Ηλιακή Ενέργεια

Ηλιακή ενέργεια

Με το όρο Ηλιακή Ενέργεια χαρακτηρίζουμε το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο με την μορφή ακτινοβολίας και είναι μια μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Φτάνει σχεδόν αμετάβλητη στο ανώτατο στρώμα της ατμόσφαιρας του πλανήτη μας, διαμέσου του διαστήματος, και στη συνέχεια κατά τη διέλευσή της από την ατμόσφαιρα υπόκειται σε σημαντικές αλλαγές, που οφείλονται στην σύσταση της ατμόσφαιρας.

Στην επιφάνεια της γης φτάνει μόνο ένα μέρος της ακτινοβολίας που προέρχεται άμεσα από τον ήλιο (άμεση ηλιακή ακτινοβολία), ενώ το υπόλοιπο είτε απορροφάται από τα συστατικά της ατμόσφαιρας είτε ανακλάται πάλι προς το διάστημα ή προς την επιφάνεια της γης.

Η ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης μετά από διαδοχικές ανακλάσεις δεν έχει συγκεκριμένη διεύθυνση και καλείται διάχυτη ακτινοβολία.

Η ακτινοβολία του ήλιου:

Συνεπώς μπορούμε να αξιοποιήσουμε την ηλιακή ακτινοβολία για ενεργειακούς σκοπούς και συγκεκριμένα:

Για να εκμεταλλευτούμε όσο γίνεται πιο αποδοτικά την ηλιακή ενέργεια, πρέπει να λάβουμε υπόψη μας πώς μεταβάλλεται η θέση του ήλιου στη διάρκεια της ημέρας, του μήνα και του έτους. Για την Ελλάδα οι επιφάνειες που έχουν Νότιο προσανατολισμό δέχονται περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία.

Η Ελλάδα είναι χώρα με μεγάλη ηλιοφάνεια και προσφέρεται για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας.

Υπεριώδης ακτινοβολία: Η ηλιακή υπεριώδης ακτινοβολία (UV) αποτελεί ένα πολύ μικρό μέρος του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος της Γης.

Η έκθεση του δέρματος στην υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, ενεργοποιεί την παραγωγή της βιταμίνης D, η οποία προάγει την απορρόφηση του ασβεστίου και διατηρεί επαρκή επίπεδα ασβεστίου και φωσφόρου στο αίμα. Για το λόγο αυτό, δυναμώνει τα οστά και τους μύες. Ενισχύει επίσης, την ανοσοποιητική λειτουργία, προφυλάσσει από το διαβήτη τύπου 2, καθώς και από αρκετούς τύπους καρκίνου.

Η ηλιοθεραπεία είναι μια παλιά πρακτική που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα για τη θεραπεία ορισμένων παθήσεων του δέρματος, όπως η ψωρίαση. Χαρίζει επίσης ήρεμο ύπνο και φτιάχνει την ψυχολογία.

Παρά τις ευεργετικές ιδιότητες της ηλιακής ακτινοβολίας, η παρατεταμένη έκθεση στον ήλιο μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα στον ανθρώπινο οργανισμό.

Η πλέον συνηθισμένη είναι το κοκκίνισμα του δέρματος. Όμως η υπερβολική και για σειρά ετών έκθεση μπορεί να οδηγήσει σε πιο σοβαρές βλάβες, όπως π.χ. γήρανση του δέρματος, καταρράκτη των ματιών, εξασθένιση του ανοσοποιητικού συστήματος, ακόμη και σε ορισμένες μορφές καρκίνου του δέρματος. Ο χρόνος έκθεσης μέσα στον οποίο η υπεριώδης ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει τα προβλήματα αυτά διαφέρει από άτομο σε άτομο, και εξαρτάται από τον τύπο του δέρματος, ή του οργανισμού γενικότερα, και από την ένταση της ακτινοβολίας.

Τα τελευταία 15 χρόνια η υπεριώδης ακτινοβολία που φθάνει το έδαφος έχει αυξηθεί σημαντικά σε πολλές περιοχές της Γης, συμπεριλαμβανόμενης και της Ελλάδας, σαν αποτέλεσμα της μείωσης του όζοντος.

Η υπεριώδης ακτινοβολία που δεχόμαστε προέρχεται είτε απευθείας από τον ήλιο είτε μέσω ανακλάσεων στα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας. Συνεπώς ακόμη και αν προφυλάσσουμε το σώμα μας από την άμεση (π.χ. με μία ομπρέλα) εξακολουθούμε να δεχόμαστε εξίσου μεγάλη ποσότητα διάχυτης ακτινοβολίας που προέρχεται από την ατμόσφαιρα που μας περιβάλλει.

Το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να αντιληφθεί την υπεριώδη ακτινοβολία, άρα δεν μπορεί να προφυλαχθεί όταν δεχθεί τέτοιου είδους ακτινοβολία. Έτσι η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει σοβαρές βλάβες στα μάτια. Ο μοναδικός τρόπος προστασίας είναι η χρήση γυαλιών που εξασθενίζουν την υπεριώδη ακτινοβολία. (iliakiaktinobolia.jpg)

 

Μέτρα προστασίας από τον ήλιο...

 

Τα πλεονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας

Καταρχάς ,η ηλιακή ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και δεν τελειώνει ποτέ με την κυριολεκτική έννοια του όρου. Όσο ο ήλιος εξακολουθεί να υφίσταται, θα υπάρχει διαθέσιμη ηλιακή ενέργεια οπότε δεν χρειάζεται να ανησυχούμε.

Ακόμα, η ηλιακή ενέργεια δεν είναι σε ένα συγκεκριμένο τόπο σε αντίθεση με ορισμένες άλλες μορφές ενέργειας. Ανεξάρτητα από το αν κάποιος βρίσκεται σε μια συσσωρευμένη πόλη, σε ένα απομακρυσμένο χωριό, σε μια άνυδρη έρημο ή μέσα σε ένα καταπράσινο δάσος η ηλιακή ενέργεια θα του είναι διαθέσιμη.

Η τιμή των ορυκτών καυσίμων συνεχώς παρουσιάζει διακυμάνσεις, δεδομένου ότι εξαρτώνται από ορισμένους παράγοντες παγκόσμιας προσφοράς και ζήτησης. Η ηλιακή ενέργεια δεν έχει τέτοια πολυπλοκότητα, απλά επειδή είναι δωρεάν!

Η καύση των μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση επιβλαβών αερίων και άλλων υποπροϊόντων. Έτσι καταστρέφεται σιγά -σιγά το προστατευτικό για εμάς, στρώμα του όζοντος. Ταυτόχρονα, προκαλούν επίσης πρόσθετη ζημία στο περιβάλλον. Αντίθετα, η ηλιακή ενέργεια προκαλεί μηδενική ρύπανση και είναι 100% μια καθαρή και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας.                

Η ηλιακή ενέργεια είναι αυτό που πρέπει να σκέφτεται και να επιλέγει κανείς, σαν μια οικονομική λύση, αφού εγγυάται σίγουρη εξοικονόμηση ενέργειας. Επίσης, χρειάζεται μία μόνο φορά η πληρωμή των ηλιακών πάνελ. Έπειτα, η ηλιακή ενέργεια είναι εντελώς δωρεάν για το υπόλοιπο της ζωής μας!

 

Μειονεκτήματα ηλιακής ενέργειας

Το κύριο μειονέκτημα της ηλιακής ενέργειας είναι το αρχικό κόστος και η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού που εμπλέκεται. Αυτό μπορεί μερικές φορές, να αποδειχθεί αποτρεπτικό για τον καταναλωτή.

Διάφορες καιρικές συνθήκες μπορούν να παρέμβουν στο ποσό του φωτός του ήλιου που φτάνει το ηλιακό πάνελ. Αυτό με τη σειρά του επηρεάζει την ποσότητα της ενέργειας και τη δύναμη που παράγεται.

Κατά τη διάρκεια της νύχτας δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι συλλέκτες.

Το κύριο μειονέκτημα της ηλιακής ενέργειας είναι το αρχικό κόστος. Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι συγκριτικά αρκετά ακριβά, κυρίως λόγω του κόστους υλικών και την πολυπλοκότητα του σχεδιασμού που εμπλέκονται. Αυτό μπορεί μερικές φορές, να αποδειχθεί αποτρεπτικό ειδικά στην περίπτωση που ασχολούνται με τα οικιακά και τα άτομα που σχεδιάζουν μια στροφή προς την ηλιακή ενέργεια.

Συννεφιά, συνθήκες βροχής, κλπ., μπορεί να παρέμβει στο ποσό του φωτός του ήλιου που φτάνει το ηλιακό πάνελ. Αυτό με τη σειρά του επηρεάζει την ποσότητα της ενέργειας και τη δύναμη που παράγεται.

Τρίτον, τι γίνεται τη στιγμή που δεν υπάρχει φως του ήλιου? Πώς θα ηλιακή ενέργεια να παράγεται τη νύχτα? Φυσικά δεν θα παράγονται τη νύχτα, μετά από όλα είναι η ηλιακή ενέργεια και δεν ‘σεληνιακός’ ενέργειας. Η μόνη λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η αποθήκευση αρκετά από αυτό κατά τη διάρκεια της ημέρας τα οποία μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια της νύχτας. Ωστόσο,, αυτό είναι πιο εύκολο στα λόγια παρά στην πράξη.

 

Ηλιακή ενέργεια

Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων "μορφών ενέργειας", οι οποίες προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι η φωτεινή ενέργεια, η θερμική ενέργεια καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας.

Ο ήλιος εκπέμπει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Η ηλιακή ακτινοβολία αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού με δύο τρόπους: με θερμικές και φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Η πρώτη είναι η συλλογή της ηλιακής ενέργειας με στόχο την παραγωγή θερμότητας (χρησιμοποιείται κυρίως για τη θέρμανση του νερού και τη μετατροπή του σε ατμό για την κίνηση τουρμπίνων), ενώ στη δεύτερη εφαρμογή τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρισμό με τη χρήση φωτοβολταϊκών κυψελών ή συστοιχιών. Αυτή η τεχνολογία που εμφανίστηκε στις αρχές του 1970 στα διαστημικά προγράμματα των ΗΠΑ έχει μειώσει το κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού με αυτόν τον τρόπο από $300 σε $4 το Watt. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως σε αγροτικές και απομακρυσμένες περιοχές όπου η σύνδεση με το δίκτυο είναι πολύ ακριβή. Αν και όλη η γη δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία, η ποσότητά της εξαρτάται κυρίως από τη γεωγραφική θέση, την ημέρα, την εποχή και τη νεφοκάλυψη. Για παράδειγμα, η έρημος δέχεται περίπου το διπλάσιο ποσό ηλιακής ενέργειας από άλλες περιοχές.

