον ηλιακό συλλέκτη στις

χαρακτηριστικές ημερομηνίες του έτους.

Συνοψίζοντας:

Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) θα πρέπει να είναι περίπου ίση με το γεωγραφικό

πλάτος του τόπου (φ).

Κατά την διάρκεια της θερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να

είναι περίπου 10°-15° μικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ).

Κατά την διάρκεια της χειμερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει

να είναι περίπου 10ο-15ο μεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ).

Αν στο έδαφος υπάρχει επιφάνεια με μεγάλο συντελεστή ανάκλασης (π.χ. χιόνι)

απαιτείται μεγαλύτερη κλίση. [4]

43

Ο βέλτιστος προσανατολισμός (αζιμούθιο γ) είναι νότιος (γ=0), ενώ απόκλιση

κατά 20°-30° από νότο έχει μικρή επίδραση στην ετήσια συλλεγόμενη ενέργεια.

Σχήμα 2.9 - Ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε συλλεκτικές επιφάνειες καθ’ όλη τη διάρκεια

του έτους

Σχήμα 2.10 - Βέλτιστες κλίσεις συλλέκτη

2.7.6. Η διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ηλιακή ακτινοβολία παρουσιάζει μεγάλες

διακυμάνσεις. Στα Σχ. 2.11 και Σχ. 2.12 φαίνονται παραδείγματα της μεταβολής της

έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας για 3 ενδεικτικές

ημερομηνίες (καλοκαίρι, άνοιξη και φθινόπωρο, χειμώνα) σε συνθήκες ιδανικά

καθαρού ουρανού. Χαρακτηριστικό μέγεθος είναι η τιμή της έντασης της ηλιακής

ακτινοβολίας (ένταση αιχμής), που μετράται στο ηλιακό μεσημέρι, δηλαδή όταν ο

44

ήλιος βρίσκεται στο μεγαλύτερο ύψος του ορίζοντα, το οποίο δεν είναι αναγκαστικό

να συμπίπτει με το ωρολογιακό μεσημέρι. π.χ. στην Αθήνα έχουμε ηλιακό μεσημέρι

όταν το ρολόι δείχνει 12:25 τον χειμώνα, και 13:25 το καλοκαίρι, όταν ισχύει η

θερινή ώρα.

Σχήμα 2.11 - Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται μία οριζόντια

επιφάνεια στη διάρκεια τριών χαρακτηριστικών ημερών του έτους (οι ώρες είναι σε ηλιακές

τιμές)

Σχήμα 2.12 - Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας με τον ηλιακό συλλέκτη σε κλίση

ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου

45

2.7.7 Μέση μηνιαία απορροφώμενη ακτινοβολία

Μέθοδοι υπολογισμού της απόδοσης ηλιακών συστημάτωv, για μακρά χρονική

περίοδο, απαιτούv τον μέσο όρο της απορροφούμενης ακτινοβολίας από τοv

συλλέκτη, υπολογισμένη σε μηνιαίες περιόδους. Η διαπερατότητα και η

απορροφητικότητα εξαρτώνται από τηv γωvία κατά την οποία η ηλιακή ακτινοβολία

χτυπά τον συλλέκτη. Ο Κlein ήταν ο πρώτος που υπολόγισε τη μέση μηνιαία

απορροφώμενη ακτινοβολία από έναν συλλέκτη. Η εξίσωση υπολογισμού είvαι:

S = Ht (τα ) = HR(τα) (2.6)

S : απορροφώμενη ηλιακή ακτινοβολία [MJ/m2 ]

H : μέση μηνιαία τιμή της ολικής ακτιvοβολίας σε οριζόντιο συλλέκτη . [MJ/m2]

Ητ : μέση μηνιαία τιμή της ολικής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο συλλέκτη [MJ/m2]

Για μέση μηνιαία ακτιvοβολία τα αποτελέσματα δίνονται από τοv Klein στα

διαγράμματα από a-j. Σε αυτά τα διαγράμματα η γωνία πρόσπτωσης δίνεται

συναρτήσει της κλίσης τουσυλλέκτη, του γεωγραφικού πλάτoυς και της αζιμούθιας

γωνίας. Ο Κlein βρήκε επίσης ότι για επίπεδους συλλέκτες, το μέγεθος (τα) ,b

μπορεί vαπαρθεί κατά προσέγγιση από το μέσο όρο των τιμών του μεγέθους (τα),

σε γωvία πρόσπτωσης πoυ λαμβάνεται σε χροvικό διάστημα 2.5 ωρώv από το ηλιακό

μεσημέρι για τη μέση μέρα του μήνα. Ακόμη βρήκε ότι η τιμή του λόγου (τα) / (τα)n ,

κατά τηv διάρκεια των χειμεριvών μηνών, είvαι σχεδόν σταθερή και ίση με 0.96,

για συλλέκτες με ένα κάλυμμα και προτείvει την χρησιμoποίηση αυτής της σταθεράς

σε κεκλιμέvους προς τοv ισημερινό συλλέκτες, με κλίση , κατά προσέγγιση, ίση με το

γεωγραφικό πλάτος προσθέτoντας και 15º παραπάvω. Για ηλιακούς συλλέκτες με δύο

καλύμματα, προτείνεται ο λόγος (τα) / (τα)n να έχει σταθερή τιμή ίση με 0.94. [4]

Πίνακας 2.2 - Μέση Μηνιαία ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο εκτός ατμόσφαιρας (MJ/m2)

46

2.8 Ηλιακοί ιχνηλάτες (Solar trackers)

Τα συστήματα «ιχνηλάτησης του ήλιου» είναι γνωστά στην αγορά ως “solar trackers”

και παρακολουθούν την τροχιά του ήλιου, έτσι ώστε κάθε στιγμή η θέση του Φ/Β να

οδηγεί σε μέγιστη εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας.

Ένας ηλιοστάτης αποτελεί μια μηχανολογική διάταξη που παρακολουθεί την πορεία

του ήλιου στον ουρανό. Η θέση του ήλιου στον ουρανό ποικίλει ανάλογα με την ώρα

της ημέρας, όπως επίσης και με τις εποχές. Η παρακολούθηση της τροχιάς του μπορεί

να βελτιώσει σημαντικά το ποσό της συνολικά παραγόμενης ηλιακής ενέργειας,

καθώς και το ποσό της ενέργειας που παράγεται κατά τις κρίσιμες περιόδους ζήτησης

του συστήματος. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, η παραγωγή ηλιακής ενέργειας

από σταθερές εγκαταστάσεις είναι πολύ μικρότερη έναντι των ηλιοστατών λόγω της

μεγαλύτερης διάρκειας της μέρας. [5]

Εικόνα 2.8 - Tracker μεγάλης Φ/Β εγκατάστασης

Συγκριτικά με τις σταθερές βάσεις, τα συστήματα ιχνηλάτησης παρουσιάζουν μέχρι

και 40% μεγαλύτερη απόδοση, κάτι το οποίο καθιστά πλεονεκτική μια τέτοια

επένδυση όσον αφορά την οικονομική απόδοση σε βάθος χρόνου. Το παραπάνω

ποσοστό βασίζεται σε μετρήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί σε φωτοβολταϊκές

47

εγκαταστάσεις που βρίσκονται σε λειτουργία για διάστημα μεγαλύτερο του ενός

έτους.

Οι συσκευές που αξιοποιούν την ηλιακή ενέργεια αποδίδουν καλύτερα όταν είναι

κατάλληλα προσανατολισμένες προς τον ήλιο, και συνεπώς οι ηλιοστάτες μπορούν

να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα και την παραγωγικότητα αυτών των συσκευών

έναντι οποιασδήποτε σταθερής εγκατάστασης. Η πολυπλοκότητα του συστήματος

βέβαια, ανεβάζει το κόστος της εγκατάστασης, ωστόσο αυτό αντισταθμίζεται από την

επιπλέον παραγωγή ηλιακής ενέργειας.

48

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 2ου

ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

[1] Οδηγός Μελέτης και Υλοποίησης Φωτοβολταϊκών Έργων "Μόνιμη Επιτροπή

Ενέργειας" Πόρισμα Ομάδας Εργασίας του ΤΕΕ/ΤΚΜ όπως εγκρίθηκε με την

απόφαση Α159/Σ9/11.04.2011 της Διοικούσας Επιτροπής

[2] http://www.hyperionee.gr/

[3] http://www.solarwatt.com.cy/index.php/el/knowhow.html

[4] http://imarinakiss.webs.com/solar_geometry.pdf

[5] http://www.telegramm.gr/ Άρθρο : "Solar trackers… το μέλλον στα

φωτοβολταϊκά" Παρασκευή, 11 Φεβρουάριος 2011

49

«Το νερό θα είναι μια μέρα καύσιμη ύλη. Το υδρογόνο και το οξυγόνο, από τα οποία

συντίθεται, αν χρησιμοποιηθούν ξεχωριστά θα προσφέρουν μία ανεξάντλητη πηγή θερμότητας

και φωτός»

Ιούλιος Βερν, Το Νησί του Μυστηρίου (1874)

3.1 Γενικά για το υδρογόνο

To υδρογόνο είναι το χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 1. Αντιπροσωπεύεται από

το σύμβολο H. Έχοντας ατομική μάζα 1,00794(7) amu, είναι το ελαφρύτερο και το

πιο άφθονο χημικό στοιχείο στο σύμπαν. [1]

Εικόνα 3.1 - Άτομο υδρογόνου

Το υδρογόνο ήταν το πρώτο στοιχείο που σχηματίστηκε μετά το Big Bang και είναι

ένα άχρωμο, άοσμο, άγευστο και μη-τοξικό αέριο αλλά παράλληλα και το

απλούστερο στοιχείο του σύμπαντος. Αποτελεί περισσότερο από το 90% των ατόμων

Κεφάλαιο 3

Υδρογόνο

50

του σύμπαντος και το 75% της μάζας του. Είναι το τρίτο πιο άφθονο στοιχείο στη Γη,

παρόλο που είναι το ελαφρύτερο, και βρίσκεται κυρίως υπό τη μορφή του οξειδίου

του - το νερό. Επί πλέον βρίσκεται σε αφθονία στους υδρογονάνθρακες που έχουν τον

γενικό τύπο CxHy. Φυσικά βρίσκεται στα φυτά και γενικά στη βιομάζα.

Ως καθαρό στοιχείο βρίσκεται μόνο σε ίχνη (0,00001%) στην ατμόσφαιρα αφού

λόγω της ελαφρότητας του έχει την τάση να ανεβαίνει γρήγορα ψηλά και να

διαφεύγει από την ατμόσφαιρα προς το διάστημα. Αυτό γίνεται γιατί έχει πυκνότητα

0,0899 g/l (14.4 φορές μικρότερη από τον αέρα), και βράζει στους –257.77°. Το υγρό

υδρογόνο έχει πυκνότητα 70,99 g/l. Με αυτές τις ιδιότητες, το υδρογόνο έχει την

υψηλότερη αναλογία ενέργειας προς βάρος από όλα τα καύσιμα. 1kg υδρογόνου

καιγόμενο δίνει 119.972 kJ.

1kg υδρογόνου περιέχει την ίδια ποσότητα ενέργειας με 2.1kg φυσικού αερίου ή 2.8

kg βενζίνης ενώ κατά την καύση του παράγεται μόνο νερό.

Το αέριο υδρογόνο (ή διυδρογόνο ή μοριακό υδρογόνο) είναι πολύ εύφλεκτο και

καίγεται στον αέρα σε ένα πολύ μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων, από 4% - 75% κατ'

όγκο. Η ενθαλπία της καύσης του υδρογόνου είναι -286 kJ/mole

(3.1)

Το αέριο υδρογόνο σχηματίζει εκρηκτικά μείγματα με τον αέρα σε συγκεντρώσεις

του 4-74% και με το χλώριο σε συγκεντρώσεις 5-95%. Τα μείγματα αυτά μπορούν να

αναφλεγούν με σπινθήρα, θέρμανση ή παρουσία ηλιακού φωτός. Η θερμοκρασία

αυτανάφλεξης του υδρογόνου στον αέρα είναι 500 °C. Η φλόγα που παράγεται από

την καύση καθαρού υδρογόνου και καθαρού οξυγόνου εκπέμπει

κυρίως υπεριώδες φως και γι' αυτό είναι σχεδόν αόρατη από το ανθρώπινο μάτι. Η

ανακάλυψη μιας φλόγας υδρογόνου από διαρροή μπορεί να απαιτεί έναν ανιχνευτή

φλόγας και γι' αυτό είναι εξαιρετικά επικίνδυνη. Ένα διάσημο παράδειγμα ήταν η

καταστροφή του αερόπλοιου Χίντενμπουργκ, στο οποίο οι φλόγες έγινες ορατές μόνο

αφού αναφλεχθήκαν και άλλα καύσιμα υλικά, από το κέλυφος του σκάφους, που

έδιναν ορατή φλόγα.

51

Εικόνα 3.2 - Διάγραμμα φάσεων Η2

Επειδή το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύτερο από τον αέρα, οι φλόγες υδρογόνου

τείνουν να ανυψωθούν τάχιστα και γι' αυτό κάνουν μικρότερη ζημιά από τις

φλόγες υδρογονανθράκων. Στο δυστύχημα με το αερόπλοιο, τα 2/3 των επιβατών του

επέζησαν από την ανάφλεξη του υδρογόνου, ενώ πολλοί έχασαν τη ζωή τους ως

αποτέλεσμα της πτώσης των υπολειμμάτων του σκάφους και της ανάφλεξης του

πετρελαίου που κινούσε τους προωθητικούς κινητήρες του. Το υδρογόνο αντιδρά με

κάθε οξειδωτικό στοιχείο: Αντιδρά βίαια με το φθόριο και έντονα με το χλώριο στη

θερμοκρασία δωματίου (20 °C), σχηματίζοντας υδροφθόριο και υδροχλώριο,

αντίστοιχα, που είναι ισχυρά και επικίνδυνα οξέα. [1]

3.2 Χρήση υδρογόνου

Το υδρογόνο χρησιμοποιείται σαν βιομηχανικό καύσιμο εδώ και αρκετές δεκαετίες.

Τεράστιες ποσότητες υδρογόνου καταναλώνονται κάθε χρόνο παγκοσμίως γι’ αυτόν

τον σκοπό και μάλιστα με τάση που αυξάνει από χρονιά σε χρονιά (ενδεικτικά, το

2003 καταναλώθηκαν παγκοσμίως περίπου 41,09 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου, ενώ

το 2004 η ποσότητα αυτή ανήλθε στα 50 εκατομμύρια τόνους). Από την άλλη μεριά,

η χρήση του υδρογόνου σαν ενεργειακό καύσιμο είναι προς το παρόν περιορισμένη.

Από την συνολική ποσότητα του υδρογόνου που παράγεται κάθε χρονιά σε

παγκόσμια κλίμακα, η βιομηχανία της αμμωνίας καταναλώνει περίπου το 50%

αυτής, ενώ τα διυλιστήρια του πετρελαίου το 37%. Το υπόλοιπο 13%,

καταναλώνεται σε διάφορους άλλους βιομηχανικούς τομείς, μεταξύ των οποίων το

μεγαλύτερο ποσοστό σε κατανάλωση κατέχει η βιομηχανία των τροφίμων (π.χ.

52

χρησιμοποίηση υδρογόνου για υδρογόνωση των ελαίων). Σήμερα, υπάρχουν αρκετές

μέθοδοι με τις οποίες μπορεί να παραχθεί οικονομικά και σε μαζικές ποσότητες

(εμπορικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου). [2]

Πίνακας 3.1 - Παγκόσμια ζήτηση υδρογόνου Πηγή Credit: Copyright 2010 by The Freedonia Group

Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, οι κυριότερες διατάξεις με τις οποίες παράγεται ενέργεια

από το υδρογόνο είναι οι κυψέλες καυσίμου. Το υδρογόνο όμως, μπορεί να παράγει

ενέργεια και μέσω της καύσης του με τον ατμοσφαιρικό αέρα μέσα σε ΜΕΚ, όπως

σε καταλυτικούς καυστήρες, σε λέβητες αερίου, σε αεροστρόβιλους και σε κινητήρες

εσωτερικής καύσης. Η καύση του υδρογόνου με τον ατμοσφαιρικό αέρα παράγει σαν

κύριο συστατικό το νερό, αλλά λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επικρατούν

κατά την διαδικασία αυτή, στη πράξη παράγονται επίσης και ορισμένες ποσότητες

από οξείδια του αζώτου. Το υδρογόνο που παράγεται μέσω της χρησιμοποίησης της

τεχνολογίας των διαφόρων ΑΠΕ (ιδιαίτερα της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας)

θεωρείται ως ιδανικό, γιατί προκαλεί πολύ λιγότερες επιπτώσεις στο περιβάλλον σε

σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους παραγωγής του. Γενικά, το υδρογόνο σαν καύσιμο

δεν συμβάλλει σχεδόν καθόλου στην επιβάρυνση του παγκόσμιου κλίματος και οι

ρύποι που παράγονται κατά την ενεργειακή του εκμετάλλευση είναι μηδαμινοί σε

σχέση με αυτούς που παράγονται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων. Εικάζεται,

ότι στις επόμενες δεκαετίες θα αρχίσει να καταλαμβάνει ολοένα και σημαντικότερο

μερίδιο στην παγκόσμια ενεργειακής αγορά και ότι στο απώτερο μέλλον θα

αντικαταστήσει ένα μεγάλο μέρος της υπάρχουσας υποδομής σε παραγωγή, διανομή

και κατανάλωση ενέργειας που βασίζεται σήμερα κατά πλείστον στα ορυκτά

καύσιμα. Βραχυπρόθεσμα, ενεργειακή χρήση του υδρογόνου προβλέπεται ότι θα

αυξηθεί στη βιομηχανία και στον οικιακό τομέα, προκειμένου να διευκολυνθεί εκεί η

53

παραγωγή και η αποθήκευση της ενέργειας, ενώ στη συνέχεια οι εφαρμογές του

προβλέπεται ότι θα επεκταθούν και στον τομέα των μεταφορών (αυτοκίνητα,

λεωφορεία κ.τ.λ.). Η μετάβαση όμως, από το υπάρχον σύστημα παραγωγής και

διανομής της ενέργειας που επί σειράς δεκαετιών βασίζεται κατά κύριο λόγο στα

ορυκτά καύσιμα, σε ένα νέο το οποίο θα έχει σαν κύριο μέσο του το υδρογόνο,

απαιτεί χρόνο και γενναία και δαπανηρά βήματα από κυβερνήσεις και παραγωγούς

της ενέργειας σε όλη την υφήλιο. [2]

3.3 Παρασκευή υδρογόνου

Οι εμπορικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου χωρίζονται σε τρεις βασικές

κατηγορίες: θερμοχημικές μέθοδοι, ηλεκτρολυτικές μέθοδοι και φωτολυτικές

μέθοδοι.

3.3.1 Θερμοχημικές μέθοδοι

Παραγωγή του υδρογόνου από τα ορυκτά καύσιμα

Γενικά, η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την παραγωγή του υδρογόνου

σήμερα, αποτελεί η παραγωγή αυτού μέσω διαφόρων ορυκτών καυσίμων (ιδιαίτερα

του φυσικού αερίου). Η συγκεκριμένη μεθοδολογία συνδυάζει την ωριμότητα της

τεχνολογικής της εξέλιξης, μιας και αποτελεί την παλαιότερη εμπορική μέθοδο

παραγωγής του υδρογόνου, αλλά και το συμφέρον που προκύπτει κατά τη χρήση της

από την πλευρά της οικονομικής της εκμετάλλευσης. Αρκετά μεγάλες ποσότητες

υδρογόνου παράγονται σήμερα ετησίως σε παγκόσμια κλίμακα, χρησιμοποιώντας

σαν πρώτη ύλη τα ορυκτά καύσιμα. Το υδρογόνο που παράγεται μέσω αυτών,

χρησιμοποιείται κυρίως στα διάφορα διυλιστήρια πετρελαίου για την παρασκευή

βενζινών και στη χημική βιομηχανία για την παρασκευή χημικών και λιπασμάτων.

Στον Πίνακα 3.2, φαίνονται οι διάφορες ποσότητες του υδρογόνου που παράγονται

σήμερα κατά μέσο όρο παγκοσμίως από τα διάφορα ορυκτά καύσιμα, καθώς και

Πίνακας 3.2 - Παγκόσμια παραγωγή υδρογόνου ανά μέσο παραγωγής (έτος αναφοράς:2003)

Μέσο (Δισεκατομμύρια m3/Έτος) Ποσοστό

Φυσικό αέριο 240 48%

Πετρέλαιο 150 30%

Κάρβουνο 90 18%

Νερό (ηλεκτρόλυση) 20 4%

Συνολική ποσότητα 500 100%

54

μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού (της δεύτερης σημαντικής εμπορικής μεθόδου

παραγωγής του υδρογόνου). [2]

Παραγωγή του υδρογόνου μέσω της αεριοποίησης ή της πυρόλυσης της

βιομάζας

Μία δεύτερη θερμοχημική μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου είναι η θερμοχημική

επεξεργασία της βιομάζας. Υπάρχουν δύο βασικές τεχνικές παραγωγής του

υδρογόνου από βιομάζα: η πρώτη στηρίζεται στη θέρμανση αυτής απουσία οξυγόνου

(πυρόλυση βιομάζας) και αποτελεί μια μη αντιστρεπτή χημική μεταβολή. Κατά την

πυρόλυση της βιομάζας προκύπτουν, ανάλογα και με τις ακριβείς συνθήκες

διεξαγωγής της (πίεση και θερμοκρασία), ένα πλήθος από προϊόντα αέριας, υγρής ή

και στερεάς μορφής. Τα υγρής μορφής προϊόντα στην ουσία είναι ένα είδος λαδιού,

το οποίο όπως και το πετρέλαιο, περιέχει ένα ευρύ φάσμα από συστατικά τα οποία,

μέσω κατάλληλης επεξεργασίας τους, μπορούν να διαχωριστούν σε χρήσιμες χημικές

ουσίες και καύσιμα συμπεριλαμβανομένου και του υδρογόνου. Η δεύτερη βασική

τεχνική παραγωγής του υδρογόνου από βιομάζα στηρίζεται στη θέρμανση της

βιομάζας παρουσία περιορισμένων ποσοτήτων οξυγόνου (αεριοποίηση βιομάζας),

κατά την οποία προκύπτουν άμεσα CO και H2 καθώς και κάποια άλλα αέρια

προϊόντα. Το μίγμα, συνολικά, των αερίων που προκύπτει κατά την αεριοποίηση της

βιομάζας αναφέρεται συνήθως ως αέριο συνθέσεως (synthesis gas). [2]

Παραγωγή του υδρογόνου από την πυρηνική ενέργεια

Μία τελευταία θερμοχημική μέθοδος για την παραγωγή του υδρογόνου, είναι αυτή με

χρήση της πυρηνικής ενέργειας. Κατά τη μέθοδο αυτή, το υδρογόνο παράγεται σαν

προϊόν διαφόρων θερμοχημικών κύκλων, κατά τους οποίους ποσότητες νερού μαζί με

υψηλής θερμοκρασίας θερμική ενέργεια που προέρχεται από την διάσπαση κάποιου

πυρηνικού καυσίμου (π.χ. του ουρανίου (U) ή του πλουτωνίου (Pu)), αποτελούν ροές

εισαγωγής σε μια σειρά από πολύπλοκες θερμοχημικές αντιδράσεις οι οποίες έχουν

σαν κύρια προϊόντα τους το υδρογόνο και το οξυγόνο. Στους συγκεκριμένους

κύκλους συμμετέχουν και διάφορες άλλες βοηθητικές ουσίες, οι οποίες αφενός

συντελούν στη μαζικότερη διάσπαση του νερού και αφετέρου στην παραγωγή

μεγαλύτερων ποσοτήτων υδρογόνου. [2]

55

3.3.2 Ηλεκτρολυτικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου

Υπάρχει μία και μοναδική μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης

και αυτή είναι από το νερό. Ως γνωστόν, το νερό κατά τη διαδικασία της

ηλεκτρόλυσης διασπάται στα δύο στοιχεία που το αποτελούν, δηλαδή το υδρογόνομ

και το οξυγόνο. Η ηλεκτρόλυση του νερού, προς παραγωγή υδρογόνου,

πραγματοποιείται μέσα σε ειδικές διατάξεις που ονομάζονται διατάξεις

ηλεκτρόλυσης και απαιτεί την ταυτόχρονη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Το βασικό

πλεονέκτημα που προκύπτει κατά την ηλεκτρόλυση του νερού προς παραγωγή

υδρογόνου, είναι ότι το υδρογόνο που παράγεται χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα

υψηλές τιμές «καθαρότητας» και επομένως δύναται να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε

κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, χωρίς περαιτέρω επεξεργασία. Η ηλεκτρόλυση του

νερού, για την παραγωγή υδρογόνου, μέσω της χρησιμοποίησης του ηλεκτρικού

ρεύματος που προέρχονταν από το κλασσικό δίκτυο ηλεκτρισμού, σαν μέθοδος,

βρήκε ευρεία απήχηση από τις αρχές του 1900 μέχρι και τη δεκαετία του 1950

περίπου. Μετά τη δεκαετία του ΄50 όμως, λόγω των διαφόρων φθηνότερων μεθόδων

που ανακαλύφθηκαν για την παραγωγή του υδρογόνου (κυρίως της καταλυτική

αναμόρφωση φυσικού αερίου), η ηλεκτρόλυση του νερού εγκαταλείφθηκε στο

μεγαλύτερο μέρος της, με αποτέλεσμα στις μέρες μας, μόνο ένα σχετικά μικρό

ποσοστό της συνολικής ποσότητας του παραγόμενου υδρογόνου σε παγκόσμια

κλίμακα να παράγεται πλέον με αυτόν τον τρόπο. Η εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης του

νερού προς παραγωγή του υδρογόνου εφαρμόζεται σήμερα κυρίως όταν υπάρχουν

αυξημένες απαιτήσεις σε «καθαρό» υδρογόνο και οι ποσότητες αυτού που

απαιτούνται δεν είναι πολύ μεγάλες. Από την άλλη μεριά, τα τελευταία χρόνια

παρατηρείται σταδιακά μια σταδιακή αύξηση του παγκόσμιου ενδιαφέροντος για την

παραγωγή του υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, κυρίως εξαιτίας της

σύγχρονης δυνατότητας κατασκευής ολοκληρωμένων συστημάτων από

ηλεκτρολυτικές διατάξεις νερού, οι οποίες λειτουργούν μέσω της παραγωγής

ηλεκτρικού ρεύματος με τη βοήθεια διαφόρων ΑΠΕ (κυρίως της ηλιακής και

αιολικής ενέργειας). Τα ολοκληρωμένα αυτά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής

ενέργειας μέσω διαφόρων ΑΠΕ παρουσιάζουν το σημαντικό πλεονέκτημα σε σχέση

με τα παραδοσιακά ηλεκτρολυτικά συστήματα, ότι η ηλεκτρική ενέργεια που

παράγουν παράγεται χωρίς κάποιο σημαντικό κόστος, μιας και βασίζεται όπως είπαμε

στην παραγωγή της από διάφορες ΑΠΕ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η εφαρμογή τους

56

για την μαζική παραγωγή του υδρογόνου να γίνεται πολύ φθηνότερα από την

κλασσική μέθοδο παραγωγής του υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης (παραγωγή με

χρησιμοποίηση της συμβατικής ηλεκτρικής ενέργειας του δικτύου) και να

εφαρμόζεται σταδιακά όλο και περισσότερο. Από την άλλη μεριά βέβαια, το κόστος

κυρίως των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αυτών των

ολοκληρωμένων ηλεκτρολυτικών συστημάτων παραγωγής υδρογόνου μέσω ΑΠΕ,

είναι προς το παρόν ακόμα αρκετά υψηλό ώστε η παραγωγή αυτού μέσω των

συγκεκριμένων διατάξεων να μπορεί να υποσκελίσει τις συμβατικές 52 μεθόδους

παραγωγής του μέσω π.χ. των ορυκτών καυσίμων, με αποτέλεσμα η παραγωγή

υδρογόνου μέσω ολοκληρωμένων ηλεκτρολυτικών διατάξεων να μην

χρησιμοποιείται τόσο μαζικά όσο αυτές. Μία χαρακτηριστική ηλεκτρολυτική

διάταξη παραγωγής υδρογόνου που χρησιμοποιείται σήμερα για την παραγωγή του σε

εργαστηριακή κλίμακα, είναι αυτή που φαίνεται στην Εικόνα 3.2. [2]

Εικόνα 3.3 - Ηλεκτρόλυση

Εικόνα 3.4 - Συσκευή ηλεκτρόλυσης

57

Κατά την ηλεκτρόλυση του νερού, μέσα σε μία ηλεκτρολυτική διάταξη, προς

παραγωγή υδρογόνου, αυτό οξειδώνεται αρχικά στην άνοδο της διάταξης σε μοριακό

οξυγόνο και σε θετικά ιόντα υδρογόνου (ή πρωτόνια υδρογόνου, H+)

. Στη συνέχεια,

τα πρωτόνια υδρογόνου που έχουν προκύψει, διέρχονται διαμέσου του νερού, που

βρίσκεται μέσα στην ηλεκτρολυτική διάταξη, προς την κάθοδο αυτής και εκεί

ανάγονται σε μοριακό υδρογόνο. Οι συγκεκριμένες διεργασίες παριστάνονται με

αντιδράσεις ως εξής:

2Η2Ο(lid) → O2 + 4 H+

(aq) + 4 e- (άνοδος) (3.2)

4 Η+

(aq) + 4 e- → 2 H2(g) (κάθοδος) (3.3)

Οπότε η συνολική αντίδραση ηλεκτρόλυσης του νερού έχει ως εξής:

2 H2 O(liq) → O2(g) + 2H2(g) (3.4)

Το οξυγόνο που παράγεται κατά τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης του νερού από

ηλεκτρολυτικές διατάξεις, μπορεί και αυτό, όπως και το υδρογόνο, να χρησιμοποιηθεί

περαιτέρω σε διάφορες εφαρμογές, οι οποίες όμως είναι κυρίως βιομηχανικού τύπου.

Αποδεικνύεται θεωρητικά, ότι η παραγωγή του υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης

του νερού, απαιτεί ηλεκτρική τάση η οποία ισούται mε 1,23 V. Στην πράξη όμως, η

ηλεκτρική τάση που συνήθως εφαρμόζεται γι’ αυτόν το σκοπό είναι κατά τι

μεγαλύτερη (μεταξύ 1,55 V και 1,65V). Η αυξημένη αυτή τιμή της, οφείλεται κυρίως

στις διάφορες απώλειες που υφίσταται το ηλεκτρικό ρεύμα (απώλειες θερμότητας

και ηλεκτρομαγνητικού πεδίου) όταν διοχετεύεται μέσα στις ηλεκτρολυτικές

διατάξεις. Η απόδοση παραγωγής υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού,

ορίζεται από τον λόγο της τάσης των 1,23 V η οποία απαιτείται θεωρητικά για την

παραγωγή του, προς την ηλεκτρική τάση την οποία εφαρμόζουμε κάθε φορά στη

πράξη γι’ αυτό. Για παράδειγμα, με πρακτικά εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση ίση με

1,60 V, θα έχουμε απόδοση παραγωγής υδρογόνου:

(3.5)

Παρατηρούμε, ότι από ενεργειακής τουλάχιστον σκοπιάς, η παραγωγή του υδρογόνου

μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού παρουσιάζει σημαντικό πλεονέκτημα έναντι της

58

παραγωγής του από τα διάφορα ορυκτά καύσιμα (των οποίων η απόδοση παραγωγής

δεν υπερβαίνει συνήθως το 60%). [2]

3.3.3 Φωτολυτικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου (Φωτοηλεκτρόλυση)

Η τρίτη και τελευταία γενική κατηγορία μεθόδων παραγωγής του υδρογόνου,

βασίζεται στην παραγωγή αυτού μέσω της διαδικασίας της φωτόλυσης. Ο ένας

τρόπος για να το πετύχουμε αυτό, είναι να χρησιμοποιήσουμε την ιδιότητα που

εμφανίζουν ορισμένοι μικροοργανισμοί (κυρίως άλγη και κυανοβακτήρια), να

παράγουν αυτούσια υδρογόνο μέσω του φυσικού φωτοσυνθετικού τους κύκλου (που

αποτελεί μέρος του αναερόβιου μηχανισμού παραγωγής της ενέργειάς τους). Η

συγκεκριμένη μεθοδολογία ονομάζεται και φωτοβιολογική παραγωγή του υδρογόνου.

