# Αυτόνομο Σύστημα Φωτοβολταϊκών

## Στοιχεία Θεωρίας (1/4)

Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι συστήματα ηλεκτροδότησης με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας. Διαφοροποιούνται από τα διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα στο ότι δεν απαιτείται διασύνδεση με το δημόσιο δίκτυο (π.χ. ΔΕΗ) για να λειτουργήσουν. Τα αυτόνομα συστήματα περιλαμβάνουν μπαταρίες (συσσωρευτές), ώστε κατά τη διάρκεια έλλειψης ενέργειας από ήλιο, το φορτίο να τροφοδοτείται μέσω των συσσωρευτών.

Στο μαθησιακό αντικείμενο εξετάζεται ο τρόπος με τον οποίο γίνεται μια μελέτη διαστασιολόγησης ενός αυτόνομου συστήματος φωτοβολταϊκών σε μια κατοικία. Θεωρείται δεδομένο ότι το σπίτι αποτελεί κύρια κατοικία και χρησιμοποιείται σε καθημερινή βάση. Για να γίνει σωστή διαστασιολόγηση, θα πρέπει ο μελετητής να ακολουθήσει τα παρακάτω βήματα:

Βήμα 1. Υπολογισμός Συνολικής Ενεργειακής Κατανάλωσης

Καταγράφουμε όλα τα φορτία του σπιτιού, με μια πρόβλεψη πόσες ώρες θα λειτουργεί το καθένα από αυτά ημερησίως (αυτό στην πραγματικότητα γίνεται σε συμφωνία με τους ιδιοκτήτες της κατοικίας).

Εκαταν = Φορτ1 x h1 + Φορτ2 x h2 + … + Φορτn x hn = a
Φορτ1-n: τα φορτία που έχουν τοποθετηθεί στο σπίτι σε Watt π.χ. κουζίνα 2000W
h1-n: οι ώρες που προβλέπεται να λειτουργεί ημερησίως το κάθε φορτίο σε ώρες (hours) π.χ. 3 h (ώρες)

Όμως στον τελικό υπολογισμό της ενεργειακής κατανάλωσης χρειάζεται να κάνουμε μια προσαύξηση κατά 25% (το ποσοστό αυτό βιβλιογραφικά κυμαίνεται από 25% - 40%), ποσοστό το οποίο κυρίως αντιπροσωπεύει τις απώλειες στις συνδέσεις αλλά και κάποια πιθανή (μικρή) αλλαγή στα φορτία και στις ώρες εκ των υστέρων.

Επομένως, η συνολική ενεργειακή κατανάλωση (σε Wh) μαζί με την προσαύξηση κατά 25%, δίνεται από τον τύπο:

Ε'τελ. καταν = a + 25% a = Εκαταν x 1,25

Αυτή η αύξηση που κάνουμε στη μελέτη (25%) θα μπορούσε να είναι μεγαλύτερη, εάν ο μελετητής ή εάν ο πελάτης και ιδιοκτήτης του σπιτιού ζητούσε το σπίτι να έχει κάποιες μέρες αυτονομίας σε περίπτωση που ΔΕΝ παράγουν ενέργεια τα φωτοβολταϊκά π.χ. μια μέρα με συνθήκες μεγάλης συννεφιάς (σκοτεινιάς). Σε αυτήν την περίπτωση, οι μπαταρίες πρέπει να είναι φορτισμένες από τις προηγούμενες ημέρες (δηλαδή να έχουν αποθηκεύσει ενέργεια) ώστε να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες του σπιτιού την ημέρα που δεν θα παράγει το Φωτοβολταϊκό σύστημα. Αυτή η αύξηση στη μελέτη ονομάζεται συντελεστής ΕΦΕΔΡΕΙΑΣ του συστήματος.

## Στοιχεία Θεωρίας (2/4)

Βήμα 2. Υπολογισμός Αριθμού Φ/Β Panels

Στο παρόν μαθησιακό αντικείμενο δίνεται η δυνατότητα επιλογής ανάμεσα σε μόνο δύο panels (275W & 330W). Στην πραγματικότητα θα μπορούσαμε να επιλέξουμε ανάμεσα σε πάρα πολλά που υπάρχουν στην αγορά, γι' αυτό πρέπει να λάβουμε υπόψη τα χαρακτηριστικά τους.

