6o ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΣΕΡΡΩΝ Τάξη: Α Τμήμα:4 Ονοματεπώνυμο: Πασχαλίδης Σάββας Εργασία στο μάθημα της τεχνολογίας με θέμα:
«Ηλιακό σπίτι»
Υπεύθυνη Καθηγήτρια: Αγγελική Αρβαντά Σχολικό Έτος: 2019-2020
1ο Κεφάλαιο Ανάλυση της Τεχνολογική Ενότητας: Ενέργεια και ισχύ 1.1 Ενέργεια Η ενέργεια είναι ένα φυσικό μέγεθος που το αντιλαμβανόμαστε κυρίως από τα αποτελέσματά της, που είναι γνωστά σαν έργο. Έχει πολλά «πρόσωπα», εμφανίζεται σαν δυναμική ενέργεια σε ένα τεντωμένο ελατήριο σαν κινητική για αντικείμενα που πέφτουν από ψηλά. Σαν θερμική στον λέβητα μιας ατμομηχανής, σαν ηλεκτρική στις πρίζες του σπιτιού μας, σαν ηλιακή στις ακτίνες του Ήλιου, σαν χημική στη βενζίνη που καίγεται ή σαν πυρηνική στα καύσιμα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.
Οι κυριότερες μορφές Ενέργειας απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα:
Ηλεκτρική ενέργεια: είναι η ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα (κίνηση ηλεκτρονίων). Παράγεται από μετατροπή άλλων μορφών ενέργειας. Χημική Ενέργεια: είναι η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο ξύλο, κάρβουνο, πετρέλαιο, τρόφιμα και απελευθερώνεται με την καύση, που είναι χημική αντίδραση. Πυρηνική Ενέργεια: είναι η δυναμική ενέργεια που είναι εγκλεισμένη στους πυρήνες των ατόμων λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που απελευθερώνονται κατά τη σχάση η σύντηξη των πυρήνων και εφόσον οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι ελεγχόμενες (όπως συμβαίνει στην καρδιά ενός πυρηνικού αντιδραστήρα). Μηχανική Ενέργεια:
Ήπιες μορφές Ενέργειας:
1.2 Ισχύς Η ισχύς είναι ένα μέγεθος που μας δείχνει πόσο γρήγορα παράγεται κάποιο έργο ή μετατρέπεται μια μορφή ενέργειας σε κάποια άλλη. Μεγάλη ισχύς σημαίνει ότι μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας μετασχηματίζεται (χρησιμοποιείται) σε μικρό χρόνο, ενώ μικρή ισχύς σημαίνει ότι χρειαζόμαστε πολύ χρόνο για να μετατρέψουμε (χρησιμοποιήσουμε) την ίδια ποσότητα ενέργειας. Οι κυριότερες μορφές Ισχύος απεικονίζονται στο παρακάτω διάγραμμα:
Για να γίνει αξιοποίηση της ενέργειας πρέπει να μετατραπεί για να παραχθεί έργο: • Η ηλεκτρική σε μηχανική • Η μηχανική σε ηλεκτρική • Η χημική σε ηλεκτρική • Η χημική σε θερμική και μηχανική • Η φωτεινή σε ηλεκτρική • Η ηλιακή σε χημική (φωτοσύνθεση)
Φωτογραφίες σχετικές με τις μορφές Ενέργειας:
Το έργο που επέλεξα είναι το «Ηλιακό Σπίτι» και συγκεκριμένα η αξιοποίηση της ηλιακής Ενέργειας με την χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο, και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου και χρόνου για την εκμετάλλευσή της.
Όσον αφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας, θα μπορούσαμε να πούμε ότι χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: • τα παθητικά ηλιακά συστήματα, • τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα ή Ηλιοθερμικά συστήματα, • τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου.