Μέσω κατάλληλης εκμετάλλευσης της ποσότητας του υδρογόνου που παράγεται από

τη μεθοδολογία αυτή, μπορούμε να παράγουμε υδρογόνο με αποδοτικότητα

παραγωγής που προσεγγίζει το 25% .Η φωτοβιολογική μέθοδος παραγωγής του

υδρογόνου παρουσιάζει ωστόσο και ένα σημαντικό μειονέκτημα το οποίο συνίσταται

στο γεγονός, ότι παράλληλα με το υδρογόνο, οι μικροοργανισμοί που

χρησιμοποιούνται κατά τη φωτοσύνθεσή τους παράγουν και ορισμένες ποσότητες

από οξυγόνο, το οποίο σε μεγάλες ποσότητες, δρα καταστρεπτικά πάνω στους

υπόλοιπους αναερόβιους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς που υπάρχουν πάνω στη Γη.

Πάντως, για μικρής και μεσαίας κλίμακας παραγωγή του υδρογόνου, η

φωτοβιολογική παραγωγή μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς κανένα πρόβλημα. [2]

3.4 Αποθήκευση υδρογόνου

Η αποθήκευση υδρογόνου υπονοεί ουσιαστικά τη μείωση ενός πολύ μεγάλου όγκου

αερίου υδρογόνου. 1 kg υδρογόνου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και ατμοσφαιρική

πίεση καταλαμβάνει 11 m3. Για την πρακτική επομένως χρήση του πρέπει να αυξηθεί

η πυκνότητα του. Αυτό γίνεται είτε αυξάνοντας την πίεση του είτε μειώνοντας τη

θερμοκρασία του είτε, τέλος, μειώνοντας την άπωση μεταξύ των μορίων καθώς αυτό

αντιδρά με κάποιο υλικό. Επίσης πολύ σημαντικό κριτήριο είναι κατά πόσο η

διαδικασία της αποθήκευσης είναι αντιστρέψιμη.

Οι τρόποι αποθήκευσης του υδρογόνου είναι οι ακόλουθοι:

59

1. Αποθήκευση του υδρογόνου με την μορφή συμπιεσμένου αερίου.

2. Αποθήκευση του υδρογόνου ως υγρό σε κρυογενικές δεξαμενές (cryogenics).

3. Αποθήκευση του υδρογόνου σε στερεά μορφή με την μορφή των υδριδίων

(hydrides). [3]

3.4.1 Αποθήκευση Του Υδρογόνου Σε Αέρια Μορφή

Η απλούστερη μέθοδος αποθήκευσης του υδρογόνου είναι αυτή όπου το υδρογόνο

αποθηκεύεται ως συμπιεσμένο αέριο. Ο βασικός εξοπλισμός που απαιτείται για να

γίνει αυτό είναι ένας συμπιεστής – κομπρεσέρ υδρογόνου και το αντίστοιχο πιεστικό

δοχείο ή δεξαμενή αποθήκευσης. Το αέριο υδρογόνο μπορεί να αποθηκεύεται είτε σε

δεξαμενές χαμηλής πίεσης είτε σε κυλίνδρους υψηλής πίεσης. Συνήθως οι δεξαμενές

αποθήκευσης αέριου υδρογόνου χαμηλής πίεσης, έχουν σφαιρική αλλά και

κυλινδρική μορφή και μπορούν να αποθηκεύουν περίπου 1.300kg υδρογόνου σε

πίεση 1.2- 1.6 MPa (12-16 bar) . Oι κύλινδροι υψηλής πίεσης (tube storage), που είναι

και ο πιο διαδομένος τρόπος αποθήκευσης του υδρογόνου υπό αέρια μορφή, συνήθως

αποτελούνται από ένα εσωτερικό χαλύβδινο ή από αλουμίνιο λεπτό φύλλο πολύ

υψηλής αντοχής, το οποίο περιβάλλεται από αλλεπάλληλες στρώσεις από συνθετικά

υλικά.

Για την αποθήκευση και μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων αέριου υδρογόνου

χρησιμοποιούνται διάφορες συστοιχίες μεγάλων διαστάσεων κυλίνδρων υψηλής

πίεσης οι οποίες μπορούν να είναι κατάλληλα προσαρμοσμένες πάνω σε ειδική

κινούμενη πλατφόρμα (tube storage trailers). Αυτού του είδους οι κύλινδροι έχουν

την ικανότητα να αποθηκεύουν με ασφάλεια το αέριο υδρογόνο ακόμα και σε πιέσεις

που φτάνουν μέχρι και τα 350 bar με αποτέλεσμα να αποθηκεύονται σημαντικές

ποσότητες υδρογόνου σε πολύ μικρό όγκο.

Για την συμπίεση του αέριου υδρογόνου χρησιμοποιούνται εμβολοφόροι συμπιεστές

(reciprocating compressors) πολλαπλών βαθμίδων συμπίεσης. Σήμερα οι συμπιεστές

του υδρογόνου μπορούν να έχουν ισχύ μέχρι και 11.200 kW και έχουν την ικανότητα

να συμπιέζουν το αέριο υδρογόνο σε πιέσεις μέχρι και 25-30 MPa, με μία ταχύτητα

ροής η οποία μπορεί να φτάνει μέχρι και τα 1.950 kg/h. [3]

60

Εικόνα 3.4 - Δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου

3.4.2 Aποθήκευση Του Υδρογόνου Σε Υγρή Μορφή

Το αέριο υδρογόνο κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης

όπως όλα τα αέρια μπορεί να μετατραπεί σε υγρό. Είναι χαρακτηριστικό ότι το

υδρογόνο σε μορφή υγρού μπορεί να αποθηκευτεί ακόμα και σε ατμοσφαιρική πίεση.

Η υγροποίηση του αέριου υδρογόνου προϋποθέτει την ψύξη του αέριου υδρογόνου

αέριας μορφής σε θερμοκρασία περίπου γύρω στους -253 °C. Η όλη διαδικασία

απαιτεί μία συνδυασμένη διάταξη από συμπιεστές, εναλλάκτες θερμότητας, μηχανές

εκτόνωσης και στραγγαλιστικές βαλβίδες, η οποία επιτυγχάνει την ψύξη του αέριου

υδρογόνου σε τόσο χαμηλή θερμοκρασία. Βέβαια για όλες τις παραπάνω διαδικασίες

θα πρέπει παράλληλα να καταναλωθούν σημαντικά ποσά ενέργειας. Η διαδικασία

υγροποίησης του υδρογόνου είναι γνωστή ως ο κύκλος του Linde, ή Joule–

Thompson και η πορεία αυτής φαίνεται στο Σχήμα 3.1. [3]

61

Σχήμα 3.1 - Παραγωγή υγρού υδρογόνου [3]

1-2. Συμπίεση του αέριου υδρογόνου

2-3. Ψύξη μέσω εναλλάκτη

4. Εκτόνωση και διαχωρισμός της υγρής από την αέρια φάση

5. Ανακύκλωση της αέριας φάσης μέσω του εναλλάκτη

6. Παραλαβή του υγρού υδρογόνου

Από μετρήσεις οι οποίες έχουν πραγματοποιηθεί για όλη την παραπάνω διαδικασία

μετατροπής του αέριου υδρογόνου σε υγρή μορφή κάτω από ιδανικές συνθήκες

απαιτούνται 3,92 kWh/kg, την στιγμή όπου για την υγροποίηση του αζώτου

απαιτούνται μόλις 0,207 kWh/kg. Το ποσό αυτό με βάσει μετρήσεων που έχουν

πραγματοποιηθεί κάτω από πραγματικές συνθήκες φτάνει τις 10kWh/kg. Mε βάση

την ενεργειακή ικανότητα του υδρογόνου ως καύσιμο, όπου ισχύει ότι το 1 kg υγρού

υδρογόνου, μπορεί να δώσει 119,93 ΜJ ενέργεια δηλαδή 33,31 kWh, κάνοντας την

αντίστοιχη διαίρεση βλέπουμε ότι η ενέργεια που απαιτείται για την υγροποίηση του

υδρογόνου αντιπροσωπεύει το 30% περίπου της συνολικής του ενέργειας, το κόστος

της οποίας σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να είναι απαγορευτικό ακόμα και για την

κατασκευή της ίδιας της μονάδας. Η αποθήκευση του υγρού υδρογόνου θα πρέπει να

γίνεται μέσα σε δεξαμενές στις οποίες η θερμοκρασία θα διατηρείται κάτω από τους -

253ºC. Στις δεξαμενές αποθήκευσης υγρού υδρογόνου είναι σημαντικό, να μην

μεταφέρεται κανένα άλλου είδους θερμότητας μέσα στον εσωτερικό χώρο

αποθήκευσης από το περιβάλλον, για μην έχουμε ανεπιθύμητη μετατροπή του υγρού

υδρογόνου σε αέριο. Για το λόγο αυτό, η αποθήκευση του υγρού υδρογόνου, γίνεται

62

σε ειδικά διαμορφωμένες και μονωμένες δεξαμενές, οι οποίες ονομάζονται

κρυογενικές δεξαμενές-δοχεία (cryogenic-vessels-containers).

Όλες αυτού του τύπου οι δεξαμενές έχουν διπλά τοιχώματα και ο χώρος όπου υπάρχει

μεταξύ των δύο τοιχωμάτων συνήθως εκκενώνεται πλήρως (δημιουργείται κενό

αέρος) για να ελαχιστοποιείται το ποσό της θερμότητας που θα μεταφέρεται από την

διαφορά θερμοκρασίας με το εξωτερικό περιβάλλον με ακτινοβολία και με

αγωγιμότητα.

Για να εμποδιστεί το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία τόσο το

εξωτερικό περίβλημα όσο και το εσωτερικό, από την ελεύθερη-εξωτερική τους

πλευρά, τα τοιχώματα καλύπτονται με φύλλα κολλοειδούς σιλικόνης (περλίτη) ή από

το ειδικό συνθετικό υλικό με την ονομασία MYLAR, το οποίο αποτελείται από ένα

κράμα πλαστικού το οποίο περιέχει ίνες αλουμινίου.

Στις μεγάλης χωρητικότητας δεξαμενές αποθήκευσης υγρού υδρογόνου, για να

μειωθεί ακόμα περισσότερο η μεταφορά θερμότητας από τον περιβάλλοντα χώρο,

περιμετρικά τοποθετείται άλλο ένα στρώμα-διαμέρισμα το οποίο είναι γεμάτο με

υγρό άζωτο.

Σήμερα οι περισσότερες δεξαμενές δοχεία-υγρού υδρογόνου έχουν κυλινδρική μορφή

όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.1 και είναι τοποθετούνται τόσο σε οριζόντια αλλά και

κατακόρυφη θέση με χωρητικότητες που κυμαίνονται συνήθως από 5-100 m3.

Πάντως θα πρέπει να τονιστεί ότι στις εγκαταστάσεις αποθήκευσης υγρού υδρογόνου

μέσα στις δεξαμενές ή στα βυτία έχουμε πάντα συνύπαρξη της υγρής με την αέρια

φάση. Στις εγκαταστάσεις αποθήκευσης υγρού υδρογόνου για να έχουμε ελεγχόμενη

μετατροπή της υγρής φάσης σε αέρια είναι απαραίτητη η παρουσία του ενός επιπλέον

συστήματος το οποίο ονομάζεται εξαεριωτής. H συνηθέστερη περίπτωση εξαεριωτών

είναι αυτοί οι οποίοι λειτουργούν χωρίς την προσθήκη επιπλέον ενέργειας (ambient

air evaporators) για την εξαέρωση του υδρογόνου αλλά μόνο με την μεταφορά

θερμότητας από τις σωληνώσεις τους με το περιβάλλον.

Οι εξαεριωτές αυτού του τύπου, αποτελούνται από ένα πλέγμα σωληνώσεων

αλουμινίου οι οποίες κατά το μήκος τους είναι καλυμμένες από ειδικά

προσαρμοσμένο μονωτικό υλικό, έτσι ώστε να μην έχουμε την απότομη μεταφορά

63

θερμότητας από το περιβάλλον στο υγρό υδρογόνο. Έτσι η μετατροπή του υδρογόνου

από υγρό σε αέριο γίνεται σταδιακά και με ελεγχόμενο τρόπο. [3]

3.4.3 Αποθήκευση Του Υδρογόνου Σε Στερεά Μορφή Με Την Μορφή Των

Υδριδίων

H αποθήκευση του υδρογόνου με την μορφή υδριδίων, βασίζεται στην ιδιότητα

μερικών μετάλλων, να απορροφούν και να εγκλωβίζουν το αέριο υδρογόνο, κάτω από

συνθήκες υψηλής πίεσης σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Τα ίδια όμως μέταλλα,

όταν θερμανθούν, κάτω από χαμηλή πίεση έχουν την ικανότητα να ελευθερώνουν το

αέριο το οποίο έχουν απορροφήσει.

Το πλεονέκτημα του συγκεκριμένου τρόπου αποθήκευσης είναι ότι με τον τρόπο

αυτό το αέριο υδρογόνο γίνεται κομμάτι του ίδιου του μετάλλου και δεν απαιτεί

μεγάλες πιέσεις ή πολύ χαμηλές θερμοκρασίες αποθήκευσης. Επίσης επειδή το αέριο

ελευθερώνεται από το υδρίδιο σε χαμηλή πίεση θεωρητικά ισχύει ότι τα υδρίδια είναι

ο πιο ασφαλής τρόπος αποθήκευσης του υδρογόνου.

Υπάρχουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι υδριδίων τα περισσότερα είναι κυρίως

κράματα–ενώσεις του μαγνησίου, του σιδήρου του νικελίου και του τιτανίου. Σε

γενικές γραμμές χωρίζονται σε εκείνα τα οποία έχουν δυνατότητα απορρόφησης

μικρών ή μεγάλων ποσοτήτων υδρογόνου και σε εκείνα όπου η εκτόνωση-παροχή

του υδρογόνου γίνεται παρουσία υψηλών ή χαμηλών σχετικά θερμοκρασιών.

Όσον αφορά τον παράγοντα της θερμοκρασίας τα υδρίδια, τα οποία ελευθερώνουν το

υδρογόνο σε υψηλές θερμοκρασίες είναι συνήθως φθηνότερα στην κατασκευή και

κατακρατούν μεγαλύτερες ποσότητες από εκείνα τα οποία λειτουργούν ακόμα και σε

χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά το βασικό τους μειονέκτημα είναι ότι απαιτούν

σημαντικές ποσότητες θερμότητας μέχρι να φτάσουν στην κανονική θερμοκρασία

εκτόνωσης.

Για τα υδρίδια τα οποία λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες (θερμοκρασίες

περιβάλλοντος) πράγμα το οποίο πολλές φορές μας βολεύει ιδιαίτερα, το κυριότερο

πρόβλημα που παρουσιάζουν, είναι ότι λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών

λειτουργίας πολλές φορές μπορεί να έχουμε ανεπιθύμητη έκλυση του αέριου

υδρογόνου. Για τον λόγο αυτό, τα υδρίδια τα οποία λειτουργούν σε χαμηλές

θερμοκρασίες είναι θεμιτό να απελευθερώνουν το υδρογόνο μόνο όταν υπάρχουν

64

ταυτόχρονα συνθήκες υψηλής πιέσεως κάτι το οποίο κάνει την διαδικασία

λειτουργίας τους ακόμα πιο περίπλοκη. [3]

3.5 Κυψέλες καυσίμου

Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήματος το

οποίο χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως καύσιμο. Είναι αυτές οι οποίες αναλαμβάνουν τη

μετατροπή του καυσίμου σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Η έννοια της κατάλυσης

παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη λειτουργία μιας κυψέλης καυσίμου, όπως θα δούμε

παρακάτω και η έρευνα για τη βελτίωση της αποδόσεων της γίνεται κυρίως σε αυτόν

τον τομέα, τομέας εξ ορισμού μελετώμενος στην κλίμακα του νανομέτρου.

Η κυψέλη καυσίμου αποτελεί ένα μηχανισμό για την ηλεκτροχημική μετατροπή της

ενέργειας μετατρέποντας υδρογόνο και οξυγόνο σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα με

τη διαδικασία αυτή, ηλεκτρισμό και θερμότητα. Ο ηλεκτρισμός παράγεται με τη

μορφή συνεχούς ρεύματος. Η πρώτη κυψέλη φτιάχτηκε από τον Sir William Grove ,

το 1839. Ωστόσο η συστηματική έρευνα πάνω σε αυτές άρχισε μόλις τη δεκαετία του

'60, όταν η NASA χρησιμοποίησε κυψέλες καυσίμου στο διαστημικό σκάφος Gemini

και Apollo ως φθηνότερη λύση από την ηλιακή ενέργεια. [4]

Εικόνα 3.6 - Κυψέλη καυσίμου

65

3.5.1 Αρχή λειτουργίας

Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να ταξινομηθούν βάση του τύπου του ηλεκτρολύτη

τον οποίο χρησιμοποιούν. Το πιο γνωστό είδος είναι η κυψέλη καυσίμου με

μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίου ( PEM ).

Δύο ηλεκτρόδια, τα οποία διαχωρίζονται από μία μεμβράνη, η οποία έχει το ρόλο του

ηλεκτρολύτη. Μεταξύ αυτής της πολυμερισμένης μεμβράνης και των ηλεκτροδίων

υπάρχει ένα στρώμα καταλύτη. Συνοπτικά, η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρισμού

περιγράφεται από τα παρακάτω επιμέρους στάδια.

Το υδρογόνο τροφοδοτεί την άνοδο της κυψέλης, το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το οποίο

ερχόμενο σε επαφή με τον καταλύτη διαχωρίζεται σε θετικά φορτισμένα ιόντα

υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Η άνοδος και ο καταλύτης είναι τέτοιας κατασκευής ώστε

η διάχυση των ατόμων του υδρογόνου να γίνεται με ομογενή τρόπο. Τα ηλεκτρόνια

τα οποία απελευθερώθηκαν μεταφέρονται μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος

προς την κάθοδο δημιουργώντας ηλεκτρισμό αφού η μεμβράνη αποτρέπει τη

διέλευση τους μέσω αυτής. Για αυτό το λόγο άνοδος και καταλύτης διαλέγονται

αγώγιμα υλικά.

Τα θετικά φορτισμένα ιόντα του υδρογόνου (στην ουσία αναφερόμαστε σε

μεμονωμένα πρωτόνια) διαπερνούν τη μεμβράνη και ενώνονται με το οξυγόνου το

οποίο τροφοδοτεί την κάθοδο, το θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο, και παράγεται νερό.

Όπως και πριν, την ομογενή διάχυση του οξυγόνου στον καταλύτη εξασφαλίζει η

κατασκευή του ηλεκτροδίου. Ο καταλύτης αναλαμβάνει την επιτάχυνση της

δημιουργίας του νερού από τα συστατικά του.

Στο σχηματισμό του νερού συμμετέχουν εκτός των μορίων του οξυγόνου και των

ιόντων του υδρογόνου, τα ηλεκτρόνια τα οποία διοχετεύτηκαν μέσω του εξωτερικού

ηλεκτρικού κυκλώματος στην κάθοδο, στην αρχή της διαδικασίας.

Τα δύο στρώματα (στηριζόμενου) καταλύτη χρησιμεύουν στην αύξηση της ταχύτητας

των αντιδράσεων διάσπασης του μορίου του υδρογόνου και της ένωσης υδρογόνου

οξυγόνου για τη δημιουργία νερού, στην άνοδο και στην κάθοδο αντίστοιχα. Συνήθως

αποτελείται από ένα πολύ λεπτό στρώμα λευκόχρυσου (Pt) πάνω σε επιφάνεια

άνθρακα. Το στρώμα αυτό είναι και το μέρος του καταλύτη το οποίο βρίσκεται σε

66

επαφή με τη μεμβράνη. Ο καταλύτης είναι τραχύς και πορώδης ώστε να μεγιστοποιεί

η εκτεθειμένη επιφάνεια του.

Οι χημικές αντιδράσεις οι οποίες χαρακτηρίζουν τα παραπάνω βήματα, συνοψίζονται

παρακάτω.

Στην άνοδο:

2H2 → 4H++4e(-) (3.6)

Στην κάθοδο:

O2 + 4H+ + 4e

-→ 2H2O (3.7)

Ολική αντίδραση:

2H2 + O2 → 2H2O (3.8)

Οι παραπάνω αντιδράσεις σε μία απλή κυψέλη καυσίμου παράγει περίπου στα

0,7 Volts. Προκειμένου να παραχθούν μεγαλύτερες (και πρακτικά αξιοποιήσιμες)

τάσεις, χρησιμοποιούνται περισσότερες κυψέλες σε σειρά (fuel cell stack). [4]

3.5.2 Είδη κυψελών καυσίμου

Κυψέλη καυσίμου πολυμερισμένης μεμβράνης (PEM)

Αυτές οι κυψέλες (κυψέλες καυσίμου ανταλλαγής πρωτονίων, proton exchange

membrane fuel cells , PEM ) λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και

παράγουν ισχύ αρκετή για την εφαρμογή τους για την ικανοποίηση καθημερινών

ενεργειακών αναγκών, όπως αυτή για την κίνηση ενός οχήματος. Σε αυτό βοηθά η

ικανότητα τους να προσαρμόζονται σε γρήγορες αυξομειώσεις στην απαίτηση ισχύος.

Η ισχύς που παράγει μια τέτοια κυψέλη κυμαίνεται μεταξύ των 50 και 250 kW . Ο

συγκεκριμένος τύπος κυψέλης είναι αρκετά ευαίσθητος σε μη καθαρά καύσιμα.

Η έρευνα πάνω στις κυψέλες καυσίμου όσων αφορά εφαρμογές τους στην

τροφοδότηση οχημάτων αυτή τη στιγμή είναι επικεντρωμένη κυρίως σε αυτόν τον

τύπο. [4]

67

Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC)

Οι κυψέλες φωσφορικού οξέος (phosphoric - acid fuel cells, PAFC) είναι αυτές όπου

είναι διαθέσιμες σήμερα στο εμπόριο. Η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος

κυμαίνεται σε αρκετά υψηλά επίπεδα.

Οι θερμοκρασίες λειτουργίας του βρίσκονται στην περιοχή των 150 με 200oC. Σε

χαμηλότερες θερμοκρασίες το φωσφορικό οξύ γίνεται κακός ιοντικός αγωγός και το

μονοξείδιο του άνθρακα CO το οποίο σχηματίζεται πάνω στον καταλύτη

δηλητηριάζει την άνοδο ρίχνοντας πάρα πολύ την απόδοση. Ωστόσο τα επίπεδα

ανοχής της συγκέντρωσης του CO είναι τέτοια ώστε να επιτρέπει περισσότερα είδη

καυσίμων για τη τροφοδότηση του. Στην περίπτωση της συμβατικής βενζίνης ωστόσο

πρέπει να απομακρυνθούν τα σουλφίδια. Τα μειονεκτήματα των PA κυψέλων

καυσίμου, είναι το μεγάλο μέγεθος και βάρος, ο ακριβός καταλύτης όπου

χρησιμοποιείται (λευκόχρυσος) ενώ το ρεύμα το οποίο παράγεται είναι χαμηλό και η

ισχύς συγκρίσιμη με αυτή άλλων τύπων κυψέλων καυσίμου.

Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που χαρακτηρίζουν αυτόν τον τύπο είναι ίδιες με

αυτής της PEM κυψέλης. [4]

Κυψέλη καυσίμου μεθανόλης (DMFC)

Σε όλες τις παραπάνω κυψέλες ως καύσιμο χρησιμοποιείται το υδρογόνο. Ωστόσο, ο

συγκεκριμένος τύπος κυψελών (direct methanol fuel cells, DMFC) χρησιμοποιεί ως

καύσιμο μεθανόλη χωρίς να απαιτεί τη μετατροπή της σε υδρογόνο. Σε αυτή την

περίπτωση η μεθανόλη είναι αυτή που οξειδώνεται στην άνοδο. Η κατηγορία αυτή

είναι πιο πρόσφατη των κυψελίδων PEM με αρκετά ακόμα προβλήματα προς επίλυση

όπως η μεγάλη ποσότητα καταλύτη όπου απαιτείται. Ωστόσο, εάν η συγκεκριμένη

τεχνολογία επρόκειτο να χρησιμοποιηθεί στη θέση των PEM κυψέλων δε θα υπήρχε

η ανάγκη αναζήτησης εναλλακτικών τρόπων αποθήκευσης του καυσίμου όπως

γίνεται στη δεύτερη περίπτωση με το υδρογόνο ενώ δε θα ήταν αναγκαία και η

ανάπτυξη αναμορφωτών. [4]

3.5.3 Απόδοση

Η απόδοση μιας κυψέλης καυσίμου δεν είναι 100% κι επομένως η θεωρητική τάση

των 1,16 V δε συναντάται. Αντίθετα μια συνηθισμένη τιμή τάσης εξόδου ισούται

68

περίπου με 0,7V . Ωστόσο επειδή αυτή η τάση είναι μικρή και επομένως ακατάλληλη

για τις περισσότερες πιθανές εφαρμογές της, γίνεται χρήση παραπάνω από μιας

κυψέλης συνδεόμενες μεταξύ τους σε σειρά, δημιουργώντας αυτό το οποίο

ονομάζουμε στήλη κυψέλης καυσίμου (fuel cell stack). Ανάλογα με τη χρήση όπου

προορίζεται η κυψέλη η στήλη μπορεί να αποτελείται από μερικές έως και

εκατοντάδες κυψέλες. Ειδικά σε περιπτώσεις όπου απαιτείται εκτός από μεγάλη τάση

και μεγάλη ισχύ χρησιμοποιούνται περισσότερες από μία στήλες σε σειρά.

Προκειμένου να μειωθεί ο συνολικός όγκος και βάρος της στήλης γίνεται χρήση αντί

δύο πλακών καθορισμού της ροής των αερίων, μίας. Αυτή η πλάκα έχει δύο περιοχές

με κανάλια μεταφοράς, μια σε κάθε μεριά της η οποία αναλαμβάνει τη μεταφορά και

διαφορετικού αερίου (υδρογόνου ή αέρα) και ονομάζεται διπολική πλάκα (bipolar

plate). Στα άκρα της κυψέλης βρίσκονται δύο απλές πλάκες.

Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στο αδιαπέραστο από αέρια της στήλης διότι σε αντίθετη

περίπτωση υδρογόνο και αέρας θα ενώνονταν άμεσα χωρίς την παραγωγή

εκμεταλλεύσιμου ρεύματος. Η διπολική πλάκα πρέπει επίσης να είναι αγώγιμη ώστε

το ρεύμα να μπορεί να κινηθεί από τη μία κυψέλη στην επόμενη. [4]

3.6 Μηχανές Εσωτερικής Καύσης υδρογόνου

Εκτός από τις κυψέλες καυσίμου, μια άλλη κατηγορία ενεργειακών διατάξεων οι

οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας μέσω υδρογόνου

είναι και οι μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ υδρογόνου). Η χρησιμοποίηση των

ΜΕΚ για την παραγωγή ενέργειας μέσω υδρογόνου δεν είναι καινούργια. Στην

πραγματικότητα, ο ίδιος ο Nikolaus Otto (1832 -1891), εφευρέτης της ομώνυμης

ΜΕΚ Otto (1864) (ΜΕΚ Otto: ΜΕΚ που χρησιμοποιεί σαν καύσιμο τη βενζίνη),

ασχολήθηκε παράλληλα και με την κατασκευή ΜΕΚ που θα «έκαιγαν» συνθετικό

αέριο αποτελούμενο από βενζίνη και υδρογόνο σε διαφορετικές συστάσεις μεταξύ

τους. [2]

3.6.1 Καύση του υδρογόνου σε ΜΕΚ

Στις ΜΕΚ υδρογόνου, η θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση του υδρογόνου με

το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, μπορεί να αξιοποιηθεί κατάλληλα από τα εσωτερικά

69

μηχανικά μέρη, προκειμένου να μετατραπεί σε ωφέλιμο μηχανικό έργο. Επίσης, ο

ατμός που παράγεται από την καύση αυτή μπορεί στη συνέχεια να εκλυθεί προς το

περιβάλλον, επιστρέφοντας έτσι πάλι στον φυσικά ανανεώσιμο κύκλο ζωής του

νερού. Αυτό σημαίνει ότι το υδρογόνο, αποτελεί θεωρητικά μια πλήρως ανανεώσιμη,

χωρίς ρύπους, αποδοτική πηγή ενέργειας των ΜΕΚ, συγκαταλέγοντας πάντα σ’ αυτό

και την πολύ υψηλή απόδοση ενέργειας που μπορεί να αποδώσει. Στους διάφορους

ρύπους που εκπέμπονται κατά την πραγματική καύση του υδρογόνου μέσα σε ΜΕΚ,

ανήκουν κατά πρώτο λόγο τα διάφορα οξείδια του αζώτου που προκύπτουν από την

ένωση του ατμοσφαιρικού με το ατμοσφαιρικό άζωτο που περιέχεται στον

ατμοσφαιρικό αέρα με τον οποίο αντιδρά. Επίσης, κατά την πραγματική του καύση

σε ΜΕΚ, προκύπτουν και ορισμένες ποσότητες από CO, CO2 καθώς και άκαυτους

υδρογονάνθρακες, οι οποίοι προέρχονται από την αντίδραση καύσης του

ατμοσφαιρικού αέρα και του υδρογόνου αντίστοιχα με τις ποσότητες λιπαντικών και

ελαίων που περιέχονται μέσα στις ΜΕΚ. [4]

3.6.2 Φαινόμενο backfire

Το σημαντικότερο μειονέκτημα που εμπόδισε ανέκαθεν (και εμποδίζει ακόμα και

σήμερα) τη χρησιμοποίηση του υδρογόνου σε ΜΕΚ, είναι ένα εν δυνάμει επικίνδυνο

θερμοχημικό φαινόμενο που παρατηρείται αρκετά συχνά κατά την καύση του σ’

αυτές, το οποίο είναι γνωστό ως φαινόμενο αυθόρμητης αυτανάφλεξης ή φαινόμενο

"backfire". Το φαινόμενο "backfire", χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά που παρουσιάζει

το μίγμα του υδρογόνου και του ατμοσφαιρικού αέρα κατά την καύση του μέσα σε

μία ΜΕΚ, όταν η καύση αυτού δεν εξελίσσεται ομαλά, αλλά παρατηρούνται κάποιες

μικροαναφλέξεις (ή αλλιώς «σκασίματα») στη μάζα του. Τα «σκασίματα» αυτά,

παρουσιάζονται κατά την φάση που το μίγμα εισάγεται στον χώρο καύσης της ΜΕΚ.

