ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ...

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΤΙΚΟ Ι∆ΡΥΜΑ ΚΡΗΤΗΣ

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΧΑΝΙΩΝ - ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ∆ΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΙ

∆.ΚΟΛΟΚΟΤΣΑ

ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ε. Χ. ΣΩΤΗΡΟΠΟΥΛΟΣ

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φοιτητές Κυριάκο Αντωνάκη, Εύα Θεωδορίδου,

Βασίλη Κασσιµάτη και Ξανθή Μαργώνη του τµήµατος Φυσικών Πόρων και

Περιβάλλοντος του ΤΕΙ Κρήτης για την χρήσιµη βοήθειά τους στην σύνταξη και

ανάπτυξη των εργαστηριακών ασκήσεων

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1

3

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1: Μελέτη λειτουργίας

ανεµογεννήτριας

1.1 Θεωρητικό µέρος

Η ανεµογεννήτρια είναι ένα σύστηµα ηλεκτροµηχανικό το οποίο µπορεί να

εκµεταλλευτεί την ενέργεια του ανέµου ( αιολική ενέργεια ) και να δώσει στην έξοδο

της ηλεκτρική ενέργεια υπό µορφή συνήθως τριφασικής εναλλασσόµενης τάσης, για

τις µεγάλες και συνεχούς για τις µικρές.

Οι γνωστοί µας άνεµοι είναι αποτέλεσµα της ηλιακής ενέργειας και δηµιουργούνται

µεταξύ των διαφόρων περιοχών της γης , όπως συµβαίνει όταν ψυχρότερες µάζες αέρος

κινούνται από τις θάλασσες προς τις θερµότερες µάζες αέρος της στεριάς κατά την

διάρκεια της ηµέρας , ενώ το φαινόµενο αντιστρέφεται κατά την διάρκεια της νύκτας .

Η γνώση τώρα της µέσης ταχύτητας των ανέµων που πνέουν σε µια περιοχή είναι

ιδιαίτερης σηµασίας γιατί µας βοηθάει να εκτιµήσουµε την παραγόµενη ενέργεια από

κάθε συγκεκριµένο τύπο εµπορικής ανεµογεννήτριας.

Η ανεµογεννήτρια ( Α\Γ ) εκµεταλλεύεται την κινητική ενέργεια του ανέµου , µέσω της

φτερωτής της η οποία ενεργεί µε την περιστροφή της σαν να είχε άπειρο αριθµό

φτερών (άσχετα αν στη πραγµατικότητα έχει 2, 3 ή περισσότερα φτερά) .

Αν D είναι η διάµετρος της φτερωτής τότε η θεωρητική µέση ισχύς του ανέµου (Ραν.)σε

κάθε ταχύτητα του ανέµου (U) θα δίνεται στην επιφάνεια της θάλασσας και για

κανονική θερµοκρασία αέρα από τη σχέση :

( ) 2 30.49P W D Uα = ⋅ ⋅ (0.1)

Όµως η πραγµατική ισχύς (Ρ) που τελικά παίρνουµε στην έξοδο της γεννήτριας είναι

µειωµένη λόγω του ηλεκτρικού βαθµού απόδοσης nn≈0,9 , του µηχανικού βαθµού

απόδοσης nµηχ.≈0,9 και ενός συντελεστή ισχύος CP που λέγεται και «όριο του Betz» του

οποίου η µέγιστη θεωρητική τιµή είναι : CP =16/27≈ 0,593 ή 59,3% και η πραγµατική

τιµή του κυµαίνεται στην πράξη από 0.3 έως 0.5 ανάλογα µε τον τύπο και την ποιότητα


4

της φτερωτής . Ακόµη η τιµή του CP για κάθε Α/Γ εξαρτάται από το λόγο (λ) της του

ακροπτερυγίου της Α/Γ προς την γραµµική ταχύτητα του ανέµου U(m/sec) όπου:

( ) ( )sec

( )0,0523m

R n RPMD mU U

λ ω= ⋅ ≈ ⋅ (0.2)

n(RPM) =Στροφές Α/Γ ανά λεπτό

U(m/sec)=Ταχύτητα ανέµου

D(m) = ∆ιάµετρος φτερωτής

Στην πράξη για γρήγορες εκτιµήσεις της ισχύος εξόδου (Ρ) ,µιας µικρής αυτόνοµης Α/Γ

οριζόντιου άξονα µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε την παρακάτω εµπειρική σχέση (για

Α/Γ µε µέτρια απόδοση).

( ) ( ) ( ) ( ) 2

10

ms m

sU

P W D m U≈ ⋅ ⋅⎡ ⎤⎣ ⎦ (0.3)

Ο βαθµός απόδοσης της Α/Γ δίνεται από την παρακάτω σχέση:

maxΒαθµός απόδοσης Α/Γ (%) = L

wind

PP

(0.4)

1.2 Πειραµατικό µέρος

1.2.1 Πειραµατική διάταξη

Για την εκτέλεση του πειράµατος απαιτούνται τα εξής:

• Εκπαιδευτικό σύστηµα ΑΠΕ

• Τροφοδοσία 220 Volt

• ∆ιάφορες αντιστάσεις

• Ανεµόµετρο

• Αµπερόµετρα, Βολτόµετρα


5

1.2.1.1 Σχεδίαση χαρακτηριστικών καµπύλων I-V και P-V της Α/Γ

VA/Γ

Α

RLD(m)

Ανεµόµετρο

Αέρας

+

Σχ. 6.1. Πειραµατική διάταξη µέτρησης χαρακτηριστικών I-V και P-V Α/Γ

To πείραµα εκτελείται µε τα εξής βήµατα:

• Υλοποιούµε τη συνδεσµολογία του σχήµατος 6.1.

• Ξεκινάµε τον ανεµιστήρα της διάταξης και ρυθµίζουµε τις στροφές του έτσι

ώστε να αρχίσει να περιστρέφεται η ανεµογεννήτρια.

• Μετράµε την ταχύτητα του ανέµου που προκαλεί ο ανεµιστήρας.

• Μετράµε τη διάµετρο της ανεµογεννήτριας D.

• Υπολογίζουµε την ισχύ της ανεµογεννήτριας µε τη βοήθεια της σχέσης 6.3.

• Μεταβάλουµε την αντίσταση του φορτίου RL για διάφορες τιµές της ταχύτητας

του ανέµου και συµπληρώνουµε τον παρακάτω πίνακα

U≈ 4 m/s U≈ 6 m/s U≈ 8 m/s

a/a RL

(Ω)

U(V) I(A) P(W) U(V) I(A) P(W) U(V) I(A) P(W)

1

2

3

4

5

6


6

• Χαράσσουµε σε κατάλληλα βαθµονοµηµένους άξονες τις µεταβολές I-V και P-V

της Α/Γ για τις διάφορες τιµές των ταχυτήτων ανέµου και σηµειώνουµε το σηµείο

µέγιστης ισχύος για ταχύτητα ανέµου 6 m/s.

1.2.1.2 Yπολογισµός βαθµού απόδοσης της Α/Γ

Το πείραµα εκτελείται ακολουθώντας την εξής διαδικασία:

• Εκτελούµε τη συνδεσµολογία του σχήµατος 6.1.

• Ρυθµίζουµε τις λειτουργία του ανεµιστήρα ώστε να δίνει ταχύτητα ανέµου 6m/s και

µεταβάλλουµε το φορτίο RL από 400Ω σε 0 Ω καταγράφοντας τα µεγέθη τάση U,

ρεύµα I, αντίσταση RL και υπολογίζουµε την ισχύ PL.

• Χαράσσουµε την καµπύλη PL=f(RL).

• Υπολογίζουµε το σηµείο µέγιστης µεταφερόµενης ισχύος PLmax και την αντίστοιχη

τιµή της αντίστασης φορτίου RL η οποία σύµφωνα µε βασικό θεώρηµα της θεωρίας

κυκλωµάτων πρέπει να είναι ίση µε την ισοδύναµη εσωτερική αντίσταση RG της

Α/Γ , δηλαδή για PLmax πρέπει να είναι RL =RG .

Γενικά ισχύει PL= U•I =I2 •RL = LLG

RRR

E⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

2

Και για RL = RG θα έχουµε :

( )

2

44max

22

EU

IUR

ER

EPGL

L

=

⋅===

• Υπολογίστε το βαθµό απόδοσης της Α/Γ µε χρήση της σχέσης 6.4.

• Ποιο το Pmax , σε ποια R εµφανίζεται.

• Υπολογίστε την εσωτερική αντίσταση RG της Α/Γ.

• Ποιος ο βαθµός απόδοσης της Α/Γ.

• Σχεδιάστε το Pmax=f(U), και συγκρίνεται στο ίδιο διάγραµµα τις τιµές που

προκύπτουν από τον εµπειρικό τύπο.


7

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2: Υπολογισµός

απόδοσης ηλιακού συλλέκτη


2.1.1 Γενικά

Μετά την κρίση του πετρελαίου το 1973, παρατηρήθηκε µια σηµαντική δραστηριότητα

στον τοµέα των θερµικών χρήσεων της ηλιακής ενέργειας στην Ελλάδα, που από το

1974 έχουν περάσει στο εµπορικό στάδιο. Σήµερα στην Ελλάδα, υπάρχουν

περισσότεροι από 150 κατασκευαστές ηλιακών θερµοσιφώνων και συστηµάτων

παραγωγής ζεστού νερού χρήσης. Ορισµένοι από αυτούς εξάγουν τα προϊόντα τους.

Κατά ένα πρόχειρο υπολογισµό, η χρήση ηλιακού θερµοσίφωνα στο 20% των

νοικοκυριών, θα καλύψει το 2% περίπου του ενεργειακού µας ισοζυγίου. Αυτή τη

στιγµή, η Ελλάδα διαθέτει το µεγαλύτερο αριθµό εγκατεστηµένων ηλιακών

θερµοσιφώνων ανά κάτοικο σε ολόκληρη την Ευρώπη και µάλιστα σε εµπορικά κτίρια

(κυρίως ξενοδοχεία). Χρήσιµη πείρα έχει αποκτηθεί από όλες αυτές τις εγκαταστάσεις

και έτσι οι Έλληνες κατασκευαστές είναι σε θέση να αναλάβουν πολύπλοκες ηλιακές

εγκαταστάσεις για εµπορικές εφαρµογές. Με την αύξηση της παραγωγής µειώθηκε και

το κόστος των ηλιακών θερµοσιφώνων.

Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζεται µε απλό τρόπο το ενεργειακό ισοζύγιο ενός

ηλιοθερµικού συστήµατος:

Qεισ. Qαπ. Qx

Qα,σ Qα,α

ΗΛΙΑΚΟΣΣΥΛΛΕΚΤΗΣ

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ

Σχ. 2.1. Ενεργειακό ισοζύγιο ηλιοθερµικού συστήµατος

Το ενεργειακό ισοζύγιο του συλλέκτη είναι:

εισ α,σ απQ = Q + Q (7.1)


8

όπου:

Qεισ.: ενέργεια εισόδου - ηλιακή ενέργεια που παρέχεται στο συλλέκτη

Qα,σ: απώλειες συλλέκτη

Qαπ: ενέργεια αποθήκευσης

2.1.2 Επίπεδος συλλέκτης Στους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες δεν γίνεται οπτική συγκέντρωση των ηλιακών

ακτινών και η ηλιακή ενέργεια - άµεση, έµµεση και ανακλώµενη - απορροφάται

κατευθείαν και µετατρέπεται σε θερµότητα στην απορροφητική επιφάνεια.

Ένας επίπεδος ηλιακός συλλέκτης αποτελείται από τα εξής µέρη (Σχ. 2.2.):

• Την καλύπτουσα το συλλέκτη διαφανή επιφάνεια ή το διαφανές κάλυµµα, που

µπορεί να αποτελείται από ένα, δύο ή και περισσότερες διαφανείς πλάκες από

γυαλί ή πλαστικό.

• Την φωτοαπορροφητική πλάκα που απορροφά την ηλιακή ενέργεια και είναι

µια ειδικά επεξεργασµένη µεταλλική επιφάνεια βαµµένη µε ειδική βαφή

µαύρου χρώµατος για ν’ απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία.

• Τους σωλήνες που είναι σε επαφή µε την απορροφητική πλάκα µέσα στους

οποίους κυκλοφορεί το ρευστό που απάγει τη θερµική ενέργεια από την

απορροφητική πλάκα.

• Τη µόνωση στην πίσω και στις πλάγιες πλευρές του συλλέκτη.

• Το περίβληµα που συνήθως είναι µεταλλικό ή πλαστικό, ενοποιεί την

κατασκευή και προστατεύει το συλλέκτη από τις συνθήκες του περιβάλλοντος.

Ο προσανατολισµός του συλλέκτη πρέπει να είναι πάντα προς το νότο (για χώρες του

βορείου ηµισφαιρίου όπως η Ελλάδα), η δε βέλτιστη γωνία κλίσης του συλλέκτη µε το

οριζόντιο επίπεδο, για λειτουργία του ηλιοθερµικού συστήµατος καθ’όλο το χρόνο,

βρίσκεται αν στο γεωγραφικό πλάτος (Γ.Π.) του τόπου προσθέσουµε 5-100. Π.χ. για

την Κρήτη µε Γ.Π. 350, βέλτιστη γωνία κλίσης του συλλέκτη είναι 40-450.


9

∆ιαφανές κάλυµµα Σωληνώσεις κυκλοφορίας ρευστού

Φωτοαπορροφητική πλάκα Μόνωση Περίβληµα

συλλέκτη

Σχ. 2.2. Τοµή επίπεδου ηλιακού συλλέκτη

Θερµική αποθήκη είναι ο χώρος που αποθηκεύεται το ζεστό νερό πριν από τη χρήση

του. Κρίσιµα χαρακτηριστικά της αποθήκης νερού είναι: ο όγκος και το σχήµα της (σε

σχέση και µε την ωφέλιµη επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη), το υλικό κατασκευής και

η ποιότητα µόνωσής της.

2.1.3 Ηλιακό σύστηµα ανοικτού τύπου για παραγωγή θερµού νερού

Ονοµάζουµε ανοικτό κάθε ηλιακό σύστηµα, στο οποίο το ρευστό που κυκλοφορεί στον

συλλέκτη κυκλοφορεί και στη θερµική αποθήκη (Σχ. 2.3.).