Στο μεγαλύτερο τμήμα της χώρα μας η ηλιοφάνεια διαρκεί περισσότερες από 2700 ώρες το χρόνο. Στη Δυτική Μακεδονία και την Ήπειρο εμφανίζει τις μικρότερες τιμές κυμαινόμενη από 2200 ως 2300 ώρες, ενώ στη Ρόδο και τη νότια Κρήτη ξεπερνά τις 3100 ώρες ετησίως.

 

 

Εφαρμογές φωτοβολταϊκών

Η Ιαπωνική EcoPowerMarine, ειδική στον τομέα της ανανεώσιμης και υβριδικής ενέργειας για τη ναυτιλία, έχει συνάψει συνεργασία με την Ιταλική SolbianEnergieAlternative για να αναπτύξουν στο μέλλον εφαρμογές στις θάλασσες με τη χρήση της ηλιακής τεχνολογίας.

 Επιστημονικό ταξίδι κατά μήκος του Ρεύματος του Κόλπου κάνει το μεγαλύτερο ηλιακό σκάφος στον κόσμο. Πρόκειται για το καταμαράν Turanon (που στη γλώσσα του Τόλκιν σημαίνει Αφέντης του Ήλιου) και βρίσκεται στους ωκεανούς ήδη 2 χρόνια.

 

Νυχτερινή... ηλιακή ενέργεια!

Ένα πάρκο φωτοβολταϊκών το οποίο δουλεύει τη... νύχτα δημιούργησαν οι ειδικοί της εταιρείας TorresolEnergy, σε μία περιοχή κοντά στη Σεβίλλη, στην Ισπανία. Το γιγαντιαίο πάρκο Gemasolar συνολικής ισχύος 19,9 MWatt, το οποίο φιλοξενεί περισσότερα από 2.600 ηλιακά πάνελ σε μία έκταση σχεδόν δύο χιλιομέτρων, μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια που συσσωρεύει κατά τη διάρκεια της ημέρας σε ηλεκτρική ενέργεια υπό το φως του... φεγγαριού, με τη βοήθεια ενός καινοτόμου «ενεργειακού πύργου» που βρίσκεται στο κέντρο της εγκατάστασης.

Το πρώτο αεροπλάνο που κινείται με ηλιακή ενέργεια

Οι πτήσεις των αεροπλάνων δεν είναι μόνο δαπανηρές, αλλά και ενεργοβόρες. Μια φιλική προς το περιβάλλον λύση θα ήταν αεροπλάνα που κινούνται με ηλιακή ενέργεια. Δύο Ελβετοί επιστήμονες κάνουν την ιδέα πραγματικότητα. Το γεγονός ότι το αεροπλάνο αυτό είναι τόσο μεγάλο οφείλεται στην ανάγκη αποθήκευσης των 12.000 ηλιακών κυψελών. Οι κυψέλες αυτές από τη μια συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια και από την άλλη την αποθηκεύουν για παράδειγμα για τις νυχτερινές πτήσεις.

Στις στέγες και όχι μόνο σπιτιών και στις κολώνες φωτισμού

 

 

 

 

Φωτοβολταϊκά

ΤΙ ΟΝΟΜΑΖΟΥΜΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ

Με τον γενικό όρο Φωτοβολταϊκά ονομάζεται η βιομηχανική διάταξη πολλών φωτοβολταϊκών κυττάρων σε μία σειρά. Στην ουσία πρόκειται για τεχνητούς ημιαγωγούς (συνήθως από Πυρίτιο) οι οποίοι ενώνονται με σκοπό να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα σε σειρά. Οι ημιαγωγοί αυτοί απορροφούν φωτόνια από την ηλιακή ακτινοβολία και παράγουν μια Ηλεκτρική τάση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται"Φωτοβολταϊκό φαινόμενο".

Τα φωτοβολταϊκά ανήκουν στη κατηγορία των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Στην κατηγορία των ανανεώσιμων ηλιακών πηγών ενέργειας, τα ηλιοθερμικά συστήματα είναι πιο αποδοτικά από τα φωτοβολταϊκά

 

Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο

Το φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το Φ/Β φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839 από τον ΕντμόντΜπεκερέλ (Alexandre-EdmondBecquerel ). Περιληπτικά πρόκειται για την απορρόφηση της ενέργειας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Φ/Β στοιχείου και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ρεύματος. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στο Φ/Β στοιχείο οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο.

 

Φωτοβολταϊκή Διάταξη

Τα Φ/Β πλαίσια έχουν ως βασικό μέρος το ηλιακό στοιχείο (solarcell) που είναι ένας κατάλληλα επεξεργασμένος ημιαγωγός μικρού πάχους σε επίπεδη επιφάνεια. Η πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργεί ηλεκτρική τάση και με την κατάλληλη σύνδεση σε φορτίο παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Τα τυπικής ισχύος από 20W έως 300W. Οι Φ/Β γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά μεταξύ τους και δημιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες (arrays).Φ/Β στοιχεία ομαδοποιούνται κατάλληλα και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ή γεννήτριες (module), τυπικής ισχύος από 20W έως 300W. Οι Φ/Β γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά μεταξύ τους και δημιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες (arrays).

 

Θερμοκήπια

Η ηλιακή ακτινοβολία, διερχόμενη από τα νότια υαλοστάσια θερμοκηπίου, μετατρέπεται σε θερμική και μέρος αυτής αποδίδεται άμεσα στο χώρο, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του, ενώ μέρος της αποθηκεύεται στα δομικά στοιχεία του χώρου (θερμική μάζα) και αποδίδεται με χρονική υστέρηση.

Η μεταφορά της θερμικής ενέργειας, που συσσωρεύεται στον ηλιακό χώρο, προς το εσωτερικό του κτιρίου επιτυγχάνεται μέσω των θυρίδων ή ανοιγμάτων του κοινού δομικού στοιχείου.

Για τη μείωση των θερμικών απωλειών κατά τη χειμερινή περίοδο, συνιστάται η νυχτερινή προστασία του υαλοστασίου με θερμομονωτικά εσωτερικά πετάσματα, εκτός αν το τμήμα του κτιριακού κελύφους, με το οποίο ο ηλιακός χώρος βρίσκεται σε επαφή, είναι θερμομονωμένο

Ειδικότερα, σε περιοχές όπου παρατηρούνται πολύ χαμηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου, συνιστάται η εφαρμογή διπλών υαλοπινάκων στον ηλιακό χώρο, καθώς και θερμομόνωση του κοινού τμήματος της τοιχοποιίας.

Για την αποφυγή υπερθέρμανσης κατά τη θερινή περίοδο απαιτείται σκιασμός της γυάλινης επιφάνειας του θερμοκηπίου, με εξωτερικά - κατά προτίμηση - κινητά σκίαστρα, με σταθερά στέγαστρα, ή με φυλλοβόλο βλάστηση. 

Ένα πολύ σημαντικό στοιχείο που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά το σχεδιασμό είναι ο προσανατολισμός του κτιρίου. Η κύρια όψη του είναι προτιμότερο να έχει νότιο προσανατολισμό ή όσο μικρότερη απόκλιση από το νότο, εφόσον κάτι τέτοιο είναι εφικτό. Ο νότιος προσανατολισμός της κύριας όψης μπορεί να μειώσει σε σημαντικό βαθμό την ανάγκη για θέρμανση κατά τη χειμερινή περίοδο, με τη χρήση ενός ηλιακού θερμοκηπίου.

Ωστόσο, ακόμα και τις λιγότερο ηλιόλουστες ημέρες, η ύπαρξή του δεν είναι ανούσια, καθώς εμποδίζει σε σημαντικό βαθμό την απώλεια και την άμεση μεταφορά θερμότητας από το εσωτερικό προς το εξωτερικό περιβάλλον, δημιουργώντας ένα ενδιάμεσο στρώμα. Αντίθετα, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, τα ανοίγματα του κτιρίου διατηρούνται κλειστά, απομονώνοντας το συγκεκριμένο χώρο, ενώ τα ανοίγματα της γυάλινης κατασκευής συντελούν στον αερισμό και δροσισμό του. Το μεγαλύτερο μέρος του έτους, δηλαδή, μπορεί να λειτουργήσει ως ημιυπαίθριος χώρος ή βεράντα, ενώ τη χειμερινή περίοδο λειτουργεί ως ένα ακόμα δωμάτιο του κτιρίου. Ο συγκεκριμένος χώρος  θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και για την καλλιέργεια ορισμένων φυτών, κυρίως τη χειμερινή περίοδο, που δεν έχουν τη δυνατότητα να ευδοκιμήσουν στις εξωτερικές συνθήκες. Τέλος, θα πρέπει να περιορίζονται τα  ανοίγματα που βρίσκονται στη βορινή πλευρά καθώς και στην πλευρά που έχει την ίδια διεύθυνση με αυτή των χειμερινών ανέμων της εκάστοτε περιοχής ώστε να μειώνεται η έκθεση της κατασκευής στις περιβαλλοντικές συνθήκες και να ελαχιστοποιούνται οι θερμικές απώλειες. 

