ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ"

Αριστοκλής Ουζουνίδης
9 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΑΕΡΑ Χρήσεις: Ξήρανση γεωργικών προϊόντων Θέρµανση χώρων dm Ωφέλιµη ροή θερµότητας: Q = c Τ= ρ qc( T2 T1) dt ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΗΛΙΑΚΗ ΨΥΧΡΟΣ ΑΕΡΑΣ ΘΕΡΜΟΣ ΑΕΡΑΣ Τ 1 Τ 2 ΣΥΛΛΕΚΤΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ιαφορές από τον επίπεδο ηλιακό συλλέκτη Πυκνότητα: ρ αέρα = ρ νερού Θερµική αγωγιµότητα αέρα πολύ µικρότερη του νερού Βελτίωση της αποδοτικότητας: ιαµόρφωση της επιφάνειας επαφής ώστε να αυξηθεί η ενεργός επιφάνεια και οι τυρφώδεις κινήσεις Χρήση πορώδους απορροφητικής επιφάνειας ΓΥΑΛΙΝΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΠΟΡΩ ΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΘΕΡΜΟΜΟΝΩΣΗ 1

2 ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΟΥ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΚΟΠΟΣ: ιατήρηση της θερµοκρασίας ενός κλειστού χώρου σε επίπεδα ανεκτά (15-20 C) ελαχιστοποιώντας τη χρήση βοηθητικής θέρµανσης ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Περιοχές µε ψυχρό κλίµα (π.χ. µεγάλα γεωγραφικά πλάτη) ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΜΟΝΩΣΗ ΜΑΖΑ ΜΕΓΑΛΗΣ ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ 2

χρήση βοηθητικής θέρµανσης ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Περιοχές µε ψυχρό κλίµα (π.χ.

3 dt dt ( ) r mc = ταeo + Pt Tr Ta U ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΣΤΟΧΟΙ: Μέγιστη προσλαµβανόµενη ενέργεια Ελάχιστη χρήση βοηθητικής θέρµανσης Ελάχιστες απώλειες ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟ Γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων Προσανατολισµός κτηρίου Επάρκεια θερµότητας για τη νύχτα ή για µερικές ηµέρες (αποθήκευση) Αποφυγή υπερβολικής θέρµανσης ιακυµάνσεις της εσωτερικής θερµοκρασίας Επιπλέον θερµότητα (φωτισµός, οικιακές δραστηριότητες, ένοικοι) Αισθητική και λειτουργικότητα Απώλειες θερµότητας α) Θερµοµόνωση β) Εξαερισµός του χώρου (ανάκτηση θερµότητας) γ) Είσοδος - έξοδος χρηστών (διαδοχικές πόρτες) δ) Ακτινοβολία θερµότητας τη νύχτα (πετάσµατα) *Τα παθητικά συστήµατα είναι γενικά µη εφαρµόσιµα σε υπάρχοντα κτήρια 3

εσωτερικής θερµοκρασίας Επιπλέον θερµότητα (φωτισµός, οικιακές δραστηριότητες, ένοικοι) Αισθητική και λειτουργικότητα Απώλειες θερµότητας α) Θερµοµόνωση β) Εξαερισµός του χώρου

4 ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η θερµότητα παράγεται από εξωτερικά συστήµατα και µεταφέρεται στο κτήριο Η µεγάλη επιφάνεια συλλεκτών περιορίζει την εφαρµογή τους σε πόλεις Αποτελεσµατική θερµοµόνωση Εσωτερική αποθήκη θερµικής ενέργειας Σύστηµα διανοµής της θερµότητας στους χώρους του κτηρίου ΗΛΙΑΚΕΣ ΕΞΑΜΕΝΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Μεγάλες ποσότητες θερµικής ενέργειας χαµηλής θερµοκρασίας ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΑΡΑΙΟ ΠΥΚΝΟ ΠΟΛΥ ΠΥΚΝΟ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΣ ΠΥΘΜΕΝΑΣ Θερµοκρασία νερού στον πυθµένα ~90 (ή και µεγαλύτερη) Χρόνος αποθήκευσης µεταξύ µερικών ηµερών ή και µερικών µηνών) Παραγωγή ενέργειας µε κύκλους χαµηλής θερµοκρασίας 4

ΕΞΑΜΕΝΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Μεγάλες ποσότητες θερµικής ενέργειας χαµηλής θερµοκρασίας ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΑΡΑΙΟ ΠΥΚΝΟ ΠΟΛΥ ΠΥΚΝΟ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΣ ΠΥΘΜΕΝΑΣ

5 ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΕΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΟΧΟΣ: Αύξηση της ροής της ακτινοβολίας στο συλλέκτη ώστε να επιτευχθούν πολύ υψηλές θερµοκρασίες ΗΛΙΟΣ θ s ζ ΑΣΠΙ Α R c ψ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΟ ΚΑΤΟΠΤΡΟ D Ικανότητα συµπύκνωσης: X = A A a r Επιφάνεια κάτοπτρου Επιφάνεια συλλέκτη Απορροφούµενη ισχύς P abs = r c α l D E b Ισχύς που χάνεται µε ακτινοβολία 4 ζ Prad = ε ( σ Tr ) ( 2 π r l) 1 π Όπου r min = R c s θ 2 5

Ικανότητα συµπύκνωσης: X = A A a r Επιφάνεια κάτοπτρου Επιφάνεια συλλέκτη Απορροφούµενη ισχύς P abs =

6 Όταν επιτευχθεί θερµοδυναµική ισορροπία, P abs = P rad T r 1 4 rae c b D = εσ 2πr ( 1 ζ π) 1 4 Η θερµοκρασία Τ r µεγιστοποιείται όταν ζ π ψ Επειδή D Dθ s ψ = = 2R 4r c T rae = max 2 c b r εσθs 1 4 Για τυπικές συνθήκες: Ε b = 600 W m -2 Απώλειες: Πρακτικά Τ ~ 700 C r c = 0.8 θ s = rad σ = W m -2 K -4 α = ε (νόµος του Kirchhoff) T r max = 1160 K Ατέλειες στο παραβολικό κάτοπτρο (θ > θ s ) Μεγάλες γωνίες πρόσπτωσης κατά τις µη µεσηµβρινές ώρες Απόσυρση θερµού νερού για χρήση 6

Απώλειες: Πρακτικά Τ ~ 700 C r c = 0.8 θ s = 4.6 10-3 rad σ = 5.

7 7

8 Παραβολικά κάτοπτρα εκ περιστροφής Συνεχής παρακολούθηση της κίνησης του ήλιου για καθετοποίηση των ακτίνων Μεγάλες διαστάσεις Τεχνικές δυσκολίες για την κίνηση Μεµονωµένα κάτοπτρα: παράγουν υψηλές θερµοκρασίες ~700 C δεν ενδείκνυνται για παραγωγή ηλεκτρισµού Παράδειγµα: ιάµετρος κατόπτρου 30 m παραγόµενη ισχύς: π(15 m 2 ) (1 kw m -2 ) ~ 700 kw παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος 700 kw *0.3 = 210 kw (απόδοση ~30%) 8

θερµοκρασίες ~700 C δεν ενδείκνυνται για παραγωγή ηλεκτρισµού Παράδειγµα: ιάµετρος κατόπτρου 30 m

9 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΗΛΙΑΚΑ ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΚΑΤΟΠΤΡΑ 1 ΝΗ kJ mole 3 Ν 2 + Η2 9

10 ΗΛΙΑΚΟΙ ΠΥΡΓΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ 10

11 ΗΛΙΑΚΟΙ ΦΟΥΡΝΟΙ Συγκέντρωση µεγάλης πυκνότητας ενέργειας σε ένα σηµείο για επίτευξη εξαιρετικά υψηλών θερµοκρασιών (π.χ. Odellio Γαλία Τ = 33,000 C) 11

12 ΘΑΛΑΣΣΙΝΟ ΝΕΡΟ ΕΞΑΤΜΙΣ ΥΓΡΟΠΟΙΗΣΗ ΑΦΑΛΑΤΙΣΜΕΝΟ ΝΕΡΟ dt dt w mc = ταweo qb qr qv qe Απώλειες θερµότητας: b: Βάση r: ακτινοβολία v: αγωγή e: εξάτµιση L Η2Ο = 2.4 ΜJ kg -1 Ε ο = 20 ΜJ m -2 day -1 M Η2Ο = 8 kg -1 m -2 day -1 Τελική απόδοση συστήµατος ~ 60% 12