Συστήματα εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας
2ο Κεφάλαιο Ιστορική εξέλιξη της ηλιακής ενέργειας και του φωτοβολταϊκού φαινομένου
2.1 Ιστορική εξέλιξη της ηλιακής ενέργειας Ο ήλιος, είναι μια πηγή απεριόριστης ενέργειας, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας δεν χρησιμοποιείται αλλά εντούτοις μας προσφέρει ισχύ εκατομμυρίων Watt , μας κρατά θερμούς, και αναπτύσσει όλα τα τρόφιμα. Γενικά, η ηλιακή ενέργεια είναι μία ασφαλής και μη ρυπογόνος μορφή ενέργειας, η οποία εξελίσσεται συνεχώς. Κάθε ημέρα ο ήλιος φωτίζει τη γη αρκετές χιλιάδες στιγμές τόσες ώστε είναι αρκετές για να καλύψουμε τις απαιτήσεις της ενέργειας που χρησιμοποιούμε. Ακόμη και το μικρό ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που χτυπά τη στέγη μας είναι πολύ περισσότερη ενέργεια απ' ότι όλη η ενέργεια που μπαίνει στο οίκημα μέσω των ηλεκτρικών καλωδίων. Σε ένα ομοιόμορφο στρέμμα του εδάφους η άμεση ακτινοβολία του ηλίου, μπορεί να παράγει ισχύ περίπου τέσσερις χιλιάδων ίππων, αντίστοιχο με μια μεγάλη ατμομηχανή σιδηροδρόμου. Σε λιγότερο από τρεις ημέρες η ηλιακή ενέργεια που φθάνει στη γη είναι περισσότερη απ' ότι το κατ' εκτίμηση σύνολο των απολιθωμένων καυσίμων στη γη! Το λογικό ερώτημα που προκύπτει σε αυτό το σημείο είναι, γιατί δεν χρησιμοποιούμε αυτό το πλεονέκτημα της μορφής ηλιακής ενέργειας; Η απάντηση, φυσικά, είναι ότι την χρησιμοποιούμε, αλλά ήμαστε ακόμα στην αρχή. Ένα ηλιακό σύστημα μπορεί να τροφοδοτήσει άμεσα ένα ραδιόφωνο εκμεταλλευόμενο την ακτινοβολία του ηλίου, αλλά ένα βενζινοκίνητο αυτοκίνητο που χρησιμοποιεί επίσης την αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια, η οποία έχει εγκλωβιστεί στη γη πολλά χρόνια πριν, απαιτείται άντληση για να βγει στην επιφάνεια της με αντλίες πετρελαίου ώστε να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργεια. Το πλεονέκτημα της ηλιακής ενέργειας μετατρεπόμενης άμεσα σε ηλεκτρική είναι ότι είναι μία μορφή ενέργειας μη ρυπαντική. Τώρα είναι η στιγμή να γίνουν οι ρεαλιστικοί στόχοι και οι στρατηγικές για την εκμεταλλευτούν τη δύναμης του ήλιου. Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας δεν είναι νέα στην πραγματικότητα, οι ημερομηνίες ανάπτυξης ηλιακής ενέργειας χρονολογούνται πίσω περισσότερο από 100 έτη, στη μέση της βιομηχανικής επανάστασης. Διάφορες πρωτοποριακές εγκαταστάσεις ηλιακής ενέργειας και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάστηκαν για να αναπαράγουν τον ατμό από τη θερμότητα του ήλιου, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στην «οδήγηση» μηχανών.
2.2 Ιστορική εξέλιξη του φωτοβολταϊκού φαινομένου
Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο Φυσικό Αlexandre Edmond Becquerel το 1839, ο οποίος ανακάλυψε ότι μπορεί να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα όταν συγκεκριμένες κατασκευές εκτεθούν στο φως. Οι Αμερικάνοι Adams και Day το 1876 χρησιμοποιώντας έναν κρύσταλλο σεληνίου είχαν κάνει επίδειξη αυτού του φαινομένου. Η απόδοση σε αυτή την περίπτωση ήταν μόνο1%. Το 1905 ο Albert Einstein διατύπωσε την εξήγηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Το 1949 οι Αμερικάνοι Shockley, Bardeen και Brattain ανακάλυψαν το τρανζίστορ διευκρινίζοντας τη φυσική των p και n ενώσεων των ημιαγωγικών υλικών. Το πρώτο φωτοβολταϊκό κύτταρο με απόδοση κοντά στο 6% κατασκευάστηκε το 1956, ενώ αργότερα κατασκευάστηκε το φωτοβολταϊκό κύτταρο από πυρίτιο, το οποίο λειτούργησε με απόδοση του 10%. Η γρήγορη ανάπτυξη της τεχνολογίας στην εξερεύνηση του διαστήματος διάνοιξε εξαιρετικές προοπτικές για την χρήση φωτοβολταϊκών κυττάρων. Το 1958, 108 ηλιακά κύτταρα είχαν σταλεί στο διάστημα για δοκιμή.
