Σχεδιασμός παραβολικών-κυλινδρικών ανακλαστήρων για την παραγωγή υπέρθερμου νερού από την ηλιακή ακτινοβολία

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 2009 ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Σχεδιασμός παραβολικών-κυλινδρικών ανακλαστήρων για την παραγωγή υπέρθερμου νερού από την ηλιακή ακτινοβολία Χρήστος Ρόμπολας Σπύρος Καούρας

2

3 Αφιερωμένο στις οικογένειές μας για την υπομονή και την αμέριστη συμπαράστασή τους.

4 Περιεχόμενα Πρόλογος... 1 Εισαγωγή... 2 I.Μέθοδοι κλιματισμού... 3 Συμβατικός κλιματισμός... 5 Κλιματισμός με απορρόφηση (5)... 7 Ψύξη µε Απορρόφηση (Absorption) Ψυκτικός Κύκλος ΝΗ3/Η2Ο Ψυκτικός Κύκλος Η2Ο/LiBr Τεχνολογίες ψυκτικών μονάδων απορρόφησης Σύγκριση Ψυκτών Απορρόφησης & Ηλεκτρικών Ψυκτών II.Υποσύστημα παραγωγής θερμότητας Ηλιακοί Συλλέκτες Εφεδρεία III.Μοντελοποίηση του προβλήματος Κτήριο Ηλιακοί συλλέκτες CPC PTC IV.Αποτελέσματα PTC CPC V.Σχεδίαση του συστήματος PTC CPC VI.Συμπεράσματα Επίλογος Βιβλιογραφία... 77

5 Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του καθηγητή του τμήματος Ηλεκ/γων Μηχ/κων & Μηχ/κων Υπολ/στων κ. Ξένου Θωμά από τους προπτυχιακούς φοιτητές Ρόμπολα Χρήστο και Καούρα Σπύρο. Σαν αντικείμενο πραγματεύεται την ικανότητα κλιματισμού για το κτίριο Διάδοσης Αποτελεσμάτων Έρευνας του ΑΠΘ, με απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσω παραβολικών ηλιακών συλλεκτών. Η διπλωματική αποτελείται από τρία μέρη: Στο πρώτο μέρος, που αποτελείται από τα δύο πρώτα κεφάλαια, γίνεται μία θεωρητική περιγραφή της μεθόδου κλιματισμού και των παραβολικών ηλιακών συλλεκτών που θα χρησιμοποιήσουμε. Στο δεύτερο μέρος, που αποτελείται από τα επόμενα δύο κεφάλαια, μοντελοποιούμε το πρόβλημα και περιγράφουμε αναλυτικά τις μεθόδους υπολογισμού που χρησιμοποιούμε. Επίσης παραθέτουμε αναλυτικούς πίνακες και διαγράμματα με τα αποτελέσματα των υπολογισμών μας. Τέλος στο τρίτο μέρος, που το αποτελούν τα υπόλοιπα δύο κεφάλαια, γίνεται μία σχηματική απεικόνιση των συστημάτων κλιματισμού και εξάγονται κάποια χρήσιμα συμπεράσματα. Θα θέλαμε να εκφράσουμε τις ευχαριστίες μας στον επιβλέποντα καθηγητή μας για την δυνατότητα που μας έδωσε να ασχοληθούμε με αυτό το πολύ ενδιαφέρον αντικείμενο καθώς και για την αγαστή συνεργασία και υποδειγματική καθοδήγησή του στην εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής. Ακόμα αισθανόμαστε την υποχρέωση να ευχαριστήσουμε και τον κ. Θεοφιλογιαννάκο Γιώργο για τις πολύτιμες συμβουλές του και την ανοχή του στις απορίες μας. 1

6 Εισαγωγή Ο ηλιακός κλιματισμός είναι μια από τις μορφές ανανεώσιμης ενέργειας όπου η προσφορά συναντά την ζήτηση. Ενώ άλλες μορφές ανανεώσιμης ενέργειας όπως ο άνεμος είναι αρκετά απρόβλεπτες και άλλες τεχνολογίες όπως ο φυσικός εξαερισμός έχουν την υψηλότερη απόδοση τους σε περιόδους που δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμες, ο ηλιακός κλιματισμός φαντάζει πολύ ελκυστικός καθώς περισσότερη ψύξη απαιτείται όταν υπάρχει πολύ ηλιοφάνεια και οι εξωτερικές θερμοκρασίες είναι υψηλές. Στις μεσογειακές χώρες τα ηλιακά κέρδη είναι υπολογίσιμα ακόμα και στις μεταβατικές εποχές. Η Ελλάδα είναι μια από τις χώρες με την μεγαλύτερη ηλιοφάνεια, με μέσο όρο 2900 ώρες ανά έτος, η οποία επίσης εισάγει ένα μεγάλο ποσοστό τις ενέργειας που καταναλώνει. Θα έπρεπε λοιπόν να υπάρχει ένα στρατηγικό ενδιαφέρον για αποβολή αυτής της εξάρτησης αλλάζοντας κατεύθυνση προς ενδογενείς ανανεώσιμες πηγές. Ο ηλιακός κλιματισμός δε θα λύσει το ενεργειακό πρόβλημα της χώρας αλλά θα μπορούσε να δημιουργήσει ευκαιρίες για ανάπτυξη καθώς θα μπορούσε να βρει εφαρμογή στην βιομηχανία άλλα και σε σημαντικά κομμάτια της ελληνικής βιομηχανίας όπως αυτό του τουρισμού (π.χ. ξενοδοχειακές εγκαταστάσεις). Βέβαια το αρχικό κόστος του απαιτούμενου εξοπλισμού είναι ακόμα απαγορευτικό, τόσο για την τιμή του ηλιακού ψύκτη όσο και για το κόστος των συλλεκτών και της εφεδρικής μονάδας. Αλλά μην ξεχνάμε ότι ένα τέτοιο σύστημα δε μπορεί να συγκριθεί με ένα συμβατικό καθώς έχουμε μηδενικό κόστος λειτουργίας (απαιτείται μόνο ήλιος!). Επίσης υπάρχουν και τα έμμεσα οφέλη σε θέματα εικόνας και διαφήμισης που μπορεί να φέρει αυτή η τεχνολογία. Η παραγωγή ψύξης από τον ήλιο είναι από μόνο του διαφήμιση. 2

7 I.Μέθοδοι κλιματισμού Κλιματισμό μπορούμε να έχουμε με πολλούς τρόπους. Η πλειοψηφία αυτών έχει έμμεση ή άμεση προέλευση τον ήλιο όπως τα ορυκτά καύσιμα. Ο όρος «ηλιακός κλιματισμός» περιορίζεται συνήθως σε εφαρμογές όπου η ηλιακή ακτινοβολία είναι ο άμεσος παράγοντας κλιματισμού. Η Εικόνα 1.1 συνοψίζει τις μεθόδους ηλιακού κλιματισμού[henning]. Εικόνα 1.11 Οι δυο βασικές κατηγορίες είναι τα ηλεκτρικά συστήματα και τα θερμικά συστήματα. Η κατηγορία των ηλεκτρικών συστημάτων απαιτεί τη χρήση φωτοβολταϊκών καλύπτεται από την παρούσα μελέτη.. και δεν Σύμφωνα με τον Henning θερμικά συστήματα συστήματα μετατροπής θερμότητας. χωρίζονται σε θερμομηχανικά και σε Οι θερμομηχανικές διαδικασίες είναι πολύ πειραματικές. Ένα παράδειγμα τέτοιας διαδικασίας είναι συμπιεστής rankine, όπου έχουμε ψύξη με συμβατικό τρόπο μέσω ενός συμπιεστή.. Αυτός ο συμπιεστής αντί να λειτουργεί με ηλεκτρισμό ή έναν εναλλασσόμενο κινητήρα λειτουργεί μέσω ενός κύκλου rankine με χρήση ατμού σε πίεση από ηλιακούς συλλέκτες. Αυτές οι τεχνολογίες προφανώς δεν ενδείκνυνται για μαζικές εφαρμογές και δεν ενδιαφέρουν το παρόν σύγγραμμα. Τα συστήματα μετατροπής θερμότητας χωρίζονται σε ανοιχτού και κλειστού κύκλου. Στο κλειστό κύκλο γίνεται χρήση υγρού ή στερεού μέσου απορρόφησης. Αν το μέσο απορρόφησης είναι υγρό, τότε θα αραιώσει το ψυκτικό μέσο και θα μετακινηθεί από 3