 

Επαναστατική ανακάλυψη αλλάζει τα πάντα για την ηλιακή ενέργεια;

Ερευνητές του MIT ανακοίνωσαν ότι κατασκεύασαν το «τέλειο κάτοπτρο»,Το «τέλειο κάτοπτρο» ΄μπορεί να αντανακλά με μηδενικές παραμορφώσεις κύματα κάθε είδους -φωτεινά, ηχητικά ή υδάτινα- με τρόπο ώστε να εκτοξεύει την απόδοση συστημάτων συγκεντρωτικής ηλιακής ενέργειας (CSP), τα οποία χρησιμοποιούν κάτοπτρα για να εστιάσουν ακτίνες συγκεντρωμένης ηλιακής ακτινοβολίας σε συγκεκριμένα σημεία.Τα μειονέκτημα που μεταφράζεται σε σημαντικές απώλειες όταν επιδιώκουμε την αποδοτική συγκεντρωτική ηλιακή ενέργει.Μια ομάδα φωτονίων και ηλεκτρομαγνητισμού  δεν κατασκεύασαν ενα  «τέλειο κάτοπτρο», αλλά κατά κάποιο τρόπο αυτό έγινε κατά τύχη όταν έψαχναν κάτι διαφορετικό. Μελετούσαν τη συμπεριφορά του φωτονικούκρυστάλλου.Αλλά ο καθηγητής Ντάγκλας Στόουν του Πανεπιστημίου Γέηλ, καθώς οι επιφάνειες των φωτονικών κρυστάλλων δεν υπακούν στους νόμους της διάθλασης και της αντανάκλασης του φωτός. Οι επιστήμονες ακόμα αναζητούν τις αιτίες αυτής της “παρέκκλισης” από τους νόμους της φυσικής.Οι εφαρμογές της νέας τεχνολογίας εκτείνονται από τη δημιουργία ισχυρότερων και αποδοτικότερων ακτίνων λέιζερ έως τη συγκεντρωτική ηλιακή ενέργεια και τις οπτικές ίνες.

 

Βιοκλιματικός σχεδιασμός κτιρίων

Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός κτιρίων ή βιοκλιματική αρχιτεκτονική αφορά τον σχεδιασμό κτιρίων και χώρων (εσωτερικών και εξωτερικών – υπαίθριων) με βάση το τοπικό κλίμα, συνήθως αναφερόμενο ως μικροκλίμα, με σκοπό την εξασφάλιση συνθηκών θερμικής και οπτικής άνεσης, αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια και άλλες ανανεώσιμες πηγές, αλλά και τα φυσικά φαινόμενα του κλίματος. Η βιοκλιματική είναι κλάδος της αρχιτεκτονικής που λαμβάνει υπ' όψη τις επιταγές της οικολογίας και της βιωσιμότητας. Με τον όρο "βιοκλιματικός σχεδιασμός" εννοείται ο σχεδιασμός ο οποίος αποσκοπεί στην προστασία του περιβάλλοντος και των φυσικών πόρων. Το ζητούμενο στον βιοκλιματικό σχεδιασμό είναι η ανέγερση κτιρίων, π.χ. βιομηχανικών μονάδων, κτιρίων γραφείων, κτιρίων κατοικίας, σχεδιασμένων έτσι ώστε αφενός να καλύπτονται πλήρως οι ενεργειακές τους ανάγκες και αφετέρου στο ετήσιο ισοζύγιο να είναι μηδενική η επιβάρυνση του περιβάλλοντος με εκπομπές βλαβερών για το περιβάλλον αερίων. Επίσης, η ανέγερση κτιρίων των οποίων οι ενεργειακές ανάγκες στον τομέα της θέρμανσης και της ψύξης να καλύπτονται πλήρως μέσω συστημάτων εκμετάλλευσης των γεωθερμικών ενεργειακών πόρων, όπου η αναγκαία για τις αντλίες θερμότητας ηλεκτρική ενέργεια να παράγεται μέσω φωτοβολταϊκών στοιχείων. Τέλος, η ανέγερση κτιρίων στο πλαίσιο του συνήθους κόστους των κατασκευών, αλλά με σεβασμό στους περιορισμένους πόρους του φυσικού περιβάλλοντος. Η γενικότερη αρχή του βιοκλιματικού σχεδιασμού θέτει ότι η Νότια πλευρά του κτιρίου πρέπει να χρησιμοποιείται για παθητική ηλιακή θέρμανση, ενώ αντίθετα η Βόρεια για προστασία από τους ανέμους και ανάσχεση της θερμότητας. Ειδικότερα, οι βασικές αρχές του Βιοκλιματικού Σχεδιασμού σχετίζονται με την αρχιτεκτονική δομή και τον προσανατολισμό του κτιρίου καθώς και με τον περιβάλλοντα χώρο. Βασικά στοιχεία του βιοκλιματικού σχεδιασμού κτιρίων αποτελούν τα παθητικά συστήματα, τα οποία αποτελούν δομικά στοιχεία ενός κτιρίου. Τα παθητικά συστήματα λειτουργούν χωρίς μηχανολογικά εξαρτήματα ή πρόσθετη παροχή ενέργειας και με φυσικό τρόπο θερμαίνουν, αλλά και δροσίζουν τα κτίρια. Χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες:

Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός ενός κτιρίου συνεπάγεται τη συνύπαρξη και συνδυασμένη λειτουργία όλων των παραπάνω συστημάτων, ώστε να συνδυάζουν θερμικά και οπτικά οφέλη καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους.

Εκτός από τα παθητικά συστήματα, μια πολύ σημαντική μέθοδο εξοικονόμησης ενέργειας σε ένα βιοκλιματικό κτίριο αποτελούν και τα ενεργητικά συστήματα, που χρησιμοποιούν μηχανικά μέσα για τη θέρμανση ή το δροσισμό κτιρίων, αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια ή τις φυσικές δεξαμενές ψύξης. Στη κατηγορία αυτή ανήκουν οι ηλιακοί συλλέκτες θέρμανσης ή παροχής ζεστού νερού χρήσης, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κλπ.

Η εγκατάσταση όλων των παραπάνω συστημάτων αυξάνει ελαφρά το συνολικό κόστος κατασκευής του κτιρίου, το οποίο όμως αποσβένεται από την περιορισμένη χρήση μονάδων συμβατικής θέρμανσης και κλιματιστικών μονάδων.

 

ΗΛΙΑΚΟΣ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΑΣ

Ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι ένα ενεργητικό ηλιοθερμικό σύστημα παραγωγής ζεστού νερού χρήσης χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια.

Χρησιμοποιείται κυρίως στις χώρες που έχουν μεγάλη ηλιοφάνεια, όπως για παράδειγμα στις χώρες της Μεσογείου και στην Κύπρο.

Ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι η απλούστερη και η γνωστότερη ηλιακή συσκευή. Κατά την λειτουργία του γίνεται εκμετάλλευση δυο φυσικών φαινομένων. Με την αρχή του θερμοσιφώνου επιτυγχάνεται η κυκλοφορία του νερού με φυσικό τρόπο χωρίς μηχανικά μέρη (αντλίες κλπ.) ενώ η θέρμανση του νερού γίνεται με την εκμετάλλευση του φαινομένου του θερμοκηπίου που αναπτύσσεται στους συλλέκτες του.

Η ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥΣ

Ο ηλιακός θερμοσίφωνας άρχισε να χρησιμοποιείται μετά την πετρελαϊκή κρίση της δεκαετίας του '70 και ιδιαίτερα τη δεκαετία του '80 άρχισε να χρησιμοποιείται ευρύτατα στις χώρες με ηλιοφάνεια. Στην Κύπρο αναλογεί ένας ηλιακός θερμοσίφωνας για κάθε πέντε κατοίκους, ενώ στο Ισραήλ η χρήση τους είναι υποχρεωτική στις καινούργιες οικοδομές. Σε πολλές άλλες χώρες η χρήση τους επιδοτείται.

Στην Ελλάδα η διάδοση των ηλιακών συσκευών είναι πολύ εντυπωσιακή: το πρώτο μοντέλο λανσαρίστηκε το 1974, το 1980 υπήρχαν εγκατεστημένα περίπου εκατόν πενήντα χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα συλλεκτών και το 2004 περίπου τρία εκατομμύρια τετραγωνικά μέτρα συλλεκτών. Μέρος της επιτυχίας αυτής των ηλιακών θερμοσιφώνων στην Ελλάδα οφείλεται στα φορολογικά κίνητρα που είχε θεσπίσει το Ελληνικό κράτος. Σήμερα οι ηλιακοί θερμοσίφωνες χρησιμοποιούνται από περισσότερους από ένα εκατομμύριο καταναλωτές. Μέχρι και τα τελευταία χρόνια, η Ελλάδα ήταν απ' τις κύριες κατασκευάστριες χώρες ηλιακών θερμοσιφώνων.

ΤΟ ΒΑΣΙΚΟΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ ΤΟΥΣ

Το κυριότερο μέρος ενός ηλιακού θερμοσίφωνα είναι οι ηλιακοί συλλέκτες (ή καθρέπτες), που είναι η επιφάνεια συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτή αποτελείται από τέσσερα μέρη:

 

 SOLARCARS

( ΗΛΙΑΚΑ ΑΥΤΟΚΊΝΗΤΑ)

Αγωνιστικά Ηλιακά Οχήματα:

Στόχοι, Τεχνολογίες και η Ελληνική Πραγματικότητα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ο σχεδιασμός και η κατασκευή αγωνιστικών ηλιακών οχημάτων αποτελεί μια δημοφιλή επιστημονική και τεχνική δραστηριότητα για ερευνητικές ομάδες, τεχνολογικά ινστιτούτα και εκπαιδευτικά ιδρύματα στο εξωτερικό. Παρά τη φαινομενικά απλή αρχή λειτουργίας, τα ηλιακά οχήματα περικλείουν τεχνολογία αιχμής, ενώ ο έντονος ανταγωνισμός, που αναπτύσσεται τα τελευταία χρόνια, επιταχύνει τις τεχνολογικές εξελίξεις στην περιοχή.

 Εικόνα 1: Παράδειγμα ηλιακού αγωνιστικού οχήματος. Η φωτογραφία απεικονίζει το HondaDream που κέρδισε το WorldSolarChallenge για δύο συνεχόμενες διοργανώσεις (1993 και 1996) διασχίζοντας με 2 άτομα απόσταση 3.000 km στο εσωτερικό της Αυστραλίας, κινούμενο με μέση ταχύτητα περίπου 90 km/h.

Πλέον, τα ηλιακά οχήματα δεν αποτελούν απλά εφαρμογές συνδυασμού υπάρχουσας τεχνολογίας, αλλά πλατφόρμες ανάπτυξης νέων τεχνικών και μεθόδων παραγωγής, αποθήκευσης και εξοικονόμησης ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, οι επιδόσεις τους βελτιώνονται ραγδαία και τα χαρακτηριστικά τους εντυπωσιάζουν. Η Εικόνα 1 παρουσιάζει το παράδειγμα του HondaDream, το οποίο, ήδη από το 1993, κατάφερε να μεταφέρει δύο επιβάτες σε διαδρομή 3.000 km με υψηλή μέση ταχύτητα χωρίς σταγόνα καυσίμου, αλλά με αποκλειστική εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας.

