Η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) έχει ήδη προσαρμόσει την ενεργειακή της πολιτική προς την επίτευξη της μέγιστης μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από μονάδες παραγωγής ενέργειας. Μέσα σε αυτά τα πλαίσια, η ΕΕ έχει προσδιορίσει ως στρατηγικό στόχο μέχρι το 2020 την επίτευξη τουλάχιστον 20% μείωσης στις εκπομπές θερμοκηπιακών αερίων σε σύγκριση με τα επίπεδα εκπομπών του 1990. Αυτός ο στρατηγικός στόχος αποτελεί τον πυρήνα της νέας Ευρωπαϊκής ενεργειακής πολιτικής της ΕΕ. Αναγνωρίζοντας τα θετικά στοιχεία των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) προς την επίτευξη του στόχου αυτού, η ΕΕ έχει αποφασίσει συγκεκριμένες δράσεις για την διευκόλυνση της ενσωμάτωσης των ΑΠΕ στο υφιστάμενο Ευρωπαϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας. Συγκεκριμένα, έχει ψηφισθεί ένα δεσμευτικό σχέδιο δράσης με την μορφή Ευρωπαϊκής Οδηγίας (2009/28/EC) για την προώθηση της χρήσης των ΑΠΕ, όπου το ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ στην συνολική τελική κατανάλωση ενέργειας στην ΕΕ έχει τεθεί να φθάσει στο 20% μέχρι το έτος 2020. Η Οδηγία αυτή θέτει συγκεκριμένους δεσμευτικούς εθνικού στόχους για κάθε Κράτος Μέλος της ΕΕ, σχετικά με το ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ στην συνολική τελική κατανάλωση ενέργειας κάθε Κράτους Μέλους. Για την Κύπρο, ο εθνικός στόχος αναφέρει ότι μέχρι το 2020 το ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας πρέπει να φθάσει το 13%.
Με βάση τα πιο πάνω, η Κυπριακή Κυβέρνηση έχει υλοποιήσει σχετικά σχέδια παροχής οικονομικών κινήτρων με την μορφή Κυβερνητικών επιδοτήσεων με κύριο στόχο την προώθηση της ενσωμάτωσης τεχνολογιών ΑΠΕ στο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της Κύπρου. Τα μέτρα αυτά έχουν ετοιμαστεί από το αρμόδιο Υπουργείο Ενέργειας, Εμπορίου, Βιομηχανίας και Τουρισμού. Οι κύριες τεχνολογίες ΑΠΕ που προωθούνται με βάση τα σχέδια αυτά, για ενσωμάτωση στο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της Κύπρου είναι οι πιο κάτω:
Ηλιακή ενέργεια
Αιολική ενέργεια
Βιομάζα
1. Ηλιακή ενέργεια
Η ηλιακή ενέργεια είναι η ενέργεια που διατηρεί την ζωή στον πλανήτη για όλα τα ζωντανά είδη. Η γη λαμβάνει την ενέργεια αυτή από τον ήλιο με την μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, τα οποία ο ήλιος εκπέμπει ακατάπαυστα στο διάστημα. Για τον λόγο αυτό, η γη μπορεί να παρομοιαστεί ως ένας τεράστιος συλλέκτης ενέργειας, που λαμβάνει μεγάλες ποσότητες της ηλιακής ενέργειας σε διάφορες μορφές, όπως (α) άμεση ηλιακή ακτινοβολία, (β) θερμές αέριες μάζες (που μεταφράζονται σε ανέμους), και (γ) εξάτμιση των ωκεανών (που μεταφράζεται σε βροχή). Ως εκ τούτου, το ηλιακό δυναμικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα σαν ηλιακή ενέργεια (με την χρήση φωτοβολταικών συστημάτων ή συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων) ή έμμεσα σαν αιολική ή υδροηλεκτρική ενέργεια.
Η βιομηχανία εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας χωρίζεται σε δύο κατηγορίες, την κατηγορία των φωτοβολταικών συστημάτων (PV) και την κατηγορία των συστημάτων συγκεντρωτικής ηλιοθερμικής ενέργειας (concentrated solar power –CSP). H τεχνολογία συγκεντρωτικών ηλιοθερμικών συστημάτων χρησιμοποιεί την θερμότητα που εκπέμπεται από την άμεση ηλιακή ακτινοβολία για τη θέρμανση νερού ή για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από την άλλη, τα φωτοβολταικά συστήματα χρησιμοποιούν τις ιδιότητες συγκεκριμένων ημιαγώγιμων υλικών για την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Σήμερα, η βιομηχανία φωτοβολταικών συστημάτων είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από την βιομηχανία συστημάτων CSP.