Το φαινόμενο "backfire" είναι επικίνδυνο και ανεπιθύμητο, γιατί υπό κατάλληλες

συνθήκεςμπορεί να καταστρέψει πλήρως (με έκρηξη) μια ΜΕΚ. Εξίσου βασικό με

αυτό είναι και το γεγονός, ότι εφόσον παρουσιαστεί, δεν μπορεί πλέον εύκολα να

ελεγχθεί και να σταματήσει πρωτού πάρει επικίνδυνες διαστάσεις. [2]

70

3.6.3 Βαθμός απόδοσης των ΜΕΚ υδρογόνου

Κατά την εξέταση του βαθμού απόδοσης μιας ΜΕΚ (υδρογόνου ή συμβατικών

ορυκτών καυσίμων), τα δύο χαρακτηριστικά της λειτουργίας της που μας

ενδιαφέρουν περισσότερο είναι τα εξής:

1. Ο λόγος συμπίεσης, δηλαδή ο λόγος του μεγαλύτερου δυνατού όγκου που

μπορεί να καταλάβει ο θάλαμος καύσης της – όταν το έμβολο αυτού βρίσκεται στο

χαμηλότερο σημείο της διαδρομής του – προς μικρότερο δυνατό όγκο του – όταν

δηλαδή το έμβολο βρίσκεται στο ανώτερο σημείο της διαδρομής του.

2. Η (%) κ.β. σύσταση του μίγματος καύσης σε «καθαρό» καύσιμο και

ατμοσφαιρικό αέρα, καθώς αυτό καταναλώνεται στον θάλαμο της καύσης.

Αν υπολογίσουμε πρακτικά τον βαθμό απόδοσης μιας οποιασδήποτε ΜΕΚ για

διαφορετικά καύσιμα (π.χ. υδρογόνο, πετρέλαιο, βενζίνη, φυσικό αέριο κ.λ.π.),

χρησιμοποιώντας όμως για κάθε καύσιμο τους ίδιους λόγους συμμπίεσης και τις ίδιες

% κ.β. συστάσεις των αντίστοιχων μιγμάτων καύσης τους, θα συμπεράνουμε, ότι η

απόδοση αυτής στην ουσία δεν αποκλίνει ιδιαίτερα για τα διάφορα

χρησιμοποιούμενα καύσιμα. Βεβαίως υπάρχει μια μικρή απόκλιση μεταξύ της

απόδοσης της ΜΕΚ για λειτουργία με υδρογόνο σε σχέση με τη λειτουργία της με τα

υπόλοιπα καύσιμα (η απόδοσή της για λειτουργία με υδρογόνο είναι ελαφρώς

μεγαλύτερη), αλλά η απόκλιση αυτή δεν είναι τόσο μεγάλη ώστε να δικαιολογείται η

χρησιμοποίηση του υδρογόνου σαν καύσιμού της.

Υπολογίζοντας τώρα τον βαθμό απόδοσης μιας τυχαίας ΜΕΚ για τα ίδια, όπως και

πριν, καύσιμα αλλά με διαφορετικούς αυτή τη φορά λόγους συμπίεσης και με

διαφορετικές % κ.β. συστάσεις των μιγμάτων καύσης μπορούμε να παρατηρήσουμε,

ότι στην περίπτωση που η ΜΕΚ καταναλώνει υδρογόνο αποδίδει μεγαλύτερους

βαθμούς απόδοσης απ’ ότι κατά τη λειτουργία της με άλλα καύσιμα, έχοντας

παράλληλα σημαντικά μικρότερους λόγους συμπίεσης και καταναλώνοντας μίγματα

καύσης με πολύ μικρότερες % κ.β. συστάσεις σε βασικό καύσιμο. Αυτό σημαίνει, ότι

γενικά, κάθε ΜΕΚ υδρογόνου, μπορεί να παράγει την ίδια (ή και υψηλότερη) ισχύ με

μία οποιαδήποτε ΜΕΚ ορυκτών καυσίμων, με τη διαφορά ότι το πετυχαίνει αυτό

καταναλώνοντας πολύ μικρότερες ποσότητες καυσίμου (δηλαδή υδρογόνου). Το

συμπέρασμα επομένως που προκύπτει για τις ΜΕΚ υδρογόνου είναι, ότι σαν

71

διατάξεις παραγωγής ενέργειας είναι πολύ οικονομικότερες (έχουν πολύ μικρότερη

κατανάλωση καυσίμου) από τις συμβατικές ΜΕΚ ορυκτών καυσίμων,συνδυάζοντας

παράλληλα την ισάξια (ή και υψηλότερη) αποδοτικότητα σε παραγωγή ισχύος σε

σχέση μ’ αυτές. [2]

72

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΕΣ 3ου

ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

Internet

[1] el.wikipedia.org/wiki/Υδρογόνο

[3] Καύση υδρογόνου σε εμβολοφόρες ΜΕΚ

http://dspace.lib.ntua.gr/bitstream/123456789/1719/3/avdelidisv_piston.pdf

[4] el.wikipedia.org/wiki/Κυψέλη_καυσίμου

Διπλωματικές εργασίες

[2] Διπλωματική Εργασία Μιχάλης Ι. Βαλάκας "ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΩΣ

ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ" 2007

73

Το συγκεκριμένο σύστημα έχει ως σκοπό τη μείωση της φθωράς των συσσωρετών,

καθώς επίσης την εκμετάλευση της ηλιακής ενέργειας ακόμη και στην περίπτωση που

οι συσσωρευτές έχουν φορτίσει πλήρως. Σε αυτό το κεφάλαιο γίνεται επεξήγηση

κάθε συσκευής που θα χρειαστούμε, και στο τέλος γίνεται η περιγραφή του πλήρους

συστήματος.

4.1 Αντιστροφέας DC-AC (inverter)

Ο αντιστροφέας DC-AC συνδέεται στην έξοδο των συσσωρευτών και εκτελεί την

μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο. Συνήθως η τιμή εξόδου του

μετασχηματιστή είναι τάση AC 220V και συχνότητα 50 Hz χαρακτηριστικά τέτοια

ώστε να τροφοδοτούνται οι οικιακές ηλεκτρικές συσκευές. Η μετατροπή γίνεται με

ειδικά transistor ισχύος, τα οποία 20.000 φορές/λεπτό, «κλείνουν και ανοίγουν» το

συνεχές ρεύμα και κατόπιν με τη βοήθεια ενός μετασχηματιστή μετατρέπεται στην

επιθυμητή τάση και συχνότητα. Υπάρχουν διαθέσιμοι τρεις τύποι μετασχηματιστές.

Οι τετραγωνικοί, οι τραπεζοειδείς και οι ημιτονικοί και ο διαχωρισμός αυτός γίνεται

ανάλογα την μορφή του σήματος εξόδου κάθε inverter.

Δεν έχει σημασία πόσες συσκευές θα συνδέσουμε ταυτόχρονα, αρκεί η ισχύς όλων

των συσκευών που λειτουργούν ταυτόχρονα να μην ξεπερνά την επιτρεπόμενη ισχύ

του inverter - μετατροπέα τάσης. Έτσι, αν έχουμε έναν inverter 200W (200 Watt),

μπορούμε να λειτουργήσουμε ταυτόχρονα μια τηλεόραση 60W, έναν ανεμιστήρα

Κεφάλαιο 4

Υβριδικά Συστήματα Φωτοβολταϊκών Με

Χρήση Υδρογόνου

74

40W, ένα φορητό υπολογιστή 60W και λαμπτήρες οικονομίας με 40W συνολικής

ισχύος. [1]

Εικόνα 4.1 - INVERTER 12V DC 230 AC KV2500W ΤΥΠΟΣ KV2500 ΤΑΣΗ ΕΙΣΟΔΟΥ 12VDC

ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ 220VAC

ΣΥΝΕΧΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥ 2500W ΜΕΓ.ΣΤΙΓΜΙΑΙΑ ΙΣΧΥ 5000W ΚΥΜΑΤΟΜΟΡΦΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ (ΕΞΟΔΟΣ)

ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΞΟΔΟΥ 50Hz

ΚΑΤA/ΣΗ ΧΩΡΙΣ ΦΟΡΤΙΟ 2,5A ΛΟΓΟΣ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΠΡΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 90%

ΑΣΦΑΛΕΙΑ 30Ax8 ΒΑΡΟΣ 6kgs ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ (mm) 380x190x95

Πίνακας 4.1 - Τεχνικά χαρακτηριστικά ενός inverter

Inverter με τροποποιημένο και inverter με καθαρό ημίτονο

Οι inverter διακρίνονται σε inverter τροποποιημένου ημίτονου (modified sine-wave)

και σε inverter καθαρού ημίτονου (pure / true sine-wave).

Ένας μετατροπέας με τροποποιημένο ημίτονο, είναι φθηνότερος από έναν με καθαρό

ημίτονο και είναι κατάλληλος για τις περισσότερες συσκευές. Καταναλώνει όμως έως

και 20% περισσότερη ενέργεια από τη μπαταρία σε σχέση με έναν μετατροπέα

καθαρού ημίτονου. Επίσης, σε τηλεοράσεις και ηχοσυστήματα μέτριας ποιότητας θα

ακούγεται ένα ελαφρύ βουητό.

Από την άλλη μεριά, το μοναδικό μειονέκτημα που έχουν οι inverter καθαρού

ημίτονου είναι η τιμή τους, αφού είναι τρεις έως τέσσερις φορές ακριβότεροι από

έναν αντίστοιχο με τροποποιημένο ημίτονο. Αν έχουμε ευαίσθητες ηλεκτρονικές

συσκευές, καλό είναι να χρησιμοποιούμε για αυτές inverter με καθαρό ημίτονο.

75

Οι συσκευές που λειτουργούν με μοτέρ (π.χ. ψυγείο) απαιτούν στιγμιαία (κατά την

εκκίνηση του μοτέρ) πολλαπλάσια Watt (π.χ. πενταπλάσια ή και παραπάνω) από αυτά

της κανονικής τους λειτουργίας. Αυτό είναι κάτι που πρέπει να γνωρίζουμε κατά την

επιλογή του μετατροπέα, ώστε να επιλέξουμε έναν με μεγαλύτερη ισχύ από τα

συνολικά (ονομαστικά) Watt των συσκευών που θα λειτουργούν ταυτόχρονα. [1]

4.2 Μετατροπέας εναλλασσόμενης τάσεως σε συνεχή (Ανορθωτής

AC-DC)

Ανορθωτές ονοµάζονται οι διατάξεις ισχύος, οι οποίες µετατρέπουν το

εναλλασσόµενο ρεύµα σε συνεχές. Ανάλογα µε τη µορφή της εναλλασσόµενης

εισόδου οι ανορθωτές διακρίνονται σε µονοφασικούς και πολυφασικούς

(διφασικούς, τριφασικούς, εξαφασικούς). Ακόµη διακρίνονται σε ελεγχόµενους και

µη ελεγχόµενους, ανάλογα µε το αν η τάση εξόδου είναι µεταβαλλόµενη ή σταθερή.

Το γενικό σύµβολο τωνµετατροπέων ac–dc εικονίζεται στην Εικόνα 4.3.

Εικόνα 4.2 - Ανορθωτές Εικόνα 4.3 - Γενικό σύμβολο ανορθωτή

Πού χρησιμοποιείται:

Με συνεχές ρεύμα δουλεύουν όλες οι ηλεκτρονικές συσκευές που δέχονται και

μπαταρίες όπως: discman, κασετόφωνα, walkman, ραδιόφωνα, ασύρματα και κινητά

τηλέφωνα, video-cameras, φορητοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές, ψηφιακές

φωτογραφικές κ.α. Ο μετασχηματιστής των συσκευών αυτών έχει 2 τμήματα. Στο

πρώτο η τάση που δίνει η πρίζα (220V) μετατρέπεται σε τάση κατάλληλη για την

συγκεκριμένη συσκευή (π.χ. 12V) και στη συνέχεια έναν ανορθωτή που μετατρέπει

το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές ρεύμα.

76

Πολύ συχνά συσκευές που τις λέμε μετασχηματιστές είναι στην πραγματικότητα

μετασχηματιστές και ανορθωτές μαζί. Όπως π.χ. «μετασχηματιστές» οι οποίοι δίνουν

έξοδο 12V ή 5V συνεχούς ρεύματος. Επίσης όλοι οι φορτιστές που χρησιμοποιούνται

για να φορτίσουμε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, μπαταρίες κινητών τηλεφώνων,

κ.α. περιέχουν και ανορθωτές γιατί οι μπαταρίες (που όπως είναι γνωστό δίνουν

συνεχές ρεύμα) μπορούν να φορτιστούν μόνο με παροχή συνεχούς ρεύματος.

Συνεχές ρεύμα χρησιμοποιούμε επίσης όταν θέλουμε να φορτίσουμε ένα πυκνωτή.

[2]

Σχήμα 4.1 - Κύκλωμα ανορθωτή

4.3 Μετατροπέας συνεχούς ρεύματος (DC – DC Converter)

Μετατροπείς συνεχούς ρεύµατος είναι εκείνες οι διατάξεις ισχύος που επιτελούν τη

µετατροπή µιας τάσης συνεχούς µορφής, σε συνεχή τάση µε ρυθμιζόμενο σταθερό

πλάτος ή και πολικότητα. Στους διακοπτικούς µετατροπείς, η µετατροπή της

συνεχούς τάσης επιτελείται από διακόπτες, οι οποίοι λειτουργούν σε υψηλή

συχνότητα. Ειδικότερα, η συνεχής τάση εισόδου µετατρέπεται σε µεταβαλλόµενη

τάση υψηλής συχνότητας. Η ελεγχόμενη συνεχής τάση εξόδου λαµβάνεται µε

φιλτράρισµα, ή/και ανόρθωση, της εσωτερικά παραγόμενης τάσης υψηλής

συχνότητας.

77

Οι µετατροπείς συνεχούς ρεύµατος διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα µε το

αν η τάση εξόδου τους είναι γαλβανικά αποµονωµένη από την είσοδο. Οι δύο κύριες

τοπολογίες µετα- τροπέων συνεχούς ρεύµατος χωρίς αποµόνωση είναι ο

µετατροπέας υποβιβασµού τάσης (step– down, buck) και ο µετατροπέας ανύψωσης

τάσης (step–up, boost). Παραλλαγές των µετατροπέων αυτών είναι οι µετατροπείς

υποβιβασµού–ανύψωσης τάσης (buck–boost) µε ένα ή δύο διακόπτες ελέγχου. Ο

µετατροπέας πλήρους γέφυρας (full bridge) ως µετατροπέας συνεχούς τάσης

αναλύεται διεξοδικά. Ο µετατροπέας πλήρους γέφυρας έχει µια τοπολογία από

τέσσερις διακόπτες και µπορεί να επιτελέσει, ανάλογα µε τον τρόπο ελέγχου των

διακοπτών του, κάθε είδους µετατροπή. [3]

4.4 Συσσωρευτές

Ο συσσωρευτής είναι μια συσκευή η οποία αποθηκεύει χημική ενέργεια και την

αποδεσμεύει με τη μορφή ηλεκτρισμού. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται

ηλεκτροχημικές διατάξεις όπως η γαλβανική στήλη. Η ανάπτυξη των μπαταριών

άρχισε με την κατασκευή της Βολταϊκής στήλης από τον Αλεσάντρο Βόλτα.

Ο συσσωρευτής στην ηλεκτρολογία είναι χημική πηγή ρεύματος, ικανή να

αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια (αφού τη μετατρέψει σε χημική) και όταν χρειαστεί,

να την αποδώσει σε εξωτερικό κύκλωμα. Αποτελείται από δοχείο κατασκευασμένο

από μονωτικό υλικό (εβονίτη, πλαστικό, γυαλί) με ηλεκτρολύτη (οξύ ή αλκάλιο), στο

οποίο βυθίζονται τα ηλεκτρόδια. Η σύνδεσή τους σε εξωτερικό κύκλωμα προκαλεί σε

αυτό διέλευση ρεύματος (εκφόρτιση του ηλεκτρικού συσσωρευτή). Έτσι, στον

ηλεκτρικό συσσωρευτή γίνονται χημικές διεργασίες, που έχουν σχέση με τη

μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική.

Ο εκφορτισμένος ηλεκτρικός συσσωρευτής φορτίζεται όταν περάσει από

αυτόν συνεχές ρεύμα από άλλη πηγή, ενώ ταυτόχρονα στον ηλεκτρικό συσσωρευτή

γίνονται αντίστροφες χημικές διεργασίες, με τις οποίες η ηλεκτρική ενέργεια

μετατρέπεται σε χημική. Ο ηλεκτρικός συσσωρευτής χαρακτηρίζεται: από τη

χωρητικότητα, δηλ. την ποσότητα του ηλεκτρισμού σε αμπερώρια, που μπορεί ο

συσσωρευτής να δώσει στο κύκλωμα που τροφοδοτεί, από τη μέση τάση σε Volt

κατά το χρόνο της φόρτισης και εκφόρτισης, από την ειδική ενέργεια κατά βάρος και

78

όγκο, δηλ. την ενέργεια σε βατώρια (wh) που παρέχεται κατά την εκφόρτιση από 1

kgr βάρους ή 1 δεκατόμετρο του όγκου του ηλεκτρικού συσσωρευτή, από την

απόδοση κατά χωρητικότητα, δηλ. το λόγο της ποσότητας των αμπερωρίων που

αποδίδεται κατά την εκφόρτιση προς την ποσότητα των αμπερωρίων που

απορροφάται κατά τη φόρτιση, από την απόδοση κατά ενέργεια (ή βαθμό απόδοσης),

δηλ. το λόγο της ενέργειας που αποδίδεται κατά την εκφόρτιση προς την ενέργεια που

απορροφάται κατά τη φόρτιση. Υπάρχουν ηλεκτρικοί συσσωρευτές σε μόνιμη

εγκατάσταση (για τις ανάγκες των ηλεκτρικών σταθμών, των τηλεφωνικών και

τηλεγραφικών σταθμών, των ραδιοσταθμών κ.ά.) και φορητοί (για τροφοδότηση

κινητών ραδιοσυσκευών και συσκευών ενσύρματης τηλεπικοινωνίας, αυτοκινήτων,

αεροπλάνων κ.ά.). [4]

Εικόνα 4.4 - Συσσωρευτής αυτοκινήτου 12V σε τομή

4.4.1 Είδη συσσωρευτών

Πρωτογενείς

Οι πρωτογενείς μπαταρίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις ηλεκτρικές συσκευές,

σε φωτογραφικό εξοπλισμό, στα ρολόγια, στους υπολογιστές και σε πολλές άλλες

χρήσεις της καθημερινής μας ζωής.

79

Οι περισσότερες πρωτογενείς μπαταρίες είναι κυλινδρικές, επίπεδες ή κομβιόσχημες

(κουμπιά) με χωρητικότητα κάτω από 20 Ah. Συνήθως είναι οικιακής χρήσης, σε

αντίθεση με τις δευτερογενείς που είναι συνήθως βιομηχανικής χρήσης. Οι

κυριότεροι τύποι πρωτογενών μπαταριών είναι οι:

Ψευδαργύρου / 'Aνθρακα (Zn/C): οι γνωστές σε όλους απλές μπαταρίες. Για

τις απλούστερες χρήσεις και με τη μικρότερη διάρκεια ζωής.

Ψευδαργύρου / Χλωριδίου (Zn/Cl): με λίγο μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Χρησιμοποιούνται εκεί που υπάρχουν μεγαλύτερες απαιτήσεις σε ενέργεια.

Αλκαλικές Μαγγανίου: με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τα δύο

προηγούμενα είδη. Είναι μάλιστα και φιλικότερες προς το περιβαλλον.

Αργύρου: συνήθως κομβιόσχημες, περιέχουν οξείδιο του αργύρου, και

χρησιμοποιούνται κυρίως σε ρολόγια.

Λιθίου: μεγάλης διάρκειας ζωής, περιέχουν μεταλλικό λίθιο και

χρησιμοποιούνται ευρέως στον φωτογραφικό εξοπλισμό και στα κινητά

τηλέφωνα.

Ψευδαργύρου - αέρα: επίσης κομβιόσχημες, έχουν την καινοτομία οτι αντί

θετικού πόλου, χρησιμοποιείται το ατμοσφαιρικό οξυγόνο.

Υδραργύρου: με οξείδιο του υδραργύρου, χρησιμοποιείται κυρίως σε ιατρικές

συσκευές, όπως ακουστικά βαρυκοΐας. Δυστυχώς, ο υδράργυρος που

περιέχουν είναι επικίνδυνος για το περιβάλλον.

Οι πρωτογενείς μπαταρίες είναι εύκολες και απλές στην χρήση τους και έχουν λίγες

απαιτήσεις στη συντήρηση. Επιπλέον μπορούν να έχουν τέτοιο σχήμα και μέγεθος

ώστε να προσαρμόζονται σε οποιαδήποτε συσκευή. Τέλος έχουν αξιοπιστία και

αποδεκτό κόστος σε συνάρτηση με καλή διάρκεια ζωής, πυκνότητα ενέργειας και

ισχύος.

Δευτερογενείς

Οι δευτερογενείς μπαταρίες επαναφορτίζονται ηλεκτρικά και μπορούν να

χρησιμοποιηθούν σχεδόν παντού. Χωρίζονται σε τρία βασικά συστήματα:

Επαναφορτιζόμενο σύστημα νικελίου - καδμίου (Ni-Cd): Οι πρώτες

επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που φτιάχτηκαν ποτέ. Χρησιμοποιούνται σε

ηλεκτρικά εργαλεία, φορητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, παιχνίδια,

80

κ.λ.π., με διάρκεια ζωής 4-5 χρόνια. Δυστυχώς το κάδμιο είναι βλαβερό. Έτσι

γίνονται προσπάθειες να απομακρυνθεί αυτό το είδος μπαταρίας από την

αγορά, και όπου είναι δυνατόν να αντικατασταθεί.

Επαναφορτιζόμενο σύστημα μολύβδου (Pb): Η ανακάλυψή τους έφερε την

επανάσταση στην αυτοκινητοβιομηχανία, αφού οι περισσότερες μπαταρίες

αυτοκινήτων ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία. Δυστυχώς ο μόλυβδος είναι

και αυτός επικίνδυνος για το περιβάλλον, γι αυτό γίνεται ήδη προσπάθεια να

συλλέγονται οι άδειες μπαταρίες από τα συνεργεία αυτοκινήτων, και να

στέλνονται για ανακύκλωση.

Σύστημα νικελίου - μετάλλου υδριδίου (NiMH). Φιλικότερες προς το

περιβάλλον από τις Ni-Cd τις οποίες τείνουν να αντικαταστήσουν και με

μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα, οικονομικά

και τεχνολογικά. Η ίδια μπαταρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί πολλές φορές, κάνοντας

απόσβεση του κόστους αγοράς της πολύ γρήγορα. Λειτουργούν σε υψηλές και

χαμηλές θερμοκρασίες και έχουν πολύ υψηλή απόδοση στο μεγαλύτερο μέρος της

λειτουργικής τους ζωής. [5]

4.4.2 Συστοιχίες συσσωρευτών

Για μεγαλύτερη χωρητικότητα μπορούμε να συνδέσουμε περισσότερους συσσωρευτές

παράλληλα μεταξύ τους. Για μεγαλύτερη τάση μπορούμε να συνδέσουμε

περισσότερους συσσωρευτές σε σειρά μεταξύ τους. Για παράδειγμα:

1. Παράλληλη σύνδεση όπου προστίθενται τα ΑΗ (αμπερώρια). Τα Volt παραμένουν

σταθερά στα 12V. Για χωρητικότητα 110ΑΗ συνδέουμε δύο συσσωρευτές των 55 AH

παράλληλα μεταξύ τους. Δηλαδή συνδέουμε τους θετικούς πόλους (+) μεταξύ τους

με χοντρό καλώδιο. Το ίδιο κάνουμε και με τους δύο αρνητικούς πόλους (-). Η τελική

έξοδος της παραπάνω συστοιχίας των δύο συσσωρευτών είναι από τον θετικό πόλο

της πρώτης μπαταρίας η θετική έξοδος και από τον αρνητικό πόλο της δεύτερης

μπαταρίας η αρνητική έξοδος. Τα ανάλογα ισχύουν και για παράλληλη σύνδεση

περισσότερων συσσωρευτών.

2. Σε σειρά σύνδεση όπου προστίθενται τα Volt. Τα ΑΗ (αμπερώρια) παραμένουν σταθερά.

Για τάση 24V συνδέουμε δύο συσσωρευτές των 12V σε σειρά μεταξύ τους. Δηλαδή

81

συνδέουμε το θετικό πόλο (+) του πρώτου συσσωρευτή με τον αρνητικό πόλο (-) του

δεύτερου συσσωρευτή, με χοντρό καλώδιο. Η τελική έξοδος της

παραπάνω συστοιχίας των δύο συσσωρευτών είναι ο αρνητικός πόλος της πρώτης

μπαταρίας για την αρνητική έξοδο και ο θετικός πόλος της δεύτερης μπαταρίας για τη

θετική έξοδο της συστοιχίας των δύο συσσωρευτών. Τα ανάλογα ισχύουν και για

την εν σειρά σύνδεση περισσότερων συσσωρευτών. [6]

4.4.3 Σχεδιαστική δομή και αρχή λειτουργίας συσσωρευτών

Η κατασκευή των δευτερευόντων συσσωρευτών είναι μία βαριά

βιομηχανική διαδικασία που περιλαμβάνει τη χρήση επικίνδυνων και τοξικών

ουσιών. Η διαδικασία αυτή είναι συνήθως μαζική και συνδυάζει πλήθος σειριακών

και παραλλήλων επεξεργασιών. Αν και η διαδικασία κατασκευής ποικίλει από

κατασκευαστή σε κατασκευαστή, ωστόσο ορισμένα χαρακτηριστικά είναι κοινά σε

όλες σχεδόν τις μπαταρίες.

Σχήμα 4.2 - Κυψελίδα συσσωρευτή

Δομική μονάδα του συσσωρευτή είναι η κυψελίδα (cell), και μία εποπτική

παρουσίαση της μονάδας αυτής δίνεται στο Σχήμα 4.2.

Η κυψελίδα είναι η βασική ηλεκτροχημική μονάδα της μπαταρίας,

συνίσταται από μία θετική και μία αρνητική πλάκα που είναι βυθισμένες σε ένα

διάλυμα ηλεκτρολύτη και περικλείονται σε ένα δοχείο. Με τη βοήθεια του

82

παραπάνω σχήματος θα γίνει μία περιγραφή των συστατικών μερών της κυψελίδας

ώστε να γίνεται στη συνέχεια, πιο εύκολα και κατανοητά η αναφορά σε σχετικά

θέματα.

Ενεργό Υλικό (Active Material): To ενεργό υλικό είναι ένας συνδυασμός

υλικών τα οποία από τη θετική και την αρνητική πλάκα, είναι οι βασικοί

συντελεστές της ηλεκτροχημικής αντίδρασης μέσα στην κυψελίδα. Η ποσότητα

του ενεργού υλικού σε μία μπαταρία είναι ανάλογη της χωρητικότητας της. Σε μία

τυπική μπαταρία μολύβδου, όπως είναι και η περίπτωση της μπαταρίας που

χρησιμοποιούμε, το ενεργό υλικό είναι συνδυασμός διοξειδίου του μολύβδου

(PbO2) στη θετική πλάκα με μεταλλικό πορώδη μόλυβδο (Pb) στην αρνητική, που

αντιδρούν σε διάλυμα θειικού οξέος (H2SO4) κατά τη λειτουργία της μπαταρίας.

Ηλεκτρολύτης: Ο ηλεκτρολύτης είναι το αγώγιμο μέσο που επιτρέπει τη

ροή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της ιοντικής ανταλλαγής ή της ανταλλαγής

ηλεκτρονίων, επάνω στις πλάκες της κυψελίδας. Στις μπαταρίες μολύβδου είναι

διάλυμα θειικού οξέος (H2SO4) σε υγρή μορφή ή σε μορφή gel, ενώ στις

μπαταρίες νικελίου (Ni) είναι διάλυμα υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ). Σε

περιπτώσεις σαν τη δική μας, που ο ηλεκτρολύτης είναι υγρό διάλυμα, συχνά,

απαιτείται η αναπλήρωση νερού λόγω του φαινομένου της εξαέρωσης.

Πλέγμα (Grid): Σε μία μπαταρία μολύβδου, το πλέγμα συνήθως είναι ένα

πλαίσιο από κράμα μολύβδου το οποίο υποστηρίζει το ενεργό υλικό επάνω στις

πλάκες και είναι αγωγός ηλεκτρικού ρεύματος. Υλικά κράματος όπως το αντιμόνιο

(Sb) ή το ασβέστιο (Ca) συχνά χρησιμοποιούνται για να αυξήσουνε τη μηχανική

αντοχή των πλακών και έχουν χαρακτηριστική επίδραση στις επιδόσεις της

μπαταρίας. Οι συσσωρευτές του συστήματος έχουν μικρή πρόσμιξη αντιμονίου

(Sb < 3%) στα θετικά ηλεκτρόδια, με αποτέλεσμα να μπορούν να λειτουργούν

διατηρούμενοι σε άριστη κατάσταση συνεχώς για 3 χρόνια σε παράλληλη, standby

λειτουργία όταν τις διαπερνάει ρεύμα 2,23 V/cell και βρίσκονται σε θερμοκρασία

περιβάλλοντος 20 οC.

Πλάκες (Plates): Οι πλάκες, που συνίστανται από το πλέγμα και από το

ενεργό υλικό, είναι το βασικό στοιχείο της μπαταρίας και συνήθως αναφέρονται

ως ηλεκτρόδια. Γενικά, υπάρχει ένα πλήθος αρνητικών και θετικών πλακών,

συνδεδεμένων παράλληλα, μέσα σε μία κυψελίδα. Το πάχος τους και η σχέσεις

83

των επιφανειών μεταξύ των αρνητικών και των θετικών πλακών, έχουν

καθοριστική επίδραση στα χαρακτηριστικά της μπαταρίας.

Διαχωριστής (Separator): Ο διαχωριστής είναι ένα πορώδες απομονωτικό

μέσο μεταξύ των πλακών της μπαταρίας που εμποδίζει την αγώγιμη επαφή μεταξύ

θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου. Σε πολλές περιπτώσεις ο διαχωριστής

εφαρμόζεται σαν φάκελος και περικλείει ολόκληρο το ηλεκτρόδιο, εμποδίζοντας

τη δημιουργία βραχυκυκλώματος, λόγω των διαχεόμενων υλικών στο κάτω μέρος

των πλακών.

Πόλοι ή Τερματικοί Πόλοι (Terminal Poles): Οι πόλοι είναι οι

εξωτερικές θετικές ή αρνητικές, ηλεκτρικές συνδέσεις της μπαταρίας. Ένα φορτίο

ή ένα φωτοβολταϊκό σύστημα συνδέεται με τη μπαταρία μέσω των πόλων.

Ο τύπος των δευτερευόντων συσσωρευτών μπορεί να αναφέρεται ως

Μολύβδου-Οξειδίου (lead-acid ή απλά Pb), Νικελίου-Καδμίου (Ni-Cd), Αργύρου-

Ψευδαργύρου κτλ, ανάλογα με το υλικό κατασκευής των ηλεκτροδίων τους.