Το 1970 η ετήσια παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων για διαστημικές εφαρμογές ήταν 500m2. Η επίγεια χρήση ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του ΄70, παίρνοντας δυναμική από την πετρελαϊκή κρίση του 1973-74 και δίνοντας ερεθίσματα για την εκπόνηση πληθώρας ερευνητικών μελετών. Η προσπάθεια της επιστημονικής κοινότητας ήταν να μειωθεί το κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων, με την εύρεση νέων φθηνότερων υλικών. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως «φωτοβολταϊκά» ή «Φ/Β», αποτελούν μια προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο όρος «φωτό» προέρχεται από το φως, το δε «βόλτ» οφείλεται στον Ιταλό φυσικό κόμη Alessandro Volta (1745-1827), ένα πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού, ο οποίος εφεύρε τη μπαταρία. Η ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινόμενου αποδίδεται στο Γάλλο φυσικό, Henry Becquerel, ο οποίος δημοσίευσε το 1839 μια εργασία του, όπου περιέγραφε πειράματα που έκανε με μια μπαταρία υγρού, στην διάρκεια των οποίων διαπίστωσε ότι η τάση του συσσωρευτή αύξανε όταν οι πλάκες από υγρό εκτίθενται στο ηλιακό φως. Το φωτοβολταϊκό σύστημα μετατρέπει κατευθείαν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από πάνελ ένα ή περισσότερα φωτοβολταϊκών στοιχείων και με τις απαραίτητες συσκευές και διατάξεις γίνεται η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια. Το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει ένα Φ/Β στοιχείο είναι το 25% της ενέργειας που δέχεται, όμως συνήθως το ποσοστό είναι λιγότερο από 15%. Το παραπάνω συμβαίνει διότι το ηλιακό φως που πέφτει στο στοιχείο μεταφέρει διαφορετικά επίπεδα ενέργειας και κάποια από αυτά δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να μπορέσουν να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια.
3ο Κεφάλαιο Γενική περιγραφή του αντικειμένου
Το ηλιακό σπίτι θα κατασκευαστεί από ξύλο. Στην οροφή του θα τοποθετηθεί Φ/Β πλαίσιο το οποίο θα συνδεθεί με επαναφορτιζόμενη μπαταρία ΑΑ 600 mAh, 1,2V. Το όλο σύστημα θα συνδεθεί με λάμπα LED. Σύμφωνα με το φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Τα Φ/Β πλαίσια έχουν ως βασικό μέρος το ηλιακό στοιχείο. Τα ηλιακά ηλεκτρικά στοιχεία κατασκευάζονται από πυρίτιο. Το πυρίτιο είναι ημιαγωγός και όταν εμπλουτιστεί με κάποια άλλα κατάλληλα στοιχεία, επιτρέπει την ροή των ηλεκτρονίων. Ένα ηλιακό ηλεκτρικό στοιχείο αποτελείται από δυο στρώματα πυριτίου, ένα εμπλουτισμένο με θετικά ιόντα και ένα με αρνητικά. Όταν το ηλιακό φως πέφτει πάνω στην επιφάνεια, ελευθερώνονται ηλεκτρόνια, τα οποία συλλέγονται από ένα πλέγμα αγωγών που υπάρχουν και στις δύο επιφάνειες. Η απορρόφηση της ενέργειας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Φ/Β στοιχείου έχει ως συνέπεια την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ρεύματος.
Η ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται στην επαναφορτιζόμενη μπαταρία με η μορφή χημικής ενέργειας, ώστε αυτή να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε χρονικές περιόδους με μικρή ή καθόλου
ηλιοφάνεια. Παρά τις διαφορές τους, όλες οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες έχουν κοινή αρχή λειτουργίας. Δύο υλικά, το ένα με πλεόνασμα ηλεκτρονίων και το άλλο με έλλειμμα, βρίσκονται μέσα σε διάλυμα ηλεκτρολύτη, το οποίο λειτουργεί ως αγωγός των ηλεκτρονίων, τα οποία κινούνται από το πλεόνασμα προς το έλλειμμα, με σκοπό να αποκατασταθεί η ισορροπία. Μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία, η ροή ηλεκτρονίων παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Μόλις τα ηλεκτρόνια «κατανεμηθούν» και στα δύο υλικά, η μπαταρία αδειάζει. Η φόρτιση γίνεται με τον αντίθετο τρόπο. Συνδέουμε την μπαταρία με μία εξωτερική ηλεκτρική πηγή, ίδιου βολτάζ, αλλά με αντίθετη φορά, ώστε το ρεύμα της να «εξαναγκάσει» τα ηλεκτρόνια, που «μετακόμισαν» από το ένα υλικό στο άλλο, να επανέλθουν στην αρχική τους θέση. Όταν επιστρέψουν όλα, η μπαταρία έχει, πλέον, γεμίσει. Στην περίπτωσή μας η εξωτερική ηλεκτρική πηγή είναι το Φ/Β στοιχείο.
