.:Ενέργεια, Σύμμαχος ή Εχθρός:.

Ο ήλιος. Να η καλύτερη πηγή ενέργειας, η οποία μάλιστα βρίσκεται σε απόσταση μόλις οκτώ λεπτών της ώρας από τη Γη. Τόσο χρόνο χρειάζονται οι ακτίνες του ήλιου για να καλύψουν την απόσταση των 150.000.000 χιλιομέτρων και να φτάσουν μέχρι εμάς. Η ηλιακή ενέργεια ταξιδεύει με μια ταχύτητα 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, όση δηλαδή και η ταχύτητα του φωτός.
Κάθε μέρα, ο ήλιος ακτινοβολεί ένα τεράστιο ποσό ενέργειας. Χωρίς τον ήλιο, η ζωή θα εξαφανιζόταν από τη Γη.
Ο ήλιος παράγει την ενέργεια μόνος του. Όπως τα περισσότερα αστέρια, ο ήλιος είναι μια μεγάλη σφαίρα αερίου φτιαγμένη από αέριο υδρογόνου και αέριο ηλίου. Η ενέργεια παράγεται στον εσωτερικό

πυρήνα του με μια διαδικασία που αποκαλείται πυρηνική σύντηξη.

Εικ. 29 Η διαδικασία της Σύντηξης

Αυτή η ενέργεια που εκλύεται από τον ήλιο, ως αποτέλεσμα των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν εκεί, ακτινοβολείται προς το διάστημα και φτάνει στην επιφάνεια της Γης με τη μορφή ορατής και αόρατης ακτινοβολίας και γίνεται αντιληπτή από τον άνθρωπο κυρίως ως φως και θερμότητα.
Ένα μικρό μέρος της φθάνει στη γη αλλά είναι αρκετή για να καλύψει όλες τις ενεργειακές μας ανάγκες. Μέσα σε διάστημα δεκαεπτά λεπτών ο ήλιος μας στέλνει τόση ενέργεια, όση καταναλώνουμε από άλλες πηγές μέσα σ’ ένα χρόνο. Μέρος της ενέργειας αυτής ανακλάται προς το διάστημα ενώ η υπόλοιπη, εκτός του ότι φωτίζει και θερμαίνει το έδαφος, μετατρέπεται σε αιολική ενέργεια (τα διάφορα ατμοσφαιρικά

στρώματα θερμαίνονται και κινούνται δημιουργώντας τους ανέμους), σε βιοενέργεια (ενέργεια που αποταμιεύεται στα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης), σε υδροηλεκτρική ενέργεια (ο ήλιος εξατμίζει τα νερά θαλασσών, ποταμών και λιμνών, δημιουργούνται νέφη, βροχές και πραγματοποιείται ο κύκλος του νερού), σε ενέργεια των θαλάσσιων ρευμάτων, των παλιρροιών κ.λ.π.
Σήμερα, οι άνθρωποι χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια για θέρμανση των κτηρίων και του νερού αλλά και για να παραγάγουν ηλεκτρική ενέργεια.

ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ

Εικ. 30 Η ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης αποτελείται από απευθείας και διάχυτη ακτινοβολία

Η θέρμανση με την βοήθεια της ηλιακής ενέργειας δεν είναι τόσο εύκολη υπόθεση. Η σύλληψη του φωτός του ήλιου και η χρησιμοποίησή του στη συνέχεια είναι δύσκολη επειδή η ηλιακή ενέργεια που φθάνει στη γη εξαπλώνεται χωρίς να αποδίδεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο όπως πιθανώς εμείς να θέλαμε. Το ποσό ηλιακής ενέργειας που λαμβάνει μια περιοχή εξαρτάται από την ώρα της ημέρας, την εποχή του έτους, τη συννεφιά του ουρανού, και πόσο κοντά είμαστε στον γήινο ισημερινό.

Η χρήση ενός ηλιακού συλλέκτη είναι ένας τρόπος να συλληφθεί το φως του ήλιου και να μετατραπεί σε θερμική ενέργεια. Ένα κλειστό αυτοκίνητο μια ηλιόλουστη ημέρα λειτουργεί όπως ένας ηλιακός συσσωρευτής. Καθώς το φως του ήλιου περνά μέσω των παραθύρων του αυτοκινήτου, απορροφάται από τα καλύμματα των καθισμάτων, τα τοιχώματα, και το πάτωμα του αυτοκινήτου. Η ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπεται σε θερμότητα. Τα παράθυρα του αυτοκινήτου αφήνουν το φως να μπει μέσα, αλλά δεν αφήνουν όλη τη θερμότητα να βγει έξω.