Η παρουσία των ελληνικών ερευνητικών και τεχνολογικών ομάδων στην περιοχή υπήρξε μέχρι πρότινος μηδαμινή. Και αυτό, δυστυχώς, σε μια χώρα με ευνοϊκές κλιματολογικές συνθήκες για τη λειτουργία ηλιακών οχημάτων. Η απουσία του τεχνικού κόσμου της χώρας από την περιοχή θα πρέπει μάλλον να αναζητηθεί στο υψηλό κόστος που συνεπάγεται η κατασκευή τους και όχι στην απουσία της τεχνογνωσίας από τους Έλληνες τεχνικούς. Το κόστος αυξάνει δυσανάλογα, ειδικά αν στόχος είναι ο ανταγωνισμός ομάδων του εξωτερικού, σε ορισμένες από τις οποίες ο προϋπολογισμός είναι εντυπωσιακά υψηλός. Ενδεικτικά, οχήματα που χρησιμοποιούνται ως μέσα προβολής τεχνολογικών καινοτομιών μπορούν να υπερβούν σε κόστος τα μερικά εκατομμύρια ευρώ.

Mε πρωτοβουλία της «Πολιτιστικής Ολυμπιάδας» αποφασίστηκε η διοργάνωση στη χώρα του πρώτου αγώνα ηλιακών οχημάτων με διεθνή συμμετοχή, προβολή και απήχηση. Η διοργάνωση της εκδήλωσης στην Ελλάδα και η παράλληλη διεξαγωγή ελληνικού διαγωνισμού σχεδίασης ηλιακού αγωνιστικού οχήματος υπό την επίβλεψη του ίδιου φορέα, κινητοποίησε έναν ικανό αριθμό ελληνικών τεχνικών ομάδων, που υπέβαλαν σχετικές μελέτες. Αποτέλεσε, δηλαδή, η πρωτοβουλία αυτή την απαρχή μιας έντονης δραστηριότητας, η οποία θα εμπεδωθεί με την κατασκευή ελληνικού ηλιακού αγωνιστικού οχήματος και τη συμμετοχή του σε αγώνες διεθνούς εμβέλειας. Η συμμετοχή ανέδειξε τις τεχνολογικές δυνατότητες της χώρας, ειδικά σε συνδυασμό με τη σχεδόν ταυτόχρονη διεξαγωγή των Ολυμπιακών Αγώνων.

Με αφορμή τη νέα αυτή τεχνολογική κατεύθυνση, το παρόν άρθρο παρουσιάζει μια ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη των ηλιακών οχημάτων και παρουσιάζει τους στόχους αυτών των προσπαθειών. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται περιληπτικά οι τεχνολογίες, που εφαρμόζονται για την κατασκευή και τη διαχείριση της ενέργειας σε ηλιακά οχήματα. Τέλος, αναφερόμαστε στο τοπίο, που δημιουργείται στην Ελλάδα για το μέλλον των ηλιακών οχημάτων, και παρουσιάζουμε την πρόταση, που πρώτευσε στο Διαγωνισμό Σχεδίασης Ελληνικού Ηλιακού Οχήματος.

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Η ιστορία των ηλιακών αγωνιστικών οχημάτων ξεκινάει το 1983, όταν οι Αυστραλοί HansTholstrup και LarryPerkins κατάφεραν να διανύσουν την απόσταση από το Σίδνεϊ στο Περθ, καλύπτοντας, δηλαδή, συνολικά μια απόσταση πάνω από 4.000 km μέσα σε 21 ημέρες με το όχημά τους BP QuietAchiever, επιτυγχάνοντας μια μέση ταχύτητα 23 km/h. Το κατόρθωμα αυτό παρακίνησε και άλλες ομάδες να επιχειρήσουν αντίστοιχες προσπάθειες με την ομάδα του κολεγίου του Crowder να καταφέρνει το 1984 να διασχίσει την αμερικανική ήπειρο από την Καλιφόρνια έως τη Φλόριδα.

Οι πρωτοπόρες αυτές προσπάθειες οδήγησαν στη διοργάνωση του πρώτου διεθνούς αγώνα στην Αυστραλία το 1987 (WorldSolarChallenge) με 23 συμμετοχές από όλον τον κόσμο. Στον αγώνα των 3000 km κατάφεραν να τερματίσουν 6 οχήματα με το Sunraycer της GeneralMotors να καταλαμβάνει την πρώτη θέση με μέση ταχύτητα 67 km/h. Έκτοτε, ο αγώνας αυτός επαναλαμβάνεται κάθε τρία χρόνια και αποτελεί ένα συναρπαστικό γεγονός, καθώς δεν αποτελείται από ειδικές διαδρομές, αλλά τα οχήματα προσπαθούν να καλύψουν τη μεγάλη απόσταση στο μικρότερο δυνατό χρόνο. Η τελευταία εκδήλωση πραγματοποιήθηκε τον Οκτώβριο του 2003, όπου το Ολλανδικό Nuna II των πανεπιστημίων του Delft και Rotterdam κατέλαβε την πρώτη θέση, καλύπτοντας την απόσταση των 3.000 km σε σχεδόν 31 ώρες, κινούμενο, δηλαδή, με μέση ταχύτητα 97 km/h. Η ταχύτητα αυτή αποτελεί ρεκόρ όλων των εποχών και είναι πάνω από 4 φορές υψηλότερη της ταχύτητας, με την οποία οι Tholstrup και Perkins κινήθηκαν 20 χρόνια πριν.

Εκτός από το συγκεκριμένο αγώνα στην Αυστραλία, ο οποίος αποτελεί το διασημότερο γεγονός, παρόμοιοι αγώνες έχουν έως σήμερα πραγματοποιηθεί σε πολλές χώρες, στην Ευρώπη, την Αμερική και την Ιαπωνία. Από αυτούς ξεχώρισαν οι «Sunrayce», «TourdeSol» και τελευταία ο «AmericanSolarChallenge», οι οποίοι πραγματοποιούνται κάθε 1-2 χρόνια. Ο κάθε αγώνας έχει τα δικά του xαρακτηριστικά σε ό,τι αφορά τη διαδρομή, τους στόχους και τη στρατηγική. Κάποιοι αγώνες αποσκοπούν στη βέλτιστη εξοικονόμηση ενέργειας και κάποιοι άλλοι στην επίτευξη μέγιστης ταχύτητας. Έτσι, τα χαρακτηριστικά του κάθε αγώνα καθορίζουν και την εξέλιξη των συμμετεχόντων οχημάτων. Παράλληλα, σε κάθε αγώνα δίδονται αυστηρές προδιαγραφές για τη σχεδίαση των οχημάτων, σε ό,τι αφορά τα ενεργειακά τους χαρακτηριστικά, με τις οποίες πρέπει να συμμορφώνονται όλοι οι αγωνιζόμενοι. Αδυναμία συμμόρφωσης επιφέρει και τον αποκλεισμό από τον αγώνα.Σε κάθε περίπτωση, ο ανταγωνισμός που αναπτύσσεται για την προετοιμασία των οχημάτων και κατά τη διάρκεια των αγώνων επιταχύνει την τεχνολογική πρόοδο και την αξιοπιστία των προτεινόμενων λύσεων. Αναμφισβήτητα, επομένως, τα τεχνολογικά άλματα που πραγματοποιούνται στους τομείς των Φ/Β στοιχείων, ηλεκτρικών κινητήρων, συσσωρευτών και ηλεκτρονικών ισχύος οφείλονται και στη διεξαγωγή παρόμοιων αγώνων.

ΣΤΟΧΟΙ

Η ανάπτυξη και κατασκευή ενός αγωνιστικού ηλιακού οχήματος εξυπηρετεί πολλαπλούς στόχους, τόσο σε επιστημονικό όσο και σε εκπαιδευτικό επίπεδο. Παράλληλα, η συμμετοχή σε αγώνες ενισχύει την προσπάθεια και καθορίζει ένα χρονικό πλαίσιο για την ολοκλήρωσή της. Ωστόσο, η σχεδίαση ενός αγωνιστικού ηλιακού οχήματος δεν θα πρέπει να συγχέεται με την κατασκευή ηλεκτρικών αυτοκινήτων για μαζική χρήση. Οι προτεραιότητες σε κάθε περίπτωση είναι διαφορετικές με αποτέλεσμα να αποτελούν περιοχές με έμμεση σύνδεση (π.χ. ανάπτυξη κοινών υποσυστημάτων) αλλά όχι άμεση, δηλαδή ο σχεδιασμός ενός αγωνιστικού ηλιακού οχήματος δεν προϋποθέτει δυνατότητα αξιοποίησής του για την εξυπηρέτηση αναγκών σε μαζική κλίμακα. Περιληπτικά, η σχεδίαση ενός αγωνιστικού ηλιακού οχήματος και η οργάνωση συμμετοχής του σε έναν αγώνα αποσκοπεί στις ακόλουθες κατευθύνσεις:

1. Στην εκπαίδευση νέων μηχανικών μέσω της οργάνωσης, σχεδίασης, κατασκευής και υποστήριξης του οχήματος. Οι περισσότερες ομάδες αποτελούνται από δεκαμελείς έως εικοσαμελείς ομάδες φοιτητών και σπουδαστών της ανώτατης και μέσης εκπαίδευσης, οι οποίοι επιβλέπονται από τους καθηγητές τους. Η συμμετοχή του οχήματος στον αγώνα προϋποθέτει την εξεύρεση οικονομικής υποστήριξης, την ολοκλήρωση της μελέτης κατασκευής, τον ενεργειακό προϋπολογισμό και την κατασκευή του οχήματος.

Ο αγώνας απαιτεί τη συγκρότηση αγωνιστικής ομάδας υποστήριξης για την επισκευή, συντήρηση και παρακολούθηση της πορείας του οχήματος. Όλες αυτές οι φάσεις αποτελούν μία συγκροτημένη προσπάθεια που βασίζεται στις αρχές εκπαίδευσης του Μηχανικού σήμερα, δηλαδή της κατασκευής Μηχανών με χαμηλό κόστος και υψηλή ποιότητα επιλέγοντας και ενσωματώνοντας τα τεχνολογικά στοιχεία που επιβάλλουν οι εν γένει περιορισμοί. Μάλιστα, η εφαρμογή αυτή πραγματοποιείται στην περιοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που αποκτούν συνεχώς μεγαλύτερη σημασία ει-δικά στην ελληνική πραγματικότητα. Παράλληλα, ο νέος μηχανικός εξασκείται στο συντονισμό ομάδων εργασίας και στην επίβλεψη κατασκευών με δεδομένο χρονικό προγραμματισμό.