1.1 Φωτοβολταικά Συστήματα
Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παραχθεί από την ολική ηλιακή ακτινοβολία μέσω μίας διαδικασίας που ονομάζεται «φωτοβολταική» και ακολούθως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συγκεντρωτική ή διεσπαρμένη μορφή παραγωγής. Κατά την διαδικασία αυτή ένα ηλεκτρονικό κελί στερεάς μορφής (ονομαζόμενο ως φωτοβολταικό κελί - PV) παράγει ηλεκτρική ενέργεια με συνεχές ρεύμα (DC) από την ενέργεια του ήλιου. Τα βασικά στάδια ενός πλήρως λειτουργικού φωτοβολταικού συστήματος παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Τα φωτοβολταικά κελιά (που είναι το κυρίως μέρος του όλου συστήματος) κατασκευάζονται από ένα ημιαγώγιμο υλικό, συνήθως πυρίτιο, το οποίο επικαλύπτεται με εξειδικευμένα πρόσθετα υλικά. Όταν το φως προσπίπτει στο κελί, τα ηλεκτρόνια του πυριτίου εξωθούνται (από την ενέργεια των φωτονίων) εκτός των ατόμων πυριτίου και διαχέονται σε ένα προκατασκευασμένο κύκλωμα με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Μεμονωμένα φωτοβολταικά κελιά μπορούν να διασυνδεθούν μεταξύ τους σε σειρά ή και παράλληλα για την παραγωγή του επιθυμητού συνολικού ηλεκτρικού ρεύματος και τάσης. Γενικά, τα φωτοβολταικά συστήματα είναι πολύ αξιόπιστα και απαιτούν ελάχιστη συντήρηση λόγω του ότι διατίθενται σε στερεά μορφή και δεν διαθέτουν κινούμενα υποσυστήματα.
Σχήμα 1: Βασικά στάδια λειτουργίας φωτοβολταικού συστήματος
Τα φωτοβολταικά συστήματα αποτελούνται από διάφορα άλλα μέρη, εκτός από τα φωτοβολταικά κελιά, τα οποία περιλαμβάνουν αγωγούς, ασφάλειες, μπαταρίες, μετατροπείς κ.α. Τα μέρη που θα επιλεχθούν για το σύστημα εξαρτώνται από την συγκεκριμένη εφαρμογή του συστήματος. Τα φωτοβολταικά συστήματα είναι εκ φύσεως πολύ-τμηματικά, δηλαδή μπορούν να επεκταθούν ή να σμικρυνθούν εύκολα και τα διάφορα μέρη μπορούν εύκολά να επιδιορθωθούν ή να ανταλλαχτούν αν χρειαστεί. Τα συστήματα αποτελούν οικονομικά συμφέρουσες λύσεις για εφαρμογές σε περιοχές απόμακρες και απομονωμένες από πηγές ηλεκτρικής ενέργειας καθώς επίσης και ως μικρές αυτόνομες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας. Υπάρχουν κυρίως δύο τεχνολογίες παραγωγής φωτοβολταικών συστημάτων:
Κρυσταλλικού πυριτίου,
Λεπτού υμένα.
Η τεχνολογία παραγωγής των κελιών κρυσταλλικού πυριτίου συσχετίζεται άμεσα με την βιομηχανία μικροηλεκτρονικών συσκευών και ονομάζεται τεχνολογία λεπτών δισκίων (wafers) πυριτίου. Το πυρίτιο που χρησιμοποιείται εξάγεται από το χαλαζία. Ακολούθως, το πυρίτιο σε πολύ ψηλή καθαρότητα θερμαίνεται και τήκεται. Από το τήγμα αυτό εξάγεται ένα μεγάλο κυλινδρικό κρύσταλλο πυριτίου, το οποίο ονομάζεται ingot. To κρύσταλλο αυτό ακολούθως κόβεται σε πολύ λεπτά κυκλικά δισκία (wafers), με πάχος λιγότερο από 0,5μμ το κάθε ένα.
To πρώτο στάδιο διαμόρφωσης ενός δισκίου πυριτίου σε κελί πυριτίου είναι η χαραγή της επιφάνειας του δισκίου με ειδική χημική ουσία για αποφυγή της ζημιάς που πιθανόν να προκλήθηκε κατά την διάρκεια της κοπής. Ακολούθως, κατά την διαδικασία της χαραγής δημιουργείται η ημιαγώγιμη δίοδος (p-n junction). Το χημικό στοιχείο βόρον, που χρειάζεται για την δημιουργία των ιδιοτήτων τύπου p εισάγεται κατά την ανάπτυξη του κρυστάλλου άρα είναι ήδη μέσα στο δισκίο. Το στοιχείο που δίνει τις ιδιότητες τύπου n (συνήθως φώσφορο) διοχετεύεται μέσα στη επιφάνεια του δισκίου με την θέρμανση του δισκίου στην παρουσία πηγής φωσφόρου. Υπάρχουν δύο τύποι κελιών κρυσταλλικού πυριτίου που χρησιμοποιούνται σήμερα στην βιομηχανία:
Τα μονοκρυσταλλικά κελιά πυριτίου δημιουργούνται με την χρήση δισκίων πυριτίου που αποκόπτονται από ένα κυλινδρικό κρύσταλλο πυριτίου. Το κυριότερο πλεονέκτημα των μονοκρυσταλλικών κελιών είναι η ψηλότερη απόδοση ηλεκτρικής ενέργειας που φθάνει το 15%. Τα πολυκρυσταλλικά κελιά κατασκευάζονται πρώτα με την αποκοπή διαφόρων κομματιών πυριτίου και ακολούθως με την αποκοπή από τα κομμάτια αυτά των δισκίων πυριτίου. Η παραγωγή πολυκρυσταλλικών κελιών είναι φθηνότερη από την παραγωγή μονοκρυσταλλικών κελιών, λόγω της ευκολότερης διαδικασίας παραγωγής. Όμως, τα δισκία πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι χαμηλότερης ποιότητας και έχουν χαμηλότερη απόδοση ηλεκτρικής ενέργειας, που φθάνει το 12%.