Στο σχήµα 2.3 το κρύο νερό προσάγεται στο κάτω µέρος της δεξαµενής, το οποίο ως

ειδικά βαρύτερο κατεβαίνει στο µονωµένο σωλήνα, έρχεται στο συλλέκτη, θερµαίνεται

και ανεβαίνει στο πάνω µέρος της δεξαµενής από όπου και οδεύει για χρήση όποτε

χρειαστεί. Η κυκλοφορία του νερού είναι φυσική, στηριζόµενη στη διαφορά ειδικού

βάρους µεταξύ κρύου και ζεστού νερού και η δεξαµενή τοποθετείται λίγο ψηλότερα

από το συλλέκτη για να εξασφαλίζει φυσική κυκλοφορία. Η δεξαµενή και οι σωλήνες

που τη συνδέουν µε τον ηλιακό συλλέκτη πρέπει να είναι µονωµένοι, αλλά και οι

σωλήνες προσαγωγής προς την κατανάλωση, για να µπορεί να εκµεταλλευθεί κανείς

αποτελεσµατικά τη φυσική κυκλοφορία και να έχει µικρές θερµικές απώλειες. Τα

ηλιακά συστήµατα ανοικτού τύπου προορίζονται µόνο για οικιακή χρήση και συνήθως

ο συλλέκτης τους έχει επιφάνεια από 2 έως 4 m2. Το νερό θερµαίνεται σε θερµοκρασία

από 300C έως 600C.


10

Ηλιακός συλλέκτης

∆οχείονερού

Θερµό νερό

Κρύο νερό

Σύνδεση µε λέβητα

Κυκλοφορητής

Σχ. 2.3 Ηλιακός συλλέκτης ανοιχτού τύπου



• Ηλιακός θερµοσίφωνας ανοικτού τύπου χωρητικότητας 50 lt.

• 4 ψηφιακά θερµόµετρα ακριβείας.

• 1 θερµόµετρο µέτρησης εξωτερικής θερµοκρασίας.

• 1 πυρανόµετρο.

2.2.2 Εκτέλεση του πειράµατος

2.2.2.1 Υπολογισµός βαθµού απόδοσης του συλλέκτη

Η εκτέλεση του πειράµατος απαιτεί τα εξής βήµατα:

• Τοποθετούµε τον ηλιακό συλλέκτη σε εξωτερικό χώρο και µε τη βοήθεια

πυξίδας τον προσανατολίζουµε στο Νότο.

• Μετράµε τις θερµοκρασίες του νερού στο δοχείο συλλογής.

• Μετράµε τις θερµοκρασίες εισόδου και εξόδου του νερού στο συλλέκτη.

• Παίρνουµε τη µέτρηση της θερµοκρασίας περιβάλλοντος τη δεδοµένη ώρα από

το µετεωρολογικό σταθµό του ΤΕΙ.


11

• Περιµένουµε να θερµανθεί το νερό στο συλλέκτη για περίπου 1h και

καταγράφουµε την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο συλλέκτη ανά 10

min µε τη βοήθεια του πυρανόµετρου.

• Στο τέλος της 1h καταγράφουµε και πάλι τις θερµοκρασίες στα 4 θερµόµετρα

που είναι προσαρµοσµένα στο συλλέκτη.

• Υπολογίζουµε την απόδοση του συλλέκτη µε τη βοήθεια της σχέσης:

( ) συλ

εισ

Απόδοση συλλέκτη % QQ

= (7.2)

όπου: εισQ P t= ⋅ , συλQ mc= ∆Τ (7.3)

P: Μέση ηλιακή ακτινοβολία (Watt/m2)

t: Χρόνος έκθεσης στον ήλιο (sec)

∆T: Η µεταβολή της θερµοκρασίας του νερού που εξέρχεται από στο συλλέκτη στο

διάστηµα της 1h.

m: Η µάζα του νερού στο συλλέκτη (gr).

c: H ειδική θερµοχωρητικότητα του νερού (1cal/gr°C)

Qεισ: Η ενέργεια που προσφέρεται στο συλλέκτη από τον ήλιο στο χρονικό διάστηµα

της 1h.

1Joule = 1Watt sec

1cal=4.2 Joule


12

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3: Σχεδιασµός

χαρακτηριστικών καµπύλων Φωτοβολταϊκής

γεννήτριας


3.1.1 Εισαγωγή

Τα φωτοβολταϊκά (φ/β) στοιχεία κατασκευάζονται από ηµιαγωγούς. Οι ηµιαγωγοί

εµφανίζουν ηλεκτρική αγωγιµότητα κάτω από ορισµένες συνθήκες. Στη θεµελιώδη

ενεργειακή κατάσταση όλα τα ηλεκτρόνια είναι δεσµευµένα µε αποτέλεσµα να µην

υπάρχουν ελεύθεροι φορείς του ηλεκτρικού ρεύµατος. Όταν όµως οι ηµιαγωγοί

απορροφήσουν κάποια ποσότητα ενέργειας (είτε θερµική είτε σε µορφή

ακτινοβολίας) τα δεσµευµένα ηλεκτρόνια διεγείρονται και αποµακρύνονται από την

περιοχή του δεσµού τους γίνονται ευκίνητοι φορείς και δίνουν στον ηµιαγωγό

αγωγιµότητα.

Οι ηµιαγωγοί (επαφές p-n) στο φ/β στοιχείο έχουν τη µορφή δίσκου. Η πρόσπτωση

της ηλιακής ακτινοβολίας στο δίσκο παρέχει την απαιτούµενη ενέργεια στους φορείς

ώστε να απελευθερωθούν από το χηµικό τους δεσµό µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται

περίσσεια από ζεύγη φορέων (ηλεκτρόνια και οπές). Οι φορείς κινούνται στο στερεό

και µπορεί να βρεθούν στην περιοχή της επαφής p-n από όπου και εκτρέπονται προς

το τµήµα τύπου p τα ηλεκτρόνια και προς το τµήµα τύπου n οι οπές. Αυτό έχει σαν

αποτέλεσµα τη δηµιουργία διαφοράς δυναµικού ανάµεσα στις δύο όψεις του δίσκου

και η όλη διάταξη αποτελεί µια πηγή ηλεκτρικού ρεύµατος που

διαρκεί όσο υπάρχει η ηλιακή ακτινοβολία. Το φαινόµενο που περιγράφηκε

ονοµάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόµενο και είναι η αρχή λειτουργίας του φ/β

στοιχείου.

Όπως φαίνεται και στο Σχ. 3.1 το φ/β στοιχείο αποτελείται από τον υαλοπίνακα

προστασίας που είναι από υλικό χαµηλής ανακλαστικότητας και µεγάλης αντοχής,

την πάνω (front contact) και κάτω επαφή (back contact) για την εισροή και έξοδο

των ηλεκτρονίων και τα στρώµατα των ηµιαγωγών για την κίνηση των ηλεκτρονίων


13

µέσα στο στερεό. Το ρεύµα που δηµιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων και

το οποίο είναι ανάλογο µε τα φωτόνια που απορροφά το στοιχείο ονοµάζεται

φωτόρευµα.

AV

RLΦορτίο

Αρνητικόςακροδέκτης

Θετικόςακροδέκτης

Ροή ηλεκτρονίων

Ροή ρεύµατος

ΗλεκτρικέςΕπαφές

Φώς

Ένωση ( Ρ)

Αρνητικόστρώµα

( τύπος Ν )

Θετικό στρώµα ( τύπος Ρ )

οπές

Σχήµα 3.1. Η αρχή λειτουργίας της φωτοβολταϊκής γεννήτριας

Οι φ/β γεννήτριες είναι µια ενδεχόµενη επιλογή της τεχνολογίας ηλεκτροδότησης σε

εφαρµογές όπως είναι οι παρακάτω:

♦ Τηλεπικοινωνιακά συστήµατα.

♦ Μετεωρολογικά όργανα.

♦ Καθοδική προστασία.

♦ Συστήµατα ασφαλείας.

♦ Άντληση νερού.

♦ Τροφοδότηση άλλων φορτίων αυτόνοµα ή σε διασύνδεση µε το εθνικό

δίκτυο.

Για τις περισσότερες εφαρµογές η τάση των 0,5 V περίπου που παράγει το Φ/Β

κύτταρο είναι ανεπαρκής . Εποµένως υπάρχει ανάγκη να συνδεθούν σε σειρά

(30 ή 32 ή 33 ή 36 ή 44) Φ/Β κύτταρα ώστε να σχηµατισθεί η γνωστή στεγανή

εµπορική µορφή (module) µε τάση ανοιχτοκύκλωσης Voc =18V έως 26V η οποία

µε την τοποθέτηση ενός εξωτερικού πλαισίου αποκτά µηχανική αντοχή µε

υποδοχές στήριξης και το σύνολο ονοµάζεται Φ/Β πλαίσιο ή πάνελ.


14

3.1.2 Χαρακτηριστικές καµπύλες I-V, P-V

Για σταθερή τιµή της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο Φ/Β και σταθερή θερµοκρασία

η χαρακτηριστική ( I-V ) φαίνεται στο σχήµα 3.2. όπου έχει σηµειωθεί και η

µεταβολή της ισχύος P=I V που παράγεται από το Φ/Β κύτταρο για τις διάφορες τιµές

( I-V ) οι οποίες επιβάλλονται από την µεταβολή της αντίστασης φορτίου ( RL ) από

0Ω µέχρι ∞Ω.

H ισχύς αιχµής ορίζεται ως η παραγόµενη µέγιστη ηλεκτρική ισχύ όταν το φ/β πλαίσιο

δεχτεί ηλιακή ακτινοβολία 1kW/m2.

Σχήµα 3.2. Χαρακτηριστικές Ι-V και P-V



Η πειραµατική διάταξη αποτελείται από τα εξής:

• 1 Φ/Β πλαίσιο ισχύος 53 Watt

• 1 ροοστάτη, βολτόµετρα, αµπερόµετρα

3.2.2 Εκτέλεση πειράµατος

Υλοποιούµε την σύνδεση της εξόδου του Φ/Β µε το µεταβλητό ωµικό φορτίο (RL) µε

παρεµβολή των οργάνων όπως φαίνεται στο παρακάτω ισοδύναµο κύκλωµα (σχ. 3.3.)

V 15 V oc =20

(MPP) P max

3A

0

2,4 1,8

1,2 0,6

5 10

30

15

I-V P-V

P(W) I(A)


15

V

A + -+

+ +

- -

-

Φ/Β RL

Πηγή

Σχήµα 3.3.Ισοδύναµο κύκλωµα

Φωτίζουµε το φ/β πλαίσιο και καταγράφουµε την προσπίπτουσα ακτινοβολία µε τη

χρήση του πυρανόµετρου. Kαταγράφουµε στον παρακάτω πίνακα τις ενδείξεις του

αµπεροµέτρου και του βολτοµέτρου για τις διάφορες τιµές της αντίστασης φορτίου από

RL=∞Ω έως RL=0Ω περιστρέφοντας το ποντεσιόµετρο του κυκλώµατος.

Ηλιακή ακτινοβολία E = Watt/m2

α/α IV

LR = V(Volt) I(A) IVP ⋅= (W)

1 ∞ Voc

2

3

4

5

6 0 Isc

1. Χαράζουµε σε κατάλληλα βαθµονοµηµένους κοινούς άξονες τις

χαρακτηριστικές µεταβολές Ι-V, P-V των οποίων η µορφή φαίνεται στο Σχ.3.2.

2. Από τις προηγούµενες γραφικές παραστάσεις να εκτιµηθούν, το σηµείο

µέγιστης ισχύος ΡΜΡΡ και η τιµή της αντίστασης φορτίου που αντιστοιχεί σ’αυτό

το σηµείο.

3. Να υπολογιστεί ο βαθµός απόδοσης του Φ/Β µε τη βοήθεια των παρακάτω

σχέσεων.

/

Μέγιστη ισχύς που παράγει το φ/βΒαθµός απόδοσης φ/β = 100 100 %Ισχύς που προσπίπτει στο φ/β

MPPPPΦ Β

= (3.1)

/PΦ Β = Ε⋅Α όπου Α το εµβαδό του Φ/Β πλαισίου

Pήλιου

Pήλιου


16

4. Επαναλάβατε την ίδια διαδικασία για χαµηλότερη φωτεινότητα. Τι παρατηρείται

ως προς τη µέγιστη ισχύ; Συγκρίνετε µε την ισχύ αιχµής.

17

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 4: Φωτοβολταϊκά Στοιχεία από

άµορφο και πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο

4.1. Θεωρητικό µέρος. Οι ηµιαγωγοί είναι τα υλικά που χρησιµοποιούνται στην κατασκευή των ηλεκτρονικών

υπολογιστών, των φωτοανιχνευτών και στα υπό µελέτη Φωτοβολταϊκά στοιχεία. Σε όλα τα στερεά τα άτοµα έχουν καθορισµένες θέσεις και ταλαντεύονται λίγο,

ανάλογα µε την ενέργεια που τους έχει δοθεί. Γι αυτό, τα στέρεα έχουν καθορισµένο σχήµα το οποίο πολύ δύσκολα µπορεί να µεταβληθεί. Ο τρόπος µε τον οποίο συµπεριφέρονται τα στερεά εξαρτάται από την εσωτερική δοµή των ατόµων τους και τον τρόπο που συγκρατούνται τα άτοµα µεταξύ τους. ∆ιακρίνονται τρεις κατηγορίες στερεών ανάλογα µε την δοµή τους. α) Κρυσταλλικά και Πολυκρυσταλλικά στερεά. Στην κρυσταλλική δοµή υπάρχει κανονικότητα και τα άτοµα κατέχουν ορισµένες θέσεις στο χώρο ώστε να σχηµατίζουν κρύσταλλο γεωµετρικού σχήµατος όπως για παράδειγµα είναι το κρυσταλλικό πυρίτιο. Στη πολυκρυσταλλική δοµή υπάρχουν πολλοί µικροί κρύσταλλοι προσανατολισµένοι κατά διαφορετικές διευθύνσεις όπως για παράδειγµα είναι τα µέταλλα και το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο.