8 διάφορα διαχωριστικά (απορρόφηση). Αν το μέσο απορρόφησης είναι σε στερεά μορφή τότε δε μπορεί να μετακινηθεί και το διαμέρισμα του θα υπόκειται σε θέρμανση και ψύξη με σκοπό να απορροφήσει το ψυκτικό μέσο και να αναπαραχθεί (προσρόφηση). Η απορρόφηση και η προσρόφηση έχουν μεγάλες δυνατότητες για να χρησιμοποιηθούν τόσο σε καινούρια κτήρια αλλά και σε ήδη υπάρχοντα καθώς το μέσο που χρησιμοποιείται για τον κλιματισμό είναι το νερό, συμβατό με την πλειοψηφία των ήδη χρησιμοποιούμενων κλιματιστικών. Μια σε βάθος μελέτη του κλιματισμού με απορρόφηση παρουσιάζεται στα επόμενα. Στο ανοιχτό κύκλο υπάρχει επαφή με την ατμόσφαιρα και γίνεται χρήση του νερού ως ψυκτικού μέσου. Συνήθως το μέσο απορρόφησης είναι σε στερεά μορφή. Τέτοια τεχνολογία είναι ο αφυγραντικός κλιματισμός, με τον οποίο δε θα ασχοληθούμε σε αυτό το σύγγραμμα. Όλες οι παραπάνω τεχνολογίες κλιματισμού λειτουργούν με θερμότητα η οποία σε ένα σύστημα ηλιακού κλιματισμού παράγεται προφανώς από τους ηλιακούς συλλέκτες. Το σύστημα του ηλιακού κλιματισμού χωρίζεται σε δυο υποσυστήματα. Το υποσύστημα παραγωγής θερμότητας και το υποσύστημα παραγωγής ψύξης. Στα επόμενα κεφάλαια παρουσιάζονται αναλυτικά οι διαθέσιμες επιλογές για αυτά τα υποσυστήματα, καθώς και μια αναφορική εισαγωγική περιγραφή του συμβατικού κλιματισμού. 4

9 Συμβατικός κλιματισμός Πρόκειται για τον πιο κοινή μέθοδο κλιματισμού και μπορεί να βρεθεί σε ψυγεία, οικιακές και εμπορικές μονάδες κλιματισμού καθώς και σε βιομηχανικό εξοπλισμό ψύξης. Η Εικόνα 1.2 περιγράφει ένα ψυκτικό κύκλο αερίου. Το ψυκτικό μέσο εξατμίζεται σε χαμηλή θερμοκρασία στον ατμοποιητή. Αυτή η διαδικασία απαιτεί θερμότητα η οποία απορροφάται από τον ατμοποιητή παράγοντας έτσι το κρύο. Έπειτα το εξατμισμένο ψυκτικό μέσο συμπιέζεται από χαμηλή θερμοκρασία και πίεση στον ατμοποιητή σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση στον συμπυκνωτή. Η αντίστροφη διαδικασία από ότι στον ατμοποιητή λαμβάνει μέρος και το ψυκτικό μέσο συμπυκνώνεται εκλύοντας θερμότητα. Μια βαλβίδα διαστολής κλείνει το κύκλο επιφέροντας μια πτώση πίεσης στο ψυκτικό τέτοια ώστε να επανέλθει στην πίεση που έχει ο ατμοποιητής. Εικόνα 1.2 5

10 Ο συμπιεστής παίρνει συνήθως ισχύ από έναν ηλεκτρικό κινητήρα, αλλά σε ψύκτες μεγάλης ισχύος μερικές φορές γίνεται χρήση μηχανών εσωτερικής καύσης. Η αναλογία μεταξύ αποδιδόμενης ψυκτικής ισχύος (Q c ) και καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ισχύος (P el ) λέγεται «συντελεστής απόδοσης» (COP) και αποτελεί το μέτρο της απόδοσης του συστήματος: (1.1) Η COP εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Οι πιο σημαντικοί όμως είναι: Ο σχεδιασμός των διαφόρων στοιχείων σε σχέση με τον chiller (π.χ. πόσο καλά μονωμένοι είναι ο ατμοποιητής και ο συμπυκνωτής, εμποδίζοντας έτσι θερμικά βραχυκυκλώματα ). Η ικανότητα ανταλλαγής θερμότητας του συμπυκνωτή και του ατμοποιητής. Η απόδοση του συμπιεστή. Ένας τρόπος για να βελτιωθεί η COP του ψύκτη είναι να μειωθεί η θερμοκρασία του μέσου που λαμβάνει την πλεονάζουσα θερμότητα από τον συμπυκνωτή, αυξάνοντας έτσι τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας στον συμπυκνωτή. 6

11 Κλιματισμός με απορρόφηση (5) Ψύξη µε Απορρόφηση (Absorption). Η µέθοδος αυτή σε αντίθεση µε τις κλασσικές ψυκτικές διατάξεις µηχανικής συµπίεσης χρησιµοποιεί δυο εργαζόµενα σώµατα. Αυτά είναι το καθ.αυτό ψυκτικό µέσο (refrigerant) και το µέσο απορρόφησης (absorbent). Δυο κλασσικά ζεύγη παροµοίων µέσων είναι: α) Αµµωνία - Νερό (ΝΗ 3 /Η 2 Ο) β) Νερό - Διάλυµα Βρωµιούχου Λιθίου (Η 2 Ο/LiBr) Στην πρώτη περίπτωση το ψυκτικό µέσο είναι η αµµωνία και το µέσο απορρόφησης το νερό. Στην δεύτερη περίπτωση ψυκτικό µέσο είναι το νερό και µέσο απορροφήσεως το διάλυµα βρωµιούχου λιθίου. Οι ψυκτικές διατάξεις µε απορρόφηση χρησιµοποιούν για την παραγωγή ψυκτικής ισχύος το φαινόµενο της ατµοποίησης και εποµένως για να έχουµε συνεχή λειτουργία µε επαναχρησιµοποίηση του ψυκτικού µέσου απαιτείται να γίνει χρήση και της αντιστοίχου συµπύκνωσης. Η διαφορά των διατάξεων δι.απορρόφησης έναντι των κλασσικών διατάξεων µε συµπίεση ατµού έγκειται στην µη χρήση συµπιεστή ατµού ψυκτικού µέσου οιουδήποτε είδους. Για την µεταφορά του ψυκτικού µέσου από την χαµηλή πίεση ατµοποίησης στην υψηλή πίεση συµπύκνωσης γίνεται χρήση του φαινοµένου της απορρόφησης. Λόγω της απορρόφησης αυτής του ατµοποιηθέντος ψυκτικού µέσου από το µέσο απορρόφησης έχουµε στην χαµηλή πίεση υγρό διάλυµα και όχι ατµό, το οποίο πρέπει να µεταφερθεί στην υψηλή πίεση. Η µεταφορά αυτή γίνεται είτε µε την βοήθεια µηχανικής αντλίας είτε µε χρήση κατάλληλης θερµοσιφωνικής αντλίας. Στην δεύτερη περίπτωση που εφαρµόζεται στις ψυκτικές διατάξεις δι.απορρόφησης µε αδρανές αέριο δεν απαιτείται ουδεµία µηχανική ενέργεια. Αυτό συνεπάγεται την πλήρη έλλειψη κινουµένων µελών στις διατάξεις αυτές που τις καθιστά τελείως αθόρυβες κατά την λειτουργία τους. Στην περίπτωση που χρησιµοποείται µηχανική αντλία στις διατάξεις µε απορρόφηση η απαιτούµενη µηχανική ενέργεια είναι σε σύγκριση πρός την αντίστοιχη των ψυκτικών εγκαταστάσεων µε µηχανικό συµπιεστή ατµού µηδαµινή. 7