Ειδικότερα, όσο αφορά τους συσσωρευτές μολύβδου, το κράμα του πλέγματος των

ηλεκτροδίων τους, τους κατατάσσει σε υποκατηγορίες (Μολύβδου-Ασβεστίου Pb-

Ca, Μολύβδου-Αντιμονίου Pb-Sb) και το κράμα αυτό μαζί με τον τρόπο

κατασκευής του συσσωρευτή, καθορίζει τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του και

τις χρήσεις για τις οποίες αυτός προορίζεται. Σε όποιον τύπο και αν ανήκουν οι

συσσωρευτές, ο μηχανισμός της λειτουργίας τους στηρίζεται σε μία αντιστρεπτή

ηλεκτροχημική διαδικασία η οποία, για τους συσσωρευτές μολύβδου περιγράφεται

από την αντίδραση:

(4.1)

Οι κυψελίδες των συσσωρευτών Pb αποτελούνται από ζεύγη

μονωμένων πλακών βυθισμένων στο ίδιο διάλυμα θειικού οξέος (H2SO4). Οι

πλάκες του αφόρτιστου συσσωρευτή καλύπτονται από θειικό μόλυβδο PbSO4

(ή ακριβέστερα Pb2+SO42-). Κατά το στάδιο της φόρτισης, διασπάται ο θειικός

μόλυβδος και σχηματίζεται οξείδιο του μολύβδου PbO2 (ή ακριβέστερα

Pb4+O22-)στις πλάκες των θετικών ηλεκτροδίων και μεταλλικός Pb στις

84

πλάκες των αρνητικών. Αντίστροφα, κατά την εκφόρτιση του συσσωρευτή

και κατά την τροφοδότηση των ηλεκτρικών καταναλώσεων, ο Pb οξειδώνεται

στις πλάκες των αρνητικών ηλεκτροδίων προς ιόντα Pb2+ και δίνει

ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα

(4.2)

ενώ στις θετικές πλάκες ο 4Pb ανάγεται προς

2Pb , παίρνοντας ηλεκτρόνια

από το εξωτερικό κύκλωμα :

(4.3)

Τα προϊόντα των δύο αντιδράσεων, δηλαδή τα ιόντα 2Pb ενώνονται με

θειικά ιόντα (SO42

) από το διάλυμα και επανασχηματίζουν θειικό μόλυβδο πάνω

στις πλάκες. Έτσι, καταναλώνεται θειικό οξύ και αραιώνεται το διάλυμα στις

κυψελίδες. Με τη διαδικασία της φόρτισης, τα θειικά ιόντα επιστρέφουν στο

διάλυμα και η περιεκτικότητα του αποκαθίσταται στην κανονική τιμή.

Ένας συσσωρευτής αποτελείται από μία συνάθροιση κυψελίδων και η

ονομαστική του τάση είναι το άθροισμα των ονομαστικών τάσεων των κυψελίδων

του. Έτσι, ο συσσωρευτής που χρησιμοποιούμε, με ονομαστική τιμή 60Volt

αποτελείται από 30 κυψελίδες ονομαστικής τιμής 2Volt η καθεμία.

4.4.4 Φόρτιση και εκφόρτιση

Οι συσσωρευτές έχουν σταθερή πολικότητα και για να τους φορτίσουμε χρειάζεται

ρεύμα σταθερής πολικότητας. Μπορεί να μην είναι συνεχές αλλά διακοπτόμενο, ποτέ

όμως εναλλασσόμενο. Αν η ηλεκτρεγερτική δύναμη (δηλαδή η τάση χωρίς φορτίο)

της μπαταρίας είναι 12 V τότε για να την φορτίσουμε χρειαζόμαστε ρεύμα της τάξεως

των 14 - 16 V ανάλογα με τον ρυθμό φορτίσεως που θέλουμε αλλά και με την

εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας (δηλαδή η τάση στα άκρα του φορτιστή πρέπει

να ξεπερνά την ηλεκτρεγερτική δύναμη της μπαταρίας αλλά και την πτώση τάσεως

στο εσωτερικό της μπαταρίας λόγω της εσωτερικής της αντιστάσεως). Αν

μπορούσαμε να δούμε μέσα σε μια μπαταρία μολύβδου-θειικού οξέος (Pb/ )

85

κατά την φόρτισή της τότε θα βλέπαμε ότι το ρεύμα διασπά τον ηλεκτρολύτη και το

οξυγόνο που παράγεται κινείται προς την θετική πλάκα, όπου όσο προχωράει η

φόρτιση σχηματίζει διοξείδιο του μολύβδου.

Σχήμα 4.3 - Φόρτιση-εκφόρτιση μπαταρίας μολύβδου-οξέως

Από τις δύο πλάκες φεύγουν θειικές ρίζες οι οποίες σχηματίζουν θειικό οξύ στον

ηλεκτρολύτη (αυξάνοντας την συγκέντρωσή του) και ταυτόχρονα η αρνητική πλάκα

μετατρέπεται σε πορώδη μόλυβδο. Όταν γίνεται εκφόρτιση το ρεύμα αντιστρέφεται

λόγω της διαφοράς ηλεκτροθετικότητας του θειικού μολύβδου από τον πορώδη

μόλυβδο, το θειικό οξύ διασπάται και οι θειικές ρίζες που απελευθερώνονται

σχηματίζουν θειικό μόλυβδο και στις δύο πλάκες με αποτέλεσμα να μην υπάρχει

διαφορά μεταξύ τους, άρα και ροή ρεύματος. Επίσης οξυγόνο φεύγει από την θετική

πλάκα και επιστρέφει στον ηλεκτρολύτη σχηματίζοντας νερό. Έτσι ο ηλεκτρολύτης

αραιώνει. Το μπομόμετρο (πυκνόμετρο του Beaume) είναι ένα όργανο το οποίο

μετράει την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη δίνοντας έτσι πληροφορίες για την

κατάσταση φορτίσεως της μπαταρίας. [7]

4.4.5 Χρόνος ζωής συσσωρευτή

Οι συσσωρευτές δεν πρέπει να υφίστανται παρατεταμένη φόρτιση σε πολλή υψηλή

τάση για αυτούς (Overcharging), ούτε να εκφορτίζονται κάτω από ένα όριο (Over

discharging). Ο κανόνας αυτός είναι πολύ σημαντικός και καθορίζει το χρόνο

ζωής τους. Η υπερφόρτιση έχει ως αποτέλεσμα την ηλεκτρόλυση και

86

συνακόλουθα, την παραγωγή υδρογόνου, με ταυτόχρονη έντονη ελάττωση της

στάθμης του ηλεκτρολυτικού διαλύματος. Ο χρόνος ζωής των συσσωρευτών

εκφράζεται σε κύκλους λειτουργίας, καθένας από τους οποίους περιλαμβάνει τις

διαδοχικές διαδικασίες εκφόρτισης και φόρτισής του.

Η χωρητικότητα, C, του συσσωρευτή δεν παραμένει σταθερή. Μειώνεται όσο

αυξάνουν οι κύκλοι λειτουργίας. Παραδείγματος χάριν, περιοδική εκφόρτιση-

φόρτιση ενός συσσωρευτή Pb/ , σε ποσοστό 20% κάτω από την ονομαστική

χωρητικότητά του, αντιστοιχεί σε 4500 κύκλους λειτουργίας. Αν το βάθος εκφότισης

αυξηθεί σε 40%, οι κύκλοι λειτουργίας ελαττώνονται κάτω από τους μισούς. Ένας

πρακτικός κανόνας που προσεγγίζει την πραγματική συμπεριφορά των συσσωρευτών

και ουσιαστικά, περιγράφει το χρόνο ζωής τους, είναι ο ακόλουθος:

Το γινόμενο βάθους εκφόρτισης επί τους κύκλους λειτουργίας είναι, με καλή

προσέγγιση, σταθερό:

(4.3)

Όπου , το πλήθος των κύκλων λειτουργίας του συσσωρευτή. Εμπειρικός

κανόνας: Για τους συσσωρευτές βαθιάς εκφόρτισης (φωτοβολταϊκούς

συσσωρευτές), το γινόμενο αυτό έχει την τιμή 1200, ενώ για κοινούς

συσσωρευτές περιορίζεται στα 120.

Το επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης (depth of discharge ή DOD) είναι το μέγιστο

ποσοστό της χωρητικότητας το οποίο μπορεί να αποδοθεί από τη μπαταρία. Στα

τυπικά φωτοβολταϊκά συστήματα, προβλέπεται μία τάση αποκοπής του φορτίου

από τη συσκευή του ρυθμιστή φόρτισης συσσωρευτών και έτσι καθορίζεται το

επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης για δεδομένο ρυθμό εκφόρτισης. Οι τιμές του

επιτρεπόμενου DOD μπορούν να είναι από 80% έως και 15% της χωρητικότητας

ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας. Για να διατηρείται η αυτονομία, η

χωρητικότητα του συσσωρευτή πρέπει να επιλέγεται λαμβάνοντας υπόψη, τόσο τη

μείωσή της σε χαμηλές θερμοκρασίες όσο και το DOD στις θερμοκρασίες αυτές. Η

τάση του βάθους εκφόρτισης σχετίζεται με τον ρυθμό εκφόρτισης για τον οποίο

είναι καθορισμένη η χωρητικότητα. [7]

87

4.4.6 Συσσωρευτές για φωτοβολταϊκά

Για εφαρμογές φωτοβολταϊκών συστημάτων, όπου οι ανάγκες

κατανάλωσης πολύ σπάνια συμβαδίζουν με τις ώρες παραγωγής και την

παραγόμενη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας, περισσότερο κατάλληλοι είναι οι

συσσωρευτές που έχουν τη δυνατότητα να υποστούν βαθιά εκφόρτιση χωρίς να

αλλοιώνεται η χωρητικότητα τους και να μειώνεται η διάρκεια ζωής. Αναλόγως

του φορτίου, άλλοτε είναι απαραίτητη η δυνατότητα παροχής εντόνου ρεύματος

για μικρά χρονικά διαστήματα και άλλοτε η παροχή μίας κανονικής τιμής

ρεύματος για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Συχνά οι απαιτήσεις του φορτίου σε

κατανάλωση δεν είναι τόσο μεγάλες όσο η ανάγκη η κατανάλωση να παρέχεται με

αξιοπιστία και για μεγάλες χρονικές περιόδους και άλλες φορές ο τόπος της

εγκατάστασης είναι τόσο δυσπρόσιτος που προτιμώνται συσσωρευτές με μικρές

ανάγκες συντήρησης και επίβλεψης.

Ιδιαίτερα για αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, όπου δεν υπάρχει

εναλλακτική λύση παροχής ηλεκτρικής ενέργειας και όπου οι μεταβολές της

ηλιοφάνειας μπορούν να είναι έντονες και μακρόχρονες, απαραίτητοι είναι οι

συσσωρευτές που έχουν μεγάλη χωρητικότητα, μπορούν να υποστούν βαθιά

εκφόρτιση και συχνά απαιτείται μία καλή σχέση κόστους και διάρκειας ζωής. Για

ένα τέτοιο σύστημα, καλή επιλογή θα αποτελούσε ένας συσσωρευτής μολύβδου -

αντιμονίου (Pb-Sd). Αυτοί είναι συσσωρευτές με εξαιρετικά χαρακτηριστικά, όσο

αφορά τις δυνατότητες βαθιάς εκφόρτισης και υψηλού ρυθμού εκφόρτισης. Έχουν,

επίσης, μεγάλη διάρκεια ζωής και υφίστανται μικρή διάχυση των ενεργών υλικών

τους. Μειονέκτημα τους είναι ο μεγάλος βαθμός αυτοεκφόρτισης που υφίστανται

και που οδηγεί στην ανάγκη να υπερφορτίζονται με αποτέλεσμα τη μεγάλη

απώλεια υγρών που εξαρτάται και από τις θερμοκρασίες λειτουργίας. Είναι

συνήθως συσσωρευτές υγρού ηλεκτρολύτη, με ανοικτή βαλβίδα εξαερισμού και

για τον λόγο αυτό απαιτείται συχνή αναπλήρωση των υγρών. Η κατάσταση τους

μπορεί εύκολα να ελεγχθεί μετρώντας την ειδική πυκνότητα του ηλεκτρολύτη.

Πολύ δημοφιλής επιλογή για αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι οι

συσσωρευτές μολύβδου δεσμευμένου ηλεκτρολύτη (Captive Electrolyte Lead-

Acid Batteries), λόγω της στεγανότητας τους και της ευκολίας μετακίνησης που

παρουσιάζουν. Έχουν βαλβίδα εξαέρωσης, που ανοίγει σε ορισμένη πίεση όταν

88

υπερφορτιστούν, για να απελευθερωθούν τα αέρια που δημιουργήθηκαν όμως, δεν

υπάρχει δυνατότητα αναπλήρωσης του ηλεκτρολύτη. Το γεγονός ότι δεν έχουν

απαιτήσεις συντήρησης (ούτε και δυνατότητα), σε συνδυασμό με την ευκολία στη

μετακίνηση, τις καθιστά ιδανικές για συστήματα σε απομακρυσμένα ή δυσπρόσιτα

μέρη. Εκτός από το πρόβλημα της υπερφόρτισης, η απώλεια ηλεκτρολύτη μπορεί

να επιταχυνθεί λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και καθώς δεν υπάρχει η

δυνατότητα της αναπλήρωσης του, ειδικά μέτρα πρέπει να ληφθούν. Είναι δυνατόν

να γίνει θερμοκρασιακή αντιστάθμιση και ρύθμιση ακριβείας ώστε να

αποφεύγεται η υπερφόρτιση και η υπερβολική εκφόρτιση και μέσω του

περιορισμού του φορτίου να αποφευχθεί ο μεγάλος ρυθμός εκφόρτισης. Έτσι

μειώνεται σημαντικά η απώλεια ηλεκτρολύτη και αυξάνεται αντιστοίχως η

διάρκεια ζωής. Μέσω του αλγορίθμου φόρτισης αντιμετωπίζεται η ευαισθησία που

παρουσιάζουν οι συσσωρευτές αυτοί στη διαδικασία φόρτισης. Οι συσσωρευτές

μολύβδου δεσμευμένου ηλεκτρολύτη δεν αντιμετωπίζουν τόσο μεγάλο πρόβλημα

μείωσης χωρητικότητας σε ψυχρότερο περιβάλλον όσο αυτοί του υγρού

ηλεκτρολύτη, παρέχονται σε δύο τύπους (gelled electrolyte, AGM) και πάνω από

τα μισά απομακρυσμένα μικρά φωτοβολταϊκά συστήματα τους χρησιμοποιούν.

Από τα παραπάνω είναι προφανές ότι εκτός από τα υλικά του κράματος

στο πλέγμα των ηλεκτροδίων, άλλα χαρακτηριστικά των συσσωρευτών, όπως ο

τρόπος κατασκευής τους ή οι σχετικές διαστάσεις, ο αριθμός και η γεωμετρία των

πλακών τους, μπορούν να τους κατατάξουν σε ειδικότερες κατηγορίες. Για

παράδειγμα, συσσωρευτές μολύβδου με θετικές πλάκες μεγαλύτερης επιφάνειας

από αυτή των αρνητικών, αναφέρονται με το συνοδευτικό σύμβολο GroEH, ενώ

για οπλισμένα θετικά ηλεκτρόδια χρησιμοποιείται το συνοδευτικό OpzS, το οποίο

είναι και η περίπτωση του φωτοβολταϊκού που χρησιμοποιούμε. Έτσι, το

συνοδευτικό 5OpzS, υποδεικνύει κυψελίδα με 5 θετικές πλάκες, τύπου OpzS. [7]

4.4.7 Εκφόρτιση και επιτρεπόμενος βάθος εκφόρτισης

Το επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης (depth of discharge ή DOD) είναι το

μέγιστο ποσοστό της χωρητικότητας το οποίο μπορεί να αποδοθεί από τη

μπαταρία. Συνήθως καταδεικνύεται από την τάση αποκοπής ή τάση βάθους

εκφορτισης και από τον ρυθμό εκφορτισης. Στα τυπικά φωτοβολταϊκά συστήματα,

89

προβλέπεται μία τάση αποκοπής του φορτίου από τη συσκευή του ρυθμιστή

φόρτισης συσσωρευτών και έτσι καθορίζεται το επιτρεπόμενο βάθος εκφορτισης

για δεδομένο ρυθμό εκφορτισης. Οι τιμές του επιτρεπόμενου DOD μπορούν να

είναι από 80% έως και 15% της χωρητικότητας ανάλογα με τον τύπο της

μπαταρίας.

Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, κατά την εκφόρτιση της

μπαταρίας μειώνεται η πυκνότητα του διαλύματος του ηλεκτρολύτη, δηλαδή

μειώνεται το ειδικό του βάρος. Το φαινόμενο της μείωσης του ειδικού βάρους του

ηλεκτρολύτη πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη για λειτουργία του

συσσωρευτή σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν τη θερμοκρασία στερεοποίησης

του νερού (0°C). Σε έναν πλήρως φορτισμένο συσσωρευτή μολύβδου, η

συγκέντρωση ηλεκτρολύτη στο διάλυμα είναι περίπου 35% κατά βάρος και το

σημείο στερεοποίησης του διαλύματος είναι πολύ χαμηλό (περίπου —60°C).

Καθώς ο συσσωρευτής εκφορτίζεται, το διάλυμα του ηλεκτρολύτη αραιώνεται και

το σημείο στερεοποίησης του διαλύματος πλησιάζει το σημείο στερεοποίησης του

νερού (0°C). Υπάρχει λοιπόν το ενδεχόμενο της στερεοποίησης του με

αποτέλεσμα τη διαστολή και την πιθανή διάρρηξη των τοιχωμάτων του δοχείου

της κυψελίδας. Για να αποφευχθεί αυτή η εξέλιξη, το επιτρεπόμενο βάθος

εκφόρτισης πρέπει να μειώνεται θέτοντας την τάση αποκοπής του φορτίου στην

συσκευή ρυθμιστή φόρτισης σε κατάλληλο σημείο. Το αποτέλεσμα θα είναι ο

συσσωρευτής να μην εκφορτίζεται πλήρως και η θερμοκρασία στερεοποίησης να

διατηρείται χαμηλά. Το κόστος θα είναι η μείωση της αυτονομίας του συστήματος

μπαταρίας-συσσωρευτή.

Για να διατηρείται η αυτονομία, η χωρητικότητα του συσσωρευτή πρέπει

να επιλέγεται λαμβάνοντας υπόψη, τόσο τη μείωση της σε χαμηλές θερμοκρασίες

όσο και το DOD στις θερμοκρασίες αυτές. Η τάση του βάθους εκφόρτισης

σχετίζεται με τον ρυθμό εκφόρτισης για τον οποίο είναι καθορισμένη η

χωρητικότητα. [7]

4.4.8 Σωστή χρήση συσσωρευτών

Δεν είναι όλοι οι συσσωρευτές κατάλληλοι για κάθε χρήση (π.χ. σε φ/β συστήματα),

αλλά δεν είναι και εύκολο να ξεχωρίσει κανείς τα υπέρ και τα κατά για κάθε τύπο

συσσωρευτή. Το βασικό χαρακτηριστικό πάντως που πρέπει να μας ενδιαφέρει, είναι

90

να αντέχει ο συσσωρευτής σε βαθιές εκφορτίσεις. Βαθιά εκφόρτιση συμβαίνει όταν

χρησιμοποιούμε κατά τη διάρκεια του 24ώρου, ή ακόμη χειρότερα μέσα σε λίγες

ώρες, σχεδόν όλη τη χωρητικότητα του συσσωρευτή (μέχρι και το 80% της

χωρητικότητάς του). Για να αντέξει για καιρό τέτοια χρήση ένας συσσωρευτής, θα

πρέπει οι πλάκες μολύβδου που έχει εσωτερικά να έχουν το κατάλληλο πάχος. Αν

είναι λεπτές (όπως στις μπαταρίες αυτοκινήτου) σύντομα θα φθαρούν

καταστρέφοντας το συσσωρευτή. Οι μπαταρίες αυτοκινήτου για παράδειγμα, έχουν

περισσότερες πλάκες αλλά λεπτές, ώστε να αντέχουν πολλά Ampere για την

εκκίνηση ενός οχήματος. Ποτέ όμως δεν εκφορτίζονται περισσότερο από 5-10% και

αμέσως μετά την εκκίνηση το δυναμό φροντίζει να τις επαναφορτίσει πλήρως. Γι΄

αυτό αντέχουν άνετα 2-3 χρόνια με καθημερινή χρήση, ενώ σε ένα φωτοβολταϊκό

σύστημα με καθημερινές βαθιές εκφορτίσεις θα καταστρέφονταν μέσα σε ελάχιστες

εβδομάδες! Ειδικά στους συσσωρευτές ισχύει πως ο ακριβότερος συσσωρευτής είναι

τελικά ο φθηνότερος σε βάθος 5ετίας.

Οδηγίες σωστής χρήσης των συσσωρευτών:

1. Οι συσσωρευτές μολύβδου γενικά πρέπει να φορτίζονται στο 100% της

χωρητικότητάς τους καθημερινά. Οποιαδήποτε άλλη περίπτωση μειώνει πολύ

δραστικά το χρόνο ζωής τους! Δεν σημαίνει φυσικά πως αν μερικές φορές δεν

τηρήσουμε αυτόν τον κανόνα ότι καταστράφηκαν, αλλά αυτές οι περιπτώσεις πρέπει

να αποτελούν την εξαίρεση.

2. Επίσης, είναι προτιμότερο να τους εκφορτίζουμε με αργό ρυθμό παρά με γρήγορο.

Δηλαδή 10Α την ώρα για δέκα ώρες είναι καλύτερο για τη διάρκεια ζωής ενός

συσσωρευτή, παρά 20Α την ώρα σε πέντε ώρες. Αν δεν τηρούμε αυτό τον κανόνα, ας

είμαστε προετοιμασμένοι για μείωση της προσδοκώμενης διάρκειας ζωής του

συσσωρευτή στο μισό, ή ακόμη και στο ένα τρίτο της προβλεπόμενης από τον

κατασκευαστή!

3. Ακόμη, όλοι οι συσσωρευτές μολύβδου θέλουν σταθερή θερμοκρασία λειτουργίας

χωρίς έντονες διακυμάνσεις! Σταθερά γύρω στους 24-26 βαθμούς Κελσίου είναι το

ιδανικό, μικρές αποκλίσεις από αυτή τη θερμοκρασία είναι αναμενόμενες. Αν όμως

υποβάλλουμε τους συσσωρευτές μολύβδου σε μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας,

ή τους λειτουργούμε σε σταθερή μεν θερμοκρασία αλλά πάνω από 30C ή αρκετά

κάτω από 20C, μειώνουμε τη διάρκεια ζωής τους στο μισό!

91

4. Τέλος, όσο μεγαλύτερη από την απαιτούμενη χωρητικότητα έχουμε διαθέσιμη,

τόσο μεγαλώνει η αναμενόμενη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών, αφού

καταπονούνται λιγότερο. Για παράδειγμα, αν χρειαζόμαστε καθημερινά 100ΑΗ για

τη λειτουργία ενός μικρού ψυγείου και η μπαταρία μας είναι 120ΑΗ, τότε

καθημερινά εκφορτίζεται κατά 80% και θα αντέξει για 50 ημέρες. Αν όμως έχουμε

μπαταρία 200ΑΗ τότε θα εκφορτίζεται κατά 50% και θα αντέξει 200 ημέρες. Και αν

έχουμε συσσωρευτές 500ΑΗ τότε θα εκφορτίζονται μόλις κατά 20% (τα 100ΑΗ είναι

το 20% των 500ΑΗ) και θα αντέξουν για 600 ημέρες (Ο αριθμός ημερών είναι

ενδεικτικός, εξαρτάται και από τον τύπο της μπαταρίας και από τους παραπάνω

παράγοντες που αναφέραμε).

4.4.9 Φόρτιση

Η φόρτιση του συσσωρευτή είναι η διαδικασία αποθήκευσης ηλεκτρικής

ενέργειας με παροχή ηλεκτρικού ρεύματος προς τον συσσωρευτή. Οι μέθοδοι

φόρτισης που εφαρμόζονται από τους ρυθμιστές φόρτισης στα φωτοβολταϊκά

συστήματα (και που αναφέρονται στο επόμενο κεφάλαιο), διαφέρουν γενικά από

αυτές που εφαρμόζουν οι κατασκευαστές για να καθορίσουν τις επιδόσεις της

μπαταρίας.

Οι προδιαγραφές δεν περιορίζουν κατά κανόνα το ρεύμα φόρτισης του

συσσωρευτή εφόσον δεν γίνει υπέρβαση της τάσης εκλύσεως αερίων. Ωστόσο, η

τάση εκλύσεως αεριών γίνεται μικρότερη καθώς το ρεύμα φόρτισης γίνεται

μεγαλύτερο. Γενικά η έκλυση αερίων είναι αναπόφευκτη αφού συμβαίνει τόσο

κατά τη διάρκεια της φόρτισης όσο και μετά την υπέρβαση της τάσης εκλύσεως

αερίων. Για σωστή φόρτιση του συσσωρευτή ένα σωστό σημείο ισορροπίας πρέπει

να αναζητείται μεταξύ της μέγιστης δυνατής φόρτισης και της τάσης εκλύσεως

αερίων, αφού και οι δύο είναι παράγοντες που σχετίζονται με τη διάρκεια ζωής

του συσσωρευτή. Άλλος παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για το

επιδιωκόμενο SOC είναι η - θερμοκρασία λειτουργίας του συσσωρευτή. Όσο

αυξάνεται η θερμοκρασία αυξάνεται η χωρητικότητα του συσσωρευτή, μειώνεται

όμως η τάση εκλύσεως αερίων. Έτσι, το μέγιστο SOC που μπορεί να επιτευχθεί σε

δεδομένη θερμοκρασία, κατά κάποιο τρόπο φράσσεται από την τάση εκλύσεως

αερίων. Στο διάγραμμα του Σχήματος 4.4 που ακολουθεί, παρουσιάζεται η σχέση

92

της τάσης ανά κυψελίδα και του SOC που μπορεί να επιτευχθεί με τρεις

διαφορετικούς ρυθμούς φόρτισης (C/2.5, C/5, C/20) καθώς και οι τάσεις εκλύσεως

αερίων σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας για συσσωρευτή

μολύβδου-αντιμονίου (Pb-Sb). [7]

Σχήμα 4.4 - Διάγραμμα cell voltage - SOC και επίπεδα τάσης εκλύσεως αερίων για συσσωρευτή Pb-

Sb

Από το παραπάνω διάγραμμα (Σχήμα 4.4) γίνεται προφανής η ανάγκη

αντιστάθμισης ως προς τη θερμοκρασία λειτουργίας του συσσωρευτή και της

κατάστασης πλήρους φόρτισης. Η μείωση της εκλύσεως αερίων για συσσωρευτές

δεσμευμένου ηλεκτρολύτη είναι σημαντική και είναι αυτή που καθορίζει τη

διάρκεια ζωής τους. [7]

4.4.10 Συντελεστής φόρτισης και απόδοση ισχύος

Τα αμπερώρια (Ah) που είναι απαραίτητα για τη φόρτιση ενός συσσωρευτή

και την αύξηση του SOC κατά ένα συγκεκριμένο ποσοστό είναι, κατά κανόνα,

περισσότερα από τα Ah που αποδίδει όταν εκφορτιστεί κατά το ίδιο ποσοστό του

SOC. Έτσι, ορίζεται ο συντελεστής φόρτισης ως το κλάσμα της εισερχόμενης

ποσότητας Ah προς την εξερχόμενη ποσότητα Ah, δηλαδή ισχύει:

93

(4.4)

Αντίστοιχα, ο λόγος της ισχύος που δίνει ένας πλήρως φορτισμένος

συντελεστής προς την ενέργεια που απαιτείται για να φορτιστεί πλήρως

ονομάζεται απόδοση ισχύος [7] . Δηλαδή ισχύει:

(4.5)

4.5 Αυτοματισμοί

4.5.1 Ελεγκτές φόρτισης

Εικόνα 4.5 - Ελεγκτής φόρτισης

Ο ελεγκτής φόρτισης συσσωρευτών ρυθμίζει την ροή του ρεύματος από την

παραγωγή ενέργειας (Α/Γ, Φ/Β, Η/Ζ) προς τις μπαταρίες και διατηρεί την κανονική

κατάσταση φόρτισης των συσσωρευτών. Όσο οι μπαταρίες πλησιάζουν στην πλήρη

φόρτισή τους ο ρυθμιστής ελαττώνει το ρεύμα φόρτισης και εμποδίζει την

υπερφόρτισή τους. Σε περίπτωση πλήρους φόρτισης των συσσωρευτών ο ελεγκτής

ένα μέρος της ενέργειας στέλνει σε κάποιες αντιστάσεις για να καταναλωθεί.

Σημαντικά χαρακτηριστικά ενός ρυθμιστή φόρτισης είναι:

1. Η χαμηλή τάση αποκοπής. Είναι τιμή τάσης του

συσσωρευτή που όταν πραγματοποιηθεί ο ρυθμιστής

αποσυνδέει το κύκλωμα από το φορτίο προλαμβάνοντας

94

κάποια βλάβη και συμβάλλοντας στην σωστή λειτουργία

της μπαταρίας.

2. Υψηλή τάση αποκοπής. Είναι το άνω όριο της τάσης που

μπορεί να έχει χωρίς αρνητικές συνέπειες ο συσσωρευτής

ενώ σε μεγαλύτερη ή και ίση τιμή διακόπτεται η σύνδεση

από τις ενεργειακές πηγές εμποδίζοντας την υπερφόρτιση.

3. Διαρκής τάση φόρτισης. Είναι η τάση με την οποία

φορτίζονται οι συσσωρευτές.

4. Επανασύνδεση λειτουργίας. Είναι η τιμή της τάσης όπου

ξανασυνδέεται το διακεκομμένο κύκλωμα [8]

4.5.2 Ηλεκτρονόμος (ρελέ)

Ο ηλεκτρονόμος, ή ρελέ (relay) είναι ένας ηλεκτρικός διακόπτης που ανοίγει και

κλείνει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα κάτω από τον έλεγχο ενός άλλου ηλεκτρικού

κυκλώματος. Στην αρχική μορφή του, ένας ηλεκτρομαγνήτης ενεργοποιούσε το

διακόπτη, με το άνοιγμα ή κλείσιμο μιας ή περισσότερων επαφών. Εφευρέθηκε από

τον Τζόζεφ Χένρυ το 1835. Επειδή ένας ηλεκτρονόμος είναι ικανός να ελέγχει ένα

κύκλωμα εξόδου υψηλότερης ισχύος από το κύκλωμα εισόδου, μπορεί να θεωρηθεί,

γενικά, μια μορφή ηλεκτρικού ενισχυτή.

Κάθε επαφή ενός ηλεκτρονόμου μπορεί να είναι Κανονικά-Ανοικτή (Normally Open,

NO), Κανονικά-Κλειστή' (Normally Closed, NC) ή μεταγωγικός (change-over),

ανάλογα με τον τύπο της.

Μια επαφή Κανονικά-Ανοικτή συνδέει το κύκλωμα όταν ο ηλεκτρονόμος

ενεργοποιείται· το κύκλωμα αποσυνδέεται όταν ο ηλεκτρονόμος είναι

ανενεργός. Μια τέτοια επαφή καλείται επίσης Επαφή Μορφής A ή επαφή

"make". Η επαφή μορφής Α είναι ιδανική για εφαρμογές που απαιτούν την

ενεργοποίηση μιας πηγής υψηλής τάσης από απόσταση.

95

Μια επαφή Κανονικά-Κλειστή αποσυνδέει το κύκλωμα όταν ο ηλεκτρονόμος

ενεργοποιείται· το κύκλωμα συνδέεται όταν ο ηλεκτρονόμος είναι ανενεργός.

Μια τέτοια επαφή καλείται επίσης Επαφή Μορφής B ή επαφή "break". Η

επαφή μορφής Β είναι ιδανική για εφαρμογές που απαιτούν το κύκλωμα να

παραμένει κλειστό (ενεργό) μέχρι ο ηλεκτρονόμος να ενεργοποιηθεί.

Μια επαφή Μεταγωγική μπορεί να ελέγχει δύο κυκλώματα. Ισοδυναμεί με

μια επαφή κανονικά-ανοικτή και μια επαφή κανονικά-κλειστή που έχουν ένα

κοινό ακροδέκτη. Μια τέτοια επαφή καλείται επίσης Επαφή Μορφής C.

Συνήθως ένας ηλεκτρονόμος αποτελείται από περισσότερες από μία ελεγχόμενες

επαφές. Οι επαφές χωρίζονται σε κύριες και βοηθητικές. Οι κύριες διαρρέονται συχνά

από ισχυρότερα ρεύματα και έτσι είναι αυτές που διακόπτουν το κύριο κύκλωμα και

συνήθως είναι Κανονικά-Ανοικτές. Οι βοηθητικές έχουν όπως υπονοεί και το όνομά

τους επικουρικό χαρακτήρα και ο ρόλος τους είναι να βοηθούν στον έλεγχο των

αυτοματισμών (που είναι ο κύριος τομέας χρήσης των ηλεκτρονόμων). Για

παράδειγμα βοηθούν στην ενεργοποίηση/απενεργοποίηση βοηθητικών κυκλωμάτων

όπως ενδεικτικές λυχνίες.