Σχήµα 4.1. Κρυσταλλική και Πολυκρυσταλική δοµή στο

πυρίτιο

18

β) Άµορφα στερεά Στα στερεά αυτά δεν υπάρχει κανονική εσωτερική δοµή και παροµοιάζονται µε υγρά που έχουν πολύ µεγάλη εσωτερική τριβή ώστε να µη κινούνται σχεδόν καθόλου όπως για παράδειγµα είναι το γυαλί και το άµορφο πυρίτιο (σχήµα 4.2).

.

Σχήµα 4.2. Θέσεις ατόµων στο άµορφο Πυρίτιο

γ) Πολυµερή στερεά Στα στερεά αυτά µόρια σχηµατίζουν µεγάλες αλυσίδες και κάθε µια περιέχει πολύ µεγάλο αριθµό ατόµων που µπορεί να φτάσουν τις 10.000. Παράδειγµα τέτοιων µορίων είναι το πολυαιθυλένιο (σχήµα 4.3) και το λάστιχο (σχήµα 4.4). Οι αλυσίδες των µορίων συγκρατούνται µεταξύ τους µε διάφορους τρόπους και ανάλογα µε τη σύνδεση τους έχουν και διαφορετική αντοχή.

Σχήµα 4.4. Στο λάστιχο τα άτοµα του άνθρακα

σχηµατίζουν µεγάλες αλυσίδες που µπλέκονται.

Σχήµα 4.3

19

4.2. Κατασκευή Φωτοβολταϊκών Στοιχείων και Πλαισίων.

Το στοιχείο που χρησιµοποιείται στην κατασκευή φ/β στοιχείων ευρείας κατανάλωσης είναι το πυρίτιο σε όλες τις µορφές του: κρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό και άµορφο. Στο κρυσταλλικό πυρίτιο τα άτοµα είναι τοποθετηµένα σε ορισµένη κανονική δοµή

που επαναλαµβάνεται σε όλο το στερεό, (σχήµα 4.5)

Σχήµα 4.5. Στο κρυσταλλικό Πυρίτιο τα άτοµα είναι τοποθετηµένα σε ορισµένη

κανονική δοµή.

Στο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο η κρυσταλλική δοµή δεν είναι η ίδια σε όλο το στερεό αλλά παίρνει διαφορετικό προσανατολισµό σε διάφορες περιοχές του στερεού που χωρίζονται µεταξύ τους µε συγκεκριµένες νοητές γραµµές, (σχήµα 4.6).

Σχήµα 4.6. Στο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο η κρυσταλλική δοµή παίρνει διαφορετικό προσανατολισµό στις διάφορες περιοχές του στερεού.

20

Στο άµορφο πυρίτιο τα άτοµα καταλαµβάνουν τυχαίες θέσεις και η δοµή του είναι

εντελώς ακανόνιστη (Σχήµα 4.7)

Σχήµα 4.7. Η δοµή του άµορφου πυριτίου είναι εντελώς ακανόνιστη.

Σχήµα 4.8. Μορφή Φ/Β (α) µονο-κρυσταλλικού, (β) πολυ-κρυσταλλικού και (γ)

άµορφου Πυρίτιου. Στο άµορφο παρατηρούµε ότι οι κυψελίδες έχουν τη µορφή

παράλληλων ταινιών.

Γενικά ακολουθούνται τέσσερα στάδια κατά την κατασκευή φ/β στοιχείων πυριτίου

και πλαισίων. Το πρώτο στάδιο περιλαµβάνει την κατασκευή των κρυστάλλων,

21

πολυκρυστάλλων ή άµορφου πυριτίου. Ακολουθεί η αποκοπή ή ο σχηµατισµός

λεπτών στρωµάτων από τα υλικά αυτά και η εισαγωγή σε αυτά µικρών ποσοτήτων

άλλων στοιχείων (προσµείξεις) για να σχηµατιστεί το η-πυρίτιο ή ρ-πυρίτιο. Μετά

ακολουθεί η συγκόλληση µεταλλικών ηλεκτροδίων στις δύο επιφάνειες των

στρωµάτων και η επικάλυψη τους µε κατάλληλο υλικό που εµποδίζει την ανάκλαση

του φωτός. Το τελευταίο στάδιο περιλαµβάνει την κατασκευή πλαισίου φ/β

στοιχείων µε σκοπό την προστασία τους από τις φυσικές και χηµικές µεταβολές που

γίνονται συνεχώς στην ατµόσφαιρα.

Στο πολυκρυσταλλικό ο βαθµός απόδοσης κυµαίνεται µεταξύ 17 έως 20 % για την

κυψέλη και 10 έως 14 % για το πλαίσιο. Χρώµα γαλάζιο – µαύρο.

Στο άµορφο ο βαθµός απόδοσης κυµαίνεται µεταξύ 6 έως 8 %. Χρώµα καφέ.

4.3. Πειραµατικό µέρος

Πειραµατική διάταξη

Η πειραµατική διάταξη αποτελείται από τα εξής:

• 1 Φ/Β πλαίσιο ισχύος 53 Watt πολυκρυσταλλικό και ένα 15W άµορφο

• 1 ροοστάτη, βολτόµετρα, αµπερόµετρα

Εκτέλεση πειράµατος

Υλοποιούµε την σύνδεση της εξόδου του Φ/Β µε το µεταβλητό ωµικό φορτίο (RL) µε

παρεµβολή των οργάνων όπως φαίνεται στο παρακάτω ισοδύναµο κύκλωµα (σχ. 4.9.)

V

A + -+

+ +

- -

-

Φ/Β RL

Πηγή

Σχήµα 4.9. Ισοδύναµο κύκλωµα

Φωτίζουµε το φ/β πλαίσιο και καταγράφουµε την προσπίπτουσα ακτινοβολία µε τη

χρήση του πυρανόµετρου. Kαταγράφουµε στον παρακάτω πίνακα τις ενδείξεις του

22

αµπεροµέτρου και του βολτοµέτρου για τις διάφορες τιµές της αντίστασης φορτίου από

RL=∞Ω έως RL=0Ω περιστρέφοντας το ποντεσιόµετρο του κυκλώµατος.

Αυτή η εργασία γίνεται και για τα δύο Φ/Β.

Ηλιακή ακτινοβολία E = Watt/m2

α/α IV

LR = V(Volt) I(A) IVP ⋅= (W)

1 ∞ Voc

2

3

4

5

6 0 Isc

Χαράζουµε σε κατάλληλα βαθµονοµηµένους κοινούς άξονες τις

χαρακτηριστικές µεταβολές Ι-V, P-V των οποίων η µορφή φαίνεται στο

Σχ.3.2.

Από τις προηγούµενες γραφικές παραστάσεις να εκτιµηθούν, το σηµείο

µέγιστης ισχύος ΡΜΡΡ και η τιµή της αντίστασης φορτίου που αντιστοιχεί

σ’αυτό το σηµείο.

Να υπολογιστεί ο βαθµός απόδοσης του Φ/Β µε τη βοήθεια των παρακάτω

σχέσεων.

/

Μέγιστη ισχύς που παράγει το φ/βΒαθµός απόδοσης φ/β = 100 100 %Ισχύς που προσπίπτει στο φ/β

MPPPPΦ Β

= (4.1)

/PΦ Β = Ε⋅Α όπου Α το εµβαδό του Φ/Β πλαισίου

Pήλιου

Pήλιου

23

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5: Υπολογισµός

ρεύµατος βραχυκύκλωσης και τάσης ανοιχτοκύκλωσης

Φ/Β πλαισίου, συναρτήσει της έντασης της ηλιακής

ακτινοβολίας και της κλίσης

5.1 Θεωρητικό µέρος Ένα πραγµατικό Φ/Β κύτταρο είναι µία πηγή συνεχούς ρεύµατος η οποία ελέγχεται

από τη δίοδο ( Ρ–Ν ) και ακόµη περιλαµβάνει δύο ισοδύναµες ωµικές αντιστάσεις ,

µία παράλληλη αντίσταση (Rsh ) µε τιµή >500 Ω που προέρχεται από την διαρροή τις

διόδου ( D ) και µία εν σειρά αντίσταση ( Rs ) µε τιµή < 5Ω η οποία προέρχεται από

τις ηλεκτρικές επαφές και τους αγωγούς συνδεσµολογίας.

Το απλοποιηµένο ισοδύναµο κύκλωµα (Rsh=∞ Rs=0 )ενός πραγµατικού Φ/Β κυττάρου

φαίνεται στο παρακάτω σχήµα 5.1.

Ιph ID I

Σχήµα 5.1. Απλοποιηµένο ισοδύναµο κύκλωµα του Φ/Β

Τα Φ/Β κύτταρα είναι ηλεκτρονικές πηγές συνεχούς ρεύµατος µε µη γραµµική

χαρακτηριστική συνάρτηση µεταβολής του ρεύµατος φορτίου (I) µε την τάση

φορτίου (V) µία τυπική περίπτωση Φ/Β κυττάρου ενεργού επιφανείας Α = 10cm2 και

πυκνότητας ρεύµατος 30 mA/cm2 .

Η χαρακτηριστική καµπύλη ( I-V ) προκύπτει γραφικά µε χρήση σχέσης:

ph DI I I− = (5.1)

Εδώ πρέπει να σηµειωθεί ότι επιτρέπεται η βραχυκύκλωση ενός Φ/Β κυττάρου χωρίς

κίνδυνο καταστροφής του, η τιµή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης ( Isc ) αποτελεί

χαρακτηριστική τιµή καθώς και η τάση ανοικτού κυκλώµατος ( Voc ) .

24



Για την εκτέλεση του πειράµατος είναι απαραίτητα τα παρακάτω όργανα:

• ∆ιάταξη µετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική.

• Βολτόµετρο, αµπερόµετρο, πυρανόµετρο


Ορίζουµε σαν γωνία πρόσπτωσης της δέσµης φωτός τη γωνία (φ) που σχηµατίζει η

δέσµη µε την κάθετη της επιφάνειας του Φ/Β .

Φωτίζουµε κάθετα (φ=00 ) την επιφάνεια του Φ/Β µε φωτισµό γνωστής ακτινοβολίας

(W/m2) και στη συνέχεια συµπληρώνουµε τον παρακάτω πίνακα µετρήσεων µε την

τιµή του ρεύµατος βραχυκύκλωσης (ΙSC) όταν η έξοδος του Φ/Β είναι βραχυκυκλωµένη

(RL=0Ω) και η τιµή της τάσης ανοικτοκύκλωσης (Voc) όταν η έξοδος είναι χωρίς

φορτίο ( RL ≈∞) . Τα προηγούµενα επαναλαµβάνονται και για τις υπόλοιπες γωνίες

(300,450 , 600, 900 ), για δύο διαφορετικές εντάσεις ηλιακής ακτινοβολίας, Ε1 και Ε2.

φ=00 φ=300 φ=450 φ=600 φ=900

Ε1(W/m2)

Ε2(W/m2)

ISC VOC ISC VOC ISC VOC ISC VOC ISC VOC

Για Ε1

Για Ε2

Μετρήστε τη θερµοκρασία περιβάλλοντος και κατασκευάστε τα αντίστοιχα

διαγράµµατα για διάφορες τιµές ηλιακής ακτινοβολίας [I=f(V) για τις Ε1 & Ε2 για

φ=0ο, I=f(V) για την Ε1 και για όλες τις φ και I=f(V) για την Ε2 και για όλες τις φ],

σηµειώνοντας τις παρατηρήσεις σας.

Συγκρίνεται τα διαγράµµατά σας µε αυτά που ακολουθούν.

25

Γνωρίζοντας ότι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιµένο επίπεδο µας δίνεται

από τη σχέση Βκ = Βπ /συνφ, υπολογίστε την για τις διάφορες γωνίες φ, και σχολιάστε

τις τιµές της σε σχέση µε τις πειραµατικές.

Παρακάτω δίνονται χαρακτηριστικές καµπύλες I=f(V) και W=f(V) φωτοβολταϊκού

στοιχείου σε σταθερή θερµοκρασία 0οC και χαρακτηριστικές καµπύλες I=f(V) και

W=f(V) φωτοβολταϊκού στοιχείου όταν η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (Ε) είναι

σταθερή 1000 W/m2

ΚΑΜΠΥΛΕΣ I=f(V) και W=f(V) f (E), για Τ = 00 C

Σχ. 4.2: Χαρακτηριστικές καµπύλες I=f(V) και W=f(V) φωτοβολταϊκού στοιχείου σε

θερµοκρασία 0οC

ΚΑΜΠΥΛΕΣ I=f(V) και W=f(V) f (T), για E = 1000 W/m2

Σχήµα 4.3: Χαρακτηριστικές καµπύλες I=f(V) και W=f(V) φωτοβολταϊκού στοιχείου όταν η

προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία είναι 1000 W/m2

26

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6: Αυτόνοµο Φ/Β

σύστηµα για τροφοδοσία οικιακού καταναλωτή


Σκοπός του πειράµατος είναι η κατανόηση του τρόπου συνεργασίας των στοιχείων

ενός αυτόνοµου Φ/Β συστήµατος συγκεκριµένης απόδοσης, ανεξάρτητου από το

εθνικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας.

Για τη λειτουργία ενός αυτόνοµου φ/β συστήµατος είναι απαραίτητα τα εξής:

• Φ/Β γεννήτρια

• Ρυθµιστής φόρτισης/εκφόρτισης

• Συσσωρευτής

• Μετατροπέας

• Κατανάλωση

Η διάταξη ενός Φ/Β συστήµατος φαίνεται στο παρακάτω σχήµα (Σχήµα 6.1.)

