02 Εναλλακτικές Πηγές Ενέργειας
Αιολική:
Τρεις (3) τεχνολογίες παραγωγής ανέμου & 4 μεγέθη αιολικής παραγωγής.
Ανεμογεννήτρια Οριζόντιου Άξονα (Horizontal Axis Wind Turbine_HAWT),
Ανεμογεννήτρια Κατακόρυφου Άξονα (Vertical Axis Wind Turbine_VAWT) &
Στρόβιλοι Kite.
1. Ανεμογεννήτρια Οριζόντιου Άξονα (HAWT)
Οι Οριζοντίου Άξονα Ανεμογεννήτριες είναι οι πιο δημοφιλείς και μεγαλύτερες σε μέγεθος. Όπως λέει η μηχανολόγος μηχανικός Dr Rosemary Barnes με 15 χρόνια εργασιακής εμπειρίας, σε ένα από τα βίντεό της στο YouTube Πρέπει οι ανεμογεννήτριες να έχουν ΔΥΟ πτερύγια; μπορεί να υπάρξουν όσα ισορροπημένα και σταθερά πτερύγια θέλετε σε μια ανεμογεννήτρια που θα λειτουργεί τόσο αποτελεσματικά όσο κάθε άλλη ανεμογεννήτρια αρκεί να ληφθούν υπόψη δύο παράμετροι.
Η ταχύτητα περιστροφής και
το πλάτος των λεπίδων.
Στις ανεμογεννήτριες HAWT η ταχύτητα της άκρης (κορυφή) ενος περιστρεφόμενου πτερυγίου είναι μεγαλύτερη από αυτή του άξονα στη βάση του λόγω της γραμμικής ταχύτητας. (Για να μπορεί η άκρη ενός πτερυγίου να συμβαδίζει με την γωνιακή, περιστροφική ταχύτητα της βάσεις της πρέπει να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση και έτσι να περιστρέφεται πιο γρήγορα για να συμβαδίσει).
Η ταχύτητα κορυφής του πτερυγίου μιας ανεμογεννήτριας είναι αυτή που δημιουργεί θόρυβο όταν περιστρέφεται. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα της άκρης τόσο πιο δυνατός είναι ο θόρυβος. Για να έχουμε χαμηλό θόρυβο ανεμογεννήτριας απαιτείται μια αργή αξονική ταχύτητα περιστροφής. Προκειμένου μια ανεμογεννήτρια να έχει ένα μόνο πτερύγιο και να παραμένει σταθερή και ισορροπημένη, το πτερύγιο της θα πρέπει να είναι σχετικά φαρδύ. Όσο περισσότερα πτερύγια έχει μια ανεμογεννήτριας τόσο πιο λεπτά πρέπει να είναι. Ωστόσο, όσο περισσότερα πτερύγια έχετε τόσο πιο ακριβή και περίπλοκη είναι η τουρμπίνα.
Μια ανεμογεννήτρια με ένα πτερύγιο δεν είναι ισορροπημένος και μια ανεμογεννήτρια διπλών πτερυγίων δεν είναι σταθερή όταν περιστρέφεται για να ακολουθήσει την κατεύθυνση του ανέμου. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν υπάρχουν, απλά ότι είναι πιο περίπλοκα για να γίνουν αποτελεσματικά.
Η φθηνότερη και πιο κοινή συμβιβάσει για τις HAWT είναι η λύση 3 λεπίδων. Οι οριζόντιες ανεμογεννήτριες συνήθως κατατάσσονται σε 4 κατηγοριές,
μικρές για ιστιοπλοϊκό σκάφος, κατασκήνωση ή μικρή καλύβα μεγέθους 80-600W,
μεσαίες για λίγα νοικοκυριά ή μεγάλα γραφεία/επιχειρήσεις 5-20kW,
παλιές μεγάλες παραγωγή δικτύου τον εκατοντάδων kW και
εξαιρετικά μεγάλες υπεράκτιες ανεμογεννήτριες όπως αυτές της Κινεζικής «MingYang», της Δανέζικης «Vestas» και της «General Electric GE» των ΗΠΑ που μπορούν να παράγουν έως και 16+MW ηλεκτρικής ενέργειας η μία.
Μία από αυτές τις υπεράκτιες ανεμογεννήτριες όπως τις General Electrics Haliade-X μπορεί να παράγει μόνη της έως και 12 MW ηλεκτρικής ενέργειας, αρκετή δηλαδη για να τροφοδοτήσει 16.000 ευρωπαϊκά νοικοκυριά. Το λίγο μεγαλύτερο αδερφάκι του των 13 MW μπορεί να παράγει αρκετή ενέργεια σε ΜΙΑ περιστροφή για να τροφοδοτήσει ένα νοικοκυριό στο Ηνωμένο Βασίλειο για 2 ημέρες.
