IIPV - INDOORS INTERGRATED PHOTOVOLTAICS

IIPV INDOOR INTEGRATED PHOTOVOLTAICS ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΧΩΡΟΥ ΓΡΑΦΕΙΟΥ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ

ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ: 2016-17 ΦΟΙΤΗΤΡΙΑ: ΧΟΥΛΙΑΡΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ 1512028 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΤΣΑΓΚΡΑΣΟΥΛΗΣ ΑΡΙΣΤΕΙΔΗΣ ΤΜΗΜΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΠΕΡΙΛΗΨΗ / ABSTRACT 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Διατύπωση του προβλήματος .......................................................................................5 1.2 Σκοπός της έρευνας ..........................................................................................................5 1.3 Επιτακτικότητα της έρευνα ............................................................................................5 1.4 Καινοτομία της έρευνας...................................................................................................5 1.5 Συνεισφορά στην επιστημονική γνώση.....................................................................6 1.6 Ερευνητικές υποθέσεις.....................................................................................................6 1.7 Προϋποθέσεις και περιορισμοί .....................................................................................6 2. ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ 2.1 Κτίρια και ενέργεια.............................................................................................................9 2.1.1 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.............................................................................10 2.1.2 Ηλιακά κέρδη............................................................................................................12 2.2 Φωτοβολταϊκά στοιχεία 2.2.1 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο....................................................................................13 2.2.2 Βασική μορφή...........................................................................................................14 2.2.3 Υπόλοιπα μέρη ενός ΦΒ συστήματος..............................................................16 2.2.4 Κατηγορίες φωτοβολταϊκών................................................................................18 2.2.5 Εφαρμογές των φωτοβολταϊκών........................................................................21 2.2.6 Φωτοβολταϊκά συστήματα...................................................................................22 2.2.7 Κατασκευαστικές λεπτομέρειες.........................................................................26 2.2.8 Απόδοση.....................................................................................................................28 2.2.9 Κόστος ........................................................................................................................32 2.2.10 Ελλάδα......................................................................................................................34 2.3 Προϊόντα με ενταγμένα ΦΒ..........................................................................................36 2.3.1 Σύγχρονη βιβλιογραφία.......................................................................................37 2.3.2 Κατηγοριοποίηση προϊόντων με ενταγμένα ΦΒ.........................................38 2.3.3 Ταξινόμηση Χρήσης Προϊόντων.......................................................................38 2.3.4 Προσδιορισμός του βέλτιστου σχεδιασμού προϊόντων...........................40 2.3.5 Σχεδιασμός φωτοβολταϊκών μονάδων για εσωτερική χρήση................41 2.3.6 Πλεονεκτήματα προϊόντων με ενταγμένα ΦΒ..............................................41 2.4 Εσωτερικό φως.................................................................................................................42 2.4.1 Παράμετροι φωτισμού..........................................................................................44 2.4.2 Εσωτερική εγκατάσταση μέτρησης..................................................................47 2.4.3 Ανοίγματα..................................................................................................................48 2.4.4 Υπολογιστικά προγράμματα...............................................................................49 2.5 Εργασία γραφείου...........................................................................................................50 2.5.1 Δομή γραφείου Ι......................................................................................................51 2.5.2 Δομή γραφείου ΙΙ.....................................................................................................52 2.5.3 Ωφέλιμες επιφάνειες...............................................................................................53 2.5.4.Διαρρύθμιση χώρων...............................................................................................55 2.5.5 Προσανατολισμός....................................................................................................56 2.5.6 Απαιτούμενη επιφάνεια.........................................................................................58

3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 3.1 Στόχος.................................................................................................................................63 3.2 Συλλογή δεδομένων......................................................................................................63 3.3 Περιορισμοί......................................................................................................................63 3.4 Παραδοχές........................................................................................................................63 3.5 Υπολογιστική πρακτική................................................................................................64 3.6 Σχεδιασμός της αίθουσας μελέτης...........................................................................65 3.7 Επιλογή ανοίγματος.......................................................................................................66 3.8 Ενσωμάτωση ΦΒ στην επίπλωση..............................................................................67 3.9 Σχεδιασμός προτεινόμενης επίπλωσης..................................................................69 3.9.1 Διαφορετικές εκδοχές διαρρύθμισης.............................................................70 3.9.2 Αντιστοίχιση lux σε επιφάνειες..........................................................................72 3.9.3 Επιλογή τελικής διαρρύθμισης..........................................................................74 3.10 Τοποθέτηση ΦΒ στην αίθουσα...............................................................................75 3.11 Υπολογισμός τεχνητού φωτισμού αίθουσας.....................................................76 3.12 Υπολογισμός φυσικού φωτισμού..........................................................................83 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 4.1 Διαγράμματα φωτεινής έντασης για νότιο προσανατολισμό........................87 4.2 Διαγράμματα ισχύος για νότιο προσανατολισμό...............................................92 4.3 Διαγράμματα φωτεινής έντασης για βόρειο προσανατολισμό.....................97 4.4 Διαγράμματα ισχύος για βόρειο προσανατολισμό.........................................102 4.5 Ανάλυση των αποτελεσμάτων................................................................................107 4.6 Προσδιορισμός των ενεργειακών απαιτήσεων................................................107 4.7 Υπολογισμός Watt.......................................................................................................108 4.8 Υπολογισμός Wh..........................................................................................................109 4.9 Απόδοση διάφορων τύπων ΦΒ..............................................................................110 4.10 Αποτίμηση...................................................................................................................111 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ 5.1 Συμπεράσματα.............................................................................................................114 5.2 Προτάσεις.......................................................................................................................115 5.3 Φωτορεαλιστική απεικόνιση της αίθουσας..................................................... ..116 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...............................................................................................................................120 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΟΡΙΣΜΩΝ..............................................................................121

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα έρευνα επιχειρεί να ερευνήσει κατά πόσο το φως που εισβάλλει στο εσωτερικό των κτηρίων μπορεί να αξιοποιηθεί πέρα από την όραση. Η κεντρική ιδέα έγκειται στο αν αυτή η ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλες χρήσεις. Ένας τρόπος είναι με την προσθήκη φωτοβολταϊκών εσωτερικού χώρου. Μέσω της μελέτης αυτής επιχειρήθηκε να διαπιστωθεί κατά πόσο τα φωτοβολταϊκά μπορούν να ενταχτούν σε εσωτερικό χώρο και πόση ενέργεια μπορούν να παράξουν. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζει την ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών πάνελ στην επίλωση ενός τυπικού χώρου γραφείων, υπολογίζει την πιθανή τους απόδοση και συμπεραίνει εάν η εγκατάσταση μπορεί να ανταπεξέλθει ή όχι στις βασικές ενεργειακές απαιτήσεις του γραφείου. Ειδικότερα, η μελέτη βασίστηκε σε υπολογισμούς μέσω προγραμμάτων προσομοίωσης σε ηλεκτρονικό υπολογιστή (ecotect και daysim για τη μελέτη του φυσικού φωτισμού και dialux για του τεχνητού). Επίσης, ως τόπος διεξαγωγής της έρευνας επιλέχθηκε μια τυπική διάταξη χώρου γραφείου διαστάσεων 5x4,40m (όπως προέκυψε από μελέτη του Νeufert) και στη συνέχεια εφαρμόστηκαν 8 φωτοβολταϊκά πάνελ σε σημεία όπου δεν παρεμποδίζεται η λειτουργία και η κυκλοφορία στο γραφείο, ενώ παράλληλα βρίσκονται σχετικά κοντά στο παράθυρο (για όσο το δυνατόν περισσότερα ηλιακά κέρδη). Τα τέσσερα πάνελ εξ’ αυτών ενσωματώθηκαν σε δύο κατακόρυφες πλευρές των γραφείων και τα υπόλοιπα αναρτήθηκαν αυτόνομα στους τοίχους υπό τη μορφή κάδρων. Το άνοιγμα του γραφείου έχει διαστάσεις 3x 1,3m ώστε να επιτρέπει την είσοδο αρκετής ποσότητας ηλιακού φωτός. Έπειτα, υπολογίστηκαν τα ηλιακά ίχνη στους τέσσερις βασικούς προσανατολισμούς (Ανατολή, Δύση, Βοράς, Νότος), καθώς και τα ίχνη των φωτιστικών στις επιφάνειες αυτές (μέσω του dialux). Έχοντας προσδιορίσει τις απαιτήσεις σε ισχύ του γραφείου που αφορούν σε τυπικό σύστημα φωτισμού 4 φωτιστικών οροφής, εξάχθηκαν τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα της έρευνας, προτάχθηκαν τρόποι εγκατάστασης του συστήματος υπό πραγματικές συνθήκες, τρόπος κατασκευής των ενσωματωμένων φωτοβολταϊκών, μία συνοπτική ανάλυση του προϋπολογισμού της εγκατάστασης, καθώς και θέματα για περαιτέρω έρευνα.

ABSTRACT This research attempts to investigate whether the light invading inside the buildings can be exploited beyond sight. The central idea is whether this action can be used for other uses or not. One way to achieve this is by adding photovoltaic panels indoors. This study has attempted to ascertain whether photovoltaics can fit indoors and how much energy they can produce.

More specifically, it examines the integration of photovoltaic panels in the layout of a typical office, calculates their potential performance and concludes if the installation can or may not meet the office’s basic energy requirements. In particular, the study was based on calculations using computer simulation programs (ecotect and daysim for the study of natural lighting and dialux for the artificial one). Also, a typical office layout of 5x4.4m was selected as the place where the survey was carried out, and then 8 photovoltaic panels were applied in places where the function and movement were not obstructed, while at the same time they were relatively close to the window (for as much solar gain as possible).

The four panels were embedded in two vertical sides of the desks and the rest panels were hung on the walls. The window of the office is 3x 1.3m in size in order to allow enough sunlight to enter the room. To continue, there were calculated the solar traces in the four basic orientations East, West, North, South), as well as the traces of the luminaires on these 8 surfaces (via dialux). Having identified the office’s requirements in power in reference to a typical lighting system of 4 ceiling lamps, the results and the conclusions of the survey were extracted, followed by proposals of the system’s installation under real conditions, constraction details of the intergrated photovoltaics, a brief budget analysis of the installation, as well as issues for further research.

3

4

Ο1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

5

1.1 Διατύπωση του προβλήματος Φωτοβολταϊκά στοιχεία συνήθως τοποθετούνται στις εξωτερικές επιφάνειες των κτιρίων και ιδιαιτέρα στην οροφή αυτών. Ο λόγος για αυτή τη διάταξη είναι η μεγιστοποίηση της έκθεσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων στο ηλιακό φως. Πολλές έρευνες και εφαρμογές έχουν γίνει με αντικείμενα σχετικά με την τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών στοιχείων στο κέλυφος των κτιρίων (Building Intergrated Photovoltaics). Στην παρούσα έρευνα γίνεται προσπάθεια διερεύνησης της ενεργειακής απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων, όταν αυτά τοποθετηθούν στον εσωτερικό χώρο των κτιρίων και, πιο συγκεκριμένα, σε χώρο γραφείων. Η έρευνα εκτείνεται από τα πρώτα στάδια του σχεδιασμού προϊόντων χώρου γραφείων με ενταγμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία μέχρι τον υπολογισμό και τη βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης

1.2 Σκοπός της έρευνας Σκοπός της παρούσας έρευνας είναι η διερεύνηση της ενεργειακής απόδοσης φωτοβολταϊκών στοιχείων που είναι ενταγμένα σε προϊόντα χώρου γραφείων από το στάδιο του σχεδιασμού του χώρου και των προϊόντων που τοποθετούνται σε αυτόν μέχρι τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού αυτού. Για την εξεύρεση του βέλτιστου σχεδιασμού εξετάζονται διάφορες διατάξεις προϊόντων, ποσοστών κάλυψης με φωτοβολταϊκά και διαφόρων προσανατολισμών των στοιχείων. Στους σκοπούς της έρευνας περιλαμβάνεται, επίσης, η προσπάθεια να συμβάλλει στην ανάπτυξη του σχεδιασμού προϊόντων χώρου γραφείων με ενταγμένα φωτοβολταϊκά, καθώς και στη διερεύνηση της αποδοτικότητας των φωτοβολταϊκών εσωτερικού χώρου. Η ενημέρωση της ακαδημαϊκής κοινότητας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας στις εξελίξεις στον τομέα των φωτοβιλταϊκών εσωτερικών χώρων αποτελεί έναν ακόμη στόχο της ερευνητικής εργασίας.

1.3 Επιτακτικότητα της έρευνας Παρατηρώντας το αυξανόμενο ενδιαφέρον στις φωτοβολταϊκές εφαρμογές, με την παρούσα έρευνα επιχειρήθηκε η ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών συστοιχιών σε γραφειακό χώρο, ώστε να ελεγχθεί κατά πόσο μπορούν τα φωτοβολταϊκά εσωτερικού χώρου να αντεπεξέλθουν στις βασικές απαιτήσεις σε κατανάλωση. ενός τυπικού γραφείου.

1.4 Καινοτομία της έρευνας Σε εθνικό επίπεδο είναι η πρώτη φορά που ερευνάται η ένταξη ΦΒ συστημάτων σε εσωτερικούς χώρους και η μελέτη της απόδοσης των συστημάτων αυτών. Ο σχεδιασμός των γραφείων με φωτοβολταϊκά, η μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν την αποδοτικότητα των ΦΒ εσωτερικών χώρων και η εξέταση διαφόρων διατάξεων επίπλων, φωτισμού και ΦΒ είναι καινοτόμα για την Ελλάδα.

6 1.5 Συνεισφορά στην επιστημονική γνώση Η παρούσα έρευνα συνεισφέρει κυρίως στην εφαρμοσμένη επιστημονική γνώση με τα συνολικά αποτελέσματα που εξάγει σε πρακτικό επίπεδο, όπως στο σχεδιασμό γραφείων με ΦΒ πάνελ, στη θέση και στον προσανατολισμό αυτών, στον τρόπο υπολογισμού της ενεργειακής απόδοσης των ΦΒ εσωτερικών χώρων, κλπ. Η εφαρμογή της παρούσας έρευνας μπορεί να προσφέρει: α) διερεύνηση της ενεργειακής απόδοσης των ΦΒ εσωτερικών χώρων και των παραγόντων από τους οποίους αυτή επηρεάζεται β) οικονομικές και τεχνικά εφαρμόσιμες λύσεις για την αξιοποίηση των ΦΒ εσωτερικών χώρων στην παροχή αυτονομίας ενέργειας στη λειτουργία των χώρων γραφείων.

1.6 Ερευνητικές υποθέσεις Η βασική ερευνητική υπόθεση που τίθεται προς εξέταση είναι ότι η ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταικών στοιχείων που είναι ενταγμένα σε προϊόντα χώρου γραφείων είναι ανάλογη της επιφάνειας αυτών, της προσέγγισης του προσανατολισμού αυτών προς την κάθετη πρόσπτωση των φωτεινών ακτινών, καθώς και της απόστασης αυτών από τα ανοίγματα των γραφείων. Βέβαια, εκτός από αυτή τη σχέση αναλογίας είναι χρήσιμη και η αριθμητική τιμή της ενεργειακής απόδοσης αυτών των φωτοβολταϊκών συστημάτων.

1.7 Προϋποθέσεις και περιορισμοί Βασική προϋπόθεση για τη διερεύνηση της ενεργειακής απόδοσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων που είναι ενταγμένα σε προϊόντα χώρου γραφείων είναι ο σχεδιασμός του χώρου των γραφείων, ο προσανατολισμός του γραφείου, η επιφάνεια των ανοιγμάτων του γραφείου και ο προσανατολισμός των φωτοβολταϊκών στοιχείων ως προς τα ανοίγματα του γραφείου. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι πολλοί. Εξαιτίας, όμως, των χρονικών περιορισμών του εξαμηνιαίου μαθήματος και της ανάγκης για έγκαιρη περάτωση των σπουδών, η έρευνα των παραγόντων που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων που είναι ενταγμένα σε προϊόντα χώρου γραφείων περιορίζεται στους κυριότερους εξ’ αυτών. Για το λόγο αυτόν, ο προσδιορισμός του βέλτιστου σχεδιασμού των προϊόντων χώρου γραφείων με ενταγμένα φωτοβολταϊκά γίνεται με την εξέταση ορισμένων εναλλακτικών σχεδίων των προϊόντων αυτών. Περαιτέρω έρευνες θα απαιτηθούν για την εξέταση περισσότερων συνδυασμών σχεδίων των προϊόντων και διατάξεων στο χώρο του γραφείου.

7

8

Ο2

ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ

9

Ο σχεδιασμός προϊόντων χώρου γραφείων με ενταγμένα φωτοβολταϊκά βασίζεται σε γνώσεις βιοκλιματικού σχεδιασμού κτιρίων, αρχιτεκτονικής σύνθεσης χώρων γραφείων, τεχνολογίας των φωτοβολταϊκών συστημάτων και υπολογισμού της ενεργειακής απόδοσης των συστημάτων αυτών. Βασικά στοιχεία αυτών των αντικειμένων παρουσιάζονται στη συνέχεια. Επειδή τα αντικείμενα στα οποία βασίζεται η παρούσα έρευνα είναι αρκετά και διάφορα μεταξύ τους, καθώς και ορισμένα από αυτά έχουν αναπτυχθεί από άλλες ειδικότητες Μηχανικών, όπως η τεχνολογία των ΦΒ κυρίως από Ηλεκτρολόγους Μηχανικούς, θεωρήθηκε σκόπιμο για την ενημέρωση και κατανόηση των εννοιών από τους φοιτητές της Αρχιτεκτονικής να παρουσιαστούν αρκετές βασικές γνώσεις των αντικειμένων αυτών. Αυτό είχε ως συνέπεια να προσδώσει στο κεφάλαιο της ανασκόπησης της βιβλιογραφίας μεγαλύτερη έκταση.

2.1 Κτίρια και ενέργεια Ένα από τα σοβαρότερα παγκόσμια προβλήματα είναι η συνεχής αύξηση της ενεργειακή κατανάλωσης και τα κτίρια συμμετέχουν σε αυτή σε ποσοστό περίπου 40%. Για την αντιμετώπιση των οξυμμένων αυτών προβλημάτων η παγκόσμια κοινότητα, εξαιτίας των περιορισμένων αποθεμάτων των ορυκτών πόρων και της επακόλουθης ρύπανσης του περιβάλλοντος, στρέφεται στις λεγόμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στις τεχνικές που μπορούν να μεγιστοποιήσουν την εκμετάλλευση αυτού του είδους ενέργειας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αποτελούν την εφικτή λύση, γιατί δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον, ανανεώνονται λόγω της φύσης της πηγής από την οποία προέρχονται, ενώ είναι αξιοποιήσιμες σε τοπικό επίπεδο (Ανδρεαδάκη, 2006). Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την εκμετάλλευσή τους είναι είτε «ήπια», με την έννοια ότι δεν απαιτούνται εξειδικευμένες κατασκευές με υψηλό κόστος, είτε είναι αρκετά εξειδικευμένη και ακόμη σχετικά ακριβή, όπως ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά στοιχεία, με τάση όμως μείωσης του κόστους παραγωγής τους. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θεωρούνται: η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια, η γεωθερμία, η βιομάζα και οι υδατοπτώσεις.

10

2.1.1 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Η αρχιτεκτονική και ο φυσικός φωτισμός υπήρξαν αλληλένδετες έννοιες (Κοσμόπουλος, 2008). Η σπουδαιότητα της επίδρασης του φυσικού φωτισμού στη συνολική κατανάλωση ενέργειας των κτιρίων εκτιμήθηκε μετά την πρώτη ενεργειακή κρίση τη δεκαετία του 1970. Η εκτίμηση αυτή συνέβαλε στην προσπάθεια ανάπτυξης σχεδιαστικών τεχνικών και συστημάτων για τη συλλογή και μεταφορά του φυσικού φωτισμού στο εσωτερικό των κτιρίων. Σήμερα η συνεχής αύξηση της ενεργειακή κατανάλωσης είναι ένα από τα βασικότερα παγκόσμια προβλήματα και τα κτίρια συμμετέχουν σε αυτή σε ποσοστό περίπου 40%. Η σωστή χρήση του φυσικού φωτισμού οδηγεί στη μείωση της ενέργειας που χρησιμοποιείται για τον τεχνητό φωτισμό και, επομένως σε μείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων. Το γεγονός αυτό συμβάλλει στην αντίστοιχη μείωση στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Η οικολογική σκέψη στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό επιβάλλει την ανάλυση των κλιματικών δεδομένων που επικρατούν στην περιοχή στην οποία πρόκειται να αναγερθεί ένα κτίριο, όπως των ορίων διακύμανσης της θερμοκρασίας, της σχετικής υγρασίας, του ύψους βροχής και της διεύθυνσης των ανέμων (Τομπάζης, 2010).

Σχήμα 1: Συνολική παγκόσμια παροχή πρωτογενούς ενέργειας το 2000 (πηγή: Randal, 2005)

Σχήμα 2: Παγκόσμια παραγωγή ΦΒ την περίοδο 1980-2000 (πηγή: Randal, 2005)

11

Σχήμα 3: Βιομηχανική παραγωγή ΦΒ ανά περιοχή 2005 - 2015 (πηγή: www.ise.fraunhofer.de)

Η γρήγορη ανάπτυξη της ανθρωπότητας μετά τη βιομηχανική επανάσταση βασίστηκε στην κατασπατάληση των ενεργειακών και φυσικών πόρων του πλανήτη μας καθώς και στην ανελέητη υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Η επιλογή αυτού του τρόπου ανάπτυξης βασίστηκε στη λανθασμένη εκτίμηση της αφθονίας και της επάρκειας των διαθέσιμων ενεργειακών και φυσικών πόρων. Τα αποτελέσματα αυτής της ανεξέλεγκτης ανάπτυξης καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε εμείς και οι επόμενες γενιές. Για την αντιμετώπιση των οξυμμένων αυτών προβλημάτων η παγκόσμια κοινότητα στρέφεται στις λεγόμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στις τεχνικές που μπορούν να μεγιστοποιήσουν την εκμετάλλευση αυτού του είδους ενέργειας. Οι κυριότερες και πιο αντιπροσωπευτικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι η ηλιακή και η αιολική. Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους. Ένας από αυτούς είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενεργητικών ηλιακών συστημάτων, όπως τα φωτοβολταϊκά (ΦΒ) συστήματα. Η διερεύνηση λοιπόν των φωτοβολταϊκών συστημάτων αποτελεί ένα σημαντικό κεφάλαιο για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας (Κοσμόπουλος, 2008). Η αξιοποίηση του ηλιακού φωτός για την παραγωγή ενέργειας μέσω της χρήσης φωτοβολταϊκών στοιχείων για τη θέρμανση ή τον δροσισμό των κτιρίων μειώνει περαιτέρω την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Ο υπολογισμός της θεωρητικής ηλιακής ενέργειας που παράγει ένα φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να γίνει με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού σε περιβάλλον ηλεκτρονικού υπολογιστή.