12 Χαρακτηριστικό γνώρισµα των ψυκτικών διατάξεων µε απορρόφηση είναι ότι απαιτούν ελάχιστη ή καθόλου µηχανική ενέργεια και ότι παράγουν την ψυκτική ισχύ µόνο µε χρήση θερµικής ενέργειας. Η θερµική ενέργεια απαιτείται για τον εκ νέου διαχωρισµό του ψυκτικού µέσου από το µέσο απορρόφησης στην υψηλή πίεση όπου βρίσκονται. Ο διαχωρισµός αυτός επιτυγχάνεται µε βρασµό και κλασµατική απόσταξη. Η θερµική ενέργεια που προσδίδεται προέρχεται είτε από υδρατµό είτε από καύση φυσικού αερίου ή υγρών καυσίµων. Εάν η πρόσδοση γίνεται από υδρατµό (steam fired absorption unit) τότε η θερµοκρασία στην οποία διατίθεται η θερµότητα είναι καθορισµένη από την πίεση του παρεχόµενου ατµού. Στην περίπτωση που η θερµότητα προέρχεται από καύση αερίου (gas. fired absorption unit), o περιορισµός αυτός δεν ισχύει και η θερµοκρασία διαθέσεως της θερµότητας είναι αρκετά υψηλή. Είναι αξιοσηµείωτο ότι όσο υψηλότερη θερµοκρασία έχει η θερµότητα που προσδίδεται για την λειτουργία της ψυκτικής διάταξης µε απορρόφηση, τόσο χαµηλότερη θερµοκρασία ατµοποίησης δύναται να επιτευχθεί. Ψυκτικός Κύκλος ΝΗ3/Η2Ο. Εγκαταστάσεις απορροφήσεως του είδους αυτού κατασκευάζονται σε µεγέθη διαφόρων ψυκτικών ισχύων που καλύπτουν όλη την κλίµακα από λίγες εκατοντάδες Watt µέχρι 2 και 3 ΜW. Οι µεγάλες εγκαταστάσεις ευρίσκουν εφαρµογή κυρίως σε χηµικές βιοµηχανίες και ιδιαίτερα σε διυλιστήρια υγρών καυσίµων. Με µονοβάθµιες µονάδες του είδους αυτού παράγεται ευχερώς ψυκτική ισχύς στους. 45C ή ακόµα και στους.75 C. Την θερµοκρασία αυτή ουδεµία µονοβάθµια διάταξη συµπίεσης ατµού µπορεί να πλησιάσει λόγω του εξαιρετικά µεγάλου λόγου συµπίεσης που απαιτείται. Περαιτέρω εξέταση αυτών των διατάξεων ξεφεύγει από τα όρια της παρούσας εργασίας. Ψυκτικός Κύκλος Η2Ο/LiBr. 1. Αρχή Λειτουργίας Στοιχειώδους Ψυκτικής Διάταξης Η 2 Ο/LiBr. Η αρχή λειτουργίας των διατάξεων αυτών απεικονίζεται στο Σχήµα 1.1. Στην ατµογεννήτρια προσδίδεται έξωθεν η θερµική ενέργεια Q Γ, που ατµοποιεί το ασθενές µέσο απορρόφησης το οποίο έχει προωθηθεί στην ατµογεννήτρια µε την βοήθεια της αντλίας διαλύµατος. Η ατµοποίηση έχει σαν αποτέλεσµα τον πλήρη διαχωρισµό του διµερούς µίγµατος και την παραγωγή υδρατµών που οδεύουν πρός τον συµπυκνωτή. 8

13 Η σηµαντική διαφορά µεταξύ των δυο διµερών µιγµάτων είναι η ακόλουθη: Στην περίπτωση του ζεύγους ΝΗ 3 /Η 2 Ο το µέσο απορρόφησης (Η 2 Ο) έχει ίδια τάση ατµών και στην ατµογεννήτρια παράγεται µίγµα ατµών αµµωνίας και νερού, το οποίο απαιτεί αναβελτίωση για την παροχή πρός τον συµπυκνωτή σχετικά αµιγούς ατµού ψυκτικού µέσου. Αντίθετα το µίγµα Η 2 Ο/LiBr χρησιµοποιεί ως µέσο απορρόφησης άλας (LiBr), το οποίο στερείται ιδίας τάσης ατµών και έτσι στην ατµογεννήτρια παράγεται άµεσα µόνο ατµός ψυκτικού µέσου (υδρατµός) χωρίς να απαιτείται ουδεµία αναβελτίωση. Κατόπιν το ισχυρό µέσο απορρόφησης (LiBr) αποµακρύνεται από την ατµογεννήτρια και µέσω της στραγγαλιστικής βαλβίδας επιστρέφει στον απορροφητή. Ο υδρατµός οδηγείται στον συµπυκνωτή όπου συµπυκνούται αποβάλλοντας την θερµότητα συµπύκνωσης. Το συµπύκνωµα πηγαίνει πρός το τµήµα της εγκατάστασης µε την χαµηλή πίεση µέσω δεύτερης βαλβίδας στραγγαλισµού και στην συνέχεια παράγει δι.ατµοποίησής του στον ατµοποιητή την ψυκτική ισχύ. Τέλος ο ατµός χαµηλής πίεσης που παράγεται στο στοιχείο ατµοποίησης ρέει πρός τον απορροφητή όπου και απορροφάται από το ισχυρό µέσο απορρόφησης. Προιόν της απορρόφησης αυτής είναι το ασθενές µέσο απορρόφησης το οποίο µε την αντλία διαλύµατος καταθλίβεται εκ νέου πρός την ατµογεννήτρια. Η θερµοκρασία παραγωγής ψυκτικής ισχύος εξαρτάται από την πίεση που επικρατεί στον ατµοποιητή. Περαιτέρω όµως η πίεση αυτή εξαρτάται από την σύνθεση του ισχυρού µέσου απορρόφησης στον απορροφητή καθώς και από την θερµοκρασία στον απορροφητή. Για να υπάρξει απορρόφηση των υδρατµών από το δ/µα άλατος Libr πρέπει η πίεση ατµοποίησης να είναι µεγαλύτερη από την µερική πίεση των υδρατµών που βρίσκονται πάνω από το δ/µα LiBr στον απορροφητή. Μια πραγματική ψυκτική εγκατάσταση απορρόφησης µε εργαζόµενο ζεύγος Η 2 Ο /LiBr εκτός από τα στοιχεία που απεικονίζονται στο Σχήμα 1.1 περιλαμβάνει και έναν εναλλάκτη θερµότητας, ο οποίος μεταφέρει θερµότητα από το θερµό ισχυρό µέσο απορρόφησης πρός το ασθενές που οδεύει πρός την ατµογεννήτρια. Επίσης περιλαμβάνει και έναν δεύτερο εναλλάκτη θερµότητας µεταξύ του θερµού συμπυκνώματος και του ψυχρού ατµού που εξέρχεται από τον ατµοποιητή. Ο δεύτερος αυτός εναλλάκτη λέγεται Εναλλάκτης Πρόψυξης. 2. Θερµοδυναµική Απεικόνιση Ψυκτικού Κύκλου Η 2 Ο/LiBr. Η παράσταση των µεταβολών του διαλύµατος γίνεται συνήθως σε διάγραµµα µε άξονες την κατα µάζα συγκέντρωση και την πίεση. Ένα παράδειγµα παρόµοιου διάγραµµατος δίνεται στο Σχήμα 1.2. Η µεταβολή ab απεικονίζει την θέρµανση του ασθενούς µέσου απορρόφησης στον εναλλάκτη θερµότητας. Η περαιτέρω θέρµανση από το σηµείο b µέχρι την υψηλή πίεση γίνεται εντός της ατµογεννήτριας, όπου στην συνέχεια έχουµε την παραγωγή ατµού ψυκτικού µέσου κατά µήκος της 9

