Πρόγραμμα: Αρχιμήδης ΙΙ - Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων στα Τ.Ε.Ι (ΕΕΟΤ)

Transcript

1 ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΕΙΔΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ & ΑΡΧΙΚΗ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΗ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗ (Ε.Π.Ε.Α.Ε.Κ. II) «ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙ - ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΩΝ ΟΜΑΔΩΝ ΣΤΑ ΤΕΙ (ΕΕΟΤ)» 1 η ΕΤΗΣΙΑ ΕΚΘΕΣΗ ΕΡΓΟΥ (2005) ΘΕΜΑ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ: ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΑΕΡΑΓΩΓΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΕΛΚΥΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ίδρυμα (Φορέας Υλοποίησης): Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα: Μηχανολογίας Επιστημονικός Υπεύθυνος: Δημήτριος Χασάπης Χρονική Περίοδος: 01/01/ /12/2005 1

2 ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ Διάρκεια έργου : 24 Μήνες Ημερομηνία έναρξης έργου: 01/01/2005 Ημερομηνία λήξης έργου: 31/12/2006 Ονοματεπώνυμο επιστημονικού υπευθύνου υποέργου: Δημήτριος Χασάπης Ιδιότητα / Θέση: Καθηγητής Τμήμα: Μηχανολογίας Ίδρυμα: Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών (Τ.Ε.Ι Σερρών) Ταχυδρομική Διεύθυνση: Τέρμα Μαγνησίας Σέρρες Τηλ.: Fax: dcasap@teiser.gr Ονοματεπώνυμο μέλους της ερευνητικής ομάδας: Αναστάσιος Μπαλουκτσής Ιδιότητα / Θέση: Καθηγητής Αντιπρόεδρος Τ.Ε.Ι Σερρών Τμήμα: Πληροφορικής & Επικοινωνιών Ίδρυμα: Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών (Τ.Ε.Ι Σερρών) Ταχυδρομική Διεύθυνση: Τέρμα Μαγνησίας Σέρρες Τηλ.: Fax: tasosb@teiser.gr Ονοματεπώνυμο μέλους της ερευνητικής ομάδας: Κων/νος Δαυίδ Ιδιότητα / Θέση: Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα: Μηχανολογίας Ίδρυμα: Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών (Τ.Ε.Ι Σερρών) Ταχυδρομική Διεύθυνση: Τέρμα Μαγνησίας Σέρρες Τηλ.: Fax: david@teiser.gr Ονοματεπώνυμο μέλους της ερευνητικής ομάδας: Αριστομένης Αντωνιάδης Ιδιότητα / Θέση: Αναπληρωτής Καθηγητής Διευθυντής Σ.Τ.Ε.Φ Τμήμα: Φυσικών Πόρων & Περιβάλλοντος Ίδρυμα: Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Ηρακλείου, Κρήτης (Τ.Ε.Ι Ηρακλείου) Τηλ.: antoniadis@chania.teiher.gr Ονοματεπώνυμο μέλους της ερευνητικής ομάδας: Θεόδωρος Καραπάντσιος Ιδιότητα / Θέση: Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα: Χημείας Ίδρυμα: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (Α.Π.Θ) Ταχυδρομική διεύθυνση: Πανεπιστημιακή Θυρίδα 116, Θεσσαλονίκη Τηλ.: Fax: karapant@chem.auth.gr 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή... Σελ Βιβλιογραφική ανασκόπηση... Σελ.5 3. Συλλογή και ταξινόμηση κλιματολογικών και μετεωρολογικών δεδομένων Σελ Κατάστρωση σχεδιαστικών εξισώσεων - αποτίμηση μεταβλητών... Σελ Ρευστομηχανικός σχεδιασμός του αεραγωγού... Σελ Κατασκευή του αεραγωγού. Σελ Δοκιμαστική λειτουργία του αεραγωγού Σελ Βιβλιογραφικές αναφορές... Σελ. 39 3

4 ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΡΟΟΔΟΣ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η φυσική κίνηση ενός ρευστού είναι φαινόμενο που εμφανίζεται όταν ανάμεσα σε δυο χώρους παρατηρείται διαφορά πιέσεως. Η διαδρομή που ακολουθεί το ρευστό είναι από το χώρο υψηλής πίεσης προς το χώρο χαμηλής πίεσης και η δημιουργούμενη από τη διαφορά πιέσεως κίνηση του αέρα είναι άμεσα εξαρτημένη από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο χώρων. Περίπτωση φυσικής κίνησης ενός ρευστού (αέριο), δημιουργείται από το φαινόμενο της στήλης. Το μέγεθος το οποίο προκαλεί και επηρεάζει το φαινόμενο αυτό είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του αέρα στο εσωτερικό του αγωγού και του αέρα που βρίσκεται εξωτερικά. Η εσωτερικά μεγαλύτερη θερμοκρασία δημιουργεί μια στήλη αέρα ελαφρότερη απ ότι στην αντίστοιχη εξωτερική στήλη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ανοδική κίνηση των αερίων μέσα από τον αεραγωγό δημιουργώντας στη βάση του υποπίεση, η οποία δημιουργεί ανάλογη ροή αέρα και σύμφωνα με την αρχή του Αρχιμήδη η στήλη αέρα μέσα στον κατακόρυφο αεραγωγό υπόκειται σε άνωση που είναι ίση προς το βάρος του αέρα που εισβάλει. Η διαφορά της πυκνότητας στην είσοδο και έξοδο του αεραγωγού προκαλεί τη διαφορά πίεσης που κινεί τον αέρα, η φυσική κυκλοφορία του οποίου διατηρείται εφόσον υπάρχει η αναγκαία διαφορά θερμοκρασίας άρα και πίεσης στην είσοδο και στην έξοδο. Στον τύπο κλίματος της Ελλάδας μπορούμε να αξιοποιήσουμε τον φυσικό ελκυσμό σε αεραγωγό με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας. Ο αεραγωγός φυσικού ελκυσμού με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας (ηλιακή καμινάδα) θεωρείται οικονομική, αθόρυβη και φυσική μέθοδο για τον δροσισμό των κτιρίων, την ανανέωση του αέρα, σαν κατασκευαστικό μέρος ηλιακού ξηραντήριου, κ.α. με την αποτελεσματικότητα του αεραγωγού να εξαρτάται από τη γεωμετρία του. Η ηλιακή ακτινοβολία προκαλεί μια μεταβολή της θερμοκρασίας μεταξύ εισόδου και εξόδου του αεραγωγού. Η βέλτιστη λειτουργία είναι εφικτή όταν η επιφάνεια του αεραγωγού που βλέπει προς τον ήλιο είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη, καθώς και όταν είναι κεκλιμένη, γιατί έτσι συλλέγεται το μέγιστο της ακτινοβολίας, έχοντας την επιφάνεια του κάθετη στις ακτίνες του ηλίου. Ο αέρας μέσα στον αεραγωγό θερμαίνεται με ηλιακή ακτινοβολία και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να δημιουργούνται δυνάμεις άνωσης, οι οποίες οδηγούν τον αέρα εκτός του αεραγωγού. Οι δυο βασικοί παράμετροι που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα του αεραγωγού είναι το ύψος του και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του αεραγωγού και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Θεωρητικά, η μέγιστη ροή του αέρα μέσω του αεραγωγού φυσικού ελκυσμού μπορεί να πραγματοποιηθεί με έναν συνδυασμό αύξησης του ύψους του και της διαφοράς θερμοκρασίας εντός και εκτός. Ο αεραγωγός φυσικού ελκυσμού είναι καλό να συνδυάζει τόσο τη θερμική άνωση όσο και την επίδραση του ανέμου. Η επίδραση του ανέμου εξωτερικά του αεραγωγού είναι πολύ σημαντική στον φυσικό ελκυσμό και στη περίπτωση που δεν υπάρχει άνεμος τότε ο σχεδιασμός του αεραγωγού πρέπει να γίνει προσεκτικά και συντηρητικά. Οι τύποι των αεραγωγών φυσικού ελκυσμού με την χρήση της ηλιακής ενέργειας διακρίνονται σε δυο τύπους: με εμπρόσθια πλευρά διαφανή και με τέσσερις πλευρές διαφανείς. Στην περίπτωση μας χρησιμοποιείται ο αεραγωγός του πρώτου τύπου που έχει την εμπρόσθια πλευρά του διαφανή (Χαρώνης, 1989). 4

