Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 1Η Ηλιακή Ενέργεια Οι περισσότερες ήπιες μορφές ενέργειας προέρχονται άμεσα ή έμμεσα από τον ήλιο: Ήλιος Ήλιος  Άνεμος Ήλιος + Άνεμος  Εξάτμιση Ήλιος + Νερό  Βλάστηση Η ενέργεια της ακτινοβολίας του ήλιου που φτάνει στα όρια της ατμόσφαιρας του πλανήτη μας ισοδυναμεί κατά μέσο όρο με 1.5·1018 kWh

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 2Η Ηλιακή Ενέργεια Από την ενέργεια η οποία φτάνει στα όρια της ατμόσφαιρας: Το ~31% ανακλάται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της γης Το ~47% φθάνει μέχρι την επιφάνεια της γης Το ~23% συμβάλει στην δημιουργία των ανέμων, των κυμάτων και γενικά ρυθμίζει το κλίμα Οι ωκεανοί απορροφούν το 33% της ενέργειας που φθάνει στην επιφάνεια της γης Η ξηρά απορροφά το 14% της ενέργειας που φθάνει στην επιφάνεια της γης Το 0.1% της ηλιακής ενέργειας απορροφάται από τα φυτά

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 3Η Ηλιακή Ενέργεια

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 4Η Ηλιακή Ενέργεια Η φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται από την θερμοκρασία του ήλιου που είναι περίπου 5900οΚ Το 99% της ηλιακής ενέργειας εμφανίζεται σε μήκος κύματος από 0.25 έως 4.0 μm Σύμφωνα με την κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας: Ορατό [λ: 0.39-0.77μm] περιέχει το 46.41% της ενέργειας Υπεριώδες [λ<0.4μm] περιέχει το 8.03% της ενέργειας Υπόλοιπο [λ>0.77μm] περιέχει το 46.4% της ενέργειας

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 5Η Ηλιακή Ενέργεια (Ορατό φάσμα)

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 6Η Ηλιακή Ενέργεια Ως ηλιακή σταθερά ορίζεται η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μία μοναδιαία επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες του ήλιου στο όριο της ατμόσφαιρας: Ιsc’=1367 W/m2 Οι τιμές στην βιβλιογραφία κυμαίνονται από 1353 έως 1395 W/m2 Λόγω της μεταβολής της απόστασης ήλιου-γης κατά την διάρκεια του έτους χρησιμοποιείται η ακόλουθη σχέση για τον υπολογισμό της διαχρονικής μεταβολής της ηλιακής σταθεράς:

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 7Η Κίνηση του Ήλιου Συχνά είναι αναγκαία η γνώση της κίνησης του ήλιου για τους υπολογισμούς που σχετίζονται με την εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας Απόκλιση δ του ηλίου ορίζεται η γωνία ανάμεσα στην ευθεία ήλιου-γης και την προβολή της στο επίπεδο του ισημερινού Η μέγιστη τιμή της, κατά το θερινό ηλιοστάσιο, είναι: 23.45ο Η ελάχιστη τιμή της, κατά το χειμερινό ηλιοστάσιο, είναι: -23.45ο

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 8Η Κίνηση του Ήλιου Εξίσωση του χρόνου: Το αίτιο της μεταβολής της χρονικής διάρκειας της ηλιακής ημέρας (ο χρόνος που απαιτείται ώστε ο ήλιος να συμπληρώσει ένα πλήρη κύκλο γύρω από ένα στάσιμο παρατηρητή στην γη) οφείλεται στους ακόλουθους παράγοντες: Κάλυψη άνισων αποστάσεων κατά την περιστροφή της γης γύρω από το ήλιο Κλίση του άξονα της γης ως προς το επίπεδο περιστροφής Ο ήλιος βρίσκεται στην ίδια θέση διαφορετικές ώρες κατά την διάρκεια του χρόνου. Αυτή η διαφορά της ώρας υπολογίζεται (σε λεπτά):

