Μελέτη εγκατάστασης φωτοβολταϊκού συστήματος σε κτίριο της Εθνικής Τράπεζας της Ελλάδος στην Αθήνα

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια ολοκληρωμένη μελέτη εγκατάστασης ενός διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος σε κτίριο της Εθνικής Τράπεζας στην Αθήνα. Παρουσιάζονται με σαφήνεια τα στάδια σχεδιασμού ενός τέτοιου συστήματος, ενώ ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στο φαινόμενο της σκίασης. Πρόκειται για την ανάλυση δύο σεναρίων: Στο πρώτο λαμβάνεται υπ’όψη η καθοριστική σκίαση που προκαλείται στο υπό μελέτη κτίριο από τον γειτονικό «Πύργο των Αθηνών» ενώ στο δεύτερο αγνοείται. Εν συνεχεία, μέσα από τη σύγκριση των δύο αυτών σεναρίων μελετώνται οι επιπτώσεις των σκιάσεων, τόσο στην τελική απολαβή ενέργειας όσο και στην οικονομική αξιολόγηση της επένδυσης. Για την προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιήθηκε το πλέον σύγχρονο λογισμικό που αναπτύχθηκε στο πανεπιστήμιο της Γενεύης (PVSYST), λογισμικό το οποίο είναι ευρύτατα διαδεδομένο στην αγορά των φωτοβολταϊκών συστημάτων.

Το λογισμικό αρχικά αντλεί ακριβή κλιματικά δεδομένα σχετικά με την περιοχή τοποθέτησης της φωτοβολταϊκής γεννήτριας από μία ευρωπαϊκή βάση δεδομένων. Στη συνέχεια καθορίζονται τα υλικά (πλαίσια, αντιστροφείς) που πρόκειται να εγκατασταθούν καθώς και η κλίση και επιφάνεια των πλαισίων. Επιπλέον, μέσω ενός εργαλείου τρισδιάστατης σχεδίασης που διαθέτει, σχεδιάζονται ο περιβάλλων χώρος καθώς και η ενεργή φωτοβολταϊκή περιοχή με σκοπό τον υπολογισμό των σκιάσεων που προκύπτουν καθ’όλη τη διάρκεια του έτους, ανάλογα με τη θέση του ήλιου κάθε στιγμή. Το πρόγραμμα προσομοιώνει με ικανοποιητική ακρίβεια τις ημερήσιες και κατόπιν τις ετήσιες ενεργειακές απολαβές και εν συνεχεία προχωρά στην οικονομική αξιολόγηση της υπό μελέτη επένδυσης.

Τελικά από την οικονομική αξιολόγηση των δύο σεναρίων έγινε φανερός ο σημαντικός ρόλος που διαδραματίζουν οι σκιάσεις, καθώς στην περίπτωση που ληφθεί υπ’όψη ο «Πύργος των Αθηνών», οι συνολικές οικονομικές απολαβές είναι μειωμένες το λιγότερο κατά 18%. Μάλιστα οι απώλειες αναμένονται να είναι αρκετά μεγαλύτερες, αν λάβουμε υπ’όψη τη γραμμικότητα του μοντέλου υπολογισμού που χρησιμοποιήσαμε στο πρόγραμμα προσομοίωσης.

Η διπλωματική εργασία αποτελείται από 4 κεφάλαια.

Το πρώτο κεφάλαιο αποτελείται από δύο γενικές ενότητες. Στην πρώτη (υποκεφάλαια 1.1 – 1.6) παρουσιάζονται πληροφορίες σχετικά με τις Α.Π.Ε και την φωτοβολταϊκή τεχνολογία. Ειδικότερα αναλύονται διεξοδικά τα πλεονεκτήματά των ανανεώσιμων πηγών και της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας ξεχωριστά και στη συνέχεια παριγράφουμε την ανάπτυξή τους σε Ελληνικό και Ευρωπαϊκό επίπεδο. Στα υπόλοιπα υποκεφάλαια παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρό που αφορά στην λειτουργία των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Γίνεται αναφορά στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο και στην ηλιακή ακτινοβολία και στη συνέχεια αναλύεται η φυσική υπόσταση ενός στοιχείου από κρυσταλλικό πυρίτιο καθώς οι ηλεκτρικές του ιδιότητες. Τέλος γίνεται μνεία στους βασικούς τύπους πλαισίων και φωτοβολταϊκών συστημάτων.

Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζουμε αναλυτικά το διοικητικό, οικονομικό και ευρύτερο νομικό πλαίσιο που αφορά στις εγκαταστάσεις ηλιακής ενέργειας στην Ελλάδα. Παρουσιάζονται συνοπτικά οι διαδικασίες που πρέπει να ακολουθηθούν μέχρι την υπογραφή της σύμβασης με τη Δ.Ε.Η ή το Δ.Ε.Σ.Μ.Η.Ε και την ενεργοποίηση της σύνδεσης με το δίκτυο. Αναφέρονται οι πολεοδομικές διατάξεις, οι οικονομικοί όροι καθώς και τα σημαντικότερα σημεία που περιέχονται στους σχετικούς με τη φωτοβολταϊκή ενέργεια νόμους. Δίνεται βαρύτητα στα Φ/Β συστήματα <10ΚW που εντάσσονται στο πλαίσιο του Ειδικού Προγράμματος Φωτοβολταϊκών Συστημάτων σε κτιριακές εγκαταστάσεις, καθ’ότι αυτά γνωρίζουν τη μεγαλύτερα άνθιση τα τελευταία χρόνια, αλλά και στα συστήματα που αφορούν σε εμπορικές και βιομηχανικές στέγες, καθώς σε αυτό το πλαίσιο εντάσσεται η εγκατάσταση που μελετάμε στο τελευταίο κεφάλαιο.

Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στη αρχική διερεύνηση που πρέπει να κάνει ένας μηχανικός και τους παράγοντες που πρέπει να λάβει υπ’όψη κατά τη μελέτη και εγκατάσταση ενός διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος σε ένα κτίριο. Στην αρχή παρουσιάζονται συνοπτικά τα σημεία αυτά ενώ στη συνέχεια δίνεται έμφαση στα σημαντικότερα εξ’αυτών σε ξεχωριστά υποκεφάλαια.

Στο τέταρτο κεφάλαιο, με τη χρήση του λογισμικού προσομοίωσης PVSYST, παρουσιάζεται μία οικονομοτεχνική μελέτη σχεδίασης και εγκατάστασης ενός διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος σε κτίριο της Εθνικής Τράπεζας στην Αθήνα. Αναλύονται δύο σενάρια: στο πρώτο η σκίαση που παράγεται από το γειτονικό κτίριο του «Πύργου των Αθηνών» αγνοείται ενώ στο δεύτερο η σκίαση λαμβάνεται υπ’όψην. Στο τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης καθώς και οι επιπτώσεις που η σκίαση επιφέρει στο έργο, και εξάγονται ορισμένα χρήσιμα συμπεράσματα, όπως αυτά προκύπτουν από τη σύγκριση των δύο σεναρίων.

This thesis is a comprehensive study of the installation of a grid-connected photovoltaic system in a building of National Bank of Greece (NBG) in Athens. The planning stages of such a system are clearly presented, while special attention is paid to the phenomenon of shading. This is the analysis of two scenarios: In the first, the shading caused to the studied building from the nearby “Tower of Athens” is taken into account while in the second it is ignored. Subsequently, through a comparison of these two scenarios the effects of shading is studied, both in regard to the final energy yield and to the economic evaluation of the investment. For the simulation of the system we used modern software developed at the University of Geneva (PVSYST), software that is widely prevalent in the market of photovoltaic systems.

At first the software gathers accurate climate data on the mounting area of the PV generator from a European database. Then we define the materials (modules, inverters) to be installed and the slope and area of the modules. In addition, through a three-dimensional design tool, the surrounding area as well as the active PV region is designed, in order to calculate the resulting shadows throughout the year, depending on the position of the sun at all times. The program simulates the day and annual energy yield with sufficient precision and then performs an economic evaluation of the planned investment.

Eventually from the economic evaluation of the two scenarios the important role played by the shading was made evident, as when the shadow cast by the "Tower of Athens" is taken into account, the overall economic returns are reduced by at least 18%. Indeed, the losses are expected to be quite bigger if we take into consideration the linearity of the calculation model used in the simulation program.

The thesis consists of 4 chapters. The first chapter consists of two broad sections. In the first one (subsections 1.1 - 1.6) we provide information regarding the R.E.S. and the photovoltaic technology. Specifically, the advantages of both the renewable energy and the photovoltaic technology are analyzed in detail separately and then their development in Greek and European level is described. The remaining subsections are focused on the theoretical background concerning the operation of photovoltaic systems. The photovoltaic effect, the solar radiation as well as the physical configuration of crystalline silicon cells and their electrical properties are the issues discussed. Finally reference is made to the basic module types and photovoltaic systems. In the second chapter we present in detail the administrative, financial and broader legal framework related to solar energy in Greece. We mention the procedures to be followed until the signing of the contract with DEI or D.E.S.M.I.E and the activation of the connection with the grid. Reference is made to the urban planning rules, the economic conditions and all the major points contained in the legislation concerning the PV technology. Special mention is made to the PV systems, “ <10KW included within the Special Program for Photovoltaic Systems in buildings”, as they have shown the biggest growth over the recent years, as well as to the systems installed on commercial and industrial roofs, as within this context lies the system we study in the last chapter.

The third chapter refers to the initial investigation that an engineer should make and the factors to be taken into account when designing and installing a grid-connected photovoltaic system in a building. At first these points are summarized and then we focus on the most important of them in separate subsections.

In the fourth chapter, using the simulation software PVSYST, we present a technical and economic study of the design and installation of a grid-connected photovoltaic system in the building of NBG in Athens. Two scenarios are studied: In the first the shading produced by the neighboring building called the "Tower of Athens" is ignored while in the second the shading is taken into account. In the end the results of the study as well as the impact of the shadings are presented, while useful conclusions are being drawn as these arise from the comparison of the two scenarios.