Παθητικά και ενεργητικά συστήματα για την εκμετάλλευση της Ηλιακής Ενέργειας

Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας γίνεται με τα παθητικά και τα ενεργητικά συστήματα. Παθητικά είναι τα συστήματα εκείνα, όπου η κατασκευή ενός κτιρίου αποσκοπεί στην κατά το δυνατόν μεγαλύτερη απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας για την θέρμανσή του. Η τεχνική σχεδίασης τέτοιων συστημάτων είναι αρκετά ανεπτυγμένη στην Ευρώπη, με δυνατότητα εξοικονόμησης σημαντικών ποσοτήτων καυσίμων για την θέρμανση. Για την ακρίβεια Παθητικά ηλιακά συστήματα είναι εκείνα που εκμεταλλεύονται την ηλιακή ακτινοβολία για θέρμανση ή ψύξη και δεν κάνουν χρήση μηχανικών μέσων για τη μεταφορά της θερμότητας προς το χώρο. Βασίζονται στη φυσική ροή της θερμικής ενέργειας, εκμεταλλεύονται τις φυσικές ιδιότητες των υλικών του κτηρίου και χρησιμοποιούν, για τη συλλογή της ηλιακής ενέργειας και την αποθήκευση της θερμότητας, τα δομικά στοιχεία του κελύφους (τοίχους, δάπεδα, οροφές, δώμα).

Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα απαιτούν τη χρησιμοποίηση μηχανικών μέσων -απλών μέχρι υψηλής τεχνολογίας (αντλίες θερμότητας, εναλλάκτες θερμότητας, κλπ)-και προϋποθέτουν σύνθετους μηχανισμούς συλλογής, μεταφοράς και αποθήκευσης της θερμότητας που έχει προέλθει από την ηλιακή ακτινοβολία που δεσμεύτηκε. Ηλιακοί συλλέκτες που θερμαίνουν νερό ή αέρα, το οποίο στη συνέχεια διοχετεύεται στο σύστημα διανομής της θερμότητας στο χώρο με τη μεσολάβηση εναλλάκτη θερμότητας αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα.

 Συνεπώς τα συστήματα αξιοποίησής της ηλιακής ενέργειας διακρίνονται στα :

*Α) Ενεργειακά ηλιακά συστήματα, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε θερμότητα και ενσωματώνονται κυρίως στις κατασκευές κτιρίων, τόσο σε οικιακές χρήσεις όσο και σε βιομηχανικές χρήσεις για την εξυπηρέτηση των θερμικών αναγκών.

*Β) Παθητικά ηλιακά και υβριδικά συστήματα, που αφορούν αρχιτεκτονικές λύσεις όπου χρησιμοποιούνται κάποια κατάλληλα δομικά υλικά για τη μεγιστοποίηση της απευθείας εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας.

*Γ) Φωτοβολταϊκά συστήματα, που χρησιμοποιούνται για την άμεση μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική με αποκλειστική χρήση σε επίπεδο ηλεκτροπαραγωγής. 

Περιγραφή

Φωτοβολταϊκό (Φ/Β) στοιχείο αποκαλούμε τη συσκευή που παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν δέχεται ακτινοβολία. Λέγεται ακόμα Φ/Β κύτταρο ή Φ/Β κυψέλη. Για την κατασκευή ηλεκτρικής πηγής με ισχύ πολλαπλάσια αυτής του ενός στοιχείου μπορούν να συνδεθούν σε σειρά περισσότερα από ένα στοιχεία δημιουργώντας τις Φ/Β συστοιχίες που παράγουν σημαντικά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας για εφαρμογές μεγαλύτερης κλίμακας. Έτσι λοιπόν, τις ώρες της ημέρας τα Φ/Β στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ηλεκτροδότηση διαφόρων συσκευών (λαμπτήρες, υπολογιστικές μηχανές, κινητά τηλέφωνα και άλλες ηλεκτρονικές μικροσυσκευές, ακόμη και ελαφρά αυτοκίνητα ή κατοικίες) ή για τη φόρτιση μπαταριών οι οποίες με τη σειρά τους θα αποδώσουν το ηλεκτρικό ρεύμα τις νυχτερινές ώρες (για φωτισμό, κίνηση ηλεκτρικών οχημάτων ή άλλες χρήσεις).

Στη διάταξη αυτής της εργασίας χρησιμοποιείται ως ηλεκτρική πηγή φωτοβολταϊκό στοιχείο της εταιρείας Florizon. Το υλικό κατασκευής είναι υψηλής ποιότητας κρυσταλλικό πυρίτιο και οι διαστάσεις του ορθογώνιου στοιχείου 15cm X 12cm. Το στοιχείο χαρακτηρίζεται από τάση ανοικτού κυκλώματος 2,75 V, όπως επαληθεύθηκε με μετρήσεις σε συνθήκες ενδιάμεσης ηλιοφάνειας (παρατηρήθηκαν και μεγαλύτερες τιμές, μέχρι 2,95 V σε συνθήκες έντονης ηλιοφάνειας) δηλαδή παράγει τάση ανάλογη εκείνης των συνήθων μπαταριών που χρησιμοποιούμε καθημερινά.

Η πηγή τροφοδοτεί μέσω καλωδίων λαμπτήρα φάρου. ‘Οταν δεν υπάρχει αρκετό φως για τη λειτουργία του Φ/Β στοιχείου χρησιμοποιούμε ως πηγή μπαταρία. Ο φάρος είναι κατασκευασμένος από χαρτόνι και περιλαμβάνει βάση σχήματος κύβου και «πύργο» σχήματος κυλίνδρου. Στην κορυφή του πύργου είναι τοποθετημένος ο μικρός λαμπτήρας που τροφοδοτείται από το Φ/Β στοιχείο. Εντύπωση προκαλεί ότι η πηγή δεν αναπτύσσει τη μεγίστη τάση που αναφέραμε παραπάνω αν το προσπίπτον φως δεν είναι ηλιακό, ανεξάρτητα από την έντασή του. Συγκεκριμένα, με το φως κοινής λάμπας ανεξάρτητα αν είναι πολύ εντονότερο του ηλιακού, μετρήσαμε τάση 1.8 V ενώ με την προσθήκη και δεύτερης πηγής τεχνητού φωτός (φακός) η τάση ανήλθε σε 2.1V.