Ηλιακοί Αεροηλεκτρικοί Σταθμοί με αιωρούμενες ηλιακές καμινάδες

1. Ηλιακοί Αεροηλεκτρικοί Σταθμοί με αιωρούμενες ηλιακές καμινάδες Μία επαναστατική, απλή και οικονομικά ανταγωνιστική ηλιακή τεχνολογία με την οποία μπορεί να αντιμετωπίστει το φαινόμενο των κλιματικών αλλαγών καθ. ΧρήστοςΠαπαγεωργίου Ε.Μ. Πολυτεχνείο www.floatingsolarchimney.gr / www.matineeenergy.com

2. 1. Το ενεργειακό πρόβλημα • Είμαστε κοντά στο τέλος του πετρελαίου; • Η ενεργειακή ζήτηση θα διπλασιαστεί στα επόμενα 30 χρόνια • Αναπόφευκτη αύξηση τιμών του πετρελαίου • Αβεβαιότητα για τη κάλυψη των ενεργειακών αναγκών • Διεθνής ένταση

3. 2. Το πρόβλημα του περιβάλλοντος • Το πρόβλημα της υπερθέρμανσης του πλανήτη • Ακολουθώντας την τρέχουσα πορεία, οι εκπομπές CO2 θα διπλασιαστούν σε 30 έως 40 χρόνια, παρ’ όλο το πρωτόκολλο του ΚΥΟΤΟ • Οι ενεργειακές ανάγκες της Κίνας και Ινδίας κάνουν την κατάσταση χειρότερη.

4. 3.Ενδεικτική εικόνα ενός κυκλικού αεροηλεκτρικού σταθμού

5. 4. Τα κύρια μέρη ενός ηλιακού αεροηλεκτρικού σταθμού Ο Ηλιακός αεροηλεκτρικος σταθμός αποτελείται απο: • Ενα ηλιακό συλλέκτη με διαφανή οροφή, λίγα μέτρα πανω από το έδαφος, ανοικτο σε καποια εξωτερική πλευρά του (θερμοκήπιο). • Μια κυλινδρική κατασκευή συνήθως στο κέντρο του θερμοκηπίου πού απάγει τον αέρα που θερμαίνεται σε αυτό(ηλιακή καμινάδα). • Ενα σύνολο απο αεροστροβίλλους συνδεδεμένους με ηλεκτρικές γεννήτριες γύρω από την ηλιακή καμινάδα, που περιστρέφονται παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια χάρις στο κινούμενο ρεύμα του αέρος που απάγει η ηλιακή καμινάδα(Στροβιλογεννήτριες).

6. 5.Οι ηλιακοί αεροηλεκτρικοί σταθμοί δεν λειτουργούν όπως οι ανεμογεννήτριες. • Αν και δημιουργείται στο εσωτερικό του ηλιακού συλλέκτη τεχνητός άνεμος, από την περιφέρεια προς το κέντρο του, οι ηλιακοί αεροηλεκτρικοί σταθμοί δεν είναι παρόμοιοι με τις ανεμογεννήτριες. • Οι αεροηλεκτρικοί σταθμοί δεν μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του αέρα σε περιστροφική ενέργεια. • Με τους αεροστρόβιλους τους μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια του θερμού αέρα από την άνωση του σε περιστροφική ενέργεια.

7. 6.Οι ηλιακοί αεροηλεκτρικοί σταθμοί είναι παρόμιοι με τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς • Οι ηλιακοί αεροηλεκτρικοί σταθμοί λειτουργούν με την δυναμική ενέργεια της άνωσης του ελαφρύτερου θερμού αέρα του θερμοκηπίου και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με τους αεροστροβίλους τους. • Γιαυτό είναι παρόμοιοι με τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς, οι οποίοι λειτουργούν με την δυναμική ενεργεια της βαρύτητας του νερού στο υδάτινο φράγμα παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια με τους υδροστροβίλους τους. • Και στους δύο αυτούς σταθμούς η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ανάλογη του ύψους (φράγματος η καμινάδας). • Γι’ αυτό ονόμασα τους σταθμούς αυτούς: Ηλιακούς Αεροηλεκτρικούς Σταθμούς

8. 7. Η αιωρούμενη ηλιακή καμινάδα • Η αιωρούμενη ηλιακή καμινάδα γίνεται απο ένα σύνολο διαδοχικών κυλινδρικών δακτυλίων- σωλήνων όπως δείχνεται στην εικόνα. • Οι δακτύλιοι αυτοί είναι ελαφρύτεροι του αέρα χάρις στα μπαλόνια που φέρουν στο εσωτερικό τους,γεμάτα με ανυψωτικό αέριο (He ή ΝΗ3). • Ο υπόλοιπος χώρος τους έχει πεπιεσμένο αέρα ώστε να διατηρούν το σχήμα τους.

