Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα αποτελούν μηχανικές κατασκευές ικανές να συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια, να τη μετατρέπουν σε αξιοποιήσιμη, να αποθηκεύουν τμήμα αυτής και να τη διανέμουν προς χρήση.
Οι κατηγορίες των ενεργητικών ηλιακών συστημάτων είναι οι θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες για παραγωγή θερμικής ενέργειας και τα φωτοβολταϊκά πλαίσια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Θερμικά ηλιακά συστήματα
Τα θερμικά ηλιακά συστήματα συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία, και στη συνέχεια τη μεταφέρουν με τη μορφή θερμότητας σε νερό, σε αέρα ή σε κάποιο άλλο ρευστό. Αποτελούνται από θερμικούς ηλιακούς συλλέκτες και μια δεξαμενή αποθήκευσης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θέρμανση νερού οικιακής χρήσης, για τη θέρμανση και ψύξη χώρων, για βιομηχανικές διεργασίες, για αφαλάτωση, για διάφορες αγροτικές εφαρμογές, για θέρμανση πισίνων και άλλα. Η τεχνολογία που εφαρμόζεται είναι αρκετά απλή και υπάρχουν πολλές δυνατότητες εφαρμογής της σε θερμικές χρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών. Υπάρχουν δύο τύποι θερμικών ηλιακών συστημάτων, τα συστήματα φυσικής κυκλοφορίας και τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας.
Τα συστήματα φυσικής κυκλοφορίας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:
1. Τα ολοκληρωμένα συστήματα συλλέκτη-αποθήκευσης, που αποτελούνται από μια η περισσότερες δεξαμενές αποθήκευσης και τοποθετούνται σε ένα μονωμένο περίβλημα με τη διαφανή πλευρά να βλέπει προς τον ήλιο.
2. Τα θερμοσιφωνικά συστήματα, τα οποία στηρίζονται στη φυσική μεταφορά για την κυκλοφορία του νερού στους συλλέκτες και τη δεξαμενή, η οποία βρίσκεταιπάνω από το συλλέκτη. Καθώς το νερό θερμαίνεται στον ηλιακό συλλέκτη γίνεται ελαφρύτερο και ανέρχεται με φυσικό τρόπο προς τη δεξαμενή αποθήκευσης ενώ το ψυχρότερο νερό της δεξαμενής ρέει μέσω των σωληνώσεων προς το κατώτερο σημείο του συλλέκτη δημιουργώντας κυκλοφορία σε όλο το σύστημα.
Τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας χρησιμοποιούν ηλεκτρικές αντλίες, βαλβίδες και συστήματα ελέγχου για να κυκλοφορήσουν το νερό ή τα άλλα ρευστά μεταφοράς θερμότητας μέσα στους συλλέκτες.
Υπάρχουν δύο τύποι τέτοιων συστημάτων:
1. Τα συστήματα ανοιχτού βρόχου, τα οποία χρησιμοποιούν αντλίες (κυκλοφορητές) για να κυκλοφορήσουν το νερό χρήσης στους συλλέκτες.
2. Τα συστήματα κλειστού βρόχου, που αντλούν το ρευστό μεταφοράς θερμότητας (π.χ. ένα αντιπηκτικό μίγμα γλυκόλης και νερού) μέσα στους συλλέκτες. Η θερμότητα μεταφέρεται μέσω εναλλακτών θερμότητας από το ρευστό στο νερό που αποθηκεύεται στις δεξαμενές.
Τα συστήματα φυσικής κυκλοφορίας είναι γενικά πιο αξιόπιστα, ευκολότερα στη συντήρηση και ενδεχομένως μεγαλύτερης διάρκειας ζωής από τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας.
Εφαρμογές
1. Παραγωγή ζεστού νερού για οικιακή χρήση
Οι ηλιακοί θερμοσίφωνες μπορούν να καλύψουν ένα μεγάλο ποσοστό των αναγκών των νοικοκυριών σε ζεστό νερό χρήσης, μειώνοντας έτσι τις οικιακές δαπάνες σε ενέργεια. Η ποσότητα του ζεστού νερού που αποδίδει η ηλιακή ενέργεια εξαρτάται από τον τύπο και το μέγεθος του συστήματος, το κλίμα και τις συνθήκες ηλιοφάνειας της περιοχής.