5 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Πολλές μελέτες ιδιαίτερα τις τελευταίες δυο δεκαετίες αποδεικνύουν το αυξανόμενο ενδιαφέρον στις εφαρμογές ηλιακής ενέργειας. Πολλές από αυτές αναφέρονται στο κέρδος από τη χρησιμοποίηση των αεραγωγών φυσικού ελκυσμού με τη βοήθεια ηλιακής ενέργειας, σε συνδυασμό με το χαμηλό εργατικό κόστος, ελάχιστη τεχνική υποστήριξη και μεγάλη διάρκεια ζωής. Οι αεραγωγοί αυτοί κυρίως χρησιμοποιούνται για την ανανέωση του αέρα σε κτίρια, βελτιώνοντας την ποιότητα του αέρα και σε γεωργικές εφαρμογές, όπως είναι τα ηλιακά ξηραντήρια, π.χ. Aboulnaga (2000), Kumar et al. (1998), Gan (1998), Khedari et al. (2000), Κακούρης & Λαμπρινός (1996). Οι Afonso & Oliveira (2000) σύγκριναν την απόδοση μιας ηλιακής καμινάδας με μια συμβατική κάτω από τις ίδιες συνθήκες, όσο αναφορά την προσομοίωση και την πειραματική υλοποίηση. Για το σκοπό του φυσικού αερισμού των κτιρίων για κλιματισμό ή θέρμανση, με συνέπεια την εξοικονόμηση ενέργειας, άλλες κατασκευές όπως οι ηλιακοί συλλέκτες σε ταράτσες (Sanchez et al., 2003) και διατάξεις Trombe-walls (Gan, 1998), που θεωρούνται ειδικές κατασκευές ηλιακής καμινάδας, έχουν χρησιμοποιηθεί. Επιπλέον, οι ηλιακές καμινάδες χρησιμοποιούνται σε γεωργικές ή βιομηχανικές διεργασίες ξήρανσης, όπως ξήρανση ξύλου, φρούτων, σπόρων κ.α. σε ειδικούς ξηραντήρες, π.χ. Ekechukwu & Norton (1995), Vlachos et al. (2002), Καραθάνος & Μπελεσιώτης (1996). Ειδικές ηλιακές καμινάδες μεγάλου ύψους ( m), πολυπλοκότερου σχεδιασμού και ακριβότερης κατασκευής λόγω του μεγέθους τους και των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας (Haaf et al., 1983, και Haaf, 1984). Σ αυτές τις εφαρμογές η ηλιακή καμινάδα συνδυάζεται με ηλιακό συλλέκτη και αεροτουρμπίνα για την παραγωγή ενέργειας, συνδυάζοντας έτσι τρείς τεχνολογίες: την ηλιακή καμινάδα, το θερμοκήπιο και την αεροτουρμπίνα (Pasumarthi & Sherif, 1998a;b, Lodhi et al., 1999, Gannon & von Backstrom, 2000 και Dai et al., 2003). Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία της ηλιακής καμινάδας σε συγκεκριμένη τοποθεσία ενδιαφέροντος είναι το ύψος, η γεωμετρία της διατομής, το πάχος και η μόνωση των τοιχωμάτων, ο προσανατολισμός καθώς και η κλίση σε σχέση με την κάθετη τοποθέτηση. Οι περισσότερες μελέτες τοποθετούν τις ηλιακές καμινάδες κεκλιμένες, κυρίως κάθετα ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Οι Prasad & Chandra (1990) έχουν κάνει μια θεωρητική μελέτη για την επαλήθευση της μέγιστης ροής αέρα σε κεκλιμένη ηλιακή καμινάδα και βρήκαν ότι η βέλτιστη κλίση για μέγιστη θερμοκρασία αέρα είναι διαφορετική από την βέλτιστη κλίση για μέγιστη ταχύτητα αέρα μέσα στην ηλιακή καμινάδα. Ο προσανατολισμός της καμινάδας είναι σημαντικός όπως φαίνεται και στην μελέτη των Bouchair & Fitzgerald, (1988), όπου μελετήθηκε η επίδραση του προσανατολισμού στην ποσότητα της θερμότητας που συλλέγεται από την καμινάδα για την βέλτιστη απόδοση. Οι Pasumarthi & Sherif, 1998b αναφέρουν ότι οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της καμινάδας παίρνει τη μέγιστη τιμή όταν αυτή είναι κεκλιμένη σε γωνία ίση με το γεωγραφικό πλάτος της τοποθεσίας ενδιαφέροντος. Ο Chen et al., (1993) μελέτησε πειραματικά μοντέλο ηλιακής καμινάδας με ομοιόμορφη θερμική ροή στο τοίχωμα, τροφοδοτούμενη από συνεχή τάση ρεύματος σε διαφορετικά επίπεδα κλίσης και σε διαφορετικά διάκενα καμινάδας στο εύρος mm. Ωστόσο, η επίδραση της κλίσης στην απόδοση της καμινάδας, αν και προφανής, δεν έχει μελετηθεί διεξοδικά στην βιβλιογραφία. Πολλοί ανέπτυξαν αριθμητικά μοντέλα για ηλιακούς συλλέκτες ή καμινάδες (Bernardes et al., 1999, Bernardes et al., 2003, Naphon & Kongtragool, 2003). Όμως, στις περισσότερες 5

6 περιπτώσεις που αφορούν την απόδοση της ηλιακής καμινάδας, τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται με προβλέψεις βασισμένες σε μαθηματικά μοντέλα, όπως των Ong (2003), Ong & Chow (2003), Dai et al. (2003) και Balocco (2002), όπου χρησιμοποιήθηκε κατασκευή που είναι ειδική περίπτωση μια ηλιακής καμινάδας. Σε μερικές περιπτώσεις έχει χρησιμοποιηθεί υπολογιστική ρευστομηχανική (CFD) για την προσομοίωση της ροής του αέρα και της μετάδοσης θερμότητας η οποία επαλήθευσε τα πειραματικά αποτελέσματα (Gan, 1998, Ziskind et al., (2002), Kazansky et al., 2003, Sanchez et al., 2003). Σε όλες αυτές τις μελέτες μετριόταν η ηλιακή ενέργεια που απορροφούνταν από την επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής καμινάδας, ενώ σε άλλες εργασίες χρησιμοποιούνταν ηλεκτρικοί θερμαντήρες για να ελέγξουν τη θερμική ροή της απορροφητικής επιφάνειας. Τα δεδομένα της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα τόπο είναι πολύ σημαντικά για τον σχεδιασμό ενός τέτοιου αεραγωγού. Για την αξιοποίηση αυτών των δεδομένων χρειάζεται μεγάλος όγκος μετεωρολογικών στοιχείων που σπάνια είναι ευρέως διαθέσιμα. Η απουσία τέτοιου είδους δεδομένων από πειραματικές μετρήσεις για ένα εύλογο χρονικό διάστημα στην τοποθεσία ενδιαφέροντος, συχνά μας οδηγεί σε εμπειρικά μοντέλα. Ωστόσο λόγω της μεγάλης στοχαστικότητας της ηλιακής ακτινοβολίας τα εμπειρικά μοντέλα βασίζονται στην στατιστική (Balouktsis et al., 1989). Η πιο σημαντική στατιστική παράμετρος που συναντάται στον σχεδιασμό των αεραγωγών φυσικού ελκυσμού με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας είναι η μεταβλητότητα της ηλιακής ακτινοβολίας σε ωριαία και ημερήσια βάση. Ανάλογα με τη χρήση του αεραγωγού, διαφορετικοί μετεωρολογικοί παράγοντες παίζουν ρόλο, όπως για παράδειγμα η θερμοκρασία περιβάλλοντος, η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέμου. Συμπερασματικά, για τον καλό σχεδιασμό της ηλιακής καμινάδας, εκτός από την στοχαστικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας, πρέπει να λάβουμε υπόψη και άλλες μετεωρολογικές παραμέτρους. Σύμφωνα με τους Καραπάντσιος και άλλοι, (1996), οι μηνιαίες τιμές των μετρήσεων ολικής ηλιακής ακτινοβολίας παρουσίασαν αποκλίσεις από τις μέσες τιμές που προβλέπει ο ΕΛΟΤ για τις Σέρρες, στο εύρος του 20%, όμως σε ετήσια βάση η απόκλιση ήταν μόλις +3%. Τα στοιχεία αυτά φανερώνουν το σημαντικό σφάλμα που μπορεί να γίνει στον σχεδιασμό ηλιακών εφαρμογών, αν ληφθεί υπόψη μόνο η μέση μηνιαία ακτινοβολία και αγνοηθεί η μεταβλητότητα γύρω από τη μέση τιμή. Μολαταύτα, η σύγκριση με τις προβλέψεις του ΕΛΟΤ εκτιμάται ως ικανοποιητική, δεδομένης της γενικής ισχύος του χρησιμοποιούμενου θεωρητικού μοντέλου (Λάλας και άλλοι, 1982) για όλο τον Ελλαδικό χώρο. Στην ίδια εργασία παρουσιάζονται και συσχετίσεις των μετρήσεων ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, με ορισμένα μετεωρολογικά δεδομένα, όπως η σχετική υγρασία και θερμοκρασία του αέρα καθώς και η ταχύτητα και διεύθυνση του ανέμου. Η υγρασία είναι σημαντικός παράγοντας ελάττωσης της ηλιακής ακτινοβολίας και με ταχύτητα του ανέμου, > 3 m/s, η ηλιακή ακτινοβολία λαμβάνει κυρίως μεγάλες τιμές διότι προφανώς τότε καθαρίζει η ατμόσφαιρα από υδρατμούς και αεροζόλς. 3. ΣΥΛΛΟΓΗ & ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Τα κλιματολογικά και μετεωρολογικά δεδομένα συλλέχθηκαν από τη Εθνική μετεωρολογική υπηρεσία (Ε.Μ.Υ) και αφορούν τα έτη από το 1986 ως το 1996, καθώς και το διάστημα 1975 ως 1988 (μόνο μέσες τιμές). Στους επόμενους πίνακες εμφανίζονται συνοπτικά τα μετεωρολογικά και κλιματολογικά δεδομένα, ανά έτος. Οι αριθμοί που εμφανίζονται στις στήλες των πινάκων αντιστοιχούν στα εξής μεγέθη: 6

7 1: Μέση στάθμη πίεσης, σε mm bar 2: Πίεση επιφάνειας σταθμού, σε mm bar 3: Σχετική υγρασία, σε % 4: Μέση θερμοκρασία, σε C 5: Μέσος όρος των ελάχιστων θερμοκρασιών που παρατηρήθηκαν, σε C 6: Μέσος όρος των μέγιστων θερμοκρασιών που παρατηρήθηκαν, σε C 7: Ελάχιστη μηνιαία θερμοκρασία, σε C 8: Μέγιστη μηνιαία θερμοκρασία, σε C 9: Ύψος βροχοπτώσεων, σε mm 10: Αριθμός ημερών βροχόπτωσης, σε μηνιαία βάση 11: Ώρες ηλιοφάνειας, σε μηνιαία βάση 12: Αριθμός ημερών καταιγίδας, σε μηνιαία βάση 13: Αριθμός ημερών χιονόπτωσης, σε μηνιαία βάση 14: Αριθμός ημερών χαλαζόπτωσης, σε μηνιαία βάση Πίνακας 1. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ , ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 2. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ

8 ΔΕΚ Πίνακας 3. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 4. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 5. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ

9 ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 6. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 7. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 8. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ

10 ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 9. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 10. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ

11 Πίνακας 11. Μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για το έτος ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ Στον επόμενο πίνακα εμφανίζονται συγκριτικά μετεωρολογικά και κλιματολογικά δεδομένα, για τα διαστήματα 1975 με 1988 (Α) και 1986 με 1996 (Β), από τη μετεωρολογική υπηρεσία των Σερρών. Οι αριθμοί που εμφανίζονται στις στήλες των πινάκων αντιστοιχούν στα μετεωρολογικά μεγέθη που περιγράφηκαν παραπάνω. Πίνακας 12. Συγκριτικά μετεωρολογικά και κλιματολογικά στοιχεία για τα διαστήματα (Α) και (Β) Α Β Α Β Α Β Α Β Α Β Α Β Α Β Α Β ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Στο Σχήμα 1 παρατηρούμε ότι η μεταβολή της μέσης μηνιαίας θερμοκρασίας στο χρονικό διάστημα παρουσιάζει την αναμενόμενη κορυφή τους καλοκαιρινούς μήνες. Οι τιμές των θερμοκρασιών που μετρήθηκαν παρουσιάζουν μικρή τυπική απόκλιση από την καμπύλη του μέσου όρου των θερμοκρασιών για το διάστημα αυτό. Η μηνιαία μεταβολή της σχετικής υγρασίας για τα ίδιο διάστημα (Σχήμα 2) παρουσιάζει μεγαλύτερη μεταβλητότητα από έτος σε έτος, αλλά η καμπύλη του μέσου όρου δείχνει την αναμενόμενη μείωση της σχετικής υγρασίας τους καλοκαιρινούς μήνες. 11

12 Στο Σχήμα 3 παρατηρούμε ότι η μεταβολή της μέσης μηνιαίας θερμοκρασίας κυμαίνεται στα ίδια επίπεδα και για τα δυο χρονικά διαστήματα, παρουσιάζοντας την αναμενόμενη κορυφή στους μήνες Ιούλιο και Αύγουστο. Η μηνιαία μεταβολή των μέσων όρων των ελάχιστων (Σχήμα 4) και των μέγιστων θερμοκρασιών (Σχήμα 5) καθώς και οι ελάχιστες (Σχήμα 6) και μέγιστες θερμοκρασίες (Σχήμα 7) για το χρονικό διάστημα και παρουσιάζουν σχεδόν την ίδια συμπεριφορά με το διάγραμμα των μέσων θερμοκρασιών. Οι καλοκαιρινοί μήνες εμφανίζονται να έχουν τις μεγαλύτερες τιμές θερμοκρασιών, είτε σαν μέσοι όροι, είτε σαν ελάχιστες και μέγιστες θερμοκρασίες. Στο Σχήμα 8 παρατηρούμε ότι η μηνιαία μεταβολή της σχετικής υγρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα και για τα δυο χρονικά διαστήματα είναι η αναμενόμενη με τις μικρότερες τιμές να παρουσιάζονται τους καλοκαιρινούς μήνες. Η μηνιαία μεταβολή του ύψους βροχοπτώσεων (Σχήμα 9) και των ημερών βροχόπτωσης (Σχήμα 10) παρουσιάζει διαφορετική συμπεριφορά για τα αντίστοιχα χρονικά διαστήματα. Η μεταβλητότητα της καμπύλης είναι πιο έντονη για το χρονικό διάστημα τόσο στο ύψος των βροχοπτώσεων, όσο και στον αριθμό των ημερών βροχόπτωσης. Σύμφωνα με τα διαγράμματα, η δεκαετία για την περιοχή των Σερρών, χαρακτηρίζεται ως πιο άνυδρη με σταθερό ύψος βροχόπτωσης που τείνει να μειωθεί και σταθερό και μικρό αριθμό ημερών βροχόπτωσης. 35 Μέση Θερμοκρασία ( 0 C) Έτος 1986 Έτος 1987 Έτος 1988 Έτος 1989 Έτος 1990 Έτος 1991 Έτος 1992 Έτος 1993 Έτος 1994 Έτος 1995 Έτος 1996 Μ.Ο Ετών 5 0 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 1. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της μέσης θερμοκρασίας για κάθε έτος από το 1986 μέχρι

13 Σχετική Υγρασία (%) Έτος 1986 Έτος 1987 Έτος 1988 Έτος 1989 Έτος 1990 Έτος 1991 Έτος 1992 Έτος 1993 Έτος 1994 Έτος 1995 Έτος 1996 Μ.Ο Ετών 30 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 2. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της σχετικής υγρασίας για κάθε έτος από το 1986 μέχρι Μέση Θερμοκρασία ( 0 C) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 3. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της μέσης θερμοκρασίας στα διαστήματα και

14 30 Μέσος Όρος Ελάχιστων Θερμοκρασιών ( 0 C) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 4. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής του μέσου όρου ελάχιστων θερμοκρασιών στα διαστήματα και Μέσος Όρος Μέγιστων Θερμοκρασιών ( 0 C) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 5. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής του μέσου όρου μέγιστων θερμοκρασιών στα διαστήματα και

15 Ελάχιστη Μηνιαία Θερμοκρασία ( 0 C) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 6. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της ελάχιστης θερμοκρασίας στα διαστήματα και Μέγιστη Μηνιαία Θερμοκρασία ( 0 C) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 7. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της μέγιστης θερμοκρασίας στα διαστήματα και

16 Σχετική Υγρασία (%) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 8. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της σχετικής υγρασίας στα διαστήματα και Ύψος Βροχοπτώσεων (mm) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 9. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής του ύψους βροχοπτώσεων στα διαστήματα και

17 Αριθμός ημερών βροχόπτωσης ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες Σχήμα 10. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής του αριθμού ημερών βροχόπτωσης στα διαστήματα και Οι αεραγωγοί έχουν συνήθως κεκλιμένη επιφάνεια απορρόφησης της ακτινοβολίας. Το μέγεθος της ακτινοβολίας σε μια κεκλιμένη επιφάνεια στην τοποθεσία ενδιαφέροντος εξαρτάται από τον προσανατολισμό και την κλίση του αεραγωγού. Τα δεδομένα των μετρήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας αναφέρονται σε ωριαία ή/και ημερήσια βάση των τιμών της ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο. Για τις περισσότερες εφαρμογές αυτά τα δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο πρέπει να μεταβληθούν σε κεκλιμένο επίπεδο. Συγκεκριμένα, για τον σχεδιασμό των ηλιακών καμινάδων είναι απαραίτητο να υπολογιστούν ξεχωριστά οι μέσες ωριαίες τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας, σε συγκεκριμένη κλίση και αυτό επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση μαθηματικών μετασχηματισμών (Vlachos et al., 2002), οι οποίοι παρατίθενται στο κεφάλαιο 4. Για την μελέτη της ηλιακής καμινάδας στην τοποθεσία ενδιαφέροντος είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν δεδομένα απευθείας μετρήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας διότι η ηλιακή ακτινοβολία καθώς περνά μέσα από την ατμόσφαιρα για να φθάσει στην επιφάνεια της γης υφίσταται διάφορες διεργασίες εξασθένησης το αποτέλεσμα των οποίων εξαρτάται από το μήκος της διαδρομής που διανύει η ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρα, από τις επικρατούσες κλιματολογικές συνθήκες αλλά και από την επιβάρυνση της ατμόσφαιρας με ρυπαντές. Τα δεδομένα της ηλιακής ακτινοβολίας συνήθως δίνονται για οριζόντιες επιφάνειες. Για τον καλύτερο σχεδιασμό των αεραγωγών φυσικού ελκυσμού με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας, τα δεδομένα της ακτινοβολίας για την τοποθεσία ενδιαφέροντος είναι η μέση τιμή των ημερήσιων και ωριαίων μεταβολών της συνολικής και της εξωγήινης ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας έγιναν από το εργαστήριο Ήπιων Μορφών Ενέργειας (Σχήμα 11) του Τ.Ε.Ι Σερρών (γεωγραφικό πλάτος και γεωγραφικό μήκος ), αναφέρονται σε οριζόντιο επίπεδο και έγιναν με ένα πυρανόμετρο ακριβείας Eppley (μοντέλο PSP) που βαθμονομήθηκε στην αρχή της περιόδου των μετρήσεων (μετράει ολική ακτινοβολία με 17

