olar

nergy aboratory

Physics DepartmentUniversity of Patras

Έρευνα και Διδασκαλία στον κλάδο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών από το 1975 ως σήμερα

Καθηγητης Παναγιώτης Γιαννούλης

ΔΙΗΜΕΡΙΔΑ Διδασκαλία Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας με χρήση Εικονικής Πραγματικότητας

24-25 ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2014

olar

nergy aboratory

Ενέργεια

1. Πηγές Ενέργειας (ανανεώσιμες/ ήπιες, πυρηνική…)2. Μετατροπή Ενέργειας (ηλεκτρισμός, υγρά/ αέρια καύσιμα…)3. Μεταφορά Ενέργειας (υπεραγωγιμότητα, υδρογόνο, heat pipes)4. Αποθήκευση Ενέργειας (θερμοχημεία, συσσωρευτές…)5. Εξοικονόμηση Ενέργειας (smart windows, παθητικά συστήματα…)

Επιπτώσεις● Θερμική μόλυνση● CO2 (φαινόμενο θερμοκηπίου)● Στρώμα O3 ● Χημική μόλυνση● Θόρυβος● Πυρηνικά ατυχήματα/ ραδιενέργεια

olar

nergy aboratory

ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ρυθμός Ενέργειας [kWh/year ]

Ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται από τη γη ~ 10 18

Γεωθερμία ~ 3×10 14

Παλίρροιες ~ 3×10 13

Έμμεσες μορφές ηλιακής ενέργειας

Φωτοσύνθεση (βιομάζα) ~ 8×10 14

Κινητική ενέργεια (συνολική αιολική και ενέργεια κυμάτων) ~ 2×10 17

Εξάτμιση νερού στην ατμόσφαιρα ~ 2,9×10 17

Συνολική υδροδυναμική ενέργεια. ~ 7,8×10 13

Εκμεταλλεύσιμη υδροδυναμική ενέργεια ~ 2,5×10 13

Θερμική ενέργεια ωκεανών (μεταβολή θερμοκρασίας με το βάθος) ~ 2×1012

olar

nergy aboratory

Ερευνητική δραστηριότητα για την αξιοποίηση των

ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

● Ηλιακά Ενεργητικά Συστήματα

● Παθητικά Συστήματα

● Φωτοβολταϊκά

● Στοιχεία καυσίμου (Fuel Cells)

● Αιολική Ενέργεια

● Βιομάζα

● Εξοικονομιση Ενέργειας

olar

nergy aboratory

Σήμερα στηριζόμαστε στην εντατική χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας και των υγρών καυσίμων για μεταφορές.

Ως πηγή ενέργειας χρησιμοποιούνται κυρίως τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία είναι αποθηκευμένη χημική ενέργεια που έχει παραχθεί από την ηλιακή ακτινοβολία σε χρονικό διάστημα εκατομμυρίων ετών με τη βοήθεια γεωλογικών φαινομένων κάτω από ευνοϊκές φυσικοχημικές συνθήκες και μεταβολές.

Η πυρηνική ενέργεια η οποία ελευθερώνεται κατά την αλληλεπίδράση σωματιδίων και πυρήνων, ή σωματιδίων μέσα στον πυρήνα έχει μικρή συμμετοχή στο ενεργειακό ισοζύγιο. Πυρηνικές διεργασίες που μας ενδιαφέρουν από πλευράς ενέργειας είναι η σχάση και η σύντηξη.

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν έχουν αξιοποιηθεί σε σημαντικό βαθμό, παρά τις υποδείξεις της επιστημονικής κοινότητας σχετικά με την ευεργετική επίπτωση στο περιβάλλον (μείωση εκπομπών αερίων θερμοκηπίου και άλλων).

olar

nergy aboratory

olar

nergy aboratory

Physics DepartmentUniversity of Patras

Φωτοβολταϊκές (Φβ) Τεχνολογίες

Μονοκρυσταλλικά Πυριτίου (c-Si)

Πολυκρυσταλλικά Πυριτίου (poly-Si)

Αμόρφου Πυριτίου (a-Si:H), Μικροκρυσταλλικό

Άλλα Πολυκρυσταλλικά Φβ GaAs (III-Vs)