Σχ. 6.1. ∆ιάταξη Φ/Β συστήµατος

Παρακάτω περιγράφονται τα στοιχεία της διάταξης του σχήµατος 5.1

1. Φωτοβολταϊκή γεννήτρια

Σε ένα αυτόνοµο σύστηµα το µέγεθος µιας Φ/Β γεννήτριας εξαρτάται από τις ενεργειακές ανάγκες του

καταναλωτή. Από την άλλη πλευρά η εκµετάλλευση της ενέργειας της γεννήτριας εξαρτάται σε µεγάλο

βαθµό από την ηλιακή ακτινοβολία και την εξωτερική θερµοκρασία. Ο συνδυασµός χαµηλού κόστους

27

και σωστής λειτουργίας ενός συστήµατος προϋποθέτει ιδιαίτερη προσοχή στην µελέτη και εκλογή

όλων των στοιχείων. Η εκλογή των στοιχείων του συστήµατος, ο προσανατολισµός και η γωνία κλίσης

(tilt angle) της Φ/Β γεννήτριας παίζουν σηµαντικό ρόλο. Για την επίτευξη µεγάλων αποδόσεων, τα

modules συνδέονται σε σειρά και παράλληλα. Επίσης βασική είναι και η αντικεραυνική προστασία

ολόκληρης της εγκατάστασης (εσωτερική και εξωτερική). Απαραίτητη τέλος είναι µια ενδιάµεση

αποθήκευση ενέργειας (συσσωρευτές) έτσι ώστε να εξασφαλίζεται αδιάλειπτα ενέργεια στον

καταναλωτή.

2. Ρυθµιστής φόρτισης/εκφόρτισης

Με την βοήθεια του ρυθµιστή φόρτισης / εκφόρτισης επιτυγχάνουµε η τάση της µπαταρίας να µην

υπερβαίνει και να µην βρίσκεται κάτω από το κανονικό κατά την φόρτιση και εκφόρτιση της. Η

σταθεροποίηση της τάσης βοηθάει στην ασφαλή λειτουργία του συσσωρευτή, για το λόγο αυτό ο

ρυθµιστής χρησιµοποιείται µεταξύ Φ/Β γεννήτριας και µπαταρίας. Υπάρχουν διάφορα είδη ρυθµιστών.

Στο συγκεκριµένο πείραµα χρησιµοποιούµε ρυθµιστή φόρτισης / εκφόρτισης δύο σηµείων που

συνδέεται απευθείας στην Φ/Β γεννήτρια. Αυτό σηµαίνει ότι η τάση της γεννήτριας εξαρτάται από την

τάση της µπαταρίας. Τα σηµεία αυτά όµως δεν αντιστοιχούν στο σηµείο µέγιστης ισχύος της Φ/Β

γεννήτριας. Εάν ο ρυθµιστής συνδυάζει και ανίχνευση σηµείου µέγιστης ισχύος (maximum-Power-

Point-Tracker, MPPT), τότε όχι µόνο ελέγχεται η τάση φόρτισης / εκφόρτισης της µπαταρίας, αλλά

ρυθµίζεται και το ιδανικό σηµείο λειτουργίας της ηλιακής γεννήτριας. Στο σχήµα 6.2 παριστάνονται οι

περιοχές λειτουργίας δύο ρυθµιστών πάνω στις χαρακτηριστικές µιας φωτοβολταικής βαθµίδας.

Σχήµα 6.2. Περιοχές λειτουργίας ρυθµιστών τάσης, για Τ = 00 C

3. Συσσωρευτής

28

Ένα βασικό στοιχείο του αυτόνοµου Φ/Β συστήµατος είναι ο συσσωρευτής. Σε ηλιακές εγκαταστάσεις

χρησιµοποιούνται κυρίως ηλεκτροχηµικοί συσσωρευτές µολύβδου (Pb). Σε κατάσταση φόρτισης ο

συσσωρευτής µολύβδου αποτελείται από µόλυβδο και πλάκα οξειδίου του µολύβδου που βρίσκονται

εµβαπτισµένα σε διάλυµα θειικού οξέος.

Η εκφόρτιση περιγράφεται µε τις ακόλουθες εξισώσεις:

22 4 4 2Άνοδος: 4 2 2PbO H SO e PbSO H O+ − −+ + + → + (6.1)

24 4Κάθοδος: 2Pb SO PbSO e− −+ → + (6.2)

Κατά την φόρτιση πραγµατοποιείται αντίδραση αντίθετης κατευθύνσεως. Εάν µετά την πλήρη

φόρτιση της µπαταρίας συνεχιστεί η διαδικασία φόρτισης, τότε το νερό του ηλεκτρολύτη διαλύεται σε

υδρογόνο και οξυγόνο, και ο συσσωρευτής εκλύει αέρια. Η χωρητικότητα µιας µπαταρίας µετριέται σε

(Ah) και εξαρτάται αποκλειστικά από το ρεύµα φόρτισης και εκφόρτισης. Οι νέας γενιάς µπαταρίες

µολύβδου χαρακτηρίζονται σαν µπαταρίες που δεν χρειάζονται ιδιαίτερη συντήρηση κατά την φόρτιση

και εκφόρτιση. Παρ’ όλα αυτά συνίσταται ο περιοδικός έλεγχος των µπαταριών.

4. Μετατροπέας

Η Φ/Β γεννήτρια παράγει συνεχές ρεύµα, µε το οποίο είναι δυνατόν να τροφοδοτηθούν ειδικοί

καταναλωτές συνεχούς ρεύµατος. Η µετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόµενη είναι

απαραίτητη για τους συνηθισµένους καταναλωτές. Ανάλογα µε τις απαιτήσεις της κατανάλωσης ο

µετατροπέας µπορεί να δώσει στην έξοδο τετραγωνική, τραπεζοειδή, ή ηµιτονοειδή µορφή.

Το κόστος του µετατροπέα εξαρτάται από το είδος της κυµατοµορφής εξόδου.

Για ηλιακές εγκαταστάσεις για αυτόνοµη παραγωγή ρεύµατος αρκεί ένας µετατροπέας µε έξοδο

εναλλασσόµενη τετραγωνική ή τραπεζοειδή κυµατοµορφή. Εάν θέσουµε τον µετατροπέα παράλληλα

µε το δίκτυο, για να αποφύγουµε την παραµόρφωση της ηµιτονοειδούς κυµατοµορφής του δικτύου,

απαιτείται αύξηση του κόστους της εγκατάστασης λόγω παρεµβάσεων σε ηλεκτρονικό εξοπλισµό.

Ο βαθµός απόδοσης των σηµερινών µετατροπέων ξεπερνάει το 90%. Εάν ο βαθµός απόδοσης ενός

µετατροπέα δεν είναι σταθερός, αλλά εξαρτάται από το φορτίο του µετατροπέα, η τιµή της ισχύος του

πρέπει να είναι µεγάλη. Σε ηλιακές εγκαταστάσεις ο µετατροπέας θα πρέπει να δουλεύει σε µερικό

φορτίο και για το συγκεκριµένο φορτίο ο βαθµός απόδοσής του πρέπει να είναι υψηλός.

Για τον συνολικό χαρακτηρισµό της ποιότητας ενός µετατροπέα είναι βασική η γνώση του βαθµού

απόδοσης σε κάθε φορτίο.

29



Η πειραµατική διάταξη φαίνεται στο σχήµα 6.3. όπου:

1. Φωτοβολταϊκή γεννήτρια SM55 SIEMENS (53 Wp )

2. Ρυθµιστής φόρτισης/εκφόρτισης.

3. Συσσωρευστής

4. Μετατροπέας

5. Κατανάλωση

Σχ. 6.3. Σχηµατική διάταξη αυτόνοµου οικιακού καταναλωτή

Να µετρηθούν:

• Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στη φ/β γεννήτρια.

30

• Το ρεύµα και η τάση της φ/β γεννήτριας.

• Ο βαθµός απόδοσης του ρυθµιστή

• Ο βαθµός απόδοσης του µετατροπέα για διάφορες καταναλώσεις

(∆ιαγράµµατα np=f(W) και nµ = f(W)).


31

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7: Μελέτη παθητικών

ηλιακών συστηµάτων

7.1 Θεωρητικό µέρος Η άνεση των κατοίκων του κτιρίου εξαρτάται από τη θερµοκρασία, από την

µετακίνηση του αέρα και από τις δραστηριότητες των κατοίκων. Η υψηλότερη

εσωτερική θερµοκρασία στην οποία οι κάτοχοι θα αισθάνονταν ακόµα άνετοι, καλείται

καθορισµένη θερµοκρασία σηµείου(set point temperature). Είναι σηµαντικό να

τονιστεί ότι αυτό είναι µια τιµή που επιλέγεται από το σχεδιαστή. Επίσης µπορεί να

υπολογιστεί µέχρι ποιο σηµείο οι αυξήσεις στην εξωτερική θερµοκρασία του

περιβάλλοντος θα έφερναν περίπου αυξήσεις στην εσωτερική θερµοκρασία του

κτιρίου. Αυτή η κρίσιµη τιµή, το σηµείο στο οποίο η εξωτερική θερµοκρασία

περιβάλλοντος θα προκαλούσε την εσωτερική θερµοκρασία να είναι µη ανεχτή,

καλείται τη θερµοκρασία σηµείου ισορροπίας θερµότητας(Balance Point

Temperature). Όταν η εξωτερική θερµοκρασία περιβάλλοντος υπερβαίνει τη

θερµοκρασία σηµείου ισορροπίας θερµότητας, το κτίριο θα χρειαστεί να δροσιστεί

µηχανικά για να διατηρήσει την άνεση. Το ποσό ενέργειας που απαιτείται για να

δροσίσει το κτίριο µηχανικά στο επίπεδο άνεσης καλείται ψυκτικό φορτίο.

Το πρόγραµµα summer building είναι ένα εργαλείο σχεδίου που επιτρέπει στο

σχεδιαστή να εξετάσει πώς οι αλλαγές σε διαφορετικές πτυχές του σχεδίου, µπορούν να

επηρεάσουν τα χαρακτηριστικά του φυσικού δροσισµού ενός κτιρίου.

Το building εξετάζει τους διάφορους τύπους παθητικού και φυσικού δροσισµού ως

εξής:

• Έλεγχος ηλιακών κερδών

• Θερµική µάζα

• Φυσικός αερισµός

• Νυχτερινός αερισµός

• Υπεδάφια ψύξη

• Συνδυασµός των ανωτέρω τεχνικών.


32

Αρχικά υπολογίζει την ενέργεια που απαιτείται για να δροσιστεί ένα κτίριο στους

αποδεκτούς όρους άνεσης χρησιµοποιώντας το τυπικό κλιµατιστικό. Υπολογίζει στη

συνέχεια την ενέργεια που θα απαιτούταν για να συµπληρώσει την ψύξη που παρέχεται

από κάθε µια από τις παραπάνω τεχνικές, για το εσωτερικό περιβάλλον µέσα σε όρους

άνεσης. Μια άµεση σύγκριση µπορεί να γίνει, και το ποσοστό της διατήρησης

ενέργειας µπορεί να καθοριστεί.

Το building υπολογίζει:

• Την ωριαία θερµοκρασία σηµείου ισορροπίας της θερµότητας ενός κτιρίου.

• Τις ώρες της ηµέρας όταν θα πρέπει να παρασχεθεί η ενέργεια δροσισµού.

• Το ψυκτικό φορτίο του κτιρίου.

Ο στόχος του σχεδιαστή είναι να ελαχιστοποιήσει τις ώρες υπερθέρµανσης, και να

µειώσει έτσι το ψυκτικό φορτίο.


7.2.1 Γνωριµία µε το πρόγραµµα

Στο παρακάτω σχήµα παρατηρούµε τα κυρίως µενού του προγράµµατος.


33

7.2.1.1 Τοποθέτηση δεδοµένων

1. Εξωτερικοί τοίχοι (Επιλογή : External Opaque Components)

Επιλέγουµε των αριθµό των παραθύρων:

Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές ανά

περίπτωση.

Έπειτα ανοίγουµε το elements library στο οποίο επιλέγουµε τα υλικά που

επιθυµούµε και το πάχος τους για την κατασκευή των τοίχων. Όταν έχουµε

ολοκληρώσει πατάω ok αυτό γίνεται για κάθε τοίχο ξεχωριστά.


34

2. Γυάλινες επιφάνειες (Επιλογή : Glazed Surfaces)


περίπτωση.


35

Έπειτα ανοίγουµε το glazings library στο οποίο επιλέγουµε το είδος του υαλοπίνακα

και σηµειώνω το ποσοστό ηλιακής εκποµπής και την ταχύτητα που αντιστοιχεί στο

είδος του υαλοπίνακα που επιλέξαµε.

∆ιαλέγουµε τύπο σκιάστρου:

Αυτό γίνεται για κάθε γυάλινη επιφάνεια ξεχωριστά. Όταν έχουµε ολοκληρώσει

πατάµε ok.

3. Εσωτερικά διαχωριστικά (Επιλογή : Internal Partitions)


36

Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετώ τις επιθυµητές τιµές ανά

περίπτωση.

4. ∆άπεδο και λειτουργικά δεδοµένα (Επιλογή : Floor and Operational Data)


περίπτωση. Η απόφαση για το ποια είναι η υψηλότερη εσωτερική θερµοκρασία στην

οποία οι κάτοχοι θα αισθάνονταν ακόµα άνετοι είναι του σχεδιαστή. Άρα οι τιµές που

θα τοποθετήσουµε είναι αυτές µε τις οποίες νοµίζουµε ότι θα πετύχουµε όρους

άνεσης.

Η περίοδος των υπολογισµών είναι χωρισµένη σε 3 χρονικές περίοδους. Η πρώτη

περιέχει τις εργάσιµες ηµέρες της εβδοµάδας, ∆ευτέρα έως Παρασκευή. Η δεύτερη

περιέχει τα Σάββατα και η τρίτη τις Κυριακές. Με αυτόν τον χωρισµό µπορούν να

δοθούν διαφορετικοί καθορισµοί για κάθε χρονική περίοδο (διαφορετικά πρότυπα

κατοχής, διαφορετικό εσωτερικό κέρδος).


37

5. Εσωτερικά κέρδη (Επιλογή : Internal Gains)


θερµική ζώνη.


38

6. Περίοδος υπολογισµού (Επιλογή : Calculations’ Period)

Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές και

πατάµε ok.

7. Κλιµατολογικά χαρακτηριστικά (Επιλογή : Climatic Characteristics)

Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο διαλέγουµε Measured Values

from File για να χρησιµοποιήσουµε ένα από τα υπάρχοντα κλιµατολογικά

χαρακτηριστικά του προγράµµατος ή το Simulation για να τοποθετήσουµε τα

κλιµατολογικά χαρακτηριστικά της περιοχής που επιθυµούµε.