18 θερμοηλεκτρική στήλη, που σκεπάζεται από ημισφαίριο με διπλά γυάλινα τοιχώματα). Το μέγιστο σφάλμα από τη συλλογή, καταγραφή, αποθήκευση και επεξεργασία των δεδομένων δεν ξεπερνά το 3%. Ταυτόχρονα με τις τιμές ολικής ηλιακής ακτινοβολίας καταγράφηκαν επίσης και δεδομένα ταχύτητας και διεύθυνσης του ανέμου. Οι μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας αφορούν τη συνολική ακτινοβολία, Ι, ανά 1 h για 24 h για όλη τη διάρκεια του έτους Οι μετρήσεις από το σταθμό δίνουν τη συνολική ακτινοβολία αλλά όχι την εξωγήινη. Στο κεφάλαιο 4 αναφέρονται οι εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της εξωγήινης ακτινοβολίας. Οι μη νεφελώδεις ημέρες ξεχωρίζονται (Black, 1954 και Al-Riahi, 1990) κάνοντας χρήση του δείκτη αιθριότητας, K T (λόγος της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης προς την εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία), ο οποίος θα πρέπει να είναι μεγαλύτερος από κάποια τιμή, π.χ. 0,64. Η παράμετρος αυτή έχει δεχθεί κριτική για την αξιοπιστία και την καταλληλότητα της αφού η ηλιακή ακτινοβολία εξαρτάται, εκτός από την απόσταση ήλιου - γης (δηλαδή τον ημερολογιακό χρόνο) και το γεωγραφικό πλάτος, και από τις ειδικές κλιματολογικές συνθήκες του κάθε τόπου οι οποίες μάλιστα μπορεί να έχουν πιο σημαντική επίδραση ακόμα και από το γεωγραφικό πλάτος (Erbs, 1982 και Perez, 1990). Στον Πίνακα 13 δίνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές της συνολικής και της εξωγήινης ακτινοβολίας, καθώς και ο μέσος μηνιαίος δείκτης αιθριότητας για το έτος Στους επόμενους Πίνακες 14 και 15, δίνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές της ωριαίας συνολικής ακτινοβολίας μεταξύ των ωρών 05:00-12:00 και 12:00-19:00 για το έτος 2004, αντίστοιχα. Στον Πίνακα 16 δίνεται η μέση μηνιαία τιμή της ταχύτητας και της διεύθυνσης του ανέμου που προήλθαν από ημερήσιες μετρήσεις (με ανεμόμετρο) των δύο αυτών μεγεθών από το Τ.Ε.Ι Σερρών. Η ταχύτητα του αέρα είναι σε m/s και η διεύθυνση του σε μοίρες. Σχήμα 11. Μετεωρολογικός σταθμός του Τ.Ε.Ι Σερρών 18

19 Πίνακας 13. Μέση μηνιαία τιμή της ημερήσιας συνολικής και εξωγήινης ακτινοβολίας καθώς και του δείκτη αιθριότητας για το Ι (μέση μηνιαία τιμή σε MJ/m 2 ) Ι 0 (μέση μηνιαία τιμή σε MJ/m 2 ) K T ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ Πίνακας 14. Μέση μηνιαία τιμή της ωριαίας συνολικής ακτινοβολίας μεταξύ των ωρών 05:00-12:00 για το Ι (MJ/m 2 ) (05:00-06:00) Ι (MJ/m 2 ) (06:00-07:00) Ι (MJ/m 2 ) (07:00-08:00) Ι (MJ/m 2 ) (08:00-09:00) Ι (MJ/m 2 ) (09:00-10:00) Ι (MJ/m 2 ) (10:00-11:00) Ι (MJ/m 2 ) (11:00-12:00) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Πίνακας 15. Μέση μηνιαία τιμή της ωριαίας συνολικής ακτινοβολίας μεταξύ των ωρών 12:00-19:00 για το Ι (MJ/m 2 ) (12:00-13:00) Ι (MJ/m 2 ) (13:00-14:00) Ι (MJ/m 2 ) (14:00-15:00) Ι (MJ/m 2 ) (15:00-16:00) Ι (MJ/m 2 ) (16:00-17:00) Ι (MJ/m 2 ) (17:00-18:00) Ι (MJ/m 2 ) (18:00-19:00) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥ ΙΟΥ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ

20 ΔΕΚ Πίνακας 16. Μέση μηνιαία τιμή της ταχύτητας και της διεύθυνσης του αέρα για το Ταχύτητα αέρα (m/s) ± τυπ. απόκλιση Διεύθυνση αέρα (μοίρες) ± τυπ. απόκλιση ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 1.10 ± ±49.39 ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 1.28 ± ±48.24 ΜΑΡΤΙΟΣ 1.67 ± ±43.52 ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2.14 ± ±46.82 ΜΑΙΟΣ 2.04 ± ±44.62 ΙΟΥΝΙΟΣ 2.21 ± ±37.57 ΙΟΥΛΙΟΣ 1.72 ± ±24.61 ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 1.95 ± ±32.41 ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2.14 ± ±41.21 ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 1.39 ± ±37.11 ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 1.69 ± ±48.16 ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 1.03 ± ±51.71 Η ημερήσια συνολική και εξωγήινη ακτινοβολία στις Σέρρες είναι περίπου 10 MJ/m 2 και 25 MJ/m 2, αντίστοιχα, με μια εποχιακή μεταβολή από 5 MJ/m 2 για συνολική ακτινοβολία και 17 MJ/m 2 για εξωγήινη ακτινοβολία στο μέσο χειμώνα, καθώς και στο 22 MJ/m 2 για συνολική ακτινοβολία και 40 MJ/m 2 για εξωγήινη ακτινοβολία στο μέσο καλοκαίρι. Επίσης, παρατηρείται ότι η μέγιστη συνολική ακτινοβολία σημειώνεται τον Ιούνιο που είναι 25.4 MJ/m 2 και η μέγιστη εξωγήινη ακτινοβολία σημειώνεται τον ίδιο μήνα με τιμή 41.3 MJ/m 2. Η καλοκαιρινή περίοδος συνεισφέρει περίπου 69% με 73% της ημερήσιας συνολικής και εξωγήινης ακτινοβολίας ανά έτος, αντίστοιχα. Στο Σχήμα 12 παρατηρούμε τη μηνιαία μεταβολή της μέσης ημερήσιας συνολικής και εξωγήινης ακτινοβολίας για το έτος Η σχετική διακύμανση που παρουσιάζεται στη καμπύλη της συνολικής ακτινοβολίας, ενώ δεν παρουσιάζεται στην καμπύλη της εξωγήινης ακτινοβολίας, οφείλεται στο γεγονός ότι η εξωγήινη ακτινοβολία υπολογίζεται θεωρητικά, ενώ η συνολική προέρχεται από τις μετρήσεις που παίρνουμε από τον σταθμό. Και στις δυο καμπύλες υπάρχει το αναμενόμενο μέγιστο τους καλοκαιρινούς μήνες. Η μέση μηνιαία τιμή του δείκτη αιθριότητας δεν είναι σταθερή. Η υψηλότερη τιμή εμφανίζεται τον Ιούνιο (K T = 0.61) και η χαμηλότερη εμφανίζεται τον Δεκέμβριο (K T = 0.26), ενώ τους μήνες Φεβρουάριο με Μάρτιο, καθώς και Απρίλιο με Μάιο η τιμή της παραμένει σχετικά σταθερή. Στα διαγράμματα της μηνιαίας μεταβολής της μέσης ωριαίας συνολικής ακτινοβολίας για τις ώρες 05:00-12:00 (Σχήμα 13) και 12:00-19:00 (Σχήμα 14) παρατηρούμε ότι κατά τις μεσημεριανές ώρες (11:00-16:00) υπάρχει σε όλη τη διάρκεια του έτους αυξημένες μέσες τιμές ηλιακής ακτινοβολίας, με τους καλοκαιρινούς μήνες να εμφανίζουν τις μεγαλύτερες μέσες τιμές. Στο Σχήμα 15 παρατηρούμαι τη μηνιαία μεταβολή της ταχύτητας και της διεύθυνσης του ανέμου για το Η ταχύτητα του ανέμου παρουσιάζει σημαντική μεταβλητότητα σχεδόν όλους τους μήνες του χρόνου, κάτι που πρέπει να ληφθεί υπόψη στον σχεδιασμό του αεραγωγού. Η 20

21 διεύθυνση του ανέμου παρουσιάζει σχετική σταθερότητα σε όλους τους μήνες του έτους με διεύθυνση Ν - ΝΔ Μέση Ημερήσια Ηλιακή Ακτινοβολία (MJ/m 2 ) Συνολική Ακτινοβολία Εξωγήινη Ακτινοβολία Δείκτης Αιθριότητας Δείκτης Αιθριότητας, Κ Τ 0 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ 0.0 Μήνες του Έτους 2004 Σχήμα 12. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της μέσης ημερήσιας ηλιακής ακτινοβολίας (συνολική και εξωγήινη) και του δείκτη αιθριότητας για το Μέση Ωριαία Ηλιακή Ακτινοβολία (MJ/m 2 ) :00-06:00 06:00-07:00 07:00-08:00 08:00-09:00 09:00-10:00 10:00-11:00 11:00-12:00 0 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες του Έτους 2004 Σχήμα 13. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της μέσης ωριαίας συνολικής ακτινοβολίας από τις 05:00-12:00 για το

22 4 Μέση Ωριαία Ηλιακή Ακτινοβολία (MJ/m 2 ) :00-13:00 13:00-14:00 14:00-15:00 15:00-16:00 16:00-17:00 17:00-18:00 18:00-19:00 0 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες του Έτους 2004 Σχήμα 14. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της μέσης ωριαίας συνολικής ακτινοβολίας από τις 12:00-19:00 για το Ταχύτητα Αέρα (m/s) Διεύθυνση Αέρα (μοίρες) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΔΕΚ Μήνες του Έτους 2004 Ταχύτητα Αέρα (m/s) Διεύθυνση Αέρα (μοίρες) 0 Σχήμα 15. Διάγραμμα μηνιαίας μεταβολής της ταχύτητας και της διεύθυνσης του αέρα για το