Στο ηλιακό σπίτι η χημική ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στη μπαταρία μετατρέπεται σε φωτεινή μέσω λάμπας LED ( δίοδος led ). Η δίοδος είναι μια διάταξη από ημιαγώγιμο υλικό το οποίο επιτρέπει την διέλευση ροής ρεύματος μόνο από την μία κατεύθυνση, ανάλογα με την πόλωσή της. Κατασκευάζεται από ημιαγώγιμα υλικά, όπως είναι το γερμάνιο και το πυρίτιο και αποτελείται από δύο πόλους, την άνοδο και την κάθοδο. Η ροή του ρεύματος μέσα από την δίοδο, επιτυγχάνεται όταν πολώσουμε ορθά την δίοδο, δηλαδή όταν η άνοδος έχει θετικό δυναμικό και η κάθοδος αρνητικό. Οι δίοδοι led εκπέμπουν φως στην ορθή πόλωσή τους και κατασκευάζονται για διάφορα χρώματα όπως κόκκινο, πράσινο, κίτρινο, πορτοκαλί, μπλε, σε διάφορα σχήματα και διαστάσεις. Η αρχή λειτουργίας των leds βασίζεται στο γεγονός πως στην ορθή πόλωσή τους δημιουργούνται επανασυνδέσεις οπών και ηλεκτρονίων στην επαφή P-N της διόδου. Με τις επανασυνδέσεις οπών και ηλεκτρονίων απελευθερώνεται ενέργεια από τα ηλεκτρόνια με την μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι ανάλογη με την ένταση του ρεύματος που διαρρέει την δίοδο led.
4ο Κεφάλαιο Συσχέτιση με επιστημονικές γνώσεις – Αρχές λειτουργίας • Παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος Ένας τρόπος εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας είναι τα ηλιακά ηλεκτρικά στοιχεία. Προς το παρόν χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος στους δορυφόρους, γιατί έχουν πολύ μεγάλο κόστος κατασκευής. • Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το Φ/Β φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Μπεκερέλ (Becquerel). Περιληπτικά πρόκειται για την απορρόφηση της ενέργειας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Φ/Β στοιχείου και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ρεύματος. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στο Φ/Β στοιχείο οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο. • Αρχή λειτουργίας των φωτοβολταϊκών γεννητριών Ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο από πυρίτιο είναι κατασκευασμένο από μία ειδική ημιαγωγική δίοδο (φωτοδίοδο), στην οποία παρατηρούμε μια ροή ηλεκτρικών φορέων όταν αυτό δεχθεί φως. Όταν το φως χτυπήσει το κύτταρο, τότε τα φωτόνια απορροφούνται από τα ηλεκτρόνια του πυριτίου. Η ενέργεια των φωτονίων διεγείρει τα ηλεκτρόνια σε μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, οπότε αυτά κινούνται αφήνοντας πίσω τους μία οπή. Έτσι λοιπόν τα απορροφούμενα φωτόνια δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων – οπών. Το ηλεκτρικό πεδίο διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια από τις οπές και η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται κυμαίνεται μεταξύ 0.5 - 0.6 Volts. Η ύπαρξη των ηλεκτρικών φορέων και της διαφοράς δυναμικού δημιουργούν ένα ρεύμα το οποίο μπορεί να διαρρέει ένα εξωτερικό κλειστό κύκλωμα.
Τα Φ/Β στοιχεία ομαδοποιούνται κατάλληλα και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ή γεννήτριες , τυπικής ισχύος από 0W έως 300W. Οι Φ/Β γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά μεταξύ τους και δημιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Το φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από ένα αριθμό μερών ή υποσυστημάτων: Τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με τη μηχανική υποστήριξη και πιθανόν ένα σύστημα παρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς. Μπαταρίες (υποσύστημα αποθήκευσης). Καθορισμό ισχύος και συσκευή ελέγχο υ που περιλαμβάνει φροντίδα για μέτρηση και παρατήρηση. Εφεδρική γεννήτρια. Η επιλογή του πώς και ποια από αυτά τα στοιχεία ολοκληρώνονται μέσα στο σύστημα εξαρτάται από ποικίλες εκτιμήσεις.
• Εφαρμογές Οι Φ/Β γεννήτριες, τα Φ/Β πάνελ και τα μεγάλης κλίμακας Φ/Β συγκροτήματα ηλεκτροπαραγωγής έχουν γίνει μέρος της καθημερινής ζωής. Η χρήση άμεσης παραγωγής ενέργειας από το φως του ήλιου αυξάνεται σε πολλούς τομείς. Τα ΦΒ συστήματα ξεχωρίζουν για την ευκινησία, την ευκαμψία και την παροχή ενέργειας με τελεχειρισμό. Η λειτουργία τους περιλαμβάνει μηδενικό θόρυβο και είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Ο μόνος περιορισμός στην επέκταση της χρήσης τους είναι το σχετικά υψηλό κόστος τους. Το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας που χρησιμοποιείται από τα "σπίτια του ήλιου" προέρχονται από φωτοβολταϊκά κύτταρα τα οποία καλύπτουν το βόρειο μέρος της οροφής του.