Thin films Cu(In, Ga) (Se, S)2 CdTe/CdS

Μονοκρυσταλλικά Πυριτίου Ανώτατη Απόδοση ~ 29%

Εμπορικά διαθέσιμα με Απόδοση 24%

olar

nergy aboratory

olar

nergy aboratory

olar

nergy aboratory

olar

nergy aboratory

Μετατροπή με ενδιάμεσο Θερμικό μετασχηματισμό

olar

nergy aboratory

olar

nergy aboratory

Κατηγορίες φ/β συστημάτων ·   Αυτόνομο σύστημα: Το σύστημα αποτελείται από συστοιχία φ/β στοιχείων, ηλεκτρονικό σύσημα ελέγχου και μπαταρίες με δυνατότητα παροχής συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος με χρήση αντιστροφέα.

·  Σύστημα συνδεδεμένο με το δίκτυο: Το σύστημα αποτελείται από συστοιχία φ/β στοιχείων τα οποία μέσω αντιστροφέα συνδέονται με το ηλεκτρικό δίκτυο. Το δίκτυο χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας.

·   Υβριδικό σύστημα: Αυτόνομο σύστημα που αποτελείται από φ/β panel που λειτουργούν μαζί με άλλες πηγές ενέργειας (π.χ. σε συνδυασμό με ανεμογεννήτρια).

  Σύστημα μικρής ισχύος: Τοποθετείται σε κτίσματα που διαθέτουν ενεργητικά ή παθητικά ηλιακά συστήματα. Για τη λειτουργία αντλιών ή ανεμιστήρων συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιούνται για την κυκλοφορία του αέρα ή του νερού στους ηλιακούς συλλέκτες. Ενσωματωμένος ρυθμιστής ισχύος σταματά την λειτουργία του συστήματος, όταν η ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί. π. χ. πλαίσιο, με ανεμιστήρα που το χειμώνα βοηθά την κυκλοφορία του ζεστού αέρα από ένα θερμοκήπιο στο υπόλοιπο κτίριο ή τον αερισμό των υπερθερμαινόμενων χώρων το καλοκαίρι.

olar

nergy aboratory

Ισοδύναμο κύκλωμα Φβ στοιχείου

olar

nergy aboratory

Current–voltage characteristic of a c-silicon solar cell

olar

nergy aboratory

I-V και Ισχύς Φβ συστήματος

olar

nergy aboratory

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

olar

nergy aboratory

olar

nergy aboratory

CdTe/CdS solar cells

TCO

CdTe, 3μm

CdS, 0.1μm

Glass Substrate

ILLUMINATION

olar

nergy aboratory

Physics DepartmentUniversity of Patras

CdS, 3μm

Cu xS, 0.1μm

Glass Substrate

ElectrodesAu or Ni-Cr

ILLUMIN AT ION

TCO

CdTe, 3μm

CdS, 0.1μm

Glass Substrate

ILLU MIN AT ION

CuxS/CdS

CdTe/CdS

CuxS/CdS

olar

nergy aboratory

Οργανικά φωτοβολταϊκά (organic solar cells)

φωτοβολταϊκά με νανοσωματίδια ημιαγωγών ευρέως χάσματος (TiO2)

olar

nergy aboratory

Dye-sensitized Solar Cells

olar

nergy aboratory

P3HT:PCBM devices

olar

nergy aboratory

Quantum Dot PV

● Possible application of Quantum Dots and very thin PV solar energy converters.

● Confinement increases the energy gap of a semiconductor nanocrystal. (In QM decreased size increases the energy gap of a quantum dot).

● Maximum spectral utilization.

olar

nergy aboratory

Πλεονεκτήματα των φ/β ● Δεν έχουν κινούμενα μέρη● Σταθερή απόδοση για μικρά και μεγάλα συστήματα● Τα φ/β συστήματα δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον, δεν προκαλούν θόρυβο● Κατάλληλα για κάλυψη μικρών φορτίων σε απομακρυσμένες περιοχές.● Μεγάλος λόγος ισχύος προς βάρος (σημαντικό για τις διαστημικές εφαρμογές)● Τα φ/β συστήματα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής● Είναι ανεξάρτητα από καύσιμα και δίκτυα διανομής● Απλότητα και ασφάλεια● Αφθονία πρώτης ύλης (Si)

