Physics Department University of Patras Έρευνα και Διδασκαλία στον κλάδο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών από το 1975 ως σήμερα Καθηγητης Παναγιώτης Γιαννούλης ΔΙΗΜΕΡΙΔΑ Διδασκαλία Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας με χρήση Εικονικής Πραγματικότητας ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2014

Ενέργεια 1.Πηγές Ενέργειας (ανανεώσιμες/ ήπιες, πυρηνική…) 2.Μετατροπή Ενέργειας (ηλεκτρισμός, υγρά/ αέρια καύσιμα…) 3.Μεταφορά Ενέργειας (υπεραγωγιμότητα, υδρογόνο, heat pipes) 4.Αποθήκευση Ενέργειας (θερμοχημεία, συσσωρευτές…) 5.Εξοικονόμηση Ενέργειας (smart windows, παθητικά συστήματα…) Επιπτώσεις ●Θερμική μόλυνση ●CO 2 (φαινόμενο θερμοκηπίου) ●Στρώμα O 3 ●Χημική μόλυνση ●Θόρυβος ●Πυρηνικά ατυχήματα/ ραδιενέργεια

ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ρυθμός Ενέργειας [kWh/year ] Ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται από τη γη ~ Γεωθερμία ~ 3×10 14 Παλίρροιες ~ 3×10 13 Έμμεσες μορφές ηλιακής ενέργειας Φωτοσύνθεση (βιομάζα) ~ 8×10 14 Κινητική ενέργεια (συνολική αιολική και ενέργεια κυμάτων) ~ 2×10 17 Εξάτμιση νερού στην ατμόσφαιρα ~ 2,9×10 17 Συνολική υδροδυναμική ενέργεια. ~ 7,8×10 13 Εκμεταλλεύσιμη υδροδυναμική ενέργεια ~ 2,5×10 13 Θερμική ενέργεια ωκεανών (μεταβολή θερμοκρασίας με το βάθος) ~ 2× 10 12

Ερευνητική δραστηριότητα για την αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ●Ηλιακά Ενεργητικά Συστήματα ●Παθητικά Συστήματα ●Φωτοβολταϊκά ●Στοιχεία καυσίμου (Fuel Cells) ●Αιολική Ενέργεια ● Βιομάζα ●Εξοικονομιση Ενέργειας

Σήμερα στηριζόμαστε στην εντατική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας και των υγρών καυσίμων για μεταφορές. Ως πηγή ενέργειας χρησιμοποιούνται κυρίως τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία είναι αποθηκευμένη χημική ενέργεια που έχει παραχθεί από την ηλιακή ακτινοβολία σε χρονικό διάστημα εκατομμυρίων ετών με τη βοήθεια γεωλογικών φαινομένων κάτω από ευνοϊκές φυσικοχημικές συνθήκες και μεταβολές. Η πυρηνική ενέργεια η οποία ελευθερώνεται κατά την αλληλεπίδράση σωματιδίων και πυρήνων, ή σωματιδίων μέσα στον πυρήνα έχει μικρή συμμετοχή στο ενεργειακό ισοζύγιο. Πυρηνικές διεργασίες που μας ενδιαφέρουν από πλευράς ενέργειας είναι η σχάση και η σύντηξη. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν έχουν αξιοποιηθεί σε σημαντικό βαθμό, παρά τις υποδείξεις της επιστημονικής κοινότητας σχετικά με την ευεργετική επίπτωση στο περιβάλλον (μείωση εκπομπών αερίων θερμοκηπίου και άλλων).

Physics Department University of Patras Φωτοβολταϊκές (Φβ) Τεχνολογίες Μονοκρυσταλλικά Πυριτίου (c-Si) Πολυκρυσταλλικά Πυριτίου (poly-Si) Αμόρφου Πυριτίου (a-Si:H), Μικροκρυσταλλικό Άλλα Πολυκρυσταλλικά Φβ GaAs (III-Vs) Thin films Cu(In, Ga) (Se, S) 2 CdTe/CdS Μονοκρυσταλλικά Πυριτίου Ανώτατη Απόδοση ~ 29% Εμπορικά διαθέσιμα με Απόδοση 24%