12 2.1.2 Ηλιακά κέρδη Η καλύτερη απόδοση του συστήματος άμεσου ηλιακού κέρδους, ως προς τη θερμική του συμπεριφορά, εξαρτάται από τις ακόλουθες προϋποθέσεις: α. Ο προσανατολισμός των ανοιγμάτων να είναι νότιος, με αποκλίσεις ±30ο ανατολικότερα ή δυτικότερα, γιατί έτσι δεσμεύεται το 90% περίπου της ηλιακής ακτινοβολίας το χειμώνα. Παράλληλα, το καλοκαίρι η ηλιοπροστασία αυτών των ανοιγμάτων είναι σχετικά πιο εύκολη με οριζόντια προστεγάσματα, σταθερά ή κινητά. β. Η κλίση του ανοίγματος ως προς τον ορίζοντα. Η κατακόρυφη θέση είναι προτιμότερη, γιατί δέχεται τον περισσότερο ήλιο το χειμώνα, ενώ προστατεύεται εύκολα το καλοκαίρι. γ. Το μέγεθος και η θέση του ανοίγματος. Το μέγεθος σχετίζεται άμεσα με τι κλίμα της περιοχής και διαφοροποιείται ανάλογα με το βαθμό θερμομόνωσης του κελύφους. Η θέση του ανοίγματος σχετίζεται με το βάθος του χώρου, έτσι ώστε η διανομή της θερμότητας να είναι πιο ομοιόμορφη. Γενικά, το βάθος του χώρου δεν πρέπει να υπερβαίνει τη διάσταση που ισούται με 2 ½ φορές το ύψος του ανοίγματος, μετρούμενο από το δάπεδο. δ. Την άμεση πρόσπτωση του ήλιου στα συμπαγή δομικά στοιχεία του κτιρίου – δάπεδο, τοίχους ή οροφήγιατί έτσι αποθηκεύεται άμεσα η θερμότητα που συλλέγεται και επομένως το σύστημα λειτουργεί πιο αποδοτικά.

2.2 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι, γενικά, ένα σύστημα δύο υλικών σε επαφή, το οποίο όταν φωτίζεται εμφανίζει στα άκρα του συνεχή ηλεκτρική τάση. Σήμερα, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία των οποίων η βιομηχανική παραγωγή έχει προωθηθεί, είναι αυτά που βασίζονται στη δημιουργία δύο ημιαγωγικών στρωμάτων σε επαφή. Συνήθως, τα δύο στρώματα αποτελούνται από το ίδιο κύριο υλικό, το ένα στρώμα ημιαγωγός τύπου n και το άλλο τύπου p. Εξωτερικά τοποθετούνται κατάλληλα ηλεκτρόδια. Η κατασκευή έχει τη μορφή μιας σχεδόν υετράγωνης πλάκας, ώστε η εσωτερική επαφή των ημιαγωγών να καταλαμβάνει όλη την επιφάνεια του πλακιδίου. Όταν το φωτοβολταϊκό στοιχείο φωτίζεται προκαλείται στο εσωτερικό του ηλεκτρικό ρεύμα (φωτόρευμα), ανάλογο της πυκνότητας ισχύος του ηλιακού φωτός, που προσπίπτει στην επιφάνειά του (Φραγκιαδάκης, 2007). Πολλά ΦΒ στοιχεία (33-36) συνδέονται σε σειρά, ώστε, όταν η διάταξη αυτή φωτίζεται, να προκύπτει συνολική τάση ανοικτού κυκλώματος 17÷22 V. Η ολοκληρωμένη αυτή φωτοβολταϊκή διάταξη ονομάζεται φωτοβολταϊκό πλαίσιο (module), αποτελεί δε τη βασική μονάδα σύνθεσης μεγαλύτερων συστημάτων, που ονομάζονται συστοιχίες. Η ηλεκτρική ισχύς που αποδίδει ένα ΦΒ πλαίσιο, κάτω από δεδομένη πυκνότητα ισχύος ηλιακής ακτινοβολίας, μπορεί να πάρει μέγιστη τιμή, όταν συνδεθεί στα άκρα του καταναλωτής κατάλληλης αντίστασης. Η μέγιστη ισχύς σε καθορισμένες συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας ΦΒ στοιχείου (πρότυπες συνθήκες), αποτελεί ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του και ονομάζεται ισχύς αιχμής.

13 2.2.1 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το ΦΒ φαινόμενο είχε παρατηρηθεί το 1839 από τον Becquerel, το 1954 ανακοινώθηκε η πρώτη κατασκευή ηλιακού στοιχείου πυριτίου Si, με σχηματισμό επαφής p-n, με διάχυση και απόδοση 6%. Η τεχνολογία των ΦΒ στοιχείων αναπτύχθηκε ραγδαία το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα και σήμερα οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών στοιχείων βρίσκονται στο 22% για ΦΒ πλαίσια διαστημικών κατασκευών και στο 14-18% για βιομηχανική-οικιακή χρήση, το δε κόστος των τελευταίων κυμαίνεται περί τα 1,5÷2,5 €/Wp (peak Watt). Στις εγκαταστάσεις σχετικά μεγάλης ισχύος αιχμής, το κόστος αγοράς ΦΒ πλαισίων, ανά Wp, μειώνεται σε σχέση με το μέγεθος του συστήματος. Σε μεγάλα συστήματα, άνω του MWp, το κόστος αυτό μειώνεται σχεδόν στο ήμισυ του αντίστοιχου των εγκαταστάσεων μικρής ισχύος. Οι προσπάθειες μείωσης του κόστους κατασκευής ενός ΦΒ στοιχείου οδήγησαν σε νέες διαφορετικές μεθόδους παρασκευής του βασικού φωτοαγώγιμου υλικού. Ένα ΦΒ στοιχείο είναι μια επαφή υλικών (συνηθέστερα ημιαγωγών), στην οποία, η απορροφούμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το φως, παράγει “ελεύθερα” ηλεκτρόνια και οπές, σ’ όλη την έκταση των δύο σε επαφή ημιαγωγών. Όσα απ’ αυτά δημιουργούνται μέσα και κοντά στην επαφή των υλικών, προωθούνται από το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο της επαφής, στα δύο άκρα της διάταξης, αντίστοιχα. Ο ρυθμός που παράγονται, οι ελεύθεροι φορείς είναι τέτοιος ώστε, το ηλεκτρικό ρεύμα καθώς και η ηλεκτρική τάση στα άκρα του ΦΒ στοιχείου να διατηρούνται σε πρακτικά αξιοποιήσιμα επίπεδα, όσον αφορά την αποδιδόμενη σ’ έναν καταναλωτή ηλεκτρική ισχύ. Συνεπώς, το ΦΒ στοιχείο εμφανίζει χαρακτηριστικά πηγής ενέργειας, κατάλληλης για τροφοδοσία τυπικών ηλεκτρικών εφαρμογών. Συμπερασματικά, η συνεργασία των δύο αναφερθέντων παραγόντων, του ενδογενούς ηλεκτρικού πεδίου των δύο σε επαφή φωτοαγώγιμων υλικών και του φωτός, παράγει το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Επαφή υλικών + φως = Φωτοβολταϊκό φαινόμενο 1. Η μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, που απορροφάται στο εσω-τερικό μιας διάταξης υλικών σε επαφή, σε ηλεκτρική, ονομάζεται φωτο-βολταϊκό φαινόμενο. Η διάταξη ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο.

2. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά (τάση - ρεύμα) ενός ΦΒ στοιχείου ή συνδυασμού μερικών εξ αυτών, κάτω από συνήθη ηλιακό φωτισμό, έχουν τιμές κατάλληλες για την αξιοποίηση της διάταξης αυτής, ως πηγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Το ΦΒ φαινόμενο είναι αποτέλεσμα του συνδυασμού δύο διαφορετικών εσωτερικών φαινομένων • της φωτοδημιουργίας «ελεύθερων» ηλεκτρικών φορέων στο εσωτερικό των ημιαγωγών (φωτοαγωγιμότητα) και • της δημιουργίας108 εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή της επαφής δύο ημιαγωγών.

14 2.2.2 Βασική μορφή Η ΦΒ συστοιχία παράγει συνεχή τάση και άρα μπορεί να τροφοδοτήσει απευθείας μόνο ηλεκτρικές συσκευές που λειτουργούν με συνεχές ρεύμα. Σ’ αυτές συγκαταλέγονται: οι αντιστάσεις θέρμανσης, οι κινητήρες συνεχούς, οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες, τα ηλεκτρικά ψυγεία συνεχούς, με τάσεις τροφοδοσίας 12 ή 24 V DC κ. α. Ειδικές διατάξεις μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο (Inverters), προκειμένου να τροφοδοτηθούν συσκευές οικιακής ή άλλης χρήσης, οι οποίες ουσιαστικά, λειτουργούν ως να έχουν συνδεθεί στο κεντρικό δίκτυο (220 Vac, ΔΕΗ). Η επιλογή της απευθείας χρήσης της συνεχούς τάσης από ένα ΦΒ σύστημα ή μετατροπή της σε εναλλασσόμενη, εξετάζεται κατά περίπτωση. Σε περιορισμένες περιπτώσεις, όπως π.χ. σε μικρά αυτόνομα αντλητικά συστήματα ή συστήματα τροφοδοσίας σταθμών τηλεμετάδοσης, φωτισμού δρόμων ή πάρκων κ.λπ., η αξιοποίηση απευθείας της ΦΒ ηλεκτρικής ενέργειας, είναι προτιμητέα. Στην πλειονότητα όμως των περιπτώσεων επιλέγεται η μετατροπή της συνεχούς σε εναλλασσόμενη τάση και ο λόγος είναι ότι πολύ περισσότερες συσκευές και εργαλεία καθημερινής χρήσης, τροφοδοτούνται με εναλλασσόμενη τάση.

Σχήμα 4: Μεταβατικά στοιχεία από την ηλιακή κυψελίδα σε ένα ΦΒ σύστημα (πηγή: www.energy.gov) Μετάφραση λεξιλογίου solar cell = ηλιακό κύτταρο solar module = ηλιακή μονάδα solar panel = ηλιακό πάνελ solar array = ηλιακή συστοιχία electricity meter = μετρητής ηλεκτρισμού ac isolator = απομονωτής ac τάσης fusebox = πίνακας ασφαλειών

inverter = μετατροπέας battery = μπαταρία, συσσωρευτής charge controller = ελεγκτής φόρτισης generation meter = μετρητής παραγωγής dc isolator = απομονωτής dc τάσης cabling = καλωδίωση mounting = βάση tracking system = σύστημα εντοπισμού

15

Ένα τυπικό σύστημα ΦΒ τροφοδοσίας, με μετατροπή της συνεχούς τάσεως σε εναλλασσόμενη 220 V, αποτελείται από τα εξής κύρια τμήματα: το σύστημα των ΦΒ πλαισίων, τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές, τον ελεγκτή φόρτισης και τους διάφορους τύπους μετατροπέων της ηλεκτρικής τάσης, συνεχούς σε συνεχή, συνεχούς σε εναλλασσόμενη και εναλλασσόμενης σε συνεχή, ανάλογα με τις αντίστοιχες απαιτήσεις. Στο παρακάτω σχήμα δίνεται ένα τυπικό μονογραμμικό ηλεκτρολογικό διάγραμμα, όπου φαίνονται όλα τα επιμέρους τμήματα και οι απαραίτητες ηλεκτρονικές συσκευές, μετατροπής και ελέγχου καθώς και το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος υποστήριξης του ΦΒ συστήματος ή συμπαραγωγής

Σχήμα 5: Μονογραμμικό διάγραμμα ενός τυπικού υβριδικού ΦΒ συστήματος (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

16 2.2.3 Υπόλοιπα μέρη ενός ΦΒ συστήματος Συσσωρευτής Σε αυτόνομες φωτοβολταϊκές εφαρμογές, στις οποίες δεν απαιτείται αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, η ΦΒ συστοιχία μπορεί να χρησιμοποιηθεί συνδεδεμένη απευθείας στην κατανάλωση. Παραδείγματος χάριν, στην περίπτωση άντλησης νερού με προοπτική αξιοποίησης του σε μεταγενέστερη χρονική περίοδο (Αντλιοταμίευση), για το πότισμα ενός αγρού, η ΦΒ συστοιχία μπορεί να συνδεθεί απευθείας στο αντλητικό σύστημα συνεχούς τάσεως λειτουργίας. Στις περισσότερες, όμως, περιπτώσεις μη συνδεδεμένων στο δίκτυο ΦΒ συστημάτων απαιτείται αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ή/και μετατροπή της σε ενέργεια εναλλασσομένου ρεύματος. Συνεπώς, η μελέτη και ο σχεδιασμός ενός ΦΒ συστήματος, επιβάλει τον προσδιορισμό των καταλλήλων ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συστημάτων, προκειμένου να βελτιστοποιείται η εκ-μετάλλευση των δυνατοτήτων του συστήματος και να μεγιστοποιείται η αξιοπιστία τους. Οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές και τα ηλεκτρονικά ισχύος, όπως οι μετατροπείς συνεχούς τάσεως σε συνεχή (DC-DC converters), ή σε εναλλασσόμενη (Inverters) και τα συστήματα ελέγχου λειτουργίας φόρτισης (Charge controlers), είναι τα βασικότερα τμήματα ενός ΦΒ σταθμού, χωρίς απαραιτήτως να χρησιμοποιούνται όλα μαζί σε μια εφαρμογή. Η παραγόμενη από τη ΦΒ συστοιχία, ηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε απευθείας είτε σε χρόνο μεταγενέστερο της παραγωγής της, π.χ. κατά τη διάρκεια της νύκτας. Άρα, παρουσιάζεται η ανάγκη μιας διάταξης αποθήκευσης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Μέχρι στιγμής, η καλύτερη λύση, από πλευράς κόστους πυκνότητας αποταμιευμένης ενέργειας ανά μονάδα βάρους και όγκου της διάταξης, είναι η χρησιμοποίηση των διαφόρων τύπων ηλεκτρικών συσσωρευτών, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από αντιστρεπτότητα των χημικών δράσεων στα ηλεκτρόδια τους. Σ’ αυτή την κατηγορία ανήκουν οι συσσωρευτές θείου-μολύβδου, οι συσσωρευτές NiCa κ.ά. Η έρευνα στον τομέα των συσσωρευτών έχει οδηγήσει σε βελτιωμένους τύπους146, με εξαιρετικά βελτιωμένα τεχνικά χαρακτηριστικά.

Μετατροπέας Τα Φ/Β στοιχεία παράγουν συνεχές ρεύμα (Σ/Ε) και οι συσσωρευτές του Φ/Β συστήματος αποθηκεύουν ηλεκτρισμό ως Σ/Ρ. Οι περισσότερες κοινές συσκευές λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα (Ε/Ρ). Επομένως χρειάζεται ένας μετατροπέας για να μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Κατά τη μετατροπή, μια ποσότητα ρεύματος θα χαθεί, καθώς οι μετατροπείς είναι κατά 75-90% αποτελεσματικοί, κατά μέσο όρο. Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος Η ισχύς του Η/Ζ πρέπει να καλύπτει παράλληλα τα φορτία της εφαρμογής και τη φόρτιση των συσσωρευτών. Στο κύκλωμα παρεμβάλλεται κατάλληλος ανορθωτής (Rectifier), ο οποίος μπορεί να είναι ενσωματωμένος στο Η/Ζ.

Ελεγκτής φόρτισης Γενικά, ο ελεγκτής φόρτισης - εκφόρτισης, στην πιο περιορισμένη του μορφή, εποπτεύει τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης ώστε να απομονώνει το σύστημα αποθήκευσης, αφενός από το σύστημα παραγωγής της ενεργείας, στην περίπτωση της υπερφόρτισης, και αφετέρου από το σύστημα κατανάλωσης, στην περίπτωση της υπερεκφόρτισης. Και στις δύο περιπτώσεις, η διακοπή αυτή προ-καλείται όταν η τάση στα άκρα του συσσωρευτή ξεπεράσει, προς τα άνω και αντίστοιχα προς τα κάτω, ορισμένα όρια τάσης (setpoints), όπου ενεργοποιούνται οι ηλεκτρικοί διακόπτες.

17

Σχήμα 6: Ηλεκτρολογικά διαγράμματα εγκατάστασης (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

Τυπικά διαγράμματα παράλληλου ρυθμιστή φόρτισης (α) με γραμμικό και (β) με διακοπτικό στοιχείο. Ο ρυθμιστής αυτός χρησιμοποιείται μόνο σε ΦΒ συστήματα. Το διάγραμμα (γ) αφορά σε ρυθμιστή φόρτισης σειράς, με στοιχείο απόδοσης ή απόρριψης της περίσσιας ενέργειας. Ο ρυθμιστής αυτός χρησιμοποιείται για έλεγχο φόρτισης συσσωρευτών από όλους τους τύπους των συστημάτων παραγωγής ενέργειας.

D= δίοδος αντεπιστροφής, ΒΑΤ= συσσωρευτής, Σ= στοιχείο απόδοσης πλεονάζουσας ενέργειας

18 2.2.4 Κατηγορίες φωτοβολταϊκών Φωτοβολταϊκά στοιχεία Πυριτίου Το υλικό, που χρησιμοποιείται ευρύτατα στη βιομηχανία των ΦΒ κυψελίδων, είναι το Πυρίτιο (Si), του οποίου η πρώτης ύλη είναι η άμμος. Στην άμμο, το Πυρίτιο περιέχεται με τη μορφή του οξειδίου του πυριτίου (SiΟ2). Το τελικό προϊόν χαρακτηρίζεται από υψηλή (99,99999% ή 7 εννιάρια, 7Ν) έως και πολύ υψηλή καθαρότητα (99,9999999% ή 9Ν). Τα ΦΒ στοιχεία Πυριτίου διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες, ανάλογα με τη δομή του βασικού υλικού ή τον ιδιαίτερο τρόπο παρασκευής. Οι διαφορετικοί τύποι είναι οι εξής: 1. ΦΒ στοιχεία κρυσταλλικού Πυριτίου (Single-crystal Silicon) (Σχήμα α): Το βασικό υλικό είναι μονοκρυσταλλικό. Το πάχος του υλικού είναι σχετικά με-γάλο (Wafer —300 μm). Η απόδοση τους, με τη μορφή κυψελίδας, κυμαίνεται από ~21% έως ~24%, ενώ με τη μορφή των ΦΒ πλαισίων, μεταξύ 13 έως 18%. Χαρακτηρίζονται από υψηλό κόστος κατασκευής. Χρώμα: Σκούρο μπλε.

2. ΦΒ στοιχεία πολυκρυσταλλικού Πυριτίου (Multicrystaline Silicon mc-Si): Δυνατότητα κατασκευής μεγάλων επιφανειών. Συνήθως κόβονται σε τετραγωνικής μορφής στοιχεία. Αποτελούνται από λεπτά επιστρώματα, πάχους 10 έως 50 μπι. Στην επιφάνεια της κυψελίδας, διακρίνονται οι διαφορετικές μονοκρυσταλλικές περιοχές. Τα όριά τους αποτελούν θέσεις παγίδευσης των φορέων. Άρα, όσο μικρότερο το συνολικό μήκος των οριακών περιοχών μέσα στο δεδομένης διάστασης ΦΒ στοιχείο, τόσο καλύτερη η ηλεκτρική αγωγιμότητα τους. Γενικά, όσο μεγαλύτερες οι διαστάσεις των μονοκρυσταλλικών περιοχών του πολυκρυσταλλικού ΦΒ στοιχείου, τόσο υψηλότερη η απόδοση του, η οποία κυμαίνεται από 17% έως ~20%, σε εργαστηριακή μορφή κυψελίδας και από 10% έως και 14%, σε βιομηχανική μορφή ΦΒ πλαισίου. Χαρακτηρίζεται από σχετικά υψηλή χρονική σταθερότητα. Το κόστος παρασκευής τους είναι χαμηλότερο σε σχέση με το αντίστοιχο του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Το χρώμα τους είναι γαλάζιο (Σχήμα β).

3. ΦΒ στοιχεία ταινίας (Ribbon Silicon): Δημιουργία λεπτής ταινίας από τηγμένο υλικό. Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο με απόδοση περί το 13%. Μέθοδος υψηλού κόστους και, προς το παρόν, περιορισμένης βιομηχανικής παραγωγής.

4. ΦΒ στοιχεία άμορφου Πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon): Τεχνολογία λεπτών επιστρώσεων ή υμενίων (films), θεωρητικά πολύ χαμηλού κόστους παραγωγής, εξαιτίας την μικρής χρησιμοποιούμενης μάζας υλικού. Το λεπτό επίστρωμα σχηματίζεται πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης, χαμηλού κόστους. Η απόδοση των ΦΒ στοιχείων αυτών μειώνεται έντονα, στα αρχικά στάδια φωτισμού τους, στα επίπεδα του 6 έως 8%. Σήμερα, η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται για την παρασκευή σύνθετων ΦΒ στοιχείων, με διαδοχικές ενώσεις δύο ή τριών στρωμάτων με διαφορετικό ενεργειακό χάσμα, με σκοπό την αύξηση του αξιοποιήσιμου τμήματος του ηλιακού φάσματος. Π.χ. παρασκευάζονται ΦΒ στοιχεία από κράμα Πυριτίου με Άνθρακα και Γερμάνιο, τριών επαφών, a-SiGe (~1,4 eV), a-SiC (1,85 eV), με σταθεροποιημένη απόδοση ~13%. Το ιδιαίτερο κατασκευαστικό χαρακτηριστικό τους είναι η δυνατότητα δημιουργίας διαδοχικών ΦΒ στοιχείων σε μεγάλες επιφάνειες ΦΒπλαισίων (Σχήμα γ).

19

Σχήμα 7: Τύποι ΦΒ κυψελίδων α) μονο-, β) πολυ- κρυσταλλικού και γ) άμορφου Πυριτίου. Στην τελευταία περίπτωση δείχνονται, επίσης,, διάφοροι τύποι πλαισίων άμορφου Πυριτίου, από πολύ μικρό μέγεθος, χρησιμοποιούμενο σε υπολογιστές αριθμητικών πράξεων, μέχρι μεγάλων διαστάσεων πλαίσιο, σταθερού ή εύκαμπτου σχήματος. (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

Εισάγοντας ΦΒ σε εσωτερικούς χώρους Οι εσωτερικές συνθήκες για τη συγκομιδή ενέργειας υποδηλώνουν ότι τα ηλιακά κύτταρα DSSC είναι καλύτερα από τα Si και OPV. Η σημερινή αγορά ηλιακών κυψελών κυριαρχείται από κρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα πυριτίου. Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούνται ευρέως σε υπαίθριες εφαρμογές λόγω της κάλυψης του ηλιακού φάσματος. Ωστόσο, για εφαρμογές εσωτερικού χώρου, το φάσμα είναι διαφορετικό, ώστε άλλοι τύποι κυττάρων να έχουν υψηλότερη απόδοση φωτός και να παρέχουν περισσότερη ισχύ. Αυτή η απόδοση φωτός είναι η αναλογία της μέγιστης ισχύος εξόδου ηλιακού κυττάρου διαιρούμενης με την προσπίπτουσα ισχύ στο ηλιακό στοιχείο. Η απόδοση του φωτός εξαρτάται από την πηγή φωτισμού, η οποία, για πολλές περιπτώσεις εσωτερικού χώρου, είναι λαμπτήρας φθορισμού. Ένα σημαντικό μέρος του φάσματος υπό συνθήκες εξωτερικού φωτισμού βρίσκεται στην περιοχή του κόκκινου ορατού φωτός. Αποδεικνύεται ότι το κρυσταλλικό πυρίτιο έχει πολύ ισχυρότερη φασματική απόκριση σε αυτή την περιοχή σε σύγκριση με βραχύτερα μήκη κύματος. Από την άλλη πλευρά, οι συνθήκες εσωτερικού χώρου υπό φθορίζοντα φωτισμό έχουν μεγαλύτερο τμήμα του φάσματος στην περιοχή κάτω των 600 nm. Επιπλέον, τα ηλιακά κύτταρα που βασίζονται σε άμορφο πυρίτιο (a-Si), τα οργανικά ηλιακά υλικά (OPV) και τα ευαισθητοποιημένα υλικά βαφής (DSSC) ταιριάζουν πολύ καλά σε αυτό το καθεστώς. Ως εκ τούτου, θεωρείται ότι είναι πιο κατάλληλο για εσωτερικές εφαρμογές.