η τεχνολογία της φ/β μετατροπής, όπως και οι περισσότερες τεχνολογίες αξιοποίησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, εμφανίζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τα οποία κάνουν δύσκολη τη σύγκριση με τις συμβατικές τεχνολογίες π.χ. δεν λαμβάνεται υπόψη το κόστος στο περιβάλλον από τις κοινές τεχνολογίες.

olar

nergy aboratory

Physics DepartmentUniversity of Patras

The HERMES solar car

Si cells of 20% efficiency are commonly considered as the most cost effective option for use in solar cars

The solar car HERMES was developed for the Phaethon 2004 solar car race

olar

nergy aboratory

Experimental: Methods

Glass Cover Substrates

Quartz Crystal

L-gasket

Pressure Gauge

Shutter

to Vacuum Pumps

Base

Vacuum Chamber

High-Voltage Electrodes

Water FlowClucible

PirraniPenning

Fore-Vacuum

Mechanical Pump

Gass

Liquid Nitrogen Trap

Valve

Turbomolecular Pump

Strangulation Valve

3-way Valve

The Vacuum Chamber System

olar

nergy aboratory

0

20

40

60

80

100

400 450 500 550 600 650 700 750 800Μήκος κύματος [nm]

Διαπ

ερατ

ότητ

α [%

]

0

20

40

60

80

100

Ευα

ισθη

σία

ανθρ

ώπι

νου

ματι

ού [%

]

Ευαισθησία ανθρώπινου ματιού

Αρχική κατάσταση

Τελική κατάσταση

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

olar

nergy aboratory

olar

nergy aboratory

olar

nergy aboratory

Advantages of electrochromic windowsAdvantages of electrochromic windows

reduction of cooling, heating and ventilating loads reduction of electric lighting use by managing daylight admittance

do not impede visibility

provide glare control and thermal comfort management

have no moving parts resulting to minimum maintenance costs

require low voltage power supply

can be integrated into the central power management of the building

have practically infinite coloration stages

can block both direct and diffuse solar radiation

have low energy consumption (typically 8 W/m2)

energenergy savingy saving benefits benefits

olar

nergy aboratory

Cyclic votammograms of EC devices

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600

Applied Voltage (mV)

Textured WO3 - No Ion Storage"Flat" WO3 - No Ion Storage"Flat" WO3 - LiyV2O5

Cur

rent

den

sity

(mA

/cm

2)

Cell EMF and Diffusion coefficient vs x in LixWO3

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

x in LixWO3

E

MF

(Vo

lt)

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

Diffu

sion

Co

efficient (cm

2/s)

Textured WO3 - No Ion Storage 'Flat' WO3 - No Ion Storage

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000Voltage [mV]

Cur

rent

Den

sity

[m

A/c

m2 ]

-5000

0

5000

10000

15000

20000

Mas

s C

hang

e [μ

g]

0

10

20

30

40

50

60

70

400 500 600 700 800λ [nμ]

Tra

nsm

itta

nce

as prep. (63.43%)2 min (37.35%)4 min (20.12%)6 min (10.88%)8 min (5.17%)10 min (1.96%)

Cyclic Voltammetry

Electrochemical Quartz Crystal Microbalance

Optical measurements

Galvanostatic Intermittent Titration

Experimental techniques usedExperimental techniques used

olar

nergy aboratory

Cycling reversibility testing of prototypesCycling reversibility testing of prototypes

Various coloration/bleaching scenarios have been employed.

In principle galvanostatic coloration galvanostatic coloration ensures no trapped charge during the coloration/bleaching cycle. We observed high overvoltage

bleaching values resulting to degradation of the devices.

Potentiostatic coloration Potentiostatic coloration was used in prototypes accepting that an amount of charge would be trapped after each cycle.