14 ισόθλιπτης µέχρι το σηµείο c. Η ψύξη του ισχυρού µέσου απορρόφησης παρίσταται δια της µεταβολής cd και η ακολουθούσα απορρόφηση δια της µεταβολής da. Οι µεταβολές αυτές λαµβάνουν χώρα µεταξύ διαλυµάτων συγκέντρωσης 61% και 65%.Από το Σχήμα 1.2 είναι είναι εµφανές ότι το σηµείο d βρίσκεται κοντά στην οριακή γραµµή κρυστάλλωσης του δ/τος LiBr και πρέπει να ληφθεί µέριµνα για την αποφυγή αυτής. Η εµφάνιση κρυστάλλων οι οποίοι προκαλούν ακόµα και διακοπή λειτουργίας είναι ένα από τα προβλήµατα των διατάξεων αυτών. Τέλος για µεγαλύτερη ασφάλεια λειτουργίας χρησιµοποιείται ανάµιξη του ισχυρού µέσου απορρόφησης, που προέρχεται από την ατµογεννήτρια µε διάλυµα από τον απορροφητή πρό της εισόδου αυτού στον απορροφητή. Είναι προφανές ότι η ανάµιξη εδώ επιτρέπει την χρήση µεγαλύτερης συγκεντρώσεως για το ισχυρό µέσο απορρόφησης παρά το ότι η πίεση ατµοποίησης παραµένει εξ ίσου χαµηλή όπως και προηγουµένως. Σχήμα 1.1 Σχηματική παράσταση στοιχειώδους ψυκτικής διάταξης απορρόφησης H2O/LiBr. 10

15 Σχήμα 1.2 Παράσταση των μεταβολών του διαλύματος LiBr μιας διατάξεως απορρόφησης H2O/LiBr. Τεχνολογίες ψυκτικών μονάδων απορρόφησης Ταξινόµηση Συστηµάτων. Τα κριτήρια ταξινόµησης των ψυκτικών µονάδων απορρόφησης Η 2 Ο/LiBr είναι ο τρόπος θέρµανσης της κύριας ατµογεννήτριας και το αν η µονάδα έχει µια ή περισσότερες ατµογεννήτριες. 11

16 Έτσι διακρίνονται σε : Εµµέσου Θέρµανσης (indirect fired) ψυκτικές µονάδες,όπου η τροφοδότηση της ατµογεννήτριας γίνεται από ένα boiler µε ατµό ή ζεστό νερό και Αµέσου Θέρµανσης (direct fired) ψύκτες,όπου η θέρµανση της ατµογεννήτριας γίνεται απευθείας µέσω της καύσης υγρών ή κυρίως αερίων καυσίµων. Μονοβάθµιες (single-stage) εγκαταστάσεις εάν έχουν µια ατµογεννήτρια και σε Πολυβάθµιες (multi-stage) εγκαταστάσεις εάν έχουν µια κύρια (primary) και µια ή περισσότερες δευτερεύουσες ατµογεννήτριες (secondary). Όλες οι εµπορικώς διατιθέµενες ψυκτικές µονάδες αµέσου θέρµανσης είναι διβάθµιες (two-stage machines). Θα πρέπει να αναφερθεί ότι στις ψυκτικές µονάδες Η 2 Ο/LiBr χρησιµοποιούνται υδρόψυκτοι συµπυκνωτές (παρουσία πύργων ψύξης) σε αντίθεση µε τους ψύκτες ΝΗ 3 /Η 2 Ο που έχουν αερόψυκτους συµπυκνωτές (air-cooled condensers). Οι διατάξεις αυτές χρησιµοποιούνται κυρίως για την ψύξη νερού κλιµατιστικών εγκαταστάσεων.λόγω της χρησιµοποίησης του νερού ως ψυκτικού µέσου στις διατάξεις αυτές η θερµοκρασία παραγωγής ψυκτικής ισχύος δεν κατέρχεται συνήθως κάτω των + 4 C. Οι διατάξεις απορρόφησης αυτού του είδους κατασκευάζονται σε δυο τύπους µεγάλης και µικρής ψυκτικής ισχύος. Οι µεγάλης ισχύος µονάδες κατασκευάζονται για ψυκτική ισχύ από 100 µέχρι 1500 ψυκτικούς τόνους (R.T) δηλ. από 0.35 µέχρι 5.3 ΜW και οι µικρές για ισχύ από 3 εώς 25 R.T δηλ. από 0.01 εώς ΜW. Οι διατάξεις µεγάλης ισχύος διακρίνονται από κατασκευαστικής πλευράς σε µονάδες δυο κελύφων (double effect) και µονάδες ενός κελύφους.στην πρώτη περίπτωση το επάνω κέλυφος περικλείει την ατµογεννήτρια και τον συµπυκνωτή (υψηλή πίεση) και το κάτω τον απορροφητή και το στοιχείο ατµοποίησης (χαµηλή πίεση).παρά την χρήση των όρων χαµηλή και υψηλή πίεση δεν πρέπει να παραβλέπεται το γεγονός ότι ολόκληρη η µονάδα λειτουργεί υπό κενό και ότι στο επάνω κέλυφος επικρατεί πίεση περίπου 0.1 ata και στο κάτω 0.01 ata.για τον λόγο αυτό οι µονάδες αυτές είναι ευαίσθητες στην παρουσία αδρανών αερίων, τα οποία ελαττώνουν το αναγκαίο κενό και γι.αυτό εφοδιάζονται πάντα µε διάταξη εξαέρωσης. 12

