Ηλιακή Γεωμετρία : Προσδιορισμός της άμεσης ηλιακής δέσμης για εφαρμογή σε φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις για συντεταγμένες τόπου (37.96ο,-23.72ο) και (37.25ο,-22.83ο)

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται διεξοδικά η ηλιακή γεωμετρία. Με βάση τη θέση του Ηλίου αλλά και τη σχετική του κίνηση ως προς τη Γη υπολογίζονται, με χρήση των ηλιακών εξισώσεων, οι ηλιακές συντεταγμένες (αζιμούθιο και ύψος Ηλίου) μεγέθη πολύ χρήσιμα σε πολλές επιστήμες όπως η αστρονομία, η μετεωρολογία αλλά και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Ως προς την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον Ήλιο –πεδίο που μελετάται στην εργασία- οι ηλιακές συντεταγμένες έχουν βαρύνουσα σημασία, αφού ανάλογα με την κίνηση του Ήλιου και τη γεωγραφική θέση κάθε περιοχής μπορεί η στήριξη των φωτοβολταϊκών στοιχείων να αυξήσει ή να μειώσει κατά πολύ την ενεργειακή τους απόδοση. Για τον υπολογισμό των συντεταγμένων του Ηλίου κρίνεται απαραίτητη και αρκετά σημαντική η χρήση κατάλληλου προγραμματιστικού περιβάλλοντος για την επεξεργασία των δεδομένων. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε περιβάλλον Matlab και δημιουργήθηκε ένας εύχρηστος και φιλικός προς το χρήστη κώδικας που υπολογίζει σε ετήσια βάση τη θέση του Ηλίου ανά κάποιο βήμα το οποίο επιλέγεται από το χρήστη. Στη συνέχεια της εργασίας αναλύθηκε η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον Ήλιο. Εξετάστηκε η διαδρομή που ακολουθεί αλλά και τα εμπόδια που συναντά στο ταξίδι της μέχρι τη Γη και ορίστηκαν οι μηχανισμοί απορρόφησης, σκέδασης και ανάκλασης που αποτελούν τους κύριους λόγους που η ακτινοβολία φτάνει μειωμένη στην επιφάνεια της Γης. Επιπλέον αναλύθηκε το μοντέλο Erbs-Klein-Duffie που με δεδομένες τις συντεταγμένες του Ήλιου και τη συνολική ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης μπορεί να υπολογίσει την ακτινοβολία που «χάθηκε» στη διαδρομή είτε επειδή ανακλάστηκε, είτε επειδή σκεδάστηκε. Στην παρούσα εργασία έγινε η ανάλυση της ηλιακής ακτινοβολίας στις συνιστώσες της για διάφορες ημέρες του χρόνου για τις συντεταγμένες της Αθήνας με χρήση του παραπάνω μοντέλου. Σε αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα μετρήσεων του εργαστηρίου φωτοβολταϊκής τεχνολογίας του Ε.Μ.Π. Η συστηματική μελέτη των μηχανισμών σκέδασης και τελικά ο προσδιορισμός του είδους της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε κάθε περιοχή διαχρονικά, αποτελούν σημαντικό εργαλείο αλλά και κριτήριο για την επιλογή του τρόπου στήριξης φωτοβολταϊκών πλαισίων με γνώμονα την απόδοσή τους. Έτσι, πιο συγκεκριμένα, στο δεύτερο κεφάλαιο «Ηλιακή Γεωμετρία» εξετάζουμε τον Ήλιο, τη Γη και τη σχετική τους κίνηση, καθώς και το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε για τον υπολογισμό των ηλιακών συντεταγμένων. Στο τρίτο κεφάλαιο «Υλικά και Διατάξεις Φωτοβολταϊκής Τεχνολογίας και Τεχνικές στήριξης Φωτοβολταϊκών πλαισίων» εξηγούμε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και το ρόλο των ημιαγωγών, αναλύουμε τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των φωτοβολταϊκών πλαισίων, τον τρόπο που αυτά μπορούν να εγκατασταθούν και τους δυνατούς τρόπους στήριξής τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο «Παρακολούθηση της ηλιακής τροχιάς» αναλύουμε τον κώδικα που δημιουργήθηκε για τον υπολογισμό των ηλιακών συντεταγμένων και το αποτέλεσμα της εφαρμογής του για τις συντεταγμένες της Αθήνας και του Τυρού Αρκαδίας. Στο πέμπτο κεφάλαιο «Ηλιακή Ακτινοβολία» αναφέρονται τα στάδια της πορείας της ηλιακής ακτινοβολίας ώσπου να φτάσει στο γήινο έδαφος, οι μηχανισμοί εξασθένισης της έντασής της, επεξηγείται ο όρος Αέρια Μάζα και γίνεται ο υπολογισμός της μεταβολής της για τις συντεταγμένες της Αθήνας και του Τυρού Αρκαδίας σε ετήσια βάση. Στο έκτο κεφάλαιο «Μέτρηση της Ηλιακής Ακτινοβολίας» αναλύονται τα σημαντικότερα όργανα για τη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας, δηλαδή το πυρανόμετρο, το πυρηλιόμετρο, το ακτινόμετρο και το καταγραφικό Cambell-stokes. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο «Είδη Ακτινοβολιών και μέθοδος Erbs-Klein-Duffie» αναλύονται τα είδη της ηλιακής ακτινοβολίας και τα μοντέλα υπολογισμού των συνιστωσών της με έμφαση στο μοντέλο Erbs-Klein-Duffie. Επίσης επιχειρείται η εφαρμογή του για τις συντεταγμένες της Αθήνας για διάφορες ημέρες του έτους. Επιπλέον παρατίθενται τα γενικά συμπεράσματα και οι προεκτάσεις της παρούσας διπλωματικής εργασίας.

This thesis scrutinizes the solar geometry. Based on the position of the sun and its relative motion to the Earth,the solar coordinates can be calculated through using the solar equations (azimuth and height of the Sun) . This procedure is believed to be very useful in many disciplines such as astronomy, meteorology and in the field of the production of electrical energy by using photovoltaic technology. In order to calculate the coordinates of the Sun, a suitableprogramming environment was created and used.In this study Matlab environment was used and as a result a convenient and user-friendly code was created. This program calculates the position of the Sun on an annual basis at any time step chosen by the user. Furthermore, this thesis contains aspects of the photovoltaic phenomenon theory and refers to the function of the semi condors and the photovoltaic systems. Additionally, some of the most important and commonly used ways of supporting a photovoltaic panel are described. Also, the main reasons which reduce the intensity of the solar radiation are being analyzed and categorized to three different mechanisms. Finally, this thesis analyzes the model Erbs-Klein-Duffie. According to this particular model, the solar radiation can be categorized to three different types : the diffuse, the direct and the albedo radiation, which can be calculated.