Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΟΡΩΝ

(ΣΤ’ εξάμηνο)

Ασκήσεις Πράξης

Καθηγήτρια : Δρ. Αποστολίδου Ελένη

ΕΝΟΤΗΤΑ 1 : ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

ΑΣΚΗΣΗ 1

Ας θεωρήσουμε το πιστοποιητικό του PV – πλαισίου της εταιρείας BP τα

στοιχεία BP275 που δείχνει το σχήμα 1. Ποια η τιμή του συντελεστή πλήρωσης FF;

Σχήμα 1:Χαρακτηριστική του PV – πλαισίου BP275 με ένταση προσπίπτουσας

ακτινοβολίας IT=1000W/m2 .

1

ΑΣΚΗΣΗ 2

Πόση είναι η ονομαστική απόδοση ενός PV – πλαισίου , όπως αυτό της

προηγούμενης άσκησης, για την μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική;

Υποθέτουμε ότι η προσπίπτουσα στο PV – πλαίσιο, ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας

είναι ίση με 1000W/m2 και οι διαστάσεις του PV – πλαισίου 118,8cm μήκος και 53cm

πλάτος.

ΑΣΚΗΣΗ 3

Γνωρίζουμε ότι η απόδοση του PV πλαισίου που μελετήσαμε προηγουμένως, στην

Άσκηση 2, είναι 11.6% και ότι η μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε

PV – πλαίσιο τοποθετημένο με κλίση 45% στην Αθήνα, δίνεται αναλυτικά στον

Πίνακα 1.

Η προτεινόμενη εγκατάσταση PV – πλαισίων, έχει ονομαστική ισχύ αιχμής 3kWP .

Πόση είναι η ηλεκτρική ενέργεια που θα παράγει το σύστημα σε ετήσια βάση;

Πίνακας 1:Τιμές Μέσης Μηνιαίας Ηλιακής Ακτινοβολίας στην περιοχή της Αθήνας

που προσπίπτει σε PV – πλαίσιο με κλίση 45ο ως προς το οριζόντιο επίπεδο και

μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες περιβάλλοντος.

2

ΑΣΚΗΣΗ 4

Πόσα φωτοβολταϊκά στοιχεία όπως αυτά διαφαίνονται στα σχήματα 2 και 3

χρειάζονται για να αποδοθεί ισχύς 100 W υπό τάση 12 V;

Σχήμα 2. Κύκλωμα υπολογισμού χαρακτηριστικών φωτοβολταϊκού στοιχείου

Σχήμα 3. Συμπεριφορά φωτοβολταϊκού για διάφορα φορτία και για δύο

επίπεδα προσπίπτουσας ακτινοβολίας, 500 και 1000 W/m2

3

ΑΣΚΗΣΗ 5

Θα μελετήσουμε ένα PV – σύστημα στην Πάτρα που θα πρέπει να δίνει σε

ένα φορτίο, RL, μέση τιμή έντασης ρεύματος, IL = 1.5A, καθ’ όλη την διάρκεια του

έτους.

Ζητείται να προσδιοριστεί ο αριθμός των PV – πλαισίων και η συνδεσμολογία τους.

Το PV – σύστημα είναι εγκαταστημένο με κλίση 45ο ως προς το οριζόντιο

επίπεδο στην Πάτρα και αποτελείται από ένα σύνολο, Ν, PV – πλαισίων, που είναι

συνδεδεμένα μεταξύ τους μεικτά, όπως δείχνει το σχήμα 4. Γνωρίζουμε ότι η τάση

και η ένταση λειτουργίας του κάθε PV- πλαισίου είναι 2,1Α και 17Volts αντίστοιχα,

καθώς επίσης, ότι η PV γεννήτρια θα αποδίδει ηλεκτρική ισχύ υπό τάση 48Volts.

Η μέση ημερήσια ακτινοβολία (kWh/m2μήνα) δίνεται στον πίνακα 2.