Μία εναλλακτική μέθοδος παραγωγής φωτοβολταικών κελιών με την χρήση άλλων υλικών είναι η τεχνολογία λεπτού υμένα. Με την τεχνολογία αυτή, λεπτά στρώματα ημιαγώγιμων υλικών επικάθονται σε ένα υποστηρικτικό υπόστρωμα, όπως για παράδειγμα μία μεγάλη επιφάνεια από γυαλί. Συνήθως το πάχος του στρώματος του ημιαγώγιμου υλικού που χρειάζεται, είναι λιγότερο από ένα micron (μm), δηλαδή 100-1000 φορές λιγότερο από το πάχος του δισκίου πυριτίου. Η μικρότερη ποσότητα πρώτης ύλης που απαιτείται, είναι ένα πλεονέκτημα λόγω του μειωμένου κόστους παραγωγής που συνεπάγεται. Ένα άλλο πλεονέκτημα που επίσης μειώνει το κόστος παραγωγής, είναι το γεγονός ότι το μέγεθος των μονάδων παραγωγής της τεχνολογίας αυτής, δηλαδή οι μεγάλες επιφάνειες από γυαλί, είναι κατά πολύ μεγαλύτερες σε σύγκριση με τα λεπτά δισκία της τεχνολογίας του κρυσταλλικού πυριτίου. Σήμερα, στην βιομηχανία κατασκευής φωτοβολταικών συστημάτων λεπτού υμένα χρησιμοποιούνται τα πιο κάτω υλικά:
Cadmium telluride (CdTe),
Copper indium diselenide (CIS),
Amorphous silicon (a-Si),
Thin-film silicon (thin film-Si).
Η τεχνολογία λεπτού υμένα παρουσιάζει σημαντικά μειονεκτήματα. Τα πλεονεκτήματα λόγω μειωμένου κόστους παραγωγής και ευελιξίας παραγωγής, εξανεμίζονται ουσιαστικά λόγω της σημαντικά μειωμένης απόδοσης ηλεκτρικής ενέργειας που προκύπτει. Η απόδοση εκτιμάται ότι κυμαίνεται στα 6-7%.
Για την βιομηχανία φωτοβολταικών συστημάτων, το εμπορικότερο μέρος ενός φωτοβολταικού συστήματος είναι το φωτοβολταικό πλαίσιο. Τα υπόλοιπα μέρη του συστήματος είναι συνήθως τα πιο κάτω:
Μπαταρίες, οι οποίες αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια για παροχή κατά την διάρκεια της νύκτας ή όταν υπάρχει συννεφιά,
Σύστημα ελέγχου και διαχείρισης φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών,
Μετατροπείς ισχύος συνεχούς ρεύματος, που παράγεται από το φωτοβολταικό σύστημα, σε ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος,
Δομή πάνω στην οποία θα τοποθετηθούν και θα ανεγερθούν τα φωτοβολταικά πλαίσια.
Τα πιο πάνω μέρη δεν είναι απαραίτητα σε όλες τις εφαρμογές φωτοβολταικών συστημάτων. Για παράδειγμα, σε συστήματα στα οποία δεν υπάρχουν φορτία εναλλασσόμενου ρεύματος δεν χρειάζονται μετατροπείς. Επίσης, σε συστήματα τα οποία είναι ενωμένα με το δίκτυο ηλεκτροδότησης, οι μπαταρίες δεν είναι απαραίτητες. Σε μερικές άλλες εφαρμογές χρειάζεται η διασύνδεση του συστήματος με άλλα μέρη τα οποία δεν είναι άμεσα σχετιζόμενα με φωτοβολταικά συστήματα, όπως για παράδειγμα γεννήτριες με συμβατικά καύσιμα (για εφαρμογές σε απομονωμένες περιοχές) ή αντλίες (για εφαρμογές σε αρδευτικά συστήματα).