Εικ. 31 Το ύψος του ήλιου μεταβάλλεται με την εποχή αλλά και κατά τη διάρκεια της ημέρας.

ΧΡΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
ΗΛΙΑΚΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΟΥ

Η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται από τον άνθρωπο, με συγκεκριμένα μέσα και τεχνικές, σε θερμότητα ή σε ηλεκτρική ενέργεια. Ως μορφή ενέργειας είναι ήπια, δηλαδή δεν ρυπαίνει το περιβάλλον, και ανανεώσιμη, δηλαδή πρακτικά ανεξάντλητη. Μοναδικά της μειονεκτήματα είναι η διακύμανση που παρουσιάζει στη διάρκεια του εικοσιτετραώρου, των εποχών και του έτους, οι διαφορές τιμών της ανάλογα με τη γεωγραφική θέση, καθώς και το ότι είναι «αραιή» μορφή ενέργειας, δηλαδή χρειάζεται αρκετή ποσότητα ηλιακής ενέργειας για να παραχθούν αξιόλογα ποσά θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας.
Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας διακρίνονται σε παθητικά και ενεργητικά.

Τα παθητικά συστήματα
Τα παθητικά συστήματα δεσμεύουν άμεσα, χωρίς τη χρησιμοποίηση ειδικών μέσων, την ηλιακή ενέργεια και την εκπέμπουν ως θερμότητα στους εσωτερικούς χώρους κτιρίων και κατοικιών. Τα συστήματα αυτά βασίζονται στον σωστό αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, τον κατάλληλο προσανατολισμό της κατοικίας προς το νότο (όσον αφορά το βόρειο ημισφαίριο), τη μείωση των θερμικών απωλειών, τη χρήση κατασκευαστικών υλικών που διατηρούν τη θερμότητα, τη θερμομόνωση και την κατάλληλη

Εικ. 32 Βιοκληματικός Οικισμός Καλαμάτας
Ομάδα μαθητών του 5ου Δημ. Σχολ. Πύργου σε μετρήσεις

διαμόρφωση των εσωτερικών χώρων. Έτσι, όλο το οικοδόμημα ή κάποια τμήματά του (κυρίως τα υαλοστάσια) χρησιμοποιούνται ως συλλέκτες της ηλιακής ενέργειας, την οποία ακτινοβολούν στον εσωτερικό του χώρο. Με τον τρόπο αυτόν μπορούν να καλυφθούν κατά ένα πολύ μεγάλο ποσοστό οι ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας. Με παρόμοιο τρόπο (χρησιμοποίηση υαλοπινάκων) γίνεται και η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας στα θερμοκήπια.

Εικ. 33 Μελέτη στο ΚΠΕ Καλαμάτας. Η σημασία του προσανατολισμού του σπιτιού.


Τα ενεργητικά συστήματα
Εικ 34 Ηλιακό αυτοκίνητο	Τα ενεργητικά συστήματα είτε μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε θερμότητα ή σε ηλεκτρική ενέργεια, χρησιμοποιώντας φωτοθερμικές ή φωτοηλεκτρικές μεθόδους, είτε εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια με φωτοχημικές μεθόδους, για τη διεξαγωγή χημικών αντιδράσεων, τα προϊόντα των οποίων μπορούν να αξιοποιηθούν ενεργειακά.

ΦΩΤΟΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

Με φωτοθερμικές μεθόδους η ηλιακή ενέργεια δεσμεύεται από ειδικές διατάξεις και μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται:

Εικ. 35 Ηλιακός Συλλέκτης

α) Για τη θέρμανση νερού χρήσης και τη θέρμανση χώρων σε μικρή ή μεγάλη κλίμακα, για την αφαλάτωση νερού και τη μετατροπή του σε πόσιμο κ.λπ. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται ηλιακοί συλλέκτες που συνδέονται με κύκλωμα νερού.

β) Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που γίνεται σε εγκαταστάσεις μεγάλης συνήθως κλίμακας. Τεχνικές που εφαρμόζονται για το σκοπό αυτόν είναι:

- το σύστημα κεντρικού πύργου, η ανάπτυξη του οποίου άρχισε από τα μέσα της δεκαετίας του 1970. Περιλαμβάνει πολλά επίπεδα, συνήθως, κάτοπτρα (ηλιοστάτες), που αλλάζουν κλίση ανάλογα με τη θέση του ήλιου και ανακλούν τις ακτίνες του, κατευθύνοντάς τες στην κορυφή ενός κεντρικού αποδέκτη-πύργου, όπου βρίσκεται δεξαμενή νερού. Η συγκεντρωμένη ηλιακή ακτινοβολία θερμαίνει

Eικ. 36 Ηλιακός σταθμός στην έρημο Μοτζάβε στην Καλιφόρνια ο οποίος εφαρμόζει το σύστημα κεντρικού πύργου. Στην εικόνα διακρίνονται τα κάτοπτρα και ο κεντρικός πύργος

το νερό σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (ως 500C) και ο ατμός που παράγεται διοχετεύεται, μέσω ενός κυκλώματος, σε στροβιλογεννήτρια, την οποία κινεί παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Ηλιακοί σταθμοί αυτού του είδους προσφέρονται για ηλεκτροδότηση περιοχών, μικρών πόλεων και νησιών και παρουσιάζουν ευνοϊκές προοπτικές για περαιτέρω ανάπτυξη στη δεκαετία του 1990. Από τις μεγαλύτερες στον κόσμο εγκαταστάσεις με κεντρικό πύργο είναι η Sοlar 1 στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ, ισχύος 10 ΜW, και η ΤΗΕΜΙS στην Ταργκασόν της Γαλλίας, ισχύος 2 ΜW

- το σύστημα παραβολικών κατόπτρων, που συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία και την εστιάζουν σε σωλήνες όπου κυκλοφορεί ρευστό (συνήθως έλαιο). Με τη θερμότητα το ρευστό ατμοποιείται και κινεί στροβιλογεννήτρια παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Η τεχνική αυτή αναπτύχθηκε κυρίως κατά τη δεκαετία του 1980. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, εννέα από τις μεγαλύτερες στον κόσμο εγκαταστάσεις του είδους αυτού βρίσκονταν στην έρημο Μοjaνe της Καλιφόρνιας, με συνολική ισχύ 350 ΜW.

Εικ. 37 Λειτουργία Ηλιακής Κουζίνας

Η θερμική ενέργεια του ήλιου μπορεί να χρησιμοποιηθεί και με άλλους πρωτότυπους τρόπους για θέρμανση κατοικιών, όπως στην πόλη Λίκεμπο της Σουηδίας. Ηλιακοί συλλέκτες χρησιμοποιούνται τους θερμούς μήνες του καλοκαιριού για τη θέρμανση νερού σε θερμοκρασία μέχρι 90C, το οποίο αποθηκεύεται σε μια τεράστια δεξαμενή. Στη διάρκεια του χειμώνα το θερμό νερό μέσω συστήματος σωλήνων διοχετεύεται στις κατοικίες για θέρμανση. Αυτού του είδους οι ηλιακές δεξαμενές, που χρησιμοποιούν νερό για να συλλέγουν τη θερμική ενέργεια του ήλιου, βρίσκουν εφαρμογές και στη βιομηχανία. Αξιοσημείωτες ως εφαρμογές είναι επίσης η ηλιακή υψικάμινος, ο ηλιακός κλίβανος, η ηλιακή κουζίνα κ.λπ.

ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

Με φωτοηλεκτρικές μεθόδους η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται κατευθείαν σε ηλεκτρική, χωρίς την ενδιάμεση μετατροπή της σε θερμότητα. Για τη μετατροπή αυτή χρησιμοποιούνται κυρίως τρεις μέθοδοι:
η εφαρμογή του θερμοηλεκτρικού φαινομένου
η εφαρμογή του θερμιονικού φαινομένου και τα
φωτοβολταϊκά συστήματα (ηλιακά κύτταρα).