Ένα μόνο πτερύγιο ενός Haliade-X έχει μήκος 107 μέτρα (27 μέτρα μεγαλύτερο από το άνοιγμα των φτερών του νέου πλήρως διώροφου Airbus A380 δημιουργώντας διάμετρο ρότορα 220 μέτρων και στέκεται σε ύψος 260μ). Το κύριο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν αυτές οι εξαιρετικά μεγάλες ανεμογεννήτριες στην ξηρά είναι η μεταφορά τους σε ένα εργοτάξιο. Το πλάτος των βάσεων ή το μήκος των πτερυγίων μπορεί να είναι τέτοιο ώστε να είναι πραγματικά δύσκολο να περάσει κάτω ή πάνω από γέφυρες ή μέσα από σήραγγες. Μια Σουηδική εταιρεία μηχανικού και βιομηχανικού σχεδιασμού με το όνομα MODVION έχει καταλήξει σε ένα σχέδιο που θα επιτρέψει την κατασκευή και τη συναρμολόγηση βάσεων HAWT από πολλαπλές μονάδες ξύλου. Αυτές οι μονάδες ωστόσο είναι εξίσου στιβαρές και μακράς διάρκειας ζωής με τις αντίστοιχες ατσαλένιες και επίσης ελαφρύτερες. Ο λόγος που αυτή συναρμολόγηση μονάδων είναι σημαντική είναι ότι όσο μακρύτερα είναι τα πτερύγια μιας ανεμογεννήτριας (επιτρέποντάς τις έτσι να έχει ισχυρότερο και σταθερότερο άνεμο), τόσο πιο φαρδιά και στιβαρή πρέπει να είναι η βάση του πύργου. Το επιπλέον ύψος δίνει καθαρότερο και πιο σταθερό αέρα για την περιστροφή των πτερυγίων.
Ένα αρκετά σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τα υπεράκτια «τοποθετημένου δικτύου» αιολικά πάρκα HAWT είναι αυτό της διάταξής τους. Οι ανεμογεννήτριες HAWT είναι ευαίσθητες στην κατεύθυνση του ανέμου. Για να λειτουργήσουν αποτελεσματικά χρειάζονται έναν σταθερό άνεμο που δεν αλλάζει συχνά κατεύθυνση. Σε ένα αιολικό πάρκο HAWT όπου οι ανεμογεννήτριες είναι τοποθετημένες η μία πίσω από την άλλη σε ένα τετράγωνο πλέγμα, οι ανεμογεννήτριες που τοποθετούνται σε σειρές πίσω από την πρώτη σειρά λαμβάνουν βρώμικο και μειωμένο άνεμο. «Βρώμικο» με την έννοια ότι καθώς ο άνεμος περνά μέσα από τα πτερύγια τον μπροστινών ανεμογεννήτριών στρίβεται και στροβιλίζεται από τα περιστρεφόμενα πτερύγια και διασκορπίζεται πίσω τους. Έτσι, όταν ο άνεμος φτάνει στις άλλες σειρές, δεν ρέει πλέον σταθερά και προς μία κατεύθυνση και η ταχύτητά του έχει μειωθεί. Ένας τρόπος για την κυρίως αντιμετώπιση αυτού προβλήματος είναι με την τοποθέτηση των ανεμογεννητριών σε ένα τριγωνικό πλέγμα με μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ τους, έτσι ώστε η κατεύθυνση του ανέμου και η δύναμη να είναι βέλτιστη για όλες τις ανεμογεννήτριες ασχέτως σε ποια σειρά βρίσκονται.
2. Ανεμογεννήτρια Κατακόρυφου Άξονα (VAWT)
Η Κατακόρυφου άξονα ανεμογεννήτριες συνήθως κυμαίνονται σε δύο κατηγορίες,
Τύπου οπισθέλκουσας (aerodynamic drag)“Savonius” και
Τύπου άντωσης (aerodynamic lift) “Darrieus”.
Οι ανεμογεννήτριες τύπου οπισθέλκουσας χρησιμοποιούν το βάρος των πτερυγίων για να βοηθήσουν στην περιστροφή τους, ενώ οι ανεμογεννήτριες τύπου άντωσης χρησιμοποιούν πτερύγια αεροδυναμικού σχήματος για να βοηθήσουν στην περιστροφή τους. Λόγω του προσανατολισμού και του φάρδος των πτερυγίων, οι ανεμογεννήτριες VAWT είναι πιο αθόρυβοι επειδή η περιστροφική ταχύτητα των άκρον των πτερυγίων είναι συνήθως μικρότερη από αυτή των HAWT ανεμογεννήτριών. Ο προσανατολισμός των πτερυγίων τους σε συνδυασμό με τον χαμηλό θόρυβο λειτουργίας τους τα καθιστά ιδανικά για οικιακή χρήση. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι δεν είναι αποτελεσματικές. Παρόλο που δεν έχουν ερευνηθεί τόσο καλά όσο οι ανεμογεννήτριες HAWT, τα βιομηχανικά τους μεγέθη όπως το 50kW SunSurfs WT3 της SunSurfs ή το 750kW Vertical Sky® A32 της Agile Wind Power δεν πρέπει να περιφρονουνται. Ενώ οι ανεμογεννήτριες HAWT χρειάζονται μεγάλα, πολύπλοκα συστήματα γραναζιών για να τους κρατούν στραμμένους προς τον άνεμο Οι ανεμογεννήτριες VAHT είναι πανκατευθυντικές που σημαίνει ότι μπορούν να περιστρέφονται από τον άνεμο που τους έρχεται από οποιαδήποτε κατεύθυνση. Ο σχεδιασμός, το μέγεθος και το σχήμα των VAWT τα καθιστούν εξαιρετικά στιβαρά και ιδανικά για χρήση σε ΟΛΕΣ τις ταχύτητες ανέμου, καθώς μπορούν πρακτικά να λειτουργήσουν από ένα ελαφρύ αεράκι μέχρι και κοντά σε έναν τυφώνα. Το γεγονός ότι όλα τα κινούμενα μέρη τους που χρειάζονται συντήρηση βρίσκονται στη βάση τους τις καθιστά πολύ εύκολες στην συντήρηση σε αντίθεση με τις HAWT όπου τα πτερύγια και τα υπόλοιπα κινούμενα μέρη τους βρίσκονται στην κορυφή του πύργου τους σε ύψος περίπου 260 μέτρων. Ο οπισθοπτερυγός άνεμος τον VAWT είναι λιγότερο ανακατεμένος από αυτό των HAWT ανεμογεννήτριών δημιουργώντας σημαντικά λιγότερα προβλήματα στις ανεμογεννήτριες πίσω τους όταν βρίσκονται σε ένα αιολικό πάρκο και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και βελτίωση της απόδοσης των γειτονικών ανεμογεννητριών VAWT. Το συνολικό μέγεθος, το φάρδος και ο χαμηλό θόρυβος των ανεμογεννητριών VAWT τις καθιστούν ιδανικές για οικιακή χρήση. Το μέγεθός τους και η ικανότητα τους να δουλεύουν σε ελάχιστο αληθινό ή τεχνητό άνεμο τις καθιστούν ιδανικές για αυτόνομες μονάδες παραγωγής ενέργειας. Τεχνητός, όπως αυτός που δημιουργείται από διερχόμενα αυτοκίνητα σε δρόμο ή πολυσύχναστο αυτοκινητόδρομο, όπως φαίνεται από το Ισραηλινό «Alpha311» ή το Τουρκικό «Enlil». Και τα δύο αυτά VAWT όχι μόνο παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, αλλά συμβάλλουν επίσης στην επιστημονική έρευνα τροφοδοτώντας τον εξοπλισμό που είναι τοποθετημένος σε αυτά για τη μέτρηση της ποιότητας του αέρα, τους σεισμούς, τη συνδεσιμότητα αυτόνομον οχημάτων και τους ενισχυτές Wi-Fi.
3. Στρόβιλοι Kite
Η τρίτη αιολική τεχνολογία είναι αυτή της Makani. Η Makani είναι μια εταιρεία με έδρα τις ΗΠΑ με στόχο να συλλέγει ενέργεια από αετό. Οι τουρμπίνες συνδέονται με έναν αετό που πετά σε κύκλους που ονομάζονται πτήση με πλάγιο άνεμο (crosswind flight). Η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από τις τουρμπίνες του αετού αποστέλλεται στο δίκτυο μέσω της πρόσδεσης του αετού. Η ταχύτητα του ανέμου σε συνδυασμό με τον φαινομενικό άνεμο που δημιουργείται από τους κύκλους στους οποίες πετάει ο αετός, στρέφουν τις τουρμπίνες του αετού με μεγάλη ταχύτητα. Ένα από τα πρωτότυπα της Makani του οποίου το μήκος του αετού ήταν ίσο με το άνοιγμα των φτερών ενός μικρού τζετ αεροπλάνου, ήταν σε θέση να παράγει 600 kW ηλεκτρικής ενέργειας
Ηλιακή:
Δύο (2) τεχνολογίες ηλιακής παραγωγής
Φωτοβολταϊκά (Φ/Β η PV) και
Ηλιοστάτης (Συγκεντρωμένη Ηλιακή Υποβοηθούμενη Παραγωγή Θερμικής Ενέργειας).
1. Η πρώτη τα Φωτοβολταϊκά
Τα φωτοβολταϊκά (κύτταρα, κυψέλες) / (πίνακες, πάνελ) βρίσκονται σε πολλούς διαφορετικούς τύπους, τεχνολογίες και μέσα εφαρμογής. Υπάρχουν 2 σχετικά απλές τεχνολογίες που μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την παραγωγικότητα των παραδοσιακών στατικών πάνελ.
Πάνελ διπλής όψης και
Ηλιακοί Ιχνηλάτες.
Τα πάνελ διπλής όψης, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, δημιουργούν ηλεκτρική ενέργεια και από τις δύο πλευρές του πάνελ. Η επάνω πλευρά απευθείας από τον ήλιο ενώ η κάτω πλευρά κυρίως από έμμεσο ανακλώμενο φως από το έδαφος, τα σύννεφα ή τα γύρω πάνελ. Τα καλά τοποθετημένα πάνελ διπλής όψης μπορούν να έχουν 25-30% αύξηση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Η ηλιακή ιχνηλίαση, και πάλι όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι όταν ένα πάνελ περιστρέφεται από κάποιο είδος μηχανισμού για να βλέπει απευθείας τον ήλιο καθώς διασχίζει τον ουρανό. Η ηλιακή ιχνηλίαση μπορεί να είναι,
μονού ή
διπλού άξονα.
