Διερεύνηση εφαρμογών εγκατάστασης ηλιακών συστημάτων με εμφαση στις τεχνολογίες φωτοβολταϊκών

Abstract

The rapid development of technology has contributed to the development and use of devices that require energy consumption. The energy requirements of the modern world are mostly met by the use of solid, liquid and gaseous fuels. In addition, there is a strong use of nuclear energy by the cleavage of radioactive materials. The abovementioned forms of energy are non-renewable sources of energy, as their resources cannot be renewed for a reasonable time.Non-renewable energy sources, in addition to providing energy to humans, have been the cause of energy crises, and have contributed to the creation of a multitude of environmental problems such as heavy greenhouse gases, acid rain and ozone depletion. These phenomena have an impact on humans as well as on all ecosystems. Consequently, it is imperative to use other forms of energy by man. In particular, solar, wind, hydrodynamics, geothermal energy and biofuels are renewable sources of energy. There can be no mention of the production of energy from hydrogen as an alternative form of energy. Every form of renewable energy has advantages and disadvantages, limiting its scope.In recent decades there has been an increasing interest from many researchers in the use of solar radiation as an alternative energy supply to the modern world. In the context of this PhD dissertation, having made a study on renewable energy sources, the selection of the use of systems based on solar radiation is documented. Specifically, the dissertation focuses on the use of photovoltaic systems and emphasis is placed on their placement in building facilities. At the same time, the development of intelligent, computational methods is being developed, which will be a useful tool for the scholars, the choice of the most suitable technology and the location of the photovoltaic systems for the supply of energy to buildings.

Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας έχει συντελέσει στην ανάπτυξη και χρήση συσκευών που η λειτουργία τους απαιτεί την κατανάλωση ενέργειας. Η κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων του σύγχρονου κόσμου επιτυγχάνεται, στην πλειοψηφία της, μέσω της αξιοποίησης των στερεών, των υγρών και των αέριων καυσίμων. Επιπρόσθετα, παρατηρείται έντονη χρήση της πυρηνικής ενέργειας με τη σχάση ραδιενεργών υλικών. Οι προαναφερθείσες μορφές ενέργειας αποτελούν μη-ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, καθώς οι πόροι τους δεν μπορούν να ανανεωθούν σε εύλογο, για τον άνθρωπο χρονικό διάστημα. Οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, πέραν της ενέργειας που παρέχουν στον άνθρωπο, έχουν αποτελέσει αιτία ενεργειακών κρίσεων, ενώ έχουν συμβάλλει στη δημιουργία ενός πλήθους περιβαλλοντικών προβλημάτων, όπως το έντονο φαινόμενο του θερμοκηπίου, η όξινη βροχή και η εξασθένιση της στοιβάδας του όζοντος. Τα συγκεκριμένα φαινόμενα έχουν αντίκτυπο στον άνθρωπο καθώς επίσης και σε όλα τα οικοσυστήματα. Συνεπώς, κρίνεται επιτακτική η αξιοποίηση άλλων μορφών ενέργειας από τον άνθρωπο. Συγκεκριμένα, η ηλιακή, η αιολική, η υδροδυναμική, η γεωθερμία και τα βιοκαύσιμα αποτελούν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Δεν μπορεί να μην αναφερθεί η παραγωγή ενέργειας από το υδρογόνο σαν εναλλακτική μορφή ενέργειας. Κάθε μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας παρουσιάζει πλεονεκτήματα, αλλά και μειονεκτήματα, περιορίζοντας το πεδίο εφαρμογής της.Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον από πολλούς ερευνητές για την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας σαν εναλλακτικό μέσο παροχής ενέργειας του σύγχρονου κόσμου. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο «Διερεύνηση εφαρμογών εγκατάστασης ηλιακών συστημάτων με έμφαση στις τεχνολογίες φωτοβολταϊκών», έχοντας γίνει μια μελέτη αναφορικά με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, τεκμηριώνεται η επιλογή της αξιοποίησης των συστημάτων που βασίζονται στην ηλιακή ακτινοβολία. Συγκεκριμένα, η διατριβή εστιάζει στην αξιοποίηση φωτοβολταϊκών συστημάτων και δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην τοποθέτησή τους σε κτιριακές εγκαταστάσεις. Παράλληλα, επιχειρείται η ανάπτυξη ευφυών, υπολογιστικών μεθόδων που θα αποτελέσουν ένα χρήσιμο εργαλείο για τους μελετητές, στην επιλογή τόσο της καταλληλότερης τεχνολογίας όσο και της χωροθέτησης των φωτοβολταϊκών συστημάτων για την παροχή ενέργειας σε κτίρια.Η δομή της διδακτορικής διατριβής εκτείνεται σε έντεκα κεφάλαια, ως εξής:Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται το ενεργειακό πρόβλημα, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά των συμβατικών πηγών ενέργειας και η εξοικονόμηση ενέργειας.Στο Κεφάλαιο 2 αναλύονται οι συμβατικές πηγές ενέργειας.Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι μορφές περιβαλλοντικής ρύπανσης από τη χρήση των συμβατικών πηγών ενέργειας.Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται εκτενής περιγραφή των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας και οι βασικές αρχές τους. Επιπρόσθετα, παρατίθενται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των τεχνολογιών αυτών. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται στοιχεία αναφορικά με την ηλιακή ακτινοβολία καθώς και τις επιδράσεις της στη γη και την ανθρώπινη δραστηριότητα.Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφονται αναλυτικά τα φωτοβολταϊκά συστήματα καθώς και τα νέου τύπου υβριδικά φωτοβολταϊκά / θερμικά ηλιακά συστήματα.Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία των συσσωρευτών που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα.Στο Κεφάλαιο 8 περιγράφονται οι ρυθμιστές τάσης και οι αναστροφείς στις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις.Στο Κεφάλαιο 9 αναλύονται οι βασικές αρχές των καλωδιώσεων που απαιτούνται για τη διασύνδεση των στοιχείων των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων.Στο Κεφάλαιο 10 περιγράφεται το πρόγραμμα που υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής με σκοπό την εύρεση της ενδεικνυόμενης τεχνολογίας φωτοβολταϊκών συστημάτων καθώς και της χωροθέτησης εκείνης που επιτρέπει την βέλτιστη απόδοση των συστημάτων αυτών.Στο Κεφάλαιο 11 παρατίθενται γενικά συμπεράσματα και προοπτικές αναφορικά με τις εφαρμογές των φωτοβολταϊκών συστημάτων και τη δυνατότητα ένταξής τους σε άλλους τομείς της καθημερινής δραστηριότητας του ανθρώπου.