20

Σχήμα 8: Διαγράμμα μήκους κύματος - φασματικής ακτινοβολίας διαφόρων τύπων ΦΒ στοιχείων

Σχήμα 9: Διαγράμμα μήκους κύματος - ονομαστικής απόδοσης διαφόρων τύπων ΦΒ στοιχείων

21

Σχήμα 10: Διαγράμμα μήκους κύματος - ποσοστιαίας σχετικής απόδοσης διαφόρων τύπων ΦΒ στοιχείων (πηγή:

Σχήμα 11: Διαγράμμα μήκους κύματος - σχετικής απόδοσης - φασματικής ακτινοβολίας διαφόρων τύπων ΦΒ

2.2.5 Εφαρμογές των φωτοβολταϊκών Τα ΦΒ στοιχεία μπορούν να αξιοποιηθούν σε πλήθος ηλεκτρικών εφαρμογών. Καλύπτουν ευρεία περιοχή ισχύος, από το μέγεθος της πολύ χαμηλής ισχύος ευρείας χρήσης καταναλωτικών προϊόντων, όπως είναι οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, τα μικρά φωτιστικά σώματα κήπου κ.α., έως συστήματα μεγάλης ισχύος για την τροφοδοσία νησιών ή πρότυπων μεγάλων κτηριακών συγκροτημάτων, συνδεδεμένων ή όχι στο εθνικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Τα ΦΒ συστήματα διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τα απομονωμένα ή εκτός δικτύου συστήματα και τα συνδεδεμένα στο δίκτυο. Τα απομονωμένα ΦΒ συστήματα διακρίνονται επίσης σε αυτόνομα και υβριδικά. Τα κριτήρια για τον προσδιορισμό της σύνθεσης του καταλληλότερου ΦΒ συστήματος στις κατηγορίες αυτές, προκύπτει με βάση την απαίτηση για πλήρη ή μερική κάλυψη (αυτονομία) των ενεργειακών καταναλώσεων της εφαρμογής, από το ΦΒ σύστημα, μηνιαίως ή ετησίως.

22 2.2.6 Φωτοβολταϊκά συστήματα Η ΦΒ συστοιχία παράγει συνεχή τάση και άρα μπορεί να τροφοδοτήσει απευθείας μόνο ηλεκτρικές συσκευές που λειτουργούν με συνεχές ρεύμα. Σ’ αυτές συγκαταλέγονται: οι αντιστάσεις θέρμανσης, οι κινητήρες συνεχούς, οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες, τα ηλεκτρικά ψυγεία συνεχούς, οι τάσεις τροφοδοσίας 12 ή 24 V DC, κ.α. Ειδικές διατάξεις μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο (Inverters), προκειμένου να τροφοδοτηθούν συσκευές οικιακής ή άλλης χρήσης, οι οποίες ουσιαστικά, λειτουργούν ως να έχουν συνδεθεί στο κεντρικό δίκτυο (220 Vac, ΔΕΗ). Η επιλογή της απευθείας χρήσης της συνεχούς τάσης από ένα ΦΒ σύστημα ή η μετατροπή της σε εναλλασσόμενη, εξετάζεται κατά περίπτωση. Σε περιορισμένες περιπτώσεις, όπως π.χ. σε μικρά αυτόνομα αντλητικά συστήματα ή συστήματα τροφοδοσίας σταθμών τηλεμετάδοσης, φωτισμού δρόμων ή πάρκων, κλπ. η αξιοποίηση απευθείας της ΦΒ ηλεκτρικής ενέργειας, είναι προτιμητέα. Στην πλειονότητα, όμως, των περιπτώσεων επιλέγεται η μετατροπή της συνεχούς σε εναλλασσόμενη τάση και ο λόγος είναι ότι πολύ περισσότερες συσκευές και εργαλεία καθημερινής χρήσης, τροφοδοτούνται με εναλλασσόμενη τάση. Ένα τυπικό σύστημα ΦΒ τροφοδοσίας, με μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη 220 V, αποτελείται από τα εξής κύρια τμήματα: το σύστημα των ΦΒ πλαισίων, τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές, τον ελεγκτή φόρτισης και τους διάφορους τύπους μετατροπέων της ηλεκτρικής τάσης, συνεχούς σε συνεχή, συνεχούς σε εναλλασσόμενη και εναλλασσόμενης σε συνεχή, ανάλογα με τις αντίστοιχες απαιτήσεις. Το κυριότερο μειονέκτημα των ΦΒ συστημάτων είναι το υψηλό οικονομικό κόστος, ενώ στα πλεονεκτήματά τους, έναντι των άλλων πηγών ΑΠΕ, περιλαμβάνονται τα ακόλουθα:  άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, σε μικρή ή μεγάλη ισχύ  δυνατότητα σταδιακής υλοποίησης του συστήματος  μηδενικές εκπομπές ρύπων κατά τη λειτουργία τους  αθόρυβη λειτουργία  ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης  μεγάλη αξιοπιστία  μεγάλη διάρκεια ζωής  αποδεκτή αισθητική παρουσία. Κατηγορίες και σύνθεση ΦΒ συστημάτων Τα ΦΒ στοιχεία μπορούν να αξιοποιηθούν σε πλήθος ηλεκτρικών εφαρμογών. Καλύπτουν ευρεία περιοχή ισχύος, από το μέγεθος της πολύ χαμηλής ισχύος ευρείας χρήσεως καταναλωτικών προϊόντων, όπως είναι οι αριθμητικοί υπολογιστές, τα μικρά φωτιστικά σώματα κήπου κ.α., έως συστήματα μεγάλης ισχύος, για την τροφοδοσία νησιών ή πρότυπων μεγάλων κτιριακών συγκροτημάτων, συνδεδεμένων ή όχι στο δίκτυο. Με τον όρο δίκτυο, εννοείται το εθνικό (ή διακρατικό, πλέον) ή τοπικό δίκτυο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικές πηγές. Τα ΦΒ συστήματα διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τα απομονωμένα (Stand-alone) ή εκτός δικτύου (Off grid) συστήματα και τα συνδεδεμένα στο δίκτυο (Grid connected). Τα απομονωμένα ΦΒ συστήματα διακρίνονται επίσης σε αυτόνομα και υβριδικά. Το κριτήριο για τον προσδιορισμό της σύνθεσης του καταλληλότερου ΦΒ συστήματος στις κατηγορίες αυτές, προκύπτει με βάση την απαίτηση για πλήρη ή μερική κάλυψη (αυτονομία) των ενεργειακών καταναλώσεων της εφαρμογής, από το ΦΒ σύστημα, μηνιαίως ή ετησίως.

23

Υβριδικά ΦΒ συστήματα Στα υβριδικά ΦΒ συστήματα η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια καλύπτεται από το συνδυασμό ΦΒ συστοιχίας με άλλες πηγές ενέργειας, δηλαδή, Α.Π.Ε. (π.χ. ανεμογεννήτρια, ΑΓ) ή πηγές συμβατικών καυσίμων (ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, Η/Ζ). Ο προσδιορισμός των συνιστωσών Α.Π.Ε. προκύπτει με ολοκληρωμένη οικονομοτεχνική μελέτη του συ¬στήματος, με κριτήριο το βαθμό συμμετοχής του Η/Ζ στη διασφάλιση της κάλυψης των ενεργειακών απαιτήσεων της εφαρμογής. Στις περισσότερες των περιπτώσεων στο σύστημα προβλέπεται αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε συσσωρευτές (αυτονομία αποθηκευμένης ενέργειας).

ΦΒ συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο Τα συστήματα αυτά συνδέονται απ’ ευθείας στο εθνικό ή τοπικό δίκτυο ηλεκτρικής παροχής (AC). Το δίκτυο αποτελεί για το ΦΒ σύστημα, μια τεράστια “δεξαμενή” ηλεκτρικής ενέργειας, σταθερής ηλεκτρικής τάσης. Συνεπώς, στα συστήματα αυτά δεν απαιτείται αποθήκευση της παραγόμενης ΦΒ ηλεκτρικής ενέργειας. Διακρίνονται σε αυτά που είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο, ως κατανεμημένα (Distributed) συστήματα και σε εκείνα που συνιστούν κεντρικούς ΦΒ σταθμούς μεγάλης ισχύος, των οποίων η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται στο κεντρικό δίκτυο (Centralized systems). Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο ΦΒ συστήματα αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό του συνόλου των εγκατεστημένων ΦΒ συστημάτων παγκοσμίως (ΙΕΑ, Photovoltaic Barometer). Τα τελευταία χρόνια υπάρχει θεαματική αύξηση των ΦΒ συστημάτων κεντρικού σταθμού. Τα κατανεμημένα ΦΒ συστήματα, όμως, εξακολουθούν να αποτελούν την κύρια συνιστώσα των συνδεδεμένων στο δίκτυο ΦΒ συστημάτων, σε ποσοστό ~80% (Report ΙΕΑ-ΡVPS 2010). Στην κατηγορία των κεντρικών ΦΒ συστημάτων ανήκουν και τα μεγάλα ΦΒ συγκροτήματα152, των οποίων η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διοχε-τεύεται κατ’ ευθείας στο δίκτυο. Τα κατανεμημένα ΦΒ συστήματα, διακρίνονται σε αυτά που χρησιμοποιούν το δίκτυο ως βοηθητική πηγή ενέργειας (Grid back-up) και σε εκείνα που λειτουργούν σε συνεχή αλληλεπίδραση με το δίκτυο, διοχετεύοντας την επιπλέον πα-ραγόμενη ενέργεια σ’ αυτό (Grid interactive). Στην πρώτη περίπτωση το ΦΒ σύστημα σχεδιάζεται έτσι ώστε να καλύπτει κατά μέσο όρο τις μηνιαίες ενεργειακές απαιτήσεις της εφαρμογής. Το δίκτυο καλύπτει έκτακτη ενεργειακή ζήτηση ή καταστάσεις αστοχίας του ΦΒ συστήματος. Στη δεύτερη περίπτωση, το βασικότερο κριτήριο αφορά στην επιλογή εκείνης της ΦΒ συστοιχίας η οποία καλύπτει, κατά μέσο όρο, τις ετήσιες ενεργειακές απαιτήσεις της εφαρμογής. Στις χρονικές περιόδους που το ΦΒ σύστημα υστερεί στην κάλυψη των καταναλώσεων της εφαρ-μογής, η απαιτούμενη ενέργεια παρέχεται από το δίκτυο. Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό, μέσα στο έτος, η συνολική ενέργεια από το δίκτυο στην εφαρμογή, προβλέπεται να είναι ίση με τη συνολική ενέργεια από το ΦΒ σύστημα στο δίκτυο. Αν η επιδίωξη μας είναι το ετήσιο οικονομικό ισοζύγιο μεταξύ παραγωγού και ΔΕΗ, κατά τη σχεδίαση του συστήματος λαμβάνεται υπ’ όψη η διαφοροποίηση των τιμολογίων παραγωγής και κατανάλωσης.

24

Σχήμα 12: Κατηγορίες και λειτουργία ΦΒ συστημάτων (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

Βασικά είδη ΦΒ συστημάτων: (α) Αυτόνομο ΦΒ σύστημα με συστοιχία συνδεδεμένη απευθείας στο φορτίο DC (β) Αυτόνομο ΦΒ σύστημα με αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας και τροφοδοσία φορτίων συνεχούς και εναλλασσόμενης τάσεως (γ) Αυτόνομο ΦΒ υβριδικό σύστημα (δ) ΦΒ σύστημα συνδεδεμένο στο εθνικό ή τοπικό δίκτυο.

25

(Σχήμα 13: α) Αυτοδύναμο σύστημα Σ/Ρ (πηγή: Roaf, 2009)

Σχήμα 14: (β) Αυτοδύναμο σύστημα Σ/Ρ - Ε/Ρ (πηγή: Roaf, 2009)

Σχήμα 15: (γ) Υβριδικό σύστημα (πηγή: Roaf, 2009)

Σχήμα 16: (δ) Σύστημα συνδεδεμένο στο δίκτυο (πηγή: Roaf, 2009)

26 2.2.7 Κατασκευαστικές λεπτομέρειες i. Η όψη του ΦΒ καλύπτεται από διαφανή ουσία (π.χ. SiΟ2, Α12Ο3, ΤίΟ2, Si3Ν4, ΜgF2), η οποία χαρακτηρίζεται από δείκτη διάθλασης τέτοιο ώστε, για μια πε¬ριοχή μηκών κύματος, συνήθως γύρω από τα 600 nm, κοντά στο μέγιστο της ηλιακής ακτινοβολίας (480 nm), να ελαχιστοποιείται η ανακλώμενη συνιστώσα του φωτός (αντιανακλαστική επίστρωση). ii. Το πάχος του ΦΒ στοιχείου περιορίζεται, στην ενεργό περιοχή του, στην οποία δηλαδή, η απορροφούμενη ΗΜ ακτινοβολία δίδει το ΦΒ φαινόμενο. Αυτή, όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι η περιοχή απογύμνωσης αυξημένη κατά το άθροισμα των μηκών διάχυσης κατά Debye, για τα ηλεκτρόνια και τις οπές, στα τμήματα που αυτά αποτελούν φορείς μειονότητας, Le και Lh. iii. Τα μεταλλικά ηλεκτρόδια συλλογής των φορέων, πρέπει να βρίσκονται κοντά στην ενεργό περιοχή. Το πίσω ηλεκτρόδιο καλύπτει όλη την έκταση του ΦΒ και συνήθως αποτελείται, για λόγους κόστους και βάρους της διάταξης, από λεπτό και σχετικά πυκνό μεταλλικό πλέγμα.

Σχήμα 17: Δομή ενός τυπικού ΦΒ στοιχείου (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007) (α) Εγκάρσια τομή της κυψελίδας, όπου δείχνονται διάφορες θέσεις απορρόφησης φωτονίων καθώς επίσης τα διαδοχικά στρώματα από τα οποία αποτελείται. Το ηλεκτρόδιο όψεως, το αντιανακλαστικό στρώμα Α, τα δύο στρώματα n και p του ημιαγωγού και, τέλος, το ηλεκτρόδιο πίσω πλευράς. Δείχνονται, επίσης, οι διάφορες θέσεις πιθανής απορρόφησης ανάκλασης των φωτονίων που προσπίπτουν σ΄αυτή. (β) Σχηματική παράσταση σε τρεις διαστάσεις του ΦΒ στοιχείου. Το τμήμα μέσα στο μικρό κύκλο δείχνεται σε μεγέθυνση στο μεγάλο κύκλο. Σημειώνεται η απορρόφηση ενός φωτονίου μέσα στην περιοχή απογύμνωσης, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός ηλεκτρονίου και μιας οπής, που ωθούνται από το ηλεκτρικό πεδίο της επαφής προς τους χώρους μειωμένης επανασύνδεσης.

27

Σχήμα 18: Ένα τυπικό σύστημα ανάρτησης του ΦΒ πάνελ (πηγή: Roaf, 2009)

Σχήμα 19: Παράδειγμα μιας σειριακής διασυνδεδεμένης ηλιακής μονάδας thin- film τεχνολογίας. Στην προκειμένη περίπτωση το φωτοκύτταρο Cds / CIS έχει επαφή με μολυβδαίνιο (Moly) και με οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) . (πηγή: Roaf, 2009)

28 2.2.8 Απόδοση Η απόδοση ενός ΦΒ πλαισίου προσδιορίζεται από το πηλίκο της αποδιδόμενης μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος προς την προσπίπτουσα στο πλαίσιο ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας και εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες των υλικών παρασκευής του, τη θερμοκρασία των κυψελίδων και την πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η απόδοση των ΦΒ πλαισίων είναι μικρότερη της αντίστοιχης του ΦΒ στοιχείου εργαστηριακής παρασκευής. Οι βασικότεροι λόγοι είναι: • η μη πλήρης κάλυψη της γεωμετρικής επιφάνειάς του από επιφάνεια ΦΒ στοιχείων, η οποία καθορίζεται από τον παράγοντα κάλυψης • η ανομοιογένεια των χαρακτηριστικών των ΦΒ στοιχείων που συνθέτουν το ΦΒ πλαίσιο • η ανακλαστικότητα του υαλοπίνακα του πλαισίου. Η τιμή του στιγμιαίου συντελεστή απόδοσης του ΦΒ πλαισίου καθορίζεται από απώλειες που αφορούν: o στη γήρανση του ΦΒ πλαισίου, δηλαδή στη μείωση της απόδοσης του λόγω αλλοίωσης των υλικών κατασκευής των κυψελίδων του ΦΒ πλαισίου. o Στις απώλειες οπτικού δρόμου και θερμοκρασίας κυψελίδας, που προκύπτουν λόγω της διαφοροποίησης των χαρακτηριστικών της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας του περιβάλλοντα αέρα, των πραγματικών συνθηκών λειτουργίας του ΦΒ πλαισίου σε σχέση με αυτά των πρότυπων συνθηκών. o Στις απώλειες στη δίοδο ανεπιστροφής του ΦΒ πλαισίου.

Σχήμα 20: Διάγραμμα Sankey για τη ροή ενέργειας στο ΦΒ πλαίσιο (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

29

Η ονομαστική τιμή της απόδοσης καθορίζεται κάτω από τις πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC), την οποία, στο σύγγραμμα αυτό, θα συμβολίζουμε με ηc,STC. Τα εργαστήρια παρασκευής ΦΒ στοιχείων καθώς και τα κέντρα πιστοποίησης των χαρακτηριστικών τους, αναφέρουν πάντα τις συνθήκες προσδιορισμού της απόδοσης τους. Σε συνθήκες διαφορετικές από τις πρότυπες, η τιμή του προσδιορίζεται από τη διαφορά Θc-θSTC, των θερμοκρασιών της κυψελίδας και της θερμοκρασίας αναφοράς (STC, 25 °C) και από την πυκνότητα ισχύος. Ε, της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας.

Τρεις είναι οι συνήθη τύποι ηλιακών πάνελ με τεχνολιγία thin - film που εντοπίζονται σήμερα στην αγορά.: Άμορφο πυρίτιο(a-Si) Τελλουρίδιο του καδμίου (CdTe) Χαλκού -ινδίου - (γαλλίου) - δισεληνίου CI(G)S Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει συνοπτικά τα βασικά τους χαρακτηριστικά

Σχήμα 21: Βασικά χαρακτηριστικά των συνήθη τύπων ηλιακών πάνελ (πηγή: www.electronicproducts.com)

30

Σχήμα 22: Διάγραμμα μήκος κύματος - φασματικής απόδοσης διαφόρων τύπων ΦΒ τεχνολογιών (πηγή: Schittich, 2003)

Σχήμα 23: Ποιοτική σύγκριση φάσματος φωτεινής πηγής και κυττάρου άμορφου Πυριτίου (πηγή: Schittich, 2003)

31

Σχήμα 24: Πίνακας αποδόσεων μερικών ΦΒ στοιχείων και πλαισίων (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

Σχήμα 25: Απεικόνιση των αποδόσεων των πιο σημαντικών ΦΒ στοιχείων, ως συνάρτηση του ενεργειακού χάσματος των αντίστοιχων ημιαγωγών, στους 300 Κ. Η εσωτερική καμπύλη αντιστοιχεί σε ένα ήλιο ΑΜ1,5, ενώ η εξωτερική σε συγκεντρωμένο φως, αντίστοιχο 1000 ήλιων. (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

32 2.2.9 Κόστος

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματά τους, όπως το ότι δεν έχουν κινούμενα μέρη, είναι αθόρυβα και μπορούν να εγκατασταθούν παντού όπου δεν σκιάζει, παρουσιάζουν ακόμα υψηλό κατασκευαστικό κόστος. Η διαφορά κόστους παραγωγής της ηλεκτρικής κιλοβατώρας από ΑΠΕ και από πετρέλαιο μειώνεται σταδιακά, ώστε σύντομα, μέσα στην επόμενη δεκαετία, να μπορεί να προβλεφθεί μια απ’ ευθείας σύγκριση κόστους ενέργειας. Ήδη το κόστος εγκατάστασής τους εμφανίζεται ανταγωνιστικό απέναντι στη συμβατική παραγωγή ενέργειας, σε περιπτώσεις μη συνδεδεμένων με το δίκτυο περιοχών (απομακρυσμένοι οικισμοί, νησιά, κλπ.).

Μείωση κόστους των ΦΒ στοιχείων με την εξέλιξη της τεχνολογίας Το εμπορικό κόστος των ΦΒ στοιχείων, με τη βιομηχανική τους μορφή (ΦΒ πλαίσιο), μειώθηκε ραγδαία, από τα ~1000 $/Wρ το 1956 (έτος πρώτης βιομηχανικής παραγωγής τους), στο επίπεδο των 4,5 €/wp (2007) και στη συνέχεια κάτω από 2 €/Wp, στο τέλος του 2010. Η ραγδαία μείωση του κόστους των ΦΒ πλαισίων στην αρχική περίοδο (1956-1980), οφείλεται, κυρίως, στη βελτίωση των μεθόδων βιομηχανικής παρασκευής τους. Στη συνέχεια, η μείωση αυτή συνδέεται άμεσα με τη διεύρυνση της αγοράς των φωτοβολταϊκών και την εντυπωσιακή αύξηση των εγκατεστημένων ΦΒ συστημάτων, παγκοσμίως. Η είσοδος της Κίνας στον τομέα της παραγωγής των φωτοβολταϊκών, σε συνδυασμό με την οικονομική κρίση μετά το 2008, είχε ως αποτέλεσμα την απότομη πτώση του ειδικού κόστους τους στην παγκόσμια αγορά. Μέσα στη δεύ-τερη δεκαετία του 21ου αιώνα, αναμένεται το κόστος της ΦΒ κιλοβατώρας να καταστεί συγκρίσιμο με το τότε κόστος της κιλοβατώρας από συμβατικά καύσιμα.