Για να υπολογίσουμε τον αριθμό των panels που απαιτούνται, αρχικά λαμβάνουμε υπόψη την τοποθεσία του σπιτιού (γεωγραφικό μήκος & πλάτος). Στη συνέχεια, μελετάμε τον πίνακα ηλιοφάνειας (με το σύστημα PVGIS) για την περιοχή που βρίσκεται η κατοικία και επιλέγουμε να γίνει η μελέτη χρησιμοποιώντας στοιχεία του μήνα με την μικρότερη ηλιοφάνεια, έτσι ώστε να είμαστε σίγουροι ότι το σύστημα θα ανταποκριθεί σωστά, ακόμα και με τις χειρότερες ενεργειακές συνθήκες. Οι υπολογισμοί είναι:

Ε'τελ. καταν / (Edτοποθεσία & μήνα) = β, *Αριθμός Panels330W = β / 330
Ε'τελ. καταν / (Edτοποθεσία & μήνα) = γ, *Αριθμός Panels275W = γ / 275

όπου ο συντελεστής Edτοποθεσία & μήνα δίνεται από τον πίνακα ηλιοφάνειας που παρέχεται στο μαθησιακό αντικείμενο.

Σε μια σωστή οικονομοτεχνική μελέτη διαστασιολόγησης, πρέπει να υπάρχει ισοζύγιο ανάμεσα στην συνολική κατανάλωση ενέργειας της κατοικίας και στην ενέργεια που παράγει το φωτοβολταϊκό σύστημα.

*Αν το αποτέλεσμα είναι δεκαδικός αριθμός γίνεται στρογγυλοποίηση σε ακέραιο προς τα πάνω.

## Στοιχεία Θεωρίας (3/4)

Βήμα 3. Υπολογισμός εμβαδού του συνολικού αριθμού φωτοβολταϊκών που θα εγκατασταθούν στη στέγη

Το εμβαδόν της στέγης που είναι διαθέσιμο για την εγκατάσταση των panels (βέλτιστος προσανατολισμός για την Ευρώπη είναι ο Νότιος) είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη. Αυτό συνδέεται άμεσα με την επιλογή φωτοβολταϊκού (που αναφέρθηκε παραπάνω) γιατί ανάλογα με την επιλογή των διαστάσεων των panels και την ισχύ τους, αυξάνεται ή μειώνεται ο τελικός συνολικός αριθμός τους.

Στο παρόν μαθησιακό αντικείμενο θεωρείται ως δεδομένο ότι η διαθέσιμη στέγη είναι 100m2.

Επομένως, το εμβαδόν στέγης (σε m2) που θα χρειαστούν τα panels είναι:

Εμβαδό στέγης330W = Αριθμός Panels330W x 2
Εμβαδό στέγης275W = Αριθμός Panels275W x 1,6

όπου 2 το εμβαδόν του panel των 330W σε m2 και 1,6 το εμβαδόν του panel των 275W σε m2. Οι τιμές αυτές αποτελούν δεδομένα του μαθησιακού αντικειμένου.

Όμως ο μελετητής πρέπει να μελετήσει ποιο είναι το συνολικό εμβαδόν της στέγης που θα χρειαστεί η εγκατάσταση των panels λαμβάνοντας υπόψη πιθανά κενά ανάμεσα στα panels στην εγκατάσταση. Γι' αυτό γίνεται μια προσαύξηση κατά 15% (το ποσοστό αυτό βιβλιογραφικά είναι 15% για στέγη με κλίση και 50% αν η εγκατάσταση είναι σε ταράτσα ή στο έδαφος).

Επομένως, το συνολικό εμβαδό στέγης (σε m2) που θα χρειαστούν τα panels είναι:

Συνολικό Εμβαδό Φ/Β Panels = Αριθ. Panels x Εμβαδό Panel x (1 + Ποσοστό Προσαύξησης Εμβαδού)

## Στοιχεία Θεωρίας (4/4)

Βήμα 4. Υπολογισμός Αριθμού Μπαταριών

Το τελευταίο βήμα στη μελέτη είναι να υπολογίσουμε ποια μπαταρία θα επιλέξουμε για το σπίτι (με ποια χαρακτηριστικά) και πόσες συνολικά θα χρειαστούμε στη μελέτη. Στο παρόν μαθησιακό αντικείμενο δίνεται η δυνατότητα επιλογής ανάμεσα σε μόνο δύο μπαταρίες (100 Ah & 200 Ah). Στην πραγματικότητα θα μπορούσαμε να επιλέξουμε ανάμεσα σε πάρα πολλές που υπάρχουν στην αγορά, γι' αυτό πρέπει να λάβουμε υπόψη τα χαρακτηριστικά τους. Οι υπολογισμοί είναι:

*Ε'τελ. καταν / 12 = κ, Αριθμός μπαταριών100Ah = κ / 100
*Ε'τελ. καταν / 12 = λ, Αριθμός μπαταριών200Ah = λ / 200

Όμως στον τελικό υπολογισμό του αριθμού των μπαταριών πρέπει να γίνει μια προσαύξηση κατά 50%. Αυτό γίνεται για να εξασφαλίσουμε το απαραίτητο ποσοστό ασφαλείας για αποτροπή πλήρους αποφόρτισης των μπαταριών (δηλαδή δεν πρέπει οι μπαταρίες να αποφορτίζονται εντελώς) και για να καλύψουμε ένα ποσοστό εφεδρείας που εξαρτάται από την καμπύλη φορτίου της κατανάλωσης. Γι' αυτό το λόγο αυτό το ποσοστό μπορεί να διαφέρει από μελέτη σε μελέτη. Άρα:

*Τελικός αριθμός μπαταριών στην εγκατάσταση = Αριθμός μπαταριώντάδε Αh x 1,50 (Αύξηση 50%)

*Αν το αποτέλεσμα είναι δεκαδικός αριθμός γίνεται στρογγυλοποίηση σε ακέραιο προς τα πάνω.

## Εφαρμογή (1/2)

Επιλέξτε το σπίτι σας να βρίσκεται στην Πύλο και μέσα σε αυτό να υπάρχουν τα παρακάτω φορτία που καταναλώνουν ενέργεια για χρόνο που αναγράφετε παρακάτω ανά ημέρα:

- Φωτισμός LED στο σαλόνι 7 ώρες & στο δωμάτιο 4 ώρες
- Κουζίνα που χρησιμοποιείται 3 ώρες
- Ψυγείο που δουλεύει 24 ώρες
- Πλυντήριο ρούχων 2 ώρες
- Ανεμιστήρας δαπέδου 4 ώρες
- Τζάκι 24 ώρες
- Ηλιακός θερμοσίφωνας 24 ώρες
- Τηλεόραση 5 ώρες
- Φορητός υπολογιστής 8 ώρες
- Ηλεκτρική σκούπας 1 ώρα
- Ηλεκτρικό σίδερο 1 ώρα

α. Επιλέξτε φωτοβολταϊκά panels των 330 Watt να βάλετε στο σπίτι, ώστε να το καλύπτετε ενεργειακά. Πόσα panels αυτού του τύπου χρειάζονται για να είναι αυτόνομο; Αλλάξτε τον τύπο των panels και βάλτε 275 Watt. Τί παρατηρείτε; Τί τροποποιήσεις χρειάζεται να κάνετε για να είναι και πάλι αυτόνομο το σπίτι; Μελετήστε και αναφέρετε ποια θα μπορούσαν να είναι τα κριτήρια επιλογής του ενός ή άλλου τύπου panel.

## Εφαρμογή (2/2)

β. Επιλέξτε την μπαταρία των 200 Ah και υπολογίστε πόσες μπαταρίες χρειάζεται το σπίτι, εάν έχει panels 275 Watt. Τί παρατηρείτε;

Χωρίς να πειράξετε τίποτα από τη μελέτη σας, αλλάξτε διαδοχικά τον μήνα από τον πίνακα ηλιοφάνειας που μπαίνει στους υπολογισμούς. Τί παρατηρείτε;

Σημείωση: Από τον πίνακα ηλιοφάνειας που έχει δοθεί, παρατηρούμε τη μέση ημερήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του εγκατεστημένου συστήματος, εάν είχε ονομαστική ισχύ 1 KWp. Ανάλογα με την τοποθεσία, φαίνεται ότι τους μήνες Ιούλιο και Αύγουστο παράγεται η μέγιστη ενέργεια από τα panels. Είναι κατάλληλοι αυτοί οι μήνες για τη μελέτη; Αιτιολογήστε την άποψή σας. Τελικά, ποιός είναι ο κατάλληλος μήνας για τη μελέτη σας;

γ. Επιλέξτε την μπαταρία των 100 Ah και υπολογίστε πόσες μπαταρίες χρειάζεται το σπίτι, εάν έχει πρώτα panels 275 Watt και στη συνέχεια panels 330 Watt. Τί παρατηρείτε;

δ. Μελετήστε και αναφέρετε κριτήρια επιλογής του ενός ή άλλου τύπου μπαταριών.