Η χρήση φωτοβολταικών συστημάτων παρέχει τα πιο κάτω πλεονεκτήματα:
Ενεργειακή ασφάλεια: Η ηλιακή ενέργεια είναι μία σχετικά αξιόπιστη πηγή ενέργειας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν επιπρόσθετη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας σε περιπτώσεις όπου η παροχή συμβατικής παραγωγής είναι προβληματική ή μη επαρκής,
Ενεργειακή απεξάρτηση από συμβατικά υγρά καύσιμα τα οποία εισάγονται από το εξωτερικό,
Φιλικά προς το περιβάλλον: Η ηλιακή ενέργεια είναι μία μη ρυπογόνος πηγή ενέργειας η οποία βοηθά στην μείωση των εκπομπών θερμοκηπιακών αερίων στην ατμόσφαιρα,
Οικονομικά πλεονεκτήματα: Με την ορθή εγκατάσταση φωτοβολταικών συστημάτων, υπάρχει άμεση εξοικονόμηση χρημάτων,
Δημιουργία νέων θέσεων εργασίας: Νέες θέσεις εργασίας δημιουργούνται στην κατασκευαστική βιομηχανία, όπως επίσης και στους τομείς της ηλεκτρολογίας και της μηχανικής.
1.2 Συστήματα συγκεντρωτικής ηλιακής ενέργειας
Οι τεχνολογίες των συστημάτων συγκεντρωτικής ηλιακής ενέργειας (CSP), είναι κατάλληλες για χρήση σε περιοχές με ψηλό ηλιακό δυναμικό και ψηλή ηλιακή ακτινοβολία. Σε αντίθεση με τα φωτοβολταικά συστήματα, που χρησιμοποιούν την ολική ηλιακή ακτινοβολία (δηλαδή το σύνολο της διάχυτης συν της άμεσης ακτινοβολίας), οι τεχνολογίες αυτές μπορούν να χρησιμοποιούν μόνο την άμεση ηλιακή ακτινοβολία (direct normal irradiance – DNI). Οι μονάδες παραγωγής CSP προσφέρουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των φωτοβολταικών συστημάτων, δηλαδή την δυνατότητα αποθήκευσης της θερμικής ενέργειας και της απόδοσης της όταν χρειάζεται (μέρα ή νύκτα). Με τον τρόπο αυτό, οι μονάδες αυτές δύναται να παρέχουν μία αξιόπιστη και σταθερή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο παραγωγής και να χρησιμοποιούνται σαν σταθεροποιητικός παράγοντας έναντι στις έντονες αυξομειώσεις της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που διοχετεύονται στο δίκτυο από άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως π.χ. από την αιολική ενέργεια. Με τον τρόπο αυτό, οι μονάδες CSP με αποθήκευση μπορούν να επιτρέψουν την μεγαλύτερη και ομαλότερη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι τεχνολογίες CSP είναι:
1.2.1 Παραβολικοί συλλέκτες σκάφης
1.2.2 Ηλιακοί πύργοι
1.2.3 Συστήματα Φρενέλ (Linear Fresnel)
1.2.4 Ηλιακοί δισκοί
1.2.1 Τεχνολογία παραβολικών συλλεκτών σκάφης
Ο παραβολικός συλλέκτης σκάφης, ο οποίος αποτελεί την πιο διαδεδομένη μορφή συγκεντρωτικής ηλιακής ενέργειας, είναι ένα μακρύ σκαφοειδές κάτοπτρο όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Ως αποτέλεσμα του σχήματος του, το ηλιακό φως ανακλάται στο εστιακό σημείο το οποίο είναι ουσιαστικά μία γραμμή κατά μήκος του κατόπτρου. Για την συλλογή της θερμότητας του ηλιακού φωτός, τοποθετείται στο εστιακό σημείο, κατά μήκος του κατόπτρου, μία λεπτή σωλήνα συλλογής που περιέχει ειδικό υγρό το οποίο απορροφά την θερμότητα. Το υγρό αυτό, όπως επίσης και τα υλικά κατασκευής της σωλήνας συλλογής, είναι επιλεγμένα ούτως ώστε να δύνανται να απορροφούν όλη την συγκεντρωμένη θερμότητα του ηλιακού φωτός χωρίς να καταστρέφονται από τις ψηλές θερμοκρασίες που δημιουργούνται. Συνήθως, η σωλήνα συλλογής αποτελείται από ατσάλι με μαύρη αντι-ανακλαστική επίστρωση και περιβάλλεται από γυάλινο κάλυπτρο για μείωση των πιθανών απωλειών της θερμότητας.
