ΗΛΙΑΚΑ ΚΑΤΟΠΤΡΑ

Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον: ∆ιαφάνειες από τις παραδόσεις Α. Μπάης

1

ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ Χρήσεις: Ξήρανση γεωργικών προϊόντων

Θέρµανση χώρων

Ωφέλιµη ροή θερµότητας: 2 1( )dmQ c q c T Tdt

ρ= ∆Τ = −

∆ιαφορές από τον επίπεδο ηλιακό συλλέκτη Πυκνότητα: ραέρα = 0.001 ρνερού Θερµική αγωγιµότητα αέρα πολύ µικρότερη του νερού Βελτίωση της αποδοτικότητας: • ∆ιαµόρφωση της επιφάνειας επαφής ώστε να αυξηθεί η ενεργός

επιφάνεια και οι τυρφώδεις κινήσεις • Χρήση πορώδους

απορροφητικής επιφάνειας

ΗΛΙΑΚΗ

ΨΥΧΡΟΣ ΑΕΡΑΣ ΘΕΡΜΟΣ ΑΕΡΑΣ

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ

ΣΥΛΛΕΚΤΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ

Τ1 Τ2

ΓΥΑΛΙΝΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ

ΠΟΡΩ∆ΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ

ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗ


2

ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΟΥ

ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΚΟΠΟΣ: ∆ιατήρηση της θερµοκρασίας ενός κλειστού χώρου σε επίπεδα ανεκτά (15-20° C) ελαχιστοποιώντας τη χρήση βοηθητικής θέρµανσης ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Περιοχές µε ψυχρό κλίµα (π.χ. µεγάλα γεωγραφικά πλάτη)

ΠΑΡΑΘΥΡΟ

ΜΟΝΩΣΗ

ΜΑΖΑ ΜΕΓΑΛΗΣ ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ


3

( )ro t r a

dTmc E P T T Udt

τα= + − −

ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΣ ΣΤΟΧΟΙ: Μέγιστη προσλαµβανόµενη ενέργεια Ελάχιστη χρήση βοηθητικής θέρµανσης Ελάχιστες απώλειες

ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟ

• Γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων

• Προσανατολισµός κτηρίου

• Επάρκεια θερµότητας για τη νύχτα ή για µερικές ηµέρες (αποθήκευση)

• Αποφυγή υπερβολικής θέρµανσης

• ∆ιακυµάνσεις της εσωτερικής θερµοκρασίας

• Επιπλέον θερµότητα (φωτισµός, οικιακές δραστηριότητες, ένοικοι)

• Αισθητική και λειτουργικότητα

Απώλειες θερµότητας α) Θερµοµόνωση β) Εξαερισµός του χώρου (ανάκτηση θερµότητας) γ) Είσοδος - έξοδος χρηστών (διαδοχικές πόρτες) δ) Ακτινοβολία θερµότητας τη νύχτα (πετάσµατα) *Τα παθητικά συστήµατα είναι γενικά µη εφαρµόσιµα σε υπάρχοντα κτήρια


4

ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η θερµότητα παράγεται από εξωτερικά συστήµατα και µεταφέρεται στο κτήριο Η µεγάλη επιφάνεια συλλεκτών περιορίζει την εφαρµογή τους σε πόλεις Αποτελεσµατική θερµοµόνωση Εσωτερική αποθήκη θερµικής ενέργειας Σύστηµα διανοµής της θερµότητας στους χώρους του κτηρίου

ΗΛΙΑΚΕΣ ∆ΕΞΑΜΕΝΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Μεγάλες ποσότητες θερµικής ενέργειας χαµηλής θερµοκρασίας

Θερµοκρασία νερού στον πυθµένα ~90° (ή και µεγαλύτερη) Χρόνος αποθήκευσης µεταξύ µερικών ηµερών ή και µερικών µηνών) Παραγωγή ενέργειας µε κύκλους χαµηλής θερµοκρασίας

°ΠΟΛΥ ΠΥΚΝΟ

ΠΥΚΝΟ

ΑΡΑΙΟ

ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΣ ΠΥΘΜΕΝΑΣ

ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ


5

min 2c sRr θ

=

ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΕΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΟΧΟΣ: Αύξηση της ροής της ακτινοβολίας στο συλλέκτη ώστε να επιτευχθούν πολύ υψηλές θερµοκρασίες

Ικανότητα συµπύκνωσης: r

a

AAX =

Απορροφούµενη ισχύς Pabs = rc α l D Eb Ισχύς που χάνεται µε ακτινοβολία

( ) ( )4 2 1rad rP T r l ζε σ ππ

= −

Όπου

Επιφάνεια κάτοπτρου

Επιφάνεια συλλέκτη

ζ

θs

D

Rc

ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΣΥΛΛΟΓΗΣ

ΑΣΠΙ∆Α

ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΟ ΚΑΤΟΠΤΡΟ

ΗΛΙΟΣ

ψ


6

2 4s

c

DDR r

θψ = =

Όταν επιτευχθεί θερµοδυναµική ισορροπία, Pabs = Prad

( )

11 44

2 1c b

rr a E DT

rε σ π ζ π

= −

Η θερµοκρασία Τr µεγιστοποιείται όταν ζ π – ψ Επειδή

14

max 2 c br

s

r a ETε σ θ

=

Για τυπικές συνθήκες: Εb = 600 W m-2

rc = 0.8 θs = 4.6 10-3 rad σ = 5.67 10-8 W m-2 K-4 α = ε (νόµος του Kirchhoff)