17 Για ευχερέστερη σύγκριση και για µονοσήµαντο καθορισµό της ψυκτικής ισχύος αυτών των ψυκτικών διατάξεων έχουν γίνει αποδεκτές ως ονοµαστικές συνθήκες λειτουργίας αυτών (ASHRAE) τα παρακάτω: 1) Θερµοκρασία εξόδου νερού από τον ψύκτη 6.7 C (44 F) 2) Θερµοκρασιακή διαφορά ψυχοµένου νερού 5.5 C (10 F) 3) Θερµοκρασία εισόδου νερού στον πύργο ψύξης 29.4 C (85 F).Είναι σηµαντικό η θερµοκρασία αυτή να κυµαίνεται µεταξύ 23.9 C και 29.4 C ώστε να αποφεύγονται προβλήµατα κρυστάλλωσης του ψυκτικού µέσου. Ψύκτες Έµµεσης Θέρµανσης ( Steam / Hot Water Fired Absorption Chillers). Οι διβάθµιοι ψύκτες συνήθως τροφοδοτούνται µε ατµό πίεσης 100 psig (6.9 bar) και καταναλώνουν περίπου 10 lb/h ατµό για κάθε παραγόµενο RT (1.3 Kgr/h ατµό για κάθε ΚW ψυκτικής ισχύος).η πίεση του ατµού µπορεί να κυµανθεί από 144 psig (9.94 bar) µέχρι 60 psig (4.14 bar). Είναι προφανές ότι όσο χαµηλότερη είναι η πίεση του ατµού τροφοδοσίας του ψύκτη τόσο µεγαλύτερη είναι η πτώση της παραγόµενης ψυκτικής ισχύος και του συντελεστή συµπεριφοράς.στο Σχήµα 1.3 εικονίζεται ένας διβάθµιος ψύκτης που θερµαίνεται µε ατµό. 13

18 Σχήμα 1.3. Διβάθµια Ψυκτική Διάταξη Απορρόφησης Η2Ο/LiBr Έµµεσης Θέρµανσης (µε Ατµό). Σύγκριση Ψυκτών Απορρόφησης & Ηλεκτρικών Ψυκτών. α. Πλεονεκτήµατα Ψυκτών Απορρόφησης. Έχουν ελάχιστη ηλεκτρική κατανάλωση σε αντίθεση µε τους συµβατικούς ψύκτες συµπίεσης που έχουν αυξηµένες απαιτήσεις ηλεκτρικής ισχύος.αυτό έχει ως αποτελέσµα οι ψύκτες απορρόφησης να εµφανίζουν σηµαντικά ενεργειακά πλεονεκτήµατα κυρίως όταν τροφοδοτούνται από απορριπτόµενη θερµότητα. Οι ψυκτικές µονάδες απορρόφησης που τροφοδοτούνται µε ατµό ή θερµό νερό µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε µονάδες τρι-παραγωγής (παραγωγή ηλεκτρικής, θερµικής και ψυκτικής ισχύος).έτσι προσφέρουν την δυνατότητα σηµαντικής αύξησης του συνολικού βαθµού απόδοσης της µονάδας συµπαραγωγής.με άλλα λόγια αυτές οι µονάδες συνεισφέρουν τα µέγιστα σε οποιαδήποτε προσπάθεια εξοικονόµησης ενέργειας,µειώνοντας παράλληλα το συνολικό κόστος λειτουργίας. 14

19 Οι ψύκτες απορρόφησης είναι φιλικότεροι πρός το περιβάλλον σε σχέση µε τους ηλεκτρικούς ψύκτες.συγκεκριµένα αφού η αρχή λειτουργίας τους δεν στηρίζεται στην χρήση κανενός είδος συµβατικού ψυκτικού µέσου (CFCs, HCFCs και HFCs), έχουν µηδενική επίδραση στην καταστροφή του όζοντος: ΟDP = 0 (Ozone Depletion Potential) και µικρή συνεισφορά στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Ειδικά οι ψύκτες που τροφοδοτούνται µε ατµό ή θερµό νερό έχουν αρκετά µικρότερο GWP (Global Potential Warming) από τους ψύκτες που καίνε αέριο (gas-fired chillers) και εκπέµπουν CO 2, αν και η καύση αερίου και ειδικά φυσικού αερίου θεωρείται φιλική πρός το περιβάλλον αφού δεν παράγονται SO 2, SO, αιθάλη και στερεά σωµατίδια, ρύποι ιδιαίτερα ζηµιογόνοι για τον ανθρώπινο παράγοντα. Οι ψύκτες άµεσης θέρµανσης έχουν την δυνατότητα χρησιµοποίησης διαφόρων καυσίµων µέσων (Diesel θέρµανσης, φυσικό αέριο, LPG, βιοαέριο κ.α.).το γεγονός αυτό καθιστά ιδανική την εγκατάσταση τέτοιων µονάδων για την παραγωγή ψυκτικής ισχύος σε αποµακρυσµένες περιοχές όπου δεν υπάρχει επαρκής ηλεκτρικής ισχύς για τους παραδοσιακούς ηλεκτρικούς ψύκτες.επίσης µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε κτίρια µε ήδη επιβαρυµένη εγκατεστηµένη ηλεκτρική εγκατάσταση από άλλες ενεργοβόρες διεργασίες.τέλος αξίζει να αναφερθεί ότι, πολλοί από τους καυστήρες που συνοδεύουν τις µηχανές απορρόφησης είναι διπλού καυσίµου (dual fuel) και µπορούν να τροφοδοτηθούν είτε µε φυσικό αέριο είτε µε πετρέλαιο.αυτή η ευελιξία είναι ιδιαίτερα ελκυστική σε εφαρµογές όπου το πετρέλαιο είναι εύκολα διαθέσιµο π.χ.αποµακρυσµένες περιοχές. Οι ψυκτικές εγκαταστάσεις απορρόφησης έχουν ελάχιστα κινούµενα µέρη (αντλίες ανακυκλοφορίας ψυκτικού µέσου/απορροφητή).για παράδειγµα ένας ψύκτης απορρόφησης 500 RT έχει 3 αντλίες που καταναλώνουν περίπου 5 hp (3.7 ΚW) ανά ώρα. Επόµενως έχουν µεγάλο µηχανικό βαθµό απόδοσης,µικρές απαιτήσεις εποπτείας και συντήρησης και υψηλή αξιοπιστία. Τέλος παρουσιάζουν χαµηλά επίπεδα θορύβου και κραδασµών.ένα absorption chiller ακούγεται όπως ένας ιδίου µεγέθους λέβητας µε θορύβους σπηλαίωσης. Οπότε λόγω ανυπαρξίας ταλαντώσεων και θορύβου δεν απαιτείται αποµόνωση των κραδασµών και ηχοµόνωση του χώρου εγκατάστασης της ψυκτικής µηχανής. 15