Ο ηλεκτρισμός που παράγεται αποθηκεύεται σε μπαταρίες οι οποίες μπορούν να παρέχουν ενέργεια στο σπίτι για περίπου 48 ώρες. Τα σπίτια πληρούν ορισμένες αναγκαίες προϋποθέσεις. Συγκρατούν τη θερμοκρασία σε ορισμένα επίπεδα, παρέχουν αρκετό φωτισμό, ζεστό νερό, τροφοδοτούν ένα πλυντήριο, μία κουζίνα κ.α. Ανάλογα με την συσσώρευση της παραγόμενης ισχύος, διακρίνουμε : • Εγκαταστάσεις συνδεδεμένες στο δίκτυο σε οροφές κτιρίων και προσόψεις
Αυτές οι εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν το ηλεκτρικό δίκτυο ως την αποθήκη ενέργειάς τους. • Μη - συνδεδεμένη στο δίκτυο παροχή ενέργειας Σήμερα, μικρά συστήματα όπως είναι ο τηλεπικοινωνιακός εξοπλισμός, τα εξοχικά σπίτια, τα ορεινά κέντρα, οι μετεωρολογικοί σταθμοί, οι φωτεινοί σηματοδότες, κλπ, παίρνουν ενέργεια από τα Φ/Β. Τα Φ/Β κάνουν το σύστημα ανεξάρτητο από τα ηλεκτρικά δίκτυα. Η μπαταρία αναλαμβάνει το ρόλο αποθήκευσης της ενέργειας. Σε περίπτωση που τα φορτία είναι AC, πρέπει να συμπεριληφθεί στο σύστημα ένας μετατροπέας DC-AC (inverter). Τα Φ/Β που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα είναι τα ακόλουθα : • Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά • Τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά • Τα φωτοβολταϊκά άμορφου πυριτίου. Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι ακόλουθες:
φωτοβολταϊκών
στοιχείων
που
κυρίως
• Μονοκρυσταλλικού πυριτίου Είναι τα πιο διαδεδομένα στην αγορά και κατασκευάζονται σε κυλίνδρους ανεπτυγμένου πυριτίου. Οι κύλινδροι αυτοί κόβονται σε λεπτές φέτες , γνωστές ως wafers, με πάχος μόλις 200m. O βαθμός απόδοσης τους στα εργαστήρια φθάνει το 24% , ενώ στο εμπόριο αγγίζει το 15%.
Φωτοβολταϊκή γεννήτρια μονοκρυσταλλικού πυριτίου
• Πολυκρυσταλλικού πυριτίου Κατασκευάζονται από χυτό πυρίτιο. Έχουν βαθμό απόδοσης γύρω στο 15%. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία γαλλίου – αρσενίου διακρίνονται για τον υψηλό βαθμό απόδοσης τους, γι’ αυτό χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις διαστημικές εφαρμογές και στα συστήματα εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας.
Η απόδοσή τους αγγίζει το 25%, όταν δέχονται την άμεση ηλιακή ακτινοβολία και στο 28% όταν δέχονται και την διάχυτη ακτινοβολία. Σε ερευνητικό στάδιο ο βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων GaAs έχει ξεπεράσει το 30%.
Φωτοβολταϊκή γεννήτρια πολυκρυσταλλικού πυριτίου Τα 4/10 της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας καλύπτονται από την οικιακή θέρμανση. Για να παρατείνουμε τη διάρκεια των υφιστάμενων πηγών καυσίμου μια λύση υπάρχει: να εφευρεθούν κατοικίες που θερμαίνονται από τον ήλιο.
5ο Κεφάλαιο Χρησιμότητα του έργου για τον άνθρωπο και την κοινωνία
Κύριος σκοπός της κατοικίας είναι να προφυλάσσει τη ζωή και την υγεία του ανθρώπου. Γι’ αυτό το σπίτι πρέπει να κτίζεται με γερά και συγχρόνως αβλαβή για την υγεία υλικά (οικολογικά) και να είναι ευάερο και ευήλιο. Στο χώρο της κατοικίας εξυπηρετούνται πέντε βασικές λειτουργίες που ανταποκρίνονται σε αντίστοιχες ανθρώπινες ανάγκες: η θέρμανση, η τροφή, η εργασία, ο ύπνος και η ατομική υγιεινή. Βέβαια, στις μέρες μας η τεχνολογική εξέλιξη και ο σύγχρονος τρόπος ζωής έχουν επιφέρει πολλές αλλαγές. Εκείνο, πάντως, που δεν έχει μεταβληθεί είναι η επιθυμία του ανθρώπου να εξασφαλίζει στο σπίτι του την απαραίτητη ηρεμία και άνεση που χρειάζεται. Μόνο τότε μπορεί να νιώσει ασφαλής και να αισθανθεί το χώρο δικό του. Η κατοικία δεν έχει πάψει να συνδέεται κυρίως με την οικογένεια και να αποτελεί χώρο αγάπης και συντροφικότητας, αλλά και συγκρούσεων και αντιθέσεων μεταξύ των μελών της. Στο σπίτι, εξάλλου, διαμορφώνεται σε μεγάλο βαθμό η προσωπικότητα του ανθρώπου. Εκεί διαπλάθεται ο χαρακτήρας τα πρώτα χρόνια της ζωής του και εκεί μαθαίνει να ζει μαζί με άλλους, όχι μόνο με μέλη της οικογένειας, αλλά και με ξένους, επισκέπτες ή φιλοξενούμενους.