23 4. ΚΑΤΑΣΤΡΩΣΗ ΣΧΕΔΙΑΣΤΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ - ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ Το κυριότερο πρόβλημα στον σχεδιασμό του ηλιακού αεραγωγού είναι ότι η μεταβλητή I T (ηλιακή έκθεση ανά μονάδα επιφανείας σε κεκλιμένο επίπεδο, σε kj/hr m 2 ) δεν είναι γνωστή για τις περισσότερες τοποθεσίες. Αντίθετα αυτό που συνήθως καταγράφεται σε μετεωρολογικούς σταθμούς είναι η μεταβλητή, I, που είναι η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε οριζόντιο επίπεδο. Οι Λάλας και άλλοι (1982), παρουσίασαν εκτεταμένους πίνακες με τις προβλέψεις του μοντέλου της ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο, για πολλές τοποθεσίες στην Ελλάδα, βασισμένοι σε μετρήσεις της ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο. Αυτές οι προβλέψεις όμως, επαληθεύονται μόνο με τη σύγκριση των δεδομένων με συγκεκριμένη τοποθεσία (Αθήνα) και επιπλέον είναι 20 ετών παλιές. Στην τελευταία δεκαετία, οι κλιματικές συνθήκες στην περιοχή της Ελλάδας έχουν μεταβληθεί αρκετά (Karapantsios et al., 1999). Γι αυτό το λόγο για να υπολογιστεί η I T από τις διαθέσιμες τοπικές μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο, χρησιμοποιείται μια γενική διαδικασία. Οι εξισώσεις παρακάτω, εκτός θα αναφερθούν επιπλέον, έχουν παρθεί από τους Duffie and Beckman (1991). Η ολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο, I, εκφράζεται σαν άθροισμα δυο μεταβλητών: την άμεση ακτινοβολία και την διάχυτη ακτινοβολία από τον ουρανό: I = Ib + I d (1) Θεωρώντας μέσες ωριαίες τιμές ακτινοβολίας, η δείκτης αιθριότητας ορίζεται ως: K T I = (2) I o όπου I 0 είναι η εξωγήινη ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο, η οποία δίνεται από την εξίσωση: ( ω ω ) n π I 0 = Gsc cos cosφ cosδ ( sinω 2 sinω1 ) + sinφ sinδ π (3) όπου G sc είναι η ηλιακή σταθερά (1367 W/m 2 ), n είναι η ημέρα του χρόνου (1 ως 365), φ είναι το γεωγραφικό πλάτος της τοποθεσίας ενδιαφέροντος (η γωνία που σχηματίζει η ακτινική γραμμή που ενώνει την τοποθεσία ενδιαφέροντος και το κέντρο της γης με την προέκταση της γραμμής του ισημερινού), δ είναι η ηλιακή απόκλιση (η γωνία που σχηματίζει η γραμμή που ενώνει τα κέντρα του ήλιου και της γης με την προέκταση της γραμμής του ισημερινού) και ω είναι η ωριαία γωνία ανατολής (γωνιακή μέτρηση του χρόνου και ισοδυναμεί με 15 0 της ώρας). Η ηλιακή απόκλιση δ υπολογίζεται από την εξίσωση του Cooper όπως αναφέρεται στους Duffie και Beckman, (1991): n δ = sin (4) όπου η γωνία ω δίνεται σε μοίρες (αρνητικές πριν το μεσημέρι και θετικές μετά), από την εξίσωση: ω φ δ 1 = cos [ tan( ) tan( )] ή ω = 0.25 (λεπτά της ώρας από τον τοπικό μεσημβρινό) (5) 23

24 και ο ηλιακός χρόνος, Sot (σε λεπτά), σχετίζεται με την τοπική ώρα, Stt (σε λεπτά), από την εξίσωση: Sot Stt = 229.2( cos X sin X cos 2X sin 2 X) (6) όπου Χ = (n 1) (360/365). Η διάχυτη ακτινοβολία υπολογίζεται από την επόμενη συσχέτιση: Id I kT for kt = kT kT kT kT for 0.22 < kt for kt > 0.80 (7) και από αυτή, η άμεση ακτινοβολία υπολογίζεται από την εξίσωση: I = I (8) b I d Μια συνήθης πρακτική για την εκτίμηση της ακτινοβολίας σε κεκλιμένες επιφάνειες είναι να θεωρήσουμε ένα ισοτροπικό μοντέλο για την διάχυτη ακτινοβολία (Liu και Jordan, 1963) και να υποθέσουμε ότι οι ανακλώμενες επιφάνειες είναι διαχυτικές και όχι κατοπτρικές. Σ αυτή την περίπτωση η ακτινοβολία στην επιφάνεια απορρόφησης που είναι κεκλιμένη σε γωνία β, δίνεται από την εξίσωση (Sukhatme, 1984): 1+ cos β 1 cos β IT = IbRb + I d + Irg (9) 2 2 όπου ο τελευταίος όρος περιγράφει την ακτινοβολία που ανακλάται από διάφορες επιφάνειες, που τις βλέπει η απορροφητική επιφάνεια, r g είναι η διάχυτη ανάκλαση του περιβάλλοντος χώρου (συνήθως είναι περίπου 0.20) και R b είναι το κλάσμα της ακτινοβολίας στην κεκλιμένη επιφάνεια προς αυτή σε οριζόντιο επίπεδο. Το R b για το βόρειο ημισφαίριο δίνεται από την εξίσωση (Sukhatme, 1984): ( φ β ) cosδ cosω + sin( φ β ) cos sinδ R b = (10) cosφ cosδ cosω + sinφ sinδ Στις περισσότερες πρακτικές περιπτώσεις, η θέρμανση του αέρα μέσα στην καμινάδα είναι αυτή που θα επιδράσει στην απόδοση της, δημιουργώντας επαρκή ροή αέρα (Sodha et al., 1987, Akachuku, 1986). Η καμινάδα έχει σχεδιαστεί για φυσικό ελκυσμό και ακολουθεί τις επόμενες σχέσεις παρακάτω: ( τα ) ( ) ρ ( ) F [ I U T T ] = V c S* H ( T T ) (11) R T c Lch och od a a pa och od Όπου U Lch είναι ο ολικός συντελεστής απώλειας θερμότητας (για το ίδιο πάχος μόνωσης: U Lch U L ), U L είναι ο ολικός συντελεστής απώλειας θερμότητας του συλλέκτη, που αποτελεί μέρος ξηραντηρίου, όπου είναι προσαρμοσμένη η καμινάδα σε W/m 2 C, ρ α είναι η πυκνότητα του αέρα σε kg/m 3, T och είναι η θερμοκρασία εξόδου από την καμινάδα του αέρα σε C, T od είναι η 24

25 θερμοκρασία εξόδου από το ξηραντήριο όπου είναι προσαρμοσμένη η καμινάδα σε C, F R είναι ο συντελεστής απώλειας θερμότητας από τον συλλέκτη, c pa είναι η μέση θερμοχωρητικότητα του αέρα σε kj/kg K, S είναι το πάχος τη καμινάδας σε m, V α είναι η ογκομετρική παροχή σε m 3 /h, (τα) c είναι το πραγματικό γινόμενο απορρόφησης-εκπομπής και H είναι το ύψος της καμινάδας. Ο συντελεστής εκπομπής τ της υαλοκατασκευής έχει τιμή περίπου 0.85 και ο συντελεστής α της μαύρης επιφάνειας είναι περίπου 0.95, ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις ο U L είναι περίπου 5 W/m 2 C (Garg, 1987). Εφαρμόζοντας την εξίσωση της ορμής στην καμινάδα παίρνουμε την εξίσωση: B Δ P = H( ρa ρch) g τw[2( S+ P) H /( S* P)] (12) 760 όπου ΔP είναι η απαιτούμενη πίεση αναρρόφησης σε N/m 2 (συνήθως έχει τιμή 0.5 mm νερού για ηλιακές καμινάδες, Das & Kumar, 1989), g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας σε m/s 2, ρ ch είναι η μέση πυκνότητα του αέρα στην καμινάδα, Β είναι η βαρομετρική πίεση σε mm Hg, P είναι το βάθος της καμινάδας σε m και τ w είναι η διατμητική τάση στον αέρα σε επαφή με την επιφάνεια της καμινάδας σε N/m 2. Αυτή δίνεται από την εξίσωση: 1 2 τw = ρchuch fch 2 (13) όπου u ch είναι η μέση ταχύτητα του αέρα μέσα στην καμινάδα ( V α / [S P] ), ενώ ο παράγοντας τριβής μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση (14) για στρωτή ροή ή την εξίσωση (15) για τυρβώδη ροή, οπότε: 64 f ch = (14) Re f ch = (15) Re με τον αριθμό Reynolds να δίνετε από την εξίσωση: D ρ u = (16) μ Re h ch ch ch όπου D h είναι η υδραυλική μέση διάμετρο της καμινάδας και ορίζεται ως: D h 2 S* P = S+ P (17) όπου μ ch είναι το μέσο ιξώδες του αέρα μέσα στην καμινάδα. Οι Pasumarthi & Sherif (1998) παρουσίασαν μια παρόμοια ανάλυση στο σχεδιασμό μιας μεγάλου μεγέθους ηλιακής καμινάδας για εργοστάσιο ενέργειας. Οι Ekechukwu & Norton (1995) παρουσίασαν μια απλούστερη έκδοση της εξίσωσης (12) με την προϋπόθεση ότι η διαφορά πίεσης εξαιτίας της ανωστικής θερμικής πίεσης μέσα στην καμινάδα, αντισταθμίζει πλήρως την πτώση πίεσης εξαιτίας των απωλειών τριβής. Θέτοντας f ch = (για τυρβώδη ροή), η ογκομετρική παροχή αέρα μέσα στην καμινάδα δίνεται από την εξίσωση: 25