9. Direction of Wind Main Chimney made of parts Heavy Mobile Base ChimneySeat Folding Lower Part 8. Ενδεικτικό διάγραμμα αιωρούμενης ηλιακής καμινάδας • Ο ελαφρύτερος του αέρα κύλινδρος προσδένεται σε μια βαριά διμερή βάση με ένα αναδιπλούμενο πέρας. • Η βαριά διμερής βάση μπορεί να ανακλίνεται δίνοντας στην καμινάδα την ιδιότητα της κάμψης υπό την επήρεια εξωτερικών ανέμων. • Το αναδιπλούμενο τμήμα στο πέρας της (τύπου ακορντεόν) ξεδιπλώνεται εν μέρει,όταν η καμινάδα αποκλίνει υπό την επήρεια των ανέμων εμποδίζοντας τον θερμό αέρα να διαφύγει από τη βάση • Ετσι ο θερμός αέρας απάγεται προς την κορυφή της καμινάδας προς ανώτερα και ψυχρότερα στρώματα της ατμόσφαιρας

10. Fabric Tube Balloon with Light gas Compressed air 9. Η τομή ενός τμήματος του κορμού αιωρούμενης ηλιακής καμινάδας

11. Fabric Tube Balloon with Light gas Compressed air Inner Fabric 10.Η τομή τμήματος του κορμού ηλιακής καμινάδας με διπλό τοίχωμα

12. 11. Η τομή ενός μικρού τμήματος του κορμού της ηλιακής καμινάδας και της βάσης της

13. 12. Ο κορμός αρχίζει να κάμπτεται υπό την επήρεια εξωτερικού ανέμου Wind direction

14. 13.Η ημερήσια λειτουργία αεροηλεκτρικού σταθμού

15. 14.Επίδραση του ύψους της ηλιακής καμινάδας επί της ετήσιας απόδοσης

16. 15. Η συμπεριφορά ενός αεροηλεκτρικού σταθμού με αιωρούμενη ηλιακή καμινάδα ύψους 500m έως 1500m • H απόδοση τους(για ύψη 500-1500 m) είναι περίπου 0.5% - 1.8%, συμπεριλαμβανομένης και της νυχτερινής λειτουργίας τους. • Η ετήσια παραγωγή ενέργειας υπερβαίνει τα3200 KWh ανά KW • Δηλαδή αν και ο ηλιακός αεροηλεκτρικός σταθμός εργάζεται συνεχώς δεν παράγονται 8760KWh ανά KW • Αυτό ωφείλεται στο γεγονός ότι η ετήσια και ημερήσια παραγωγή ακολουθεί την μέση ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, γιαυτό καί η ονομαστική ισχύς του ηλιακού αεροηλεκτρικού σταθμού πρέπει να είναι περίπου 2.7 φορές μεγαλύτερη της μέσης παραγώμενης ισχύος του.

17. 16.Αντιμετώπιση των ανέμων Η γωνία ισορροπίας της αιωρούμενης ηλιακής καμινάδας

18. 17.Ελάττωση του ενεργού ύψους αιωρούμενης ηλιακής καμινάδας για μέση ταχύτητα ανέμου Για Vav=5m/sec και k=2 ελάττωση ύψους ~10 %

19. 18. Κόστος κατασκευής ηλιακού αεροηλεκτρικού σταθμού στην Ελλάδα • Εκτιμώμενο κόστος ηλιακού συλλέκτη από γυαλί 8 EURO ανά τ.μ..Εάν χρησιμοποιηθεί πλαστικό διαφανές το κόστος μπορεί να μειωθεί σημαντικά (έως 50%). • Κόστος Αεροστρόβιλων, Μειωτήρων, Ηλεκτρικών Γεννητριών, Μετ/τών,ηλεκτρικών κ.λπ. 250-300 EURO ανά KW • Κόστος Αιωρούμενης Ηλιακής καμινάδας 100-120 EURO ανά (Η Χ d)