4

5

ΑΣΚΗΣΗ 6

Δύο ανόμοια φωτοβολταϊκά πλαίσια «Α» και «Β», των οποίων οι χαρακτηριστικές

λειτουργίας (για σταθερή ένταση ακτινοβολίας 750 W/m² και θερμοκρασία πλαισίου

25°C), δίνονται στο σχήμα 5, συνδεδεμένα εν παραλλήλω σε ζεύγη σχηματίζουν ένα

νέο ισοδύναμο φωτοβολταϊκό πλαίσιο «Γ».

Σχήμα 5. Χαρακτηριστικές καμπύλες έντασης – τάσης των υπό μελέτη

φωτοβολταϊκών πλαισίων Α και Β

Το νέο αυτό πλαίσιο πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία φωτοβολταϊκής

γεννήτριας (βαθμού απόδοσης 90%, εκτός του βαθμού απόδοσης των

φωτοβολταϊκών πλαισίων) 48V και ονομαστικής ισχύος εξόδου 13.5 kW .

Με βάση τα παραπάνω ζητείται :

1. Να κατασκευαστεί η χαρακτηριστική λειτουργίας (I-V και P-V) του

φωτοβολταϊκού πλαισίου «Γ», για σταθερή ένταση ακτινοβολίας 750 W/m².

2. Να εκτιμηθεί ο αριθμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων «Γ» που θα

χρησιμοποιηθούν , καθώς και η απαιτούμενη συνδεσμολογία.

6

ΑΣΚΗΣΗ 7

Θέλουμε να μελετήσουμε την εγκατάσταση μιας PV – συστοιχίας στην Πάτρα,

η οποία να καλύπτει τις ηλεκτρικές ανάγκες μιας κατοικίας που περιλαμβάνει τις

ηλεκτρικές συσκευές που δείχνει ο Πίνακας 3

Συμφωνά με τις τιμές του πίνακα αυτού, υποθέτοντας επί πλέον ότι η

κατοικία θα έχει και κάποιες άλλες ακόμα ηλεκτρικές συσκευές π.χ. ηλεκτρικό

φούρνο, ηλεκτρικό πλυντήριο κλπ, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η μέση

ημερήσια ηλεκτρική κατανάλωση θα είναι τουλάχιστον 5000 Wh/day.

1. Μετά από έρευνα αγοράς αποφασίστηκε τα PV – πλαίσια που θα

χρησιμοποιηθούν να είναι τέτοιου τύπου που να παρέχουν ισχύ αιχμής 51 WP να

δίνουν τάση Vm=17 Volts, Im=3 A (τύπος PV – πλαισίου SR 50).

2. Οι συσσωρευτές που θα χρησιμοποιούν, αφόρτιστοι καταρχήν, έχουν τα

ακόλουθα χαρακτηριστικά: Πολιτική τάση στα άκρα τους V=12 Volts και

χωρητικότητα 140 Ah, με μέγιστη εκφόρτιση, DOD, 80%.

3. Ο μετατροπέας DC/AC, που θα χρησιμοποιηθεί θα υποθέσουμε ότι

λειτουργεί με τάση εισόδου 48 Volts DC και έξοδο 220 Volts AC, και ότι η μέση

απόδοση του είναι 90%.

4. Η μέση ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία για την Πάτρα δίνεται στον πίνακα 2.

Οι υπόλοιπες απώλειες συνδέσεων, καλωδιώσεων και ρυθμιστή ή ελεγκτή

φόρτισης (Ε.Φ) θα υποθέσουμε ότι φθάνουν συνολικά το 5% ή αντιστρόφως ότι η

απόδοση στον τομέα αυτόν είναι 95%.

Ζητούνται:

α. Πόσα PV – πλαίσια θα χρησιμοποιηθούν, τι κλίση θα έχουν και υπό ποια

σύνδεση, δηλ. πόσα PV – πλαίσια θα είναι εν σειρά και πόσα εν παραλλήλω.