8. Φυσικός αερισµός (Επιλογή : Natural Ventilation Data)

Eµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο επιλέγουµε: Fixed Air Changes per

hour during the Daytime Period ή Night Period.


39

Στη συνέχεια επιλέγουµε το είδος της περιοχής που βρίσκεται η κατασκευή µας και

τον αριθµό των ανοιχτών παραθύρων που επιθυµούµε να έχει. Αφού έχουµε

συµπληρώσει το παραπάνω παράθυρο πατάµε ok. Εµφανίζεται ένα παράθυρο στο

οποίο ζητάµε από το πρόγραµµα να υπολογίσει τον συντελεστή πίεσης ή αν έχουµε

τα απαραίτητα κλιµατολογικά δεδοµένα τον υπολογίζουµε και τον τοποθετούµε. Και

εµφανίζεται το παράθυρο:


40

Σε αυτό το παράθυρο καλούµαστε να συµπληρώσουµε τα στοιχεία για το παράθυρο

που επιθυµούµε να είναι ανοιχτό.

9. Μηχανικός Αερισµός (Επιλογή: Mechanical Ventilation Data)

Eµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο στο οποίο επιλέγουµε: Mechanical Ventilation

during the Daytime Period ή Mechanical Ventilation during the Night Period, αν

επιθυµώ µηχανική υποστήριξη και πατάµε ok.

10. Υπεδάφια ψύξη (Επιλογή: Buried Pipes Data)

Επιλέγοντας την χρήση εναλλακτών θερµότητας εµφανίζεται ένα παράθυρο στο

οποίο προσδιορίζουµε τον επιθυµητό αριθµό σωλήνων. Πατώντας ok εµφανίζεται το

παρακάτω παράθυρο στο οποίο τοποθετούµε τις επιθυµητές τιµές ανά περίπτωση.


41

Όταν έχουµε περάσει και από τα 10 βήµατα έχουµε ολοκληρώσει την κατασκευή και

οδηγούµαστε στα στάδια αξιολόγησης της ενεργειακής αποδοτικότητας της.

1) Επιλογή : Cooling load Calculations στο οποίο υπολογίζουµε τη θερµοκρασία σηµείου ισορροπίας θερµότητας και το ψυκτικό φορτίο σε κάθε µια από της παρακάτω περιπτώσεις :

Reference A/C Building.

Naturally Ventilated Buildings.

Night Ventilated A/C Buildings.

A/C Buildings using Buried Pipes.

A/C Buildings using Night Ventilation and Buried Pipes.

Night Ventilated Non A/C Buildings.

Non A/C Buildings using Buried Pipes.

Non A/C Buildings using Night Ventilation and Buried Pipes. Τσεκάρουµε τον τύπο του κτιρίου στον οποίο επιθυµούµε να πραγµατοποιηθούν οι

υπολογισµοί και πατάµε ok.


42

2) Επιλογή : Cooling load results σε αυτή την επιλογή λαµβάνουµε τα αποτελέσµατα της µελέτης σε ψυκτικό φορτίο καθώς και της ώρες υπερθέρµανσης καθώς επίσης είναι δυνατό να συγκρίνουµε την αποτελεσµατικότητά των µεθόδων που δύναται να χρησιµοποιήσουµε σε αυτό το πρόγραµµα.


43

Το κόκκινο δηλώνει τις ώρες υπερθέρµανσης.


7.2.2.1 Επίδραση µόνωσης στο ψυκτικό φορτίο

Στο πρόγραµµα εκτελέστε τα παρακάτω βήµατα:

1. Φορτώστε το project example.bui από το µενού File

2. Kαθορίστε την περίοδο υπολογισµών (βήµα 6 προηγούµενης παραγράφου)

ώστε να περιλαµβάνει τον µήνα Αύγουστο.

3. Στη συνέχεια ακολουθούµε το βήµα 1 της προηγούµενης παραγράφου και

µεταβάλουµε τη µόνωση όλων των εξωτερικών τοίχων (Layer 2). Τα µονωτικά

υλικά της βιβλιοθήκης έχουν κωδικό από 401 ως 416 χωρίς να µεταβάλουµε το

πάχος της µόνωσης.

4. Για κάθε νέο µονωτικό υλικό εκτελούµε το Cooling load Calculations µόνο για

το Reference A/C Building και καταγράφουµε το ψυκτικό φορτίο.

5. Στη συνέχεια επιλέγουµε το µονωτικό υλικό µε το χαµηλότερο ψυκτικό φορτίο

και µεταβάλουµε το πάχος από 50 mm ως 100 mm µε βήµα 10 mm.

6. Για κάθε νέο πάχος εκτελούµε το Cooling load Calculations µόνο για το

Reference A/C Building και καταγράφουµε το ψυκτικό φορτίο.


44

Σχεδιάστε το διάγραµµα του ψυκτικού φορτίου σε σχέση µε το µονωτικό υλικό και το

διάγραµµα του ψυκτικού φορτίου σε σχέση µε το πάχος. Τι παρατηρείτε; Ποιο το

ποσοστό µείωσης του ψυκτικού φορτίου µε τις διάφορες αλλαγές στη µόνωση;

Προτείνετε αλλαγές της δοµής του τοίχου που θα άλλαζαν δραστικά το ψυκτικό

φορτίο.

7.2.2.2 Επίδραση σκίασης στο ψυκτικό φορτίο




ώστε να περιλαµβάνει τον µήνα Αύγουστο.

3. Στην εντολή Inputs → Glazed surfaces επιλέξτε τον αριθµό των παραθύρων

από 1 ως 3 και για κάθε παράθυρο επιλέξτε:

a. Shading device → none. Στο µενού Calculations→ Balance Point

Temperature για Reference Air Conditioning building. Στη συνέχεια στο

µενού Results → Balance Point Temperature Cooling Load καταγράψτε

το συνολικό ψυκτικό φορτίο.

b. Επαναλάβετε το βήµα a. για διάφορους τύπους shading devices

(overhang→ σκίαση από πάνω από το παράθυρο, side fins→ σκίαση

από τα πλάγια) και για διάφορες διαστάσεις ώστε να συµπληρώστε τον

Πίνακα που ακολουθεί (θεωρήστε ύψος παραθύρου 2m). Τι

παρατηρείτε;

Αριθ.

παραθύρων

Ψυκτικό φορτίο

χωρίς σκίαστρα

για το µήνα

Αύγουστο (kWh)

Ψυκτικό φορτίο µε

σκίαστρα overhangs

διαστάσεων 1 m για το

µήνα Αύγουστο (kWh)

Ψυκτικό φορτίο µε

σκίαστρα overhangs

διαστάσεων 0.5 m

για το µήνα


Ψυκτικό

φορτίο µε

σκίαστρα

overhangs

διαστάσεων 0.2

m για το µήνα

Αύγουστο

(kWh)


µε σκίαστρα side

fins διαστάσεων

0.2 m για το µήνα


Ψυκτικό

φορτίο µε

σκίαστρα side

fins

διαστάσεων 0.1

m για το µήνα

Αύγουστο

(kWh)

1

2

3


45

7.2.2.3 Επίδραση φυσικού αερισµού στο ψυκτικό φορτίο




ώστε να περιλαµβάνει 3 ήµέρες του Αυγούστου 1994.

3. Στην εντολή Inputs → Natural Ventilation data επιλέξτε τον αριθµό αλλαγών

αέρα την ώρα (Fixed air changes per hour) και στη συνέχεια υπολογίστε το

ψυκτικό φορτίο (Calculations→ Balance Point Temperature για Natural

Ventilated building ώστε να καταγραφούν στον παρακάτω πίνακα:

Ψυκτικό

φορτίο για 0

αλλαγές αέρα

την ώρα τη

µέρα και τη

νύχτα(kWh)


για 1 αλλαγές

αέρα την ώρα τη

µέρα και 1 τη

νύχτα(kWh)

Ψυκτικό φορτίο για 1

αλλαγές αέρα την ώρα τη

µέρα και 2 τη νύχτα(kWh)

Ψυκτικό φορτίο για

1 αλλαγές αέρα την

ώρα τη µέρα και 3

τη νύχτα(kWh)

Ψυκτικό



την ώρα τη


νύχτα(kWh)


για 2 αλλαγές

αέρα την ώρα τη


νύχτα(kWh)

Ψυκτικό



την ώρα τη


νύχτα(kWh)

Τι παρατηρείτε για το ψυκτικό φορτίο;


46

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8: Μελέτη κυψέλης

καυσίµου (Fuel Cell)


8.1.1 Εισαγωγικά στοιχεία

Η αναπόφευκτη µελλοντική εξάντληση των ορυκτών καυσίµων (πετρέλαιο,

κάρβουνο, φυσικό αέριο κτλ) σε συνδυασµό µε την έκλυση ρύπων κατά τη χρήση

τους για παραγωγή ενέργειας καθιστούν επιτακτική την ανάγκη για ένα φορέα

ενέργειας που θα είναι ευρέως διαθέσιµος, ενώ παράλληλα δεν θα ρυπαίνει. Τέτοιοι

φορείς ενέργειας θα µπορούσαν να αποτελέσουν ο ηλεκτρισµός, τα βιοκαύσιµα όπως

η αιθανόλη, ή το υδρογόνο. Το υδρογόνο είναι το πλέον διαδεδοµένο στοιχείο στην

φύση, είναι υψηλής δραστικότητας και εποµένως µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε

πλήθος µορφών καύσης. Εάν δε έχει παραχθεί από το νερό, τότε µπορεί να καεί χωρίς

εκποµπές ρύπων. Σήµερα όµως, το υδρογόνο δεν αποτελεί επίλεκτο ενεργειακό

φορέα γιατί παρουσιάζει και µειονεκτήµατα. Πρέπει να παραχθεί κάνοντας χρήση

κάποιας άλλης µορφής ενέργειας, είναι δύσκολο να αποθηκευθεί σε µορφή µε υψηλή

ενεργειακή πυκνότητα και γενικά θεωρείται επικίνδυνο.

Οι κυριότερες εµπορικές µέθοδοι παραγωγής υδρογόνου είναι:

• Η αναµόρφωση υδρογονανθράκων µε ατµό, κυρίως Φ.Α (κόστος 5€/GJ).

• Η µερική οξείδωση – αεριοποίηση βαρέων υδρογονανθράκων ή κάρβουνου

(13 €/GJ)

• Η ηλεκτρόλυση του νερού (12 €/GJ)

Για την παραγωγή υδρογόνου από αναµόρφωση υδρογονανθράκων, καταναλώνεται

περίπου το 20-30% του υδρογονάνθρακα για την παραγωγή της ενέργειας που

απαιτείται για τη διαδικασία και εκλύονται συνεπώς αέρια του «θερµοκηπίου». Το

πρόβληµα της ρύπανσης υφίσταται και στην περίπτωση της ηλεκτρόλυσης, εφόσον η

ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από ορυκτά καύσιµα. Όταν όµως η ηλεκτρική

ενέργεια παράγεται από Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας, τότε κατά τη παραγωγή του

υδρογόνου δεν εκλύονται ρύποι.


47

Μέχρι σήµερα το υδρογόνο έχει κυρίως βιοµηχανική χρήση ενώ οι ενεργειακές

χρήσεις του υδρογόνου αποτελούν ελάχιστο ποσοστό. Η βιοµηχανία αµµωνίας

καταναλώνει το 50% του παραγόµενου υδρογόνου και τα διυλιστήρια το 37%.

Σηµαντικές καταναλώσεις έχει και η βιοµηχανία τροφίµων (υδρογόνωση ελαίων).

Το υδρογόνο µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν εναλλακτικό καύσιµο σε πλήθος

(κατάλληλα τροποποιηµένων) τεχνολογιών καύσης όπως καταλυτικούς καυστήρες,

λέβητες αερίου, αεριοστροβίλους και κινητήρες εσωτερικής καύσης. Η καύση του

υδρογόνου παράγει νερό αλλά, λόγω των υψηλών θερµοκρασιών καύσης, παράγονται

και οξείδια του αζώτου. Οι κυψέλες καυσίµου αποτελούν µία σχετικά πρόσφατη

τεχνολογία κατά την οποία µέσω ηλεκτροχηµικής αντίδρασης επιτυγχάνεται

παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος, µε µόνο υποπροϊόν το νερό. Η λειτουργία της είναι

αντίστροφη από αυτή µιας ηλεκτρολυτικής µονάδας και προσοµοιάζει την

λειτουργία µιας µπαταρίας, µε την διαφορά ότι δεν έχει τον περιορισµό της

εξάντλησης του καυσίµου µια και το καύσιµο (υδρογόνο) και το οξειδωτικό (αέρας ή

οξυγόνο) εισάγονται συνεχώς στην άνοδο και την κάθοδο και τα προϊόντα (ηλεκτρική

ενέργεια και νερό) αποµακρύνονται.

8.1.2 Ο ρόλος του υδρογόνου

Το υδρογόνο που παράγεται από Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) είναι

σύµφωνα µε τους περιβαλλοντολόγους το ιδανικό καύσιµο αφού δεν υπάρχει

περιβαλλοντικό κόστος στην παραγωγή και χρήση του υδρογόνου, όταν

χρησιµοποιείται αιολική ή ηλιακή ενέργεια. Η µόνη έκλυση ρύπων υπάρχει κατά την

κατασκευή, µεταφορά και εγκατάσταση των τεχνολογιών µετατροπής της αιολικής

(ανεµογεννήτριες) ή ηλιακής (Φ/Β) ενέργειας και ίσως της ενέργειας για την

µεταφορά του υδρογόνου. Επίσης το υδρογόνο δεν βλάπτει το περιβάλλον ούτε

επηρεάζει το στρώµα του όζοντος, ενώ τα προϊόντα της καύσης του, δεν περιέχουν

σωµατίδια (αιθάλη) ή CO2.

Το υδρογόνο ανακαλύφθηκε το 1766 από τον H.Cavendish και χαρακτηρίστηκε σαν

"εύφλεκτος αέρας". Το 1800, δύο Βρετανοί επιστήµονες ήταν οι πρώτοι που

επέδειξαν την ηλεκτρόλυση. Το 1920 και το 1930 υπήρχε σηµαντικό ενδιαφέρον στην

Αγγλία και την Γερµανία για την χρήση του υδρογόνου σαν καύσιµο. Το 1923 ο


48

Σκοτσέζος J.B.S.Haldane αναφέρει σε δηµοσίευση του ότι το υδρογόνο είναι το

καύσιµο του µέλλοντος, το οποίο θα παράγεται από ανεµόµυλους που θα παράγουν

ηλεκτρική ενέργεια και θα διασπούν το νερό ηλεκτρολυτικά σε υδρογόνο και

οξυγόνο.