Εικ. 5.2 Σκηνή οικογενειακής ζωής μέσα σε σπίτι
Η κατοικία μπορεί να φανερώνει, εξάλλου, την κοινωνική τάξη και την οικονομική κατάσταση των ενοίκων της. Γι’ αυτό, χρησιμεύει σε ορισμένους και ως μέσο κοινωνικής προβολής. Αποτελεί, επίσης, αντικείμενο οικονομικής συναλλαγής, δηλαδή πουλιέται, αγοράζεται ή νοικιάζεται. Η αγορά, η κατασκευή, ο εξοπλισμός και η διακόσμηση της κατοικίας αποτελούν πολύ ζωτικούς κλάδους της οικονομικής ζωής. Είναι γεγονός, επίσης, ότι οι δαπάνες για την απόκτηση ή την ενοικίαση μιας κατοικίας, τον εξοπλισμό και τη συντήρησή της αποτελούν
σημαντικότατα οικονομικά βάρη για τον άνθρωπο και πρωταρχική φροντίδα κάθε οικογένειας. Η κατοικία, λοιπόν, έχει οικονομική και κοινωνική διάσταση. Μια άλλη διάσταση της κατοικίας είναι η πολιτισμική. Η αρχιτεκτονική και η διακόσμηση κάθε σπιτιού εκφράζουν την αισθητική του τόπου και της εποχής που κτίστηκε, των κατασκευαστών και των ενοίκων του. Έτσι, υπάρχουν σπίτια που ξεχωρίζουν για την ομορφιά τους και αποτελούν έργα τέχνης. Τα περισσότερα από αυτά είναι παλαιά. Αυτό συμβαίνει, επειδή στο παρελθόν οι άνθρωποι έδιναν ιδιαίτερη σημασία στην ομορφιά του σπιτιού τους και η κατοικία δεν αντιμετωπιζόταν ως εμπόρευμα. Υπάρχουν, όμως, και σπίτια ακαλαίσθητα. Αυτό συμβαίνει κυρίως σε πολλά από τα σπίτια που χτίστηκαν στο δεύτερο μισό του 20ού αιώνα από κατασκευαστές οι οποίοι είχαν ως μοναδικό στόχο τους το κέρδος. Γενικά, η κατοικία, ως κύτταρο της πόλης ή του χωριού, αποτελεί δείγμα του πολιτισμού ενός τόπου. Τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα μίας ηλιακής κατοικίας Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν τα εξής πλεονεκτήματα: • Τεχνολογία φιλική στο περιβάλλον: δεν προκαλούνται ρύποι από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. • Η ηλιακή ενέργεια είναι ανεξάντλητη ενεργειακή πηγή, διατίθεται παντού και δεν στοιχίζει απολύτως τίποτα. • Με την κατάλληλη γεωγραφική κατανομή, κοντά στους αντίστοιχους καταναλωτές ενέργειας, τα Φ/Β συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν χωρίς να απαιτείται ενίσχυση του δικτύου διανομής. • Η λειτουργία του συστήματος είναι ολοσχερώς αθόρυβη. • Έχουν σχεδόν μηδενικές απαιτήσεις συντήρησης. • Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής: οι κατασκευαστές εγγυώνται τα «κρύσταλλα» για 20-30 χρόνια λειτουργίας. • Υπάρχει πάντα η δυνατότητα μελλοντικής επέκτασης, ώστε να ανταποκρίνονται στις αυξανόμενες ανάγκες των χρηστών. • Μπορούν να εγκατασταθούν πάνω σε ήδη υπάρχουσες κατασκευές, όπως είναι π.χ. η στέγη ενός σπιτιού ή η πρόσοψη ενός κτιρίου. • Διαθέτουν ευελιξία στις εφαρμογές: τα Φ/Β συστήματα λειτουργούν άριστα τόσο ως αυτόνομα συστήματα, όσο και ως αυτόνομα υβριδικά συστήματα όταν συνδυάζονται με άλλες πηγές ενέργειας (συμβατικές ή ανανεώσιμες) και συσσωρευτές για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας. Επιπλέον, ένα μεγάλο πλεονέκτημα του Φ/Β συστήματος είναι ότι μπορεί να διασυνδεθεί με το δίκτυο ηλεκτροδότησης (διασυνδεδεμένο σύστημα), καταργώντας με τον τρόπο αυτό την ανάγκη για εφεδρεία και δίνοντας επιπλέον τη
δυνατότητα στον χρήστη να πωλήσει τυχόν πλεονάζουσα ενέργεια στον διαχειριστή του ηλεκτρικού δικτύου, όπως ήδη γίνεται στο Φράιμπουργκ της Γερμανίας. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν τα εξής μειονεκτήματα: Ως μειονέκτημα θα μπορούσε να καταλογίσει κανείς στα φωτοβολταϊκά συστήματα το κόστος τους, το οποίο, παρά τις τεχνολογικές εξελίξεις παραμένει ακόμη αρκετά υψηλό. Μια γενική ενδεικτική τιμή είναι 4000 ευρώ ανά εγκατεστημένο κιλοβάτ (kW) ηλεκτρικής ισχύος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι μια τυπική οικιακή κατανάλωση απαιτεί από 1,5 έως 3,5 κιλοβάτ, το κόστος της εγκατάστασης δεν είναι αμελητέο. Το ποσό αυτό, ωστόσο, μπορεί να αποσβεστεί σε περίπου 5-6 χρόνια και το Φ/Β σύστημα θα συνεχίσει να παράγει δωρεάν ενέργεια για τουλάχιστον άλλα 25χρόνια. Ωστόσο, τα πλεονεκτήματα είναι πολλά, και το ευρύ κοινό έχει αρχίσει να στρέφεται όλο και πιο πολύ στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στα φωτοβολταϊκά ειδικότερα, για την κάλυψη ή την συμπλήρωση των ενεργειακών του αναγκών.