Galvanostatic colorationGalvanostatic coloration Potentiostatic colorationPotentiostatic coloration

- 5

- 4

- 3

- 2

- 1

0

1

2

3

4

5

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0

T i m e ( m i n )

Appli

ed Vo

ltage

(Volt)

- 0 . 7

- 0 . 5

- 0 . 3

- 0 . 1

0 . 1

0 . 3

0 . 5

0 . 7

Current pulse (mA/cm2)

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6 7

Time (min)

Ap

pli

ed

Vo

lta

ge (

Vo

lt)

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

Cu

rre

nt p

ulse

(mA

)

Coloration onset

Equilibrationvoltage

Initialbleaching

stages

Application of high voltage

Safe voltagelimits

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Time (min)

App

lied

Vol

tage

(V

olt)

-0.7

-0.5

-0.3

-0.1

0.1

0.3

0.5

0.7

Current pulse (m

A/cm

2)

> 90% of thebleaching

olar

nergy aboratory

Coloration Efficiency of EC devices at 532 nm

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

x in LixWO3

CE

(cm

2/C

)

ION STORAGE LAYERS:

No Ion StorageV2O5

LiyV2O5 Vacuum dopedLiyV2O5 Electrochemically doped

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Wavenumber [cm-1]

Abs

orba

nce

[a.u

.]

as-preparedafter 9 days in atmosphereafter 30 days in atmosphere

1400-1700 cm-1: Deformation modes of molecular

H2O

CO2

2800-3800 cm-1 :O-H streching modes

Change in the optical density of EC devices. Coloration: 3 Volt, 30 sec

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

λ (nm)

Δ O

D

EC Device Characteristics:

WO3 - LiyV2O5

WO3 - No Ion Storage

ZnS / Ag / ZnS TC - No Ion Storage (Measured)

ZnS / Ag / ZnS TC - No Ion Storage (Optimum)

Optical density

FTIR SEM

Coloration Efficiency

Experimental techniques usedExperimental techniques used

olar

nergy aboratory

MaterialPreparation

methodThickness

(nm)Coloration

type

Chargecapacity

(mC/cm2)

Luminoustransmittance (%)(Bleached/Colored)

StabilityDurability

WO3

e-gun,sputtering,

sol-gel350-500 Cathodic 20 – 40 80 / 10

Stable, more than 5.000voltammetric cycles

EC

laye

r

MoO3

Thermal evap.,sputtering,

sol-gel300-400 Cathodic ~ 20 85 / 20

Unstable above 5.000cycles

SnO2:F Spray pyrolysis >1000 N/A N/A ~90Hard coating, stable up to

350 °CIn2O3:Sn Spray pyrolysis >1000 N/A N/A ~90 Hard coating, stable

TC

ZnS/Ag/ZnSe-gun,

sputtering,40/10/40 N/A N/A ~85

Soft coating, stable up to250°C, optical

interference problems

V2O5

e-gun,sputtering,

sol-gel300 - 500 Anodic 30 (maximum) 70 / 60

Sol-gel films are unstabledue to phase transitions

CeO2 - TiO2Sputtering

sol-gel150 – 450 Passive 20 – 50 80

10% reduction of chargecapacity after 300 cycles

NiOSputtering(low yield)

400 Anodic 1 70 / 50 Stable, 1200 cycles

CeO2

e-gun,sputtering,

sol- gel150 – 500 Passive 10 90 Stable

Ion

stor

age

– pr

otec

tive

laye

r

MgF2e-gun,

sputtering150 – 200 Passive 5 95 Stable, optically neutral

Properties of materials suitable for Properties of materials suitable for the electrochromic devices the electrochromic devices

olar

nergy aboratory

Υμένια WO3 με διαμορφωμένη επιφάνεια.

ΗΕΔ και συντελεστής διάχυσης ηλεκτροχρωμικών συσκευών

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Παράμετρος παρεμβολής x σε LixWO3

Η

ΕΔ

(Vo

lt)

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

Συντελεσ

τής δ

ιάχυσ

ης (cm

2/s)

WO3 με διαμορφωμένη επιφάνεια WO3 με 'επίπεδη' επιφάνεια

Υμένιο WO 3

Υπόστρωμα

olar

nergy aboratory

MethodologyMethodology

Life Cycle Assessment (LCA)

Eco-efficiency Analysis (EEA)

Environmental – economic – Environmental – economic – energy evaluation and energy evaluation and

optimisation of the productoptimisation of the product

Raw materials production

Fabrication

Energy saved

Operation

Rawmaterials

Emissions

Energy used

EC prototype inventory analysisEco-efficiency indicatorsEco-efficiency indicators

economic aspect value unitindicator = ,

environmental aspect burden unit

olar

nergy aboratory

Heating dominatedHeating dominatedHeating dominatedHeating dominated

Cooling dominatedCooling dominatedCooling dominatedCooling dominated

ModerateModerateModerateModerate

44%33%

23%

EC DGss DG

38%30% 27%

EC DGss DG

56%

39%

12%EC DGss DG

The energy gains from the implementation of electrochromic windows in buildings depend on

various parameters, such as: window window orientationorientation, geographic location geographic location and mostly the climatic type climatic type of the area.