26 0.5 2 Dg h Va = 0.113π Dh ( Tch Tam) (18) ρa όπου Τ ch είναι η μέση θερμοκρασία της καμινάδας: T ch = (T od + T och ) / 2. Για δεδομένο V α, S και P, μπορούμε να υπολογίσουμε τα Τ och και H, λύνοντας τις εξισώσεις (11) ως (17) ή τις εξισώσεις (11), (17) και (18). Οι προηγούμενες θεωρητικές προσεγγίσεις μαζί με τη δοκιμαστική λειτουργία έκαναν δυνατό τον επιτυχημένο σχεδιασμό της ηλιακής καμινάδας. 5. ΡΕΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑΓΩΓΟΥ Ο αναλυτικός υπολογιστικός σχεδιασμός του αεραγωγού υιοθετεί γεωμετρικές και λειτουργικές αρχές που έχουν δοκιμαστεί ευρέως. Για την ακριβή επίλυση των βασικών εξισώσεων του σχεδιασμού θα χρησιμοποιηθεί ο εμπορικός κώδικας υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD) Fluent για την προσομοίωση του αεραγωγού. Οι εξελίξεις που έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια στον τομέα της υπολογιστικής ρευστομηχανικής επιτρέπουν μια λεπτομερειακή και ακριβής μελέτη πολύπλοκων προβλημάτων σε τόσο μεγάλη λεπτομέρεια που δεν θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί από μοντέλα ή ακόμη πειραματικές μεθόδους. Οι προσομοιώσεις έγιναν στον αεραγωγό για να επιτρέψουν την επιλογή της καλύτερης σχεδιαστικής πρότασης. Με δεδομένη την απλή γεωμετρία της ηλιακής καμινάδας ακολουθήθηκε η προσέγγιση 2-D. Το πεδίο 2-D είναι η ηλιακή καμινάδα μεταβλητού ύψους και πλάτους 110 mm. Η διάσταση του βάθους (χρησιμοποιήθηκε μόνο για την εκτίμηση των ολικών παροχών) είναι 740 mm όπως και στο πειραματικό σχέδιο. Το υπολογιστικό πλέγμα έχει τα κελιά του να μαζεύονται προς τον μαύρο τοίχωμα και τον υαλοπίνακα (Σχήμα 16, καμινάδα ύψους 1 m). Σε τέτοια προβλήματα η μετάδοση θερμότητας από τα τοιχώματα είναι ο κύριος μηχανισμός για τη ροή. Επειδή ο υπολογισμένος συντελεστής μετάδοσης θερμότητας εξαρτάται από την τοπική ταχύτητα και τα προφίλ των θερμοκρασιών, είναι πολύ σημαντικό να επιλυθεί με μεγάλη ακρίβεια το οριακό στρώμα. Μεγάλη προσοχή δόθηκε σε κάποιες αρχικές προσομοιώσεις για την εκτίμηση και επιβεβαίωση του σωστού μεγέθους κελιού κοντά στο τοίχωμα, γιατί η επιλογή ενός λάθους μεγέθους θα είχε σαν αποτέλεσμα να εκτιμηθούν λανθασμένα η ταχύτητα και θερμοκρασία στο οριακό στρώμα από τον κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Μια τιμή του y + γύρω στο 2 επιλέχθηκε στα τοιχώματα για το μοντέλο της τύρβης που ήταν αυτό που χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις. Το τελικό πλέγμα για την καμινάδα ύψους 1 m αποτελείται από 55 κελιά στο μήκος και 500 στο ύψος (συνολικά κελιά), με μέσο μέγεθος κελιού τα 2 mm. Για πιο υψηλές καμινάδες το μέγεθος του πλέγματος αυξήθηκε ανάλογα στο ύψος για να διατηρηθεί η ίδια χωρική ανάλυση. Ο αριθμός Reynolds της ροής υπολογίστηκε περίπου από 2000 ως Αυτή είναι μια πολύ ευαίσθητη περιοχή, γιατί η ροή είναι μεταβατική και μπορεί από στρωτή να γίνει τυρβώδη. Οι προσομοιώσεις λοιπόν έγιναν και με μοντέλα στρωτής και τυρβώδους ροής. Για το μοντέλο της τύρβης επιλέχθηκε το μοντέλο k-ω SST με την επιλογή της μετάβασης της ροής να είναι ενεργοποιημένη (Fluent, 2004). Αυτό το μοντέλο είναι το πιο κατάλληλο για σχετικά στρωτή ή τυρβώδη ροή με χαμηλούς αριθμούς Reynolds. Η συμπεριφορά αυτού του μοντέλου τύρβης αποδείχθηκε κατάλληλη στο να συλλαμβάνει φαινόμενα μετάβασης τη ροής, όπως θα φανεί παρακάτω στα αποτελέσματα. 26

27 έξοδος μάυρο τοίχωμα γυαλί είσοδος Σχήμα 16. Υπολογιστικό πεδίο (αριστερά) και κοντινό στο πλέγμα κοντά στην έξοδο (μαύρο διακεκομμένο πλαίσιο) που δείχνει την συστοιχία των κελιών κοντά στα τοιχώματα (δεξιά) Η εξίσωση της ενέργειας χρησιμοποιήθηκε για να μοντελοποιήσει φαινόμενα μετάδοσης θερμότητας και ο όρος της βαρύτητας συμπεριλήφθηκε στη ροή. Η προσέγγιση Boussinesq χρησιμοποιήθηκε για την πυκνότητα του αέρα, με καθορισμένο σταθερό συντελεστή θερμικής διαστολής. Για τις υπόλοιπες φυσικές ιδιότητες: ιξώδες, θερμοχωρητικότητα και θερμοαγωγιμότητα, χρησιμοποιήθηκαν πολυωνυμικές συσχετίσεις. Στον Πίνακα 17 παρατίθενται οι ιδιότητες του αέρα που χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς, όπου Τ είναι η θερμοκρασία, ρ είναι η πυκνότητα, β είναι ο συντελεστής θερμικής διαστολής, k είναι η θερμοαγωγιμότητα, C p είναι η θερμοχωρητικότητα και μ είναι το ιξώδες. Πίνακας 17. Ιδιότητες του αέρα που χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς (Perry & Green, 1997) Τ ( C) ρ (kg/m 3 ) β (10-3 / Κ) k (10-3 W / m K) C p (kj / kg K) μ (10-6 kg / m s)

28 Εφαρμόστηκε και μοντελοποίηση ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας το μοντέλο Surface to Surface (S2S) (Fluent, 2004). Αυτό το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να λάβει υπόψη την ανταλλαγή ακτινοβολίας σε κλειστή περιοχή επιφανειών. Η ανταλλαγή μεταξύ των δυο επιφανειών εξαρτάται από το μέγεθός τους, την απόσταση διαχωρισμού και τον προσανατολισμό. Αυτοί οι παράγοντες έχουν ληφθεί υπόψη με μια γεωμετρική συνάρτηση που ονομάζεται view factor και υπολογίζεται από τον κώδικα. Η κύρια υπόθεση στο μοντέλο αυτό είναι ότι κάθε απορρόφηση, εκπομπή ή διάχυση της ακτινοβολίας από τον αέρα (το μέσο μεταξύ των επιφανειών) μπορεί να αγνοηθεί, επομένως μόνο ακτινοβολία από μια επιφάνεια στην άλλη πρέπει να ληφθεί υπόψη. Η αρχική δοκιμαστική λειτουργία έγινε για να εκτιμηθούν τα μοντέλα και οι οριακές συνθήκες. Πιο συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα του μοντέλου της στρωτής ροής συγκρίθηκαν με αυτά του μοντέλου τύρβης k-ω SSΤ. Για ύψος καμινάδας 1 m και τα δυο μοντέλα είχαν τα ίδια αποτελέσματα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 17. Το μέγεθος της ταχύτητας αποτελείται από δυο κορυφές πολύ κοντά στα τοιχώματα, ενώ στο κέντρο οι ταχύτητες παραμένουν χαμηλές. Το πεδίο των θερμοκρασιών παρουσιάζει την ίδια συμπεριφορά. μέγεθος ταχύτητας (m/s) στρωτή τυρβώδης θερμοκρασία (K) στρωτή τυρβώδης Σχήμα 17. Κατανομές μεγέθους της ταχύτητας και της θερμοκρασίας. Σύγκριση του στρωτού και τυρβώδους μοντέλου για ύψος καμινάδας 1 m Αντιθέτως, για ύψος καμινάδας 4 m είναι φανερό ότι τα αποτελέσματα παρουσιάζουν αποκλίσεις (Σχήμα 18). Καθώς η καμινάδα είναι πιο υψηλή, περισσότερη θερμότητα μεταδίδεται στη ροή και έτσι οι ταχύτητες αυξάνουν. Με την αύξηση αυτή, αυξάνει και η τάση της ροής να γίνεται τυρβώδης. Η προσομοίωση με την στρωτή ροή δεν μπορεί περιγράψει το φαινόμενο, γιατί δεν συμβαίνει κάποια μεταβολή στην προσομοίωση της στρωτής ροής. Αντίθετα, το μοντέλο k-ω SST δείχνει να μπορεί να προβλέψει αυτή τη μετάβαση, καθώς και τις συνέπειες από τη μίξη και τη διαστολή των θερμικών οριακών στρωμάτων. 28