20 β. Μειονεκτήµατα Ψυκτών Απορρόφησης. Έχουν χαµηλό συντελεστή συµπεριφοράς (COP) σε σχέση µε τους ηλεκτρικούς ψύκτες: Ψύκτης Απορρόφησης COP = Συµβατικός Ψύκτης COP = Οι ψύκτες απορρόφησης αποβάλλουν µεγαλύτερο ποσό θερµότητας πρός το περιβάλλον από ότι οι συµβατικές µονάδες ψύξης.αυτό αποδεικνύεται ως εξής : 1. Η θερµική ισχύς που παρέχεται µέσω του ατµού στην ατµογεννήτρια του ψύκτη απορρόφησης είναι : Q ατµού = Q ψ / COP όπου Q ψ είναι η παραγόµενη ψυκτική ισχύς και COP είναι ο συντελεστής συµπεριφοράς της ψυκτικής µονάδας. 2. Η θερµότητα συµπύκνωσης που απορρίπτεται στο περιβάλλον µέσω του πύργου ψύξης είναι : Q Σ = Q ατµού + Q ψ.οπότε αντικαθιστώντας στην 2 η σχέση το Q ατµού από την 1 η σχέση προκύπτει ότι :Q Σ = Q ψ *[1+(1 / COP)] 3. Άρα για τις ανωτέρω τιµές του COP στους ψύκτες απορρόφησης, το απορριπτόµενο ποσό θερµότητας είναι από 1.8 εώς 2.5 φορές µεγαλύτερο από την παραγόµενη ψυκτική ισχύ. Αντίθετα στους συµβατικούς ψύκτες το ποσό θερµότητας που απορρίπτεται στο περιβάλλον είναι 30%-40% µεγαλύτερο από την ψυκτική ισχύ.εποµένως απαιτείται η εγκατάσταση µεγαλύτερων πύργων ψύξης στις εγκαταστάσεις µε απορρόφηση. Έχουν σηµαντικά µεγαλύτερο µέγεθος σε σχέση µε τις κλασσικές ψυκτικές διατάξεις.ένας ψύκτης απορρόφησης καταλαµβάνει 50% µεγαλύτερη επιφάνεια από ότι ένας ηλεκτρικός ψύκτης ίδιας ισχύος, µε αποτέλεσµα την κάλυψη µεγάλου µέρους του µηχανοστασίου. Τέλος έχουν µεγαλύτερο κόστος αγοράς και εγκατάστασης ανα ΚW σε σχέση µε τους συµβατικούς ψύκτες συµπίεσης. 16

21 II.Υποσύστημα παραγωγής θερμότητας Στον ηλιακό κλιματισμό, όλες οι μέθοδοι περιέχουν ένα είδος αναγεννητικής διαδικασίας που πραγματοποιείται με ηλιακή θερμότητα. Για μεθόδους κλειστού κύκλου, όπως η απορρόφηση, το ιδανικό μέσο είναι διαμέσου νερού που θερμαίνεται από τον ήλιο. Ηλιακοί Συλλέκτες Ο τύπος των ηλιακών συλλεκτών που επιλέχθηκε για τη μελέτη μας είναι παραβολικός συλλέκτης PTC (Parabolic Trough Collector). ο Σχήμα 2.1 Σχηματική απεικόνιση παραβολικού συλλέκτη PTC. 17

22 Όπως φαίνεται από το σχήμα αποτελείται από έναν παραβολικό καθρέφτη ο οποίος συλλέγει την ηλιακή ακτινοβολία. Τον καθρέφτη διαπερνά ένας σωλήνας που διαρρέεται από λάδι. Το λάδι που περνάει μέσα από τον καθρέφτη θερμαίνεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας και οδηγείται σε έναν εναλλάκτη θερμότητας στο δευτερεύον του οποίου ρέει νερό που ατμοποιείται και οδηγείται στην εξωτερική κλιματιστική μονάδα μας (chiller). Ο συλλέκτης συνήθως προσανατολίζεται στον άξονα Βορρά Νότου και περιστρέφεται ακολουθώντας την κίνηση του ήλιου κατά την διάρκεια της ημέρας. Ένας άλλος τρόπος προσανατολισμού είναι στον άξονα Ανατολής Δύσης. Αυτό μειώνει την συνολική απόδοση του συλλέκτη, λόγω απωλειών συνημιτόνου. Απαιτεί όμως να ευθυγραμμίζεται ανά εποχή, αποφεύγοντας έτσι την ανάγκη κινητήριου μηχανισμού. Οι παραβολικοί συλλέκτες χρησιμοποιούνται για την θέρμανση υγρών ρευστών σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες( >110 ο C) και έχουν υψηλούς παράγοντες συγκεντρωτικότητας. Εικόνα 2.1 Συλλέκτης PTC στην Τουρκία 18

23 Ενας άλλος τύπος συλλέκτη που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε στη μελέτη μας είναι ο σύνθετος παραβολικός συλλέκτης CPC (Compound Parabolic Collector). Σχήμα 2.2 Σχηματική απεικόνιση CPC Όπως φαίνεται από το παραπάνω σχήμα αποτελείται από μικρούς παραβολικούς καθρέφτες και συλλεκτήριους σωλήνες μέσα σε ένα κουτί παρόμοιου μεγέθους με έναν επίπεδο συλλέκτη. Αυτά τα συστήματα έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να λειτουργούν και προσφέρουν τα πλεονεκτήματα των παραβολικών συλλεκτών χωρίς την ανάγκη κινητήριου μηχανισμού. Μέσα από τους σωλήνες περνάει νερό που θερμαίνεται και οδηγείται απευθείας στον chiller. Οι CPC συλλέκτες χρησιμοποιούνται για την θέρμανση υγρών ρευστών σε χαμηλές (50 70 ο C) και μέτριες θερμοκρασίες ( ο C). Έχουν δύο ορθογωνικούς συμμετρικούς άξονες και σχεδιάζονται με γωνίες αποδοχής μεγαλύτερες των 30 ο για να αποφεύγεται η κίνησή τους παράλληλα με την κίνηση του ήλιου. Αυτό σημαίνει ότι έχουν χαμηλό παράγοντα συγκεντρωτικότητας. Εικόνα 2.2 CPC συλλέκτες στην Πορτογαλία 19

24 Εφεδρεία Η ηλιακή πηγή δεν είναι πάντοτε διαθέσιμη και όλες οι εγκαταστάσεις πρέπει να εφοδιαστούν με ένα βοηθητικό εφεδρικό σύστημα. Δύο είναι οι συνήθεις μορφές του: 1. Ηλιακή κλιματιστική εγκατάσταση με παραγόμενο ψυχρό νερό από chiller συμπίεσης. 2. Ένα boiler που θερμαίνει το ζεστό νερό της θερμικής διαδικασίας. Ο chiller συμπίεσης διοχετεύει λιγότερο CO 2 στην ατμόσφαιρα όμως το boiler χρησιμεύει στο να θερμαίνει το νερό στην θερμοκρασία χρησιμοποίησης του από την εξωτερική μας μονάδα. 20

25 III.Μοντελοποίηση του προβλήματος Κτήριο Το κτήριο Διάδοσης Αποτελεσμάτων Έρευνας στο οποίο θέλουμε να εγκαταστήσουμε το σύστημα του κλιματισμού με ηλιακή απορρόφηση βρίσκεται εντός του χώρου του ΑΠΘ. Σχήμα

26 Στο κτίριο έχει γίνει η μελέτη για εγκατάσταση συμβατικού κλιματισμού από όπου παίρνουμε την τιμή για την συνολική απαιτούμενη ψυκτική μονάδα που θα χρησιμοποιήσουμε στην παρούσα μελέτη, δηλαδή το φορτίο της εξωτερικής μας μονάδας (chiller). Η τιμή αυτή είναι 270,238 kw. 22

27 Ηλιακοί συλλέκτες Το σημαντικότερο μέρος του προβλήματος αποτελούσε προφανώς η μελέτη της λειτουργίας και της απόδοσης των συλλεκτών. Για το σκοπό αυτό έπρεπε να εκτελεστούν οι κατάλληλοι υπολογισμοί. Τόσο για τους cpc όσο και για τους ptc έγινε χρήση του MATLAB.Παρακάτω παρουσιάζονται οι συναρτήσεις που υλοποιήθηκαν καθώς και η λειτουργία τους. Παρατίθεται κάθε φορά και ο αντίστοιχος κώδικας. CPC Για τους παραβολικούς συλλέκτες κενού έγινε χρήση μιας δευτεροβάθμιας εξίσωσης για τον υπολογισμό τόσο της μηνιαίας όσο και της ετήσιας απόδοσής τους (1). Ο τύπος είναι ο εξής: (3.1) Όπου: c 0,c 1,c 2 : Σταθερές που εξαρτώνται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη. Συγκεκριμένα αφορούν οπτικές και θερμικές απώλειες. T av : Η μέση θερμοκρασία νερού που κυκλοφορεί στο σύστημα των συλλεκτών. T amb : Η θερμοκρασία περιβάλλοντος (dry bulb). k(θ): Incidence angle modifier,ο οποίος εξαρτάται από την γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτινών στον συλλέκτη. G: Η συνολική ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια του συλλέκτη. Παρακάτω έχουμε την συνάρτηση ypol_n (Εικόνα 3.1) που υλοποιεί των προαναφερθέντα τύπο. Η συνάρτηση αυτή δέχεται σαν ορίσματα την θερμοκρασία περιβάλλοντος (Tamb) και την ηλιακή ακτινοβολία (G) και επιστρέφει την τιμή της απόδοσης του συλλέκτη για τα συγκεκριμένα δεδομένα. Στην αρχή του κώδικα ορίζονται οι σταθερές που περιλαμβάνονται στον τύπο της απόδοσης (3.1) και μπορούν εύκολα να τροποποιηθούν ανάλογα με τον επιλεγμένο συλλέκτη. 23

28 Εικόνα 3.1 Η παραπάνω συνάρτηση καλείται από την ypol_monthly (Εικόνα 3.2) που παρατίθεται παρακάτω. Η τελευταία δέχεται σαν όρισμα την ηλιακή ακτινοβολία (G) σε μορφή πίνακα και επιστρέφει επίσης σε μορφή πίνακα την απόδοση των συλλεκτών για κάθε μέρα του εκάστοτε μήνα (Η).Όλοι οι πίνακες είναι πίνακεςσειρές.στην αρχή του κώδικα εισάγονται οι θερμοκρασίες του μήνα στον πίνακα Tamb.Η συνάρτηση εξάγει τις θερμοκρασίες και τις αποδόσεις σε στήλες δύο διαφορετικών εγγράφων του excel.επίσης δημιουργεί γράφημα που δείχνει την διακύμανση της απόδοσης των συλλεκτών στη διάρκεια του μήνα. Προαιρετικά υπολογίζει την εκτιμώμενη επιφάνεια των συλλεκτών για την δεδομένη ακτινοβολία και απόδοση κάνοντας χρήση του τύπου (2):,, (3.2) Όπου : Α coll : Η απαιτούμενη επιφάνεια συλλεκτών (m 2 ). Q low,design : Η ονομαστική ψυκτική ισχύς (kw). G : Η ολική ηλιακή ακτινοβολία πάνω στους συλλέκτες (kw/m 2 ). η design : Η απόδοση των συλλεκτών. COP thermal,design : Η επιθυμητή COP κατά τη σχεδίαση του συστήματος 24

29 Εικόνα 3.2 Η ηλιακή ακτινοβολία μας δόθηκε σε μονάδες mwh 2 /cm, για το λόγο αυτό δημιουργήσαμε την συνάρτηση ypol_g (Εικόνα 3.3) η οποία μετατρέπει τις τιμές της ακτινοβολίας σε μονάδες W/m 2. Δέχεται σαν είσοδο την συνολική ημερήσια ακτινοβολία (πίνακας Α) και την ημερήσια ηλιοφάνεια σε hrs (πίνακας Β).Επιστρέφει τον πίνακα G και εξάγει τις τιμές του σε μια στήλη ενός εγγράφου του excel. Εικόνα

30 PTC Για τον υπολογισμό της απόδοσης των παραβολικών συλλεκτών έγινε χρήση ενός άλλου, πιο αναλυτικού τύπου όπως φαίνεται παρακάτω (3): η η Κ τα α c V T T I ε b T T I (3.3) Όπου: ηopt: Η οπτική απόδοση του συλλέκτη. Κτα: Ο incidence angle modifier. a,b,c: Χαρακτηριστικές σταθερές του συλλέκτη που αφορούν μεταφορά, ακτινοβολία και άνεμο. Vwind: Ταχύτητα ανέμου.(m/s). Τab: Εξωτερική θερμοκρασία του absorber(κ ). Τa: Εξωτερική θερμοκρασία περιβάλλοντος(κ ). Τsky: Σχετίζεται με την θερμοκρασία περιβάλλοντος και τού σημείου δρόσου (tdp, C ) όπως φαίνεται από τις παρακάτω σχέσεις: T ε. T ε t t 100 (3.4) Idirect: Η ολική ακτινοβολία. εab: Η absorber wall emissivity ορίζεται ως εξής: ε T (3.5) 26

31 Η εξίσωση (3.3) για τον υπολογισμό της απόδοσης των parabolic trough collectors υλοποιήθηκε στην συνάρτηση ypol_n_ptc (Εικόνα 3.4). Η συνάρτηση αυτή δέχεται σαν ορίσματα τα Vwind,Ta,G,Tsky και Kta, όπως αυτά ορίστηκαν παραπάνω και επιστρέφει την τιμή της απόδοσης του συλλέκτη. Στην αρχή της συνάρτησης δίνονται οι επιθυμητές τιμές στις σταθερές a,b,c,nopt και στην θερμοκρασία Tab και μετατρέπεται η Ta σε K. Επίσης υπολογίζεται η eab από τον τύπο (3.5). Ο σχετικός κώδικας φαίνεται παρακάτω. Εικόνα 3.4 Ο Kta υπολογίζεται από την συνάρτηση angle_modifier (Εικόνα 3.5). Για τον υπολογισμό του έγινε χρήση του τύπου (4): Kta θ θ θ θ (3.6) 27

32 Στο σύστημα που σχεδιάσαμε θεωρήσαμε μια δεδομένη τιμή για την γωνία πρόσπτωσης των συλλεκτών. Η angle modifier όμως είναι σχεδιασμένη ώστε να έχει την δυνατότητα να υπολογίσει τους angle modifiers για ένα εύρος γωνιών. Αυτό ορίζεται φυσικά στην αρχή του loop όπου δίνεται στο i το εύρος των γωνιών σε μοίρες. Σε αυτή την περίπτωση ο Kta θα είναι ένας πίνακας-γραμμή μεγέθους τέτοιου όσα τα βήματα που ορίστηκαν στον μετρητή i. Παρακάτω παρατίθεται ο εν λόγο κώδικας. Εικόνα 3.5 Για τον υπολογισμό της Tsky χρησιμοποιούνται 2 συναρτήσεις. Η πρώτη, η ypol_tdp (Εικόνα 3.6), υπολογίζει το σημείο δρόσου που απαιτείται στους τύπους (3.4) για τον υπολογισμό του Tsky. Η συνάρτηση αυτή δέχεται σαν ορίσματα την θερμοκρασία Ta και την σχετική υγρασία RH και επιστρέφει την τιμή του σημείου δρόσου (tdp). Η συνάρτηση αυτή φαίνεται παρακάτω. 28

33 Εικόνα 3.6 Η δεύτερη συνάρτηση που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της Tsky είναι η ypol_tsky (Εικόνα 3.7). Αυτή δέχεται σαν ορίσματα το σημείο δρόσου και την θερμοκρασία περιβάλλοντος και υπολογίζει την θερμοκρασία Tsky από τους τύπους (3.4). Εικόνα

34 Πέρα από την Tsky και τον Κτα χρειαζόμαστεε και την ολική ηλιακή ακτινοβολία G(ή Idirect όπως αναφέρεται στον τύπο (3.3)). Η συνάρτηση που χρησιμοποιούμε είναι η ypol_g (Εικόνα 3.8) που χρησιμοποιήσαμε και στους υπολογισμούς των CPC. Υπενθυμίζεται οτι η λειτουργία της είναι να μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε W/m2 από mwh/cm2 (πίνακας Α), λαμβάνοντας υπόψη την ηλιοφάνεια σε hrs (πίνακας Β). Επίσης μηδενίζει την ηλακή ακτινοβολία α για ημέρες με μηδενική ηλιοφάνεια και εξάγει τις τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα έγγραφο του excel με το όνομα Radiation. Εικόνα 3.8 Όλες οι παραπάνω συναρτήσεις συνδυάζονται για τον υπολογισμό της απόδοσης των συλλεκτών και καλούνται από την συνάρτηση main ( Εικόνα 3.9). Όπως φαίνεται και στον αντίστοιχο κώδικα παρακάτω η συνάρτηση αυτή επιστρέφει μόνο έναν πίνακα, τον H, που περιέχει την απόδοση των συλλεκτών για κάθε μέρα του εκάστοτε μήνα. Στην αρχή της main εισάγονται χειροκίνητα η θερμοκρασία σε C (πίνακαςς Τα), η σχετική υγρασία (πίνακας RH) και η ταχύτητα του ανέμου σε m/s (πίνακας Vwind). Έπειτα υπολογίζονται οι πίνακες G και Kτα από τις ypol_g και angle_modifier αντίστοιχα. Τα δυο πρώτα loop αφορούν τον υπολογισμό της Tsky. Στο πρώτο υπολογίζεται ο πίνακας tdp (σημεία δρόσου για κάθε μέρα του μήνα) με βάση τις τιμές των πινάκων RH και Ta. Προφανώς το μήκος του πίνακα RH (όπως και του Ta) ισούται με τις μέρες του μήνα. Έπειτα με βάση τον υπολογισμένο tdp και τον Ta υπολογίζεται ο Tsky. 30

35 Το διπλό loop που ακολουθεί αποτελεί και το βασικό κομμάτι αφού εδώ υπολογίζεται ουσιαστικά ο πίνακας H με τις αποδόσεις των συλλεκτών. Στον εσωτερικό βρόχο καλείται η ypol_n ptc με ορίσματα τις αντίστοιχες τιμές από τους πίνακες Vwind,Ta,G,Tsky,Kta και επιστρέφει την απόδοση των συλλεκτών για την συγκεκριμένη μέρα. Ο βροχος αυτός εκτελείται για κάθε μέρα του μήνα (length(ta)). Ο εξωτερικός βρόχος είναι αυτός που καθορίζει τις διαστάσεις του πίνακαα H. Αν επλέξουμε μια μόνο γωνία θ για τους συλλέκτες (οπότε μια τιμή στον Kta) ο πίνακας αυτός θα έχει διαστάσεις 1 i, όπου i οι μέρες του μήνα. Αν επιλέξουμε αρκετές τιμές για την γωνία θ των συλλεκτών θα έχουμε και τους αντίστοιχους angle modifiers,δηλαδήή αρκετές τιμές στον Kta (k). Σε αυτή την περίπτωση ο H θα έχει διαστάσεις k i. Ουσιαστικά δηλαδή ο πίνακας H(k,i) περιέχει σε κάθε γραμμή τις ημερίσιες αποδόσεις των συλλεκτών για την επιθυμητή γωνία αυτών. Εικόνα

36 IV.Αποτελέσματα Μετά την εισαγωγή των μετεωρολογικών δεδομένων(7) στις συναρτήσεις του MATLAB που αναλύθηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο παράχθηκαν τα αντίστοιχα δεδομένα, δηλαδή οι αποδόσεις των συλλεκτών σε καθημερινή βάση για όλο τον χρόνο. Τα δεδομένα αυτά παρουσιάζονται παρακάτω αρχικά σε μορφή πινάκων και έπειτα σε μορφή γραφημάτων. Στο τέλος σε ένα συγκεντρωτικό πίνακα δίνονται οι μηνιαίοι μέσοι όροι των αποδόσεων καθώς και ο ετήσιος. Δίνεται και το αντίστοιχο γράφημα. Αρχικά όμως χρειάζεται μια επεξήγηση των περιεχομένων των πινάκων. Κάθε πίνακας περιέχει τα δεδομένα για τον εκάστοτε μήνα, όπως αναφέρεται κάθε φορά. Όλοι οι πίνακες, τόσο για τους PTC όσο και για τους CPC συλλέκτες, αποτελούνται από τις ίδιες πέντε στήλες οι οποίες είναι οι παρακάτω : Days : Όπως λέει και ο τίτλος στη στήλη αυτή έχουμε τις μέρες του μήνα. Radiation : Στη στήλη αυτή παραθέτουμε την ολική προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, για κάθε μέρα, όπως αυτή υπολογίστηκε από την συνάρτηση ypol_g στο MATLAB και τα μετεωρολογικά δεδομένα που μας δόθηκαν. Οι τιμές είναι σε W/m 2. External Dry Temperature : Η εξωτερική θερμοκρασία ξηρού θερμόμετρου για κάθε μέρα όπως μας δόθηκε από τα μετεωρολογικά δεδομένα σε C. Collector Efficiency : Η απόδοση των συλλεκτών σε καθημερινή βάση. Αυτές οι τιμές είναι και το βασικό ζητούμενο της μελέτης μας. Προκύπτουν από τις προαναφερθείσες συναρτήσεις του MATLAB για τους PTC συλλέκτες. SHW Produced : Solar hot water produced. Το ζεστό νερό που παράγεται από τους συλλέκτες και τροφοδοτεί τον ψύκτη, σε W/m 2. Οι τιμές της στήλης προκύπτουν από τον πολλαπλασιασμό μεταξύ Radiation και Collector Efficiency. Επισημαίνουμε ότι κάποιες τιμές στις ημερήσιες αποδόσεις των συλλεκτών είναι αρκετά μεγάλες, στους χειμωνιάτικους μήνες. Αυτές οι τιμές φυσικά δεν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Οφείλονται στο γεγονός ότι τα μετεωρολογικά δεδομένα, που είχαμε στην διάθεσή μας, δεν ήταν αρκετά λεπτομερή και επομένως αξιοποιήσιμα. 32

37 PTC JANUARY Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

38 FEBRUARY Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

39 MARCH Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

40 APRIL Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

41 MAY Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

42 JUNE Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

43 JULY Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

44 AUGUST Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

45 SEPTEMBER Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :

46 OCTOBER Days Radiation External dry Temperature Collector Efficiency SHW Produced Μέση μηνιαία απόδοση :