Ηλιακή Γεωμετρία: Προσδιορισμός της Άμεσης Ηλιακής Δέσμης για Εφαρμογή σε Φωτοβολταϊκές Εγκαταστάσεις για Συντεταγμένες Τόπου (39.36ο,-23.72ο) και (39.3ο, -22.38ο)

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. Στην εργασία αναλύονται τα αποτέλεσμα της εφαρμογής του κώδικα για τις συντεταγμένες της Αθήνας και των Φαρσάλων. 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.

This thesis studies the solar geometry in detail; more precisely, based on the position of the sun and its relative motion to the Earth, the solar coordinates (azimuth and altitude) can be calculated. This information is considered to be essential in many disciplines such as astronomy, meteorology and in the field of electrical energy production by means of photovoltaic technology. In order to calculate the coordinates of the Sun, the MATLAB environment was used and a convenient and user-friendly software was created. This program calculates the position of the Sun on an annual basis in a user-defined time step and has been applied to the coordinates of the cities of Athens and Farsala. Furthermore, this thesis describes aspects of the photovoltaic phenomenon theory and the function of semiconductors and the photovoltaic systems. Additionally, some of the most important and commonly used ways of supporting a photovoltaic panel are discussed. Moreover, the radiation emitted by the Sun is analyzed. Based on the path that the solar radiation follows and the obstacles it encounters on its journey to the Earth, the mechanisms of absorption, scattering and reflection are studied as they constitute the main reasons for the reduction of the radiation that reaches the Earth's surface. Additionaly, the Erbs-Klein-Duffie model is analyzed; this, given the coordinates of the Sun and the total radiation falling on the Earth’s surface, can calculate the radiation lost due to reflection or scattering. Finally, the solar radiation for the coordinates of Athens has been calculated by using measurements from the N.T.U.A. Laboratory of Photovoltaic Technology. To conclude, a systematic study of the amount of solar radiation that impacts in a region and the mechanisms reducing it consist important tools and criteria for choosing the photovoltaic panels support.