29 μέγεθος ταχύτητας (m/s) στρωτή τυρβώδης θερμοκρασία (K) στρωτή τυρβώδης Σχήμα 18. Κατανομές μεγέθους της ταχύτητας και της θερμοκρασίας. Σύγκριση του στρωτού και τυρβώδους μοντέλου για ύψος καμινάδας 4 m (Σημείωση: η εικόνα αυτή έχει συμπιεστεί κατά ένα παράγοντα x4 στην κάθετη κατεύθυνση για να γίνουν οι συγκρίσεις) Οι θεωρούμενες οριακές συνθήκες περιγράφονται παρακάτω: Είσοδος: πίεση εισόδου, θερμοκρασία περιβάλλοντος, εσωτερικός συντελεστής εκπομπής (= 1.0), ατμοσφαιρική πίεση. Έξοδος: πίεση εξόδου, θερμοκρασία περιβάλλοντος, εσωτερικός συντελεστής εκπομπής (= 1.0), ατμοσφαιρική πίεση. Μαύρο τοίχωμα: τοίχωμα zero-slip, θεωρούμενη θερμοροή (W/m 2 ) από την ηλιακή ακτινοβολία, εσωτερικός συντελεστής εκπομπής (= 0.95), εξωτερικές απώλειες θερμότητας στο περιβάλλον με h = 0.9 W/m K Υαλοπίνακας: τοίχωμα zero-slip, θεωρούμενη θερμοροή (W/m 2 ) από την ηλιακή ακτινοβολία, εσωτερικός συντελεστής εκπομπής (= 0.95), εξωτερικές απώλειες θερμότητας στο περιβάλλον με h = 9.0 W/m K Το ύψος της καμινάδας μεταβαλλόταν από 1 ως 12 m και η κλίση της από 30 σε 90. Μια από τις κύριες μεταβλητές για την απόδοση της ηλιακής καμινάδας σε δεδομένη τοποθεσία ενδιαφέροντος είναι το ύψος της. Έγινε μια σειρά υπολογισμών με το Fluent για διαφορετικά ύψη καμινάδας στο εύρος από 1 m ως 12 m (πέντε σετ τιμών: 1, 2, 4, 8 και 12 m) για το μήνα Ιούλιο, ώρα 12:00 και κλίση 90 και τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο Σχήμα 19. Πιο συγκεκριμένα, απεικονίζονται η ταχύτητα του αέρα, και οι θερμοκρασίες του αέρα (εξόδου), του μαύρου τοιχώματος και του υαλοπίνακα με το ύψος της καμινάδας. Για υψηλότερες καμινάδες (με ύψος πάνω από 4 m), σύμφωνα με το Fluent έχουμε μετάβαση στην τυρβώδη ροή, ενώ οι θερμοκρασίες του αέρα, του μαύρου τοιχώματος και του υαλοπίνακα δείχνουν να μην επηρεάζονται με την αύξηση του ύψους. 29

30 Ταχύτητα Αέρα (m/s) Θερμοκρασία ( C) Ύψος Καμινάδας (m) Ταχύτητα αέρα (m/s), Fluent, 90 Θερμοκρασία αέρα ( C), Fluent, 90 Θερμοκρασία μαύρου τοιχώματος ( C), Fluent, 90 Θερμοκρασία υαλοπίνακα ( C), Fluent, 90 Σχήμα 19. Υπολογισμοί του Fluent για το ύψος καμινάδας (1 12 m, 90 ) με την ταχύτητα του αέρα και τις θερμοκρασίες του αέρα, του μαύρου τοιχώματος και του υαλοπίνακα Η δεύτερη μεταβλητή που είναι σημαντική για την απόδοση της ηλιακής καμινάδας σε δεδομένη τοποθεσία ενδιαφέροντος είναι η κλίση της ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Έγινε μια σειρά υπολογισμών με το Fluent για διαφορετικές κλίσεις καμινάδας στο εύρος από 30 ως 90 (έξη σετ τιμών: 30, 40, 45, 60, 80 και 90 ) για το μήνα Ιούλιο, ώρα 12:00 και ύψος καμινάδας 1 m και τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο Σχήμα 20. Πιο συγκεκριμένα, απεικονίζονται η ταχύτητα του αέρα, και οι θερμοκρασίες του αέρα (εξόδου), του μαύρου τοιχώματος και του υαλοπίνακα με την κλίση της καμινάδας. Όσο μειώνουμε την κλίση βλέπουμε ότι η θερμοκρασίες επηρεάζονται άμεσα σε σχέση με την ταχύτητα. Η ροή δείχνει να είναι στρωτή σε όλες τις τιμές των κλίσεων. Η θερμοκρασία του μαύρου τοιχώματος αυξάνει σχετικά γρήγορα και αυτό εξηγείται από την μεγαλύτερη ποσότητα προσπίπτουσας ακτινοβολίας λόγω της κεκλιμένης καμινάδας. 30

31 Ταχύτητα Αέρα (m/s) Θερμοκρασία ( C) Κλίση Καμινάδας (μοίρες) Ταχύτητα αέρα (m/s), Fluent, Ύψος 1 m Θερμοκρασία αέρα ( C), Fluent, Ύψος 1 m Θερμοκρασία μαύρου τοιχώματος ( C), Fluent, Ύψος 1 m Θερμοκρασία υαλοπίνακα ( C), Fluent, Ύψος 1 m Σχήμα 20. Υπολογισμοί του Fluent για την κλίση καμινάδας (30 90, 1 m ύψος) με την ταχύτητα του αέρα και τις θερμοκρασίες του αέρα, του μαύρου τοιχώματος και του υαλοπίνακα Προκαταρκτικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι η διατομή της καμινάδας σε σχήμα μακρόστενου ορθογώνιου παραλληλόγραμμου είναι η καλύτερη από πλευράς ενεργειακής απόδοσης. Το σχήμα αυτό προσφέρει επίσης κατασκευαστική ευκολία. Άλλοι προκαταρκτικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι το πάχος των τοιχωμάτων της καμινάδας και το πάχος της μόνωσης δεν παίζουν τόσο σημαντικό ρόλο, όταν ότι τιμές τους βρίσκονται εντός λογικών ορίων. Ο τελευταίος παράγοντας που εξετάζουμε είναι οι κατανομές των μετρούμενων μεγεθών εντός της διατομής (βάθος) της καμινάδας. Έγινε μια σειρά υπολογισμών με το Fluent στην διατομή της καμινάδας για το μήνα Ιούλιο, ώρα 12:00 και ύψος καμινάδας 1, 2, 4, 8 και 12 m και τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο Σχήμα 21a,b. Πιο συγκεκριμένα, απεικονίζονται η ταχύτητα του αέρα και η θερμοκρασία του (εξόδου). Ξεκινώντας με τα αποτελέσματα για το 1 m ύψος, η ταχύτητα του αέρα έχει τοπικό μέγιστο κοντά στο μαύρο τοίχωμα, ενώ στο μέσο της καμινάδας η ταχύτητα παίρνει πολύ μικρές τιμές. Κοντά στον υαλοπίνακα έχουμε και άλλο μέγιστο που έχει μικρότερη τιμή από το προηγούμενο. Καθώς αυξάνει το ύψος της καμινάδας το προφίλ ομαλοποιείται, έτσι για παράδειγμα για τα 4 m ύψος όπου υπάρχει η μετάβαση στην τυρβώδη ροή, οι δυο πλαϊνές κορυφές της ταχύτητας παρουσιάζουν την ίδια συμπεριφορά και για μεγαλύτερα ύψη καμινάδων υπάρχει ομοιόμορφο τυρβώδες μέτωπο της ταχύτητας. Όσο αναφορά τη θερμοκρασία εξόδου του αέρα, αυτή γίνεται μέγιστη κοντά στο μαύρο τοίχωμα και μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από αυτό. Μετά τα 2 cm από το τοίχωμα παίρνει μια ελάχιστη τιμή όπου και την διατηρεί μέχρι να φτάσει κοντά στον υαλοπίνακα όπου και αυξάνει λίγο η τιμή της. Το προφίλ των θερμοκρασιών ομαλοποιείται με την αύξηση του ύψους της καμινάδας και τελικά με το ύψος των 12 m η θερμοκρασία μέσα στην καμινάδα είναι στο επίπεδο της θερμοκρασίας του υαλοπίνακα, 31

32 με εξαίρεση το μέρος που είναι πολύ κοντά στο μαύρο τοίχωμα, όπου η θερμοκρασία του αέρα είναι υψηλότερη. 1.6 a Ταχύτητα Αέρα (m/s) Διατομή Καμινάδας (m) Ταχύτητα αέρα (m/s), Fluent, 90, Ύψος 1 m Ταχύτητα αέρα (m/s), Fluent, 90, Ύψος 2 m Ταχύτητα αέρα (m/s), Fluent, 90, Ύψος 4 m Ταχύτητα αέρα (m/s), Fluent, 90, Ύψος 8 m Ταχύτητα αέρα (m/s), Fluent, 90, Ύψος 12 m 70 b 60 Θερμοκρασία Αέρα ( C) Διατομή Καμινάδας (m) Θερμοκρασία αέρα ( C), Fluent, 90, Ύψος 1 m Θερμοκρασία αέρα ( C), Fluent, 90, Ύψος 2 m Θερμοκρασία αέρα ( C), Fluent, 90, Ύψος 4 m Θερμοκρασία αέρα ( C), Fluent, 90, Ύψος 8 m Θερμοκρασία αέρα ( C), Fluent, 90, Ύψος 12 m Σχήμα 21a,b. Υπολογισμοί του Fluent ως προς το βάθος κατακόρυφης καμινάδας (0 m..υαλοπίνακας m..μαύρο τοίχωμα, 90 ) με την ταχύτητα του αέρα (a) και τη θερμοκρασία εξόδου του αέρα (b) 32

