«Μελέτη και Σχεδίαση Αυτοδύναμης Ενεργειακά Αγροτικής Εκμετάλλευσης με χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας» Ι. Μελέτη και σχεδίαση αυτοδύναμης ενεργειακά αγροτικής μονάδας Επιστημονική Ομάδα: Αν. Καθηγητής Αναστάσιος Ντούνης Γεώργιος Κυριακαράκος Επιστημονικός Υπεύθυνος: Δ. Ι. Τσελές, Καθηγητής ΤΕΙ Πειραιά – Τμήμα Αυτοματισμού -2011–1– ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός αυτής της μελέτης είναι η καταγραφή των ενεργειακών αναγκών μιας αγροτικής μονάδας, ώστε να γίνει εφικτός ο σχεδιασμός ενός ενεργειακού συστήματος, που μπορεί να καταστήσει μια μονάδα ενεργειακά αυτόνομη, με έμφαση στη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Συνήθως οι μονάδες είναι στοχευμένες στην φυτική ή στην ζωϊκή παραγωγή και σε πολλές περιπτώσεις περιλαμβάνουν και την οικία του αγρότη. Οι ανάγκες που πρέπει να καλυφθούν αφορούν την παραγωγή μηχανικού έργου, την ηλεκτρική ενέργεια, τη θερμότητα και την ψύξη. Η βασική μονάδα παραγωγής ισχύος σε μια γεωργική εκμετάλλευση είναι ο γεωργικός ελκυστήρας. Ο ελκυστήρας χρησιμοποιεί πετρέλαιο στις περισσότερες περιπτώσεις, αλλά μπορεί να χρησιμοποιήσει και βιοκαύσιμα ή ακόμη και έλαια χωρίς χημική επεξεργασία. Ο ελκυστήρας όμως, δεν είναι το βασικό αντικείμενο αυτής της μελέτης. Η συγκεκριμένη μελέτη αναφέρεται κυρίως στις ηλεκτρικές ανάγκες, κάνοντας μια αναφορά και σε θερμικές ή ψυκτικές ανάγκες, οι οποίες μπορούν να καλυφθούν από ΑΠΕ. Στα πρώτα κεφάλαια θα αναπτυχθεί η ηλιακή και η αιολική ενέργεια, ενώ μετά θα γίνει αναφορά στις συγκεκριμένες ανάγκες των αγροτικών εκμεταλλεύσεων. Τελικά θα παρουσιασθεί η περιγραφή ενός λογισμικού, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δώσει μια αρχική εικόνα της εγκατεστημένης ισχύος ΑΠΕ, που θα απαιτηθεί, για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών μιας αγροτικής μονάδας, δίνοντας και ένα ενδεικτικό κόστος. –2– 1.1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Τα συστήματα που βασίζονται στην ηλιακή ενέργεια έχουν μερικά βασικά πλεονεκτήματα. Είναι καθαρά προς το περιβάλλον και δεν απαιτούν τη χρήση ορυκτών καυσίμων. Το κόστος συντήρησης είναι χαμηλό, ενώ το κόστος εγκατάστασης είναι και αυτό επίσης χαμηλό. Έχουν κατά κανόνα μεγάλη διάρκεια ζωής και δεν χρειάζονται επιτήρηση κατά τη λειτουργία τους. Τέλος, ένα ακόμα μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι μπορούν να συναρμολογηθούν τα απαραίτητα κομμάτια, ώστε να έχουμε το δυνατόν πλησιέστερο σύστημα σε απόδοση προς αυτό που απαιτείται. Μόνα μειονεκτήματα αποτελούν το μεγάλο αρχικό κόστος επένδυσης και η μειωμένη απόδοση τις ημέρες με συννεφιά. Από μελέτες που έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια από την Shell International έχει προβλεφθεί ότι η χρήση της ηλιακής ενέργειας θα αυξηθεί μέσα στις επόμενες δεκαετίες. Έχει επίσης προβλεφθεί από την ίδια μελέτη πως μέχρι το 2060 η ενέργεια που θα παράγεται από τον ήλιο θα είναι της τάξης των 5000 εκατομμυρίων τόνων ισοδύναμου πετρελαίου, που καλύπτουν χονδρικά τις μισές ανάγκες της γης σε ενέργεια. (Εικόνα 1.1.1) Εικόνα 1.1.1: Παγκόσμια Κατανάλωση Ενέργειας 1860-2060 (Shell, 2000) Το ηλιακό δυναμικό σε πολλές περιοχές της γης είναι μεγάλο και εξασφαλίζει μεγάλες αποδόσεις σε ενέργεια (Εικόνα 1.1.2). Ειδικότερα η νότια Ευρώπη –3– εμφανίζεται σε πάρα πολύ πλεονεκτική θέση, όσον αφορά το ηλιακό δυναμικό (Εικόνα 1.1.3). Εικόνα 1.1.2: Παγκόσμια μέση ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο (kWh/m2) (Crest, 2000) Εικόνα 1.1.3: Μέση ετήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο στον Ευρωπαϊκό χώρο (kWh/m2) (Crest, 2000) –4– Τέλος, δεν θα πρέπει να ξεχνάμε ότι η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας με πολλά συγκριτικά περιβαλλοντικά οφέλη. Κυριότερα αυτών είναι η έλλειψη παραγωγής ρύπων CO2, SOx, NOx, όπως και η αθόρυβη λειτουργία τους. –5– 1.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ O Edmond Becquerel παρατήρησε το 1839 την αύξηση της τάσης σε μια μπαταρία που είχε κατασκευάσει, όταν έπεφτε φως πάνω στις ασημένιες πλάκες της. Έτσι ανακαλύφθηκε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το 1877 δύο επιστήμονες στο Cambridge παρατήρησαν μεταβολές στις ηλεκτρικές ιδιότητες του σεληνίου, όταν αυτό δεχόταν ηλιακή ακτινοβολία. Αυτή ήταν η πρώτη παρατήρηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου σε συμπαγές υλικό. Το πρώτο φωτοβολταϊκό στοιχείο κατασκευάστηκε από τον Charles Edgar Fritts. Αυτό αποτελείτο από φύλλα σεληνίου καλυμμένα με ημιδιαφανή καλώδια χρυσού ανάμεσα σε προστατευτικό γυαλί. Αυτά τα στοιχεία μετέτρεπαν λιγότερο από το 1% της ενέργειας του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια. Περαιτέρω εξέλιξη ήρθε από τα Bell Telephone Laboratories, τα οποία πειραματίστηκαν με ημιαγωγούς. Εκεί επικέντρωσαν τις προσπάθειές τους στους ημιαγωγούς πυριτίου, πρώτα σε καθαρή κρυσταλλική μορφή και στη συνέχεια με προσθήκη μικρών ποσοτήτων άλλων στοιχείων. Το 1958 ο δεύτερος αμερικανικός δορυφόρος Vanguard I ήταν εξοπλισμένος με φωτοβολταϊκά, τα οποία έδιναν ενέργεια σε ένα ραδιοπομπό. Σήμερα χρησιμοποιούνται αρκετοί τύποι φωτοβολταϊκών στοιχείων, ανάλογα με τις ανάγκες που έχουν να καλύψουν. Το μεγαλύτερο μέρος καταλαμβάνουν τα κρυσταλλικά και πολυκρυσταλλικά στοιχεία πυριτίου, τα οποία σήμερα φτάνουν αποδόσεις της τάξης του 15-18%. Επίσης σήμερα χρησιμοποιούνται και λεπτά φιλμ άμορφου πυριτίου, τα οποία αν και έχουν πολύ μικρότερες αποδόσεις, έχουν εξαπλωθεί λόγω του πολύ μικρού κόστους. Η αιχμή της τεχνολογίας σήμερα έχει να παρουσιάσει μεγάλης απόδοσης ημιαγωγούς, που περιέχουν ποσότητες άλλων στοιχείων, όπως GaAs and indium phosphide. Βέβαια, η χρήση τέτοιων φωτοβολταϊκών κρίνεται οικονομικά αποδεκτή μόνο σε διαστημικές εφαρμογές. Στον πίνακα 1.2.1 φαίνονται συγκριτικά οι διάφοροι τύποι φωτοβολταϊκών σε σχέση με τα χαρακτηριστικά τους. –6– Πίνακας 1.2.1 Χαρακτηριστικά διαφόρων τύπων φωτοβολταϊκών στοιχείων Υλικό Τύπος στοιχείου Τυπική Απόδοση (%) Πυρίτιο Μονοκρυσταλλικά 13-18% Πολυκρυσταλλικά 12% Άμορφου πυριτίου 6-8% Γαλλίου/ Κρυσταλλικά Αρσενικού GaAs Ινδιοσελη- Λεπτού υμενίου νιούχου χαλκού 25% 30+% 8-16% Τελλουρίου Λεπτού υμενίου 16% Σημειώσεις Σε εργαστήριο έχουν φτάσει σε αποδόσεις της τάξης του 29% σε μικρές επιφάνειες Τυπική απόδοση για εμπορικά στοιχεία Τυπική απόδοση για εμπορικά στοιχεία Μία ένωση Δύο ή περισσότερες ενώσεις Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται βασικά από τρεις παραμέτρους. Αυτές είναι το ρεύμα που παράγουν, η τάση του ρεύματος και η ισχύς τους. Καθώς το φορτίο που είναι συνδεδεμένο με το φωτοβολταϊκό μεταβάλλεται, έτσι μεταβάλλεται και η σχέση έντασης – τάσης του ρεύματος. Για κάθε μία από αυτές τις τρεις παραμέτρους υπάρχει μια τιμή χαρακτηριστική για το κάθε φωτοβολταϊκό στοιχείο. Για το ρεύμα είναι το ρεύμα κλειστού κυκλώματος (short circuit current), όταν το φορτίο είναι μηδενικό και το φωτοβολταϊκό βραχυκυκλωμένο. Για την τάση η χαρακτηριστική τιμή είναι η τάση ανοικτού κυκλώματος (open circuit voltage), όταν δηλαδή το φορτίο είναι άπειρο και για την ισχύ χαρακτηριστική είναι η μέγιστη ισχύς (maximum power point) στο γόνατο της καμπύλης I-V. Αυτά φαίνονται αναλυτικά στην εικόνα 1.2.2. –7– Εικόνα 1.2.2 Καμπύλη Ι-V για ένα χαρακτηριστικό φωτοβολταϊκό στοιχείο μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Crest, 2000) Γίνεται κατανοητό, πως είναι επιθυμητό τα φωτοβολταϊκά να λειτουργούν στο μέγιστο σημείο ισχύος. Αυτό το επιτυγχάνουμε με τον ελεγκτή μέγιστου σημείου ισχύος (ΜΡΡΤ), ο οποίος είναι ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς ρεύματος ( DC σε DC) υψηλής συχνότητας, που βελτιστοποιεί τη σύγκλιση της τάσης μεταξύ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με το φορτίο, αυξάνοντας έτσι την απόδοση του συστήματός μας. Ο ΜΡΡΤ παίρνει το ρεύμα εισόδου, το μετατρέπει σε εναλλασσόμενο μέσω ενός δακτυλιοειδούς μετατροπέα, μετά το ξαναμετατρέπει σε συνεχές με ανόρθωση και το στέλνει στον ελεγκτή εξόδου με μεγαλύτερη ένταση. Χρησιμοποιούνται υψηλές συχνότητες της τάξης των 20-50 kHz, γιατί εκεί τα κυκλώματα αποκτούν μεγάλη απόδοση. Υπάρχουν και ΜΡΡΤ που βασίζονται σε μικροϋπολογιστές και μπορούν να δώσουν τάση μέχρι και 185 Volt. Γενικά οι ΜΡΡΤ έχουν αποδόσεις που κυμαίνονται μεταξύ 95% και 99%. Η χρήση ενός τέτοιου ελεγκτή μεταφράζεται σε ένα κέρδος στην ισχύ μεταξύ 30% και 45% το χειμώνα και μεταξύ 10% και 20% το καλοκαίρι. Η επίδραση του ελεγκτή είναι περισσότερο εμφανής το χειμώνα, όπου έχουμε λίγες ώρες ηλιοφάνειας και απαιτείται η μεγαλύτερη δυνατή ισχύς από τη συστοιχία μας. –8– Στην εικόνα 1.2.3 φαίνεται πώς ο ΜΡΡΤ μεταβάλλει την καμπύλη ρεύματος – τάσης των φωτοβολταϊκών. Το φορτίο είναι μια ωμική αντίσταση 20 Ω. Χωρίς τον ΜΡΡΤ λειτουργεί στο σημείο a, ενώ με τον ΜΡΡΤ στο b. Εικόνα 1.2.3: Επίπτωση του ΜΡΡΤ στην καμπύλη Ι-V (Eckstein, 1990) Τέλος, το κόστος των φωτοβολταϊκών έχει μειωθεί αρκετά τα τελευταία χρόνια και η απόδοσή τους τείνει να αυξηθεί. Ένδειξη για αυτό αποτελεί και ο προϋπολογισμός έρευνας και εξέλιξής τους παγκόσμια. Εικόνα 1.2.4: Εκτίμηση κόστους σε λίρες Αγγλίας της ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκά στις Ηνωμένες Πολιτείες (Crest, 2000) –9– Στην εικόνα 1.2.4 βλέπουμε την εκτίμηση κόστους της kWh σε αγγλικές λίρες. Μέχρι το 2020 αναμένεται το κόστος να πέσει από τις 14 που είναι σήμερα, μόλις στις 4. Μέσα στα επόμενα χρόνια αναμένεται να πέσει το κόστος αγοράς κάτω από τα 2 € ανά Wp. Το Wp είναι η μονάδα που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ονομαστικής ισχύος των φωτοβολταϊκών. Η ισχύς εξόδου των φωτοβολταϊκών εξαρτάται από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και την τεχνολογία του φωτοβολταϊκού. Έτσι, το να δοθεί η μέγιστη ισχύς κάθε φωτοβολταϊκού δεν σημαίνει κάτι από μόνο του. Θα έπρεπε να δοθούν μαζί και οι συνθήκες στις οποίες μετρήθηκε. Επίσης, είναι αναμενόμενο πως το κάθε φωτοβολταϊκό θα έδινε τη μέγιστη ισχύ του σε διαφορετικές συνθήκες από κάποιο άλλο. Για αυτό το λόγο έχει φτιαχτεί ένα πρότυπο, σύμφωνα με το οποίο μετράται η ισχύς εξόδου σε συγκεκριμένες συνθήκες και για αυτές τις συνθήκες δίνεται η ονομαστική ισχύς. Για να δηλωθεί αυτό δίνεται ο δείκτης peak στο W. Πρέπει να σημειωθεί πως υπό ορισμένες συνθήκες μπορεί ένα φωτοβολταϊκό να δώσει μεγαλύτερη ισχύ, ενώ τον περισσότερο χρόνο δίνει μικρότερη. Τα φωτοβολταϊκά παράγουν συνεχές ρεύμα. – 10 – 1.3 ΗΛΙΑΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τα ηλιακά θερμικά συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε χρησιμοποιήσιμη θερμότητα και μπορούν να δημιουργήσουν ρεύμα αέρα για φυσικό αερισμό. Μπορεί να θερμανθεί ένα ρευστό (αέριο ή υγρό) και να γίνει έτσι και μεταφορά αυτής της ενέργειας ή μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα, όπως στην περίπτωση των ηλιακών φούρνων. Η πιο γνωστή εφαρμογή των θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι οι ηλιακοί θερμοσίφωνες, που παρουσιάζουν μεγάλη χρήση στη χώρα μας. – 11 – 1.4 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Όλες οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας προέρχονται από την ηλιακή ενέργεια. Περίπου το 2% της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στην γη μετατρέπεται σε αιολική ενέργεια. Αν και το ποσοστό του 2% φαίνεται μικρό, αρκεί να αναλογιστούμε πως είναι πολύ μεγαλύτερο από την ενέργεια που μετατρέπεται σε βιομάζα από όλη την χλωρίδα της γης. Με τον όρο άνεμο ορίζονται οι μεγάλης κλίμακας μετακινήσεις αερίων μαζών στην ατμόσφαιρα. Οι περιοχές κοντά στον ισημερινό θερμαίνονται περισσότερο από τον ήλιο, ο αέρας γίνεται ελαφρύτερος και μειώνεται η πυκνότητά του, και ο θερμός αέρας ανυψώνεται σε αυτή την περιοχή μέχρι να φτάσει τα 10 km σε ύψος. Από εκεί διασκορπίζεται σε βορά και νότο λόγω της περιστροφικής κίνησης της γης και της μικρότερης θερμοκρασίας της επιφάνειας στους πόλους. Αυτή η κίνηση σταματά σε μια ζώνη ανάμεσα στις 30ο βόρεια και νότια, όπου και ο αέρας αρχίζει να ψύχεται και να χαμηλώνει. Κατά τον τρόπο αυτόν δημιουργούνται οι παγκόσμιοι άνεμοι, κυρίως λόγω της θερμοκρασιακής διαφοράς. Στις περιοχές όπου υπάρχουν κατερχόμενες αέριες μάζες δημιουργούνται υψηλές πιέσεις, ενώ σε περιοχές όπου έχουμε ανύψωση αερίων μαζών δημιουργούνται χαμηλές πιέσεις. Η ροή του αέρα γίνεται από περιοχές υψηλής πίεσης σε περιοχές χαμηλής. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά της ατμοσφαιρικής πίεσης, τόσο μεγαλύτερες είναι οι δυνάμεις που ασκούνται στις αέριες μάζες και τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του ανέμου. – 12 – Εικόνα 1.4.1: Ροές παγκόσμιων ανέμων (Crest, 2000) Σε χαμηλότερα στρώματα, κοντά στην επιφάνεια της γης, η μορφή του ανέμου επηρεάζεται και από το ανάγλυφο της επιφάνειας της γης, το τοπικό κλίμα και από εμπόδια που παρεμβάλλονται στην ροή του ανέμου. Η ταχύτητα του ανέμου σε μια συγκεκριμένη περιοχή μεταβάλλεται συνεχώς. Υπάρχουν αλλαγές στη μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου από χρόνο σε χρόνο, εποχιακές αλλαγές, αλλαγές λόγω καιρικών φαινόμενων, ημερήσιες μεταβολές και ακόμα και στιγμιαίες λόγω του τυρβώδους του ανέμου. Όλες αυτές οι αλλαγές προκαλούν προβλήματα στην προσπάθεια πρόγνωσης του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής. Οι μετρήσεις της ταχύτητας ανέμου λαμβάνουν χώρα συνήθως ανά δευτερόλεπτο και η μέση τιμή κάθε 10 λεπτών (έως και 1 ώρα) είναι αυτή που καταγράφεται τελικά. Αυτό γίνεται γιατί έτσι μπορούμε να έχουμε σταθερές μέσες τιμές, είναι αρκετά μικρό το χρονικό βήμα, ώστε να αντικατοπτρίζει απότομες – 13 – καταιγίδες και είναι τελικά ένας καλός συμβιβασμός για τον αποθηκευτικό χώρο που χρειάζονται τα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί. Για να γίνει εφικτή η πρόβλεψη του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής πρέπει να χρησιμοποιηθούν στατιστικές μέθοδοι, λόγω της μεγάλης μεταβλητότητας που περιγράφηκε παραπάνω. Στην εικόνα 1.4.2 παρουσιάζεται ένα ιστόγραμμα της σχετικής συχνότητας των ταχυτήτων του ανέμου, βασισμένες σε μικρό χρονικό βήμα, για τη διάρκεια ενός ημερολογιακού έτους. Εικόνα 1.4.2: Διάγραμμα κατανομής της συχνότητας της ταχύτητας του ανέμου (Crest, 2000): σχετική συχνότητα-ταχύτητα ανέμου Κάνοντας στατιστική ανάλυση των παραπάνω δεδομένων, έχει αποδειχθεί πως η κατανομή Weibul περιγράφει καλύτερα την ταχύτητα του ανέμου. Στην εικόνα 1.4.3 φαίνονται πειραματικά δεδομένα μαζί με την καμπύλη της κατανομής Weibul. Η κατανομή Weibul περιγράφεται από δυο μεγέθη: την παράμετρο C, που αφορά την κλίμακα, δηλαδή το εύρος των τιμών της ταχύτητας του ανέμου, και την παράμετρο k, που αφορά το ύψος της καμπύλης. – 14 – Εικόνα 1.4.3: Κατανομή Weibul με C=9.3m/s k=1.7 (Crest, 2000): πιθανότηταταχύτητα ανέμου Είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε την ταχύτητα του ανέμου σε μια περιοχή, για να μπορέσουμε να αξιολογήσουμε το αιολικό δυναμικό μιας περιοχής. Στην εικόνα 1.4.4 φαίνεται πώς μεταβάλλεται το κόστος παραγωγής αιολικής ενέργειας σε μια συγκεκριμένη περιοχή, ανάλογα με την μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου. Η ενέργεια που περιέχεται στον άνεμο είναι ανάλογη με την ταχύτητα του ανέμου υψωμένη στον κύβο. Εικόνα 1.4.4: Μεταβολή του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε σχέση με τη μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου (Crest, 2000) – 15 – Ένας τρόπος παρουσίασης του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής αποτελεί το τριαντάφυλλο του ανέμου. Σε μια εικόνα βλέπουμε ταχύτητα ανέμου, διεύθυνση ανέμου και την κατανομή εμφάνισής τους στο χρόνο. Ένα τυπικό τριαντάφυλλο ανέμου εμφανίζεται στην εικόνα 1.4.5. Εικόνα 1.4.5: Τριαντάφυλλο ανέμου (Crest, 2000) Στην εικόνα 1.4.6 φαίνεται ο αιολικός ευρωπαϊκός άτλας. Είναι φανερό πως όλη η περιοχή του Αιγαίου παρουσιάζει υψηλό αιολικό δυναμικό, από τα υψηλότερα σε όλη την περιοχή της Ευρώπης. – 16 – Εικόνα 1.4.6: Αιολικός Άτλας της Ευρώπης (Crest, 2000) Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη μορφή ενέργειας. Όπως φαίνεται στην εικόνα 1.4.7 η αιολική ενέργεια σε ανάλυση πλήρους κύκλου ζωής έχει τη μικρότερη παραγωγή CO2 από όλες τις μορφές ενέργειας. Στο συγκεκριμένο διάγραμμα πρέπει να διευκρινιστεί ότι οι ηλεκτρογεννήτριες πετρελαίου, που παρουσιάζονται, αφορούν αυτοματοποιημένα συστήματα και ότι η μελλοντική πρακτική στην καλλιέργεια των ενεργειακών φυτών αφορά την ενσωμάτωση τεχνικών ολοκληρωμένης γεωργίας. – 17 – Εικόνα 1.4.7: Στοιχεία ρύπανσης CO2 σε ένα πλήρη κύκλο ζωής για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (Crest, 2000) – 18 – 1.5 ΑΝΕΜΟΜΗΧΑΝΕΣ Η ιστορία των αιολικών μηχανών ξεκινά από μηχανές ελαφρές, και εξελίχθηκε μέχρι βαριές και ογκώδεις μηχανές που εκμεταλλεύονται το φαινόμενο της αεροδυναμικής άνωσης. Η αιολική ενέργεια φυσικά δεν είναι μια σύγχρονη ανακάλυψη. Η πρώτη χρήση της παρατηρήθηκε στη ναυτιλία (ιστιοφόρα καράβια) αλλά και στη γεωργία. Σε στατικές εφαρμογές οι πρώτοι ανεμόμυλοι είχαν κατασκευαστεί στην αρχαιότητα. Οι πρώτοι ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν για το άλεσμα του σιταριού και την άντληση νερού. Η πρώτη γνωστή μηχανή κατακόρυφου άξονα αναπτύχθηκε στην Περσία, περίπου στα 500-900 μ.Χ., για την άντληση νερού. Ένα μοντέλο μιας από αυτές τις ανεμομηχανές φαίνεται στην εικόνα 1.5.1 (Dodge, 2002). Εικόνα 1.5.1: Αντίγραφο της πρώτης καταγεγραμμένης ανεμομηχανής (Dodge, 2002) Ανεμομηχανές κατακόρυφου άξονα χρησιμοποιήθηκαν και στην Κίνα και πολλοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι εκεί ήταν και ο τόπος ανακάλυψής τους πριν από 2000 χρόνια, αν και η πρώτη καταγραφή ήταν το 1219 μ.Χ. Στην Κρήτη είχαμε μια πολύ μεγάλης έκτασης εφαρμογή των ανεμομηχανών για άντληση νερού από παλιά μέχρι τις ημέρες μας, όπως φαίνεται και στην εικόνα 1.5.2 (Dodge, 2002). – 19 – Εικόνα 1.5.2: Ανεμομηχανές για άντληση νερού στην Κρήτη (Dodge, 2002) Στην δυτική Ευρώπη το περσικής σύλληψης σχέδιο εξελίχτηκε παράλληλα με τους νερόμυλους και έχουμε από το 1270 μ.Χ. τις πρώτες αναφορές και στο 1390 μ.Χ. έχουμε τις πρώτες κατασκευές με το γνωστό σχήμα του ανεμόμυλου. Η βασική βελτίωση των ευρωπαϊκών ανεμομηχανών ήταν η χρήση πανιών για την δημιουργία αεροδυναμικής άνωσης. Αυτό αύξησε τον βαθμό απόδοσης των μηχανών, επιτρέποντας και την αύξηση της ταχύτητας περιστροφής της ανεμομηχανής. 500 χρόνια εξέλιξης αυτού του σχεδίου ήταν αρκετά για να φτάσουν να έχουν οι ανεμομηχανές αυτές (Dodge, 2002): - Κύρτωση κατά μήκους της μπροστινής ακμής του πτερυγίου - Τοποθέτηση του κονταριού του πτερυγίου κατά 25% πίσω από την μπροστινή ακμή - Το κέντρο βαρύτητας του πτερυγίου στο 25% πίσω από την μπροστινή ακμή - Μη γραμμική συστροφή του πτερυγίου Μερικά μοντέλα έφτασαν στο σημείο να χρησιμοποιούν αεροδυναμικά φρένα, αεροτομές και βοηθητικά πτερύγια. Αυτές οι μηχανές παρήγαγαν μηχανικό έργο στην εποχή πριν την ανακάλυψη του ηλεκτρισμού. Πτώση στη χρήση τους παρουσιάστηκε με την ανακάλυψη της ατμομηχανής. Νέα εξέλιξη παρουσιάστηκε στο Νέο Κόσμο το 19ο αιώνα. Οι πρώτες ανεμομηχανές εκεί είχαν ξύλινες πτέρυγες και ουρές, οι οποίες έστρεφαν την μηχανή προς τη διεύθυνση του ανέμου. Ο έλεγχος της ταχύτητας πραγματοποιούνταν με μέρος των πτερύγων να πέφτουν προς τα πίσω σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου. Το 1870 αυτές οι ανεμομηχανές εξοπλίστηκαν με πτέρυγες από ατσάλι. Το ατσάλι είχε το πλεονέκτημα της μεγάλης αντοχής και της δυνατότητας διαμόρφωσης του σχήματος – 20 – ευκολότερα. Ανάμεσα στο 1850 και το 1970 μ.Χ. πάνω από 6 εκατομμύρια τέτοιες ανεμομηχανές εγκαταστάθηκαν μόνο στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτός ο τύπος ανεμομηχανής, που φαίνεται και στην εικόνα 1.5.3, χρησιμοποιήθηκε στο τέλος του 19ου αιώνα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (Dodge, 2002). Εικόνα 1.5.3: Ανεμομηχανή με πτέρυγες από ατσάλι για άντληση νερού (Dodge, 2002) Η πρώτη χρήση μεγάλης ανεμομηχανής για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας πραγματοποιήθηκε στο Κληβελαντ του Οχάιο των Ηνωμένων Πολιτειών το 1888 μ.Χ. από τον Charles Brush. Η δρομέας είχε διάμετρο 17 μέτρα και ενσωμάτωνε για πρώτη φορά κιβώτιο ταχυτήτων με σχέση 50:1, για να επιτευχθεί η περιστροφή μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος στην ταχύτητα λειτουργίας της. Αυτή η ανεμομηχανή είχε παραγωγή 12 kW και λειτούργησε για 20 χρόνια (Dodge, 2002) . Το 1891 μ.Χ. ο Dane Poul La Cour ανέπτυξε την πρώτη ανεμομηχανή για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που ενσωμάτωνε στοιχεία αεροδυναμικής σχεδίασης των καλύτερων ανεμόμυλων εκείνης της εποχής. Η μεγάλη ταχύτητα περιστροφής έκανε τις μηχανές αυτές αρκετά αποδοτικές στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μέχρι το τέλος του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου χρησιμοποιούνταν πολλές τέτοιες ανεμομηχανές με ηλεκτρική απόδοση 25 kW στη Δανία (Dodge, 2002). Μέχρι το 1920 είχαν δοκιμαστεί οι βασικές διατάξεις δρομέα (με πανιά ή σαν ανεμιστήρας) και δεν αποδείχθηκαν αποδοτικοί για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι αρχικά χρησιμοποιήθηκαν έλικες από – 21 – αεροπλάνα, ενώ αργότερα οι πτέρυγες των μονοπλάνων χρησιμοποιήθηκαν στις ανεμομηχανές. Οι ανεμομηχανές που χρησιμοποιούνταν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ονομάστηκαν ανεμογεννήτριες. Στα πρώτα τους βήματα οι ανεμομηχανές ήταν συνδεδεμένες με γεννήτριες συνεχούς ρεύματος. Οι χρήσεις τους ήταν πολλές και σε μεγάλη έκταση, ειδικά στις μεγάλες απομακρυσμένες φάρμες των Ηνωμένων Πολιτειών. Μετά όμως το μεγάλο κραχ, για να τονωθούν οι αγροτικές περιοχές, διευρύνθηκε το κεντρικό δίκτυο ηλεκτροδότησης και έτσι το ενδιαφέρον μειώθηκε. Από το 1950 και μετά όμως το ενδιαφέρον αυξήθηκε για μικρής κλίμακας ανεμογεννήτριες στην Αφρική και την Αυστραλία. Εκτός από τις μικρές ανεμογεννήτριες έγιναν προσπάθειες για την κατασκευή μεγάλου μεγέθους ανεμογεννητριών. Το 1931 κατασκευάστηκε στη Σοβιετική Ένωση ανεμογεννήτρια ισχύος 100 kW, ενώ 10 χρόνια αργότερα στο Βερμόντ των Ηνωμένων Πολιτειών κατασκευάστηκε μια ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα με 2 πτέρυγες, διάμετρο δρομέα 52 m και βάρος δρομέα 16 τόνους από ατσάλι και ισχύ 1.25 MW. Αυτή η ανεμογεννήτρια μετά από μερικές εκατοντάδες ώρες λειτουργίας καταστράφηκε, καθώς αποκόπηκαν οι πτέρυγες λόγω αστοχίας υλικού. Η ανεμογεννήτρια αυτή παρουσιάζεται στην εικόνα 1.5.4. (Dodge, 2002). Εικόνα 1.5.4: Ανεμογεννήτρια ισχύος 1.25 MW κατασκευής 1941(Dodge, 2002) – 22 – Από το 1960 και μετά η εξέλιξη στην αεροδυναμική, η κατασκευή νέων ανθεκτικών υλικών, όπως το φαϊμπεργκλας, και η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών οδήγησαν στην κατασκευή ανεμογεννητριών υψηλής απόδοσης και χαμηλού κόστους. Στις 2 πετρελαϊκές κρίσεις το ενδιαφέρον για αυτές τις μηχανές ανέβηκε κατακόρυφα. Στις μέρες μας το κόστος τους έχει φτάσει σε τέτοιο σημείο, που οι επενδύσεις σε αυτές είναι αποδοτικές για μεγάλη κλίμακα, ενώ οι μικρής κλίμακας έχουν φτάσει να έχουν κόστος μόλις 1000 €/ kW και αποδοτικό χρόνο ζωής της τάξης των 20 ετών (Dodge, 2002). Στην εικόνα 1.5.5 φαίνεται το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση ανεμομηχανών, σε συνάρτηση με την μέση ταχύτητα ανέμου και σε σύγκριση με συμβατικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Εικόνα 1.5.5: Κόστος ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση ανεμογεννητριών σε σύγκριση με συμβατικές μεθόδους. (Wind Power Magazine, 2004) – 23 – 1.6 ΒΙΟΜΑΖΑ Με τον όρο βιομάζα εννοούμε το βιολογικό υλικό από ζώντες ή πρόσφατα αποθανόντες οργανισμούς –ζωικούς ή φυτικούς. Βιομάζα θεωρείται για παράδειγμα το ξύλο και τα απόβλητα των ζώων. Η καύση της βιομάζας παράγει διοξείδιο του άνθρακα. Όμως κατά την ανάπτυξη της βιομάζας καταναλώνεται από την ατμόσφαιρα διοξείδιο του άνθρακα, οπότε το συνολικό ισοζύγιο είναι ίσο με μηδέν. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά περίπτωση βιολογικά υπολείμματα, που τυχόν υπάρχουν σε μια γεωργική μονάδα, για παραγωγή θερμότητας. – 24 – 1.7 ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Η γεωθερμική ενέργεια προέρχεται από τη θερμική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη μέσα στο φλοιό της γης. Η θερμική αυτή ενέργεια από τον πυρήνα της γης μεταφέρεται στον μανδύα. Λόγω τήξης δημιουργείται το μάγμα, το οποίο λόγω μικρότερης πυκνότητας ανέρχεται προς την επιφάνεια της γης. Τις περισσότερες φορές δεν καταφέρνει να φτάσει στην επιφάνεια, φτάνει όμως πολύ κοντά σε αυτή, θερμαίνοντας ορυκτά και νερό που υπάρχουν εκεί. Αυτό το νερό ανέρχεται και είτε φτάνει στην επιφάνεια δημιουργώντας γεωθερμικές πηγές, είτε δημιουργεί γεωθερμικές δεξαμενές λίγο κάτω από την επιφάνεια. Η γεωθερμική ενέργεια είναι: Καθαρή προς το περιβάλλον Απαιτεί μικρή επιφάνεια ανά παραγόμενη μεγαβατώρα (MWh). Αξιόπιστη, μιας και μπορεί να λειτουργεί συνεχώς. Αν υπάρχει κάποια γεωθερμική πηγή στην έκταση της αγροτικής μονάδος, πρέπει να γίνει εξειδικευμένη μελέτη για την χρήση της, με σκοπό την κάλυψη των θερμικών αναγκών της μονάδος. – 25 – 1.6 ΧΑΡΤΕΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας έχει προχωρήσει από το 2001 στην παραγωγή του ηλεκτρονικού άτλαντα για το "Τεχνικά και Οικονομικά Εκμεταλλεύσιμο Δυναμικό της Αιολικής Ενέργειας", με σκοπό την πληρέστερη ενημέρωση του κοινού για τα αποτελέσματα των έργων, που σχετίζονται με την εκτίμηση του εκμεταλλεύσιμου δυναμικού των ΑΠΕ. Ακολουθούν οι αιολικοί χάρτες των νομών Φθιώτιδας-Φωκίδας-Βοιωτίας, Αργολίδας και Λακωνίας. – 26 – Εικόνα 1.6.1. Αιολικό Δυναμικό νομού Λακωνίας – 27 – Εικόνα 1.6.2. Αιολικό Δυναμικό νομού Φθιώτιδας-Φωκίδας-Βοιωτίας – 28 – Εικόνα 1.6.3. Αιολικό Δυναμικό νομού Αργολίδας – 29 – 2. ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Υβριδικά λέμε τα συστήματα που αποτελούνται από 2 ή περισσότερες πηγές ενέργειας. Αυτές μπορεί να είναι είτε ανανεώσιμες (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες), είτε συμβατικές (γεννήτριες πετρελαίου) . Η τυπική διάταξη αυτών των συστημάτων φαίνεται στην εικόνα 2.1 Φωτοβολταϊκά πλαίσια Ανεμογεννήτρια Μικρά υδροηλεκτρικά Ρυθμιστής φόρτισης Μπαταρία Γεωθερμία υψηλής ενθαλπίας Αναστροφέας Φορτίο Τα φωτοβολταϊκά και οι μικρές ανεμογεννήτριες με ισχύ μικρότερη των πέντε κιλοβάτ (<5 kW) παράγουν συνεχές ρεύμα. Μέσω ενός ρυθμιστή φόρτισης η παραγωγή τους φορτίζει την μπαταρία. Ο ρυθμιστής φόρτισης απαιτείται για την προστασία της μπαταρίας από υπερφόρτιση, κατάσταση που μειώνει τη λειτουργική ζωή της μπαταρίας. Επειδή τα φορτία είναι κατά κύριο λόγο εναλλασσομένου ρεύματος, απαιτείται η χρήση αναστροφέα, για να μετατρέψει το συνεχές ρεύμα της μπαταρίας σε εναλλασσόμενο. Για μικρά συστήματα αυτή η τοπολογία αρκεί. Για μεγαλύτερα συστήματα από 2-3 kW, συνήθως, χρησιμοποιείται η τοπολογία μικροδικτύου, όπου ουσιαστικά φτιάχνουμε μια μικρογραφία του δικτύου της ΔΕΗ. Η τοπολογία ενός υβριδικού συστήματος συνήθως καλύπτει συγκεντρωμένες ανάγκες γύρω από το σύστημα. Αν υπάρχουν περισσότερα σημεία, που απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια, διασκορπισμένα σε μια περιοχή, μπορεί να ακολουθηθεί η τοπολογία των μικροδικτύων. Τα μικροδίκτυα είναι ηλεκτρικά δίκτυα χαμηλής τάσης, που μπορούν να ενσωματώνουν κατανεμημένη παραγωγή. Μπορούν να λειτουργούν είτε αυτόνομα, είτε διασυνδεδεμένα με μεγαλύτερα κεντρικά δίκτυα. – 30 – Με την τοπολογία των μικροδικτύων μπορούν να σχεδιαστούν δίκτυα τριφασικά, ακόμη και άνω των 300 kW εγκατεστημένης ισχύος, και να καλύψουν τις ανάγκες ακόμη και ενός μικρού χωριού. 3. Ενεργειακές ανάγκες αγροτικών εκμεταλλεύσεων. Κρίνεται σκόπιμο να γίνει διαχωρισμός μεταξύ μονάδων φυτικής και ζωϊκής παραγωγής. – 31 – 3.1 ΦΥΤΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ – ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ Ενεργειακές ανάγκες στη φυτική παραγωγή ουσιαστικά απαντώνται στις θερμοκηπιακές κατασκευές. Οι ενεργειακές ανάγκες που έχει ένα θερμοκήπιο είναι οι ακόλουθες: - Αερισμός Για την κάλυψη των αναγκών του αερισμού χρησιμοποιούνται αρχικά παράθυρα. Σε αυτοματοποιημένα θερμοκήπια τα παράθυρα είναι εφοδιασμένα με ηλεκτρικούς κινητήρες. Όταν οι ανάγκες είναι μεγαλύτερες, χρησιμοποιούνται ηλεκτρικοί ανεμιστήρες. Εικόνα 3.1.1. Ανεμιστήρας θερμοκηπίου Εικόνα 3.1.2. Παράθυρο θερμοκηπίου - Φωτισμός Πολλές φορές απαιτείται παροχή περισσότερων ωρών φωτός για την ιδανική ανάπτυξη μιας καλλιέργειας. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιούνται συνήθως λαμπτήρες. Στις μέρες μας έχουν κάνει την εμφάνισή τους συστήματα βασισμένα σε – 32 – κρυσταλοδιόδους (led). Το πλεονέκτημα των led είναι η πολύ μικρότερη κατανάλωση σε ηλεκτρική ενέργεια. Εικόνα 3.1.3. Φωτισμός με συμβατικές λάμπες Εικόνα 3.1.4 Φωτισμός με LED - Δροσισμός Πολλές φορές απαιτείται η μείωση της θερμοκρασίας στο θερμοκήπιο. Αυτό αρχικά μπορεί να επιτευχθεί με το άνοιγμα παραθύρων. Αν αυτό δεν επαρκεί, τα συστήματα που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως δύο, η υδρονέφωση και η χρήση διαβρεχόμενων παρειών. Στην υδρονέφωση σωλήνες νερού διαπερνούν ψηλά το θερμοκήπιο. Με κατάλληλα μπεκ δημιουργείται νεφέλωμα από το νερό. Αυτά τα μικροσταγονίδια νερού εξατμίζονται ρίχνοντας την θερμοκρασία του θερμοκηπίου, αυξάνοντας ταυτόχρονα τη σχετική υγρασία. – 33 – Οι διαβρεχόμενες παρειές χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τους ανεμιστήρες. Λόγω της υποπίεσης που δημιουργούν οι ανεμιστήρες, ο εξωτερικός αέρας περνάει μέσα από τις διαβρεχόμενες παρειές, παρασέρνοντας σταγονίδια νερού. Αυτά τα σταγονίδια εξατμίζονται ρίχνοντας τη θερμοκρασία του χώρου. Για την λειτουργία αυτού του συστήματος πρέπει τα παράθυρα να είναι κλειστά. Εικόνα 3.1.5. Δροσισμός με διαβρεχόμενα πάνελ Εικόνα 3.1.6. Δροσισμός με υδρονέφωση – 34 – - Θέρμανση Πολλές φορές κρίνεται αναγκαία η θέρμανση του θερμοκηπίου. Συνήθως χρησιμοποιούνται συμβατικοί καυστήρες πετρελαίου ή βιομάζας, ενώ σε μερικές περιπτώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν και αερόθερμα. Εικόνα 3.1.7. Αερόθερμο θερμοκηπίου - Αυτοματισμοί Όταν κάποιοι από τους μηχανισμούς ελέγχονται αυτόματα, τότε απαιτείται ενέργεια για την κίνηση των διαφόρων ηλεκτροκινητήρων. Όταν το θερμοκήπιο χρησιμοποιεί υδροπονία, τότε απαιτούνται διάφοροι αυτοματισμοί, που απαιτούν τη χρήση ηλεκτρικού ρεύματος. Τέλος, προφανώς απαιτείται νερό. Αν το νερό αυτό παρέχεται από γεώτρηση ή πηγάδι απαιτείται η χρήση κάποιας αντλίας. Συνήθως οι αντλίες είναι ηλεκτρικές στις ημέρες μας. 3.2 ΖΩΪΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ – ΣΤΑΒΛΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ Κάθε ζωϊκός πληθυσμός έχει διαφορετικές ανάγκες. Οι εντατικές εκμεταλλεύσεις, όπου χρησιμοποιούνται κτιριακές εγκαταστάσεις, μπορούν να παρουσιάσουν κάποιες από τις παρακάτω ενεργειακές ανάγκες: - Αερισμός Για την κάλυψη των αναγκών του αερισμού μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράθυρα. Σε αυτοματοποιημένες μονάδες τα παράθυρα είναι εφοδιασμένα με ηλεκτρικούς κινητήρες. Συνήθως γίνεται χρήση ηλεκτρικών ανεμιστήρων. - Φωτισμός – 35 – Συνήθως αρκεί ο φυσικός, αλλά χρειάζονται λαμπτήρες για εργασίες που πραγματοποιούνται νωρίς το πρωί ή αργά το απόγευμα. - Δροσισμός Πολλές φορές απαιτείται η μείωση της θερμοκρασίας στη σταβλική εγκατάσταση. Αυτό αρχικά μπορεί να επιτευχθεί με το άνοιγμα παραθύρων. Αν αυτό δεν επαρκεί, τα συστήματα που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως δύο: η υδρονέφωση και η χρήση διαβρεχόμενων παρειών. Στην υδρονέφωση σωλήνες νερού διαπερνούν τη σταβλική εγκατάσταση. Με κατάλληλα μπεκ δημιουργείται νεφέλωμα από το νερό. Αυτά τα μικροσταγονίδια νερού εξατμίζονται ρίχνοντας την θερμοκρασία της σταβλικής εγκατάστασης, αυξάνοντας ταυτόχρονα τη σχετική υγρασία. Οι διαβρεχόμενες παρειές χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τους ανεμιστήρες. Λόγω της υποπίεσης, που δημιουργούν οι ανεμιστήρες, ο εξωτερικός αέρας περνάει μέσα από τις διαβρεχόμενες παρειές παρασέρνοντας σταγονίδια νερού. Αυτά τα σταγονίδια εξατμίζονται ρίχνοντας τη θερμοκρασία του χώρου. Για την λειτουργία αυτού του συστήματος πρέπει τα παράθυρα να είναι κλειστά. - Θέρμανση Συνήθως θέρμανση απαιτείται μόνο στα νεογέννητα ζώα. Χρησιμοποιούνται κυρίως λαμπτήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας. - Αμελκτήρια Στα αμελκτήρια πάντα υπάρχει μηχανολογικός εξοπλισμός, που απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια. – 36 – Εικόνα 3.2.1. Αμελκτήριο για αιγοπρόβατα - Συστήματα αποκομιδής αποβλήτων Όταν γίνεται χρήση αυτόματων συστημάτων αποκομιδής της κόπρου, απαιτείται συνήθως ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία διαφόρων κινητήρων. Προφανώς και στη ζωϊκή παραγωγή απαιτούνται μεγάλες ποσότητες νερού. Το νερό αυτό, αν αντλείται από πηγάδι ή γεώτρηση, απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια. - Αυτοματισμοί για τη διατροφή των ζώων Ανάλογα με την εκμετάλλευση μπορεί να υπάρχουν αυτόματες ταΐστρες και ποτίστρες για τα ζώα. Εικόνα 3.2.2. Αυτόματη ταΐστρα ορνίθων 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Ο σχεδιασμός και η διαστασιολόγηση των επιμέρους συσκευών ενός αυτόνομου συστήματος αναφέρεται κυρίως σε δύο παράγοντες: - Τοποθεσία – Διαθεσιμότητα στοιχείων: ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία και ταχύτητα ανέμου - Καταναλώσεις (ενέργεια ανά ημέρα, ισχύ αιχμής, προφίλ κατανάλωσης) Βασικό κριτήριο σχεδιασμού είναι η εξασφάλιση της τροφοδοσίας των φορτίων με βαθμό αξιοπιστίας που προκαθορίζεται με την πιθανότητα διακοπής του φορτίου (LLP: Loss of Load Probability). Για κατοικίες LLP=0.01-0.1 LLP ώρες που διακόπτεται η τροφοδοσία των φορτίων συνολικός αριθμός των ωρών που παρέχεται – 37 – Για να γίνει αναλυτικός σχεδιασμός χρειάζονται ωριαία προφίλ καταναλώσεων, καθώς και αναλυτικά ωριαία μετεωρολογικά στοιχεία. Αφού συλλεχθούν τα στοιχεία των καταναλώσεων, γίνεται ανάλυσή τους και υιοθετούνται μέθοδοι εξοικονόμησης ενέργειας, για τη μείωση του ηλεκτρικού φορτίου αυτού. Μια ανασκόπηση των μεθόδων εξοικονόμησης περιγράφεται στην παράγραφο 4.1. Ακολουθεί μετά ο σχεδιασμός ενός συστήματος διαχείρισης της ενέργειας για μια γεωργική εκμετάλλευση. Ένα σύστημα για τη διαχείριση θερμοκηπίου αναπτύσσεται στην παράγραφο 4.2. Για να γίνει ο τελικός σχεδιασμός και η διαστασιολόγηση χρησιμοποιούνται διάφορα λογισμικά. Περιγραφή γίνεται στην παράγραφο 4.3. Τέλος, επειδή είναι κατανοητό πως για την πραγματοποίηση όλης της παραπάνω διαδικασίας απαιτείται η εκπόνηση εμπεριστατωμένης μελέτης, αναπτύχθηκε στα πλαίσια του έργου ένα αυτόνομο λογισμικό προμελέτης, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από κάποιον που δεν έχει τεχνικές γνώσεις και να του δώσει μια εκτίμηση του κόστους ενός συστήματος, για να καλύψει τις ανάγκες του. Πρέπει να σημειωθεί πως αυτό το λογισμικό δίνει μια εκτίμηση και δεν αποτελεί σε βάθος μελέτη εγκατάστασης. Παρουσιάζεται στην παράγραφο 4.4. 4.1 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η εξοικονόμηση ενέργειας ξεκινά με καλή θερμική μόνωση των κτιρίων. Ενώ αυτό είναι εύκολα υλοποιήσιμο στις κλειστές σταβλικές εγκαταστάσεις, παρουσιάζει μεγάλες δυσκολίες στα θερμοκήπια. Εκεί η μόνωση πρέπει να είναι κινητή, να μπορεί δηλαδή να απλώνεται και να μαζεύεται ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι θερμικές κουρτίνες λειτουργούν με αυτό τον τρόπο. Ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται, αυτές οι κουρτίνες μπορούν να μειώσουν την ηλιακή ενέργεια που εισέρχεται στο θερμοκήπιο, δημιουργώντας σκιά και έτσι να μειώσουν την ανάγκη για δροσισμό ή να κρατούν την θερμότητα που ακτινοβολεί το έδαφος τη νύχτα, ελαχιστοποιώντας τις ανάγκες για θέρμανση. Η αβαθής γεωθερμία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με αντλίες θερμότητας. Η θερμοκρασία του εδάφους ακόμη και σε ένα βάθος λίγων μέτρων παραμένει πρακτικά σταθερή σε όλο το έτος. Κατά αυτό τον τρόπο μπορεί να επικουρήσει την θέρμανση και το δροσισμό. Επίσης, στα θερμοκήπια μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφανοι σωλήνες γεμάτοι νερό. Το νερό μέσα στους σωλήνες αποθηκεύει την ηλιακή ενέργεια κατά τη διάρκεια της ημέρας και την επιστρέφει στο – 38 – θερμοκήπιο τη νύχτα, μειώνοντας έτσι την απαιτούμενη θέρμανση. Υλικά που αλλάζουν φάση έχουν επίσης προταθεί για αποθήκευση λανθάνουσας θερμότητας σε θερμοκήπια. Όλες οι άλλες ηλεκτρικές καταναλώσεις, όπως οι λάμπες φωτισμού, τα ψυγεία κ.λ.π. πρέπει να αντικαθιστώνται με υψηλής ενεργειακής απόδοσης συσκευές. Είναι πολύ πιο οικονομικό να αντικατασταθεί μια συσκευή από το να διαστασιολογηθεί ένα μεγαλύτερης ισχύος σύστημα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. 4.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ένα σύστημα διαχείρισης της ενέργειας (Energy Management Systems-EMS) πρέπει να διαχειριστεί τις ενεργειακές ροές (θερμικές και ηλεκτρικές). Σε πρώτο επίπεδο ελέγχει το διαθέσιμο δυναμικό, σε ένα δεύτερο τις διαθέσιμες αποθήκες ενέργειας και τέλος συνεργάζεται με το σύστημα διαχείρισης του κτιρίου (Building Energy Management Systems-BEMS), με σκοπό να καλύψει τις εκάστοτε ανάγκες. Το EMS παρουσιάζεται στην Εικόνα 4.2.1. ΑΠΕ EC Υποσύστημα BEMS EMS ELD TC TLD Ψύξη / Θέρμανση MH/BB/GE E ELD: Ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας TLD: Ζήτηση θερμικής ενέργειας EC: Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας TC: Κατανάλωση θερμικής ενέργειας GE: Γεωθερμική Ενέργεια BB: Καυστήρας βιομάζας MH: Μικρό υδροηλεκτρικό Εικόνα 4.2.1. Σχηματική αναπαράσταση του EMS – 39 – Στις εικόνες 4.2.2 και 4.2.3 παρουσιάζονται λογικά διαγράμματα ροής του EMS για ένα σύστημα που είναι εξοπλισμένο με φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτρια, ένα μικρό υδροηλεκτρικό, συσσωρευτή, καυστήρα βιομάζας και αντλία θερμότητας. Στην Εικόνα 4.2.2 παρουσιάζονται ηλεκτρικά φορτία και στην 4.2.3 θερμικά. Το BEMS θέλει να ενεργοποιήσει ηλεκτρικό φορτίο Ζήτηση Ισχύος Καλύπτει ο συσσωρευτής τις ανάγκες? Ναι Ο συσσωρευτής τις καλύπτει Όχι Ενεργοποίηση μικρού υδροηλεκτρικού Ναι Έχει καλυφθεί το φορτίο? Το φορτίο καλύπτεται Όχι Ενεργοποίηση κατάστασης ανάγκης από το BEMS Εικόνα 4.2.2. Λογικό διάγραμμα ροής του EMS για τις ηλεκτρικές καταναλώσεις – 40 – Το BEMS πρέπει να ζεστάνει το κτίριο Ζήτηση θερμότητας Η αντλία θερμότητας ενεργοποιείται Ναι Το θερμικό φορτίο καλύπτεται Καλύπτεται το θερμικό φορτίο? Ναι Όχι Ναι Υπάρχει αρκετή βιομάζα? Ο καυστήρας βιομάζας ενεργοποιείται Καλύπτεται το θερμικό φορτίο? Όχι Όχι Το BEMS ενημερώνεται ότι το φορτίο δεν μπορεί να καλυφθεί ώστε να ενεργοποιηθεί η κατάσταση ανάγκης Εικόνα 4.2.3. Λογικό διάγραμμα ροής του EMS για τις θερμικές καταναλώσεις Το BEMS ελέγχει όλες τις συσκευές του κτιρίου, που μπορούν να αυτοματοποιηθούν. Αυτές περιλαμβάνουν το φωτισμό, το δροσισμό, τη θέρμανση και το σύστημα υδροπονίας. Έχει αποφασιστεί όλες οι συσκευές να έχουν δύο καταστάσεις λειτουργίας, ενεργοποιημένες ή απενεργοποιημένες, για να απλοποιηθεί το BEMS και να μειωθεί το κόστος των απαιτούμενων ηλεκτρονικών διατάξεων. Η – 41 – απλότητα και το χαμηλότερο κόστος αποτελούν πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης. Το BEMS έχει κάποιες παραμέτρους λειτουργίας που εξαρτώνται από το κτίριο, τη χρήση του κτιρίου και την τοποθεσία του. Βάση των εισόδων των αισθητήρων και του λογισμικού του, αποφασίζει αν θα ενεργοποιήσει ή απενεργοποιήσει τις διάφορες συσκευές. Μια διαδικασία υστέρησης ενσωματώνεται, ώστε να μην υπάρχει ένας κύκλος συνεχούς ενεργοποίησης/απενεργοποίησης σε οριακές συνθήκες. Για παράδειγμα, αν η θερμοκρασία είναι υψηλή στο θερμοκήπιο, το BEMS θα ελέγξει την εξωτερική θερμοκρασία. Αν η εξωτερική θερμοκρασία είναι αρκετά χαμηλή, τότε θα ανοίξουν τα παράθυρα. Αν μετά από κάποιο χρόνο ο φυσικός αερισμός δεν αρκεί για να μειωθεί η θερμοκρασία, τα παράθυρα θα κλείσουν και οι ανεμιστήρες θα ενεργοποιηθούν. Αν υπάρχει η ανάγκη για δροσισμό, θα ενεργοποιηθούν τα διαβρεχόμενα πάνελ. – 42 – 4.3. ΜΟΝΤΕΛΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Ο βέλτιστος σχεδιασμός και η διαστασιολόγηση του υβριδικού συστήματος, που θα κάνει την αγροτική μονάδα ενεργειακά αυτόνομη, βασίζεται σε μια δομή τριών επιπέδων. Η προσομοίωση του κτιρίου και των καιρικών φαινομένων λαμβάνει χώρα στο εμπορικό λογισμικό πακέτο TRNSYS. Το EMS προσομοιώνεται στο Matlab. To λογισμικό πακέτο GenOpt χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση και τη διαστασιολόγηση του συστήματος. Αυτό αποφασίζει ποιες τεχνολογίες ΑΠΕ θα χρησιμοποιηθούν και ποια θα είναι η εγκατεστημένη ισχύς τους. Το λογισμικό TRNOPT δρα ως επιφάνεια επικοινωνίας μεταξύ του TRNSYS και του GenOpt. Η δομή των λογισμικών παρουσιάζεται στην Εικόνα 4.3.1. H βελτιστοποίηση, βασισμένη στη θεωρία σμηνών (Particle Swarm Optimization), έχει επιλεγεί γιατί έχει την ικανότητα να βελτιστοποιεί ταυτόχρονα συνεχείς και διακριτές μεταβλητές. GenOpt PSO Algorithms TRNOPT TRNSYS Simulation Algorithms MATLAB BEMS Algorithms Figure 4.3.1.: Δομή λογισμικού Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις για την προσομοίωση κτιρίων στο TRNSYS. Η πρώτη αφορά την προσομοίωση ως κτίριο και μπορεί να ενεργοποιηθεί η κτιριακή μηχανή του TRNSYS για όλα τα στοιχεία του κτιρίου και η δεύτερη χρησιμοποιώντας εξισώσεις ενεργειακών ισοζυγίων. Ανάλογα με την εκάστοτε περίπτωση μπορεί να επιλεγεί η μια από τις δύο προσεγγίσεις. Η συνάρτηση κόστους που επιλέγεται να ελαχιστοποιηθεί αφορά το κόστος του συστήματος, που την ίδια στιγμή καλύπτει τις τεχνικές προδιαγραφές. – 43 – 4.4. ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΠΡΟΜΕΛΕΤΗΣ Όπως γίνεται κατανοητό, η παραπάνω διαδικασία αφορά την εκπόνηση πλήρους μελέτης. Πολλές φορές χρειάζεται να γίνει μια προμελέτη για να υπάρχει μια εκτίμηση κόστους, ώστε να αποφασιστεί αν αξίζει να πραγματοποιηθεί ολοκληρωμένη μελέτη. Το λογισμικό αποφασίστηκε να γραφεί σε excel, γιατί αυτό διασφαλίζει τη δυνατότητα λειτουργίας του σε όλες σχεδόν τις πλατφόρμες (windows, linux, os/x, android, iOS, windows mobile κλπ). Η ανάπτυξη του λογισμικού παρουσιάζει ευκολία όσο αφορά τα φωτοβολταϊκά, επειδή υπάρχουν διαθέσιμα δωρεάν στοιχεία για ηλιακή ακτινοβολία και θερμοκρασία για όλη την Ελλάδα. Για τις ανεμογεννήτριες όμως, παρουσιάζονται πολλές δυσκολίες. Από τη μία υπάρχουν αιολικοί χάρτες διαθέσιμοι από το ΚΑΠΕ, αλλά το αιολικό δυναμικό αλλάζει σημαντικά ακόμη και σε μικρές αποστάσεις. Τυπικά απαιτείται τοποθέτηση ανεμομέτρου και μετρήσεις για ένα έτος στην πιθανή τοποθεσία εγκατάστασης για ακριβή αποτελέσματα. Τελικά από την εμπειρία της ερευνητικής ομάδας αποφασίστηκε ότι οι μικρές ανεμογεννήτριες παρουσιάζουν μικρές αποδόσεις ακόμη και για μέσες ταχύτητες ανέμου της τάξης των 6 m/s. Για αυτό το λόγο συμπεριλαμβάνεται ανεμογεννήτρια μόνο όταν δικαιολογείται μια ισχύς της τάξεως των 3 kW. Το προφίλ της κατανάλωσης παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες. Αν είναι γνωστές οι μηνιαίες τιμές, τότε αυτές περνάνε αυτούσιες στο λογισμικό. Σε διαφορετική περίπτωση φτιάχνεται ένα συνθετικό προφίλ καταναλώσεων, μέσω ερωτηματολογίου, όπου ανά κατηγορία κατανάλωσης δίνεται ο αριθμός των συσκευών, η κατανάλωσή τους και οι ώρες λειτουργίας. Αποτέλεσμα του λογισμικού είναι αν θα υπάρχει ανεμογεννήτρια, η εγκατεστημένη ισχύς των φωτοβολταϊκών και η χωρητικότητα του συσσωρευτή. Τέλος υπολογίζεται ενδεικτικό κόστος επένδυσης. Η χρήση του λογισμικού είναι πολύ απλή. Βήμα 1ο Ο χρήστης αποφασίζει αν έχει συγκεκριμένο φορτίο στα χέρια του ανά μήνα (π.χ. από παλαιούς λογαριασμούς της ΔΕΗ) ή αν θέλει να φτιάξει το φορτίο με βάση τις καταναλώσεις που θέλει να καλύψει. Έτσι, αν έχει το φορτίο στα χέρια του επιλέγει – 44 – την δεύτερη καρτέλα με τίτλο «Φορτίο Συγκεκριμένο ανά μήνα», ειδάλλως την πρώτη καρτέλα με τίτλο «Υπολογισμός Συνθετικού Φορτίου». Βήμα 2ο Ανάλογα με την καρτέλα που έχει επιλεγεί από το πρώτο βήμα, συμπληρώνει τα κελιά που έχουν κίτρινο χρώμα. Αν κάποια επιλογή δεν έχει εφαρμογή, τότε μένει το κελί κενό ή συμπληρώνεται με το 0. Βήμα 3ο Επιλέγει ο χρήστης την 3η καρτέλα με τίτλο «Κοστολόγηση». Εκεί επιλέγει την τοποθεσία της εγκατάστασης από τις διαθέσιμες επιλογές, μετά δίνει την μέση ταχύτητα ανέμου της περιοχής (υπάρχει ενεργός σύνδεσμος στο φύλλο του excel για πρόσβαση στους ελεύθερα διαθέσιμους αιολικούς χάρτες του ΚΑΠΕ) και, τέλος, επιλέγει αν έχει χρησιμοποιήσει τον υπολογισμό συνθετικού φορτίου ή συγκεκριμένο φορτίο ανά μήνα στο 1ο βήμα. Μόλις ολοκληρώσει τις επιλογές, το πρόγραμμα υπολογίζει αν απαιτείται κάποια ανεμογεννήτρια, την εγκατεστημένη ισχύ των φωτοβολταϊκών, τη χωρητικότητα των συσσωρευτών για 24 στοιχεία των 2 V και, τέλος, δίνει και το αρχικό κόστος εγκατάστασης. Παρακάτω παρουσιάζονται 2 παραδείγματα. Παράδειγμα 1ο Έστω ότι αγρότης από την περιοχή της Αργολίδος θέλει να φτιάξει μια αυτόνομη μικρή θερμοκηπιακή μονάδα. Δεν έχει συγκεκριμένα στοιχεία κατανάλωσης, αλλά γνωρίζει ότι οι ανάγκες του είναι οι ακόλουθες για τους καλοκαιρινούς μήνες: 6 λάμπες φθορισμού των 50 W, που δουλεύουν 6 ώρες. ανεμιστήρες των 21700 m3/h και ισχύος 450 W, που δουλεύουν 3 ώρες κατά μέσο όρο την ημέρα, σε συνδυασμό με πάνελ δροσισμού και αυτόματα παράθυρα. 1 αντλία νερού με μοτέρ 500 W, η οποία δουλεύει 4 ώρες την ημέρα. Σύμφωνα με το πρώτο βήμα των οδηγιών, πρέπει να επιλέξει την καρτέλα με τίτλο «Υπολογισμός συνθετικού φορτίου». Σύμφωνα με το δεύτερο βήμα των οδηγιών, εκεί θα περάσει για τους μήνες Μάιο μέχρι Σεπτέμβριο τα στοιχεία που έχει στα κελιά με κίτρινο χρώμα. Εφόσον δεν απαιτεί την χρήση του συστήματος το χειμώνα, το πρώτο μισό μέρος της καρτέλας με τίτλο «Για τους μήνες Οκτώβριο μέχρι Απρίλιο» μένει κενό και στη λίστα των Αυτοματισμών επιλέγει για όλα όχι. – 45 – Τα στοιχεία τα εισάγει στο δεύτερο μισό της καρτέλας με τίτλο «Για τους μήνες Μάιο μέχρι Σεπτέμβριο». Αφού εισαχθούν τα στοιχεία το φύλλο, υπολογίζει την μέση ημερήσια κατανάλωση σε kWh που είναι ίση με 7.5 kWh. Σύμφωνα με το τρίτο βήμα των οδηγιών, επιλέγει την καρτέλα «Κοστολόγηση». Στην πρώτη επιλογή επιλέγει «Νότια Ελλάδα». Πηγαίνοντας στον ιστότοπο του ΚΑΠΕ, βλέπει ότι η μέση ταχύτητα ανέμου είναι χαμηλή και έτσι επιλέγει «<5». Τέλος, στο τρίτο κελί με κίτρινο χρώμα επιλέγει «Ναι» στην ερώτηση «Οι υπολογισμοί να γίνουν βάσει του συνθετικού φορτίου». Το λογισμικό έχει ολοκληρώσει την προμελέτη. Απαιτούνται 1.5 kWp φωτοβολταϊκά, συσσωρευτής 800 Ah στα 48 V και το ενδεικτικό αρχικό κόστος εγκατάστασης ανέρχεται στα 14.850 €. Παράδειγμα 2ο Έστω ότι κτηνοτρόφος από την περιοχή της Κοζάνης θέλει να αυτονομηθεί από το δίκτυο της ΔΕΗ για το φωτισμό της μικρής μονάδας του. Έχει συγκεκριμένα στοιχεία κατανάλωσης, τα οποία έχουν ως εξής: 100 kWh 90 kWh 102 kWh 100 kWh 98 kWh 90 kWh 85 kWh 85 kWh 90 kWh 95 kWh 98 kWh 100 kWh Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Σύμφωνα με το πρώτο βήμα των οδηγιών, πρέπει να επιλέξει την καρτέλα με τίτλο «Φορτίο συγκεκριμένο ανά μήνα». Σύμφωνα με το δεύτερο βήμα των οδηγιών, εκεί θα περάσει τα στοιχεία που έχει στα κελιά με κίτρινο χρώμα. Σύμφωνα με το τρίτο βήμα των οδηγιών, επιλέγει την καρτέλα «Κοστολόγηση». Στην πρώτη επιλογή επιλέγει «Νότια Ελλάδα». Πηγαίνοντας στον ιστότοπο του ΚΑΠΕ βλέπει ότι η μέση ταχύτητα ανέμου είναι στα 6 m/s και έτσι επιλέγει «6». Τέλος, στο τρίτο κελί με κίτρινο χρώμα επιλέγει «Όχι» στην ερώτηση «Οι υπολογισμοί να γίνουν βάση του συνθετικού φορτίου». – 46 – Το λογισμικό έχει ολοκληρώσει την προμελέτη. Απαιτούνται 1.6 kWp φωτοβολταϊκά, συσσωρευτής 400 Ah στα 48 V και το ενδεικτικό αρχικό κόστος εγκατάστασης ανέρχεται στα 10.400 €. – 47 – ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή…………………………………………………………………..Σελ. 2 1.1 Ηλιακή Ενέργεια……………………………………………………….Σελ. 3 1.2 Φωτοβολταϊκά Στοιχεία………………………………………………..Σελ. 6 1.3 Ηλιακά Θερμικά Στοιχεία………………………………………………Σελ. 11 1.4 Αιολική Ενέργεια………………………………………………………Σελ. 12 1.5 Ανεμομηχανές…………………………………………………………...Σελ. 19 1.6 Βιομάζα………………………………………………………………….Σελ. 24 1.7 Γεωθερμία…………………………………………………………….....Σελ. 25 2 Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Ηλεεκτροπαραγωγής…………..…….Σελ. 30 3.1 Φυτική Παραγωγή – Θερμοκήπια………………………………..……..Σελ. 32 3.2 Ζωική Παραγωγή – Σταβλικές Εγκακαστάσεις……………….....…......Σελ. 35 4 Σχεδιασμός Αυτόνομου Συστήματος…………………………..…………Σελ. 37 4.1 Εξοικονόμηση Ενέργειας………………………………..……………...Σελ. 38 4.2 Σύστημα Διαχείρισης Ενέργειας………………………..………………Σελ. 39 4.3 Μοντέλο Λογισμικού………………………………..………………….Σελ. 43 4.4 Λογισμικό Προμελέτης……………………………..…………………..Σελ. 49 – 48 –
© Copyright 2024 Paperzz