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 9Η Κίνηση του Ήλιου Όπου Γ είναι μία συνάρτηση που ορίζεται: Τα δεδομένα της ηλιακής ακτινοβολίας καταγράφονται σε πραγματικό ηλιακό χρόνο. Ο πραγματικός ηλιακός χρόνος ΠΗΧ υπολογίζεται σαν συνάρτηση του τοπικού χρόνου, του γεωγραφικού μήκους που ορίζει την τοπική ώρα Ls, του τοπικού χρόνου ΤΧ, του γεωγραφικού μήκους του τόπου Le και την εξίσωση του χρόνου Et: όπου (+) για το δυτικό ημισφαίριο και (-) για το ανατολικό

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 10Η Κίνηση του Ήλιου Για τον υπολογισμό της γωνίας πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας σε επιφάνεια τυχαίου προσανατολισμού και κλίσης, η οποία βρίσκεται στην επιφάνεια της γης ορίζονται οι ακόλουθοι παράμετροι: Ζενίθια γωνία θz: η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ του τοπικού ζενίθ και την ευθεία παρατηρητή-ήλιου (0<θz<90) Ύψος ηλίου α: η γωνιακή απόσταση του ήλιου με τον ορίζοντα του τόπου (συμπληρωματική γωνία της θz) Ωριαία γωνία ω: η γωνιακή απόσταση του ηλίου από την ηλιακή μεσημβρία Στην ηλιακή μεσημβρία ω=0ο, ενώ κάθε ώρα η ω μεταβάλλεται κατά 15ο Τις πρωινές ώρες ω(+) και κατά τις απογευματινές ω(-) θz: ζενίθια γωνία α: ύψος ηλίου ω: ωριαία γωνία ΓΗ θz ΗΛΙΟΣ Τοπικό ζενίθ α ω Ηλιακή μεσημβρία

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 11Η Κίνηση του Ήλιου Σε ότι αφορά στην θέση μίας επιφάνειας μελέτης ορίζουμε: Κλίση β: την κλίση της επιφάνειας ως προς το οριζόντιο επίπεδο Αζιμούθιο γ: η γωνία που σχηματίζει η προβολή του κάθετου διανύσματος της επιφάνειας στο οριζόντιο επίπεδο με τον άξονα Βορράς-Νότος Για νότιο προσανατολισμό γ=0 Για γωνίες δυτικά γ(+) Για γωνίες ανατολικά γ(-) β Β γ

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 12Η Κίνηση του Ήλιου Για μια δεδομένη περιοχή γεωγραφικού πλάτους φ, η ζενίθια γωνία θz για οριζόντια επιφάνεια υπολογίζεται: Η ωριαία γωνία δύσης ωs είναι: Η διάρκεια της ημέρας (σε ώρες) είναι:

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 13Η Κίνηση του Ήλιου Για την περίπτωση επιφάνειας η οποία έχει κλίση β και αξιμούθιο μηδέν (νότιος προσανατολισμός) η ζενίθια γωνία θz είναι: Η ωριαία γωνία δύσης ωs είναι:

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 14Η Ηλιακή Ακτινοβολία Άμεση ηλιακή ακτινοβολία: είναι η ηλιακή ακτινοβολία που λαμβάνεται χωρίς να έχει υποστεί σκέδαση στην ατμόσφαιρα Διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία: είναι η ηλιακή ακτινοβολία που έχει υποστεί σκέδαση στην ατμόσφαιρα Ολική ηλιακή ακτινοβολία: είναι το άθροισμα της άμεσης και της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνεται σε μία επιφάνεια Πυκνότητα ισχύος ακτινοβολίας (irradiance, W/m2): είναι ο ρυθμός με τον οποίο η ενέργεια που ακτινοβολείται πέφτει σε μία επιφάνεια, ανά μονάδα επιφάνειας Πυκνότητα ενέργειας ακτινοβολίας (irradiation, J/m2): είναι η προσπίπτουσα σε μία επιφάνεια ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας και υπολογίζεται με την ολοκλήρωση της πυκνότητας ισχύος σε κάποιο χρονικό διάστημα (1 ώρα, 1 μέρα)