6ο Κεφάλαιο Επιπτώσεις στο περιβάλλον
Περιβάλλον και άνθρωπος είναι δυο διαφορετικές έννοιες σημασιολογικά αλλά είναι αδύνατο να μη συνυπάρχουν. Ο άνθρωπος είναι αναγκασμένος να ζήσει μέσα στο περιβάλλον και γι’ αυτό είναι υποχρεωμένος να είναι φιλικός προς αυτό και να το σέβεται. Γνωρίσαμε τα καταστροφικά αποτελέσματα του μη σεβασμού του περιβάλλοντος. Από την εμφάνισή του πάνω στη γη ο άνθρωπος άρχισε τον αγώνα για τη βελτίωση των συνθηκών της ζωής του. Στο μακρύ όμως αυτό δρόμο, προσπαθώντας να επιτύχει μεγαλύτερη συγκέντρωση αγαθών, ευημερία και πρόοδο δεν τοποθέτησε το Περιβάλλον στη θέση που του ανήκει. Ήδη από την εποχή της γεωργικής επανάστασης αρχίζει η έντονη επέμβαση στο περιβάλλον. Βέβαια, τότε, η επέμβαση δεν μπορούσε παρά να ήταν μικρή, αφού χρησιμοποιούσε πρωτόγονα μέσα και εργαλεία. Τα πράγματα όμως άλλαξαν ραγδαία μετά τη βιομηχανική επανάσταση. Η ανάπτυξη της βιομηχανίας συντέλεσε στη μεγαλύτερη κατανάλωση των φυσικών πόρων. Έτσι άρχισε μια αλόγιστη, απρογραμμάτιστη και μη ορθολογική χρήση κάθε δώρου της φύσης και αποβλέποντας ο άνθρωπος μόνο στα άμεσα οφέλη, μέσα από μια καθαρά ανθρωποκεντρική αντίληψη, παράβλεψε τις μακροχρόνιες συνέπειες. Όμως η φύση “εκδικείται”. Οι συνέπειες της υποβάθμισης του περιβάλλοντος έχουν αρχίσει να γίνονται αισθητές έντονα σε όλους τους τομείς της ζωής μας και το κόστος καλούμαστε όλοι να το πληρώσουμε. Η υπόθεση όμως της προστασίας, της αναβάθμισης και διατήρησης ενός περιβάλλοντος φιλικού για τη ζωή μας πάνω σ’ αυτόν τον πλανήτη δεν ανήκει προνομιακά σε κάποια μερίδα ανθρώπων, που απλά νοιάζονται για ότι υπάρχει γύρω τους, αλλά είναι υπόθεση όλων μας ανεξαιρέτως. Το κοινώς λεγόμενο “Σκέψου Παγκόσμια, δράσε τοπικά” φαίνεται να χαρακτηρίζει για τα επόμενα χρόνια τη φιλοσοφία της περιβαλλοντικής δράσης μέσα από την αίσθηση των παγκοσμίων και των τοπικών περιβαλλοντικών αλλαγών. Η περιποίηση και ο σεβασμός προς το περιβάλλον όχι μόνο θα ωφελήσει τον άνθρωπο αλλά θα επιφέρει πρόοδο και παραπέρα ανάπτυξη του βιοτικού επιπέδου. Φροντίδα και σεβασμός προς το περιβάλλον Το ηλιακό σπίτι σέβεται το περιβάλλον, αγαπά τον πλανήτη και είναι άκρως οικολογικό σπίτι. Λειτουργεί με τη μοναδική δωρεάν διαθέσιμη ενέργεια, την ηλιακή, απόλυτα ανεξάντλητη, απόλυτα φιλική προς το περιβάλλον με σχεδόν μηδενικές απαιτήσεις συντήρησης των συστημάτων.