2. Στη βελτίωση των τεχνολογιών εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Ενώ η συνεισφορά της ηλιακής ενέργειας στον τομέα των μεταφορών είναι ασήμαντη, ειδικά συγκρινόμενη με τη συνεισφορά της στον οικιακό τομέα και στην παραγωγή ενέργειας, ωστόσο οι περιορισμοί που τίθενται από την εφαρμογή Φ/Β στοιχείων σε αγωνιστικά οχήματα είναι ένα ανταγωνιστικό περιβάλλον που προωθεί την περαιτέρω ανάπτυξή τους. Συγκεκριμένα, ο περιορισμένος χώρος που διατίθεται σε ένα όχημα, απαιτεί τη χρήση στοιχείων υψηλού βαθμού απόδοσης. Επίσης, η ανάγκη συμπίεσης του βάρους του οχήματος και κατασκευής αεροδυναμικών σχημάτων, επιβάλλει χρήση λεπτών Φ/Β στοιχείων που να μπορούν να διαταχθούν σε διάφορες γεωμετρίες. Τέλος, οι δονήσεις και οι αντίξοες συνθήκες που προέρχονται από την κίνηση του οχήματος, απαιτούν στοιχεία και συνδέσεις υψηλής αξιοπιστίας. Επομένως, οι εταιρείες που παρέχουν τέτοια εξειδικευμένα προϊόντα, καλούνται να βελτιώνουν συνέχεια την απόδοση και την αξιοπιστία των προϊόντων τους για την εφαρμογή τους σε αγωνιστική χρήση.

3. Στη βελτίωση των υποσυστημάτων διαχείρισης ενέργειας και μετατροπής της σε κίνηση. Καθώς, η εξοικονόμηση ενέργειας είναι καθοριστικής σημασίας για την πορεία του οχήματος στους αγώνες, η απόδοση κάθε υποσυστήματος είναι ιδιαίτερα σημαντική. 

Στην έννοια υποσύστημα θα πρέπει να συμπεριλάβουμε τους συσσωρευτές, τον κινητήρα, τα ηλεκτρικά/ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος, τα αεροδυναμικά καλύμματα του πλαισίου, τη μετάδοση κίνησης και τους τροχούς με το σύστημα πέδησης. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι εφαρμοζόμενες τεχνολογίες και αποδεικνύεται ότι η διάκριση στον αγώνα προέρχεται μόνο όταν κάθε υποσύστημα είναι μελετημένο, ώστε να ελαχιστοποιεί τις απώλειες ενέργειας διατηρώντας, παράλληλα, μικρό βάρος και όγκο.

4. Στη μεταφορά γνώσης και στη διασύνδεση των εκπαιδευτικών ιδρυμάτων με τον ιδιωτικό τομέα, μέσω της συμμετοχής προμηθευτών και χορηγών στην προσπάθεια. Αν και το όφελος για τον ιδιωτικό τομέα είναι προφανές σε κάθε τύπο αγώνα μέσω της προβολής χορηγών και προμηθευτών σε εξειδικευμένο κοινό, ωστόσο, ειδικά στους αγώνες ηλιακών οχημάτων όπου οι ομάδες είναι υψηλού επιστημονικού και τεχνολογικού επιπέδου, το όφελος επίσης συνίσταται στην απόκτηση τεχνογνωσίας, στην ανταλλαγή πληροφοριών και στην ανάπτυξη και διασύνδεση του τεχνικού κόσμου της χώρας.

5. Στην προβολή των δυνατοτήτων των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και στην ευαισθητοποίησης της επιστημονικής κοινότητας αλλά και του ευρύτερου κοινού σε θέματα εξοικονόμησης ενέργειας και περιβαλλοντικής προστασίας.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Τα αγωνιστικά ηλιακά οχήματα σήμερα ενσωματώνουν τεχνολογίες αιχμής οι οποίες –τις περισσότερες φορές– δεν είναι ορατές από την παράξενη, έως αστεία, εμφάνιση των οχημάτων αυτών. Ωστόσο, οι σημαντικοί περιορισμοί διαστάσεων, ενεργειακής αποθήκης και συνολικού βάρους που επιβάλλονται από τους διοργανωτές των αγώνων, καθώς και ο υψηλός ανταγωνισμός, επιβάλλουν τη χρήση υλικών και την ανάπτυξη συστημάτων υψηλού κόστους για την επίτευξη κάποιας διάκρισης στον αγώνα. Στην ενότητα αυτή αναφέρονται οι κύριες τεχνολογίες που εφαρμόζονται σήμερα.

Τα κύρια υποσυστήματα παραγωγής και μετάδοσης της ενέργειας ενός αγωνιστικού ηλιακού οχήματος παρουσιάζονται στην Εικόνα 2. Η ενέργεια του ήλιου μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω της ηλιακής γεννήτριας που βρίσκεται στην πάνω επιφάνεια του οχήματος. Στη συνέχεια, η ηλεκτρική ισχύς μετατρέπεται με ένα μετατροπέα DC/DC στην απαιτούμενη τάση για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Η συσσωρευμένη ενέργεια από τους συσσωρευτές οδηγείται στον κινητήρα μέσω ενός ελεγκτή που καθορίζει το ρυθμό περιστροφής και τη ροπή του κινητήρα. Τέλος, το σύστημα μετάδοσης μεταδίδει την ισχύ του κινητήρα στον τροχό. Υπάρχει, επίσης, η δυνατότητα μετατροπής της ενέργειας πέδησης σε ηλεκτρική ενέργεια για την επαναφόρτιση των συσσωρευτών (αναγέννηση), μέσω αντιστροφής της ροής ισχύος και της χρήσης του κινητήρα ως γεννήτριας. Ορισμένα από τα υποσυστήματα είναι δυνατόν να απουσιάζουν από συγκεκριμένες εφαρμογές, ανάλογα με το βαθμό εξέλιξης και το κόστος του οχήματος, όπως ο DC/DC converter και το σύστημα μετάδοσης (απευθείας σύνδεση του κινητήρα στον τροχό).

Συμπερασματικά, ένα ηλιακό όχημα είναι κατά βάση ένα ηλεκτρικό όχημα, όπου, όμως, η απαιτούμενη ενέργεια δεν παρέχεται με φόρτιση των συσσωρευτών από το δίκτυο, αλλά απευθείας από την ηλιακή γεννήτρια. Επομένως, ένα ηλιακό όχημα δεν καταναλώνει ενέργεια από καμιά άλλη πηγή, παρά μόνο αξιοποιεί απευθείας την ενέργεια του ήλιου για την κίνησή του. Για το λόγο αυτό, στα ηλιακά αγωνιστικά οχήματα απαγορεύεται η φόρτιση των συσσωρευτών από οποιαδήποτε άλλη πηγή εκτός από τη φέρουσα ηλιακή γεννήτρια.

 

Ηλιακή γεννήτρια

Η ηλιακή γεννήτρια αποτελείται από εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες αυτοτελή Φ/Β στοιχεία, τα οποία είναι κατάλληλα συνδεδεμένα μεταξύ τους για την παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ισχύος. Στις αγωνιστικές κατασκευές δεν χρησιμοποιούνται προκατασκευασμένες Φ/Β συστοιχίες (πάνελς), διότι αυξάνουν το βάρος και περιορίζουν την εκμετάλλευση της ήδη περιορισμένης επιφάνειας στο όχημα. Το μέγεθος της ηλιακής γεννήτριας περιορίζεται ανάλογα με τον κανονισμό του κάθε αγώνα περίπου στα 8 m².Για την κατασκευή των Φ/Β στοιχείων το πιο διαδεδομένο υλικό είναι το πυρίτιο. Το κάθε στοιχείο αποτελείται από μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, το οποίοείναιημιαγώγιμο υλικό. Για την αύξηση της αγωγιμότητας προκαλούνται στο πλέγμα του πυριτίου σφάλματα με την πρόσμιξη μετάλλων. Έτσι, όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπέσει πάνω στο Φ/Β στοιχείο, διαταράσσει τη δομή του πλέγματος και δημιουργεί ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία, με κατάλληλη σύνδεση των στοιχείων, παράγουν το ηλεκτρικό ρεύμα που φορτίζει τους συσσωρευτές. Ο βαθμός απόδοσης της μετατροπής της ηλιακής ενέργειας στα Φ/Β στοιχεία βρίσκεται στην περιοχή του 15-30% με εκθετικά αυξανόμενο κόστος όσο αυξάνει ο βαθμός απόδοσης. Η ονομαστική τιμή πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας λαμβάνεται ίση με 1.000 W/m² και αντιστοιχεί περίπου στην ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας που προσπίπτει σε ενα οριζόντιο επίπεδο το μεσημέρι μιας καλοκαιρινής ημέρας, όταν, δηλαδή, οι ακτίνες  του ήλιου είναι σχεδόν κάθετες στην επιφάνεια της γης. Επομένως, ένα εμπορικό τετραγωνικό Φ/Β στοιχείο με ακμή 0.1 m θα παράγει περίπου 3 A στα 0.5 V αποδίδοντας ισχύ 1.5 W. Με συνδυασμό, επομένως, τέτοιων στοιχείων, μια ηλιακή γεννήτρια 8 m² μπορεί να αποδώσει 1.200 W, τα οποία θα χρησιμοποιηθούν για την κίνηση του οχήματος.

 

Μετατροπέας DC/DC

Ανάλογα με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και τις συνθήκες σκίασης της ηλιακής γεννήτριας, η ισχύς που παράγεται και η αποδιδόμενη τάση των Φ/Β στοιχείων μεταβάλλεται. Η μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς επιτυγχάνεται για μια συγκεκριμένη τιμή τάσης. Παράλληλα, η τάση των συσσωρευτών, προς τους οποίους παρέχεται η ηλεκτρική ισχύς, μεταβάλλεται ανάλογα με το επίπεδο φόρτισής τους. Επομένως, για τη βελτίωση της απόδοσης της ισχύος της ηλιακής γεννήτριας στους συσσωρευτές, παρεμβάλλεται ο μετατροπέας τάσης, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να παρακολουθεί την τάση των συσσωρευτών και να ρυθμίζει κατάλληλα την τάση λειτουργίας των Φ/Β στοιχείων και τα επίπεδα μετατροπής της. Οι συσκευές αυτές καλούνται MaximumPowerPointTrackers (MPPT) και βελτιώνουν σημαντικά τη συνολικά απόδοση του συστήματος ενέργειας.