Trmax = 1160 K

Απώλειες: Ατέλειες στο παραβολικό κάτοπτρο (θ > θs) Μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης κατά τις µη µεσηµβρινές ώρες

Απόσυρση θερµού νερού για χρήση Πρακτικά Τ ~ 700 °C


7


8

Παραβολικά κάτοπτρα εκ περιστροφής

Συνεχής παρακολούθηση της κίνησης του ήλιου για καθετοποίηση των ακτίνων Μεγάλες διαστάσεις Τεχνικές δυσκολίες για την κίνηση Μεµονωµένα κάτοπτρα:

παράγουν υψηλές θερµοκρασίες ~700 °C

δεν ενδείκνυνται για παραγωγή ηλεκτρισµού

Παράδειγµα: ∆ιάµετρος κατόπτρου 30 m παραγόµενη ισχύς: π(15 m2) (1 kW m-2) ~ 700 kW παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος 700 kW *0.3 = 210 kW (απόδοση ~30%)


9

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΗΛΙΑΚΑ ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΚΑΤΟΠΤΡΑ

1463 2 2

12

kJ mole−ΝΗ → Ν +Η


10

ΗΛΙΑΚΟΙ ΠΥΡΓΟΙ – ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ


11

ΗΛΙΑΚΟΙ ΦΟΥΡΝΟΙ

Συγκέντρωση µεγάλης πυκνότητας ενέργειας σε ένα σηµείο για επίτευξη εξαιρετικά υψηλών θερµοκρασιών (π.χ. Odellio Γαλία Τ = 33,000 °C)


12

ww o b r v e

dTmc E q q q qdt

τα= − − − −

Απώλειες θερµότητας: b: Βάση r: ακτινοβολία v: αγωγή e: εξάτµιση

LΗ2Ο = 2.4 ΜJ kg-1 Εο = 20 ΜJ m-2 day-1

MΗ2Ο = 8 kg-1 m-2 day-1

Τελική απόδοση συστήµατος ~ 60%

ΕΞΑΤΜΙΣΥΓΡΟΠΟΙΗΣΗ ΘΑΛΑΣΣΙΝΟ ΝΕΡΟ

ΑΦΑΛΑΤΙΣΜΕΝΟ ΝΕΡΟ


13

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

∆ιαφορά δυναµικού ~ 0.5 Volt

Παράγεται συνεχές ηλεκτρικό ρεύµα ~200 Α m-2

(για 1 kW m-2 ροή ηλιακής. ακτινοβολίας) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι πηγές ηλεκτρικού ρεύµατος όχι τάσης Το παραγόµενο ρεύµα µεταβάλλεται ακολουθώντας τις µεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας (συστηµατικές ή τυχαίες)


14

Αποδοτική χρήση της παραγόµενης ισχύος εξαρτάται από: • Αποτελεσµατική παραγωγή ενέργειας από το στοιχείο • ∆υναµικό συνδυασµό του φορτίου µε το εξωτερικό κύκλωµα

o Αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας για να µπορεί να χρησιµοποιηθεί αποτελεσµατικά

ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΦΩΤΟΝΙΩΝ Φωτοβολταϊκό φαινόµενο όταν: hν ≥ Εg Για φωτοβολταϊκά στοιχεία Si: Εg ≈ 1 eV

19 115

34

8 1

15

(1.1 )(1.6 10 ) 0.27 106.63 10

3.0 10 1.1 11000.27 10

gE eV J eVv Hzh J s

ms m nmHz

λ µ

− −

−

−

×> ≈ = ×

×

×< = =

×


15

A. Ενέργεια πολύ µικρή για φωτοβολταϊκή παραγωγή σε στοιχεία Si Β. Ενέργεια που χρησιµοποιείται για φωτοβολταϊκή παραγωγή Ψ. Επιπλέον ενέργεια που δεν χρησιµοποιείται Η αχρησιµοποίητη απορροφούµενη ενέργεια καταναλώνεται σαν θερµότητα


16

Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου εξαρτάται από το συνδυασµό του φάσµατος της ηλιακής ακτινοβολίας και του Εg του υλικού

ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ • Πλέγµα των ηλεκτροδίων (απώλειες ~3%) • Φωτόνια µικρότερης ενέργειας (hν < Εg) (απώλειες ~23%) • Επιπλέον ενέργεια φωτονίων (hν - Εg) (απώλειες ~33%) • Ικανότητα συλλογής (ποσοστό ζευγών οπών-ηλεκτρονίων που παράγουν ρεύµα) (απώλειες ~30%)

• Από ανακλάσεις (~40%) στην επιφάνεια (τελική απώλεια ~2%)

Τελική απόδοση ~ 14%


17

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Ανάγκη συνδυασµού περισσότερων του ενός (τυπικά 33 στοιχεία)

Σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας: Ηλεκτρικά στοιχεία + κύκλωµα

Προστασία από υπερφόρτιση

Προστασία από αποφόρτιση

Μέγιστο ρεύµα ~1.5Α Μέγιστο δυναµικό ~15V (ανοιχτό κύκλωµα)


18

ZΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ

ΣΤΟΙΧΕΙΟ

ΕΛΕΓΧΟΣ ΥΠΕΡΦΟΡΤΙΣΗΣΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ

ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟΦΟΡΤΙΣΗΣΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣΤΟΙΧΕΙΟ

ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥΣΤΟΙΧΕΙΟΥ

ΦΟΡΤΙΟ

Documents

ΗΛΙΑΚΑ ΚΑΤΟΠΤΡΑ