ε. Χωρίς να πειράξετε τίποτα από τη μελέτη σας, αλλάξτε διαδοχικά την τοποθεσία της κατοικίας σας από την Πύλο, στο νησί της Θάσου και τέλος στο Παρίσι. Τί παρατηρείτε;

ζ. Ποιές αλλαγές πρέπει να κάνετε για να μπορεί σε κάθε τόπο το σπίτι να είναι ενεργειακά αυτόνομο;

η. Ποιές τροποποιήσεις χρειάζονται τελικά, ώστε να είναι εφικτή η αυτονομία ενός σπιτιού στη Στοκχόλμη;

θ. Αφού καταφέρατε να κάνετε ένα σπίτι στη Στοκχόλμη αυτόνομο ενεργειακά, πιστεύετε είναι δυνατή και βιώσιμη μια τέτοια μελέτη για την οικογένεια που θα ζει σε αυτό το σπίτι;

## Διευρεύνηση 1

Επιλέξτε που θα θέλατε να χτίσετε ένα αυτόνομο ενεργειακά σπίτι, με σύστημα φωτοβολταϊκών στη στέγη του. Διαλέξτε ποια ηλεκτρικά φορτία θα θέλατε να έχει μέσα και μελετήστε εάν αυτό που ονειρεύεστε, είναι εφικτό.

Εάν δεν είναι δυνατόν να υλοποιηθεί η αρχική σας επιλογή, κάντε ότι αλλαγές χρειάζεται, ώστε τελικά η κατοικία σας να είναι ενεργειακά αυτόνομη. Συζητήστε μέσα στην τάξη σχετικά με τις τροποποιήσεις που έχετε κάνει ώστε να επιτύχετε αυτονομία.

## Διευρεύνηση 2

Ζείτε στο Παρίσι και η οικονομική σας κατάσταση σάς επιτρέπει να εγκαταστήσετε στη στέγη του σπιτιού σας 35 φωτοβολταϊκά panels των 330 Watt.

Ποιες επιλογές θα κάνατε σε φορτία προκειμένου το σπίτι σας να είναι ενεργειακά αυτόνομο;

α. Χωριστείτε σε ομάδες των 4 ατόμων, συζητήστε και ας πάρει κάθε ομάδα τις αποφάσεις της ως τετραμελής οικογένεια.

β. Μελετήστε ποιες συσκευές και ποιες κατηγορίες συσκευών έχουν τη μεγαλύτερη συνολική κατανάλωση. Ποιες συσκευές και κατηγορίες συσκευών σάς είναι περισσότερο αναγκαίες ή αναπόφευκτες. Ποιες θα μπορούσατε να περιορίσετε ή ακόμα και να αποφύγετε;

γ. Συζητήστε αν είστε διατεθειμένοι/ες να περιορίσετε ακόμα περισσότερο την κατανάλωσή σας και σε ποιες συσκευές, έτσι ώστε να χρειαστείτε ακόμα λιγότερα φωτοβολταϊκά panels. Ποιος είναι ο μικρότερος αριθμός panels με τα οποία μπορείτε να ζήσετε αξιοπρεπώς και με ενεργειακή αυτονομία;

δ. Ανακοινώστε τις αποφάσεις σας στην ολομέλεια και συζητήστε τις διαφορές που υπάρχουν σε κάθε ομάδα (οικογένεια).

ε. Μετά από τη συζήτηση, αλλάξατε γνώμη για τις αποφάσεις σας;

## Διευρεύνηση 3

Υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις που μπορεί να καλύπτουν τις ενεργειακές μας ανάγκες χωρίς να καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια; Αναζητήστε και βρείτε στην καρτέλα Ενεργειακή Κατανάλωση τέτοιες λύσεις. Σε ποιες κατηγορίες ανήκουν;

Εργαστείτε σε ομάδες και αναζητήστε εναλλακτικούς τρόπους για την κάλυψη των αναγκών σας και για τις υπόλοιπες κατηγορίες. Συζητήστε στις ομάδες σας και μετά στην ολομέλεια, ποιους από αυτούς τους τρόπους θα ήσασταν διατεθειμένοι/ες να υιοθετήσετε. Ποιες επιπλέον πληροφορίες χρειάζεστε για να πάρετε τέτοιες αποφάσεις;

## Διευρεύνηση 4

Σε ποια κατηγορία πηγών ενέργειας (ανανεώσιμες – μη ανανεώσιμες) ανήκει η ξυλεία, την οποία χρησιμοποιούμε στο τζάκι; Τι σημαίνει αυτό;