 

Συσσωρευτές

Ουσιαστικά, ένα ηλιακό όχημα μπορεί να κινηθεί και χωρίς τη χρήση συσσωρευτών με απευθείας σύνδεση της ηλιακής γεννήτριας στον κινητήρα. Η χρήση συσσωρευτών, ωστόσο, προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα. Αρχικά, επιτρέπει τη συσσώρευση ενέργειας, όταν το όχημα δεν οδηγείται. Η ενέργεια αυτή αυξάνει, αφενός την αυτονομία του οχήματος και αφετέρου τη μέση ισχύ που μπορεί να διατεθεί κατά την οδήγηση του οχήματος, ουσιαστικά βελτιώνοντας τις επιδόσεις του. Δευτερευόντως, η αποθηκευμένη ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί, όταν απαιτείται μεγαλύτερη ισχύς από τη διατιθέμενη από την ηλιακή γεννήτρια, π.χ. για κίνηση σε ανωφέρειες και υπό σκιά. Τα χαρακτηριστικά των συσσωρευτών που ενδιαφέρουν είναι κατ’ αρχήν η ειδική ενεργειακή χωρητικότητά τους που εκφράζει τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας ανά μονάδα βάρους συσσωρευτών και τα χαρακτηριστικά αποφόρτισής τους (ελάχιστο όριο αποφόρτισης, επίδραση του ρυθμού αποφόρτισης στην χωρητικότητα κ.τ.λ.). Οι κανονισμοί επιτρέπουν διαφορετικούς τύπους συσσωρευτών, αλλά καθορίζουν το μέγιστο επιτρεπόμενο βάρος ανά τύπο. Επομένως, η συνολική χωρητικότητα των συσσωρευτών διαφορετικού τύπου, που επιτρέπονται, παραμένει σχεδόν σταθερή αλλά μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα το κόστος και το βάρος των συσκευών κατά περίπτωση.

Η συζήτηση με λεπτομέρειες των διαφόρων τύπων συσσωρευτών ξεφεύγει από το πλαίσιο αυτής της παρουσίασης. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι οχήματα χαμηλού κόστους (π.χ. ομάδες μαθητών) χρησιμοποιούν συσσωρευτές μολύβδου-οξέος, παρόμοιου τύπου με τους συσσωρευτές των επιβατηγών οχημάτων. Οι ακριβότερες κατασκευές πλέον χρησιμοποιούν συσσωρευτές λιθίου-ιόντων με ηλεκτρολύτη υγρό ή πολυμερούς gel. Σε σχέση με τους συμβατικούς συσσωρευτές μολύβδου-οξέος και για την ίδια χωρητικότητα ενέργειας, οι συσσωρευτές λιθίου-πολυμερούς εμφανίζονται έως και τέσσερις φορές ελαφρύτεροι, προσφέροντας, έτσι σημαντική, οικονομία στην κατανάλωση ενέργειας.

 

Κινητήρας/σύστημα μετάδοσης

Ο κινητήρας αποτελεί και την καρδιά του ηλιακού οχήματος. Λόγω του μικρού βάρους και της καλής αεροδυναμικής, τα αγωνιστικά ηλιακά οχήματα δεν απαιτούν κινητήρες ισχύος μεγαλύτερης των 7-8 ίππων. Μεγαλύτερη ισχύς, δεν συνεισφέρει σημαντικά λόγω των περιορισμών στην παραγωγή και διάθεση ενέργειας, που επιβάλλουν η ηλιακή ενέργεια και οι συσσωρευτές αντίστοιχα, ενώ μεγαλύτερος κινητήρας θα προσέθετε επιπλέον βάρος στην κατασκευή.

Οι κινητήρες που χρησιμοποιούνται σήμερα από την πλειοψηφία των αγωνιστικών ομάδων είναι κινητήρες βασικά εναλλασσόμενου ρεύματος βραχυκυκλωμένου δρομέα.

Στη μεγάλη τους πλειοψηφία οι κινητήρες αυτοί είναι σύγχρονοι, ενώ λιγότερες ομάδες χρησιμοποιούν και ασύγχρονους. Και στις δύο περιπτώσεις, η λειτουργία και η απόδοση του κινητήρα καθορίζεται από κατάλληλο ελεγκτή, ο οποίος διαμορφώνει το συνεχές ρεύμα που παρέχεται από τους συσσωρευτές σε εναλλασσόμενο για τη λειτουργία του κινητήρα ανάλογα με τις εντολές του οδηγού μέσω του επιταχυντήρα (γκάζι). Η ανάγκη για υψηλούς βαθμούς απόδοσης και χαμηλό βάρος έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη κινητήρων που επιτυγχάνουν βαθμούς απόδοσης έως 95-98%, σε σύγκριση με το ~50% που εμφανίζουν οι αντίστοιχοι κινητήρες για οικιακή χρήση, που εξασφαλίζεται με τη χρήση σπάνιων γαιών για την κατασκευή του σταθερού μαγνήτη. Τελευταία, εμφανίστηκαν σύγχρονοι κινητήρες, οι οποίοι παρέχουν τη δυνατότητα αυτόματης μεταβολής του διάκενου μεταξύ του στάτορα και του ρότορα ανάλογα με το σημείο λειτουργίας, ώστε να επιτυγχάνουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης σε μεγαλύτερο εύρος στροφών.

Η σύνδεση του κινητήρα με τον τροχό μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω σταθερής σχέσης μετάδοσης ή κιβωτίου ταχυτήτων. Η σύγχρονη πρακτική, ωστόσο, είναι η τοποθέτηση κινητήρων που συνδέονται άμεσα με τον τροχό και όπου η κατάλληλη επιλογή μεγέθους τροχού οδηγεί στην αξιοποίηση όλου του φάσματος λειτουργίας του κινητήρα.

Το πλεονέκτημα της απευθείας σύνδεσης είναι ότι δεν εμφανίζει τη συνήθη απώλεια ενέργειας στο σύστημα μετάδοσης. 4.5. Αεροδυναμική απόδοση. Η επίδραση της αεροδυναμικής του οχήματος στις επιδόσεις του είναι καθοριστικής σημασίας. Για παράδειγμα, όταν το όχημα κινείται με 100 km/h, περίπου 75% της ισχύος που διαθέτει ο κινητήρας παρέχεται για να υπερνικηθεί η αντίσταση του αέρα και μόνο το 25% διατίθεται για την υπερνίκηση των τριβών. Η ανάγκη για μείωση του συντελεστή οπισθέλκουσας με παράλληλη διατήρηση της μεγάλης επιφάνειας, που αναγκαστικά καταλαμβάνει η ηλιακή γεννήτρια, είναι οι δύο λόγοι για την παράξενη μορφή των ηλιακών αγωνιστικών οχημάτων.

Η διατήρηση μικρής αεροδυναμικής αντίστασης επιτυγχάνεται με τη χρήση αεροδυναμικών σχημάτων (τύπου σταγόνας) και τη μείωση της μετωπικής επιφάνειας του οχήματος. Εκτός από τις γενικές αρχές, το όχημα θα πρέπει να έχει στενούς αρμούς στη διασύνδεση των στοιχείων του, λείες επιφάνειες, μικρές ανάγκες εξαερισμού κ.λπ.

Χρησιμοποιώντας αυτές τις αρχές, η αεροδυναμική αντίσταση των ηλιακών αγωνιστικών οχημάτων διατηρείται ιδιαίτερα χαμηλή. Σήμερα, έχουν επιτευχθεί συντελεστές οπισθέλκουσας (cd) ηλιακών οχημάτων της τάξης του 0.10, σε σχέση με 0.26-0.32 που εμφανίζουν τα σύγχρονα επιβατηγά οχήματα. Αντίστοιχα, η μετωπική επιφάνεια περιορίζεται σε 0.7 m² έναντι περίπου 2 m² των επιβατηγών οχημάτων. Ως αποτέλεσμα, για κίνηση με τη ίδια ταχύτητα, τα ηλιακά αγωνιστικά οχήματα εμφανίζουν περίπου 8-10 φορές χαμηλότερη αεροδυναμική αντίσταση από συμβατικά επιβατηγά. Το αποτέλεσμα αυτό αποτελεί παράγοντα σημαντικής εξοικονόμησης ενέργειας.

 

Πλαίσιο και εξωτερικές επιφάνειες

Σε συνάρτηση και πάλι με το κόστος του οχήματος, η τεχνική κατασκευής του πλαισίου και των εξωτερικών επιφανειών μεταβάλλεται. Για την ελαχιστοποίηση του βάρους, οι κατασκευές υψηλού κόστους αναπτύσσουν πλαίσια μονοκόκ από συνθετικά υλικά (ίνες άνθρακα) με ενισχύσεις από κέβλαρ, νόμεξ ή μεταλλικά παρεμβύσματα. Ωστόσο, τα αναλογικά μικρά φορτία, που αναπτύσσονται στο πλαίσιο λόγω του περιορισμένου βάρους της κατασκευής, μπορούν να παραληφθούν και από ελαφρείς μεταλλικούς σκελετούς από αλουμίνιο ή χάλυβα. Το βάρος των πλαισίων ανέρχεται στην περιοχή των 30-40 kg.

Αντίστοιχα, οι εξωτερικές επιφάνειες διαμορφώνονται από συνθετικά υλικά με βάση τις ίνες άνθρακα ή γυαλιού.

 

Η ΔΙΕΘΝΗΣ ΕΜΠΕΙΡΙΑ

Ο αριθμός των ηλιακών αγωνιστικών οχημάτων σήμερα υπερβαίνει τις μερικές δεκάδες με τις περισσότερες συμμετοχές να προέρχονται από την Αμερική, την Αυστραλία και την Ιαπωνία. Οι ομάδες συνήθως αποτελούνται από προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές πανεπιστημίων, οι οποίοι υποστηρίζονται οικονομικά από τις χορηγίες ιδιωτικών φορέων, οι οποίοι ενίοτε συνεισφέρουν με προμήθεια συσκευών ή τεχνογνωσία στην κατασκευή των οχημάτων.

Το κόστος ανάπτυξης και κατασκευής των οχημάτων αυτών εκτιμάται στην τάξη των μερικών εκατομμυρίων ευρώ και χρησιμοποιούνται ως πλατφόρμες ανάπτυξης και επίδειξης τεχνολογίας.

