Ηλιακή Ενέργεια: Πηγή ζωής αλλά και αστείρευτης ενέργειας

Είναι πολύ καλά γνωστό ότι η ζωή στην γη υπάρχει διότι υπάρχει η ζωογόνος πηγή ενέργειας από τον ήλιο. Ο ήλιος δοξάστηκε από πολλές φυλές ως θεός – για παράδειγμα η μεγάλη πυραμίδα του Χέοπα κατασκευάστηκε, σύμφωνα με κάποιες πηγές, ως σκάλα προς τον ήλιο. Μία από τις πρώτες εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας από τον άνθρωπο στην αρχαιότητα, όπως αναφέρεται στις πηγές, ήταν η ξήρανση για την διατήρηση τροφής και η εξάτμιση μικρών λιμνών για παραγωγή άλατος για τον ίδιο λόγο. Ο Ξενοφώντας (470-399 π.χ.) είναι ο πρώτος που μίλησε για τον σωστό προσανατολισμό των σπιτιών για έλεγχο των ηλιακών κερδών. 

Ο ήλιος δίνει δύο μορφές ενέργειας η μία σχετίζεται με την ηλιακή ακτινοβολία και η άλλη σχετίζεται με το φως. Η ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιείται στους ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες, ενώ το φως έχει εφαρμογή στα φωτοβολταϊκά. Οι ηλιακοί θερμικοί συλλέκτες παράγουν θερμότητα για εφαρμογές που επεκτείνονται από το ζέσταμα νερού μέχρι την παραγωγή ατμού για βιομηχανικούς σκοπούς και παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος με την χρήση διάφορων θερμοδυναμικών κύκλων. Τα φωτοβολταϊκά από την άλλη παράγουν με βάση το φωτοβολταϊκό φαινόμενο συνεχές ρεύμα για απευθείας χρήση ή αποθήκευση, ή μέσω μετατροπέα σε εναλλασσόμενο ρεύμα.

Σύμφωνα με την τελευταία έκθεση του παγκόσμιου οργανισμού ενέργειας οι συνολικές εγκαταστάσεις για  τα ηλιακά θερμικά συστήματα έχουν φτάσει τα 480 GWth ενώ τα φωτοβολταίκα έχουν ξεπεράσει τα 505 GW. Και τα δύο υπολογίζεται να πολλαπλασιαστούν τα επόμενα 15-20 χρόνια. Το μεγαλύτερο φωτοβολταϊκό πάρκο που έχει τεθεί σε λειτουργία παγκόσμια είναι το Tengger Desert Solar Park – με ισχύ 1547MW. Αυτό έχει εγκατασταθεί στην έρημο Tengger στην Μογγολία και καταλαμβάνει χώρο 36,700 km2, ενώ το ηλιακό πεδίο έχει εμβαδόν 1,200 km2.

Η Κύπρος πρωτοπορεί παγκόσμια στην χρήση ηλιακών θερμικών συστημάτων για παραγωγή ζεστού νερού στα σπίτια, αφού το 93% όλων των σπιτιών έχουν ένα τέτοιο σύστημα σε χρήση. Τα τελευταία χρόνια έχει γίνει επίσης αρκετή χρήση φωτοβολταικών συστημάτων τόσο στις οροφές  των σπιτιών όσο και σε μεγαλύτερες εφαρμογές σε μικρά φωτοβολταϊκά πάρκα. Λόγω της πολύ καλής ηλιοφάνειας που απολαμβάνει η Κύπρος οι προοπτικές για το μέλλον είναι ευοίωνες και με σωστή πολιτική αλλά και πιο απλοποιημένες αδιοδοτικές διαδικασίες η διείσδυση των ηλιακών συστημάτων στο ενεργειακό ισοζύγιο του  νησιού μπορεί να φτάσει σε μεγάλα επίπεδα. Εάν επιλυθεί και το πρόβλημα του απομονωμένου ηλεκτρικού δικτύου που έχουμε αυτό μπορεί να φτάσει και το 100%. Σύμφωνα με προκαταρκτικές αναλύσεις που έχουν γίνει στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Κύπρου στα πλαίσια ερευνητικού προγράμματος που είναι σε εξέλιξη ο στόχος αυτός είναι εφικτός και μπορεί να επιτευχθεί στα επόμενα 30 περίπου χρόνια. Μεγάλες προοπτικές υπάρχουν επίσης στην χρήση ηλιακών θερμικών συστημάτων στην βιομηχανία. Αρκετές βιομηχανικές μονάδες στην Κύπρο σπαταλούν πολλές χιλιάδες Ευρώ σε συμβατικά καύσιμα για παραγωγή θερμότητας είτε σε μορφή ζεστού νερού είστε σε μορφή ατμού χαμηλής θερμοκρασίας (~200°C). Πρόσφατο έργο επίδειξης που έγινε με την συμμετοχή του πανεπιστημίου, που μόλις έχει ολοκληρωθεί, έδειξε ότι ένα τέτοιο σύστημα σε βιομηχανία παραγωγής ποτών στην Κύπρο (βιομηχανία ΚΕΑΝ) έχει χρόνο απόσβεσης τα 3.5 χρόνια και με ζωή συστήματος πέραν των 20 χρόνων. Το σύστημα αυτό μπορεί να παραγάγει ατμό μέχρι την θερμοκρασία των 420°C, οπότε θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όπως αναφέρεται πιο πάνω, ένας τομέας που η Κύπρος έχει επίσης πολλές προοπτικές. 

Άλλα ερευνητικά έργα πού έχουν πραγματοποιηθεί από το ΤΕΠΑΚ στην περιοχή αυτή περιλαμβάνουν ένα Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα στο οποίο με τη χρήση fiberglass κατασκευάστηκαν φωτοβολταϊκά για εφαρμογές σε προσόψεις κτηρίων, όπου είναι επιθυμητό να μην διατηρείται η επίπεδη επιφάνεια, αλλά να παίρνει διάφορα σχήματα. Σε αυτό το πρόγραμμα συμμετείχαν ως εταίροι μεγάλες Ισπανικές βιομηχανίες φωτοβολταϊκών. Επίσης σε άλλο Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα μελετήθηκε η ενσωμάτωση ηλιακών θερμικών συστημάτων στο κέλυφος κτηρίων. Στο έργο αυτό το ΤΕΠΑΚ ήταν συντονιστής και είχε συμμετοχή άλλων 23 χωρών, κυρίως ευρωπαϊκών. Στο έργο αναλύθηκαν πιθανές λύσεις τέτοιας ενσωμάτωσης ενόψει και της Ευρωπαϊκής Οδηγίας για την ενεργειακή απόδοση κτηρίων και η οποία προβλέπει εκτεταμένη χρήση των συστημάτων αυτών στα κτήρια. Άλλα ερευνητικά έργα περιλαμβάνουν τη δημιουργία βελτιωμένων υλικών για χρήση στις απορροφητικές επιφάνειες των συλλεκτών, τη βελτιστοποίηση του θερμοσιφωνικού φαινομένου (στο οποίο βασίζεται η λειτουργία των συστημάτων που έχουμε στην Κύπρο) και την εισήγηση δημιουργίας νέου προτύπου για τον έλεγχο της απόδοσης τέτοιων συστημάτων και πολλά άλλα.

Το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Κύπρου και ειδικά το ερευνητικό Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας Αρχιμήδης διαθέτει μοντέρνο εξοπλισμό για μελέτη και ανάλυση συστημάτων ηλιακής ενέργειας. Διαθέτει επίσης μοναδικό ηλιακό προσομοιωτή για διεξαγωγή πειραμάτων σε εσωτερικό χώρο κάτω από  ελεγχόμενες συνθήκες. Ο προσομοιωτής μπορεί να ακτινοβολήσει με ειδικούς λαμπτήρες που προσομοιάζουν το ηλιακό φως επιφάνειες μέχρι και με 1200 W/m2 και μπορεί να πάρει διάφορες κλίσεις ανάλογα τις ανάγκες των πειραμάτων.
  Φωτογραφία από την εγκατάσταση συστήματος παραγωγής ατμού στην βιομηχανία ΚΕΑΝ

Σωτήρης Καλογήρου, Καθηγητής
Πρόεδρος του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών
Μέλος της Ευρωπαϊκής Ακαδημίας Επιστημών
Ιδρυτικό Μέλος της Κυπριακής Ακαδημίας Επιστημών, Γραμμάτων και Τεχνών