Σχήμα 2. Βασική λειτουργία συστήματος παραβολικού συλλέκτη σκάφης
Το πεδίο παραβολικών κατόπτρων μίας μονάδας παραγωγής με τεχνολογία παραβολικών συλλεκτών σκάφης, αποτελείται από πολλές παράλληλες σειρές παραβολικών κατόπτρων. Το υγρό συλλογής θερμότητας αντλείται στις σωλήνες συλλογής κατά μήκος όλων των σειρών. Συνήθως το υγρό αυτό είναι συνθετικό λάδι, με δυνατότητα να λειτουργεί σε ψηλές θερμοκρασίες. Οι θερμοκρασίες αυτές κατά την λειτουργία της μονάδας μπορεί να φθάσουν από 300ºC μέχρι 400ºC. Μετά που θα έχει κυκλοφορήσει μέσα στις σωλήνες συλλογής, το συνθετικό λάδι διαχέεται σε εναλλακτές θερμότητας, όπου η ηλιακή θερμότητα που έχει συλλεγεί αποδίδεται για την παραγωγή ατμού. Ακολούθως, ο ατμός χρησιμοποιείται δια μέσου ξεχωριστού συστήματος διασωλήνωσης, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ατμοστροβίλου, σε κλασσικό κύκλο Rankine. Το συνθετικό λάδι αντλείται πίσω στις σωλήνες συλλογής για επανάληψη του κύκλου συλλογής θερμότητας. Τα παραβολικά κάτοπτρα τοποθετούνται συνήθως με τους άξονες τους σε προσανατολισμό βοράς-νότος και πάνω σε εξειδικευμένες δομές που τους επιτρέπουν να κινούνται σε μία κατεύθυνση (single axis tracking), παρακολουθώντας την κίνηση του ήλιου στον ορίζοντα από ανατολικά προς δυτικά.
1.2.2 Τεχνολογία ηλιακού πύργου
Οι ηλιακοί πύργοι (γνωστοί επίσης ως ηλιακές μονάδες κεντρικού συλλέκτη) προσφέρουν μία εναλλακτική λύση για εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Στη τεχνολογία αυτή, το πεδίο αντανάκλασης της ηλιακής ακτινοβολίας αποτελείται από σειρές ηλιοστατών (κατόπτρων), ενώ στην μέση του πεδίου βρίσκεται ο ηλιακός πύργος όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Στο ψηλότερο σημείο του πύργου βρίσκεται ο συλλέκτης της θερμότητας. Κάθε ηλιοστάτης έχει την δυνατότητα κίνησης σε δύο κατευθύνσεις (two-axis tracking) ούτως ώστε να μπορεί να ακολουθεί την κατεύθυνση του ήλιου στον ορίζοντα. Οι ηλιοστάτες ρυθμίζονται ξεχωριστά, έτσι ώστε η ηλιακή ακτινοβολία που αντανακλάται από τον κάθε ένα να κατευθύνεται στον συλλέκτη στο ψηλότερο σημείο του πύργου. Ο συλλέκτης είναι σχεδιασμένος για την μέγιστη απορρόφηση της θερμότητας και την απόδοση της σε υγρό συλλογής θερμότητας. Αναλόγως του σχεδιασμού κάθε μονάδας ηλιακού πύργου, το υγρό αυτό μπορεί να είναι νερό (με άμεση ατμοποίηση του χωρίς την ανάγκη ξεχωριστού κυκλώματος για την παραγωγής ατμού), αέρας ή τηγμένο άλας. Η τεχνολογία ηλιακών πύργων μπορεί εύκολα να συνδυαστεί με τεχνολογία αποθήκευσης θερμικής ενέργειας.
Σχήμα 3. Βασική λειτουργία συστήματος ηλιακού πύργου
1.2.3 Συστήματα Φρενέλ
Ουσιαστικά η τεχνολογία συστημάτων Φρενέλ στηρίζεται στις βασικές αρχές που διέπουν την τεχνολογία παραβολικών συλλεκτών σκάφης. Η διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι τα παραβολικά κάτοπτρα αντικαθίστανται από καθρέπτες Φρενέλ, οι οποίοι είναι λεπτοί καθρέπτες πολύ μικρής καμπυλότητας. Οι καθρέπτες μπορούν να ακολουθούν την πορεία του ήλιου (single axis tracking) και είναι διαρρυθμισμένοι με τέτοιο τρόπο ούτως ώστε η ηλιακή ακτινοβολία να αντανακλάται και να συλλέγεται σε σταθερό ευθύγραμμο σωλήνα συλλογής θερμότητας που τοποθετείται παράλληλα και κατά μήκος των καθρεπτών στο εστιακό σημείο. Το εστιακό σημείο βρίσκεται αρκετά μέτρα πάνω από τους καθρέπτες αυτούς. Οι καθρέπτες Φρενέλ μπορούν να συγκεντρώνουν την ηλιακή ενέργεια μέχρι και 30 φορές πέραν της κανονικής ηλιακής έντασης. Ακριβώς πάνω και γύρω από τη σωλήνα συλλογής, συνήθως τοποθετείται μικρό παραβολικό κάτοπτρο (που ονομάζεται συμπληρωματικός ανακλαστήρας), για περαιτέρω εστίαση της ηλιακής ακτινοβολίας όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Μέσα στην σωλήνα συλλογής θερμότητας βρίσκεται συνήθως νερό το οποίο μετατρέπεται με την απορρόφηση της θερμότητας άμεσα σε ατμό (direct steam generation). Ο ατμός χρησιμοποιείται για την παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ατμοστροβίλου σε κλασσικό κύκλο Rankine. Οι συνηθισμένες συνθήκες ατμού στην είσοδο του ατμοστροβίλου με αυτή την τεχνολογία, είναι 270°C στα 55bar. Η οπτική απόδοση ενός τυπικού συστήματος Φρενέλ μπορεί να φθάσει το 70% και είναι μικρότερη από αυτή ενός παραβολικού συλλέκτη σκάφης όπου κυμαίνεται από 75 – 80%. Η μειωμένη απόδοση αποτελεί και το κυριότερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας σε σύγκριση με την τεχνολογία παραβολικών συλλεκτών σκάφης. Το πλεονέκτημα της τεχνολογίας αυτής είναι η απλούστερη κατασκευή και η χρήση οικονομικότερων υλικών λόγω των χαμηλότερων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται.