Commonly used terms are cooling and heating dominated zones, implying areas that buildings mostly spend

energy for cooling or heating respectively throughout the year. In

moderate climate areas mixed heating and cooling loads are supposed.

An assessment of the energy saving profile of an electrochromic window

has been carried out for implementation in an office building in Greece .

Implementation in buildingsImplementation in buildings

olar

nergy aboratory

raw mat. fabrication operation cooling sav. heating sav.-200

-100

0

100

200

300

4000

4500

5000

55005230.7

377.3

-3.3-108.1-72.1

Ene

rgy

[MJ/

EC

uni

t]

The total energy for the production is 180.2 MJ180.2 MJ

The energy for the operation for 25 years will

be 3.3 MJ3.3 MJ.

The maximum energy gain (cool. dom. zone) can

reach the 5608 5608 MJMJ

The total energy spent during the device lifecycle are 183.5

MJ. 98.2% are attributed to the

production processes and only 1.8% to the operation phase.

The energy saving is accomplished through the reduction in heating and cooling loads and varies

(depending on the climatic region) from 4400 to 5600

MJ.

Energy balanceEnergy balance

olar

nergy aboratory

Fuel cells: The SOFC

Major Parts of IT-SOFC

AnodeNiO / YSZΝi-(CeO2 ντοπαρισμένο με 20% Sm2O3) (Ni-SDC)

ElectrolyteYSZ (ZrO2 – Y2O3)CeO2 – Ln2O3 (Ln: Sm, Gd, Y)LaGaO3 ντοπαρισμένα με Sr, Mg (LSGM)

CathodeLa1-xSrxMnO3

olar

nergy aboratory

Παραγωγή Υδρογόνου από νανοδομημένα ηλεκτρόδιαΠαραγωγή Υδρογόνου από νανοδομημένα ηλεκτρόδια

Πειραματική διάταξη ηλεκτρολυτικής παραγωγής

Υδρογόνου

Λεπτό υμένιο Ni-Fe-Zn σε υπόστρωμα StS 304

Πειραματική διάταξη ηλεκτροχημικής εναπόθεσης

λεπτών υμενίων

Λεπτό υμένιο Ni-Mo-Zn σε υπόστρωμα StS 304

Είδη υποστρωμάτων (StS 304, Carbon rod, Cu & Pt wires, Cu

& Pt plates, Ti)

olar

nergy aboratory

2H

el

W nHn= =

W VIt

Τυπικό διάγραμμα Tafel n=f(logI)

1

22

k

adskH O M e MH OH

2

22 2

k

ads kMH H O e M H OH

2

222 2

k

ads kMH M H

αντίδραση Volmer

αντίδραση Tafel

αντίδραση Heyrovsky

olar

nergy aboratory

SEM micrographs of Ni-Co-Fe-Zn electrodeposit at 100mA/cm2 current density and pH=0.5

SEM micrographs of Ni-Co-Zn electrodeposit at 250mA/cm2 current

density and pH=3.6

SEM micrographs of Ni-Mo-Zn electrodeposit at 250mA/cm2 current density and pH=5.5

Vμέσο

(ml)

Υπερδυναμικό(mV)

Κλίση Tafel(mV/dec)

Πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής(mA/cm2)

NiFeZn 8,93 302 408 15,8

NiCoZn 18,0 190 345 22,7

NiCoFeZn 21,4 170 316 23,9

NiMoZn 23,9 157 314 25,1

● Ni-Co-Fe-Zn

● Ni-Co-Zn

● Ni-Mo-Zn

● Co-Mo-Zn

SEM micrographs of Co-Mo-Zn electrodeposit at 500mA/cm2

olar

nergy aboratory

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