Το υδρογόνο αποτελεί το 90% του σύµπαντος, αν και είναι το ελαφρύτερο στοιχείο.

Στην γη βρίσκεται κυρίως σε ενώσεις του όπως το νερό και οι υδρογονάνθρακες, ενώ

σαν καθαρό στοιχείο υπάρχει µόνο σε ίχνη (0,00001 %) στην ατµόσφαιρα. Το

υδρογόνο έχει την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα ανά µονάδα βάρους, αλλά λόγω

της χαµηλής πυκνότητάς του, έχει χαµηλή ενεργειακή πυκνότητα ανά µονάδα όγκου,

ταιριάζει εποµένως σε εφαρµογές όπου το βάρος παρά ο όγκος έχει σηµασία.

Συγκεκριµένα, η καύση 1 kg υδρογόνου αποδίδει 119,972 kJ, περιέχει δηλ. το ίδιο

ποσόν ενέργειας µε 2,1 kg βενζίνης.

Όπως αναφέρθηκε, το υδρογόνο δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση παρά µόνο σε

σύνθετη µορφή µε άλλα στοιχεία και εποµένως απαιτείται η κατανάλωση ενέργειας για

την εξαγωγή του, πριν διατεθεί κι αυτό µε τη σειρά του για παραγωγή ενέργειας. Οι

κυριότερες µέθοδοι παραγωγής υδρογόνου περιγράφονται στη συνέχεια:

8.1.2.1 Ηλεκτρόλυση νερού

Η πιο καθαρή µέθοδος παραγωγής υδρογόνου είναι η ηλεκτρόλυση νερού, για την

οποία απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια. Αν για το σκοπό αυτό χρησιµοποιηθεί ηλεκτρική

ενέργεια που παράγεται από ορυκτά καύσιµα, τότε το πρόβληµα της ρύπανσης του

περιβάλλοντος παραµένει.

Η πιο «καθαρή» και ασφαλής µέθοδος παραγωγής είναι η ηλεκτρόλυση νερού µε

χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Σε χώρες µε άφθονες υδατοπτώσεις

µπορεί να χρησιµοποιηθεί υδροηλεκτρική ενέργεια. Το κόστος αυτής της µεθόδου

υπολογίζεται στα 12€/GJ.

Άλλες ανανεώσιµες πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µπορούν να αποτελέσουν

η ηλιακή, αιολική και η γεωθερµία. Αυτή η τεχνική µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί

για την αποθήκευση της ενέργειας από ΑΠΕ σε µορφή υδρογόνου, το οποίο µπορεί

να µετατραπεί ξανά σε ηλεκτρισµό, ιδανικά µέσω κυψελίδων καυσίµου, σε περιόδους

περιορισµένης διαθεσιµότητας της φυσικής πηγής.


49

Το κόστος παραγωγής υδρογόνου από ηλιακή ενέργεια είναι αρκετά υψηλό και

φτάνει στα 100€/GJ. Εκτός από τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες που απαιτούνται, οι

ηλεκτρολυτικές συσκευές είναι επίσης σηµαντικό κέντρο κόστους. Το κόστος χρήσης

της αιολικής ενέργειας για παραγωγή υδρογόνου ανέρχεται στα 15-20€/GJ µε τάσεις

για περαιτέρω µείωση.

8.1.2.2 Αναµόρφωση υδρογονανθράκων

Από τα 6x1011 Nm3 υδρογόνου που παράγονται ετησίως στον κόσµο, οι µεγαλύτερες

ποσότητες προέρχονται από την αναµόρφωση φυσικού αερίου και ελαφρών

κλασµάτων πετρελαίου, µε την επίδραση υδρατµών σε θερµοκρασία περίπου 850-

1000οC, παρουσία καταλυτών. Είναι προφανές ότι η εκποµπή CO και CO2 είναι

αναπόφευκτη και το µεν µονοξείδιο είναι δηλητηριώδες, το δε διοξείδιο συµβάλλει

σηµαντικά στη δηµιουργία του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Παρόλα αυτά, η

εξαγωγή του υδρογόνου από το φυσικό αέριο (µεθάνιο), αποσπώντας 4 άτοµα

υδρογόνου από κάθε άτοµο άνθρακα, είναι πολύ καθαρή και αποδοτική, οδηγώντας

σε υποτριπλασιασµό των εκποµπών άνθρακα στο περιβάλλον σε σχέση µε τη

συµβατική χρήση. Η ενέργεια που απαιτείται για την διαδικασία αυτή αντιστοιχεί στο

20-30% του υδρογονάνθρακα που αναµορφώνεται αλλά το κόστος είναι µόνο 5€/GJ,

καθιστώντας αυτή τη µέθοδο την πιο συµφέρουσα οικονοµικά.

8.1.2.3 Αεριοποίηση

Η αεριοποίηση ή απανθράκωση ανθράκων είναι η παλαιότερη µέθοδος παραγωγής

υδρογόνου. Πρόκειται για θέρµανση άνθρακα στους 900οC µε υδρατµούς και καθαρό

οξυγόνο, που το διασπούν σε υγρά, αέρια και στερεά προϊόντα. Το αέριο προϊόν της

διεργασίας είναι κυρίως υδρογόνο. Αυτή η µέθοδος µπορεί να χρησιµοποιηθεί και σε

άλλα ανθρακούχα υλικά όπως η βιοµάζα ή τα αστικά απόβλητα. Το κόστος

υπολογίζεται στα 13€/GJ.

8.1.2.4 Θερµική ∆ιάσπαση Υδρογονανθράκων

Αυτή η µέθοδος αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του ’80. Σύµφωνα µε τη

µέθοδο αυτή, το φυσικό αέριο και διάφορα κλάσµατα του πετρελαίου, µε θερµική

διάσπαση, δίνουν υδρογόνο και καθαρό άνθρακα στη µορφή σκόνης. Με τον τρόπο


50

αυτό αποφεύγονται οι εκποµπές µονοξειδίου και διοξειδίου, ενώ η σκόνη άνθρακα

µπορεί να χρησιµοποιηθεί στη βιοµηχανία ελαστικών ή να αποθηκευθεί στο

υπέδαφος. Το κόστος είναι υψηλότερο από αυτό της αναµόρφωσης

υδρογονανθράκων, καθώς απαιτείται πολλή ενέργεια και η εφαρµογή είναι ακόµα

αρκετά περιορισµένη.

8.1.2.5 Φωτοβιολογικές µέθοδοι

Υπάρχουν επίσης ορισµένες µέθοδοι παραγωγής υδρογόνου από βιολογικές

διαδικασίες. Οι περισσότερες από αυτές βασίζονται στη φυσική δραστηριότητα των

βακτηρίων και πράσινων φυκιών που έχουν ως αποτέλεσµα την παραγωγή

υδρογόνου. Η χλωροφύλλη απορροφά ηλιακό φως και τα ένζυµα χρησιµοποιούν την

ενέργεια για να αποσπάσουν το υδρογόνο από το µόριο του νερού. Αν και η µέθοδος

αυτή είναι πολλά υποσχόµενη για τη µακροπρόθεσµη παραγωγή υδρογόνου έχει δυο

βασικά µειονεκτήµατα: Τη χαµηλή απόδοση (5-6%) µετατροπής της ηλιακής

ενέργειας σε ενέργεια µε τη µορφή υδρογόνου και το γεγονός ότι η δραστηριότητα

των ενζύµων εµποδίζεται από την παρουσία οξυγόνου, που παράγεται επίσης από τη

διάσπαση του νερού. Η έρευνα έχει επικεντρωθεί στην επίλυση αυτών των

προβληµάτων.

8.1.2.6 Κυψέλες καυσίµου

Οι κυψέλες καυσίµου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνοντας υδρογόνο σαν

καύσιµο το οποίο οξειδώνεται ηλεκτροχηµικά µε οξυγόνο, µε ταυτόχρονη παραγωγή

ηλεκτρικής ενέργειας, θερµότητας και νερού. Η κυψέλη καυσίµου λειτουργεί σαν

ένας χηµικός αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας, ο οποίος παράγει ηλεκτρική

ενέργεια όσο τροφοδοτείται µε Η2 και Ο2.

Οι κυψέλες καυσίµου δεν ανήκουν στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας αλλά είναι

µια µέθοδος µετατροπής ενέργειας που είναι αποθηκευµένη µε τη µορφή

καυσίµου (υδρογόνο, µεθάνιο, φυσικό αέριο κ.ά.) σε ηλεκτρισµό και θερµότητα.

Αυτό γίνεται µε υψηλή απόδοση (40-80% ανάλογα µε τον τύπο της κυψέλης) και µε

µοναδική εκποµπή το καθαρό νερό (όταν το καύσιµο είναι αποκλειστικά υδρογόνο).

Στην περίπτωση που το καύσιµο περιέχει άνθρακα, εκπέµπονται και αέρια βλαβερά


51

για το περιβάλλον (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα) αλλά σε πολύ µικρότερη ποσότητα

από ότι µε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχης ισχύος .

Σχ. 8.1. Κυψέλες καυσίµου τύπου PEM, για σταθερές εφαρµογές ή εφαρµογές στις µεταφορές

Οι κυψέλες καυσίµου αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια (την άνοδο και την κάθοδο)

που διαχωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα ειδικευµένο

πολυµερές ή άλλο υλικό, που επιτρέπει την διέλευση ιόντων αλλά δεν είναι περατό

από ηλεκτρόνια. Το καύσιµο που περιέχει υδρογόνο, εισάγεται στην άνοδο, όπου τα

ηλεκτρόνια του υδρογόνου απελευθερώνονται και κινούνται σε ένα εξωτερικό

κύκλωµα παράγοντας ηλεκτρικό ρεύµα. Τα θετικά φορτισµένα ιόντα υδρογόνου

διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη και φτάνουν στην κάθοδο, όπου ενώνονται µε τα

ελεύθερα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο, δηµιουργώντας νερό, που αποτελεί το προϊόν

της αντίδρασης. Προκειµένου να επιταχυνθεί η διαδικασία του ιονισµού του


52

υδρογόνου χρησιµοποιείται καταλύτης υψηλής αγωγιµότητας στα ηλεκτρόδια, τα

οποία είναι συνήθως από πλατίνα. Με χρήση καθαρού υδρογόνου ως καυσίµου, τα

µόνα παράγωγα της διαδικασίας αυτής είναι ηλεκτρικό ρεύµα, καθαρό νερό και

θερµότητα.

Το συνολικό πάχος µιας κυψέλης καυσίµου είναι περίπου 2.5 mm ενώ ο ηλεκτρολύτης

έχει πάχος της τάξεως µερικών µm. Για να επιτευχθεί η επιθυµητή ισχύς, οι κυψέλες

καυσίµων µπορούν να στιβαχθούν η µια δίπλα στην άλλη, µε την παρεµβολή πορώδους

υλικού, που τις συνδέει ηλεκτρικά σε σειρά ενώ επιτρέπει την εύκολη πρόσβαση στα

ηλεκτρόδια από το υδρογόνο και το οξυγόνο.

Το επιθυµητό καύσιµο για τις κυψέλες καυσίµου είναι πάντοτε το καθαρό υδρογόνο,

το οποίο µπορεί να παραχθεί και από κάποιο καύσιµο που είναι φορέας υδρογόνου,

αφού υποστεί κατάλληλη επεξεργασία (αναµόρφωση) για την εξαγωγή του. Τέτοιοι

φορείς είναι η αµµωνία, το φυσικό αέριο, παράγωγα του πετρελαίου, το υγρό

προπάνιο και η βιοµάζα .


8.2.1 Κανόνες ασφαλείας Το Μοντέλο PEMPower1-XL, παράγει και χρησιµοποιεί οξυγόνο και υδρογόνο από

απιονισµένο νερό. Αυτά τα αέρια µπορούν να γίνουν επικίνδυνα.

ΠΡΟΣΟΧΗ: Πάρτε προφυλάξεις ώστε κανείς να µην κινδυνεύει από τα αέρια αυτά!!! Αυτό είναι σηµαντικό κατά τη διαδικασία διεξαγωγής του πειράµατος όταν τα αέρια αυτά ελευθερώνονται στο περιβάλλον.

Πριν αρχίσετε τη διαδικασία Ηλεκτρόλυσης:

Προσπαθήστε να γίνεται όσο το δυνατότερο καλύτερη ανακύκλωση και αντικατάσταση του αέρα που βρίσκεται στο δωµάτιο έτσι ώστε να εξασφαλιστεί συνεχής και γρήγορη αποµάκρυνση του υδρογόνου και του οξυγόνου που πιθανά έχει απελευθερωθεί από την ηλεκτρόλυση. Αν η συνεχής ανακύκλωση και αντικατάσταση του αέρα δεν είναι εξασφαλισµένη, µη συνδέσετε τον ηλεκτρολύτη σε καµιά πηγή ηλεκτρικής ισχύος.

Μετακινείστε σε απόσταση τουλάχιστον τριών µέτρων από τον ηλεκτρολύτη όλες τις πηγές ιονίζουσας ακτινοβολίας, πηγές σπινθήρων, λίχνους Bunser, φλόγες, και οτιδήποτε µπορεί να αναφλεχτεί.


53

Μετακινείστε σε απόσταση τουλάχιστον τριών µέτρων από τον ηλεκτρολύτη όλα τα αυτοαναφλεγόµενα υλικά στην παρουσία αέρα εµπλουτισµένου σε υδρογόνο.

Αυτό το προϊόν προτείνεται µόνο για εκπαιδευτικούς σκοπούς κατά τις οποίες µικρές ποσότητες οξυγόνου και υδρογόνου αποθηκεύονται σε περιβάλλον µε ατµοσφαιρική πίεση, σε οποιαδήποτε δεδοµένη στιγµή. Συγκρατήστε τα όρια του νερού µεταξύ του ελάχιστου και του µέγιστου ορίου που αναγράφεται, για να αποφύγετε τη συλλογή µεγαλύτερων ποσοτήτων οξυγόνου ή/και υδρογόνου

Ποτέ µη τοποθετείτε, µονωτική ταινία, βάρη ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή σε αυτά τα βουλώµατα πίεσης.