20. 19. Μέγιστο Κόστος κατασκευής του πρώτου ηλιακού αεροηλεκτρικού σταθμού4 MW στην Κρήτη • Εκτιμώμενο κόστος ηλιακού συλλέκτη επιφάνειας 1000-1200 στρεμμάτων5-10εκατ. EURO • Κόστος Αεροστρόβιλων, Μειωτήρων, Ηλεκτρικών Γεννητριών, Ηλεκτρικών κ.λπ. 1.0-1.5 εκατ EURO • Κόστος Αιωρούμενης Ηλιακής καμινάδας ύψους 600-650 μ. Διαμέτρου 40 μ.2-3 εκατ. EURO • Συνολικό μέγιστο κόστος με εργολαβικό ώφελος και απρόβλεπτα 15 εκατ. EURO • Παραγωγή σταθμού 12-15 εκατ. KWh/έτος • Ακαθάριστα εσοδα 3.2-4.0 εκατ. EURO/έτος Το κόστος των μελλοντικών μεγάλων ηλιακών αεροηλεκτρικών σταθμών εκτιμάται ότι μπορεί να κατέβει στα 1000 EURO/KW

21. 20. Για την κάλυψη της ζήτησης της παγκόσμιας ενέργειας • Η ετήσια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας είναι σήμερα περίπου ~1.2*10^8 GWh, παράγοντας 26 billion tonnes CO2 • Η κατανάλωση αυτή θα διπλασιαστεί τα επόμενα 30 χρόνια. • Οι ηλιακοί αεροηλεκτρικοί σταθμοί συνδυαζόμενοι με τις άλλες ανανεώσιμες τεχνολογίες μπορούν να καλύψουν τις επιπλέον ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια και καύσιμα μεταφοράς σταθεροποιώντας τις εκπομπές CO2στο όποιο ασφαλές επιθυμητό επίπεδο για τον πλανήτη μας.

22. 21.Επενδύσεις για την κάλυψη της παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικήςενέργειας • Μια λογική επιλογή, που θα εξασφάλιζε την βιώσιμη ανάπτυξη του πλανήτη μας, μπορούσε να ήταν για τα επόμενα 30 χρόνια να κατασκευάζουμε κάθε χρόνο ηλιακούς αεροηλεκτρικούς σταθμούς ισχύος150 GW. • Η ετήσια επένδυση για την επιλογή αυτή δεν θα υπερέβαινε τα 150 δις EURO/έτος (περίπου το 50% των επενδύσεων που προβλέπεται να γίνουν ούτως η άλλως στην ηλεκτρική ενέργεια) • Η αναγκαία έκταση κάθε χρόνο είναι ~ 15000 sq Km (122 Km X 122 Km), η συνολική έκταση των 30 ετών, για ολόκληρο τον πλανήτη, θα ήταν της τάξεως των 450000 sq Km (670 Km X 670 Km)

23. 22. Συμπεράσματα • Οι ηλιακοί Αεροηλεκτρικοί σταθμοί με αιωρούμενες ηλιακές καμινάδες είναι μια απλή και φθηνή τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. • Η τεχνολογία αυτή είναι μια απολύτως φιλική τεχνολογία προς το περιβάλλον, που ακολουθεί σταθερά και συνεχώς την ηλιακή ακτινοβολία (άμεση και έμμεση), και χάρις στη θερμική αποθηκευτική ικανότητα του εδάφους μπορεί να δουλεύει σε 24ωρη βάση.

24. 23. Συμπεράσματα • Η ηλιακή αυτή τεχνολογία είναι οικονομική και οι σταθμοί της πού λειτουργούν συνεχώς μπορούν να αντικαταστήσουν καρβουνικούς σταθμούς και μπορούν ευκολα να κατασκευαστούν σε κάθε ήπειρο • Με την μαζική εφαρμογή της τεχνολογίας των ηλιακών αεροηλεκτρικών σταθμών μπορεί να γίνει η αρχή του τέλους της χρήσης των επιβλαβών καυσίμων για το περιβάλλον ώστε να αποφύγουμε την υπερθέρμανση του πλανήτη μας. • Η τεχνολογία αυτή μπορεί να γίνει το κύριο όχημα προς την εποχή του ηλεκτρισμου και του υδρογόνου για τις μεταφορές.