β. Πόσοι συσσωρευτές θα χρησιμοποιηθούν και υπό ποια σύνδεση, για την

κάλυψη των αναγκών και με την προϋπόθεση της πλήρους ενεργειακής

αυτοδυναμίας της PV – γεννήτριας, μέχρι και για τρείς ημέρες.

7

8

ΑΣΚΗΣΗ 8

Μονάδα αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με τη μέθοδο της αντίστροφης όσμωσης

πρόκειται να τροφοδοτηθεί από φωτοβολταϊκά στοιχεία. Η μονάδα θα λειτουργεί έξι

ώρες την ημερήσια, και θα παράγει 500 l/day αφαλατωμένου νερού. Το σύστημα

αποθήκευσης θα λειτουργεί στα 24 V και θα έχει επάρκεια τριών ημερών χωρίς ήλιο.

Προδιαγράψτε το απαιτούμενο φωτοβολταϊκό σύστημα , λαμβάνοντας υπόψη ότι για

την παραγωγή κάθε κυβικού μέτρου αφαλατωμένου νερού απαιτούνται 10 kWh, και

ότι οι απώλειες του φωτοβολταϊκού συστήματος (αποθήκευση, μετατροπέας

σταθερού σε εναλλασσόμενο για την τροφοδοσία της μονάδας ) είναι 18%.

9

ΕΝΟΤΗΤΑ 2 : ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ

ΑΣΚΗΣΗ 1

Βάσει του πολικού διαγράμματος του σχήματος 1 :

1. Να εκτιμηθεί η συνολική πιθανότητα να φυσούν στην υπό μελέτη περιοχή ΄΄Β΄΄

(ή ΄΄Ν΄΄), ΄΄ΒΒΑ΄΄ (ή ΄΄ΝΝΕ΄΄) ΚΑΙ ΄΄ΒΑ΄΄ (ή ΄΄ΝΕ΄΄) άνεμοι εντάσεως μεταξύ 1°Β

και 5°Β.

2. Ποια η επικρατούσα διεύθυνση των ανέμων της περιοχής ;

3. Πόσες ώρες άπνοιας έχουμε ετησίως ;

Σχήμα 1: Πολικό διάγραμμα

ΑΣΚΗΣΗ 2

10

1.Στον πίνακα 1 δίνονται τα αποτελέσματα πειραματικών μετρήσεων έντασης του

ανέμου σε επιλεγμένη τοποθεσία. Εάν οι μετρήσεις λαμβάνονται ανά 15

δευτερόλεπτα, να υπολογισθεί

και να αποδοθεί γραφικά η μέση τιμή και η διακύμανση της έντασης του ανέμου για

μια χρονική περίοδο μετρήσεων δέκα λεπτών.

2.Υπάρχουν ριπές ανέμου στην υπό μελέτη περιοχή το εξεταζόμενο χρονικό

διάστημα;

Χρόνος

(sec)

Ταχύτητα

(m/sec)

Χρόνος

(sec)

Ταχύτητα

(m/sec)

Χρόνος

(sec)

Ταχύτητα

(m/sec)

0 2.2 225 10.2 450 3.0 15 6.9 240 14.9 465 7.7 30 6.3 255 3.3 480 8.5 45 6.6 270 11.0 495 5.2 60 4.9 285 6.6 510 6.6 75 3.0 300 6.9 525 7.4 90 8.0 315 5.5 540 4.7 105 3.6 330 6.0 555 3.6 120 7.2 345 9.4 570 2.4 135 9.6 360 7.4 585 13.8 150 8.5 375 4.4 600 13.2 165 7.2 390 3.6 615 6.1 180 15.5 405 6.0 630 6.1 195 9.4 420 6.6 645 6.1 210 12.1 435 9.1

Πίνακας 1: Πειραματικές τιμές ταχύτητας ανέμου

ΑΣΚΗΣΗ 3

11

Σε περιοχή με αγρόκτημα δίχως δένδρα, μετρήθηκε ταχύτητα ανέμου στα 10 m ίση προς 6,4 m/s. Ποια θα είναι η ταχύτητα του ανέμου στα 40 m από την επιφάνεια του εδάφους;