Μετατροπή με ενδιάμεσο Θερμικό μετασχηματισμό

Κατηγορίες φ/β συστημάτων · Αυτόνομο σύστημα: Το σύστημα αποτελείται από συστοιχία φ/β στοιχείων, ηλεκτρονικό σύσημα ελέγχου και μπαταρίες με δυνατότητα παροχής συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος με χρήση αντιστροφέα. · Σύστημα συνδεδεμένο με το δίκτυο: Το σύστημα αποτελείται από συστοιχία φ/β στοιχείων τα οποία μέσω αντιστροφέα συνδέονται με το ηλεκτρικό δίκτυο. Το δίκτυο χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας. · Υβριδικό σύστημα: Αυτόνομο σύστημα που αποτελείται από φ/β panel που λειτουργούν μαζί με άλλες πηγές ενέργειας (π.χ. σε συνδυασμό με ανεμογεννήτρια). Σύστημα μικρής ισχύος: Τοποθετείται σε κτίσματα που διαθέτουν ενεργητικά ή παθητικά ηλιακά συστήματα. Για τη λειτουργία αντλιών ή ανεμιστήρων συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιούνται για την κυκλοφορία του αέρα ή του νερού στους ηλιακούς συλλέκτες. Ενσωματωμένος ρυθμιστής ισχύος σταματά την λειτουργία του συστήματος, όταν η ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί. π. χ. πλαίσιο, με ανεμιστήρα που το χειμώνα βοηθά την κυκλοφορία του ζεστού αέρα από ένα θερμοκήπιο στο υπόλοιπο κτίριο ή τον αερισμό των υπερθερμαινόμενων χώρων το καλοκαίρι.

Ισοδύναμο κύκλωμα Φβ στοιχείου

Current–voltage characteristic of a c-silicon solar cell

I-V και Ισχύς Φβ συστήματος

Επίδραση της θερμοκρασίας και της έντασης της ακτινοβολίας στις καμπύλες I-V

CdTe/CdS solar cells

Physics Department University of Patras Cu x S/CdS CdTe/CdS Cu x S/CdS

Οργανικά φωτοβολταϊκά (organic solar cells)  φωτοβολταϊκά με νανοσωματίδια ημιαγωγών ευρέως χάσματος (TiO2)

Dye-sensitized Solar Cells

P3HT:PCBM devices

Quantum Dot PV ● Possible application of Quantum Dots and very thin PV solar energy converters. ● Confinement increases the energy gap of a semiconductor nanocrystal. ( In QM decreased size increases the energy gap of a quantum dot ). ● Maximum spectral utilization.

Πλεονεκτήματα τ ων φ/β ● Δεν έχουν κινούμενα μέρη ● Σταθερή απόδοση για μικρά και μεγάλα συστήματα ● Τα φ/β συστήματα δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον, δεν προκαλούν θόρυβο ● Κατάλληλα για κάλυψη μικρών φορτίων σε απομακρυσμένες περιοχές. ● Μεγάλος λόγος ισχύος προς βάρος (σημαντικό για τις διαστημικές εφαρμογές) ● Τα φ/β συστήματα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής ● Είναι ανεξάρτητα από καύσιμα και δίκτυα διανομής ● Απλότητα και ασφάλεια ● Αφθονία πρώτης ύλης (Si) η τεχνολογία της φ/β μετατροπής, όπως και οι περισσότερες τεχνολογίες αξιοποίησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, εμφανίζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τα οποία κάνουν δύσκολη τη σύγκριση με τις συμβατικές τεχνολογίες π.χ. δεν λαμβάνεται υπόψη το κόστος στο περιβάλλον από τις κοινές τεχνολογίες.

Physics Department University of Patras The HERMES solar car Si cells of 20% efficiency are commonly considered as the most cost effective option for use in solar cars The solar car HERMES was developed for the Phaethon 2004 solar car race

Experimental: Methods The Vacuum Chamber System

Ηλεκτροχρωμική συσκευή μεγάλων διαστάσεων (40x40 cm) στην διαυγή και τη χρωματισμένη κατάσταση. Διάγραμμα των οπτικών ιδιοτήτων της

Advantages of electrochromic windows  reduction of cooling, heating and ventilating loads  reduction of electric lighting use by managing daylight admittance  do not impede visibility  provide glare control and thermal comfort management  have no moving parts resulting to minimum maintenance costs  require low voltage power supply  can be integrated into the central power management of the building  have practically infinite coloration stages  can block both direct and diffuse solar radiation  have low energy consumption (typically 8 W/m 2 ) energy saving benefits energy saving benefits