Οι δύο πρώτοι τρόποι βασίζονται στη θέρμανση από τον ήλιο μιας μεταλλικής πλάκας. Στην πρώτη περίπτωση, η πλάκα έχει στα άκρα της δύο ηλεκτρόδια, στα οποία αναπτύσσεται τάση όταν η πλάκα θερμανθεί, λόγω του θερμοηλεκτρικού φαινομένου. Στη δεύτερη περίπτωση, η πλάκα - όταν θερμανθεί από τον ήλιο σε κενό- εκπέμπει ηλεκτρόνια. Οι δύο αυτές μέθοδοι παρουσιάζουν πολλές τεχνικές δυσκολίες και μικρό βαθμό απόδοσης.

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα

Εικ. 38 Πίνακες ηλιακών κυττάρων σε φωτοβολταϊκό σταθμό

Εικ. 39 Πρότυπη κατοικία εξοπλισμένη με συστήματα αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας.

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούν συστοιχίες φωτοβολταϊκών κυττάρων, δηλαδή μικρών πλακιδίων που αποτελούνται από ημιαγώγιμο υλικό. Αυτά λειτουργούν με βάση το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, μετατρέπουν δηλαδή την προσπίπτουσα σε αυτά ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Το πλεονέκτημα της άμεσης αυτής μετατροπής καθιστά τα φωτοβολταϊκά συστήματα την πλέον ενδιαφέρουσα τεχνολογία στον τομέα της αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας. Εκτός από το ότι παράγουν άμεσα ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να ρυπαίνουν το περιβάλλον, τα συστήματα αυτά υπερτερούν έναντι των υπόλοιπων συστημάτων εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας, καθώς δεν απαιτούν περίπλοκες και ογκώδεις εγκαταστάσεις και μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για τη λειτουργία κεντρικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όσο και σε μεμονωμένες εφαρμογές. Ακόμη, έχουν διάρκεια ζωής πολλών ετών, δυνατότητα λειτουργίας με όλες τις καιρικές συνθήκες και μικρό κόστος συντήρησης.
Τα παραπάνω πλεονεκτήματα, σε συνδυασμό με την ενεργειακή κρίση κατά τη δεκαετία του 1970, συντέλεσαν στη διεύρυνση των εφαρμογών των φωτοβολταϊκών συστημάτων, που έως τότε χρησιμοποιούνταν κατά κύριο λόγο στις διαστημικές εφαρμογές. Σημειώθηκαν, έτσι, σημαντικές βελτιώσεις στα ημιαγώγιμα υλικά που χρησιμοποιούνται (μονοκρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό και άμορφο πυρίτιο, αρσενικούχο γάλλιο κ.ά.), με αποτέλεσμα την αύξηση του βαθμού απόδοσης των φωτοβολταϊκών κυττάρων, ο οποίος κυμαίνεται στις αρχές της δεκαετίας του 1991 από 23 έως 37% (δηλ. 23 έως 37% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια). Συνάμα, το υψηλό κόστος κατασκευής τους, που αποτελεί και το κύριο μειονέκτημά τους, παρουσίασε σημαντική μείωση κατά τη δεκαετία του 1980, με προοπτικές για ακόμη μεγαλύτερη μείωση έως το τέλος της δεκαετίας του 1990.
Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα τοποθετούνται κατά συστοιχίες πάνω σε πίνακες, οι οποίοι μπορούν να στρέφονται παρακολουθώντας την πορεία του ήλιου στη διάρκεια της ημέρας και να αξιοποιούν στον μέγιστο δυνατό βαθμό την ηλιακή ακτινοβολία. Πολλοί τέτοιοι πίνακες μαζί χρησιμοποιούνται για την κατασκευή κεντρικών εγκαταστάσεων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, που συνδέονται με τοπικά δίκτυα και ηλεκτροδοτούν χωριά, μικρές πόλεις ή περιοχές. Εγκαταστάσεις αυτού του είδους άρχισαν να αναπτύσσονται κυρίως κατά τη δεκαετία του 1980 και λειτουργούν σε πολλές περιοχές των ΗΠΑ (ιδιαίτερα στην Καλιφόρνια), στην Ιαπωνία, και σε διάφορες χώρες στον κόσμο για την ηλεκτροδότηση δυσπρόσιτων και απομονωμένων περιοχών. Στην Ευρώπη φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις λειτουργούν σε αρκετές χώρες, οι μεγαλύτερες από τις οποίες βρίσκονται στο Τολέδο της Ισπανίας και στη Σέρε της νότιας Ιταλίας. Η πρώτη λειτουργεί από τον Ιούνιο του 1994 και παράγει ετησίως 1,5 εκατομ. κιλοβατώρες, καλύπτοντας τις ενεργειακές ανάγκες 2.000 ατόμων, ενώ η δεύτερη τέθηκε σε λειτουργία τον Οκτώβριο του 1994 και, παράγοντας 5 εκατομ. κιλοβατώρες ετησίως, μπορεί να ηλεκτροδοτεί 3.000 νοικοκυριά.