Σε ένα σύστημα ιχνηλίασημονού άξονα, τα πάνελ συνδέονται σε δύο αντίθετες πλευρές ενός πάνελ περιστρέφοντας έτσι έναν μόνο άξονα συνήθως από την ανατολή προς τη δύση για να ακολουθήσουν τον ήλιο. Σε ένα σύστημα ιχνηλίασης διπλού άξονα, μια διάταξη πάνελ 10-18 πάνελ μπορεί να ισορροπήσει σε έναν πόλο που επιτρέπει στη διάταξη τον πάνελ να περιστρέφεται σε δύο άξονες Βορρά-Νότος & Ανατολή-Δύση, διασφαλίζοντας έτσι ότι τα πάνελ είναι πάντα στραμμένα στην βέλτιστη κατεύθυνση για παραγωγή ενέργειας. Η ηλιακή ιχνηλίαση μπορεί να προσθέσει μια επιπλέον αύξηση 25-40% στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογα με το αν πρόκειται για περιστροφή “ενός ή διπλού” άξονα και πόσο ακριβής είναι. Όταν συνδυάζονται οι τεχνολογιές ιχνηλίασης με διπλής όψης η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκά μπορεί να αυξηθεί έως και πάνω από 50%.
Η ηλιακή ενέργεια είναι μια αντίδραση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που λειτουργεί όταν τα φωτόνια φωτός προσπίπτουν σε μια ημιαγώγιμη επιφάνεια φωτοβολταϊκών κυψελών και εκτινάσσουν από πάνω τους τα ηλεκτρόνια. Μερικά από τα ηλεκτρόνια χάνονται στο οριακό στρώμα / boundary layer (PN επαφή / Junction, Πεδίο Απογύμνωσης / Depletion Layer) μεταξύ των θετικά και αρνητικά κορεσμένων φορτισμένων πλευρών ενός πάνελ πυριτίου, αλλά τα υπόλοιπα ελευθερωμένα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλα τα ηλιακά φωτόνια για τη δημιουργία ηλεκτρισμού, καθώς δεν έχουν όλα αρκετή ενέργεια (είναι του κατάλληλου μήκους κύματος) για να μετακινήσουν τα ηλεκτρόνια από την ημιαγώγιμη επιφάνεια του φωτοβολταϊκού. Περίπου το 30% των φωτονίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε κυψέλες με βάση το πυρίτιο, το υπόλοιπο 70% χάνεται ως θερμότητα.
Στις αρχές έως τα μέσα της δεκαετίας του 1950 εφευρέθηκε το πρώτο ηλιακό στοιχείο πυριτίου και είχε «απόδοση» (δείκτης της ποσότητας ηλιακού φωτός που τελικά μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια) περίπου 6%. Μέχρι το 1959 η απόδοση είχε αυξηθεί στο 10%. Σήμερα η μέση ηλιακή κυψέλη πυριτίου έχει απόδοση 15-20% με τη μεγαλύτερη απόδοση να είναι γύρω στο 23%. Οι επιστήμονες έχουν προβλέψει ότι η μέγιστη απόδοση φωτοβολταϊκών με βάση το πυρίτιο είναι το 29%.
Η παραγωγή ηλιακής ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να δημιουργηθεί από πολλές διαφορετικές τεχνολογίες.
Ηλιακά κεραμίδια στέγης όπως αυτά που αναπτύχθηκαν από τις Η.Π.Α TESLA ή του Ενωμένου Βασιλείου ErgoSun είναι πολύ πιο εύκολα και απλούστερα στην εγκατάσταση σε κεραμοσκεπές από ό,τι τα παραδοσιακά φωτοβολταϊκά πάνελ που απαιτούν εξειδικευμένους βραχίονες σε ένα σύστημα πλαισίου στήριξης για τη στήριξη τους στους δοκούς της οροφής. Τα ηλιακά κεραμίδια οροφής είναι ευκολότερα επειδή τα κεραμίδια TESLA ή ErgoSun είναι το Φ/Β σύστημα. Αυτές οι ειδικές πλάκες παρέχουν μια λύση 2 σε 1 σε αντίθεση με το παραδοσιακό σύστημα όπου εγκαθιστάτε ένα σύστημα φωτοβολταϊκών πάνω από μια ήδη κεραμοσκεπή. Ένα κτίριο με 900 πλάκες ErgoSun τοποθετημένα στην οροφή του έχει ισχύ παραγωγής ισχύος 13,5 kW χωρίς ογκώδη πάνελ να τα καλύπτουν.
Τα ηλιακά παράθυρα είναι μια άλλη πρόταση. Εταιρείες όπως η SolarWindow, η Ubiquitous Energy (από το MIT), κοινές ερευνητικές ομάδες όπως αυτή του University of Minnesota και University of Milano-Bicocca και Πολλοί άλλοι έχουν βρει τεχνικές για τη μετατροπή των παραθύρων σε συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για διάφορες εργασίες. Η εταιρεία SolarWindow, για παράδειγμα, δημιούργησε ένα Ηλεκτρικής Παραγωγής Οργανικό Υγρό Επιστρώσεις & Διεργασίες για Γυαλί, Εύκαμπτα Πλαστικά και Μεμβράνες. Μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορες χρωματικές αποχρώσεις και διαφάνειες για να ταιριάζει με υπάρχουσες ή προγραμματισμένες χρωματικές παλέτες. Η υγρή επίστρωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας τόσο με φυσικό όσο και με τεχνητό φως.