ΑΣΚΗΣΗ 4

Σε περιοχή μετρήθηκαν τα εξής ανεμολογικά στοιχεία:w (m/s) πιθανότητα w (m/s) πιθανότητα w (m/s) πιθανότητα

0-2 0,0835 8-10 0,1347 18-22 0,00082-4 0,2110 10-12 0,0697 22-26 0,00004-6 0,2494 12-14 0,0293 >26 0,00006-8 0,2084 14-18 0,0131

Ποια είναι η μέση ταχύτητα και ποια η μέση ισχύς του ανέμου στην περιοχή ; Θεωρείστε ραέρα = 1,2 kg/m3

ΑΣΚΗΣΗ 5

Έστω Ανεμογεννήτρια ονομαστικής ισχύος 200 kW, με ταχύτητα έναρξης λειτουργίας τα 4 m/s και ταχύτητα διακοπής τα 20 m/s. Θεωρείται ότι η απόδοση της ανεμογεννήτριας ακολουθεί η σχέση:

P = α * v3 – b (kW)

όπου a, b σταθερές, για 4<v<12 και P=200 για 12<v<20.Υπολογίσετε για τα ανεμολογικά δεδομένα της περιοχής της άσκησης 4 την αναμενόμενη απόδοση της ανεμογεννήτριας.

ΕΝΟΤΗΤΑ 3 : ΜΙΚΡΑ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ

12

ΑΣΚΗΣΗ 1

Σε τμήμα περιοχής όπου το χαμηλότερο υψόμετρο της φθάνει τα 300m, η ετήσια

βροχόπτωση είναι 2m/yr. Η αναφερόμενη περιοχή καλύπτει συνολική επιφάνεια

2km2. Από το σύνολο της ετήσιας βροχόπτωσης, το 50% απορρέει επιφανειακά ενώ

το 60% αυτής είναι τεχνικό-οικονομικά ενδιαφέρον να περιορισθεί σε φράγματα.

Πρόκειται να εγκατασταθεί φράγμα και σύστημα αξιοποίησης της υδατόπτωσης. Η

σχετικά μικρή κλίση της ευρύτερης περιοχής θα οδηγήσει σε απώλειες στον κύριο

αγωγό μεταφοράς έως το στρόβιλο της τάξης του 30%. Ποια είναι η διαθέσιμη ισχύς

σε MW.

Δίνονται: πυκνότητα ύδατος 1000kg/m3, απόδοση στροβίλου/γεννήτριας 80%,

απόδοση της μετατροπής μαζούτ σε ηλεκτρική ενέργεια 30%.

ΑΣΚΗΣΗ 2

Να υπολογιστεί η μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (σε kWh) μικρού

υδροστροβίλου, ο οποίος το μήνα Μάρτιο λειτουργεί με μέση μηνιαία παροχή ίση με

4800 m3/h και βαθμό απόδοσης 88%. Δίνεται ότι ο αγωγός που συνδέει τον άνω

ταμιευτήρα (υψόμετρο 250m) με το στρόβιλο (υψόμετρο εξόδου στροβίλου 50m) έχει

μήκος 1km, κατάλληλη διάμετρο, ώστε η μέση ταχύτητα του νερού στον αγωγό

προσαγωγής να ισούται με 0.9m/s και συντελεστή γραμμικών απωλειών τριβής ίσο

με 0.015. Οι συγκεντρωμένες απώλειες αποτελούν το 30% των αντίστοιχων

γραμμικών απωλειών. Η πυκνότητα του νερού να ληφθεί ίση με ρ=1000kg/m3, ενώ η

επιτάχυνση της βαρύτητας δίνετε ως g=9.81m/sec2.