13 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ιαφορά δυναµικού ~ 0.5 Volt Παράγεται συνεχές ηλεκτρικό ρεύµα ~200 Α m -2 (για 1 kw m -2 ροή ηλιακής. ακτινοβολίας) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι πηγές ηλεκτρικού ρεύµατος όχι τάσης Το παραγόµενο ρεύµα µεταβάλλεται ακολουθώντας τις µεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας (συστηµατικές ή τυχαίες) 13

ακτινοβολίας) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι πηγές ηλεκτρικού ρεύµατος όχι

14 Αποδοτική χρήση της παραγόµενης ισχύος εξαρτάται από: Αποτελεσµατική παραγωγή ενέργειας από το στοιχείο υναµικό συνδυασµό του φορτίου µε το εξωτερικό κύκλωµα o Αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας για να µπορεί να χρησιµοποιηθεί αποτελεσµατικά ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΦΩΤΟΝΙΩΝ Φωτοβολταϊκό φαινόµενο όταν: hν Ε g Για φωτοβολταϊκά στοιχεία Si: Ε g 1 ev v 19 1 Eg (1.1 ev )( J ev ) > = h J s 15 Hz ms λ < = 1.1µ m= 1100nm Hz 14

χρησιµοποιηθεί αποτελεσµατικά ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΦΩΤΟΝΙΩΝ Φωτοβολταϊκό φαινόµενο όταν: hν Ε g Για φωτοβολταϊκά στοιχεία

15 A. Ενέργεια πολύ µικρή για φωτοβολταϊκή παραγωγή σε στοιχεία Si Β. Ενέργεια που χρησιµοποιείται για φωτοβολταϊκή παραγωγή Ψ. Επιπλέον ενέργεια που δεν χρησιµοποιείται Η αχρησιµοποίητη απορροφούµενη ενέργεια καταναλώνεται σαν θερµότητα 15

16 Η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου εξαρτάται από το συνδυασµό του φάσµατος της ηλιακής ακτινοβολίας και του Εg του υλικού ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Πλέγµα των ηλεκτροδίων (απώλειες ~3%) Φωτόνια µικρότερης ενέργειας (hν < Ε g ) (απώλειες ~23%) Επιπλέον ενέργεια φωτονίων (hν - Ε g ) (απώλειες ~33%) Ικανότητα συλλογής (ποσοστό ζευγών οπών-ηλεκτρονίων που παράγουν ρεύµα) (απώλειες ~30%) Από ανακλάσεις (~40%) στην επιφάνεια (τελική απώλεια ~2%) Τελική απόδοση ~ 14% 16

g ) (απώλειες ~23%) Επιπλέον ενέργεια φωτονίων (hν - Ε g ) (απώλειες ~33%) Ικανότητα συλλογής (ποσοστό ζευγών

17 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Ανάγκη συνδυασµού περισσότερων του ενός (τυπικά 33 στοιχεία) Μέγιστο ρεύµα ~1.5Α Μέγιστο δυναµικό ~15V (ανοιχτό κύκλωµα) Σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας: Ηλεκτρικά στοιχεία + κύκλωµα Προστασία από υπερφόρτιση Προστασία από αποφόρτιση 17

5Α Μέγιστο δυναµικό ~15V (ανοιχτό κύκλωµα) Σύστηµα αποθήκευσης

18 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ Z ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΕΛΕΓΧΟΣ ΥΠΕΡΦΟΡΤΙΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟΦΟΡΤΙΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΦΟΡΤΙΟ 18

Σχετικά έγγραφα

ΗλιακοίΣυλλέκτες. Γιάννης Κατσίγιαννης

ΗλιακοίΣυλλέκτες. Γιάννης Κατσίγιαννης ΗλιακοίΣυλλέκτες Γιάννης Κατσίγιαννης Ηλιακοίσυλλέκτες Ο ηλιακός συλλέκτης είναι ένα σύστηµα που ζεσταίνει συνήθως νερό ή αέρα χρησιµοποιώντας την ηλιακή ακτινοβολία Συνήθως εξυπηρετεί ανάγκες θέρµανσης