Ο ηλεκτρολύτης αυτός χρησιµοποιείται επιτυχώς και µε ασφάλεια κάτω από

εκπαιδευτικές διαδικασίες. Παρακαλούµε χρησιµοποιείται το προϊόν σύµφωνα µε τις

παρακάτω οδηγίες για ασφαλή χρήση.

8.2.2 Περιγραφή και σκοπός του Επιδεικτικού Μοντέλου Τεχνολογίας

Υδρογόνου PEMPower1-XL

Το σύστηµα PEMPower1-XL αναπτύχθηκε αποκλειστικά για επιδεικτικούς και

εκπαιδευτικούς σκοπούς. Οι συναρτήσεις του PEM ηλεκτρολύτη και της ΡΕΜ

κυψέλης καυσίµου µπορούν να επιδειχτούν και να µελετηθούν τόσο ποιοτικά όσο και

ποσοτικά µε αυτό το σύστηµα. (PEM=Proton Exchange Membrane).

Όταν παρέχεται µια DC τάση (βλ. Λειτουργία Ηλεκτρολύτη) ο ηλεκτρολύτης

διαχωρίζει το απιονισµένο νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Στα διαχωριστικά δοχεία

υδρογόνου/ νερού και οξυγόνου/ νερού (που βρίσκονται ακριβώς από πάνω από τον

ηλεκτρολύτη) τα αέρια διαχωρίζονται από το νερό. ∆ύο γυάλινα µπουκαλάκια

βρίσκονται ακριβώς από κάτω από τον ηλεκτρολύτη (για τον καθαρισµό του νερού)

που περιέχουν ρητίνη ιοντική ανταλλαγής, η οποία προσφέρεται για να διατηρεί σε

υψηλό βαθµό την καθαρότητα του νερού.

Τα αέρια κατευθύνονται στο κέντρο του συστήµατος όπου βρίσκονται τα δοχεία

αποθήκευσης. Οι φυσαλίδες εισέρχονται στο κάθε αποθηκευτικό δοχείο ανυψώνουν

και αντικαθιστούν το νερό, το οποίο πιέζεται προς το δοχείο αντιστάθµισης (που

βρίσκεται πάνω από τα δοχεία αποθήκευσης). Για να αντισταθµιστεί από την πίεση

στο σύστηµα, το δοχείο αντιστάθµισης πρέπει να είναι ανοιχτό καθ’ όλη τη διάρκεια


54

του πειράµατος. Αυτό το δοχείο επιτρέπει επίσης και την απελευθέρωση της

περίσσειας του αερίου από το σύστηµα σε περίπτωση παραγωγής περίσσειας αερίου.

Σηµείωση: πρέπει να διασφαλιστεί µία ασφαλή διαδροµή απελευθέρωσης της

περίσσειας αερίου!!! Στη διαδροµή των αερίων από τα δοχεία αποθήκευσης στην

κυψέλη καυσίµου τα αέρια περνούν από µπουκαλάκια ασφαλείας, τα οποία είναι

µερικώς γεµάτα µε νερό. Έτσι στο ατυχές γεγονός όπου παράγονται φλόγες, θα

αποφευχθεί η είσοδος τους στα δοχεία αποθήκευσης. Μετά το πέρασµα των αερίων

από τα µπουκαλάκια ασφαλείας, τα αέρια φτάνουν στην κυψέλη καυσίµου που στη

συνέχεια ενώνει τα αέρια και σχηµατίζεται πάλι νερό. Η τελευταία διαδικασία

παράγει ηλεκτρικό ρεύµα που στη συνέχεια µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε διάφορες

εφαρµογές.

8.2.3 Τεχνικά Χαρακτηριστικά PEM Power 1-XL

Το επιδεικτικό αυτό σύστηµα τεχνολογίας υδρογόνου αποτελείται από ένα

ηλεκτρολύτη, δύο ειδiκά διαχωριστικά µπουκαλάκια αέριου/ υγρού, δύο

µπουκαλάκια αποθήκευσης των αέριων υδρογόνου και οξυγόνου, συνδεδεµένα σε

οριζόντια διάταξη.

∆ιαστάσεις (ύψος x µήκος x πλάτος): 542 x 655 x 250 mm

Βάρος: 4,6 kg

8.2.3.1 Ηλεκτρολύτης PEMEL

Επιφάνεια ηλεκτροδίου: 40cm2

Ισχύς: 10W


Βάρος: 300gr

Επιτρεπτή τάση: 0-0.2 V

Επιτρεπτό ρεύµα: 0-5A

8.2.3.2 Κυψέλη Καυσίµου PEMFC

Επιφάνεια ηλεκτροδίου: 16cm2

Ισχύς: 1,2W


55


Βάρος: 210gr

∆ιακύµανση τάσης: 0,3-0,9 V, ασφαλές για λειτουργία

µικρότερη των 10 δευτερολέπτων.

8.2.3.3 Αποθηκευτικά ∆οχεία

Τα αποθηκευτικά δοχεία µπορούν να αποθηκεύσουν µέχρι 80 cm3 υδρογόνου και 80

cm3 οξυγόνου.

ΠΡΟΣΟΧΗ

Η λανθασµένη πολικότητα µπορεί να καταστρέψει τον ηλεκτρολύτη

Μέγιστη τάση: 2 V,

Προτείνεται τάση :περίπου 1,8 µε 2 V,

Προτείνεται η τάση εισόδου να ελέγχεται µε βολτόµετρο,

Ποτέ δεν ενώνεται η παροχή ενέργειας απευθείας µε το αποθηκευτικό παξιµάδι (housing nut) η σύνδεση είναι ευαίσθητη σε µηχανικές καταπονήσεις.

1. Έχοντας ολοκληρώσει τις παραπάνω διαδικασίες, θα αρχίσει η παραγωγή αερίου. Το υδρογόνο θα παράγεται στην αρνητική πλευρά του ηλεκτρολύτη και το οξυγόνο στη θετική. Οι φυσαλίδες αερίου ανυψώνονται και εισέρχονται στα διαχωριστικά δοχεία νερού/ υδρογόνου και νερού/ οξυγόνου, πάνω από τον ηλεκτρολύτη. Τα αέρια συγκεντρώνονται στο πάνω µέρος του νερού. Στη συνέχεια το νερό πιέζεται προς τα αποθηκευτικά δοχεία.

2. Ελέγξτε ότι ο ηλεκτρολύτης τροφοδοτείται από κάτω µε απιονισµένο νερό.

3. Όταν υπάρχει µια σηµαντική ποσότητα αερίου στο δοχείο, τότε το αέριο αυτόµατα µετακινείται στα αποθηκευτικά δοχεία όπου και αποθηκεύεται.

4. Τα αέρια αντικαθιστούν το νερό από τα αποθηκευτικά δοχεία και τα ωθούν προς το δοχείο αντιστάθµισης. Όταν ένα αποθηκευτικό δοχείο έχει γεµίσει µε αέριο τότε η περίσσεια αερίου απελευθερώνεται στο δοχείο αντιστάθµισης. Βεβαιώστε ότι η λειτουργία αυτή γίνεται ελεύθερα.

8.2.3.4 Η Λειτουργία της Κυψέλης Καυσίµου

Προϋποθέσεις για τη λειτουργία της κυψέλης καυσίµου:

1) Τα δοχεία ασφαλείας είναι γεµάτα κατά το ήµισυ µε απιονισµένο νερό.

2) Και τα δύο δοχεία περιέχουν περίπου 20cm3 αερίου.

3) Οι βαλβίδες Η5, Η8, Ο5 και Ο8 είναι κλειστές.

4) Ανοίξτε τις βαλβίδες Η5 και Ο5.


56

5) Ανοίξτε την βαλβίδα Ο8 και περιµένετε µέχρι ένα µεγάλο µέρος από το οξυγόνο περνώντας από την κυψέλη καυσίµου να διαφύγει από το σύστηµα. Με αυτό τον τρόπο επιβεβαιώνετε ότι το σωληνάκι µεταξύ του δοχείου ασφαλείας και της κυψέλης καυσίµου, δεν περιέχει καθόλου αέρα. Στη συνέχεια κλείστε την βαλβίδα Ο8.

6) Ανοίξτε τη βαλβίδα Η8 µέχρι µία µεγάλη ποσότητα υδρογόνου, περνώντας µέσα από την κυψέλη καυσίµου, να απελευθερωθεί από το σύστηµα. Με αυτό τον τρόπο επιβεβαιώνετε ότι το σωληνάκι µεταξύ του δοχείου ασφαλείας και της κυψέλης καυσίµου, δεν περιέχει καθόλου αέρα. Στη συνέχεια κλείστε την βαλβίδα Η8.

7) Οι βαλβίδες Ο5 και Η5 παραµένουν ανοιχτές, ενώ οι βαλβίδες Ο8 και Η8 παραµένουν κλειστές.

8) Η κυψέλη καυσίµου τώρα αρχίζει και δηµιουργεί τάση, η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη λειτουργία µια συσκευής µε χαµηλή τάση λειτουργίας. Μικρά κυκλώµατα που τροφοδοτούνται µε τάση από την κυψέλη καυσίµου για µικρό χρονικό διάστηµα (όχι µεγαλύτερο των 10 δευτερολέπτων) δεν βλάπτουν την κυψέλη καυσίµου. Κατά τη λειτουργία της κυψέλης καυσίµου η τάση στην κυψέλη καυσίµου δεν πρέπει να πέσει κάτω των 300Mv.

9) Όταν ο ηλεκτρολύτης λειτουργεί ταυτόχρονα µε την κυψέλη καύσιµου σε σειρά, συνιστάται τα αέρια που έχουν χρησιµοποιηθεί από την κυψέλη καυσίµου, συνεχώς να ανανεώνονται.

10) Κατά την λειτουργία της κυψέλης καυσίµου παράγεται νερό, που κάτω από φυσιολογικές συνθήκες, ανέρχεται περίπου σε 2 µε 3 σταγόνες ανά οχτάωρο λειτουργίας. Αυτή η µικρή ποσότητα νερού δεν επηρεάζει την απόδοση της κυψέλης καυσίµου και έτσι δεν θεωρείται απαραίτητη η έκλυση της ποσότητας αυτής.

Στόχος του πειράµατος είναι η µελέτη της ηλεκτρικής συµπεριφοράς της κυψέλης

καυσίµου. Σύµφωνα µε τις οδηγίες του κατασκευαστή η ονοµαστική ισχύς της

κυψέλης καυσίµου είναι 1.2W.

Συνδέουµε τις αντιστάσεις µε την έξοδο της κυψέλης καυσίµου και συµπληρώνουµε

τις στήλες των αντιστάσεων και των αντίστοιχων τάσεων που µετράµε στον

παρακάτω πίνακα:


57

a/a R

(Ω)

VFC (V) I(A) P(W) a/a R

(Ω)

VFC (V) I(A) P(W)

1 7

2 8

3 9

4 10

5 11

6 12

• Μετρήστε επίσης την Voc και Isc.

• Yπολογίστε την ισχύ της κυψέλης καυσίµου.

• Κατασκευάστε την χαρακτηριστική καµπύλη της κυψέλης καυσίµου

ΙFC=f(VFC) και PFC= f(VFC), βρείτε το Pmax και την Rpmax.

Ακολούθως παράγεται µέσω του electrolyser ποσότητα 20 cm3 Η2 σηµειώνοντας το

χρόνο που χρειάστηκε για να παραχθούν και την ισχύ που καταναλώθηκε.

Η ενέργεια του Η2 είναι ΕΗ = 10,62 Joyle/Ncm3.

Βρείτε το βαθµό απόδοσης του electrolyser.

1) Συνδέστε στη συνέχεια αντίσταση ίση µε την Rpmax στην έξοδο του FC και µετρείστε την τάση, την ένταση και σε πόσο χρόνο θα καταναλωθούν 5 Νcm3 Η2.

2) Βρείτε το βαθµό απόδοσης του FC και ολόκληρου του συστήµατος.

3) Τέλος συγκρίνεται το βαθµό απόδοσης του FC που βρήκατε µε τον θεωρητικό: nFC= 0.95 V / 1.48


58

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 9: Μελέτη συστήµατος

ηλιακής αντλίας


Το σύστηµα ηλιακής αντλίας αποτελείται από την αντλία και το φωτοβολταϊκό

ισχύος 12 Wp. H σύνδεση των διαφόρων εξαρτηµάτων φαίνεται στο Σχ. 9.1.

Σχ. 9.1. Η ηλιακή αντλία

Η ενέργεια που απαιτείται για την άντληση του νερού είναι ίση µε:

WE gQhtρ= (9.1)

Όπου:


59

g: επιτάχυνση της βαρύτητας σε m/sec2

Q: παροχή σε m3/sec

h: ύψος άντλησης του νερού σε m

t: χρόνος που διαρκεί η άντληση σε sec

ρ: 1000 kgr/m3


Για την εκτέλεση του πειράµατος ακολουθείστε τα παρακάτω βήµατα:

1. Συνδέστε την αντλία µε το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ισχύος 12Wp

2. Γεµίστε το δοχείο που υπάρχει στο εργαστήριο µε συγκεκριµένη ποσότητα

νερού και καταγράψτε την.

3. Βυθίστε την αντλία σε δοχείο µε νερό και τοποθετήστε την µάνικα σε

δεδοµένο ύψος h άντλησης.

4. Τοποθετήστε το φωτοβολταϊκό σε κλίση 35ο προς το Νότο και καταγράψτε

την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό µε τη βοήθεια πυρανοµέτρου.