(α)

Σχήμα 26: (α) Διάγραμμα χρονικής μεταβολής του κόστους του ΦΒ στοιχείου. Εντυπωσιακή είναι η ελλάτωση το 1980, καθώς και στην τριετία 2008-2010. (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

33

Σχήμα 27: Διάγραμμα μέση τιμής ΦΒ συστημάτων δώματος στη Γερμανία 10kWp-100kWp (πηγή: www.ise.fraunhofer. de)

(β)

Σχήμα 28: (β) Συγκεντρωτικός πίνακας κόστους αρχικής δαπάνης επιμέρους συστημάτων και εργασιών εγκατάστασης του ΦΒ συστήματος (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

34 2.2.10 Ελλάδα Στη χώρα μας τα προγράμματα ανάπτυξης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) υποστηρίζονται και προωθούνται από πλευράς της επίσημης πολιτείας από το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΚΑΠΕ), που είναι ερευνητικός φορέας εποπτευόμενος από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ) του Υπουργείου Ανάπτυξης, τα Περιφερειακά Ενεργειακά Γραφεία, τη ΔΕΗ, τα Ιδρύματα Τεχνολογίας και Έρευνας, τα Πανεπιστήμια, το Τεχνολογικά Εκπαιδευτικά Ιδρύματα (ΤΕΙ), την Τοπική Αυτοδιοίκηση, κ.α.

Σχήμα 29: Κατανομή ετήσιων τιμών ενεργειακής απολαβής (kWh/m3*y) ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια νότια προσανατολισμένου συλλέκτη, σε βέλτιστη γωνία κλίσης και αντίστοιχης ενεργειακής αποδοτικότητας (kWh/kWp*y) ΦΒ συστοιχιών στην Ελλάδα. (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

35

Σχήμα 30: Στοιχεία ηλιακής ακτινοβολίας στην Ελλάδα. Ενδεικτιική κατανομή τιμών της μέσης ετησίως ημερήσιας πυκνότητας ενέργειας ηλιακής ακτινοβολίας, σε οριζόντιο επίπεδο, σε kWh/m2*d. (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

36 2.3 Προϊόντα με ενταγμένα ΦΒ Ο όρος προϊόν με ενταγμένα φωτοβολταϊκά (PIPV) χρησιμοποιείται για όλους τους τύπους των προϊόντων που περιέχουν ηλιακά κύτταρα σε μία ή περισσότερες από τις επιφάνειές τους, με στόχο την παροχή ενέργειας κατά τη διάρκεια της χρήσης ενός προϊόντος. Η εφαρμογή των φωτοβολταϊκών (PV) ως πηγή ενέργειας για τα καταναλωτικά προϊόντα που είναι ήδη γνωστή εδώ και περισσότερα από 30 χρόνια, από την εμφάνιση των πρώτων ηλιακών αριθμομηχανών. Στη συνέχεια, ενσωματωμένα ηλιακά κύτταρα σε καταναλωτικά προϊόντα έγιναν πιο δημοφιλή και σήμερα φωτοβολταϊκές κυψέλες ενσωματώνονταιι σε εσωτερικές και εξωτερικές εφαρμογές, για παράδειγμα, σε φανάρια, φορτιστές, ηχεία, φώτα ποδηλάτου, ηλιακά ρολόγια, κλπ. Ένα προϊόν μπορεί να οριστεί ως PIPV προϊόν κυρίως από την ύπαρξη ολοκληρωμένων φωτοβολταϊκών κυττάρων πάνω σε τουλάχιστον μία από τις επιφάνειές του και την εσωτερική χρήση της ενέργειας, η οποία παράγεται από τα φωτοβολταϊκά κύτταρα. Τα βασικά στοιχεία είναι τα ηλιακά κύτταρα, μία συσκευή αποθήκευσης ενέργειας (δηλαδή, ένας πυκνωτής ή μια μπαταρία), και μια δίοδος για την πρόληψη εκφόρτισης της μπαταρίας μέσω του ηλιακού πάνελ. Η αντιστοίχιση της τάσης της μπαταρίας με το ηλιακό κύτταρο γίνεται με τη δημιουργία ενός μικρού ηλιακού πάνελ με το σωστό αριθμό των ηλιακών κυττάρων σε σειρά για την κατάλληλη τάση.

37 2.3.1Σύγχρονη βιβλιογραφία Η σύγχρονη βιβλιογραφία είναι περιορισμένη όσον αφορά την έρευνα που γίνεται για την απόδοση των ηλιακών κυττάρων σε εσωτερικούς χώρους. Ορισμένοι ερευνητές μελέτησαν την απόδοση των φωτοβολταϊκών κυττάρων κάτω από συνθήκες χαμηλής ακτινοβολίας, εσωτερικές συνθήκες φωτισμού και τα φάσματα φωτός, την φασματική πυκνότητα ακτινοβολίας των διαφόρων φωτοβολταϊκών τεχνολογιών υπό διαφορετικές συνθήκες ακτινοβολίας, τις μεθόδους για τη βέλτιστη σχεδίαση του προϊόντων που τροφοδοτούνται με φωτοβολταϊκά, καθώς και την ανάπτυξη των εργαλείων προσομοίωσης για τις συνθήκες ακτινοβολίας και υπολογισμών ενέργειας των συσκευών που τροφοδοτούνται από ΦΒ. Μερικές μελετητικές μέθοδοι είναι η χρήση του λογισμικού CAD για την προσομοίωση της εσωτερικής ακτινοβολίας, η χρήση προγραμμάτων ανίχνευσης ακτίνων (ray tracing programs), όπως το DAYSIM, οι φασματικές μετρήσεις ακτινοβολίας χαμηλής έντασης σε εσωτερικούς χώρους.

Με βάση τη βιβλιογραφία, φαίνεται ότι δεν υπάρχουν διαθέσιμα μοντέλα τα οποία υπολογίζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών κυττάρων σε χαμηλή εσωτερική ακτινοβολία, η οποία να έχει μετρηθεί, και να περιλαμβάνει τόσο τη φυσική όσο και την τεχνητή ακτινοβολία. Τα περισσότερα μοντέλα που είναι διαθέσιμα υπολογίζουν την αποδοτικότητα των φωτοβολταϊκών κυττάρων υπό υψηλή ακτινοβολία, όπως κάτω από κανονικές συνθήκες δοκιμής ή κάτω από πολύ ειδική προσομοίωση σε αδύναμη ακτινοβολία (π.χ. 10 ή 100 W / m2), η οποία μπορεί να διαφέρει από τη μετρούμενη εσωτερική ακτινοβολία.

Σχήμα 31: Παραδείγματα προϊόντων με ενταγμένα φωτοβολταΪκά (πηγή: Randal, 2005)

38 2.3.2 Κατηγοριοποίηση προϊόντων με ενταγμένα ΦΒ Σε πιο προηγμένα συστήματα, ένας μετατροπέας ΑC / DC ταιριάζει με την τάση των ηλιακών πάνελ και την τάση της μπαταρίας. Ορισμένοι συνδυασμοί φωτοβολταϊκών κυττάρων και μπαταριών φαίνονται να είναι πιο κοινοί από τους άλλους. Α-Si κύτταρα σε συνδυασμό με μπαταρίες Li-ion είναι κοινά για τα φωτοβολταϊκά προϊόντα που χρησιμοποιούνται κυρίως σε εσωτερικούς χώρους (περίπου 16%), ενώ τα a-Si κύτταρα σε συνδυασμό με αλκαλικές ή με βάση το νικέλιο μπαταρίες χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά προϊόντα και για εσωτερικούς και για εξωτερικούς χώρους (περίπου 20%). Επιπλέον, τα c-Si ή m-Si κύτταρα με Li-ion ή με βάση το νικέλιο μπαταρίες (NiMH, NiZn) που χρησιμοποιούνται για φωτοβολταϊκά προϊόντα εφαρμόζονται κυρίως σε εξωτερικούς χώρους (περίπου 28%). Τρεις κατηγορίες φωτοβολταϊκών προϊόντων μπορούν να διακριθούν: φωτοβολταϊκά προϊόντα για χρήση σε εσωτερικούς χώρους, για εξωτερικούς και για εσωτερικούς και εξωτερικούς, η τελευταία αυτή κατηγορία ονομάζεται «μικτή». Μία άλλη διάκριση που γίνεται αφορά το μέγεθος φωτοβολταϊκών προϊόντων. Εδώ διακρίνονται δύο κατηγορίες, τα μικρά ή λεπτά φωτοβολταϊκά προϊόντα και τα μεγάλα ή χοντρά, καλύπτοντας μεγέθη προϊόντων της τάξεως του 2,7 × 10-4 m2 και 87 × 10-4 m2 αντίστοιχα.

2.3.3 Ταξινόμηση Χρήσης Προϊόντων Τα διαθέσιμα φωτοβολταϊκά προϊόντα διερευνώνται και κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες. Αυτά εστιάζονται κυρίως στο προϊόν σε σχέση με τη λειτουργία, τη χρήση και την κατανάλωση. Το περιβάλλον του προϊόντος λαμβάνεται επίσης υπόψη σε σχέση με την ενέργεια του περιβάλλοντος που θα είναι διαθέσιμη για την τροφοδοσία της συσκευής. Τα προϊόντα ή οι εφαρμογές ΦΒ μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: παιχνίδια, εργαλεία και αισθητήρες. Κάθε μία από αυτές έχει τυπικές σχεδιαστικές προτεραιότητες και ωφέλιμη ζωή: 1. Τα παιχνίδια είναι για διασκέδαση, ειδικά για τους νέους. Αυτά είναι συνήθως χαμηλού κόστους και δεν αναμένεται να διαρκέσουν περισσότερο από ένα ή δύο χρόνια.

2. Τα ηλιακά εργαλεία περιλαμβάνουν το φωτισμό τσέπης, τον υπολογιστή, το ρολόι και το αυτόματο συρραπτικό. Αναμένεται να είναι διαθέσιμα για χρήση ανά πάσα στιγμή, ακόμη και αν η φάση χρήσης τους είναι σχετικά μικρή σε σχέση με τη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Καθώς ο καταναλωτής επωφελείται από το να μην χρειάζεται να αλλάξει ή να επαναφορτίσει την μπαταρία, αυτά μπορεί να είναι πιο δαπανηρά από τα ισοδύναμα που λειτουργούν με μπαταρία. Η τυπική διάρκεια ζωής του προϊόντος θα είναι μεταξύ δύο και πέντε ετών.

3. Οι αισθητήρες μετρούν μία ή περισσότερες μεταβλητές και τις μεταδίδουν, με αυξανόμενο ρυθμό με ασύρματο τρόπο. Για τους αισθητήρες στους τομείς της ασφάλειας ή της άνεσης, η αξιοπιστία αναμένεται να έχει προτεραιότητα έναντι του κόστους. Η τυπική αναμενόμενη διάρκεια ζωής είναι μεταξύ τριών και δέκα ετών, παρά το γεγονός ότι η ωφέλιμη ζωή του κτιρίου στο οποίο είναι εγκατεστημένοι είναι τουλάχιστον 20 χρόνια.

39

Σχήμα 32: Σκαρίφημα Α) απλού και Β) προηγμένου κυκλώματος ενός φωτοβολταϊκού προϊόντος (πηγή: Randal, 2005)

Σχήμα 33: Πληκτρολόγιο που τροφοδοτείται με φωτοβολταϊκά της εταιρίας Logitech (πηγή:

40 2.3.4 Προσδιορισμός του βέλτιστου σχεδιασμού προϊόντων Ο προσδιορισμός του βέλτιστου σχεδιασμού προϊόντων χώρου γραφείων με ενταγμένα φωτοβολταϊκά, συνήθως γίνεται με βασικό κριτήριο τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση των ενταγμένων στο χώρο του γραφείου φωτοβολταϊκών. Για κάθε σχέδιο προϊόντος με ενταγμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία, υπολογίζεται η ενεργειακή απόδοση των ΦΒ αυτών. Ο υπολογισμός της ενεργειακής απόδοσης των ΦΒ στοιχείων πραγματοποιείται με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού. Η χρήση των υπολογιστών σε διάφορα στάδια της αρχιτεκτονικής σύνθεσης είναι σύνηθες στην εποχή μας. Μάλιστα, κατά τα τελευταία έτη αναπτύσσεται διεθνώς ο νέος κλάδος της Πληροφορικής των Κατασκευών (Building Information Modelling), ο οποίος αποτελεί αντικείμενο των αρχιτεκτόνων, των πολιτικών μηχανικών και των διαχειριστών των κατασκευών. Με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού ο μηχανικός δημιουργεί μία τρισδιάστατη αναπαράσταση του κτιρίου, στην οποία συμπεριλαμβάνονται όλα τα σύμφυτα χαρακτηριστικά του με ολοκληρωμένο τρόπο. Έτσι από την αρχική σύλληψη της ιδέας, το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία μιας κατασκευής, στο τρισδιάστατο μοντέλο απεικόνισης προστίθεται μια τέταρτη διάσταση –το χρονοδιάγραμμα για το συντονισμό των εργασιών, μια πέμπτη διάσταση –η εκτίμηση του κόστους, η προκατασκευή στοιχείων της κατασκευής, και η καταγραφή στοιχείων για τη λειτουργία, τη συντήρηση και την παρεχόμενη εγγύηση στον κύριο του έργου. Εισάγεται έτσι η έννοια της βιώσιμης κατασκευής για ολόκληρη τη ζωή του έργου, η οποία αποσκοπεί στην κοινωνική ισότητα, την οικονομική αποδοτικότητα, και την περιβαλλοντική συμβατότητα (Abdirad and Dossick, 2016). Οι βασικοί άξονες της έρευνας μηχανικού σχεδιασμού είναι: • διαχείριση ενέργειας: εξασφαλίζοντας ότι η εφαρμογή και η AES καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια, • χαρακτηρισμό της επίδρασης του περιβάλλοντος στην διαθέσιμη περιβαλλοντική ενέργεια, • τεχνολογική επιλογή: σε σχέση με την αποδοτικότητα της μετατροπής της ενέργειας περιβάλλοντος σε ηλεκτρικό φορτίο και την αποθήκευση αυτού του φορτίου, • μεθοδολογίες σχεδιασμού που θα πρέπει να εφαρμόζονται σε όλες τις φάσεις της διαδικασίας σχεδιασμού.

41 2.3.5 Σχεδιασμός φωτοβολταϊκών μονάδων για εσωτερική χρήση Δεδομένου ότι ορισμένα ηλιακά κύτταρα τεχνολογίας λεπτής μεμβράνης λειτουργούν καλύτερα σε χαμηλή ενεργειακή ένταση ακτινοβολίας, αξίζει να εξεταστούν και άλλοι παράγοντες που μπορούν να βελτιώσουν περαιτέρω την απόδοση τέτοιων δομοστοιχείων. Αυτοί περιλαμβάνουν το διαφανές αγώγιμο οξείδιο (ΔΑO) και τη διαστασιολόγηση των κυττάρων μέσα στο δομοστοιχείο. Οι ηλιακές μονάδες που έχουν σχεδιαστεί για συγκεκριμένη χρήση σε εσωτερικούς χώρους ενδέχεται να είναι σε θέση να επωφεληθούν από την εξοικονόμηση κόστους που συνδέεται με το λιγότερο αυστηρό εσωτερικό περιβάλλον σε σύγκριση με την ύπαιθρο. Οφέλη θα μπορούσαν να επιτευχθούν μειώνοντας το πάχος του γυαλιού. Ένας άλλος τρόπος θα ήταν να χρησιμοποιηθεί λιγότερη ή φθηνότερη ενθυλάκωση.

2.3.6 Πλεονεκτήματα προϊόντων με ενταγμένα ΦΒ Η ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών κυττάρων σε καταναλωτικά προϊόντα, δημιουργεί πολλά πλεονεκτήματα. Τα περιβαλλοντικά οφέλη θα μπορούσαν να είναι σημαντικά, αποφεύγοντας τελείως τη χρήση μπαταριών, ή ενισχύοντας την ενσωμάτωση επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Έτσι, η ενεργειακή επάρκεια θα αυξάνονταν και τα απόβλητα μπαταριών θα μειώνονταν. Δεύτερον, η χρήση των τεχνητού φωτός ως πηγή ακτινοβολίας για εσωτερικά φωτοβολταϊκά προϊόντα δεν απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια. Ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης συνήθως περιλαμβάνουν επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που θα πρέπει να συνδεθούν με το δίκτυο για να φορτιστούν. Τα ηλιακά προϊόντα λειτουργούν αυτόνομα και μπορούν να παρέχουν ανεξαρτησία και διευκόλυνση στο χρήστη, καθώς μπορούν να φορτιστούν ακόμα και όταν η σύνδεση με το δίκτυο δεν είναι διαθέσιμη, υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχει επάρκεια φωτός. Παρά το γεγονός ότι η αγορά των προϊόντων με ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά είναι ταχέως αναπτυσσόμενη, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά θέματα που δεν έχουν αναλυθεί εκτενώς τα οποία αφορούν κυρίως τη χρήση των PIPV σε εσωτερικούς χώρους. Το σημαντικό ζήτημα είναι ότι ενώ τα περισσότερα από τα φωτοβολταϊκά προϊόντα αποδίδουν καλά κάτω από το άμεσο ηλιακό φως, έχουν μια αξιοσημείωτη πτώση στην απόδοση τους όταν λειτουργούν σε κλειστούς χώρους . Η αποδοτικότητα των ηλιακών κυττάρων συνήθως μετράται υπό συνθήκες STC (φάσμα AM1.5, 1000 W / m2, 25 ° C). Ωστόσο, το εσωτερικό φάσμα είναι συχνά ένας συνδυασμός φυσικού και τεχνητού φωτός και τα επίπεδα ακτινοβολίας κυμαίνονται μεταξύ 0 και 100 W / m2. Σε συνθήκες χαμηλής ακτινοβολίας, κάτω από 100 W / m2, τα ηλιακά κύτταρα έχουν διαφορετική απόδοση, η οποία είναι κάτι που θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη παράλληλα με το σχεδιασμό ενός προϊόντος.

42

2.4 Εσωτερικό φως Ορολογία Με τον όρο φυσικό φως εννοούμε το φως που προέρχεται από τον ήλιο, το οποίο ονομάζεται, επίσης, ακτινοβολία. Με τον όρο τεχνητό φως εννοούμε το φως που προέρχεται από τεχνητές πηγές φωτός, που ονομάζονται, επίσης, λαμπτήρες. Εσωτερικό φυσικό φως Κατά τη διάρκεια της ημέρας, το φως σε εσωτερικούς χώρους είναι συνήθως ένα μίγμα του ηλιακού και τεχνητού φωτός, ανάλογα με την ώρα της ημέρας. Το μερίδιο του ηλιακού φωτός που εισέρχεται σε ένα δωμάτιο εξαρτάται από την επιφάνεια των παραθύρων της, τον προσανατολισμό τους, καθώς και τον βαθμό ηλιοφάνειας, καθώς και από τη γεωγραφική θέση, την εποχή (ημερομηνία), και την ώρα της ημέρας. Η ηλιακή ακτινοβολία που εισέρχεται σε ένα δωμάτιο εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ μιας ανοικτής οπής - ένα παράθυρο - και το σημείο παρατήρησης, και από την επισκότιση που προκαλεί το άνοιγμα. Σε περιπτώσεις μεγάλων ανοιγμάτων σε όλο το πλάτος ενός δωματίου, η εξασθένηση - η σταδιακή απώλεια της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας - προκαλείται κυρίως από την απόσταση και την ανάκλαση του παραθύρου. Ως εκ τούτου, το συνολικό επίπεδο ακτινοβολίας εξαρτάται από την αρχιτεκτονική του κτιρίου, και τα εσωτερικά του χαρακτηριστικά, όπως η ανακλαστικές ιδιότητες της επιφάνειας των τοίχων, της οροφής, και του δαπέδου. Σε γενικές γραμμές, τα επίπεδα ακτινοβολίας σε εσωτερικούς χώρους είναι σημαντικά χαμηλότερα απ’ ότι σε εξωτερικούς χώρους, επειδή η ποσότητα του φωτός που μεταδίδεται μέσω ενός υαλοστασίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το είδος του γυαλιού, τα υλικά κάλυψης, το μέγεθος και τον τύπο του πλαισίου. Η βιβλιογραφία δείχνει ότι σε απόσταση 1 m από ένα μονό υαλοπίνακα, η ισχύς ακτινοβολίας έχει υποστεί μείωση κάτω από 40% της εξωτερικής μετρούμενης τιμής, οδηγώντας σε τιμές 400 και 130 W / m2 για μια τυπική ημέρα με συννεφοσκεπή ουρανό, αντίστοιχα. Σε μεγαλύτερη απόσταση, για παράδειγμα, 5 μέτρα από το παράθυρο, η ισχύς ακτινοβολίας μειώνεται ακόμη περισσότερο, κατά 93% της αξίας της συγκριτικά με εξωτερικούς χώρους. Στην περίπτωση ενός μονωμένου υαλοπίνακα με διπλό τζάμι, η μείωση της ισχύς της ακτινοβολίας στο 1 m και 5 m από το άνοιγμα θα είναι περίπου 70% και 97%, αντίστοιχα.

43

Φως ημέρας Η πιο σημαντική πηγή ακτινοβολούμενης ενέργειας για τον πλανήτη Γη είναι ο Ήλιος. Εκτός της ατμόσφαιρας, η μέση ένταση που επιτεύχθηκε τις τελευταίες δεκαετίες ήταν 1366 ± 1.5 W/m2 . Η μικρή διακύμανση του ετήσιου μέσου όρου έχει περίοδο περίπου 11 ετών. Λόγω της σχετικής περιστροφής της Γης και του Ήλιου, η ακτινοβολία στη Γη ποικίλλει τόσο σε ημερήσιονυκτερινό όσο και σε ετήσιο κύκλο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έναν κατά προτίμηση προσανατολισμό της ακτινοβολίας τόσο σε σχέση με τη γωνία αζιμούθιου (ή με το έδρανο πυξίδας) όσο και με το υψόμετρο (γωνία πάνω από τον ορίζοντα). Ο κακός προσανατολισμός ως προς την κατακόρυφη μπορεί να μειώσει την ετήσια ακτινοβολία κατά περίπου 75% του ιδανικού. Το φως της ημέρας προγραμματίζεται βάσει τυποποιημένων κατευθυντήριων γραμμών. Στη Γερμανία, τα πρότυπα DIN για τις διαστάσεις των παραθύρων βασίζονται κυρίως στην οπτική επαφή με τον έξω κόσμο και λιγότερο στην ποιότητα του φωτός ημέρας στο εσωτερικό. Το φως της ημέρας μετριέται με τον παράγοντα φως ημέρας, δηλαδή τον λόγο της εσωτερικής προς την εξωτερική φωτεινότητα κάτω από συννεφιασμένο ουρανό (ο μαθηματικός μέσος όρος σε ύψος 85 cm πάνω από το επίπεδο του δαπέδου). Ωστόσο, ο παράγοντας φωτός ημέρας δεν δείχνει την ποιότητα του φυσικού φωτισμού στους εσωτερικούς χώρους. Είναι μόνο χρήσιμος για την ταχεία αξιολόγηση των ελάχιστων απαιτήσεων για ανοίγματα τοίχων. Σύμφωνα με τον παράγοντα φωτός ημέρας, οι τιμές σε δωμάτια που βρίσκονται στη βόρεια και νότια πλευρά ενός κτιρίου είναι παρόμοιες, παρότι οι συνθήκες φωτισμού είναι σαφώς διαφορετικές στην πραγματικότητα. Φάσμα Ακτινοβολίας Ενέργειας Φως μπορεί να ληφθεί και από φυσικές πηγές (π.χ. ηλιακό φως, φωτισμός, βιοφωταύγεια και πυροφωταύγεια) και τεχνητές πηγές (π.χ., φθορισμό και φωταύγεια). Η φωτεινή ενέργεια στο περιβάλλον των ΦΒ μπορεί να κατηγοριοποιηθεί με τον ίδιο τρόπο. Το τεχνητό φως μπορεί να θεωρηθεί στην πλειονότητα των περιπτώσεων των ΦΒ ως συνώνυμο με το ηλεκτρικά τροφοδοτούμενο φως. Εσωτερικό τεχνητό φως Όταν το φυσικό φως σε εσωτερικούς χώρους είναι ανεπαρκές, τα τεχνητά φώτα μπορούν να παρέχουν επιπλέον φως για την ικανοποίηση των αναγκών φωτισμού. Η ακτινοβολία εξαρτάται, τότε, από την ποσότητα, το είδος, και τη θέση των λαμπτήρων που λειτουργούν. Τυπικές τεχνητές πηγές φωτός είναι οι λαμπτήρες τεχνολογίας CFL, LED και οι λαμπτήρες πυρακτώσεως.