 

Ο ΑΓΩΝΑΣ «ΦΑΕΘΩΝ 2004»

Το Υπουργείο Πολιτισμού, μέσω του Οργανισμού Προβολής Ελληνικού Πολιτισμού

Α.Ε., πήρε την πρωτοβουλία διοργάνωσης διεθνούς αγώνα ηλιακών οχημάτων στην Ελλάδα με την Επωνυμία «Φαέθων 2004», στο πλαίσιο της «Πολιτιστικής Ολυμπιάδας».

Είναι η πρώτη φορά στην ελληνική ιστορία που  πραγματοποιήθηκε αγώνας ηλιακών οχημάτων, εφάμιλλος με τις εκδηλώσεις στο εξωτερικό. Σύμφωνα με το δελτίο τύπου εξαγγελίας του αγώνα, η φιλοξενία μιας τέτοιας εκδήλωσης στην Ελλάδα δικαιολογείται καθώς «το Ολυμπιακό Ιδεώδες συνδέεται με το Ιδεώδες της αρμονικής συνύπαρξης του ανθρώπου και της Φύσης, που αποτελεί τη βάση της Ελληνικής Σκέψης». Στο ίδιο δελτίο τύπου, επίσης, τονίστηκε η συμβολική διάσταση της εκδήλωσης που «αποδεικνύει ότι ο ήλιος, που ανάβει τη δάδα της Ολυμπιακής Φλόγας, μπορεί να προσφέρει ένα μεγάλο μέρος της ενέργειας που χρειάζονται οι ανθρώπινες δραστηριότητες». Τέλος, αναφέρουν οι οργανωτές της εκδήλωσης, ότι το μήνυμα που στέλνει στον κόσμο αυτή η εκδήλωση, μπορεί να απεικονισθεί στη σχέση:

Ελληνική Σκέψη = Ανθρωποκεντρική Σκέψη = Ανθρώπινες Δράσεις σε αρμονία με τη Φύση.

Η εκδήλωση πραγματοποιήθηκε το Μάιο του 2004 και αποτελείτο από δύο σκέλη.

Το πρώτο σκέλος αφορούσε έναν «Αγώνα Ταχύτητας», ο οποίος θα πραγματοποιήθηκε στο Αυτοκινητοδρόμιο Μεγάρων την 23η Μαΐου σύμφωνα με τους κανόνες της FIA για το Κύπελλο Εναλλακτικής Ενέργειας. Ο αγώνας αυτός αποτελείτο από δύο ωριαία τμήματα, στα οποία τα οχήματα καλούνταν να καλύψουν τη μεγαλύτερη δυνατή απόσταση, επιτρέποντας ενδιάμεσα τη φόρτιση των συσσωρευτών από την ηλιακή γεννήτρια τουλάχιστον για πέντε ώρες. Το δεύτερο μέρος αποτελείτο από πέντε ημερήσιες διαδρομές που κάλυπταν συνολική απόσταση 795 km. Οι διαδρομές αυτές διακρίνονταν ως εξής:

Κάθε ένα από τα δύο σκέλη προσμετρήθηκε ξεχωριστά στο Παγκόσμιο Κύπελλο Εναλλακτικής Ενέργειας της FIA για το 2004. Η οργάνωση και η διεξαγωγή του αγώνα ήταν ευθύνη του Ελληνικού Ινστιτούτου Ηλεκτροκίνητων Οχημάτων (ΕΛΙΝΗΟ), της Ελληνικής Λέσχης Περιηγήσεων και Αυτοκινήτου (ΕΛΠΑ) και των Τεχνικών Εκδόσεων Α.Ε.

 

Ο ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΕΛΛΗΝΙΚΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΥ  ΟΧΗΜΑΤΟΣ

Στο πλαίσιο διοργάνωσης της εκδήλωσης Φαέθων 2004, η Πολιτιστική Ολυμπιάδα διεξήγαγε παράλληλα διαγωνισμό Σχεδίασης Ελληνικού Ηλιακού Αγωνιστικού Οχήματος σύμφωνου με τις προδιαγραφές της FIA. Στόχο του διαγωνισμού αποτέλεσε η κινητοποίηση του ελληνικού επιστημονικού δυναμικού για τη σχεδίαση ενός ελληνικού οχήματος, το οποίο θα μπορέσει να συμμετάσχει στον αγώνα και να ανταγωνιστεί τις μεγάλες ομάδες του εξωτερικού. Ο διαγωνισμός προκηρύχθηκε στα μέσα Ιουλίου 2003 με λήξη το Σεπτέμβριο του ιδίου έτους. Παρά το σύντομο χρονικό διάστημα που διατέθηκε, ένας σημαντικός αριθμός ερευνητικών ομάδων υπέβαλαν προτάσεις. Οι προτάσεις προήλθαν από τρία πανεπιστημιακά ιδρύματα, τρεις ομάδες τεχνολογικών εκπαιδευτικών ιδρυμάτων και σχολών μέσης εκπαίδευσης καθώς και από δύο ιδιωτικούς ομίλους.

Οι οργανωτές συγκέντρωσαν τις προτάσεις, οι οποίες αξιολογήθηκαν από τριμελή επιτροπή με πρόεδρο τον καθηγητή του Ε.Μ.Π. Α. Κανάραχο και τους καθηγητές του Ε.Μ.Π. και του Α.Π.Θ. Σ. Μανιά και Κ. Μπουζάκη. Μετά την αξιολόγηση, η επιτροπή και πρότεινε για το πρώτο βραβείο το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και για το δεύτερο βραβείο το Πανεπιστήμιο Πατρών (Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών καιΤεχνολογίας Υπολογιστών και Τμήμα Φυσικής). Επίσης, πρότεινε την ισότιμη απονομή τριών επαίνων στις ακόλουθες ομάδες εκπαιδευτικών ιδρυμάτων: α) Τ.Ε.Ι. Λάρισας-5οΤ.Ε.Ε. Λάρισας, β) 1ο Τ.Ε.Ε. Δραπετσώνας-1ο Σ.Ε.Κ. Αγ. Παρασκευής-2ο Τ.Ε.Ε. Αιγάλεω 4ο Σ.Ε.Κ. Ν. Ιωνίας-6ο Σ.Ε.Κ. Χαϊδαρίου-Δ/νσηβ’βάθμιας εκπαίδευσης Χίου, γ) 1ο Τ.Ε.Ε. Γιαννιτσών.

Η βράβευση των ομάδων πραγματοποιήθηκε την Τρίτη 2 Δεκεμβρίου στο κέντρο «Αίγλη» του Ζαππείου με παρουσία του Υπουργού Πολιτισμού Ε. Βενιζέλου. Η εκδήλωση της  βράβευσης περιελάμβανε ανοικτή προς το κοινό έκθεση παρουσίασης των υποβληθεισών προτάσεων και την απονομή των βραβείων. Στην εκδήλωση διαφάνηκε η πρόθεση όλων των βραβευμένων ομάδων να συμμετάσχουν στον αγώνα Φαέθων 2004. Επίσης, όμως, αναδείχθηκε ο προβληματισμός των ομάδων στην εξεύρεση οικονομικής υποστήριξης της προσπάθειάς τους, η έλλειψη της οποίας αποτελεί τροχοπέδη στην κατασκευή των προτεινόμενων οχημάτων. Ο προβληματισμός αυξάνει καθώς το χρονικό περιθώριο μέχρι τη διεξαγωγή του αγώνα είναι σύντομο και δεν διευκολύνει την εξεύρεση χορηγών.

 

Η ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΗΛΙΑΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

Οι μελέτες που υποβλήθηκαν στο διαγωνισμό αφορούσαν στο σχεδιασμό και στην υλοποίηση ηλιακών οχημάτων, σύμφωνα με τις προδιαγραφές της Διεθνούς Ομοσπονδίας Αυτοκινήτων (FIA) για την Κατηγορία Ι (Ηλιακά Αυτοκίνητα), Κλάση 2 (Βάρους <300 kg). Η σχεδίαση του οχήματος, που κατέλαβε την πρώτη θέση, έλαβε υπόψη τη δυνατότητα συμμετοχής και στα δύο σκέλη του αγώνα, δηλαδή, τόσο στον Αγώνα Αντοχής όσο και στον Αγώνα Ταχύτητας. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα κύρια στοιχεία της μελέτης σχεδίασης του οχήματος του Τμήματος Μηχανολόγων του Α.Π.Θ., που πρώτευσε στο διαγωνισμό.

Στόχο της ομάδας σχεδίασης αποτέλεσε η μελέτη ενός οχήματος, το οποίο θα μπορέσει να κατασκευαστεί στο σύντομο χρονικό διάστημα που απέμενε έως το Μάιο του 2004. Επίσης, η συγκράτηση του κόστους κατασκευής με την αποφυγή χρήσης εξωτικών υλικών και συσκευών αποτέλεσε δεύτερο κύριο κριτήριο στις σχεδιαστικές επιλογές. Για το λόγο αυτό, η ομάδα προσανατολίστηκε στην εφαρμογή τυποποιημένων μεθόδων και τη χρήση μη εξειδικευμένων συγκροτημάτων. Παρά τους περιορισμούς, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην επίτευξη υψηλών επιδόσεων για τη διάκριση στον αγώνα.

 

Μορφή και χαρακτηριστικά οχήματος

Το όνομα του πρωτοτύπου είναι «HELIOS 2004» και μια προοπτική του άποψη δίδεται στην Εικόνα 3.

Το όχημα φέρει τρεις τροχούς και επίπεδη επιφάνεια για την ηλιακή γεννήτρια. Οι δύο τροχοί (κινητήριος και κατευθυντήριος) και η θέση του οδηγού βρίσκονται εντός ενός κατακόρυφου φορέα και ο τρίτος τροχός και οι συσσωρευτές σε δεύτερο κατακόρυφο φορέα, αντίστοιχης γεωμετρίας. Η ανάγκη μικρής μετωπικής επιφάνειας οδήγησε στην υιοθέτηση κατακόρυφων φορέων όγκου για τον οδηγό και τους τροχούς και σε οριζόντιο επίπεδο φορέα για τη διαμόρφωση της κατάλληλης επιφάνειας για τα Φ/Β στοιχεία. Η μορφή αυτή πλεονεκτεί έναντι αυτής της μορφής «χελώνας», διότι για τις ίδιες απαιτήσεις χώρου σε κατακόρυφους φορείς παρουσιάζει τη μικρότερη μετωπική επιφάνεια. Επίσης, με κατάλληλη διαμόρφωση της θέσης των τροχών (εμπρός, πίσω, πλάγια) μικραίνει ακόμη περισσότερο η μετωπική επιφάνεια, ο οδηγός έχει απλή / σύντομη πρόσβαση στο μέσο, αριστερά (ή δεξιά) και παρέχεται επίσης η δυνατότητα σημαντικής μείωσης του συντελεστή αντίστασης αέρα cd.  Επιπλέον, οι κατακόρυφοι φορείς παρουσιάζουν το σημαντικό πλεονέκτημα της άριστης ευστάθειας πορείας.