Η Ubiquitous Energy της ΗΠΑ δημιούργησε μια άλλη λύση, αυτό είναι ένα διαφανές γυαλί που απορροφά και μετατρέπει το υπέρυθρο και το υπεριώδες φως σε ηλεκτρική ενέργεια επιτρέποντας την αδιάλειπτη ροή του ορατού φωτός μέσα. Η απορρόφηση του υπέρυθρου φωτός συμβάλλει επίσης στη μείωση της θερμότητας πίσω από το τζάμι.
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον καθηγητή Joondong Kim του Νότιου Κορεατικού, κρατικόυ Πανεπιστήμιου Incheon εκτός από τη δημιουργία ενός διαφανούς ηλιακού κυττάρου, δημιούργησαν επίσης ένα έξυπνο παράθυρο που σκουραίνει όσο αυξάνεται η ένταση του φωτός.
Η Swiss Insolight δημιούργησε ένα σύστημα για αγροβολταϊκά / Αγρό-φωτοβολταϊκά που με τη χρήση δυναμικών προσαρμογών δημιούργησε τη βέλτιστη ποσότητα σκιάς για την ανάπτυξη των φυτών και μετατρέπει το περίσσευμα φωτος σε ηλεκτρική ενέργεια.
Σε μια παρόμοια γραμμή σκέψης με βάση το Ηνωμένο Βασίλειο Η SolarGaps δημιούργησε μια αυτόματη παρακολούθηση ηλιακών περσίδων που επίσης παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
Δύο ταχέως εξελισσόμενες τεχνολογίες που μπορούν να αυξήσουν σημαντικά τα φωτοβολταϊκά είναι, οι
Νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) και οι
σιδηροηλεκτρικοί κρύσταλλοι.
Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Rice των ΗΠΑ εργάζεται πάνω στη χρήση Νανοσωλήνων άνθρακα για να συλλάβει το υπέρυθρο φως, δηλαδή τη θερμότητα που τα φωτοβολταϊκά κύτταρα δεν μπορούν να μετατρέψουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μετατρέπουν (εστιάζοντας) την υπέρυθρη θερμότητα ευρείας ζώνης σε φως στενής ζώνης που μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Rice λένε ότι η θεωρητική απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων που είναι επικαλυμμένα με CNT μπορεί να αυξηθεί από το θεωρητικό μέγιστο 29% των κυψελών με βάση το πυρίτιο στο 80%.
Οι σιδηροηλεκτρικοί κρύσταλλοι είναι διηλεκτρικοί κρύσταλλοι που έχουν αυθόρμητα θετικό και αρνητικό φορτίο (ηλεκτρική πόλωση). Αυτή η πόλωση συμβαίνει φυσικά, δηλαδή χωρίς τη βοήθεια κάποιου είδους ηλεκτρικού πεδίου και η κατεύθυνσή του μπορεί να αλλάξει με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου. Σε μια προσπάθεια να αυξηθεί η θεωρητική μέγιστη ηλεκτρική απόδοση του 29% των ηλιακών κυψελών με βάση το πυρίτιο, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Martin Luther Halle-Wittenberg Γερμανίας άρχισαν να πειραματίζονται με άλλα υλικά για χρήση στη φωτοβολταϊκή διαδικασία. Χρησιμοποίησαν εξαιρετικά λεπτό σιδηροηλεκτρικό τιτανικό βάριο που δεν απορροφά πολύ ηλιακό φως και το επικάλυψαν σταυρωτά με εξαιρετικά λεπτά στρώματα τιτανικού στροντίου και τιτανικού ασβεστίου για να φτιάξουν ένα πλέγμα. Το Τιτανικό Στρόντιο και Τιτανικό Ασβέστιο είναι Παραηλεκτρικά Υλικά που σημαίνει ότι πολώνονται ηλεκτρικά κάτω από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Βρήκαν ότι για να επιτευχθεί η καλύτερη ροή ρεύματος το τιτανικό βάριο έπρεπε να διασταυρωθεί εναλλάξ με τιτανικό στρόντιο και τιτανικό ασβέστιο. Τελικά κατέληξαν σε ένα προϊόν που περιείχε 500 τέτοιες στρώσεις πάχους 200 νανόμετρων. Αυτό το προϊόν πέτυχε μια 1000 φορές αύξηση στη ροή του ρεύματος σε σύγκριση με ένα παρόμοιο παχύρρευστο προϊόν από καθαρό τιτανικό βάριο. Ο συγκεκριμένος προσανατολισμός των κρυστάλλων και οι διαφορετικές εναλλασσόμενες κρυσταλλικές ιδιότητές τους (σιδηροηλεκτρικοί & Παραηλεκτρικά) στη διαστρωμάτωση τους είναι αυτό που φαίνεται να τους έχει δώσει αυτή την απίστευτη αύξηση της ροής του ρεύματος.
2. Η δεύτερη ηλιακή τεχνολογία είναι η παραγωγή θερμικής ενέργειας μεσο Συγκεντρωμένης Ηλιακής Ενέργειας Concentrated Solar Power (CSP).