Σχήμα 4. Βασική λειτουργία συστήματος Φρενέλ
1.2.4 Τεχνολογία ηλιακών δίσκων
Η τεχνολογία ηλιακών δίσκων είναι η παλαιότερη ηλιακή τεχνολογία με τις πρώτες εγκαταστάσεις μονάδων παραγωγής να λαμβάνουν χώρα κατά τα μέσα της δεκαετίας του 80 μέχρι και τα μέσα της δεκαετίας του 90. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η τεχνολογία αυτή όπως ψηλή απόδοση παραγωγής, τμηματικότητα στην κατασκευή, συνδυασμός με συμβατικές μονάδες παραγωγής και η δυνατότητα της για μακροχρόνια λειτουργία χωρίς σημαντικό κόστος συντήρησης εξακολουθεί να συντηρεί το ενδιαφέρον επενδυτών και παραγωγών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Τα συστήματα ηλιακών δίσκων μετατρέπουν την θερμική ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας σε μηχανική και μετά σε ηλεκτρική ενέργεια, με τον ίδιο τρόπο που οι συμβατικές μονάδες παραγωγής μετατρέπουν την θερμική ενέργεια από την καύση καυσίμων σε ηλεκτρισμό. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν μικρά κάτοπτρα τοποθετημένα δίπλα-δίπλα σχηματίζοντας ένα μεγάλο παραβολικό δίσκο, και τα οποία αντανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία σε ένα συλλέκτη ο οποίος βρίσκεται τοποθετημένος στο εστιακό σημείο του παραβολικού δίσκου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Για την επίτευξη όσο το δυνατό μεγαλύτερης απόδοσης, τα κάτοπτρα είναι τοποθετημένη σε μία δομή που επιτρέπει την κίνηση σε δύο κατευθύνσεις (two axis tracking) για την πλήρη παρακολούθηση της πορείας του ήλιου στον ορίζοντα. Ο συλλέκτης απορροφά την θερμότητα που αντανακλάται από τα κάτοπτρα και αποδίδει την θερμότητα στο ένα άκρο μίας μηχανής (συνήθως μηχανή Stirling) που βρίσκεται επίσης τοποθετημένη στο εστιακό σημείο δίπλα από τον συλλέκτη. Έτσι, η μηχανή Stirling αναπτύσσει στο ένα άκρο της τις κατάλληλες ψηλές θερμοκρασίες που χρειάζονται για την μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση αερίου ή υγρού και ενός εσωτερικού πιστονιού το οποίο κινεί την φτερωτή που βρίσκεται στο εσωτερικό της μηχανής. Η φτερωτή είναι συνδεδεμένη με ηλεκτρική γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρισμού.
Σχήμα 5. Σύστημα ηλιακού δίσκου
Τα συστήματα ηλιακού δίσκου έχουν επιδείξει την ψηλότερη απόδοση ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Για τον λόγο αυτό έχουν την δυνατότητα να γίνουν μία από τις πιο οικονομικές ηλιακές τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η δυνατότητα τμηματικής εγκατάστασης των συστημάτων αυτών επιτρέπει την υλοποίηση μικρότερων μονάδων, είτε για εφαρμογές σε απόμακρες περιοχές είτε για σκοπούς διεσπαρμένης παραγωγής. Στα συστήματα αυτά μπορεί επίσης να γίνει πρόνοια για την αποδοχή θερμότητας από την καύση συμβατικών καυσίμων, κάτι που θα επιτρέψει την παραγωγή συνεχούς ηλεκτρικής ενέργειας ακόμη και κατά την διάρκεια της νύκτας.
2. Αιολική Ενέργεια
Οι άνεμοι προκαλούνται από την περιστροφή της γης και την θέρμανση της ατμόσφαιρας από τον ήλιο. Συγκεκριμένα, λόγω της θέρμανσης του αέρα στην περιοχές του ισημερινού, ο αέρας γίνεται ελαφρύτερος και αρχίζει να ανεβαίνει ψηλότερα, ενώ στους πόλους ο αέρας κατεβαίνει χαμηλότερα. Η ισχύς του ανέμου είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι, η λεπτομερής γνώση του ανέμου και των χαρακτηριστικών του σε μια περιοχή, είναι πολύ σημαντική για τον προκαταρκτικό υπολογισμό της απόδοσης μίας ανεμογεννήτριας.