ΑΣΚΗΣΗ 3

13

Αυτόνομος οικισμός 800 περίπου κατοίκων έχει επιλέξει τη χρησιμοποίηση των

ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την κάλυψη των ενεργειακών του αναγκών, με

βασικό στόχο την εξάλειψη της εξάρτησης από το πετρέλαιο και την προστασία του

περιβάλλοντος. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται μικρός υδατοστρόβιλος σε

συνδυασμό με μικρό αιολικό πάρκο και μικρή αυτόνομη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση

για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας . Οι κάτοικοι του οικισμού μέσα από

συστηματικές προσπάθειες εξοικονόμησης και ορθολογικής διαχείρισης ενέργειας

έχουν περιορίσει την ετήσια κατά κεφαλήν κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σε

μόλις 1500kWh. Ο μικρός υδροστρόβιλος (που λειτουργεί και σαν εφεδρική-

ρυθμιστική μονάδα παραγωγής) χρησιμοποιείται για την κάλυψη μέρους (35%) των

αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια του οικισμού και είναι τοποθετημένος στην κοίτη ενός

ποταμού με μέση μηνιαία παροχή ίση με 1500m3/h. Μέρος του νερού (20%) του

ποταμού χρησιμοποιείται σε μόνιμη βάση για άρδευση των καλλιεργειών της

περιοχής. Να εκτιμηθεί το μέσω γεωδαιτικό ύψος της χρησιμοποιούμενης

υδατόπτωσης ,όταν ο ολικός (συμπεριλαμβανομένων και των απωλειών της

ηλεκτρογεννήτριας) βαθμός απόδοσης του μικρού υδροστρόβιλου (ΜΥΔ) είναι 88%

(περίπου σταθερός ) και ότι δύο όμοιοι αγωγοί συνδέουν τον άνω ταμιευτήρα με τον

υδροστρόβιλο με μήκος ο καθένας 350m, διάμετρο 0.5m και συντελεστή γραμμικών

απωλειών ίσο με 0.015. Οι συγκεντρωμένες απώλειες αποτελούν το 25% των

αντίστοιχων γραμμικών απωλειών. Η πυκνότητα του νερού να ληφθεί ίση με

ρ=1000kg/m3, ενώ η επιτάχυνση της βαρύτητας δίνεται ως g=9.81m/sec2.

ΕΝΟΤΗΤΑ 4 : ΒΙΟΜΑΖΑ

14

ΑΣΚΗΣΗ 1

Δασικά υπολείμματα πρόκειται να χρησιμοποιηθούν για ηλεκτροπαραγωγή. Η άμεση

καύση τους οδηγεί σε απόδοση75% και η επακόλουθη ηλεκτροπαραγωγή με

ατμοστρόβιλο θα έχει απόδοση 28%. Εξετάζεται εναλλακτικά η αεριοποίηση και

ηλεκτροπαραγωγή με χρήση ΜΕΚ. Αξιολογείστε ενεργειακά τη δεύτερη περίπτωση,

θεωρώντας ότι η πυρόλυση θα επιτυγχάνει απόδοση 80% και ότι η

ηλεκτροπαραγωγή με τη χρήση ΜΕΚ/Γεννήτριας (ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος) θα

επιτυγχάνει απόδοση 30%.

ΑΣΚΗΣΗ 2

Ένας σάκος χρησιμοποιείται για την αναερόβια χώνευση αποβλήτων χοιροτροφείου.

Κάθε μέρα τροφοδοτείται με 0,2 m3 λάσπης (αντιστοιχεί στα ημερήσια περιττώματα

20 χοίρων) που περιέχει 0,4 kg πτητικά στερεά (δηλαδή μπορούν να υποστούν

χώνευση για μετατροπή τους σε αέρια). Ως τυπική αντίδραση της διεργασίας

χώνευσης θα θεωρείται η εξίσωση:

C12H22O11+H2O 6CO2+6CH4

a) Υπολογίστε τον όγκο βιοαερίου που παράγεται ημερήσια.

b) Εάν η θερμογόνος του βιοαερίου είναι 20 MJ/Nm3, ποια είναι η θερμότητα

που μπορεί να ληφθεί από την καύση του αερίου;

15