Συµπληρώστε τον παρακάτω πίνακα µετρήσεων για διάφορα ύψη άντλησης

Ύψος

άντλησης Η

Ηλιακή

ακτινοβολία

Εsolar (kW/m2)

Τάση Φ/Β Ένταση

Φ/Β

Όγκος νερού

που αντλήθηκε

(m3)

Χρόνος

άντλησης (sec)

Υπολογίστε την απόδοση της αντλίας και για τις δύο περιπτώσεις, από την εξίσωση:

nαντλίας = Ewater / E φ/β (9.2)


60

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 10: Κατασκευή ενός

αυτόνοµου φωτοβολταϊκού αυτοµατοποιηµένου

συστήµατος άρδευσης


10.1.1 Γενικά

Τα αυτόνοµα φωτοβολταϊκά συστήµατα µπορούν να τροφοδοτήσουν µε ηλεκτρική

ενέργεια διάφορα φορτία, όταν είναι δύσκολη η χρήση του ηλεκτρικού δικτύου για την

παροχή ενέργειας. Ιδιαίτερα το καλοκαίρι, που η ηλιοφάνεια στην Ελλάδα είναι έντονη,

η χρήση τους σε ορισµένες περιπτώσεις µπορεί να είναι αποτελεσµατική. Μια τέτοια

εφαρµογή πραγµατεύεται το πείραµα αυτό, όπου ένα αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα

παράγει την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια για την τροφοδοσία ενός

αυτοµατοποιηµένου συστήµατος άρδευσης, το οποίο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την

παροχή νερού σε διάφορες καλλιέργειες το καλοκαίρι. Το αυτόνοµο φωτοβολταϊκό

σύστηµα αποτελείται από:

α) Το φωτοβολταϊκό στοιχείο.

β) Τον ηλεκτρονικό ρυθµιστή.

γ) Το συσσωρευτή.

δ) Το µετατροπέα (µετασχηµατιστή / ανορθωτή).

Το αυτοµατοποιηµένο σύστηµα άρδευσης αποτελείται από :

α) Τον προγραµµατιζόµενο ελεγκτή.

β) Τις ηλεκτροβάνες.

10.1.2 Αυτόµατο σύστηµα άρδευσης

Ένα αυτόµατο σύστηµα άρδευσης έχει τη δυνατότητα να επιτύχει την άρδευση

διαφόρων καλλιεργειών από ένα σηµείο υδροληψίας χωρίς την επέµβαση των

καλλιεργητών. Αποτελείται από ένα προγραµµατιζόµενο ελεγκτή και διάφορες

ηλεκτροµαγνητικές βάνες, όπου ο ελεγκτής προγραµµατίζεται να ανοίγει και να κλείνει

τις ηλεκτροβάνες κατά ορισµένα χρονικά διαστήµατα, επιτρέποντας έτσι την άρδευση


61

διαφόρων καλλιεργειών. Ανάλογα µε τον τύπο του προγραµµατιζόµενου ελεγκτή,

µπορούν να συνδεθούν 4 ή περισσότερες ηλεκτροβάνες µε αυτόν. Για λόγους

ασφαλείας τα συστήµατα αυτά συνήθως απαιτούν την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας

24V E.P., ενώ η κατανάλωση του προγραµµατιζόµενου ελεγκτή των ηλεκτροβανών

είναι χαµηλή.

Αφού συνήθως η τροφοδότηση του ελεγκτή γίνεται από µία πηγή 220V E.P., αυτός έχει

ενσωµατωµένο ένα µετατροπέα 220V E.P. → 24V E.P.

10.1.3 Αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα

Επειδή στις αγροτικές περιοχές που είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθούν τα αυτόµατα

συστήµατα άρδευσης δεν υπάρχει συνήθως παροχή δικτύου κοντά στις υδροληψίες, η

απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο µπορεί να χορηγηθεί από ένα αυτόνοµο

φωτοβολταϊκό σύστηµα.

Το καλοκαίρι που γίνονται οι αρδεύσεις στις καλλιέργειες, υπάρχει άφθονη ηλιοφάνεια

και έτσι είναι δυνατόν ένα µικρό αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα να παρέχει την

απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται το αυτόµατο σύστηµα άρδευσης.

Το αυτόνοµο φωτοβολταϊκό σύστηµα θα έχει ένα µετατροπέα της τάσης από 12V Σ.Ρ.

→ 220V E.P.

Στη συνέχεια ένας άλλος µετατροπέας του προγραµµατιζόµενου ελεγκτή θα µετατρέπει

την τάση από 220V E.P. → 24V E.P., που χρησιµοποιούν ο ελεγκτής και οι

ηλεκτροβάνες. Βέβαια θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί (αν βρεθεί εύκολα) ένας µόνο

µετατροπέας (αντί για δύο) 12V Σ.Ρ. → 24V E.P.



Στο σχήµα 1.1 που ακολουθεί, φαίνεται η πειραµατική διάταξη.

Τα µέρη του συστήµατος είναι:

α) Το φωτοβολταϊκό στοιχείο

Μετατρέπει την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Η

ονοµαστική του ισχύς είναι 35W και οι διαστάσεις του 0,4 m2.


62

Φωτοβολταϊκή Ηλεκτρονικός Ανορθωτής/ Προγραµµατιζόµενοςγεννήτρια ρυθµιστής Συσσωρευτής Μετασχηµατιστής ελεγκτής Ηλεκτροβάνες

Σχ. 1.1. ∆ιάταξη αυτόνοµου φωτοβολταϊκού αυτοµατοποιηµένου συστήµατος άρδευσης

β) Ο ηλεκτρικός ρυθµιστής

Ρυθµίζει τη ροή της ηλεκτρικής ενέργειας προς και από το συσσωρευτή. Παρεµποδίζει

την υπερφόρτιση και την υπερβολική αποφόρτιση του συσσωρευτή. Είναι 4 Α.

γ) Ο συσσωρευτής

Χρησιµεύει για την αποθήκευση της παραγόµενης από το φωτοβολταϊκό στοιχείο

ηλεκτρικής ενέργειας. Η χωρητικότητά του είναι 100 ΑΗ (12V Σ.Ρ.)

δ) Ο µετατροπέας (ανορθωτής-µετασχηµατιστής)

Μετατρέπει την τάση του συσσωρευτή από 12V Σ.Ρ. σε 220V Ε.Ρ. Η ισχύς του είναι

200W.

ε) Προγραµµατιζόµενος ελεγκτής

Ρυθµίζει την άρδευση µε τη ρύθµιση του ανοίγµατος και του κλεισίµατος των

ηλεκτροβανών. ∆έχεται 4 ηλεκτροβάνες. Η ισχύς του είναι 5W. Λειτουργεί στα 24V

E.P. και έχει µετατροπέα 220V E.P. → 24V E.P.

στ) Ηλεκτροβάνες

Ηλεκτροµαγνητικές βάνες που ανοίγουν και κλείνουν δεχόµενες εντολές από τον

ελεγκτή. Λειτουργούν στα 24V Ε.Ρ. και η ισχύς τους είναι 5W εκάστη. ∆ιάµετρος

εκάστης 2 in.

ζ) Πολύµετρα, Βολτόµετρα, Αµπερόµετρα

Χρησιµοποιούνται για τη µέτρηση της τάσης και της έντασης.

10.2.2 Εκτέλεση του πειράµατος

Στην αρχή του πειράµατος θα γίνει συναρµολόγηση του συστήµατος και στη συνέχεια

θα γίνει προγραµµατισµός του ελεγκτή σύµφωνα µε τις οδηγίες του. Ακολούθως, αφού

το σύστηµα τεθεί σε λειτουργία, θα γίνουν οι εξής µετρήσεις:


63

• Η τάση του συσσωρευτή.

• Η τάση εξόδου του µετατροπέα.

• Η τάση του φωτοβολταϊκού στοιχείου.

• Η ένταση του ρεύµατος όταν είναι ανοικτή και όταν είναι κλειστή µία

ηλεκτροβάνα.

• Η ένταση του ρεύµατος από το φωτοβολταϊκό στοιχείο στο συσσωρευτή.

• Η ένταση του ρεύµατος που καταναλίσκει ο µετατροπέας (χωρίς φορτίο).

Από τις µετρήσεις της τάσης και της έντασης θα υπολογιστούν :

α) Η ισχύς του µετατροπέα 12V Σ.Ρ. → 220V Ε.Ρ. (χωρίς φορτίο).

β) Η ισχύς του προγραµµατιζόµενου ελεγκτή.

γ) Η ισχύς της ηλεκτροβάνας.

10.2.3 Αποτελέσµατα

Τα αποτελέσµατα θα παρουσιασθούν σε δύο ενότητες. Στην πρώτη ενότητα θα

αναφερθούν οι δυσκολίες που παρουσιάσθηκαν κατά τη σύνδεση των διαφόρων

συσκευών και τη λειτουργία του συστήµατος.

Στη δεύτερη ενότητα θα αναγραφούν τα διάφορα χαρακτηριστικά των επί µέρους

συσκευών του συστήµατος κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του, όπως:

α) Ένταση.

β) Τάση.

γ) Καταναλισκόµενη ισχύς.

Τα αποτελέσµατα αυτά θα σχολιασθούν σε σχέση µε τη λειτουργία του εν λόγω

συστήµατος. Στη συνέχεια, χρησιµοποιώντας κάποια δεδοµένα που ελήφθησαν κατά τη

διάρκεια του πειράµατος, θα επιλυθεί µια άσκηση.

Στο πείραµα που διεξάγεται θεωρούµε ότι η ισχύς και οι ώρες λειτουργίας των

διαφόρων επί µέρους συσκευών είναι:

Ισχύς Ώρες λειτουργίας /ηµέρα α) Ηλεκτροβάνα 5W 18 β) Προγραµµατιζόµενος ελεγκτής 5W 24


64

Yπολογίσατε την ονοµαστική ισχύ του φωτοβολταϊκού στοιχείου και τη χωρητικότητα

των συσσωρευτών για ένα τέτοιο σύστηµα στην Ιεράπετρα Κρήτης, που θα λειτουργεί

το µήνα Ιούνιο. ∆εχθείτε ότι ο µέγιστος συνεχής αριθµός ηµερών χωρίς ηλιοφάνεια

στην περιοχή είναι 3. Επίσης, δεχθείτε ότι δεν θα είναι συνεχώς πάνω από µια ηλε-

κτροβάνα ανοικτή και ότι για 6 ώρες ηµερησίως δεν θα είναι καµµία ηλεκτροβάνα

ανοικτή.

10.2.4 Ερωτήσεις 1. Ποιός είναι ο βαθµός απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων;

2. Από ποιούς περιβαλλοντικούς παράγοντες επηρεάζεται ο βαθµός απόδοσης του

φωτοβολταϊκού στοιχείου;

3. Τί ηλεκτρική ενέργεια παράγει το Φ/Σ, συνεχή ή εναλασσόµενη και σε τί τάση;

4. Ποιό σύστηµα στο εργαστηριακό αυτό πείραµα καταναλώνει περισσότερη

ενέργεια, ο ηλεκτρονικός φορτιστής της µπαταρίας ή ο µετατροπέας/ ανορθωτής

της τάσης;

5. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο που χρησιµοποιείτε στο πείραµα σας, θα παράγει

περισσότερη ενέργεια τον Ιούνιο, στη Κρήτη ή στη Θράκη όταν όλες οι άλλες

παράµετροι (κλίση ως προς το έδαφος κλπ.) είναι οι ίδιες και γιατί;

6. Αναφέρατε και εξηγείστε τις ενεργειακές µετατροπές που γίνονται κατά τη

πραγµατοποίηση του πειράµατος αυτού.

7. Στο πείραµα αυτό σε ποιά περίπτωση ο βαθµός απόδοσης είναι µεγαλύτερος.

α) Οταν η ηλιακή ενέργεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική ή

β) Οταν η ηλεκτρική ενέργεια µετατρέπεται σε χηµική. Εξηγείστε.

8. Ποιός είναι ο επιτρεπτός βαθµός εκφόρτισης του συσωρευτή στο πείραµα σας; Τί

θα προτείνατε για πιο σύνθετα βιοµηχανικά συστήµατα;

9. Τί θα συµβεί αν στο πείραµα αυτό και για τη λειτουργία του συστήµατος για

σχετικά µεγάλο χρονικό διάστηµα δεν χρησιµοποιήσοµε τον ηλεκτρονικό ρυθµιστή

µπαταρίας.

10. Εάν σε ένα σύστηµα όπως αυτό του πειράµατος σας, ο προγραµµατιζόµενος

ελεγκτής και οι ηλεκτροβάνες λειτουργούσαν στα 12V Σ.Ρ., θα µπορούσαµε να


65

αποφεύγαµε την χρησιµοποίηση του ανορθωτή /µετασχηµατιστή; Σε µια τέτοια

περίπτωση θα υπήρχαν πλεονεκτήµατα; Εξηγείστε.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

66

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - ΑΝΑΦΟΡΕΣ

[1] Ν. Πιτσίνης. “Υδρογόνο, Το ενεργειακό νόµισµα του µέλλοντος”, Ενέργεια, Οκτώβριος 2001.

[2] Ε. Βραχνού, “Υδρογόνο, το καύσιµο του µέλλοντος”, Ενέργεια, Οκτώβριος 2000.

[3] National Renewable Energy Laboratory, “Advanced Hydrogen Production Technologies”,

Department of Energy, USA, August 1995.

[4] Fuel cell 2000, On-line fuel cell information service http://216.51.18.233/index_e.html

[5] International Fuel Cellshttp://www.internationalfuelcells.com/transportation

[6] Denora S.p.A., Idatech http://www.northwestpower.com/indexold.html

[7] Α. Ζαχαρίου, Ν. Λυµπερόπουλος, “Τεχνολογία και Εφαρµογές Κυψελίδων Καυσίµου”, ∆ελτίο

Π.Σ.∆.Μ.-Η. Ιανουάριος 2001.

[8] C. K. Dyer, “The future of fuel cells”, Scientific American, July 1999.

[9] Mπεργελές Γ. Ανεµοκινητήρες, Εκδόσεις ΣΥΜΕΩΝ, Αθήνα 1980.

[10] Καλδέλης Ι.Κ. ∆ιαχείριση της αιολικής ενέργειας, ΑΘ. Σταµούλης, Αθήνα 1999.

[11] Καλδέλης Ι.Κ., Καββαδίας Κ.Α, Εργαστηριακές Εφαρµογές Ήπιων Μορφών Ενέργειας, ΑΘ.

Σταµούλης, Αθήνα 2001.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ...

Documents

Transcript of ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ...