ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΙΣ

ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

ΑΓΓΕΛΙΚΗ ΚΑΥΓΑ Α.Μ:113

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΜΕΛΕΤΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΤΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΤΡΥΠΑΝΑΓΝΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ

ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ

ΠΑΤΡΑ 2005

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών στις Επιστήμες του Περιβάλλοντος της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Πατρών την περίοδο 2004-2005.

Ευχαριστώ τον κ. Ιωάννη Τρυπαναγνωστόπουλο, Επίκ. Καθηγητή του Τμήματος Φυσικής, ο οποίος είχε την επίβλεψη της εργασίας, για την πολύτιμη και ουσιαστική καθοδήγησή του, καθώς και τα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής κ. Κ. Αγγελόπουλο, Επίκ. Καθ. Τμ. Βιολογίας και κ. Κ. Χρηστάνη, Αναπλ. Καθ. Τμ. Γεωλογίας, για την εποικοδομητική συμβολή τους. Ευχαριστώ τον κ. Μανώλη Σουλιώτη, Μεταδιδάκτορα-Ερευνητή του Τμ. Φυσικής και τον κ. J. K. Tonui, υποψήφιο Διδάκτορα του Τμ. Φυσικής, για την καθοριστική βοήθειά τους στην διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Ευχαριστώ επίσης την κ. Χ. Σιαμπέκου για την συνεργασία και το ΤΕΙ Μεσολογγίου για την οικονομική στήριξη που παρείχε στην υλοποίηση του έργου.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΠΡΟΛΟΓΟΣ ............................................................................................... 1

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟΝ ΑΓΡΟΤΙΚΟ ΤΟΜΕΑ 1.1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

1.1.1 Εισαγωγή ....................................................................................... 3 1.1.2 Αιολική Ενέργεια .......................................................................... 4 1.1.3 Γεωθερμική Ενέργεια .................................................................... 4 1.1.4 Υδροηλεκτρική Ενέργεια ............................................................. 5 1.1.5 Παλιρροϊκή και Ενέργεια από Κύματα ....................................... 6 1.1.6 Βιομάζα ......................................................................................... 6

1.2 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.2.1 Ιστορική Αναδρομή ....................................................................... 7 1.2.2 Τεχνολογίες Ηλιακής Ενέργειας .................................................. 8 1.2.3 Συστήματα συλλογής και θερμικής μετατροπής της ηλιακής

ενέργειας ........................................................................................ 9

1.2.4 Συστήματα ηλεκτρικής μετατροπής της ηλιακής ενέργειας ........ 9 1.2.5 Συστήματα συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας .................. 10

1.3 ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ 1.3.1 Εισαγωγή ....................................................................................... 12 1.3.2 Ιστορική και Περιφερειακή Ανάπτυξη ......................................... 13

1.4 ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 1.4.1 Εισαγωγή ....................................................................................... 15 1.4.2 Η Διεργασία της Ξήρανσης από Ενεργειακή Άποψη ................... 15 1.4.3 Φυσική Παραδοσιακή Ξήρανση και Μηχανική Ξήρανση ........... 16 1.4.4 Ηλιακή Ξήρανση ........................................................................... 17 1.4.5 Τύποι Ηλιακών Ξηραντηρίων ....................................................... 17

1.5 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ 1.5.1 Εισαγωγή ....................................................................................... 20 1.5.2 Μέθοδοι Αφαλάτωσης .................................................................. 20 1.5.3 Απόσταξη ...................................................................................... 21 1.5.4 Εφαρμογές Απόσταξης για Αφαλάτωση .................................... 21 1.5.5 Απόσταξη με Ηλιακή Ενέργεια ..................................................... 22 1.5.6 Αντιστρεπτή Ώσμωση με Ηλιακή Ενέργεια .................................. 23

1.6 ΑNΤΛΗΣΗ ΝΕΡΟΥ 1.6.1 Εισαγωγή ....................................................................................... 25 1.6.2 Αντλίες Ηλιακής Ενέργειας για την Παραγωγή Μηχανικής

Ισχύος ............................................................................................

25 1.6.3 Θερμικές Μηχανές ........................................................................ 26 1.6.4 Διάδοση Συστημάτων Αντλιών με Ηλιακή Ενέργεια .................. 26

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ

2.1 ΦΩΤΙΣΜΟΣ

2.1.1 Εισαγωγή ....................................................................................... 28 2.1.2 Φυσικός και Τεχνητός Φωτισμός ................................................. 29 2.1.3 Ηλιακή Ακτινοβολία ..................................................................... 30 2.1.4 Θερμοκήπιο και Ηλιακή Ακτινοβολία .......................................... 32 2.1.5 Ραδιομετρικές και Θερμικές Ιδιότητες των Υλικών Κάλυψης ... 33 2.1.6 Επίδραση στο Μικροκλίμα του Θερμοκηπίου .............................. 35 2.1.7 Ταξινόμηση Υλικών Κάλυψης ...................................................... 37

2.2 ΘΕΡΜΑΝΣΗ

2.2.1 Εισαγωγή ....................................................................................... 39 2.2.2 Συστήματα Θέρμανσης Θερμοκηπίων .......................................... 40 2.2.3 Κεντρικά Συστήματα Θέρμανσης ................................................. 40 2.2.4 Θέρμανση Υπεδάφους Θερμοκηπίου ............................................ 42 2.2.5 Συστήματα Θέρμανσης με Νερό Χαμηλής Θερμοκρασίας ......... 43

2.3 ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΜΕ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

2.3.1 Γενικά ............................................................................................ 45 2.3.2 Ηλιακή Ενέργεια ........................................................................... 46 2.3.3 Γεωθερμική Ενέργεια .................................................................... 47 2.3.4 Βιομάζα ......................................................................................... 48 2.3.5 Αιολική Ενέργεια .......................................................................... 49

2.4 ΨΥΞΗ 2.4.1 Εισαγωγή ....................................................................................... 51 2.4.2 Αερισμός ....................................................................................... 52 2.4.3 Φυσικός Εξαερισμός ..................................................................... 52 2.4.4 Δυναμικός Εξαερισμός .................................................................. 55 2.4.5 Δροσισμός ..................................................................................... 57 2.4.6 Σύστημα Δυναμικού Αερισμού με Υγρή Παρειά

(Cooling System) ...........................................................................

57 2.4.7 Υδρονέφωση ................................................................................. 58 2.4.8 Σκίαση ........................................................................................... 58

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΜΕΛΕΤΗ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ

3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ............................................................................................. 60

3.2 ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΙ ΦΑΚΟΙ FRESNEL

3.2.1 Γενικά για την Συγκέντρωση της Ηλιακής Ακτινοβολίας ......... 61 3.2.2 Φακοί Fresnel ................................................................................ 62 3.2.3 Θεωρία των Φακών Fresnel ......................................................... 63 3.2.4 Γραμμικοί Φακοί Fresnel (LFLs) .................................................. 64 3.2.5 Κυρτοί Γραμμικοί Φακοί Fresnel .................................................. 65

3.3 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΦΑΚΩΝ FRESNEL ΣΤΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ.

3.3.1 Επίδραση στο Φωτισμό και στο Μικροκλίμα του Θερμοκηπίου ..........................................................................

67

3.3.2 Συνδυασμός των Φακών Fresnel με PVT Συστήματα ................. 68

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

4.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ ................................................ 70

4.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΜΕ ΦΑΚΟ FRESNEL ................................................ 71

4.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟ ΤΟΥ ΤΕΙ ΜΕΣΟΛΟΓΓΙΟΥ

4.3.1 Προσδιορισμός και Καταγραφή των Μεταβολών των Παραμέτρων του Θερμοκηπίου ....................................................

77

4.3.2 Εξοπλισμός Θερμοκηπίου ............................................................. 78 4.3.3 Πειράματα Σάρωσης και Ζωνοποίησης Θερμοκηπίου ................. 81

4.4 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ................ 82

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

5.1 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΦΑΚΟΥ FRESNEL ......................................... 84

5.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΤΕΙ/Μ . 109

5.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΤΕΙ/Μ

5.3.1 Αποτελέσματα Μεταβολής των Παραμέτρων του Θερμοκηπίου 112 5.3.2 Αποτελέσματα Σάρωσης και Ζωνοποίησης Θερμοκηπίου ........... 134

5.4 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΦΑΚΩΝ FRESNEL 5.4.1 Υπολογισμός Ενεργειακών Αναγκών του Θερμοκηπίου ............ 140 5.4.2 Εφαρμογή Φακών Fresnel-Υβριδικού φωτοβολταϊκού/θερμικού

(PV/T) συστήματος .......................................................................

145 5.4.3 Συμπεράσματα- Συζήτηση ............................................................ 147 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Η παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρεται στην αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας στον αγροτικό τομέα και ειδικότερα στον τομέα των θερμοκηπίων για τον έλεγχο του φωτισμού και της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου προκειμένου να βελτιστοποιηθούν οι συνθήκες ανάπτυξης των θερμοκηπιακών καλλιεργειών. Η κατάλληλη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για την αποδοτική ανάπτυξη των καλλιεργειών σε ελεγχόμενες συνθήκες εντάσσεται στην κατεύθυνση της χρήσης εναλλακτικών ενεργειακών πηγών σε υποκατάσταση των συμβατικών πηγών για εξοικονόμηση ενέργειας και προστασία του περιβάλλοντος. Τα θερμοκήπια αποτελούν διατάξεις για πιο αποδοτικές καλλιέργειες με ελεγχόμενες συνθήκες, αλλά μια σειρά από παράγοντες επηρεάζουν την λειτουργία τους και τα προβλήματα που προκύπτουν απαιτούν σύνθετες μεθόδους επίλυσης. Η μελέτη της επίδρασης της ηλιακής ακτινοβολίας στις παραμέτρους που σχετίζονται με το θερμοκήπιο παρουσιάζει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον επειδή η διερεύνηση νέων τρόπων ρύθμισης του φωτισμού μπορεί να συνδυαστεί με την κατάλληλη αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας για την κάλυψη μέρους των ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου για θερμότητα και ηλεκτρισμό (Rigopoulos and Santamouris 1981). Στην κατεύθυνση αυτή εξετάζεται η δυνατότητα εφαρμογής νέων διαφανών υλικών και οπτικών διατάξεων (Γραμμικοί Φακοί Fresnel), που έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί σε άλλες περιπτώσεις ενεργειακών εφαρμογών στο πεδίο της ηλιακής ενέργειας. Έτσι, η απαιτούμενη μείωση του φωτισμού ορισμένη περίοδο της ημέρας μέσω απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας από ειδικού τύπου απορροφητές, για την αποφυγή υπερέκθεσης των φυτών σε αυτήν, μπορεί να οδηγήσει στην αποθήκευση θερμότητας ή και ηλεκτρισμού για χρήση στη διάρκεια της νύκτας όπου υπάρχουν ανάγκες διατήρησης του επίπεδου της θερμοκρασίας του θερμοκηπίου καθώς και για την επέκταση της περιόδου φωτισμού των φυτών. Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στην διάρκεια ενός έτους (Απρίλιος 2004-Μάιος 2005) και το πειραματικό μέρος υλοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών και στο Εργαστήριο Θερμοκηπιακών Κατασκευών του Τμήματος Θερμοκηπιακών Καλλιεργειών και Ανθοκομίας του ΤΕΙ Μεσολογγίου (ΤΕΙ/Μ).

Στα πλαίσια της εργασίας, μελετήθηκε σχετική ελληνική και διεθνής βιβλιογραφία από Ελληνικά και Διεθνή περιοδικά, από πρακτικά συνεδρίων και από άλλες βιβλιογραφικές πηγές. Αρχικά αναφέρονται οι εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας στον αγροτικό τομέα (Κεφάλαιο 1). Στη συνέχεια, δίνοντας έμφαση στα θερμοκήπια, μελετήθηκαν συμβατικά συστήματα, μέθοδοι και αποτελέσματα για τον έλεγχο του φωτισμού, της θερμοκρασίας και των άλλων λειτουργικών και ενεργειακών παραμέτρων τους (Κεφάλαιο 2). Μελετήθηκαν επίσης περιληπτικά τα συστήματα συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας και εκτενώς οι φακοί Fresnel ως προς την αρχή λειτουργίας τους και τις δυνατές εφαρμογές τους κυρίως στα θερμοκήπια (Κεφάλαιο 3). Στα πλαίσια της πειραματικής εργασίας, η οποία συνολικά περιγράφεται στα κεφάλαια 4 και 5, περιλαμβάνονται πειράματα και μετρήσεις φωτισμού και θερμοκρασίας που πραγματοποιήθηκαν με την βοήθεια μικρής εργαστηριακής μονάδας προσομοίωσης στον χώρο δοκιμών του Εργαστηρίου Ηλιακής Ενέργειας, η οποία βασίζεται στην χρήση φακού Fresnel για την συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε γραμμικό απορροφητή. Παρατίθεται η πειραματική μεθοδολογία ως

2

προς την κατανομή της συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στο εστιακό επίπεδο του φακού και ως προς το ποσοστό της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας ανάλογα με το πλάτος του χρησιμοποιούμενου γραμμικού απορροφητή. Παρατίθεται επίσης η μεθοδολογία που αφορά στον τρόπο μείωσης της θερμοκρασίας στο εσωτερικό μιας μικρής μονάδας προσομοίωσης θερμοκηπίου λόγω απορρόφησης και εξαγωγής μεγάλου μέρους της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιπλέον, παρατίθεται μεθοδολογία όσον αφορά την κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας και της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR) κάτω από σύστημα φακών Fresnel - απορροφητών. Για τον προσδιορισμό των παραμέτρων που υπεισέρχονται στην ανάλυση του προβλήματος είναι αναγκαία η καταγραφή των μεταβολών τους επί ενός θερμοκηπίου, ενώ παράλληλα είναι χρήσιμη η λήψη και των μετεωρολογικών στοιχείων της τοποθεσίας που είναι εγκατεστημένο το θερμοκήπιο. Τα στοιχεία αυτά αξιοποιούνται για την ανάλυση των συνθηκών στη διάρκεια του έτους, ώστε να καθοριστούν οι συγκεκριμένες συσχετίσεις του φωτισμού, της θερμοκρασίας και της υγρασίας που προκύπτουν σε συνδυασμό με την προσπίπτουσα ακτινοβολία και ταχύτητα του πνέοντος ανέμου.

Για τον λόγο αυτό μελετήθηκε πειραματικά πραγματικό υαλόφρακτο θερμοκήπιο που διατίθεται στο ΤΕΙ/Μ. Εντός του θερμοκηπίου λαμβάνονται δεδομένα μέσω διάταξης συλλογής και καταχώρησης δεδομένων (Data Logger) που εγκαταστάθηκε. Οι παράμετροι που μετρούνται και καταχωρούνται στον Data Logger είναι η ηλιακή ακτινοβολία και η θερμοκρασία του αέρα εντός και εκτός του θερμοκηπίου, η ταχύτητα του πνέοντος ανέμου και η σχετική υγρασία. Ταυτόχρονα έγιναν μετρήσεις κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR) στο επίπεδο των φυτών με την μέθοδο της σάρωσης και ζωνοποίησης του θερμοκηπίου (Κεφάλαιο 4).

Τα αποτελέσματα του Εργαστηρίου αναλύονται ως προς την λειτουργία και αξιοποίηση της προτεινόμενης διάταξης φακού Fresnel σε συνδυασμό με πολυχρηστικούς απορροφητές (θερμικοί συλλέκτες TC, φωτοβολταικά PV και υβριδικά φωτοβολταικά PVT, στην περίπτωση εφαρμογής της στο θερμοκήπιο και της επάρκειας για την κάλυψη των φωτιστικών και ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου. Τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των δεδομένων του θερμοκηπίου αναλύονται ως προς τις απαιτήσεις μιας ενεργειακά αποτελεσματικής λειτουργίας του θερμοκηπίου και συσχετίζονται ως προς την εφαρμογή της προτεινόμενης ηλιακής διάταξης του φακού Fresnel. Ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων στο θερμοκήπιο του ΤΕΙ/Μ και στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας δίνει τη δυνατότητα συνθετικής εκτίμησης και αξιολόγησης της προτεινόμενης διάταξης. Γίνεται ενεργειακή ανάλυση και προσδιορίζονται τα πλεονεκτήματα και οι αδυναμίες της προτεινόμενης εναλλακτικής μεθόδου ελέγχου του φωτισμού και της θερμοκρασίας του θερμοκηπίου και οι θετικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Τελικός σκοπός είναι να διαπιστωθεί η πραγματική επίδραση των νέων διατάξεων στην αντικατάσταση των συμβατικών πηγών ενέργειας από ανανεώσιμες, στην λειτουργία των θερμοκηπίων (Κεφάλαιο 5).

Από τα μέχρι τώρα αποτελέσματα της έρευνας που διεξάγεται προέκυψαν δύο επιστημονικές εργασίες, οι οποίες παρουσιάστηκαν σε διεθνές συνέδριο για τα θερμοκήπια (Tripanagnostopoulos et al 2004α, 2004β).

Το ερευνητικό έργο της εργασίας αυτής αποτελεί μια πρώτη φάση στην ΄΄Μελέτη Αξιοποίησης της Ηλιακής Ενέργειας για τον Έλεγχο του Φωτισμού και της Θερμοκρασίας του Θερμοκηπίου΄΄ στην οποία τα πειραματικά αποτελέσματα είναι θετικά και διαμορφώνουν μια προοπτική στην συνέχιση της έρευνας στον τομέα αυτό για την πληρέστερη αντιμετώπιση του θέματος. Η έρευνα αυτή πρόκειται να συνεχιστεί στο άμεσο μέλλον.

3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟΝ ΑΓΡΟΤΙΚΟ

ΤΟΜΕΑ

1.1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

1.1.1 Εισαγωγή Επιστήμη και τεχνολογία συνδυάζονται για να προάγουν χρήσιμες εφαρμογές.

Η ιστορία διαμέσου των αιώνων συσχετίζει την πρόοδο και των δύο σύμφωνα με τους σκοπούς της κάθε περιόδου. Η ενέργεια ήταν πάντοτε η πρώτη ανάγκη της ανθρωπότητας διαμέσου της οποίας άλλες επιστήμες η τεχνολογίες προωθήθηκαν. Φυσικές δυνάμεις, σήμερα αποκαλούμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ήταν γνωστές από την αρχαιότητα και χρησιμοποιούντο σε διάφορα πεδία. Παρά την εντυπωσιακή πρόοδο της επιστήμης και τεχνολογίας από του αρχαίους χρόνους, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ακόμα στο στάδιο της έρευνας η των πιλοτικών εφαρμογών. Η πρόοδος στην χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με λίγα λόγια περιγράφεται με έμφαση πάνω στις προσπάθειες που γίνονται για να συλλέγουν και να μετατραπούν αυτές οι φυσικές δυνάμεις σε χρήσιμη μορφή ενέργειας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι η Ηλιακή ενέργεια, η Αιολική ενέργεια, η Βιομάζα, η Υδροηλεκτρική ενέργεια, η παλιρροϊκή και η ενέργεια των κυμάτων και η γεωθερμική ενέργεια.

Η ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει παρατηρηθεί ιδιαίτερα κατά την διάρκεια των τελευταίων 25 χρόνων, μετατρέποντας τις ανανεώσιμες δυνατότητες σε πραγματική παραγωγή ενεργείας και αυξάνοντας το μερίδιο τους στο ενεργειακό τοπίο. Επιπλέον εξαιτίας της αποκεντρωμένης φύσης τους οι ανανεώσιμες ενεργειακές εφαρμογές έχουν σημαντική δυνατότητα στον αγροτικό τομέα. Σαν τοπικές πηγές, προσφέρουν κέρδη για βιώσιμη ανάπτυξη της απασχόλησης, κοινωνική συνοχή και περιφερειακή ανάπτυξη. Παρόλα τα πλεονεκτήματα τους, εντούτοις, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν έχουν κατορθώσει να αποκτήσουν βιώσιμο ποσοστό της ενεργειακής αγοράς. Είναι επομένως απαραίτητο να αυξηθεί η ανταγωνιστικότητα τους και η αξιοπιστία τους καθώς επίσης εμπιστοσύνη στους συναφείς χειρισμούς με σκοπό να εισαχθούν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στο ενεργειακό σύστημα σε υψηλότερα ποσοστά.

Τα ολοκληρωμένα ενεργειακά συστήματα, ορίζονται σαν ένας συνδυασμός των ανανεώσιμων (και συμβατικών) ενεργειακών τεχνολογιών που προσφέρουν στους όρους ενεργειακών απαιτήσεων έναν βαθμό ευελιξίας λειτουργίας πολύ υψηλότερο από τις μεμονωμένες ανανεώσιμες, και σε πολλές καταστάσεις, είναι πιθανόν να είναι ανταγωνιστικές με τις συμβατικές τεχνολογίες επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα, φιλόδοξους περιβαλλοντολογικούς σκοπούς, όπως μείωση εκπομπών θερμοκηπιακών αερίων (Kelly and Weinberg, 1993). Αυτό είναι ιδιαίτερα εφικτό όταν οι ολοκληρωμένες ανανεώσιμες πηγές εξετάζονται σε απομονωμένες περιοχές ή σε περιορισμένης έκτασης περιοχές διότι η ενέργεια παράγεται σε μέρος όπου χρησιμοποιείται διαθέσιμη τοπική πηγή ενέργειας και οι αποστάσεις διανομής είναι ελάχιστες.

Ο καθορισμός μοντέλου ετήσιας ενεργειακής απαίτησης είναι συνήθως εξαιρετικά εποχιακός και ποικίλει σε σχέση με την τελική χρήση (θερμοκρασία, ηλεκτρισμός). Τα καθημερινά και μηνιαία μέγιστα ίσως είναι 4-5 φορές η αντίστοιχη

4

μέση κατανάλωση. Ενώ η χρήση των ξεχωριστών και μεμονωμένων τεχνολογιών απαιτεί δαπανηρά υπερμεγέθη και / ή συστήματα μεγάλης ενεργειακής αποθήκευσης για να ικανοποιήσει τα απαιτούμενα μέγιστα, τα ολοκληρωμένα συστήματα έχουν επιδείξει ότι μπορούν να είναι πιο οικονομικά. (Kyritsis 1986, Jensen 1994).

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας βρίσκονται σε αφθονία και έχουν χαμηλό κόστος παραγωγής ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. Η οποιαδήποτε αύξηση στην απόσταση μεταξύ της πηγής προέλευσης και του προορισμού ωθεί ανοδικά το κόστος μεταφοράς. Επομένως, η χρήση τους είναι οικονομικά πλεονεκτική όταν η μεταφορά και οι αποστάσεις διανομής είναι μικρές. Θα πρέπει να αξιολογούνται γύρω από την πηγή τους, μέσα σε μία ακτίνα μερικών εκατοντάδων μέτρων ή μερικών χιλιομέτρων, σε εξάρτηση με τη φύση των πηγών (Rozakis et al, 1997).

Γενικά οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας θεωρούνται «πράσινες» επειδή προκαλούν ελάχιστη εξάντληση των επίγειων αποθεμάτων και επειδή ο άνεμος, η ηλιακή ακτινοβολία και η κυματική ενέργεια προκαλούν μηδενικές αέριες εκπομπές κατά τη διάρκεια ενεργειακής παραγωγής. Η ενέργεια βιομάζας είναι ανανεώσιμη, αλλά μοιράζεται πολλά χαρακτηριστικά με τα ορυκτά καύσιμα. Στην συνέχεια γίνεται μία συνοπτική αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπου καθορίζονται και τα βασικά χαρακτηριστικά τους. 1.1.2 Αιολική Ενέργεια

Σύμφωνα με εκτίμηση του Παγκοσμίου Οργανισμού Μετεωρολογίας ποσοστό περίπου 1% της αιολικής ενέργειας, που ανέρχεται σε 175.1012 kWh είναι διαθέσιμο για ενεργειακούς σκοπούς σε διάφορα μέρη του κόσμου. (Περισσότερο και ταχύτερα φυσάει στην πολική και την εύκρατη ζώνη, κοντά στις ακτές και λιγότερο στην τροπική ζώνη και τα ηπειρωτικά.)

Δυστυχώς η αιολική ενέργεια δεν είναι ούτε προβλέψιμη, ούτε ομαλή, ούτε συνεχής. Γενικά, για να είναι αξιοποιήσιμη για την κίνηση αντλιών ή την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η ταχύτητα του ανέμου πρέπει να μην είναι μικρότερη από 7-10 Km/h ενώ οι ανεμογεννήτριες έχουν μηχανικούς περιορισμούς ως προς την ταχύτητα περιστροφής τους ώστε στην περίπτωση θύελλας να μην καταστραφούν. Το μεγάλο πρόβλημα της αιολικής ενέργειας, επειδή είναι απρόβλεπτη η διαθεσιμότητά της, βρίσκεται στην αποθήκευσή της, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί όταν χρειάζεται.

1.1.3 Γεωθερμική Ενέργεια Η γεωθερμική ενέργεια παρουσιάζεται συνήθως σε περιοχές με σχετικά

πρόσφατη ηφαιστειότητα, γιατί σε αυτές τις περιοχές παρουσιάζεται το φαινόμενο, διάπυρο υλικό από το εσωτερικό της γης να έχει κινηθεί προς την επιφάνεια και το υπέδαφος να έχει θερμανθεί. Η θερμότητα αυτή μεταφέρεται σε τυχόν υδροφόρους σχηματισμούς της περιοχής. Τα νερά θερμαίνονται και κυκλοφορούν μέσα στα πετρώματα φτάνοντας σε πολλές περιπτώσεις μέχρι την επιφάνεια, αφού προηγουμένως έχουν εμπλουτιστεί από άλατα των πετρωμάτων (θερμές πηγές, ατμίδες), ενώ κάποιες άλλες φορές τα νερά εγκλωβίζονται σε μη υδροπερατά πετρώματα και είναι δυνατόν να αποκτήσουν θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 350 0C. Σε κάποιες περιοχές της γης, που υπάρχει γεωθερμικό ρευστό χαμηλής ενθαλπίας (θερμοκρασία ρευστού 100 0C), είναι δυνατόν με απλές γεωτρήσεις να χρησιμοποιηθεί σαν ενεργειακή πηγή. Μετά την ενεργειακή κρίση, η διερεύνηση των

5

πηγών αυτών έγινε πιο εντατική και τώρα έχουν εγκατασταθεί σταθμοί σε αρκετές χώρες του κόσμου ενώ οι έρευνες συνεχίζονται.

Δυστυχώς δεν υπάρχουν στατιστικά στοιχεία, είναι όμως βέβαιο ότι και η γεωθερμική ενέργεια προς το παρόν έχει περιορισμένη σημασία και είναι βοηθητική σε ορισμένες περιοχές της γης. Τελείως διαφορετική θα ήταν η εικόνα αν ήταν εφικτές οι γεωτρήσεις σε μεγάλα βάθη, στο διάπυρο εσωτερικό του πλανήτη. Εκεί εγκλείονται τεράστια ενεργειακά αποθέματα, απρόσιτα όμως οικονομικά με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα.

1.1.4 Υδροηλεκτρική Ενέργεια

Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια από τις πιο προνομιούχες μορφές για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Είναι ανανεώσιμη, δεν ρυπαίνει το περιβάλλον, έχει μεγάλο συντελεστή μετατροπής και ακόμη το νερό μετά τη χρήση του στον υδροστρόβιλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γεωργικούς σκοπούς. Δυστυχώς, όπως και με άλλες πολλές ανανεώσιμες πηγές, οι υδατοπτώσεις είναι περιορισμένες και συγκεντρωμένες σε ορισμένες γεωγραφικές θέσεις. Διότι για να είναι αξιοποιήσιμη μια υδατόπτωση δεν αρκεί να υπάρχει απλώς ροή, αλλά ποσότητα νερού και σημαντική υψομετρική διαφορά κατά τη ροή του, ώστε να συμφέρει η δημιουργία των πολυδάπανων φραγμάτων που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία του υδροηλεκτρικού σταθμού. Υπολογίζεται ότι μόλις το 16% του νερού που διακινείται σε ποτάμια και ρεύματα διεθνώς είναι δυνατόν να αξιοποιηθεί υδροηλεκτρικά. Το ποσό αυτό κατανέμεται σύμφωνα με το παρακάτω πίνακα׃

Πίνακας 1.1: Κατανομή Παγκόσμιου Υδροηλεκτρικού Δυναμικού

Χώρα Ποσοστό (%) του

παγκόσμιου δυναμικού Ποσοστό (%) που αξιοποιείται σήμερα

Αφρική Ασία (εκτός Ρωσίας) Ρωσία Ευρώπη Β. Αμερική Ν. Αμερική Αυστραλία

19.3 30.3 11.9 9.5 14.7 12.7 1.6

1.9 6.9 11.7 48.3 27.3 6.5 20.8

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ένα μεγάλο πρόβλημα λειτουργίας των σταθμών

ηλεκτροπαραγωγής είναι η ανισοκατανομή στη ζήτηση σε συνάρτηση με τις ώρες της ημέρας ή την εποχή. Για να εξυπηρετήσουν οι σταθμοί τις αιχμές χρησιμοποιούν βοηθητικές μονάδες που εισέρχονται σε λειτουργία τις ώρες της ζητήσεως. Αντίθετα η ζήτηση είναι υποτονική τη νύχτα. Γι’ αντιμετώπιση του τελευταίου είναι δυνατή και εφαρμόζεται στην περίπτωση των υδροηλεκτρικών σταθμών, η άντληση νερού και η μεταφορά του με αντλίες σε υψηλό υψομετρικό επίπεδο τις ώρες χαμηλής ζητήσεως για να χρησιμοποιηθεί στις ώρες αιχμής.

6

1.1.5 Παλιρροϊκή και Ενέργεια από Κύματα Η παλιρροϊκή ενέργεια είναι, μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που δεν

προκαλεί κανενός είδους ρύπανση. Είναι όπως και η υδροηλεκτρική, περιορισμένης σχετικά κλίμακας. Σήμερα υπάρχουν σε λειτουργία δύο ενεργειακοί σταθμοί, ένας μικρός πειραματικός της Ρωσίας των 400 KW στην Kislanja και ένας γαλλικός στο Saint Malo ισχύος 240 MW. Η Ρωσία προγραμματίζει τώρα έργα ισχύος 6000 MW στην Αρκτική θάλασσα.

Αν και με την παλιρροϊκή ενέργεια δεν λύνεται το ενεργειακό πρόβλημα της ανθρωπότητας, δεν υπάρχει αμφιβολία τώρα που η υψηλή τιμή του πετρελαίου το επιβάλλει, ότι η παλιρροϊκή ενέργεια θα αξιοποιηθεί στο μεγαλύτερο βαθμό και θα αποτελέσει μια βοηθητική ενεργειακή πηγή. Πάντως, είναι μικρής σημασίας ενεργειακή πηγή.

Η ενέργεια που περικλείουν τα κύματα είναι μια άλλη μορφή της ηλιακής ενέργειας, που μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί για μικρούς σταθμούς και βοηθητικές ανάγκες. Η ενέργεια των κυμάτων εξαρτάται φυσικά από το μέγεθος και τη συχνότητά τους. Στις καιρικές συνθήκες που επικρατούν το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου (70%) θα πρέπει να υπολογιστούν σε περίπου 10 KW ανά μέτρο κύματος. Βέβαια, υπάρχουν και εξαιρέσεις όπως σε περίπτωση θύελλας. Στον Ατλαντικό υπάρχουν κύματα μήκους 600 m και περιοδικότητας 20 sec που περικλείουν ενέργεια έως 1500 KW/m. Στις περιπτώσεις όμως αυτές θα πρέπει να εκτιμηθεί η αστάθεια και του φαινομένου και του μεγέθους του.

Με τις προϋποθέσεις αυτές και με συντελεστή μετατροπής περίπου 25% θα πρέπει να υπολογίζεται ότι χρειάζεται ακτή μήκους 400 Km για την παραγωγή 1000 MW. Ο πρώτος σταθμός 20 MW κατασκευάστηκε από τη Lockheed και λειτουργεί στη Χαβάη. Πάντως η μορφή αυτή ενέργειας μπορεί να θεωρηθεί ως βοηθητική σε ειδικές περιπτώσεις. 1.1.6 Βιομάζα

Βιομάζα είναι η αποθηκευμένη χημική ενέργεια στα φυτά και τα ζώα. Περιλαμβάνει όλα τα οργανικά συστατικά των φυτών και από χημική άποψη περιέχει κυρίως τα στοιχεία C, H, O στην αναλογία που βρίσκονται στους υδατάνθρακες. Η βιομάζα (CH2O)X χρησιμοποιήθηκε από την αρχαιότητα και συνεχίζει και σήμερα να χρησιμοποιείται για κάλυψη καθημερινών αναγκών κυρίως στον Τρίτο Κόσμο (αναπτυσσόμενες χώρες). Τώρα πια όμως υπάρχουν χώρες όπως η Βραζιλία που διαθέτουν ενεργειακές καλλιέργειες, δηλ. καλλιέργειες καταλλήλων ενεργειακών φυτών (ζαχαροκάλαμο, σοργο), από τα οποία με διάφορες μεθόδους παράγονται συνθετικά καύσιμα, που υποκαθιστούν σημαντικές ποσότητες των συμβατικών καυσίμων.

Τα καύσιμα της βιομάζας είναι μεγάλου όγκου και ίσως έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία. Η ποιότητα του καυσίμου δεν είναι προβλέψιμη, και ο φυσικός χειρισμός της ύλης μπορεί να είναι απαιτητικός. Αυτά τα χαρακτηριστικά αυξάνουν το κόστος της βιοενέργειας καθώς επιπρόσθετη εργασία και εργαλεία απαιτούνται για μεταφορά, χειρισμό, αποθήκευση και επεξεργασία συγκρινόμενη με τα ορυκτά καύσιμα. Αρκετά από αυτά τα θέματα γίνονται λιγότερο σημαντικά καθώς η τεχνολογία για την μετατροπή βιοενέργειας βελτιώνεται. Επίσης οι τεχνολογίες για την αναβάθμιση των καυσίμων βιομάζας είναι εξελιγμένες, και η ανάπτυξη των καθιερωμένων ενεργειακών καλλιεργειών θα βελτιώσουν επίσης τα στάνταρτ του καυσίμου.

7

1.2 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

1.2.1 Ιστορική Αναδρομή

Η αρχική εφαρμογή της ηλιακής ενέργειας ήταν με την μορφή της φωτιάς. Οι πρώτες γνωστές πρακτικές εφαρμογές ήταν στην ξήρανση για τη συντήρηση των τροφίμων. Η παλαιότερη εγκατάσταση που αφορούσε την ξήρανση των τροφίμων με την ηλιακή ακτινοβολία βρέθηκε στη νότια Γαλλία και χρονολογείται σε 8000 π.Χ.

Η παλιότερη σε μεγάλη κλίμακα πιθανή εφαρμογή, είναι η καύση του Ρωμαϊκού στόλου από τον Αρχιμήδη, τον Έλληνα μαθηματικό και φιλόσοφο ( 287-212 π.Χ.), ο οποίος χρησιμοποίησε επίπεδους καθρέπτες για την συγκέντρωση των ακτινών του ηλίου σε ένα συγκεκριμένο σημείο επάνω στα πλοία. Πολλοί συγγραφείς, από το 100 π.Χ. μέχρι το 1100 μ.Χ., έκαναν αναφορές σε αυτό το γεγονός, το οποίο αργότερα χαρακτηρίστηκε ως μύθος διότι δεν υπήρχε η κατάλληλη τεχνολογία για να κατασκευαστούν καθρέπτες. Δεν είναι γνωστό, εάν το γεγονός έγινε πραγματικά, αλλά ο Αρχιμήδης είναι επίσης συγγραφέας ενός βιβλίου με τον τίτλο «Καθρέπτες», το οποίο δεν έχει διασωθεί, αλλά πολλοί συγγραφείς αρχαιοτήτων αναφέρονται σε αυτό. Αυτό το πείραμα επαναλήφθηκε από τον Πρόκλους κατά την διάρκεια της Βυζαντινής περιόδου όταν έκαψε τον πολεμικό στόλο των εχθρών που πολιορκούσαν το Βυζάντιο (Delyannis, 2003).

Η χρήση της ηλιακής ενέργειας επανελήφθη κατά τη διάρκεια του 18ου αιώνα πρώτα από το Γάλλο φυσιογνώστη Boufon το 1747 και το 1748, ο οποίος πειραματίστηκε με διάφορες ανακλώμενες συσκευές που αποκαλούντο από τον ίδιο "καυτοί καθρέφτες που καίνε σε μεγάλη απόσταση." Μια από τις πρώτες μεγάλης κλίμακας εφαρμογές ήταν ο ηλιακός φούρνος που χτίστηκε από το γνωστό Γάλλο φαρμακοποιό Lavoisier ο οποίος το 1774 κατασκεύασε ισχυρούς φακούς για να συγκεντρώσουν την ηλιακή ακτινοβολία. Αυτοί οι δύο επιστήμονες προώθησαν πολύ την έρευνα και την εφαρμογή της ηλιακής ενέργειας.

Η πραγματική όμως επανάσταση της ηλιακής ενέργειας ξεκίνησε στο μέσον του 19ου αιώνα. Στην Ευρώπη και στην Αμερική, διάφοροι ερευνητές πειραματιστήκαν με τις ηλιακές μηχανές που χρησιμοποιηθήκαν για συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η χρήση τους ήταν κυρίως στην άντληση νερού για άρδευση. Αυτοί ήταν οι πρώτοι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες και συγκεντρωτές με τον Schuman να φτιάχνει τον πρώτο επίπεδο συγκεντρωτή. Από το 1866 μέχρι το 1956 μικρές ηλιακές εγκαταστάσεις κατασκευάστηκαν και τέθηκαν σε λειτουργία. Μεταξύ 1866 και 1878 ο Γάλλος μηχανικός Mouchot, κατασκεύασε διάφορους συγκεντρωτικούς συλλέκτες στην Ευρώπη και τη βόρεια Αφρική. Οι προσπάθειες συνεχίστηκαν στις ΗΠΑ όπου ο John Ericsson, ανέπτυξε την πρώτη μηχανή ατμού, οδηγούμενη άμεσα από την ηλιακή ενέργεια (Belessiotis and Delyannis, 2000).

Στην αρχή του 20ού αιώνα, η δραματική αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας από τη βιομηχανία, αναζωπύρωσε το ενδιαφέρον για τη χρήση ηλιακής ενέργειας για μεγάλης κλίμακας πρακτικές εφαρμογές. Ο Eneas το 1901 κατασκεύασε έναν μεγάλο ηλιακό συγκεντρωτή στη Πασαντένα της Καλιφόρνια. Ήταν ένας κώλουρος κώνος που είχε μια ηλιακή έκταση συλλογής 59,64 m2 και χρησιμοποίησε το νερό ως μέσο λειτουργίας. Το 1901 μια ομάδα μηχανικών κατασκεύασε έναν συγκεντρωτή παρόμοιο με αυτόν του Eneas που η εσωτερική πλευρά του επενδύθηκε με 1788 επιπέδους καθρέφτες και λειτουργούσε δεξιόστροφα για να επαναρρυθμίζεται η εστίαση κάθε 20 min. Χρησιμοποιήθηκε για άντληση νερού για άρδευση. Εγκαταστάθηκε επίσης στη Πασαντένα, και ήταν γνωστός ως "μονάδα παραγωγής ηλιακής ενέργειας, Πασαντένα" (Belessiotis and Delyannis, 2000).

8

Το 1910 ο Harrington δημιούργησε την πρώτη ηλιακή συσκευή αποθήκευσης χωρητικότητας 19m3. Μια ηλιακά οδηγούμενη αντλία χρησιμοποιήθηκε για να αντλήσει το νερό σε μια δεξαμενή αποθήκευσης, η οποία ήταν 6 m υψηλότερα. Το 1913, ο Harrington συνεργάστηκε με τους Boys να εγκαταστήσει τις μεγαλύτερες μονάδες παραγωγής ηλιακής ενέργειας που έγιναν στο Meadi, στην Αίγυπτο. Το σύστημα χρησιμοποιήθηκε για άντληση νερού για άρδευση από τον ποταμό Νείλο. Αποτελείτο από κυλινδροπαραβολικά κάτοπτρα με προσανατολισμό βορρά-νότο που στρέφονταν αυτόματα κατά την διάρκεια της ημέρας και το σύστημα παρήγαγε 50 KW για να θέτουν σε κίνηση τις αντλίες. Το μέσον λειτουργίας ήταν ο ατμός. Οι επόμενες μεγάλες ηλιακές μονάδες δεν θα εγκαθίσταντο για τα επόμενα 63 έτη.

Μια από τις πρώτες μεγάλης κλίμακας πειραματικές μονάδες ηλιακής ενεργείας κατασκευάστηκε από τον Francia (Delyannis, 2003) και εγκαταστάθηκε κοντά στη Γένοβα. Οι συγκεντρωτές ήταν κυκλικοί με επεξεργασμένη επιφάνεια καθρέφτες ανακλώντας την ηλιακή ακτινοβολία πάνω σε έναν κεντρικό λέβητα, παραγωγής ατμού. Οι μονάδες αποτελούντο από 270 ηλιοστάτες με παραγωγή 50 kW. Βασισμένη στο ίδιο σχεδιασμό, πιλοτική ηλιακή μονάδα εγκαταστάθηκε το 1977 στο Τεχνολογικο Ινστιτούτο της Ατλάντα. Ο συλλέκτης αποτελείτο από έναν οκταγωνικό σχηματισμένο πεδίο καθρεπτών που περιείχε 550 γυάλινες επιφάνειες καθρεπτών. Το πεδίο ήταν εστιασμένο στο ηλιακό φως και η συνολική δύναμη μέσα στην εστιακή ζώνη ήταν περίπου 400 kW.

Σήμερα υπάρχουν πολλές μεγάλες μονάδες ηλιακές ενέργειας με παραγωγή στο εύρος του MW, αντί του kW, για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Οι πρώτες εμπορικές μονάδες ηλιακής ενέργειας εγκαταστάθηκαν στις ΗΠΑ, το 1979. Η πρώτη αποτελείτο από 220 ηλιοστάτες και είχε μια παραγωγή 5 MW ενώ η δεύτερη είχε συνολική θερμική παραγωγή 35 MW.

Οι περισσότερες από τις μονάδες ηλιακής ενέργειας εγκαταστάσεις παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ή/και επεξεργάζονται το νερό για τη βιομηχανική χρήση και παρέχουν τον υπέρθερμο ατμό 673 Κ (400 0C). Κατά συνέπεια, μπορούν να παρέχουν την ηλεκτρική ενέργεια ή/και τον ατμό για να κινήσουν π.χ μικρής απόδοσης συμβατικές εγκαταστάσεις αφαλάτωσης εξαρτώμενες από θερμική ή ηλεκτρική ενέργεια.

1.2.2 Τεχνολογίες Ηλιακής Ενέργειας Η ηλιακή ενέργεια που συλλέγει η γη κατά την διάρκεια ενός χρόνου είναι

δέκα φορές μεγαλύτερη από τις συνολικές πηγές φυσικών καυσίμων, συμπεριλαμβανομένων εκείνων των αποθεμάτων που δεν έχουν ανακαλυφθεί ή εξερευνηθεί και που δεν είναι ανανεώσιμα. Ο ήλιος καθώς στέλνει στην γη ενέργεια ισχύος 150.109 MW. Από την ενέργεια αυτή το 30% ανακλάται στο διάστημα από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Το 46% φτάνει στην επιφάνεια της γης όπου μετατρέπεται σε θερμότητα και επανακλάται με θερμική ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος. Από το υπόλοιπο 24% το 23% δαπανάται για την εξάτμιση του νερού των θαλασσών και το εναπομένον 1% για την αιολική ενέργεια, την ενέργεια των κυμάτων, καθώς και την φωτοσύνθεση.

Η άμεση χρήση της ηλιακής ενέργειας με την παραγωγή και εγκατάσταση συσκευών αποτέλεσε καινοτομία στην ενεργειακή εξέλιξη του ανθρώπου. Ενώ η έμμεση ηλιακή ενεργεία επιδρά με φυσικές διαδικασίες στο νερό, τον αέρα και την φωτοσύνθεση, η άμεση χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας απαιτεί ειδικά σχεδιασμένα και εγκατεστημένα τεχνικά συστήματα προκειμένου να απορροφούν και να μετατρέπουν την συλλεγόμενη ηλιακή ενέργεια.

9

Τα συστήματα συλλογής και μετατροπής της ηλιακής ενέργειας διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες:

i) Συστήματα απευθείας μετατροπής της ενέργειας σε θερμότητα. Η μετατροπή αυτή μπορεί να γίνει με ενεργητικά συστήματα όπως είναι οι ηλιακοί συλλέκτες και οι ηλιακές λίμνες, η με παθητική συλλογή από το ίδιο το κτίριο, τα θερμοκήπια κλπ.

ii) Συστήματα μετατροπής με ενδιάμεσο θερμοδυναμικό μετασχηματισμό, όπου η θερμότητα χρησιμοποιείται για την δημιουργία ατμού, παραγωγή έργου και τελικά ηλεκτρισμό.

iii) Συστήματα απευθείας μετατροπής σε ηλεκτρισμό, με πιο διαδεδομένο τα φωτοβολταικά κύτταρα στα οποία γίνεται η φωτοβολταική μετατροπή.

iv) Συστήματα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε χημική ενέργεια, όπως η παραγωγή βιομάζας μέσω της φωτοσύνθεσης , η παραγωγή H2 με φωτοηλεκτρόλυση κ.α.

1.2.3 Συστήματα συλλογής και θερμικής μετατροπής της ηλιακής ενέργειας

Επίπεδοι συλλέκτες

Είναι οι πιο διαδεδομένοι όσον αφορά την θέρμανση νερού και την θέρμανση χώρων και είναι η σπουδαιότερη κατηγόρια συσκευών συλλογής της ηλιακής ενέργειας από πλευράς εφαρμογών. Ένας τυπικός επίπεδος συλλέκτης (flat plate collector) αποτελείται από ένα μεταλλικό πλαίσιο στο πάνω μέρος του οποίου τοποθετείται κάλυμμα από γυαλί ή πλαστικό, στο εσωτερικό του τοποθετείται απορροφητική επιφάνεια μαύρου χρώματος ενώ τα πλαϊνά και η κάτω πλευρά του συλλέκτη είναι μονωμένα για να ελαχιστοποιηθούν οι θερμικές απώλειες. Η λειτουργία του συλλέκτη είναι απλή. Το μεγαλύτερο ποσοστό από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από την εσωτερική επιφάνεια που συμπεριφέρεται ως ΄΄μέλαν΄΄ σώμα στην ηλιακή ακτινοβολία. Το μεγαλύτερο μέρος από την ενέργεια που απορροφάται, μεταφέρεται σε κάποιο ρευστό, ενώ το υπόλοιπο ανακλάται. Η θερμότητα που απάγεται από το ρευστό, είναι το ωφέλιμο ενεργειακό κέρδος του συλλέκτη και ή αποθηκεύεται, ή τροφοδοτεί απευθείας το φορτίο. Άλλα ηλιακά θερμικά συστήματα είναι ο ολοκληρωμένος ηλιακός συλλέκτης, ο σύνθετος παραβολικός συγκεντρωτικός συλλέκτης (CPC) και ο κυλινδροπαραβολι-κός συλλέκτης. 1.2.4 Συστήματα ηλεκτρικής μετατροπής της ηλιακής ενέργειας

Φωτοβολταικό σύστημα (PV)

Η άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια επιτυγχάνεται με την χρήση ηλιακών κύτταρων, διαδικασία γνωστή ως φωτοβολταικό φαινόμενο. Η διαδικασία αυτή εξαρτάται από την θέρμανση του κυττάρου αφού η απόδοση των φωτοβολταικών μειώνεται καθώς η θερμοκρασία λειτουργίας τους αυξάνει. Τα ηλιακά κύτταρα πλεονεκτούν στο ότι εφαρμόζονται σε περιοχές που χαρακτηρίζονται από μικρή έκθεση στον ήλιο ανά μονάδα επιφανείας. Στην περίπτωση που επικρατεί συννεφιά τα φ/β λειτουργούν με την ίδια απόδοση εν αντιθέσει με τα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα που χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρισμού μέσω θερμοδυναμικής μετατροπής με πολύ χαμηλές

10

αποδόσεις λόγω της συλλογής μόνο της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Τα βασικά χαρακτηριστικά των φ/β συστημάτων είναι η απευθείας παραγωγή ενέργειας με μηδενικές εκπομπές ρύπων, η αθόρυβη λειτουργία, οι ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης και η μεγάλη διάρκεια ζωής.

Στο φ/β φαινόμενο δεν χρησιμοποιείται όλη η περιοχή του φάσματος αλλά μέρος αυτής. Tο κριτήριο είναι hv>Eg για να απορροφηθεί η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια και να δημιουργηθεί ζεύγος ηλεκτρόνιου-οπής. Συνεπώς ο συντελεστής απόδοσης ενός φ/β δεν είναι σταθερός αλλά επηρεάζεται σημαντικά από την ποιότητα της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ηλεκτρική απόδοση του φ/β εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την θερμοκρασία λειτουργίας του. Συγκεκριμένα αύξηση της θερμοκρασίας αυτής κατά 10 0C οδηγεί σε μείωση της ηλεκτρικής του απόδοσης κατά 15%. Σκόπιμη λοιπόν είναι η λειτουργία ενός φ/β συστήματος σε όσο το δυνατόν χαμηλότερη θερμοκρασία ώστε η λειτουργία τους να είναι πιο αποδοτική. Η ηλεκτρική απόδοση του φ/β κυμαίνεται από 5%-15% ανάλογα με τον τύπο τους και τις δεδομένες συνθήκες λειτουργίας, που είναι η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία περιβάλλοντος και η ταχύτητα του πνέοντος ανέμου.

Υβριδικό Φωτοβολταιϊκό/θερμικό (PV/T) σύστημα

Το σύστημα αυτό είναι συνδυασμός φωτοβολταϊκών πλαισίων με θερμικές μονάδες. Είναι υβριδικό και σχεδιάζεται έτσι ώστε να πετυχαίνεται εκτός από παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και απολαβή θερμότητας από το φωτοβολταϊκό μέσω της φυσικής η εξαναγκασμένης κυκλοφορίας ενός ρευστού (αέρας η νερό). Σε αυτό οδήγησε το γεγονός ότι τα μέρη στα οποία θα μπορούσαν να τοποθετηθούν φωτοβολταικά (κτίρια, θερμοκήπια κλπ) δεν έχουν ανάγκη μόνο σε ηλεκτρισμό αλλά και σε θερμική ενέργεια. Τα υβριδικό φωτοβολταιϊκό/θερμικό σύστημα (PV/T) αποτελείται από δυο επιμέρους μονάδες, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο και τον θερμικό συλλέκτη, με τις οποίες επιδιώκεται η πλέον αποδοτική αξιοποίηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην επιφάνεια του συλλέκτη. Η επιφάνεια του φωτοβολταϊκού λειτουργεί ως απορροφητής της ηλιακής ακτινοβολίας τόσο για το φωτοβολταϊκό όσο και για τον συλλέκτη. Ένα μικρό ποσοστό της απορροφούμενης ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό ενώ το μεγαλύτερο ποσοστό, περίπου 70% μετατρέπεται σε θερμότητα. Έτσι το φωτοβολταικο μπορεί να διατηρείται σε χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας, ενώ παράλληλα η απαγώμενη θερμότητα καλύπτει θερμικές ανάγκες. Η απόδοση ενός υβριδικού φωτοβολταϊκού είναι περίπου 10% σε ηλεκτρισμό και 30% σε θερμότητα. Η μελέτη των υβριδικών PV/T ξεκίνησε από τους Kern and Russell (1978), και μέχρι σήμερα υπάρχουν αρκετές μελέτες που επικεντρώθηκαν στην θεωρητική και πειραματική μελέτη των συστημάτων με σκοπό την βελτίωση της θερμικής και ηλεκτρικής τους απόδοσης (Cox and Raghuraman 1985, Huang et al 2001, Tripanagnostopoulos et al 2001, Tripanagnostopoulos et al 2002, Tselepis and Tripanagnostopoulos 2002, Tripanagnostopoulos et al 2005) 1.2.5 Συστήματα συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας

Έχουν μελετηθεί και δοκιμαστεί αρκετοί τύποι ηλιακών συγκεντρωτικών συσκευών, συστημάτων και διατάξεων που περιλαμβάνουν κάτοπτρα, φακούς η συνδυασμό τους, και συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία πάνω σε επίπεδους, κυλινδρικούς, σφαιρικούς η και σύνθετους απορροφητές. Η διαφορά στον τρόπο συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας διαχωρίζει αυτά τα ηλιακά συστήματα σε τρεις γενικές κατηγορίες:

11

Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα συστήματα, τα οποία χρησιμοποιούν συνήθως κάτοπτρα, που ενισχύουν λίγο την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην απορροφητική επιφάνεια. Στα συστήματα αυτά η επιτυγχανόμενη συγκέντρωση είναι αρκετά μικρή και η συνεισφορά των κάτοπτρων έγκειται στην μείωση του κόστους του ηλιακού συστήματος και στην βελτίωση της αποδοτικής της λειτουργίας, η οποία συνήθως δεν υπερβαίνει τα όρια των χαμηλών θερμοκρασιών. Στα συστήματα αυτά αξιοποιείται η άμεση και μεγάλο μέρος της διάχυτης ακτινοβολίας (επίπεδα κάτοπτρα).

Στην δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνονται τα γραμμικής η κυκλικής γεωμετρίας ηλιακά συγκεντρωτικά συστήματα, στα οποία τα συγκεντρωτικά μέσα που διαθέτουν συγκεντρώνουν την προσπίπτουσα παράλληλη δέσμη ηλιακών ακτίνων σε ευθεία γραμμή ή σε σημείο αντίστοιχα στο επίπεδο εστίασης τους, επιτυγχάνοντας σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας του απορροφητή και δίνοντας έτσι την δυνατότητα αποδοτικής λειτουργίας σε περιοχές μέσων και υψηλών θερμοκρασιών αντίστοιχα. Στα συστήματα αυτά συλλέγεται κύρια η άμεση ηλιακή ακτινοβολία με αποτέλεσμα την αναγκαιότητα ενός μηχανισμού προσανατολισμού μέρους η όλης της συσκευής για παρακολούθηση του ήλιου (φακοί Fresnel, παραβολοειδές κάτοπτρο).

Στην τρίτη κατηγόρια τέλος εντάσσονται τα συστήματα, στα οποία η συγκέντρωση επιτυγχάνεται με πολλά επίπεδα κάτοπτρα που συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία σε απορροφητή στην κορυφή ενός πύργου (ηλιακοί πύργοι) για τελική χρήση στην παραγωγή ηλεκτρισμού και ο συνδυασμός επίπεδων κατόπτρων και παραβολικών κατόπτρων για την επίτευξη πολύ υψηλής συγκέντρωσης και θερμοκρασίας για την επεξεργασία υλικών (ηλιακός φούρνος).

12

1.3 ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ

1.3.1 Εισαγωγή Τα θερμοκήπια είναι πολύπλοκες κατασκευές που στοχεύουν να παρέχουν

προστασία των καλλιεργειών έναντι δυσμενών καιρικών συνθηκών και ικανοποιητικές συνθήκες για την ανάπτυξη και παραγωγή προϊόντων σε όλη την διάρκεια του χρόνου. Οι παράγοντες ανάπτυξης των φυτών φως, θερμοκρασία, υγρασία και CO2, δύναται να παρέχονται εντός του θερμοκηπίου και να διατηρούνται σε βέλτιστα επίπεδα. Ένα σωστά σχεδιασμένο θερμοκήπιο πρέπει να εξασφαλίζει και να διατηρεί τους σημαντικούς κλιματολογικούς παράγοντες , όσο γίνεται κοντά στις προκαθορισμένες βέλτιστες. Συνεπώς απαιτείται να επιτρέπουν υψηλό ποσοστό διερχόμενης ακτινοβολίας, χαμηλή κατανάλωση θερμότητας, ικανοποιητική αποδοτικότητα αερισμού, επαρκής κατασκευαστική αντοχή και καλή μηχανική συμπεριφορά, χαμηλό κατασκευαστικό και λειτουργικό κόστος (Von Elsner et al, 2000a, 2000b).

Οι πιο σπουδαίοι κλιματικοί παράγοντες που έχουν επίδραση στην κατασκευαστική δομή και στην διαμόρφωση του εσωτερικού μικροκλίματος είναι η θερμοκρασία, η συνολική ηλιακή ακτινοβολία, τα ατμοσφαιρικά κατακρημνήσματα και η ένταση του ανέμου. Κατόπιν τούτου οι τοπικές κλιματολογικές συνθήκες έχουν ισχυρή επίδραση στην κατασκευή και στο μικροκλίμα του θερμοκηπίου γιαυτό ο σχεδιασμός του πρέπει να ακολουθεί κανόνες σύμφωνα με το τοπικό κλίμα. Καθώς η χρήση των θερμοκηπίων σχεδόν εκτείνεται σε ολόκληρη την Ευρώπη, ο σχεδιασμός, τα υλικά κάλυψης και ο εξοπλισμός πρέπει να ακολουθούν τις προϋποθέσεις που τίθενται από τις επιμέρους κλιματολογικές συνθήκες (Trigui et al,2001). Καθένας σε από τους κλιματολογικούς παράγοντες παράγει έναν συνδυασμό επιδράσεων ο οποίος έχει είτε ευνοϊκή είτε δυσμενή επίδραση στην λειτουργικότητα και του θερμοκηπίου εξαρτώμενες από τις ιδιαιτέρες τοπικές περιστάσεις.

Με αναφορά το κλίμα, η Ευρώπη μπορεί να χωριστεί σε δυο ζώνες. Στην βόρεια και κεντρική Ευρώπη το κλίμα χαρακτηρίζεται από ψυχρούς χειμώνες και ήπια καλοκαιρία (εύκρατο κλίμα). Στην νοτιότερη Ευρώπη οι χειμώνες είναι ήπιου και τα καλοκαίρια θερμά (Μεσογειακό κλίμα). Η ηλιακή ακτινοβολία στις Μεσογειακές χώρες έχει δυο έως τρεις φορές μεγαλύτερη ένταση σε σχέση με τις βορειότερες περιοχές. Για αυτόν τον λογο τα θερμοκήπια στην Ευρώπη διακρίνονται σε δυο κατηγορίες: θερμοκήπια που είναι σχεδιασμένα για εύκρατο κλίμα και θερμοκήπια που είναι σχεδιασμένα για Μεσογειακό κλίμα. Δεδομένου ότι η Ελλάδα βρίσκεται στην περιοχή της Μεσογείου το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα δεύτερα, με τα κύρια προβλήματα των θερμοκηπίων της Μεσογειακής λεκάνης (Von Elsner et al, 2000a) να είναι:

-θερμοκρασίες κάτω από το βιολογικό βέλτιστο τις χειμωνιάτικες νύχτες που καθιστούν την θέρμανση απαραίτητη από 3 έως 6 μήνες και υψηλές θερμοκρασίες κατά την διάρκεια της ημέρας - υψηλή σχετική υγρασία τη νύκτα - χαμηλή ηλιακή ακτινοβολία το χειμώνα, σημαντικά φορτία ανέμου και μερικές φορές φορτία χιονιού και χαλάζι.

Επομένως τα θερμοκήπια στη Μεσογειακή λεκάνη πρέπει να έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

-Υψηλή διαπερατότητα ακτινοβολίας -Καλή θερμική μόνωση και σύστημα θέρμανσης για αύξηση της ελάχιστης θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της νύκτας (κατά τη χειμωνιάτικη περίοδο)

13

-Αποτελεσματικός εξαερισμός από ρυθμισμένους ανεμιστήρες -Υψηλή σταθερότητα σε σχέση με τον άνεμο και με τα φορτία χιονιού σε κάποιες περιοχές

1.3.2. Ιστορική και Περιφερειακή Ανάπτυξη Προσπάθειες να προσαρμοστεί το περιβάλλον στις ανάγκες της φυτικής

παραγωγής μέσω προστατευτικών κατασκευών, παρατηρήθηκαν στην αρχαιότητα στην Κίνα, στην Αίγυπτο καθώς και μεταγενέστερα στην Ελλάδα και στη Ρώμη. Με το τέλος της Ρωμαϊκής αυτοκρατορίας οποιαδήποτε τεχνική για προστατευόμενη παραγωγή εξαφανίστηκε. Κατά το μεσαίωνα παρατηρούνται ελάχιστες εξελίξεις στην προστασία των φυτών. Τα θερμοκήπια εμφανίστηκαν ξανά στο τέλος του 15ου έως και τον 18ου αιώνα στην Αγγλία, Γαλλία και Κάτω χώρες. Την περίοδο αυτή χρησιμοποιούνταν σχεδόν τελείως κλειστά δωμάτια για την προστασία των φυτών καθώς και υπόστεγα που είχαν κτιστό τοίχο προς βορρά, ενώ προς το νότο υπήρχαν ανοίγματα για αερισμό που έκλειναν με ξύλινα παραπετάσματα. Αργότερα τα ανοίγματα αντικαταστάθηκαν από τοίχους με γυάλινα παράθυρα.

Τον 18ο αιώνα εμφανίστηκε η καινοτομία της διάφανης αμφικλινούς στέγης, με τον βόρειο τοίχο να παραμένει κτιστός. Αυτές οι κατασκευές συνέχισαν να βελτιώνονται με την αύξηση των συνεχόμενων επιφανειών γυαλιού, με την χρήση νέων υλικών σκελετού όπως ο σίδηρος, την προσθήκη διαφόρων μηχανισμών όπως αυτών για το άνοιγμα των παραθύρων καθώς και διαφόρων εξελιγμένων συστημάτων θέρμανσης. Τον 19ο αιώνα συστηματοποιήθηκε η χρήση θερμοκηπίου για εμπορική παραγωγή και ο ενδιαφέρων νεωτερισμός κατασκευής πολλαπλών θερμοκηπίων. Στην προσπάθεια για περισσότερο φως αντικαταστάθηκε και ο βόρειος τοίχος από γυαλί. Ο εξαερισμός εκτός από τα παράθυρα γίνεται και με μηχανικούς εξαεριστές. Το 1816 χρησιμοποιήθηκε ο πρώτος αυτόματος μηχανικός θερμοστάτης για τον εξαερισμό θερμοκηπίου.

Τον 20ο αιώνα η καλλιέργεια σε θερμοκήπια γίνεται σχεδόν επαγγελματική υπόθεση με ραγδαία αύξηση μετά το 1945. Το γεγονός αυτό αύξησε την απαίτηση για μεγαλύτερο έλεγχο του περιβάλλοντος και καλύτερες κατασκευές με σκοπό την αύξηση της παραγωγής και τη μείωση του κόστους. Τα θερμοκήπια έγιναν ακόμα πιο φωτεινά με τη χρήση μεγαλύτερων κομματιών γυαλιού αλλά και λεπτότερων στοιχείων του σκελετού. Από τη δεκαετία του ΄50 και μετά η ευρεία χρήση του πλαστικού έκανε τα θερμοκήπια σημαντικά φτηνότερα φέρνοντας επανάσταση στην εξάπλωση των θερμοκηπιακών καλλιεργειών. Τα υλικά κατασκευής του σκελετού είναι πλέον το ξύλο, ο γαλβανισμένος σίδηρος, το αλουμίνιο αλλά και το πλαστικό.

Τα αμφικλινή πολλαπλά θερμοκήπια ήταν τα πιο διαδεδομένα στην αρχή του αιώνα όμως με την εξέλιξη της τεχνολογίας νέοι τύποι άρχισαν να εμφανίζονται έτσι που στην εποχή μας ο αριθμός τους να είναι πολύ μεγάλος.

Από τη δεκαετία του 70 άρχισε να εφαρμόζεται ευρεία ρύθμιση του περιβάλ-λοντος. Το 1977 μπορούσαν ήδη να ελεγχθούν και να ρυθμιστούν αυτόματα η υγρασία του αέρα, η διαχείριση του νερού, η τεχνητή νέφωση, η θερμοκρασία, ο έλεγχος ηλιακής ακτινοβολίας, ο φωτισμός, το επίπεδο του CO2 και πολλοί άλλοι παράγοντες. Η χώρα με τη μεγαλύτερη έκταση θερμοκηπίων στον κόσμο

14

είναι η Ιαπωνία ακολουθούν η Ιταλία, η Ισπανία και η Ολλανδία. Υψηλές συγκεντρώσεις θερμοκηπίων παρατηρούνται σε ειδικές περιοχές με ευνοϊκές κλιματολογικές συνθήκες. Για παράδειγμα τα περισσότερα από τα θερμοκήπια στην Γαλλία βρίσκονται κατά μήκος της Μεσογειακής ζώνης ενώ το μεγαλύτερο ποσοστό την θερμοκηπίων της Ισπανίας βρίσκονται στην περιοχή της Αλμερίας (Briassoulis et al, 1997).

Η Ελλάδα κατέχει την έβδομη θέση στην Ευρωπαϊκή Ένωση σε θερμοκηπιακή εδαφική κάλυψη με το 45% να βρίσκεται στην Κρήτη και έχει πολλά περιθώρια για επιπλέον στρεμματική ανάπτυξη αν θεωρήσουμε ότι η Ισπανία έχει επτά φορές μεγαλύτερη στρεμματική κάλυψη και η Ιταλία πέντε. Τα θερμοκήπια στην Ελλάδα είναι σε μεγάλο ποσοστό με πλαστικό κάλυμμα και αυτό έχει σαν συνέπεια μια υστέρηση στην διαμόρφωση των ελεγχόμενων συνθηκών για ποιοτική και ποσοτική παραγωγή σε σχέση με τις ανταγωνίστριες χώρες (Μαυρογιαννόπουλος 2001). Έτσι παρά τις γενικά ευνοϊκές κλιματολογικές συνθήκες της χώρας μας μια σειρά από αιτίες δεν έχουν επιτρέψει να πρωταγωνιστήσει η χώρα μας στην παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων θερμοκηπιακών προϊόντων.

Σήμερα η έρευνα γύρω από τα θερμοκήπια συνεχίζεται επιδιώκοντας τη λύση προβλημάτων που αφορούν την κατασκευή και τον εξοπλισμό, την αύξηση της ποσότητας και της ποιότητας της παραγωγής, τη μικρότερη επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος και την προστασία της ανθρώπινης υγείας από την παραγωγική διαδικασία στο θερμοκήπιο.

Όσον αφορά την χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στα θερμοκήπια ως εναλλακτικοί τρόποι για την εξοικονόμηση συμβατικών ενεργειακών πηγών, έχουν χρησιμοποιηθεί με καλά αποτελέσματα η ηλιακή ενέργεια, η γεωθερμία και η βιομάζα. Η αιολική ενέργεια λόγω υψηλού κόστους εγκατάστασης και συντήρησης των μεγάλης ισχύος συστημάτων έχει χρησιμοποιηθεί λιγότερο για κάλυψη ενεργειακών αναγκών, ή έχει χρησιμοποιηθεί συμπληρωματικά σε συνδυασμό με κάποια από τις παραπάνω πηγές. Η καύση βιομάζας, η χρήση διαφόρων τεχνικών συλλογής και αποθήκευσης θερμότητας την ημέρα για υποβοήθηση των θερμικών αναγκών την νύχτα, οι θερμοκουρτίνες οροφής και η γεωθερμία – όπου αυτή είναι διαθέσιμη – είναι ορισμένοι εναλλακτικοί τρόποι για την εξοικονόμηση συμβατικών ενεργειακών πηγών την περίοδο του χειμώνα. Για την θερινή περίοδο, οι υψηλές τιμές της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και οι αυξημένες θερμοκρασίες αέρα αντιμετωπίζονται συνήθως με τεχνητή αποφυγή περίσσειας φωτισμού, περιορίζοντας την διαπερατότητα του διαφανούς καλύμματος, με πλήρη αερισμό του θερμοκηπίου και με διάφορους τρόπους δροσισμού. Κυρίως όμως η κατάλληλη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για την αποδοτική ανάπτυξη των καλλιεργειών σε ελεγχόμενες συνθήκες εντάσσεται στην κατεύθυνση της χρήσης εναλλακτικών ενεργειακών πηγών σε υποκατάσταση των συμβατικών πηγών για εξοικονόμηση ενέργειας και προστασία του περιβάλλοντος (Bakker et al, 1995).

Αναφορικά με την παρεχόμενη ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή που θα χρησιμοποιείται, ένα ολοκληρωμένο θερμοκηπιακό ενεργειακό σύστημα θα λαμβάνει πλήρως υπόψιν τις κλιματολογικές συνθήκες και τα πρότυπα καλλιέργειας. Αναφορικά με την απαίτηση, η προσαρμοστικότητα και ευελιξία του συστήματος λειτουργίας θα το έκανε δυνατόν να ικανοποιεί μια ποικιλία πρότυπων ενεργειακών απαιτήσεων σε χαμηλό κόστος (Rozakis et al, 1997).

15

1.4 ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ

1.4.1 Εισαγωγή Η ξήρανση (Drying) ή αφύγρανση (dehydration), είναι μια επιστημονικά αποδεκτή μέθοδος μικροβιακής και χημικής σταθεροποίησης των προϊόντων με την αφαίρεση μέρους της περιεχόμενης υγρασίας, επιτυγχάνοντας την παραγωγή νέων προϊόντων διαφορετικής θρεπτικής και οικονομικής αξίας. Η μηχανική ξήρανση αγροτικών προϊόντων αποτελεί την πλέον ενδιαφέρουσα, εναλλακτική της παραδοσιακής μεθόδου (φυσική ηλιακή ξήρανση) δυνατότητα με μεγάλο οικονομικό ενδιαφέρον. Η βελτίωση της ποιότητας των αποξηραμένων προϊόντων και η ελαχιστοποίηση των απωλειών που επιτυγχάνεται με την μηχανική ξήρανση έχουν ως αποτέλεσμα την μείωση κόστους παραγωγής και την υψηλότερη διαθεσιμότητα προϊόντων υψηλής ποιότητας. Το πρόβλημα όμως είναι ότι μεγάλες ποσότητες συμβατικών καυσίμων καταναλώνονται για την ξήρανση των αγροτικών προϊόντων. Πρέπει να αναφερθεί ότι για τα περισσότερα από τα αγροτικά προϊόντα που ξηραίνονται, η συγκομιδή τους γίνεται κατά την διάρκεια του καλοκαιριού που η ηλιακή ακτινοβολία είναι ιδιαίτερα υψηλή. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει το δυναμικό της ηλιακής ενέργειας στις εφαρμογές της ξήρανσης. 1.4.2 Η Διεργασία της Ξήρανσης από Ενεργειακή Άποψη Η ξήρανση είναι μια σύνθετη διεργασία αφαίρεσης της περιεχόμενης υγρασίας από ένα προϊόν με θερμικές μεθόδους. Ως σύνθετη διεργασία συνδυάζει τα φαινόμενα: α) της μεταφοράς θερμότητας από το περιβάλλον προς το σώμα για την εξάτμιση της υγρασίας και την θέρμανση του στερεού και β) την μεταφορά της εσωτερικής υγρασίας από το εσωτερικό προς την επιφάνεια του σώματος και προς τον θερμό αέρα. Ο ρυθμός ξήρανσης ενός προϊόντος δεν είναι σταθερός κατά τη διάρκεια της ξήρανσης (σχήμα 1). Στην αρχή, (φάση Ι) παρατηρείται μία φάση με αυξητικό ρυθμό ξήρανσης, γνωστή και σαν περίοδος θέρμανσης, η οποία όμως είναι συνήθως μικρής διάρκειας. Στη συνέχεια (φάση ΙΙ) όπου η ταχύτητα ξήρανσης είναι σχεδόν σταθερή, η υγρασία που εξέρχεται από τους πόρους του στερεού προς την επιφάνεια είναι αυτή που εξατμίζεται από την επιφάνεια του προϊόντος και συνεπώς η θερμοκρασία του προϊόντος παραμένει σταθερή. Στη φάση ΙΙΙ ο ρυθμός ξήρανσης μειώνεται προοδευτικά και η υγρασία που αφαιρείται είναι σε ποσότητα μικρότερη από αυτήν που μπορεί να εξατμιστεί από την παρεχόμενη θερμότητα. Η θερμοκρασία του προϊόντος σε αυτή την φάση αυξάνεται και τείνει προς τη θερμοκρασία του αέρα ξήρανσης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η θερμότητα μεταφέρεται εκ των έξω προς τα μέσα, το εξωτερικό μέρος που ξηραίνεται ταχύτερα συνήθως παρουσιάζει και μεγαλύτερη θερμική αντίσταση καθυστερώντας την μεταφορά της θερμότητας προς το υγρό εσωτερικό, καθιστώντας την φάση αυτή πολύ μεγαλύτερη σε διάρκεια από τις άλλες δύο (Μπελεσιώτης και Δεληγιάννη, 2002). Η φάση ΙΙΙ, μειούμενου του ρυθμού ξήρανσης, παρουσιάζει μεγάλο ενεργειακό ενδιαφέρον διότι είναι αυτή στην οποία εξατμίζεται το νερό που είναι συνδεδεμένο με το στερεό. Όσο μειώνεται η περιεκτικότητα του στερεού σε υγρασία η ενέργεια προσρόφησης του νερού (water bonding energy) αυξάνεται με αποτέλεσμα σε αυτήν την περίοδο να απαιτούνται ποσότητες θερμότητας μεγαλύτερες από αυτές που απαιτούνται κατά τις πρώτες φάσεις και κατά συνέπεια η ενεργειακή

16

κατανάλωση να είναι σημαντική. Συνεπώς η επίδραση της θερμοκρασίας γίνεται σημαντική στην τελική αυτή φάση (εξάτμιση του συνδεδεμένου νερού) ενώ αντίθετα η επίδραση της ταχύτητας του αέρα ξήρανσης στην διεργασία είναι μεγαλύτερη κατά τις πρώτες φάσεις (εξάτμιση και απαγωγή της μεγαλύτερης ποσότητας του ελεύθερου νερού). Από τα προαναφερθέντα γίνεται εμφανής η ισχυρή επίδραση που ασκούν οι συνθήκες ξήρανσης (θερμοκρασία, ταχύτητα και υγρασία αέρα) επί των ενεργειακών απαιτήσεων αναδεικνύοντας την σημασία του προσδιορισμού της ενεργειακής κατανάλωσης και των βέλτιστων συνθηκών για τα συγκεκριμένα προϊόντα και για τις συγκεκριμένες συνθήκες που επιλέγονται. Η γνώση της επίδρασης των συνθηκών αυτών οδηγεί στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων σχεδιασμού του ξηραντηρίου που σχετίζονται άμεσα με το μέγεθος των ενεργειακών απαιτήσεων και την εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη λειτουργία (Μπαμπαλής και άλλοι, 2002).

Σχήμα 1 (Μπαμπαλής και άλλοι, 2002): Τυπικά διαγράμματα (καμπύλες) ξήρανσης 1.4.3. Φυσική Παραδοσιακή Ξήρανση και Μηχανική Ξήρανση Φυσική παραδοσιακή ξήρανση στο ύπαιθρο είναι η διεργασία αφαίρεσης της περιεχόμενης υγρασίας από ένα προϊόν με κύριο πλεονέκτημα την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας (φυσική ηλιακή ξήρανση) η οποία είναι, τουλάχιστον στη χώρα μας, διαθέσιμη κατά το μεγαλύτερο διάστημα του έτους, ενώ δεν υπόκειται σε οικονομικούς ή άλλους περιορισμούς. Σε αντίθεση με τη φυσική ξήρανση, η μηχανική ξήρανση αποσυνδέεται από τη φυσική επαφή του προϊόντος με το περιβάλλον και η απαιτούμενη για την διεργασία της ξήρανσης ενέργεια είναι δυνατόν να παρασχεθεί είτε από συμβατικά υγρά ή αέρια καύσιμα είτε από εναλλακτικές πηγές ενέργειες όπως η ηλιακή. Στην περίπτωση της χρήσης ηλιακών συστημάτων και σε συνδυασμό με το κόστος τους,

17

είναι απαραίτητη η διερεύνηση υβριδικών πηγών, δηλαδή η χρήση και συμβατικών πηγών για την αναπλήρωση του ποσοστού της θερμότητας που δεν καλύπτεται από αυτήν (Imre, 1987). Το ποσοστό των θερμικών φορτίων του ξηραντηρίου που καλύπτονται από την ηλιακή ενέργεια κατά την διάρκεια της ημέρας εξαρτάται από διάφορους παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την απόδοση του ηλιακού συστήματος. Το ηλιακό σύστημα είναι όμως δυνατόν να χρησιμοποιείται για περισσότερες από μια χρήσεις. Όταν δεν χρησιμοποιείται για να παρέχει ζεστό νερό χρήσης, μπορεί να χρησιμοποιείται σαν μέσο παροχής ενέργειας στο ξηραντήριο βελτιώνοντας έτσι την αποδοτικότητά του. Η επιλογή του ποσοστού κάλυψης των ενεργειακών αναγκών του ξηραντηρίου από το ηλιακό σύστημα αποτελεί τον παράγοντα που επιτρέπει την διαστασιολόγηση του ηλιακού συστήματος (Duffie and Beckman, 1980). 1.4.4 Ηλιακή Ξήρανση Διακρίνουμε τρεις τρόπους ηλιακής ξήρανσης :

• Την ηλιακή ξήρανση σε ελεύθερο αέρα • Την άμεση ηλιακή ξήρανση • Την έμμεση ηλιακή ξήρανση

Στον πρώτο τρόπο της ηλιακής ξήρανσης τοποθετούμε το προϊόν στον ήλιο, όπου η φυσική ηλιακή ακτινοβολία αυξάνει τη θερμοκρασία του προϊόντος. Η κίνηση του ανέμου παίρνει το νερό του προϊόντος που είναι στην επιφάνειά του. Ο τρόπος αυτός ξήρανσης ονομάζεται ξήρανση στον ήλιο. Στην άμεση ηλιακή ξήρανση το προϊόν τοποθετείται κάτω από ένα σκέπασμα (τζάμι, φύλλο πλαστικό). Η διάταξη είναι βελτίωση της προηγούμενης περίπτωσης αλλά ο αέρας και το προϊόν είναι πιο ζεστά λόγω του ‘φαινομένου του θερμοκηπίου’ και των χαμηλών κινήσεων του αέρα στον περιβάλλοντα χώρο της ξήρανσης. Αν αυτές οι κινήσεις είναι πολύ μικρές δεν υπάρχει ξήρανση γιατί το νερό δεν εκκενώνεται. Τότε λέμε ότι έχουμε ψήσιμο. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται συνήθως σε λάθος υπολογισμένα και κατασκευασμένα ξηραντήρια όπου η υψηλή θερμοκρασία δεν συνδυάζεται με την απαραίτητη η κίνηση του αέρα. Στην έμμεσο ξήρανση ο αέρας θερμαίνεται σε ένα συλλέκτη ο οποίος μπορεί να είναι ξεχωριστός από τον χώρο της ξήρανσης. Το προϊόν μένει στην σκιά μονωμένο από την ηλιακή ακτινοβολία. Η ξήρανση γίνεται με εναλλαγή νερού με τον θερμό αέρα (Χαρώνης, 1989).

1.4.5. Τύποι Ηλιακών Ξηραντηρίων Ανάλογα με τον τρόπο που χρησιμοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία διακρίνουμε τα ξηραντήρια σε τρεις τύπους, κάτι αντίστοιχο δηλαδή με τα 3 είδη ηλιακής ξήρανσης:

• Φυσικά ηλιακά ξηραντήρια • Άμεσα ηλιακά ξηραντήρια • Έμμεσα ηλιακά ξηραντήρια Φυσικά ηλιακά ξηραντήρια

Σε αυτά χρησιμοποιείται κατευθείαν η ηλιακή ακτινοβολία και αέρας, η ενέργεια των οποίων, όμως, δεν ελέγχεται. Το προϊόν τοποθετείται επάνω σε δίσκους ή ψάθες που είναι τοποθετημένοι πάνω στο έδαφος και προσανατολισμένα

18

στους επικρατούντες ανέμους. Είναι φθηνές κατασκευές αλλά προϋποθέτουν προστασία σε περίπτωση βροχής και συχνή μάλαξη για αποφυγή υπερθερμάνσεως της πάνω επιφανείας και ομογενοποίηση του προϊόντος. Είναι ο παραδοσιακός τύπος που συναντάται και σήμερα στις αγροτικές περιοχές. Τα μειονεκτήματά του είναι οι απώλειες των προϊόντων που ξηραίνονται ή σπαταλώνται με τις μετακινήσεις, καταστροφή των βιταμινών κυρίως Α και C με την κατευθείαν έκθεσή τους στον ήλιο, υποβάθμιση του προϊόντος από την κακοκαιρία και τις επιδράσεις των εντόμων, σκόνης.

Άμεσα ηλιακά ξηραντήρια

Σε αυτά οι ακτίνες του ήλιου πέφτουν κατ’ ευθείαν επάνω στα προϊόντα που είναι τοποθετημένα μέσα στα ξηραντήρια. Είναι απλές κατασκευές που αποτελούνται από ένα υαλόφρακτο πλαίσιο κάτω από το οποίο τοποθετούνται τα προς ξήρανση προϊόντα τοποθετημένα πάνω σε δίσκους. Η κυκλοφορία του αέρα γίνεται με φυσικό ελκυσμό που οφείλεται στη θέρμανση (φαινόμενο καμινάδας ) ή με την ενέργεια του ανέμου επάνω στα ανοίγματα και σπάνια με ανεμιστήρες. Τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου είναι ότι τα προϊόντα προστατεύονται καλύτερα από την προσβολή των εντόμων και τίθενται υπό το φαινόμενο του θερμοκηπίου, με αποτέλεσμα ανύψωση της θερμοκρασίας του προς ξήρανση προϊόντος και ελαττώση του χρόνου ξήρανσης σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα. Μεταξύ των μειονεκτημάτων είναι η καταστροφή κάποιων βιταμινών, η φωτοοξείδωση του προϊόντος που οφείλεται στην υπεριώδη ακτινοβολία που μεταδίδεται από το σκέπασμα και η άνοδος της θερμοκρασίας πάνω από την μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή που οφείλεται στην κακή κυκλοφορία του αέρα. Ένα τέτοιος τύπος είναι τα ξηραντήρια θερμοκηπίου. Πρόκειται για ξηραντήρια μεγαλύτερης κλίμακας που χρησιμοποιούνται για ξήρανση μεγάλης ποσότητας νωπών προϊόντων. Για να είναι δραστικά οι επιφάνειες ξήρανσης πρέπει να είναι περιορισμένες σε μερικά τετραγωνικά μέτρα. Έμμεσα ηλιακά ξηραντήρια Τα προς ξήρανση προϊόντα τοποθετούνται σε δίσκους και δεν εκτίθενται κατ΄ ευθείαν στην ηλιακή ακτινοβολία. Ο αέρας μπαίνει μέσα στο χώρο αφού προηγουμένως περάσει από συλλέκτες αέρα που τον θερμαίνουν σε συνάρτηση με την χρησιμοποιούμενη παροχή. Η μεταφορά του αέρα γίνεται με μηχανικά μέσα (ανεμιστήρες) ή με ηλιακή καπνοδόχο (φυσικός ελκυσμός). Είναι περίπλοκες και δαπανηρές κατασκευές σε σχέση με τα άμεσα ξηραντήρια. Χρησιμοποιούνται για προϊόντα πιο ευαίσθητα στην ηλιακή ακτινοβολία των οποίων η θερμοκρασία πρέπει να ελέγχεται και για ξήρανση τροφίμων. Η διάρκεια ξήρανσης είναι μεταβλητή και μεγαλύτερη από εκείνη της άμεσης ξήρανσης. Ένας άλλος διαχωρισμός των ξηραντηρίων ανάλογα με την μορφολογία τους, την τεχνική ξήρανσης και τον τρόπο που επιτυγχάνεται η θέρμανση του αέρα είναι σε ξηραντήρια τύπου θερμοκηπίου και ξηραντήρια με ηλιακούς συλλέκτες. Στα δεύτερα έχουμε οπωσδήποτε έμμεσο ξήρανση. Ξηραντήρια τύπου θερμοκηπίου (ξηραντήρια ξύλου) Στον τύπο αυτό ο χώρος του ξηραντηρίου αξιοποιείται για τη δέσμευση της ηλιακής ενέργειας και ο αέρας αποτελεί το μοναδικό μέσο μετάδοσης της θερμότητας. Τα ξηραντήρια αυτά είναι απλές κατασκευές με οριζόντια ή κεκλιμένη στέγη και προσανατολίζονται με άξονα Ανατολής – Δύσης. Η κυκλοφορία του αέρα στο εσωτερικό γίνεται με ηλεκτρικούς ανεμιστήρες μικρής ισχύος που βρίσκονται ανατολικές και δυτικές πλευρές της κατασκευής. Η μείωση της σχετικής υγρασίας γίνεται με θυρίδες εξαερισμού.

19

Ξηραντήρια με ηλιακό συλλέκτη Στα ξηραντήρια αυτά υπάρχει ηλιακός συλλέκτης που τοποθετείται έξω από το θάλαμο ξήρανσης, έχει κλίση προς το νότο και μεταβιβάζει τη θερμότητα που δεσμεύει στο χώρο του ξηραντηρίου με κυκλοφορητή αέρα ή νερού και ένα ρευστό χρησιμοποιείται για τη δέσμευση και μετάδοση της θερμότητας. Σε ορισμένους τύπους ξηραντηρίων η θερμότητα αποθηκεύεται σε δεξαμενές με νερό. Τα ξηραντήρια αυτά είναι πιο πολύπλοκα και δαπανηρότερα σε σχέση με τα προηγούμενα γιατί απαιτείται επιμελημένη κατασκευή, να έχουμε καλή θερμική μόνωση, τοποθέτηση ηλιακού συλλέκτη και εγκαταστάσεων διακίνησης ή αποθήκευσης της θερμότητας ή και ελέγχου των συνθηκών.

Το σχηματικό διάγραμμα του συστήματος θέρμανσης που χρησιμοποιείται στα ηλιακά ξηραντήρια, φαίνεται στο σχήμα 2 και αποτελείται από τα εξής μέρη: Πεδίο ηλιακών συλλεκτών, αποτελούμενο από ηλιακούς συλλέκτες, εναλλάκτη πεδίου συλλεκτών- δεξαμενής και κύρια δεξαμενή νερού για την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας. Το θερμό νερό από την κύρια δεξαμενή αποθήκευσης κυκλοφορεί μέσω αντλίας σε ένα εναλλάκτη νερού –αέρα και αποδίδει θερμότητα στον αέρα ξήρανσης μέρος του οποίου ανακυκλώνεται συνεχώς εντός του ξηραντηρίου.

Σχήμα 2 (Μπελεσιώτης και Δεληγιάννη, 2002): Σχηματικό διάγραμμα ηλιακού συστήματος θέρμανσης νερού. Στα ηλιακά ξηραντήρια η ξήρανση είναι πιο γρήγορη από ότι στη φυσική ξήρανση αλλά βραδύτερη σε σύγκριση με τη συνηθισμένη τεχνική ξήρανση με τεχνητό θερμό και υγρό αέρα. Τα ηλιακά ξηραντήρια πλεονεκτούν σε σύγκριση με τα ξηραντήρια τεχνητής ξήρανσης γιατί το κόστος εγκατάστασης είναι μικρότερο και η λειτουργία απλούστερη και οικονομικότερη. Η αποδοτικότητα των ηλιακών ξηραντηρίων (σχέση ηλιακής ενέργειας που φθάνει στο ξηραντήριο προς το ποσοστό που αξιοποιείται για την ξήρανση) επηρεάζεται από τον τύπο, την κατασκευή (θερμική μόνωση) και την εποχή του έτους. Από σχετικές έρευνες έχει βρεθεί ότι κυμαίνεται από 8%-45%. Ξήρανση με ηλιακή ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί προπαρασκευαστικά πριν από την τελική ξήρανση ή σαν ξηραντήρια αφύγρανσης και συμπύκνωσης της υγρασίας ΄΄dehumidifiers΄΄ οπότε η ξήρανση είναι πολύ ταχύτερη και εξαρτάται λιγότερο από το περιβάλλον. Γενικά είναι δυνατόν να επιτευχθεί σημαντικό ποσοστό κάλυψης των ενεργειακών αναγκών ενός ξηραντηρίου και η πρόσθετη ενέργεια που απαιτείται για να συμπληρώσει τα θερμικά φορτία που δεν καλύπτονται από την ηλιακή ενέργεια παρέχονται από κάποιο συμβατικό καύσιμο (Μπαμπαλής και άλλοι, 1999).

20

1. 5 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ

1.5.1 Εισαγωγή

Το πρόβλημα του νερού θεωρείται από πολλούς σαν μια από τις σοβαρότερες αιτίες των μελλοντικών συγκρούσεων. Τις τελευταίες δεκαετίες η επάρκεια των διαθέσιμων υδατικών πόρων αντιμετωπίζει κίνδυνο. Φαινόμενα, όπως η αυξημένη κατανάλωση λόγω πιέσεων που προκαλούνται από τις αυξημένες γεωργικές, οικιακές, τουριστικές και βιομηχανικές απαιτήσεις για γλυκό νερό, η ερημοποίηση εκτεταμένων περιοχών του πλανήτη και η κλιματική αλλαγή (φαινόμενου του θερμοκηπίου) αναφέρονται συνήθως ως οι κύριες αιτίες του προβλήματος, με σοβαρές επιπτώσεις πάνω στα υδατικά αποθέματα. Υπολογίζεται ότι μέχρι το 2025 ο μισός πληθυσμός της γης θα αντιμετωπίζει σοβαρά προβλήματα από την έλλειψη καθαρού πόσιμου νερού. Επιπρόσθετα, το πρόβλημα γίνεται οξύτερο λόγω της ολοένα αυξανόμενης ρύπανσης των νερών από διάφορες δραστηριότητες του ανθρώπου (Ασημακόπουλος, 2001).

Η έρευνα εστιάζεται στην ανάπτυξη όλων των επιφανειακών πηγών νερού που έχουν απομείνει και την αξιοποίηση των μη παραδοσιακών πηγών νερού, όπως είναι τα επεξεργασμένα λύματα και, ιδιαίτερα, η αφαλάτωση. Η αφαλάτωση χρησιμοποιείται για παραγωγή νερού για τις οικιακές, τουριστικές, βιομηχανικές και εμπορικές ανάγκες. Ως παράδειγμα αναφέρουμε τις μονάδες αφαλάτωσης που λειτουργούν, σήμερα, στη Δεκέλεια και τη Λάρνακα, συνολικής δυναμικότητας 90.000 m3 νερού την ημέρα, συνέβαλαν στην απεξάρτηση της παροχής πόσιμου νερού στα μεγάλα αστικά και τουριστικά κέντρα από τη βροχόπτωση (Kalogirou, 1996, 1997).

Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για αυτό το σκοπό ανήκουν σε μια εφαρμοσμένη τεχνολογία υψηλού επιπέδου. Φέρουν τον τίτλο ΄΄αφαλάτωση του θαλασσινού νερού΄΄. Οι μέθοδοι αφαλάτωσης έχουν αρχίσει να κάνουν την εμφάνισή τους στα μέσα του 20ου αιώνα και διακρίνονται και κατατάσσονται σε κατηγορίες, ανάλογα με την αρχή στην οποία στηρίζεται η καθεμία. 1.5.2 Μέθοδοι Αφαλάτωσης

Οι μέθοδοι αφαλάτωσης διακρίνονται σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες. Η πρώτη και η πιο παλιά από όλες είναι η απόσταξη. Η κατηγορία αυτή έχει να επιδείξει πολλές παραλλαγές συστημάτων με εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας. Στην ίδια κατηγορία ανήκουν επίσης και οι διατάξεις που λειτουργούν με ηλιακή ενέργεια. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν οι μέθοδοι που χρησιμοποιούν την τεχνολογία των μεμβρανών και οι οποίες έχουν σημειώσει αξιόλογη εμπορική επιτυχία. Πρόκειται για την ηλεκτρόλυση και την αντιστρεπτή ώσμωση. Η τρίτη κατηγορία έχει σαν βασική αρχή την κρυστάλλωση. Στηρίζεται στο γνωστό φυσικό φαινόμενο που επιτρέπει, όταν ψυχθεί ένα υδατικό διάλυμα μέχρι το σημείο πήξεώς του (μέχρι να γίνει πάγος), να αποβάλλονται καθαροί κρύσταλλοι νερού. Τέλος, η τέταρτη κατηγορία περιλαμβάνει τη χημική μέθοδο. Εδώ εφαρμόζεται η τεχνική της ιονοανταλλαγής.

Οι διαθέσιμες ποσότητες νερού παρουσιάζουν μια άνιση κατανομή στις διάφορες περιοχές της γής. Έχει υπολογιστεί ότι η απαιτούμενη ποσότητα νερού για γεωργική χρήση είναι 1.30 m3 νερό για κάθε m2 καλλιεργήσιμου εδάφους, ενώ για

21

οικιακή χρήση σε αναπτυγμένες χώρες χρειάζεται περίπου 550 λίτρα το χρόνο για κάθε άτομο. 1.5.3 Απόσταξη

Στις μεθόδους αφαλάτωσης, η απόσταξη κατέχει την πρώτη θέση. Είναι από τις πιο παλιές μεθόδους λήψης καθαρού νερού από τη θάλασσα, και συγχρόνως είναι και η πιο δημοφιλής. Καταλαμβάνει το μεγαλύτερο όγκο εγκαταστάσεων αυτής της κατηγορίας, λόγω αποτελεσματικότητας, μεγάλου όγκου παραγωγής, απλής εφαρμογής και εύκολης σχετικά τεχνογνωσίας. Στην αρχική της μορφή, η μέθοδος περιλαμβάνει ένα σύστημα βραστήρα στον οποίο βράζει το θαλασσινό νερό και ένα σύστημα συμπύκνωσης για ψύξη των ατμών και παραλαβής στη συνέχεια του καθαρού νερού. Για να πραγματοποιηθεί όλη αυτή η διαδικασία, χρειάζεται η προσφορά θερμικής ενέργειας. Αυτή κυρίως επιτυγχάνεται με καυστήρες πετρελαίου ή φυσικού αερίου, με ηλεκτρικό ρεύμα, ηλιακή ενέργεια ή ακόμη και με πυρηνική ενέργεια. Συγχρόνως συναγωνίζεται αυτή της αντιστρεπτής όσμωσης που όλο και περισσότερο χρησιμοποιείται, όσο εξελίσσεται η παραγωγή μεμβρανών σε καλύτερο στάδιο.

1.5.4 Εφαρμογές Απόσταξης για Αφαλάτωση Η μέθοδος αυτή της αφαλάτωσης έχει γνωρίσει διάφορες τεχνικές, ανάλογα

με τον τρόπο που προσφέρεται η θερμική ενέργεια, ανάλογα με την αποτελεσματικότερη διαδικασία παραγωγής γλυκού νερού, καθώς και της εξοικονόμησης χρησιμοποιούμενου καυσίμου. Όλες αυτές οι κατασκευές περιλαμβάνουν τα εξής στάδια : α. Τη θέρμανση του θαλασσινού νερού. β. Την απομάκρυνση του ατμού από το υγρό που προήλθε και συγχρόνως τη μεταφορά του σε άλλο χώρο. γ. Τη συμπύκνωση του ατμού, χαμηλώνοντας τη θερμοκρασία του, φέρνοντάς τον σε επαφή με ψυχρές επιφάνειες. Εκεί, πλέον, μετατρέπεται πάλι σε υγρό. δ. Τη μεταφορά και φύλαξη σε δεξαμενές του παραγόμενου, αποσταγμένου νερού.

Το νερό που παράγεται με απόσταξη δεν περιέχει άλατα ή άλλες ουσίες, επειδή αυτά δεν αποστάζουν.

Οι διατάξεις αφαλάτωσης με τη μέθοδο της απόσταξης, έχουν γνωρίσει μεγάλη επιτυχία σε παγκόσμια κλίμακα. Στην Ελλάδα, μια τέτοια μονάδα που χρησιμοποιεί πολλούς αποστακτικούς θαλάμους και στην οποία το θαλασσινό νερό, μετά από τη θέρμανση με πετρέλαιο, κινείται από τον τελευταίο θάλαμο προς τον πρώτο, έχει εγκατασταθεί εδώ και πολλά χρόνια στη νήσο Σύρο. Χρησιμοποιείται δε σε παράλληλη σύνδεση με το τοπικό δίκτυο ύδρευσης. Κατά τη σχεδίαση μιας εγκατάστασης αφαλάτωσης λαμβάνεται υπόψη τόσο η συνολική παραγωγικότητα υψηλής ποιότητας νερού, όσο και η πρόβλεψη του ύψους των δαπανών για την παραγωγή αυτή. Πάντως ο παράγοντας που συνήθως εμποδίζει την κατασκευή τέτοιων μονάδων είναι ο οικονομικός. Επίσης λαμβάνεται πρόνοια για την αποφυγή μόλυνσης και ρύπανσης του περιβάλλοντος, ιδίως στην περίπτωση που χρησιμοποιείται πυρηνική ενέργεια για την παραγόμενη θέρμανση.

Εξέλιξη στον τομέα της απόσταξης αποτελούν οι πλωτές κατασκευές οι οποίες είτε αγκυροβολούνται σε κάποια απόσταση από την ακτή, είτα μεταφέρονται μονίμως από τόπο σε τόπο, κατά περίπτωση των τοπικών αναγκών. Σε αυτές, όλο το συγκρότημα των αποστακτήρων και των συστημάτων θερμικής ενέργειας βρίσκεται

22

σε ειδικά κατασκευασμένο πλωτό σκάφος. Οι ποσότητες πόσιμου νερού μεταφέρονται μέσω εύκαμπτων σωληνώσεων στην ακτή, για αποθήκευση και κατανάλωση.

Ένα σημαντικό μειονέκτημα που παρουσιάζεται στις εγκαταστάσεις αφαλάτωσης με απόσταξη, είναι η διάβρωση των μεταλλικών τμημάτων των συσκευών και ο σχηματισμός αποθέσεων αλάτων στις σωληνώσεις και στους θαλάμους απόσταξης. Οι ανεπιθύμητες αυτές παρενέργειες δημιουργούνται από τη χημική σύσταση του θαλασσινού νερού και, από το είδος των χρησιμοποιούμενων μετάλλων στις διάφορες κατασκευές. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται με την κατασκευή όσο το δυνατόν καλύτερων υλικών, με εσωτερική επένδυση των επιφανειών που έρχονται σε επαφή με το θαλασσινό νερό, όπως μικτά ανθεκτικά υλικά από κεραμικό, μέταλλο και πλαστικό. Η άλλη αντιμετώπιση αφορά την κατεργασία του νερού πριν μπει στη μονάδα αφαλάτωσης, με σκοπό να το καταστήσει όσο το δυνατόν πιο αδρανές και λιγότερο οξειδωτικά βλαπτικό για τις εγκαταστάσεις. Σε αυτήν την περίπτωση πρωτίστως το θαλασσινό νερό απαλλάσσεται από τις οργανικές ενώσεις που φέρει μέσα του. Αυτό επιτυγχάνεται με αρχική διήθηση του νερού, είτε μέσω φίλτρων όπου καθαρίζεται από πάσης φύσεως στερεά αιωρήματα και μικροοργανισμούς είτε με κατεργασία με ανθρακικό μαγνήσιο (MgCO3) και υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH)2). Μια άλλη διαδικασία που υφίσταται το θαλασσινό νερό πριν περάσει στη συσκευή απόσταξης, είναι η απαέρωση, δηλαδή η απομάκρυνση του οξυγόνου από το νερό. Γίνεται με την είσοδο στο νερό ενός άλλου αδρανούς αερίου, συνήθως μέσω ατμού, που παράγεται στην εγκατάσταση. 1.5.5 Απόσταξη με Ηλιακή Ενέργεια

Η χρήση της ηλιακής ενέργειας σε θερμικές διαδικασίες αφαλάτωσης είναι μια από τις πιο υποσχόμενες εφαρμογές των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ένα ηλιακό σύστημα απόσταξης μπορεί να αποτελείται από δυο χωριστές συσκευές τον ηλιακό συλλέκτη και τον αποστακτήρα η από ένα ολοκληρωμένο σύστημα ( Garsia-Rodriguez et al, 2002). Έχει προταθεί (Singh and Sharma, 1989) η ολοκλήρωση ενός συστήματος συλλογής ηλιακής ενεργείας με μια πολυεπίπεδη μονάδα αφαλάτωσης μέσω αντικατάστασης του θερμαντήρα από ηλιακό συλλέκτη.

Η μόνη δυσκολία που προβάλλεται είναι ότι οι εγκαταστάσεις αυτού του είδους καταλαμβάνουν μεγάλες εκτάσεις εδάφους. Το παραγόμενο νερό είναι πολύ λιγότερο σε σύγκριση με το αντίστοιχο παραγόμενο των άλλων αποστακτικών συσκευών. Το μεγάλο πλεονέκτημά τους όμως είναι ότι δεν χρησιμοποιούν κανενός είδους καύσιμο και ως εκ τούτου δεν ρυπαίνουν καθόλου το περιβάλλον. Από πλευράς ενεργειακού κόστους, είναι ανέξοδες. Το μειονέκτημα είναι οτι οι ηλιακοί συλλέκτες δε διατηρούνται εύκολα διαφανείς και είναι απαραίτητος ο εντατικός καθαρισμός, ώστε οι επιφάνειες να είναι πάντα με τον ίδιο βαθμό διαπερατές από την ηλιακή ακτινοβολία.

Σε αρκετές περιπτώσεις η ηλιακή ενέργεια εφαρμόζεται σε συνδυασμό με κατάλληλα προσαρμοσμένες τεχνικά συσκευές, οι οποίες εκμεταλλεύονται στο μεγαλύτερο βαθμό τη θερμική ενέργεια από τον ήλιο και πολλαπλασιάζουν το φαινόμενο της απόσταξης με μεγαλύτερη απόδοση έργου. Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούν παράλληλα και ήπιας μορφής ενεργειακές πηγές, όπως είναι η θερμογόνος δύναμη που προέρχεται από την γεωθερμία ή από την καύση των απορριμμάτων ή την αντλία θερμότητας (την εκμετάλλευση της θερμοκρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα).

23

Οι ηλιακοί αφαλατωτές αποτελούνται από έναν κλειστό χώρο που καλύπτεται με ένα διαφανές σκέπασμα. Το κάλυμμα αυτό είναι κατασκευασμένο από γυαλί στις περισσότερες περιπτώσεις ή από πλαστική ύλη καλής ποιότητας, η οποία μένει ανέπαφη από πλευράς διαύγειας, δεν αλλοιώνεται κατά τη διάρκεια της έκθεσής της στον ήλιο και δεν παραμορφώνεται με τη θερμοκρασία. Ο πυθμένας της συσκευής είναι μαύρου χρώματος, και απορροφά τις ακτίνες. Στο εσωτερικό και πάνω στον πυθμένα, λιμνάζει το θαλασσινό νερό.

Επειδή ο χώρος είναι κλειστός, η θερμοκρασία ανεβαίνει γρήγορα και το νερό εξατμίζεται. Η ατμόσφαιρα εσωτερικά πλημμυρίζει από ατμούς. Η εξάτμιση πραγματοποιείται εδώ με χαμηλή ταχύτητα, έτσι ώστε η θερμοκρασία και η παραγωγή υδρατμών να παραμένουν σταθερά ελεγχόμενες και σε χαμηλά όρια ποσοστών. Επισημαίνεται ότι οι υδρατμοί αυξάνουν εσωτερικά την πίεση και δεν επιτρέπουν μεγάλη αύξηση παραγωγής ατμών για πολύ (δημιουργείται, έτσι, σε σύντομο χρονικό διάστημα, ατμόσφαιρα σε υδρατμούς). Η παραγωγή πόσιμου νερού από μια μονάδα διαστάσεων 1.30 m2 επιφανείας αποστακτήρα κατά τη διάρκεια των θερινών ημερών ηλιοφάνειας, είναι 3.30 lt την ημέρα. Οι ατμοί του θαλασσινού νερού έρχονται σε επαφή με τις διαφανείς επιφάνειες της συσκευής και εκεί συμπυκνώνονται. Δημιουργούνται σταγόνες οι οποίες ρέουν προς τα κάτω, κολλώντας εσωτερικά στη λεία επιφάνεια, έως ότου συγκεντρωθούν σε ειδικές υποδοχές, από όπου και συλλέγονται. Ακολούθως, το συσσωρευμένο νερό οδηγείται έξω από τη συσκευή.

Η μελέτη τέτοιων κατασκευών αποβλέπει στον τρόπο σχεδιασμού της διαφανούς επιφάνειας ώστε να εκπληρώνονται δύο βασικές προϋποθέσεις για να λειτουργήσει σωστά η διάταξη. Πρώτον, επειδή έχουμε μεταβολή της θέσης του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας και κατά την αλλαγή των εποχών, λαμβάνεται πρόνοια ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν καλύτερη διείσδυση των ακτίνων από το κάλυμμα κατά το μεγαλύτερο διάστημα της ημέρας, και λιγότερες ανακλάσεις από αυτό. Δεύτερον, οι εκτεθειμένες διαφανείς επιφάνειες να έχουν τέτοια κλίση ώστε να ευνοείται παράλληλα και η ψύξη τους από τον άνεμο και η συλλογή σταγόνων κατά το μηχανισμό ροής προς τα κάτω, σε κάποιο συγκεντρωτικό χώρο εντός της συσκευής.

Έχουν μελετηθεί πολλά μοντέλα, τα οποία αξιοποιούν όσο το δυνατόν καλύτερα την πρόσπτωση των ηλιακών ακτίνων. Οι συσκευές προσανατολίζονται έτσι ώστε να αποδίδουν το μέγιστο της θερμικής ενέργειας από την απορρόφηση των ακτίνων.

Μια άλλη κατηγορία ερευνών αφορά την επικάλυψη της απορροφητικής επιφάνειας. Σε αυτή την περίπτωση η ακτινοβολία διαπερνά τη διαφανή επιφάνεια για να απορροφηθεί από τον πυθμένα του συλλέκτη, ο οποίος έχει καλυφθεί για το σκοπό αυτό με μια ειδική επικάλυψη χρώματος μελανού, ή κατά προτίμηση φαιού. Το χρώμα αυτό, ειδικά το φαιό, ως γνωστό απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία, με αποτέλεσμα το σώμα αυτού του χρώματος να θερμαίνεται. Το θαλασσινό νερό καλύπτει τον πυθμένα μέχρι ενός σημείου. Κατά συνέπεια, η μάζα του νερού θερμαίνεται και αυτή, από την επαφή της με το θερμό πυθμένα του δοχείου. 1.5.6 Αντιστρεπτή Ώσμωση με Ηλιακή Ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια αξιοποιείται επίσης στην μέθοδο αφαλάτωσης με αντιστρεπτή ώσμωση, χρησιμοποιώντας φωτοβολταικά στοιχεία. Η καταλληλότητα της ηλιακής ενέργειας μέσω φωτοβολταικών αποδίδεται στα ακόλουθα:

24

i. Η τεχνολογία αυτή είναι κατάλληλη για την αφαλάτωση μικρών ποσοτήτων νερού σε απομακρυσμένες και απομονωμένες περιοχές και απαιτεί χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας.

ii. Η λειτουργία του συστήματος δεν απαιτεί υψηλή συντήρηση παρά μόνο περιοδικό έλεγχο, διότι έχει κυρίως σταθερές συνιστώσες και το φορτίο αντιστρεπτής όσμωσης είναι πλήρως αυτοματοποιημένο.

iii. Νέες βελτιωμένες χαμηλής πίεσης μεμβράνες RO μειώνουν περαιτέρω την συνολική κατανάλωση ενέργειας και συνεπώς αυξάνουν την ποσότητα του παραγομένου νερού.

iv. Σταθερή μείωση στις τιμές των φωτοβολταικών, των συστημάτων RO και των μικροεπεξεργαστών σταδιακά γεφυρώνουν το χάσμα με τα μεγάλου μεγέθους θερμικά συστήματα αφαλάτωσης (Weiner et al, 2001). Το μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι η εξαγόμενη ενέργεια από τα

φωτοβολταικά ποικίλει ανάλογα με την θέση του ήλιου και την διαπερατότητα της ατμόσφαιρας. Για να εξασφαλίσουμε σταθερή εισερχομένη ισχύ χρησιμοποιείται υποστηρικτικό σύστημα μπαταριών για αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας.

Σχήμα 1: Διάγραμμα ηλιακού αποστακτήρα

Σχήμα 2: Διάταξη συστήματος αφαλάτωσης με ηλιακή ενέργεια

25

1.6 ΑNΤΛΗΣΗ ΝΕΡΟΥ

1.6.1 Εισαγωγή

Η αύξηση του πληθυσμού συνεπάγεται αύξηση των καλλιεργειών για την κάλυψη της αυξανόμενης ανάγκης σε τροφή και για αυτό το νερό είναι απαραίτητο συστατικό. Στις αναπτυσσόμενες χώρες όπου το 40 με 50 % του Α.Ε.Π. (Ακαθάριστο Εθνικό Προϊόν) προέρχεται από τον αγροτικό τομέα, απαιτείται περισσότερη ενέργεια για την άντληση νερού για άρδευση. Στις αγροτικές περιοχές γίνονται προσπάθειες για την παροχή ηλεκτρισμού, όμως η σύνδεση απομακρυσμένων και διασκορπισμένων χωριών με ένα κεντρικό σύστημα ηλεκτροδότησης είναι δύσκολή και πολυδάπανη. Συνεπώς, αποκεντρωμένα ενεργειακά συστήματα όπως αντλίες άρδευσης ηλιακής ενέργειας αποδεικνύονται καταλληλότερα.

Η ηλιακή ακτινοβολία είναι μεγαλύτερη κατά τους καλοκαιρινούς μήνες όπως και η ανάγκη άρδευσης. Επίσης η περιοδική φύση της ηλιακής ενέργειας οδηγεί σε περιοδική άντληση νερού το οποίο μπορεί να αποθηκεύεται σε μεγάλους νερόλακκους ή δεξαμενές. Η ανάπτυξη μια μικρής αντλίας ηλιακής ενέργειας για αρδευτικούς σκοπούς με δυνατότητα 2 ως 5 KW μπορεί να διευκολύνει κατά πολύ την παραγωγική διαδικασία. Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται για άντληση με δύο τρόπους.

• Στη άμεση μετατροπή σε ηλεκτρισμό με τη χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων τα οποία παράγουν ηλεκτρισμό ο οποίος είτε αποθηκεύεται σε μπαταρίες ή χρησιμοποιείται άμεσα σε κινητήρες και χρησιμοποιείται σε συμβατικές αντλίες (Αντλίες ηλιακής φωτοβολταϊκής ενέργειας).

• Στη θερμοδυναμική μετατροπή όπου η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια που χρησιμοποιείται για την άντληση νερού με αντλίες ηλιακής ενέργειας

Το κόστος της αντλίας ηλιακής ενέργειας είναι πολύ υψηλό εξαιτίας της μικρής δυνατότητας μετατροπής της ηλιακής σε μηχανική ενέργεια και του αργού ρυθμού παραγωγής. Το ανανεωμένο ενδιαφέρον για τα φωτοβολταϊκά υλικά και την ανάπτυξη του εξοπλισμού δίνει ελπίδες ότι οι αντλίες ηλιακής ενέργειας θα έχουν ανταγωνιστικό κόστος με τις συμβατικές.

Αντλίες ηλιακής φωτοβολταϊκής ενέργειας λειτουργούν σε πολλά μέρη του κόσμου από το 1968. Δεν γνωρίζουμε τον αριθμό των αντλιών που έχουν εγκατασταθεί και τους κατασκευαστές τους. Η μεγαλύτερη κατασκευάστηκε πρώτη φορά στις Η.Π.Α. αλλά πλέον αντλίες τέτοιου τύπου υπάρχουν σε πολλές χώρες. Ορισμένες γαλλικές εταιρίες έχουν κάνει εγκαταστάσεις σε πολλές χώρες της Αφρικής, στην Σαουδική Αραβία και την Κορσική, ενώ πολλές αντλίες λειτουργούν και στην Ινδία. Στην παρούσα εργασία εντοπίζουμε το ενδιαφέρον μας περιληπτικά στις αντλίες ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή μηχανικής ισχύος.

1.6.2 Αντλίες Ηλιακής Ενέργειας για την Παραγωγή Μηχανικής Ισχύος

Η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την άντληση νερού δεν είναι καινούρια ιδέα. Πολλές προσπάθειες έχουν γίνει στο παρελθόν για την μετατροπή της ηλιακής θερμότητας σε μηχανική ισχύ. Την πρώτη προσπάθεια άντλησης με ηλιακή ενέργεια έκανε ο Γάλλος μηχανικός Salomon de Caux. Από το 1974 ως το 1990 η Γαλλική εταιρία θερμικών μελετών και μελετών ηλιακής ενέργειας SOFRETES εγκατέστησε αντλίες άρδευσης ηλιακής ενέργειας σε πολλές χώρες του κόσμου.

26

Για την παραγωγή μηχανικής ισχύος χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι ηλιακών συλλεκτών. Συνήθως χρησιμοποιούνται επίπεδοι συλλέκτες και συλλέκτες με σωλήνα κενού. Προτιμώνται οι επίπεδοι συλλέκτες υγρού τύπου εξαιτίας της απλότητάς τους και χρησιμοποιούνται σε αντλίες ηλιακής ενέργειας. Οι συλλέκτες σωλήνα κενού που παρέχουν υγρό σε θερμοκρασία από 100 ως 150 ºC χρησιμοποιούνται επίσης στις μονάδες άντλησης ηλιακής ενέργειας. Αυτοί οι συλλέκτες παράγονται σε πολλές χώρες.

Γενικά στις μονάδες άντλησης νερού με ηλιακή ενέργεια, η θερμική ενέργεια δεν αποθηκεύεται. Εντούτοις, κατά την διάρκεια των μη αρδευτικών περιόδων ή όταν οι ρυθμοί εξαγωγής από τα αρδευτικά πηγάδια είναι περιορισμένοι, το νερό που έχει αντληθεί αποθηκεύεται σε μια ανυψωμένη δεξαμενή από όπου διανέμεται στα χωράφια με την ροή της βαρύτητας. Το νερό μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλες περιόδους σε νερόλακκους και για μικρές σε δεξαμενές.

Αν οι ρυθμοί εξαγωγής του νερού από το πηγάδι είναι περιορισμένοι, τότε το περίσσευμα ηλιακής ενέργειας πρέπει να αποθηκεύεται για μετέπειτα χρήση. Αν παράγεται ηλεκτρισμός με την χρήση συνδυασμού τουρμπίνας και εναλλασσόμενου ρεύματος, τότε αυτός πρέπει να αποθηκεύεται σε μπαταρίες. Αν πρέπει να αποθηκευτεί θερμική ενέργεια αυτό πρέπει να γίνει σε μορφή ευαίσθητης θερμότητας με την χρήση νερού ή υγρών υψηλής θερμοκρασίας.

1.6.3 Θερμικές Μηχανές

Οι θερμικές μηχανές χρησιμοποιούνται για την μετατροπή της ηλιακής θερμικής ενέργειας σε μηχανική ισχύ που θέτει σε λειτουργία την αντλία ηλιακής ενέργειας. Οι κύκλοι ενεργειακής μετατροπής που χρησιμοποιούνται σε γενικές γραμμές είναι: ο κύκλος Rankin, ο κύκλος Sterling και ο κύκλος Braiton. Οι δύο τελευταίοι λειτουργούν με ένα αέριο (ατμό) σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 400ºC, ενώ ο κύκλος Rankin λειτουργεί και στην υγρή και στην αέρια φάση του υγρού καυσίμου. Επίσης σε φάσμα θερμοκρασιών που ενυπάρχουν γενικά στον επίπεδο δίσκο των συλλεκτών ηλιακής ενέργειας δηλαδή στους 60 με 250ºC. Οι ανάγκες των αντλιών ηλιακής ενέργειας σε ισχύ είναι μικρότερες των 50 KW. Για την κάλυψη τους προτιμώνται οι τουρμπίνες εξαιτίας του μικρού μεγέθους τους, της υψηλής αποδοτικότητας των τουρμπίνων με μεγάλες δυνατότητες, της μικρής ανάγκης τους για συντήρηση και της αξιοπιστίας. Ως υγρό καύσιμου στον κύκλο του Rankin χρησιμοποιούνται δύο υγρά. Για λειτουργίες σε χαμηλή θερμοκρασία χρησιμοποιείται νερό σαν αρχικό υγρό αλλά για λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία χρησιμοποιούνται υγρά που είναι σταθερά στις υψηλές θερμοκρασίες όπως το Caloria HT-43. Ο ατμός χρησιμοποιείται ευρέως σαν υγρό καύσιμο στις μηχανές θερμότητας εξαιτίας του χαμηλού του κόστους, της υψηλής χημικής του σταθερότητας, της γενικότερης διαθεσιμότητας, και της καλύτερης αποδοτικότητάς του στον κύκλο. 1.6.4 Διάδοση Συστημάτων Αντλιών με Ηλιακή Ενέργεια

Κατά την διάρκεια των τελευταίων είκοσι ετών κατασκευάστηκαν διάφορες αντλίες άρδευσης ηλιακής ενέργειας από 1 W ως 200KW σε πολλές χώρες. Επίσης κατασκευάστηκαν φωτοβολταϊκές αντλίες ηλιακής ενέργειας φάσματος από 200 W ως 5 KW, οι οποίες είναι πιο επιτυχημένες μέχρι σήμερα αφού η λειτουργία τους βασίζεται στον θερμοδυναμικό τύπο των αντλιών ηλιακής ενέργειας. Χαρακτηριστικές αντλίες άρδευσης ηλιακής ενέργειας είναι:

27

Αντλία Άρδευσης Ηλιακής Ενέργειας Gila Bend, Φοίνιξ, Αριζόνα Πρόκειται για αντλία άρδευσης ηλιακής ενέργειας 37 KW. Το σύστημα αποτελούνταν από μία σειρά ηλιακών συλλεκτών παραβολικού απλού άξονα (564 m2) μια μονάδα κύκλου Rankin. Οι παραβολικοί κοίλοι συλλέκτες είχαν προσανατολισμό Β-Ν με αυτόματη ανίχνευση κατά την διάρκεια της ημέρας προς την κατεύθυνση Α-Δ.

Αντλία Ηλιακής Ενέργειας Sofretes Σε αυτήν την αντλία χρησιμοποιούνται πολλοί επίπεδοι συλλέκτες οι οποίοι θερμαίνουν το νερό μέχρι και τους 70ºC, λειτουργώντας σαν θερμοσίφωνες. Χρησιμοποιούν θερμικούς μετατροπείς και τέσσερις αντλίες και συνεπώς η συνολική τους αποδοτικότητα είναι πολύ χαμηλή, περίπου της τάξης του 1%. Ειδικές Αντλίες Ηλιακής Ενέργειας: Σε αυτές τις αντλίες χρησιμοποιείται στην ουσία η αρχή της εξάτμισης υγρού και της συμπύκνωσης. Όταν ένα υγρό εξατμίζεται, ο όγκος του αυξάνεται κι έτσι μετακινεί έναν όγκο νερού προς ένα υψηλότερο επίπεδο και όταν αυτό το υγρό συμπυκνώνεται, ο όγκος του μειώνεται με αποτέλεσμα να γίνεται αναρρόφηση νερού από ένα βάθος. Ο όγκος νερού που αντλείται ισούται με την αλλαγή του όγκου του υγρού στην αλλαγή φάσης.

28

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ

ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ

2.1 ΦΩΤΙΣΜΟΣ

2.1.1 Εισαγωγή Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελεί την πηγή ενέργειας για τη φωτοσύνθεση των φυτών. Συγχρόνως αποτελεί και τη φυσική πηγή θερμότητας στο χώρο του θερμοκηπίου. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας (W/m2) αναφέρεται στην ποσότητα της φωτεινής ενέργειας που δέχεται το φυτό ανά μονάδα του χρόνου και ανά μονάδα επιφανείας. Τα κυριότερα είδη και οι σπουδαιότερες ποικιλίες που καλλιεργούνται στα θερμοκήπια είναι απαιτητικά σε ένταση φωτός και θερμοκρασία οι δε μεταβολές θερμοκρασίας που συμβαίνουν, λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που παρουσιάζει το θερμοκήπιο είναι:

1. Κάθε θερμοκήπιο, επειδή καλύπτεται με διαφανές κάλυμμα, δέχεται στο εσωτερικό του το μεγαλύτερο μέρος της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας.

2. Οι απώλειες του θερμοκηπίου σε θερμότητα, λόγω του λεπτού τοιχώματος του καλύμματος είναι πολύ μεγάλες, 6-12 φορές μεγαλύτερες από εκείνες ενός συνήθους κτίσματος ίσου όγκου.

Λόγω των ιδιαίτερων αυτών χαρακτηριστικών τις ηλιόλουστες ημέρες, η θερμοκρασία του ανέρχεται σε πολύ υψηλά επίπεδα και τις ψυχρές νύχτες η θερμοκρασία πέφτει σε πολύ χαμηλά επίπεδα δεδομένου ότι η θερμοκρασία και ο φωτισμός είναι παράγοντες του θερμοκηπίου ισχυρά αλληλένδετοι μεταξύ τους. Ο σκοπός σε μια καλλιέργεια, αν δεν υπάρχει περιορισμός από την αντοχή του φυτού, είναι να δώσουμε βέλτιστη ηλιακή ακτινοβολία για άριστες αποδόσεις. Η διάρκεια και η ποιότητα του φωτισμού έχουν πολύ σημαντική επίδραση στην ποσότητα και ποιότητα των παραγόμενων από την φωτοσύνθεση προϊόντων. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια του φωτισμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαθέσιμη ενέργεια για φωτοσύνθεση. Για να καλυφθούν οι ανάγκες σε φωτεινή ενέργεια για την φωτοσύνθεση των περισσοτέρων κηπευτικών καλλιεργειών και δρεπτών ανθέων εντός του θερμοκηπίου, πρέπει να υπάρχει ένταση στην μικρού μήκους ηλιακή ακτινοβολία (200-3000 nm) τουλάχιστον 235 W/m2 και 450 μmol/m2sec στην φωτοσυνθετικά ενεργό ακτινοβολία (PAR 400-700 nm). Κατά τη διάρκεια του χειμώνα η ένταση και η διάρκεια του φωτός είναι ανεπαρκείς για να υπάρξει το μέγιστο της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας στις θερμοκηπιακές καλλιέργειες. Η μείωση της ταχύτητας αύξησης των φυτών αυτήν την εποχή, ακόμα και στα πολύ καλά θερμαινόμενα θερμοκήπια, οφείλεται στον μειωμένο φωτισμό. Μια αύξηση του φυσικού φωτισμού το χειμώνα έστω και 1%, αυξάνει το ύψος της παραγωγής κατά 2% περίπου, την περίοδο αυτή, μειώνοντας σημαντικά το χρόνο ανάπτυξης της καλλιέργειας. Έτσι, η κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση είναι μειωμένη (Μαυρογιαννόπουλος 2001, Ολύμπιος 1994). Για την αύξηση του φωτισμού κατά τη διάρκεια του χειμώνα στο χώρο του θερμοκηπίου μπορεί κανείς να επέμβει είτε μειώνοντας όσο είναι δυνατόν τα εμπόδια στην είσοδο της ηλιακής ακτινοβολίας εντός του θερμοκηπίου όσον αφορά τον φυσικό φωτισμό, είτε με τη χρησιμοποίηση τεχνητού φωτισμού. Ο φωτισμός του χώρου που καλύπτει το θερμοκήπιο επηρεάζεται σημαντικά από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και τις ιδιότητες του καλύμματος και η ένταση του φωτός επιδρά άμεσα στην εσωτερική θερμοκρασία αέρα. Οι φωτιστικές

29

ανάγκες εντός του θερμοκηπίου εξαρτώνται από την εποχή και το είδος των καλλιεργούμενων φυτών και έτσι οι δύο βασικές διεργασίες των φυτών, δηλαδή η φωτοσύνθεση και ο φωτοπεριοδισμός, έχουν άμεση σχέση με την ένταση και την διάρκεια του φωτισμού. Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που προκύπτουν χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές μείωσης της έντασης του φωτός καθώς επίσης και τεχνητού φωτισμού. Η θερμοκρασία του χώρου εντός του θερμοκηπίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία με συνέπεια άλλοτε να δημιουργούνται συνθήκες υπερθέρμανσης και άλλοτε να υπάρχει ανάγκη πρόσθετης θέρμανσης, ενώ παράλληλα ο συνδυασμός τους επηρεάζει άμεσα και την υγρασία του θερμοκηπίου. Η γεωμετρία του διαφανούς κελύφους του θερμοκηπίου, ως προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και οι κλιματολογικές συνθήκες της τοποθεσίας είναι δύο καθοριστικοί παράγοντες για την προσλαμβανόμενη φωτοσυνθετική και θερμική ενέργεια, με συνέπεια να απαιτείται συνήθως ρύθμιση των εσωτερικών συνθηκών λειτουργίας του θερμοκηπίου ως προς τις ανάγκες των καλλιεργούμενων φυτών, ανάλογα με την προσπίπτουσα σ’ αυτά ηλιακή ακτινοβολία, την θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος αέρα και την ταχύτητα του πνέοντος ανέμου (Κουτεπάς και Ταμβάκης, 2000). 2.1.2 Φυσικός και τεχνητός φωτισμός

Ο φυσικός φωτισμός δηλ. φωτεινότητα ενός θερμοκηπίου εξαρτάται από τους μετεωρολογικούς παράγοντες και από τα χαρακτηριστικά της κατασκευής. Παράγοντες που ευνοούν το φωτισμό στο θερμοκήπιο είναι οι εξής:

Ο απλός σκελετός. Όσο απλούστερος είναι, τόσο περισσότερο φως περνάει στο θερμοκήπιο. Σκελετοί με μεγάλες διατομές ή με πολλά στοιχεία μειώνουν κατά 4-12% το φωτισμό, ενώ τα δευτερεύοντα στοιχεία κατά 2-5%.

Το υλικό κάλυψης. Ο καθαρός υαλοπίνακας μειώνει κατά 10% το φωτισμό που περνάει εντός, ενώ ο ακάθαρτος μέχρι και 70%. Η μείωση του φωτισμού στα πλαστικά φύλλα και στα σκληρά πλαστικά είναι μεγαλύτερη από του υαλοπίνακα και αυξάνει με την πάροδο του χρόνου.

Οι εναέριες εγκαταστάσεις μειώνουν σημαντικά το φωτισμό στο χώρο του θερμοκηπίου και αν δυνατόν πρέπει να αποφεύγονται.

Τα απλά θερμοκήπια είναι πιο φωτεινά από τα πολλαπλά, γιατί δέχονται περισσότερο διάχυτο φωτισμό από τα πλευρικά τοιχώματα, όμως παρουσιάζουν μεγαλύτερες απώλειες ενέργειας και μικρότερη εκμετάλλευση εδάφους.

Η πυκνότητα των φυτών στο χώρο του θερμοκηπίου, η οποία θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε το φως που φθάνει στα φυτά να καλύπτει τις απαιτήσεις τους ως προς την της φωτοσυνθετική λειτουργία. Όσον αφορά τον τεχνητό φωτισμό, τα θερμοκηπιακά είδη έχουν διαφορετικές

απαιτήσεις φωτισμού και ανάλογα, αντιδρούν θετικά όταν η διάρκεια της νύχτας είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη (φαινόμενο φωτοπεριοδισμού). Συνεπώς, όταν δεν επαρκεί ο φυσικός φωτισμός, όπως συμβαίνει τον χειμώνα που η διάρκεια της ημέρας είναι μικρότερη, χρησιμοποιείται συχνά συμπληρωματικός φωτισμός με λαμπτήρες. Ο τεχνητός φωτισμός για την αύξηση της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας θεωρείται οικονομικά μάλλον ασύμφορος (εγκατάσταση, ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται), για αυτό χρησιμοποιείται μόνο, σε περιπτώσεις που οικονομικά αποδίδει, όπως π.χ. σε ανθοκομικές καλλιέργειες που απολαμβάνουν υψηλές τιμές το χειμώνα. Γίνεται όμως για πειραματικούς σκοπούς και χρησιμοποιούνται θάλαμοι, οι οποίοι διαθέτουν μόνο τεχνητό φωτισμό (80% λαμπτήρες φθορισμού και 20%

30

λαμπτήρες πυρακτώσεως). Οι λαμπτήρες ανάβουν μετά τη δύση του ηλίου και είναι αποδοτικότερο να ανάβουν αργά τη νύχτα. Υπάρχουν δύο τύποι λαμπτήρων: λαμπτήρες πυρακτώσεως και φθορισμού. Στοιχεία που αφορούν σε περαιτέρω αναλύσεις για τους λαμπτήρες και τη χρήση τους βρίσκονται στη βιβλιογραφία (Μαυρογιαννόπουλος 2001). Ο τεχνητός φωτισμός για την αύξηση της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας

εί

.1.3 Ηλιακή Ακτινοβολία εια από μετατροπή της ύλης με ρυθμό εκατομμυρίων

τόνων

ακτινοβ

μπορ να είναι συνεχής ή κυκλικός με μετακινούμενες σειρές λαμπτήρων που η κάθε σειρά περιλαμβάνει 4, 6, 8 ή 10 λαμπτήρες που κρέμονται από τους σωλήνες θέρμανσης. Η ταχύτητα μετακίνησης είναι συνήθως 1m/min. Με τον τρόπο αυτόν επιτυγχάνεται μικρότερο κόστος εγκατάστασης, περίπου το 40% αυτής με συνεχή φωτισμό.

2

Ο ήλιος παράγει ενέργανά δευτερόλεπτο. Κάθε χρόνο η ηλιακή ακτινοβολία που περνά την

ατμόσφαιρα της γης είναι περίπου 2520.1012 GJ. Αυτό είναι 30000 φορές η χρησιμοποιούμενη παγκοσμίως ενέργεια, αλλά υπολογίζεται ότι αντιπροσωπεύει το μισό του χιλιοεκατομμυριοστού της συνολικά εκπεμπόμενης ενέργειας από τον ήλιο.

Η μέση ένταση της ηλιακής ενέργειας μετρημένη σε επίπεδο κάθετο στην ολία, ανά μονάδα χρόνου και σε ύψους 165 Km από την επιφάνεια της γης

είναι περίπου 1.35 KW/m2, γνωστή ως ηλιακή σταθερά. Στο υπεριώδες (300-380 nm) αντιστοιχεί το 7% της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει έξω από την ατμόσφαιρα (η ακτινοβολία με λ<300nm απορροφάται εξ΄ολοκλήρου από το O3 των ανωτέρων στρωμάτων της ατμόσφαιρας), στο ορατό (380-780nm) το 47% και στο υπέρυθρο (780-3000nm) το 46% (σχήμα 1). Η ηλιακή σταθερά μεταβάλλεται κατά ±3% λόγω μεταβολής της απόστασης Γης-ήλιου κατά την διάρκεια του χρόνου. Η μέγιστη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης είναι περίπου 1.2 KW/m2 ,με συνολικά λαμβανομένη ενέργεια 21-29 MJ/m2 την ημέρα και συμβαίνει μόνο κοντά στον Ισημερινό τις καθαρές ημερες. Σε αστικές περιοχές είναι περίπου 0.8 KW/m2 και στην ύπαιθρο φτάνει 1 KW/m2 υπό κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες και στο επίπεδο της θάλασσας (Mayers and Mackson, 1982).

Σχήμα 1: Τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που δείχνει τις βιολογικά σημαντικές αλληλεπιδράσεις με τα φυτά

31

Η ακτινοβολία που φτάνει σε μια επιφάνεια αποτελείται από την άμεση και την δια

κύκλου ημέρας

ε το σχήμα 2, βρίσκεται στο Βόρειο ημισφα

χεόμενη ακτινοβολία, καθώς και από την ακτινοβολία που ανακλάται στο έδαφος. Η άμεση ακτινοβολία είναι αυτή που φτάνει σε μια επιφάνεια σε κατευθείαν γραμμή από τον ήλιο και μπορεί να εστιαστεί από επιπέδους η κυρτούς φακούς και κοίλα κάτοπτρα. Η διαχεόμενη είναι αυτή που έχει διαχυθεί κατά την δίοδο της μέσα από την ατμόσφαιρα λόγω σκέδασης που οφείλεται στα μόρια του αέρα, στους υδρατμούς, στα σωματίδια της σκόνης και λόγω απορροφήσεως από τα μόρια O3, H2O, και CO2, δεν μπορεί να εστιαστεί, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί από επίπεδους αλλά όχι εστιακούς ηλιοσυλλέκτες. Η κατανομή της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης στο επίπεδο της θάλασσας εξαρτάται από την γωνία που σχηματίζει ο ήλιος με το ζενίθ ΘΖ, δηλαδή από τον συνολικό αριθμό σωματιδίων που συναντά η ακτίνα κατά την διαδρομή της.

Η ηλιακή ενέργεια δεν είναι διαθέσιμη συνεχώς λόγω του /νύχτας. Η ένταση της ποικίλει σε σχέση με την εποχή, το γεωργικό πλάτος

και την θέση της επιφάνειας (σχήμα 2). Η περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονα της έχει αποτέλεσμα τον κύκλο ημέρας/νύχτας και οι εποχές είναι αποτέλεσμα της κλίσης του πολικού άξονα της γης σχετικά με το επίπεδο της τροχιάς και της περιστροφής της Γης γύρω από τον ήλιο (σχήμα 3). Τέλος η θέση μιας επιφανείας έχει σημαντική επίδραση στην ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται και μπορεί να συλλεγεί. Ο προσανατολισμός της επιφάνειας και η γωνία που σχηματίζει η επιφάνεια με το έδαφος είναι τα κύρια στοιχεία που πρέπει να λαμβάνονται υπ΄οψιν (Μαυρογιαννόπουλος 2001, Γιανούλης 2001).

Όσον αφορά την χώρα μας σε σχέση μίριο και στο γεωγραφικό πλάτος των 400, με κλιματολογικές συνθήκες αυτές

του Μεσογειακού κλίματος όπως έχουν αναφερθεί στο Κεφάλαιο 1.

χήμα 2. Ηλιακή ακτινοβολία ημέρας με καθαρό ουρανό, σε οριζόντιο επίπεδο στην Σ

επιφάνεια του εδάφους, σε διάφορα βόρεια γεωγραφικά πλάτη

32

Σχήμα 3: Τροχιά του ηλίου στον ουρανό κατά το χειμώνα και το καλοκαίρι.

.1.4 Θερμοκήπιο και Ηλιακή Ακτινοβολία (200-3000nm) περιλαμβάνει την

2

Η μικρού μήκους ηλιακή ακτινοβολίαυπεριώδη ακτινοβολία 190-380 nm, με την υψηλότερη ενέργεια που καταστρέφει τους δεσμούς των οργανικών ενώσεων που προσπίπτει, την φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR) 400-700 nm η οποία είναι απαραίτητη για την φωτοσύνθεση που είναι η βασική διαδικασία για την φυτική παραγωγή, και την κοντινή υπέρυθρη 700-3000 nm που επηρεάζει την φυτική διαπνοή διότι συμμετέχει σημαντικά στην θέρμανση των φυτών καθώς και τις μορφοποιητικές διαδικασίες των φυτών.

Αν θεωρήσουμε ένα οικοσύστημα θερμοκηπίου, η μικρού μήκους ηλιακή ακτινοβολία παίζει έναν προσθετικό ρόλο στο συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο του συστήματος του θερμοκηπίου, δηλ. στο ενεργειακό ισοζύγιο της κατασκευής (δομικά στοιχεία και κάλυμμα) και επίσης στα ενεργειακά ισοζύγια του καλυμμένου εδάφους και της καλλιέργειας. Το επίπεδο της ακτινοβολίας εντός του θερμοκηπίου εξαρτάται κυρίως από την διαπερατότητα του υλικού κάλυψης, αλλά επίσης από τον τύπο και προσανατολισμό της κατασκευής του θερμοκηπίου. Γνώση των χαρακτηριστικών της διαπερατότητας του υλικού κάλυψης είναι σημαντική όταν εκτιμώνται τα δυνατά πλεονεκτήματα των διαφόρων υλικών κάλυψης, διότι είναι γνωστό ότι μικρές διαφορές στην ηλιακή μεταβιβαστικότητα μπορούν να έχουν σημαντική επίδραση στην ανάπτυξη της καλλιέργειας (Papadakis et al, 2000).

Η ηλιακή ακτινοβολία όχι μόνο παρέχει ενέργεια στο σύστημα του θερμοκ ίο τ τ (ηπ υ κατά ην διάρκεια ης ημέρας ένα τμήμα αυτής επίσης αποθηκεύεται στο σύστημα και απελευθερώνεται κατά την διάρκεια της νύχτας), αλλά προάγει την φωτοσύνθεση. Είναι προφανές ότι τα υλικά κάλυψης του θερμοκηπίου θα πρέπει να επιτρέπουν στην PAR να φτάνει στην καλλιέργεια, ενώ η ηλιακή ακτινοβολία έξω από το εύρος της PAR δεν είναι πάντα επιθυμητή εντός του θερμοκηπίου ειδικά κατά την διάρκεια θερμής περιόδου. Ο Cockshull et al (1992) έδειξαν ότι μια αύξηση 1% της PAR αύξησε τις αποδόσεις ντομάτας μακράς περιόδου (χειμερινή καλλιέργεια) κατά προσέγγιση 1% δηλ. μια αναλογικότητα μεταξύ της απόδοσης και της ηλιακής ακτινοβολίας, αποδεικνυόμενη κυρίως στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Η ποιότητα της ακτινοβολίας που το υλικό κάλυψης επιτρέπει να εισέλθει στο θερμοκήπιο είναι

33

σημαντική για εκτίμηση της επίδρασης της στην αύξηση και ανάπτυξη των φυτών. Συγκεκριμένα η PAR στα 400-700nm ζώνης κύματος, τυγχάνει μεγαλύτερης προσοχής απ΄οτι τα άλλα μήκη κύματος εξαιτίας του θεμελιώδους ρόλου της στην φωτοσύνθεση. Οι μετρήσεις αυτής της ακτινοβολίας γίνονται με τον μετρητή PAR που μετρά σχετικά με την ευαισθησία της χλωροφύλλης και υπολογίζεται ότι αντιστοιχούν στο 45% της μικρού μήκους κύματος ακτινοβολίας που μετρά το πυρανόμετρο (Kittas et al 1999, Μαυρογιαννόπουλος 2001, Γιαννούλης 2001).

Η ανύψωση της θερμοκρασίας του αέρα μέσα στο θερμοκήπιο εξαρτάται από την εισ

.1.5 Ραδιομετρικές και Θερμικές Ιδιότητες των Υλικών Κάλυψης του

θερμοκ

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ, nm

ερχομένη ακτινοβολία (κυρίως την ηλιακή κατά την διάρκεια της ημέρας και από την θερμότητα που παρέχεται από το σύστημα θέρμανσης στα τεχνητά θερμαινόμενα θερμοκήπια), και από τις απώλειες διαμέσου του καλύμματος (θερμική ακτινοβολία, απώλειες αισθητής και λανθάνουσας θερμότητας). Είναι εμφανές ότι το κάλυμμα παίζει πολύ σημαντικό ρολό σε όλους εκείνους τους μηχανισμούς της μεταφοράς ακτινοβολουμένης και αισθητής θερμότητας. Εκτός από οποιαδήποτε τεχνητή παρέμβαση(ανοίγματα εξαερισμού, δομικός σχεδιασμός, προσανατολισμός), οι παράμετροι που αφορούν το εξωτερικό κλίμα και τις ραδιομετρικές και θερμικές ιδιότητες του καλύμματος είναι σχεδόν αποκλειστικά υπεύθυνοι για τον καθορισμό του μικροκλίματος μέσα στο θερμοκήπιο. Οποιασδήποτε υπαρκτός μηχανισμός ελέγχου του μικροκλίματος, όπως σύστημα θέρμανσης η δροσισμού, λειτουργεί έτσι ώστε να φέρει το εσωτερικό μικροκλίμα πλησιέστερα στις επιθυμητές συνθήκες καλλιέργειας (Briassoulis et al, 1997). 2

Το φάσμα ενδιαφέροντος της ηλιακής ακτινοβολίας για τα υλικά κάλυψηςηπίου παρατίθεται στον πίνακα:

Ηλιακή ακτιν ους) AR)

οβολία (μικρού μήκΦωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PΘερμική ακτινοβολία (μεγάλου μήκους)

≈ 200-3000 ≈ 400-700

> 3000 Ολες οι επιφάνειες πάνω στη γη δέχονται μικρού μήκους ακτινοβολία κατά τη

διάρκει

έμπεται από έν

ό

ηπίου άλλα επιτρέπουν την διέλευση της θερμική

ν σ

α της ημέρας λόγω της θερμοκρασίας του ήλιου (νόμος του Wien) και ανταλλάσουν μεγάλου μήκους συνεχώς με την ατμόσφαιρα και μεταξύ τους.

Η θερμική ακτινοβολία είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπα σώμα συνήθους θερμοκρασίας, εξαιτίας της θερμοκρασίας του. Η

ακτινοβόλος ροή της εκπεμπόμενης θερμικής ακτινοβολίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Θερμά αντικείμενα ακτινοβολούν περισσότερη ενέργεια στα ψυχρότερα απ ότι λαμβάνουν. Αυτό καταλήγει σε καθαρή απώλεια ενέργειας ή βαθμιαία ψύξη ενός θερμού αντικειμένου.

Από τα υλικά κάλυψης του θερμοκς ακτινοβολίας (πλαστικά), ενώ άλλα μέσω της απορρόφησης, την

εμποδίζου (γυαλί). Η περατότητα ή μη την θερμική ακτινοβολία είναι πολύ σημαντική ιδιότητα των υλικών κάλυψης. Αυτά που δεν είναι διαπερατά όπως το γυαλί εκδηλώνουν το καλούμενο «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Δηλ. ενώ επιτρέπουν την είσοδο της μικρού μήκους ηλιακής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια της ημέρας μέσα στο θερμοκήπιο, δεν επιτρέπουν την έξοδο της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπουν τα φυτά και το έδαφος και έτσι δημιουργείται μια παγίδα θερμότατος , στην οποία οφείλεται κατά 30% η αύξηση της θερμοκρασίας ενός υαλόφρακτου θερμοκηπίου. Συνεπώς τον χειμώνα, εκείνα που τελικά

34

εμποδίζουν τη θερμική ακτινοβολία, τείνουν να συντηρούν καλύτερα την ενέργεια και να διατηρούν το θερμοκήπιο θερμότερο σε σχέση με άλλα υλικά.

Η ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα υλικό είναι: ανακλώμενη, απορρο ύ χ η

υλικού κάλυψης είναι το κλάσμα της κάθετα

ματος μπορεί να ευρεθεί

Αρχικά ατηρήθηκε ότι η ποσοτική απόδοση της

α

χήμα 4 ((Pearson et al, 1995): Σχέση ποσοτικής απόδοσης της φωτοσύνθεσης και

λης, που είναι

φο μενη και διερ όμεν . Ένα υλικό που επιτρέπει ένα μεγάλο ποσοστό της ακτινοβολίας να το διαπεράσει καλείται διαφανές, ενώ ένα υλικό που μπλοκάρει την ακτινοβολία καλείται αδιαφανές. Η ακτινοβολία διαπερνά ένα διαφανές υλικό με δυο τρόπους: ως άμεση και ως διαχεόμενη. Η άμεση λαμβάνει χώρα όταν η ακτινοβολία διαπερνά απ’ ευθείας το υλικό διατηρώντας την ίδια διεύθυνση με εκείνη του προσβάλλοντας φωτισμού με κάποια μικρή απόκλιση. Το αποτέλεσμα είναι ότι οι σκιές από τα αντικείμενα που εμποδίζουν την πορεία της (σκελετικά στοιχειά) να είναι πολύ έντονες. Από την άλλη ένα διαφανές ή ημιδιαφανές υλικό όμως προκαλεί σκέδαση στις ακτίνες ακτινοβολίας. Αυτό αναγκάζει την ακτινοβολία να εισέλθει σε όλες τις κατευθύνσεις, δίνοντας ισοτροπική κατανομή της ακτινοβολίας και αδύναμες σκιάσεις στην πλευρά του υλικού που βρίσκεται αντίθετα στην πηγή ακτινοβολίας. Το τμήμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που ανακλάται. ορίζεται ως ανακλαστικότητα (p), το τμήμα που απορροφάται ως απορροφητικότητα (α) και το τμήμα που περνάει εντός διαπερατότητα (τ).

Η φασματική διαπερατότητα τ(λ) του προσπίπτουσας ακτινοβολίας, εκπεμπόμενης σε συγκεκριμένο μήκος κύματος

λ, ενώ ένας μέσος συντελεστής ηλιακής διαπερατότητας τs ορίζεται σαν την μέση διαπερατότητα πάνω σε συγκεκριμένη ηλιακή ζώνη κύματος, υπολογιζόμενο από την συνάρτηση της πυκνότητας κατανομής του μήκους κύματος μέσα στο ηλιακό φάσμα. Η τ(λ) μετριέται με τα φασματοφωτόμετρα (Papadakis et al, 2000).

Ο μέσος συντελεστής ηλιακής ανακλαστικότητας του καλύμ με τον ίδιο τρόπο, ενώ η φασματική ανακλαστικότητα p(λ) μετριέται με τα

φασματοφωτόμετρα. Από την στιγμή που έχουν υπολογιστεί τα τ και p, εν συνεχεία ο μέσος συντελεστής απορροφητικότητας να υπολογίζεται από τον νόμο του Kirchoff

α + τ + p =1 από τον Mc Cree το 1972 παρ

φωτοσύνθεσης εξαρτάται από το μήκος κύματος. Για να καθορίσουμε την ποσοτικά αποδοτική διαπερατότητα στα μήκη κύματος 400-700 nm δηλ. την PAR διαπερατότητα, είναι απαρ ίτητο να εισάγουμε έναν παράγοντα στάθμισης της φωτοσύνθεσης D(λ) για να υπολογίσουμε την σχετική φωτοσυνθετική απόδοση στα διάφορα μήκη κύματος (Pearson et al, 1995). Ο φωτοσυνθετικός αυτός .παράγοντας καθορίζεται από την σχέση της ποσοτικής απόδοσης της φωτοσύνθεσης όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Σ μήκους κύματος (λ) της ακτινοβολίας

Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα, η απορρόφηση της χλωροφύλ

35

ο συλλ

της ηλιακής ενέργειας (Photosynthetic quantum

ηθες φαινόμενο στα ανώτερ

ν

.1.6 Επίδραση στο μικροκλίμα του θερμοκηπίου θερμοκηπίου είναι υψίστης

σπουδα η ν πρ

ειται και στ

ύ μήκους ακτινοβ α

έκτης ενέργειας για τα φυτά, δείχνει ένα μέγιστο στην περιοχή του μπλε (350-450 nm), που είναι περιοχή υψηλής ενέργειας και ένα δεύτερο μεγαλύτερο μέγιστο στην περιοχή του κόκκινου (600-700 nm), που είναι περιοχή χαμηλότερης ενέργειας σε σχέση με την περιοχή του μπλε. Η απόδοση (n) αξιοποίησηςefficiency) δίδεται από την σχέση: n=χρησιμοποιουμένη ενέργεια (αυτή που αποδίδεται υπό μορφή ακτινοβολίας)/ απορροφούμενη ενέργεια.

Είναι γνωστό ότι η κίνηση των χλωροπλαστών είναι σύνα φυτά. Με τον έλεγχο της κίνησης των χλωροπλαστών, τα φύλλα μπορούν να

ελέγχουν πόσο φως θα απορροφήσουν. Έτσι η προαναφερθείσα απόδοση (n) στην περιοχή του μπλε (350-450 nm) είναι μικρότερη, διότι οι χλωροπλάστες μετακινούνται στα περιθώρια των επιφανειακών κυττάρων, ώστε να εί αι παράλληλοι προς το εισερχόμενο φως, αποφεύγοντας την υπερβολική απορρόφηση του φωτός και κατ΄ επέκταση την υπερβολική φωτοσύνθεση, διαπνοή κλπ. Αντίθετα, στην περιοχή του κόκκινου (600-700 nm), οι χλωροπλάστες συγκεντρώνονται στα επιφανειακά κύτταρα παράλληλα στην επιφάνεια του φύλου, έτσι ώστε να παρατάσσονται κάθετα προς το εισερχόμενο φως, θέση που μεγιστοποιεί την απορρόφηση του φωτός συνεπώς και την φωτοσυνθετική διαδικασία και μεγαλύτερη απόδοση στην περιοχή του κόκκινου (Καραταγλής, 1994). 2

Η επιλογή των υλικών κάλυψης του ιότ τας στη συνολική συμπεριφορά του συστήματος αραγωγής του

θερμοκηπίου , διότι οι αδιομετρικές ιδιότητες του υλικού παίζουν κυρίαρχο ρόλο και στο ενεργειακό ισοζύγιο του θερμοκηπίου και στη συμπεριφορά της καλλιέργειας. Από ποσοτική άποψη η διερχομένη ποσότητα ηλιακής ενεργείας μέσα στο θερμοκήπιο οδηγείται με φυσιολογικές ροές. Η διαπνοή εξαρτάται από την ποσότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην φυτική κόμη (κοντινό υπέρυθρο), και η φωτοσύνθεση εξαρτάται από την ποσότητα της PAR (400-700 nm) που απορροφάται από τα φυτά, καθορίζοντας έτσι την συνολική παραγωγικότητα της καλλιέργειας. Από ποιοτικής άποψης το φάσμα της εξωτερικής ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί σημαντικά να τροποποιηθεί από τις οπτικές ιδιότητες του υλικού κάλυψης του θερμοκηπίου Αυτές οι ποιοτικές αλλαγές στη διερχόμενη ακτινοβολία επάγουν μορφογενετικές επιδράσεις και μπορούν να καταλήξουν σε τροποποιήσεις στη δομή και στο σχήμα των φυτών, με σημαντικές επιπτώσεις, σε μερικές περιπτώσεις, στην αξία της παραγωγής, ειδικά στα καλλωπιστικά φυτά (Kittas and Baille, 1998).

Η σπουδαιότητα των ραδιομετρικών ιδιοτήτων των υλικών κάλυψης έγκο γεγονός ότι μπορούν να επηρεάσουν την έκταση των ασθενειών της

καλλιέργειας από την απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίας που κάποια από αυτά προκαλούν. Για παράδειγμα κάποια λεπτά πλαστικά (PE) που απορροφούν υπεριώδη ακτινοβολία η οποία απαιτείται για τα σπόρια διαφόρων μυκήτων (Reuveni and Ravin, 1997). Το αντίθετο αποτέλεσμα συμβαίνει πάνω στην ποιότητα κατά την παραγωγή μελιτζάνας από την χρήση καλυμμάτων τα οποία απορροφούν στην περιοχή του υπεριώδους (<380 nm), κάτι το οποίο απαιτείται για να αποκτήσει η μελιτζάνα μωβ χρώμα και επίσης φτωχή επικονίαση μέσα στα θερμοκήπια οπού η προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία εξουδετερώνει την ακτινοβολία η οποία διεγείρει τα ματιά των μελισσών που επικονιάζουν (Papadakis et al, 2000).

Οι ραδιομετρικές ιδιότητες των υλικών κάλυψης στην μικροολί , επηρεάζουν άμεσα το μικροκλίμα εντός του θερμοκηπίου. Επειδή η

ηλιακή ακτινοβολία είναι η πρωταρχική δύναμη για την φυτική παραγωγή και επίσης η κύρια εισερχόμενη ροή ενέργειας διατίθεται δωρεάν, η διαπερατότητα της ηλιακής

36

ακτινοβολίας διαμέσου του καλύμματος του θερμοκηπίου έχει μελετηθεί πειραματικά και θεωρητικά. Ο Κurata (1991) ερεύνησε πειραματικά την επίδραση στην ηλιακή διαπερατότητα του θερμοκηπίου, την εφαρμογή ενός καλύμματος ειδικού τύπου Fresnel πρίσματος στην νότια στέγη ενός Ανατολής -Δύσης προσανατολισμένου και ενός ανοίγματος θερμοκηπίου, χρησιμοποιώντας μοντέλα κλίμακας, ενώ οι Papadakis et al (1998) μελέτησαν την διαπερατότητα του θερμοκηπίου ως μια συνάρτηση του μήκους και πλάτους ενός ανοίγματος θερμοκηπίου.

Η σημαντική κατεύθυνση των περισσοτέρων μοντέλων είναι να παρέχουν ένα εργαλε

περιβάλλο

παρελθόν το «Φαινόμενο του Θερμοκηπίου» θεωρήθηκε η κύρια αιτία για την εξέ

την διάρκεια της ημέρας, το κάλυμμα, ο σκελετός και η επιφάνεια του εδάφου

ε

( )λία στο

ίο για εκτίμηση της επίδρασης της διαφορετικής κατασκευής θερμοκηπίου με διαφορετικά υλικά κάλυψης πάνω στην συνολική διέλευση της ακτινοβολίας. Ένα άλλο αντικείμενο των μοντέλων της ηλιακής διέλευσης είναι ο υπολογισμός της διαπερατότητας του θερμοκηπίου κάθε στιγμή της ημέρας, ως συνάρτηση της θέσης του ηλίου, ώστε η ανάπτυξη της καλλιέργειας και το εσωτερικό κλίμα του θερμοκηπίου να μπορούν να προσομοιωθούν. Όλα αυτά τα μοντέλα λαμβάνουν υπ΄οψιν τους με τον έναν η άλλον τρόπο τις ραδιομετρικές ιδιότητες του καλύμματος. Η μεταφορά θερμικής ακτινοβολίας είναι ένας σημαντικός μηχανισμός υπεύθυνος για τις απώλειες θερμότητας των καλυμμάτων πολυαιθυλενίου (ΡΕ) στα θερμοκήπια, διότι το ΡΕ αντίθετα με το γυαλί έχει υψηλή διαπερατότητα στη θερμική ακτινοβολία (Spanomitsios, 2001). Συνεπώς η ανταλλαγή με το περιβάλλον θερμικής ακτινοβολίας περιλαμβάνεται σε κάθε μελέτη του ντος θερμοκηπίου και σύνθετοι μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί για έρευνα του προβλήματος. Οι ραδιομετρικές ιδιότητες των υλικών κάλυψης παίζουν ένα σημαντικό ρόλο στην περίπτωση της μεταφοράς της θερμικής ακτινοβολίας (Silva et al 1991, Papadakis et al 1989a).

Στολιξη του μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Με αυτήν την έννοια σήμαινε ότι η

ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στο θερμοκήπιο μέσω του διαφανούς καλύμματος, απορροφάται εντός του θερμοκηπίου και δεν μπορεί να διαφύγει με τη μορφή θερμικής ακτινοβολίας διότι το κάλυμμα δεν είναι διαπερατό στην θερμική ακτινοβολία. Είναι γνωστό πια ότι αυτό το φαινόμενο έχει μια μικρή επιρροή στην ανάπτυξη του μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Τα κανονικά λεπτά φύλλα ΡΕ που χρησιμοποιούνται συνήθως ως υλικά κάλυψης έχουν υψηλή διαπερατότητα στη θερμική ακτινοβολία όταν ειδικά δεν υπάρχει συμπύκνωση υδρατμών (Pollet and Pieters 1999, 2000, 2001). Αυτό το γεγονός συνεπάγεται ότι το μικροκλίμα διαφέρει τελείως σε ένα θερμοκήπιο με κάλυψη πολυαιθυλενίου (ΡΕ) και σε ένα υαλόφρακτο θερμοκήπιο.

Κατά ς απορροφούν ένα ποσοστό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και

αυξάνει η θερμοκρασία τους. ο εσωτερικός αέρας έρχεται σε επαφή με αυτές τις επιφάνειες , απορροφά θερμότητα και η θερμοκρασία του αυξάνει επίσης με έναν ρυθμό που εξαρτάται από την διαφορά θερμοκρασίας, τον συντελεστή μεταφοράς θερμότατος και τον ρυθμό εναλλαγής αέρα (Papadakis et al, 2000). Έτσι η χρήση του όρου «φαινόμενο θερμοκηπίου» θα πρέπει να αναφέρεται στην διαδικασία ακτινοβολίας και μεταφοράς διαφορ τικά μπορεί να είναι παραπλανητικό. Επίσης και τα φυτά απορροφούν ηλιακή ακτινοβολία αλλά η θερμοκρασία τους παραμένει συνήθως χαμηλότερη από αυτήν του αέρα του θερμοκηπίου, γιατί τα φυτά αποβάλουν την πλεονάζουσα ενέργεια με τη διαπνοή Papadakis et al, 1994 . Κατά την διάρκεια της νύχτας το κάλυμμα εκπέμπει θερμική ακτινοβοπεριβάλλον και επίσης ανταλλάσει ενέργεια με τον εσωτερικό και εξωτερικό αέρα. Στα θερμαινόμενα θερμοκήπια, η θερμοκρασία καλύμματος είναι μεταξύ της θερμοκρασίας εσωτερικού και εξωτερικού αέρα. Στα καλυμμένα με PE και χωρίς θέρμανση θερμοκήπια κατά την διάρκεια ψυχρών, υπήνεμων και ξάστερων νυχτών,

37

οι καθαρές απώλειες ακτινοβολίας του ίδιου του καλύμματος είναι τόσο έντονες μετά το ηλιοβασίλεμα ώστε το θερμοκρασιακό ισοζύγιο του καλύμματος γίνεται αρκετούς βαθμούς χαμηλότερο απ΄ότι ο εξωτερικός αέρας και επίσης χαμηλότερο από ότι ο αέρας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Αυτό καταλήγει σε θερμοκρασία αέρα θερμοκηπίου χαμηλότερη σε σχέση με την εξωτερική θερμοκρασία διότι ο αέρας του θερμοκηπίου χάνει θερμότητα λόγω μεταφοράς προς το ψυχρότερο κάλυμμα. Η θερμοκρασία του καλύμματος παραμένει χαμηλότερη από εκείνη του αέρα του θερμοκηπίου διότι ο ρυθμός απωλειών θερμικής ακτινοβολίας είναι υψηλότερος σε σχέση με τον ρυθμό μεταφερομένης θερμότητας που αποκτά από τον αέρα (Silva et al 1991, Spanomitsios 2001).

Τα υλικά κάλυψης του θερμοκηπίου αποτελούν το φραγμό ανάμεσα στην καλλιέρ

ε

.1.7 Ταξινόμηση Υλικών Κάλυψης

γεια και το εξωτερικό περιβάλλον. Το κάλυμμα όχι μόνο θα πρέπει να παρέχει ένα καταφύγιο κατά την διάρκεια δυσμενών καιρικών συνθηκών αλλά θα πρέπει επίσης να προάγει την μετατροπή του μικροκλίματος για διασφάλιση βέλτιστης ανάπτυξης της καλλιέργειας. Είναι πιθυμητό ένα υλικό κάλυψης να έχει καλά μονωτικά(θερμικά) χαρακτηριστικά, αλλά επειδή τα καλύμματα είναι γενικώς λεπτά έχουν μικρή θερμοχωρητικότητα και δείχνουν φτωχή μονωτική συμπεριφορά. Το τέλειο κάλυμμα εκτός από καλά μονωτικά χαρακτηριστικά, θα πρέπει να επιτρέπει το 100% της PAR διαπερατότητας και να εμποδίζει την ηλιακή ακτινοβολία έξω από την PAR ανάλογα με τις απαιτούμενες εσωτερικές κλιματικές συνθήκες και τις εξωτερικές καιρικές συνθήκες. Τέτοια χαρακτηριστικά τείνουν όμως να εξουδετερώνουν το ένα το άλλο και κανένα υλικό δεν έχει κατασκευαστεί έως τώρα που να επιδεικνύει τέτοιες ιδιότητες. 2

Πλαστικά

Θερμοπλαστικά υλικά: χάνουν το σχήμα τους όταν θερμανθούν και μπορεί να ανασχηματισθούν όταν αφεθούν να κρυώσουν χωρίς να χάσουν σημαντικά χαρακτηριστικά από τις ιδιότητες τους. Στην ιδιότητα αυτή βασίζεται η θερμοσυγκόλιση (PE, PVC, PC, PMMA).

ή μεταβολή κατά τη διάρκεια του

Θερμοσκληρά υλικά: υφίστανται μια χημικσχηματισμού τους από τη ρευστή στη στερεή κατάσταση, που τα καθιστά αμετάβλητα στο σχήμα, χωρίς να είναι δυνατόν να μαλακώσουν με τη θερμοκρασία ή να ρευστοποιηθούν πάλι (Βακελίτης, ενισχυμένος πολυεστέρας).

ακρίνονται από την πολύ υψηλή ελαστικότητα που έχουν.

π ς π

των πλαστικών είναι:

Ελαστομερή: διΑυτά χαρακτηρίζονται θεωρητικά ως θερμοσκληρά υλικά, αλλά παρουσιάζουν κάποια μικρή δυνατότητα ε αναφοράς του μετά α ό τη θέρμανση. Οι βασικές ιδιότητες

Επιδεικνύουν ανθεκτικότητα στην ατμοσφαιρική διάβρωση και στη διάβρωση πολλών χημικών αντιδραστηρίων.

Έχουν αρκετά χαμηλή σχετική πυκνότητα, μερικά μόλις επιπλέουν στο νερό. Τα περισσότερα είναι λίγο πυκνότερα.

Μεγάλος αριθμός πλαστικών παρουσιάζει πολύ καλή αντοχή στην έλξη σε σχέση με το βάρος τους ( αντοχή/βάρος). Η αντοχή των θερμοπλαστικών μειώνεται γρήγορα με την άνοδο της θερμοκρασίας τους.

ίες υψηλότερες των

100 οC. Ένας μεγάλος αριθμός πλαστικών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για

Η πλειοψηφία των πλαστικών μαλακώνουν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και ελάχιστα μπορούν να φανούν χρήσιμα για θερμοκρασ

38

την παραγωγή διαφανών επιφανειών ή φύλλων, χωρίς κανένα χρωματισμό, ενώ τα περισσότερα έχουν ευχάριστη εμφάνιση και μπορούν να χρωματιστούν Τα σοβαρά μειονεκτήματα των πλαστικών υλικών κάλυψης (Dilara and ulis, 2000) είναι η μειωμένη περατότητα στο φως ιδίως μετά την πάροδο ν χρονών (περίπου 3 έτη στα θερμοπλαστικά υλικά), μεγάλο συντελεστή

Briassoκάποιωθερμοπερατότητας, διαπερατότητα στην θερμική ακτινοβολία, ευαισθησία στη γήρανση, μικρή αντίσταση στα χτυπήματα από χαλάζι, και στο σκίσιμο, ευαισθησία στη συγκράτηση σκόνης, τρόπος συμπύκνωσης υγρασίας (με σταγόνες και όχι σε μεμβράνη όπως συμβαίνει στους υαλοπίνακες), διαπερατότητα στη υπεριώδη ακτινοβολία, ευαισθησία στις διάφορες χημικές ουσίες.

Υαλοπίνακες Το σημαντικότερο πλεονέκτημα του γυαλιού σαν υλικό κάλυψης των

θερμοκηπίων είναι η διατήρηση των ιδιοτήτων του με το πέρασμα του χρόνου. Έτσι ένας υ μοκηπίου έχει πρακτικά την ίδια περατότητα στο φως για

ά

.2 ΘΕΡΜΑΝΣΗ

αλοπίνακας θερπολλά χρόνια σε σχέση με έναν καινούργιο, πράγμα που δεν συμβαίνει με κανένα άλλο υλικό κάλυψης. Συνεπώς τα υαλόφρακτα θερμοκήπια έχουν μικρότερο συντελεστή θερμοπερατότηας με αποτέλεσμα να έχουν μικρότερη κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση. Η πιθανή μείωση της φωτεινότητας του γυαλιού οφείλεται στις ακαθαρσίες που όμως είναι δυνατόν να απομακρυνθούν. Ο υαλοπίνακας είναι αδιαπέραστος στα αέρια και τους υδρατμούς. Τα προβλήματα στεγανότητας που μπορεί να εμφανιστούν στα υαλόφρακτα θερμοκήπια, προέρχονται από κακή επαφή που παρουσιάζεται σταδιακά στα σημεία στήριξης του υαλοπίνακα με το σκελετό και από το σπάσιμο των υαλοπινάκων που προέρχεται από χαλάζι ή από απροσεξία, λόγω του εύθραυστου που χαρακτηρίζει το γυαλί. Ο υαλοπίνακας μπορεί να είναι διαφανής, με τις δύο του επιφάνειες, επίπεδες και λείες, ή διαφώτιστος, με την μια επιφάνεια κυματοειδή ή φολιδωτή, ώστε να διευκολύνει τη διάχυση του φωτός. Συνήθως στην οροφή θερμοκηπίου τοποθετούνται υαλοπίνακες με κυματοειδή ή φολιδωτή τη μια πλευρά για καλύτερη διάχυση του φωτός, ενώ στις πλευρές τοποθετούνται υαλοπίνακες με τις δύο τους επιφάνειες επίπεδες, διότι το φως που εισέρχεται από πλάγια είναι κατά το μεγαλύτερο μέρος διάχυτο, προερχόμενο κυρίως από ανακλάσεις στο έδαφος ή άλλα αντικείμενα. Η μη επίπεδη πλευρά του υαλοπίνακα της οροφής τοποθετείται προς το εσωτερικό του θερμοκηπίου, για να μην συγκρατείται η σκόνη. Το ποσοστό διέλευσης της μικρού μήκους κύματος ακτινοβολίας συνήθους πάχους υαλοπίνακες, είναι συγκριτικά από τα μεγαλύτερα, περίπου 90% και επειδή η περατότητα αυτή είναι σχεδόν σταθερή στο χρόνο, ο υαλοπίνακας αποτελεί το μέτρο σύγκρισης όλων των λλων διαφανών υλικών. Σε ένα καινούργιο θερμοκήπιο το μεγαλύτερο ποσοστό φωτός, το οποίο αφήνει να διέλθει ο υαλοπίνακας, σε σχέση με ένα διαφανή υλικό, δεν σημαίνει απαραίτητα και σημαντικά μεγαλύτερη φωτεινότητα στο θερμοκήπιο, γιατί ο σκελετός στηρίξεως των μεγάλου βάρους και μικρού μεγέθους υαλοπινάκων παρουσιάζει μεγαλύτερο ποσοστό σκιάσεων (γι’αυτό το λόγο συνιστώνται όσο είναι δυνατόν, μεγαλύτερων διαστάσεων υαλοπίνακες). Με την πάροδο του χρόνου όμως, στα άλλα υλικά μειώνεται η περατότητα του φωτός, ενώ στους υαλοπίνακες παραμένει η ίδια και το θερμοκήπιο καθίσταται κατά μέσο όρο σημαντικά φωτεινότερο. 2

39

2.2.1 Εισαγωγή

ο πρωταρχικό αντικείμενο των θερμοκηπίων είναι η παραγωγή αγροτικών αλλιεργητικής περιόδου. Αυτά έχουν αξιοσημείωτη σημασία στην

αγορά

ω

Τπροϊόντων εκτός κ

της αγροτικής παραγωγής. Για κάθε καλλιέργεια υπάρχει η ευνοϊκή θερμοκρασία στην οποία τα ένζυμα που είναι ευαίσθητα στην θερμότητα και υπεύθυνα για τις βιοχημικές αντιδράσεις του φυτού ενεργοποιούνται. Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος του φυτού και η θερμοκρασία του εδάφους που είναι σημαντικές για την ανάπτυξη του φυτού εξαρτώνται από την πυκνότητα του φωτός, την λήψη CO2, την υγρασία, και την ταχύτητα του αέρα. Για να επιτευχθούν βέλτιστες εσωτερικές συνθήκες, είναι απαραίτητη η θέρμανση, ιδιαίτερα κατά την διάρκεια των ψυχρών εποχών (Santamouris, 1993). Ο τομέας των θερμοκηπίων έχει μεγάλη δυνατότητα για ενεργειακό απόθεμα. Εφαρμογές θέρμανσης μέσα στα θερμοκήπια και βελτιστοποίηση της θερμοκρασίας του αέρα έχουν σημαντικό αποτέλεσμα πάνω στην παραγωγή, καθώς επίσης στην ποιότητα και στον χρόνο καλλιέργειας (πρωίμιση παραγωγής). Κατά τον σχεδιασμό ενός θερμοκηπιακού συστήματος θέρμανσης διάφοροι παράγοντες λαμβάνονται υπ΄οψιν. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι είναι προτεινόμενο η θερμοκρασία στο επίπεδο του φυτού να είναι ομοιόμορφη σε όλη την έκταση του θερμοκηπίου. Επίσης η θερμοκρασία των καλλιεργειών κατά την διάρκεια της θέρμανσης πρέπει να είναι υψηλότερη από την θερμοκρασία του σημείου δροσού, για να εμποδίζεται η συμπύκνωση των υδρατμών και έτσι να μειώνεται ο κίνδυνος μυκητολογικών ασθενειών. Επιπλέον η ενεργειακή κατανάλωση του συστήματος θέρμανσης να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερη.

Τα συμβατικά θερμοκηπιακά συστήματα θέρμανσης διακρίνονται σε αυτά που μεταδίδουν τη θερμότητα με ακτινοβολία, μεταφορά και αγωγιμότητα μέσω μιας θερμαινόμενης επιφάνειας (μεταλλικοί ή πλαστικοί σωλήνες) τα οποία λέγονται στατικά συστήματα, και σε αυτά που μεταδίδουν τη θερμότητα με μεταφορά και αγωγιμότητα μέσω του θερμού αέρα που παράγεται με ηλεκτρογεννήτριες θερμού αέρα ή αερόθερμα και κυκλοφορεί εντός αγωγών PE, τα οποία λέγονται θερμοδυναμικά συστήματα. Τα πρώτα έχουν μεγάλο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης και δύσκολη ρύθμιση της λειτουργίας, αλλά ελάχιστα προβλήματα από καυσαέρια, ενώ πετυχαίνουν καλή ομοιογένεια θέρμανσης, ικανοποιητικό επίπεδο σχετικής υγρασίας και θέρμανσης του εδάφους και του αέρα. Ακόμη, σε περίπτωση βλάβης του συστήματος, η πτώση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου γίνεται βαθμιαία. Τα θερμοδυναμικά συστήματα έχουν χαμηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης, εύκολη ρύθμιση της λειτουργίας και πετυχαίνουν καλή ομοιομορφία θέρμανσης, γρήγορη θέρμανση των φυτών και μείωση της συμπύκνωσης των υδρατμών στην εσωτερική επιφάνεια του υλικού κάλυψης λόγω των ρευμάτων αέρα. Τέλος, με τα συστήματα αυτά υπάρχει μεγαλύτερη ευχέρεια κίνησης στο θερμοκήπιο, αφού καταλαμβάνουν μικρό όγκο. Όμως έχουν και σημαντικά μειονεκτήματα, όπως το γεγονός ότι δε θερμαίνεται το έδαφος, μειώνεται η σχετική υγρασία του αέρα του θερμοκηπίου, σε περίπτωση βλάβης του συστήματος μειώνεται απότομα η θερμοκρασία και όταν οι συσκευές είναι τοποθετημένες στο εσωτερικό υπάρχει κινδινος να ζημιωθούν τα φυτά από τα καυσαέρια.

Ένας δεύτερος διαχωρισμός των συστημάτων γίνεται στα τοπικά, στα οποία χρησιμοποιούνται αερόθερμα ή θερμάστρες (παραφίνης, υγραερίου, επαγ γής) ή συσκευές υπέρυθρης ακτινοβολίας και στα κεντρικά συστήματα θέρμανσης (Μαυρογιαννόπουλος, 2001).

40

2.2.2 Συστήματα Θέρμανσης Θερμοκηπίων Κατά την εγκατάσταση ενός συστήματος θέρμανσης θα πρέπει να ληφθούν υπόψη τα παρακάτω:

• η μείωση του φυσικού φωτισμού που προκαλείται στο χώρο του θερμοκηπίου θα πρέπει να είναι η μικρότερη δυνατή.

• Ο χώρος που καταλαμβάνει το σύστημα θέρμανσης δε θα πρέπει να είναι σε βάρος του χώρου καλλιέργειας.

• Η θέση όπου τοποθετείται δε θα πρέπει να δυσχεραίνει τις καλλιεργητικές εργασίες ή την απόδοση εργασίας (εμπόδια στους διαδρόμους, κ.λ.π.).

• Μια πιθανή αύξηση της ταχύτητας του αέρα δε θα πρέπει να προκαλεί τοπικούς κραδασμούς ή τοπικές αφυδατώσεις των φυτών.

• Να μην αυξάνεται υπερβολικά ο ολικός συντελεστής απωλειών του θερμοκηπίου. Πολύ μεγάλες ταχύτητες του αέρα μέσα στο θερμοκήπιο ή πολύ μεγάλες επιφάνειες θερμαντικών στοιχείων, αυξάνουν τις απώλειες ενέργειας.

• Η κατανομή της θερμότητας στο χώρο θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν ομοιόμορφη, ώστε να αποφευχθούν διακυμάνσεις της θερμοκρασίας τοπικά και επομένως ανομοιομορφία κατανάλωσης νερού και ρυθμού αύξησης των φυτών.

• Το σύστημα θέρμανσης θα πρέπει να μειώνει αποτελεσματικά και την πύκνωση υδρατμών επάνω στα φυτά.

Θα πρέπει να υπάρχει κατάλληλο σύστημα ελέγχου, ώστε το σύστημα θέρμανσης να αντιδρά γρήγορα στις μεταβολές των κλιματικών παραμέτρων. Ο υπολογισμός της απαιτούμενης θερμότητας μπορεί να προσδιοριστεί από μια σχέση που αφορά το σύνολο των απωλειών του θερμοκηπίου σε ενέργεια:

Q = As U (Ti – Ta) Η απαιτούμενη θερμότητα ανά τετραγωνικό μέτρο θερμοκηπίου θα είναι:

Q = (Ac/Ag) U (Ti – Ta) όπου Q: η μέγιστη απαίτηση θερμότητας σε Watt, U: ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας σε W/m2 oC, Ag: η επιφάνεια του καλυμμένου εδάφους σε m2 , Ac: η επιφάνεια του καλύμματος σε m2 , Ti: η επιθυμητή θερμοκρασία μέσα στο θερμοκήπιο, Ta: η μέση ελάχιστη εξωτερική θερμοκρασία του δυσμενέστερου μήνα.

Η τιμή του U για κάθε υλικό κάλυψης δίνεται από τον κατασκευαστή. Η πραγματική ισχύς του συστήματος θέρμανσης θα πρέπει να είναι ίση με την απαιτούμενη θερμότητα..

2.2.3 Κεντρικά Συστήματα Θέρμανσης Στα σχετικά μεγάλης έκτασης θερμοκήπια, η θέρμανση γίνεται με ζεστό νερό που παράγεται από λέβητα ζεστού νερού. Στα μεγάλης έκτασης θερμοκήπια (άνω των 30 στρ.), προτιμάται ο λέβητας παραγωγής ατμού. Ο λέβητας τοποθετείται σε μόνιμη θέση έξω από το θερμοκήπιο και το θερμό νερό ή ο ατμός οδηγείται στο θερμοκήπιο με σωληνώσεις (pipe system). Με το σύστημα αυτό θερμαίνεται ικανοποιητικά και ο αέρας και το έδαφος του θερμοκηπίου, έχει όμως μεγάλη αδράνεια, δηλαδή από τη στιγμή που θα δεχθεί την εντολή να θερμαίνει το χώρο ή να σταματήσει τη θέρμανση,

41

μέχρι αυτό να πραγματοποιηθεί, μεσολαβεί μεγάλο χρονικό διάστημα. Είναι το καταλληλότερο σύστημα για υαλόφρακτα θερμοκήπια μεγάλης έκτασης, γιατί η λειτουργία και συντήρησή του, συγκριτικά με τη χρησιμοποίηση πολλών αερόθερμων στα οποία κυκλοφορεί θερμός αέρας που διανέμεται μέσω αγωγών πολυαιθυλενίου PE (air heating), στοιχίζει φθηνότερα. Η θέρμανση με θερμό νερό προτιμάται στην Ευρώπη (ακόμα και σε μεγάλα θερμοκήπια) από τη θέρμανση με ατμό, εφαρμόζεται όμως σύστημα υψηλής πίεσης που επιτρέπει υψηλότερες θερμοκρασίες (95 οC) στο νερό και επομένως μεγαλύτερη θερμική απόδοση, σε σχέση με τα συστήματα χαμηλής πίεσης (θερμοκρασία νερού 85 οC). Με τη χρήση σωληνώσεων θερμού νερού, είναι δυνατό να γίνει και κάποια εξοικονόμηση ενέργειας, με την ανοχή μικρότερων θερμοκρασιών στα υψηλότερα στρώματα του θερμοκηπίου. Για τις περιπτώσεις χρήσης σωληνώσεων θερμού νερού ή αγωγών θερμού αέρα λεπτομέρειες σχετικά με την τεχνική κατασκευή καθώς και την τοποθέτηση τους βρίσκονται στη βιβλιογραφία (Μαυρογιαννόπουλος 2001, Γραφιαδέλης 1987). Οι δύο κύριες μέθοδοι θέρμανσης των θερμοκηπίων δηλ. το pipe και air σύστημα θέρμανσης έχουν αναφερθεί από διάφορους συγγραφείς περισσότερο τα τελευταία 30 χρόνια και εν συντομία παρατίθενται παρακάτω, μέσω ερευνών που διεξήχθησαν στο Ισραήλ, στη Γερμανία και στην Πορτογαλία.

Τα περισσότερο ευρέως χρησιμοποιούμενο σύστημα θέρμανσης στα θερμοκήπια του Ισραήλ είναι βασισμένο σε θερμό αέρα, διανεμημένο μέσα στο θερμοκήπιο μέσω διάτρητων αγωγών PE. Προσφάτως υπάρχει μια ανάπτυξη προς την κατεύθυνση της εγκατάστασης συστημάτων σωληνώσεων ζεστού νερού μέσα στα νέα θερμοκήπια. Και στα δυο συστήματα ένας ανοιγοκλεινόμενος controller γενικά χρησιμοποιείται για να ελέγχει την θερμοκρασία του αέρα εντός του θερμοκηπίου. Πειράματα έχουν διεξαχθεί για να συγκρίνουν τα αποτελέσματα των δυο μεθόδων θέρμανσης στην θερμοκρασία του αέρα του θερμοκηπίου, υγρασία, θερμοκρασία της καλλιέργειας και στην ενέργεια που απαιτείται για την διατήρηση της θερμοκρασίας του αέρα μέσα στο θερμοκήπιο σε ένα επιθυμητό επίπεδο. Τα πειράματα διεξήχθησαν μόνο κατά την διάρκεια της νύχτας σε πειραματικά και εμπορικά θερμοκήπια. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και στις δυο μεθόδους θέρμανσης, κάτω από ανοιγοκλεινόμενο έλεγχο, υπάρχουν κυκλικές μεταβολές-εναλλαγές στις θερμοκρασίες της καλλιέργειας και του αέρα και στην αναλογία της υγρασίας του θερμοκηπιακού αέρα. Λιγότεροι κύκλοι θερμότητας ανά νύχτα παρατηρηθήκαν με σωλήνες θέρμανσης από ότι με θερμό αέρα , εξαιτίας της σχετικά της μεγάλης αδράνειας των γεμάτων με νερό σωλήνων. Ο λόγος της υγρασίας στο επίπεδο της καλλιέργειας αυξήθηκε κατά την διάρκεια της αύξησης της θερμοκρασίας σε καθένα θερμικό κύκλο και στις 2 μεθόδους θέρμανσης, αλλά ο ρυθμός της αύξησης και το εύρος ήταν μεγαλύτερα με θερμό αέρα από ότι με σύστημα σωληνώσεων. Η θερμική ακτινοβολία μεταφέρεται μεταξύ των σωλήνων θέρμανσης και η καλλιέργεια διασφασφαλίζεται. Επίσης με σωλήνες θέρμανσης , τα φύλλα στο χαμηλότερο τμήμα των φυτών (εκεί που είναι τοποθετημένοι οι σωλήνες), ειδικά εκείνα που είναι στραμμένα προς τους σωλήνες, ήταν γενικά θερμότερα σε σχέση με τον αέρα, και εκείνα στα υψηλοτέρα σημεία του φυτού ψυχρότερα σε σχέση με τον αέρα, κατά την διάρκεια της ανόδου της θέρμανσης. Με την θέρμανση με ζεστό αέρα τα φύλλα ήταν ψυχρότερα σε σχέση με τον αέρα και στις 2 περιοχές των φυτών, κατά την διάρκεια των περισσοτέρων θερμικών κύκλων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι δεν υπάρχει σημαντική διαφορά ανάμεσα στις 2 μεθόδους στην κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για να αποκτηθεί ένα δοθέν θερμοκρασιακό επίπεδο μέσα στο θερμοκήπιο, καθώς και οι σωλήνες και οι αγωγοί τοποθετούνται ανάμεσα στις γραμμές των φυτών (Teitel et al, 1996, 1999).

42

Παρεμφερείς τεχνικές θέρμανσης αναλυθεί από τον Van de Braak (1988), ο οποίος παρουσίασε το κεντρικό σύστημα θέρμανσης στα γερμανικά θερμοκήπια που βασίζεται σε χαλύβδινους σωλήνες. Αυτοί οι σωλήνες είναι τοποθετημένοι κοντά στις βαθμίδες καλλιέργειας και χρησιμοποιούνται για διανομή της θερμότητας σε όλη την έκταση του θερμοκηπίου. Εναλλακτικές τοποθεσίες έχουν χρησιμοποιηθεί με τους σωλήνες κοντά στην καλλιέργεια και στα υποστρώματα, για να παρέχουν θέρμανση στο ριζικό σύστημα. Ο Van de Braak (1988), επίσης αποδεικνύει ότι οι πτερυγωτοί σωλήνες αλουμινίου που έχουν σχεδιαστεί από Γερμανούς κατασκευαστές, προσφέρουν τα πλεονεκτήματα του λιγότερο περιεχόμενου σε νερό σε σχέση με τους χαλύβδινους και την γρηγορότερη ανταπόκριση στην ενέργεια του ελέγχου. Σύμφωνα πάντα με τον ίδιο, η μέθοδος θέρμανσης με θερμό αέρα είναι λιγότερο συνηθισμένη στα γερμανικά θερμοκήπια από ότι η θέρμανση με σωληνώσεις. Το κύριο πλεονέκτημα της θέρμανσης με θερμό αέρα είναι η γρήγορη ανταπόκριση στην ενέργεια του ελέγχου, ενώ το μειονέκτημα είναι η επιπλέον κατανάλωση ηλεκτρισμού η οποία μπορεί να είναι 10% περίπου της ενέργειας που απαιτείται για θέρμανση.

Η διαθεσιμότητα δεδομένων με ηλεκτρογεννήτριες θερμού αέρα δεν είναι τόσο άφθονα όσο εκείνων των συστημάτων που χρησιμοποιούν ζεστό νερό. Οι Meneses and Monteiro (1990), χρησιμοποίησαν ηλεκτρογεννήτριες θερμού αέρα. Ο ζεστός αέρας διανείμετο μέσω δυο διάτρητων αγωγών PE και η θερμοκρασία του αέρα ήταν αρκετά ομοιόμορφη και στις κατακόρυφες και στις κεκλιμένες διευθύνσεις, αλλά μεγάλες αποκλίσεις παρατηρηθήκαν στην κατά μήκος διεύθυνση οι οποίες συνεισέφεραν στην μείωση της θερμοκρασίας του αέρα καθώς αυτός έρεε κατά μήκους των αγωγών σε διαδοχικές οπές εκφόρτωσης. Τέλος, τα αποτελέσματα των δυο προαναφερθέντων συστημάτων θέρμανσης και δύο υλικών κάλυψης στην ενεργειακή κατανάλωση και παραγωγή τομάτας αναφέρονται από τον Mavrogiannopoulos et al (1992), οι οποίοι απέδειξαν ότι ο συνολικός συντελεστής των θερμικών απωλειών θερμοκηπίου θερμαινόμενο με σωλήνες ζεστού νερού ήταν σημαντικά υψηλότερος από ότι ενός θερμοκηπίου θερμαινόμενο με ζεστό αέρα. Αναφέρει δε, ότι άλλοι ερευνητές έχουν βρει χαμηλότερες τιμές για τον συντελεστή απωλειών στην περίπτωση της θέρμανσης με σωλήνες και θεωρεί ότι οι δικές του υψηλές τιμές οφείλονται στο μικρό μέγεθος του θερμοκηπίου που χρησιμοποιήθηκε και στο γεγονός ότι οι μισοί από το συνολικό μήκος των σωλήνων θέρμανσης τοποθετηθήκαν κοντά στα εξωτερικά τοιχώματα. Επίσης έδειξε ότι ένα θερμοκήπιο καλυμμένο με PE έχει μια συνολικά μεγαλύτερη ενεργειακή κατανάλωση σε σχέση με ένα γυάλινο όταν η θέρμανση βασίζεται σε σωλήνες, αλλά ότι όταν και τα δύο θερμοκήπια θερμαίνονται με ζεστό αέρα η ενεργειακή τους κατανάλωση είναι κατά προσέγγιση η ιδία.

2.2.4 Θέρμανση Υπεδάφους Θερμοκηπίου Οι εγκαταστάσεις θέρμανσης του εδάφους του θερμοκηπίου έχουν γίνει

βασικό τεχνικό εργαλείο στα μοντέρνα θερμοκήπια. Μέσω της βελτίωσης των περιβαλλοντικών συνθηκών των καλλιεργουμένων φυτών, αυτά επιδρούν και στην απόδοση και στην ποιότητα της καλλιέργειας. Συγκρινόμενες με τις παραδοσιακές εγκαταστάσεις θερμοκηπίων χωρίς θέρμανση του υπεδάφους, οι μοντέρνες εγκαταστάσεις προσφέρουν σύμφωνα με τους Kupraska and Slipek (2000) τα αποδοτικώς ενεργειακά πλεονεκτήματα: η μεταφορά θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας, επιτρέπει την διατήρηση σωστής κατακόρυφης κατανομής της θερμοκρασίας μέσα στο θερμοκήπιο. το υπέδαφος θερμαίνει το ριζικό σύστημα των φυτών, στην πραγματικότητα μια χαμηλότερη ολική θερμοκρασία μέσα στην εγκατάσταση είναι επαρκής. Η μεγάλη θερμοχωρητικότητα του εδάφους

43

ελαχιστοποιεί τις διακυμάνσεις της θερμοκρασιακής πηγής, και ως αποτέλεσμα της θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ του ανώτερου στρώματος του εδάφους και του περιβάλλοντος αέρα, συμπληρωματικά μεταφορά θερμότητας σε όλη την εγκατάσταση συμβαίνει (συμπληρώνοντας δηλ. το κυριο σύστημα θέρμανσης).

Ένα επιπλέον πλεονέκτημα αποτέλεσμα της θέρμανσης του υπεδάφους του θερμοκηπίου βρίσκεται στην εφαρμογή πηγής θερμότητας χαμηλής ενθαλπίας (περιεκτικότητα θερμότητας). Για παράδειγμα οι γεωθερμικές πηγές, η ενέργεια των αποβλήτων από σταθμούς παραγωγής ενέργειας η συνδυαζόμενα συστήματα όπως οι ηλιακοί συλλέκτες μαζί με το θερμοκηπιακό υπέδαφος ενεργούν σαν αποθήκη θερμότητας (Rosik and Dulewska 1992, Rakovek and Hocevar 1988). Στην θερμοκηπιακή πρακτική δυο υπεδάφια συστήματα θέρμανσης επικρατούν: σωλήνες θέρμανσης τοποθετούνται μέσα στο υπέδαφος με κυκλοφορία ζεστού νερού η θερμαινόμενου αέρα, και σωλήνες θέρμανσης τοποθετούνται ακριβώς πάνω στην επιφάνεια του εδάφους ( Boulard et al 1989, Kupraska and Slipek 1996).

Και στα δυο συστήματα ο συνολικός στόχος λειτουργίας, είναι η πρόβλεψη της απαιτούμενης θερμοκρασίας του υπεδάφους σε σχέση με τα είδη των καλλιεργειών που καλλιεργούνται. Για να εκτιμήσουμε την ποσότητα ενεργειακής θερμότητας που πρέπει να εφοδιαστεί στο υπόστρωμα, είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε την συνήθη ολική θερμότητα του συστήματος θέρμανσης του υπεδάφους. Αυτό εξαρτάται από έναν αριθμό εξωγενών παραγόντων, όπως: ο τύπος και η φυσική κατάσταση του υπεδάφους του θερμοκηπίου, η ολική θερμοκρασία εντός της εγκατάστασης, ο τύπος του εδαφικού συστήματος θέρμανσης και οι τεχνικές του παράμετροι, καθώς επίσης οι συνήθεις ιδιότητες του συστήματος( τύπος και συνθήκη του βασικού κατασκευαστικού υλικού, την ταχύτητα ροής και την θερμοκρασία του ζεστού νερού)( Kupraska and Slipek 2000). 2.2. 5 Συστήματα Θέρμανσης με Νερό Χαμηλής Θερμοκρασίας

Εξετάζοντας το θέμα της θέρμανσης θερμοκηπίων πρέπει να αναφέρουμε τις αρχικές έρευνες του Popovski (1986) σχετικά με τον προσδιορισμό μηχανισμών για θέρμανση θερμοκηπίου με θερμά ρευστά χαμηλής θερμοκρασίας. Ο Popovski έδειξε ότι το σύστημα αυτό όταν εγκαθίσταται εντός του θερμοκηπίου χαμηλά, ελαχιστοποιεί την ακτινοβολία προς το διαφανές κάλυμμα (άρα μείωση των θερμικών απωλειών προς την οροφή) και μεγιστοποιεί την ακτινοβολία προς τον φυτικό θόλο, ενώ το έδαφος και το υπέδαφος θερμαίνονται περισσότερο με ακτινοβολία παρά με αγωγή. Στα συστήματα θέρμανσης με νερό χαμηλής θερμοκρασίας οι σωληνώσεις μπορούν να τοποθετηθούν κοντά στις καλλιέργειες, χωρίς τον κίνδυνο καταστροφής των φυτών(λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας του ρευστού), το περιβάλλον κοντά στην καλλιέργεια να ελέγχεται καλύτερα και περιορίζονται οι προσβαλές από μυκητολογικές ασθένειες. Γενικά όταν οι σωληνώσεις αυτών των συστημάτων θέρμανσης είναι τοποθετημένοι σε διάφορα επίπεδα , κοντά στο έδαφος και εντός της περιοχής καλλιέργειας, οι Teitel et al (1999) σε συνδυασμό με τους Baille and Von Elser (1988) συμφωνούν ότι η τοποθέτηση των εναλλακτών θερμότητας κοντά στο έδαφος και ανάμεσα στην καλλιέργεια διευκολύνει καλύτερα τον έλεγχο του μικροκλίματος και καταλήγει σε ομοιομορφία του αέρα και των θερμοκρασιών των φύλλων στο επίπεδο της καλλιέργειας. Τα μειονεκτήματα είναι η ανάγκη για σωληνώσεις με αντοχή στα χημικά και το ότι οι σωληνώσεις πρέπει να μετακινούνται για να διευκολύνουν τις καλλιεργητικές εργασίες.

Σε μια γενική άποψη των χαμηλής θερμοκρασίας συστημάτων θέρμανσης και της επίδρασης τους στο μικροκλίμα (Baille and von Elser, 1988) 6 τύποι τέτοιων συστημάτων θέρμανσης έχουν παρουσιαστεί και μελετηθεί: 1) εναλλάκτες θερμότη-

44

τας μέσα στο έδαφος 2) εναλλάκτες θερμότατος τοποθετημένοι ακριβώς στην επιφάνεια του εδάφους 3) εναέριες σωληνώσεις κοντά στο έδαφος η σε αναβαθμούς, 4) μονάδες αερόθερμων 5) συστήματα θέρμανσης οροφής και 6) ένας συνδυασμός δύο εξ αυτών.

Τα συστήματα αυτά διαφέρουν αρκετά από τα κλασικά συστήματα, όπου το νερό έχει υψηλή θερμοκρασία. Πράγματι, προκειμένου να αποδοθεί η ίδια ποσότητα θερμότητας θα πρέπει η επιφάνεια των θερμαντικών στοιχείων να είναι μεγαλύτερη, ή να είναι μεγαλύτερος ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από το θερμαντικό στοιχείο στον αέρα θερμοκηπίου. Επίσης πρέπει να περάσει μεγαλύτερη μάζα νερού, για να αποδώσει την ίδια ποσότητα θερμότητας και επομένως απαιτούνται σωλήνες μεγαλύτερης διαμέτρου και αντλίες μεγαλύτερης ισχύος, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Κατά τη χρήση αερόθερμων απαιτείται μεγαλύτερη ταχύτητα αέρα για να αποσπαστεί η ίδια ποσότητα θερμότητας, με αποτέλεσμα αυξημένη ηλεκτρική κατανάλωση. Σημαντικό όμως πλεονέκτημα είναι το γεγονός ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σωλήνες από φτηνό πλαστικό υλικό (PE), αντί για σωλήνες από αλουμίνιο ή χάλυβα.

Τα συστήματα θέρμανση με νερό χαμηλής θερμοκρασίας θα πρέπει να σχεδιάζονται προσεχτικά, έτσι ώστε να δημιουργούνται πολύ καλές συνθήκες μικροκλίματος, τόσο στο εναέριο όσο και στο ριζικό σύστημα των φυτών, να βελτιώνεται η ανάπτυξη και εμφάνιση της καλλιέργειας και να μειώνονται οι ζημιές από αρρώστιες και παθογόνα. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται όταν χρησιμοποιούνται συστήματα θέρμανσης στο έδαφος ή στην επιφάνεια, ώστε η θερμοκρασία εδάφους να παραμένει σταθερά στα ιδανικά επίπεδα για κάθε φυτό.

Στην περίπτωση που υπάρχουν δυο ξεχωριστά συστήματα θέρμανσης, τότε είναι δυνατή η ανεξάρτητη θέρμανση της ριζόσφαιρας ή του υποστρώματος και του αέρα του θερμοκηπίου. Γενικά είναι δυνατό να γίνεται συνδυασμός δύο συστημάτων, από τα οποία το ένα δίνει το βασικό φορτίο θέρμανσης (π.χ. θέρμανση εδάφους, εδάφους-αέρα ή εναέριοι σωλήνες) και το δεύτερο δίνει το φορτίο αιχμής (κλασικό σύστημα θέρμανσης ή χαμηλής θερμοκρασίας).

45

2.3 ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΜΕ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.3.1 Γενικά Από τη στιγμή που η πρακτική εφαρμογή των συστημάτων θέρμανσης απαιτείται σχεδόν σε όλα τα θερμοκήπια, η κατανάλωση καυσίμων γίνεται επομένως ένας σημαντικός οικονομικός παράγοντας. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να ξεπεραστεί από την χρήση χαμηλού κόστους θερμαντικών τεχνικών αντί της θέρμανσης με συμβατικά καύσιμα. Εξαιτίας του υψηλά μεγάλου κόστους και της αβεβαιότητας της διαθεσιμότητας των συμβατικών καυσίμων, σημαντική προσοχή έχει δοθεί στις νέες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ως εναλλακτικοί τρόποι θέρμανσης των θερμοκηπίων. Επιπλέον η ανάπτυξη αποδοτικών και οικονομικών συστημάτων αποθήκευσης θερμότητας, και των σχετικών με αυτά μηχανισμών είναι τόσο σημαντική όσο και η ανάπτυξη νέων πηγών ενέργειας από την άποψη της ενεργειακής συντήρησης.

Η ηλιακή ενέργεια η οποία είναι μία άφθονη, καθαρή και ασφαλής πηγή, είναι ένα ελκυστικό υποκατάστατο των συμβατικών καυσίμων για παθητική και ενεργητική θέρμανση στα θερμοκήπια. Κατά την διάρκεια της ημέρας άφθονη ηλιακή θερμότητα συλλέγεται για μικρό η μεγάλο διάστημα αποθήκευσης και αποδίδεται την νύχτα για να διασφαλίσει επαρκώς τις θερμικές ανάγκες του θερμοκηπίου. Αποδοτική και οικονομική αποθήκευση θερμότητας είναι ο κύριος παράγων στην χρήση της ηλιακής ενέργειας για καλλιεργητικούς σκοπούς. Η ηλιακή θερμική ενεργεία μπορεί να υποθηκευθεί σαν αισθητή θερμότητα, λανθάνουσα θερμότητα, θερμότητα αντίδρασης η ένας συνδυασμός αυτών.

Στα περισσότερα αποθηκευτικά συστήματα, αυτή αποθηκεύεται ως αισθητή θερμότητα σε υλικά όπως νερό και πέτρες (Orzurk et al 1999). Στα συστήματα συλλογής αέρα, τα πετρώματα συνήθως χρησιμοποιούνται για αποθήκευση θερμότητας. Για εφαρμογές ηλιακής θέρμανσης στα θερμοκήπια, η χρήση θερμικών αποθηκευτικών μονάδων από εγκιβωτισμένα πετρώματα για θερμικά ενεργειακή αποθήκευση έχει γίνει μια ελκυστικά σχεδιαστική άποψη με όρους κατασκευαστικού κόστους και αποδοτικότητας αποθήκευσης. Η αποτελεσματικότητα της εποχιακής καθώς επίσης και της ημερήσιας εξαρτάται από την διαμόρφωση του συστήματος, τις κλιματολογικές συνθήκες και διάφορα σημεία που τίθενται για τον περιβαλλοντικό έλεγχο του θερμοκηπίου (Orzurk and Bascetincelik 2003). Οι Κyrata και Takamura (1991), διερεύνησαν την κάτω από το έδαφος αποθήκευση ηλιακής ενέργειας για θέρμανση του θερμοκηπίου. Οι δυνατότητες για εποχιακή αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας μέσα στο έδαφος κάτω από το θερμοκήπιο διερευνήθηκε και συγκρίθηκε με εκείνη της ημερήσιας αποθήκευσης. Υπέθεσαν ένα σύστημα συνιστώμενο από συλλέκτες, θερμοκήπιο, σωλήνες συνδεδεμένους με τους συλλέκτες και θαμμένους κάτω από το θερμοκήπιο για κυκλοφορία νερού και ένα άλλο σετ από υπόγειους σωλήνες για την κυκλοφορία του αέρα του θερμοκηπίου. Ένα αριθμητικό πειραματικό έδειξε ότι κάτω από τις συγκεκριμένες συνθήκες, η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώθηκε για κυκλοφορία νερού και αέρα στην εποχιακή αποθήκευση ήταν περισσότερη από την ενέργεια που αποταμιεύτηκε για θέρμανση του θερμοκηπίου.

Στα λανθάνουσας θερμότητας αποθηκευτικά συστήματα, η λανθάνουσα θερμότητα προέρχεται από την αλλαγή φάσης του υλικού που χρησιμοποιείται για ενεργειακά θερμική αποθήκευση. Τα αλλαγής φάσης υλικά (PCM) μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας κατά την αλλαγή της φάσης από στερεό σε υγρό. Τα λανθάνουσας θερμότητας αποθηκευτικά συστήματα που χρησιμοποιούν PCM, γενικά προσφέρουν υψηλότερης πυκνότητας ενεργειακή αποθήκευση σε σχέση με τα αισθητής θερμότητας αποθηκευτικά συστήματα. Οι περισσότερες από τις θερμικές απαιτήσεις του θερμοκηπίου μπορούν να παρέχονται

46

από τα λανθάνουσας θερμότητας αποθηκευτικά συστήματα (Huang et al, 1986). Οι Puri and Zuritz (1985), απέδειξαν ότι τα PCM μπορούν να παρέχουν το 37% των ετησίων θερμικών απαιτήσεων ενός θερμοκηπίου χωρίς κουρτίνες μόνωσης και αυτό το κλάσμα μπορεί να είναι μεγαλύτερο του 80% για ένα μονωμένο θερμοκήπιο. Όμως η αρχική τους οικονομική ανάλυση έδειξε ότι το κόστος εγκατάστασης των PCM είναι σημαντικά υψηλότερο από τα ενεργειακά αποθέματα. Το σύστημα περιγραφόμενο από άλλους ερευνητές (υλικά από χλωριούχα άλατα, 2800Kg) εξασφάλισε το 22% των ετησίων θερμικών αναγκών ενός υαλόφρακτου θερμοκηπίου με επιφάνεια κάλυψης 200 m2. Οι Baille and Boulard (1987), χρησιμοποίησαν CaCl2.6H2O σε ένα θερμοκήπιο με διπλό περίβλημα polycarbonate. Για ανοιξιάτικη φύτευση ντομάτας το σύστημα τους εφοδίασε το 41% των θερμικών απωλειών και η εξοικονόμηση ενεργείας ήταν περίπου 30%.

Η ηλιακή και η γεωθερμική ενέργεια, η ενέργεια από θερμικά απόβλητα, η βιομάζα μπορούν να αξιοποιηθούν στη θέρμανση του θερμοκηπίου, συμβάλλοντας στη εξοικονόμηση ενέργειας, στη μείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος και στον περιορισμό της εξάρτησης από το (εισαγόμενο) πετρέλαιο. Στην πράξη εκτεταμένη εφαρμογή στις θερμοκηπιακές καλλιέργειες έχουν βρει η ηλιακή ενέργεια, η βιομάζα και η γεωθερμική ενέργεια και λιγότερο η αιολική ενέργεια.

2.3.2 Ηλιακή Ενέργεια Τα μέσα που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή της ηλιακής ενέργειας είναι

κυρίως οι ξεχωριστοί ηλιακοί συλλέκτες (αέρα ή νερού) που τοποθετούνται έξω από το θερμοκήπιο, οι ηλιακοί συλλέκτες που αποτελούν στοιχείο της κατασκευής του θερμοκηπίου (θερμοκήπιο με διπλά τοιχώματα όπου κυκλοφορεί διάλυμα που απορροφά την υπέρυθρη μόνο ακτινοβολία) και το ίδιο το θερμοκήπιο. Για την αποθήκευση της θερμικής ενέργειας ώστε να χρησιμοποιηθεί τη νύχτα χρησιμοποιούνται συνήθως νερό σε δεξαμενές, ηλιακές λίμνες, πέτρες και χαλίκια, έδαφος, υλικά αλλαγής φάσης. Οι πέτρες και τα χαλίκια είναι ταυτόχρονα και στοιχεία αποθήκευσης και εναλλάκτες θερμότητας, είναι όμως οπωσδήποτε ογκώδη υλικά. Η απόδοση της θερμότητας στο χώρο του θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια της νύχτας γίνεται με κατάλληλο σύστημα διανομής, δηλαδή σωλήνες κατανεμημένοι σε όλο το χώρο, από πολυπροπυλένιο, πολυαιθυλένιο, αλουμίνιο ή χάλυβα , ή αερόθερμα.

Οι συνήθεις εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας είναι: 1. Θέρμανση εδάφους και υπεδάφους θερμοκηπίου με τη χρησιμοποίηση

εξωτερικού ηλιακού συλλέκτη ζεστού νερού και αποθήκης νερού κάτω από το έδαφος. Τη νύχτα το ζεστό νερό κυκλοφορεί στο θερμοκήπιο και αποδίδει τη θερμότητά του σε αυτό (Kurata and Takamura 1991). Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί εξωτερικός ηλιακός συλλέκτης ζεστού αέρα και αποθήκη θερμότητας σε χαλίκια που βρίσκονται κάτω από τα τραπέζια καλλιέργειας ή κάτω από το έδαφος του θερμοκηπίου (Ozturk and Bascetincelik 2003). Τη νύχτα ο αέρας του θερμοκηπίου κυκλοφορεί από τα χαλίκια και ζεσταίνεται. Ένα στοιχείο που επιβαρύνει το κόστος αυτού του συστήματος, επειδή η αξία της γης γύρω από το θερμοκήπιο είναι υψηλή, είναι το γεγονός ότι για την εγκατάσταση του συλλέκτη απαιτείται έκταση περίπου 30% επιπλέον αυτής του θερμοκηπίου.

2. Θέρμανση εσωτερικού χώρου θερμοκηπίου με τη χρησιμοποίηση διαφανών σωλήνων, μεγάλης διαμέτρου (0,5-0,75m), λεπτών τοιχωμάτων, γεμάτων νερό, που ενεργούν ως παθητικό σύστημα θέρμανσης. Κάτω από τους σωλήνες, που τοποθετούνται ανάμεσα στις γραμμές των φυτών υπάρχει μαύρο φύλλο πολυαιθυλενίου που συλλέγει τη φωτεινή ηλιακή ακτινοβολία, τη μετατρέπει σε ενέργεια και τη δίνει στο νερό. Οι σωλήνες του νερού τη μέρα συλλέγουν το 20%

47

περίπου της ηλιακής ενέργειας που μπαίνει στα θερμοκήπια. Τις ψυχρές ώρες το ζεστό νερό ελκύει θερμότητα προς το χώρο του θερμοκηπίου (Grafiadellis 1986, Mavrogianopoulos and Kyritsis 1993).

Από διάφορες έρευνες που έγιναν βρέθηκε ότι με το ηλιακό αυτό σύστημα ανυψώνεται κατά 3-6ο C η ελάχιστη θερμοκρασία του αέρα, των φυτών και του εδάφους του θερμοκηπίου, μειώνεται κατά 10-12% η σχετική υγρασία του αέρα του θερμοκηπίου και η απόθεση σταγόνων πάνω στα φυτά και αυξάνεται κατά 10-15% τις μεσημεριανές ώρες της ημέρας η ένταση του φωτός και πολύ περισσότερο τις πρωινές ώρες. Επίσης μειώνεται κατά 3-4ο C η μέγιστη θερμοκρασία. Το παθητικό ηλιακό σύστημα έχει εφαρμοστεί σε αρκετές εκτάσεις (800στρ. περίπου) κυρίως στη Β. Ελλάδα και συνιστάται ιδιαίτερα σε καλλιέργειες μικρού ύψους.

3. Θέρμανση εδάφους και εσωτερικού του θερμοκηπίου με τη χρησιμοποίηση εναλλάκτη εδάφους-αέρα. Στο υπέδαφος του θερμοκηπίου και σε βάθος 1-2 m εγκαθίσταται εναλλάκτης θερμότητας εδάφους- αέρα που αποτελείται συνήθως από πλαστικούς σωλήνες μικρού πάχους και διαμέτρου 0,2-0,4 m. Η θερμοκρασία του χώρου του θερμοκηπίου ρυθμίζεται με κυκλοφορία του αέρα του θερμοκηπίου σε κλειστό κύκλωμα, μέσα από το σύστημα του εναλλάκτη. Η κυκλοφορία του αέρα γίνεται με τη λειτουργία ανεμιστήρων οποτεδήποτε η θερμοκρασία του χώρου πέσει κάτω από την ελάχιστη επιθυμητή θερμοκρασία ή υπερβεί τη μέγιστη επιθυμητή. Επειδή η θερμοκρασία του υπεδάφους μεταβάλλεται πολύ λίγο και με χρονική υστέρηση κατά τη διάρκεια του 24ώρου και είναι συνήθως υψηλότερη από την ελάχιστη επιθυμητή και χαμηλότερη από τη μέγιστη επιθυμητή ου αέρα του θερμοκηπίου, ο αέρας που κυκλοφορεί στον εναλλάκτη όταν έχει χαμηλή θερμοκρασία αποσπά ενέργεια από το υπέδαφος. Κατα αυτόν τον τρόπο το υπέδαφος χρησιμοποιείται ως φθηνή αποθήκη ενέργειας που ταυτόχρονα αποθηκεύει και με φυσικό τρόπο ενέργεια από το καλοκαίρι μέχρι και το χειμώνα (Mavrogianopoulos and Kyritsis 1986, Kempkes et al, 2000).

Προς το παρόν, τα ηλιακά συστήματα στο θερμοκήπιο έχουν εφαρμοστεί εμπορικά σε λίγες μόνο περιπτώσεις με πλήρη επιτυχία, γιατί εμφανίζουν μεγάλο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης. Με τη συνεχή όμως βελτίωσή τους και την αύξηση της τιμής των καυσίμων, δεν αποκλείεται σύντομα να εφαρμοστούν με θετικό οικονομικό αποτέλεσμα σε μεγάλη έκταση. Με τα σημερινά δεδομένα η ηλιακή ενέργεια δεν μπορεί να καλύψει οικονομικά, το 100% των αναγκών του θερμοκηπίου. Υπολογίζεται ότι το άριστο που μπορεί να τροφοδοτήσει η ηλιακή ενέργεια κυμαίνεται από 60-70% μέχρι 10-12%. Η σημαντική αυτή διαφορά οφείλεται στις υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις του θερμοκηπίου όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλή. Το αποτέλεσμα είναι να αυξάνεται το μέγεθος του συλλέκτη και του συστήματος αποθήκευσης και να εξαρτάται βασικά από τις ενεργειακές ανάγκες μερικών μόνο ψυχρών και συννεφιασμένων ημερών, όταν δεν είναι διαθέσιμη η ηλιακή πηγή κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αναλύοντας το κόστος των συστημάτων αυτών, μπορεί κανείς να προτείνει ένα βοηθητικό σύστημα θέρμανσης, το οποίο θα καλύπτει τις απαιτήσεις σε θερμότητα τις συννεφιασμένες περιόδους. Είναι ευνόητο ότι η ηλιακή ενέργεια γίνεται πιο αποδοτική όταν συνδυάζεται με συστήματα εξοικονόμησης ενέργειας που μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις ανάγκες θέρμανσης. 2.3.3 Γεωθερμική Ενέργεια Πρόκειται για την ενέργεια που παράγεται στο υπέδαφος και μεταφέρεται στην επιφάνεια του εδάφους μέσω διαφόρων ρευστών (κυρίως του νερού), τα οποία

48

βρίσκουν φυσική διέξοδο από τα βάθη της γης προς την επιφάνεια ή ανεβαίνουν με ειδικές γεωτρήσεις.

Οι παράγοντες οι οποίοι προσδιορίζουν το κόστος της εκμετάλλευσης, σε συνδυασμό με τα φυσικά, χημικά και περιβαλλοντολογικά προβλήματα που μπορεί να προκύψουν κατά την παραγωγή και τη χρήση της, είναι η θερμοκρασία, το βάθος, η διαθεσιμότητα και η περιεκτικότητα ή ανάμειξη διαφόρων χημικών ουσιών και αλάτων στο νερό (θερμικό φορέα).

Η γεωθερμία χαμηλής ενθαλπίας (Θ<100 oC) που εντοπίζεται μακριά από κατοικημένες περιοχές, προσφέρεται αποκλειστικά για γεωργικές χρήσεις, ενώ η γεωθερμία υψηλής ενθαλπίας (Θ=150-300 oC) συμφέρει για παραγωγή ηλεκτρισμού (Μαυρογιαννόπουλος, 1992).

Η Ελλάδα διαθέτει ένα μεγάλο αριθμό πηγών υψηλής, μέσης και χαμηλής ενθαλπίας και μάλιστα σε μικρά βάθη (50-400m, έναντι 2.800-3.200m στην Ουγγαρία). Προς το παρόν όμως η χρήση γεωθερμικών νερών εντοπίζεται κυρίως στη Βόρεια Ελλάδα, για τη θέρμανση περίπου 200 στρ. θερμοκηπίων. Κι αυτό γιατί η χρήση της γεωθερμίας παρουσιάζει αρκετά προβλήματα, σε ότι αφορά τόσο τη διανομή της ενέργειας στα θερμοκήπια όσο και την ανάπτυξη και παραγωγή των φυτών, με αποτέλεσμα τη σχετικά περιορισμένη εφαρμογή της. Το σημαντικότερο πρόβλημα δημιουργείται από την υψηλή αλατότητα του γεωθερμικού νερού, το οποίο συχνά περιέχει άλατα διαβρωτικά για τα κοινά μέταλλα και απαιτεί τη χρησιμοποίηση ακριβότερων μετάλλων στους εναλλάκτες. Ακόμη όμως και αν δεν είναι διαβρωτικά, συχνά τα άλατα καθιζάνουν στα τοιχώματα των σωλήνων που πολύ γρήγορα κλείνουν. Η χρησιμοποίηση κατάλληλων πλαστικών υλικών είναι μια καλή και οικονομική λύση. Μια γεώτρηση που φθάνει στο βάθος του γεωθερμικού ορίζοντα, μπορεί να αντικαταστήσει την εγκατάσταση ενός κλασικού συστήματος θέρμανσης σε ένα θερμοκήπιο. Στο σύστημα μεταφοράς της θερμότητας υπάρχει μια αντλία υπολογισμένη να δίνει την παροχή και πίεση που απαιτεί το σύστημα θέρμανσης και οι ανάγκες του χώρου (Γραφιαδέλλης, 1995).

2.3.4. Βιομάζα Η ενέργεια που χάνεται από τα ζωικά και φυτικά υπολείμματα ή απόβλητα

μπορεί να αξιοποιηθεί, με την εφαρμογή της κατάλληλης τεχνολογίας. Η βιομάζα, όπως λέγεται το σύνολο αυτών των οργανικών υλικών (άχυρα, στελέχη, κελύφη καρπών, κουκούτσια, κλαδιά, υποπροϊόντα γεωργικών βιομηχανιών και μονάδων επεξεργασίας ξύλου κ.ά.), αποδίδει ενέργεια με διάφορες μεθόδους, οι κυριότερες από τις οποίες είναι :

Η άμεση καύση, που είναι η πιο απλή και παλιά μέθοδος. Μια τέλεια καύση, 1 Kg ξερής βιομάζας (10% υγρασία) δίνει περίπου 3.900 kcal. Περισσότερο διαδεδομένη είναι η χρήση του πυρηνόξυλου παραπροϊόντος της πυρηνελαιουργίας, το οποίο βρίσκεται σε αφθονία στην Ελλάδα και σε προσιτή τιμή, ιδίως στις ελαιοκομικές περιοχές (Κρήτη, Λακωνία κ.ά.). Σημειώνεται ότι 1 Kg πυρηνόξυλο έχει θερμογόνο δύναμη 3.800 kcal, έναντι 10.200 kcal/Kg πετρελαίου (δηλαδή 1Kg πετρέλαιο ισοδυναμεί με 2,7 Kg πυρηνόξυλο). Επίσης, το κόστος κατασκευής ενός λεβητοστάσιου με πυρηνόξυλο είναι αυξημένο, αλλά αν υπολογίσει κανείς τη σημαντική οικονομία από τη διαφορά τιμής του καυσίμου και την έλλειψη αδράνειας στη θέρμανση, η οποία παρατηρείται στα κλασικά συστήματα (επειδή δε συμφέρει οικονομικά η συνεχής λειτουργία τους), το όφελος που προκύπτει ετησίως είναι μεγαλύτερο.

49

Η αεριοποίηση της φυτικής βιομάζας, που γίνεται με θερμοχημικές μεθόδους ή με βιοχημικές μετατροπές. - Κατά τη θερμοχημική μέθοδο, που χρησιμοποιήθηκε παλαιότερα σε

περιόδους έλλειψης υγρών καυσίμων, η θερμότητα δρα στα δομικά μόρια του υλικού, είτε με απουσία αέρα (πυρόλυση) είτε με αυστηρά ελεγχόμενη παρουσία αέρα (ανθρακοποίηση-αεριοποίηση), οπότε παράγεται αέριο μικρότερης θερμογόνου δύναμης απ’ ότι με την πυρόλυση. Η μέθοδος αυτή, πάντως, δε φαίνεται να έχει μέλλον στη θέρμανση θερμοκηπίων.

- Με τη βιομηχανική μέθοδο, η οποία έχει αναπτυχθεί αρκετά τα τελευταία χρόνια, η χλωρή φυτική βιομάζα αποσυντίθεται με τη βοήθεια μικροοργανισμών και παράγεται καύσιμο βιοαέριο, το οποίο αποτελείται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό από μεθάνιο και το υπόλοιπο από διοξείδιο του άνθρακα κυρίως. Το υποπροϊόν αυτής της βιομηχανικής διεργασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν λίπασμα, αφού το άζωτο της πρώτης ύλης ανοργανοποιείται. Η απόδοση σε βιοαέριο των συστημάτων αυτών κυμαίνεται μεταξύ 300 και 800 lit/Kg, ανάλογα με τη μέθοδο και την πρώτη ύλη. Η περιεκτικότητα του βιοαερίου σε μεθάνιο είναι 50-65% και με την καύση αποδίδει 13,4 MJ/Kg, έως 20,3 MJ/Kg, αντίστοιχα.

Η αναερόβια ζύμωση των κτηνοτροφικών αποβλήτων, που γίνεται με διάφορα συστήματα, ανάλογα με τον τύπο των αποβλήτων (υγρά ή στερεά) και το είδος των εκτρεφόμενων ζώων. Τα συστήματα διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά την προετοιμασία των αποβλήτων, ώστε οι συνθήκες ζύμωσης να είναι οι καλύτερες δυνατές. Τα απόβλητα θα πρέπει να έχουν ομοιόμορφη δομή και να μην υπάρχουν μεγάλα κομμάτια, η τροφοδοσία να είναι συνεχής και η θερμοκρασία κατάλληλη. Τα διάφορα συστήματα αξιολογούνται ανάλογα με την ποσότητα βιοαερίου που παράγουν και την περιεκτικότητά του σε μεθάνιο. Γενικά από ένα σύστημα αναερόβιας ζύμωσης των αποβλήτων κτηνοτροφικής μονάδας παράγονται μέχρι 0,6 m3 βιοαέριο ανά ζώο και ημέρα, προκειμένου για αγελάδες και αντίστοιχα με την καύση αυτού του βιοαερίου αποδίδεται από κάθε ζώο ενέργεια 12,96 MJ/ημέρα. Το σημαντικότερο πρόβλημα στα συστήματα αναερόβιας ζύμωσης είναι το μεγάλο κόστος αποθήκευσης του παραγόμενου βιοαερίου, γεγονός που εμποδίζει και την ευρύτερη χρήση της μεθόδου αυτής για τη θέρμανση των θερμοκηπίων.

2.3.5 Αιολική Ενέργεια

Η ενέργεια του ανέμου (αιολική ενέργεια) στο πεδίο του θερμοκηπίου μπορεί να αξιοποιηθεί για να καλύψει διάφορες ενεργειακές ανάγκες του σε ηλεκτρισμό και θερμότητα. Η αιολική ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι και συμπληρωματική της ηλιακής ενέργειας επειδή μπορεί να συμβάλλει τόσο κατά την ημέρα όσο και κατά την νύκτα στη διάρκεια όλου του έτους. Μέχρι τώρα έχουν μελετηθεί διατάξεις ανεμογεννητριών και φωτοβολταϊκών με ενδιαφέροντα αποτελέσματα (Bristot et al, 2002, Elhadidy and Shaahid 1999, Kawakami and Seki, 2002). Κατάλληλες αιολικές μηχανές για χρήση στα θερμοκήπια είναι οι μικρές ανεμογεννήτριες, που πρέπει να είναι αποδοτικές και για μικρές ταχύτητες ανέμου και να είναι αισθητικά συμβατές με το περιβάλλον του θερμοκηπίου, έχοντας ένα σχετικά χαμηλό ύψος. Οι ανεμογεννήτριες (WT) μπορούν να συμβάλλουν στην κάλυψη των αναγκών του θερμοκηπίου σε ηλεκτρισμό, αλλά και ακόμη να αποθηκεύεται η πλεονάζουσα ποσότητα παραγόμενου ηλεκτρισμού σε θερμότητα (Tripanagnostopoulos and Tselepis 2003), για χρήση στη διάρκεια της νύκτας όπου υπάρχουν ανάγκες διατήρησης της θερμοκρασίας του θερμοκηπίου.

50

Πίνακας 2.1 : Διάφορα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που

ηγή ενέργειας Θερμαντικό σώμα Διανομή θερμότητας

χρησιμοποιούνται για θέρμανση του θερμοκηπίου (Μαυρογιανόπουλος 2001)

Π

Ηλιακή ενέργεια • παθητικοί συλλέκτες

ς • δυναμικοί συλλέκτες

• αποθήκες θερμότητας

θερμό νερό θερμός αέρα

Γεωθερμική ενέργεια τητας

θερμό νερό ς

• απ’ ευθείας χρήση • μεταλλάκτες θερμό• αντλίες θερμότητας

θερμός αέρα

Απόβλητη ενέργεια ητας

θερμό νερό σε σωλήνες βιομηχανίας

• απ’ ευθείας χρήση τ• μεταλλάκτες θερμό

• αντλίες θερμότητας θερμός αέρας

Άνεμος • μηχανική δύναμη • αποθήκευση θερμότη • ηλεκτρόθεμα

τας ς θερμό νερό θερμός αέρα

Ξηρή βιομάζα ν θερμός αέρας

• καυστήρες ξηρών καυσίμω θερμό νερό

Βιοαέριο • καυστήρες αερίου θερμό νερό θερμός αέρας

Υδατοπτώσεις • παραγωγή ηλεκτρισμού • μηχανική δύναμη θερμό νερό

θερμός αέρας Νερό ή αέρας • Αντλία θερμότητας θερμό νερό

θερμός αέρας

51

2.4 ΨΥΞΗ

2.4.1 ισαγωγή τασκευή του το θερμοκήπιο αποτελεί ένα ηλιακό συλλέκτη ο νδυασμό της παγίδευσης της ηλιακής ακτινοβολίας και του

περιορι

λία, Νότια

που παρατη

π υ π Ένας

.4.2 Αερισμός

ΕΑπό την κα

οποίος με τον συσμού των ανταλλαγών θερμότητας με συναγωγή οδηγεί σε υψηλές

θερμοκρασίες στο εσωτερικό του. Οι θερμοκρασίες αυτές γίνονται υπερβολικές όταν η ηλιακή ακτινοβολία είναι έντονη και ο έλεγχος της θερμοκρασίας καθίσταται απαραίτητος. Τα θερμοκήπια χρειάζεται να ψύχονται και το ρεύμα αερισμού γίνεται αυξητικά κρίσιμο και μια ποικιλία θερμοκηπίων, ιδιαίτερα αυτών σε θερμά κλίματα της Μεσογειακής λεκάνης. Ο καλύτερος τρόπος να πληρούνται οι ανάγκες της εμπορικής αγροτικής παραγωγής είναι μια βέλτιστη διαχείριση του κλίματος του θερμοκηπίου. Αυτό θα πρέπει να περιλαμβάνει την αποτελεσματική χρήση της ηλιακής ενέργειας, θέρμανση εδάφους και αέρα, αερισμό και δροσισμό, έλεγχο υγρασίας, εμπλουτισμό με CO2 και εφαρμογή λίπανσης. Μια ουσιαστική διαδικασία είναι η εναλλαγή αέρα μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος του θερμοκηπίου. Αυτό άμεσα επιδρά στην μεταφορά της αισθητής θερμότητας, στην εξάτμιση H2O και στο CO2 προς ή από τον εσωτερικό αέρα. Επομένως μια ακριβής κατανόηση των μηχανισμών της εναλλαγής αέρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του αέρα, της συγκέντρωσης CO2 και στην μείωση υπερβολικής υγρασίας που οφείλεται στην διαπνοή των φυτών (Roy et al, 2002).

Ο κλιματισμός των θερμοκηπίων κατά τη θερινή περίοδο είναι πρόβλημα που γίνεται όλο και πιο σοβαρό σε ζώνες μεσογειακού κλίματος όπως η Ελλάδα, Ιτα

Γαλλία, Ισπανία και οι χώρες της Βόρειας Αφρικής. Οι περιοχές αυτές τον τελευταίο καιρό γνώρισαν μεγάλη ανάπτυξη στον τομέα των θερμοκηπιακών καλλιεργειών, χάρη στις κλιματολογικές συνθήκες του χειμώνα, οι οποίες είναι πολύ πιο ευνοϊκές από αυτές που επικρατούν στις βόρειες χώρες, όπως η Ολλανδία.

Το πρόβλημα έγκειται στη συμπεριφορά αυτών των θερμοκηπίων κατά τις περιόδους μεγάλης ζέστης καθόσον οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες

ρούνται, συνδυαζόμενες συχνά με ανεπαρκή υγρασία, δεν ευνοούν την παραγωγή ροϊόντων ψηλής οιότητας. καλός κλιματισμός κατά την θερινή περίοδο είναι απαραίτητος, αλλά απαιτεί επενδύσεις μικρότερες ή μεγαλύτερες ανάλογα με την ποιότητα που επιθυμεί ο καλλιεργητής. Είναι προφανές ότι είναι πολύ πιο δύσκολο να ψυχθεί ένα θερμοκήπιο το καλοκαίρι από το να θερμανθεί τον χειμώνα. Η καθαρή ακτινοβολία στο θερμοκήπιο το καλοκαίρι φτάνει, στη μέγιστη τιμή, τα 500-600 Wm-2 από τα οποία, αν θέλουμε να έχουμε θερμοκρασίες ανάλογες με τις εξωτερικές, πρέπει να αφαιρεθούν 200-250 Wm-2 αισθητής θερμότητας. Η εξάλειψη αυτής της πλεονάζουσας ενέργειας δεν μπορεί να γίνει με κλασικά ψυκτικά μηχανήματα που είναι πολύ ακριβά, αλλά πρέπει να γίνει με μεθόδους όσο το δυνατόν λιγότερο δαπανηρές όπως ο αερισμός (φυσικός ή δυναμικός εξαερισμός), ο δροσισμός, η τεχνική ομίχλη, η σκίαση ή συνδυασμός περισσότερων του ενός από αυτά τα συστήματα.

2

52

Ο όρος «αερισμός» του θερμοκηπίου περιλαμβάνει δύο έννοιες: Την αν δημιουργία

ερισμό είναι μεγάλες, πό νω

άδευση του εσωτερικού αέρα του θερμοκηπίου, με σκοπό τηομοιόμορφων συνθηκών σ’ όλη την έκταση του, και Την ανταλλαγή του θερμού αέρα του θερμοκηπίου με τον εξωτερικό αέρα, που ονομάζεται ειδικότερα εξαερισμός. Στόχος του εξαερισμού είναι η ρύθμιση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου κατά τη θερμή περίοδο, η μείωση της σχετικής υγρασίας και η ρύθμιση της συγκέντρωσης του CO2.

Στις ελληνικές κλιματικές συνθήκες, οι ανάγκες για εξαα ρίς την άνοιξη έως αργά το φθινόπωρο. Ακόμα και το χειμώνα, που, με απλή ανάδευση του αέρα, επιδιώκεται βασικά η ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στο θερμοκήπιο, υπάρχουν περιπτώσεις που απαιτείται εξαερισμός για μείωση της θερμοκρασίας, ιδιαίτερα στις νότιες περιοχές, τις ηλιόλουστες ώρες.

Ένα αποτελεσματικό σύστημα εξαερισμού πρέπει:

να έχει ικανοποιητική ισχύ, ώστε να μπορεί, αλλάζοντας τον αέρα του θερμοκηπίου, να περιορίζει στο ελάχιστο την αύξηση της θερμοκρασίας, κατά τις θερμές ώρες της ημέρας.

Να δημιουργεί ομοιόμορφες συνθήκες, Να έχει μικρές απαιτήσεις συντήρησης, Να είναι απλό και αξιόπιστο και να διαθκόστος εγκατάστασης και λειτουργίας.

έτει αυτοματισμούς, να έχει χαμηλό

Δ α κινείται λόγω των διαφορών πίεσης που

(

2.

Οι ι παράγοντες που επηρεάζουν τις ανάγκες σε εξαερισμό είναι:

ι κρίνουμε δύο τύπους εξαερισμού: 1. Φυσικό ή στατικό, όταν ο αέρας

δημιουργούνται από τις φυσικές συνθήκες άνεμοι, διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού-εξωτερικού χώρου και συνδυασμός τους). Δυναμικό, όταν οι διαφορές πίεσης που κινούν τον αέρα δημιουργούνται από ανεμιστήρες.

σημαντικότερο Η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. στο θερμοκήπιο που εξαρτάται από το Η μέγιστη ανεκτή θερμοκρασία μέσα είδος του φυτού.

Το μέγεθος και τα υλικά κατασκευής του θερμοκηπίου. οδιαπνοής στο χώρο του θερμοκηπίου.

.4 Φυσικός Εξαερισμός ός μεταξύ του εσωτερικού ενός θερμοκηπίου και του κύριος ρυθμιστικός παράγοντας για τον έλεγχο του

μικροκ

Ο ρυθμός εξατμισ

2 .3Ο φυσικός εξαερισμ

περιβάλλοντος του είναι ολίματος του θερμοκηπίου. Η διαδικασία του εξαερισμού περιλαμβάνει ένα

κύριο ρεύμα αέρα κινούμενο από σταθερά πεδία πιέσεων δημιουργούμενα από τον άνεμο, μια τυρβώδη ροή κινουμένη από διακυμάνσεις των πιέσεων του αέρα και από ένα φαινόμενο στρωμάτωσης λόγω των δυνάμεων άνωσης και θερμοκρασιακών διαφορών (Boulard et al, 1998). Με δεδομενο ότι ο φυσικός εξαερισμός είναι η συνήθης πρακτική καθώς πια τώρα όλα τα θερμοκήπια περιλαμβάνουν κάποιο τέτοιο σύστημα εξαερισμού (Boulard and Baille 1995, Kittas et al, 1997), στόχος είναι να βελτιστοποιήσουμε το θερμοκήπιο και τον σχεδιασμό του αερισμού. Ένα αποδοτικό σύστημα αερισμού είναι ιδιαίτερα κρίσιμο υπό Μεσογειακές συνθήκες για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του αέρα και της σχετικής υγρασίας και σε ορισμένο βαθμό της

53

διαπνοής της καλλιέργειας (Boulard and Baile, 1993) Οι περισσότερες πειραματικές μελέτες πάνω στον εξαερισμό σε πλήρους

κλίμακας θερμοκήπια έχουν χρησιμοποιήσει tracer τεχνικές (διοχέτευση αερίου για κυκλοφ

ύο, ανέμου και δυνάμεων άνωσης

ις α ς π ι

μπής και φωταγωγούς, ανεμιστήρες οροφής και ειδικού σχεδιασμού εσωτερ κ

αι συγκέν

να

ς του θερμοκηπίου ανανεώνεται σε μια ώρα

ορία εντός του χώρου). Αυτές περιλαμβάνουν μετρήσεις σε θερμοκήπια εξοπλισμένα είτε με ανεμιστήρες οροφής (Fernadez and Bailey, 1992) η εξαεριστήρες οροφής και πλαϊνών (Papadakis et al 1996, Kittas et al, 1996). Εν τούτοις οι tracer τεχνικές ούτε επιτρέπουν σαφή ταυτοποίηση των στοιχείων της συνολικής ροής ούτε πρόβλεψη του μοντέλου ροής του αέρα. Πιο πρόσφατα απευθείας μετρήσεις στις εναλλαγές αέρα και θερμότητας διαμέσου εξαεριστήρων θερμοκηπίου είχαν αναλάβει να υπολογίσουν τα μεγέθη των διαφορετικών στοιχείων της ροής χρησιμοποιώντας μονοδιάστατα ηχητικά ανεμόμετρα και λεπτά θερμοζεύγη.

Ο μηχανισμός του φυσικού εξαερισμού εξαρτάται από τις επιδράσεις του ανέμου, την θερμική άνωση και τον συνδυασμό και των δ

.( Hsin Yu et al, 2002). Η ταχύτητα και η διεύθυνση του ανέμου είναι οι κυρίαρχοι παράγοντες στις επιδράσεις του επαγόμενου ανέμου. Οι Miguel et al (2001), υπέδειξαν ότι μια πλήρης κατανόηση της σχέσης μεταξύ των χαρακτηριστικών του ανέμου (ταχύτητα και διεύθυνση) και των χαρακτηριστικών του εξαερισμού (διαστάσε , εσωτερικός κ ι εξωτερικό σχεδιασμός) α αιτούντα για να επιτευχθεί αποδοτικός φυσικός εξαερισμος. Δηλ. ο εξαερισμος και οι ρυθμοί διαφυγής εξαρτώνται από περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου, διαφορά εσωτερικής και εξωτερικής θερμοκρασίας και το άνοιγμα του αερισμού.

Τα ανοίγματα φυσικού αερισμού περιλαμβάνουν παράθυρα, πόρτες, ανοίγματα εκπο

ικά αι εξωτερικά ανοίγματα. Ο ρυθμός φυσικού εξαερισμού εξαρτάται από την επίδραση του μετακινουμένου ανέμου μέσω των ανοιγμάτων. Προτείνεται μια εμπειρική σχέση για να προβλέπει την ροή μέσω ενός πλαϊνού τοιχώματος ανοίγματος ως συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου και της αποτελεσματικότητας των ανοιγμάτων. Η σχέση αυτή είναι Q = EAV, όπου Q ο ρυθμός ροής ανέμου σε m3/s, Ε η αποτελεσματικότητα των ανοιγμάτων (μη διαστασοποιημένη), Α το μέγεθος του εσωτερικού ανοίγματος σε m2 και V η ταχύτητα του ανέμου σε m/sec

Η εναλλαγή αέρα μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος του θερμοκηπίου επιδρά στις περιβαλλοντικές συνθήκες όπως θερμοκρασία, υγρασία κ

τρωση CO2 που με την σειρά τους επιδρούν στην ανάπτυξη και παραγωγή της καλλιέργειας. Κατά την διάρκεια του χειμώνα, ο εξαερισμός πρέπει να αναιρεί την υπερβολική υγρασία και να παρέχει μια καλή ατμόσφαιρα εντός του θερμοκηπίου, ενώ κατά την διάρκεια του καλοκαιριού οι κύριες αιτίες για αερισμό είναι για δροσισμό και για αφαίρεση υγρασίας , εξαρτώμενες από τις εσωτερικές συνθήκες. Εντούτοις η ακρίβεια της πρόβλεψης είναι ακόμα αβέβαιη εξαιτίας των δυσκολιών της εκτέλεσης ακριβών μετρήσεων και του ελλείμματος μοντέλων που πρέπει εφαρμοστούν σε ένα μεγάλο αριθμό διαφορετικών θερμοκηπίων. Οι μετρήσεις του εξαερισμού και οι ρυθμοί διαφυγής είναι απαραίτητες για να παρέχουν καλή κατανόηση του ελέγχου του κλίματος στα θερμοκήπια. Είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τα χαρακτηριστικά του εξαερισμού ενός θερμοκηπίου για να προάγουμε καλό έλεγχο των εσωτερικών περιβαλλοντικών συνθηκών και μια καλή απόδοση σε υψηλής ποιότητας παραγωγή (Batista et al, 1999).

Γενικά χαρακτηρίζουμε τον αερισμό ενός θερμοκηπίου με βάση τον ρυθμό ωριαίας ανανέωσης Ν, δηλ. το πόσες φορές ο όγκο

.(h-1). Από συγκριτική άποψη είναι προτιμότερο να εκφράζεται ο αερισμός ως ροή όγκου αέρος η μάζα αέρος που αντιστοιχεί στην επιφάνεια του ανοίγματος η στην επιφάνεια του θερμοκηπίου.

54

Σε ένα θερμοκήπιο που διαθέτει ανοίγματα οροφής και πλαϊνά (σχήμα 10) ο φυσικός αερισμός δηλ. η ροή αέρα μέσω ενός ανοίγματος προκαλείται από τον συνδυα

εριβάλλοντος και εσωτερικού

2. θυρα

της πλευράς με τη μεγαλύτερη πίεση και βγαίνει από εκείνα της απέναντι

Σχήμα 5: Ανοίγματα φυσικού εξαερισμού θερμοκηπίου

Τα ανοίγμ -30% της επιφάνειας του εδά οποιητικός (Γραφιαδέλ

, σε όλο το μήκος υ θε

σμό των διαφορών πίεσης που δημιουργούνται:

1. λόγω των δυνάμεων άνωσης που οφείλονται σε διαφορές θερμοκρασίας (φαινόμενο καμινάδας) μεταξύ εξωτερικού πχώρου, καθώς ο θερμός αέρας μέσα στο θερμοκήπιο, επειδή είναι ελαφρύς, ανεβαίνει προς τα πάνω και βγαίνει από τα ανοίγματα της οροφής. Έτσι δημιουργείται υποπίεση και από τα πλευρικά ανοίγματα εισέρχεται στο θερμοκήπιο ψυχρός αέρας, ο οποίος επειδή είναι βαρύτερος παραμένει χαμηλά μέχρι να ζεσταθεί, οπότε ανεβαίνει μέχρι την οροφή κ.ο.κ.

λόγω της ταχύτητας του ανέμου, αφού ο αέρας μπαίνει από τα παρά

πλευράς που έχει μικρότερη πίεση (Kittas et al, 2001).

ατα πρέπει να καλύπτουν μια επιφάνεια ίση με το 25φους, ώστε ο ρυθμός ανανέωσης του αέρα να είναι ικαν

λης, 1987). Η ελάχιστη σχετική επιφάνεια των ανοιγμάτων εξαερισμού, εξαρτάται από τις κλιματικές συνθήκες τις περιοχής και από το είδος των φυτών που καλλιεργούνται. Η έκταση και το γεωμετρικό σχήμα των ανοιγμάτων του θερμοκηπίου επηρεάζει σημαντικά την αντίσταση της ροής και επομένως το ρυθμό αερισμού. Τα παράθυρα της υπήνεμης πλευράς, που βρίσκονται σε αρνητική πίεση σε σχέση με τη βαρομετρική, είναι ασφαλέστερο να ανοίγουν πρώτα. Ο καλύτερος τρόπος φυσικού εξαερισμού είναι ο συνδυασμός πλευρικών ανοιγμάτων με παράθυρα οροφής, σε διάφορες διαστάσεις ή συνεχήτο ρμοκηπίου. Αυτός ο συνδυασμός ανοιγμάτων έχει ως αποτέλεσμα καλό εξαερισμό, ιδιαίτερα τις θερμές περιόδους του έτους. Η αυτοματοποίηση των ανοιγμάτων γίνεται με ηλεκτροκινητήρες που η εκκίνηση τους γίνεται με την βοήθεια θερμοστάτη χώρου. Το μειονέκτημα είναι ότι το σύστημα λειτουργεί με βάση μόνο τη θερμοκρασία του χώρου, χωρίς να παίρνει υπόψη τους ανέμους. Ένας ισχυρός άνεμος, όμως, μπορεί να προκαλέσει υπερβολική μείωση της θερμοκρασίας και εκτός από το θερμοστάτη πρέπει να υπάρχει και ανεμόμετρο, ώστε να λαμβάνεται υπόψη και η ταχύτητα του αέρα. Μόνο με την λειτουργία τέτοιου συστήματος δεν μπορούν να επιτευχθούν πολύ χαμηλές θερμοκρασίες στο χώρο του θερμοκηπίου, ιδιαίτερα τις

55

ημέρες με άπνοια (η θερμοκρασία μέσα στο θερμοκήπιο είναι συνήθως μεγαλύτερη από την εξωτερική κατά 6οC και πάνω). Τέλος, για να λειτουργήσει σωστά απαιτούνται κατασκευές θερμοκηπίου μεγάλου ύψους και δυνατότητα κατασκευής στεγανών παραθύρων οροφής που να αυτοματοποιούνται εύκολα.

Το χειμώνα η θερμοκρασία πρέπει να ρυθμίζεται μόνο από τα ανοίγματα της οροφής, ώστε να προφυλάσσονται τα φυτά από τα ψυχρά ρεύματα. Την άνοιξη και το φθινόπ

τον αερισμό και τους ρυθμούς διαφυγής όπως tracer gas τεχνικές, μ ι κ

ξαερισμού. Ένας παράγοντας επίσης που έμ

ς

2.4.4 υναμικός Εξαερισμός πια στις Μεσογειακές περιοχές δροσίζονται κυρίως

ος εξαερισμού είναι αποτελεσματικός μόνο όταν υπάρχει

ωρο υπολογίζεται ότι στις ελληνικές συνθήκες απαιτούνται περίπου 40 αλλαγές του αέρα του θερμοκηπίου, την ώρα. Το καλοκαίρι όμως, συχνά δεν επαρκούν τα ανοίγματα για τη μείωση της υψηλής θερμοκρασίας, οπότε είναι απαραίτητη η εφαρμογή δυναμικού εξαερισμού, σε συνδυασμό ίσως και με σύστημα δροσισμού. Διάφορες τεχνικές έχουν χρησιμοποιηθεί για να μετρήσουν και να προβλέψουν ενεργειακά ισοζύγια και ετρήσε ς διαφορών πίεσης μεταξύ εσωτερικού αι εξωτερικού περιβάλλοντος. Το ενεργειακό ισοζύγιο είναι βασισμένο στο γεγονός ότι ο εξαερισμος αφαιρεί ενέργεια μέσα από το θερμοκήπιο ως τρόπος πρόληψης υπερβολικά υψηλών θερμοκρασιών. Οι Fernandez and Bailey (1992), συγκρίναν τα αποτελέσματα που πήραν από το ενεργειακό ισοζύγιο και τις tracer gas τεχνικές. Η tracer gas έδειξε ακρίβεια σε σχέση με το ενεργειακό ισοζύγιο σε χαμηλούς ρυθμούς εξαερισμού. Εν τούτοις, τα αποτελέσματα ήταν παρόμοια για ανοίγματα αερισμού περισσότερα από 20%. Η δυσκολία στην χρήση αυτής της μεθόδου είναι η ανάγκη να μετρηθούν ένας μεγάλος αριθμός μεταβλητών και μια μόνο ανακρίβεια μπορεί να έχει μεγάλη επίδραση στο τελικό αποτέλεσμα.

Οι Fernandez and Bailey (1992), έχουν δείξει ότι η διεύθυνση του ανέμου δεν έχει ανιχνεύσιμη επίδραση στον ρυθμό του ε

μεσα επηρεάζει τον ρυθμό εξαερισμού είναι η ηλιακή ακτινοβολία, διότι είναι ένα σημαντικό συστατικό του ενεργειακού ισοζυγίου. Όταν η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι υψηλή, η θερμοκρασία εντός του θερμοκηπίου αυξάνει και ο ρυθμός αερισμού αυξάνει ως αποτέλεσμα του ισχυρότερου φαινόμενου της θερμικής άνωσης. Άρα σε περιοχές που ο άνεμος δεν είναι τόσο δυνατός, η διαφορά στην θερμοκρασία είναι περισσότερο σημαντική στον φυσικό αερισμό των θερμοκηπίων. Η ροή αέρα μέσω ανοίγματος οφείλεται στην διαφορά πίεσης μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος. Οι Boulard et al (1996), Papadakis et al (1996), Kittas et al, (1996) μέτρησαν διαφορές πίεσης μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος σε διάφορα θερμοκήπια για να ταυτοποιήσουν τους συντελεστές πίεσης του ανέμου και τις μεταβολές του σε σχέση με τα χαρακτηριστικά του ανέμου. Οι Kittas et al (1996) έχουν αποδείξει, ότι ο ρυθμός αερισμού του επαγόμενου ανέμου μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση ενός συντελεστή πίεσης ανέμου CW. Οι Boulard et al (1996) επίσης συνέκριναν τις μετρήσεις των διαφορών πίεσης με τις tracer gas τεχνικές και επιβεβαίωσαν ότι οι tracer gas τεχνικές μπορεί να μην επιτρέπουν τον καθορισμό πραγματικής ροής αλλά χαρακτηρίζουν την αποτελεσματική ροή μέσω των ανοιγμάτων.

Δ

Τα περισσότερα θερμοκήμε φυσικό εξαερισμό. Αυτός ο τρόπ

άνεμος και όταν η ατμοσφαιρική θερμοκρασια περιβάλλοντος δεν υπερβαίνει τους 30 0C, με τον όρο ότι τα ανοίγματα στις πλευρές και την οροφή είναι αρκετά σε αριθμό και εμβαδόν. Το καλοκαίρι και όταν επικρατεί άπνοια ο φυσικός εξαερισμός δεν είναι επαρκής (Baille 1988, El-Aidy 1991).

Ο δυναμικός εξαερισμός με ανανέωση του αέρα του θερμοκηπίου ανά λεπτό,

56

είναι πιο αποτελεσματικός στον δροσισμό των θερμοκηπίων. Όταν ο εξωτερικός αέρας

ι των 40 ανά ώρα ( h ) κάτι που δεν επιτυγχάνεται με τα συστήμ

ώνεται ανεξάρτητα από τις συνθήκες του εξωτερικού περιβάλ

ί α/m , ανάλογα με τον τύπο του

μα και σε περιπτώσεις άπνοιας, και είναι η όνη λ

ιτουργήσει σύστημα δροσισμού, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του ώρου

είναι πολύ κρύος (χειμώνας) ή πολύ ξηρός (καλοκαίρι) τα φυτά στο θερμοκήπιο υποφέρουν (Triti et al, 1984). Το κόστος του εξοπλισμού και η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται εμποδίζουν την εκτεταμένη εφαρμογή του δυναμικού εξαερισμού στα θερμοκήπια (Baille, 1988), η οποία σε περιοχές όπως η χώρα μας κρίνεται απαραίτητη.

Με τον δυναμικό αερισμό είναι δυνατόν να επιτευχθούν ρυθμοί ανανέωσης του αέρα μεγαλύτερο -1

ατα φυσικού αερισμού. Προς τούτο γίνεται χρήση ανεμιστήρων που τοποθετούνται στο τοίχωμα του θερμοκηπίου. Ιδιαίτερα στις θερμές περιοχές, όταν η ηλιακή ακτινοβολία είναι υψηλή, για να επιτευχθεί μια διαφορά θερμοκρασιών μέσα-έξω 6οC, απαιτούνται 60 αλλαγές του αέρα την ώρα. Κάτι τέτοιο μπορεί να επιτευχθεί μόνο με μηχανικά μέσα, δεδομένου ότι συχνά επικρατούν και χαμηλές ταχύτητες ανέμων. Είναι γνωστό ότι όταν το ποσοστό ανοιγμάτων φυσικού αερισμού ξεπερνά το 30% η επίδραση του αερισμού στην διάφορα θερμοκρασίας (ΔΤ) καθίσταται αμελητέα ( Kittas et al, 1997).

Με την τοποθέτηση ηλεκτροκίνητων ανεμιστήρων ή εξαεριστήρων, ο αέρας του θερμοκηπίου μπορεί ανανε

λοντος. Οι εξαεριστήρες απορροφούν αέρα από το περιβάλλον εκτός του θερμοκηπίου και τον διοχετεύουν στον εσωτερικό, απωθώντας τον αέρα που πρέπει να ανανεωθεί (εξαερισμός με υπερπίεση). Συνηθέστερα όμως απομακρύνουν τον αέρα από το εσωτερικό του θερμοκηπίου προς το εξωτερικό, δημιουργώντας υποπίεση, οπότε φρέσκος αέρας εισέρχεται από τα παράθυρα που βρίσκονται στην απέναντι πλευρά. Λεπτομέρειες για τον τύπο και την τοποθέτηση και τον χρόνο λειτουργίας των ανεμιστήρων ανάλογα με τις απαιτήσεις του θερμοκηπίου σε εξαερισμό τις διαφορές εποχές του έτους, δίδονται στην βιβλιογραφία (Μαυρογιαννόπουλος, 2001, Γραφιαδέλης, 1987). Μια τυπική εγκατάσταση δυναμικού εξαερισμού απαιτε ετήσι κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας 15-50 MJm2 κι ισχύ 5-15 W 2

εξαεριστήρα. Περισσότερες από 60αλλαγές θεωρούνται αντιοικονομικές, γι’ αυτό αν χρειάζεται μεγαλύτερη μείωση της θερμοκρασίας πρέπει να σκιάζεται το θερμοκήπιο ή να τοποθετείται σύστημα δροσισμού με εξάτμιση νερού. Οι απαιτήσεις σε εξαερισμό, για τον έλεγχο της θερμοκρασίας, επηρεάζονται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, τη μέγιστη ανεκτή θερμοκρασία μέσα στο θερμοκήπιο και το μέγεθος του θερμοκηπίου. Ο ρυθμός εξαερισμού, για να επιτευχθεί μια συγκεκριμένη θερμοκρασία εξαρτάται από την προσπίπτουσα ακτινοβολία, από την εξωτερική θερμοκρασία του αέρα, την εξατμισοδιαπνοή στο χώρο του θερμοκηπίου και από τα χαρακτηριστικά της κατασκευής. Τα θερμοκήπια με δυναμικό εξαερισμού παρέχουν ικανοποιητική ανανέωση του αέρα στο χώρο του θερμοκηπίου, ακόμ ύση σε θερμοκήπια όπου είναι τεχνικά και οικονομικά δύσκολη η κατασκευή σωστού συστήματος παθητικού εξαερισμού. Επίσης, επειδή απαιτούν θερμοκήπια μικρότερου όγκου, οι απώλειες ενέργειας κατά τη διάρκεια της θέρμανσης μικρότερες. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα είναι επίσης το γεγονός ότι με μικρές προσθήκες μπορεί να λεχ να μπορεί να μειωθεί σε επίπεδα και κάτω της θερμοκρασίας του εξωτερικού αέρα. Το βασικό του μειονέκτημα είναι ότι καταναλώνει σημαντική ποσότητα ενέργειας το καλοκαίρι και φυσικά ότι το θερμοκήπιο πρέπει να βρίσκεται σε περιοχή με παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Ένας σημαντικός κίνδυνος είναι και το ενδεχόμενο να καταστραφεί η φυτεία, αν το σύστημα υποστεί μια ξαφνική βλάβη που δεν μπορεί να επισκευαστεί εύκολα (Μαυρογιαννόπουλος 2001, Γραφιαδέλλης 1987).

57

2.4.5 Δροσισμός

Ο δροσισμός του θερμοκηπίου είναι ένα θέμα αυξανομένου ενδιαφέροντος λιεργητές στις θερμές χώρες όπου υψηλή θερμοκρασία και

ας

αέρος του ερμοκηπίου είναι:

ιδίως για τους καλέλλειμμα πίεσης αέρα παρατηρούνται κατά την διάρκεια του καλοκαιριού. Επειδή οφυσικός εξαερισμος δεν είναι ικανοποιητικός για εξαγωγή της υπερβολικής ενέργεικατά την διάρκεια καλοκαιρινών ημερών, διάφοροι μέθοδοι για δροσισμό της ατμόσφαιρας του θερμοκηπίου έχουν χρησιμοποιηθεί για την δημιουργία ευνοϊκού μικροκλίματος εντός του θερμοκηπίου σε συνδυασμό με τον εξαερισμό.

Μέθοδοι που επιτρέπουν την μείωση της θερμοκρασίας του

θ Ψύξη του αέρα πριν την είσοδο του στο θερμοκήπιο. Είναι η περίπτωση του συστήματος δυναμικού αερισμού με υγρή παρειά (Cooling system).

Μετατροπή σε λανθάνουσα θερμότητα της ενέργειας ακτινοβολίας μέσα στο θερμοκήπιο, ώστε να μειωθεί το φορτίο αισθητής θερμότητας. Ο όρος λανθάνουσα θερμότητα αντιπροσωπεύεται από το a.Rn, στην εξίσωση του ενεργειακού ισοζυγίου του θερμοκηπίου, πρέπει λοιπόν να αυξηθεί το a. Πρόκειται για το σύστημα υδρονέφωσης με χαμηλή πίεση και υδρονέφωση με υψηλή πίεση (Fog system).

ημα Δυναμικού Αερισμού με Υγρή Παρειά

.4.6 Σύστ (Cooling System).

Η αρχή αυτού του συστήματος βασίζεται κυρίως στην ψύξη λόγω κορεσμού σε . Αυτό

πραγμ

ψ

). ό το PAD (oC).

o

O συ για την πλειονότητα των συστη ς παράγοντας είναι η υγρή

2

υγρασία του εξωτερικού αέρος που εισέρχεται στο θερμοκήπιοατοποιείται με την διέλευση, με μικρή ταχύτητα, του αέρα από μία υγρή παρειά

που ονομάζεται “PAD”. . Ο εξωτερικός αέρας στο σημείο Α σε ξηρή θερμοκρασία Τo θα ψυχθεί με

αδιαβατικό τρόπο μέχρι το σημείο Β (σε ξηρή θερμοκρασία Τe) που είναι πολύ κοντά στον κορεσμό. Αν η απόδοση της υγρής παρειάς ήταν 100% το σημείο ύξης θα ήταν το C. H απόδοση του PAD καθορίζεται από τη σχέση:

Ε = (Τo -Τe) / (Τo -Τe) όπου:

ου PAD (αδιάστατοςΕ = συντελεστής απόδοσης τρμοκρασία εξόδου απΤo = θε

Τe = υγρή θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα ( C). ε 90%ντ λεστής απόδοσης Ε πλησιάζει το 80 μεάμ των που υπάρχουν στο εμπόριο. Περιοριστικό

μπαίνεθερμοκρασία του εξωτερικού αέρα που ι στο θερμοκήπιο. Η ψύξη θα είναι τόσο μεγαλύτερη όσο πιο ξηρός είναι ο εξωτερικός αέρας. Το Cooling system είναι λοιπόν ένα σύστημα όχι πολύ αποδοτικό στα υγρά κλίματα, αλλά αντίθετα, αποδοτικό στα ζεστά και ξηρά κλίματα. Ο συνηθέστερος τύπος Cooling system είναι το σύστημα με υποπίεση. Για αποδοτικότητα του συστήματος απαιτείται θερμοκήπιο ιδιαίτερα στεγανό, διαφορετικά η αποτελεσματικότητα μειώνεται σημαντικά από την είσοδο του αέρος που δεν έχει ψυχθεί. .4.7 Υδρονέφωση 2

58

Η αρχή της ψύξης με την τεχνική της υδρονέφωσης βασίζεται στη μετατροπή ς προ

.4.8 Σκίαση δυνατότητα ψύξης ενός θερμοκηπίου είναι η μείωση του ποσοστού

ενέ

τη σπίπτουσας ενέργειας ακτινοβολίας σε λανθάνουσα θερμότητα με εξάτμιση των σταγονιδίων νερού που ψεκάζονται από τις συσκευές υδρονέφωσης χαμηλής και υψηλής πίεσης (Fog system) Προκειμένου για υδρονέφωση χαμηλής πίεσης τα σταγονίδια νερού είναι μεγέθους μεγαλύτερου των 200 μm, τα οποία και πέφτουν κατά ένα μέρος στο έδαφος και στα φυτά, απ’όπου εξατμίζονται ανάλογα με την θερμοκρασία αυτών των επιφανειών και με τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Χρησιμοποιούνται κλασικοί εκτοξευτές (Sprinklers) ή μικροεκτοξευτές (Mini sprinklers). Εξαιτίας του μεγέθους των σταγόνων (περίπου 200 μm) η ποσότητα του εξατμιζόμενου νερού στον αέρα είναι σχετικά μικρή, 20% με 30% (Timmons -Baughman, 1983). Προκειμένου όμως για το Fog system ή υδρονέφωση υψηλής πίεσης, τα σταγονίδια του νερού είναι της τάξης μερικών δεκάδων μm και παραμένουν αιωρούμενα μέχρι την πλήρη εξάτμιση. Το υλικό που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ομίχλης αποτελούμενης από πολύ ψηλά σταγονίδια τα οποία στην συνεχεία παραμένουν αιωρούμενα στον αέρα, είναι δύο ειδών: σωλήνες διανομής και δίσκοι. Αυτά τα μικρά σταγονίδια εξατμίζονται στον αέρα κατά μεγάλο μέρος, βρέχοντας ελάχιστα τα όργανα (άνθη, καρποί, φύλλα) αποφεύγοντας έτσι τα προβλήματα που δημιουργούνται από την χρήση ψεκασμού με χαμηλή πίεση (στίγματα στα φύλλα, καψίματα από το φαινόμενο του φακού από τα σταγονίδια, μηχανικές βλάβες στα ευαίσθητα όργανα κ.λ.π.). Οι επιδόσεις αυτών των συστημάτων είναι γενικά πολύ ικανοποιητικές, υπό ον όρ ότιτ ο γίνεται ταυτόχρονα καλή διαχείριση του αερισμού και υπό την προϋπόθεση της ύπαρξης πολύ καλής ποιότητας νερού και χρήσης συστημάτων απιονισμού του νερού για την αποφυγή της απόφραξης των μικροεκτοξευτήρων. 2

Η τρίτη ργειας ακτινοβολίας που εισέρχεται στο θερμοκήπιο. Η καθαρή ακτινοβολία μέσα

στο θερμοκήπιο είναι κατά την διάρκεια της ημέρας η συνισταμένη: Της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται μέσα στο θερμοκήπιο. Της μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας στο επίπεδο του εδάφους και των φυτών του θερμοκηπίου που είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και του συντελεστή εκπομπής των τοιχωμάτων (στέγη, κάθετα τοιχώματα).

Οι τους

Δια ν

Της μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας στο επίπεδο του εδάφους και των φυτών του θερμοκηπίου που είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και του συντελεστή εκπομπής του εδάφους και των φυτών. δύο πρώτοι όροι είναι θετικοί και προστίθενται, ενώ ο τρίτος αφαιρείται από ο πρώτους. δύ

Παρατηρούμε λοιπόν, ότι, για να μειωθεί το Rn στο θερμοκήπιο, πρέπει να επέμβουμε:

o Είτε στη διαπερατότητα του θερμοκηπίου, κάτι που γίνεται με λεύκανση ή με τοποθέτηση σκιάστρων.

o Είτε στη θερμοκρασία του τοιχώματος κάτι που γίνεται με ψεκασμό στη στέγη, ή με κυκλοφορία νερού στη στέγη.

o Είτε και στα δύο μαζί. Είναι η αρχή του ηλιακού θερμοκηπίου με γυαλί που φιλτράρει, και με κυκλοφορία νερού στη στέγη.

κρί ουμε δύο κύριους τύπους σκιάσεως: Τη σταθερή θέση (σκίαστρο τοποθετημένο

διαρκή σκίαση. Γίνεται με λεύκανση των τοιχωμάτων ή με σκίαστρο, σε στο εξωτερικό ή στο εσωτερικό του

θερμοκηπίου).

59

ναι πολύ υψηλές.

Την προσωρινή σκίαση. Γίνεται με ένα ύφασμα κουρτίνα το οποίο ξεδιπλώνεται είτε με το χέρι είτε αυτόματα, όταν η ηλιακή ακτινοβολία και η θερμοκρασία εί

Λεύκανση: Μια συνήθης μέθοδος που υιοθετήθηκε από τους παραγωγούς ου χαμηλού κόστους είναι η σκίασλόγω τ η μέσω λεύκανσης του υλικού κάλυψης του

ερμοκηπίου για μείωση του φορτίου της ηλιακής ακτινοβολίας. Κύριο χαρακτ

κ.

θηριστικό της είναι ότι δεν είναι εκλεκτική στην ηλιακή ακτινοβολία.

Παρουσιάζει την ίδια διαπερατότητα σε όλο το ηλιακό φάσμα και απορροφά την ίδια ακτινοβολία τόσο στο φωτοσυνθετικά ενεργό τμήμα PAR (400-700 nm) όσο αι στο υπόλοιπο φάσμα Οι Kittas et al (1999) και οι Baille et al (2001), αναφέρουν ότι η εφαρμογή λεύκανσης πάνω σε υλικό κάλυψης γυαλί, επαύξησε την αποδοτικότητα της χρήσης της ακτινοβολίας επαυξάνοντας την PAR, αναλογικά της εισερχομένης ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτό συμβαίνει διότι αύξησε σημαντικά το κλάσμα της διάχυτης ακτινοβολίας, μειώνοντας το κλάσμα της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εισέρχεται στο θερμοκήπιο, επιτυγχάνοντας έτσι μείωση θερμοκρασίας περίπου 7-9 0C . Αυτό το χαρακτηριστικό της λεύκανσης μπορεί να είναι πλεονέκτημα σε σχέση με τους άλλους μηχανισμούς σκίασης, ειδικά στις θερμές χώρες με υψηλή ακτινοβολία κατά την διάρκεια του καλοκαιριού. Άλλο πλεονέκτημα της λεύκανσης είναι ότι δεν επιδρά πάνω στον εξαερισμό του θερμοκηπίου, ενώ τα εσωτερικά δίχτυα σκίασης επιδρούν στην συμπεριφορά του εξαερισμού οροφής. Τα προϊόντα που χρησιμοποιούνται έχουν ως βάση τον ασβέστη και την κιμωλία. Υπάρχουν και άλλα μίγματα που περιέχουν υγροσκοπικά άλατα που παρουσιάζουν το πλεονέκτημα να δημιουργούν μια σκίαση που είναι συνάρτηση της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται (π.χ. Varishade).

Σκίαστρα: Οι περισσότερες έρευνες έχουν ασχοληθεί με άλλες τεχνικές

σκίασης, όπως εξωτερικά η εσωτερικά, σταθερά η μετακινούμενα παραπετάσματα σκίαση στόρια) και ασχολούνται κυρίως με τις τροποποιήσεις στην ακτινοβολία επαγόμ

ιαθέτουν μεγάλη ποικιλία αεροπερατότητας και διαπερα τ

τ

ς (ενες κυρίως από τον μηχανισμό σκίασης. Αυτές οι τεχνοκές σκίασης είναι

δαπανηρές αλλά έχουν σημαντικές επιδόσεις τόσο στο επίπεδο της σκίασης όσο και στο επίπεδο της θερμικής μόνωσης.

Την τελευταία δεκαετία εμφανίστηκε στο εμπόριο μεγάλος αριθμός υφασμάτων από ακρυλικό, πολυπροπυλένιο, πολυεστέρα, πολυαμίδιο που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σκίαστρα. Δ

τότη ας στην ηλιακή ακτινοβολία. Σήμερα η πιο προηγμένη τεχνολογία σκιάστρων είναι τα σκίαστρα εξοικονόμησης ενέργειας – σκίασης, με λεπτό στρώμα αλουμινίου, που ανακλούν μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας στο εξωτερικό περιβάλλον. Το καλοκαίρι χρησιμοποιούνται ως κουρτίνες σκίασης με μείωση θερμοκρασίας 8-10 0C ανάλογα αν χρησιμοποιούνται ως κουρτίνες σκίασης στην οροφή του θερμοκηπίου ή και στα πλαϊνά τοιχώματα. Αυτή η μείωση είναι εφικτή μέσα από τον συνδυασμό κουρτινών σκίασης με κάποια άλλη μέθοδο ψύξης του θερμοκηπίου, π.χ φυσικός εξαερισμός. Τον χειμώνα χρησιμοποιούνται ως θερμομονωτικές κουρτίνες, επιτυγχάνεται αύξηση της θερμοκρασίας έως και 5 0C διότι συγκρατούν στο εσωτερικό του θερμοκηπίου την θερμική ακτινοβολία και είναι δυνατόν να επιτευχθεί μείωση ης κατανάλωσης καυσίμων για θέρμανση τον χειμώνα έως και 50%.

60

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΜΕΛΕΤΗ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

ΣΤΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ

3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Τα θερμοκήπια στοχεύουν να παρέχουν ιδανικές συνθήκες για ανάπτυξη φυτών και παραγωγή προϊόντων σε όλη τη διάρκεια του χρόνου αποφεύγοντας τις αντίξοες καιρικές συνθήκες όπως χαμηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος, χαμηλό φωτισμό και υψηλή ένταση ανέμου. Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες (φωτισμός, θερμοκρασία, σχετική υγρασία) καθορίζουν την ανάπτυξη των φυτών. Ο έλεγχος αυτών των παραγόντων μέσα στα θερμοκήπια είναι πολύ δύσκολος, όχι διότι υπεισέρχονται ταυτόχρονα, αλλά γιατί ο κάθε ένας από αυτούς μεταβάλλεται συνεχώς και υπάρχει μια συνεχής αλληλοεπίδραση μεταξύ τους. Μεταξύ αυτών των παραγόντων ο φωτισμός του θερμοκηπίου είναι ο πλέον σημαντικός για τη φωτοσύνθεση και την ανάπτυξη των φυτών και τα υλικά κάλυψης χαρακτηρίζονται από την σπουδαιότητά τους όσον αφορά το διερχόμενο ποσό και το φάσμα της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας.

Τα θερμοκήπια μελετώνται αναφορικά με τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των υλικών κάλυψης. Αναλυτική αναφορά στα είδη των υλικών κάλυψης, στην επίδρασή τους στη σκίαση και στη φασματική κατανομή του φωτός στα θερμοκήπια, στις ραδιομετρικές και θερμικές ιδιότητες, στους παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό των θερμοκηπίων στις Ευρωπαϊκές χώρες καθώς επίσης και των μεθόδων σκίασης έγινε στο Κεφάλαιο 2 με τις σχετικές βιβλιογραφικές αναφορές. Στο ίδιο κεφάλαιο αναλύθηκαν διάφοροι μέθοδοι για τον έλεγχο των περιβαλλοντικών παραγόντων μέσα στα θερμοκήπια που η εφαρμογή τους εξαρτάται από τις κλιματολογικές συνθήκες και από τις τεχνικές λεπτομέρειες της κατασκευής του θερμοκηπίου.

Ο φυσικός φωτισμός είναι ουσιαστικός παράγοντας ανάπτυξης των φυτών και τα θερμοκήπια κατασκευάζονται από διαφανή καλύμματα για μέγιστη αποδοτικότητα εξαρτώμενη από τις ημερήσιες και εποχιακές ανάγκες. Μεταξύ των συνήθων χρησιμοποιουμένων υλικών κάλυψης το γυαλί είναι το πιο σταθερό υλικό με ικανοποιητικές οπτικές και θερμικές ιδιότητες. Τα πλαστικά καλύμματα είναι φτηνότερα από το γυαλί, αλλά τα περισσότερα εξ αυτών μειονεκτούν όσον αφορά τον φωτισμό και τις θερμικές ιδιότητες (Papadakis et al, 2000).

Ένα εναλλακτικό διαφανές υλικό κάλυψης στην κατηγορία των υαλοπινάκων για θερμοκήπια είναι ο υαλοπίνακας τύπου φακού Fresnel. H χρήση του για έλεγχο φωτισμού και ενέργειας εσωτερικών χώρων έχει παρουσιαστεί από τος Jirka et al (1998) και έχει σαν αποτέλεσμα την χρήση τους ως υλικό κάλυψης και θερμοκηπίων (Jirka et al, 1999). Η χρήση των φακών Fresnel αντί των τυπικών υαλοπινάκων στην κάλυψη των θερμοκηπίων είναι μια νέα ιδέα που αποσκοπεί στη βελτίωση του φωτισμού και των ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου. Στην παρούσα εργασία μελετάται ο έλεγχος φωτισμού και θερμοκρασίας στα θερμοκήπια με τη χρήση των γραμμικών φακών Fresnel και τρόποι αξιοποίησης της συλλεγόμενης ηλιακής ενέργειας.

61

3.2 ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΙ ΦΑΚΟΙ FRESNEL 3.2.1 Γενικά για την Συγκέντρωση της Ηλιακής Ακτινοβολίας

Η συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας πριν την απορρόφηση και η μετέπειτα μετατροπή της σε χρήσιμη ενέργεια γίνεται όλο και πιο σημαντική για τις πρακτικές εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας. Οι κύριες αιτίες για συγκέντρωση φωτός είναι δύο: το υψηλό κόστος των μετατροπέων της ηλιακής ενέργειας κάνει προτιμότερη την συλλογή φωτός χρησιμοποιώντας ένα οπτικό στοιχείο χαμηλού κόστους και μεγάλου διαμετρήματος και συγκέντρωση του φωτός πάνω σε έναν μετατροπέα μικρότερης επιφάνειας και δεύτερον σε πολλές περιπτώσεις η αποδοτικότητα της διαδικασίας μετατροπής αυξάνει όταν μεγαλώνει η πυκνότητα της ακτινοβολίας του προσπίπτοντας φωτός πάνω στον μετατροπέα.

Στο κεφάλαιο 1 και στην παράγραφο 1.2.5 έγινε διάκριση των ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι φακοί Fresnel ανήκουν στην κατηγορία των συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων που είναι γραμμικά στοιχεία και που συγκλίνουν μια προσπίπτουσα παράλληλη δέσμη ηλιακών ακτίνων σε μια ευθεία γραμμή ή ζώνη στο επίπεδο εστίασης τους. Οι γραμμικοί συγκεντρωτές είναι φτιαγμένοι από ανακλαστικά ή διαθλαστικά υλικά και είναι συχνά προτιμότεροι έναντι των στοιχείων κυκλικής γεωμετρίας, εξαιτίας της απλότητας τους και των χαμηλών απαιτήσεων ευθυγράμμισης.

Στα συγκεντρωτικά συστήματα ηλιακής ενέργειας η πηγή ακτινοβολίας διαδίδεται κατά μήκος ενός μονοπατιού στο εγκάρσιο επίπεδο ενός γραμμικού άξονα. Η ανάλυση συνεπώς απλοποιείται στον διδιάστατο χώρο αυτού του επιπέδου. Σ΄ αυτήν την περίπτωση, ο λόγος συγκέντρωσης C(θ0) ορίζεται ως:

C(θ0)= Α/α όπου Α είναι το πλάτος του διαμετρήματος εισόδου του απορροφητή και α αναπαριστά το εξερχόμενο διαμέτρημα ή το πλάτος του μετατροπέα στον οποίο η ακτινοβολία συγκεντρώνεται (Rabl, 1976a, Kritchman et al, 1979). Το μέγιστο δυνατό όριο της συγκέντρωσης γίνεται όταν: C(θ0) ≤ 1\sinθ0Όπου θ0 είναι το μισό της γωνίας υποδοχής της εισερχόμενης ακτινοβολίας

Σχήμα 1 (Rabl, 1985) : Συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας

62

3.2.2 Φακοί Fresnel Ο φακός Fresnel ο οποίος συμπεριφέρεται όπως ο συμβατικός σφαιρικός

φακός είναι φτιαγμένος από ένα λεπτό επίπεδο φύλλο από διαφανές υλικό έχοντας ομόκεντρα πρισματικά αυλάκια χαραγμένα στην μια η και στις δυο πλευρές.

Σχήμα 2 (Francisde Winter, 1990) : Συμβατικός φακός και φακός Fresnel

Είναι δύσκολη η διαμόρφωση ενός φακού Fresnel από γυαλί, διότι η υψηλή

έκταση της επιφανείας του γυαλιού εμποδίζει τη συμβατότητα και στην παραμικρή λεπτομέρεια της κατασκευής. Έτσι η εντατική ανάπτυξη και εξάπλωση της χρήσης των φακών Fresnel άρχισε μόλις το 1949 με την ανακάλυψη των οπτικών πλαστικών τα οποία μπορούν να διαμορφωθούν σε φακούς Fresnel, ιδανικοί για δημιουργία ειδώλου, έχοντας περισσότερα από 20 αυλάκια ανά mm. Τα πλαστικά είναι ιδιαιτέρως χρήσιμα διότι ένα φύλλο μπορεί να πεπιεσθεί θερμικά η να εκχυθεί υπό πίεση σε εκμαγείο έχοντας γυαλισμένες-λείες πλευρές.

Εξαιτίας των πολλών και ελκυστικών χαρακτηριστικών, του μικρού όγκου και βάρους, της σχετικά μεγάλης διαμέτρου, της μικρής εστιακής απόστασης f και του χαμηλού κόστους, οι φακοί Fresnel έχουν επεκταθεί για πολλές εφαρμογές. Εντούτοις με λίγες εξαιρέσεις, ο σχεδιασμός των φακών Fresnel δίνει έμφαση σε εφαρμογές εστίασης και προβολής. Αυτό οφείλεται στις συγκεντρωτικές του ικανότητες που είναι πολύ σημαντικές στο πεδίο της ηλιακής ενέργειας.

Όταν ο φακός χρησιμοποιείται ως συγκεντρωτής με τα αυλάκια προς τα πάνω (δηλ. προς την μεριά του ήλιου) η απώλεια είναι μεγάλη εξαιτίας του ΄΄blocking΄΄ αποτέλεσμα της κάθετης πλευράς των αυλάκων και λόγω της σκόνης που συσσωρεύεται γρήγορα σε τέτοιο ανάγλυφο επίπεδο. Από την άλλη πλευρά αν τα αυλάκια είναι στραμμένα προς τα κάτω, σοβαρές παρεκκλίσεις εκτός αξόνων συμβαίνουν, εμποδίζοντας καλή συγκέντρωση εκτός από πολύ μικρές γωνίες πρόσπτωσης (Kritchman et al, 1979a). Εν συνεχεία όμως ο σχεδιασμός των φακών βελτιώθηκε διότι οι Kritchman et al (1979b) έφτιαξαν ένα συμμετρικό φακό που αποφεύγει αυτά τα προβλήματα. Αυτός ο νέος φακός Fresnel αν και είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να έχει τα αυλάκια στραμμένα προς τα κάτω για να εμποδίζεται το ΄΄blocking΄΄ ,διαχειρίζεται παρόλα αυτά την διατήρηση υψηλής συγκέντρωσης ακόμα και για μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης. Ο σχεδιασμός μοιάζει στα ιδανικά συγκεντρωτικά κάτοπτρα του R. Winston. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η διδιάστατη περίπτωση των γραμμικών συγκεντρωτικών στοιχειών.

Η προέλευση των φακών Fresnel (Miller et al, 1951) χρονολογείται από τις αρχές του 18ου αιώνα όταν ο Abbe Rochon κατασκεύασε ένα φακό με ομόκεντρα αυλάκια. Η πραγματική ανάπτυξη ενός «συγκεντρωτικού κλιμακωτού» τύπου φακών δεν έπιασε μέχρι που ο Fresnel συνέλαβε την ιδέα να κατασκευάσει τέτοιους φακούς

63

και έφτιαξε μεγάλο αριθμό για την χρήση ως φανοστάτες. Το όνομα φακός Fresnel δόθηκε σε αυτό τον τύπο φακού και έχει παραμείνει από εκείνη την περίοδο. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή αυτών των φακών ήταν το γυαλί και στοιχεία εκμαγείου γυαλιού, εμφάνιζε όμως δυσκολίες στη διαμόρφωσή του σε καλούπι ώστε να προσαρμόζεται σε τέλειο πρότυπο αυλακιών σε σχηματισμό φακού μεγάλης διαμέτρου. Οι φακοί Fresnel χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές ιδιαίτερα σε περιπτώσεις όπου οι γυάλινοι συμπαγείς φακοί μεγάλου διαμετρήματος δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν εξαιτίας του βάρους, του όγκου και του κόστους. Οι βελτιωμένες τεχνικές παραγωγής έχουν αναδείξει χρήσεις για αυτούς τους φακούς από απλούς συγκεντρωτές σε μεγάλου διαμετρήματος τηλεσκόπια, έως συλλέκτες ηλιακής ενέργειας σε φωτοβολταϊκές εφαρμογές για παραγωγή ενέργειας. 3.2.3 Θεωρία των Φακών Fresnel

Οι φακοί Fresnel είναι απλά μια ακολουθία πρισμάτων που η μεταξύ τους απόσταση μπορεί να είναι τόσο μικρή όσο λίγα δέκατα του χιλιοστού και να εκτείνονται σε μήκος αρκετών εκατοστών. Η γωνία κάθε πρίσματος είναι φτιαγμένη έτσι ώστε κάθε ένα να διαθλά το φως με την ίδια γωνιακή ποσότητα όπως ένας κανονικός σφαιρικός φακός του ιδίου εστιακού μήκους. Στην αρχή και οι δυο πλευρές του φακού Fresnel μπορούν να αυλακωθούν, αλλά πρακτικά μπορεί κάποιος να χρησιμοποιήσει τους φακούς κρατώντας την μια επιφάνεια λεία. Οι φακοί Fresnel μπορούν επίσης να χρησιμοποιούνται με δυο τρόπους- με τα αυλάκια στην πίσω πλευρά ή με τα αυλάκια στην μπροστινή πλευρά.

Η συγκεντρωτική λειτουργία των Fresnel φαίνεται στο σχήμα 2 και βασίζεται στον νόμο του Snell : n1sin α = n2 sin β, n2 sin γ = n1sin δ n1, n2, δείκτες διάθλασης αέρος και γυαλιού αντίστοιχα και Φ1,Φ2, Φ3....... οι αντιστοιχούσες θλαστικές γωνίες έκαστου πρίσματος με συνθήκη Φ1>Φ2> Φ3 > ......

Σχήμα 3 : Σχηματική διάταξη Γραμμικών Φακών Frensel

64

Γενικά η οπτική συμπεριφορά ενός φακού Frensel είναι σχεδόν ισοδύναμη με έναν συνηθισμένο φακό Fresnel με τη διαφορά στην καθαρότητα του ειδώλου. Γι’ αυτό οι φακοί Fresnel χαρακτηρίζονται ως φακοί μη ευκρινούς ειδώλου (non imaging) . Η σχέση φαίνεται καθαρά στο ακόλουθο σχήμα

Σχήμα 4 ( Rabl, 1985) : Σχεδιασμός των αυλακιών σε σχέση με έναν συμβατικό φακό

Καθένα από τα αυλάκια ενός επιπεδόκυρτου φακού έχει την γωνία και την

καμπυλότητα του αντιστοίχου τμήματος του διαμετρήματος ενός συμβατικού φακού. Στον σχεδιασμό ενός φακού Fresnel η γωνία α του αυλακιού υπολογίζεται ως συνάρτηση ανεξαρτήτων μεταβλητών: της ακτίνας r μέχρι το κέντρο του αυλακιού, της εστιακής απόστασης f, του πάχους του φακού t, του πλάτους w του αυλακιού και του δείκτη διάθλασης n του υλικού ως προς τον αέρα. Στον Fresnel οι έδρες του αυλακιού δεν χρειάζεται να είναι καμπυλωμένες αλλά μόνο κεκλιμένες κατά την σωστή γωνία προκειμένου να διαθλούν την ακτίνα του φωτός στην εστία, επειδή το μέγεθος της απορροφούσας επιφάνειας είναι γενικά πολύ μεγαλύτερο από το πλάτος της Fresnel ζώνης του φακού. Τα αυλάκια ενός φακού Fresnel δημιουργούν κάποιο σφάλμα στην ακρίβεια της εστίασης. Κατά κανόνα υπάρχει κάποια στρογγύλευση των κορυφών η οποία διαχέει το φως έξω από την ζώνη ειδώλου. Επιπλέον για λοξές γωνίες από τον ήλιο έως τους φακούς κάποιο φως θα προσπέσει στην κατακόρυφη πλευρά των αυλακιών του φακού και θα διαθλασθεί έξω από την ζώνη σχηματισμού ειδώλου. 3.2.4 Γραμμικοί Φακοί Fresnel (LFLs)

Οι Γραμμικοί φακοί Fresnel (Linear Fresnel Lenses, LFLs) είναι ηλιακοί συγκεντρωτές με γραμμικά στοιχεία που μετατρέπουν μια προσπίπτουσα παράλληλη δέσμη ηλιακών ακτίνων σε μια ευθεία γραμμή ή ζώνη στο επίπεδο εστίασης τους. Οι Nelson et al (1975) έχουν αναλυτικά μελετήσει την συμπεριφορά ενός εποχιακά ρυθμιζόμενου ή ευθυγραμμισμένου ως προς ένα άξονα γραμμικού φακού Fresnel συγκεντρωτή, με τον κύριο άξονα του στην διεύθυνση Ανατολή-Δύση. Ο φακός θεωρείται προσανατολισμένος στην διεύθυνση Α-Δ και κανονικός ως προς την διεύθυνση των ακτίνων του ηλίου το μεσημέρι. Έχει παρατηρηθεί ότι καθώς ο χρόνος προχωρά μετά το μεσημέρι, η διαθλώμενη εικόνα μετακινείται και κατά την διεύθυνση του άξονα του φακού και κάθετα προς αυτήν. Ακόμα και στις ισημερίες που το ποσό ακτινοβολίας είναι σταθερό όλη μέρα, η διαθλώμενη εικόνα μετακινείται κατά μήκος του άξονα της και επεκτείνεται κατά πλάτος καθώς ο ήλιος απομακρύνεται από την μεσημεριανή του θέση. Αυτή η επίδραση μεγαλώνει τις άλλες ημέρες. Εξαιτίας αυτής της επίδρασης ο αριθμός των χρήσιμων για συλλογή ωρών h, σε έναν τέτοιο φακό γίνεται μικρότερος. Συνεπώς για να συλλέξουμε περισσότερη ακτινοβολία και για περισσότερες ώρες, το πλάτος του απορροφητή μπορεί να αυξηθεί αλλά στην περίπτωση αυτή ο λογος της συγκέντρωσης μειώνεται.

65

Δυο εναλλακτικές μέθοδοι για τον σχεδιασμό του πλάτους και της θέσης του απορροφητή (receiver) προτείνονται από τους Nelson et al (1975). Στην πρώτη μέθοδο τα αυλάκια σχεδιάζονται με τέτοιον τρόπο ώστε το μεσημέρι η διαθλώμενη ακτινοβολία από την αριστερή πλευρά του φακού να είναι προσπίπτουσα στην αριστερή εξωτερική πλευρά του απορροφητή και η διαθλώμενη ακτινοβολία από την δεξιά πλευρά του φακού να είναι προσπίπτουσα στην δεξιά εξωτερική πλευρά του απορροφητή. Στην δεύτερη μέθοδο τα αυλάκια σχεδιάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε στο ηλιακό μεσημέρι όλες οι διαθλώμενες ακτίνες να πέφτουν στο κέντρο του απορροφητή. Κατά τον πρώτο σχεδιασμό η διαθλώμενη εικόνα μετακινείται κάθετα στον απορροφητή καθώς περνάει ο χρόνος μετά το μεσημέρι στις ισημερίες και είναι πιο ωφέλιμη (πλεονεκτική) σε τέτοιες μέρες. Η δεύτερη μέθοδος είναι καλύτερη στις ημέρες ηλιοστάσιου διότι αν θεωρήσουμε τη συνδυασμένη επίδραση της μεταβολής του ηλιακού ύψους με τον ήλιο, η διαθλώμενη εικόνα παραμένει περισσότερο στον απορροφητή. Συνιστάται ότι σε περίπτωση ευθυγράμμισης ως προς ένα άξονα η πρώτη μέθοδος δίνει καλύτερη συμπεριφορά.

Σχήμα 5 (Nelson et al, 1975): Φακός Fresnel ευθυγραμμισμένος ως προς έναν άξονα Στο πεδίο της ηλιακής ενέργειας δυο τύποι γραμμικών φακών Fresnel είναι

περισσότεροι γνωστοί. Ο πρώτος είναι ένας επίπεδος φακός με τα αυλάκια προς τα πάνω (προς τον ήλιο) και την λεία επιφάνεια προς τα κάτω με τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα αυτής της διαμόρφωσης. Ως αποτέλεσμα αυτών των δυσκολιών οι σχεδιαστές κατέφευγαν σε έναν φακό με το αυλακωμένο μέρος να είναι προς τα κάτω και την καθαρή επιφάνεια προς τα πάνω. Έναν τέτοιος φακός όμως, υποφέρει από σχετικά υψηλές επιφανειακές ανακλάσεις και από μεγάλες εκτός αξόνων παρεκκλίσεις. Οι απώλειες ανάκλασης οδηγούν σε χαμηλή αποδοτικότητα και οι εκτός αξόνων παρεκκλίσεις καταλήγουν σε έναν χαμηλό λόγο συγκέντρωσης. Για να ξεπεραστούν αυτά τα μειονεκτήματα οι Kritchman et al (1979b) και οι Kaminar and Curchod (1990) θεώρησαν έναν κυρτό γραμμικό φακό Fresnel.

3.2.5 Κυρτοί Γραμμικοί Φακοί Fresnel

Η οπτική συμπεριφορά ενός γραμμικού φακού Fresnel μπορεί να βελτιωθεί εάν η λεία επιφάνεια του είναι ελαφρώς κυρτωμένη παρά επίπεδη. Αυτή η καμπυλότητα εισάγει μια δεύτερη ενεργή επιφάνεια για την διάθλαση και αναδιεύθυνση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Σε έναν επίπεδο φακό η μείωση της εστιακής απόστασης f υποβαθμίζει την οπτική συμπεριφορά του φακού, ενώ σε ένα

66

κυρτωμένο φακό μπορεί να χρησιμοποιηθεί μικρότερη εστιακή απόσταση f χωρίς καμία υποβάθμιση των οπτικών ιδιοτήτων, συνεπώς μειώνοντας την δομική υποστήριξη και το μέγεθος και το κόστος του μηχανισμού ευθυγράμισης. Στο σχήμα 6 φαίνεται η καμπυλωμένη βάση και η γραμμή εστίασης ενός φακού Fresnel.

Για έναν αποδοτικό και πρακτικό φακό Fresnel για την συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας, οι δυο βασικές συνθήκες που πρέπει να πληρούνται είναι οι εξής: πρώτον, η εστιακή απόσταση f πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη και δεύτερον, τα αυλάκια πρέπει να είναι στραμμένα προς τα κάτω για να μειώνεται το πρόβλημα του ΄΄Blocking΄΄. (Leutz et al, 1999)

Σχήμα 6 (Kritchman et al 1979): Κυρτός γραμμικός φακός Fresnel

Σ΄ αυτόν τον σχεδιασμό (ο οποίος εξαρτάται από το δοθέν πεδίο της γωνίας πρόσπτωσης ±θ0 υπό την οποία το φως προσπίπτει) για ένα κυρτό διδιάστατο φακό Fresnel, που συμπεριφέρεται σχεδόν σαν ένας ΄΄ιδανικός΄΄συγκεντρωτής τα ακόλουθα χαρακτηριστικά που τον καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλο για συγκέντρωση ηλιακής ενέργειας είναι:

• Η εξωτερική επιφάνεια είναι λεία • Για ένα δεδομένο οπτικό πεδίο ±θ0 η συγκέντρωση πλησιάζει την μεγίστη

επιτρεπτή σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, δηλ. επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή γεωμετρική συγκέντρωση.

• Η γωνία ανάμεσα στην προσπίπτουσα ακτίνα και την πρώτη επιφάνεια είναι πολύ κοντά στην γωνία ανάμεσα στην μεταδιδόμενη ακτίνα και την επιφάνεια με τους αύλακες και ως εκ τούτου ελαχιστοποιούνται οι απώλειες λόγω ανάκλασης.

• Το κοίλο- καμπύλο σχήμα προσθέτει υψηλή μηχανική ευστάθεια και δύναμη στον φακό.

• Παρόλο που οι ιδιότητες συγκέντρωσης και μετάδοσης φθίνουν καθώς η απόκλιση του ήλιου παρεκτρέπεται-παρεκκλίνει από το επίπεδο της εγκάρσιας διατομής του φακού, η μείωση αυτή δεν είναι τόσο σοβαρή όσο στην περίπτωση των επίπεδων φακών Fresnel.

67

3.3 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΦΑΚΩΝ FRESNEL ΣΤΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΑ. 3.3.1 Επίδραση στο Φωτισμό και στο Μικροκλίμα του Θερμοκηπίου

Η επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στο φωτισμό και στη θερμοκρασία στο θερμοκήπιο παρουσιάζει ερευνητικό ενδιαφέρον επειδή η διερεύνηση νέων τρόπων ρύθμισης του φωτισμού μπορεί να συνδυαστεί με την κατάλληλη αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας για την κάλυψη μέρους των ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου για θερμότητα και ηλεκτρισμό. Στην κατεύθυνση αυτή εξετάζεται η εφαρμογή των γραμμικών φακών Fresnel. Η απαιτούμενη μείωση του φωτισμού ορισμένη περίοδο της ημέρας, για την αποφυγή υπερέκθεσης των φυτών, μπορεί να οδηγήσει στην εξαγωγή της πλεονάζουσας ακτινοβολίας υπό μορφή θερμότητας ή ηλεκτρισμού και στην αποθήκευση τους για χρήση στη διάρκεια της νύκτας όπου υπάρχουν ανάγκες διατήρησης του επίπεδου της θερμοκρασίας του θερμοκηπίου καθώς και για την επέκταση της περιόδου φωτισμού των φυτών.

Το μεγάλο πλεονέκτημα των φακών Fresnel είναι ότι διαχωρίζουν την άμεση από την διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία. Το πλεονέκτημα τους αυτό τους κάνει ιδιαίτερα κατάλληλους για έλεγχο του φωτισμού και της θερμοκρασίας εσωτερικών χώρων. Τέτοια μέρη είναι εσωτερικοί χώροι κτηρίων, θερμοκήπια, εργαστήρια, πισινές, εκθεσιακοί χώροι, διάδρομοι, σοφίτες, όπου δίνεται η δυνατότητα φωτισμού σε κατάλληλο επίπεδο έντασης και χωρίς έντονες αντιθέσεις (Jirka et al, 1999). Η ενσωμάτωση των γραμμικών φακών Fresnel (LFLs) στην οροφή υαλόφρακτων θερμοκηπίων, παρέχει καινούργιες δυνατότητες για φυσικό φωτισμό του εσωτερικού χώρου, αποφεύγοντας την υπερθέρμανση που είναι δυνατόν να συμβαίνει στα συμβατικά θερμοκήπια. Αυτό είναι εφικτό να γίνει χρησιμοποιώντας συστοιχία γυάλινων LFLs σε συνδυασμό με ένα μετακινούμενο πλαίσιο πάνω στο οποίο τοποθετούνται οι απορροφητές. Οι LFLs δύναται έτσι να αποτελούν μέρος της δομικής κατασκευές της οροφής, ενώ το μετακινούμενο πλαίσιο με τους απορροφητές τοποθετείται στην εστιακή απόσταση περίπου 40cm των φακών. Δεδομένου ότι οι LFLs διαχωρίζουν αποτελεσματικά το άμεσο και διαχεόμενο τμήμα της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στο θερμοκήπιο, η άμεση ηλιακή ακτινοβολία συγκεντρώνεται στην επιφάνεια του απορροφητή ενώ η διάχυτη ακτινοβολία δεν εστιάζεται και διαχέεται μέσα στο θερμοκήπιο και το φωτίζει. Τα διαφανή φύλλα φακών Fresnel έχουν αρχικά μελετηθεί στις συνθήκες της Τσεχίας και θεωρείται ότι μπορούν να τοποθετηθούν ακίνητα στη νότια οροφή του θερμοκηπίου, στη θέση των γυάλινων πλακών. Μια τέτοια διαμορφούμενη οροφή ως διαφανής, σταθερός συλλέκτης συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας, έχει τις ακόλουθες επιδράσεις πάνω στο φωτισμό και στην θερμοκρασία και γενοκότερα στη διαμόρφωση του μικροκλίματος μέσα στο θερμοκήπιο: Όσον αφορά τον φωτισμό, επιτρέπει στην διάχυτη ακτινοβολία να εισέλθει, δίνοντας κατά αυτόν τον τρόπο, πιο φυσικό φωτισμό χωρίς οξείες αντιθέσεις και έντονες σκιάσεις. Η διάχυτη ακτινοβολία περνά χωρίς σχεδόν καμία αλλαγή, παρέχοντας το κύριο μέρος του ημερησίου φωτισμού κάτω από τον συλλέκτη και είναι κατάλληλη για το εσωτερικό του θερμοκηπίου που απαιτεί καλό και άρτιο φυσικό φωτισμό.

Όσον αφορά την θερμοκρασία οι LFLs διαχωρίζουν αποτελεσματικά την άμεση και διαχεόμενη ηλιακή ακτινοβολία και η άμεση συγκεντρώνεται και μετατρέπεται σε θερμική ή ηλεκτρική ενέργεια, στο εστιακό επίπεδο του φακού όπου

68

είναι τοποθετημένος ένας μετακινούμενος απορροφητής. Αν η θερμοκρασία του εσωτερικού περιβάλλοντος είναι χαμηλότερη από ένα επιθυμητό επίπεδο, και με την προϋπόθεση ότι ο ουρανός είναι καθαρός, οι απορροφητές μετακινούνται έξω από την ζώνη εστίασης και έτσι στην περιοχή κάτω από τον συλλέκτη αυξάνεται η θερμοκρασία, από την εισερχομένη άμεση ακτινοβολία. Όταν το βέλτιστο επίπεδο θερμοκρασίας επιτευχθεί εντός του χώρου, οι απορροφητές μπορούν αυτόματα να προσαρμόζονται στην γραμμή εστίασης και το σύστημα αρχίζει να εργάζεται ξανά ως συλλέκτης συγκέντρωσης ηλιακής ακτινοβολίας. Με αυτόν τον τρόπο μια σημαντική ποσότητα της εισερχομένης ενέργειας, περίπου το 60% της άμεσης ακτινοβολίας, μεταφέρεται εκτός του θερμοκηπίου μέσω θερμότητας και ηλεκτρισμού, μειώνοντας έτσι το θερμικό φορτίο, τόσο όσο ο χώρος να μην υπερθερμαίνεται, ενώ παραμένουν τα πλεονεκτήματα του κανονικού «Φαινόμενου του Θερμοκηπίου» (Jirka et al, 1999).

Για την αποδοτική παρακολούθηση της εστιαζόμενης δέσμης φωτός λόγω της διαφορετικής θέσης του ηλίου (σχήμα 3, κεφάλαιο 2) το πλαίσιο με τους τοποθετημένους απορροφητές σχεδιάζεται να κινηθεί αυτόματα προκειμένου να ακολουθείται η εστιαζόμενη δέσμη. Η ενέργεια που απαιτείται για αυτήν την αυτόματη ρύθμιση της θέσης πλαισίων μπορεί να παρέχεται από φωτοβολταϊκά στοιχεία ή από εξωτερική παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Μια ηλεκτρονική μονάδα για τον έλεγχο του συστήματος και για την παρακολούθηση της εστιαζόμενης δέσμης φωτός συμπεριλαμβάνεται επίσης. Αυτή η μονάδα ελέγχει και την κυκλοφορία ύδατος στο σύστημα στην περίπτωση των θερμικών συλλεκτών.

Συμπερασματικά, το περιγραφόμενο σύστημα, δύναται να παρέχει κατάλληλες συνθήκες εσωτερικού περιβάλλοντος όπως φωτισμό, θερμοκρασία και σχετική υγρασία, για υψηλής ποιότητας καλλιέργειες θερμοκηπίων προϊόντων. Ακόμα και κατά την διάρκεια περιόδων που έχουμε απορρόφηση μέγιστης ποσότητας ηλιακής ενεργείας από τους συλλέκτες, παραμένει επαρκής φωτισμός για την ικανοποιητική ανάπτυξη των φυτών μέσα στο θερμοκήπιο.

3.3.2 Συνδυασμός των Φακών Fresnel με PVT Συστήματα Στοχεύοντας στον έλεγχο του φωτισμού και της θερμοκρασίας των

θερμοκηπίων επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα και ενεργειακό κέρδος από το πλεόνασμα της ηλιακής ακτινοβολίας εξετάζεται η εφαρμογή των γραμμικών φακών Fresnel ως υλικό κάλυψης θερμοκηπίου.

Οι γραμμικοί φακοί Fresnel, συνδυάζονται με γραμμικούς πολυχρηστικούς απορροφητές που μετατρέπουν την συγκεντρωθείσα άμεση ηλιακή ακτινοβολία σε θερμότητα, ηλεκτρισμό η και τα δύο. Σε χαμηλή ένταση ακτινοβολίας, λόγω της θέσης του ηλίου σχετικά με την οροφή του θερμοκηπίου (χαμηλό ύψους θερμοκηπίου) ή εξαιτίας συννέφων, οι απορροφητές μπορούν να τεθούν εκτός της ζώνης εστίασης, αφήνοντας το φως να εισέλθει στον εσωτερικό χώρο και να διατήρηση τον φωτισμό σε ένα αποδεκτό επίπεδο για τα καλλιεργούμενα φυτά.

Κατά την θερμική μετατροπή με τη χρήση θερμικών συλλεκτών (ΤC) η μεγίστη απόδοσή του συστήματος κυμαίνεται μεταξύ 60% και 70%. Η συγκεντρωθείσα ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται και αυξάνει την θερμοκρασία ενός απορροφητή τύπου σωλήνα ή απορροφητή πτερυγίου με σωλήνα. Η θερμότητα μεταφέρεται μέσω ενός κυκλοφορούντος ρευστού, που συνήθως είναι το νερό και το υδραυλικό σύστημα συνδέεσαι με αποθήκη για μετέπειτα χρήση. Όταν εφαρμόζεται αυτό το σύστημα στα θερμοκήπια, θεωρούμαι ότι η θέρμανση του νερού γίνεται κυρίως το μεσημέρι, που υπάρχει πλεόνασμα ηλιακής ακτινοβολίας στο θερμοκήπιο. Το αποθηκευμένο ζεστό νερό δύναται να κυκλοφορεί διαμέσου των σωλήνων του

69

απορροφητή στην διάρκεια της νύχτας συνεισφέροντας στις θερμικές ανάγκες του θερμοκηπίου και διατηρώντας την θερμοκρασία του αέρα σε ένα αποδεκτό επίπεδο. Στην περίπτωση της χρήσης φωτοβολταικών ως απορροφητές, η απόδοση είναι 5%-15% ανάλογα με τον τύπο του φ/β και η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για τις ηλεκτρικές ανάγκες του θερμοκηπίου, να μεταφερθεί στο ηλεκτρικό δίκτυο ή να αποθηκευτεί σε μπαταρίες.

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία (PV) μετατρέπουν ένα μικρό μέρος της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό, με το μεγαλύτερο μέρος αυτής να μετατρέπεται σε θερμότητα. Αυτό το γεγονός αυξάνει την θερμοκρασία τους, με αποτέλεσμα η αποδοτικότητα τους να μειώνεται. Φωτοβολταϊκά και θερμικά συστήματα μπορούν να συνδυαστούν σε μια μονάδα αποτελώντας το υβριδικό PVT σύστημα, το οποίο παρέχει ταυτόχρονα ηλεκτρισμό (απόδοση 10% για pc-Si) και θερμότητα (απόδοση 30% για 50 0C) και μπορεί να διατηρήσει την απόδοση του PV σε ένα ικανοποιητικό επίπεδο (Tripanagnostopoulos et al, 2001, 2002, 2005). Στις εφαρμογές PVT συστημάτων και θεωρώντας ότι ο ηλεκτρισμός είναι η προτεραιότητα τους, η λειτουργία των PV στοιχείων σε χαμηλότερες θερμοκρασίες είναι απαραίτητη για να διατηρηθεί η ηλεκτρική αποδοτικότητα των PV στοιχειών σε ένα αποδεκτό επίπεδο. Αυτή η απαίτηση περιορίζει το λειτουργικό εύρος της θερμικής μονάδας του PVT συστήματος σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και η εξαγόμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θερμικές ανάγκες χαμηλότερης θερμοκρασίας. Θεωρώντας την ενσωμάτωση των φακών Fresnel-PVT συστημάτων στην οροφή του θερμοκηπίου είναι απαραίτητο να θεωρήσουμε την χρήσιμα παραγομένη ηλεκτρική και θερμική ενέργεια μαζί με τα οφέλη στον έλεγχο φωτισμού και στο κέρδος αερισμού για να επιτευχθεί τελικά αποδοτικό κόστος εγκατάστασης.

Στο Σχήμα 7 παρουσιάζεται η σχεδιαστική αρχή ενός φακού Fresnel, ο οποίος είναι μη ευκρινούς ειδώλου συγκεντρωτής και επομένως οι διαθλώμενες ακτίνες σχηματίζουν ένα διαχεόμενο είδωλο του ηλίου στην εστιακή απόσταση. Στην ίδια εικόνα, παρουσιάζονται έξι τύποι των δυνατών απορροφητών ηλιακής ακτινοβολίας, όπου στην πρώτη γραμμή είναι ο απορροφητής τύπου σωλήνα και απορροφητής πτερυγίου με σωλήνα για θέρμανση νερού, ο αγωγός αέρα για θέρμανση αέρα και ο φωτοβολταικού τύπου απορροφητής. Στην δεύτερη γραμμή υπάρχουν οι υβριδικού τύπου PVT απορροφητές, για θέρμανση νερού, για θέρμανση αέρα και επίσης για θέρμανση νερού με επιπλέον γυάλινο κάλυμμα και θερμική μόνωση (Tripanagnostopoulos et al, 2004).

Σχήμα 7: Φακός Fresnel και ενναλλακτικοί τύποι απορροφητών θερμικού, φωτοβολταικού (PV) και υβριδικού φωτοβολταικού (PVT) τύπου.

70

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

4.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ

Άμεση ηλιακή ακτινοβολία Ib (beam solar radiation): Η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στη γη χωρίς να έχει υποστεί σκέδαση στην ατμόσφαιρα.

Διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία, Id (diffuse solar radiation): Η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στη γη αφού έχει αλλάξει διεύθυνση από σκέδαση στην ατμόσφαιρα.

Ολική ηλιακή ακτινοβολία It (total solar radiation): Το άθροισμα της άμεσης και διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε κάποια επιφάνεια.

Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας, I : Ο ρυθμός πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας σε κάποια επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας (W/ m2).

Γεωγραφικό πλάτος ενός τόπου φ: Η γωνιακή θέση ενός τόπου βόρεια ή νότια από τον ισημερινό (-90ο ≤φ≤ 90ο, λαμβάνεται θετικά προς βορρά).

Γεωγραφικό μήκος ενός τόπου, L: Η γωνιακή θέση ενός τόπου ανατολικά ή δυτικά από την αρχή των μεσημβρινών.

Απόκλιση, δ: Η γωνιακή θέση του ήλιου κατά την ηλιακή μεσημβρία σε σχέση με το ισημερινό επίπεδο (-23,45ο ≤δ≤ 23,45) (Λαμβάνεται θετική προς βορρά).

Κλίση επιφάνειας, β: Η γωνία μεταξύ της εν λόγω επιφάνειας και του οριζόντιου επιπέδου (0ο≤ β≤ 180ο).

Αζιμούθια γωνία επιφάνειας, γ : Η απόκλιση που παρουσιάζει η προβολή σημείου στο οριζόντιο επίπεδο της κάθετης σε επιφάνεια από τον τοπικό μεσημβρινό (-180ο≤ β≤ 180ο, γ=0 προς νότο, γ>0 δυτικά, γ<0 ανατολικά).

Γωνία πρόσπτωσης, z : Η γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία σ΄ ένα επίπεδο και στην κάθετο στο επίπεδο.

Ωριαία γωνία, ω : Η γωνιακή μετατόπιση του ήλιου ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού εξ’ αιτίας της περιστροφής της γης με 15ο/ ώρα. Λαμβάνεται αρνητική πριν το μεσημέρι και θετική μετά το μεσημέρι.

Ζενίθια γωνία, θΖ : Η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της κάθετης στο οριζόντιο επίπεδο ενός τόπου και της ευθείας που ενώνει τον τόπο με τον ήλιο.

71

4.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΜΕ ΦΑΚΟ FRESNEL

Τα πειράματα εκτελέστηκαν στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας, του Φυσικού τμήματος με συγκεντρωτικό γραμμικό φακό Fresnel. Ο συγκεκριμένος φακός αποτελεί τμήμα ενός μεγαλύτερου φακού Fresnel και έχει διαστάσεις 56.2 cm μήκος (L) 36.2 cm πλάτος (W) και εμβαδόν επιφανείας (Aα) 0.2 m2. Είναι τοποθετημένος πάνω σε κυλιόμενη βάση στήριξης, με σύστημα ρύθμισης του εστιακού επιπέδου κάτι που δίνει την δυνατότητα να γίνονται διάφορες μετρήσεις της διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας (εικόνα 1). Μαζί με τον φακό χρησιμοποιείται ένας αισθητήρας μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα (mA) που είναι ανάλογο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Ο αισθητήρας αποτελείται από ένα μικρό φωτοβολταϊκό στοιχείο (PV) περίπου 1 cm2 που συνδέεται με πολύμετρο για μέτρηση του παραγομένου ηλεκτρικού ρεύματος.

Εικόνα 1: Γραμμικός φακός Fresnel, εργαστηρίου Ηλιακής Ενέργειας

Τα πειράματα και οι μετρήσεις που έλαβαν χώρα είναι:

α) Πειράματα κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορα εστιακά επίπεδα του γραμμικού φακού Fresnel.

Σκοπός των πειραμάτων είναι να καθοριστεί η βέλτιστη εστιακή απόσταση

του φακού δηλ η εστιακή απόσταση εκείνη που η συγκεντρωθείσα ακτινοβολία παρουσιάζει την καλύτερη κατανομή σε σχέση με την λειτουργία του συστήματος στην διάρκεια της ημέρας και για όλο το έτος. Τα πειράματα αυτά έγιναν χωρίς την χρήση απορροφητή μετρώντας την κατανομή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στο λαμβανόμενο ΄΄εστιακό΄΄ επίπεδο. Αρχικά έγινε μέτρηση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας εκτός φακού με τον αισθητήρα παράλληλα στο επίπεδο του φακού για προσδιορισμό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας Ia στον φακό.

Εν συνεχεία έγινε μέτρηση με τον αισθητήρα της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στο λαμβανόμενο ΄΄εστιακό ΄΄επίπεδο ανά 2 cm και πλησίον της ζώνης εστίασης ανά 1 cm για μεγαλύτερη ακρίβεια. Οι μετρήσεις ελήφθησαν σε διάφορα επίπεδα (από 30cm-60cm) απόσταση κάτω από τον φακό και γίνονταν σχετικά γρήγορα για να μην αλλάζουν οι συνθήκες της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα πειράματα έγιναν μερικές φορές και επιλέχθηκαν αυτά με τις πιο σταθερές και χαρακτηριστικές μετρήσεις για τον προσδιορισμό της κατανομής της συγκέντρωσης της ακτινοβολίας στο εστιακό επίπεδο του γραμμικού φακού Fresnel για διάφορες γωνίες πρόσπτωσης z και αζιμούθιου γ. Από τις περιπτώσεις αυτές επιλέγονται τρεις εστιακές αποστάσεις

72

με χαρακτηριστικούς συνδυασμούς των δύο γωνιών z και γ με γνώμονα ότι ένα θερμοκήπιο είναι προσανατολισμένο στον Νότο και έχει κλίση οροφής (β) ίση με το γεωγραφικό πλάτος (φ) του τόπου. Αυτοί οι συνδυασμοί για τις αντίστοιχες εστιακές αποστάσεις f=34cm, f= 42cm και f=50cm είναι:

• z=00 και γ=00. Ο συνδυασμός αυτός σημαίνει ότι η ηλιακή ακτινοβολία είναι κάθετη στον φακό και αντιστοιχεί σε μεσημέρι των Ισημεριών (21 Μαρτίου, 21 Σεπτεμβρίου).

• z=00 και γ=450. Ο συνδυασμός αυτός αντιστοιχεί στην Ισημερία για 3ωρη απόκλιση του ηλίου πριν ή μετά το μεσημέρι (γ=450 σημαίνει την ωριαία απόκλιση του ηλίου που είναι 150 ανά ώρα για ένα τρίωρο).

• z=230 και γ=00. Ο συνδυασμός αυτός αντιστοιχεί για τον ήλιο το μεσημέρι αζιμούθια γ=0 και γωνία πρόσπτωσης z να αντιστοιχεί σε θερινό και χειμερινό ηλιοστάσιο (z=± 23.450)

• z=230 και γ=450. Ο συνδυασμός αυτός δείχνει την γωνία πρόσπτωσης z να αντιστοιχεί στο θερινό και χειμερινό ηλιοστάσιο και την αζιμούθια γωνία γ=45 να αντιστοιχεί σε τρίωρη απόκλιση πριν ή μετά το μεσημέρι. Με τα αποτελέσματα αυτά υπολογίζεται ο λόγος συγκέντρωσης C=Ir/Ia

όπου: Ir=η ένταση ακτινοβολίας για τις διάφορες θέσεις κατά πλάτος του ΄΄ εστιακού ΄΄ επίπεδου (±36cm) και

Ia= η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας πάνω στον φακό. Οι τιμές Ir και Ia αντιστοιχούν στις τιμές του ηλεκτρικού ρεύματος που λαμβάνονται από τον χρησιμοποιούμενο αισθητήρα στοιχείου PV. Με αυτές τις τιμές γίνονται τα σχετικά διαγράμματα. Τιμές και διαγράμματα παρατίθενται στην ενότητα 5.1, του κεφαλαίου 5 (Αποτελέσματα φακού Fresnel).

Τα πειραματικά αυτά αποτελέσματα θα χρησιμοποιηθούν στην συνέχεια για τον υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας που δύναται να συλλεχθεί ανάλογα με το πλάτος του υποθετικού γραμμικού απορροφητή σχέση με την προσπίπτουσα και διερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία. Έτσι διερευνώνται δυο εναλλακτικές υποθετικές περιπτώσεις απορροφητών πλάτους 10cm και 5cm αντίστοιχα και σε δύο θέσεις : στη ζώνη εστίασης (F) και έξω από τη ζώνη εστίασης (NF). Για τον υπολογισμό του ποσοστού της συλλεγόμενης ακτινοβολίας στην ζώνη εστίασης (F) λαμβάνονται υπόψιν τα εξής:

• η προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια πάνω στον φακό Qi. Υπολογίζεται από την μετρούμενη με τον αισθητήρα ένταση της ακτινοβολίας στο επίπεδο του φακού επί την επιφάνεια του φακού. Qi= Αα Iα όπου Iα η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας πάνω στον φακό και Αα το εμβαδόν του φακού.

• η διερχόμενη ηλιακή ενέργεια από τον φακό Qt. Υπολογίζεται από την συνολική ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στο λαμβανόμενο ΄΄εστιακό΄΄ επίπεδο, λαμβάνοντας το εμβαδόν που σχηματίζεται από την καμπυλη κατανομής και τον αξονα θέσης για μήκος 36 cm ίσο με το πλάτος του φακού Fresnel. Qt= Σ(Ir ΔΑ) όπου Ir η ένταση της ακτινοβολίας στο εστιακό επίπεδο και ΔΑ στοιχειώδης επιφάνεια, ΔΑ=L ΔW

• η ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει σε απορροφητή 5cm ή 10 cm Qr,5 (F) Qr,10 (F). Υπολογίζεται από τα διαγράμματα κατανομής της ακτινοβολίας στο λαμβανόμενο ΄΄εστιακό΄΄ επίπεδο λαμβάνοντας το τμήμα εκείνο του εμβαδού που αντιστοιχεί σε μήκος απορροφητή 5cm ή 10 cm προς την συνολική προσπίπτουσα ή την συνολική διερχόμενη.

73

Εάν οι απορροφητές τεθούν έξω από την ζώνη εστίασης (NF) τότε η ενέργεια που προσπίπτει σε απορροφητή 5cm ή 10 cm Qr,5 (ΝF) Qr,10 (ΝF) υπολογίζεται από τα διαγράμματα κατανομής της ακτινοβολίας στο λαμβανόμενο ΄΄εστιακό΄΄ επίπεδο λαμβάνοντας το τμήμα εκείνο του εμβαδού που είναι εκτός ζώνης εστίασης και αντιστοιχεί σε μήκος 5cm η 10 cm προς την συνολική προσπίπτουσα η την συνολική διερχόμενη. Τα αποτελέσματα αυτά δίνονται στην ενότητα 5.1, του κεφαλαίου 5 (Αποτελέσματα φακού Fresnel), υπό μορφή ποσοστών συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας ως προς την προσπίπτουσα ακτινοβολία και συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας ως προς την διερχόμενη ακτινοβολία. Τα ποσοστά αυτά είναι:

ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας σε σχέση με την προσπίπτουσα ακτινοβολία για απορροφητή 5cm στην ζώνη εστίασης (F): Qr,5 (F)/ Qi

ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας σε σχέση με την διερχόμενη ακτινοβολία για απορροφητή 10cm στην ζώνη εστίασης (F): Qr,10 (F)/ Qt

ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας σε σχέση με την προσπίπτουσα ακτινοβολία για απορροφητή 5cm εκτός ζώνης εστίασης (ΝF): Qr,5 (ΝF)/ Qi

ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας σε σχέση με την διερχόμενη ακτινοβολία για απορροφητή 10cm στην ζώνη εστίασης (ΝF): Qr,10 (ΝF)/ Qt.

β) Πειράματα επίδρασης της απορροφούμενης ποσότητας ηλιακής ακτινοβολίας με την χρήση απορροφητή 10 cm, στην θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου μονάδας προσομοίωσης θερμοκηπίου.

Σκοπός του πειράματος είναι να προσδιοριστεί κατά πόσο είναι δυνατόν να

μειωθεί η θερμοκρασία ενός εσωτερικού χώρου όπως είναι ο χώρος του θερμοκηπίου, εάν το φως που διέρχεται από τους φακούς Fresnel απορροφάται από απορροφητές που είναι τοποθετημένοι στο εστιακό επίπεδο των φακών και εξάγεται υπό μορφή θερμότητας κυρίως ή και ηλεκτρισμού από τον χώρο του θερμοκηπίου.

Για τον προσδιορισμό αυτό εξετάζονται. τρεις περιπτώσεις για την διερεύνηση των οποίων κατασκευάστηκε μονάδα εξομοίωσης θερμοκηπίου πού έχει ως οροφή τον διαθέσιμο για τα πειράματα φακό Fresnel και σχηματίζεται ένας κλειστός χώρος κάτω από τον φακό με αδιαφανή και διαφανή τοιχώματα. Τα πειράματα αυτά γίνονται με την διάταξη να είναι προσανατολισμένη έτσι ώστε ο φακός Fresnel να είναι κάθετος στον ήλιο και με χρήση θερμικού συλλέκτη (TC) που αποτελεί τον απορροφητή της διάταξης. Οι τρεις περιπτώσεις πειραμάτων αφορούν τα εξής:

Μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου με αδιαφανή τοιχώματα που δημιουργήθηκαν από πεπιεσμένο χαρτόνι, για να επιτευχθεί προσομοίωση αμφικλινούς θερμοκηπίου διπλής η πολλαπλής γραμμής που η εισερχόμενη ακτινοβολία από τα πλευρικά τοιχώματα επηρεάζει ελάχιστα τον φωτισμό και την θερμοκρασία του χώρου.

Μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου με διαφανή τοιχώματα που δημιουργήθηκαν από διαφανές πλαστικό φύλλο, για να επιτευχθεί προσομοίωση απλού αμφικλινούς θερμοκηπίου απλής γραμμής που η εισερχόμενη ακτινοβολία από τα πλευρικά τοιχώματα επηρεάζει σημαντικά τον χώρο του θερμοκηπίου (εικ. 2).

74

Μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου με διαφανή τοιχώματα και ανοίγματα εξαερισμού, για να επιτευχθεί προσομοίωση αμφικλινούς θερμοκηπίου απλής γραμμής με ανοίγματα φυσικού εξαερισμού.

Και στις τρεις κατηγορίες πειραμάτων διερευνώνται δυο περιπτώσεις: μια απάγοντας όλη την θερμότητα με τρεχούμενο νερό μεγάλης παροχής (κυρίως ψύξη απορροφητή) και μια δεύτερη κρατώντας την θερμοκρασία του απορροφητή σταθερή στους 50-60 0C με ελεγχόμενη παροχή του νερού (θέρμανση νερού για χρήση). Η φυσική σημασία της δεύτερης περίπτωσης είναι αφενός να υπάρχει μείωση της θερμοκρασίας του εσωτερικού χώρου της μονάδας προσομοίωσης και αφετέρου να παρέχεται νερό εξόδου κατάλληλης θερμοκρασίας για αποθήκευση και κάλυψη θερμικών αναγκών θερμοκηπίου την νύχτα.

Εικόνα 2: Μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου

Εντός της μονάδας τοποθετήθηκε γραμμικός απορροφητής 10cm σε εστιακή

απόσταση f=42 cm και εκατέρωθεν αυτού τα 4 θερμοζεύγη ανά δυο με την Τ1, Τ2 πάνω από τον απορροφητή και Τ3, Τ4 κάτω από αυτόν (σχήμα 1). Ο γραμμικός απορροφητής είναι ένας θερμικός συλλέκτης με χάλκινο απορροφητή και χάλκινο σωλήνα νερού. Είναι βαμμένος μαύρος, έχει γυάλινα τοιχώματα και θερμική μόνωση και είναι συνδεδεμένος με δυο θερμοζεύγη, το ένα πάνω στο πτερύγιο του απορροφητή (Τf) και το άλλο πάνω στο σωλήνα του νερού (Τp).

Η μονάδα προσομοίωσης έμενε επί 1-2 h προσανατολισμένη με τον φακό κάθετα στην ηλιακή ακτινοβολία για να επιτευχθεί η μέγιστη θερμοκρασία τόσο στον απορροφητή όσο και στο εσωτερικού χώρου της μονάδας προσομοίωσης. Εν συνεχεία περνούσε τρεχούμενο νερό για να απάγει την απορροφούμενη ενέργεια και να καταγραφεί η πτώση της θερμοκρασίας στον απορροφητή και στον εσωτερικό χώρο της μονάδας. Τα πειράματα έλαβαν χώρα κατά την διάρκεια του μεσημεριού και με συνθήκες πλήρους ηλιοφάνειας. Η όλη διαδικασία επαναλήφθηκε 2-3 φορές για κάθε μια από τις προαναφερθείσες περιπτώσεις.

Τα μετρούμενα μεγέθη είναι η ένταση Ι της ηλιακής ακτινοβολίας με την χρήση πυρανόμετρου, η θερμοκρασία περιβάλλοντος Τα και οι θερμοκρασίες Τ1, Τ2, Τ3, Τ4 εντός της μονάδας προσομοίωσης με θερμοζεύγη χαλκού- κωνσταντάνης (Cu-Cu-Ni) και με φορητό ψηφιακό θερμόμετρο. Επίσης μετρώνται οι θερμοκρασίες Τf και Τp πάνω στον θερμικό συλλέκτη και στην περίπτωση του πειράματος όπου η μονάδα προσομοίωσης είχε αδιαφανή τοιχώματα μετράται και η θερμοκρασία εισόδου (Tin) και εξόδου (Tout) του νερού.

75

Με τα πειραματικά αυτά αποτελέσματα θα γίνουν διαγράμματα μεταβολής της θερμοκρασίας (Τ1, Τ2, Τ3, Τ4) με τον χρόνο, από τα οποία θα εκτιμηθεί η επιτυγχανόμενη πτώση της θερμοκρασίας εντός του χώρου της μονάδας προσομοίωσης. Επίσης θα περιληφθούν διαγράμματα μεταβολής της θερμοκρασίας του απορροφητή (Τf και Τp) για τις περιπτώσεις τρεχούμενου νερού μεγάλης παροχής και ελεγχόμενης παροχής νερού. Τέλος θα υπολογιστεί η θερμική απόδοση του χρησιμοποιουμένου ηλιακού συλλέκτη για να εκτιμηθεί η ενεργειακή απολαβή από την χρήση του απορροφητή.

Η θερμική απόδοση του συλλέκτη είναι ο λόγος της χρήσιμης συλλεγόμενης ενέργειας Qu ως προς την ολική προσπίπτουσα ακτινοβολία Qs στην μονάδα του χρόνου, n= Qu/Qs.

Θα διερευνηθούν δύο περιπτώσεις απόδοσης: η θερμική απόδοση του συλλέκτη ως προς την προσπίπτουσα ηλιακή

ακτινοβολία, n= Qu/Qi και η θερμική απόδοση του συλλέκτη ως προς την διερχόμενη του φακού ηλιακή

ακτινοβολία, n= Qu/Qt Οι σχέσεις που θα χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της θερμικής

απόδοσης είναι: Qu=mCp(Tin-Tout), Qi =I Aα και Qt =0.80 Qi όπου Qu= η χρήσιμη συλλεγόμενη ενέργεια ανά μονάδα χρόνου W m=dm/dt η παροχή μάζας νερού στον συλλέκτη kg/sec Cp= η ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση του νερού J/kg 0K Tout= η θερμοκρασία εξόδου του νερού από τον συλλέκτη 0C και Tin = η θερμοκρασία εισόδου του νερού 0C I= η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας W/m2

Qi = η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία W

Qt = η διερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία W Aα = το εμβαδόν του ηλιακού συλλέκτη m2

Σχήμα 1: Μονάδας προσομοίωσης θερμοκηπίου με τον γραμμικό απορροφητή 10cm και τα 4 θερμοζεύγη εκατέρωθεν αυτού.

76

γ) Πειράματα επίδρασης απορροφητών 5cm και 10cm αντίστοιχα στην

κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας και της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR) αντίστοιχα.

Σκοπός του πειράματος είναι να προσδιοριστεί η μείωση της έντασης της

ηλιακής ακτινοβολίας και PAR στο επίπεδο που βρίσκεται κάτω από τους απορροφητές λόγω συγκέντρωσης του φωτός στους απορροφητές και να εκτιμηθεί έτσι η επάρκεια τους σε περίπτωση χρήσης φακών Fresnel σε θερμοκήπιο πλησίον της φυτικής κόμης για την φωτοσυνθετική δραστηριότητα των φυτών.

Για την υλοποίηση του πειράματος χρησιμοποιήθηκε ο φακός Fresnel της εικόνας 2 (χωρίς πλαϊνά τοιχώματα), προσανατολισμένος κάθετα στην ηλιακή ακτινοβολία και απορροφητής από σκληρό πεπιεσμένο χαρτόνι 5cm και 10cm αντίστοιχα. Τα μετρούμενα μεγέθη είναι η ένταση Ι της ηλιακής ακτινοβολίας σε W/m2 και της PAR σε μmol/m2s με πυρανόμετρο και αισθητήρα μέτρησης της PAR αντίστοιχα.

Μετρήθηκε η ηλιακή ακτινοβολία και η PAR πάνω στον φακό (με τα όργανα μέτρησης τοποθετημένα παράλληλα με τον φακό) και στην συνέχεια έγιναν μετρήσεις σάρωσης ακριβώς κάτω από τον φακό, στο λαμβανόμενο ΄΄εστιακό΄΄ επίπεδο και κάτω από τους απορροφητές. Αναλυτικότερα:

α) Μετρήθηκε η ηλιακή ακτινοβολία και PAR πάνω και κάτω από τον φακό για να προσδιορισθεί το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR που διέρχεται από τον φακό.

β) Μετρήθηκε η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR στο λαμβανόμενο ΄΄εστιακό ΄΄ επίπεδο f=42cm ανά 2 cm και πλησίον της ζώνης εστίασης ανά 1 cm και με γωνία πρόσπτωσης z=0 και αζιμούθια γωνία γ=0 για να προσδιορισθεί η κατανομή της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας και PAR. Η κατανομή αναμένεται να είναι ανάλογη με την κατανομή της πρώτης ομάδας πειραμάτων για συνδυασμό f=42cm και γ=0, z=0.

γ) Μετρήθηκε η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR κάτω από τον απορροφητή σε απόσταση περίπου 15cm για να προσδιορισθεί η μεταβολή της κατανομής τους.

Με τα πειραματικά αυτά αποτελέσματα θα γίνουν διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR στο επίπεδο που βρίσκεται ακριβώς κάτω από τον φακό, στο λαμβανόμενο ΄΄εστιακό΄΄ επίπεδο και σε επίπεδο απόστασης 15cm κάτω από τους απορροφητές.

77

4.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟ ΤΟΥ ΤΕΙ ΜΕΣΟΛΟΓΓΙΟΥ 4.3.1 Προσδιορισμός και Καταγραφή των Μεταβολών των Παραμέτρων του Θερμοκηπίου.

Η πειραματική μελέτη εντός του θερμοκηπίου στοχεύει στην βελτίωση των συνθηκών φωτισμού του χώρου σε σχέση με τις ανάγκες των φυτών και παράλληλα στην ενεργειακή αξιοποίηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Για τον προσδιορισμό των παραμέτρων που υπεισέρχονται στην ανάλυση του προβλήματος (ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία, ταχύτητα ανέμου, σχετική υγρασία) είναι αναγκαία η καταγραφή των μεταβολών τους επί του θερμοκηπίου. Τα στοιχεία αυτά θα αξιοποιηθούν για την ανάλυση των συνθηκών στη διάρκεια μιας περιόδου, μιας εποχής ή σε ολόκληρο το έτος, ώστε να καθοριστούν οι συγκεκριμένες συσχετίσεις του φωτισμού, της θερμοκρασίας και της υγρασίας που προκύπτουν σε συνδυασμό με την προσπίπτουσα ακτινοβολία και ταχύτητα του πνέοντος ανέμου, η δε συσχέτιση των ληφθέντων πειραματικών αποτελεσμάτων των παραμέτρων αυτών θα εξεταστεί ως προς την βέλτιστη ανάπτυξη των φυτών του θερμοκηπίου. Σκοπός είναι να προσδιοριστεί η ενεργειακή κατάσταση του συγκεκριμένου θερμοκηπίου έτσι ώστε στην προοπτική μελέτης και εγκατάστασης φακών Fresnel να υπάρχουν όλα τα απαραίτητα δεδομένα για τους αναγκαίους ενεργειακούς και λειτουργικούς υπολογισμούς.

Σε έναν από τους 4 διαμερισματοποιημένους χώρους του υαλόφρακτου θερμοκηπίου που διατίθεται στο ΤΕΙ Μεσολογγίου εκτάσεως 500 m2 και προσανατολισμού Ανατολή-Δύση εγκαταστάθηκε διάταξη συλλογής και καταχώρησης δεδομένων (Data Logger). Τα όργανα που συνδέονται με τον Data Logger είναι πυρανόμετρα για μέτρησης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας I (W/m2) εντός και εκτός του θερμοκηπίου, ανεμόμετρο για μέτρηση της ταχύτητας του ανέμου U (m/sec), υγρασιόμετρο για μέτρηση της σχετικής υγρασίας RH (%) και θερμοζεύγος Cu-CuNi για μέτρηση θερμοκρασίας περιβάλλοντος θερμοκηπίου Τα ( 0C) (εικόνα 3). Οι παράμετροι που μετρούνται και καταχωρούνται στον Data Logger (η λήψη και επεξεργασία τους γίνεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή) είναι:

η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και η ένταση της διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας εντός του θερμοκηπίου. Ο προσδιορισμός της μείωσης της έντασης της διερχόμενης ακτινοβολίας σε σχέση με την προσπίπτουσα λόγω ανάκλασης και απορρόφηση μέρους της από το υλικό κάλυψης είναι απαραίτητος για τον καθορισμό της ενεργειακής κατάστασης του θερμοκηπίου.

η ταχύτητα του πνέοντος ανέμου που κρίνεται απαραίτητη γιατί ο άνεμος επηρεάζει την απαγωγή θερμότητας από το κάλυμμα του θερμοκηπίου και κατά συνέπεια την θερμοκρασία στο εσωτερικό.

η θερμοκρασία περιβάλλοντος του θερμοκηπίου και

μνήμη

η σχετική υγρασία (ο λόγος της ποσότητας των υδρατμών που περιέχει ο αέρας, σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση, προς την ποσότητα των υδρατμών που θα περιείχε ο αέρας αν ήταν κορεσμένος, με την ίδια θερμοκρασία και πίεση).

Η συσχέτιση των μετρήσεων, αποδεικνύει την αλλελοεπίδραση όλων αυτών των παραμέτρων μεταξύ τους. Στην παραπάνω διάταξη πραγματοποιήθηκε αρχικά η δοκιμαστική λειτουργία και οι απαραίτητες ρυθμίσεις τόσο των επιμέρους οργάνων όσο και της όλης διάταξης πριν να τεθούν σε οριστική λειτουργία. Ο Data logger προγραμματίστηκε να προβαίνει σε δειγματοληψία και συλλογή των σημάτων των αισθητηρίων, σε διάστημα ανά 2 sec, και να καταχωρεί τις τιμές στη εξόδου

78

αθροιστικά κάθε 10 sec. Έτσι διαμορφώνεται πλήρως το προφίλ κατανομής όλων των παραμέτρων από 24h έως και ετήσια βάση. Η επεξεργασία των μετρήσεων έγινε με το πρόγραμμα Excel. Ελήφθησαν οι μετρήσεις κάθε ημέρας από τον Data logger του θερμοκηπίου ανά 10λεπτα σε 24 ώρες. Οι 10λεπτες αυτές μετρήσεις κάθε ημέρας χωρίστηκαν πρωτίστως σε τιμές ημέρας–νύχτας. Υπολογίστηκαν οι μέσοι όροι για κάθε ημέρα και για κάθε νύχτα, και για κάθε εβδομάδα, και δημιουργήθηκαν εβδομαδιαία και συγκεντρωτικά διαγράμματα των προαναφερθέντων παραμέτρων τα οποία παρουσιάζονται και αναλύονται στο κεφάλαιο 5. 4.3.2 Εξοπλισμός Θερμοκηπίου

τάθηκε εντός του υαλόφρακτου θερμοκηπίου και

αταχωρητής δεδομένων, DATALOGGER CR10X, Οίκου Campbell Scientific

Ο εξοπλισμός που εγκατασσυνδέεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή είναι: Κ

Ο Data logger CR10X είναι ένας μικρός ερμητικά κλειστός μέσα σε ανοξείδ

Πυρανόμετρο, τύπου SP-LITE, Οίκου Kipp & Zonen, Ολλανδίας (W/m

ωτο περίβλημα ο οποίος έχει ενσωματωμένη εξαιρετικά μεγάλη υπολογιστική ισχύ για συλλογή και επεξεργασία στοιχείων. Έχει 12 αναλογικές εισόδους (6 διαφορικές) με RESOLUTION 13 BIT, δύο απαριθμητικές εισόδους, τρεις εξόδους διέγερσης αισθητηρίων (για τα αισθητήρια που απαιτούν κάποια τάση προκειμένου να παράγουν σήμα) και 8 ψηφιακές θύρες I/O. Έχει ενσωματωμένο ρολόι πραγματικού χρόνου ακριβείας ±1min/μήνα. Η χωρητικότητα της μνήμης του CR10X είναι 128ΚΒ για αποθήκευση άνω των 60.000 τιμών. Βάσει προγραμμάτων και εντολών καταχωρημένων στη μνήμη του, ο CR10X προβαίνει σε δειγματοληψία και συλλογή των σημάτων των αισθητηρίων, ανά προγραμματιζόμενα διαστήματα, και καταχωρεί τις τιμές στη μνήμη εξόδου, απ΄ όπου μπορούν να μεταφερθούν σε κάρτα αποθήκευσης, σε μνήμη στερεάς δομής ή σε υπολογιστή απ΄ ευθείας.

2)

με φωτοδίοδο η οποία ανάλογα της Είναι τύπου πυριτίου ντασης της ηλιακής

λειτουργίας από -30 έως 70 C

έακτινοβολίας που περνάει, παράγει τάση. Αναμενόμενο εύρος σήματος κάτω από ατμoσφαιρικές συνθήκες 0-0.2 V. Ευαισθησία οργάνου 100 μV/W/m2. Εύρος φασματικής ανταπόκρισης 400-1100 nm με απόκλιση ± 5% εξαρτώμενο από τις συνθήκες καλιμπραρίσματος, χρόνος ανταπόκρισης < 1sec και θερμοκρασιακό εύρος

0

79

Αισθητήρας PAR-LITE, Οίκου Kipp & Zonen (μmol/m2s)

φωτοδίοδο η οποία ανάλογα , παράγει τάση. Αναμενόμενο

Είναι τύπου πυριτίου με της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας που περνάει ρος σήματος κάτω από

ισθητήρας ταχύτητας ανέμου, #40, Οίκου NRG Systems Inc, ΗΠΑ (m/sec)

εύατμoσφαιρικές συνθήκες 0-12 mV. Ευαισθησία οργάνου 4-6 μV/μmol/m2s. Εύρος φασματικής ανταπόκρισης 400-700 nm με απόκλιση ± 10%, χρόνος ανταπόκρισης < 0.1sec, θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας από -30 έως 70 0C και εύρος υγρασίας 0-100%. Α

0 - 75 m/sec και ακρίβεια μετρήσεων 0.25 m/sec, σταθερά απόστασης 2.5 m.

Περιοχή μετρήσεων 0.1% (+/- 0.1 m/sec). Κατώφλι λειτουργίας Ο αισθητήρας διαθέτει

παλμική έξοδο και Θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας -30 έως +70 0C. Ο αισθητήρας δεν απαιτεί εξωτερική τροφοδοσία.

80

Αισθητήρας θερμοκρασία –υγρασίας τύπου MP101A-T7-W4W, Οικου Rotronic AG, Ελβετίας.

περιοχή μέτρησης της θερμοκρασίας είναι –40 έως +60 0C και η τυπική ακρίβεια Ημέτρησης της θερμοκρασίας αέρα είναι καλύτερη από 0.2 0C. Η διακριτική ικανότητα – ανάλυση του αισθητήρα θερμοκρασίας είναι 0.125 0C και η διακριτική ικανότητα – ανάλυση του αισθητήρα σχετικής υγρασίας είναι 0.025%. Η περιοχή μέτρησης της υγρασίας είναι 0 – 100% και η ακρίβεια μέτρησης της σχετικής υγρασίας είναι καλύτερη από 2%

ικόνα 3: Data logger, πυρανόμετρο και αισθητήρας θερμοκρασίας /υγρασίας εντός Ε

του θερμοκηπίου.

81

4.3.3 Πειράματα Σάρωσης και Ζωνοποίησης εντός του Θερμοκηπίου Σκοπός των πειραμάτων αυτών είναι να προσδιοριστεί η κατανομή της διερχόμενης του καλύμματος ηλιακής ακτινοβολίας και PAR που φτάνει στο επίπεδο των φυτών σε ολόκληρο τον χώρο του θερμοκηπίου και η μεταξύ τους σχέση κάτω από την επίδραση διαφορετικών κλιματολογικών συνθηκών.

Για να γίνουν τα πειράματα σάρωσης, το θερμοκήπιο χωρίστηκε σε 12 τμήματα και λαμβάνονταν ανά μια ώρα μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR στα δώδεκα αυτά σημεία σε ύψος περίπου 50 cm από το έδαφος (σχήμα 2). Εν συνεχεία υπολογίστηκε ο μέσος όρος των δώδεκα σημείων ανά ώρα για την ενέργεια που μετρήθηκε Τα πειράματα έλαβαν κάποιες ηλιόλουστες και κάποιες συννεφιασμένες ημέρες (αραιή και πολύ συννεφιά). Οι μετρήσεις αφορούσαν την ολική ηλιακή ακτινοβολία και την φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR) που φτάνουν στο επίπεδο των φυτών.

Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν είναι πυρανόμετρο (SP-LITE), αισθητήρας μέτρησης της PAR (PAR-LITE) και ψηφιακό πολύμετρο (μιλιβολτόμετρο DC) υπολογισμού της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας με την τιμή της τάσης και τον συντελεστή μετατροπής.

Στην ζωνοποίηση το θερμοκήπιο χωρίστηκε σε δυο ζώνες : την ανατολική ζώνη που περιλαμβάνει τα σημεία 7 έως 12 και την δυτική ζώνη που περιλαμβάνει τα σημεία 1 έως 6 (σχήμα 2). Αυτή η ζωνοποίηση έχει αντικειμενικό σκοπό να προσδιοριστεί η διαφορά κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR σε σχέση με τον προσανατολισμό του θερμοκηπίου έτσι ώστε σε πραγματική εγκατάσταση φακών Fresnel στην οροφή, να μπορεί να γίνεται η απαραίτητη ρύθμιση λειτουργίας των απορροφητών ανάλογα με την θέση που βρίσκονται μέσα στο θερμοκήπιο, δεδομένου ότι η υαλόφρακτη οροφή του θερμοκηπίου θα είναι σταθερή. Επειδή ο ήλιος αλλάζει θέση όσον αφορά το σύστημα οροφή-συλλέκτης καθ' όλη τη διάρκεια των εποχών (σχήμα 3, Κεφάλαιο 2) τα πλαίσια με τους τοποθετημένους απορροφητές μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να κινούνται αυτόματα προκειμένου να ακολουθείται η προβολή του ήλιου.

Σχήμα 2: Σχηματικό διάγραμμα διαμερισματοποίησης θερμοκηπίου

82

4.4 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΑΘΜΟΥ ΤΕΙ/Μ Εκτός από τον προσδιορισμό των παραμέτρων που προαναφέρθησαν ότι είναι αναγκαία η καταγραφή των μεταβολών τους επί ενός θερμοκηπίου για ένα τουλάχιστον έτος, παράλληλα κρίνεται χρήσιμη η λήψη και επεξεργασία των μετεωρολογικών στοιχείων της τοποθεσίας που είναι εγκατεστημένο το θερμοκήπιο στο ΤΕΙ Μεσολογγίου επίσης για ένα τουλάχιστον έτος. Σκοπός της επεξεργασίας των στοιχείων είναι μία κατά αρχήν εκτίμηση των επικρατουσών συνθηκών της περιοχής εγκατάστασης του θερμοκηπίου στη διάρκεια του έτους, ώστε να προσδιοριστούν οι μεταβολές των παραμέτρων εκείνων που θα χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση του ενεργειακού υπολογισμού του θερμοκηπίου για ενδεχόμενη χρήση φακων Fresnel. Ο Μετεωρολογικός Σταθμός του ΤΕΙ είναι εγκατεστημένος σε περιφραγμένο χώρο 2.000 τ.μ. στις εγκαταστάσεις του Ιδρύματος και σε θέση τέτοια ώστε να μην επηρεάζονται οι μετρήσεις από κτίρια και κυκλοφορία, και πληρεί τις προδιαγραφές WMO (World Meteorological Organization). Διαθέτει τους αισθητήρες: - Αισθητήρας Ταχύτητας Ανέμου, τύπος αισθητήρα DELTA-T Devices / AN1 - Αισθητήρας Διεύθυνσης Ανέμου, τύπος αισθητήρα DELTA-T Devices / WD1 - Αισθητήρας Σχετικής Υγρασίας και Θερμοκρασίας αέρα, τύπος αισθητήρα SKYE

Instruments / rht+ - Αισθητήρας Βροχόπτωσης, τύπος αισθητήρα ENVIRONMENTAL

MEASUREMENTS / ARG100-RGB1 - Αισθητήρας Βαρομετρικής Πίεσης, τύπος αισθητήρα DELTA-T Devices / BS4 - Αισθητήρας Ολικής Ηλιακής Ακτινοβολίας, τύπος αισθητήρα SKYE Instruments

/ SKS 1110 - Αισθητήρας μέτρησης διάρκειας Ηλιοφάνειας, τύπος αισθητήρα DELTA-T / BF2 - Αισθητήρας Θερμοκρασίας Εδάφους, τύπος αισθητήρα DELTA-T Devices / ST1 - Αισθητήρες Υγρασίας Εδάφους, τύπος αισθητήρα DELTA-T Devices /ML2x - Αισθητήρας Ανίχνευσης Διύγρανσης / Παγετού, τύπος αισθητήρα EM / SW120F - Data logger (Ψηφιακό καταγραφικό), τύπος DELTA-T Devices / DL2e

Φέρει ιστό σωληνωτού τύπου συνολικού ύψους 10 m πάνω στον οποίο είναι τοποθετημένοι οι αισθητήρες ταχύτητας και διεύθυνσης του ανέμου, θερμοκρασίας και υγρασίας αέρα, βαρομετρικής πίεσης και ολικής ηλιακής ακτινοβολίας. Διαθέτει αλεξικέραυνο με αγωγό γείωσης 70 mm2, και γείωση τύπου τριγώνου.

Ο Σταθμός διαθέτει τηλεμετρική ζεύξη με ζεύγος Radio Modems στην περιοχή των 900 MHz, με μια κεραία τύπου YANGI 3 DB, και μια τύπου OMNI. Φέρει σύστημα τροφοδοσίας με ηλιακό συλλέκτη και επαναφορτιζόμενες μπαταρίες για την τροφοδοσία του data logger, και ανεξάρτητο σύστημα τροφοδοσίας με ηλιακό συλλέκτη και επαναφορτιζόμενη μπαταρία για το Radio Modem.

Ο συγκεκριμένος Μετεωρολογικός σταθμός χρησιμοποιήθηκε γιατί βρίσκεται στον ίδιο χώρο με το υπό μελέτη θερμοκήπιο συνεπώς οι παράμετροι που ελήφθησαν και επεξεργάστηκαν είναι αντιπροσωπευτικοί των συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή του θερμοκηπίου. Επιπλέον είναι ο πρώτος Μετεωρολογικός σταθμός σύμφωνα με την πιστοποίηση και αξιολόγηση του στα Τεχνολογικά εκπαιδευτικά Ιδρύματα και ο τρίτος μετά τον σταθμό του Μετσόβιου Πολυτεχνείου και του Γεωπονικού Πανεπιστημίου, διότι διαθέτει τους πολυπληθέστερους αισθητήρες οι οποίοι βαθμονομούνται άπαξ ετησίως σύμφωνα με τα πρότυπα του WMO.

Οι παράμετροι που ελήφθησαν και επεξεργαστήκαν οι οποίοι έχουν άμεση επίδραση στο διαμορφούμενο εσωτερικό κλίμα του θερμοκηπίου (Κεφάλαιο 2) και

83

θα χρησιμοποιηθούν για εκτίμηση του ενεργειακού υπολογισμού του θερμοκηπίου σε ενδεχόμενη χρήση φακών Fresnel είναι:

- η ηλιακή ακτινοβολία ημέρας (W/m2) - η θερμοκρασία ημέρας και νύχτας (C) - η ταχύτητα ανέμου ημέρας και νύκτας (m/sec) και - η σχετική υγρασία RH (%)

Η επεξεργασία των μετρήσεων έγινε με το πρόγραμμα Excel. Ελήφθησαν οι μετρήσεις 365 ημερών (1 έτος) από τον Data logger του σταθμού ανά 10λεπτα σε 24 ώρες. Οι 10λεπτες αυτές μετρήσεις των 365 ημερών χωρίστηκαν πρωτίστως σε μήνες και μετά οι τιμές κάθε μήνα χωριστήκαν σε τιμές ημέρας –νύχτας με βάση τον αισθητήρα ανίχνευσης διάρκειας ηλιοφάνειας του σταθμού. Υπολογίστηκαν οι μέσοι όροι για κάθε ημέρα και για κάθε νύχτα, για κάθε μήνα και δημιουργήθηκαν τα ετήσια διαγράμματα των προαναφερθέντων παραμέτρων τα οποία παρουσιάζονται και αναλύονται στο Κεφάλαιο 5.

Εικόνα 4: Μετεωρολογικός Σταθμός ΤΕΙ/Μ

84

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

5.1 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΦΑΚΟΥ FRESNEL Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται όλα τα σχετικά πειραματικά αποτελέσματα και οι υπολογισμοί που έγιναν στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας με συγκεντρωτικό φακό Fresnel και αφορούσαν:

α) Πειράματα κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορα εστιακά επίπεδα του γραμμικού φακού Fresnel.

β) Πειράματα επίδρασης της απορροφούμενης ποσότητας ηλιακής ακτινοβολίας με την χρήση απορροφητή 10 cm, στην θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου μιας μονάδας προσομοίωσης θερμοκηπίου.

γ) Πειράματα επίδρασης απορροφητών 5cm και 10cm αντίστοιχα στην κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας και της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR) αντίστοιχα.

Αναλυτικά δίδονται: α) Αποτελέσματα κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας

σε διάφορα εστιακά επίπεδα του γραμμικού φακού Fresnel. Από τα πειράματα που εκτελέστηκαν, με συγκεντρωτικό φακό Fresnel

προέκυψε και παρουσιάζεται στα σχήματα 1α, 2α και 3α η κατανομή της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας στο εστιακό επίπεδο του γραμμικού φακού Fresnel. Η παρουσίαση γίνεται για τις εξής τρεις ομάδες παραμέτρων: i) f=34 cm και γ=0 z=0, γ=45 z=0, γ=0 z=23, γ=45 z=23 (σχήμα 1α, διαγρ. (a), (b),

(c) και (d) ii) f=50 cm και γ=0 z=0, γ=45 z=0, γ=0 z=23, γ=45 z=23 (σχήμα 2α, διαγρ. (a), (b),

(c) και (d) iii) f=42 cm και γ=0 z=0, γ=45 z=0, γ=0 z=23, γ=45 z=23 (σχήμα 3α, διαγρ. (a), (b),

(c) και (d) όπου: f η εστιακή απόσταση του φακού, γ η αζιμούθια γωνία επιφανείας και z η γωνία πρόσπτωσης.

Εν συνεχεία υπολογίστηκε και για κάθε μία από τις προαναφερθείσες εστιακές αποστάσεις το ποσοστό της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας με αναφορά την προσπίπτουσα και διερχόμενη ακτινοβολία για υποθετική χρήση απορροφητών πλάτους 10cm και 5cm. Τα αποτελέσματα για χρήση απορροφητών δίνονται για δύο θέσεις: στη ζώνη εστίασης (F) και έξω από τη ζώνη εστίασης (NF), και παρουσιάζονται στα διαγράμματα της προσπίπτουσας (e) και διερχόμενης (f) μέσω του φακού ηλιακής ακτινοβολίας των σχημάτων 1β, 2β, 3β και αντιστοιχούν στα διαγράμματα κατανομής (a), (b), (c) και (d) των αντίστοιχων σχημάτων 1α, 1β, 1γ (f=34cm, f=50cm και f=42cm). Πιο συγκεκριμένα στα διαγράμματα (e) και (f) η περίπτωση (1) αντιστοιχεί στην κατανομή (a), η περίπτωση (2) αντιστοιχεί στην κατανομή (b), η περίπτωση (3) αντιστοιχεί στην κατανομή (c) και η περίπτωση (4) αντιστοιχεί στην κατανομή (d).

Τα διαγράμματα (e και f) για κάθε περίπτωση εστιακής απόστασης, δείχνουν ότι μέρος της προσπίπτουσας και διερχόμενης ηλιακή ακτινοβολία από τον φακό Fresnel δύναται να απορροφηθεί από τους απορροφητές.

85

ΠΙΝΑΚΑΣ 1α Πειραματικά σημεία κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας, f=34 cm

(a) (b) (c) (d) z=0o γ=0o z=0o γ=45o z=23o γ=0o z=23o γ=45o Iref=16.07 Iref=12.85 Iref=15.12 Iref=12.24

P Ir,a C P Ir,b C P Ir,c C P Ir,d C 18 5.7 0.354 18 3.225 0.251 0 3.99 0.264 12 2.47 0.20216 3.69 0.229 16 3.44 0.268 -2 4.07 0.269 10 2.52 0.20614 3.51 0.218 14 2.955 0.230 -4 4.33 0.286 8 2.84 0.23212 3.88 0.241 12 3.155 0.246 -6 4.65 0.308 6 2.955 0.24210 5.12 0.318 10 3.455 0.269 -8 5.43 0.359 4 2.85 0.2338 9.16 0.569 8 3.985 0.310 -10 6.96 0.460 2 3.05 0.2497 12.7 0.788 7 4.69 0.364 -11 8.81 0.583 0 3.325 0.2716 17.59 1.092 6 5.155 0.399 -12 16.7 1.104 -2 3.625 0.2965 21.8 1.353 5 6.315 0.487 -13 32.39 2.142 -4 4.205 0.3434 27.5 1.707 4 8.58 0.659 -14 51.82 3.427 -5 4.845 0.3963 37.97 2.357 3 17.545 1.345 -15 55.08 3.643 -6 8.825 0.7212 45.19 2.805 2 32.785 2.531 -16 51.82 3.427 -7 19.55 1.5881 34.91 2.167 1 52.03 4.055 -17 32.39 2.142 -8 40.555 3.3110 45.45 2.821 0 57.7 4.510 -18 16.7 1.104 -9 52.4 4.288-1 34.72 2.155 -1 44.25 3.482 -19 8.81 0.583 -10 47.28 3.873-2 45.19 2.805 -2 21.385 1.676 -20 6.96 0.460 -11 37.545 3.072-3 27.01 1.677 -3 11.355 0.883 -21 5.43 0.359 -12 22.565 1.848-4 20.51 1.273 -4 8.215 0.637 -22 4.65 0.308 -13 12.835 1.052-5 14.33 0.890 -5 6.24 0.482 -23 4.33 0.286 -14 7.485 0.613-6 12.54 0.778 -6 5.01 0.388 -24 4.07 0.269 -16 3.865 0.316-7 10.42 0.647 -7 4.15 0.322 -25 3.99 0.264 -18 2.845 0.233-8 8.43 0.523 -8 3.675 0.286 -26 3.99 0.264 -20 2.475 0.202-10 4.44 0.276 -10 3.085 0.240 -27 3.99 0.264 -22 2.29 0.187-12 3.65 0.227 -12 2.73 0.213 -28 3.99 0.264 -24 2.1 0.172-14 3.23 0.200 -14 2.55 0.199 -29 3.99 0.264 -16 2.87 0.178 -16 2.36 0.184 -30 3.99 0.264 -18 2.67 0.166 -18 2.215 0.173

86

(a) z = 0o

γ = 0o

f = 34cm

0

2

4

-15 -10 -5 0 5 10 15position (cm)

C

(b) z = 0o

γ = 45o

f = 34cm

0

2

4

-20 -10 0 10 20Position (cm)

C

(c) z = 23o

γ = 0o

f = 34cm

0

2

4

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0position (cm)

C

(d) z = 23 γ = 45

f = 34cm

0

2

4

-25 -15 -5 5 15position (cm)

C

Σχήμα 1α: Διαγράμματα κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας για εστιακό επίπεδο f=34 cm και συνδυασμούς γωνιών γ=0 z=0, γ=45 z=0, γ=0 z=23, γ=45 z=23

87

ΠΙΝΑΚΑΣ 1β Υπολογισθέντα ποσοστά συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, f=34 cm

Συλλεγόμενη ηλιακή ακτινοβ. ως προς την προσπίπτουσα Qi (%)

Συλλεγόμενη ηλιακή ακτινοβ. ως προς την διερχόμενη Qt (%)

5cm 10cm 5cm 10cm F NF F NF F NF F NF (1) γ=0o z=0o 39.9 3.2 67.7 6.5 47 3.8 79.7 7.6(2) γ=45o z=0o 58.3 5.2 75.6 11.1 68.6 6.1 89.1 13.1(3) γ=0o z=23o 59.6 6.1 75.5 12.6 70.1 7.2 88.7 14.8(4) γ=45o z=23o 59.2 5.6 77.2 11.2 69.6 6.6 90.1 13.2

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4Περίπτωση κατανομής

Συλλογή

%

5cm (F) 10cm (F) 5cm (NF) 10cm (NF)

Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας(e)

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4Περίπτωση κατανομής

Συλλογή

%

5cm (F) 10cm (F) 5cm (NF) 10cm (NF)

(f) Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας

Σχήμα 1β: Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας με αναφορά την προσπίπτουσα και διερχόμενη ακτινοβολία για εστιακό επίπεδο f=34cm μέσω απορροφητών 5 και 10 cm αντίστοιχα (e-f)

88

ΠΙΝΑΚΑΣ 2α Πειραματικά σημεία κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας, f=50 cm

(a) (b) (c) (d) z=0o γ=0o z=0o γ=45o z=23o γ=0o z=23o γ=45o Iref=15.15 Iref=12.96 Iref=14.81 Iref=12.34

P Ir,a C P Ir,b C P Ir,c C P Ir,d C 18 3.44 0.227 18 3.95 0.305 18 3.34 0.226 8 2.025 0.16416 3.44 0.227 16 3.95 0.305 16 3.34 0.226 6 2.135 0.17314 3.44 0.227 14 3.96 0.306 14 3.34 0.226 4 2.345 0.19012 3.6 0.238 12 3.97 0.306 12 3.34 0.226 2 2.225 0.18010 3.84 0.253 10 4.29 0.331 10 3.34 0.226 0 2.31 0.187

8 4.3 0.284 8 4.69 0.362 8 3.34 0.226 -2 2.89 0.2347 4.69 0.310 7 7.13 0.550 6 3.34 0.226 -3 4.29 0.3486 5.14 0.339 6 11.1 0.856 4 3.34 0.226 -4 7.02 0.5695 6.85 0.452 5 15.7 1.211 2 3.34 0.226 -5 11.52 0.9334 8.93 0.589 4 19.62 1.514 0 3.34 0.226 -6 14.855 1.203

3.5 11.36 0.750 3.5 21.38 1.650 -2 3.34 0.226 -7 17.495 1.4183 14.46 0.954 3 23.04 1.778 -4 3.34 0.226 -8 18.5 1.499

2.5 19.95 1.317 2.5 24.36 1.880 -6 3.34 0.226 -9 17.83 1.4452 29.95 1.977 2 25.14 1.940 -8 3.35 0.226 -10 18.215 1.476

1.5 42.74 2.821 1.5 25.97 2.004 -10 3.56 0.240 -11 24.69 2.0011 55.56 3.667 1 26.55 2.049 -12 3.71 0.251 -12 20.455 1.658

0.5 65.39 4.316 0.5 26.74 2.063 -14 4 0.270 -13 18.375 1.4890 66.46 4.387 0 26.83 2.070 -16 4.33 0.292 -14 16.04 1.300

-0.5 65.39 4.316 -0.5 26.74 2.063 -17 5.36 0.362 -15 14.135 1.146-1 55.39 3.656 -1 26.55 2.049 -18 8.27 0.558 -16 12.59 1.020

-1.5 42.74 2.821 -1.5 25.97 2.004 -19 21.52 1.453 -17 11.49 0.931-2 29.95 1.977 -2 25.14 1.940 -20 31.76 2.144 -18 10.01 0.811

-2.5 19.95 1.317 -2.5 24.36 1.880 -21 35.46 2.394 -19 8.8 0.713-3 14.46 0.954 -3 23.04 1.778 -22 34.76 2.347 -20 5.65 0.458

-3.5 11.36 0.750 -3.5 21.38 1.650 -23 31.96 2.158 -21 4.17 0.337796-4 8.93 0.589 -4 19.62 1.514 -24 29.96 2.023 -22 3.17 0.256814-5 6.85 0.452 -5 15.7 1.211 -25 28.8 1.945 -23 1.925 0.155993-6 5.14 0.339 -6 11.1 0.856 -26 23.23 1.569 -7 4.69 0.310 -7 7.13 0.550 -27 8.27 0.558 -8 4.3 0.284 -8 4.69 0.362 -28 4.33 0.292

-10 3.84 0.253 -10 4.29 0.331 -29 3.71 0.251 -12 3.6 0.238 -12 3.97 0.306 -30 3.56 0.240 -14 3.44 0.227 -14 3.96 0.306 -31 3.35 0.226 -16 3.44 0.227 -16 3.95 0.305 -32 3.34 0.226 -18 3.44 0.227 -18 3.95 0.305 -33 3.34 0.226 -20 3.44 0.227 -20 3.95 0.305 -34 3.34 0.226

-35 3.34 0.226 -36 3.34 0.226 -37 3.34 0.226 -38 3.34 0.226 -39 3.34 0.226 -40 3.34 0.226

89

(a) z = 0o

γ = 0o

f = 50cm

0

2

4

-15 -10 -5 0 5 10 15position (cm)

C

(b) z = 0o

γ = 45o

f = 50cm

0

2

4

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20position (cm)

C

(c) z = 23o

γ = 0o

f = 50cm

0

2

4

-40 -30 -20 -10 0 10position (cm)

C

(d) z =23o

γ = 45o

f = 50cm

0

2

4

-30 -20 -10 0 10position (cm)

C

Σχήμα 2α: Διαγράμματα κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας

για εστιακό επίπεδο f=50 cm και συνδυασμούς γωνιών γ=0 z=0, γ=45 z=0, γ=0 z=23, γ=45 z=23

90

ΠΙΝΑΚΑΣ 2β Υπολογισθέντα ποσοστά συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, f=50 cm

Συλλεγόμενη ηλιακή ακτινοβ. ως προς την προσπίπτουσα Qi (%)

Συλλεγόμενη ηλιακή ακτινοβ. ως προς την διερχόμενη Qt (%)

5cm 10cm 5cm 10cm F NF F NF F NF F NF (1) γ=0o z=0o 61 5 77.9 9 71.8 5.9 91.6 10.6(2) γ=45o z=0o 38.2 6 71.8 12.2 44.9 7.1 84.5 14.4(3) γ=0o z=23o 42.2 4.5 73.9 9 49.6 5.3 86.9 10.6(4) γ=45o z=23o 37.3 4 59.2 8.1 43.9 4.7 69.7 9.5

Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4Περίπτωση κατανομής

Συλλογή

%

5cm (F) 10cm (F) 5cm (NF) 10cm (NF)

(e)

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4Περίπτωση κατανομής

Συλλογή

%

5cm (F) 10cm (F) 5cm (NF) 10cm (NF)

(f) Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας

Σχήμα 2β: Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας με αναφορά την προσπίπτουσα και διερχόμενη ακτινοβολία για εστιακό επίπεδο f=50cm μέσω απορροφητών 5 και 10 cm αντίστοιχα (e-f)

91

ΠΙΝΑΚΑΣ 3α Πειραματικά σημεία κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας, f=42 cm

(a) (b) (c) (d) z=0o γ=0o z=0o γ=45o z=23o γ=0o z=23o γ=45o Iref=16.08 Iref=13.55 Iref=15.53 Iref=14.00

P Ir,a C P Ir,b C P Ir,c C P Ir,d C 18 3.09 0.192 18 4.89 0.361 0 3.92 0.252 6 4.39 0.31416 3.09 0.192 10 4.89 0.361 -2 3.92 0.252 4 4.72 0.33714 3.09 0.192 6 5.48 0.404 -4 4.04 0.260 2 4.61 0.32912 3.59 0.223 4 6.33 0.467 -6 4.22 0.272 0 4.46 0.31910 3.48 0.216 3.5 6.48 0.478 -8 4.55 0.293 -2 4.55 0.325

8 4.49 0.279 3 7.68 0.567 -10 4.91 0.316 -4 4.69 0.3357 5.52 0.343 2.5 9.24 0.682 -11 5.28 0.340 -6 4.92 0.3516 6.75 0.420 2 13.51 0.997 -12 6.01 0.387 -8 5.4 0.3865 9.68 0.602 1.5 22.19 1.638 -13 6.8 0.438 -9 6.76 0.4834 14.19 0.882 1 32.23 2.379 -14 10.55 0.679 -10 11.47 0.8193 25.52 1.587 0.5 43.05 3.177 -15 27.34 1.760 -11 21.04 1.5032 44.73 2.782 0 44.04 3.250 -16 63.95 4.118 -12 39.56 2.8261 50.56 3.144 -0.5 43.05 3.177 -17 63.95 4.118 -13 40.99 2.9280 48.27 3.002 -1 32.23 2.379 -18 42.18 2.716 -14 36.03 2.574

-1 50.56 3.144 -1.5 22.19 1.638 -19 20.28 1.306 -15 26.96 1.926-2 36.85 2.292 -2 13.51 0.997 -20 10.37 0.668 -16 16.29 1.164-3 20.49 1.274 -2.5 9.24 0.682 -21 6.8 0.438 -17 10.13 0.724-4 13.31 0.828 -3 7.68 0.567 -22 5.28 0.340 -18 6.69 0.478-5 9.42 0.586 -3.5 6.48 0.478 -23 4.91 0.316 -19 5.64 0.403-6 7.2 0.448 -4 6.33 0.467 -24 4.55 0.293 -20 4.72 0.337-7 6.04 0.376 -6 5.48 0.404 -25 4.22 0.272 -21 4.26 0.304-8 4.65 0.289 -10 4.89 0.361 -26 4.04 0.260 -22 4.26 0.304

-10 3.68 0.229 -18 4.89 0.361 -27 3.92 0.252 -23 4.26 0.304-12 3.13 0.195 -28 3.92 0.252 -24 4.26 0.304-14 2.91 0.181 -29 3.92 0.252 -25 4.26 0.304-16 2.71 0.169 -30 3.92 0.252 -18 2.61 0.162

92

(a) z = 0o

γ = 0ο

f = 42cm

0

2

4

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20position cm)

C (b) z = 0o

γ = 45o

f = 42cm

0

2

4

-15 -10 -5 0 5 10 15position (cm)

C

Σχήμα 3α: Διαγράμματα κατανομής της συγκεντρωθείσας ηλιακής ακτινοβολίας

για εστιακό επίπεδο f=42 cm και συνδυασμούς γωνιών γ=0 z=0, γ=45 z=0, γ=0 z=23, γ=45 z=23

(c) z = 23 o γ = 0 o

f = 42cm

0

2

4

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0Position (cm)

C (d) z = 23o

γ = 45o

f = 42cm

0

2

4

-25 -20 -15 -10 -5 0position (cm)

C

93

ΠΙΝΑΚΑΣ 3β Υπολογισθέντα ποσοστά συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, f=42 cm

Συλλεγόμενη ηλιακή ακτινοβ. ως προς την προσπίπτουσα Qi (%)

Συλλεγόμενη ηλιακή ακτινοβ. ως προς την διερχόμενη Qt (%)

5cm 10cm 5cm 10cm F NF F NF F NF F NF (1) γ=0o z=0o 53.7 3.04 76 7.4 63 3.59 89.4 8.74(2) γ=45o z=0o 46.9 6.7 58.3 13.8 55 7.9 68.6 16.3(3) γ=0o z=23o 59.9 6.3 72 11.3 70.4 7.4 84.9 13.3(4) γ=45o z=23o 58.6 7.8 68.1 15.6 68.9 9.2 80 18.4

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4Περίπτωση κατανομής

Συλλογή

%

5cm (F) 10cm (F) 5cm (NF) 10cm (NF)

(e) Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας.

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4

Συλλογή

%

5cm (F) 10cm (F) 5cm (NF) 10cm (NF)

(f) Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας.

Περίπτωση κατανομής

Σχήμα 3β: Ποσοστό συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας με αναφορά την προσπίπτουσα και διερχόμενη ακτινοβολία για εστιακό επίπεδο f=42cm μέσω απορροφητών 5 και 10 cm αντίστοιχα (e-f)

94

Aπό τους παραπάνω πίνακες πειραματικών σημείων (πιν. 1α, 2α, 3α) και σύμφωνα με τα διαγράμματα κατανομής που δημιουργήθησαν βάση αυτών των σημείων (σχήματα 1α, 2α, 3α), εκτιμάται ότι η βέλτιστη εστιακή απόσταση είναι f=42cm για όλους τους συνδυασμούς ζευγών γ-z (σχήμα 3α). Αυτό διότι από τα διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας τα εμβαδά που αντιστοιχούν σε απορροφητές 5cm και 10cm είναι μεγαλύτερα, συνεπώς και η ποσότητα της συγκεντρωθείσας ενέργειας είναι αντίστοιχα υψηλότερη. Συνεπώς σε ενδεχομένη χρήση φακών Fresnel οι απορροφητές συνίσταται να τοποθετηθούν σε εστιακή απόσταση f=42cm.

Οι πίνακες υπολογισθέντων ποσοστών της συλλεγόμενης ηλιακής ακτινοβολίας (πιν. 1β, 2β, 3β) καθώς και τα διαγράμματα e και f (σχήματα 1β, 2β, 3β) για κάθε περίπτωση εστιακής απόστασης, δείχνουν ότι μέρος της προσπίπτουσας και διερχόμενης ηλιακή ακτινοβολία από τον φακό Fresnel δύναται να απορροφηθεί από τους απορροφητές. Πιο συγκεκριμένα εκτιμάται ότι τα καλύτερα ποσοσστά της συλεγγόμενης ηλιακης ακτινοβολίας που δύναται να απορροφηθεί από τους απορροφητές (με αναφορά την προσπίπτουσα και διερχόμενη ακτινοβολία από τον φακό), δίνονται όταν οι απορροφητές βρίσκονται σε εστιακό επίπεδο f=42cm (σχήμα 3β). Σε αυτό το εστιακό επίπεδο το 60%-80% της διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας (το τμήμα δηλ. που αφορά την άμεση ακτινοβολία) δύναται να συλλεχθεί πάνω στους γραμμικούς απορροφητές πλάτους 5cm και 10 cm αντίστοιχα. Αυτό συμβαίνει για δύο λόγους:

- Για f=42cm παρουσιάζεται η μικρότερη διακύμανση στο συλλεγόμενο ποσοστό. Είναι δηλ. συγκριτικά με τις άλλες εστιακές απόστάσεις το πιο σταθερό ποσοστό, ανάλογα με τους συνδυασμούς των γωνιών z και γ.

- Στην πιο συνήθη περιπτωση λειτουργίας του φακού, δηλ. το μεσημέρι (γ≈00) στις περιπτωσεις κατανομής 1(z=00, γ=00) και 3 (z=230 γ=00) η επιλογή εστιακού επιπεδου του φακού f=42cm δίνει καλυτερα αποτελέσματα. Το υπόλοιπο ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας αφήνεται να κατανεμηθεί μέσα

στον θερμοκήπιο για να καλύψει τις ανάγκες φωτισμού των φυτών. Όταν οι απορροφητές τοποθετούνται εκτός ζώνης εστίασης (NF), τότε το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που παρεμποδίζεται περιορίζεται στο 5%-10% και αφορά αποκλειστικά την διαχεόμενη ακτινοβολία.

95

β) Αποτελέσματα μεταβολής της θερμοκρασίας του εσωτερικού χώρου της μονάδας προσομοίωσης θερμοκηπίου λόγω απορρόφησης ποσοστού ηλιακής ακτινοβολίας με χρήση απορροφητή 10 cm.

Σε αυτή την παράγραφο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα από

τις τρεις περιπτώσεις προσομοίωσης θερμοκηπίου και συγκεκριμένα: i) με διαφανή τοιχώματα ii) διαφανή τοιχώματα και ανοίγματα εξαερισμού και iii) αδιαφανή τοιχώματα χωρίς αερισμό

και αφορούσαν το εύρος μείωσης της θερμοκρασίας από την χρηση απορροφητή. Μετά περίπου μια ώρα από την έναρξη των πειραμάτων η θερμοκρασία της

μονάδας προσομοίωσης θερμοκηπίου και του απορροφητή έχουν φτάσει στην μέγιστη τιμή τους και δύναται να αρχίσει η απαγωγή θερμότητας από τον απορροφητή με την παροχή τρεχούμενου νερού.

Όσον αφορά την θερμοκρασία στην μονάδα προσομοίωσης η μείωση της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη όταν έχουμε κλειστή μονάδα προσομοίωσης με διαφανή και αδιαφανή τοιχώματα περίπου 6-8 0C (διαγράμματα 4α, 4β, 6α και 6β) και μικρότερη όταν υπάρχουν τα ανοίγματα εξαερισμού περίπου 5 0C (διαγράμματα 5α, 5β). Πρέπει να σημειωθεί ότι όταν υπάρχουν ανοίγματα αερισμού, η άνοδος της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες είναι μικρότερη. Με την απαγωγή θερμότητας μέσω του νερού αρχίζει και η μείωση της θερμοκρασίας. Η πτώση της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη στις ζώνες Τ1, Τ2 που βρίσκονται πάνω από τον απορροφητή και πολύ πιο μικρότερες στις ζώνες Τ3, Τ4 που βρίσκονται κάτω από τον απορροφητή. Κατά μέσον όρο για όλες τις περιπτώσεις προσομοίωσης η μείωση της θερμοκρασίας είναι 4-6 0C. Η μείωση αυτή οφείλεται στην απορρόφηση και απομάκρυνση του 60%-80% της διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας (άμεσης ακτινοβολίας) όπως υπολογίστηκε στα προηγούμενα. Η διαφορά της μείωσης μεταξύ των δύο ζωνών εκατέρωθεν του απορροφητή οφείλεται στο ότι η άνω ζώνη δέχεται μεγαλύτερη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας ενώ η κάτω ζώνη δέχεται μικρότερη λόγω απορρόφησης του προαναφερθέντος ποσοστού της ακτινοβολίας. Πρεπει να σημειωθεί όμως ότι σε περιόδους υψηλής έντασης ηλιακής ακτινοβολίας (π.χ καλοκαίρι και κατά την διάρκεια του μεσημεριού) μέσα σε ένα θερμοκήπιο αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες, παρόμοιες με αυτές που παρατηρήθηκαν στην μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου. Η μείωση της θερμοκρασίας έστω και κατά την μέγιστη τιμή της δηλ. 6-8 0C δεν είναι ικανοποιητική, διότι οι τελικά διαμορφούμενες θερμοκρασίες (33-37 0C) εντός του θερμοκηπίου είναι απαγορευτικές για την ανάπτυξη των φυτών. Παρατηρώντας τα ίδια διαγράμματα (4α, 4β, 5α, 5β, 6α και 6β) παρατηρείται ότι όσον αφορά την θερμοκρασία του απορροφητή, όταν αυτή αποκτήσει την μέγιστη τιμή της, έχει επιτευχθεί θερμική ισορροπία μεταξύ της θερμοκρασίας του πτερυγίου (Τf) και της θερμοκρασίας του σωλήνα (Τp) του νερού. Με την απαγωγή θερμότητας μέσω του νερού αρχίζει η ψύξη του απορροφητή η οποία είναι μεγάλη και απότομη όταν χρησιμοποιείται νερό μεγάλης παροχής και πολύ μικρότερη και βαθμιαία όταν χρησιμοποιείται νερό ελεγχόμενης παροχής. Όσον αφορά την θερμοκρασία εξόδου του νερού στα διαγράμματα 6α και 6β (μονάδα προσομοίωσης με αδιαφανή τοιχώματα και χωρίς ανοίγματα εξαερισμού) παρατηρούμε ότι είναι μεγαλύτερη, περίπου 55 0C όταν χρησιμοποιείται ελεγχόμενη παροχή νερού για απαγωγή της θερμότητας του απορροφητή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θερμική χρήση. Στις δύο αυτές περιπτώσεις επίσης υπολογίστηκε και η θερμική απόδοση του ηλιακού συλλέκτη (n) με τύπους που περιγράφησαν στην ενότητα 4.2 του κεφαλαίου 4 (Πειραματική μεθοδολογία).

96

Πίνακας 4α

h T1 T2 T3 T4 Tf Τp Τα Ι (W/m2)

12:00 39.2 37.1 36.1 32.6 83.7 72.9 26.3 857.2812:15 42.2 42.9 39.8 36 109.8 96.8 27.8 839.0412:30 47.8 46.7 39.5 38 127.4 118.9 27.9 839.0412:45 47.9 47 39 38.8 140.8 135.7 28 839.0413:00 48.1 47.2 39.9 38.2 150.5 147.8 28.4 875.5213:15 48.5 47.5 38.9 37 155.3 152.7 27.7 875.5213:30 42.1 41.2 34.8 34.4 79.9 59.3 28.1 875.5213:45 41.7 40.7 34.2 33.9 53.6 34.2 28.2 893.7614:00 40.7 39.9 34 33.2 51.9 32.6 28.1 893.7614:15 41 39.5 34 33 52.4 31.7 28 893.76

ΔΙΑΦΑΝΕΣ ΤΟΙΧΩΜΑ - ΨΥΞΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ

0

10

20

30

40

50

60

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

T1T2T3T4Ta

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ

0

50

100

150

200

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

TfΤp

Σχήμα 4α: Διαγράμματα μείωσης θερμοκρασίας στην μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου. Φακός Fresnel με διαφανή τοιχώματα - Ψύξη απορροφητή Στα παραπάνω διαγράμματα (4α) παρατηρείται ότι το διάστημα που η μονάδα προσομοίωσης μένει προσανατολισμένη στον ήλιο παρουσιάζεται η μεγίστη θερμοκρασία και στις 4 ζώνες της μονάδας. Μετά την είσοδο του νερού για απαγωγή της θερμότητας επιτυγχάνεται πτώση της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες. Ειδικότερα η θερμοκρασία Τ1 αυξάνεται έως 48.5 0C και μετά την είσοδο του νερού αρχίζει να μειώνεται για να φτάσει στους 40.7 0C τελικά. Αντίστοιχα η Τ2 αυξάνεται έως τους 47 0C για να πέσει στους 39 0C, η Τ3 αυξάνεται έως τους 39.8 0C για να πέσει στους 34 0C και η Τ4 αυξάνεται έως τους 38.8 0C για να πέσει στους 33 0C.

Όσον αφορά την θερμοκρασία του απορροφητή αφού επιτευχθεί θερμική ισορροπία στις θερμοκρασίες πτερυγίου Tf και σωλήνα νερού Tp ≈150 0C, με την είσοδο του νερού αρχίζει και εδώ η πτώση της θερμοκρασίας με την μεγαλύτερη πτώση να παρουσιάζεται στην θερμοκρασία του σωλήνα Tp 31.7 0C, και την μικρότερη στην θερμοκρασία πτερυγίου Tf 51.9 0C. Επειδή τον σωλήνα περνάει τρεχούμενο νερό η θερμοκρασία του σωλήνα Tp είναι χαμηλή και η θερμοκρασία εξόδου του νερού θα είναι αντίστοιχα χαμηλή και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κάλυψη άλλων θερμικών αναγκών (σχήμα 4α).

97

Πίνακας 4β

h T1 T2 T3 T4 Tf Τp Τα Ι (W/m2)

12:00 36.7 37.9 34.9 32.7 81.6 70 27.4 820.812:15 42.9 42.1 36.4 34.3 109.4 98.9 27.2 820.812:30 43.7 42.4 36.1 34.2 130.1 126.9 28 820.812:45 45.4 44.8 37.3 35.9 144.8 144.8 28.9 820.813:00 46.4 45.5 38.8 37.2 145.2 147.8 28.5 820.813:15 46.4 45.5 37.6 36 142.1 148 28.9 820.813:30 43.8 43 36.8 35.4 81 71 28.4 766.0813:45 39.2 38.2 35.5 34.9 70.8 55.6 29.4 766.0814:00 39 38 35 34.1 68 52.5 29.3 820.814:15 38.2 37.8 34.2 34 60.3 52.2 29.2 820.814:30 38 37.6 34 34 60.5 52.1 29.1 839.04

ΔΙΑΦΑΝΕΣ ΤΟΙΧΩΜΑ - ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΝΕΡΟΥ

0

10

20

30

40

50

60

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

T1T2T3T4Ta

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ

0

50

100

150

200

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

) ΤfΤp

Σχήμα 4β: Διαγράμματα μείωσης θερμοκρασίας στην μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου. Φακός Fresnel με διαφανή τοιχώματα – Θέρμανση απορροφητή

Στα παραπάνω διαγράμματα (4β) παρατηρείται ότι το διάστημα που η μονάδα προσομοίωσης μένει προσανατολισμένη στον ήλιο παρουσιάζεται η μεγίστη θερμοκρασία και στις 4 ζώνες της μονάδας. Μετά την είσοδο του νερού για απαγωγή της θερμότητας επιτυγχάνεται πτώση της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες. Ειδικότερα η θερμοκρασία Τ1 αυξάνεται έως 46.5 0C και μετά την είσοδο του νερού αρχίζει να μειώνεται για να φτάσει στους 38 0C τελικά. Αντίστοιχα η Τ2 αυξάνεται έως τους 45.5 0C για να πέσει στους 37.5 0C , η Τ3 αυξάνεται έως τους 38.8 0C για να πέσει στους 34 0C και η Τ4 αυξάνεται έως τους 37.2 0C για να πέσει στους 34 0C.

Όσον αφορά την θερμοκρασία του απορροφητή αφού επιτευχθεί θερμική ισορροπία στις θερμοκρασίες πτερυγίου Tf και σωλήνα νερού Tp ≈145 0C, με την είσοδο του νερού αρχίζει και εδώ η πτώση της θερμοκρασίας με την μεγαλύτερη πτώση να παρουσιάζεται στην θερμοκρασία του σωλήνα Tp 52.50C, και την μικρότερη στην θερμοκρασία πτερυγίου Tf 60.5 0C. Επειδή από τον σωλήνα περνάει νερό ελεγχόμενης παροχής η θερμοκρασία του σωλήνα Tp παραμένει υψηλή και η θερμοκρασία εξόδου του νερού είναι επίσης υψηλή και μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί για κάλυψη άλλων θερμικών αναγκών (σχήμα 4β).

98

Πίνακας 5α

h T1 T2 T3 T4 Tf Tp Τα Ι (W/m2) 12:00 36 35.1 33.8 33.2 62.8 48.4 25 802.5612:15 38.5 37.5 35.1 33.8 106.1 97 25.3 839.0412:30 39.5 38.5 35.7 34.4 110.5 105.6 25.6 820.812:45 40.5 39.5 36.2 34 120 120.5 25.9 839.0413:00 42 41.5 36.7 34.2 122.8 128.9 26 839.0413:15 43.5 42 37 36 119.4 121.1 26.6 857.2813:30 40.5 39 35.2 34.5 63 55.3 26.7 857.2813:45 39.5 38.5 34.1 34 50.8 41 26.8 857.2814:00 39 38 34 33.5 49.7 32.6 27.2 857.2814:15 38.5 37.5 33.6 33.2 44.9 32.2 27 857.2814:30 38 37 33.5 33 44 32 27 857.28

ΔΙΑΦΑΝΕΣ ΥΛΙΚΟ - ΑΝΟΙΓΜΑΤΑ ΑΕΡΙΣΜΟΥΨΥΞΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ

0

10

20

30

40

50

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

T1T2T3T4Ta

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ

0

50

100

150

200

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

TfΤp

Σχήμα 5α: Διαγράμματα μείωσης θερμοκρασίας στην μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου. Φακός Fresnel με διαφανή τοιχώματα & ανοίγματα αερισμού-Ψύξη απορροφητή

Στα παραπάνω διαγράμματα (5α) παρατηρείται ότι το διάστημα που η μονάδα προσομοίωσης μένει προσανατολισμένη στον ήλιο παρουσιάζεται η μεγίστη θερμοκρασία και στις 4 ζώνες της μονάδας. Μετά την είσοδο του νερού για απαγωγή της θερμότητας επιτυγχάνεται πτώση της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες. Ειδικότερα η θερμοκρασία Τ1 αυξάνεται έως 43.5 0C και μετά την είσοδο του νερού αρχίζει να μειώνεται για να φτάσει στους 38 0C τελικά. Αντίστοιχα η Τ2 αυξάνεται έως τους 42 0C για να πέσει στους 37 0C , η Τ3 αυξάνεται έως τους 37 0C για να πέσει στους 33.5 0C και η Τ4 αυξάνεται έως τους 36.2 0C για να πέσει στους 33 0C. Όμως όταν υπάρχουν ανοίγματα αερισμού, η άνοδος της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες είναι μικρότερη λόγω των ανοιγμάτων εξαερισμού συνεπώς και η πτώση της θερμοκρασίας είναι μικρότερη σε σχέση με τις άλλες περιπτώσεις προσομοίωσης.

Όσον αφορά την θερμοκρασία του απορροφητή αφού επιτευχθεί θερμική ισορροπία στις θερμοκρασίες πτερυγίου Tf και σωλήνα νερού Tp ≈120 0C, με την είσοδο του νερού αρχίζει και εδώ η πτώση της θερμοκρασίας με την μεγαλύτερη πτώση να παρουσιάζεται στην θερμοκρασία του σωλήνα Tp 32.2 0C, και την μικρότερη στην θερμοκρασία πτερυγίου Tf 44 0C. Επειδή τον σωλήνα περνάει τρεχούμενο νερό η θερμοκρασία του σωλήνα Tp είναι χαμηλή και η θερμοκρασία εξόδου του νερού θα είναι αντίστοιχα χαμηλή και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κάλυψη άλλων θερμικών αναγκών (σχήμα 5α).

99

Πίνακας 5β

h T1 T2 T3 T4 Tf Tp Τα Ι (W/m2) 12:00 41.3 39.1 33.8 33.2 57.3 50.9 25.7 857.2812:15 45 42.9 35.1 33.8 73.1 65.2 26.3 857.2812:30 46.3 44.5 35.7 34.4 114 122.9 26.6 857.2812:45 46.5 46.4 36.2 34 140.4 145.2 25.9 839.0413:00 47 46.5 36.7 34.2 145 146.4 26.5 857.2813:15 47.2 47 37 36 100.8 83.1 26.6 839.0413:30 42.5 42.5 35.2 34.5 71.4 54 26.7 839.0413:45 39.9 39.5 34.1 34 71.1 52.8 26.8 802.5614:00 39.5 39 34 33.5 62.1 52.6 27.2 802.5614:15 39.2 38.5 33.6 33.2 60.7 52.5 27 802.5614:30 39 38 33.5 33 60.1 50 27 784.32

ΔΙΑΦΑΝΕΣ ΤΟΙΧΩΜΑ - ΑΝΟΙΓΜΑΤΑ ΑΕΡΙΣΜΟΥΘΕΡΜΑΝΣΗ ΝΕΡΟΥ

0

10

20

30

40

50

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

T1T2T3T4Ta

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ

0

50

100

150

200

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

TfΤp

Σχήμα 5β: Διαγράμματα μείωσης θερμοκρασίας στην μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου. Φακός Fresnel με διαφανή τοιχώματα & ανοίγματα αερισμού-Θέρμανση νερού

Στα παραπάνω διαγράμματα (5β) παρατηρείται ότι το διάστημα που η μονάδα

προσομοίωσης μένει προσανατολισμένη στον ήλιο παρουσιάζεται η μεγίστη θερμοκρασία και στις 4 ζώνες της μονάδας. Μετά την είσοδο του νερού για απαγωγή της θερμότητας επιτυγχάνεται πτώση της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες. Ειδικότερα η θερμοκρασία Τ1 αυξάνεται έως 47.2 0C και μετά την είσοδο του νερού αρχίζει να μειώνεται για να φτάσει στους 39 0C τελικά. Αντίστοιχα η Τ2 αυξάνεται έως τους 47 0C για να πέσει στους 38 0C , η Τ3 αυξάνεται έως τους 37 0C για να πέσει στους 33.5 0C και η Τ4 αυξάνεται έως τους 36 0C για να πέσει στους 33 0C. Όμως όταν υπάρχουν ανοίγματα αερισμού, η άνοδος της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες είναι μικρότερη λόγω των ανοιγμάτων εξαερισμού συνεπώς και η πτώση της θερμοκρασίας είναι μικρότερη σε σχέση με τις άλλες περιπτώσεις προσομοίωσης.

Όσον αφορά την θερμοκρασία του απορροφητή αφού επιτευχθεί θερμική ισορροπία στις θερμοκρασίες πτερυγίου Tf και σωλήνα νερού Tp ≈145 0C, με την είσοδο του νερού αρχίζει και εδώ η πτώση της θερμοκρασίας με την μεγαλύτερη πτώση να παρουσιάζεται στην θερμοκρασία του σωλήνα Tp 52.5 0C και την μικρότερη στην θερμοκρασία πτερυγίου Tf 60.7 0C. Επειδή από τον σωλήνα περνάει νερό ελεγχόμενης παροχής η θερμοκρασία του σωλήνα Tp παραμένει υψηλή και η θερμοκρασία εξόδου του νερού είναι επίσης υψηλή και μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί για κάλυψη άλλων θερμικών αναγκών (σχήμα 5β).

100

Πίνακας 6α

h T1 T2 T3 T4 Tf Τp Τin Τout Τα Ι W/m2)

12:30 33.4 32.6 28.9 28.3 63.8 60.2 32.9 39.6 26.2 893.7612:45 46.2 43.9 35.7 34.9 128.3 124.1 92.2 96.6 27.9 893.7613:00 49.7 46.6 37 35.4 152 151.8 83.8 90.7 27 893.7613:15 49.7 47.4 36.6 35.2 157.6 159.2 100.8 104.5 26.8 893.7613:30 50 47.5 37.7 36.2 79.9 58 43.1 43.3 27.6 893.7613:45 44.4 41.4 36.2 34.2 62 44.1 31.1 34.6 27.5 893.7614:00 43.2 40.4 35.3 34 61.6 42.2 30.4 34.5 26.6 893.7614:15 41.5 38.6 32.6 32.2 52 41.4 30.5 34.6 27.8 893.7614:30 41.5 39.2 32.4 32 56.7 42.5 30.8 34.5 27.4 893.76

ΑΔΙΑΦΑΝΕΣ ΤΟΙΧΩΜΑ - ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΝΕΡΟΥ

0

10

20

30

40

50

60

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

T1T2T3T4Ta

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ

0

50

100

150

200

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

) TfTp

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΝΕΡΟΥ

020406080

100120

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

14:15

14:30

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

) TinΤout

Σχήμα 6α: Διαγράμματα μείωσης θερμοκρασίας στην μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου. Φακός Fresnel με αδιαφανή τοιχώματα – Θέρμανση νερού

101

Στα παραπάνω διαγράμματα (6α) παρατηρείται ότι το διάστημα που η μονάδα προσομοίωσης μένει προσανατολισμένη στον ήλιο παρουσιάζεται η μεγίστη θερμοκρασία και στις 4 ζώνες της μονάδας. Μετά την είσοδο του νερού για απαγωγή της θερμότητας επιτυγχάνεται πτώση της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες. Ειδικότερα η θερμοκρασία Τ1 αυξάνεται έως 49.7 0C και μετά την είσοδο του νερού αρχίζει να μειώνεται για να φτάσει στους 41.5 0C τελικά. Αντίστοιχα η Τ2 αυξάνεται έως τους 47.4 0C για να πέσει στους 38.5 0C, η Τ3 αυξάνεται έως τους 37.7 0C για να πέσει στους 32 0C και η Τ4 αυξάνεται έως τους 36.2 0C για να πέσει στους 32 0C.

Όσον αφορά την θερμοκρασία του απορροφητή αφού επιτευχθεί θερμική ισορροπία στις θερμοκρασίες πτερυγίου Tf και σωλήνα νερού Tp ≈157 0C, με την είσοδο του νερού αρχίζει και εδώ η πτώση της θερμοκρασίας με την μεγαλύτερη πτώση να παρουσιάζεται στην θερμοκρασία του σωλήνα Tp 41.4 0C και την μικρότερη στην θερμοκρασία πτερυγίου Tf 52 0C. Επειδή από τον σωλήνα περνάει νερό σχετικά ελεγχόμενης παροχής (2lit/10min) η θερμοκρασία του σωλήνα Tp παραμένει σχετικά υψηλή και η θερμοκρασία εξόδου του νερού είναι επίσης σχετικά υψηλή 34.5 0C και μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί για κάλυψη άλλων θερμικών αναγκών (σχήμα 6α).

Όσον αφορά την θερμική απόδοση του ηλιακού συλλέκτη αυτή δίδεται από την σχέση: n= Qu/Qs. Επίσης χρησιμοποιούνται οι σχέσεις Qu=mCp(Tin-Tout), Qi =I Aα και Qt =0.80 Qi. και υπολογίζονται δύο περιπτώσεις απόδοσης για θερμοκρασία εισόδου του νερού Tin=30.8 0C και θερμοκρασία εξόδου 34.5 0C, Cp=4180 J/kg 0K και dm/dt=3.33.10-3 kg/sec ή 2lit/10min

- η θερμική απόδοση του συλλέκτη ως προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, n= Qu/Qi συνεπώς n=33.3%

- η θερμική απόδοση του συλλέκτη ως προς την διερχόμενη του φακού ηλιακή ακτινοβολία, n= Qu/Qt συνεπώς n= 42%

102

Πίνακας 6β

h T1 T2 T3 T4 Tf Tp Tin Tout Τα Ι 11:30 34.4 30.3 28.3 28.4 64.5 71.7 45.5 31.5 23.5 875.52 11:45 44 38.9 33.9 34.1 85.3 95 92.1 76.7 24 875.52 12:00 43.8 41 34.6 33.6 102.1 98 92.7 77.9 25.1 875.52 12:15 44.8 40.5 33.7 33.1 99.2 100.4 93 82.1 24.6 893.76 12:30 47.8 42.8 33.8 33.3 130 140.6 92.2 79 24.8 893.76 12:45 48.3 42.9 36 35 127.3 130 92.5 85.3 25 930.24 13:00 45.6 41.6 34.5 33.4 69.3 55.5 32.7 38.5 25.3 930.24 13:15 42.1 37.7 33.5 33 59.4 53.5 33.2 57.2 24.9 930.24 13:30 40.8 37 33.2 32.4 60.8 53.5 32.5 57.9 25.1 930.24 13:45 40.8 36.7 32.5 32.2 60 53.5 32.4 58.2 25.2 930.24 14:00 40.4 36.8 32 32 62.1 54.5 32.5 59.7 25.2 930.24

ΑΔΙΑΦΑΝΕΣ ΤΟΙΧΩΜΑ - ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΝΕΡΟΥ

0

10

20

30

40

50

60

11:30

11:45

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

T1T2T3T4Ta

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ

0

50

100

150

200

11:30

11:45

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

TfΤp

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΝΕΡΟΥ

0

40

80

120

11:30

11:45

12:00

12:15

12:30

12:45

13:00

13:15

13:30

13:45

14:00

ΧΡΟΝΟΣ

Τ ( C

)

TinΤout

Σχήμα 6β: Διαγράμματα μείωσης θερμοκρασίας στην μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου. Φακός Fresnel με αδιαφανή τοιχώματα – Θέρμανση νερού

103

Στα παραπάνω διαγράμματα (6β) παρατηρείται ότι το διάστημα που η μονάδα προσομοίωσης μένει προσανατολισμένη στον ήλιο παρουσιάζεται η μεγίστη θερμοκρασία και στις 4 ζώνες της μονάδας. Μετά την είσοδο του νερού για απαγωγή της θερμότητας επιτυγχάνεται πτώση της θερμοκρασίας και στις 4 ζώνες. Ειδικότερα η θερμοκρασία Τ1 αυξάνεται έως 48.3 0C και μετά την είσοδο του νερού αρχίζει να μειώνεται για να φτάσει στους 40.4 0C τελικά. Αντίστοιχα η Τ2 αυξάνεται έως τους 42.9 0C για να πέσει στους 36.7 0C , η Τ3 αυξάνεται έως τους 36 0C για να πέσει στους 32 0C και η Τ4 αυξάνεται έως τους 35 0C για να πέσει στους 32 0C.

Όσον αφορά την θερμοκρασία του απορροφητή αφού επιτευχθεί θερμική ισορροπία στις θερμοκρασίες πτερυγίου Tf και σωλήνα νερού Tp ≈140 0C, με την είσοδο του νερού αρχίζει και εδώ η πτώση της θερμοκρασίας με την μεγαλύτερη πτώση να παρουσιάζεται στην θερμοκρασία του σωλήνα Tp 53.5 0C και την μικρότερη στην θερμοκρασία πτερυγίου Tf 60 0C. Επειδή από τον σωλήνα περνάει νερό ελεγχόμενης παροχής (1lit/25min) η θερμοκρασία του σωλήνα Tp παραμένει υψηλή και η θερμοκρασία εξόδου του νερού είναι επίσης υψηλή 59.7 0C, και μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί για κάλυψη άλλων θερμικών αναγκών (σχήμα 6β).

Όσον αφορά την θερμική απόδοση του ηλιακού συλλέκτη αυτή δίδεται από την σχέση: n= Qu/Qs. Επίσης χρησιμοποιούνται οι σχέσεις Qu=mCp(Tin-Tout), Qi =I Aα και Qt =0.80 Qi. και υπολογίζονται δύο περιπτώσεις απόδοσης για θερμοκρασία εισόδου του νερού Tin=32.5 0C και θερμοκρασία εξόδου 59.7 0C, Cp=4180 J/kg 0K και dm/dt=6.10-4 kg/sec ή 1lit/25min

- η θερμική απόδοση του συλλέκτη ως προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, n= Qu/Qi συνεπώς n=40.9%

- η θερμική απόδοση του συλλέκτη ως προς την διερχόμενη του φακού ηλιακή ακτινοβολία, n= Qu/Qt συνεπώς n= 49%

104

γ) Αποτελέσματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR) σε σχέση με την χρήση γραμμικών απορροφητών 5cm και 10cm αντίστοιχα

Η μετρούμενη ένταση (Iref) της ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στον φακό Fresnel είναι 979 W/m2 και η ένταση της PAR είναι 2049 μmol/m2s. Η καμπύλη κατανομής της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR που διέρχεται του φακού, ακριβώς κάτω από τους φακούς (σχήμα 8) παρουσιάζει μέγιστα στο κέντρο του φακού που είναι 1016 W/m2 και 2093 μmol/m2s αντίστοιχα για την ηλιακή και PAR. Αυτό διότι η σύγκλιση της ηλιακής ακτινοβολίας αρχίζει αμέσως κάτω από τον φακό. Οι μέγιστες αυτές τιμές προκύπτουν λαμβάνοντας τους μέσους όρους (Μ.Ο) των μετρούμενων εντάσεων της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR που αντιστοιχούν σε απορροφητές πλάτους 5cm και 10cm αντίστοιχα.

Όπως παρατηρούμε στα διαγράμματα κατανομής (σχήμα 9) η συγκεντρωθείσα ηλιακή ακτινοβολία και PAR στο εστιακό επίπεδο f=42cm του απορροφητή, παρουσιάζει κατανομή όμοια με την κατανομή που παρουσιάστηκε στα διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας της πρώτης κατηγορίας πειραμάτων με φακό Fresnel για το εστιακό επίπεδο f=42cm. Στο σχήμα 10 και 11 παρουσιάζεται η κατανομή της έντασης της διερχομένης ηλιακής ακτινοβολίας και PAR σε απόσταση 15cm κάτω από τους απορροφητές των 5cm και 10 cm αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως ο απορροφητής των 10 cm απορροφά μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας ενώ αυτός των 5 cm μικρότερο και η μείωση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR παρουσιάζεται στην περιοχή που βρίσκεται κάτω από την ζώνη εστίασης. Αυτή η μείωση είναι μικρότερη στον απορροφητή των 5cm και φτάνει στην τιμή 237 W/m2 για την ηλιακή ακτινοβολία, ενώ η μείωση στον απορροφητή 10cm είναι πολύ μεγαλύτερη και φτάνει στην τιμή 88.55 W/m2 περίπου. Η μείωση για την PAR είναι αντίστοιχα και αυτή μικρότερη κάτω από τον απορροφητή των 5cm και φτάνει στην τιμή 548 μmol/m2s και πολύ μεγαλύτερη κάτω από τον απορροφητή των 10cm που γίνεται 184 μmol/m2s.

Σύμφωνα με τους Campell and Norman (1998), η περιεχόμενη ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας στην περιοχή μήκους κύματος της PAR είναι 2.35 105 J/mol. H PPFD (photosynthetic photon flux density) είναι επομένως:

PPFD=500 J/m2s * 1mol/2.35 105 J=2.1 103 mol/m2s ή 2100 μmol/m2s και, η ακτινοβολία που δέχεται μια οριζόντια επιφάνεια κάτω από συνθήκες πλήρους ηλιοφάνειας είναι περίπου 500 W/m2 στην περιοχή μήκους κύματος της PAR.

Με αυτό το δεδομένο ότι δηλ. τα 2100 μmol/m2s αντιστοιχούν σε 500 W/m2 στο μήκος κύματος της PAR στην περίπτωση του απορροφητή των 5cm η τιμή των 548 μmol/m2s αντιστοιχεί σε 130 W/m2 στο εύρος της PAR γεγονός που επιτρέπει την φωτοσυνθετική δραστηριότητα των φυτών. Στην περίπτωση του απορροφητή των 10cm η τιμή των 184 μmol/m2s αντιστοιχεί σε 45 W/m2 στο εύρος της PAR γεγονός που επιτρέπει την φωτοσυνθετική δραστηριότητα των φυτών αλλά με πρόβλημα ως προς την απόδοση των παραγομένων προϊόντων. Έχει ήδη αναφερθεί στο κεφάλαιο 2 ότι για να καλυφθούν οι ανάγκες σε φωτεινή ενέργεια για την φωτοσύνθεση των περισσοτέρων κηπευτικών και ανθοκομικών καλλιεργειών εντός του θερμοκηπίου, πρέπει να υπάρχει ένταση στην μικρού μήκους ηλιακή ακτινοβολία (200-3000 nm) τουλάχιστον 235 W/m2 και 450 μmol/m2sec (105 W/m2) στην φωτοσυνθετικά ενεργό ακτινοβολία (PAR 400-700 nm).

Σε συνθήκες πραγματικού θερμοκηπίου με το επίπεδο της φυτικής κόμης να είναι πιο χαμηλότερα από το επίπεδο των απορροφητών (πολύ μεγαλύτερο των 15cm

105

του πειράματος) εκτιμάται ότι δεν θα υπάρχει ιδιαίτερο πρόβλημα μείωσης της PAR ακτινοβολίας στο επίπεδο των φυτών λόγω εξομάλυνσης του φωτισμού.

Πίνακας 8-9

Πειραματικά σημεία για τα διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας (SP) και PAR κάτω ακριβώς από τον φακό Fresnel (σχήμα 8) και στο εστιακό επίπεδο του φακού Fresnel f=42cm και γ=00, z=00 (σχήμα 9)

SPref=74,41x(1/76)x1000=

979 W/m2 PARref=9,96x(1/4,86)x1000=

2049 μmol/m2s

Κάτω από τους φακούς Εστιακό επίπεδο f=42cm

P SP PAR P SP PAR -18 763.95 1257.67 -18 195.26 478.53-16 753.55 1666.67 -16 203.55 482.62-14 818.68 1750.51 -14 211.97 505.11-12 829.61 1756.65 -12 226.58 558.28-10 859.21 1799.59 -10 256.45 576.69

-8 888.16 1842.54 -8 274.74 635.99-6 951.45 2020.45 -6 414.87 807.77-4 1063.29 2069.53 -4 557.89 1016.36-2 1065.66 2122.70 -2 1110.00 1840.000 1036.84 2190.18 -1 3287.00 6980.002 1039.47 2063.39 0 3307.00 6890.004 943.16 1852.76 1 3410.00 7083.846 784.21 1846.63 2 1763.16 4971.378 851.71 1750.51 4 620.00 1441.72

10 802.89 1633.95 6 437.50 842.5412 740.39 1595.09 8 300.66 638.0414 738.42 1550.10 10 229.47 552.1516 658.16 1124.74 12 217.89 519.43

14 226.32 515.34 16 257.50 582.82 18 195.26 470.35 -18 195.26 478.53

106

Κάτω από τους Φακούς

0

250

500

750

1000

1250

1500

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20Θέση (cm)

SP-L

ITE

(W/m

2 )

0

500

1000

1500

2000

2500

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m2 s)

SP-LITE

PAR-LITE

Σχήμα 8: Διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR κάτω ακριβώς από τον φακό Fresnel

Εστιακό επίπεδο (f=42cm)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20Θέση ( cm )

SP-L

ITE

(W/m

2 )

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m2 s)

SP-LITE

PAR-LITE

Σχήμα 9: Διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR στο εστιακό επίπεδο του φακού Fresnel f=42cm και γ=0o, z=0o.

107

Πίνακας 10-11

Πειραματικά σημεία για διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR κάτω από απορροφητές πλάτους 5cm και 10cm αντίστοιχα (σχ. 10-11).

Κάτω από απορροφητή 5cm πλάτος Κάτω από απορροφητή 10cm πλάτος

P SP PAR P SP PAR -18 208.55 529.65 -18 210.79 505.11-16 205.53 539.88 -16 186.71 507.16-14 219.61 548.06 -14 201.32 515.34-12 226.32 562.37 -12 206.32 521.47-10 243.42 582.82 -10 211.71 529.65

-8 265.39 609.41 -8 218.03 543.97-6 300.79 642.13 -6 221.58 570.55-4 356.84 717.79 -4 244.47 439.67-2 464.08 952.97 -2 186.84 255.62-1 401.84 854.81 -1 88.42 184.050 237.63 548.06 0 88.16 184.051 407.76 854.81 1 88.55 184.052 435.00 950.92 2 186.84 255.624 336.58 832.31 4 221.45 439.676 292.11 658.49 6 229.74 474.448 264.87 597.14 8 226.32 511.25

10 238.95 570.55 10 218.55 539.8812 232.37 550.10 12 218.42 543.9714 235.53 554.19 14 239.74 548.0616 268.42 593.05 16 218.42 519.4318 197.37 564.42 18 239.74 505.11

108

15cm κάτω από τον Απορροφητή (5cm πλάτος)

0

100

200

300

400

500

600

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20Θέση (cm)

SP-L

ITE

(W/m

2 )

0

200

400

600

800

1000

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m2 s)

SP-LITE

PAR-LITE

Σχήμα 10: Διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR 15cm κάτω από απορροφητή πλάτους 5cm

15 cm κάτω από τον Απορροφητή (10cm πλάτος)

0

100

200

300

400

500

600

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20Θέση (cm)

SP-L

ITE

(W/m

2)

0

100

200

300

400

500

600

700

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m2s

)

SP-LITEPAR-LITE

Σχήμα 11: Διαγράμματα κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR 15cm κάτω από απορροφητή πλάτους 10cm

109

5.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΤΕΙ/Μ

Στο κεφάλαιο της Πειραματικής μεθοδολογίας αναφέρθηκε ότι ελήφθησαν και επεξεργαστήκαν τα μετεωρολογικά δεδομένα του σταθμού του ΤΕΙ/Μ για τον προσδιορισμό των παραμέτρων που έχουν άμεση επίδραση στο διαμορφούμενο εσωτερικό κλίμα του θερμοκηπίου και θα χρησιμοποιηθούν για εκτίμηση του ενεργειακού υπολογισμού του θερμοκηπίου σε ενδεχόμενη χρήση φακών Fresnel και τα οποία είναι:

- η ηλιακή ακτινοβολία ημέρας (W/m2) - η θερμοκρασία ημέρας και νύχτας (0C), - η ταχύτητα ανέμου ημέρας και νύκτας (m/sec) και - η σχετική υγρασία RH (%)

Δημιουργήθηκε ο πίνακας 5.1 στον οποίο παρουσιάζονται οι μέσες μηνιαίες τιμές των παραμέτρων αυτών και τα συνδυαστικά διαγράμματα (1) και (2) των προαναφερθέντων παραμέτρων στα οποία παρατηρούμε:

Στο διάγραμμα (1) μεταβολής της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας, η μέση ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε ετήσια βάση γίνεται αυξητική κατά το εξάμηνο Απρίλιο-Σεπτέμβριο παρουσιάζοντας μέγιστα τους καλοκαιρινούς μήνες. Η μεταβολής της μέσης ημερήσιας και νυχτερινής θερμοκρασίας είναι ανάλογη με την μεταβολή της έντασης της ακτινοβολίας.

Στο διάγραμμα (2) μεταβολής της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της ταχύτητας του πνέοντος ανέμου η μέση ταχύτητα του άνεμου αντίθετα παρουσιάζει αυξητική συμπεριφορά κατά το εξάμηνο Νοεμβρίου-Απριλίου με μέγιστα τους χειμερινούς και πρώτους ανοιξιάτικους μήνες. Σύμφωνα με τις μέσες μηνιαίες τιμές της ταχύτητας του ανέμου που παρουσιάζονται στον πίνακα 5.2.1 στις τοπικά επικρατούσες συνθήκες της περιοχής του θερμοκηπίου οι ταχύτητες του ανέμου είναι σχετικά μικρές και δεν επηρεάζουν ιδιαίτερα αρνητικά την θερμοκρασία περιβάλλοντος άρα και το εγκατεστημένο πλησίον θερμοκήπιο. Γενικά η ένταση του πνέοντος άνεμου επηρεάζει αρχικά το περίβλημα του θερμοκηπίου και στην συνέχεια την εσωτερική θερμοκρασία του, ιδίως την χειμερινή περίοδο, αυξάνοντας έτσι τις ανάγκες διατήρησης της απαραίτητης θερμοκρασίας στο εσωτερικό του. Στο διάγραμμα (3) μεταβολής της σχετικής υγρασίας η μέση σχετική υγρασία καθ΄ όλη την διάρκεια του έτους παραμένει αφενός σχετικά υψηλή και αφετέρου σχετικά σταθερή (60%-80%) λόγω της γειτνίασης της περιοχής του Μετεωρολογικού σταθμού με την λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου.

110

ΠΙΝΑΚΑΣ 5.1: ΜΕΣΕΣ ΜΗΝΙΑΙΕΣ ΤΙΜΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕΤΕΩΡ/ΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΤΕΙ/Μ

ΜΗΝΕΣ Μέση

θερμοκρασία ημέρας (°C)

Μέση σχετικήυγρασία

%

Μέση ηλιακή

ακτινοβολία ημέρας (W/m²)

Μέση ταχύτητα ανέμου ημέρας (m/s)

Μέση θερμοκρασία

νυκτός (°C)

Μέση ταχύτητα ανέμου νυκτός (m/s)

Μάρτιος 2004 14.3 73.7 259.0 4.5 10.9 3.5 Απρίλιος 2004 17.8 68.1 323.0 4.2 14.0 3.0 Μάϊος 2004 20.5 66.6 374.7 4.4 16.2 2.9 Ιούνιος 2004 25.5 73.2 371.1 3.1 20.9 1.9 Ιούλιος 2004 29.4 57.8 413.1 3.4 24.3 2.1

Αύγουστος 2004 27.9 82.1 440.6 3.3 23.0 1.9 Σεπτέμβριος 2004 25.7 63.5 342.5 3.9 20.6 2.6 Οκτώβριος 2004 22.8 74.6 272.4 2.9 17.3 1.8 Νοέμβριος 2004 17.0 76.3 199.7 3.8 12.7 3.1 Δεκέμβριος 2004 14.8 81.0 139.0 2.7 11.5 2.5 Ιανουάριος 2005 11.8 76.9 178.9 2.9 7.2 2.9 Φεβρουάριος 2005 10.9 73.2 218.4 4.6 7.7 4.0 Μάρτιος 2005 14.1 79.2 305.9 3.2 9.5 1.9 Απρίλιος 2005 16.6 65.4 390.0 3.9 12.1 2.7 Μάϊος 2005 19.8 74.6 376.5 3.4 15.2 2.6

1. Διάγραμμα μεταβολής Ακτινοβολίας - Θερμοκρασίας

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

3/044/04

5/046/04

7/048/04

9/0410/04

11/0412/04

1/052/05

3/054/05

5/05

Μήνες

Μέση ηλιακή

ακτινοβ

ολία

ημ

έρας

(W/m

²) η

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Μέση θερμ

οκρα

σία ημ

έρας

/ νυκτός

(°C

) η

Μέση ηλιακή ακτινοβολία ημέρας (W/m²)

Μέση θερμοκρασία ημέρας (°C)

Μέση θερμοκρασία νυκτός (°C)

111

2. Διάγραμμα μεταβολής Ακτινοβολίας - Ανέμου

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

3/044/04

5/046/04

7/048/04

9/0410/04

11/0412/04

1/052/05

3/054/05

5/05

Μήνες

Μέση ηλιακή

ακτινοβ

ολία

ημέρα

ς (W

/m²)

η

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Μέση ταχύτητα

ανέμο

υ ημ

έρας

/ νυκτός

(m/s

) η

Μέση ηλιακή ακτινοβολία ημέρας (W/m²)Μέση ταχύτητα ανέμου ημέρας (m/s)Μέση ταχύτητα ανέμου νυκτός (m/s)

3. Μεταβολή Σχετικής Υγρασίας

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

3/044/04

5/046/04

7/048/04

9/0410/04

11/0412/04

1/052/05

3/054/05

5/05

Μήνες

Μέση σχ

ετική υγρα

σία

RH

(%)

η

Μέση σχετικήυγρασία %

112

5.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΤΕΙ/Μ 5.3.1 Αποτελέσματα Μεταβολής των Παραμέτρων του Θερμοκηπίου.

Αναλύοντας τα διαγράμματα της μεταβολής της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στο θερμοκήπιο, της μεταβολής της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου, της μεταβολή της ταχύτητας του πνέοντος άνεμου και της μεταβολής της σχετικής υγρασίας παρουσιάζονται σε εβδομαδιαία (9 εβδομάδες) και εποχιακή (Μάρτιος-Απρίλιος-Μάιος) βάση, από την επεξεργασία των δεδομένων του Data logger εντός του θερμοκηπίου, παρατηρούμε τα εξής:

Αυξανομένης της έντασης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας τόσο σε ημερήσια όσο και σε εποχιακή βάση αυξάνεται η θερμοκρασία εντός του θερμοκηπίου (διαγράμματα εβδομαδιαίας μεταβολής ημερήσιας ακτινοβολίας και θερμοκρασίας).

Η διερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία εντός του θερμοκηπίου είναι το 40%-50% της προσπίπτουσας περίπου. Αυτό οφείλεται τόσο στην ανάκλαση μέρους της προσπίπτουσας (≈ 20%) όσο και στην απορρόφηση μέρους της από το υλικό κάλυψης. Οι εναέριες εγκαταστάσεις στο εσωτερικό του θερμοκηπίου καθώς και δευτερεύοντα στοιχεία του θερμοκηπίου μειώνουν σημαντικά το ποσοστό της διερχόμενης πια από το κάλυμμα του θερμοκηπίου ηλιακής ακτινοβολίας. (διαγράμματα εβδομαδιαίας μεταβολής προσπίπτουσας και εισερχόμενης ακτινοβολίας στο θερμοκήπιο).

Η μεταβολή του ανέμου είναι έντονη καθ΄ όλη την διάρκεια της περιόδου και αυτό φαίνεται στα εβδομαδιαία διαγράμματα, οι δε μεταβολές του δεν παρουσιάζουν κάποια κανονικότητα ώστε να εξαχθεί ασφαλές και χρήσιμο συμπέρασμα κάτι που έγινε στην περίπτωση των δεδομένων του Μετεωρολογικού σταθμού. Αυτό είναι αναμενόμενο γιατί αυτοί οι τρεις μήνες της Άνοιξης για τους οποίους έγιναν τα διαγράμματα μεταβολής της ταχύτητας του ανέμου παρουσιάζουν μεγάλη αστάθεια και διακυμάνσεις.

Η μεταβολή της ημερήσιας σχετικής υγρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου καθ΄ολη την διάρκεια της περιόδου κυμαίνεται μεταξύ 30%-50% με αρκετά υψηλότερες τιμές την νύχτα γιατί την ημέρα η θερμοκρασία του αέρα είναι υψηλότερη. Είναι δε χαρακτηριστικό ότι αυξανομένης της θερμοκρασίας εντός του θερμοκηπίου μειώνεται η σχετική υγρασία και το αντίστροφο. Αυτό συμβαίνει διότι αυξανομένης της θερμοκρασίας σε έναν χώρο αυξάνεται η ικανότητα απορρόφησης υδρατμών του αέρα με αποτέλεσμα να μειώνεται η σχετική υγρασία. Γενικά η σχετική υγρασία, η θερμοκρασία και η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι αλληλένδετα συνδεδεμένες όπως παρατηρείται στα εβδομαδιαία συνδυαστικά διαγράμματα θερμοκρασίας, ακτινοβολίας και σχετικής υγρασίας μέσα στο θερμοκήπιο.

Με δεδομένο ότι η ηλιακή ακτινοβολία είναι ο σημαντικότερος παράγοντας που καθορίζει την θερμοκρασία εντός του θερμοκηπίου αξιολογείται η χρήση των γραμμικών (2D) φακών Fresnel, οι οποίοι είναι οπτικά συγκεντρωτικά μέσα μικρού πάχους (~5mm), όσο δηλαδή μιας συνήθους γυάλινης πλάκας, τα οποία και συγκεντρώνουν την άμεση ηλιακή ακτινοβολία σε μια γραμμική εστία μικρού εύρους εφαρμογής. Πιο συγκεκριμένα αξιολογείται η εφαρμογή των φακών Fresnel στο θερμοκήπιο κάτω από συνθήκες μεγάλης ηλιοφάνειας και υψηλής θερμοκρασίας περιβάλλοντος, σε συνδυασμό με γραμμικούς απορροφητές για ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας (κεφάλαιο 3).

113

1η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

8/3/2005 18.7 194.7 400.7 2.5 35.4 5.2 0.2 80.1 9/3/2005 17.8 126.1 275.0 1.9 43.2 5.0 0.2 79.9 10/3/2005 22.8 200.3 417.5 3.2 30.3 5.4 0.3 78.0 11/3/2005 21.2 169.6 319.5 0.9 42.5 6.3 0.4 78.4 12/3/2005 20.8 110.4 231.7 3.4 56.4 11.0 0.6 84.5 13/3/2005 27.4 193.1 398.4 1.8 35.1 11.1 0.1 80.8 14/3/2005 28.4 198.0 408.6 1.5 36.1 11.0 0.2 78.70

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

50100

150200

250300

350400

450

8/3 9/3 10/3 11/3 12/3 13/3 14/3

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

g

P in (W/m²)

P out (W/m²)

Μεταβολή θερμοκρασίας

0

5

10

15

20

25

30

8/3 9/3 10/3 11/3 12/3 13/3 14/3

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

) .

Tin-d °C

Tin-n °C

114

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

50

100

150

200

250

8/3 9/3 10/3 11/3 12/3 13/3 14/3

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

0

10

20

30

40

50

60

Τ(°C

) U

(m/s

) R

H (%

)

P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0

1

2

3

4

8/3 9/3 10/3 11/3 12/3 13/3 14/3

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

(m/s

)

k

W-d (m/s)

W-n (m/s)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας

0

5

10

15

20

25

30

8/3 9/3 10/3 11/3 12/3 13/3 14/3

Ημέρες

Θερμοκρασία

Τ (°

C)

0

100

200

300

400

500

Ακτινοβολία

(W/m

²)

Tin-d °C

P in (W/m²)

115

2η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

15/3/2005 28.6 177.0 364.4 1.2 36.8 11.9 0.4 74.9 16/3/2005 30.4 201.3 406.3 1.8 33.8 12.5 0.3 74.3 17/3/2005 29.5 207.0 418.2 2.1 38.6 11.8 0.1 79.2 18/3/2005 29.6 215.4 420.6 2.2 39.1 12.0 0.1 79.5 19/3/2005 30.1 209.1 405.1 1.6 37.0 12.5 0.4 77.8 20/3/2005 26.9 160.7 320.8 1.1 42.4 14.3 0.2 76.1 21/3/2005 28.9 201.0 400.7 1.8 39.9 14.1 0.0 79.0

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

75

150

225

300

375

450

15/3 16/3 17/3 18/3 19/3 20/3 21/3

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

.

P in (W/m²)

P out (W/m²)

Μεταβολή θερμοκρασίας

0

5

10

15

20

25

30

35

15/3 16/3 17/3 18/3 19/3 20/3 21/3

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

) .

Tin-d °C

Tin-n °C

116

Κοινό διάγραμμα θερμοκρασίας - ακτινοβολίας

0

10

20

30

40

50

15/3 16/3 17/3 18/3 19/3 20/3 21/3

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°

C)

jj .

0

50

100

150

200

250

Ακτινοβολία

(W/m

²)

h .

Tin-d °CP in (W/m²)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

50

100

150

200

250

15/3 16/3 17/3 18/3 19/3 20/3 21/3

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

0

10

20

30

40

50

T(°C

) U

(m/s

)R

H (%

)P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

15/3 16/3 17/3 18/3 19/3 20/3 21/3

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

(m/s

) h

W-d (m/s)

W-n (m/s)

117

3η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

22/3/2005 29.2 216.1 424.0 2.8 41.1 13.0 0.0 78.9 23/3/2005 29.5 204.5 405.3 1.9 38.6 12.8 0.0 79.0 24/3/2005 29.0 186.0 364.6 2.0 41.4 14.5 0.2 79.2 25/3/2005 29.1 185.3 363.7 1.6 40.1 15.7 0.1 79.2 26/3/2005 29.3 149.9 308.9 0.8 28.9 14.9 0.5 66.2 27/3/2005 31.1 195.5 405.6 3.5 38.5 17.0 1.9 62.6 28/3/2005 30.5 200.2 405.6 2.3 39.7 14.3 0.1 76.8

Μεταβολή ακτινοβολίας

050

100150200250300350400450

22/3 23/3 24/3 25/3 26/3 27/3 28/3

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

P in (W/m²)

P out (W/m²)

Μεταβολή Θερμοκρασίας

05

101520253035

22/3 23/3 24/3 25/3 26/3 27/3 28/3

Ημέρες

Θερμοκρασία

Τ (°

C

Tin-d °C

Tin-n °C

118

Κοινό διάγραμμα θερμοκρασίας - ακτινοβολίας

2728293031323334

22/3 23/3 24/3 25/3 26/3 27/3 28/3

Ημέρες

Θερμοκρασία

Τ(°

Cj

0

50

100

150

200

250

Ακτινοβολία

(W/m

²

Tin-d °C

P in (W/m²)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

40

80

120

160

200

240

22/3 23/3 24/3 25/3 26/3 27/3 28/3

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

0

10

20

30

40

50

Τ(°C

) U

(m/s

) kR

H(%

)

P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0

1

2

3

4

22/3 23/3 24/3 25/3 26/3 27/3 28/3

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

(m/s

) j

W-d (m/s)

W-n (m/s)

119

4η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

29/3/2005 30.7 189.8 405.6 2.2 39.6 14.8 0.6 75.6 30/3/2005 27.8 208.6 399.7 5.7 34.7 15.4 4.9 61.2 31/3/2005 26.0 220.6 471.0 6.0 26.0 12.6 4.9 48.4 1/4/2005 24.0 193.2 402.3 5.0 27.2 9.7 3.1 50.9 2/4/2005 26.4 231.0 478.0 4.0 23.6 11.0 2.9 50.4 3/4/2005 27.8 230.3 480.8 2.1 29.2 11.1 0.2 60.5 4/4/2005 26.6 219.6 455.0 5.5 27.6 13.0 2.6 56.7

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

100

200

300

400

500

600

29/3 30/3 31/3 1/4 2/4 3/4 4/4

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

P in (W/m²)

P out (W/m²)

Μεταβολή Θερμοκρασίας

05

101520253035

29/3 30/3 31/3 1/4 2/4 3/4 4/4

Ημέρες

Θερμοκτασ

ία Τ

(°C

)

Tin-d °CTin-n °C

120

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας

05

101520253035

29/3 30/3 31/3 1/4 2/4 3/4 4/4

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°

C)

0

50

100

150

200

250

Ακτινοβολία

(W/m

²)

Tin-d °CP in (W/m²)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

50

100

150

200

250

29/3 30/3 31/3 1/4 2/4 3/4 4/4

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

0

10

20

30

40

50

Τ(°C

)U

(m/s

)R

H (%

)P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0

2

4

6

8

29/3 30/3 31/3 1/4 2/4 3/4 4/4

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

(m/s

h

W-d (m/s)

W-n (m/s)

121

5η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

5/4/2005 16.2 60.9 127.7 6.2 44.0 13.8 4.6 52.9 6/4/2005 30.7 245.6 498.4 5.5 19.5 14.5 3.6 50.3 7/4/2005 31.5 236.0 473.8 2.4 31.6 13.1 0.1 66.8 8/4/2005 30.2 197.8 408.6 1.6 35.3 14.1 0.1 67.8 9/4/2005 33.6 227.9 435.5 2.0 28.3 16.5 2.3 55.9 10/4/2005 28.2 119.9 251.9 2.8 36.5 20.0 5.5 45.6 11/4/2005 30.1 235.4 502.8 3.3 31.9 15.6 0.3 67.0

Μεταβολή θερμοκρασίας

0

5

10

15

20

25

30

35

40

5/4 6/4 7/4 8/4 9/4 10/4 11/4

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

)

Tin-d °CTin-n °C

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

100

200

300

400

500

600

5/4 6/4 7/4 8/4 9/4 10/4 11/4

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

P in (W/m²)

P out (W/m²)

122

Κοινό διάγραμμα θερμοκρασίας - ακτινοβολίας

05

101520253035

5/4 6/4 7/4 8/4 9/4 10/4 11/4

Ημέρες

Θερμοκρασία

Τ (°

C

0

50100

150

200250

300

Ακτινοβολία

(W/m

²

Tin-d °C

P in (W/m²)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

50

100

150

200

250

300

5/4 6/4 7/4 8/4 9/4 10/4 11/4

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W

/m²)

0

10

20

30

40

50

Τ (°

C)

U (m

/s)

RH

(%)

P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0

1

2

3

4

5

6

7

5/4 6/4 7/4 8/4 9/4 10/4 11/4

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

W (m

/s) j

W-d (m/s)W-n (m/s)

123

6η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

12/4/05 20.8 124.9 223.7 2.4 56.7 12.9 0.8 75.5 13/4/05 25.2 163.6 311.5 2.1 48.9 14.6 0.2 78.0 14/4/05 30.7 235.6 480.1 2.7 39.2 15.0 0.2 74.8 15/4/05 29.2 154.2 320.6 1.0 40.8 16.8 1.3 62.3 16/4/05 29.2 145.4 303.7 4.8 37.4 19.8 2.1 51.5 17/4/05 17.5 54.3 115.1 3.3 70.5 14.7 2.2 72.5 18/4/05 30.4 240.9 516.8 3.6 36.3 14.3 0.5 76.5 19/4/05 30.8 214.9 426.2 1.8 38.0 16.1 0.2 72.7

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

100

200

300

400

500

600

12/4 13/4 14/4 15/4 16/4 17/4 18/4 19/4

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

P in (W/m²)

P out (W/m²)

Μεταβολή θερμοκρασίας

05

101520253035

12/4 13/4 14/4 15/4 16/4 17/4 18/4 19/4

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

)

Tin-d °CTin-n °C

124

Κοινό διάγραμμα θερμοκρασίας - ακτινοβολίας

0

5

10

15

20

25

30

35

12/4 13/4 14/4 15/4 16/4 17/4 18/4 19/4

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

)

0

50

100

150

200

250

300

Ακτινοβολία

(W/m

²)

Tin-d °CP in (W/m²)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

050

100150200

250300

12/4 13/4 14/4 15/4 16/4 17/4 18/4 19/4

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

01020304050607080

Τ (°

C)

U (m

/s)

RH

(%)

P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0

1

2

3

4

5

6

12/4 13/4 14/4 15/4 16/4 17/4 18/4 19/4

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

(m/s

)

W-d (m/s)

W-n (m/s)

125

7η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

2/5/2005 37.0 248.8 543.5 2.4 27.6 18.3 0.1 64.7 3/5/2005 37.3 231.8 511.3 2.4 30.9 19.3 0.2 68.5

4/5/05 33.1 170.1 365.0 1.7 42.3 20.1 0.0 70.5 5/5/2005 29.6 106.9 233.6 1.8 38.2 18.9 2.7 72.0 6/5/2005 25.8 118.6 273.4 4.8 49.8 17.6 5.2 71.8 7/5/2005 35.7 259.9 562.8 2.9 29.9 16.6 0.7 70.4 8/5/2005 36.9 249.6 547.0 2.2 29.8 19.9 0.3 66.6

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

100

200

300

400

500

600

2/5 3/5 4/5 5/5 6/5 7/5 8/5

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

P in (W/m²)

P out (W/m²)

Μεταβολή θερμοκρασίας

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2/5 3/5 4/5 5/5 6/5 7/5 8/5

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

)

Tin-d °CTin-n °C

126

Κοινό διάγραμμα θερμοκρασίας - ακτινοβολίας

05

10152025303540

2/5 3/5 4/5 5/5 6/5 7/5 8/5

Ημέρες

Θερμοκρασία

Τ (°

C

0

50

100

150

200

250

300

Ακτινοβολία

(W/m

²

Tin-d °C

P in (W/m²)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

50

100

150

200

250

300

2/5 3/5 4/5 5/5 6/5 7/5 8/5

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

0

10

20

30

40

50

60

Τ (°

C)

U (m

/s)

RH

(%)

P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0

1

2

3

4

5

6

2/5 3/5 4/5 5/5 6/5 7/5 8/5

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

W(m

/s)

h

W-d (m/s)W-n (m/s)

127

8η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

9/5/2005 37.8 248.2 546.4 2.0 29.1 18.8 0.1 63.6 10/5/2005 38.2 238.3 531.5 1.7 26.0 19.6 0.1 56.9 11/5/2005 29.2 90.0 201.4 1.3 40.4 19.8 0.4 52.1 12/5/2005 39.2 218.3 505.8 2.4 27.4 21.4 0.4 59.5 13/5/2005 40.0 228.8 527.8 2.6 28.3 22.0 0.2 62.7 14/5/2005 35.7 181.4 417.8 2.2 35.1 23.3 0.9 57.2 15/5/2005 39.7 218.6 516.7 2.0 28.7 21.8 0.0 62.8

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

100

200

300

400

500

600

9/5 10/5 11/5 12/5 13/5 14/5 15/5

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

P in (W/m²)P out (W/m²)

Μεταβολή θερμοκρασίας

0

10

20

30

40

50

60

9/5 10/5 11/5 12/5 13/5 14/5 15/5

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

)

Tin-d °CTin-n °C

128

Κοινό διάγραμμα θερμοκρασίας - ακτινοβολίας

0102030405060

9/5 10/5 11/5 12/5 13/5 14/5 15/5

Ημέρες

Θερμο

κρασ

ία Τ

(°C

)

050100150200250300

Ακτιν

οβολία

(W/m

²)

Tin-d °CP in (W/m²)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

50

100

150

200

250

300

9/5 10/5 11/5 12/5 13/5 14/5 15/5

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²

0

10

20

30

40

50

Τ(°C

)U

(m/s

) R

H(%

)

P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

9/5 10/5 11/5 12/5 13/5 14/5 15/5

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

W(m

/s)

m

W-d (m/s)W-n (m/s)

129

9η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 7:30-19:30 19:40-7:20

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Tin-d

°C P in

(W/m²) P out

(W/m²) W-d (m/s)

RHd %

Tin-n °C

W-n (m/s)

RHn %

17/5/2005 37.0 142.3 345.3 4.8 22.8 26.4 4.2 41.2 18/5/2005 38.0 217.0 532.4 3.4 31.7 22.8 1.1 56.0 19/5/2005 37.0 221.4 556.1 3.5 27.9 19.7 0.4 59.9 20/5/2005 36.8 186.9 475.0 2.5 28.8 20.3 0.4 64.0 21/5/2005 38.2 223.7 566.6 2.9 29.9 21.3 0.5 63.7 22/5/2005 37.1 225.4 548.6 2.9 32.8 21.9 0.8 63.9 23/5/2005 37.6 221.0 500.7 2.4 31.1 21.0 0.3 64.6

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

100

200

300

400

500

600

17/5 18/5 19/5 20/5 21/5 22/5 23/5

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

P in (W/m²)P out (W/m²)

Μεταβολή θερμοκρασίας

05

1015202530354045

17/5 18/5 19/5 20/5 21/5 22/5 23/5

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

)

Tin-d °CTin-n °C

130

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

17/5 18/5 19/5 20/5 21/5 22/5 23/5

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

W(m

/s)

m

W-d (m/s)W-n (m/s)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

50

100

150

200

250

17/5 18/5 19/5 20/5 21/5 22/5 23/5

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Τ (°

C)

U (m

/s)

RH

(%)

P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

131

ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ 9 ΕΒΔΟΜΑΔΩΝ

(ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΜΕΤΑΒΟΛΗ)

Μεταβολή ακτινοβολίας

0

100

200

300

400

500

600

8/3 15/3 22/3 29/3 5/4 12/4 19/4 8/5 15/5 23/5

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²)

P in (W/m²)

P out (W/m²)

Μεταβολή Θερμοκρασίας

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

8/3 15/3 22/3 29/3 5/4 12/4 19/4 8/5 15/5 23/5

Ημέρες

Θερμοκρασ

ία Τ

(°C

)

Tin-d °C

Tin-n °C

132

Μεταβολή ταχύτητας ανέμου

0

1

2

3

4

5

6

7

8/3 15/3 22/3 29/3 5/4 12/4 19/4 8/5 15/5 23/5

Ημέρες

Ταχύτητα

ανέμου

(m/s

)

W-d (m/s)

W-n (m/s)

Κοινό διάγραμμα Θερμοκρασίας - Ακτινοβολίας - Ταχύτητας ανέμου - Υγρασίας

0

50

100

150

200

250

300

8/3 15/3 22/3 29/3 5/4 12/4 19/4 8/5 15/5 23/5

Ημέρες

Ακτινοβολία

(W/m

²) m

0

10

20

30

40

50

60

70

80Τ

(°C

)U

(m/s

)R

H(%

)

P in (W/m²)Tin-d °CW-d (m/s)RHd %

133

Κοινό διάγραμμα θερμοκρασίας - ακτινοβολίας

05

101520

2530354045

8/3 15/3 22/3 29/3 5/4 12/4 19/4 8/5 15/5 23/5

Ημέρες

Θερμοκρασία

Τ(°

C

0

50

100

150

200

250

300

Ακτινοβολία

(W/m

²

Tin-d °CP in (W/m²)

134

5.3.2 Αποτελέσματα Σάρωσης και Ζωνοποίησης Θερμοκηπίου Η επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων της σάρωσης και ζωνοποίησης

του θερμοκηπίου δίνει τα διαγράμματα που ακολουθούν στα οποία παρουσιάζεται η ημερήσια μεταβολή της κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR σε ολόκληρο το χώρο του θερμοκηπίου καθώς και η μεταβολή της κατανομής τους σε σχέση με τον προσανατολισμό του θερμοκηπίου. Οι μετρήσεις της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας έγιναν με το πυρανόμετρο (W/m2) και της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας έγιναν με τον αισθητήρα μέτρησης της PAR (μmol/m2s).

Παρατηρείται μια αναμενομένη και ομαλή κατανομή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR κατά την διάρκεια μιας ηλιόλουστης και καθαρής ημέρας, με χαμηλές τιμές τις πρωινές και απογευματινές ώρες και μέγιστες τιμές τις μεσημβρινές ώρες. Η αντιστοιχία μεταξύ PAR μετρούμενη σε μmol/m2s και εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας μετρούμενη σε W/m2 είναι 2:1 και παραμένει σταθερή καθ΄ όλη την διάρκεια της ημέρας. Αυτή η αντιστοιχία γίνται 2.5:1 τις συννεφιασμένες ημέρες λόγω του ότι αυξάνει το διάχυτο μέρος της ακτινοβολίας που εισέρχεται στο θερμοκήπιο.

Οι μετρούμενες τιμές της PAR σε μmol/m2s αντιστοιχούν στο 45% της ηλιακής ακτινοβολίας (Kittas et al 1999, Μαυρογιαννόπουλος 2001, Γιαννούλης 2001). Αυτό προκύπτει από την βιβλιογραφία (Campell and Norman, 1998), σύμφωνα με την οποία τα 2100 μmol/m2s αντιστοιχούν σε 500 W/m2 στην περιοχή μήκους κύματος της PAR.

Στα διαγράμματα ζωνοποίησης του θερμοκηπίου παρατηρείται αύξηση της έντασης κατανομής της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR στο ανατολικό τμήμα του θερμοκηπίου κατά 15%-20% σε σχέση με το δυτικό τμήμα, αυτή δε η αύξηση είναι πιο έντονη κυρίως τις μεσημβρινές ώρες μεταξύ 12 και 15 h.

Με την ζωνοποίηση έχει προσδιοριστεί η κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR σε κάθε ζώνη για τον συγκεκριμένο προσανατολισμό του θερμοκηπίου (Α-Δ), έτσι σε πιθανή εγκατάσταση φακών Fresnel, μπορεί να γίνει η απαραίτητη ρύθμιση λειτουργίας των πλαισίων που θα είναι τοποθετημένοι οι απορροφητές έτσι ώστε να κινούνται και να ακολουθούν την πορεία του ηλίου.

135

ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 12/4/2005

ΩΡΕΣ(h) SP-LITE (W/m2)

PAR-LITE (μmol/m2s)

9:00 209.20 391.00

10:00 270.30 582.00

11:00 374.00 785.00

12:00 449.10 843.00

13:00 435.00 895.00

14:00 400.00 783.00

15:00 200.00 431.00

16:00 282.00 573.00

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 12/4/2005 (ήλιος)

0

200

400

600

800

1000

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ (h)

SP-L

ITE

(W/m

²)

0

200

400

600

800

1000

PAR-

LITE

(μm

ol/m

²s)

SP-LITE (W/m²)

PAR-LITE (μmol/m²s)

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α-Δ 12-04-2005

0200400600800

10001200

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ (h)

SP-L

ITE

W/m

²) .

020040060080010001200

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m²s

) .

SP-LITE 1o-6oSP-LITE 7o-12oPAR-LITE 1o-6oPAR-LITE 7o-12o

ΠΙΝΑΚΑΣ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α – Δ (12/4/2005)

SP-LITE 1o-6o

SP-LITE 7o-12o

PAR-LITE 1o-6o

PAR-LITE 7o-12o

195.60 222.95 420.33 466.67

267.27 273.43 497.50 559.83

386.10 361.73 777.50 793.33

429.98 468.22 871.00 965.00

410.37 492.27 812.83 976.67

382.18 400.40 771.67 795.00

114.40 284.92 255.00 607.00

204.83 359.02 413.50 733.17

136

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 19/4/2005(συννεφιά)

0

100

200

300

400

500

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ (h)

SP-L

ITE

(W/m

²) .

0

100

200

300

400

500

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m²s

)

SP-LITE(W/m2)PAR-LITE(μmol/m2s)

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α-Δ

19-04-2005

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ (h)

SP-L

ITE

(W/m

²) .

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

PAR-L

ITE

(μm

ol/m

²s)

.

SP-LITE 1o-6o

SP-LITE 7o-12o

PAR-LITE 1o-6o

PAR-LITE 7o-

ΠΙΝΑΚΑΣ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α – Δ(19/4/2005)

SP-LITE 1o-6o

SP-LITE 7o-12o

PAR-LITE 1o-6o

PAR-LITE 7o-12o

220.97 298.93 519.33 638.67

249.10 286.13 529.67 587.17

389.88 435.02 786.00 875.33

480.40 454.13 1031.83 1100.50

299.22 349.87 611.50 703.33

443.42 610.38 916.50 1190.67

269.15 401.12 651.67 853.50

339.12 372.15 689.67 790.17

ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

19/4/2005(συννεφιά)

ΩΡΕΣ(h) SP-LITE (W/m2)

PAR-LITE (μmol/m2s)

9:00 164.42 399.33

10:00 195.43 438.33

11:00 147.98 364.17

12:00 204.23 373.00

13:00 243.10 397.50

14:00 164.40 374.50

15:00 169.03 397.50

16:00 157.68 386.50

137

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ11/5/2005

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ(h)

SP-L

ITE

(W/m

²) .

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

PAR-L

ITE

(μm

ol/m

²s)

SP-LITE(W/m2)PAR-LITE(μmol/m2s)

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α-Δ 11-05-2005

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ (h)

SP-L

ITE

(W/m

²)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m²s)

SP-LITE 1o-6o

SP-LITE 7o-12o

PAR-LITE 1o-6o

PAR-LITE 7o-12o

ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 11/5/2005 (ηλιοφάνεια)

ΩΡΕΣ(h) SP-LITE (W/m2)

PAR-LITE (μmol/m2s)

9:00 295.60 604.60

10:00 254.00 557.60

11:00 427.40 891.00

12:00 616.60 1291.00

13:00 607.70 1280.00

14:00 584.00 1224.00

15:00 232.20 472.50

16:00 322.60 707.50

ΠΙΝΑΚΑΣ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α – Δ (11/5/2005)

SP-LITE 1o-6o

SP-LITE 7o-12o

PAR-LITE 1o-6o

PAR-LITE 7o-12o

299.38 312.28 564.33 645.00

217.60 290.57 463.67 651.67

469.33 385.47 966.67 816.67

569.28 664.02 1200.00 1383.33

572.30 643.18 1213.33 1348.33

566.58 601.58 1185.00 1263.33

159.43 305.06 368.33 576.67

293.52 351.87 636.67 778.33

138

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ18/5/2005 (ηλιοφάνεια)

0

200

400

600

800

1000

1200

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ(h)

SP-L

ITE

(W/m

²) .