Το CSP μπορεί να βρεθεί σε τέσσερις τεχνολογίες,
Ηλιακοί δίσκοι (Dish Engine System)
γραμμικού ανακλαστήρα Fresnel (Linear Fresnel reflector),
Παραβολική γούρνα (Parabolic trough) &
Πύργος ηλιακής ενέργειας (Power tower).
Τα CSP βρίσκονται σε δύο εκδόσεις και στοχευμένες ομάδες.
1. Κατοικιών, μικρού γραφείου / επιχείρησης που χρησιμοποιεί ως επί το πλείστον σωλήνες εκκένωσης, ένα σύστημα όπου ένας μικρότερος σωλήνας ή ΦΒ κρέμεται μέσα σε έναν μεγαλύτερο σωλήνα και ο αέρας αντλείται από ανάμεσά τους. Ο εκκενωμένος αέρας είναι κρίσιμος σε αυτό το σύστημα, καθώς δημιουργεί ένα θερμικό φράγμα μεταξύ του εξωτερικού και του ηλιακού συλλέκτη ή του φωτοβολταϊκού, αυξάνοντας έτσι σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Οι σωλήνες εκκένωσης ή κάτι παρόμοιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν με 3 τρόπους. Ηλιακή θέρμανση νερού για κατοικίες, ξενοδοχεία ή επιχειρήσεις που χρειάζεται ζεστό νερό. Ηλιακά συστήματα ψύξης για μείωση της εργασίας που γίνεται από έναν συμπυκνωτή HVAC κατά την ψύξη ενός σπιτιού ή ενός κτιρίου. Η ηλιακή ψύξη μπορεί να μειώσει την ηλεκτρική κατανάλωση ενός συμπυκνωτή έως και 50%. Ένας άλλος τρόπος χρήσης σωλήνων εκκένωσης είναι σε ένα συνδυασμένο σύστημα φωτοβολταϊκών και θέρμανσης. Εδώ, μέσα στον μεγαλύτερο εξωτερικό γυάλινο σωλήνα του εκκενωμένου συστήματος είναι εγκατεστημένο ένα μικρό οριζόντιο φωτοβολταϊκό σύστημα. Το πολύ χαμηλό ύψος (25 cm από το έδαφος) το καθιστά διακριτικό, η απόσταση ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος εγκατάστασης και η ανακλαστική επιφάνεια που περιβάλλει τον μεγάλο εξωτερικό σωλήνα, όλα βοηθούν στην αύξηση της αρχικής ηλεκτρικής απόδοσης κατά 40% δημιουργώντας μια πολύ καλή ενεργειακή πυκνότητα στην ταράτσα σε σύγκριση με άλλα φωτοβολταϊκά συστήματα.
2. Κλίμακα δικτύου CSP. Η ιστορία των CSP πηγαίνει πολύ πίσω ως την Αρχαία Ελλάδα 214-212 π.Χ. όπου λέγεται ότι χρησιμοποιήθηκε από τον Αρχιμήδη ως όπλο για να πυρπολήσει Ρωμαϊκά πλοία. Ήταν το 1866 που ο Γάλλος, Auguste Mouchout χρησιμοποίησε παραβολικές γούρνες για να βράσει νερό και να χρησιμοποιήσει τον ατμό του για να κινήσει μια ηλιακή ατμομηχανή, τότε επανεμφανίστηκε αυτή η μέθοδος. Το 1968 αναπτύχθηκε η πρώτη μονάδα ηλεκτροπαραγωγής CSP από τον Ιταλό καθηγητή Giovanni Francia. Αυτή η μονάδα παρήγαγε μόνο ενέργεια δεν την αποθήκευε. Ηλιακοί ανακλαστήρες περιέβαλλαν έναν κεντρικό δέκτη που έβραζε νερό και χρησιμοποιούσε τον ατμό του για να δημιουργήσει ηλεκτρισμό με τη χρήση στροβίλου. Έγιναν αλλαγές σε αυτό το σχέδιο και το 1982 το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ μαζί με μια κοινοπραξία άρχισαν να δοκιμάζουν μια δικτύου κλίμακας πρότυπη μονάδα πύργου CSP των 10 MW. Από το 1996-1999 το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ μαζί με μια κοινοπραξία άρχισαν να δοκιμάζουν την αποθήκευση ηλιακής θερμότητας έτσι ώστε να μπορεί να παράγεται ηλεκτρική ενέργεια 24/7(24 ώρες το 24ωρο 7 μέρες την εβδομάδα).
Αρχικά λιωμένο αλάτι χρησιμοποιήθηκε ως μέσο αποθήκευσης θερμότητας και ακριβοί μηχανισμοί ακριβείας για να κρατήσουν τις συγκεντρωμένες, ανακλώμενες ακτίνες του ήλιου εστιασμένες σε ένα σημείο. Αυτά τα CSP αρχικά χρησιμοποιούν και εξακολουθούν να χρησιμοποιούν λιωμένο αλάτι το οποίο συνήθως αποθηκεύεται στους 500-700C περίπου. Ωστόσο, συνεχίζουν να εμφανίζονται νέες τεχνολογίες για την αποθήκευση και την παραγωγή θερμότητας.