44 2.4.1 Παράμετροι φωτισμού Η φωτοευαισθησία του οφθαλμού που εξαρτάται από το μήκος κύματος είναι η αναφορά για τις φωτομετρικές μονάδες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση και τον υπολογισμό των σχεδίων φωτισμού (επίσημες μονάδες SI): • Φωτεινή ροή (Φ): ολική φωτεινή έξοδος της φωτεινής πηγής. Μονάδα: lumen (lm) • Φωτεινή ένταση (I): φωτεινή ροή σε στερεή γωνία 1 ακτινίου (m/sr). Μονάδα: candela (cd) • Φωτεινότητα (E): φωτεινή ροή/επιφάνεια (lm/m2). Μονάδα: lux (lx) • Λαμπρότητα (L): εντύπωση φωτεινότητας που προέρχεται από φωτεινή πηγή ή φωτιζόμενη επιφάνεια, η οποία δίνεται ως φωτεινή ένταση ανά επιφάνεια (cd/m2). Το εύρος ζώνης της φωτεινότητας, δηλαδή η φωτεινότητα που είναι αντιληπτή από το ανθρώπινο μάτι, καλύπτει ένα εκπληκτικό φάσμα: σε νυχτερινές καταστάσεις με γραμμική όραση από 106 έως 100 cd/m2 και σε ημερήσιες καταστάσεις με όραση κώνου από 100 έως 104 cd/m2. Η προσαρμογή επιτυγχάνεται μέσω της προσαρμογής της κόρης και των βιοχημικών διεργασιών στον αμφιβληστροειδή. Η έκθεση στην αντίθεση της αντηλιάς για μεγάλες χρονικές περιόδους, ειδικά στο χώρο εργασίας, προκαλεί κόπωση και δυσφορία. Πολύ υψηλές φωτεινότητες, όπως για παράδειγμα, όταν η άμεση ηλιακή ακτινοβολία πέφτει πάνω σε ανακλαστικές επιφάνειες, έχουν επίσης ως αποτέλεσμα δυσάρεστες επιπτώσεις αντηλιάς, οι οποίες θα πρέπει να αποφεύγονται σε θέσεις εργασίας. Η λαμπρότητα είναι απαραίτητη τόσο για την αντίληψη του εσωτερικού χώρου όσο και για την προσπάθεια και τη μη εσφαλμένη εκτέλεση ορισμένων οπτικών εργασιών. Οι προεπιλεγμένες τυπικές φωτεινές ενδείξεις για ορισμένους τύπους χρήσης χώρου πρέπει να νοούνται ως ελάχιστες τιμές (π.χ. 500-1000 lx για γραφεία). Υψηλότερες τιμές έχουν ως αποτέλεσμα καλύτερη οπτική απόδοση.

Σχήμα 35: Διάγραμμα μήκους κύματος έντασης ακτινοβολίας 1 φάσμα φωτός ορατό από το ανθρώπινο μάτι (πηγή: Randal, 2005)

Σχήμα 34: Παράσταση πορείας των φωτεινών ακτίνων Φ φωτεινή πηγή Ε ανακλαστική επιφάνεια L δέκτης (πηγή: Randal, 2005)

45 Φωτομετρικός Χαρακτηρισμός Οι περισσότεροι χαρακτηρισμοί εσωτερικού φωτός είναι φωτομετρικοί (συνώνυμοι για τους σκοπούς των ΦΒ με φωτοπικό), δηλαδή μετρούν μόνο το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στο οποίο είναι ευαίσθητο το ανθρώπινο μάτι (ορατό φάσμα 380-750 nm ή 400-789 GHz) και έχει τη μονάδα το lux . Καθώς αυτό εμπίπτει στο φάσμα της ευαισθησίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων, για ποιοτικούς σκοπούς το φωτομετρικό μέτρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αντιπροσωπευτικό δείγμα του φάσματος που ενδιαφέρει για τον χαρακτηρισμό ενέργειας ακτινοβολίας, όπου η μονάδα ακτινοβολίας είναι W / m2.

Λαμβάνοντας το εύρος μήκους κύματος 0,4-0,8 μm στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα δίνει ένα εύρος ενέργειας μεταξύ 5x10-19 J (μπλε) και 2x 10-19 J (κόκκινο).

Σχήμα 36: Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (πηγή: Randal, 2005)

46 Συντελεστής Φωτός Ημέρας Πολλοί σπουδαίοι αρχιτέκτονες (συμπεριλαμβανομένων των Frank Lloyd Wright και Louis I. Kahn) περιέγραψαν τη σημασία του φυσικού φωτός στο δομημένο περιβάλλον. Οι αρχιτέκτονες και οι φυσικοί των κτιρίων περιγράφουν την αποτελεσματικότητα με την οποία ένας συγκεκριμένος δομημέχος χώρος μεταδίδει το φυσικό φως σε εσωτερικούς χώρους με μια παράμετρο που ονομάζεται συντελεστής φωτός ημέρας, D (Εικόνα 3.13). Αυτός είναι ο λόγος μεταξύ της στάθμης φωτός μέσα σε ένα κτίριο, Lεσ, προς το επίπεδο φωτισμού έξω από το κτίριο, Lεξ, που προσπίπτει κάθετα σε μια οριζόντια επιφάνεια και στις δύο περιπτώσεις. Το «έμμεσο συστατικό» είναι το φως που έχει υποστεί αντανάκλαση.

Σχήμα 36: Συνιστώσες του παράγοντα φυσικού φωτισμού (πηγή: Randal, 2005)

Εμπόδια εσωτερικών χώρων Εμπόδια σε εσωτερικούς χώρους είναι αντικείμενα που δημιουργούν σκίαση στην εφαρμογή ενός ΦΒ εντός του δομημένου χώρου. Αυτά περιλαμβάνουν έπιπλα και φυτά στο γραφείο ή στο σπίτι, αλλά μπορεί επίσης να σχηματίζονται από πιο μόνιμα στοιχεία, όπως οθόνες και κολόνες. Ο χτισμένος χώρος είναι δυναμικός. Επομένως, μπορούν επίσης να αναμένονται και τα εμπόδια που σκιάζουν τα ΦΒ. Ένα παράδειγμα κακόβουλης συμπεριφοράς μπορεί να είναι η τοποθέτηση ταινίας αγωγού στο ηλιακό στοιχείο, ενώ ένα εξίσου επιβλαβές αποτέλεσμα μπορεί να παραχθεί εντελώς άθελά από την τοποθέτηση μιας νέας ανθοδέσμης. Για την περίπτωση τοποθέτησης ΦΒ σε τοίχο, η επίπτωση των εσωτερικών εμποδίων μπορεί να μετριαστεί σε μεγάλο βαθμό με προσεκτική τοποθέτησή του, για παράδειγμα σε κατάλληλο ύψος πάνω από το δάπεδο.

47 2.4.2 Εσωτερική εγκατάσταση μέτρησης Γενικά, ο εσωτερικός φωτισμός χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες: φθορισμού, πυρακτώσεως και φωτός ημέρας των οποίων οι θερμοκρασίες χρώματος είναι 4.200K, 2.700K και 5.500K αντίστοιχα. Τα φώτα ημέρας ή πλήρους φάσματος μπορούν να είναι φθορίζοντα ή πυρακτώσιμα. Για αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε στον λαμπτήρα φθορισμού, 4.200K, λόγω της δημοφιλούς χρήσης του στο σπίτι, τις επιχειρήσεις και τις αποθήκες. Όλες οι μετρήσεις απόδοσης των ηλιακών κυττάρων γίνονται μέσα σε κουτί παρατήρησης χρώματος Pantone που έχει τρεις πηγές: φθορισμού, πυρακτώσεως και φυσικού φωτός. Τα πειράματα διεξάγονται με ελεγχόμενο τρόπο σε ένα φωτεινό κουτί. Φροντίζεται να διασφαλιστεί ότι δεν υπάρχουν ανεξέλεγκτα φώτα που επηρεάζουν τις μετρήσεις. Η μελέτη αυτή γίνεται με την ηλιακή κυψέλη σε οριζόντια θέση (παράλληλη με την πηγή φωτός). Χρησιμοποιείται μετρητής lux για τη μέτρηση των τιμών φωτεινότητας. Διαφορετικές τιμές φωτεινότητας επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας συνδυασμούς φίλτρων ουδέτερης πυκνότητας. Το Lux είναι μια τυπική μονάδα μέτρησης εσωτερικού φωτισμού. Σε εξωτερικούς χώρους, η ακτινοβολία μετράται σε W/m2. Η βασική διαφορά μεταξύ φωτισμού και ακτινοβολίας είναι η στάθμιση της φασματικής απόκρισης. Η βασική διαφορά είναι ότι η ακτινοβολία περιλαμβάνει την ισχύ από όλα τα μήκη κύματος που σταθμίζονται εξίσου, ενώ το στον φωτισμό η βαρύτητα της ισχύος κάθε μήκους κύματος είναι ανάλογη με την ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού. Το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο στο πράσινο φως. Οι περισσότερες μελέτες που χαρακτηρίζουν τα ηλιακά κύτταρα αναφέρονται σε συνθήκες εξωτερικού ή ηλιακού φωτός. Η μέγιστη απόδοση αναφέρεται σε συνήθεις δοκιμών (STC), συνθήκες με εντάσεις 1.000 W/m2. Ο Πίνακας 1 δείχνει τις τυπικές συνθήκες εσωτερικού φωτισμού. Μετρήσαμε αυτές τις τιμές σε διάφορες ζώνες περιβάλλοντος γραφείου. Σχήμα 37: Προτεινόμενες συνθήκες εσωτερικού φωτισμού ανάλογα με τη δραστηριότητα (πηγή: Abdirad and Dossick, 2016)

48 2.4.3 Ανοίγματα Η διάταξη, το μέγεθος και η διαίρεση των παραθύρων παίζουν σημαντικό ρόλο στο φως της ημέρας. Έτσι, τα παράθυρα από το δάπεδο μέχρι την οροφή επιτρέπουν στο φως της ημέρας να διεισδύσει βαθύτερα στο χώρο, ενώ ένα προεξέχων γυάλινο τοίχωμα δεν έχει ουσιαστικά κανένα πλεονέκτημα για το εσωτερικό. Για να εξασφαλιστεί επαρκής φωτισμός σε χώρους που φωτίζονται πλευρικά, τα βάθη των δωματίων δεν πρέπει να υπερβαίνουν τις 2,5 φορές το ύψος του παραθύρου. Πρέπει να εφαρμόζονται μέτρα κατεύθυνσης του φωτός για χώρους με ανοίγματα από τη μια πλευρά και μεγαλύτερα βάθη. Σε αυτές τις περιπτώσεις, μια οριζόντια διαίρεση των περιοχών ανοίγματος συνιστάται για να δημιουργούνται χώροι με θέα στο εξωτερικό και με σκίαση, καθώς και για την πρόσπτωση του φωτός της ημέρας και την κατεύθυνση του φωτός.

Σχήμα 38: Σκίτσα αναπαράστασης της εισροής φωτός στο εσωτερικό ανάλογα με: (Α) το ύψος του ανοίγματος (Β) το μήκος του σκιάστρου (Γ) τη θέση του ανοίγματος και του ήλιου (πηγή: Randal, 2005)

Κατεύθυνση του φωτισμού και συστήματα προστασίας από την αντηλιά και την ηλιοφάνεια Ο σχεδιασμός των διάφανων στοιχείων και παραθύρων του κτιρίου καθορίζεται, αφενός, από την πρωταρχική λειτουργία της διείσδυσης του φωτός και της οπτικής διαφάνειας. Από την άλλη πλευρά, τα στοιχεία αυτά εκπληρώνουν μια σημαντική λειτουργία ελέγχου όσον αφορά τις έντονες διακυμάνσεις των ακτινοβολιών και σχετίζονται επίσης με τις πτυχές του φωτισμού και της θέρμανσης / ψύξης. Η πρωταρχική λειτουργία επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση και τον προσανατολισμό του κτιρίου, το μέγεθος και την τοποθέτηση των παραθύρων και την επιλογή των πιο διαφανών υαλοπινάκων για τις λιγότερο ευνοϊκές συνθήκες (π.χ. έναν συννεφιασμένο ουρανό). Σε κάποιο βαθμό, ο εσωτερικός φωτισμός μπορεί επίσης να βελτιωθεί με τη βοήθεια συστημάτων κατεύθυνσης του φωτός. Αυτά τα συστήματα καθιστούν εφικτό το φωτισμό πολύ βαθιών δωματίων από παράθυρα ή πολύ ψηλών και στενών δωματίων από φεγγίτες.

49 2.4.4 Υπολογιστικά προγράμματα Σήμερα, η ρεαλιστική απόδοση των αρχιτεκτονικών σκηνών δεν αποτελεί πλέον πρόβλημα χάρη στην προηγμένη τεχνολογία CAD. Άριστες οπτικές παραδόσεις αυτού του είδους δημιουργούνται συνήθως για διαγωνισμούς ή παρουσιάσεις με καλές επιδόσεις. Εντούτοις, τα πράγματα είναι πιο περίπλοκα, αν ο στόχος είναι να «πετυχαίνουν σκηνές στο κατάλληλο φως», δηλαδή όταν η απόδοση πρέπει να είναι ακριβής από την οπτική της μηχανικής του φωτισμού. Η τρέχουσα αγορά προσφέρει μια ποικιλία λογισμικού για προσομοίωση του φωτός ημέρας. Υπάρχουν απλά προγράμματα, τα οποία είναι συνήθως ικανά να υπολογίζουν τόσο το τεχνητό φως όσο και το φως της ημέρας, παρέχουν επίσης πληροφορίες σχετικά με τον συννεφιασμένο ουρανό, τον παράγοντα φωτός ημέρας και την προκύπτουσα κατανομή φωτισμού και φωτεινότητας στην αίθουσα. Αυτά τα προγράμματα χρησιμοποιούνται κυρίως για τον καθορισμό των ελάχιστων διαστάσεων των παραθύρων και των ελάχιστων συντελεστών φωτεινότητας για το φως ημέρας και το ηλεκτρικό φως. Άλλα προγράμματα λαμβάνουν υπόψη τον καθαρό, ηλιόλουστο ουρανό και είναι συνεπώς ικανά να παρέχουν ρεαλιστικούς και φυσιολογικούς ορθούς υπολογισμούς. Αυτά τα προγράμματα εισάγουν αρχεία CAD και τα χρησιμοποιούν για την προσομοίωση. Εκτός από την φωτεινότητα και τη λαμπρότητα, παρέχουν επίσης ακριβή δεδομένα σχετικά με τα υλικά, με δυνατότητα τροποποίησης των επιμέρους χαρακτηριστικών. Για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών διάχυσης, απόκλισης ή κατεύθυνσης, όμως, είναι συχνά απαραίτητη η συμβουλή πρόσθετων προγραμμάτων που είναι προσαρμοσμένα για τη συγκεκριμένη περίπτωση. Ο σύνθετος χαρακτήρας αυτών των προγραμμάτων απαιτεί μεγάλη κατάρτιση και σχετική εμπειρογνωμοσύνη για αξιόπιστη ερμηνεία.

Το νέο κτίριο γραφείων της Deloitte & Touche στο Ντίσελντορφ αποτελεί καλό παράδειγμα. Ισχύει ο παρακάτω βασικός κανόνας: όσο ψηλότερα είναι το παράθυρο, τόσο καλύτερη είναι η χρήση του ημερήσιου φωτός. Άλλοι παράγοντες, όπως οι πρόβολοι σκίασης, μπορούν να έχουν αρνητική επίδραση, επειδή μειώνουν όχι μόνο την άμεση ακτινοβολία αλλά και το ποσοστό διάχυτου φωτός κάτω από νεφελώδη ουρανό - ένα αποτέλεσμα, το οποίο δεν είναι τόσο επωφελές στη Γερμανία όσο είναι σε άλλες χώρες με περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. Όσον αφορά τους εσωτερικούς χώρους των κτιρίων γραφείων, ένα σύστημα πρόσοψης μπορεί να λεχθεί ότι είναι καλά σχεδιασμένο εάν επιτρέπει τη διάχυση του φωτός μέσα στο δωμάτιο, αλλά και εκτρέπει το άμεσο φως για να αποφευχθεί υπερβολική είσοδος ηλιακού φωτός και, πάνω απ ‘όλα, για να δημιουργηθεί περιβάλλον εργασίας χωρίς αντηλιά. Η αντανάκλαση της λάμψης στις οθόνες μπορεί να συμβεί ακόμη και στα δωμάτια που βλέπουν στο βορρά ή κάτω από νεφελώδη ουρανό. Το ίδιο ισχύει και για την άμεση λάμψη όταν κοιτάζουμε έξω από το παράθυρο. Απαιτείται προστασία από την αντηλιά στην τελευταία περίπτωση. Πρέπει να ρυθμίζεται ανεξάρτητα από το σύστημα σκίασης και, στην ιδανική περίπτωση, να επιτρέπει την οπτική επαφή με το εξωτερικό.

Σχήμα 39: Άποψη από το εσωτερικό του γραφείου Deloitte & Touche (Düsseldorf ) (πηγή: Randal, 2005)

50 2.5 Εργασία γραφείου Ο τρόπος οργάνωσης της εργασίας σε γραφεία (δομή γραφείου, σχέση με πελάτες, τεχνολογία), επηρεάζει την οργάνωση και τη σχέση μεταξύ των χώρων. Μακρόχρονες παρατηρήσεις έχουν αποδείξει ότι η τυπολογία του κτιρίου γραφείων εξελίσσεται και μεταβάλλεται. Έτσι, ανάλογα με την οργάνωση της εργασίας του γραφείου υπήρχαν τυπολογικά όμοια κτίρια τα οποία εξέφραζαν ουσιαστικά σαν δομές τους παράγοντες που καθόριζαν τη συγκεκριμένη εποχή τη φιλοξενούμενη δραστηριότητα (σχήμα 3). Στην οργάνωση της εργασίας γραφείου ο άνθρωπος βρίσκεται πάντα στο επίκεντρο (σχήμα 1). Με την αύξηση των αλλαγών στην εργασία γραφείου μέσω της τεχνολογίας, η διαφάνεια της εργασίας αποτελεί πλέον σημαντικό στοιχείο κινήτρου για απόδοση. Η διαμόρφωση του χώρου της εργασίας επιδρά πολλαπλά στους εργαζόμενους σύμφωνα μετα όσα αναφέρει ο Gοttschalk Lit.

Σχήμα 40: Επιδράσεις στην εργασία σε γραφείο (κατά A.G. Henke) (πηγή: Neufert, 2000)

Λεπτομερής καταγραφή λειτουργίας του γραφείου και ως εκ τούτου η καταγραφή των απαιτούμενων λειτουργιών και σχέσεων στη δομή της εργασίας οδηγούν οε ένα σωστό λειτουργικό διάγραμμα (ανάλυση αναγκών).

51 2.5.1 Δομή γραφείου Ι Σε έρευνα που έγινε στις ΗΠΑ διερευνήθηκαν oι σχέσεις της οργάνωσης του γραφείου με τη δομή του χώρου. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας ταξινομήθηκαν για την ταξινόμηση και περιγραφή της εξέλιξης της δομής του χώρου σε σχέση με την αυτοματοποίηση της εργασίας γραφείου. Μεγάλοι χώροι γραφείων (Μies van der Rohe: “... ελεύθερη χωρίς κατακόρυφα στοιχεία διαμόρφωση, απλή διαρρύθμιση...” ), ενδείκνυνται για την εργασία μεγάλων ομάδων συνεργατών που απασχολούνται σε μεγάλo βαθμό με εργασίες ρουτίνας που δεν απαιτούν μεγάλο βαθμό συγκέντρωσης. Σήμερα ο τρόπος αυτός εργασίας τείνει να είναι η εξαίρεση παρά ο κανόνας. Η σύλληψη αυτής της δομής χώρου ανάγεται στη δεκαετία του ‘60 με βάση επιχειρήματα όπως διαφάνεια και δυνατότητα ελέγχου των διαδικασιών εργασίας, αύξηση του κοινωνικού στοιχείου, δημιουργία ορθολογικά οργανωμένων επιφανειών για πολλαπλές χρήσεις. Oι συσκευές ηλεκτρονικής επεξεργασίας στοιχείων ήταν τοποθετημένες σε ξεχωριστούς χώρους και όχι σε κάθε θέση εργασίας. Το μεγάλο βάθος των χώρων της τάξης των 20-30 m απαιτούσε μία πολύπλοκη κατασκευή εγκαταστάσεων που ελάχιστα επιτρέπει τη μετατροπή της χρήσης ταυ κτιρίου, ενώ η πιθανή μεταβλητότητα της κάτοψης αποδείχτηκε ότι για τα σημερινά δεδομένα είναι σχετικά δύσκολη (ανοιγόμενα παράθυρα, επιμερισμός παροχών φωτισμού, κλιματισμού και ηλεκτρικού ρεύματος (βιβλ. Α.G. Ηenkel). Ωστόσο, οι μεγάλοι χώροι γραφείων, όπως πιστεύεται από κοινωνιολόγους δημιουργούν μία πίεση στους εργαζόμενους (κοινωνικός έλεγχος, εξάρτηση από τεχνικές εγκαταστάσεις, οπτική και ακουστική ενόχληση) και οδήγησαν σε μια αρνητική στάση των εργαζομένων απέναντι σε αυτή τη μορφή γραφείου. Τα μεμονωμένα γραφεία ενδείκνυνται γιο προσωπική δουλειά με συγκέντρωση, σαν χώροι ενός ατόμου, ή σαν χώροι για μικρές ομάδες, που χρειάζονται μία συνεχή ανταλλαγή πληροφοριών.

Σχήμα 41: Κτίριο με μεμονωμένους χώρους γραφείων, Garrick Building, Σικάγο. Αρχ, Dankmar Adler και Louis Η.