Ιδιαίτερα αποδοτικά είναι τα κεντρικά ηλιακά συστήματα, τα οποία εφαρμόζονται σε σύνολα κατοικιών. Αποτελούνται από ένα κεντρικό σύστημα συλλεκτών και μια κεντρική δεξαμενή, η οποία παρέχει ζεστό νερό στις μεμονωμένες κατοικίες μέσω δικτύου αγωγών. Με το σύστημα αυτό η ζήτηση θερμού νερού είναι ομαλότερα κατανεμημένη κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου και έτσι μειώνονται οι θερμικές απώλειες του αποθηκευμένου νερού για την κάλυψη των απαιτήσεων του συνόλου των κατοικιών.
2. Θέρμανση και δροσισμός χώρων
Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης χώρων βασίζονται σε ένα σύνολο επιμέρους συσκευών όπως είναι οι συλλέκτες στέγης για τη συλλογή και τη διανομή της θερμότητας. Χρησιμοποιούν αέρα ή ένα υγρό που θερμαίνεται στους ηλιακούς συλλέκτες και, στη συνέχεια, μεταφέρεται από ανεμιστήρες ή αντλίες με μικρή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας.
Τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης αέρα αποτελούνται από συλλέκτες, ανεμιστήρες, αεραγωγούς και συστήματα ελέγχου, και μπορούν να θερμαίνουν τον αέρα ενός σπιτιού χωρίς εναλλάκτες θερμότητας ή θερμική αποθήκευση. Τα ηλιακά συστήματα θέρμανσης υγρών περιλαμβάνουν τους ηλιακούς συλλέκτες, τιςδεξαμενές αποθήκευσης, τις αντλίες, τις σωληνώσεις, τους εναλλάκτες θερμότητας (στα συστήματα κλειστού βρόχου) και τα συστήματα ελέγχου.
Εξαιτίας της σύμπτωσης στη ζήτηση της ψύξης με τη μέγιστη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία, ο ηλιακός δροσισμός εμφανίζεται ως μια πολλά υποσχόμενη εφαρμογή. Η παλιότερη τεχνολογία κλιματισμού είναι η ψύξη κύκλου απορρόφησης, στην οποία χρησιμοποιείται μια πηγή θερμότητας (π.χ. ένας μεγάλος ηλιακός συλλέκτης) για να εξατμιστεί ένα υπό πίεση ψυκτικό ρευστό από ένα μίγμα ψυκτικού μέσου.
Φωτοβολταϊκά πλαίσια
Πρόκειται για συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια και αρχικά χρησιμοποιήθηκαν για την ηλεκτροδότηση μη διασυνδεδεμένων στο ηλεκτρικό δίκτυο καταναλώσεων. Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν παραδοσιακά τα φωτοβολταϊκά για την ηλεκτροδότησή τους. Στην Ελλάδα, η προοπτική ανάπτυξης και εφαρμογής των Φ/Β συστημάτων είναι τεράστια, λόγω του ιδιαίτερα υψηλού δυναμικού ηλιακής ενέργειας.
Μερικά από τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας των φωτοβολταϊκών είναι:
παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας στο σημείο χρήσης, με αποτέλεσμα τη μείωση των απωλειών στο σύστημα μεταφοράς και διανομής της ενέργειας,
μηδενική ρύπανση της ατμόσφαιρας κατά τη λειτουργία,
μεγάλη διάρκεια ζωής των ηλιακών στοιχείων (περίπου 25 χρόνια),
αθόρυβη λειτουργία,
μηδενικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας,
δυνατότητα ενσωμάτωσης σε οροφές και προσόψεις κτιρίων ως κύρια δομικά στοιχεία,
δυνατότητα επέκτασης του συστήματος ανάλογα με τις ενεργειακές απαιτήσεις.
Ως μειονέκτημα θα μπορούσε να αναφερθεί το κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων, αν και τα τελευταία χρόνια το κόστος των φβ έχει μειωθεί σημαντικά. Ιδιαίτερα σε περιπτώσεις απομακρυσμένων περιοχών ή περιοχών όπου το κόστοςπαραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας είναι υψηλό, τα φωτοβολταϊκά αποτελούν την πλέον τεχνικά αξιόπιστη και οικονομικά αποδεκτή λύση.
Ανάλογα με τη χρήση του παραγόμενου ρεύματος, τα Φ/Β κατατάσσονται σε αυτόνομα και διασυνδεδεμένα συστήματα.