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 15Η Ηλιακή Ακτινοβολία Η γήινη ατμόσφαιρα αποτελείται από (κατ’ όγκο): 78% άζωτο 20.9% οξυγόνο 0.9% αργό 0.33% διοξείδιο του άνθρακα Υδρατμούς και σωμάτια Η ηλιακή ακτινοβολία κατά την είσοδό της στην ατμόσφαιρα υπόκειται απορρόφηση και σκέδαση (κυριότεροι απορροφητές: νέφη, υδρατμοί, O3, SO2) Η ακτινοβολία που σκεδάζεται είναι η διάχυτη και ένα μέρος της επιστρέφει στο διάστημα Η ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος χωρίς σκέδαση και μόνο με απορρόφηση είναι η άμεση ηλιακή ακτινοβολία

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 16Η Ηλιακή Ακτινοβολία Για τον υπολογισμό της φασματικής κατανομής της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας είναι απαραίτητο να είναι γνωστή η φασματική κατανομή της διαπερατότητας κάθε ατμοσφαιρικού συστατικού που συνεισφέρει στην μείωση της ακτινοβολίας Έτσι η άμεση ηλιακή ακτινοβολία (υπό ανέφελο ουρανό) που προσπίπτει κάθετα σε ένα επίπεδο ισχύει: όπου: Idλ η ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια του εδάφους Τrλ η διαπερατότητα λόγω μοριακής σκέδασης Ταλ η διαπερατότητα λόγω αεροσόλ Τwλ η διαπερατότητα λόγω υδρατμών Τολ η διαπερατότητα λόγω όζοντος Τuλ η διαπερατότητα λόγω των λοιπών ατμοσφαιρικών αερίων

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 17Η Ηλιακή Ακτινοβολία Η φασματική κατανομή της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει επί οριζόντιας επιφάνειας στο έδαφος είναι αποτέλεσμα των σκεδάσεων και ανακλάσεων που λαμβάνουν χώρα στην ατμόσφαιρα, σε σχέση πάντα με το μήκος κύματος (διαφορετικοί συντελεστές για διαφορετικά μήκη κύματος) Η φασματική κατανομή της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας (υπό ανέφελο ουρανό) υπολογίζεται ως συνάρτηση 3 όρων: όπου: Idrλ η διάχυτη ακτινοβολία μήκους λ που προήλθε μετά από μοριακή σκέδαση χωρίς να λαμβάνονται υπ’ όψιν φαινόμενα πολλαπλών ανακλάσεων Ιdαλ η διάχυτη ακτινοβολία μήκους λ λόγω σκέδασης σε αεροσόλ Ιdmλ η διάχυτη ακτινοβολία μήκους λ λόγω πολλαπλών ανακλάσεων

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 18Η Ηλιακή Ακτινοβολία Η φασματική κατανομή της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος, σε οριζόντια επιφάνεια, υπό ανέφελο ουρανό, είναι δυνατόν να υπολογιστεί ως το άθροισμα της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος: Σημαντική είναι η χρήση μοντέλων για τον υπολογισμό της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας όταν δεν υπάρχουν μετρήσεις για ένα τόπο. Υπάρχουν δύο περιπτώσεις για την κατάσταση του ουρανού που απαιτούν δύο διαφορετικά μοντέλα: Καθαρός ουρανός Νεφοσκεπής ουρανός

<ΚΤ>=<Η>/<Ηο> Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 19Η Ηλιακή Ακτινοβολία Κατανομή καθαρών και μη ημερών και ωρών. Ο μέσος μηνιαίος δείκτης αιθριότητας <ΚΤ> ορίζεται ως το πηλίκο της μέσης μηνιαίας ακτινοβολίας σε οριζόντια επιφάνεια προς την μέση μηνιαία ημερήσια ακτινοβολία στο όριο της ατμόσφαιρας: <ΚΤ>=<Η>/<Ηο> Ο ημερήσιος δείκτης αιθριότητας ορίζεται με βάση τις ημερήσιες ακτινοβολίες: ΚΤ=Η/Ηο Τέλος ο ωριαίος δείκτης αιθριότητας υπολογίζεται με βάση τις ωριαίες ακτινοβολίες: κΤ=Ι/Ιο