Η αιολική ενέργεια μετατρέπει την διαθέσιμη ισχύ του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι ανεμογεννήτριες γυρίζουν από την ταχύτητα του ανέμου και περιστρέφουν την ηλεκτρική γεννήτρια η οποία παρέχει την ηλεκτρική ισχύ. Η αιολική ενέργεια είναι ανανεώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον, ενώ οι μονάδες ηλεκτροπαραγωγής από αιολική ενέργεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν μία ανεξάρτητη πηγή ηλεκτροπαραγωγής για την παροχή επιπρόσθετης ηλεκτρική ενέργειας στο δίκτυο. Το αιολικό δυναμικό αυξάνει απότομα με την απότομη αύξηση της ταχύτητας του ανέμου. Η μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου σε μία περιοχή, είναι ο κύριος παράγοντας που λαμβάνεται υπόψη για τον αρχικό υπολογισμό της ετήσιας ηλεκτροπαραγωγής ενός αιολικού πάρκου.
Μεγάλες και μοντέρνες ανεμογεννήτριες λειτουργούν διασυνδεδεμένες σε αιολικά πάρκα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μικρότερες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται κυρίως σε οικιστικές η αγροτικές περιοχές για την ικανοποίηση τοπικών ενεργειακών αναγκών. Το σημαντικότερο μέρος των ανεμογεννητριών είναι οι έλικες οι οποίες είναι διασυνδεδεμένες μέσω ενός άξονα με τον ρότορα της ανεμογεννήτριας. Οι έλικες και ο ρότορας τοποθετούνται στο ψηλότερο σημείο του αιολικού πύργου για να μπορούν να εκμεταλλευτούν τους δυνατότερους ανέμους που επικρατούν σε ύψη πάνω από 30 μέτρα από το έδαφος. Ο άνεμος αναγκάζει τις έλικες να γυρίζουν και αυτές με την σειρά τους γυρίζουν το συνδεδεμένο ρότορα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω γεννήτριας.
Σχήμα 6. Τα μέρη μίας ανεμογεννήτριας
Υπάρχουν πολλά χερσαία αιολικά πάρκα ανά το παγκόσμιο, ενώ συνεχώς αναπτύσσονται καινούργια παράκτια αιολικά πάρκα λόγω των δυνατότερων ανέμων που επικρατούν στην θάλασσα. Είναι σημαντικό το γεγονός ότι περισσότερο από το 80% της παγκόσμιας ισχύος αιολικών πάρκων βρίσκεται σε μόνο 5 χώρες: Γερμανία, ΗΠΑ, Δανία, Ινδία, και Ισπανία. Έτσι, οι χώρες αυτές έχουν συσσωρεύσει την περισσότερη γνώση και εμπειρία όσον αφορά την αιολική ενέργεια. Η χρήση όμως της αιολικής ενέργειας επεκτείνεται ραγδαία σε όλες τις περιοχές του κόσμου.
Οι ανεμογεννήτριες φθάνουν την ψηλότερη απόδοση τους σε ταχύτητες ανέμου που είναι συνήθως μεταξύ 12m/s και 16m/s. Στις ταχύτητες αυτές, η παραγόμενη ισχύς φθάνει στο μέγιστο σημείο της. Σε πιο ψηλές ταχύτητες, η ισχύς δεν μπορεί να αυξηθεί περισσότερο και πρέπει να περιοριστεί στα επίπεδα της μέγιστης ισχύος ούτως ώστε να μην επιφορτισθούν επικίνδυνα οι έλικες και γενικότερα οι δομές της ανεμογεννήτριας. Για τον έλεγχο και περιορισμό της παραγόμενης ισχύος υπάρχουν σήμερα 3 τεχνικές που εφαρμόζονται:
Ρύθμιση Stall,
Ρύθμιση Pitch και
Ρύθμιση Active stall.
Τα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας είναι τα πιο κάτω:
Δεν χρησιμοποιείται καύσιμο,
Δεν υπάρχουν εκπομπές θερμοκηπιακών αερίων,
Η γη πάνω στην οποία έχει ανεγερθεί το αιολικό πάρκο μπορεί να διατηρήσει την προηγούμενη της χρήση,
Επιτρέπει την παροχή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές και
Έχει μικρές ανάγκες σε συντήρηση.
Τα μειονεκτήματα της αιολικής ενέργειας είναι τα πιο κάτω:
Η ταχύτητα του ανέμου δεν είναι πάντα προβλέψιμη και υπάρχουν μέρες χωρίς άνεμο,
Οπτική ρύπανση του τοπίου,
Επηρεάζει αρνητικά τα περασμάτων πουλιών στην περιοχή,
Μπορεί να δημιουργεί ηχητική ρύπανση,
Οι κατάλληλες τοποθεσίες για αιολικά πάρκα είναι συνήθως κοντά σε θάλασσα, όπου η αγορά ή ενοικίαση της γης είναι ακριβή.
3. Βιομάζα
Η έννοια της βιομάζας καλύπτει ένα μεγάλο εύρος προϊόντων και παρά-προϊόντων από τη δασική βιομηχανία, την γεωργία, κτηνοτροφία καθώς επίσης και από δημοτικά και βιομηχανικά απόβλητα. Η βιομάζα περιλαμβάνει ξυλεία από δέντρα, άλγη και άλλα φυτά, γεωργικά και δασικά κατάλοιπα, απόβλητα, λυματολάσπη, κοπριά, βιομηχανικά υπό-προϊόντα και οργανικά μέρη από δημοτικά στερεά απόβλητα.
Υπάρχουν τρείς μέθοδοι για την εκμετάλλευση της βιομάζας όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Μπορεί μέσω καύσης να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή θερμότητας ή ηλεκτρικής ενέργειας, να μετατραπεί σε αέριο καύσιμο, όπως π.χ. μεθάνιο, υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα, ή να μετατραπεί σε υγρό καύσιμο. Τα υγρά καύσιμα ονομάζονται επίσης βιοαέρια και περιλαμβάνουν δύο κύρια συστατικά της αλκοόλης: την αιθανόλη και την μεθανόλη. Τα δύο πιο κοινά υγρά καύσιμα είναι η αιθανόλη και το βιοντίζελ. Συνήθως χρησιμοποιείται περισσότερο η αιθανόλη, η οποία παρασκευάζεται από ζαχαροκάλαμο, καλαμπόκι και άλλα σιτηρά. Ένα μείγμα από βενζίνη και αιθανόλη χρησιμοποιείται ήδη σε αυτοκίνητα σε πολλές πόλεις με ψηλή ρύπανση του αέρα. Σήμερα όμως η αιθανόλη που παράγεται από βιομάζα είναι πιο ακριβή ανά γαλόνι από την βενζίνη. Για τον λόγο αυτό, η αιθανόλη χρησιμοποιείται κυρίως σαν πρόσθετο καύσιμο ή σαν οξυγονωτής για αύξηση των οκτανίων στο καύσιμο των αυτοκινήτων για τη μείωση των εκπομπών μονοξειδίου του άνθρακα και άλλων αερίων στην ατμόσφαιρα. Για το λόγο αυτό είναι πολύ σημαντική η εξεύρεση φθηνότερων μεθόδων παραγωγής αιθανόλης από βιομάζα άλλων καλλιεργειών.
Σχήμα 7. Μέθοδοι μετατροπής της βιομάζας
Το βιοντίζελ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν πρόσθετο καύσιμο στο ντίζελ για μείωση των εκπομπών των αυτοκινήτων ή, στην πιο αγνή του μορφή, ως εξολοκλήρου καύσιμο αυτοκινήτων. Οι ανησυχίες για τυχόν εξάντληση των αποθεμάτων πετρελαίου και για την ρύπανση του περιβάλλοντος που προκαλείται από την συνεχή αύξηση των ενεργειακών αναγκών, έχουν κάνει το βιοντίζελ να φαίνεται ως μία ελκυστική εναλλακτική λύση για καύσιμο μηχανών ντίζελ.
Η βιομάζα μπορεί επίσης, μέσω καύσης, να αντικαταστήσει τα υγρά συμβατικά καύσιμα στην παραγωγή ατμού για ηλεκτροπαραγωγή ή για άλλες βιομηχανικές χρήσεις. Οι μονάδες ηλεκτροπαραγωγής από βιομάζα χρησιμοποιούν τεχνολογία πολύ παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται σε ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες άνθρακα. Για τον λόγο αυτό, οι κύριες χρήσεις της βιομάζας στο άμεσο μέλλον αναμένεται να είναι η άμεση καύση καταλοίπων και αποβλήτων για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, το μέλλον της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα βρίσκεται στην ενσωμάτωση της βιομάζας στην διαδικασία αεριοποίησης σαν μέρος συστήματος συνδυασμένου κύκλου, λόγω της ψηλής απόδοσης του κύκλου αυτού. Ήδη, μερικές από τις πιο προχωρημένες τεχνολογίες αεριοποίησης και πυρόλυσης με βιομάζα βρίσκονται στο στάδιο της εμπορικοποίησης.
Τα πλεονεκτήματα της χρήσης βιομάζας είναι τα πιο κάτω:
Χρησιμοποιούνται απόβλητα υλικά που δεν έχουν περαιτέρω χρήση,
Το παραχθέν καύσιμο είναι συνήθως φθηνό και
Περιορίζει την κατανάλωση των πόρων της γης.
Τα μειονεκτήματα της χρήσης βιομάζας είναι τα πιο κάτω:
Η συλλογή των αποβλήτων σε ικανοποιητικές ποσότητες μπορεί να είναι δύσκολη και επίπονη διαδικασία,
Με την καύση βιομάζας υπάρχει εκπομπή θερμοκηπιακών αερίων και
Μερικά υλικά βιομάζας δεν είναι διαθέσιμα όλο το χρόνο.