Στην Ελλάδα λειτουργούν πειραματικά μικροί φωτοβολταϊκοί σταθμοί στην Κύθνο και στη νότια Κρήτη (χωριό Αγία Ρουμέλη).
Εκτός από τη χρησιμοποίησή τους σε κεντρικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική σε πλήθος εφαρμογών (ενεργειακή κάλυψη δορυφόρων, διαστημικών οχημάτων, τηλεπικοινωνιακών σταθμών σε απομακρυσμένες περιοχές,

Εικ. 40 Πειραματικός φωτοβολταϊκός σταθμός στην Αγία Ρούμελη στην Κρήτη.

λειτουργία υπολογιστών τσέπης, ηλιακών τηλεφώνων, ηλιακών αυτοκινήτων και αεροπλάνων, κατασκευή ηλιακών κεραμιδιών για κατοικίες κ.λ.π.).

ΦΩΤΟΧΗΜΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ

Με φωτοχημικές μεθόδους η ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση χημικών αντιδράσεων από τις οποίες προκύπτουν προϊόντα που μπορούν να αξιοποιηθούν ενεργειακά (τα λεγόμενα ηλιακά καύσιμα). Χαρακτηριστικότερη τέτοια μέθοδος είναι η φωτοηλεκτρόλυση του νερού, κατά την οποία παράγεται υδρογόνο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο, με εξαιρετική ενεργειακή απόδοση και χωρίς να ρυπαίνει το περιβάλλον.

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Η αποθήκευση της θερμότητας ή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από την ηλιακή ενέργεια αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα, καθώς δεν συμπίπτουν συνήθως οι χρόνοι παραγωγής και ζήτησης της ενέργειας. Η μέθοδος που εφαρμόζεται περισσότερο για την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας είναι η φόρτιση ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, ενώ χρησιμοποιούνται και οι μέθοδοι παραγωγής ηλιακών καυσίμων και θέρμανσης νερού σε δεξαμενές, που προαναφέρθηκαν, καθώς και άλλες πειραματικές μέθοδοι (π.χ. αποθήκευση θερμότητας σε πετρώματα). Τέλος, ένας ακόμη τρόπος αποθήκευσης και στη συνέχεια αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας ο οποίος εφαρμόζεται πειραματικά είναι αυτός που η ίδια η φύση χρησιμοποιεί, δηλαδή η παραγωγή βιομάζας. Κατάλληλα προγραμματισμένες καλλιέργειες φυτών αποθηκεύουν μέσω της φωτοσύνθεσης την ηλιακή ενέργεια, η οποία στη συνέχεια μπορεί με θερμοχημικές ή βιοχημικές μεθόδους (καύση, παραγωγή αιθανόλης και μεθανόλης κ.λπ.) να αξιοποιηθεί ενεργειακά.
Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας και η τεχνολογία που σχετίζεται με αυτήν εξελίσσονται συνεχώς, με αποτέλεσμα τα συστήματα εκμετάλλευσής της να γίνονται αποδοτικότερα, οικονομικότερα και να συναγωνίζονται από άποψη κόστους τα συμβατικά καύσιμα. Τα παραπάνω, σε συνδυασμό με τα κύρια πλεονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας (ανανεώσιμη, μη ρυπαντική, ασφαλής για τον άνθρωπο και οικονομική), την καθιστούν μια μορφή ενέργειας με τις ευνοϊκότερες προϋποθέσεις για την περαιτέρω εκμετάλλευσή της στο μέλλον. Η Ελλάδα, αξιοποιώντας τη μεγάλη ηλιοφάνεια που διαθέτει, στράφηκε ήδη από τη δεκαετία του 1970 στην ανάπτυξη της βιομηχανίας ηλιακών συστημάτων και πλέον είναι μια από τις χώρες με τους περισσότερους ηλιακούς συλλέκτες στην Ευρώπη.