Τα Φ/Β συστήματα διακρίνονται για την : • αθόρυβη λειτουργία τους • ελάχιστη συντήρηση • μηδενική ρύπανση • διάρκεια ζωής που μπορεί να ξεπεράσει τα 30 έτη • απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα Οι επιπτώσεις τους στο περιβάλλον είναι θετικές. Δεν παράγουν αέρια ή επιβλαβή ακτινοβολία ούτε θόρυβο. Επίσης, κάθε ΜWh από φωτοβολταϊκά σημαίνει αποφυγή έκλυσης περίπου ενός τόνου διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Φωτοβολταϊκά ισχύος 1 KW ισοδυναμούν με 2 στρέμματα δάσους όσον αφορά την αποφυγή έκλυσης διοξειδίου του άνθρακα. Το μόνο μειονέκτημα που θα μπορούσε να καταλογίσει κανείς στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι το κόστος τους.
7ο Κεφάλαιο Τεχνικά – κατασκευαστικά σχέδια
8ο Κεφάλαιο Πορεία εργασίας
Τα στάδια για την ολοκλήρωση της κατασκευής: • Τοποθετήθηκαν οι βίδες πάνω στην ξύλινη βάση για να τοποθετηθεί το σπιτάκι • Συναρμολογήθηκε το σπιτάκι με βίδες και στη συνέχεια τοποθετήθηκε πάνω στη βάση για να σταθεροποιηθεί • Έγινε επάλειψη με κόλλα σε όλη την ξύλινη βάση και τοποθετήθηκε το συνθετικό γκαζόν • Χρωματίστηκε η στέγη του σπιτιού με πινέλα σε κόκκινο χρώμα • Τοποθέτηση και συνδεσμολογία του ηλιακού πάνελ
Χρονοδιάγραμμα εργασιών ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΩΡΕΣ ΕΡΓΑΣΙΑ
1 η
Δημιουργία σχεδίων Συλλογή εργαλείων και υλικών Κατασκευή
2η
3η
x
x
4η
5η
6η
x
x
x
x
7η
8η
9η
10η
11η
12η
9ο Κεφάλαιο Κατάλογος εργαλείων και υλικών • Κατάλογος εργαλείων ΕΡΓΑΛΕΙΑ
ΧΡΗΣΗ
Σετ πινέλα
Για να χρωματίσω τη σκεπή
Βίδες
Για την συνδεσμολογία του σπιτιού
Ένα είδος πριονιού
Για να κόψω τα ξύλα
Κατσαβίδι
Για να βιδώσω τις βίδες
Ξύλα
Για την δημιουργία του σπιτιού
Χάρακα
Για την ακριβής μέτρηση που χρειάστηκε πριν να τοποθετηθούν τα ξύλα
• Κατάλογος υλικών ΥΛΙΚΑ
ΧΡΗΣΗ
Ξύλο νοβοπάν (60Χ60εκ.)
Κατασκευή βάσης μακέτας
Ξύλο μελαμίνης σε χρώμα ξύλου
Κατασκευή του σπιτιού
2
τεμάχια
(30Χ38εκ.)
&
2
τεμάχια
(30Χ20εκ.) Ξύλο MDF
Κατασκευή της ξύλινης στέγης
2 τεμάχια (28Χ34 εκ.) Συνθετικό γκαζόν
Περιμετρικά του σπιτιού
Χρώμα για ξύλινες επιφάνειες (κόκκινο)
Βαφή της στέγης
Κόλλα
Τοποθέτηση συνθετικού γκαζόν
Ηλιακό πάνελ
10ο Κεφάλαιο Κόστος κατασκευής
Α/Α
ΥΛΙΚΟ, ΕΡΓΑΣΙΑ
ΚΟΣΤΟΣ (€)
1 2 3 4 5 6 7 8
Κόστος χρήσης εργαλείων - μηχανημάτων
9
Κόστος της εργασίας που καταβλήθηκε (κόπος) ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ
11ο Κεφάλαιο Βιβλιογραφία και πηγές πληροφόρησης
1. www.pekate.gr/uploads/ekpaideush/gymn_a/03_Ενέργεια_και_ισχύς.pdf
2. https://docplayer.gr/72196281-Ergasia-tehnologias-iliako-spiti-katerina-mpirmpilikostantina-mpreanoy-katerina-mpekri.html 3. https://www.irantousis.gr/01_TEXNOLOGIA_A! _TAKSIS/04_grapti_ergasia_a/15_iliako_spiti.pdf 4. http://ikee.lib.auth.gr/record/136454/files/ΑΥΤΟΝΟΜΟ%20ΗΛΙΑΚΟ%20ΣΠΙΤΙ.pdf