Η Ισπανία κατασκεύασε μονάδες CSP στις αρχές της δεκαετίας του 2010 μέχρι που μπήκε σε προβλήματα σε δύο τομείς. Το πρώτο και πιο σημαντικό ήταν ότι το ηλεκτρικό δίκτυο της Ισπανίας δεν μπορούσε να διαχειριστεί όλη την ενέργεια που παρήγαγαν οι CSP και έτσι έπρεπε να τα επιδοτήσει. Στη συνέχεια, η παγκόσμια οικονομική κρίση χτύπησε και η Ισπανική κυβέρνηση διέκοψε τις επιδοτήσεις CSP εντελώς και η τεχνολογία σταμάτησε να αναπτύσσεται εκεί. Ωστόσο, νέες τεχνολογίες έχουν αρχίσει να εμφανίζονται για την αποθήκευση και την παραγωγή θερμότητας.
Μια νεότερη έκδοση του CSP πύργου χρησιμοποιεί απλούς κινητήρες και AI (τεχνητή νοημοσύνη) για να παρακολουθεί τον ήλιο και να διατηρεί τις ακτίνες του ήλιου εστιασμένες στον δέκτη. Αυτό το σύστημα βελτιώνει σημαντικά την ικανότητα θέρμανσης των CSP και αυξάνει την ηλιακή θερμότητα που δημιουργείται στον δέκτη στους 1000-1500C. Για την αποθήκευση αυτής της έντονης θερμότητας ωστόσο, θεωρήθηκε ότι πέτρες ήταν καλύτερη λύση από το λιωμένο αλάτι. Επίσης, τα θερμαινόμενα πετρώματα θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν τη θερμαινόμενη ενέργεια για περίπου μια εβδομάδα αντί για τις 10 περίπου ώρες του λιωμένου αλατιού.
Ένα άλλο υλικό που έχει αναπτυχθεί από μια ομάδα Αυστραλών ερευνητών. Μπορει να αποθηκεύει θερμότητα σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 200-1400C. Αυτό το υλικό διατίθεται με τη μορφή Miscibility Gap Alloys (Πεδίο Αναμειξιμότητας Kράματον) MGA Που μπορούν να στοιβάζονται ως αρθρωτά μπλοκ σε μονωμένες δεξαμενές αποθήκευσης για χρήση σε μια σειρά εφαρμογών.
Υδροηλεκτρική:
Η Υδροηλεκτρική διαθέτει τέσσερις (4) τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας και 2 μέσα υλοποίησης.
Οι τεχνολογίες παραγωγής είναι
Παλιρροϊκή / Στροβίλου βασισμένου στο ρεύμα νερού,
Κυματικό πιστόνι (όπως αυτό από την wavepiston.dk, ή έννοιες όπως αυτές τις Blue Energy - Ocean Power),
OWC (Oscillating Water Column / Ταλαντευόμενη Στήλη Νερού) ή τεχνητό φυσητήρα και
Ocean Mechanical Thermal Energy Conversion / Ωκεάνια μηχανική μετατροπή θερμικής ενέργειας (OMTEC).
Τα μέσα υλοποίησης είναι το γλυκό και αλμυρό νερό. Καθώς το νερό είναι κοντά στις 800 φορές πιο πυκνό από τον αέρα και η πυκνότητα περιγράφει τη μάζα (πόσο από κάτι) μιας μονάδας όγκου (είναι σε μια συγκεκριμένη ποσότητα) ενός υλικού δηλαδή μάζα/όγκο.
Το νερό έχει τη δυνατότητα να δημιουργήσει σημαντικά περισσότερη ισχύ από τον αέρα, καθώς η πυκνότητά του σημαίνει ότι έχει περισσότερη ορμή (μάζα * ταχύτητα) και έτσι μπορεί να σπρώξει ή να περιστρέψει κάτι με μεγαλύτερη δύναμη (μάζα * επιτάχυνση). Ωστόσο, κυρίως λόγω του περιβάλλοντος της (νερό) και εν μέρει λόγω της τεχνολογίας, η τεχνολογία υδροηλεκτρικής ενέργειας έχει μείνει πίσω σε σύγκριση με άλλες ανανεώσιμες πηγές όπως η αιολική και η ηλιακή. Αν και αρκετά σημαντική σε σχέση με την συνολική παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από (αερίο, κάρβουνο, πυρηνικής και όλες τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας) το 16% είναι υδροηλεκτρική και περίπου το 60% του συνόλου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (αιολική, ηλιακή κ.λπ.) χρησιμοποιείται μόνο στο ήμισυ. Λέω το μισό γιατί σχεδόν όλη η υδροηλεκτρική ενέργεια που αποτελεί το 16% της συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στο γλυκό νερό και όχι στο αλμυρό. 15,9% φρέσκο προς 0,4% αλμυρό.
Σχεδόν όλοι οι υδροηλεκτρική ενέργεια γλυκού νερού που δημιουργείται, δημιουργείται είτε
από μονόδρομο (στρόβιλοι) είτε
αμφίδρομα (Barrage / Range tidal systems παλιρροϊκό φάσματος / φράγματος σύστημα).
Και τα δύο αυτά συστήματα απαιτούν ένα είδος φράγματος κατά μήκος ενός ποταμού.
Στρόβιλοι γλυκού νερού που είναι επίσης η παλαιότερη και πιο συχνοί / γνωστοί δημιουργούν το 98% της υδροηλεκτρικής ενέργειας. Απαιτούν ένα φράγμα για την αποθήκευση του μεγάλου όγκων νερού που απαιτείται για να εξασφαλιστεί η σταθερή ροή και πίεση του νερού που χρειάζεται για να γυρίσει ο στρόβιλος τους, κατα την διέλευση του φράγματος.
Παλιρροϊκά συστήματα Barrage όπου δύο από αυτά είναι γνωστά στο κόσμο βρίσκονται στις εκβολές του ποταμού Rance στη Βρετάνη, βόρεια Γαλλία και στη λίμνη Sihwa στη Νότια Κορέα
Το πρώτο και παλαιότερο γαλλικό σύστημα κατασκευάστηκε το 1966 και παράγει περίπου 240 MW. Το δεύτερο το κορεάτικο κατασκευάστηκε το 2011 και παράγει περίπου 254 MW ισχύος.
Το σύστημα Barrage είναι σχεδόν το ίδιο με το σύστημα στροβίλου εκτός από το ότι το φράγμα του βρίσκεται κοντά ή στην εκβολή του ποταμού, δεν είναι τόσο ψηλό και εκμεταλλεύεται τις προβλέψιμες παλίρροιες που κάνουν το νερό να ρέει τόσο κατάντη όσο και ανάντη.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από το αλμυρό νερό είναι ελάχιστη. Ωστόσο, καθώς η τεχνολογία αυξάνεται και το ηλεκτρικό δίκτυο αποκεντρώνεται όλο και περισσότερο από ανεμογεννήτριες και ηλιακά πάρκα, η τεχνολογία της υδροηλεκτρικής ενέργειας εξελίσσεται πολύ γρήγορα.
Από παλιρροιακούς στρόβιλους μήκους 72 μέτρων και διαμέτρου ρότορα 2x20 μέτρων είναι δυνατό να δημιουργηθούν συνολικά 2 MW με το Orbital 02. Ή με πρωτότυπους παλιρροιακούς στρόβιλους διαμέτρου ρότορα 2x16m, όπως αυτοί στην Strangford λίμινη της Ιρλανδίας από την Simec Atlantis Engergy είναι δυνατόν να παραχθούν 1.2MW. Όπως και με την αιολική ενέργεια, ωστόσο, υπάρχουν πολλοί τύποι στροβίλων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην υδροηλεκτρική ενέργεια. Καθώς χρησιμοποιούνται μικρότεροι αποκεντρωμένοι και τοπικοί μίνι σταθμοί για την τροφοδοσία του δικτύου με ισχύ, απαιτείται τεχνολογία μικρότερης κλίμακας και η υδροηλεκτρική ενέργεια ξεκινά, σταθερά να εμφανίζει πολλά καινούρια και υποσχόμενα σχέδια.
Στον τομέα του γλυκού νερού υπάρχουν στρόβιλοι που κυμαίνονται από 2 έως 200 kW που μπορούν εύκολα να εγκατασταθούν σε ποτάμια, ρέματα, κανάλια ή δίαυλους με αργή κίνηση νερού. Στρόβιλοι σαν τα Ελληνικά Kouris Centri Turbine (KCT), Γερμανικά Blue Freedom Kinetic, Βελγικά Turbulent και Αμερικάνικα WaterRotor Energy Technologies inc. Αυτά και πολλά άλλα έχουν στρόβιλους που κυμαίνονται από 2-30 kW σε ισχύ. Το καλό με αυτούς τους στρόβιλους είναι ότι καθώς περιστρέφονται αργά και είναι σχετικά μικροί σε μέγεθος, πολλαπλές μονάδες μπορούν να τοποθετηθούν σε μια κοίτη σχεδόν η μία μετά την άλλη χωρίς να βλάψουν την τοπική υδρόβια ζωή ή να επηρεάσουν η μία την απόδοση των άλλων, έτσι καλύπτονται οι ανάγκες ρεύματος ενός χωριού ή μιας μικρής πόλης που βρίσκεται κοντά τους.
Στον τομέα του αλμυρού νερού (θάλασσα ή ωκεανός), εκτός από τους διάφορους στρόβιλους που αναφέρθηκαν προηγουμένως, υπάρχουν και οι άλλες τρεις τεχνολογίες που ταιριάζουν καλύτερα σε αυτό το περιβάλλον. Κυματικό πιστόνι (όπως αυτό της wavepiston.dk ή έννοιες όπως αυτές του Blue Energy-Ocean Power), OWC (ταλαντευόμενη στήλη νερού) ή τεχνητό φυσητήρα και του Patrick McNulties Ocean Mechanical Thermal Energy Conversion / μετατρoπή της ωκεάvειας θερμικής εvέργειας (OMTEC). Τόσο τα κυματικά πιστόνια όσο και τα OWC απαιτούν κύματα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα OMTEC απαιτεί τα τεράστια βάθη των ωκεανών περίπου στα 1000 μέτρα και περίπου 4-8 C και όσο πιο ζεστό τόσο καλύτερα, δηλαδή ως επί το πλείστον τροπική επιφάνεια νερού 22-30 C. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας τον 15-26 C είναι απαραίτητη για τη δημιουργία ενός βιώσιμου συστήματος καθαρής θετικής παραγωγής ενέργειας.