Όταν ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει το πηνίο του ηλεκτρονόμου, το παραγόμενο

μαγνητικό πεδίο έλκει έναν οπλισμό που είναι μηχανικά συνδεδεμένος σε μια

κινούμενη επαφή. Έτσι, η κινούμενη επαφή είτε συνδέεται με μια σταθερή επαφή είτε

αποσυνδέεται από τη σταθερή επαφή. Μόλις το ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο διακοπεί,

ο οπλισμός επιστέφει στη θέση ηρεμίας του εξαιτίας μιας δύναμης επαναφοράς, που

είναι ίση με το ήμισυ της μαγνητικής. Η δύναμη επαναφοράς παρέχεται συνήθως από

ένα ελατήριο, αλλά και η βαρύτητα χρησιμοποιείται συχνά σε βιομηχανικούς

εκκινητές μηχανών. Η μεταβολή της μαγνητικής ροής στο πηνίο γεννά ένα ηλεκτρικό

ρεύμα, το λεγόμενο "επαγωγικό", που έχει αντίθετη φορά από εκείνο που παρέχεται

στο πηνίο. [9]

96

Εικόνα 4.6 - Ηλεκτρονόμος (ρελέ)

4.6 Παρακολούθηση του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum power

point tracker, MPPT)

Η ηλεκτρονική διάταξη αναζήτησης και παρακολούθησης μέγιστης ισχύος

μεγιστοποιεί την ενέργεια εξόδου της φωτοβολταϊκής γεννήτριας κάνοντάς την να

λειτουργεί στο σημείο αυτό. Αν η φωτοβολταϊκή εγκατάσταση περιλαμβάνει

μετατροπέα DC-DC για την προσαρμογή της τάσης εξόδου στην τάση εισόδου του

συστήματος των συσσωρευτών, η διάταξη MPPT ενσωματώνεται σε αυτόν.

Λειτουργεί σε πολύ υψηλές συχνότητες (20-50kHz), γεγονός που εξασφαλίζει υψηλή

απόδοση και μικρό μέγεθος μετασχηματιστών. Η χρησιμοποίηση συστήματος MPPT

επιβάλλεται, ιδιαίτερα στην περίπτωση που δεν περιλαμβάνεται συσσωρευτής [10].

97

Σχήμα 4.5 - Χαρακτηριστική καμπύλη εντοπισμού MPP

4.7 Περιγραφή πλήρους συστήματος

Στις παρακάτω παραγράφους γίνεται η πλήρης περιγραφή του συστήματός μας.

4.7.1 Βασικό μοντέλο

Το συγκεκριμένο μοντέλο έχει ως κύριο σκοπό την μικρότερη καταπόνηση των

συσσωρευτών, με αποτέλεσμα τον μεγαλύτερο χρόνο ζωής τους.

Η πλήρη περιγραφή του συστήματος έχει ως εξής:

98

Σχήμα 4.6 - Περιγραφή πλήρους συστήματος

Οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες παράγουν συνεχές ρεύμα, όπου το πηνίο C1 ορίζει που

θα κατευθυνθεί. Αν η τάση της μπαταρίας είναι μικρότερη από το 100% της φόρτισης

των συσσωρευτών (ορίζουμε ενδεικτικά ότι οι μπαταρίες γεμίζουν στα 57,6V) τότε ο

Vcontroller 1 δίνει ρεύμα στο ρελέ C1. Αυτό συνεπάγεται με το κλείσιμο του

διακόπτη 3 – 4 και άνοιγμα του 1 – 2 . Με αυτόν τον τρόπο σταματάει η φόρτιση των

συσσωρευτών και τροφοδοτείται με ρεύμα το σύστημα της ηλεκτρόλυσης και της

συμπίεσης του υδρογόνου σε φιάλες. Το πηνίο C1 όμως έχει απόκλιση 2 Volt με

αποτέλεσμα μόλις η τάση των συσσωρευτών πέσει στα 55,6 Volt, θα σταματήσει η

διαδικασία της ηλεκτρόλυσης και τα φωτοβολταϊκά θα φορτίζουν τους συσσωρευτές.

Για να δουλέψει όμως η μηχανή ηλεκτρόλυσης θα πρέπει να μην είναι γεμάτες οι

τελικές φιάλες αποθήκευσης (έστω ότι οι φιάλες γεμίζουν στα 20 bar). Αυτήν την

δουλειά καλείται να κάνει το πηνίο C3. Ο πιεσοστάτης P2 είναι κλειστός όσο η πίεση

της φιάλης είναι μικρότερη από 20 bar και ανοίγει μόλις η πίεση φτάσει τα 20 bar. Με

99

το άνοιγμα του διακόπτη το πηνίο C3 σταματάει να διαρρέεται από ρεύμα και ανοίγει

το κύκλωμα με αποτέλεσμα να μην τροφοδοτείται η μηχανή ηλεκτρόλυσης.

Από την άλλη, η μηχανή συμπίεσης πρέπει να τηρεί δυο κριτήρια. Αφενός μεν να

έχουν οι τελικές φιάλες πίεση μικρότερη των 20 bar, και αφετέρου δε, το buffer να

έχει μια συγκεκριμένη πίεση, συνήθως την πίεση που εξάγει η μηχανή ηλεκτρόλυσης.

Ο πιεσοστάτης P2 όπως είπαμε επιβλέπει το πρώτο κριτήριο, ενώ ο πιεσοστάτης P3

το δεύτερο. Για την ακρίβεια, ο P3 κλείνει μόνο όταν η πίεση του buffer είναι

μεγαλύτερη από το όριο, δίνοντας ρεύμα στο πηνίο C5, το οποίο με την σειρά του

κλείνει το κύκλωμα του συμπιεστή .

Σκοπός μας, όπως είπαμε, είναι να αποτρέψουμε την πτώση της τάσης της μπαταρίας

κάτω από το 70% της πλήρης φόρτισης (70% SOC). Η τάση που αντιστοιχεί στο 70%

SOC εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των συσσωρευτών. Στο συγκεκριμένο

παράδειγμα θα χρησιμοποιήσουμε ενδεικτικά τα 49,6 Volt. Όσο η τάση των

μπαταριών είναι μεγαλύτερη από 49,6 Volt ο Vcontroller 2 στέλνει ρεύμα στην

ηλεκτροβαλβίδα αερίου, η οποία μένει κλειστή. Μόλις η τάση πέσει κάτω από τα

49,6 Volt, ο Vcontroller 2 δίνει ρεύμα στο κύκλωμα της γεννήτριας με αποτέλεσμα να

λειτουργήσει η μίζα και παράλληλα να διακοπεί το ρεύμα προς την ηλεκτροβαλβίδα.

Με αυτόν τον τρόπο η ηλεκτροβαλβίδα ανοίγει, το υδρογόνο διαρρέεται προς την

ΜΕΚ και η μίζα την βάζει σε λειτουργία. Σε περίπτωση που η φιάλη αδειάσει (κάτω

από 1 bar) ο πιεσοστάτης P5 κλείνει, και κλείνει την ηλεκτροβαλβίδα (σταματώντας

την λειτουργία της γεννήτριας).

Η ΜΕΚ, μέσω μιας γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος, αποδίδει ρεύμα 230 Vac.

Μόλις ο επιτηρητής τάσης αντιληφθεί τάση 230 Vac ( + - 10%) κλείνει τον διακόπτη

P6 δίνοντας ρεύμα στο πηνίο, το οποίο αποσυνδέει το κύκλωμα των μπαταριών (5) με

την κατανάλωση (6) και συνδέει το κύκλωμα της γεννήτριας (7) με την κατανάλωση.

4.7.2 Εναλλακτικά μοντέλα

Ένα μοντέλο, το οποίο αξίζει να αναφερθεί, είναι αυτό με τη χρήση κυψελών

καυσίμου.

100

Σχήμα 4.7 - Περιγραφή εναλλακτικού συστήματος

Η κύρια διαφορά αυτού του μοντέλου είναι η αντικατάσταση της ΜΕΚ και της AC

γεννήτριας με συστοιχία κυψελών καυσίμου (Fuel Cell Stack). Επίσης, το

παραγόμενο ρεύμα είναι συνεχές, και δεν χρησιμοποιείται απευθείας για

κατανάλωση, αλλά τροφοδοτεί τους συσσωρευτές. Επιπροσθέτως, αφαιρέσαμε την

μίζα, καθώς οι κυψέλες καυσίμου απαιτούν μόνο την ύπαρξη του αερίου στην

εισαγωγή τους. Την συγκεκριμένη δουλειά αναλαμβάνει μόνο η ηλεκτροβαλβίδα.

Επίσης, η ηλεκτροβαλβίδα τώρα είναι μονίμως κλειστή, και ανοίγει με την ύπαρξη

ρεύματος. Τέλος, ο πιεσοστάτης P5 είναι κλειστός σε κανονικές συνθήκες (όταν οι

φιάλες έχουν πίεση μεγαλύτερη από 1 bar) και ανοίγει το κύκλωμα όταν εντοπιστεί

πτώση της πίεσης.

Μειονεκτήματα μοντέλου:

Υψηλό Κόστος Εγκατάστασης

101

Το κόστος μιας κυψέλης καυσίμου κυμαίνεται από 500 έως 2500 € ανά kW

παραγόμενης ισχύος. Το αντίστοιχο κόστος για τις μηχανές εσωτερικής καύσης είναι

10 έως 35€ ανά kW.

Αξιοπιστία & Συντήρηση

Συγκριτικά χαμηλή αξιοπιστία με τις ΜΕΚ. Ανάγκη για ειδικά εκπαιδευμένους

τεχνικούς και εξειδικευμένα εργαλεία για την συντήρηση των κυψελών.

Πλεονεκτήματα μοντέλου:

Απόδοση

Οι κυψέλες καυσίμου σε συστήματα αναμόρφωσης είναι κατά μέσο όρο 30- 40% πιο

αποδοτικές από τις συμβατικές μηχανές εσωτερικής καύσης.

Θόρυβος

Οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σχεδόν αθόρυβα σε αντίθεση με τις μηχανές

εσωτερικής καύσης. [11]

102

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 4ου

ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

Internet

[1] www.going-green.gr/gi_off_grid.html

[2] http://chaos.c4lab.el.teithe.gr/kioskeridis/Power_Electronics_01_Introduction.pdf

[3]http://chaos.c4lab.el.teithe.gr/kioskeridis/Power_Electronics_07_DC_DC_Nonisol

ated_Converters.pdf

[4] http://el.wikipedia.org/wiki/Μπαταρία

[5] www.afis.gr/bataries/eidh.html

[6] www.iqsolarpower.com/batteriespv2.htm

[8] http://www.going-green.gr/gi_off_grid.html

[9] el.wikipedia.org/wiki/Ηλεκτρονόμος

[10] http://en.wikipedia.org/wiki/MPPT

Διπλωματικές Εργασίες

[7] Διπλωματική Εργασία Κυριακόπουλος Επαμεινώνδας "Ηλεκτρική εγκατάσταση

μουσείου Ίκαρου μέσω Φ/Β στοιχείων"

[11] Β. Στεργιόπουλος και Π. Τσιακάρας "ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ &

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ" Νοέμβριος

2007http://library.tee.gr/digital/kdth/kdth_3460/kdth_3460_stergiopoulos.pdf

103

5.1 Στοιχεία σπιτιού

Θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε το υβριδικό μας σύστημα σε μια μεγάλη μόνιμη

κατοικία στην περιοχή της Θέρμης, στην Θεσσαλονίκη. Οι καταναλώσεις

υπολογίστηκαν βάση μιας μέσης τετραμελής οικογένειας.

5.1.1 Τοποθεσία φωτοβολταϊκών

Η εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών μπορεί να γίνει με δυο τρόπους: Είτε στην

στέγη, είτε σε μια έκταση στην αυλή με trackers. Τα πλεονεκτήματα της

εγκατάστασης των φωτοβολταϊκών στην στέγη είναι τα εξής

Μικρότερο κόστος εγκατάστασης

Εξοικονόμηση χώρου, καθώς η στέγη είναι αχρησιμοποίητη έκταση

Τα πλεονεκτήματα της εγκατάστασης των φωτοβολταϊκών με trackers είναι τα εξής

Δεν υπάρχουν περιορισμοί στην αρχιτεκτονική του σπιτιού, σε αντίθεση με

την εγκατάσταση στην στέγη, όπου πρέπει μια μεγάλη έκταση της σκεπής να

προσανατολίζεται στο νότο.

Μεγαλύτερη απόδοση έως και 40% με αποτέλεσμα την χρήση λιγότερων

πάνελ για την ίδια παραγόμενη ενέργεια.

Είναι πιο εύκολη η επέκταση των φωτοβολταϊκών, σε περίπτωση ανάγκης

περισσότερης ενέργειας.

Κεφάλαιο 5

Μοντελοποίηση Υβριδικού Συστήματος Σε

Κατοικία Στο Νομό Θεσσαλονίκης

104

Στο συγκεκριμένο μοντέλο θα τοποθετήσουμε τα φωτοβολταϊκά μας στην στέγη. Θα

φροντίσουμε μια μεγάλη έκταση της στέγης να είναι στραμμένη προς τον νότο, για

να εκμεταλλευτούμε την ηλιακή ενέργεια κατά το μέγιστο δυνατό. Πιο

συγκεκριμένα:

Η Θεσσαλονίκη έχει συντεταγμένες ανατολικά 22°56'40" (το οποίο δεν μας

ενδιαφέρει στην προκειμένη περίπτωση) και βόρια 40°38'21".

Η βέλτιστη κλίση για την μεγιστοποίηση της ετήσιας απόδοσης σε σύστημα σταθερής

στήριξης για το συγκεκριμένο πλάτος είναι: φ = 31°, όπως φαίνεται στο Σχήμα (5.1).

Άρα η σκεπή (η προσανατολισμένη προς τον νότο) θα έχει επιφάνια 70,4 τ.μ.

Σχήμα 5.1 - Αναπαράσταση γωνίας φ

Στον Πίνακα 5.1 φαίνεται ποια είναι η βέλτιστη γωνία φ για κάθε μήνα στην

Θεσσαλονίκη [1] :

Jan Feb Mar Apr May Jun

57° 49° 41° 33° 25° 18°

Jul Aug Sep Oct Nov Dec

25° 33° 41° 49° 57° 64°

Πίνακας 5.1 - Βέλτιστες κλίσεις ανά μήνα για την περιοχή της Θεσσαλονίκης

105

5.1.2 Αρχιτεκτονική σπιτιού

Εικόνα 5.1 - Εξωτερική εμφάνιση κατοικίας

Η κατοικία στην προκειμένη περίπτωση είναι μια διώροφη μονοκατοικία 112 τ.μ.

Διαθέτει τρία υπνοδωμάτια, δυο μπάνια, σαλόνι και τραπεζοκουζίνα. Στον πρώτο

όροφο (Εικόνα 5.2) βρίσκεται μια κρεβατοκάμαρα, ένα μπάνιο, η τραπεζοκουζίνα και

το σαλόνι.

106

Εικόνα 5.2 - Κάτοψη πρώτου ορόφου

Ο δεύτερος όροφος (Εικόνα 5.3) είναι σοφίτα και περιέχει δυο υπνοδωμάτια και ένα

μπάνιο. Η μεγάλη σκεπή, στην οποία επάνω θα γίνει η τοποθέτηση των

φωτοβολταϊκών, είναι προσανατολισμένη στον νότο για να εκμεταλλευτούμε την

μέγιστη δυνατή ηλιακή ενέργεια.

107

Εικόνα 5.3 - Κάτοψη δευτέρου ορόφου

Το κτίσμα διαθέτει και υπόγειο, στο οποίο θα γίνει όλη η εγκατάσταση του υβριδικού

συστήματος, καθώς επίσης και ο εξοπλισμός του συστήματος θέρμανσης (καυστήρας,

λέβητας, δεξαμενή αερίου, κλπ).

5.2 Πληροφορίες συσκευών κατανάλωσης

Στην συνέχεια, θα υπολογίσουμε τις ανάγκες της κατοικίας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Πρώτα θα πάρουμε μια γενική εικόνα με μέσες τιμές κατανάλωσης, και αργότερα θα

αναλύσουμε λεπτομερώς τις τιμές των φορτίων ανά μήνα, αλλά και ανά ώρα του

εικοσιτετραώρου.

5.2.1 Γενικές προϋποθέσεις

Βασικές προϋποθέσεις για να έχουμε οικονομία στην ενέργεια είναι οι εξής:

Πρώτα απ’ όλα είναι πλήρως αντιοικονομικό να χρησιμοποιούμε ηλεκτρικές

συσκευές μεγάλης κατανάλωσης σε ένα αυτόνομο σύστημα. Γι’ αυτό δεν θα

έχουμε ηλεκτρικούς θερμοσίφωνες, ηλεκτρικές συσκευές θέρμανσης και

108

ηλεκτρικές κουζίνες. Στην θέση τους θα υπάρχουν ηλιακοί θερμοσίφωνες,

θερμάστρες υγραερίου και κουζίνα υγραερίου.

Οι υπόλοιπες συσκευές θα είναι μεγάλης ενεργειακής απόδοσης. Για

παράδειγμα δεν θα χρησιμοποιούμε λαμπτήρες πυρακτώσεως αλλά μόνο

φθορίου.

Η τάση του υποσυστήματος των συσσωρευτών που θα χρησιμοποιήσουμε θα είναι

48V καθώς έχουμε τάση αιχμής 14.465,5 W σύμφωνα με τον πίνακα.

5.2.2 Μέση κατανάλωση

Έχοντας ως δεδομένο ότι το σπίτι κατοικείται όλο το χρόνο από μια τετραμελή

οικογένεια, υπολογίσαμε τις καταναλώσεις που έχει κάθε ηλεκτρική συσκευή (μέσω

όρο) συνολικά μέσα στην μέρα, αλλά και μέσα στην βδομάδα (Πίνακας 5.2)

Φορτίο

Συνολική

Ισχύς [W]

Ημερησία

Λειτουργία

(ώρες/ημέρα)

Εβδομαδιαία

λειτουργία

(ημέρες/εβδομάδα)

19 Λάμπες των 11W 209 3,3 7

2 Λάμπες των 7W 14 4 7

1 Ψυγείο 900Wh σε 24 ώρες 112,5 8 7

1 Φούρνος μικροκυμάτων

800W 800 0,05 7

1 Βραστήρας νερού 2400W 2400 0,13 7

1 Μίξερ 800W 800 0,25 3

1 Γκριλ 1800W 1800 0,17 5

1 Αποροφητήρας 250W 250 1 6

1 Ηλεκτρική σκούπα 1500W 1500 0,25 7

1 TV 100W 100 7 7

1 TV 85W 85 5 7

1 Σεσουάρ 1650W 1650 0,16 5

1 Σίδερο σιδερώματος 2250W 2250 0,34 5

1 Laptop 300W 300 5 7

1 DVD 50W 50 3 7

1 Η/Υ 715W 715 3 7

1 Ραδιόφωνο 70 70 0,25 6

1 Πλυντήριο ρούχων Α+

1360W

1360 1 7

Πίνακας 5.2 - Οι ηλεκτρικές συσκευές της κατοικίας και ο χρόνος που αυτές λειτουργούν

109

Σύμφωνα λοιπόν με τον Πίνακα 5.2 και με την βοήθεια του Excel υπολογίζουμε τις

μέσες τιμές φορτίων της οικίας Πίνακας 5.3 :

Μέση ετήσια κατανάλωση 3,572 ΜWh

Μέση μηνιαία κατανάλωση 297,64 KWh

Μέση εβδομαδιαία κατανάλωση 69,45 KWh

Μέση ημερήσια κατανάλωση 9,92 KWh

Πίνακας 5.3 - Εκτιμώμενες μέσες καταναλώσεις κατοικίας

Στον Πίνακα 5.4 γίνεται μια πιο αναλυτική προσέγγιση ανά συσκευή. Υπολογίζουμε

λοιπόν τις καταναλώσεις, αλλά και τους χρόνους λειτουργίας κάθε συσκευής.

Διαιρώντας με την τάση που λειτουργεί το σύστημά μας και πολλαπλασιάζοντας με

την απόδοση του inverter (91%), δίνονται τα αμπερώρια (ΑΗ)

που καταναλώνει η κατοικία.

Πίνακας 5.4 - Υπολογισμός Αμπερωρίων/ημέρα που καταναλώνει η κατοικία

5.3 Ηλιοφάνεια στην Θεσσαλονίκη

Στον Πίνακα 5.5 φαίνονται κάποια στοιχεία σχετικά με την θερμοκρασία, την

ηλιοφάνεια, την πίεση και την υγρασία που επικρατεί στην Θεσσαλονίκη ανά μήνα.

110

Μήνας Θερμοκρασία

αέρα (Cº)

Ημερήσια ηλιακή

ακτινοβολία

οριζόντια

(kWh/m2/ημ)

Ατμοσφαιρική

πίεση kPa

Θερμοκρασία

εδάφους

Ιαν 5,5 1,70 96,6 1,5

Φεβ 6,3 2,75 96,4 3,3

Μαρ 9,2 3,79 96,3 8,0

Απρ 13,5 5,00 96,0 14,1

Μάι 18,7 7,21 69,1 20,6

Ιουν 23,5 7,22 69,1 26,1

Ιουλ 25,8 6,93 96,1 28,9

Αυγ 25,5 6,27 96,1 28,3

Σεπ 21,4 4,85 96,3 23,2

Οκτ 16,3 3,00 96,6 15,9

Νοε 10,7 1,88 96,5 8,2

Δεκ 6,6 1,41 96,6 2,5

Ετήσιο 15,3 4,26 96,3 15,1

Πηγή Έδαφος Έδαφος NASA NASA Πίνακας 5.5 - Κλιματολογικά στοιχεία Θεσσαλονίκης (Πηγή RETScreen)

Στην δεύτερη στήλη είναι οι μέσες θερμοκρασίες του αέρα λίγα μέτρα πάνω από το

έδαφος, σύμφωνα με μετρήσεις της από το έδαφος. Στην τρίτη στήλη καταγράφεται

η μέση ηλιακή ακτινοβολία ανά μέρα, σε ένα οριζόντιο τετραγωνικό μέτρο. Η

τέταρτη στήλη αναφέρει την μέση ατμοσφαιρική πίεση ανά μήνα σύμφωνα με

μετρήσεις της NASA, και η πέμπτη στήλη δείχνει την μέση θερμοκρασία του

εδάφους. Η πιο σημαντική στήλη για την επιλογή της ισχύος των φωτοβολταϊκών

είναι φυσικά η Τρίτη, η ισχύς θα επιλεχθεί σύμφωνα με τον μήνα με την μικρότερη

ηλιοφάνεια, που είναι ο Δεκέμβρης (θεωρούμε δεδομένο ότι οι καταναλώσεις είναι

ίδιες σε κάθε μήνα). [2]

5.4 Επιλογή Inverter

- Ονομαστική τάση: Η ονομαστική τάση του inverter πρέπει να είναι ίση με την

ονομαστική τάση του υποσυστήματος των συσσωρευτών, δηλαδή 48V.

- Ισχύς εξόδου: Η ισχύς εξόδου πρέπει να είναι ίση με την ισχύ των φορτίων

κατανάλωσης που λειτουργούν ταυτόχρονα. Θεωρώντας ότι ο συντελεστής

ταυτοχρονισμού των φορτίων της οικίας είναι 0,47, η ισχύς εξόδου του inverter είναι

14465,5 W * 0,47 = 6798,79 W.

111

- Ισχύς αιχμής: Η ισχύς αιχμής του inverter καλό θα είναι να ανταποκρίνεται στο

φαινόμενο λειτουργίας όλων των εγκατεστημένων συσκευών, ταυτόχρονα, έστω και

για λίγα δευτερόλεπτα. Δηλαδή, η ισχύς αιχμής να είναι 14465,5 W.

- Τάση εξόδου: Πρέπει να είναι ίση με την τάση των φορτίων κατανάλωσης, δηλαδή

230V.

To inverter που επιλέγεται είναι το Sunny Island 5048 και θα χρησιμοποιήσουμε 2

απ’ αυτά συνδεδεμένα παράλληλα. Σε παράλληλη λειτουργία οι inverters

συγχρονίζονται και λειτουργούν σε μια μόνο φάση, ώστε να αυξάνεται η διαθέσιμη

ονομαστική ισχύς σε 10 kW.

AC output (loads)

Nominal AC voltage / adjustable 230 V / 202 V – 253 V

Nominal AC frequency / adjustable 50 Hz, 60 Hz / 45 Hz ... 65 Hz

Continuous AC power (at 25 °C / at 45 °C) 5000 W / 4000 W

Battery DC input

Battery voltage / range 48 V / 41 V – 63 V

Max. battery charging current / continuous charging current at 25 °C

120 A / 100 A

Battery type / battery capacity Lead, NiCd / 100 Ah ... 10000 Ah

Charge control IUoU process

Efficiency / self-consumption

Max. efficiency 95 %

Self-consumption with no load / standby 25 W / 4 W

Protection

DC reverse polarity protection / DC fuse yes / yes

AC short circuit / AC overload yes / yes

Over-temperature / battery deep discharge yes / yes

Πίνακας 5.6 - Χαρακτηριστικά Inverter Sunny Island 5048

112

5.5 Διαστασιολόγηση ηλιογεννήτριας

Τα Φ/Β πλαίσια που θα χρησιμοποιηθούν είναι μονοκρυσταλλικά της εταιρείας

Conergy τύπου SC 170ΜΑ ισχύος 170 W με ονομαστική τάση 24V. Η επιλογή του

συγκεκριμένου τύπου έγινε με κριτήριο την απόδοσή τους και το κόστος τους.

Κάποιες λεπτομέρειες σχετικά με τα Φ/Β πάνελ βρίσκονται στην Εικόνα 5.4 :

Εικόνα 5.4 - Χαρακτηριστικά Φ/Β πλαισίου

Στην συγκεκριμένη ενότητα υπολογίζουμε την συνολική ισχύ των Φ/Β συστοιχιών

για να διαστασολογίσουμε την εγκατάστασή μας. Για να γίνει αυτό εκτιμούμε τις

καταναλώσεις για κάθε μήνα και την παραγόμενη ενέργεια, και υπολογίζουμε την

ισχύ σύμφωνα με τον μήνα με την μικρότερη διαφορά παραγόμενης ενέργειας –

κατανάλωσης.

5.5.1 Μηνιαίες ανάγκες ρεύματος

Αναφέραμε ότι οι μέσες ανάγκες ηλεκτρικής ενέργειας της οικίας είναι 297,6 kWh το

μήνα. Αυτή η τιμή αποτελεί το μέσο όρο όλων των μηνών. Υπάρχει διαφοροποίηση

113

των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια κατά την διάρκεια του έτους, καθώς αφενός μεν

έχουμε διαφορετικές δραστηριότητες, και αφετέρου δε το χειμώνα νυχτώνει νωρίτερα

και τα φώτα λειτουργούν περισσότερες ώρες. Στον Πίνακα 5.7 έχουμε μια εκτίμηση

των καταναλώσεων ανά μήνα.

Μήνας kWh Μήνας kWh

Ιανουάριος 320 Ιούλιος 275

Φεβρουάριος 314 Άυγουστος 270

Μάρτιος 309 Σεπτέμβριος 287

Απρίλιος 298 Οκτώβριος 297

Μάϊος 290 Νοέμβριος 307

Ιούνιος 280 Δεκέμβριος 322 Πίνακας 5.7 - Εκτιμώμενη μηνιαία κατανάλωση κατοικίας

5.5.2 Μηνιαία παραγωγή

Χρησιμοποιήσαμε λοιπόν έναν εξομοιωτή φωτοβολταϊκών, και βάλαμε τα εξής

δεδομένα (Πίνακας 5.8) [3]:

Ανοχή Ισχύος φωτοβολταϊκής γεννήτριας 0%

Απώλειες μετασχηματισμού (χαμηλή ->

μέση)

0%

Απώλειες λόγο σκόνης & κάλυψης

επιφάνειας συλλεκτών

0,5%

Απώλειες λόγο διαθεσιμότητας 1/έτος

Τοποθεσία Θεσσαλονίκη

Στήριξη Κεραμοσκεπή

Προσανατολισμός Νότιος

Κλίση 31º

Ονομαστική ισχύς 8,5 kW Πίνακας 5.8 - Εισερχόμενα δεδομένα στον εξομοιωτή [3]

- Η «Ανοχή Ισχύος φωτοβολταϊκής γεννήτριας» είναι το ποσοστό της ανοχής

ανάμεσα στην ονομαστική ισχύ της γεννήτριας και της πραγματικής της τιμής.

- Οι «Απώλειες λόγο σκόνης & κάλυψης επιφάνειας συλλεκτών» είναι οι

απώλειες που προκύπτουν από το μετασχηματισμό του ρεύματος από τη

Χαμηλή (3Χ400) στη Μέση Τάση, και έχει εφαρμογή μόνο σε φωτοβολταϊκές

εγκαταστάσεις μεγαλύτερες των 100 kWp.

114

- Οι «Απώλειες διαθεσιμότητας» είναι απώλειες οι οποίες οφείλονται σε

βλάβη του συστήματος

- Οι «Απώλειες λόγο σκόνης & κάλυψης επιφάνειας συλλεκτών» είναι

απώλειες οι οποίες προκύπτουν λόγω της κάλυψης της επιφάνειας των

φωτοβολταϊκών γεννητριών με σκόνη, απορρίμματα πουλιών κλπ.

- Την «Ονομαστική ισχύ» την ορίσαμε ως 8,5 kW και τον λόγο θα τον

αναλύσουμε παρακάτω.

Τα αποτελέσματα σχετικά με την ενέργεια που αποδίδουν οι συλλέκτες ανά μήνα

καταγράφονται στον Πίνακα 5.9.

Μήνας Παραγωγή (kWh)

Ιανουάριος 644

Φεβρουάριος 684

Μάρτιος 945

Απρίλιος 1.009

Μάϊος 1.120

Ιούνιος 1.215

Ιούλιος 1.279

Άυγουστος 1.247

Σεπτέμβριος 1.167

Οκτώβριος 898

Νοέμβριος 572

Δεκέμβριος 556

Σύνολο 1ου έτους 11.337 kWh

Πίνακας 5.9 - Παραγόμενες kWh ανά μήνα (πρώτου έτους) [3]

Το Σχήμα 5.2 μας βοηθάει να έχουμε μια διαγραμματική προσέγγιση σχετικά με την

παραγόμενη ενέργεια ανά μήνα.

Σχήμα 5.2 - Παραγόμενες kWh ανά μήνα (πρώτου έτους)

115

Οι παραπάνω υπολογισμοί έγιναν για τον πρώτο χρόνο λειτουργίας του συστήματός

μας. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών όμως μειώνεται περίπου κατά 1% κάθε χρόνο.