Φαίνεται πως η χρήση τζακιού μπορεί να καλύψει μέρος, ή ενδεχομένως και το σύνολο, των αναγκών μας σε θέρμανση, χωρίς κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι το τζάκι αποτελεί μια φιλική προς το περιβάλλον επιλογή; Υπό ποιους όρους;

Σήμερα στη χώρα μας το τζάκι συνήθως χρησιμοποιείται ως συμπληρωματικός τρόπος θέρμανσης. Γνωρίζετε περιοχές της χώρας μας ή του πλανήτη στις οποίες το τζάκι ή γενικότερα η ξυλεία αποτελεί κυρίαρχη πηγή θέρμανσης;

##### Οδηγίες Χρήσης

Το αντικείμενο «Αυτόνομο Σύστημα Φωτοβολταϊκών» μέσα από ένα παιχνίδι επιλογών και μηνυμάτων καθοδηγεί το χρήστη να ολοκληρώσει μια μελέτη ενεργειακής αυτονομίας με Φωτοβολταϊκά Panels σε μια κατοικία. Τα βήματα που πρέπει να ακολουθήσετε είναι τα παρακάτω:

1. Επιλέγετε την τοποθεσία και ηλιοφάνεια του σπιτιού. Για την τοποθεσία που επιλέξατε υπάρχει ένας πίνακας ηλιοφάνειας, ο οποίος αναφέρει τη μέση ημερήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην πόλη που είναι το σπίτι, εάν είχαμε εγκαταστήσει σύστημα ονομαστικής ισχύος 1 KWp. Πρέπει να διαλέξετε με ποιο μήνα θα κάνετε τη μελέτη σας!
2. Στη συνέχεια επιλέγετε ποια είναι τα φορτία του σπιτιού. Δηλαδή τι συσκευές θα ήθελαν οι ιδιοκτήτες να έχει αυτό το σπίτι, ώστε να υπολογιστεί η συνολική κατανάλωση ενέργειας ανά ημέρα.
3. Μετά πρέπει να αποφασίσετε τι φωτοβολταϊκά θα βάλετε και τι μπαταρίες, δηλαδή με τι χαρακτηριστικά (ισχύος, διαστάσεις, κ.α.) ώστε να καλύπτουν τις ενεργειακές ανάγκες του σπιτιού σας και να χωράνε στη στέγη σας.

Εάν όλα υπολογιστούν σωστά, θα καταφέρετε να δημιουργήσετε ένα σπίτι αυτόνομο ενεργειακά με εγκατεστημένο σύστημα Φωτοβολταϊκών στη στέγη του.

Τέλος, όταν ολοκληρωθεί η μελέτη, το αντικείμενο σας δίνει τη δυνατότητα να παρατηρήσετε πόση ποσότητα CO2 εξοικονομείτε, επειδή έχετε βάλει φωτοβολταϊκά ως πηγή ενέργειας του σπιτιού, σε σύγκριση με το εάν είχε τροφοδοτηθεί με ενέργεια που παράγεται από εργοστάσια που έχουν καύσιμη ύλη λιγνίτη ή πετρέλαιο ή φυσικό αέριο.

##### Πίνακας Ηλιοφάνειας

Πίνακας ηλιοφάνειας για τις τοποθεσίες: Πύλος, Θάσος, Παρίσι και Στοκχόλμη.
Κλίση = 35o, Προσανατολισμός = 0o.
Ed: Μέση ημερήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του εγκατεστημένου συστήματος ονομαστικής ισχύος 1 KWp

Μήνας | Πύλος Ed | Θάσος Ed | Παρίσι Ed | Στοκχόλμη Ed
--- | --- | --- | --- | ---
Ιανουάριος | 2,99 | 2,01 | 1,16 | 0,73
Φεβρουάριος | 3,49 | 2,64 | 1,92 | 1,47
Μάρτιος | 4,84 | 3,98 | 3,19 | 3,36
Απρίλιος | 5,12 | 4,53 | 3,99 | 4,28
Μάιος | 5,24 | 4,97 | 4,00 | 4,73
Ιούνιος | 5,34 | 5,08 | 4,10 | 4,71
Ιούλιος | 5,22 | 4,99 | 4,11 | 4,32
Αύγουστος | 5,16 | 5,18 | 3,84 | 3,81
Σεπτέμβριος | 4,99 | 4,34 | 3,45 | 3,04
Οκτώβριος | 4,27 | 3,32 | 2,31 | 1,72
Νοέμβριος | 3,39 | 2,35 | 1,33 | 0,81
Δεκέμβριος | 2,75 | 1,71 | 1,10 | 0,55

Πηγή: European Commission. Joint Research Centre.
Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)