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 20Η Ηλιακή Ακτινοβολία Οι τιμές <Η>, Η και Ι υπολογίζονται από τις μετρήσεις ενώ οι τιμές <Ηο>, Ηο και Ιο σε οριζόντια επιφάνεια υπολογίζονται από τις σχέσεις: όπου Ιsc=1367 W/m2, n η Ιουλιανή ημέρα, φ το γεωγραφικό πλάτος, δ η απόκλιση, ωs η ωριαία γωνία δύσης του ηλίου, ω1 και ω2 οι ωριαίες γωνίες στην αρχή και στο τέλος της ώρας

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 21Η Ηλιακή Ακτινοβολία Ο διαχωρισμός της ολικής ακτινοβολίας σε οριζόντια επιφάνεια σε άμεση και διάχυτη είναι ιδιαίτερα χρήσιμη διαδικασία Έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για τον διαχωρισμό της ολικής ακτινοβολίας. Εκείνη των Orgill and Hollands χρησιμοποιεί την ωριαίο δείκτη αιθριότητας για υπολογισμούς σε ωριαίες τιμές της ακτινοβολίας:

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 22Η Ηλιακή Ακτινοβολία Για τον υπολογισμό του κλάσματος της ημερήσιας διάχυτης ακτινοβολίας προτείνεται από τους Collares-Pereira and Rabl η χρήση του ημερισίου δείκτη αιθριότητας για τους υπολογισμούς:

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 23Η Ηλιακή Ακτινοβολία Για τον υπολογισμό του κλάσματος της μηνιαίας διάχυτης ακτινοβολίας προτείνεται από τους Collares-Pereira and Rabl η χρήση του μηνιαίου δείκτη αιθριότητας για τους υπολογισμούς:

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 24Η Ηλιακή Ακτινοβολία Στην περίπτωση όπου χρειάζεται να υπολογιστούν οι ωριαίες τιμές της ακτινοβολίας όταν υπάρχουν ημερήσια δεδομένα, είναι δυνατόν να υπολογιστεί το πηλίκο της ωριαίας ακτινοβολίας προς την ημερήσια από την ακόλουθη σχέση: όπου ω η ωριαία γωνία για το μεσοδιάστημα της ώρας

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 25Η Ηλιακή Ακτινοβολία Στην περίπτωση της διάχυτης ακτινοβολίας, η συσχέτιση της ωριαίας διάχυτης προς την ημερήσια διάχυτη είναι δυνατόν να υπολογιστεί από την ακόλουθη σχέση:

Ground Reflected Diffuse Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 26Η Ηλιακή Ακτινοβολία Συχνά είναι αναγκαίο να υπολογιστεί η ακτινοβολία σε κεκλιμένη επιφάνεια (π.χ. ενός συλλεκτη) β beam Sky Diffuse Diffuse Ground Reflected Diffuse

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 27Η Ηλιακή Ακτινοβολία Για τον υπολογισμό της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος και προσπίπτει σε επιφάνειες κλίσης β και αζιμουθίου γ: όπου Ιb είναι η άμεση ακτινοβολία που προσπίπτει σε οριζόντιο επίπεδο και rb είναι ο διορθωτικός παράγοντας που δίνεται από την σχέση: όπου θz είναι η ζενίθια γωνία και θο είναι η γωνία πρόσπτωσης στην κεκλιμένη επιφάνεια

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 28Η Ηλιακή Ακτινοβολία Η γωνία πρόσπτωσης της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας στην κεκλιμένη επιφάνεια υπολογίζεται από την σχέση: Για τον υπολογισμό του ημερήσιου αθροίσματος της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας Ηbβγ που προσπίπτει σε επιφάνεια κλίσης β και αζιμουθίου γ έχουμε: όπου Hb είναι το ημερήσιο άθροισμα της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο και Rb μία διορθωτική παράμετρος (Rb=…)