Sulliran, 1892.

Σχήμα 42: Παραλλαγές μικρών χώρων γραφείου κατά Ηenkel

Σχήμα 43: Κτίριο γραφείων με κεντρική ζώνη κυκλοφορίας, κτίριο διοίκησης της ΒΑSF ΑG, Αρχ. Ηentrich και Petschnίgg 1954/57

52 2.5.2 Δομή ΙΙ

Το μεταβλητό γραφείο (1970) ήταν μία προσπάθεια να βελτιωθεί ο ενιαίος χώρος γραφείου στην κατεύθυνση της ικανοποίησης των διαφορετικών αναγκών για διαφορετικές συνθήκες εργασίας (ενιαίος κλιματισμός και φωτισμός, αποκλεισμός οπτικών και ακουστικών ενοχλήσεων). Με τον τρόπο αυτό, δηλαδή την εξασφάλιση σε περίπτωση ανάγκης χωρισμού του χώρου σε ατομικά γραφεία, οι τεχνικές εγκαταστάσεις έφθασαν στο υψηλότερο σημείο. Η μη ικανοποίηση των εργαζομένων αλλά και η αύξηση του κόστους της ενέργειας και η συνεπαγόμενη αντιοικονομικότητα έθεσαν σε αμφισβήτηση τη λειτουργία του ενιαίου χώρου γραφείου. Η αλλαγή των δομών και σχέσεων εργασίας (π.χ. η χρησιμοποίηση υπολογιστών) έδωσε τη δυνατότητα για οργάνωση των γραφείων σε μικρούς ομαδικούς χώρους. Χώροι ομάδων εργασίας (μικροί ενιαίοι χώροι γραφείων) ενδείκνυνται για εργασία ομάδων συνεργατών οι οποίοι ανταλλάσσουν μεταξύ τους κάποιες πληροφορίες. Με τους χώρους αυτούς έγινε προσπάθεια να επιτευχθούν καλύτερες σχέσεις χώρων με βάση το μέγεθος του χώρου εργασίας (max. 7,50 m από το παράθυρο) με περισσότερη ποικιλία στη διαμόρφωση του ατομικού χώρου και με τον τρόπο αυτό η βελτίωση του περιβάλλοντος εργασίας βάσει των αυξανόμενων απαιτήσεων στην εργασία γραφείου, ως προς τον ενιαίο χώρο γραφείου (φως, αερισμός, ιδιωτικότητα).

Το φυσικό φως μπορεί να εξασφαλίσει κατάλληλες συνθήκες εργασίας μέχρι το πολύ 7 m. Νέες τεχνικές για τον φυσικό φωτισμό, όπως η μεταφορά φωτός με πρίσματα και ανακλαστήρες, μπορεί να αξιοποιήσουν ακόμα περισσότερο το ηλιακό φως.

Σχήμα 44: Μεμονωμένα γραφεία (πηγή: Neufert, 2000)

Σχήμα 44: Πολυδύναμο γραφείο (πηγή: Neufert, 2000)

Σχήμα 45: Πρώτη σχεδίαση πολυδύναμου γραφείου: κεντρική διοίκηση ΕSΑΒ. Tenbom Archίtekter ΑΒ, Στοκχόλμη 1976. Δυνατότητες διαρρύθμισης: ενιαίος χώρος ομαδικής εργασίας, μεμονωμένα γραφεία, πολυδύναμο γραφείο

53 2.5.3 Ωφέλιμες επιφάνειες

Βάση της διεύρυνσης του E. Kahl ήταν η μελέτη πάνω σε μεμονωμένα γραφεία τοποθετημένα κοντά σε ανοίγματα και οι παραλλαγές τους με διαφορές μεγέθους των χώρων ανάλογα με την ιεραρχία και τη χρήση. Ωφέλιμη επιφάνεια χώρου γραφείου Χρήστης Υπάλληλος με ειδική εργασία ή με ειδικές ανάγκες αυτοσυγκέντρωσης Υπάλληλοι ή ένας συνεργάτης με χώρο για συζητήσεις για περίπου 4 άτομα Διευθύνων σύμβουλος με χώρο συζήτησης για περίπου 6 άτομα ή 2 υπάλληλοι με πρόσθετο χώρο για εργασία σε μηχάνημα Διευθυντής ή χώρος με πολλά μηχανήματα

περ. 12 m2 περ. 18 m2 24-30 m2 30 m2

Είναι δυνατόν να χρησιμοποιείται κάναβος 2 x 1,25 m2 = 2,50 m που προσφέρει τις ίδιες δυνατότητες με τον κάναβο 1,25 m. Η διάσταση 1,85 = 1, 1/2 αποτελεί τη μέγιστη δυνατή διάσταση κανάβου για κτήρια γραφείων. Στα σχήματα εμφανίζονται επίσης μια σειρά λύσεων για τη διάταξη των επίπλων. Με αυτή τη διάσταση κανάβου ανοιγμάτων μπορεί να συνδυάζεται αντίστοιχα ένας κατασκευαστικός κάναβος για τις φέρουσες δοκούς της τάξης των 625 mm ή 1,25 m, όπου κάθε τρίτη δοκός αντιστοιχεί με ένα υποστύλωμα της όψεως.

Σχήμα 46: Ελάχιστες διαστάσεις χώρων ανάλογα με τον κάναβο των ανοιγμάτων (πηγή: Neufert, 2000)

54

Κάναβος 1,20 m Το τυπικό μέγεθος των 18 m2 (3 x 1,20 m αφαιρώντας 0,10 m διαχωριστικού τοίχου) αντιστοιχεί σε πλάτος χώρου 3,5 m και έχει τον τυπικό εξοπλισμό για δύο συνεργάτες αλλά είναι πολύ μικρός για τις διαστάσεις της θέσης εργασίας του DIN (2 x 1 m κενός χώρος και 2 x 1,80 m βάθος τραπεζιών = 3,60 m). Χώρος δύο κανάβων με πλάτος 2,30 m είναι πολύ μικρός για έναν υπάλληλο με χώρο για επισκέπτες. Χώροι με οθόνες που απαιτούν μεγαλύτερο βάθος και ειδική διαρρύθμιση θέτουν σαν προϋπόθεση αποστάσεις κανάβου 4,70 m. Έτσι, όμως, δεν μπορεί να δημιουργηθεί ωφέλιμη επιφάνεια για πρόσθετους χώρους.

Kάναβος 1,30 m Πλάτος χώρου 3,80 m αντιστοιχεί σε 18 m2 ωφέλιμη επιφάνεια: -πρόσθετα έπιπλα γραφείων -2 θέσεις εργασίας σε οθόνες με βάθος γραφείου 0,90 m -1 σχεδιαστήριο και 1 γραφείο -1 γραφείο και τραπέζι συζήτησης για 4 άτομα Στιις διαστάσεις αυτές είναι δυνατή οποιαδήποτε διαρρύθμιση γραφείου με μεγάλη ευελιξία χωρίς μετακίνηση των τοίχων.

Κανάβος 1,40 m Με βάθος χώρου 4,10 m υπάρχει δυνατότητα για οποιαδήποτε τοποθέτηση επίπλων και μεγάλη ευελιξία. Με βάθος χώρου 4,40 m και επιφάνεια 18 m2 είναι δυνατή και η τοποθέτηση ειδικών εγκαταστάσεων. Για βάθος χώρου 4,75 m2 αυξάνεται η ωφέλιμη επιφάνεια του τυπικού χώρου 3 κανάβων στα 19,5 m2.

Σχήμα 47: Κάναβος ανοιγμάτων 1,20 - 1,20 - 1,30 - 1,40 m (πηγή: Neufert, 2000)

55 2.5.4 Διαρρύθμιση χώρων

Σχήμα 48: Μέγεθος γραφείου κατά DΙΝ (διαστάσεις 78/1,56 m) Ο χωρισμός ανά 187,5 ταιριάζει με ψευδοριιφές με κάναβο ανά 62,5 cm σε δοκιδωτές οροφές με συνήθη επένδυση. Αυτό διευκολύνει την τοποθέτηση κινητών διαχωριστικών τοίχων. Οι διαστάσεις κανάβου ενός σωστά μελετημένου κτιρίου γραφείων είναι Ι ‚75-1 ‚85 και 1,875 εκ των οποίων η τελευταία διάσταση είναι η προτιμότερη. (πηγή: Neufert, 2000)

Σχήμα 49: Σύστημα γραφείων Velox (μέγεθος 70/1,40 m) Τα γραφεία συνδυάζονται με συνεχή πάγκο κάτω από τα παράθυρα αντί για αρχειοθήκες (σε σχέση με το σχήμα 1). Έτσι, εξοικονομείται χώρος μιας θέσης ανά 5 αξονικές αποστάσεις, καθώς και πρόσθετος χώρος διαδρόμου 32,5 cm. Με τον τρόπο αυτό μειώνεται ο απαιτούμενος όγκος κατά περ. 21%. Απόσταση μεταξύ γραφείων 75 cm, εφόσον χρησιμοποιούνται περιστροφικά καθίσματα. (πηγή: Neufert, 2000)

Σχήμα 50: Τομή σε χώρο γραφείου (πηγή: Neufert, 2000)

Σχήμα 51: Τομή σε μεμονωμένο γραφείο και κοινόχρηστο χώρο πολυδύναμου γραφείου (πηγή: Neufert, 2000)

56 2.5.5 Προσανατολισμός Τα μεγάλα κτίρια γραφείων είναι συνήθως πολυώροφες κατασκευές με εσωτερικά χωρίσματα που φέρονται από τις πλάκες των πατωμάτων. Τα σταθερά σημεία του κτιρίου όπως τουαλέτες, κλιμακοστάσια, ανελκυστήρες κ.λ.π. τοποθετούνται είτε μπροστά από το κτίριο σε αποστάσεις που ορίζουν οι οικοδομικοί κανονισμοί είτε εσωτερικά προς τη μία πλευρά, είτε σε εσωτερικές γωνίες, είτε στο άκρο μιας σειράς χώρων, είτε κεντρικά κοντά στους φωταγωγούς, έτσι ώστε να εξασφαλίζονται κατά το δυνατόν συνεχείς και μεγάλοι χώροι εργασίας. Μια μονή σειρά κεντρικών υποστυλωμάτων επιτρέπει την τοποθέτηση προς τη μία της πλευρά των διαδρόμων ανάλογα με τις ανάγκες σε χώρους γραφείου. Ο φωτισμός των διαδρόμων εξασφαλίζεται έμμεσα από φεγγίτες και υαλοθύρες. Άμεσος φωτισμός επιτυγχάνεται με άνοιγμα στο τέλος του διαδρόμου σε μικρού μήκους κτίρια, με πτέρυγες, κτίρια σχήματος Γ, κτίρια σχήματος Τ, σχήματος Π και επιμήκη κτίρια με ελαφρά μετάθεση των τμημάτων τους που καταλήγουν σε σχήμα σταυρού με κεντρικό κλιμακοστάσιο. Γενικά, ο φωτισμός των διαδρόμων πλευρικά μέσω εσοχών οδηγεί σε αντιοικονομική κατασκευή. Σε ακριβά οικόπεδα με μεγάλο βάθος οι διάδρομοι, οι βοηθητικοί χώροι, τα αρχεία, οι τουαλέτες και οι ιματιοθήκες θα πρέπει να τοποθετούνται κατάλληλα γύρω από εσωτερικά αίθρια. Στις εσωτερικές γωνίες του κτιρίου τοποθετούνται κλιμακοστάσιο, ανελκυστήρες και WC. Σε μη φωτιζόμενα τμήματα του κτιρίου τοποθετούνται σκοτεινοί θάλαμοι, χρηματακιβώτια και αποθήκες. Για τον προσανατολισμό υπάρχουν διάφορες απόψεις. Κατά τον Rosenauer το 90% των κτιρίων γραφείων στις ΗΠΑ έχουν κατεύθυνση κατά τον κύριo άξονά τους από ανατολή προς δύση, καθώς η οριζόντια πρόσπτωση της ακτινοβολίας του ήλιου το πρωί και το απόγευμα είναι ενοχλητική. O ήλιος από το νότο μπορεί εύκολα να αποκλειστεί με μικρά σκίαστρα (γείσο κλπ.). Κατά Joedicke προτιμάται ο άξονας βορρά νότου έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ο ηλιασμός όλων των χώρων.

* Κατά τον οικοδομικό κανονισμό του Βερολίνου παρ. 17 δεν επιτρέπεται κανένα σημείο του χώρου να απέχει περισσότερο από 25 m από ένα κλιμακοστάσιο. Η απόσταση μετράται από τα μέσο του χώρου μέχρι την πόρτα του κλιμακοστάσιου. H μέγιστη απόσταση οποιουδήποτε σημείου του χώρου από τα κλιμακοστάσιο πρέπει να είναι μικρότερο ή ίσο από 30 m. Επομένως τα κλιμακοστάσια πρέπει να βρίσκονται από το άκρο του κτιρίου το πολύ 25 m και μεταξύ τους το πολύ 50 m. Σχήμα 52: (πηγή εικόνων : Neufert, 2000)

57

58 2.5.6 Απαιτούμενη επιφάνεια Ο απαιτούμενος χώρος για την άνετη λειτουργία καθίσματος καθορίζει τις ελάχιστες διαστάσεις μεταξύ των διαφόρων επίπλων γραφείου (κατά DIN ελάχιστο 1 m) , ανάλογα με την τοποθέτησή τους μπροστά από τοίχους ή μπροστά από άλλα έπιπλα γραφείου (τραπέζια ή αρχειοθήκες) . Επιφάνεια ανά θέση εργασίας χωρίς πλευρικούς διαδρόμους:

Σχήμα 53: Σύνηθες κάθισμα

Σχήμα 54: Περιστρεφόμενο κάθισμα

Σχήμα 55: Κινητό περιστρεφόμενο κάθισμα

Σχήμα 56: Σταθερό περιστρεφόμενο κάθισμα

59

Οι ευρωπαϊκοί κανονισμοί λαμβάνουν ως σημείο εκκίνησης ένα τραπέζι γραφείου ύψους 72 εκ. με τη λογική της εξαπλούμενης χρήσης των υπολογιστών. Τα “έπιπλα γραφείου” του DIN 4549 έχουν προκύψει με βάση εργονομικές και ανθρωπομετρικές μετρήσεις. Το έπιπλο γραφείου διαστάσεων 156/78/78 βασίζεται στην τυποποιημένη κατά DIN διάσταση χαρτιού. Υπάρχει όμως και το απόκλινον απ’ αυτές τις διαστάσεις γραφείο 140/70/74 (σχήμα 59 - σύστημα Velox). Επιπλέον, υπάρχουν απαιτήσεις για δυνατότητα ρύθμισης του ύψους της επιφάνειας εργασίας, τη σταθερότητα του γραφείου, την ηχοαπορροφητικότητα της επιφάνειας και τη ρύθμιση του ύψους του υποπόδιου.

Σχήμα 57: Γραφείο με συρτάρια για τυποποιημένες διαστάσεις χαρτιού κατά DIN 4549/1

Σχήμα 59: Γραφείο για υπολογιστή (Velox)

Σχήμα 58: Νεότερος τύπος γραφείου με περιστρεφόμενο κάθισμα εξοικονομεί 0,5m2 επιφάνειας ως προς το προηγούμενο

(πηγή εικόνων : Neufert, 2000)

60

Σχήμα 60: Αναλόγιο για όρθια εργασία

Σχήμα 61: Ατομικά γραφεία

Σχήμα 62: Ατομικά γραφεία με ράφια

Σχήμα 63: Γραφεία σε κόγχη

Σχήμα 64: Σειρές γραφείων με διάδρομο στην πίσω πλευρά

Σχήμα 65: Σειρά γραφείων με αρχειοθήκες στην πίσω πλευρά (πηγή εικόνων : Neufert, 2000)

61

62

Ο3

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ

63 3.1 Στόχος Ως στόχος της έρευνας είναι να διερευνηθεί κατά πόσο μπορεί ένα σύστημα φωτοβολταϊκών εσωτερικού χώρου να καλύψει ενεργειακά τις ανάγκες τεχνητού φωτισμού ενός τυπικού γραφείου. Στη συνέχεια αναλύεται η επιλογή του συγκεκριμένου χώρου μελέτης, των φωτοβολταϊκών επιφανειών, των λοιπών παραμέτρων, καθώς και των φωτιστικών.

3.2 Συλλογή δεδομένων Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από βιβλία προσωπικής συλλογής, από τη βιβλιοθήκη του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, από τον επιβλέποντα καθηγητή τον κύριο Τσαγκρασούλη και, τέλος, από ηλεκτρονικές πηγές. Περισσότερες λεπτομέρεις αναγράφονται στις τελευταίες σελίδες του τεύχους, στο κεφάλαιο της βιβλιογραφίας.

3.3 Περιορισμοί Ο τομέας των προϊόντων με ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά είναι σχετικά καινούριος και ως εκ τούτου η βιβλιογραφία είναι αρκετά περιορισμένη. Ένας ακόμη περιορισμός ήταν η γλώσσα, καθώς αναζητήθηκε βιβλιογραφία γραμμένη μόνο στα ελληνικά, αγγλικά, γερμανικά και ιταλικά. Επιπλέον, παρατηρήθηκε μεγάλη έλλειψη στα τεχνικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών μονάδων, καθώς οι περισσότερες εταιρίες δεν δημοσιεύουν το κόστος των προϊόντων τους και, επίσης, δημοσιεύουν μόνο την ονομαστική απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου υπό εργαστηριακές συνθήκες. Το γεγονός αυτό δυσχαίρυνε την έρευνα και την απόδοση μιας πιο ρεαλιστικής αντιμετώπισης του προβλήματος. Τέλος, η έλλειψη χρηματοδότησης από το Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας , οδήγησε στην εξ’ ολοκλήρου μελέτη σε ηλεκτρονικό περιβάλλον. Διαφορετικά, θα μπορούσε η μελέτη να συμπληρωθεί με μελέτη πεδίου, δηλαδή εφόσον το εργαστήριο μπορούσε να προμηθευτεί με φωτοβολταϊκές μονάδες διαφόρων τεχνολογιών, θα μπορούσαν να ληφθούν μετρήσεις σε πραγματικό χώρο γραφείου. Ο χώρος αυτός θα μπορούσε να είναι το γραφείο του κυρίου Τσαγκρασούλη που βρίσκεται σε ισόγειο και οι διαστάσεις του είναι παρόμοιες με τις διαστάσεις του τελικού χώρου μελέτης που επιλέχθηκε.

3.4 Παραδοχές Η ιδέα που ασπάζεται η παρούσα μελέτη για τα κτήρια είναι ότι λειτουργούν σε 12 Volt, άρα δεν είναι απαραίτητος ο μετατροπέας AC/DC στο εξεταζόμενο ΦΒ σύστημα. Γι΄αυτό και ο συσσωρευτής που επιλέχθηκε είναι, επίσης, για 12 Volt. Επιπλέον, ο συσσωρευτής, ο ρυθμιστής, ο ηλεκτρολογικός πίνακας και, σε περίπτωση σύνδεσης με το δίκτυο, ο μετρητής θεωρούνται ότι βρίσκονται εκτός της αίθουσας μελέτης και μπορούν να εξυπηρετήσουν παρόμοια ΦΒ συστήματα κατά όροφο. Ο τύπος δικτύου που επιλέχθηκε να μελετηθεί είναι ο αυτόνομος χωρίς σύνδεση στο δίκτυο της περιοχής, για το λόγο ότι επιχειρήθηκε να εξετασθεί η δυνατότητα ενεργειακής αυτονομίας.

64 3.5 Υπολογιστική πρακτική Εφόσον η μελέτη τελικώς αποφασίστηκε να γίνει εξ’ ολοκλήρου σε ηλεκτρονικό περιβάλλον, σειρά είχε η επιλογή της κατάλληλης υπολογιστικής πρακτικής. Ειδικότερα, σε πρώτο χρόνο σχεδιάστηκε η αίθουσα μελέτης σε δύο διαστάσεις χρησιμοποιώντας το Autocad 2010 της εταιρίας Autodesk. Στη συνέχεια, το αρχείο αυτό εισήχθη στο Rhinoceros των Robert McNeel & Associates στο οποίο έγινε η τρισδιάστατη σχεδίαση. Σε αυτό το σημείο έγιναν αρκετές διαφορετικές εκδοχές διαρρύθμισης και αφού επιλέχθηκε η τελική γεωμετρία, καθώς και οι θέσεις των φωτοβολταϊκών επιφανειών, ακολούθησαν τα υπολογιστικά προγράμματα. Στο Dialux της εταιρίας DIAL GmbH Lüdenscheid δημιουργήθηκε το κέλυφος της γραφειακής αίθουσας. Από τη βιβλιογραφία προέκυψε ότι τα επίπεδα φωτισμού για γραφειακό χώρο θα πρέπει να κυμαίνονται γύρω στα 500 lux. Μετά από δοκιμές επιλέχθηκε το καταλληλότερο σύστημα φωτισμού για να ανταποκρίνεται στον κανονισμό αυτό. Κατά τον υπολογισμό αυτό δε λήφθηκε υπόψιν ο φυσικός φωτισμός, θεωρώντας ότι θα πρέπει να καλύπτει τις ανάγκες του γραφείου σε φωτισμό αυτόνομα και υπολογίστηκε η μέση τιμή της κάθε επιφάνειας μελέτης ξεχωριστά. Στη συνέχεια, το κέλυφος της αίθουσας και οι θέσεις των επιφανειών μελέτης σχεδιάστηκαν στο Ecotect Analysis της εταιρίας Autodesk. Με το plug-in Daysim υπολογίστηκαν τα επίπεδα φωτισμού στο μέσο της κάθε επιφάνειας ανά ώρα λειτουργία του γραφείου για όλες τις ημέρες του έτους. Η ενέργεια αυτή έγινε δύο φορές, στην πρώτη το παράθυρο είχε νότιο προσανατολισμό, που είναι και ο πιο ευμενής, και στη δεύτερη είχε βόρειο, που είναι ο πιο δυσμενής. Ακολούθως, τα αποτελέσματα των μετρήσεων περάστηκαν στο Excel της Microsoft στο οποίο έγιναν οι περεταίρω υπολογισμοί, τα διαγράμματα και ο προϋπολογισμός. Στο Autocad έγινε η δισδιάστατη σχεδιαση του γραφείου και του κάδρου με ενσωματωμένα ΦΒ, ενώ η τρισδιάστατη σχεδίαση στο SketchUp της Google. Το ολοκληρωμένο τρισδιάστατο σχέδιο περάστηκε στο Lumion για την φωτορεαλιστική αναπαράσταση. Το τεύχος σχεδιάστηκε στο InDesign, ενώ η επεξεργασία των εικόνων έγινε στο Photoshop και στο Illustrator, όλα της εταιρίας Adobe.

65 3.6 Σχεδιασμός της αίθουσας μελέτης Μελετώντας τη βιβλιογραφία και ειδικότερα το κεφάλαιο “Κτιρία γραφείων” του Neufert προέκυψε ότι ο πλέον τυπικός τύπος γραφείου είναι το μεμονωμένο γραφείο σχεδιασμένο χρησιμοποιόντας σύστημα κανάβου και προοριζόμενο για δύο συνεργάτες. Ο χώρος αποτελεί μέρος ενός συνόλου, πιθανότατα κτηρίου γραφείων με αίθουσες γραφείων σε σειρά, γι΄αυτό και συμπεριλήφθηκαν η απαραίτητη επίπλωση για τη λειτουργία του γραφείου (επιφάνεια γραφείου, καθίσματα, βιβλιοθήκη).