Οι υπολογισμοί που θα κάνουμε θα είναι για 25 χρόνια λειτουργίας. Άρα η

παραγώμενη ενέργεια σε kWh ανά χρόνο φαίνεται στον Πίνακα 5.10:

Έτος kWh Έτος kWh Έτος kWh Έτος kWh Έτος kWh

1 11.109 6 10.565 11 10.047 16 9.555 21 9.086

2 10.998 7 10.459 12 10.047 17 9.459 22 8.996

3 10.888 8 10.355 13 9.847 18 9.365 23 8.906

4 10.779 9 10.251 14 9.749 19 9.271 24 8.817

5 10.672 10 10.149 15 9.651 20 9.178 25 8.728 Πίνακας 5.10 - Οι παραγόμενες kWh κάθε έτους

Για να υπολογίσουμε αν η ισχύς που επιλέξαμε (8,5 kW) είναι η κατάλληλη, θα

πρέπει να ελέγξουμε την χειρότερη περίπτωση παραγωγής - κατανάλωσης . Ο μήνας

λοιπόν που θα κρίνει την τιμή αυτή είναι ο Δεκέμβριος του 25ου

έτους, καθώς τον

μήνα Δεκέμβριο έχουμε την μεγαλύτερη κατανάλωση, αλλά ταυτοχρόνως την

μικρότερη παραγωγή ενέργειας. Οι αντίστοιχες kWh ανά μήνα του 25ου

έτους

καταγράφονται στον Πίνακα 5.11:

Μήνας kWh Μήνας kWh

Ιανουάριος 505 Ιούλιος 1.004

Φεβρουάριος 537 Άυγουστος 979

Μάρτιος 742 Σεπτέμβριος 916

Απρίλιος 792 Οκτώβριος 705

Μάϊος 880 Νοέμβριος 449

Ιούνιος 954 Δεκέμβριος 437 Πίνακας 5.11 - Παραγόμενες kWh ανά μήνα (25ου έτους)

Παρατηρούμε ότι η χειρότερη μηνιαία εισροή ενέργειας είναι 427 kWh. Όμως στην

πραγματικότητα αυτή η ενέργεια δεν θα πάει ολόκληρη προς κατανάλωση, αλλά θα

υπάρξουν κάποιες απώλειες. Στον Πίνακα 5.12 φαίνονται αναλυτικά οι απώλειες

αυτές και υπολογίζεται ο συνολικός συντελεστής απωλειών από τα φωτοβολταϊκά

στην κατανάλωση.

116

Απώλειες καλωδιώσεων 0,98

Απώλειες Inverter 0,91

Απώλειες συσσωρευτών 0,85

Συνολικός Συντελεστής Απωλειών 0,76 Πίνακας 5.12 - Συντελεστές απωλειών ενέργειας από τα Φ/Β στην κατανάλωση

Έτσι λοιπόν η πραγματική παραγόμενη ενέργεια που πηγαίνει στην κατανάλωση για

το 25ο έτος, καταγράφεται στον Πίνακα 5.13:

Μήνας kWh Μήνας kWh

Ιανουάριος 384 Ιούλιος 763

Φεβρουάριος 408 Άυγουστος 744

Μάρτιος 564 Σεπτέμβριος 696

Απρίλιος 602 Οκτώβριος 536

Μάϊος 668 Νοέμβριος 342

Ιούνιος 725 Δεκέμβριος 342 Πίνακας 5.13 - kWh που καταλήγουν στην κατανάλωση το 25ο έτος

5.5.3 Σύγκριση κατανάλωσης - παραγωγής

Η κατανάλωση του Δεκέμβρη συμπίπτει σχεδόν με την παραγωγή του

συγκεκριμένου μήνα. Στο Σχήμα 5.3 φαίνεται συγκριτικά η κατανάλωση της οικίας, η

παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του 1ου

έτους και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

του 25ου

έτους για κάθε μήνα.

Σχήμα 5.3 - Σύγκριση παραγόμενης ενέργειας και ενέργειας που καταναλώνεται

5.5.4 Διαστασιολόγηση και διάταξη φωτοβολταϊκής συστοιχίας

Υπολογίσαμε λοιπόν ότι η Φ/Β συστοιχία μας, θα πρέπει να έχει ισχύ της τάξης των

8,5 KW. Οι διαστάσεις από κάθε πάνελ είναι 1,575 x 0,826 m το οποίο είναι 1,30095

117

τ.μ. . Συνολικά η Φ/Β συστοιχία καλύπτει έκταση των 65,05 τ.μ. και η έκταση της

νότιας σκεπής είναι 70,4 τ.μ. . Το βάρος κάθε πάνελ είναι 16,3 kg και όλης της

συστοιχίας 815 kg. Στον Πίνακα (5.14) φαίνονται συνοπτικά τα στοιχεία της

διαστασιολόγησης.

Συνολική ισχύς 8,5 KW

Ισχύ ανά πάνελ 170 W

Συνολικός αριθμός πάνελ 50

Διαστάσεις – επιφάνεια πάνελ 1,575 x 0,826 m 1,30095 τ.μ.

Συνολική έκταση συστοιχίας 65,05 τ.μ.

Έκταση νότιας σκεπής 70,4 τ.μ.

Βάρος ανά πάνελ 16,3 kg

Συνολικό βάρος συστοιχίας 815 kg Πίνακας 5.14 - Συνοπτικά στοιχεία σχετικά με την διαστασιολόγηση των Φ/Β

Για να έχουμε τάση εξόδου 48V (όση και η τάση του συστήματός μας), θα πρέπει να

συνδέσουμε ανά δυο τα πλαίσια σε σειρά, και όλες τις δυάδες μεταξύ τους

παράλληλα (Εικόνα 5.5).

Εικόνα 5.5 – Αναπαράσταση διάταξης Φ/Β συστοιχίας

Να επισημάνουμε, ότι η έκταση της συνολικής συστοιχίας είναι 10,7 m x 6,3 m.

Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει οριζόντιο περιθώριο απόστασης 2 cm ανάμεσα στα

πλαίσια, και κάθετο 4 cm, που θα χρησιμέψει για καλύτερο αερισμό των πλαισίων.

118

Επίσης, η συστοιχία θα βρίσκεται σε απόσταση 0,5 m από την σκεπή, αφενός μεν για

καλύτερη επαγωγή θερμότητας, και αφετέρου δε, για να υπάρχει πρόσβαση σε κάθε

πλαίσιο σε περίπτωση επισκευής.

Ρεύμα πλαισίου : 4,79 A

Ρεύμα συστοιχίας : 25 x 4,79 = 119,75 A

Ρεύμα βραχυκ. πλαισίου: 5,27 A

Ρεύμα βραχυκ. Συστοιχίας: 25 x 5,27 = 131,75 A

Το επόμενο βήμα της τεχνικής μελέτης είναι ο υπολογισμός της ελάχιστης τάσης της

ηλιογεννήτριας, ώστε να επιτυγχάνεται η φόρτιση των συσσωρευτών.

Η μέγιστη αναμενόμενη θερμοκρασία λειτουργίας των Φ/Β πλαισίων μπορεί να

φτάσει έως και τους 70ºC, σε κατασκευές που επιτρέπουν την ελεύθερη κυκλοφορία

του αέρα στην πίσω πλευρά των Φ/Β πλαισίων (σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να

φτάσει και τους 90ºC). Σε αυτές τις περιπτώσεις , από το datasheet του Φ/Β πλαισίου,

υπολογίζεται ότι η τάση του πλαισίου είναι περίπου 28,53 V. Τα πλαίσια που είναι σε

σειρά είναι 2, άρα η τάση της συστοιχίας είναι:

Τάση συστοιχίας στους 70ºC: 2 x 28,53 = 57,06 V.

Η τάση φόρτισης των συσσωρευτών επιτυγχάνεται πολλαπλασιάζοντας την

ονομαστική τάση του υποσυστήματος των συσσωρευτών με τον συντελεστή 1,2. Έτσι

έχουμε:

Τάση φόρτισης των συσσωρευτών: 2 x 24 x 1,2 = 57,6 V

Τέλος υπολογίζουμε την τάση της συστοιχίας σε συνθήκες STC (Standard Test

Conditions), πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό των πλαισίων σε σειρά, με την

αντίστοιχη τάση πλαισίου σε συνθήκες STC:

Τάση συστοιχίας: 2 x 35,5 = 71 V

Τάση ανοιχτού κυκλώματος πλαισίου: 2 x 44,4 = 88,8 V

119

5.6 Επιλογή – Διαστασιολόγηση συσσωρευτών

Ο συσσωρευτής που θα επιλέξουμε είναι ο «2V 16 OPzS 2000» της εταιρείας

ΕΡΓΟΝ με ονομαστική τάση 2V και χωρητικότητα 2.520 AH σε εκφώρτιση 24

ωρών. Ανήκουν στην σειρά OPzS – Solar, είναι σωληνωτού τύπου χαμηλής

συντήρησης, ειδικά σχεδιασμένοι για κύκλους φόρτισης – εκφόρτισης υψηλής

αυτονομίας και ασφάλειας. Στον Πίνακα 5.15 φαίνονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά

τους όπως τα δίνει ο κατασκευαστής.

Τύπος Χωριτ.

C24

(Ah)

Αριθμός

πόλων

Τάση

(V)

Ρεύμα

βρ/σης

(Α)

Μήκος

(mm)

Πλάτος

(mm)

Ύψος

(mm)

Βάρος με

ηλ/τη (kg)

±5%

2V 16 OPzS

2000 Solar

LA-b

2.520 6 2 12.300 220 399 815 155,8

Πίνακας 5.15 - Στοιχεία επιλεγμένων συσσωρευτών

Κατασκευή – προδιαγραφές

Θετικές πλάκες : Σωληνωτού τύπου (OPzS – DIN), σκελετός κράματος χαμηλού

αντιμονίου (Sb<3%-Se). Σωληνίσκοι από πολυεστέρα

Αρνητικές Πλάκες: Επίπεδου τύπου (σχάρας)

Χωριστήρες: Μικροπορώδεις

Δοχείο: Τελείως διαφανές, Styrene-Acryl-Nitrile (SAN), υλικό πολύ ανθεκτικό σε

κρούσεις.

Καπάκι: SAN, γκρι χρώματος

Ηλεκτρολύτης: Διάλυμα θειικού οξέως, καθαρότητας κατά DIN 43530/p.2

Πόλοι / Στεγανότητα: Βιδωτός πόλος με χάλκινο εμφύτευμα M10 και ειδική ελαστική

ροδέλα στενοποίησης. Η στεγανότητα ελέγχεται 100 με +0,1 bar

Συνδέσεις: Βιδωτού τύπου, χυτές μολύβδινες μπάρες μονωμένες από πάνω με

πλαστικό ή ειδικά μονωμένα καλώδια. Βίδες κλπ. Ανοξείδωτα

120

Πώματα: Κανονικά πώματα αναπνοής που εμποδίζουν την εξάτμιση. Προαιρετικά :

αντιεκρηκτικά

Θερμοκρασία λειτουργίας: Επιτρεπτά όρια: -20ºC … +55ºC. Συνιστώμενη: +10ºC …

+30ºC

Τυποποίηση προϊόντων: DIN 40736/p1 – Στοιχεία 2V, DIN 40737/p3 – Συσσωρευτές 6

& 12V

Τυποποίηση δοκιμών: IEC 60896-11, IEC 61327 ειδικά για συστήματα ΑΠΕ

Εικόνα 5.6 - Ωχταπολικός συσσωρευτής τύπου OPzS – Solar

Στον πίνακα υπολογίζουμε τα Ah που θέλουμε να έχει ο συσσωρευτής μας.

Συνήθως το βάθος εκφόρτισης είναι 60% σε αυτόνομες κατοικίες. Όμως εμείς

χρησιμοποιούμε μικρό βάθος εκφόρτισης (30%) για να αυξήσουμε τον χρόνο ζωής

των συσσωρευτών. Επιλέγουμε 2 μέρες αυτονομίας. Η συνηθέστερη αυτονομία είναι

4 μέρες, αλλά εμείς έχουμε ως εφεδρική παραγωγή ενέργειας την καύση του

υδρογόνου. Το Σχήμα 5.4, μάς δείχνει την σχέση του βάθους εκφόρτισης (DoD) και

των κύκλων ζωής. Ο θερμοκρασιακός συντελεστής μας είναι 0,9 καθώς οι

συσσωρευτές θα βρίσκονται σε υπόγειο με σχεδόν σταθερή θερμοκρασία κοντά

στους 15ºC.

121

Άρα αφού τα απαιτούμενα Ah σχεδόν συμπίπτουν με την χωρητικότητα του

επιλεγμένου συσσωρευτή, δεν θα έχουμε παράλληλη σύνδεση, και όλοι οι

συσσωρευτές θα συνδεθούν σε σειρά.

Ο αριθμός των συσσωρευτών υπολογίζεται από την απαιτούμενη τάση που είναι 48V.

Άρα πολύ απλά, ο αριθμός των συσσωρευτών που απαιτείται είναι 24 συνδεδεμένοι

σε σειρά. Κάτι άλλο που πρέπει να επισημάνουμε είναι ότι, με βάθος εκφόρτισης

μόνο 30%, τα οφέλημα Ah είναι: 0,3 x 2.520 = 756 Ah .

Σχήμα 5.4 - Αναλογία Βάθους εκφόρτισης με Αριθμό Κύκλων Ζωής σε θερμοκρασία 20ºC

Απαιτ.

Ah

Ημέρες

αυτονομίας

Μεγ. βάθος

εκφόρτισης

Θερμοκ.

συντελεστής

Απαιτούμενη

χωρητικότητα

συσσωρευτών

(AH)

Χωρητ.

επιλεγμ.

συσσωρ.

C24 (Ah)

266,3 x 2 ÷ 0,3 ÷ 0,9 = 1.972 2.520

Πίνακας 5.16 - Υπολογισμός απαιτούμενων Ah

122

Από το Σχήμα 5.4 παρατηρούμε ότι για DoD 30% που επιλέξαμε, έχουμε 3600

κύκλους ζωής, το οποίο σημαίνει περίπου 8,5 χρόνια ζωής.

5.7 Επιλογή συσκευών υδρογόνου

Οι συσκευές που σχετίζονται με το υδρογόνο είναι η συσκευή ηλεκτρόλυσης, ο

συμπιεστής, οι φιάλες αποθήκευσης, η ΜΕΚ υδρογόνου, η ηλεκτρογεννήτρια, η

ηλεκτροβαλβίδα, οι πιεσοστάτες και οι σωληνώσεις.

5.7.1 Γενικές μετρήσεις

Για να επιλέξουμε τις συσκευές που σχετίζονται με το υδρογόνο, και κυρίως τη

μηχανή ηλεκτρόλυσης, που είναι πολύ ακριβή σε σχέση με τις άλλες, θα πρέπει να

έχουμε κάποια γενικά γνωρίσματα σχετικά με την ποσότητα παραγωγής υδρογόνου.

Ας πάρουμε την πιο ακραία περίπτωση παραγωγής υδρογόνου, την περίπτωση

δηλαδή με την μεγαλύτερη περίσσια ενέργειας. Ο μήνας με την μεγαλύτερη

παραγωγή ενέργειας είναι ο Ιούλιος, με μηνιαία παραγωγή 1.279 kWh (τον 1ο χρόνο

λειτουργίας). Αυτό αναλογεί ημερησίως σε παραγωγή 41,26 kWh. Από τη μεριά της

κατανάλωσης, η ακραία περίπτωση μεταφράζεται σε μηδενικό φορτίο, καθώς θα

υπάρξουν μέρες μέσα στον μήνα Ιούλιο στις οποίες η οικογένεια θα λείπει λόγο

διακοπών ή ταξιδιού. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα , όλη η παραγόμενη ενέργεια να

μετατρέπεται σε υδρογόνο και να αποθηκεύεται.

Η συνολική ισχύς που πρέπει να έχουν οι συσκευές υδρογόνου θα πρέπει να είναι το

πολύ 8,5 kW, όσο δηλαδή η ισχύς της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Να υπενθυμίσουμε

ότι η λειτουργία παραγωγής και συμπίεσης υδρογόνου πραγματοποιείται μόνο όταν

έχουμε ελάχιστη έως και μηδενική κατανάλωση.

Ο συμπιεστής και οι φιάλες αποθήκευσης, θα επιλεχθούν ανάλογα με την

αποδοτικότητα της συσκευής ηλεκτρόλυσης που θα επιλέξουμε.

123

5.7.2 Επιλογή συσκευής ηλεκτρόλυσης

Το αποσταγμένο νερό κατά βάση είναι καθαρό νερό. Οι άλλοι τύποι νερού όπως το

νερό βρύσης, μεταλλικό νερό, νερό από γεώτρηση κλπ θα δουλέψουν αλλά αυτό θα

προκαλέσει το να δημιουργηθούν κατάλοιπα με τον ηλεκτρολύτη και με τα άλατα και

άλλα στοιχεία που περιέχονται σε αυτά. Αυτά τα κατάλοιπα θα επικαθήσουν στις

πλάκες της γεννήτριας και σαν αποτέλεσμα θα έχει το να μην παράγετε αρκετό αέριο

υδρογόνο. Αυτό επίσης γίνεται και με άλλους τύπους ηλεκτρολύτη που περιέχουν

σόδα. Η σόδα σύντομα θα επικαθήσει στις πλάκες τις γεννήτριας και θα την κάνει να

λειτουργεί ανεπαρκώς για την παραγωγή του υδρογόνου.

Η συσκευή ηλεκτρόλυσης που θα επιλέξουμε είναι το μοντέλο LM-5000 της εταιρίας

HGenerators. Η συγκεκριμένη συσκευή επιλέχθηκε για την χαμηλή τιμή της, σε

σχέση με τον ρυθμό παραγωγής υδρογόνου. Το αμέσως μεγαλύτερο μοντέλο LM-

10.000 έχει ισχύ 5 kW, αλλά δεν επιλέχθηκε λόγο μεγάλου κόστους (σχεδόν το

διπλάσιο). Τα βασικά χαρακτηριστικά της συσκευής φαίνονται στον Πίνακα 5.17:

Μοντέλο Καταν.

Νερού

(ml/hour)

Ισχύς

(kW)

Παραγωγή

H2

(ml/min)

Παραγωγή

(Megajoul/

hour)

Πίεση

εξαγωγής

Καθαρότητα Τάση

εισόδου

LM-

5000

250 2,5 5.000 3,81696 3,8 bar >99,99% DC

48V

Πίνακας 5.17 - Στοιχεία συσκευής ηλεκτρόλυσης

Ο Πίνακας 5.18, μάς βοηθάει να έχουμε μια πιο πλήρη εικόνα για την

παραγωγικότητα του υδρογόνου:

Παραγωγή H2

(ml/min)

Παραγωγή Η2

(lit/hour)

Παραγωγή Η2 σε

STP (cubic

meter/hour)

Παραγωγή Η2

(kgs/hour)

LM-5000 300 0,3 0,02688

Πίνακας 5.18 - Παραγωγικότητα υδρογόνου

124

Η γεννήτρια υδρογόνου LM-5000 μετατρέπει το καθαρό (απιονισμένο) νερό σε αέριο

υδρογόνο, με την αξιοποίηση στερεών πολυμερών ηλεκτρολυτών (SPE), που είναι η

πιο προηγμένη τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου στον κόσμο. Παράγεται καθαρό

υδρογόνο άμεσα, με ηλεκτρολυτικό διαχωρισμό του απιονισμένου νερού, από

στερεούς πολυμερείς ηλεκτρολύτες. Η συσκευή αποτελείται από το ηλεκτροχημικό

κύτταρο (SPE), την δεξαμενή νερού, τον διαχωριστή νερού/υδρογόνου, το

αφυγραντικό δοχείο, τους αισθητήρες, την ψηφιακή οθόνη, τον πίνακα ελέγχου του

κυκλώματος, και τις βαλβίδες ασφαλείας. Το ηλεκτροχημικό κύτταρο χρησιμοποιεί

μια υπερφθοριωμένη μεμβράνη ως ηλεκτρολύτη. Όταν ο διακόπτης είναι

ενεργοποιημένος, το υδρογόνο και το οξυγόνο παράγονται αυτόματα στην κάθοδο και

στην άνοδο του κυττάρου, αντίστοιχα. Το υδρογόνο ρέει στον διαχωριστή

υδρογόνου / νερού, όπου εκεί το υδρογόνο και το νερό διαχωρίζονται. Το οξυγόνο

απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Το υδρογόνο ρέει μέσα στο δοχείο αφύγρανσης,

όπου ελέγχει αν το υδρογόνο είναι καθαρό και στεγνό, και στη συνέχεια

τροφοδοτείται στην έξοδο.

Η πίεση και η ροή του υδρογόνου ρυθμίζονται αυτόματα από ένα κύκλωμα ελέγχου.

Ένας συναγερμός μπορεί να ακουστεί αυτόματα σε περίπτωση υπέρβασης της

δεδομένης πίεσης, ή για οποιοδήποτε πρόβλημα παρατηρηθεί στο σύστημα. Η

γεννήτρια λειτουργεί πάντα με ασφάλεια.

125

No. Item No. Item 1 Water Motor 8 Safety Valve 2 Water Tank 9 Pressure Regulator 3 Drain Valve 10 Flow Regulator 4 Hydrogen/Water Separator 11 Pressure Display 5 Desiccant Cartridge I 12 Solenoid Valve 6 Desiccant Cartridge II 13 Electrochemical Cell Combination 7 Desiccant Cartridge III 14 Power

Σχήμα 5.5 - Τα μέρη που αποτελείται η συσκευή ηλεκτρόλυσης

Εικόνα 5.7 - Συσκευή ηλεκτρόλυσης LM-5000

5.7.3 Μοντελοποίηση αποθήκευσης υδρογόνου

Οι δεξαμενές αποθήκευσης στο συνολικό σύστημα αποτελούν τις συσκευές στις

οποίες καταλήγει το υδρογόνο μετά την παραγωγή του από την μονάδα

ηλεκτρόλυσης. Υπάρχουν δύο συστοιχίες δεξαμενών αποθήκευσης, ή αλλιώς φιαλών

126

υδρογόνου. Στην πρώτη από αυτές, η οποία ονομάζεται και προσωρινή δεξαμενή

αποθήκευσης (Buffer Storage), οδηγείται το υδρογόνο αμέσως μετά τον electrolyzer.

Εκεί θα παραμείνει μέχρι η πίεση του Buffer να πλησιάσει σε ένα οριακό σημείο.

Μόλις η πίεση «φτάσει» σε αυτό το σημείο, το υδρογόνο οδηγείται στην τελική

δεξαμενή αποθήκευσης (Final Storage) με την βοήθεια του συμπιεστή. Εκεί θα

παραμείνει αποθηκευμένο σε κατάσταση υψηλής πίεσης μέχρι να καταναλωθεί από

την ΜΕΚ. Παρόλο που οι δύο συστοιχίες φιαλών είναι απολύτως όμοιες μεταξύ τους,

η πίεση στην τελική δεξαμενή αποθήκευσης είναι πολύ μεγαλύτερη από την πίεση

στην προσωρινή δεξαμενή αποθήκευσης. Το επιπλέον έργο που απαιτείται

προκειμένου να αυξηθεί η πίεση και το υδρογόνο να αποθηκευτεί στην τελική

δεξαμενή, θα το δώσει ο συμπιεστής, που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο συστοιχιών

αποθήκευσης.

Εικόνα 5.8 - Φιάλες υδρογόνου

5.7.3.1 Περιγραφή μοντέλου δεξαμενών αποθήκευσης

Το υδρογόνο που συσσωρεύεται κατά πρώτο λόγο στην προσωρινή δεξαμενή

αποθήκευσης και κατά δεύτερο λόγο στην τελική δεξαμενή, παίρνεται ως παραδοχή

ότι ακολουθεί την καταστατική εξίσωση πραγματικών αερίων ή αλλιώς καταστατική

127

εξίσωση «Van der Waals». Σύμφωνα με την εξίσωση αυτή, η πίεση Ρ, ενός

πραγματικού αερίου σε μια δεξαμενή αποθήκευσης υπολογίζεται από την Σχέση 5.1

(5.1)

με

(5.2)

(5.3)

Όπου:

Pxbuffer : πίεση στη δεξαμενή υδρογόνου (bar)

ṄH2 : αριθμός mol υδρογόνου που παράγει η συσκευή ηλεκτρόλυσης (mol/hr)

Ɍ : παγκόσμια σταθερά των αερίων (8,314 J/K·mol)

T : θερμοκρασία (K)

Vb : χωρητικότητα προσωρινής δεξαμενής αποθήκευσης (buffer) (lt)

Tcr : κρίσιμη θερμοκρασία για το υδρογόνο (Κ)

Pcr : κρίσιμη πίεση για το υδρογόνο (Pa)

Παράμετροι Van der Waals για το H2:

ae = 0,244 be = 0,026 T = 300 K [4]

128

5.7.3.2 Προσομοίωση μοντέλου (Buffer & Final Storage)

Κάθε ώρα εισέρχονται στον buffer τόσα moles Η2 όσα παράγονται από την συσκευή

ηλεκτρόλυσης, δηλαδή 26,668 mol/hour. Καθώς αυτά αυξάνονται συνεχώς, η πίεση

στο δοχείο αυξάνει σύμφωνα με την καταστατική εξίσωση Van der Waals. Η έξοδος

του buffer είναι μονίμως ανοιχτή, και συνδεδεμένη με τον συμπιεστή. Ουσιαστικά,

όσο ο συμπιεστής δεν είναι σε λειτουργία, το υδρογόνο δεν διαφεύγει . Μόλις η πίεση

φτάσει σε ένα μέγιστο σημείο, ο πιεσοστάτης ενεργοποιεί τον συμπιεστή, ο οποίος

συμπιέζει το υδρογόνο στο final storage. Ο συμπιεστής σταματάει μόλις η πίεση του

buffer πέσει στο 1 bar (14,5 Psi). Η μέγιστη πίεση που πρέπει να έχει η δεξαμενή

buffer, είναι όσο και η πίεση που εξέρχεται από τη συσκευή ηλεκτρόλυσης, δηλαδή

3,861 bar (56 Psi).

Η χωρητικότητα του buffer, δεν πρέπει να είναι πολύ μικρή, για να αποφύγουμε τα

πολλά «άνοιξε – κλείσε» του συμπιεστή, αλλά και να μην είναι τεράστια, καθώς θα

καταλαμβάνει πολύ χώρο και θα έχει πολύ κόστος. Μια μέση τιμή είναι τα 300 λίτρα

υδρογόνου (20ºC, 1 bar), δηλαδή σε μέγιστη συμπίεση του αερίου στα 3,861 bar, ο

όγκος του αερίου φτάνει τα 77,7 lit. που είναι και ο συνολικός όγκος της φιάλης.

Έτσι, σύμφωνα με τον ρυθμό παραγωγής του υδρογόνου, για να γεμίσει το buffer θα

χρειαστούν περίπου 45 λεπτά λειτουργίας της συσκευής ηλεκτρόλυσης.

Η χωρητικότητα της τελικής φιάλης θα είναι 20.000 lit. Στον συγκεκριμένο όγκο

αναλογούν 1,68 KG υδρογόνου, ικανό να αποδώσει 56 kWh. Έστω ότι έχουμε

γεννήτρια ρεύματος με απόδοση 20,5%. Η τελική δεξαμενή μας λοιπόν, έχει

αξιοποιήσιμη ενέργεια 11,5 kWh (Πίν. 5.19).

Χωρητικότητα

τελικής

δεξαμενής

(lit)

Όγκος υπο

πίεση 20 bar

(lit)

Μάζα

υδρογόνου

(KG)

Ενέργεια

υδρογόνου

(kWh)

20.000 1.000 1,68 11,5

Πίνακας 5.19 – Χαρακτηριστικά τελικής δεξαμενής

129

Συνολική ενέργεια τελικής φιάλης 11,5 kWh

Μη αξιοποιήσιμη ενέργεια 0,57 kWh

Συνολική αξιοποιήσιμη ενέργεια τελικής φιάλης 10,97 kWh

Πίνακας 5.20 – Υπολογισμός αξιοποιήσιμης ενέργειας φιάλης

Να επισημάνουμε ότι μια ποσότητα στον δεξαμενή δεν εκμεταλλεύεται καθώς μόλις

η πίεση φτάσει το 1 bar σταματάει η τροφοδοσία προς την γεννήτρια. Η ποσότητα

αυτή είναι 1.000 lit (1 bar, 20 ºC), δηλαδή 0,0838 KG που αποδίδουν 0,57 kWh στην

οικία. Άρα η συνολική ενέργεια που μπορεί να αποδώσει η φιάλη είναι 10,93 kWh

(Πίν. 5.20).

Άρα συνοπτικά, στον Πίνακα 5.21 καταγράφονται τα χαρακτηριστικά των φιαλών

που χρειαζόμαστε:

Χωρητικότητα

buffer (lit)

Χωρητικότητα

final storage (lit)

Μέγιστη πίεση

buffer (bar)

Μέγιστη πίεση

final storage

(bar)

300 20.000 20 20

Πίνακας 5.21 - Χαρακτηριστικά φιαλών που χρειαζόμαστε

5.7.4 Επιλογή συμπιεστή

Οι συμπιεστές είναι ευρέως διαδεδομένες συσκευές και χρησιμοποιούνται για

διάφορες εργασίες που περιλαμβάνουν συμπίεση. Στο συνολικό σύστημα ο

συμπιεστής είναι η συσκευή η οποία θα δώσει το απαραίτητο έργο που απαιτείται για

να αυξηθεί η πίεση του υδρογόνου στα επίπεδα που χρειάζεται προκειμένου να

αποθηκευτεί στις τελικές φιάλες υδρογόνου.

Ο συμπιεστής που επιλέξαμε είναι ο 0505V της Soil moisture Equipment. Συμπιέζει

έως και σε 20 bar πίεση και έχει ισχύ 1 hp (0,746 kW).

130

Εικόνα 5.9 - Συμπιεστής αερίου 0505V της Soilmoisture Equipment

5.7.5 Γεννήτρια με ΜΕΚ υδρογόνου

Εδώ πρέπει να επισημάνουμε ότι οι γεννήτριες που λειτουργούν με υδρογόνου δεν

υπάρχουν στην αγορά. Γι’ αυτόν τον λόγο, θα χρησιμοποιήσουμε μια γεννήτρια με

έναν diesel κινητήρα υγραερίου, τον οποίον θα τον τροποποιήσουμε κατάλληλα ώστε

να καίει υδρογόνο (αντί για προπάνιο).

Δεν θα κάνουμε εκτενή αναφορά στην μετατροπή του κινητήρα, καθώς η παραγωγή

ηλεκτρικής ενέργειας από υδρογόνο με γεννήτριες εσωτερικής καύσης θεωρείται

ξεπερασμένη τεχνολογία, και αναπτύσσονται συνεχώς οι κυψέλες καυσίμου.

Υπολογίζεται ότι σε μερικά χρόνια οι τιμές των κυψελών καυσίμου θα είναι πολύ πιο

προσιτές. Την συγκεκριμένη περίοδο όμως, δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε

κυψέλες καυσίμου, καθώς οι τιμές είναι απαγορευτικές για την εγκατάστασή μας.

Η μετατροπή είναι μια εξειδικευμένη διαδικασία, και οι βασικότερες διαδικασίες που

περιλαμβάνει είναι οι εξής:

Μετατροπή εκχυτή μείγματος (injectors)

Τα ακροφύσια ψεκασμού (injectors) του μίγματος, θα πρέπει να έχουν

διαφορετικό σχεδιασμό από αυτά που χρησιμοποιούνται στις συμβατικές

ΜΕΚ. Κι αυτό, γιατί στις ΜΕΚ υδρογόνου το μίγμα της καύσης τους

(υδρογόνο – αέρας) χαρακτηρίζεται από αισθητά μικρότερη πυκνότητα από το

μίγμα καύσης των συμβατικών ΜΕΚ υγραερίου, με αποτέλεσμα τα

ακροφύσια ψεκασμού να πρέπει να το διοχετεύουν μέσα στους χώρους

καύσης σε αρκετά μεγαλύτερους όγκους ανά κύκλο καύσης του. [5]

131

Διαφορετική αναλογία αέρα/καυσίμου.