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 29Η Ηλιακή Ακτινοβολία Για τον υπολογισμό της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος και προσπίπτει σε επιφάνειες κλίσης β και αζιμουθίου γ έχουμε: Το ημερήσιο άθροισμα της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε επιφάνειες κλίσης β και αζιμουθίου γ έχουμε: όπου Hd το ημερήσιο άθροισμα της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 30Η Ηλιακή Ακτινοβολία Για τον υπολογισμό της ανακλώμενης ακτινοβολίας από το έδαφος που προσπίπτει σε επιφάνειες κλίσης β έχουμε: όπου Η το ημερήσιο άθροισμα της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας και ρg το albedo του εδάφους (ολοφασματικό) Η ημερήσια τιμή της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε επιφάνειες κλίσης β και αζιμουθίου γ υπολογίζεται: όπου Η:ολική, Ηd: διάχυτη σε οριζόντια, Rb: διορθωτική παράμετρος, Hr: ανακλώμενη, Hs: διάχυτη Άμεση Διάχυτη

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 22 Ιουνίου 21 Μαρτίου 23 Σεπτεμβρίου 22 Δεκεμβρίου Βορράς Νότος Ανατολή Δύση Ηλιοστάσιο Ισημερία 31Η Ηλιακή Ακτινοβολία Ο ήλιος κατά την ημερήσια κίνησή του ακολουθεί την διαδρομή από ανατολή προς δύση κινούμενος σε κυκλική τροχιά παράλληλη με τον ουράνιο ισημερινό Κατά την διάρκεια του έτους αυτός ο κύκλος μεταβάλλει την γωνιακή του απόσταση από τον ουράνιο Ισημερινό – μεταβάλλεται δηλαδή η απόκλιση δ του ηλίου Η ημερήσια κίνηση του ηλίου έχει επίδραση στην ακτινοβολία που συλλέγει μια επιφάνεια σε σχέση με την εκλογή της αζιμούθιας γωνίας Η ετήσια κίνηση του ηλίου έχει σημαντική επίδραση στην συλλεγόμενη ακτινοβολία από μία επιφάνεια σε σχέση με την εκλογή της κλίσης της επιφάνειας

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 32Η Ηλιακή Ακτινοβολία Εξετάστηκαν όλα τα απαραίτητα μοντέλα και σχέσεις για τον υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας (άμεση, διάχυτη, ολική) και οι συσχετίσεις αυτών των μεγεθών με επιφάνειες διαφορετικών προσανατολισμών και κλίσεων. Η έλλειψη μετρήσεων της ακτινοβολίας στο χρονικό βήμα που απαιτεί η κάθε μελέτη μπορεί να αντισταθμισθεί είτε με την χρήση μοντέλων που απαιτούν μετρήσεις σε μεγαλύτερο χρονικό βήμα και τις ανάγουν σε μικρότερο είτε με την χρήση μοντέλων υπολογισμών τα οποία δεν απαιτούν χρήση μετρήσεων Έτσι είναι δυνατόν να αξιολογηθεί ορθά η εγκατάσταση ηλιακών συστημάτων (π.χ. ηλιακοί συλλέκτες) ώστε να βελτιστοποιηθεί η απόδοσή τους

Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι 33Η Ηλιακή Ακτινοβολία Πρακτικοί κανόνες για την συλλογή της μέγιστης ηλιακής ακτινοβολίας: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) θα πρέπει να είναι περίπου ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ) Κατά την διάρκεια της θερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να είναι περίπου 10ο-15ο μικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ) Κατά την διάρκεια της χειμερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης (β) πρέπει να είναι περίπου 10ο-15ο μεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ). Αν στο έδαφος υπάρχει επιφάνεια με μεγάλο συντελεστή ανάκλασης (π.χ. χιόνι) απαιτείται μεγαλύτερη κλίση Ο βέλτιστος προσανατολισμός (αζιμούθιο γ) είναι νότιος (γ=0), ενώ απόκλιση κατά 20ο-30ο από νότο έχει μικρή επίδραση στην ετήσια συλλεγόμενη ενέργεια