Πρόκειται για έναν ορθογωνικό χώρο διαστάσεων 5 x 4.2 x 2,7 m με πάχος τοιχοποιίας 0,3 m. Το πάχος επιλέχθηκε να είναι τέτοιο ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί και ως ανεξάρτητη μονάδα θεωρώντας ότι ένας τυπικός τοίχος από οπλισμένο σκρόδεμα έχει πάχος 0,3 m.

Σχήμα 66: κάτοψη ορθογωνικού χώρου

Σχήμα 67: κάτοψη ορθογωνικού χώρου σε σειρά

66 3.7 Επιλογή ανοίγματος Ο κανονισμός ορίζει ως μέγεθος ανοιγμάτων το 10% επί του πατώματος, δηλαδή στην προκειμένη περίπτωση το 10% του 8,5 m2 τουτέστιν 0,85 m2 . Πρακτικά θα μπορούσε να είναι ένα παράθυρο διαστάσεων 0,85 x 1 m. Όμως, από τη βιβλιογραφία προτείνεται άνοιγμα μήκους 1,40 m για τις συγκεκριμένες διαστάσεις γραφείου.

Θέλοντας να μεγιστοποιηθούν τα κέρδη από τα ΦΒ, επιλέχθηκε άνοιγμα διαστάσεων 3x 1,30 m, έτσι ώστε να εισέρχεται αρκετό φως στο εσωτερικό. Εκατέρωθεν του ανοίγματος αφέθηκε χώρος 0,60 m για τυχόν τοιχεία. Από την απέναντι πλευρά του παραθύρου βρίσκεται η θύρα διαστάσεων 0,90x 2,20 m.

Σχήμα 68: τρισδιάστατη άποψη της αίθουσας μελέτης

Σχήμα 69: οι τέσσερις όψεις της αίθουσας

67 3.8 Ενσωμάτωση ΦΒ στην επίπλωση Οι 8 κατακόρυφες επιφάνειες που επιλέχθηκαν για να εφαρμοστούν τα φωτοβολταϊκά πάνελ ανήκουν τα 4 στις 2 κάθετες μεταξύ τους επιφάνειες στα γραφεία με γωνία και οι υπόλοιπες 4 θα αναρτηθούν στους τοίχους σαν κάδρα. Επιλέχθηκε μόνο ο κατακόρυφος άξονας, ώστε να μην επηρεάζεται η επιφάνεια εργασίας.

Σχήμα 70: Οι διαστάσεις των επιφανειών 1, 5, 7 και 8 είναι 0,70x 1,00x 0,02 m

Σχήμα 71: Οι διαστάσεις των επιφανειών 2 και 6 είναι 1,20x 0,75x 0,02 m

Σχήμα 72: Οι διαστάσεις των επιφανειών 3 και 4 είναι 1,50x 0,75x 0,02 m

68

Σχήμα 73: Φωτορεαλιστικές απεικονίσεις γραφείου και κάδρου με ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά μονοκρυσταλλικού πυριτίου

69

Σχήμα 74: Διάγραμμα ροής ενέργειας σε ΦΒ σύστημα με αποθήκευση και μετατροπή της συνεχούς τάσεως σε εναλλασσόμενη (πηγή: Φραγκιαδάκης, 2007)

Ο τύπος δικτύου που επιλέχθηκε να μελετηθεί είναι ο αυτόνομος χωρίς σύνδεση στο δίκτυο της περιοχής, τα βασικά στοιχεία του οποίου φαίνονται στο παραπάνω σκίτσο. Θεωρείται ότι ο ηλεκτρικός συσσωρευτής και ο ελεγκτής φόρτισης θα βρίσκονται εκτός της αίθουσας μελέτης, καθώς και ότι η καλωδίωση θα είναι προμελετημένη και ενταγμένη στο υπόλοιπο ηλεκτρολογικό σύστημα του κτηρίου.

3.9 Σχεδιασμός προτεινόμενης επίπλωσης Όσον αφορά στην επίπλωση επιλέχθηκαν αρχικά τα βασικά έπιπλα για τη λειτουργία του γραφείου, τα οποία είναι: -2 γραφεία -2 καρέκλες γραφείου -2 βιβλιοθήκες -καθίσματα για πελάτες Με βάση αυτή την επίπλωση δημιουργήθηκαν 7 διαφορετικές εκδοχές διαρρύθμισης οι οποίες παρουσιάζονται στη συνέχεια. Στις εκδοχές test 1, test 2 και test 3 το παράθυρο τοποθετήθηκε συμμετρικά της στενής πλευράς έναντι της θύρας, ενώ στις εκδοχές test 4, test 5, test 6 και test 7 τοποθετήθηκε συμμετρικά της μεγάλης πλευράς. Στα test 4 και 5 η θύρα μετακινήθηκε κατά 1,6 m οριζοντίως. Με κόκκινη γραμμή επισημαίνονται οι θέσεις των κατακόρυφων επιφανειών που δυνητικά θα Στη συνέχεια, περάστηκαν στο Dialux οι 7 διαφορετικές διαρρυθμίσεις και αντιστοιχήθηκαν με τις τιμές φωτισμού σε lux στο κέντρο του πατώματος (πορτοκαλί γραμμές).

70 3.9.1 Διαφορετικές εκδοχές test 1

test 3

test 4

71

test 5

test 6

test 7

72 3.9.2 Αντιστοίχιση lux σε επιφάνειες test 1

test 3

test 4

73

test 5

test 6

test 7

74 3.9.3 Επιλογή τελικής διαρρύθμισης Η διαρρύθμιση με ονομασία test 2 ήταν αυτή που επιλέχθηκε τελικά και ο λόγος ήταν η προτιμώτερη διαρρύθμιση, καθώς και η δυνατότητα για προσθήκη επιπλέον επιφανειών.

test 2

test 2

75 3.10 Τοποθέτηση ΦΒ στην αίθουσα Στην ήδη υπάρχουσα διαρρύθμιση προστέθηκαν 3 επιπλέον κατακόρυφες επιφάνειες υπό τη μορφή κάδρου, μετατοπίστηκε το γραφείο και από απλά ορθογώνια γραφεία μετατράπηκαν σε γραφεία με γωνία. Με αυτόν τον τρόπο αυξήθηκε το συνολικό εμβαδών των επιφανειών με ΦΒ.

Σχήμα 75: Τρισδιάστατη χωροθέτηση των επιφανειών μελέτης

Σχήμα 76: Κατοψική χωροθέτηση των επιφανειών μελέτης

76 3.11 Υπολογισμός τεχνητού φωτισμού αίθουσας Μετά από δοκιμές επιλέχθηκε το κατάλληλο σύστημα τεχνητού φωτσιμού, ώστε να καλύπτεται ο κανονισμός που ορίζει τα 500 lux ως προτεινόμενα για γραφειακό χώρο. Το σύστημα που επιλέχθηκε αποτελείται από 4 τεμάχια φωτιστικών οροφής Philips Leuchten 910504093603 PowerBalance συμμετρικά τοποθετημένα ως προς το κέντρο της αίθουσας και αποδίδει 579 lux.

Σχέδιο θέσεων φωτιστικών

Θέση επιφάνειας στο επίπεδο εργασίας- μέση τιμή φωτεινής σκηνής σε lux

77

Αποχρώσεις γκρι στο επίπεδο εργασίας (+0,75m)

Ισοδύναμες γραμμές στο επίπεδο εργασίας (+0,75m)

78

Γραφική παράσταση τιμών στο επίπεδο εργασίας (+0,75m)

Σχήμα 77: Τρισδιάστατη αναπαράσταση της αίθουσας με ενεργό το τεχνητό σύστημα φωτισμού

79 Υπολογισμός τεχνητού φωτισμού ανά επιφάνεια Επιφάνεια 1

Αποχρώσεις γκρι

Ισοδύναμες γραμμές

Επιφάνεια 2

Αποχρώσεις γκρι

Ισοδύναμες γραμμές

80 Επιφάνεια 3

Αποχρώσεις γκρι

Ισοδύναμες γραμμές

Επιφάνεια 4

Αποχρώσεις γκρι

Ισοδύναμες γραμμές

81 Επιφάνεια 5

Αποχρώσεις γκρι

Ισοδύναμες γραμμές

Επιφάνεια 6

Αποχρώσεις γκρι

Ισοδύναμες γραμμές

82 Επιφάνεια 7

Αποχρώσεις γκρι

Ισοδύναμες γραμμές

Επιφάνεια 8

Αποχρώσεις γκρι

Ισοδύναμες γραμμές

83 3.12 Υπολογισμός φυσικού φωτισμού αίθουσας Για τον υπολογισμό του φυσικού φωτισμού χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Ecotect Analysis. Σε αυτό σχεδιάστηκε η βασική γεωμετρία της αίθουσας μαζί με τα ανοίγματα, και ορίστηκαν οι 8 επιφάνειες μελέτης. Σε πρώτη φάση οι υπολογισμοί έγιναν με το άνοιγμα σε νότιο προσανατολισμό, που είναι και ο πιο ευνοΪκός. Υπολογίστηκε η τιμή φωτισμού στο μέσον κάθε επιφάνειας ανά μία ώρα κάθε μέρα για όλο το χρόνο. Τέθηκε ως ωράριο λειτουργίας του φωτοβολταϊκού συστήματος από 8:30 πμ έως 16:30 μμ. Εν συνεχεία, υπολογίστηκε με τη βοήθεια του Excel η μέση τιμή φωτισμού της κάθε επιφάνειας ξεχωριστά, καθώς και η μέση τιμή όλων των επιφανειών αθροιστικά. Λόγω της μεγάλης έκτασης του υπολογιστικού φύλλου παρουσιάζεται ένα δείγμα αυτού και μια πιο συνολική εικόνα αποδίδεται με τη μορφή διαγραμμάτων.

Σχήμα 78: Τρισδιάστατη αναπαράσταση τοποθέτησης των επιφανειών (μεμονωμένα και συγκεντρωτικά)

84 Παραδείγματα υπολογιστικών φύλλων Excel Τα παρακάτω διαγράμματα είναι αποτέλεσμα ενός υπολογιστικού φύλλου του Excel που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του μέσου όρου των τιμών φωτισμού από τα αποτελέσματα του Daysim. Συγκεκριμένα, το πρώτο διάγραμμα αφορά στις 23 Ιουνίου και το δεύτερο στις 23 Δεκεμβρίου. Στον οριζόντιο άξονα αναγράφονται οι ώρες της ημέρας , ενώ στον κατακόρυφο η τιμή φωτισμού σε lux της κάθε επιφάνειας. Η αίθουσα μελέτης λειτουργεί ως γραφείο, οπότε ορίστηκε ως ωράριο λειτουργίας του ΦΒ συστήματος το οχτάωρο μετξύ των ωρών 8:30 πμ έως 14:30 μμ. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι κατά τη χειμερινή περίοδο σημειώθηκαν τιμές τριπλάσιες σε σύγκριση με τη θερινή. Η διαφορά αυτή εξηγείται από το γεγονός ότι το καλοκαίρι ο ήλιος έχει μεγαλύτερο αζιμούθιο απ’ ότι το χειμώνα.

Σχήμα 79: Αποτελέσματα μετρήσεων ανά ώρα για τις 23 Ιουνίου

Σχήμα 80: Αποτελέσματα μετρήσεων ανά ώρα για τις 23 Δεκεμβρίου

85

86

Ο4

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ

87 4.1 Διαγράμματα φωτεινής έντασης για νότιο προσανατολισμό

Στα διαγράμματα παρουσιάζονται στον κάθετο άξονα οι τιμές φωτισμού σε lux, ενώ ο οριζόντιος αναφέρεται στο χρόνο, και πιο συγκεκριμένα στην ώρα απλά λόγω περιορισμένου χώρου δεν μπορούσαν να αναγραφούν και οι 8760 ώρες. Οι μετρήσεις έχουν ως αφετηρία την 1η Ιανουαρίου και το άνοιγμα της αίθουσας μελέτης έχει νότιο προσανατολισμό. Η κλίμακα των διαγραμμάτων είναι η ίδια, ώστε τα μεγέθη να είναι εύκολα συγκρίσιμα. Το ακόλουθο διάγραμμα περιλαμβάνει τις τιμές όλων των επιφανειών μελέτης συγκεντρωτικά.

Σχήμα 81: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για όλες τις επιφάνειες μελέτης

Από το παραπάνω διάγραμμα παρατηρείται ότι μεγαλύτερη απόδοση έχουν οι επιφάνειες 3 και 4 καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους, ενώ τη χαμηλότερη οι επιφάνειες 1 και 8. Κατά τους θερινούς μήνες η επιφάνεια 2 αποδίδει καλύτερα από όλες, κατά τους χειμερινούς η επιφάνεια 4 και, τέλος, την άνοιξη και το φθινόπωρο η 3. Επιπλέον, τα αποτελέσματα του διαγράμματος επιβεβαιώνουν την άποψη ότι οι επιφάνειες που βρίσκονται μακριά από το άνοιγμα και λαμβάνουν λιγότερο φως αποδίδουν λιγότερο, όπως συνέβη με τις επιφάνειες 1 και 8.

88

Σχήμα 82: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 1

Σχήμα 83: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 2

89

Σχήμα 84: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 3

Σχήμα 85: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 4

90

Σχήμα 86: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 5

Σχήμα 87: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 6

91

Σχήμα 88: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 7

Σχήμα 89: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 8

92 4.2 Διαγράμματα ισχύος για νότιο προσανατολισμό

Στα ακόλουθα διαγράμματα παρουσιάζονται στον κάθετο άξονα οι τιμές ισχύος σε watt, ενώ στον οριζόντιο οι ώρες του έτους. Οι μετρήσεις έχουν ως αφετηρία την 1η Ιανουαρίου και το άνοιγμα της αίθουσας μελέτης έχει νότιο προσανατολισμό. Η κλίμακα των διαγραμμάτων είναι η ίδια. Το ακόλουθο διάγραμμα περιλαμβάνει τις τιμές όλων των επιφανειών μελέτης συγκεντρωτικά.

Σχήμα 90: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για όλες τις επιφάνειες.

Παρατηρείται ότι τα διαγράμματα ισχύος έχουν παρουσιάζουν παρόμοια καμπύλη με αυτά της φωτεινής έντασης. Και εδώ οι επιφάνειες 3 και 4 παράγουν τη μεγαλύτερη ισχύ καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Στον αντίποδα, οι επιφάνειες 1 και 8 είναι οι λιγότερο αποδοτικές, πράγμα αναμενόμενο αφού έχουν την μεγαλύτερη απόσταση από το παράθυρο. Επίσης, αξίζει να σημειωθεί ότι οι τιμές κατά τη χειμερινή περίοδο είναι αρκετά μεγαλύτερες από αυτές της θερινής περιόδου.

93

Σχήμα 91: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 1

Σχήμα 92: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 2

94

Σχήμα 93: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 4

Σχήμα 94: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 4

95

Σχήμα 95: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 5

Σχήμα 96: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 6

96

Σχήμα 97: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 7

Σχήμα 98: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 8

97 4.3 Διαγράμματα φωτεινής έντασης για βόρειο προσανατολισμό Στα διαγράμματα παρουσιάζονται στον κάθετο άξονα οι τιμές φωτισμού σε lux, ενώ ο οριζόντιος αναφέρεται στο χρόνο, και πιο συγκεκριμένα στην ώρα. Οι μετρήσεις έχουν ως αφετηρία την 1η Ιανουαρίου και το άνοιγμα της αίθουσας μελέτης έχει βόρειο προσανατολισμό. Η κλίμακα των διαγραμμάτων είναι η ίδια, ώστε τα μεγέθη να είναι εύκολα συγκρίσιμα.

Το ακόλουθο διάγραμμα περιλαμβάνει τις τιμές όλων των επιφανειών μελέτης συγκεντρωτικά.

Σχήμα 99: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για όλες τις επιφάνειες

Στο διάγραμμα όλων των επιφανειών παρατηρείται αισθητή μείωση της απόδοσης σε σύγκριση με το νότιο, επιβεβαιώνοντας την άποψη ότι ο νότιος προσανατολισμός είναι πιο ευνοϊκός για ηλιακά κέρδη. Μια ακόμη παρατήρηση είναι ότι καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους, οι μεγαλύτερες τιμέςα καταγράφονται κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, και οι μικρότερες κατά τους χειμερινούς, ενώ στο νότιο προσανατολισμό συμβαίνει ακριβώς το αντίστροφο. Όσον αφορά στις αποδόσεις των επιφανειών ξεχωριστά, η κατάσταση παραμένει η ίδια. Και σε αυτήν την περίπτωση τα πρωτεία απόδοσης έχουν οι επιφάνειες που βρίσκονται κοντά στο άνοιγμα, δηλαδή οι 3 και 4, ακολουθεί η επιφάνεια 7 και πάλι τη μικρότερη απόδοση έχουν οι επιφάνειες 1 και 8.

98

Σχήμα 100: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 1

Σχήμα 101: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 2

99

Σχήμα 102: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 3

Σχήμα 103: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 4

100

Σχήμα 104: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 5

Σχήμα 105 Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 6

101

Σχήμα 106: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 7

Σχήμα 107: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών φωτισμού ανά ώρα για την επιφάνεια 8

102 4.4 Διαγράμματα ισχύος για βόρειο προσανατολισμό

Στα ακόλουθα διαγράμματα παρουσιάζονται στον κάθετο άξονα οι τιμές ισχύος σε watt, ενώ στον οριζόντιο οι ώρες του έτους. Οι μετρήσεις έχουν ως αφετηρία την 1η Ιανουαρίου και το άνοιγμα της αίθουσας μελέτης έχει βόρειο προσανατολισμό. Η κλίμακα των διαγραμμάτων είναι η ίδια. Το ακόλουθο διάγραμμα περιλαμβάνει τις τιμές όλων των επιφανειών μελέτης συγκεντρωτικά.

Σχήμα 108: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για όλες τις επιφάνειες

Παρατηρείται ότι τα διαγράμματα ισχύος έχουν παρουσιάζουν παρόμοια καμπύλη με αυτά της φωτεινής έντασης. Και εδώ οι επιφάνειες 3, 4 και 7 παράγουν τη μεγαλύτερη ισχύ καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Στον αντίποδα, οι επιφάνειες 1 και 8 είναι οι λιγότερο αποδοτικές, πράγμα αναμενόμενο αφού έχουν την μεγαλύτερη απόσταση από το παράθυρο. Επίσης, αξίζει να σημειωθεί ότι οι τιμές κατά τη θερινή περίοδο είναι αρκετά μεγαλύτερες από αυτές της χειμερινής περιόδου.

103

Σχήμα 109: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 1

Σχήμα 110: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 2

104

Σχήμα 111: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 3

Σχήμα 112: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 4

105

Σχήμα 113: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 5

Σχήμα 114: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 6

106

Σχήμα 115: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 7

Σχήμα 116: Χρονολογικό διάγραμμα τιμών ισχύος ανά ώρα για την επιφάνεια 8

107 4.5 Ανάλυση των αποτελεσμάτων Με τη βοήθεια του Excel έγιναν οι υπόλοιποι υπολογισμοί. Στις επόμενες σελίδες παρουσιάζονται συνοπτικά η διαδικασία που ακολουθήθηκε και τα αποτελέσματα των υπολογισμών αυτών.

4.6 Προσδιορισμός των ενεργειακών απαιτήσεων Όπως προαναφέρθηκε, ο κυριότερος στόχος της έρευνας είναι να διερευνηθεί κατά πόσο μπορεί ένα σύστημα φωτοβολταϊκών εσωτερικού χώρου να καλύψει ενεργειακά τις ανάγκες τεχνητού φωτισμού ενός τυπικού γραφείου. Στη συγκεκριμένη περίπτωση πρόκειται για ένα σύστημα φωτισμού οροφής 4 τεμαχίων Philips Leuchten 910504093603 PowerBalance με ισχύ 29,5 Watt έκαστο, όπως ορίζει ο κατασκευαστής.

Ισχύς φωτιστικών (πηγή: www.philips.gr)

Δεδομένου ότι το ωράριο λειτουργίας του γραφείου είναι 8 ώρες ημερησίως ανά έτος οι συσκευευές θα δουλεύουν συνεχόμενα 8 x 365 = 2.920 ώρες. Για να υπολογιστεί η ετήσια ανάγκη σε ενέργεια αρκεί να πολλαπλασιάσουμε τη συνολική ωριαία ισχύ με τις ώρες λειτουργίας, έτσι έχουμε: 4 φωτιστικά οροφής--> 118 W συνολικά : 118W x 2.930 h = 345.740 Wh = 345,74 kWh

108 4.7 Υπολογισμός Watt Τόσο το Dialux όσο και το Daysim παράγει τις τιμές φωτισμού των επιφανειών σε lux. Για να μετατραπούν το lux σε W/m2 αρκεί να διαιρέσουμε τα lux με τα lumens/watt του φωτιστικού. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή (Philips) το φωτιστικό οροφής που χρησιμοποιήθηκε παράγει 3.400 lm και καταναλώνει 29,5 W, άρα 115,25 lm/W. Με τη διαίρεση των lux που προέκυψαν από το Dialux ως μέση τιμή κάθε επιφάνειας και των 115,25 lm/W προέκυψε ο παρακάτω πίνακας.

Η ίδια λογική ακολουθήθηκε και για τις τιμές του φυσικού φωτισμού, μόνο που αυτή τη φορά η μέση τιμή φωτισμού κάθε επιφάνειας υπολογίστηκε από το Daysim για κάθε ώρα του χρόνου ξεχωριστά και πολλαπλασιάστηκε με το 115,25.

Αφού βρέθηκαν οι τιμές W/m2 δε μένει παρά να πολλαπλασιάσουμε με το εμβαδόν της εκάστοτε επιφάνειας ώστε να προκύψουν τα Watt. Ο πίνακας δείχνει τον υπολογισμό αυτόν για τον τεχνητό φωτισμό.

Με το ίδιο σκεπτικό υπολογίστηκαν στο Excel τα watt της κάθε επιφάνειας ανά ώρα για όλο το έτος.

109 4.8 Υπολογισμός Wh Για τον υπολογισμό της βατώρας απλά διαιρούμε τα watt με τις ώρες λειτουργίας, δηλαδή με 8 στην προκειμένη περίπτωση. Στον πρώτο πίνακα συνοψίζονται οι βατώρες που προκύπτουν από τον τεχνητό φωτισμό ανά επιφάνεια, αλλά και συνολικά. Αυτές οι τιμές αντιστοιχούν σε ημερήσια λειτουργία. Πολλαπλασιάζοντας με τις 365 μέρες του χρόνου προκύπτουν οι ετήσιες τιμές τεχνητού φωτισμού που φαίνονται στον δεύτερο πίνακα.