Τέλος, η επιλογή κατακόρυφων φορέων διευκολύνει στην προμήθεια από την αγορά πλήρων συστημάτων ανάρτησης, εμπρός, πίσω και πλάγια, από τα διατιθέμενα σε ελαφρές μοτοσικλέτες κυβισμού μεγέθους 250 cm³.

Τέλος, για το σύστημα διεύθυνσης χρησιμοποιείται έμμεσο κυκλικό τιμόνι με σύστημα κοχλία-περικοχλίου που δρα στο ψαλίδι του εμπρόσθιου τροχού.

 

Επιλογή συσκευών

Φ/Β στοιχεία

Οι μεγάλες εταιρείες ενέργειας που εμπορεύονται Φ/Β συστήματα (Shell, BP κ.λπ.), διαθέτουν κυρίως έτοιμες συστοιχίες (πάνελς) και όχι Φ/Β στοιχεία για εξειδικευμένες χρήσεις. Στην κατασκευή αγωνιστικού οχήματος κυρίαρχο ρόλο παίζει η δυνατότητα ελεύθερης διαμόρφωσης της γεωμετρίας της ηλιακής γεννήτριας, η οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο με κατά βούληση συνδυασμό αυτοτελών Φ/Β στοιχείων. Ένα επιπλέον κριτήριο είναι η διατήρηση χαμηλού βάρους.

 

Συσσωρευτές

Η επιλογή των συσσωρευτών καθορίζεται αποκλειστικά από την ανάγκη διατήρησης χαμηλού βάρους της κατασκευής, καθώς οι κανονισμοί επιτρέπουν συσσωρευτές διαφορετικών τύπων αλλά ίδιας ενεργειακής χωρητικότητας. Οι δύο επικρατέστερες τεχνολογίες είναι οι συσσωρευτές Λιθίου-Ιόντων, όπου ο ηλεκτρολύτης βρίσκεται, είτε στη μορφή υγρού υπό πίεση είτε πολυμερούς gel. Η δεύτερη λύση πλεονεκτεί της πρώτης στην πυκνότητα ενέργειας και στην ασφάλεια που παρέχει, ενώ η πρώτη πλεονεκτεί λόγω του μικρότερου κόστους. Και πάλι με κριτήρια κόστους/απόδοσης αλλά και με παράμετρο το διαθέσιμο βάρος, επιλέγονται συσσωρευτές Λιθίου-Ιόντων με υγρό ηλεκτρολύτη.

 

Κινητήρας          

Τέλος, η επιλογή του κινητήρα, που αποτελεί την καρδιά του οχήματος, είναι μεγάλης σημασίας και καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την αξιοπιστία, τις επιδόσεις άρα και την κατάταξη του οχήματος. Ιστορικά, η αρχή της ηλεκτροκίνησης των επιβατικών αυτοκινήτων ως πρωτοτύπων από όλες σχεδόν τις μεγάλες εταιρίες κατασκευής αυτοκινήτων, τοποθετείται στη δεκαετία 1970, όπου η καλύτερη λύση περιελάμβανε κινητήρες DC σειράς με εκκίνηση/ρύθμιση DC-converter. Όμως, η λύση αυτή έχει το μειονέκτημα του μικρού βαθμού απόδοσης του κινητήρα σε μεγάλη περιοχή της ροπής και των στροφών.

Γενικά, από τη μελέτη των επιλογών των διαφόρων ομάδων, που έχουν κατασκευάσει και λειτουργήσει ηλιακά οχήματα, παρατηρούμε ότι όλοι έχουν στραφεί σε χρήση κινητήρα ψευδο-DC (DC-brushless), ο οποίος είναι ουσιαστικά κινητήρας σύγχρονος AC, που οδηγείται με κατάλληλο ελεγκτή διαμόρφωσης του συνεχούς ρεύματος. Οι κινητή-ρες αυτοί εφαρμόζονται και με μεταβολή του διάκενου του μαγνητικού πεδίου, ώστε να προσφέρουν υψηλή ροπή σε μεγάλο πεδίο στροφών με καλό βαθμό απόδοσης. Επίσης, έχουν τη δυνατότητα άμεσης σύνδεσης με τον τροχό. Γενικά, διαφαίνεται ότι οι κινητήρες αυτοί (που κατασκευάζονται προς το παρόν μόνο από μία εταιρεία) έχουν τύχει ιδιαίτερης θετικής αποδοχής από τις ομάδες, αφού αποτελούν μια έτοιμη και προσαρμοσμένη λύση στις ανάγκες των ηλιακών οχημάτων. Ως μειονέκτημα ασφαλώς και πάλι παρουσιάζεται το ιδιαίτερα υψηλό κόστος των εξειδικευμένων αυτών κινητήρων, καθώς και η μικρή δυνατότητα της ομάδας να επέμβει στα χαρακτηριστικά του.

 

Ενεργειακή συμπεριφορά και επιδόσεις οχήματος

Για τον ενεργειακό προϋπολογισμό του οχήματος και τον προϋπολογισμό των επιδόσεών του, αναπτύχθηκε κώδικας ηλεκτρονικού υπολογιστή, λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά κίνησης στον αγώνα αντοχής και στον αγώνα ταχύτητας και αντίστοιχα τα χαρακτηριστικά του οχήματος. Έτσι, υπολογίζεται η κατανάλωση ισχύος με βάση τις δυνάμεις αεροδυναμικής αντίστασης, τριβής κύλισης και τις αδρανειακές και βαρυτικές δυνάμεις με χρονικό βήμα 2s για το σύνολο των 795 km της διαδρομής. Η κατανάλωση ενέργειας υπολογίζεται στη συνέχεια λαμβάνοντας υπόψη τους βαθμούς απόδοσης όλων των υποσυστημάτων του οχήματος. Αντίστοιχα, υπολογίζεται η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλιακή γεννήτρια για τη διανυόμενη απόσταση δεχόμενοι δύο σενάρια έντασης ηλιακής ακτινοβολίας, για ηλιόλουστη και συννεφιασμένη διαδρομή.

Στόχος της ενεργειακής ανάλυσης είναι να υπολογιστεί η διατιθέμενη ενέργεια στους συσσωρευτές ως συνάρτηση του χρόνου για κάθε διαδρομή. Το μέγεθος αυτό δείχνει κατά πόσο το όχημα είναι δυνατό να αντεπεξέλθει στις απαιτήσεις κίνησης του αγώνα και αποτελεί το βασικό κριτήριο χάραξης της στρατηγικής του ράλι. Επίσης, ο προϋπολογισμός των επιδόσεων παρέχει μια κατευθυντήρια γραμμή για τις ικανότητες κατάταξης του οχήματος.

Σύμφωνα με τους προϋπολογισμούς αυτούς, το όχημα επιταχύνει από 0-100 km/h σε 36s, και η μέγιστη ταχύτητα του σε επίπεδο δρόμο είναι 124 km/h, και προκύπτει ότι το όχημα μπορεί να εκκινήσει σε δρόμο με κλίση 18% και να επιτύχει μέγιστη ταχύτητα 32 km/h.

 

Τεχνικά χαρακτηριστικά και σύγκριση με ομάδες του εξωτερικού

Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι σύμφωνα με τις προδιαγραφές της κατηγορίας Ι, κλάσης ΙΙ της FIA και βρίσκεται σε ιδιαίτερα ανταγωνιστικό επίπεδο. Τα προτερήματα της πρότασης είναι η χρήση κατακόρυφων φορέων που περιορίζουν σημαντικά τη μετωπική επιφάνεια, παρέχουν κανονική θέση οδήγησης στον οδηγό και επιτρέπουν τη χρήση έτοιμων συστημάτων ανάρτησης από δίτροχα. Η χρήση ολοκληρωμένων συστημάτων ανάρτησης μόνο ως πλεονέκτημα μπορεί να χαρακτηριστεί για την οδήγηση του οχήματος στο δύσκολο επαρχιώτικο ελληνικό δίκτυο. Επίσης, η επίπεδη επιφάνεια της ηλιακής γεννήτριας επιτρέπει τη μέγιστη αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας.

 

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ/ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ

Με την ευκαιρία της διοργάνωσης των Ολυμπιακών Αγώνων στην Αθήνα το 2004, η Πολιτιστική Ολυμπιάδα ανέλαβε την πρωτοβουλία διοργάνωσης διεθνούς αγώνα ηλιακών οχημάτων στην Ελλάδα για πρώτη φορά το 2004 με την επωνυμία «Φαέθων 2004». παράλληλα, διοργάνωσε Πανελλήνιο Διαγωνισμό Σχεδίασης Ηλιακού Αυτοκινήτου με την προοπτική της ελληνικής συμμετοχής στον αγώνα. Στο διαγωνισμό πρώτευσε η ομάδα του Τμήματος Μηχανολόγων του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.

Παράλληλα, η δραστηριότητα αυτή κινητοποίησε αντίστοιχες ερευνητικές ομάδες στην Ελλάδα και έθεσε το θεμέλιο λίθο σε μια περιοχή με έντονο ελληνικό ενδιαφέρον, λόγω των ευνοϊκών κλιματολογικών συνθηκών στη χώρα. Η κατάλληλη υποστήριξη της κατεύθυνσης αυτής θα μπορέσει να επιφέρει καρπούς, τόσο στο στενό πλαίσιο διάκρισης στους αγώνες με όφελος την προβολή της χώρας και την αναγνώριση των επιστημονικών της δυνατοτήτων όσο και στην ουσιαστική εμπλοκή των ελληνικών εκπαιδευτικών ιδρυμάτων και ινστιτούτων στις εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών για την εξοικονόμηση ενέργειας και προστασίας του περιβάλλοντος. Στην κατεύθυνση αυτή, η συμπαράσταση και υποστήριξη του συνόλου της ελληνικής τεχνολογικής και τεχνικής κοινότητας είναι επιβεβλημένη.