33 6. ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΑΕΡΑΓΩΓΟΥ Ο αεραγωγός φυσικού ελκυσμού τοποθετήθηκε και προσαρμόστηκε σε υπάρχον ξηραντήριο του Τ.Ε.Ι Σερρών. Για να λάβει χώρα αυτή η τοποθέτηση έπρεπε να γίνουν κάποιες εργασίες τροποποίησης στο ξηραντήριο, έτσι ώστε να μπορεί να γίνει η προσαρμογή του αεραγωγού στο στόμιο εξόδου (κορυφή) του ξηραντηρίου. Οι εργασίες περιλάμβαναν την δημιουργία της κατάλληλης υποδομής για την ευσταθή στήριξη του αεραγωγού: κατασκευάστηκε μια τραπεζοειδής διάταξη η οποία μας βοήθησε να καταλήξουμε στην καμινάδα μας από το κιβώτιο ξήρανσης, όπου στο επάνω μέρος της τοποθετήσαμε μεντεσέδες οι οποίοι συγκρατούσαν την καμινάδα. Επίσης, κατασκευαστήκαν ειδικά πηχάκια που έδιναν τη δυνατότητα για διαφορετικές κλίσεις της καμινάδας. Στο κάτω μέρος της τραπεζοειδούς διάταξης τοποθετήθηκε γωνία που να εφαρμόζει με το κιβώτιο ξήρανσης και το εσωτερικό φροντίσαμε να μονωθεί με υαλοβάμβακα πάχους 3 cm, τον οποίο και στηρίζουμε με λεπτά ελάσματα, ενώ στο άνω μέρος καταλήγουμε σε μια ορθογωνική διατομή 0.74 m x 0.10 m. Το ηλιακό ξηραντήριο του Τ.Ε.Ι Σερρών είναι ένας βελτιωμένος τύπος ξηραντηρίου γεωργικών προϊόντων που ικανοποιεί ειδικές απαιτήσεις ξήρανσης (Σχήμα 22). Σχήμα 22. Ηλιακό ξηραντήριο του Τ.Ε.Ι Σερρών με προσαρμοσμένη την ηλιακή καμινάδα στην κορυφή Αποτελείται από τον ηλιακό συλλέκτη αέρα, το κιβώτιο αποθήκευσης, το κιβώτιο του ξηραντηρίου και την ηλιακή καμινάδα. Η λειτουργία αυτού του ξηραντηρίου με προσαρμοσμένο τον αεραγωγό φυσικού ελκυσμού γίνεται ως εξής: ο αέρας του περιβάλλοντος αναρροφάται με τη βοήθεια φυγοκεντρικού ανεμιστήρα και εισέρχεται στον ηλιακό συλλέκτη και διατρέχει τρεις διαδρομές, η πρώτη είναι ανάμεσα στο τζάμι και την πρώτη απορροφητική πλάκα, η δεύτερη είναι ανάμεσα από τις δυο απορροφητικές πλάκες και η τρίτη ανάμεσα στο εξωτερικό μέρος της δεύτερης απορροφητικής πλάκας και τη μονωμένη πλευρά του ηλιακού συλλέκτη. Αφού εκτελέσει και την τρίτη διαδρομή ο θερμός αέρας οδηγείται μέσω εύκαμπτων αεραγωγών στο θάλαμο ξήρανσης (συγκεκριμένα στην οροφή του κιβωτίου αποθήκευσης) και διανέμεται. Στο κιβώτιο αποθήκευσης υπάρχουν 25 μεταλλικά δοχεία με νερό των 5 l, με καπάκι για να μην γίνεται εξάτμιση και είναι χρώματος μαύρου. Η μετάδοση θερμότητας μέσα στο θάλαμο γίνεται με συναγωγή και ακτινοβολία από τους δυο εύκαμπτους αεραγωγούς. Ο θερμός αέρας διαρρέει 33

34 τα προς ξήρανση προϊόντα και εξέρχεται από την ηλιακή καμινάδα. Ο ελκυσμός της καμινάδας βοηθάει στον αερισμό του ξηραντηρίου και έτσι ο κρύος αέρας του περιβάλλοντος με φυσική ροή ψύχει τα δοχεία νερού αποδίδοντας την αποθηκευμένη λανθάνουσα θερμότητα στα προϊόντα και εξέρχεται μαζί με την υγρασία από την καμινάδα. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του αεραγωγού και των τροποποιήσεων είναι τα εξής: λαμαρίνα decape, πάχους 1.5 mm,κοινό τζάμι εμπορίου, κοιλοδοκούς 50 x 50 mm, γωνίες ενίσχυσης 25 x 25 mm, μόνωση υαλοβάμβακα πάχους 2.5 cm σιλικόνη ειδική για υψηλές θερμοκρασίες, μαύρη ματ μπογιά, μπουλόνια, λαμαρινόβιδες, μεντεσέδες, χερούλια, πιρτσίνια και χαλυβδοελάσματα. Τα μηχανήματα που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα εξής: ηλεκτροσυγκόλληση, οξυγονοκόλληση, φορητός τροχός, τρυπάνι, λίμες και στράντζα. Ο αεραγωγός κατασκευάστηκε στο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών και αποτελείται από δυο τμήματα: ένα τραπέζιο το οποίο εδράζεται πάνω σε πλαίσιο στήριξης και το κύριο μέρος του αεραγωγού φυσικού ελκυσμού που έχει σχήμα παραλληλογράμμου. Όλη η κατασκευή είναι από λαμαρίνα decape, πάχους 1.5 mm. Το παραλληλόγραμμο τμήμα του αεραγωγού είναι βαμμένο εσωτερικά με μαύρη ματ μπογιά και φέρει εξωτερική μόνωση από υαλοβάμβακα πάχους 2.5 cm με επικάλυψη αλουμινίου. Το τραπεζοειδές τμήμα είναι βαμμένο εξωτερικά μαύρο και είναι μονωμένο εσωτερικά με αντίστοιχο στρώμα υαλοβάμβακα. Οι διαστάσεις του είναι 0.74 m (μικρή βάση), 1.31 m (μεγάλη βάση), 0.5 m (ύψος), m (πλάτος) και περιμετρικά στη βάση του έχουν τοποθετηθεί γωνίες ενίσχυσης για την στερέωση του στο πλαίσιο στήριξης. Επίσης, γωνίες ενίσχυσης έχουν τοποθετηθεί και κατά μήκος των ακμών, για τη δημιουργία μιας πιο στιβαρής κατασκευής. Κάτω τμήμα δεν υφίσταται, παρά μόνο το άνω τμήμα της οροφής. Στο κέντρο της οροφής του τραπεζίου (πάνω από το κιβώτιο ξήρανσης) υπάρχει σχισμή διαστάσεων x 0.10 m για την επικοινωνία του ανερχόμενου θερμού αέρα με τον αεραγωγό φυσικού ελκυσμού. Ο αεραγωγός είναι διαστάσεων x x 0.12 m με πλευρικά τοιχώματα και πλάτη από λαμαρίνα. Η πρόσοψη της αποτελείται από απλό τζάμι εμπορίου χωρισμένο σε δυο τμήματα διαστάσεων x m και x m. Το τζάμι τοποθετείται συρταρωτά πάνω σε ειδικούς οδηγούς που έχουμε κατασκευάσει στην άκρη και κατά μήκος των πλευρικών τοιχωμάτων. Ο αεραγωγός στερεώνεται από την μεταλλική πλευρά του με μεντεσέδες πάνω στην οροφή του τραπεζίου και οι υπόλοιπες πλευρές στεγανοποιούνται με σιλικόνη. Αυτός ο τρόπος κατασκευής καθιστά εφικτή την κλίση του αεραγωγού σε γωνία διαφορετική των 90 εάν αφαιρεθεί η σιλικόνη και τοποθετηθεί πανί μεγάλου πάχους, καθώς και δυο αντίθετης κατεύθυνσης μοχλοί στήριξης στερεωμένοι στην οροφή του τραπεζίου (Σχήμα 17). Οι κλίσεις που μπορούμε να δώσουμε στην καμινάδα μας είναι: 30, 45 και 60. Τέλος, στα δύο πλευρικά τοιχώματα του παραλληλόγραμμου τμήματος έχουν ανοιχτεί δεξιά και αριστερά του, από πέντε οπές των Φ2.0 cm για τη διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων σε διαφορετικά ύψη (0.14, 0.34, 0.54, 0.75, 0.89 m) του αεραγωγού. Δόθηκε μεγάλη προσοχή στα εξής: Ευστάθεια και αντοχή της κατασκευής, τόσο στους περιβαλλοντολογικούς παράγοντες όσο και στη καταπόνηση των διαφόρων πειραματικών επεμβάσεων. Πολύ καλή επίστρωση της εσωτερικής απορροφητικής επιφάνειας με μαύρο χρώμα, για όσο το δυνατό μεγαλύτερη αποφυγή των ανακλάσεων της ηλιακής ακτινοβολίας. 34

35 Μεγάλη προσοχή στην επιλογή και άριστη προσαρμογή των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των ξηραντηρίου, όπως τα μεταλλικά ελάσματα, ο υαλοπίνακας, το μονωτικό υλικό, κ.α. Κατά την τοποθέτηση των μετρητικών αισθητήρων δόθηκε μεγάλη προσοχή στην προσεκτική και με ακρίβεια κατασκευή των κατάλληλων υποδοχών και δόθηκε έμφαση στο ότι η κατασκευή έπρεπε να είναι όσο το δυνατόν πιο ελαφριά. Λόγω της κλίσης που έπρεπε να έχει η καμινάδα για την διεξαγωγή των πειραμάτων, προσαρμόστηκε ειδικός μηχανισμός που να επιτρέπει τη στήριξη του αεραγωγού σε διαφορετικές κλίσεις, πλέον της κατακόρυφης (Σχήμα 23). Σχήμα 23. Αεραγωγός όπου φαίνεται η διάταξη για την επίτευξη της επιθυμητής κλίσης Στο Σχήμα 24 απεικονίζεται ένα απλό σκαρίφημα της διατομής της ηλιακής καμινάδας που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα. Το σημείο 1 απεικονίζει το πίσω μέρος του αεραγωγού που είναι καλά μονωμένο, το σημείο 2 απεικονίζει το σημείο εισαγωγής του αέρα, το σημείο 3 το εμπρόσθιο μέρος που είναι καλυμμένο με τζάμι, το σημείο 4 δείχνει τη ροή του αέρα μέσα στον αεραγωγό και το σημείο δείχνει την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στον αεραγωγό. Στον ισολογισμό των πιέσεων του αεραγωγού υπεισέρχονται το θερμικό φαινόμενο, το φαινόμενο του αερισμού λόγω του ανέμου και τα φαινόμενα τριβών. Όταν δεν υπάρχει εξωτερικός άνεμος οι δράσεις που υπεισέρχονται στην κίνηση του αέρα μέσα στον αεραγωγό είναι μόνο εξαιτίας του θερμικού φαινομένου που δημιουργεί τη διαφορά πίεσης και των τριβών. 35