Η αναλογία αέρα καυσίμου στις ΜΕΚ υδρογόνου είναι 34/1 κατά βάρος. Στις

ΜΕΚ βενζίνης και υγραερίου είναι 14/1. Στον Πίνακα 5.22 φαίνεται η

αναλογία πιο αναλυτικά : [6]

Moles του N2 στον αέρα = Moles του O2 x (79% N2 στον

αέρα / 21% O2 in air)

= 1 mole του O2 x (79% N2

στον αέρα / 21% O2 στον αέρα)

= 3.762 moles N2

Αριθμός moles του αέρα = Moles του O2 + moles του N2

= 1 + 3.762

= 4.762 moles αέρα

Βάρος του O2 = 1 mole of O2 x 32 g/mole

= 32 g

Βάρος του N2 = 3.762 moles of N2 x 28

g/mole

= 105.33 g

Βάρος του αέρα = Βάρος του O2 + Βάρος του N

(1)

= 32g + 105.33 g

= 137.33 g

Βάρος του H2 = 2 moles του H2 x 2 g/mole

= 4 g

Στοιχειομετρικό ποσοστό (Air/Fuel) για τον αέρα και το

υδρογόνο είναι:

A/F βασισμένη στην μάζα: = μάζα αέρα / μάζα καυσίμου

= 137.33 g / 4 g

= 34.33:1

A/F βασισμένη στον όγκο: = όγκος (moles) αέρα / όγκος

(moles) καυσίμου

= 4.762 / 2

= 2.4:1

Το ποσοστό που καταλαμβάνει το υδρογόνο στον θάλαμο καύσης

σε ένα στοιχειομετρικό μείγμα:

% H2 = όγκος (moles) H2/ συνολικός

όγκος (2)

= όγκος H2 / (όγκος αέρα +

όγκος H2)

= 2 / (4.762 + 2)

= 29.6% Πίνακας 5.22 - Αναλογία αέρα / υδρογόνου κατά moles, βάρος και όγκο

132

Σύστημα ανάφλεξης

Οι σπινθηριστές (μπουζί), συνδέονται με τον εγκέφαλο του κινητήρα. Θα

πρέπει να γίνουν αλλαγές στον προγραμματισμό του εγκεφάλου, σχετικά με

την χρονική στιγμή που θα γίνεται ο σπινθήρας.

(Πηγή: http://www.ehow.com/how_7841711_run-gasoline-engine-hydrogen.html)

Η γεννήτρια που θα αγοράσουμε θα είναι η GREEN POWER 5000D ATS της

εταιρίας LPG-NG, και έχει τα εξής χαρακτηριστικά (Πίνακας 5.23) :

Τύπος

καυσίμου

Ισχύς

εξόδου

Τάση

εξόδου

Συχνότητα

εξόδου

Κατανάλωση

Υγραερίου

Πίεση

Υγραέριο 5 kW 220 V 50-60 Hz 320gr/kw/h 30mbar

Πίνακας 5.23 - Στοιχεία γεννήτριας

Εικόνα 5.10 - Γεννήτρια υγραερίου 5ΚW

Ανάμεσα στην τελική φιάλη αποθήκευσης υδρογόνου και στην γεννήτρια, θα

μεσολαβούν μια ηλεκτροβαλβίδα, η οποία θα ελέγχει το κλείσιμο της γεννήτριας

σταματώντας την τροφοδοσία καυσίμου όταν χρειαστεί, και ένας ρυθμιστής πίεσης.

Ο ρυθμιστής πίεσης, θα μειώνει την πίεση του υδρογόνου που εξέρχεται από την

φιάλη αποθήκευσης στην γεννήτρια, και θα μετριάζει την πίεση στα 20 mbar

133

5.7.6 Σωληνώσεις

Η μεταφορά του υδρογόνου, από την συσκευή ηλεκτρόλυσης μέχρι τις φιάλες

αποθήκευσης, και από εκεί στην γεννήτρια, θα γίνει με ένα δίκτυο σωληνώσεων,

ανθεκτικό σε μεγάλες πιέσεις (πάνω από 20 bar).

α. Γενικά

Τα δίκτυα σωληνώσεων κατασκευάζονται από γαλβανισμένους χαλυβδοσωλήνες με

συγκολλητές συνδέσεις και θα προστατεύονται επιφανειακά κατά τέτοιο τρόπο ώστε

να είναι ανθεκτικά έναντι διάβρωσης , από εξωτερικούς παράγοντες και

ατμοσφαιρικές συνθήκες (βαφή με κίτρινο χρώμα).

β. Προστασία της επιφάνειας των σωληνώσεων

Η προετοιμασία για την προστασία της επιφάνειας σωληνώσεων περιλαμβάνει

καθαρισμό , απομάκρυνση ρινισμάτων και σκουριάς.

Επικάλυψη της επιφάνειας με βαφή αντισκωριακής προστασίας.

Επικάλυψη της επιφάνειας με επικαλυπτική ανθεκτική βαφή.

Η προετοιμασία μπορεί να γίνεται με αμμοβολή ή με χρησιμοποίηση μηχανικών

βουρτσών καθαρισμού καθώς και απομάκρυνση επιστρώματος τυχόν λιπαντικής

ουσίας.

Η βαφή αντισκωριακής προστασίας μπορεί να γίνεται σε δύο στρώσεις (περίπου

60μm) με κατάλληλο για το περιβάλλον εγκατάστασης αντισκωριακό υλικό.

Η τελική βαφή σε όλα τα εξωτερικά δίκτυα αερίου γίνεται σε δύο στρώσεις (περίπου

60μm) και είναι χρώματος κίτρινου.

Πρέπει να ελέγχεται ότι η επιφανειακή προστασία έχει γίνει και στα τμήματα του

δικτύου σωληνώσεων , όπου υπάρχουν στηρίγματα και άλλα εμπόδια.

γ. Όδευση σωληνώσεων

Οι σωληνώσεις αερίου γενικά θα οδεύουν οριζόντια και κατακόρυφα.

Οι σωληνώσεις αερίου θα απέχουν από τα δίκτυα ύδρευσης τουλάχιστον 5 cm και

από τα ηλεκτρικά δίκτυα 10 cm .

δ. Μέθοδοι σύνδεσης

134

Οι συνδέσεις των σωλήνων και των εξαρτημάτων κατασκευάζονται με όσον το

δυνατόν λιγότερα σημεία σύνδεσης με συγκόλληση. Εφαρμόζονται οι Προδιαγραφές

συγκολλήσεων (Welding Procedure Specification – WPS) κατά ΕΛΟΤ ΕΝ 288 .

Οι συγκολλήσεις γίνονται με δύο τουλάχιστον περάσματα (κορδόνια). Τα πρόσθετα

υλικά των συγκολλήσεων θα ικανοποιούν τα πρότυπα ΕΛΟΤ ΕΝ 440 και ΕΛΟΤ ΕΝ

ISO 544 για να είναι συμβατά τόσο προς το βασικό υλικό όσο και μεταξύ τους , ώστε

να είναι εγγυημένες οι απαιτούμενες ιδιότητες της συγκολλητής σύνδεσης.

Οι συγκολλήσεις των σωλήνων , πρέπει να εκτελούνται μόνο από πιστοποιημένους

τεχνίτες συγκολλήσεων, αξιολογημένους κατά ΕΛΟΤ ΕΝ 287-1 .

Φλάντζες και κοχλιώσεις χρησιμοποιούνται μόνο για σύνδεση οργάνων. [7]

5.8 Καλωδίωση

Πρέπει να σημειωθεί ότι στην χώρα μας, όπως και σε άλλες χώρες, δεν υπάρχουν

νομοθετημένοι κανονισμοί για την εγκατάσταση αυτόνομων Φ/Β συστημάτων σε

κτήρια. Εξαίρεση αποτελούν οι κανονισμοί και τα πρότυπα που έχουν υιοθετηθεί από

χώρες που έχουν μεγάλη εμπειρία στον τομέα των Φ/Β συστημάτων σε κτήρια όπως

η Γερμανία και οι Η.Π.Α. Σε αυτές τις περιπτώσεις έχουν υιοθετηθεί (ή νομοθετηθεί)

κανονισμοί, οι οποίοι αφ’ ενός είναι συμβατοί με τον Κανονισμό Εσωτερικών

Ηλεκτρικών Εγκαταστάσεων της εκάστοτε χώρας (όπως ο HD 384) – και αφορούν

στη διαμόρφωση και υλοποίηση της ηλεκτρικής εγκατάστασης στην πλευρά του

ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος – αφ’ ετέρου λαμβάνουν υπόψη τους

τα ειδικά πρότυπα τα οποία αναφέρονται στις ιδιαιτερότητες των Φ/Β γεννητριών.

Τέτοια πρότυπα είναι, το EN-IEC 61215 που πραγματεύεται τις ελάχιστες τεχνικές

προδιαγραφές για φωτοβολταϊκά κρυσταλλικού πυριτίου, το EN-IEC 61646 που

πραγματεύεται τα Φ/Β τεχνολογίας λεπτών υμένων, το IEC 61730-1 το οποίο

πραγματεύεται θέματα που αφορούν στις προδιαγραφές ασφαλείας τις οποίες πρέπει

να πληρούν τα Φ/Β πλαίσια και τα υλικά σύνδεσής τους και το IEC 60364-7-712 Ed.

1.0 που πραγματεύεται θέματα τα οποία αφορούν στην εγκατάσταση Φ/Β πλαισίων

σε κτηριακές εγκαταστάσεις. Παρά ταύτα δεν υπάρχουν ενιαία αποδεκτοί κανονισμοί

οι οποίοι να αναφέρονται στην υλοποίηση της ηλεκτρολογικής σύνδεσης στην

πλευρά του συνεχούς ή εναλλασσομένου ρεύματος. [8]

135

5.8.1 Πλευρά συνεχούς ρεύματος

Στην πλευρά συνεχούς ρεύματος, ο σχεδιασμός και η υλοποίηση της εγκατάστασης

καλωδίωσης θα πρέπει να εξασφαλίζει προστασία ισοδύναμη με μόνωση Class II

(κατά το πρότυπο IEC EN 61730).

Η καλωδίωση στην πλευρά συνεχούς ρεύματος περιλαμβάνει τις συνδέσεις μεταξύ

των πλαισίων από τα άκρα κάθε εν σειρά κλάδου μέχρι το κουτί παραλληλισμού και

τις συνδέσεις από τα άκρα της Φ/Β συστοιχίας (κουτί παραλληλισμού) μέχρι την

είσοδο των αντιστροφέων.

Τα καλώδια, με τα οποία συνδέονται τα Φ/Β πλαίσια μεταξύ τους, είναι ειδικού τύπου

και μπορεί κάποιος να τα προμηθευτεί μαζί με τις ηλιογεννήτριες. Σήμερα ωστόσο

αυξάνεται ο αριθμός των προκαλωδιωμένων πλαισίων που διαθέτουν στεγανούς

συνδετήρες και επιτρέπουν τη γρήγορη σύνδεση χωρίς να είναι αναγκαίο το άνοιγμα

των κιβωτίων σύνδεσης πλαισίων. Η προκαλωδίωση αυτή περιλαμβάνει καλώδια

διαφορετικού μήκους με αρσενικό και θηλυκό βύσμα για τις δυο πολικότητες. Στο

εσωτερικό του κιβωτίου σύνδεσης υπάρχουν επίσης μία ή δυο δίοδοι by-pass που

συνήθως τοποθετούνται από τον κατασκευαστή με σκοπό να περιορίζουν τις βλάβες

από σκίαση.

Τα καλώδια για την εν σειρά και την παράλληλη διασύνδεση των πλαισίων, τα

προμηθευόμαστε μαζί με την αγορά της ηλιογεννήτριας. Η σύνδεση όμως από το

κουτί του παραλληλισμού μέχρι και τους inverters είναι δική μας επιλογή. Ο τύπος

του καλωδίου που επιλέγουμε είναι ο H07RN-F, ο οποίος είναι κατάλληλος για

εξωτερικούς και βρεγμένους χώρους, και πληρεί τις προδιαγραφές ΕΛΟΤ 623.4 και

HD 22.4 . Η διάμετρος του καλωδίου εξαρτάται από την μέγιστη ένταση που

διαπερνάται από το καλώδιο. Το επιτρεπόμενο ρεύμα του καλωδίου πρέπει να είναι

τουλάχιστον κατά 1,25 φορές μεγαλύτερο από το συνολικό ρεύμα βραχυκυκλώσεως

της συστοιχίας το οποίο είναι 25 * 5,27 = 131,7 Α. Το ρεύμα που πρέπει να αντέχει το

καλώδιο είναι Iον = 1,25 · Isc = 1,25 · 131,7 = 165 A.

136

Πίνακας 5.24 - Χαρακτηριστικά καλωδίου ανάλογα με την διατομή του

Το καλώδιο όμως θα πρέπει να είναι ικανό να λειτουργεί σε θερμοκρασία έως 70ºC.

Για την θερμοκρασία αυτή, ο διορθωτικός συντελεστής μείωσης είναι 0,57.

Επιλέγοντας καλώδιο με διατομή 1x95 έχουμε επιτρεπόμενη συνεχή τάση 292.

Πολλαπλασιάζοντας με τον συντελεστή θερμοκρασίας για 70ºC 0,57 έχουμε:

292 · 0,57 = 166 A

Άρα το καλώδιο που επιλέξαμε είναι κατάλληλο για την χρήση μας.

Αφού επιλέξαμε τον τύπο, θα υπολογίσουμε το συνολικό μήκος του. Το Σχήμα 5.6

δείχνει τις αποστάσεις αναλυτικά.

137

Σχήμα 5.6 - Αναπαράσταση του συνολικού μήκους του καλωδίου, για το συνεχές ρεύμα

Άρα, το συνολικό μήκος καλωδίου (και για τις 2 πολικότητες) είναι 50 m.

5.8.2 Πλευρά εναλλασσόμενου ρεύματος

Όσον αφορά την πλευρά εναλλασσόμενου ρεύματος, θα πρέπει να ακολουθούνται οι

συνήθης πρακτικές που απορρέουν από τον HD384. Τα καλώδια μεταξύ των inverter

και του πίνακα 2, καθώς και αυτά που συνδέουν την γεννήτρια με τον πίνακα 2,

μεταφέρουν εναλλασσόμενο ρεύμα. Επίσης, από τον πίνακα 2 υπάρχουν καλώδια που

τον συνδέουν με την κατανάλωση του σπιτιού. Το ρεύμα εξόδου του inverter είναι

21,7 Α και μετά την προσαύξησή του κατά 25% είναι 27,13 Α. Το ρεύμα της

γεννήτριας είναι 16 Α και προσαυξημένο κατά 25% γίνεται 20 Α. Επομένως τα

καλώδια που θα χρησιμοποιήσουμε είναι H07V-K 3x6 mm2. Υπολογίζεται ότι δεν θα

χρειαστούμε περισσότερο από 8 μέτρα τέτοιου καλωδίου.

5.9 Ασφάλεια υδρογόνου

Για την εκδήλωση πυρκαγιάς ή εκρήξεως τρία στοιχεία είναι απαραίτητα:

εύφλεκτα υλικά

138

οξυγόνο

πηγή έναυσης

Εάν ένα από τα στοιχεία απουσιάζει, τότε δεν μπορεί να εκδηλωθεί πυρκαγιά.

Πηγές ανάφλεξης:

Η ευρωπαϊκή οδηγία ΕΝ1127-1.1997 κατονομάζει 13 διαφορετικές πηγές

ανάφλεξης χωρισμένες σε δύο κατηγορίες, μια που έχει άμεση σχέση με

τα βιομηχανικά αέρια και μια για τις υπόλοιπες πηγές.

— θερμές επιφάνειες

— φλόγα, θερμά αέρια και σωματίδια

— σπινθήρες (εργαλεία σύνδεσης των συστοιχιών, περονοφόρα)

— ηλεκτρικές συσκευές

— κεραυνοί

— αδιαβατική συμπίεση

— στατικόςηλεκτρισμός

— ρεύματαδιαρροής, καθοδικήπροστασία

— εξώθερμη αντίδραση

— ηλεκτρομαγνητικά κύματα ραδιο συχνοτήτων

— ηλεκτρομαγνητικά κύματα υψηλής συχνότητας

— ακτινοβολία ιονισμού

— υπέρηχοι

ΠΡΟΣΟΧΗ:

139

Δεν ανοίγουμε ποτέ ελαφρώς το κλείστρο για λόγους καθαρισμού πριν από

τη σύνδεση του μειωτήρα με τη φιάλη / συστοιχία, καθώς υπάρχει ο κίνδυνος

ανάφλεξης του εξερχόμενου υδρογόνου (κίνηση πολύ σύνηθης σε άλλα

αέρια).

Ανοίγουμε τα κλείστρα των φιαλών/ συστοιχιών μόνον εφόσον έχουμετ

οποθετήσει τους κατάλληλους μειωτήρες μεταστεγανοποιητικά

παρεμβύσματα.

Ελέγχουμε τις συνδέσεις ως προς τη στεγανότητά τους.

Μετά το τέλος των εργασιών κλείνουμε τα κλείστρα των φιαλών/ συστοιχιών.

Χρήση και αποθήκευση

— γειώνουμε τον εξοπλισμό (κέντρα, συστοιχίες, δίκτυα)

— αποφεύγουμε την εισροή νερού στα δοχεία με υδρογόνο (κλείστρα κλειστά)

— χρησιμοποιούμε τον κατάλληλο εξοπλισμό (κέντρα, σωληνώσεις, φιάλες)

— απομακρύνουμε πιθανές πηγές ανάφλεξης

— δεν το αποθηκεύουμε μαζί με οξειδωτικά και εύφλεκτα αέρια (π.χ. Οξυγόνο)

— δεν το αποθηκεύουμε σε θερμοκρασία υψηλότερη των 50 C

— καθαρίζουμε τον εξοπλισμό από τον αέρα πριν από τη διοχέτευση υδρογόνου

(purging)

— το χρησιμοποιούμε μόνο για εφαρμογές που προορίζεται (π.χ. όχι φούσκωμα

μπαλονιών)

— όπου είναι απαραίτητο χρησιμοποιούμαι επιπρόσθετα μέτρα ασφαλείας (π.χ.

αισθητήρες)

— χρησιμοποιούμαι ηλεκτρολογικό εξοπλισμό αντιεκρηκτικού τύπου

140

— τηρούμαι αυστηρά τις προβλεπόμενες ζώνες ασφαλείας (Ex-Zones)

5.10 Γείωση

Τα Φ/Β συστήματα πρέπει να γειώνονται για την ασφάλεια του προσωπικού

συντήρησης από ηλεκτροπληξία λόγο διαρροής ρεύματος, αλλά και για την αποφυγή

βλαβών στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό λόγω κρουστικών υπερτάσεων και κεραυνούς ή

βραχυκυκλώματα. Επιπλέον, με γείωση μπορεί να διατηρηθεί ο αρνητικός πόλος του

συσσωρευτή, σε όλο το μήκος της καλωδίωσης σε δυναμικό μηδέν.

Για την γείωση της εγκατάστασης προβλέπεται γείωση προστασίας των μεταλλικών

μερών και γείωση των δυο αντιστροφέων. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια γειώνονται στο

σασί τους ενώ οι αντιστροφείς έχουν ειδική υποδοχή για καλώδιο γείωσης.

Δημιουργείται ένας κοινός κόμβος γείωσης για όλη την εγκατάσταση. Με δύο

αγωγούς χάλκινους μονωμένους πολύκλονους διατομής 120 mm2 συνδέονται οι δύο

αντιστροφείς στον κόμβο γείωσης. Με αγωγό χάλκινο μονωμένο πολύκλωνο

διατομής 120mm2 γειώνουμε τα μεταλλικά μέρη (Φ/Β, βάσεις, μεταλλικό κιβώτιο

φωτοβολταϊκού, πίνακες) στον ίδιο κόμβο γείωσης και ο κόμβος γείωσης καταλήγει

σε ένα τρίγωνο ηλεκτροδίων στο έδαφος. Ο αγωγός αυτός θα συνδέεται με το

τρίγωνο γείωσης το οποίο αποτελείται από 3 ράβδους/σωλήνες γαλβανισμένους

(χαλκού) 2,5’’, μήκους 3,5 μέτρα ο καθένας, η αντίσταση των οποίων υπολογίζεται

ως εξής :

Αν υπάρχει μόνο ένας σωλήνας η αντίστασή του είναι:

(5.4)

Όπου:

R [Ω · m] : η αντίσταση του εδάφους. Στην περίπτωση αυτής της μελέτης, το

έδαφος όπου θα τοποθετηθεί η γείωση είναι χώμα αργού (φυτική γη) και r = 100 Ω

·m.

leff : το ενεργό μήκος του κάθε σωλήνα. leff = 3 m.

d [m] : η διάμετρος του κάθε σωλήνα. d = 0,0635 m.

141

Σύμφωνα με την σχέση, η αντίσταση ενός σωλήνα είναι 20,45 Ω. Επομένως

χρησιμοποιώντας 3 ίδιους σωλήνες συνδεδεμένους σε τρίγωνο, επιτυγχάνεται

αντίσταση γείωσης που πλησιάζει τα 6,82 Ω. [8]

5.11 Επιλογή και ρύθμιση αυτοματισμών

Σχήμα 5.7 - Πλήρες σύστημα με αυτοματισμούς, μετρητές και ασφάλειες

Οι αυτοματισμοί που θα χρησιμοποιήσουμε για την εγκατάστασή μας (όπως φαίνεται

και στο Σχήμα 5.7) είναι οι εξής:

5 Ρελέ

3 Ελεγκτές τάσης (Vcontrollers)

3 πιεσοστάτες (P2, P3 και P5)

1 ηλεκτροβαλβίδα

142

5.11.1 Λειτουργία των ρελέ

Καθένα από αυτά πρέπει να είναι κατάλληλο για την ένταση του ρεύματος που θα το

διαπερνάει, την τάση, και το είδος του ρεύματος (DC/AC). Πιο αναλυτικά

παρουσιάζονται παρακάτω οι χρήσεις, τα χαρακτηριστικά, αλλά και το περιβάλλον

στο οποίο θα τοποθετηθούν τα τρία ρελέ:

Ρελέ C1 : Το συγκεκριμένο ρελέ, έχει ως έργο αφενός μεν να προστατέψει της

μπαταρίες από την μέγιστη φόρτιση, και αφετέρου δε να «στείλει» το περίσσιο ρεύμα

στο κύκλωμα της παραγωγής – συμπίεσης υδρογόνου. Συνδέει τα Φ/Β με τους

συσσωρευτές και με το σύστημα υδρογόνου, ανάλογα με την περίπτωση. Το μέγιστο

ρεύμα (συνεχές) που διαπερνάται είναι 165 Α και η τάση εναλλαγής είναι 57,6 V,

καθώς αυτή η τάση αντιστοιχεί στην μέγιστη φόρτιση των συσσωρευτών (SOC

100%). Υπεύθυνος για το ρελέ αυτό είναι ο Vcontroller 1.

Ρελέ C2 : Το συγκεκριμένο ρελέ επιλέγει από ποια πηγή θα τροφοδοτείται η

κατανάλωση. Διαρρέεται από AC ρεύμα, και είναι ρυθμισμένο να συνδέει την

γεννήτρια με την κατανάλωση, μόλις αυτή αποκτήσει τάση 230 V AC, με μια

απόκλιση ±10%. Ο επιτηρητή τάσης ελέγχει την λειτουργία του.

Ρελέ C3 : Το συγκεκριμένο ρελέ σταματάει την διαδικασία της ηλεκτρόλυσης όταν

γεμίσει η τελική δεξαμενή υδρογόνου. Υπεύθυνος για την λειτουργία του είναι ο

πιεσοστάτης P2.

Ρελέ C4 : Σκοπός αυτού του ρελέ, είναι να μην επιτρέψει τις μπαταρίες να πέσουν

κάτω από το θεμιτό επίπεδο φόρτισης που θέλουμε (SOC 70%). Συνδέει τους

συσσωρευτές με το inverter όταν το SOC είναι από 70% και πάνω. Μόλις το SOC

πέσει χαμηλότερα, συνδέει του συσσωρευτές με το κύκλωμα του starter,

ενεργοποιώντας την γεννήτρια, χωρίς να αποσυνδεθεί όμως από το inverter. Η τάση

που αντιστοιχεί στο SOC = 70% είναι τα 49,6 Volts. Ο Vcontroller 3 ορίζει την

λειτουργία του.

Ρελέ C5 : Το ρελέ C5 είναι υπεύθυνο για την λειτουργία του συμπιεστή και η

λειτουργία του εξαρτάται από τον πιεσοστάτη P3.

143

Επίπεδο φόρτισης

συσσωρευτών (SOC)

Αντίστοιχη τάση

συσσωρευτών στους 20°C

100% 57,6 Volts

70% 49,6 Volts

40% 44 Volts

Πίνακας 5.25 - Αντιστοιχία SOC - Volts

5.11.2 Ηλεκτροβαλβίδα

Η ηλεκτροβαλβίδα είναι μια βαλβίδα που χρησιμοποιείται για να ελέγχει την ροή των

αερίων. Είναι στην ουσία μια βάνα, η οποία κλείνει και ανοίγει ανάλογα με το ρεύμα

που διαρρέεται από κάποιο κύκλωμα.

Στην συγκεκριμένη περίπτωση, η ηλεκτροβαλβίδα μας είναι σε κανονικές συνθήκες

ανοιχτή (αφήνει το αέριο να περάσει), ενώ όταν διαρρέεται από ρεύμα κλείνει.

5.12 Συμπεράσματα

Τέλος, βασιζόμενοι στην περίσσια ενέργεια κάθε μήνα, θα κάνουμε κάποιες

εκτιμήσεις σχετικά με την ποσότητα του παραγόμενου υδρογόνου. Στον Πίνακα 5.26

φαίνεται η περίσσια ενέργεια κάθε μήνα σε kWh.

Μήνας

Περίσσια

ενέργεια

1ου

έτους

(kWh)

Περίσσια

ενέργεια

25ου

έτους

(kWh)

Μέση

περίσσια

ενέργεια

(kWh)

Ιανουάριος 324 185 255

Φεβρουάριος 370 223 296

Μάρτιος 636 433 534

Απρίλιος 711 494 603

Μάϊος 830 590 710

Ιούνιος 935 674 805

Ιούλιος 1004 729 866

Άυγουστος 977 709 843

Σεπτέμβριος 880 629 755

Οκτώβριος 601 408 504

Νοέμβριος 265 142 204

Δεκέμβριος 234 115 174 Πίνακας 5.26 - Περίσσια ενέργεια ανά μήνα (kWh)

144

Σχήμα 5.8 - Περίσσια ενέργεια ανά μήνα (kWh)

Αυτή η ενέργεια όμως δεν θα είναι εξ’ ολοκλήρου αξιοποιήσιμη επειδή:

Ο electrolyzer δεν μπορεί να αξιοποιήσει όλη την ισχύ που του παρέχουν τα

φωτοβολταϊκά, παρά μόνο 2,5 kW. Γνωρίζοντας η ισχύς που παρέχουν τα Φ/Β

είναι 8,5 kW, υπολογίζουμε ότι ο electrolyzer αξιοποιεί σχεδόν το 30% της

συνολικής περίσσιας ενέργειας.

Ο electrolyzer δεν μετατρέπει όλη την εισερχόμενη ηλεκτρική ενέργεια σε

χημική (υδρογόνο), αλλά υπάρχουν και θερμικές απώλειες, αλλά και ένα

μέρος τις ισχύος χρησιμοποιείται για άλλες λειτουργίες. Η συνολική ενέργεια

που δέχεται ανά ώρα είναι 2,5 kWh , ενώ σύμφωνα με το datasheet παράγει

ανά ώρα, υδρογόνο που αντιστοιχεί σε ενέργεια 1,0603 kWh. Ο βαθμός

απόδοσης είναι η εισερχόμενη ενέργεια προς την αποδιδόμενη, δηλαδή 43 %.

Η γεννήτρια, όπως αναφέραμε και νωρίτερα, έχει απόδοση 20,5 %, λόγο

θερμικών απωλειών.

Άρα, η συνολική αξιοποιήσιμη ενέργεια υπολογίζεται ως το 2,8 % της αρχικής

περίσσιας (Πίνακας 5.27 , Σχήμα 5.9).

145

Εκμεταλλεύσιμο

ποσοστό

ενέργειας από

ectrolyzer

Απόδοση

electrolyzer

Απόδοση

γεννήτριας Συνολική

απόδοση

30% 43% 20,5% 2,8 % Πίνακας 5.27 – Συνολική απόδοση εκμεταλλεύσιμης περίσσιας ενέργειας, μετά από απώλειες

Σχήμα 5.9 - Ποσοστό ενέργειας που πηγαίνει στην κατανάλωση μετά από απώλειες

Στον Πίνακα 5.28 καταγράφεται η αξιοποιήσιμη περίσσια ενέργεια του κάθε μήνα:

Μήνας

Μέση

εκμεταλλεύσιμη

ενέργεια (kWh)

Ιανουάριος 7,1

Φεβρουάριος 8,3

Μάρτιος 15,0

Απρίλιος 16,9

Μάϊος 19,9

Ιούνιος 22,5

Ιούλιος 24,2

Άυγουστος 23,6

Σεπτέμβριος 21,1

Οκτώβριος 14,1

Νοέμβριος 5,7

Δεκέμβριος 4,9 Πίνακας 5.28 - Αξιοποιήσιμη ενέργεια ανά μήνα

Συνολικά το χρόνο παράγονται 184 kWh, οι οποίες είναι ικανές να τροφοδοτήσουν

την κατοικία με ρεύμα για σχεδόν 18 μέρες.

Γνωρίζοντας την περίσσια ενέργεια και τον ρυθμό παραγωγής υδρογόνου του

electrolyzer, μπορούμε να εκτιμήσουμε την μέγιστη παραγωγή υδρογόνου κάθε

μήνα, αλλά και τις μέγιστες ώρες λειτουργίας του electrolyzer. Η «μέγιστη»

146

περίπτωση, είναι εκείνη στη οποία η κατανάλωση συμβαδίζει με την παραγωγή, και

δεν θα χρειαστεί η διακοπή της παραγωγής λόγο κορεσμού των φιαλών. Οι τιμές

αυτές καταγράφονται στον Πίνακα 5.29.

Μήνας Ώρες

λειτουργίας

electrolyzer

Παραγόμενο

υδρογόνο

(KG)

Παραγόμενο υδρογόνο

(lit σε 1 atm & 20ºC)

Ιανουάριος 30,0 0,81 9.630

Φεβρουάριος 34,8 0,94 11.180

Μάρτιος 62,8 1,69 20.160

Απρίλιος 70,9 1,91 22.770

Μάϊος 83,5 2,25 26.810

Ιούνιος 94,7 2,55 30.400

Ιούλιος 101,9 2,74 32.700

Άυγουστος 99,2 2,67 31.830

Σεπτέμβριος 88,8 2,39 28.510

Οκτώβριος 59,3 1,59 19.030

Νοέμβριος 24,0 0,65 7.700

Δεκέμβριος 20,5 0,55 6.570

Σύνολο 770,5 20,71 247.280 Πίνακας 5.29 - Εκτιμήσεις μέγιστου χρόνου λειτουργίας, και παραγόμενου υδρογόνου ανά μήνα

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΕΣ 5ου

ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

[1] http://www.selasenergy.gr/solar-inclination-monthly.php

[2] Λογισμικό "RETScreen" ( http://www.retscreen.net/ )

[3] http://solar.com.gr/

[4] Διπλωματική Εργασία Βεζυράκης Γεώργιος, Κωνσταντίνου Κων/νος

"Μοντελοπολιηση και βέλτιτσος σχεδιασμός ολοκληρωμένου αυτόνομου συστήματος

147

παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. με παράλληλη παραγωγή, αποθήκευση

και χρήση υδρογόνου" Ιούνιος 2008

[5] Διπλωματική Εργασία Μιχάλης Ι. Βαλάκας "Χρήση του υδρογόνου ως

εναλλακτική πηγή ενέργειας" 2007

[6] Καύση υδρογόνου σε εμβολοφόρες ΜΕΚ

http://dspace.lib.ntua.gr/bitstream/123456789/1719/3/avdelidisv_piston.pdf

[7]http://www.vardalisgaz.gr/products1.php?wh=1&lang=1&the1id=36&theid=36&o

pen1=36&open2=

[8] Διπλωματική Εργασία Λαχτάρας Χρήστος "Διαστασιολόγηση αυτόνομου Φ/Β

συστήματος" Μάιος 2010

Κεφάλαιο 6

Οικονομική Αξιολόγηση

148

6.1 Εισαγωγή

Αν στοχεύαμε στην εγκατάσταση ενός συστήματος με 100% αξιοπιστία, ναι μεν θα

πετυχαίναμε κάτι ιδεατό από ενεργειακής άποψης, αλλά θα καταλήγαμε σε

υπερδιαστασιολόγηση του συστήματος και υπέρογκο κόστος διότι οι καιρικές

συνθήκες (ηλιακή ακτινοβολία) είναι τυχαίες μεταβλητές και η εξασφάλιση

αυτονομίας με πιθανότητα 100% σημαίνει αυτόματα ότι για οποιεσδήποτε καιρικές

συνθήκες το σύστημα θα λειτουργεί. Καταλήγουμε λοιπόν σε έναν συνδυασμό ο

οποίος μας εξασφαλίζει με μεγάλη πιθανότητα την αυτονομία του συστήματος. Για

τον έλεγχο της οικονομικής βιωσιμότητας της επένδυσης στο αυτόνομο Φ/Β σύστημα

χρησιμοποιούνται 2 βασικά κριτήρια αξιολόγησης:

1. Το κριτήριο της Καθαρής Παρούσας Αξίας (NPV)

2. Το κριτήριο του Λόγου Οφέλους προς Κόστος (BCR)

Πρώτα απ’ όλα όμως θα γίνει η Ανάλυση Κόστους Κύκλου Ζωής (LCC Analysis) του

αυτόνομου Φ/Β συστήματος. Με την πραγματοποίηση της Ανάλυσης Κόστους

Κύκλου ζωής, προκύπτει το συνολικό κόστος του συστήματος κατά τη διάρκεια του

κύκλου ζωής. [1]

6.2 Ανάλυση Κόστους Κύκλου Ζωής (LCC Analysis)

6.2.1 Υπολογισμός Κόστους Κύκλου Ζωής

Η διάρκεια του κύκλου ζωής του αυτόνομου Φ/Β συστήματος, επιλέγεται ίση με 25

χρόνια, όσο δηλαδή περίπου ο χρόνος ζωής των Φ/Β πλαισίων και αποτελεί το

χρονικό διάστημα οικονομικής αξιολόγησής του. Το κόστος κύκλου ζωής του

αυτόνομου Φ/Β συστήματος δίνεται από την Σχέση 6.1:

LCC = C + Mpv + Rpv - Spv (6.1)

149

Στην παραπάνω σχέση, ο δείκτης pv δηλώνει την παρούσα αξία κάθε στοιχείου

κόστους του συστήματος. Ο όρος C αποτελεί το αρχικό κόστος αγοράς, μεταφοράς

και εγκατάστασης του εξοπλισμού του συστήματος. Ο όρος Mpv αποτελεί την

παρούσα αξία του αθροίσματος των σταθερών ετήσιων εξόδων συντήρησης και

λειτουργίας του συστήματος. Εάν έχει καθοριστεί, ότι θα δαπανάται ετησίως σταθερό

ποσό Α για τη λειτουργία και συντήρηση ενός συστήματος, η παρούσα αξία του

συνόλου των ετήσιων αυτών δαπανών για τη διάρκεια του κύκλου ζωής του είναι

σύμφωνα με την Σχέση (6.2):

(6.2)

Όπου:

i το αποπληθωρισμένο επιτόκιο και n η διάρκεια του κύκλου ζωής του συστήματος σε

έτη.

Ο όρος Rpv, αποτελεί το άθροισμα της παρούσας αξίας των δαπανών για τις

απαραίτητες αντικαταστάσεις και επιδιορθώσεις του εξοπλισμού του συστήματος,

κατά την διάρκεια του κύκλου ζωής του.

Τέλος, ο όρος S αποτελεί την υπολειπόμενη αξία του συστήματος στο τέλος του

κύκλου ζωής του. Συνήθως, στις οικονομικές μελέτες των αυτόνομων Φ/Β

συστημάτων θεωρείται ότι η αξία αυτή αποτελεί το 20% της αρχικής αξίας του

μηχανικού εξοπλισμού του συστήματος που μπορεί να μετακινηθεί. Στον πίνακα

υπολογίζεται το συνολικό κόστος του συστήματος κατά την διάρκεια του κύκλου

ζωής του. [1]

Το αποπληθωρισμένο επιτόκιο υπολογίζεται με την Σχέση 6.3:

(6.3)

Όπου:

r : αποπληθωρισμένο επιτόκιο

150

d : ονομαστικό επιτόκιο

i : πληθωρισμός

Οικονομικές Παράμετροι

1. Περίοδος Οικονομικής Αξιολόγησης: 25 χρόνια

2. Προεξοφλητικό Επιτόκιο: 5,5%

3. Πληθωρισμός 3,6%

4. Αποπληθωρισμένο Επιτόκιο: 1,83%

Στοιχεία Ποσό (€) Παρούσα αξία (€) Ποσοστό του LCC (%)

1. Αρχικό κόστος Ηλιογεννήτρια 18.750 18.750 20,79 Συσσωρευτές 10.000 10.000 11,09 Inverters 7.000 7.000 7,76 Αυτοματισμοί 400 400 0,44 Ηλεκτρολογικός εξοπλισμός (πίνακες, καλώδια, ασφάλειες, μετρητές, κλπ)

2.000 2.000 2,22

Κόστος εγκατάστασης

1.700 1.700 1,88

Βάσεις στήριξης Φ/Β πάνελ

1.500 1.500 1,66

Συσκευή ηλεκτρόλυσης

17.300 17.300 19,18

Συμπιεστής 350 350 0,39 Σωλήνες 80 80 0,09

Φιάλες υδρογόνου 400 400 0,44 ΜΕΚ υδρογόνου και γεννήτρια

1.750 1.750 1,94

Μετατροπή γεννήτριας

4.300 4.300 4,77

Ρυθμιστής πίεσης 45 45 0,05 Ηλεκτροβαλβίδα 50 50 0,06

Συνολο 65.625 65.625 72,76

2. Λειτουργία & Συντήρηση

Ετήσια Επίβλεψη 150 2988 3,31

Σύνολο 150 2988 3,31 3. Αντικατάσταση (Χρόνος)

0,00

Υποσύστημα Συσσωρευτών (8,3)

10.000 8600 9,54

Υποσύστημα Συσσωρευτών (16,6)

10.000 7400 8,20

Inverters (12,5) 7.000 5580 6,19

Συνολο 27.000 21580 23,93

151

4.Υπολειπόμενη Αξία 20%

13125 8341

Συνολικό Κόστος (1+2+3-4)

81.852

Πίνακας 6.1 - Υπολογισμός κόστους κύκλου ζωής του συστήματος

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Πίνακα 6.1, το συνολικό κόστος του συστήματος

κατά την διάρκεια του κύκλου ζωής του είναι 81.852 €.

6.2.2 Μελέτη ευαισθησίας

Για το αυτόνομο Φ/Β σύστημα που μελετάται, πραγματοποιήθηκε μελέτη

ευαισθησίας ώστε να παρατηρηθεί η μεταβολή του συνολικού κόστους ζωής του

συστήματος για διάφορες πιθανές τιμές προεξοφλητικού επιτοκίου και για

πληθωρισμό 3,6%. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την μελέτη ευαισθησίας,

φαίνονται στο Σχήμα 6.1:

79.000

79.500

80.000

80.500

81.000

81.500

82.000

82.500

83.000

83.500

4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

Προεξοφλητικό επιτόκιο %

LCC

€

Σχήμα 6.1 - Αντιστοιχία Κόστος κύκλου ζωής του συστήματος και προεξοφλητικό επιτόκιο

Όπως γίνεται φανερό από το σχήμα, η αύξηση του προεξοφλητικού επιτοκίου από 4%

σε 7%, έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση του συνολικού κόστους ζωής του συστήματος

από 83.477 € σε 80.010 €.

6.3 Δείκτης Καθαρής Παρούσας Αξίας (NVP) της επένδυσης

Λαμβάνοντας υπόψη τα φορτία της κατοικίας και τον μέσο αριθμό ωρών λειτουργίας

τους (Πίνακας), προκύπτει ότι η συνολική ενέργεια που αυτά απαιτούν κάθε χρόνο

είναι 3.572 KWh ή 1.190,6 KWh / τετράμηνο.

152

6.3.1 Κόστος αγοράς ενέργειας από την ΔΕΗ

Εάν ο ιδιοκτήτης της κατοικίας απευθυνόταν στη ΔΕΗ για την ηλεκτροδότησή της,

τότε για την παροχή των 1.190,6 KWh / τετράμηνο που απαιτούν τα φορτία και για 112

τ.μ. θα χρεωνόταν ως εξής (Πίνακας 6.2) [2]:

Είδος Χρέωσης Ευρώ / τετράμηνο

Δημοτικό τέλος 57,86

Δημοτικός φόρος 7,84

Τέλη Ακίνητης Περιουσίας 0,74

ΕΡΤ 16,96

Κόστος Ρεύματος 89,25

Δίκτυο Μεταφοράς 37,3

Πάγιο μονοφασικού 13,88

Σύνολο 223,83

ΦΠΑ 13% 21

Σύνολο 253

Έκτακτοι Φόροι 15

Σύνολο 268 Πίνακας 6.2 - Αναλυτικά ο λογαριασμός της ΔΕΗ ανά τετράμηνο

Άρα συνολικά ο ιδιοκτήτης θα πρέπει να πληρώνει 267,6 € / τετράμηνο ή 803 € /

έτος στην ΔΕΗ.

Η παρούσα αξία που προκύπτει για 25 έτη είναι:

(6.4)

NPVΕΝΕΡ. = 15.995 €

Όπου το 0,0183 είναι το αποπληθωρισμένο επιτόκιο που έχει επιλεγεί για τα 25

χρόνια οικονομικής αξιολόγησης.

6.3.2 Κόστος επέκτασης δικτύου

Στην περίπτωση που ο ιδιοκτήτης της κατοικίας αποφασίσει να ηλεκτροδοτήσει την

κατοικία από την ΔΕΗ και η κατοικία βρίσκεται σε απόσταση πάνω από 30 μέτρα

από το δίκτυο, τότε ο ιδιοκτήτης της κατοικίας επιβαρύνεται και με το κόστος

επέκτασης δικτύου της ΔΕΗ. Σύμφωνα με στοιχεία που έχουν συλλεχτεί από τα

καταστήματα της ΔΕΗ στην Θεσσαλονίκη, δημιουργείται το διάγραμμα του

153

Σχήματος 6.2 το οποίο απεικονίζει το κόστος επέκτασης του δικτύου της ΔΕΗ σε

σχέση με την απόσταση που έχει η κατοικία που πρόκειται να ηλεκτροδοτηθεί από

τον πλησιέστερο σε αυτήν στύλο της ΔΕΗ, με μονοφασική γραμμή για την περιοχή

της Θέρμης. Η τιμή είναι περίπου 700 € κάθε 50 μέτρα.

Σχήμα 6.2 - Μεταβολή του δείκτη Καθαρής Παρούσας Αξίας της επένδυσης του συστήματος, με την

απόσταση της κατοικίας από τον κοντινότερο στύλο

6.3.3 Υπολογισμός Καθαρής Παρούσας Αξίας (NPV)

Εάν για την ηλεκτροδότηση της κατοικίας, χρησιμοποιηθεί το προτεινόμενο

αυτόνομο Φ/Β σύστημα, η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα προορίζεται για

ιδιόχρηση, συνεπώς ως κέρδη από το σύστημα από το σύστημα αυτό μπορεί να

θεωρηθούν το κόστος αγοράς της ηλεκτρικής ενέργειας από την ΔΕΗ καθώς και το

κόστος συμμετοχής στην επέκταση του δικτύου, από τα οποία απαλλάσσεται στην

περίπτωση αυτή ο ιδιοκτήτης.

Η καθαρή Παρούσα Αξία (NPV) της επένδυσης προκύπτει από την σχέση:

NPV = PVκ – PVΔ , (6.5)

Όπου: PVκ, η παρούσα ολική αξία των κερδών της επένδυσης κατά τη διάρκεια του

χρονικού ορίζοντα οικονομικής αξιολόγησης της επένδυσης.

PVΔ, η παρούσα ολική αξία των απαραίτητων δαπανών που ανακύπτουν στον

χρονικό ορίζοντα οικονομικής αξιολόγησης της επένδυσης.

Η επένδυση θεωρείται οικονομικά βιώσιμη εάν NPV ≥ 0.

154

Σύμφωνα με όσα έχουν προαναφερθεί στις παραγράφους, η Σχέση 6.5 μπορεί να

πάρει την εξής μορφή:

NPV = 15.995 + Σδ – 81.152 (6.6)

Όπου: 15.995 € είναι τα χρήματα που εξοικονομεί ο ιδιοκτήτης της κατοικίας αφού

δεν αγοράζει ενέργεια από τη ΔΕΗ, Σδ είναι το κόστος επέκτασης του δικτύου της

ΔΕΗ και 81.152 € είναι το κόστος κύκλου ζωής του αυτόνομου Φ/Β συστήματος.

Σύμφωνα με την Σχέση 6.6, για να έχουμε NPV ≥ 0 θα πρέπει Σδ ≥ 65.157,

δηλαδή το κόστος επέκτασης του του δικτύου της ΔΕΗ να ξεπερνάει τα 65.157€.

Ο δείκτης Καθαρής Παρούσας Αξίας της επένδυσης γίνεται θετικός, δηλαδή η

επένδυση είναι οικονομικά βιώσιμη, όταν η απόσταση της κατοικίας από τον

κοντινότερο στύλο της ΔΕΗ είναι μεγαλύτερη από 4.654 μέτρα.

-80000

-60000

-40000

-20000

0

20000

40000

60000

80000

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

4400

4800

5200

5600

6000

6400

6800

7200

7600

8000

8400

8800

Απόσταση από τον κοντινότερο στύλο ΔΕΗ (m)

Κα

θα

ρή

πα

ρο

ύσ

α α

ξία

€

Σχήμα 6.3 - Καθαρή παρούσα αξία και απόσταση από τον κοντινότερο στύλο ΔΕΗ

6.4 Λόγος οφέλους προς δαπάνες

Ο λόγος Οφέλους προς Δαπάνες (BCR), αποτελεί το λόγο της παρούσας αξίας του

συνόλου των ωφελειών (PVκ) που προκύπτουν από την επένδυση στο αυτόνομο F/B

σύστημα στη διάρκεια του χρονικού ορίζοντα οικονομικής αξιολόγησης (25 χρόνια),

προς την αντίστοιχη παρούσα αξία δαπανών (PVΔ). Μια επένδυση θεωρείται

οικονομικά βιώσιμη εάν ισχύει:

155

(6.6)

Στην περίπτωση του αυτόνομου Φ/Β συστήματος που μελετάται, ο λόγος Οφέλους

προς Δαπάνες, για απόσταση ίση με 4.654 μέτρα από τον κοντινότερο στύλο της

ΔΕΗ, υπολογίζεται ως εξής (Σχέση 6.7):

(6.7)

Σύμφωνα με το κριτήριο του λόγου Οφέλους προς Δαπάνες, η επένδυση στο

αυτόνομο Φ/Β σύστημα κρίνεται οικονομικά βιώσιμη αφού BCR = 1.

6.5 Εναλλακτικό σενάριο με υδρογονοκίνηση

Στην συγκεκριμένη υποενότητα, θα μελετήσουμε το ενδεχόμενο να παράγουμε

μεγαλύτερη ποσότητα υδρογόνου, το οποίο θα χρησιμοποιήσουμε εξολοκλήρου ως

καύσιμο για το αυτοκίνητό μας.

Εικόνα 6.1 - Αυτόνομη κατοικία με συμπαραγωγή υδρογόνου για υδρογονοκίνηση

156

6.5.1 Το υδρογόνο ως καύσιμο αυτοκινήτου

Το υδρογόνο θεωρείται το καύσιμο του μέλλοντος, καθώς η καύση του δεν ρυπαίνει το

περιβάλλον, και επίσης έχει μεγαλύτερη απόδοση από τα συμβατικά καύσιμα (βενζίνη,

υγραέριο). Σήµερα, που τα σηµάδια των συνεπειών του φαινοµένου του θερμοκηπίου

έχουν πυκνώσει, πολλές ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στο υδρογόνο.

Βέβαια πρέπει στο σηµείο αυτό να καταστεί σαφές ότι άλλοι κατασκευαστές έχουν

κατευθύνει την ερευνητική τους δραστηριότητα προς την τεχνολογία των κυψελών

καυσίµου και άλλοι προς τη γνώριµη, προσφιλή και αποδεκτή στο ευρύ κοινό

τεχνολογία των µηχανών εσωτερικής καύσης. Έτσι, µεγάλοι κατασκευαστές όπως η

GM, η Honda, η Toyota, η Mercedes και η Hyundai έχουν παρουσιάσει πρωτότυπα

οχήματα που στο εσωτερικό τους κρύβουν συστοιχίες κυψελών καυσίµου, ενώ άλλες

µεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η BMW, η Ford και η Mazda έχουν προβεί στις

αναγκαίες τροποποιήσεις κινητήρων της γκάµας τους για την προσαρµογή αυτών

στην καύση υδρογόνου. Όµως ακόµα και αυτοί οι κατασκευαστές αναγνωρίζουν πως

η επιλογή της καύσης του υδρογόνου για την κίνηση των οχηµάτων αποτελεί απλά

την γέφυρα για την µετάβαση στην τεχνολογία των κυψελών καυσίµου.

Εικόνα 6.2 - Φιάλη υδρογόνου σε καπό Mazda RX-8 Hydrogen

Βέβαια, κάθε κατασκευαστής ακολουθεί διαφορετική φιλοσοφία στις τεχνολογικές

επιλογές του. Έτσι, η BMW, όπως και η Mazda, επιλέγουν την τεχνολογία κινητήρων

µε δυνατότητα καύσης είτε βενζίνης, είτε υδρογόνου (dual fuel) µε την εναλλαγή να

γίνεται απλά µε το πάτηµα ενός διακόπτη. Η Mazda για την µετατροπή δεν επέλεξε

κάποιον εµβολοφόρο τετράχρονο κινητήρα της γκάµας της αλλά τον περιστροφικό

κινητήρα Wankel µε την ονοµασία RENESIS. Το σκεπτικό των δύο εταιρειών

157

(BMW & Mazda) για την διττή δυνατότητα επιλογής της καύσιµης ύλης είναι ότι

στα αρχικά στάδια δηµιουργίας του δικτύου διανοµής και ανεφοδιασµού του νέου

καυσίµου δεν θα υπάρχουν αρκετοί σταθµοί ανεφοδιασµού υδρογόνου. Το γεγονός

αυτό, σε συνδυασµό µε την περιορισμένη συγκριτικά αυτονοµία των αυτοκινήτων

υδρογόνου θα δημιουργούσε πολλαπλά προβλήµατα στην οµαλή µετάβαση σε µία

κοινωνία όπου οι µεταφορικές ανάγκες θα καλύπτονταν αποκλειστικά από οχήµατα

µηχανών υδρογόνου. Τέλος, θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο η µηχανή υδρογόνου να

εκτοπίσει µονοµιάς απ’ τη συνείδηση του αγοραστή-καταναλωτή, τον καθιερωµένο

πλέον κινητήρα βενζίνης.

6.5.2 Μετρήσεις νέου συστήματος

Είδαμε στο προηγούμενο σύστημα που περιγράψαμε, πως η συσκευή ηλεκτρόλυσης

λειτουργεί στα 2,5 kW, αξιοποιώντας μόνο το 30% της συνολικής ισχύος που

παρέχουν τα Φ/Β (8,5 kW). Ας μελετήσουμε το ενδεχόμενο να χρησιμοποιήσουμε

συσκευή ηλεκτρόλυσης των 5 kW, η οποία θα αξιοποιεί το 60% της παραγόμενης

ενέργειας των Φ/Β.

Η νέα συσκευή ηλεκτρόλυσης είναι το μοντέλο LM-10000. Η παραγωγή είναι

διπλάσια από αυτήν του μοντέλου LM-5.000, αλλά (όπως είναι φυσικό) είναι

ακριβότερη κατά 15.000 €. Στον πίνακα παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του LM-

10000.

Μοντέλο Κατανάλωση

νερού (ml/h)

Ισχύς (kW) Παραγωγή

υδρογόνου

(ml/min)

Παραγώμενη

ενέργεια

(MJ/hour)

Τιμή (€)

LM-10000 1.000 5 10.000 7,63392 32.300

Πίνακας 6.3 - Χαρακτηριστικά του electrolyzer LM-10.000 όπως τα δίνει η κατασκευάστρια

εταιρία

Ο πίνακας τώρα διαμορφώνεται ως εξής:

Μήνας Ώρες

λειτουργίας

electrolyzer

Παραγόμενη

υδρογόνο

(KG)

Παραγόμενο

υδρογόνο (lit σε 1 atm

& 20ºC)

Ιανουάριος 30,0 1,61 19.260 Φεβρουάριος 34,8 1,87 22.350

158

Μάρτιος 62,8 3,38 40.330 Απρίλιος 70,9 3,81 45.540 Μάϊος 83,5 4,49 53.620 Ιούνιος 94,7 5,09 60.790 Ιούλιος 101,9 5,48 65.400 Άυγουστος 99,2 5,33 63.660 Σεπτέμβριος 88,8 4,78 57.020 Οκτώβριος 59,3 3,19 38.060 Νοέμβριος 24,0 1,29 15.410 Δεκέμβριος 20,5 1,10 13.140 Σύνολο 770,5 41,42 494.560

Πίνακας 6.4 - Παραγωγή συνολικού υδρογόνου με την νέα συσκευή ηλεκτρόλυσης LM-10.000

Αν υποθέσουμε πως η μισή ποσότητα αξιοποιείται για την τροφοδοσία της κατοικίας,

η άλλη μισή θα χρησιμοποιείται ως καύσιμο για το αυτοκίνητο. Για να κατανοήσουμε

την ενεργειακή αξία του υδρογόνου, θα την συγκρίνουμε με αυτήν της βενζίνης.

Συγκεκριμένα, 1 kg υδρογόνου περιέχει την ίδια ποσότητα ενέργειας με 2,1 kg

φυσικού αερίου ή 2,8 kg βενζίνης.

Στον Πίνακα 6.5, καταγράψαμε την ποσότητα υδρογόνου (σε KG) που θα αντιστοιχεί

στην υδρογονοκίνηση, η οποία είναι η μισή από την συνολική παραγόμενη. Στην

συνέχεια υπολογίσαμε την αντίστοιχη ποσότητα βενζίνης σε μάζα και όγκο. Η

επόμενη στήλη δείχνει το ανάλογο κόστος της βενζίνης, το κέρδος δηλαδή που

εξοικονομεί ο ιδιοκτήτης κάθε μήνα, αν η τιμή της βενζίνης είναι 1,80 €/lit. Στην

τελευταία στήλη, υπολογίζεται η απόσταση που μπορεί να διανύσει το όχημα με την

συγκεκριμένη ποσότητα βενζίνης, αν έχει μέση κατανάλωση 7 λίτρα στα 100

χιλιόμετρα.

Μήνας Yδρογόνο

για καύσιμο(KG)

Αντιστοιχία σε βενζίνη (KG)

Αντιστοιχία σε όγκο βενζίνης (lit)

Αντίστοιχο κόστος βενζίνης σε €

Αυτονομία (KM)

Ιανουάριος 0,81 2,26 3,14 5,65 44,82

Φεβρουάριος 0,94 2,62 3,64 6,56 52,03

Μάρτιος 1,69 4,73 6,57 11,83 93,86

Απρίλιος 1,91 5,34 7,42 13,35 105,99

Μάϊος 2,25 6,29 8,74 15,72 124,79

Ιούνιος 2,55 7,13 9,90 17,83 141,49

Ιούλιος 2,74 7,67 10,65 19,18 152,21

Άυγουστος 2,67 7,46 10,37 18,67 148,17

Σεπτέμβριος 2,39 6,69 9,29 16,72 132,70

Οκτώβριος 1,59 4,46 6,20 11,16 88,58

Νοέμβριος 0,65 1,81 2,51 4,52 35,86

159

Δεκέμβριος 0,55 1,54 2,14 3,85 30,58

Σύνολο 20,71 57,99 80,57 145,03 1.151,07 Πίνακας 6.5 - Υδρογόνο που προορίζεται για καύσιμο αυτοκινήτου, καθώς και η ισάξια ποσότητα

βενζίνης και τα αντίστοιχα χιλιόμετρα

Συνολικά κάθε χρόνο το αυτοκίνητο τροφοδοτείται με υδρογόνο για να καλύψει

1.151 χιλιόμετρα. Εκτιμούμε, ότι ένα μέσο αυτοκίνητο διανύει κάθε χρόνο 10.000

χιλιόμετρα. Άρα, το υδρογόνο που διαθέτουμε θα χρησιμοποιηθεί για να καλύψει

μόνο το 12% από αυτά (Σχήμα 6.4).

Σχήμα 6.4 - Αναλογία καυσίμου που χρησιμοποιείται

6.5.3 Οικονομική αξιολόγηση νέου συστήματος

Οι αλλαγές που κάναμε στο συγκεκριμένο σύστημα είναι η χρήση του electrolyzer

LM-10.000 αντί του LM-5.000, και η τοποθέτηση νέας δεξαμενής με περίπου

διπλάσια χωρητικότητα, δηλαδή 40.000 λίτρα. Θα μπορούσαμε να

χρησιμοποιήσουμε δυο δεξαμενές, την μια για το υδρογόνο που προορίζεται ως

καύσιμο, και την άλλη για το υδρογόνο που προορίζεται για την ενέργεια του σπιτιού,

αλλά πρώτον θα αυξανόταν η πολυπλοκότητα του συστήματος και το κόστος και

δεύτερον, με μια μόνο δεξαμενή θα μπορεί καλύτερα να ελέγχει την αναλογία που

χρειάζεται ο ιδιοκτήτης για κάθε χρήση, ανάλογα με την περίσταση.

160

Θα υπολογίσουμε το συνολικό επιπρόσθετο κόστος και την συνολική εξοικονόμηση

καυσίμου για να αξιολογήσουμε πότε γίνεται η απόσβεση και αν συμφέρει το

συγκεκριμένο σύστημα.

Το κόστος της νέας συσκευής ηλεκτρόλυσης είναι 32.300 €, δηλαδή πρόσθετο κόστος

15.000 €. Η μεγαλύτερη δεξαμενή των 40.000 υπολογίζεται να έχει κόστος 700 €,

όπου το επιπρόσθετο κόστος είναι 200 € (αλλάξαμε μόνο τελική φιάλη και όχι το

buffer). Άρα έχουμε ένα συνολικό κόστος της τάξης των 15.200 €.

Αν υποθέσουμε ότι στο έτος βάσης η τιμή της βενζίνης είναι 1,80 €/λίτρο, και κάθε

χρόνο αυξάνεται χονδρικά κατά 0,03€, υπολογίζουμε ότι η απόσβεση γίνεται περίπου

το 56º έτος λειτουργίας του συστήματος (Σχήμα 6.5).

Σχήμα 6.5 - Κόστος και κέρδος του νέου συστήματος ανά έτος λειτουργίας

Στο Σχήμα 6.5 παρατηρούμε ότι στο 56º έτος λειτουργίας εξισορροπούνται το κόστος

με το κέρδος.

Συμπεραίνουμε, ότι η επένδυση για υδρογονοκίνηση δεν συμφέρει με τις υπάρχουσες

τιμές στις συσκευές ηλεκτρόλυσης. Αυτό συμβαίνει γιατί δεν υπάρχει μαζική

παραγωγή συσκευών υδρογόνου και το κόστος είναι υψηλό.

161

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 6ου

ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

[1] Διπλωματική Εργασία Λαχτάρας Χρήστος "Διαστασιολόγηση αυτόνομου Φ/Β

συστήματος" Μάιος 2010

[2] Εκκαθαριστικός Λογαριασμός ΔΕΗ

162

Συμπεράσματα

Κόστος

Το κόστος εγκατάστασης ενός Φ/Β συστήματος είναι ακόμα πολύ υψηλό και αυτό

συμβάλει αρνητικά στην εξάπλωση των Φ/Β συστημάτων στην Ελλάδα.

Η παραγωγή υδρογόνου με ηλιακή ενέργεια για υδρογονοκίνηση δεν συμφέρει

προς το παρόν, καθώς το κόστος της συσκευής ηλεκτρόλυσης είναι υψηλό.

Στην Ελλάδα δεν υπάρχει σχετική νομοθεσία για τα αυτόνομα Φ/Β συστήματα,

ούτε και επιδοτούμενα προγράμματα.

Η περιοχή στην οποία εγκαθίσταται ένα Φ/Β σύστημα και ο τρόπος εγκατάστασης

καθορίζουν σε σημαντικό βαθμό την ποσότητα της παραγόμενης ηλεκτρικής

ισχύος, αλλά και το κόστος του συστήματος.

Τα αυτόνομα Φ/Β συστήματα για ηλεκτροδότηση κατοικίας είναι πολλές φορές

μη συμφέρουσες επενδύσεις επειδή:

1. Δεν πωλείται η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια στην ΔΕΗ

2. Το μέγεθος του συστήματος είναι σχετικά μικρό (10 kW), με αποτέλεσμα

το κόστος ανά εγκατεστημένο kW να είναι μεγάλο.

Προοπτική

163

Στο μέλλον οι ΜΕΚ υδρογόνου θα αντικατασταθούν από τις κυψέλες καυσίμου,

οι οποίες θα έχουν πολύ μικρότερο κόστος και μεγαλύτερη απόδοση απ’ ότι

σήμερα.

Κυρίαρχος στόχος της Ε.Ε. αλλά και διεθνώς είναι τόσο η ενεργειακή

απεξάρτηση από άλλες χώρες, όσο και η μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων που

παράγονται από συμβατικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.

Η Ελλάδα έχει πολύ ισχυρό ηλιακό δυναμικό (ειδικά στις νότιες περιοχές της

χώρας) και ενδείκνυται για την εκμετάλλευσή του με Φ/Β συστήματα.

164

Προτάσεις

Περισσότερα κίνητρα από την πολιτεία για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από

Φ/Β συστήματα.

Υποχρεωτική εφαρμογή της Φ/Β τεχνολογίας σε συγκεκριμένες περιπτώσεις

(σχολεία, δημόσια κτίρια, φωτισμός δρόμων) ή σε συγκεκριμένο ποσοστό.

Εκπαίδευση στα ΤΕΕ, ΤΕΙ, ΑΕΙ, συγγραφή οδηγιών και διδακτέας ύλης, για τα

Φ/Β συστήματα.

Συστηματική εκπαίδευση των εγκαταστατών ηλεκτρολόγων ή μηχανολόγων με

έκδοση πιστοποιητικού από διαπιστευμένο φορέα (π.χ. το ΚΑΠΕ).

Ενημέρωση σχετικά με τα οφέλη του υδρογόνου. Αυτό θα επιφέρει αύξηση

πωλήσεων συσκευών υδρογόνου, άρα μαζικότερη παραγωγή και πτώση των

τιμών τους.

Θα πρέπει να γίνουν μελέτες σχετικά με το κατά πόσο η χρήση υδρογόνου και

ΑΠΕ για την παραγωγή ισχύος επιρεάζουν θετικά το περιβάλλον.

165

166

Παράρτημα

Ακολουθούν φωτογραφίες από μια εγκατάσταση υβριδικού συστήματος με

συμπαραγωγή και χρήση υδρογόνου, στο New Jersey (ΗΠΑ). (Michael Strizki)

Εικόνα 1 – Κυψέλη καυσίμου

167

Εικόνα 2 - Inverters

Εικόνα 3 – Φωτοβολταϊκή συστοιχία

168

Εικόνα 4 – Συσκευή ηλεκτρόλυσης

Εικόνα 5 – Αυτοκίνητο υδρογόνου

169

Εικόνα 6 – Δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου