• envinow.gr

Η «τσιμπημένη» εναλλακτική των Φωτοβολταϊκών - Ηλιοθερμικά

Του Δημήτρη Ζάρρα


Τα ηλιοθερμικά συστήματα συλλέγουν ηλιακή ακτινοβολία και την μετατρέπουν σε θερμική ενέργεια, που μετέπειτα μπορεί να παράξει ηλεκτρισμό. Υπάρχουν διάφορα είδη ηλιοθερμικών συστήματων και η διαφορά τους έγκειται στο βαθμό θερμότητας που μπορούν να παράξουν, δηλαδή ως χαμηλής, μέσης ή υψηλής θερμοκρασίας συλλέκτες. Τα ηλιοθερμικά συστήματα υψηλής θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού είναι πιο αποδοτικά από τα φωτοβολταϊκά. Η πιο γνωστή μορφή μιας απλής ηλιοθερμικής μονάδας είναι ο γνωστός σε όλους ηλιακός θερμοσίφωνας. Σημειώνεται, ότι οι οικιακοί ηλιακοί θερμοσίφωνες στην Ελλάδα είναι στραμμένοι προς το Νότο, λόγω της θέσης της χώρας στο βόρειο ημισφαίρειο.


Οι χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας συλλέκτες είναι επίπεδες πλάκες που παγιδεύουν την ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιώντας το φαινόμενο του θερμοκηπίου για να ζεστάνουν νερό μέσα στο πλαίσιο. Αυτά τα συστήματα δεν παράγουν ηλεκτρισμό, αλλά ζεστό νερό για οικιακή ή βιομηχανική χρήση. Οι συλλέκτες με σωλήνες κενού παγιδεύουν την ηλιακή ενέργεια στο εσωτερικό του γυαλοσωλήνα κενού (το κενό αέρος έχει τον μικρότερο συντελεστή θερμικής απώλειας), με αποτέλεσμα να έχουμε χαμηλές ως μηδαμινές θερμικές απώλειες στο περιβάλλον. Πετυχαίνουν έτσι υψηλότερες θερμοκρασίες από τους συμβατικούς συλλέκτες σε συνθήκες κρύου καιρού, αλλά η απόδοση τους είναι πιο μικρή σε συνθήκες πλήρους ηλιοφάνειας. Επιπρόσθετα οι συλλέκτες με σωλήνες κενού, έχουν ωφέλιμη ζωή πάνω από 25 χρόνια, σε αντίθεση με τους συμβατικούς συλλέκτες, που η απόδοσή τους μειώνεται σταδιακά με την πάροδο του χρόνου. Παγκόσμιες έρευνες έχουν αποδείξει ότι η απόδοση τους σε σχέση με τους επίπεδους συλλέκτες είναι 30-40% μεγαλύτερη. Επίσης, μετά από 10-15 χρόνια το μέγιστο που μπορούν να χάσουν σε απόδοση είναι 40%, που σημαίνει, ότι μετά από 15 χρόνια θα έχουν περίπου την ίδια απόδοση με τους επίπεδους συλλέκτες.


Αντίθετα, οι υψηλής θερμοκρασίας συλλέκτες συγκεντρώνουν την ηλιακή ενέργεια με κάτοπτρα ή φακούς σε ένα ντεπόζιτο νερού μετατρέποντας το σε ατμό, ο οποίος στην συνέχεια κινεί ατμογεννήτρια παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Για να λειτουργήσουν αποδοτικά, τα ηλιοθερμικά συστήματα χρειάζονται άμεση πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στους συλλέκτες ή τα κάτοπτρα. Εάν δεν υπάρχει ηλιοφάνεια η απόδοση τους μειώνεται αισθητά. Ένας ηλιοθερμικός σταθμός παραγωγής με τεχνολογία παραβολικών κατόπτρων φαίνεται παρακάτω. Αυτή είναι μία από τις συνηθέστερες τεχνολογίες ηλιοθερμικών, η οποία αξιοποιεί και ενδιαφέροντα συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, όπως το υγροποιημένο άλας.



Η διαφορά των ηλιοθερμικών συστημάτων με τα φωτοβολταϊκά είναι, ότι τα ηλιοθερμικά μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια πρώτα σε θερμική και μετέπειτα σε ηλεκτρισμό, ενώ τα φωτοβολταϊκά μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική. Επιπλέον, τα ηλιοθερμικά έχουν σημαντικά μεγαλύτερο κόστος έναντι των Φ/Β, ειδικότερα κατά τα τελευταία χρόνια, εντός των οποίων η τιμή του φωτοβολταϊκού πλαισίου μειώθηκε αισθητά. Έτσι, πλέον, η επένδυση σε Φ/Β θεωρείται πολύ προσφορότερη, γεγονός που εξηγεί και τη σχετική επικράτησή τους. Άλλη μία σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο είναι, πως τα φωτοβολταϊκά δεν χρειάζονται πλήρη ηλιοφάνεια για να παράξουν ηλεκτρισμό. Τα ηλιοθερμικά εκμεταλλεύονται την άμεση ηλιακή ακτινοβολία (Direct Normal Irradiance, DNI). Επίσης χρησιμοποιούνται σε κεντρικές μονάδες παραγωγής ενέργειας, αλλά και σε νοικοκυριά για την κάλυψη των καθημερινών αναγκών (ζεστό νερό, θέρμανση). Η απόδοση τους είναι ανάλογη με την ολική ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην οριζόντια επιφάνεια του συλλέκτη. Στον Ελλαδικό χώρο η μεσαία ετήσια ηλιακή ακτινοβολία κυμαίνεται από 1450 στα βόρεια έως 1950 κιλοβατώρες ανά τετραγωνικό μέτρο, στην Κρήτη και την Κύπρο. Η ολική ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να μετρηθεί με όργανα, όπως το πυρανόμετρο.


Τα ηλιοθερμικά συστήματα παραγωγής διακρίνονται σε τεχνολογίες:


• παραβολικών κατόπτρων

• παραβολικών «πιάτων» με μηχανές Stirling

• Fresnel

• ηλιακού πύργου

• ηλιακής «καμινάδας»


Σπανιότερα, χρησιμοποιούνται ηλιοθερμικά παραβολικά πιάτα Stirling. Αυτός ο συλλέκτης είναι υψηλής θερμοκρασίας. Συγκεντρώνει τις ακτίνες του ηλίου στην δεξαμενή μιας μηχανής Stirling. Το πιάτο ακολουθεί τον ήλιο κατά την διάρκεια της μέρας:



Άλλη εναλλακτική είναι ένα ηλιοθερμικό παραβολικού κοίλου ή γούρνα (τεχνολογία Fresnel). Είναι κατασκευασμένο ως ένα μεγάλο παραβολικό κάτοπτρο (συνήθως έχει ασημένια επικάλυψη ή γυαλισμένο αλουμίνιο) με ένα σωλήνα Dewar που τρέχει κατά το μήκος του σε κομβικό σημείο. Το φως του ήλιου αντανακλάται από τον καθρέφτη και επικεντρώνεται στο σωλήνα, θερμαίνοντας υγρό, το οποίο στην συνέχεια μετατρέπει κινητική ενέργεια σε ηλεκτρισμό. Η γούρνα συνήθως ευθυγραμμίζεται με άξονα βορρά-νότου, και περιστρέφεται έτσι, ώστε να παρακολουθεί τον ήλιο στον ουρανό κάθε μέρα.



Η τεχνολογία ηλιακού πύργου συνίσταται στη διάταξη καθρεφτώ – ηλιοστατών με τέτοιο τρόπο, ώστε να συγκεντρώνουν την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή πύργου με νερό, παράγοντας απευθείας κορεσμένο ατμό σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Συντελεστές χρησιμοποίησης τέτοιων διατάξεων αγγίζουν το 75%. Ένα αντίστοιχο έργο απαιτεί ίσιο έδαφος, ώστε να είναι εφικτή η επίπεδη εγκατάστασή του. Ηλιοθερμικό πάρκο ηλιακού πύργου και μάλιστα, ένα από τα μεγαλύτερα ηλιοθερμικά πάρκα της Ευρώπης θα βρίσκεται πλέον στην Κύπρο, το οποίο έχει λάβει χορηγία από την Ευρωπαϊκή Ένωση (περί τα 60 εκατ. ευρώ) προκειμένου να ανεγείρει συγκεντρωτικό ηλιακό σύστημα (concentrated solar power, CSP) στην περιοχή της Άλασσας της Λεμεσσού. To project εντάσσεται στο πλαίσιο του ενεργειακού προγράμματος καινοτομιών NER300 και θα έχει παραγωγική δυνατότητα 50 MW και το συνολικό κόστος κατασκευής ανέρχεται στα 175 εκατομμύρια ευρώ. Η εταιρεία που στηρίζει το έργο είναι η Alfa Mediterranean Enterprises Ltd της Κύπρου μαζί με αξιόλογους συνεργάτες από την Αυστραλία και την Κίνα.



Τέλος, η τεχνολογία ηλιακής καμινάδας αποτελείται από έναν πύργο-καμινάδα και μία γυάλινη επιφάνεια στη βάση του. Η γυάλινη επιφάνεια (απόσταση από το έδαφος 2-6 m) επιτρέπει στην ηλιακή ακτινοβολία να τη διαπεράσει και να θερμάνει τον αέρα που βρίσκεται μεταξύ αυτής και του εδάφους. H θερμοκρασία του αέρα κάτω από την γυάλινη επιφάνεια αυξάνεται από 20-30 βαθμούς Κελσίου σε 70 όσο προσεγγίζει τον πύργο. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του αέρα στη βάση του πύργου και αυτού στην κορυφή προκαλεί κίνηση του θερμού αέρα από την βάση του προς την κορυφή του. Η ταχύτητα του αέρα προσεγγίζει τα 15 m/sec. Η κίνηση του αέρα από κάτω προς τα πάνω κινεί τουρμπίνες που βρίσκονται εντός του πύργου, παράγοντας ακολούθως ηλεκτρική ενέργεια. Όσο πιο μεγάλη η επιφάνεια συλλογής, τόσο μεγαλύτερη ροή αέρα. Όσο μεγαλύτερο το ύψος του πύργου, τόσο μεγαλύτερη η διαφορά πίεσης. Οι εν λόγω σταθμοί έχουν ισχύ που κυμαίνεται από 50 MW – 400 MW. Συνήθως λειτουργούν με CF>50%. Ενδεικτικά, ένας σταθμός 200 MW αποτελείται από πύργο ύψους 1000 m και διαμέτρου 170 m και επιφάνεια συλλεκτών 38 km2 και ακτίνας 1,7 km.



Μπορεί οποιοσδήποτε ενδιαφερόμενος να αναζητήσει και περαιτέρω τεχνικές λεπτομέρειες για τις τεχνολογίες των ηλιοθερμικών σταθμών, οι οποίες αναμένεται να εξελιχθούν στα επόμενα χρόνια, λόγω της γενικότερης ανάπτυξης των ΑΠΕ, προς μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Ήδη σημαντικά έργα ηλιοθερμικών δρομολογούνται και στην Αφρική, όπου επικρατούν ευνοϊκές για τέτοιες ενέργειες συνθήκες, αλλά και σε άλλα σημεία του κόσμου. Αν και το κόστος τους είναι γενικά υψηλό, ως τεχνολογίες παρουσιάζουν αναμφισβήτητα έντονο ενδιαφέρον και αφήνουν περιθώρια ανάπτυξης και μελετών.


ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΗΣΤΕ ΜΑΖΙ ΜΑΣ