Για τον φυσικό φωτισμό το άθροισμα όλων των τιμών watt που υπολογίστηκαν προηγουμένως δίνουν Wh αφού οι μετρήσεις έγιναν ανά ώρα. Έτσι, προκύπτουν οι παρακάτω πίνακες: Για το νότιο προσανατολισμό

Για το βόρειο προσανατολισμό

Τελικώς, αθροίζοντας τις ετήσιες βατώρες από τον τεχνητό φωτισμό με αυτές από τον φυσικό έχω: Για το νότιο προσανατολισμό: Wh τεχνητού = 728,85 Wh φυσικού νότιου = 756.162,38

(+) ------> 756.891,2 Wh = 756,89 kWh

Για το βόρειο προσανατολισμό: Wh τεχνητού = 728,85 Wh φυσικού βόρειου = 211.653

(+) ------> 212.381Wh = 212,38 kWh

110 4.9 Απόδοση διάφορων τύπων ΦΒ Ως γνωστόν, το φως που συλλέγεται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν μετατρέπεται εξ΄ολοκλήρου σε ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά το μεγαλύτερο κομμάτι χάνεται. Έτσι, σύμφωνα με το βιβλίο του Φραγκιαδάκη ¨Φωτοβολταϊκά Συστήματα¨ [6] προκύπτουν οι παρακάτω αποδόσεις, οι οποίες δεν αναφέρονται στην απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου, αλλά στην απόδοση της φωτοβολταϊκής μονάδας. Ειδικότερα:

-μονοκρυσταλλικό Πυρίτιο (monocrystalline Silicon): απόδοση 15% -πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο (multicrystalline Silicon) : απόδοση 14% -χαλκός, ινδίο, γάλλιο, σεληνίδη (Copper Indium Gallium Selenide): 14,5% -τελλουριούχο κάδμιο (Cadmium Τelluride) : απόδοση 14,4 % -ταινία Πυριτίου (Ribbon Silicon) : απόδοση 13% -άμορφο Πυρίτιο (Amorphous Silicon) : 8%

Οπότε, πολλαπλασιάζοντας την απόδοση αυτή με τις βατώρες που υπολογίστηκαν προηγουμένως προκύπτουν οι Wh που παράγει τελικώς το φωτοβοταϊκό σύστημα και μπορούν να αξιοποιηθούν.

Επομένως, χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκές μονάδες τεχνολογίας μονοκρυσταλλικού Πυριτίου, που έχουν την καλύτερη μέχρι στιγμής απόδοση στην αγορά, οι κιλοβατώρες που μπορούν να αξιοποιηθούν για την περίπτωση νότιου προσανατολισμού σε συνδυασμό με τον τεχνητό φωτισμό ανέρχονται στις 113,53, ενώ στην περίπτωση του βόρειου στις 31,86 (σχεδόν 4 φορές μικρότερη).

Έλεγχος επάρκειας παραγόμενης ισχύος Σύμφωνα με τα προαναφερόμενα οι απαιτήσεις σε ισχύ του συστήματος φωτιστικών που μελετήθηκε είναι 345,72 kWh ετησίως. Το φωτοβολταϊκό σύστημα που μελετήθηκε στην βέλτιστη περίπτωση (σε νότιο προσανατολισμό και χρησιμοποιώντας ΦΒ μονάδες μονοκρυσταλλικού Πυριτίου) παράγει ωφέλιμη ισχύ ίση με 113,53 kWh. Συμπερασματικά, το εξεταζόμενο ΦΒ σύστημα δεν είναι ικανό να καλύψει τις ανάγκες σε ισχύ των επιλεγμένων φωτιστικών.

111 4.10 Αποτίμηση Έχοντας διαπιστώσει την ανεπάρκεια του ΦΒ συστήματος στις ανάγκες ισχύος, αξίζει να διερευνηθεί και εάν συμφέρει οικονομικά μια τέτοια εγκατάσταση. Λόγω του περιορισμένου χρόνου, δεδομένων και γνώσεων οικονομικών, έγινε ένας συνοπτικός προϋπολογισμός. Κάνοντας μια έρευνα αγοράς σε ηλεκτρονικά καταστήματα της Ελλάδας επιλέχθηκαν τυπικά προϊόντα με σχετικά χαμηλό κόστος. Στον προϋπολογισμό αυτό υπολογίστηκε το συνολικό κόστος του ΦΒ συστήματος λαμβάνοντας δεδομένα από το ηλεκτρονικό κατάστημα eshops.gr. Έπειτα, υπολογίστηκε και το κόστος κατανάλωσης ρεύματος εάν το σύστημα φωτιστικών τροφοδοτούνταν αποκλειστικά από το δίκτυο της ΔΕΗ. Για τους υπολογισμούς χρησιμοποιήθηκε και πάλι το Excel.

1. Η πρώτη προσέγγιση αφορά σε αυτόνομο ΦΒ σύστημα και γι’ αυτό απαιτείται η αγορά όλων των απαραίτητων συσκευών και παροχών για τη λειτουργία του. Όλες οι τιμές είναι ενδεικτικές και αποσκοπούν στο να γίνει αντιληπτή η τιμή ενός τυπικού ΦΒ συστήματος στην Ελλάδα σήμερα. Αθροίζοντας, τις τιμές κόστους έχουμε: 100 (ΦΒ πάνελ) x 8 τεμάχια + 300 (μπαταρία) + 60 (ρυθμιστής) + 500 (ηλ. πίνακας) = 1660 ευρώ 2. Στη δεύτερη περίπτωση υπολογίζεται το ποσό που θα καλούνταν να πληρώσει ο κάτοχος του εξεταζόμενου φωτιστικού συστήματος, δίχως τα ΦΒ, απλά και μόνο με τη σύνδεση στο δίκτυο της ΔΕΗ.

Τιμές βάσει ισχύοντος τιμοκαταλόγου 2017, για συνολική 4μηνιαία κατανάλωση 1.100 kWh (πηγή: dei.gr)

Συμπέρασμα Το πιο συμφέρον οικονομικώς σενάριο είναι, προφανώς, το δεύτερο (τιμολόγηση της ΔΕΗ) και με διαφορά. Για τη λειτουργία του φωτιστικού συστήματος ο κάτοχος θα κληθεί να πληρώσει στη ΔΕΗ το ποσό των 91 ευρώ, ενώ στο πρώτο σενάριο (αυτόνομο συστημα) 1660 ευρώ. Μπορεί το αυτόνομο ΦΒ σύστημα που εξετάστηκε να είναι σχεδόν 18 φορές ακριβότερο από τη συμβατική μέθοδο (μέσω παροχέα), όμως το γεγονός αυτό οφείλεται στην ακόμα υπό εξέλιξη τεχνολογία των φωτοβολταϊκών και στο μεγάλο κατασκευαστιικό κόστος λόγω της περιορισμένης ζήτησης στην αγορά. Πολλές μελέτες δείχνουν ότι οι αποδόσεις των ΦΒ αναμένονται να αυξηθούν σε μεγάλο βαθμό κατά τα επόμενα χρόνια. Ακόμη, το ενδιαφέρον για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ολοένα και εντείνεται, με αποτέλεσμα την αύξηση της ζήτησης στην αγορά και, κατ’ επέκτασιν, τη μείωση του κόστου κατασκευής και πώλησης. Πέρα από το οικονομικό συμφέρον, πρέπει να αναφερθεί ότι τα ΦΒ αποτελώντας κομμάτι των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας δεν επιβαρύνουν καθόλου το περιβάλλον και είναι ικανά (υπό διαφορετικές διαστάσεις από την εξεταζόμενη) να προσφέρουν πλήρη αυτονομία.

112

113

Ο5

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

114 5.1 Συμπεράσματα Η παρούσα έρευνα επιχείρησε να ερευνήσει κατά πόσο το φως που εισβάλλει στο εσωτερικό των κτηρίων μπορεί να αξιοποιηθεί πέρα από την όραση. Η κεντρική ιδέα έγκειται στο αν αυτή η ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλες χρήσεις. Ένας τρόπος είναι με την προσθήκη φωτοβολταϊκών εσωτερικού χώρου. Από την έρευνα προέκυψε ότι με τα σημερινά δεδομένα η ενέργεια που παράγεται από τα ΦΒ δεν επαρκεί ούτε για τις βασικές ανάγκες όπως για παράδειγμα για τη λειτουργία του συστήματος φωτισμού. Επιπλέον, από την παρατήρηση των διαγραμμάτων επιβεβαιώθηκε η άποψη ότι τα ανοίγματα σε νότιο προσανατολισμό έχουν μεγαλύτερα ηλιακά κέρδη απ΄ ότι στο βόρειο. Ακόμη, προέκυψε ότι κατά τους θερινούς μήνες καλύτερη απόδοση έχει ο βόρειος προσανατολισμός, ενώ κατά τους χειμερινούς ο νότιος. Φυσικά, επιβεβαιώθηκε και η αρχική υπόθεση ότι οι επιφάνειες που βρίσκονται σε κοντινότερη απόσταση από το παράθυρο έχουν τη μεγαλύτερη απόδοση. Εκτός από αυτό, εάν συσχετιστεί η παραγόμενη ενέργεια με τα χρήματα που δαπανούνται για την παραγωγή της είναι άκρως αντιοικονομική. Τέλος, παρατηρήθηκε ότι τα ποσά φωτός που προσπίπτουν στις επιφάνειες είναι ικανά και με το παραπάνω να λειτουργήσουν το σύστημα φωτισμού, όμως λόγω της μικρής απόδοσης των σύχρονων φωτοβολταϊκών, σχεδόν το 95% της ενέργειας χάνεται. Ίσως στο μέλλον οι επιστήμονες καταφέρουν μεγαλύτερες αποδόσεις. Σε γενικότερες γραμμές, η μελέτη αποτέλεσε μια προσπάθεια αξιοποίησης μιας παραμέτρου από πολλές που συμβαίνουν επανειλλημένα σε εσωτερικούς χώρους και θα μπορούσαν με κάποιον τρόπο να αξιοποιηθούν προς όφελός μας. Το φως είναι μία από αυτές,

115 5.2 Προτάσεις Σαφώς, οι χρονικοί περιορισμοί που υπήρχαν κατά την υλοποίηση της έρευνας επέβαλαν την εξέταση μικρού αριθμού σχεδίων προϊόντων χώρου γραφείου με ενταγμένα φωτοβολταϊκά στοιχεία, καθώς των κυριότερων παραγόντων που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση αυτών των στοιχείων. Θα ήταν, όμως, ιδιαίτερα χρήσιμη η συνέχιση και επέκταση της παρούσας έρευνας διερευνώντας περισσότερα σχέδια προϊόντων χώρου γραφείων, καθώς και εξετάζοντας περισσότερους παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση ΦΒ ενταγμένων στα προϊόντα αυτά, όπως ΦΒ νέας τεχνολογίας. Επίσης, μπορεί να γίνει προσπάθεια περαιτέρω βελτιστοποίησης του σχεδιασμού προϊόντων εσωτερικών χώρων με ενταγμένα ΦΒ και της ενεργειακής απόδοσης αυτών εξετάζοντας περισσότερους συνδυασμούς σχεδίων προϊόντων, διατάξεων αυτών στο χώρο, προσανατολισμού αυτών, κλπ. Σε αυτό το πλαίσιο μία πρόταση θα μπορούσε να ήταν η αξιοποίηση της ενέργειας που παράγουν οι εργαζόμενοι όταν πληκτρολογούν στον υπολογιστή. Σε επόμενο στάδιο, το ερώτημα αυτό περνά στον τομέα της αρχιτεκτονικής, αφού η οποιαδήποτε εγκατάσταση επηράζει τον περιβάλλοντα χώρο. Γεννώνται, έτσι, και άλλα ζητήματα αρχιτεκτονικού ανδιαφέροντος, όπως είναι για παράδειγμα η ενσωμάτωση σε ήδη υπάρχουσα επίπλωση ή στην τοιχοποία, η εξοικονόμιση χώρου και λοιπά.

Εκτός από τις κατευθύνσεις συνέχισης της παρούσας έρευνας, που αναφέρονται στην προηγούμενη ενότητα, οι μελλοντικές έρευνες μπορούν να επεκταθούν και σε επανεξέταση θεωρητικών θεμάτων, καθώς και σε ανάπτυξη νέας τεχνολογίας φωτοβολταϊκών συστημάτων, όπως υποστηρίζει στο βιβλίο του ο Randal [8] και μπορούν να συνοψιστούν στα ακόλουθα: 1. Χαρακτηρισμός του εσωτερικού περιβάλλοντος. Με το συνδυασμό των αποτελεσμάτων της παρούσας έρευνας και μελλοντικής μελέτης θα μπορούσε να αναπτυχθεί μια γενικότερη χαρτογράφηση των ιδανικών θέσεων για προϊόντα εσωτερικής ενέργειας περιβάλλοντος.

2. Προσομοίωση της ενέργειας ακτινοβολίας. Σε εσωτερικούς χώρους, ένα μαθηματικό μοντέλο μπίλιας μπιλιάρδου θα μπορούσε να εφαρμοστεί στην μοντελοποίηση φωτονίων ΦΒ αν ληφθεί υπόψη η διάχυση της ενέργειας που δημιουργείται από την ατελή ανακλαστικότητα των τοίχων. Κατά το Randal, προς το παρόν, ενώ το μοντέλο μπιλιάρδου έχει προσελκύσει εκατοντάδες συνεισφορές σε περιοδικά, κανένας δεν ασχολείται με τη διάχυση.

3. Τεχνολογική επιλογή (φωτοβολταϊκά και αποθήκευση). Ένα ιδανικό αποτέλεσμα από την προοπτική του επαγγελματία ΦΒ θα ήταν ένα μοντέλο βασισμένο σε εύκολα προσβάσιμα δεδομένα, τα οποία θα παρείχαν μια πρόβλεψη για την απόδοση των κυττάρων σε ολόκληρο το φάσμα των εντάσεων. Είναι, επίσης, επιθυμητό να διερευνηθεί περεταίρω η φυσική έννοια των παραμέτρων ελέγχου.

4. Το μοντέλο χωρητικότητας αποθήκευσης μπορεί να βελτιωθεί με διάφορους τρόπους. Μια προσέγγιση με την οποία το μοντέλο θα προσέγγιζε περισσότερο την επιλογή του σχεδιαστή θα ήταν να το συνδυάσει με τις λειτουργίες κόστους για τα διάφορα εξαρτήματα του ΦΒ συστήματος προκειμένου να εκτιμήσει την επιφάνεια του υλικού και της χωρητικότητας αποθήκευσης του ΦΒ σε σχέση με το κόστος και, κατά συνέπεια, την ποιότητα της υπηρεσίας.

5. Διαχείριση ενέργειας. Στην ιδανική περίπτωση, οι μπαταρίες θα μπορούσαν να αποφευχθούν εντελώς, και κάποιοι πιστεύουν ότι αυτό μπορεί να είναι δυνατό στο μέλλον, ειδικά για ηλεκτρονικές εφαρμογές χαμηλής ισχύος, όπως τα ΦΒ συστήματα.

116 5.3 Φωτορεαλιστική απεικόνιση της αίθουσας Με ενσωμάτωση ΦΒ πάνελ τεχνολογίας thin-film

117

Με ενσωμάτωση ΦΒ πάνελ τεχνολογίας mono-Si

120 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Abdirad H. and Dossick C.S. (2016) “BIM Curriculum Design in Architecture, Engineering, and Construction [2] Εducation: A systematic review”, Journal of Information Technology in Construction, www.itcon.org.

[3] Ανδρεαδάκη Ε. (2006) “Βιοκλιματικός Σχεδιασμός: Περιβάλλον και Βιωσιμότητα”, University Studio Press, Θεσσαλονίκη.

[4] Κοσμόπουλος Π. (2008) “Κτίρια, Ενέργεια και Περιβάλλον ”, University Studio Press, Θεσσαλονίκη.

[5] Τομπάζης Α. (2010) “Οικολογική σκέψη και Αρχιτεκτονική”, εκδόσεις Μέλισσα, Αθήνα.

[6] Φραγκιαδάκης Ι. (2007) “Φωτοβολταϊκά συστήματα”, 2η έκδοση, εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη.

[7] Georgia Apostolou, Angèle Reinders & Martin Verwaal, (2016) “Comparison of the indoor performance of 12 commercial PV products by a simple model”, Delft University of Technology [8] Julian F. Randal (2005) “Designing indoor solar products”, Johb Wahey & Sons, Switzerland [9] Sue Roaf (2009), “Ecoδομείν”, εκδόσεις Ψύχαλου, Αθήνα [10] J A Clarke (1985), “Energy Simulation in Building Design”, Adam Hilger Ltd, Bristol [11] David Anink, (1996), “Handbook of Sustainable Building”, James & James, London [12] Christian Schittich (2003), “Solar Architecture”, Birkhauser, Munchen [13] Ανδρεαδάκη Ελένη (2006), “ Βιοκλιματικός Σχεδιασμός- Περβάλλον και Βιωσιμότητα”, University Studio Press, Θεσσαλονίκη [14] Πετράκης Βασίλειος (2006), “ Εσωτερική Διακόσμηση” , ΤΕΙ Λάρισας, Καρδίτσα [15] Neufert Ernst (2000), “Οικοδομική & Αρχιτεκτονική Σύνθεση”, εκδόσεις Γκιούρδας, Αθήνα [16] Αγησίλαος Οικονόμου, Ρόϊδω Μητούλα (2010), “Οικολογική Διαχείριση Κτηρίων, Οικισμών και Πόλεων στην Ευρωπαϊκή Ένωση¨, εκδόσεις Σταμούλης, Αθήνα [17] Νασιάρα Ευθυμία (2003), “Ρυθμολογία”, ΤΕΙ Λάρισας, Λάρισα Ηλεκτρονικές πηγές <http://www.kapos.eu> <http://www.dei.gr> <http://www.wikipedia.gr> <http://www.yingli.com> <http://www.ise.fraunhofer.de> <http://www.business.panasonic.com> <http://www.philips.com> <http://www.electronicproducts.com> <http://www.energy.gov> <http://www.eshops.gr>

121 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΟΡΙΣΜΩΝ Η παράθεση ορισμένων ορισμών ειδικών όρων φωτοβολταϊκής τεχνολογίας από τη σχετική βιβλιογραφία (Φραγκιαδάκης, 2007) είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την κατανόηση των εννοιών που αυτή διαπραγματεύεται. Αζιμούθιο ή αζιμουθιακή γωνία (Azimuth ή Azimuthal angle). Ο προσδιορισμός της θέσης ενός κινητού σε σφαιρικές συντεταγμένες προκύπτει με βάση τις συντεταγμένες Γ, φ και θ. Η γωνία φ, μεταξύ του μεσημβρινού που αντιστοιχεί στο κινητό και του μεσημβρινού αναφοράς ονομάζεται αζιμούθια γωνία. Παίρνει τιμές από Ο έως 360 μοίρες, μετρούμενη κατά τη φορά των δεικτών του ωρολογίου (Clockwise). Ανανεώσιμες Πήγες Ενεργείας Α.Π.Ε., (Renewable Energy Sources). Οι πηγές ενέργειας με ανανεώσιμη και αέναη παροχή ενέργειας. Η αιολική, η φωτοβολταϊκή, η βιομάζα, ο κυματισμός της θάλασσας, οι υδατοπτώσεις, αποτε-λούν τις Α.Π.Ε. Γενεσιουργός αιτία των ενεργειών αυτών είναι ο ήλιος (Εξαί¬ρεση: η ενέργεια των παλιρροϊκών κινήσεων του νερού των θαλασσών, που οφείλεται στην έλξη της σελήνης). Αντιστροφέας (inverter). Μετατροπέας DC-ΑC. Ηλεκτρονική συσκευή ισχύος, που μετατρέπει το συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα (π.χ. ενός ηλεκτρικού συσσωρευτή), σε εναλλασσόμενο, συγκεκριμένης τάσης και συχνότητας. Το σύστημα αφ’ ενός δημιουργεί παλμούς μέσω διακοπτικού υποσυστήματος, αφ’ ετέρου αντιστρέ¬φει τους μισούς απ’ αυτούς. Συνήθης ενεργός τάση εξόδου: 220 V, συχνότητας 50 Ηz. Μορφές τάσεως εξόδου: Διαμορφωμένο ημίτονο, πλήρως ημιτονικό. Απόδοση (Efficiency). Ισούται με το πηλίκο του έργου (ή της αντίστοιχης μετα¬βολής της ενέργειας) στην έξοδο, προς το έργο (ή την ενέργεια) στην είσοδο της διάταξης. Στην περίπτωση των ΦΒ στοιχείων, η απόδοση εκφράζεται με το πηλίκο της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος από την επιφάνεια δ, του ΦΒ στοιχείου, προς την προσπίπτουσα σ’ αυτήν, ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας, Φ (Φ = Ε·δ = πυκνότητα ισχύος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας επί την επιφάνεια του ΦΒ στοιχείου. Συνηθίζεται και το σύμβολο Ρ). Στην περίπτωση των ΦΒ πλαισίων, το εμβαδόν δ αφορά στη γεωμετρική επιφάνεια του πλαι¬σίου (εξωτερικές διαστάσεις). Αυτόνομο ΦΒ σύστημα (Autonomous PV power system). Φωτοβολταϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας, που μπορεί να περιλαμβάνει αποθήκευση της παραγό¬μενης ηλεκτρικής ενέργειας σε συσσωρευτές, το οποίο τροφοδοτεί τις κατα¬ναλώσεις μιας εγκατάστασης, χωρίς να υποστηρίζεται από βοηθητική ηλε¬κτρική πηγή (π.χ. ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος) και λειτουργεί ανεξάρτητα από το, πιθανώς, υφιστάμενο τοπικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Βατ αιχμής (Peak watt). Μονάδα μέτρησης της μέγιστης παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος, από το ΦΒ στοιχείο ή ΦΒ πλαίσιο ή γενικότερα ΦΒ συστοιχία, κάτω από πρότυπες συνθήκες (Δείτε Πρότυπες Συνθήκες Δοκιμής ΦΒ στοιχείου ή πλαισίου, STC). Βάθος εκφόρτισης (Depth of Discharge, DOD). Το ποσοστό του αποθηκευμένου στο συσσωρευτή, ηλεκτρικού φορτίου, το οποίο αποδίδεται προς το σύστημα των καταναλώσεων, κατά τη διάρκεια της φάσης εκφόρτισης ενός κύκλου λειτουργίας του συστήματος. Σ’ ένα ΦΒ σύστημα το βάθος εκφόρτισης αφο¬ρά στην περίοδο μιας ημέρας. Στις περιπτώσεις που προβλέπεται ορισμένος αριθμός ημερών αυτονομίας, το ημερήσιο βάθος εκφόρτισης είναι αντίστοιχο ποσοστό του συνολικού βάθους εκφόρτισης. Το ποσό που καταναλώθηκε κα¬τά την εκφόρτιση, αναπληρώνεται από το ΦΒ σύστημα κατά την επόμενη μέ¬ρα, από τον ήλιο. Πέραν του προβλεφθέντος χρόνου αυτονομίας, την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων αναλαμβάνει το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Γωνία κλίσης συλλέκτη (Tilt angle). Η αντίστοιχη γωνία της διέδρου μεταξύ του επιπέδου του συλλέκτη και του ορίζοντα.