Στα αυτόνομα συστήματα, η παραγόμενη ενέργεια είτε καταναλώνεται επιτόπου τροφοδοτώντας ηλεκτρικές συσκευές (άμεση χρήση), είτε αποθηκεύεται σε συσσωρευτές ώστε να χρησιμοποιηθεί αργότερα (έμμεση χρήση). Τα βασικά μέρη ενός αυτόνομου συστήματος είναι ο πίνακας ελέγχου, ο ρυθμιστής φόρτισης, ο αντιστροφέας και οι συσσωρευτές (Εικόνα 40). Στις περισσότερες περιπτώσεις ενδείκνυται η μετατροπή του συνεχούς ρεύματος (DC) της φβ συστοιχίας σε εναλλασσόμενο (AC), δεδομένης της ευρείας χρήσης των συσκευών με τροφοδοσία 220 VAC και των αυξημένων ενεργειακών απωλειών στη χρήση DC.
Στα διασυνδεδεμένα συστήματα υπάρχει φυσική ένωση με το δίκτυο μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Η σύνδεση αυτή λειτουργεί αμφίδρομα, δηλαδή το σύστημα μπορεί να παρέχει ενέργεια στο δίκτυο ή να απορροφά απ’ αυτό. Τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένα διασυνδεδεμένο σύστημα είναι ο πίνακας ελέγχου, ο αντιστροφέας και ο μετρητής της ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχεται από το δίκτυο.
Υβριδικά Φωτοβολταϊκά / Θερμικά συστήματα
Τα φωτοβολταϊκά μετατρέπουν ένα μικρό μέρος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια (μόνο το 5%-20%, ανάλογα της τεχνολογίας του φωτοβολταϊκού), με το μεγαλύτερο ποσοστό (70%-80%) να μετατρέπεται σε θερμότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας τους, που με τη σειρά της οδηγεί σε μείωση της απόδοσής τους. Το ανεπιθύμητο αυτό αποτέλεσμα μπορεί εν μέρει να αποφευχθεί με την απαγωγή θερμότητας με κυκλοφορία ενός ρευστού, το οποίο εξασφαλίζεται με τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα.
Τα συστήματα αυτά παρέχουν ηλεκτρική και θερμική ενέργεια, επιτυγχάνοντας έτσι ένα υψηλότερο ποσοστό μετατροπής της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Αποτελούνται από φβ στοιχεία συνδυασμένα με συσκευές απαγωγής θερμότητας στις οποίες αέρας ή νερό χαμηλότερης θερμοκρασίας από αυτή των φβ θερμαίνεται ενώ παράλληλα η θερμοκρασία των φβ στοιχείων μειώνεται.
Στα αερόψυκτα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα, τοποθετείται ένας αεραγωγός στην πίσω πλευρά των φωτοβολταϊκών. Αέρας χαμηλότερης θερμοκρασίας από αυτή των φωτοβολταϊκών (συνήθως ο αέρας του περιβάλλοντος) κυκλοφορεί στον αεραγωγό και επιτυγχάνει ψύξη του φβ και συλλογή θερμικής ενέργειας. Έτσι η φωτοβολταϊκή ηλεκτρική απόδοση διατηρείται σε ικανοποιητικό επίπεδο και η θερμική ενέργεια που συλλέγεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις θερμικές ανάγκες του κτιρίου.
Στα υγρόψυκτα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα, το υγρό απολαβής της θερμότητας, που είναι συνήθως νερό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για προθέρμανση δεξαμενής αποθήκευσης νερού και ηλιακοί συλλέκτες να χρησιμοποιηθούν για την κύρια θέρμανση. Έτσι μπορούν να καλυφθούν οι ανάγκες σε ζεστό νερό χρήσης του κτιρίου.
Τα υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα διαχωρίζονται σε συστήματα χαμηλών, μέσων και υψηλών θερμοκρασιών. Οι εφαρμογές των χαμηλών θερμοκρασιών, μέχρι περίπου τους 45 °C, αφορούν την προθέρμανση νερού, τη θέρμανση νερού για κολυμβητικές δεξαμενές και για εφαρμογές σε συνδυασμό με αντλία θερμότητας. Οι εφαρμογές των μέσων θερμοκρασιών σχετίζονται με τη θέρμανση νερού μεταξύ 45 °C και 65 °C για κάλυψη αναγκών θερμού νερού οικιακής χρήσης, θέρμανση χώρων και άλλες ενεργειακές ανάγκες. Τα συστήματα που θερμαίνουν νερό πάνω από 65 °C μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ψύξης χώρων και βιομηχανικές εφαρμογές, αλλά δεν έχουν γίνει τέτοιες χρήσεις μέχρι τώρα.