0

200

400

600

800

1000

1200

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m²s

)

SP-LITE(W/m2)PAR-LITE(μmol/m2s)

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α-Δ 18-05-2005

0100200300400500600

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ (h)

SP-L

ITE

(W/m

²) .

0100200300400500600

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m²s

) .

SP-LITE 1o-6oSP-LITE 7o-12oPAR-LITE 1o-6oPAR-LITE 7o-12o

ΠΙΝΑΚΑΣ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α – Δ (18/5/2005)

PAR-LITE 1o-6o

PAR-LITE 7o-12o

SP-LITE 1o-6o

SP-LITE 7o-12o

352.33 446.33 139.84 189.00

386.00 490.67 190.88 199.98

328.33 400.00 139.69 156.28

352.33 393.67 187.46 221.00

398.00 367.00 242.67 243.53

371.33 377.67 298.16 230.64

378.33 422.67 161.27 176.80

314.00 459.00 155.39 159.97

ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 18/5/2005(ηλιοφάνεια)

ΩΡΕΣ(h) SP-LITE (W/m2)

PAR-LITE (μmol/m2s)

9:00 260.00 579.00

10:00 267.60 558.40

11:00 412.40 830.60

12:00 467.20 1066.00

13:00 324.50 657.40

14:00 527.00 1053.00

15:00 335.00 752.50

16:00 355.60 739.90

139

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 25-05-2005 (πολύ συννεφιά)

0

100

200

300

400

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ (h)

SP-L

ITE

(W/m

²)

0

100

200

300

400

PAR

-LIT

E

(μm

ol/m

²s)

SP-LITE )W/m²)PAR-LITE (μmol/m²s)

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α-Δ 25-05-2005

0

100

200

300

400

9 10 11 12 13 14 15 16

ΩΡΕΣ(h)

SP-L

ITE

(W/m

²)

0

100

200

300

400

PAR

-LIT

E (μ

mol

/m²s

)

SP-LITE 1ο-6οSP-LITE 7ο-12οPAR-LITE 1o -6oPAR-LITE 7o-12o

ΠΙΝΑΚΑΣ ΖΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Α – Δ (25/5/2005)

PAR-LITE 1o-6o

PAR-LITE 7o-12o

SP-LITE 1o-6o

SP-LITE 7o-12o

91.74 117.07 196.67 209.00

161.31 161.96 313.33 369.33

109.98 123.48 262.67 299.67

64.52 71.28 133.33 155.33

58.07 66.50 147.00 168.00

85.78 92.52 235.33 267.00

80.36 103.78 238.00 268.00

74.10 86.28 157.33 193.33

ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 25/5/2005(πολύ συννεφιά)

ΩΡΕΣ(h) SP-LITE (W/m2)

PAR-LITE (μmol/m2s)

9:00 104.40 202.83

10:00 161.63 341.33

11:00 116.73 281.17

12:00 67.90 144.33

13:00 62.28 157.50

14:00 89.15 251.17

15:00 92.07 253.00

16:00 80.19 175.33

140

5.4 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΦΑΚΩΝ FRESNEL 5.4.1 Υπολογισμός Ενεργειακών Αναγκών του Θερμοκηπίου

Στην παρούσα παράγραφο υπολογίζονται κατά προσέγγιση οι ενεργειακές ανάγκες του θερμοκηπίου σε σχέση με τις ανάγκες για θέρμανση, για δροσισμό, για εξαερισμό (δυναμικό) και για φωτισμό (πίνακας 7.5). Οι υπολογισμοί αφορούν το συγκεκριμενο αμφίρρικτο θερμοκήπιο απλής γραμμής του ΤΕΙ/Μ που περιγράφεται παρακάτω:

• θερμοκήπιο με μεταλλικό σκελετό και υλικό κάλυψης γυαλί, με καλή συντήρηση οπότε n=1.5 (n ο αριθμός αλλαγών του αέρα από διαφυγές με κλειστά παράθυρα ανά ώρα, πίνακας 5.2)

• συντελεστής θερμοπερατότητας του καλύμματος Κ=2.4 W/m2 oC (απλό γυαλί και θερμοκουρτίνα, πίνακας 5.3)

• έκταση 500 m2 (πλάτος 10m, μήκος 50m), πλάτος κατασκευαστικής μονάδας 5m, ύψος πλαϊνών ορθοστατών 2.60m, ύψος κορφιά 4.20m, κλίση οροφής 380

• όγκος θερμοκηπίου V=1700 m3 • επιφάνεια καλύμματος Α= 837 m2 • ΔΤ η διαφορά θερμοκρασίας Τin-Τα. Ως Τin θερμοκρασία,

λαμβάνεται η επιθυμητή θερμοκρασία του περιβάλλοντος εντός του θερμοκηπίου και ως Τα λαμβάνεται η μέση ελάχιστη νυχτερινή θερμοκρασία του ψυχρότερου μήνα που εμφανίζεται στην περιοχή με συχνότητα τριετίας. Για τους συγκεκριμένους υπολογισμούς λαμβάνεται Τin= 14 0C, μια σχετικά μέση θερμοκρασία που απαιτούν τα περισσότερα θερμοκηπιακά είδη και Τα= 7.2 0C η μέση μηνιαία θερμοκρασία νυχτός του μήνα Ιανουαρίου. Αυτή η τιμή λαμβάνεται από τον πίνακα 5.1 στον οποίο παρουσιάζονται οι μέσες μηνιαίες τιμές των παραμέτρων του Μετεωρολογικού σταθμού που χρησιμοποιούνται στον ενεργειακό υπολογισμό του θερμοκηπίου.

Πίνακας 5.2: Αλλαγές του αέρα από διαφυγές

Τύπος κατασκευής

Αλλαγές/ώρα (n)

Νέα κατασκευή υαλόφρακτο 0.8-1.8 Νέα κατασκευή, απλό φύλλο PE 0.8-2.5 Νέα κατασκευή, διπλό φύλλο PE 0.5-1.2 Σχετικά νέα κατασκευή, υαλόφρακτο, καλή συντήρηση

1.5

Παλαιά κατασκευή, υαλόφρακτο, κακή συντήρηση

2.5

141

Πίνακας 5.3: Συντελεστής θερμοπερατότητας υλικών κάλυψης

Κάλυμμα θερμοκηπίου

Τιμή Κ (W/m2 0C)

Απλό τζάμι 5.8 Απλό φύλλο πολυαιθυλενίου 6.3 Fiber Glass 4.0 Διπλό φύλλο πολυαιθυλενίου 2.9 Διπλό τζάμι 2.9 Πλαστικό φύλλο και τζάμι 2.9 Απλό γυαλί και θερμοκουρτίνα 2.4

α1) Ενεργειακές ανάγκες του θερμοκηπίου για θέρμανση σε kWh (πρώτος τρόπος υπολογισμού)

Για τον υπολογισμό των αναγκών του θερμοκηπίου σε θέρμανση προτείνεται (Γεωργική Τεχνολογία 1996, Κοπιδάκης 2000) η σχέση του Lemaine de Forges σε συνδυασμό με τα Μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής: Q= 1.20( ΔΤ⋅⋅ AK + 0.36 ΔΤ⋅⋅ nV ) Q = ενεργειακή ισχύς αναγκών θέρμανσης (W) K=2.4 W/m2 0C, ο συντελεστής θερμοπερατότητας του καλύμματος Α= 837 m2, η επιφάνεια καλύμματος ΔΤ= Τin-Τα, Τin= 14 0C, Τα= 7.2 0C V=1700 m3, ο όγκος θερμοκηπίου n=1.5, ο αριθμός αλλαγών του αέρα από διαφυγές ανά ώρα n/h και 0.36=kcal/m3 0C Στην σχέση του Lemaine de Forges ο παράγοντας (K * A * ΔΤ) δίνει τις απώλειες του καλύμματος λόγω αγωγιμότητας σε W. Ο παράγοντας (0.36 *V * n *ΔΤ) δίνει τις απώλειες εξαερισμού σε kcal/h. Με γνωστό ότι1 kcal/h=1.163W υπολογίζεται: Q= 23883 W ή 24 kW Αν υποθέσουμε ότι το σύστημα θέρμανσης πρέπει να λειτουργεί κατά μέσο όρο 7 ώρες ημερησίως τότε: Q= 167179 Wh/ημέρα ή 167 kWh/ημέρα Q= 5015363 Wh/ μήνα ή 5015 kWh/ μήνα Οι ανάγκες σε θέρμανση εντοπίζονται κατά τους μήνες Νοέμβριο-Απρίλιο. Έτσι για τους έξι (6) αυτούς μήνες, η μεγίστη απαιτούμενη ενέργεια είναι: Q= 30092177 ή 30092 kWh σύνολο

142

α2) Ενεργειακές ανάγκες του θερμοκηπίου για θέρμανση σε kWh (δεύτερος τρόπος υπολογισμού) Για επιβεβαίωση της τάξης μεγέθους του προηγούμενου αποτελέσματος

χρησιμοποιείται και ένας δεύτερος τρόπος υπολογισμού των ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου σε θέρμανση (Κίττας και Δημόγκας, εργαστήριο Θερμοκηπιακών Κατασκευών, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας).

Λαμβάνοντας δεδομένο ότι η ενέργεια που απαιτείται για αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου κατά 10C σε μια ώρα είναι 6.13 kWh και με τις μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες νυχτός του πίνακα 5.1 (μέσα μηνιαία Μετεωρολογικά δεδομένα) που αντιστοιχούν στο χρονικό διάστημα Νοέμβριο έως και Απρίλιο που το θερμοκήπιο χρειάζεται θέρμανση καταρτίζεται ο πίνακας 5.4 υπολογισμού των ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου για θέρμανση.

Η ενέργεια Q που χρειάζεται το θερμοκήπιο για κάθε ένα από τους 6 χειμερινούς μήνες υπολογίζεται ως συνάρτηση των ωρών και των ημερών που πρέπει να λειτουργήσει το σύστημα θέρμανσης κάθε μήνα ανάλογα με την διαφορά θερμοκρασίας που υπάρχει στο εσωτερικό του θερμοκηπίου και στο εξωτερικό περιβάλλον δηλ. από την σχέση: qdtQ ⋅⋅⋅ΔΤ= όπου

ΔΤ η διαφορά θερμοκρασίας Τin-Τα. Ως Τin θερμοκρασία, λαμβάνεται η επιθυμητή θερμοκρασία του περιβάλλοντος εντός του θερμοκηπίου (14 0C) και ως Τα λαμβάνεται η μέση ελάχιστη νυχτερινή θερμοκρασία του κάθε ένα από τους 6 μήνες.

t= ο ημερήσιος χρόνος θέρμανσης που κατά προσέγγιση λαμβάνεται στις 7h d= ο αριθμός των ημερών του κάθε μήνα δηλ. 30 ημέρες q= η ενέργεια που απαιτείται για αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου κατά 10C σε μια ώρα και ήδη έχει υπολογισθεί 6.13 kWh

Πίνακας 5.4: Ενεργειακές ανάγκες θέρμανσης θερμοκηπίου

Τα (0C)

Τin (0C)

ΔΤ (0C)

t (h) d

q

(kWh)

Q

(kWh)

Nοέμβρ. 12.74 14 1.26 7 30 6.13 1621.9 Δεκέμ. 11.51 14 2.49 7 30 6.13 3205.4 Ιανουάρ. 7.18 14 6.82 7 30 6.13 8779.4 Φεβρ. 7.65 14 6.35 7 30 6.13 8174.4 Μάρτιος 9.52 14 4.48 7 30 6.13 5767.1 Απρίλιος 12.11 14 1.89 7 30 6.13 2433.0 ΣΥΝΟΛΟ 29981.2

Παρατηρείται από τον πίνακα 5.4 (συνολικές ανάγκες θερμοκηπίου για

θέρμανση 29981.2 kWh) και από το αποτέλεσμα του πρώτου τρόπου υπολογισμού των θερμικών αναγκών (30092 kWh ) ότι οι τιμές είναι σχεδόν ταυτόσημες.

143

Η προηγούμενη παραδοχή (η ενέργεια που απαιτείται για αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου κατά 10C σε μια ώρα είναι 6.13 KWh), βασίζεται στα στοιχεία του πίνακα 5.5. Στον πίνακα αυτό υπολογίζεται η συνολικά απαιτούμενη ισχύς του συστήματος (1267 W) πάλι από τον τύπο του Lemaine de Forges Q=1.20( ΔΤ⋅⋅ AK + 0.36 ΔΤ⋅⋅ nV ). Τα 12267 W της συνολικά απαιτούμενης ισχύος για το συγκεκριμένο θερμοκήπιο (500 m2) και για μια ώρα (3600 s) είναι 22.0806 MJ τα οποία αντιστοιχούν σε 6.13 kWh (1 kWh=3.6 ΜJ).

Πίνακας 5.5: Υπολογισμός ενέργειας για αύξηση της θερμοκρασίας εντός του θερμοκηπίου κατά 10C σε 1 ώρα (h)

Δεδομένα Μήκος (m) 50 m Πλάτος (m) 10 m Ύψος ορθοστάτη (m) 2.6 m Ύψος κορφιά (m) 4.2 m Αριθμός διαμερισμάτων 4 - Απόδοση συστήματος 0.85 - Απώλειες λόγω διαφυγών αέρα n/h 1.5 n/h Ολικός συντελεστής απωλειών θερμότητας U ( W/m² °C) 5.8 W/m²°C Αύξηση θερμοκρασίας εσωτερικού-εξωτερικού αέρα (ΔΤ) 1 °C Αποτελέσματα Επιφάνεια καλύμματος (m²) (20m πλάτος, 50m μήκος) 1446 m² Επιφάνεια καλυμμένου εδάφους (m²) 1000 m² Όγκος θερμοκηπίου (m³) 3400 m³ Συνολική απαιτούμενη ισχύς (W) 12267 W Απαιτούμενη ισχύς ανά m2 καλυμμένου εδάφους (W /m²) 12 W/m² Πραγματική απαιτούμενη ισχύς (W) 14432 W 500m2 (10m πλάτος, 50m μήκος 0.00613 MJ 1 HOUR 22.0806 MJ Πετρέλαιο Θέρμανσης (l) 0.682 MJ/l 36 Μαζούτ (kg) 0.598 MJ/kg 41 Φυσικό Αέριο (m³) 0.767 MJ/m³ 32 Bιομάζα-Πυρηνόξυλο (kg) 1.691 MJ/kg 16.32 Βιομάζα-Τσόφλι Αμυγδάλου (kg) 3.382 MJ/kg 16.32

144

β) Ενεργειακές ανάγκες του θερμοκηπίου για εξαερισμό σε kWh.

Ο αερισμός του θερμοκηπίου γίνεται με φυσικό και δυναμικό εξαερισμό. Ο δυναμικός εξαερισμός γίνεται με ανεμιστήρες στην μικρή πλευρά του θερμοκηπίου και είσοδο αέρα από την αντίθετη πλευρά, με δημιουργία υποπίεσης ή υπερπίεσης ανάλογα, οι οποίοι και μας εξασφαλίζουν 45-60 αλλαγές ανά ώρα (n/h). Η μέση ετήσια κατανάλωση (≈8 μήνες) ηλεκτρικής ενέργειας για εξαερισμό του θερμοκηπίου είναι κατά μέσο όρο 35 MJ/m2 ( ετήσιο εύρος κατανάλωσης 20-50 MJ/m2, Μαυρογιαννόπουλος, 2001) οπότε για το εν λόγω θερμοκήπιο των 500 m2 η συνολική απαιτούμενη ενέργεια είναι 17500 MJ ή 4862 kWh. γ) Ενεργειακές ανάγκες του θερμοκηπίου για φωτισμό σε kWh.

Τον χειμώνα κυρίως και λιγότερο την άνοιξη που η διάρκεια της νύχτας είναι μεγάλη, όταν θέλουμε να την περιορίσουμε και να επιμηκύνουμε τον φωτισμό για αλλαγή του φωτοπεριοδισμού των φυτών χρησιμοποιούμε τεχνητό φωτισμό. Η απαιτούμενη διάρκεια φωτισμού σε ώρες (h) δίδεται στον πίνακα 6.5 και στην στήλη (4) που προκύπτει από τις απαιτούμενες ημέρες και ώρες που κάποιους μήνες στο θερμοκήπιο εφαρμόζεται τεχνητός φωτισμός.

Πίνακας 6.5: Ενεργειακές ανάγκες θερμοκηπίου σε τεχνητό φωτισμό

Μήνας t (h) d dtM ⋅⋅ P Q (kWh) Απρίλιος, Σεπτέμβριος

2 20 80 4500 360

Μάρτιος, Οκτώβριος

2 30 120 4500 540

Νοέμβριος, Φεβρουάριος

3 30 180 4500 810

Δεκέμβριος, Ιανουάριος

4 30 240 4500 1080

ΣΥΝΟΛΟ (8 μήνες) 2790 kWh

Για τον φωτισμό μέσα στο θερμοκήπιο χρησιμοποιούνται 30 λαμπτήρες φθορισμού χαμηλής πίεσης νατρίου των 150W. Η συνολική ισχύς των λαμπτήρων είναι 4500W και στο σύνολο των ωρών και ημερών κάθε μήνα που απαιτείται να χρησιμοποιούνται η συνολική ενέργεια είναι 2790 kWh. δ) Ενεργειακές ανάγκες του θερμοκηπίου για δροσισμό σε kWh.

Ο δροσισμός του θερμοκηπίου γίνεται με υγρό τοίχωμα που βρίσκεται στην πλευρά απέναντι από τους ανεμιστήρες των οποίων η ισχύς των κινητήρων πρέπει να είναι 5 W/m2. Στο συγκεκριμένο θερμοκήπιο χρησιμοποιούνται τρεις (3) ανεμιστήρες, οπότε απαιτούνται συνολικά 7500 W. Ο δροσισμός είναι απαραίτητος κατά τους μήνες Μάιο, Ιούνιο, Ιούλιο, Αύγουστο και Σεπτέμβριο και κατά μέσο όρο 2 ώρες δηλαδή συνολικά 300 ώρες. Η συνολική ενέργεια για το διάστημα που απαιτείται δροσισμός είναι 2250 kWh

145

Πίνακας 7.5: Συνολικές ετήσιες ενεργειακές ανάγκες (Q) του θερμοκηπίου

Ενεργειακές ανάγκες Q

Περιόδου Ετήσιες Q (kWh)

ΘΕΡΜΑΝΣΗ

5015 (6 μήνες) 30092 kWh

ΕΞΑΕΡΙΣΜΟ 608 (8 μήνες) 4862 kWh

ΦΩΤΙΣΜΟ 349 (8 μήνες) 2790 kWh

ΔΡΟΣΙΣΜΟ 450 (5 μήνες) 2250 kWh

ΣΥΝΟΛΟ 6422 kWh 39994 kWh

5.4.2 Εφαρμογή Φακών Fresnel- Υβριδικού φωτοβολταϊκού/θερμικού (PV/T) συστήματος

Για να εκτιμηθεί το ενεργειακό όφελος από πιθανή χρήση φακών Fresnel στα θερμοκήπια, γίνεται μια προσέγγιση του θέματος που βασίζεται στις παρακάτω παραδοχές:

Θερμοκήπιο εγκατεστημένο με διεύθυνση Α-Δ. Οροφή δίρρικτη με κλίση οροφής να αντιστοιχεί με το γεωγραφικό πλάτος φ του τόπου (380).

Το κλίτος της οροφής που είναι προσανατολισμένη στον Νότο καλύπτεται με γραμμικούς φακούς Fresnel

Γίνεται χρήση γραμμικών απορροφητών PVT πλάτους 10cm για τους οποίους θεωρούμε ότι έχουν απόδοση σε θερμότητα (nth) 30% και σε ηλεκτρισμό (nel) 10%.

Η αποθήκη θερμότητας βρίσκεται εντός του θερμοκηπίου. Η τυχόν πλεονάζουσα παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από το φωτοβολταικό PV διοχετεύεται στο ηλεκτρικό δίκτυο με το οποίο είναι συνδεδεμένο το θερμοκήπιο

Οι μετεωρολογικές συνθήκες εντός των οποίων λειτουργεί το θερμοκήπιο παρουσιάζονται στον πίνακα (1) τα στοιχεία του οποίου ελήφθησαν από τον σταθμό του ΤΕΙ/Μ.

Η λειτουργια των φακών Fresnel σε συνδυασμό με υβριδικό φωτοβολταϊκό /θερμικό (PV/T) σύστημα δεν πρέπει να είναι σε βάρος της ανάπτυξης των φυτών.

Για να εκτιμηθεί η αποδιδόμενη από το σύστημα φακών Fresnel -PV/T θερμική και ηλεκτρική ενέργεια υπολογίζεται σε πρώτο στάδιο η συνολικά προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στο σύστημα φακών Fresnel-PVT. Η εκτίμηση γίνεται στον πίνακα 8.5 στον οποίο παρουσιάζονται οι παράμετροι εκείνοι του Μετεωρολογικού σταθμού πάνω στους οποίους στηρίζεται η εκτίμηση και συγκεκριμένα:

- Οι ανά μήνα ημέρες (d) και ώρες (t) μεγίστης ηλιοφάνειας - Η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (Ι) - Η συνολική προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια (Qtotal)

146

Με βάση τα στοιχεία αυτά λειτουργεί το σύστημα φακών Fresnel-PVT και υπολογίζεται η συνολική προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια Q total/m2 .

Ειδικότερα για τους μήνες Δεκέμβριο, Ιανουάριο και Φεβρουάριο υπάρχει εκτίμηση για δυνατότητα αξιοποίησης του συστήματος φακών Fresnel-PVT απορροφητές για 10 ημέρες με 4 ώρες την ημέρα, με μέση ένταση ηλιακής ακτινοβολίας αυτό το 3ωρο I=400 W/m2 και συνολικά προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία Qt/m2=36 kWh/m2. Για Μάρτιο και Νοέμβριο υπάρχει εκτίμηση για δυνατότητα αξιοποίησης του συστήματος για 15 ημέρες με 4 ώρες την ημέρα, με μέση ένταση ηλιακής ακτινοβολίας τις 4 ώρες I=600 W/m2 και συνολικά προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία Qt/m2=72 kWh/m2. Ανάλογα και για τους υπολοίπους μήνες του έτους όπως φαίνεται αναλυτικά στον πίνακα 8.5. Πίνακας 8.5: Συνολικά προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στο σύστημα Fresnel-PVT

Μήνες t (h) d Σύνολο ( dtM ⋅⋅ )

I (W/m2) Q total (kWh/ m2)

Δεκ-Ιαν-Φεβρ 3 10 90 400 36 Μαρτ-Νοεμ 4 15 120 600 72 Απρ-Οκτωβρ 4 20 320 600 96 Μαιος-Σεπτ 5 20 200 600 120 Ιουν-Ιουλ-Αυγ 8 30 720 600 432 ΣΥΝΟΛΟ 684 (kWH/m2)

Η απόδοση του συστήματος φακών Fresnel σε συνδυασμό με PVT

απορροφητές σε θερμική και ηλεκτρική ενέργεια για την κάλυψη μέρους των ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου δίνεται στον πίνακα 9.5. Η σύνταξη του πίνακα στηρίζεται στα εξής δεδομένα:

Το ποσοστό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας που συλλέγεται από σύστημα φακών Fresnel- PVT απορροφητές (Qc) εκτιμάται στο 60% όπως αυτό έχει προσδιοριστεί στην ενότητα 5.1 του ιδίου κεφαλαίου. Η μετατροπή της από το PVT σύστημα όπως εκτιμήθηκε από τα πειραματικά αποτελέσματα της ενότητας 5.2 του ιδίου κεφαλαίου είναι κατά 30% σε θερμότητα και κατά 10% σε ηλεκτρισμό. Ως επιφάνεια οροφής θερμοκηπίου καλυπτόμενη με φακούς Fresnel (Aα) λαμβάνεται το ήμιση της κεκλιμένης οροφής και συγκεκριμένα το κλίτος που έχει μεσημβρινό προσανατολισμό.

Πίνακας 9.5: Απόδοση συστήματος Fresnel-PVT σε θερμική και ηλεκτρική ενέργεια

ΜΗΝΕΣ

Q total (kWh/m2)

Aα

(m2)

Qc %

ΣΥΝΟΛΟ

kWh

ΘΕΡΜΌΤΗΤΑ

30% (kWh)

ΗΛΕΚΤΡ.

10% (kWh)

Δεκ-Ιαν-Φεβρ 36 280 60% 6048 1815 604 Μαρτ –Νοεμ 72 280 60% 12096 3628 1209 Μαιος-Σεπτ 96 280 60% 16128 6048 2016 Απρ- Οκτωβρ 120 280 60% 33600 4838 1612 Ιουν-Ιουλ-Αυγ 432 280 60% 72576 21773 7557 ΣΥΝΟΛΟ 38102 kWh 12998 kWh

147

Εξετάζοντας τις υπολογισθείσες ενεργειακές ανάγκες του θερμοκηπίου, μπορούν να εξαχθούν μερικά συμπεράσματα από τα οφέλη που αποκομίζονται από τη πιθανή χρήση των γραμμικών φακών Fresnel αντί των τυπικών γυάλινων καλυμμάτων. Όσον αφορά τις ανάγκες θέρμανσης του θερμοκηπίου εξετάστηκε η περίοδος από το Νοέμβριο μέχρι τον Απρίλιο και υπολογίστηκε ένα φορτίο θέρμανσης 30092 kWh. Για τον εξαερισμό εξετάστηκε η περίοδος από το Μάρτιο μέχρι τον Οκτώβριο υπολογίστηκε ένα φορτίο 48628 kWh και για την ψύξη από το Μάιο μέχρι τον Σεπτέμβριο με φορτίο 2790 kWh. Επιπλέον, υπολογίστηκε το φορτίο για τεχνητό φωτισμό του θερμοκηπίου από το Σεπτέμβριο μέχρι τον Απρίλιο σε 2250 kWh.

Σε περίπτωση που χρησιμοποιούνται οι γραμμικοί φακοί Fresnel σε συνδυασμό με τους θερμικούς συλλέκτες υπολογίζεται ένα ενεργειακό όφελος 7800 kWh, που αντιστοιχεί στο 25% του θερμικού φορτίου κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου, θεωρώντας ότι οι θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες έχουν απόδοση 30%. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι θερμικές απώλειες των συλλεκτών είναι προς το εσωτερικό του θερμοκηπίου, δεδομένου ότι οι απορροφητές τοποθετούνται κάτω από τη στέγη και έτσι δεν υπάρχει σημαντική απόκλιση στην διακύμανση της θερμοκρασίας μέσα στο θερμοκήπιο. Επιπλέον, μπορεί να επιτευχθεί όφελος 50% από την εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για τον εξαερισμό και ψύξη, κυρίως κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου λόγω μείωσης της θερμοκρασίας 4-6 0C. Εάν συνδυαστούν οι φακοί Fresnel με τους απορροφητές φωτοβολταϊκών, μπορεί να επιτευχθεί σε μεγάλο βαθμό ικανοποιητική κάλυψη (75%) των ηλεκτρικών αναγκών στον τεχνητό φωτισμό, την ψύξη και τον εξαερισμό. Τέλος, σε περίπτωση που χρησιμοποιούνται φακοί fresnel σε συνδυασμό με τους υβριδικούς απορροφητές PV/T, τότε μπορούν να προκύψουν συγκεντρωτικά όλα τα ανωτέρω οφέλη.

5.4.3 Συμπεράσματα

Το θερμοκήπιο επηρεάζεται πολύ από τις μεταβαλλόμενες κλιματολογικές συνθήκες και κυρίως από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Μια δυναμική διαχείριση των λειτουργικών απαιτήσεων του θερμοκηπίου, μπορεί να εξασφαλίσει ικανοποιητική ρύθμιση των εμπλεκόμενων παραμέτρων και αντιμετώπιση της αλληλεξάρτησης τους ανάλογα του είδους της καλλιέργειας, των κλιματολογικών συνθηκών και των ζητούμενων αποτελεσμάτων. Ο κατάλληλος συνδυασμός των παραγόντων και η επίδρασή τους στην ενεργειακή αποδοτικότητα ενός θερμοκηπιακού συστήματος παραγωγής είναι πολύ δύσκολος αλλά τα τελευταία χρόνια η συσσωρευμένη εμπειρία και η ανάπτυξη διαφόρων υπολογιστικών εργαλείων αυξάνουν τον βαθμό πρόβλεψης της απόκρισής του (Mastalerz, 1977).

Οι γραμμικοί φακοί Fresnel είναι οπτικά συγκεντρωτικά μέσα μικρού πάχους (~5mm), όσο δηλαδή μιας συνήθους γυάλινης πλάκας και συγκεντρώνουν την άμεση ηλιακή ακτινοβολία σε μια γραμμική εστία μικρού εύρους. Η εφαρμογή τους ως διαφανή καλύμματα στα θερμοκήπια έχει δώσει ενδιαφέροντα αποτελέσματα για τις μέσου γεωγραφικού πλάτους χώρες (Jirka et al 1998, 1999) και θα μπορούσε να έχει ικανοποιητικά αποτελέσματα και σε χώρες μικρότερου γεωγραφικού πλάτους όπως η Ελλάδα ή άλλες Μεσογειακές χώρες.

Η συλλογή 60% – 80 % της διερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας μέσω των διαφανών καλυμμάτων από τους απορροφητές αφήνει το υπόλοιπο ποσό να διανεμηθεί εντός του θερμοκηπίου για την κάλυψη αναγκών φωτισμού των φυτών. Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να χρησιμοποιήσει απορροφητές μικρού πλάτους

148

(5-10cm), ανάλογα με την συγκέντρωση, οι οποίοι μετακινούμενοι απορροφούν την άμεση ηλιακή ακτινοβολία. Με την προτεινόμενη χρήση των γραμμικών φακών Fresnel επιδιώκεται ο έλεγχος του φωτισμού και της θερμοκρασίας των θερμοκηπίων και επίσης ενεργειακό όφελος από την αξιοποίηση της πλεονάζουσας εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Η εφαρμογή τους σε συνδυασμό με νέους τύπους απορροφητών κατάλληλων για την θέρμανση νερού, αέρα ή άλλου ρευστού απολαβής της θερμότητας, όπως θερμικοί συλλέκτες (TC) για παραγωγή θερμότητας, φωτοβολταϊκά (PV) για παραγωγή ηλεκτρισμού, ή ακόμη και υβριδικού τύπου όπως είναι τα φωτοβολταϊκά / θερμικά συστήματα (PVT) με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας εκτιμάται ότι μπορεί να αποβεί μια καινοτόμος εφαρμογή με σημαντικά ενεργειακά οφέλη.

Πιο συγκεκριμένα από την πειραματική μελέτη του φακού Fresnel βρέθηκε ότι το βέλτιστο εστιακό μήκος είναι f = 42 cm και υπολογίστηκε η συλλεχθείσα ηλιακή ακτινοβολία με τη χρήση απορροφητών πλάτους 5 και 10 cm στην εστία. Η συλλογή ποσοστού 60-80% της ηλιακής ακτινοβολίας στους διάφορους τύπους απορροφητή (5cm και 10 cm αντίστοιχα) σε σχέση με την διερχόμενη, αφήνει το υπόλοιπο ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας να διανεμηθεί στο χώρο του θερμοκηπίου για τις ανάγκες φωτισμού των φυτών.

Από τα διεξαχθέντα πειράματα με μικρού μεγέθους μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου, παρατηρήθηκε μια μείωση της θερμοκρασίας εντός του χώρου της μονάδας από 4 0C έως 6 0C στη διάρκεια λειτουργίας των συστημάτων το μεσημέρι. Σε περιόδους υψηλής έντασης ηλιακής ακτινοβολίας (καλοκαίρι και κατά την διάρκεια του μεσημεριού) μέσα σε ένα θερμοκήπιο αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες (έως και 40 0C) παρόμοιες με αυτές που παρατηρήθηκαν στην μονάδα προσομοίωσης θερμοκηπίου. Η μείωση της θερμοκρασίας που παρατηρήθηκε στην μονάδα προσομοίωσης συμβάλλει στον περιορισμό της υπερθέρμανσης του χώρου. Αν θεωρηθεί όμως ότι αντιστοιχεί σε ένα πραγματικό θερμοκήπιο, μπορεί μεν να αποφευχθεί η χρήση κουρτινών σκίασης και η λεύκανση, αλλά δεν είναι ικανοποιητική διότι οι τελικά διαμορφούμενες θερμοκρασίες (34-36 0C) είναι περιοριστικές για την ανάπτυξη των φυτών.

Για την μείωση της θερμοκρασίας εντός του θερμοκηπίου σε ικανοποιητικά επίπεδα ως προς την ανάπτυξη και την ποσοτική και ποιοτική παραγωγή των περισσοτέρων κηπευτικών και ανθοκομικών καλλιεργειών (περίπου 25 0C) το προτεινόμενο σύστημα φακών Fresnel σε συνδυασμό με τους υβριδικούς απορροφητές PV/T από μόνο του μπορεί να μην επαρκεί και μπορεί να συνδυαστεί με φυσικό ή δυναμικό εξαερισμό ή κάποιο σύστημα δροσισμού. Σε κάθε περίπτωση όμως, η αποφυγή κουρτινών σκίασης και λεύκανσης αποτελεί ένα οικονομικό πλεονέκτημα μιας ενδεχόμενης αξιοποίησης του προτεινόμενου συστήματος φακών Fresnel. Επίσης από την πειραματική μελέτη προσδιορισμού της ποσότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που διέρχεται από τον φακό Fresnel καθώς και της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR) σε δύο περιπτώσεις χρήσης απορροφητών (5 cm και 10 cm) και σε απόλυτες τιμές, εκτιμήθηκε ότι οι ποσότητες της ηλιακής ακτινοβολίας και PAR είναι σαφώς αποδεκτές για τον απορροφητή των 5 cm, αλλά εντελώς οριακές για τον απορροφητή των 10 cm. Όλα τα παραπάνω αποτελέσματα είναι ενδεικτικά και δείχνουν τις δυνατότητες ελέγχου φωτισμού στο εσωτερικό χώρο των θερμοκηπίων με την εφαρμογή των φακών Fresnel.

Το προτεινόμενο σύστημα, όπως ήδη έχει αναφερθεί, μπορεί να συνδυαστεί με θερμικό και φωτοβολταϊκού τύπου απορροφητή με σκοπό τη μετατροπή της

149

πλεονάζουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα και ηλεκτρισμό, συμβάλλοντας στον έλεγχο φωτισμού και θερμοκρασίας, τη θέρμανση και άλλες ενεργειακές ανάγκες των θερμοκηπίων σύμφωνα με τις τοπικές καιρικές συνθήκες και τις ανάγκες των καλλιεργούμενων φυτών.

Υπολογίζοντας τις ενεργειακές ανάγκες ενός συγκεκριμένου θερμοκηπίου για θέρμανση, εκτιμήθηκε ότι η χρήση των Γραμμικών φακών Fresnel (αντί των συμβατικών υαλοπινάκων ως υλικό κάλυψης), με τους θερμικούς απορροφητές μπορεί να μειώσει κατά περίπου 25% τις θερμικές ανάγκες τον χειμώνα θεωρώντας ότι οι θερμικοί συλλέκτες έχουν απόδοση 30% και κατά 50% το φορτίο εξαερισμού και ψύξης των θερμοκηπίων το καλοκαίρι. Σε συνδυασμό με απορροφητές PV μπορεί να καλύψει το μεγαλύτερο μέρος των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια. Τέλος, σε περίπτωση που χρησιμοποιούνται φακοί Fresnel σε συνδυασμό με τους υβριδικούς απορροφητές PV/T, τότε μπορούν να προκύψουν συγκεντρωτικά όλα τα ανωτέρω οφέλη. Δεδομένου ότι στην Ελλάδα η παραγόμενη ενέργεια προέρχεται κατά 90% από συμβατικά καύσιμα (γαιάνθρακες και υδρογονάνθρακες) που προκαλούν από την καύση τους σημαντική επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος (φαινόμενο θερμοκηπίου, άνοδος θερμοκρασίας, υποβάθμιση μεγάλων περιοχών στις οποίες είναι εγκατεστημένες τέτοιες μονάδες παραγωγής ενέργειας, κλπ) γίνεται σαφές ότι, μακροπρόθεσμα, μια πιθανή εκτεταμένη χρήση των φακών στα θερμοκήπια μπορεί να αποβεί ανακουφιστική για το περιβάλλον στο βαθμό και στην έκταση που κάθε θερμοκήπιο καταναλίσκει ηλεκτρική ενέργεια δικτύου η πετρέλαιο.

Βέβαια όλα τα παραπάνω θα πρέπει να αποδειχθούν σε συνθήκες πραγματικής εγκατάστασης φακών Fresnel/ PVT συστήματος σε παραγωγικό θερμοκήπιο με συγκεκριμένα παραγωγικά φυτά.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Ξένη Βιβλιογραφία Bailey B. J., (1988). Energy Conservation and Renewable Energies for Greenhouses Heating. FAO- Reur technical series, Vol. 3, pp. 17-41 Baille A. and von Elser B., (1988). Low Temperature Heating Systems. CNRE Guideline, Vol. 2, pp. 149-167 Baille A. and Boulard T., (1987). Phase Change Material for Heat Storage in Greenhouse. FAO- Reur technical series, Vol. 1, pp. 139-142 Baille Α., (1988). Greenhouse micro-climate and its management in mild winter climates. Symposium ISHS on "Protected ornemental cultivation in Mild Winter Climate". Tenerife Oct. 1988 Baille A., Kittas C., Κatsoulas N., (2001). Influence of whitening on greenhouse microclimate and crop energy partitioning, Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 107, pp. 293-306 Bakker J.C., Bot G.P.A., Challa H., Van de Braak N.J., Greenhouse climate control, Wageningen Pers, 1995 Batista J. F., Bailey B. J., Randall M. J., Meneses F. J., (1999). Greenhouse Ventilation Rate: Theory and Measurement with Tracer Gas Techniques. J. Agric. Engng Res., Vol. 72, pp. 363-374 Belessiotis V., Delyannis E., (2000). The History of Renewable energies for Water Desalination. Desalination, Vol. 128, pp. 147-159 Boulard T. and Baille A., (1993). A Simple Greenhouse Climate Control Model Incorporating Effects of Ventilation and Evaporation Cooling. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 65 pp. 145-157 Boulard T. and Baille A., (1995). Modelling of Air Exchange Rate in a Greenhouse Equipped with Continuous Roof Vents. J. Agric. Engng Res., Vol. 61, pp. 37-48 Boulard T., Kittas C., Papadakis G., Mermier M., (1998). Pressure Field and Airflow at the Openings of a Naturally Ventilated Greenhouse. J. Agric. Engng Res., Vol. 71, pp. 93-102 Boulard T., Meneses F. J., Mermier M., Papadakis G., (1996). The Mechanisms Involved in the Natural Ventilation of Greenhouse. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 79 pp. 61-77 Boulard T., Papadakis G., Kittas C., Mermier M., (1998). Airflow and Associated Sensible Heat Exchanges in a Naturally Ventilated Greenhouse

Boulard T., Razafinjohany E., Baille A., (1989). Heat and Water Vapour Transfer in a Greenhouse with an Undergroud Heat Storage System. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 45, pp. 171-183 Briassoulis D., Waaijenberg D., Gratraud J., von Eslner B., (1997). Mechanical Properties of Covering Materials for Greenhouses: Part 1, General Overview. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 67, pp.81-96 Bristot A., Dos Santos J.C.V., Ocacia G. C., Dias S.S., (2002). A Low Cost Hybrid Wind-PV System for Rural Residential Electrification. In Proc. of World Renewable Energy Congress VII (WREC 2002) Campbell S.G. and Norman M.J., An Introduction to Environmental Biophysics, Springer-Verlag, New York, 1998 Chiapale J.P., van Bavel C.H.M., Sadler E.J., (1983). Comparison of calculated and measured performance of a fluid oof and a standard greenhouse. Energy in Argiculture, Vol. 2, pp. 75-89. Cockshull E. K., Graves J. C., Cave J.R., (1992). The Influence of Shading on Yield of Glasshouse Tomatoes. Journal of Horticultural Science, Vol. 67, pp. 11-24 Cox C.H. III and Ranghuraman P., (1985). Design considerations for flat-plate-photovoltaic/ thermal collectors. Solar Energy, Vol. 35, pp. 227-241 Delyannis E., (2003). Historic Background of Desalination and Renewable energies. Solar Energy, Vol. 75, pp. 357-366 Demrati H., Boulard T., Bekkaoui A., Bouirden L., (2001). Natural Ventilation and Microclimatic Performance of a Large-scale Banana Greenhouse. J.agric.Engng Res. Vol. 80 (3), pp. 261-271. Dilara P. A., Briassoulis D. 2000. Degradation and stabilization of low-density polyethylene films used as Greenhouse covering materials. J. Agric. Engng Res. 76: 309-321. Duffie J. and Beckman W., Solar Energy Thermal Processes, Wiley J. and Sons, INC, 1980 Elhadidy M. A.and Shaahid S. M., (1999). Feasibility of Hybrid (wind+solar)Power Systems for Dhahran, Saudi Arabia. Renewable Energy, Vol. 16, pp. 970-976 Fernandez E. J. and Bailey B. J., (1992). Measurement and Prediction of Greenhouse Ventilation Rates. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 58 pp. 229-245 Francisde Winter, Solar Collectors, Energy Storage, and Materials, MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, 1990 Grafiadellis M., (1986). Development of a Passive Solar System for Heating Greenhouses. Acta Horticulturae, Vol. 191, pp.245-252

Garsia-Rodriguez L., Palmero-Marrero A., Gomez-Camacho C., (2002). Comparison of Solar Thermal Technologies on Applications in Seawater Desalination. Desalination, Vol. 142, pp. 135-142 Grafiadellis M., Kyritsis S., (1978). New developments in shading plastic greenhouse. Acta Horticulture, Vol. 76, pp. 365-368. Hsin Yu, Chiu-Hsiung Hou, Chung-Min Liao, (2002). Scale Model Analysis of Opening Effectiveness for Wind-induced Natural Ventilation Openings. Biosystems Engineering, Vol. 82 (2), pp.199-207. Huang B.J. Lin T.H. Hung W.C. and Sun F.S. (2001). Performance evaluation of solar photovoltaic/thermal systems. Solar Energy 70: 443-448. Huang K.B., Toksoy M., Cengel A. Y., (1986). Transient Response of Latent Heat Storage in Greenhouse Solar System. Solar Energy, Vol. 28, pp. 313-321 Imre L.L., Solar Drying. In Handbook of Industrial Drying, Edited by Mujumdar, A. S., 1987 Jensen T., (1994). Hybrid Systems on an Isolated Island in Northern Norway. Research Council of Norway, Hydroenergia, Munchen.

Jirka V., Kuceravy V., Maly M., Pech F., Pokorny J., (1999). Energy flow in a greenhouse equipped with glass raster lenses Part II. Renewable Energy, Vol. 16, pp. 660-664.

Jirka V., Kuceravy V., Maly M., Pokorny J. and Rehor E., (1998). The architectural use of glass raster lenses. In Proc. of World Renewable Energy Congress V, Part III. pp. 1595-1598.

Kalogirou S., (1996). Survey of solar desalination systems and system selection.

Energy. Vol. 22, No. 1, pp. 69-81. Kalogirou S., (1997). Economic analysis of a solar assisted desalination system. Renewable Energy. Vol. 12, No. 4, pp. 351-367. Kaminar R.N., Curchod D., (1990). Desing and Construction of a Extruded, Curved, Linear Focus, Fresnel Lens, 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conference Kawakami K. and Seki K., (2002). A Stydy of Wind-photovoltaic Hybrid Generation System for Daily Farm (efficiency of control system and annual generation results). In Proc. of World Renewable Energy Congress VII (WREC 2002) Kelly H. and Weinberg C. J., “Utility strategies for using renewables” in Johansson T., Kelly H., Reddy A., Williams R., (eds), Reweable Energy: Source for Fuels and Electricity, Island Press, 1993

Kempkes F.L.K., Van de Braak J.K., Bakker C. J., (2000). Effect of Heating System Position on Vertical Distribution of Crop Tempreture and Transpiration in Greenhouse Tomatoes. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 75, pp. 57-64 Kern E. C. and Russel M.C., (1978). Combined Photovoltaics and Thermal Hybrid Collector Systems. Proc. of the of 13th IEEE Photovoltaic Specialists, Washington DC, USA, 1978, pp. 1153-1157 Kittas C. and Baille A., (1998). Determination of the Spectral Properties of Several Greenhouse Cover Materials and Evaluation of Specific Parameters Related to Plant Response. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 71, pp.193-202 Kittas C., Baille A., Giaglaras P., (1999). Influence of Covering Material and Shading on the Spectral Distribution of Light in Greenhouses. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 73, pp.341-351 Kittas C., Boulard T., Mermier M., Papadakis G., (1996). Wind Induced Air Exchange Rates in a Greenhouse Tunnel with Continuous Side Openings. J. Agric. Engng Res., Vol. 65, pp. 37-49 Kittas C., Boulard T., Papadakis G., (1997). Natural Ventilation of a Greenhouse with Ridg and Side Openings; Sensitivity to Temperature and Wind Effects. Transactions of the A.S.A.E., Vol. 40 (2), pp. 415-425. Kittas C., Κatsoulas N., Baille A. (2001). Influence of Greenhouse Ventilation Regime on the Microclimate and Energy Partitioning of a Rose Canopy during Summer Conditions. J.agric. Engng Res., Vol. 79 (3), pp. 349-360 Kritchman M. E., Friesem A. A., Yekutieli G., (1979a). Highly Concentrating Fresnel Lenses, Applied Optics, Vol.18, pp.2688-2695 Kritchman M. E., Friesem A. A., Yekutieli G., (1979b). Efficient Fresnel Lens for Solar Concehtration, Solar Energy Vol.22, pp.119-123 Kupraska S., Slipek Z., (1996). Mathematical Model of Heat and Mass Exchange in a Garden Subsoil during Warm-air Heating. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 65, pp. 305-311 Kupraska S., Slipek Z., (2000). Optimization of Greenhouse Substrate Heating. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 76, pp.129-139 Kurata K. and Takamura T., (1991). Underground Storage of Solar Energy for Greenhouse Heating. I. Analysis of Seasonal Storage System by Scale and Numerical Models. Transactions of ASAE, Vol. 34(2), pp. 563-569 Kurata K., (1991). Scale-model Experiments of Applyind a Fresnel Prism to Greenhouse Covering. Solar Energy, Vol. 46, pp.53-57

Kyritsis S., (1986). An Integrated Energy System in a Small Agricultural Region. Proc. 2nd International Conference in Energy and Agricultural Sirmione, Italy Leutz Ralf, Susuki Akio, Akisawa Atsushi, Kashiwagi Takao, (1999). Desing of a Nonimaging Fresnel Lens for Solar Concentrators, Solar Energy, Vol. 65, pp.379-387 Lorenzo E., Minano C. J., (1986). Desing of One-axis Tracted Linear Fresnel Lenses, Solar Energy, Vol. 36, pp.531-534 Mastalerz W. J., The Greenhouse Environment, 1977 Mavrogianopoulos G. and Kyritsis S., (1986). The Performance of a Greenhouse Heated by an Earth-air Heat Exchanger. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 36, pp. 263-268 Mavrogianopoulos G. and Kyritsis S., (1993). Analysis and Performance of a Greenhouse with Water Filled Passine Solar Sleeves. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 65, pp. 47-61 Mavrogianopoulos G., Choustoulakis P., Kyritsis S., (1992). Tomatoes Production in Heated and Unheated Greenhouses. Agricultura Metiteranea International Journal of Agricultural Science,Vol. 122, pp. 111-119 Mayers C. and Mackson C. J., (1982). Application of Solar Energy in Agriculture. Economic Commission of Europe, AGRI/MECH, Report No 94 Methy M. 2000. A two-channel hyperspectral radiometer for the assessment of photosynthetic radiation-use efficiency. J. Agric. Engng. Res. 75: 107-110. Miguel F.A., van de Braak J.N., Silva M.A., Bot A.P.G., (1998). Free-Convection Heat Transfer in Screened Greenhouses. J.agric.Engng Res Vol. 69, pp. 33-139. Miguel F.A., van de Braak J.N., Silva M.A., Bot A.P.G., (2001).Wind-induced airflow through permeable materials Part II: air infiltration in enclosures. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 89, pp. 59-72. Miller E. O., Mcleod H. J., Sherwood T. W., (1951). Thin Sheet Plastic Fresnel Lenses of High Aperture, Optical Society of America, Vol.41, pp. 807-815 Nelson T. D., Evans L. D., Bansal K. R., (1975). Linear Fresnel Lens Concentrators, Solar Energy, Vol. 17, pp.285-289 Oca J., Montero I.J., Antόn A., Crespo D. (1999). A Method for Studying Natural Ventilation by Thermal Effects in a Tunnel Greenhouse using Laboratory-Scale Models. J.Agric.Engng Res., Vol. 72, pp. 96-104 Ozturk H.H., (2005). Experimental Evaluation of Energy and Exergy Efficiency of a Seasonal Latent Heat Storage System for Greenhouse Heating. Energy Conversion and Management, Vol. 46, pp. 1523-1542

Ozturk H.H. and Bascetincelik A., (2003). Energy and Exergy Efficiency of a Packed-bed Heat Storage Unit for Greenhouse Heating. Biosystems Engineering, Vol. 86, pp. 231-254 Ozturk H.H., Bascetincelik A., Paksoy H. O., Demirel Y., (1999). The Research on Storage of Solar Energy in Fhase Change Material (PCM) for Greenhouse Heating. Proceedings of ICAME ’99 ‘7th International Congress on Agricultural Mechanisation and Energy, Adana, Turkey, pp. 326-331 Papadakis G., Briassoulis D., Scarascia Mygnozza G, Vox G., Feuilloley P., Stffers A.J., (2000). Radiometric and Thermal Properties of, and Testing Methods for, Greenhouse Covering Materials. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 77(1), pp.7-38. Papadakis G., Frangoudakis A., Kyritsis S., (1989α). Theoretical and Experimental Investigation of Thermal Radiation Transfer in Polyethylene Covered Greenhouses. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 44, pp. 97-111 Papadakis G., Frangoudakis A., Kyritsis S., (1994). Experimental Investigation and Modelling of Heat and Mass Tranfer between a Tomato Crop and the Greenhouse Environment. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 57, pp.217-227 Papadakis G., Manolakos D., Kyritsis S., (1998). Solar Radiation Transmissivity of a Single-Span Greenhouse through Measurements on Scale Models. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 71, pp.331-338 Papadakis G., Mermier M., Meneses F. J., Boulard T., (1996). Measurent and Analysis of Air Exchange Rates in a Greenhouse with Continuous Roof and Side Openings. J. Agric. Engng Res., Vol. 63, pp. 219-228 Pearson S., Wheldon E. A., Hadley P., (1995). Radiation Transmission and Fluorescence of Nine Greenhouse Cladding Materials. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 62, pp.61-70 de la Plaza S., Benavente M. R., Garsia L. J., Nanas M.L., Luna L., Duran M.J., Retamal N., (1999). Modelling and Optmal Design of an Electric Substrate Heating for Greenhouse Crops. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 73, pp. 131-139 Pollet V. I., Pieters G. J., (1999). Condensation and Ratiation Transmittance of Greenhouse Cladding Materials: Part Ι, Laboratory Measuring and Performance. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 74, pp.369-377 Pollet V. I., Pieters G. J., (2000). Condensation and Ratiation Transmittance of Greenhouse Cladding Materials: Part ΙI, Results for a Complete Condensation Cycle. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 75, pp. 65-72 Pollet V. I., Pieters G. J., (2001). Condensation and Ratiation Transmittance of Greenhouse Cladding Materials: Part ΙΙΙ, Results for Glass Plates and Plastic Films. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 77(4), pp. 419-428

Popovski K., (1986). Location of Heating Installations in Greenhouses for Low Temperature Heating. CNRE Bulletin, Vol.15, pp. 51-55 Puri V. M. and Zuritz C. M., (1985). Feasibility of Subsurface Latent Heat Storage for Plant Root Zone and Greenhouse Heating. ASAE Paper No. 85, pp. 40-45 Rabl Ari., Active Solar Collectors and Their Applications, Oxford University Press, 1985. Rakovec J. and Hocevar R., (1988). Simulation of Soil-and-air Microclimate Modifications Using Soil Heating with Warm Air. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 42, pp. 41-52 Re uveni R., Raviv M., (1997). Manipulation of Light for the Management of Foliar Pathogens of Greenhouse Crops. Paper presented at ΄΄International Congress for Plastic in Agriculture΄΄, March 9-14, Tel-Aviv, Israel. (Proceedings, pp.269-281) Rigopoulos R., Santamouris Ι., Solar Greenhouse heating, 1981 Roy C.J., Boulard T., Kittas C., Wang S., (2002). Corrective and Ventilation Transfers in Greenhouses, Part 1: the Greenhouse considered as a Perfect Stirred Tank. Biosystems Engineering, Vol. 83 (1), pp.1-20. Rosello C., Berna A., Mulet A., (1990). Solar Drying of Fruits in a Mediterranean Climate. Drying Technology, Vol. 8 (2), pp. 305-321 Rozakis S., Soldatos P., Papadakis G., Kyritsis S., Papantonis D., (1997). Evaluation of an Integrated Renewable energy System for Electricity Generation in Rural Areas. Energy Policy, Vol. 25 (3), pp. 337-347 Santamouris M.I., (1993). Active Solar Agricultural Greenhouse. The State of Art. International Journal Solar Energy. Vol. 14, pp. 19-32 Seginer I., (2002). The Penman-Monteith Evapotranspiration Equation as an Element in Greenhouse Ventilation Design. Biosystems Engineering, Vol. 82 (4), pp. 423-439. Serway A. R., Physics, Saunders College Publishing, 1990 Singh D. and Sharma K. S., (1989). The Integration of a Solar Energy Collection System with a Multi-stage Flash Desalination Unit. Desalination, Vol. 73, pp. 191-199 Silva A. M., Miguel A., Rosa R., (1991). Thermal Radiation Inside a Single-span Greenhouse with a Thermal Screen. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 49, pp. 185-298 Spanomitsios K. G., (2001). Temperature Control and Energy Conservation in a Plastic Greenhouse. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 80, pp.251-259

Swinkels G.L.A., Sonneveld P.J., Bot G.P.A. (2001). Improvement of greenhouse insulation with restricted transmission loss through zigzag covering material. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol.79, pp. 91-97 Teitel M., Segal I., Shklyar A., Barak M., (1996). Effects of Nonsteady Hot-water Greenhouse Heating on Heat Transfer and Microclimate. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 65, pp. 297-304 Teitel M., Segal I., Shklyar A., Barak M., (1999). A Comparison between Pipe and Air Heating Methods for Greenhouses. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 72, pp. 259-273 Timmons M.B. and Baughman F., (1983). Experimental evaluation of poultry mist-fog systems. Transactions of the A.S.A.E., Vol. 26, pp. 207-210. Tiwari G.N., Sutar R.F., Singh H.N., Goyal R.K. 1998. Performance studies of earth air tunnel cum greenhouse technology. Energy Convers. Mgmt. 39: 1497-1502. Trigui M., Barrigton S., Gauthier L., (2001). A Strategy for Greenhouse Climate Control, Part I: Model Development. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 78, pp. 407-413 Tripanagnostopoulos Y., Tzavellas D., Zoulia I. and Chortatou M. 2001. Hybrid PV/T systems with dual heat extraction operation. In Proc. 17th PV Solar Energy Conference, Munich, 22-26 Oct: 2515-2518. Tripanagnostopoulos Y., Nousia Th., Souliotis M. and Yianoulis P. (2002). Hybrid Photovoltaic/Thermal solar systems. Solar Energy 72: 217-234. Tripanagnostopoulos Y. and Tselepis S., (2002). Hybrid Solar/wind (PVT/WT) Building Integrated Systems. In Proc. 2nd European PV-Hybrid and Mini-Grid Conference, Kassel, Germany, 25-26 Sept. 2003, pp.329-333 Tripanagnostopoulos Y., Souliotis M., Tonui J.K., Kavga A., (2004α). Illumination aspects for efficient greenhouses. In Proc. (CD-ROM) Int. Conf. Greensys 2004, Leuven, Belgium. Tripanagnostopoulos Y., Souliotis M., Tonui J.K., Kavga A., (2004β). Greenhouse energy supply by solar/wind systems. In Proc. (CD-ROM) Int. Conf.Greensys2004, Leuven, Belgium. Tripanagnostopoulos Y. Souliotis M., Battisti R. and Corrado A., (2005). Energy, Cost and LCA Results of PV and Hybrid PV/T Solar Systems. Progress in Photovoltaics : Research and Applications, Vol. 13, pp. 235-250. Tselepis S. and Tripanagnostopoulos Y., (2002). Economics Analysis of Hybrid Photovoltaic/thermal Solar Systems and Comparison with Standard PV Modules. Proc. of the International Conference on PV in Europe 7-11 October, Rome, Italy, pp. 856-859

Van de Braak N. J., (1988). New Methods of Greenhouses Heating. Engineering and Economics Aspects. Acta Horticulturae, Vol. 245, pp. 149-157 Von Elsner B., Briassoulis D., Waaijenberg D., Mistriotis A., von Zabeltitz C., Graatraud J., Russo G., Suay- Cortes R., (2000a). Review of Structural and Functional Characteristics of Greenhouse in European Union Countries: Part I, Design Requirements. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 75, pp. 1-16 Von Elsner B., Briassoulis D., Waaijenberg D., Mistriotis A., von Zabeltitz C., Graatraud J., Russo G., Suay- Cortes R., (2000b). Review of Structural and Functional Characteristics of Greenhouse in European Union Countries: Part II, Typical Designs. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 75, pp. 111-126 Wang S., Boulard T., (2000). Predecting the Microclimate in a Naturally Ventilated Plastic House in a Mediterranean Climate. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol. 72, pp. 27-38. Weiner D., Fisher D., Moses E. J., Katz B., Meron G., 2001. Operation experience of

a solar- and wind- powered desalination demonstration plant. Desalination, Vol. 137, pp. 7-13. Willits D.H., (2001). The effect of cloth characteristics on the cooling performance of external shade cloths for greenhouses. Journal of Agriculture Engineering Research, Vol.79, pp. 331-340. Zondag, H. A., De Vries D.W., Van Helden W.G.J., Van Zolingen R.J.C. and Van Steenhoven A.A. 2002. The thermal and electrical yield of a PV-Thermal collector. Solar Energy 72:113-128. Zondag, H. A., De Vries D.W., Van Helden W.G.J., Van Zolingen R.J.C. and Van Steenhoven A.A. 2003. The yield of different combined PV-thermal collector designs. Solar Energy 74:253-269. Ελληνική Βιβλιογραφία Αλεξάκης Σ. Α., Αφαλάτωση, Εκδόσεις Σιδέρη Μ., 1993 Ασημακόπουλος Δ., (2001). Αφαλάτωση και ΑΠΕ, Δυνατότητες Ανάπτυξης Συστημάτων στο Νότιο Αιγαίο. Γεωργία και Κτηνοτροφία, 1999, τεύχος 9, Εκδόσεις Αγρότυπος Γιαννούλης Π., Νέες Πηγές Ενέργειας, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, 2001 Γραφιαδέλλης Μ., Σύγχρονα Θερμοκήπια, Εκδόσεις Γαρταγάνη, Θεσσαλονίκη 1987 Θερμοκήπια 1996, Εκδόσεις Γεωργική Τεχνολογία

Καπλάνης Σ., Συναρμολόγηση, Κατασκευή και Έλεγχος Λειτουργίας Ηλιακών Συλλεκτών, ΤΕΙ Πατρών, 1985 Καραταγλής Σ., Φυσιολογία Φυτών, Εκδόσεις Γραφικές Τέχνες, 1994 Κοπιδάκης Μ., Ήπιες-Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Πρακτικές Εφαρμογές της Ηλικής Ενέργειας στην Αγροτική Οικονομία-Θερμοκήπια, ΤΕΙ Ηρακλείου, 1990. Κουτεπάς Ν, Ταμβάκης Ν., Ανθοκομία, Αθήνα, 2000 Μαυρογιαννόπουλος Γ., (1992). Θέρμανση Θερμοκηπίου και Ταυτόχρονη Παραγωγή Νερού Άρδευσης από Αλατούχο Γεωθερμικό Νερό Χαμηλής Ενθαλπίας. Πρακτικά 4ου Εθνικού Συνεδρίου για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Οκτώβριος 1992, ΓΕΩ, pp.80-87 Μαυρογιαννόπουλος Ν. Γ., Θερμοκήπια, Περιβάλλον-Υλικά-Κατασκευή-Εξοπλισμός, Εκδόσεις Σταμούλη Α.Ε, Αθήνα 2001 Μπαμπαλής Σ., Μαθιουλάκης Ε., Μπελεσιώτης Β., Σωτηρόπουλος Β., (1999). Βελτιστοποίηση Ενεργειακών Παραμέτρων σε Ξηραντήρια Αγροτικών Προϊόντων. 6ο Εθνικό Συνέδριο ΙΗΤ, Βόλος 6-8 Νοεμβρίου 1999, τόμος Β΄, 21-28 Μπαμπαλής Σ., Μαθιουλάκης Ε. και Μπελεσιώτης Β., (2002). Διερεύνηση της χρήσης ηλιακής ενέργειας για την κάλυψη μέρους των θερμικών αναγκών κατά την μηχανική ξήρανση αγροτικών προϊόντων. 7ο Εθνικό Συνέδριο ΙΗΤ, Πάτρα 6-8 Νοεμβρίου 2002, τόμος Β΄, 259-268 Μπελεσιώτης Β. και Δεληγιάννη Ε., Μέθοδοι και Συστήματα Ξήρανσης – Αρχές Διεργασιών Ξήρανσης, 2002 Ολύμπιος Χ., Tτεχνική της Kκαλλιέργειας των Kκηπευτικών στο Θερμοκήπιο, Αθηνά, 1994 Τρυπαναγνωστόπουλος Ι., Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβαλλοντικής Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών 2000 Χαρώνης Π., Ηλιακά Ξηραντήρια. Εκδόσεις Ίων, 1989