Cyclic Voltammetry Electrochemical Quartz Crystal Microbalance Optical measurements Galvanostatic Intermittent Titration Experimental techniques used

Cycling reversibility testing of prototypes Various coloration/bleaching scenarios have been employed. galvanostatic coloration In principle galvanostatic coloration ensures no trapped charge during the coloration/bleaching cycle. We observed high overvoltage bleaching values resulting to degradation of the devices. Potentiostatic coloration Potentiostatic coloration was used in prototypes accepting that an amount of charge would be trapped after each cycle. Galvanostatic coloration Potentiostatic coloration

Optical density FTIR SEM Coloration Efficiency Experimental techniques used

Properties of materials suitable for the electrochromic devices

Υμένια WO 3 με διαμορφωμένη επιφάνεια.

Methodology Life Cycle Assessment (LCA) Eco-efficiency Analysis (EEA) Environmental – economic – energy evaluation and optimisation of the product Eco-efficiency indicators

Heating dominated Cooling dominated ModerateModerate window orientationgeographic location climatic type The energy gains from the implementation of electrochromic windows in buildings depend on various parameters, such as: window orientation, geographic location and mostly the climatic type of the area. Commonly used terms are cooling and heating dominated zones, implying areas that buildings mostly spend energy for cooling or heating respectively throughout the year. In moderate climate areas mixed heating and cooling loads are supposed. An assessment of the energy saving profile of an electrochromic window has been carried out for implementation in an office building in Greece. Implementation in buildings

The total energy for the MJ production is MJ 3.3 MJ The energy for the operation for 25 years will be 3.3 MJ MJ The maximum energy gain (cool. dom. zone) can reach the 5608 MJ The total energy spent during the device lifecycle are MJ. 98.2% are attributed to the production processes and only 1.8% to the operation phase. The energy saving is accomplished through the reduction in heating and cooling loads and varies (depending on the climatic region) from 4400 to 5600 MJ. Energy balance

Fuel cells: The SOFC Major Parts of IT-SOFC Anode  NiO / YSZ  Νi-(CeO 2 ντοπαρισμένο με 20% Sm 2 O 3 ) (Ni-SDC) Electrolyte  YSZ ( ZrO 2 – Y 2 O 3 )  CeO 2 – Ln 2 O 3 (Ln: Sm, Gd, Y)  LaGaO 3 ντοπαρισμένα με Sr, Mg (LSGM) Cathode  La 1-x Sr x MnO 3

Παραγωγή Υδρογόνου από νανοδομημένα ηλεκτρόδια Πειραματική διάταξη ηλεκτρολυτικής παραγωγής Υδρογόνου Λεπτό υμένιο Ni-Fe-Zn σε υπόστρωμα StS 304 Πειραματική διάταξη ηλεκτροχημικής εναπόθεσης λεπτών υμενίων Λεπτό υμένιο Ni-Mo-Zn σε υπόστρωμα StS 304 Είδη υποστρωμάτων (StS 304, Carbon rod, Cu & Pt wires, Cu & Pt plates, Ti)

Τυπικό διάγραμμα Tafel n=f(logI) αντίδραση Volmer αντίδραση Tafel αντίδραση Heyrovsky

SEM micrographs of Ni-Co-Fe-Zn electrodeposit at 100mA/cm 2 current density and pH=0.5 SEM micrographs of Ni-Co-Zn electrodeposit at 250mA/cm 2 current density and pH=3.6 SEM micrographs of Ni-Mo-Zn electrodeposit at 250mA/cm 2 current density and pH=5.5 V μέσο (ml) Υπερδυναμικό (mV) Κλίση Tafel (mV/dec) Πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής (mA/cm 2 ) NiFeZn8, ,8 NiCoZn18, ,7 NiCoFeZn21, ,9 NiMoZn23,923, ,1 ● Ni-Co-Fe-Zn ● Ni-Co-Zn ● Ni-Mo-Zn ● Co-Mo-Zn SEM micrographs of Co-Mo-Zn electrodeposit at 500mA/cm 2

Fuel cell bus used in 2008 summer olympics, Beijing, China The Global Environment Facility (GEF)