ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ και ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΑΝΤΕΛΑΚΗΣ Α. ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΘΕΡΙΝΟΥ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ ΜΕ ΤΗ ΣΥΜΒΟΛΗ ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2

3

4

5 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 Ηλιακή ψύξη.... σελ Εισαγωγή σελ Παθητικά συστήματα......σελ Ενεργητικά συστήματα σελ Γιατί Ηλιακή Ψύξη.σελ Μέθοδοι Ηλιακής Ψύξης..σελ Βιβλιογραφία-Αναφορές..σελ.4 Κεφάλαιο 2. Η Ηλιακή Ακτινοβολία...σελ Ο Ήλιος σελ Ακτινοβολίας εξωτερικά της ατμόσφαιρας (Εξωγήινη ακτινοβολία,extraterrestrial Radiation)...σελ Ηλιακή Σταθερά..σελ Φασματική Κατανομή.σελ Διακύμανση ακτινοβολίας σελ Ηλιακός χρόνος...σελ Ηλιακή Γεωμετρία. σελ Ολική ακτινοβολία, άμεση ακτινοβολία και ακτινοβολία διάχυσης..σελ Απόσβεση Ηλιακής Ακτινοβολίας εξαιτίας της ατμόσφαιρας..σελ Βιβλιογραφία-Αναφορές...σελ.14 Κεφάλαιο 3.Ηλιακοί Συλλέκτες....σελ Εισαγωγή σελ Σταθεροί ηλιακοί συλλέκτες..... σελ Συλλέκτες επίπεδης πλάκας (FPC, Flat Plate Collectors)...σελ Σύνθετοι παραβολικοί συλλέκτες (CPC, Compound Parabolic Collectors).σελ Συλλέκτες σωλήνα κενού (ETC, Evacuated Tube Collectors)..σελ Κινούμενοι Ηλιακοί συλλέκτες...σελ Συλλέκτες Παραβολικού Κυλίνδρου (PTC, Parabolic Trough Collector)...σελ Γραμμικός ανακλαστήρας τύπου Fresnel (LFR,Linear Fresnel Reflector) σελ Παραβολικό Δίσκος (Parabolic Dish)..σελ Κεντρικός δέκτης (Central receiver).σελ Ιδιότητες υλικών καλύμματος και απορροφητικού στοιχείο σελ Κάλυμμα.σελ Απορροφητικό στοιχείο.σελ Βιβλιογραφία-Αναφορές...σελ.29 Κεφάλαιο 4 Ψύκτες Απορρόφησης.... σελ Εισαγωγή...σελ.31 i

6 4.2 Βασικές αρχές κύκλων απορρόφησης..σελ Περιγραφή Κύκλων Απορρόφησης...σελ Κλειστοί κύκλοι.σελ Κύκλοι Μονής Επίδρασης (single-effect).....σελ Βασικός Κύκλος...σελ Κύκλος με επιπλέον εναλλάκτες θερμότητας...σελ Θερμοδυναμική Περιγραφή του κύκλου...σελ Αναλυτική περιγραφή κύκλου ψύξης μονής επίδρασης με ζεύγος Αμμωνίας Νερού.....σελ Κύκλοι διπλής επίδρασης. σελ Ανοικτοί κύκλοι.σελ Ρευστά κύκλων Απορρόφησης..σελ Ζεύγος Βρωμιούχου Λίθιου / Νερού ( LiBr / H 2O )...σελ Ζεύγος Αμμωνίας / Νερού ( NH / 3 H 2O )...σελ Βιβλιογραφία αναφορές...σελ.42 Κεφάλαιο 5. Συλλέκτες Παραβολικού Αυλακιού (PTC, Parabolic Trough Collector)..σελ Θερμικές απώλειες...σελ Μοντελοποίηση...σελ Βιβλιογραφία Αναφορές.....σελ.47 Κεφάλαιο 6. Υπολογιστικό μέρος....σελ Εισαγωγή...σελ Κώδικες Matlab απόδοσης κατόπτρου τύπου PTC..... σελ Κύριο μέρος...σελ Επί μέρους συναρτήσεις...σελ Υπολογισμός γωνίας πρόσπτωσης...σελ Υπολογισμός σημείου δρόσου.σελ Αποδόσεις κατόπτρων...σελ Υπολογισμός φορτίων.. σελ Φορτίο Μήνα Μαΐου...σελ Πίνακες τιμών Μαΐου..σελ Εύρεση του διαστήματος εμπιστοσύνης της μέσης θερμοκρασίας με πιθανότητα 90%...σελ Υπολογισμός αναγκών κτηρίου...σελ Υπόλοιποι Μήνες...σελ Διαγράμματα φορτίου υπολοίπων μηνών..σελ Μελέτη κλιματισμού...σελ Επιλογή Ψύκτη Απορρόφησης.σελ Απαιτούμενη επιφάνεια κατόπτρων...σελ Σχεδίαση συστήματος...σελ Βιβλιογραφία Αναφορές...σελ.70 ii

7 Κεφάλαιο Επίλογος...σελ Βιβλιογραφία Αναφορές......σελ.70 Α. Παράρτημα...σελ.71 Α.1. Μετεωρολογικά Δεδομένα...σελ.71 iii

8

9 Κεφάλαιο 1. Ηλιακή Ψύξη 1.1. Εισαγωγή Τα κτήρια αντιπροσωπεύουν ένα από τους κυρίαρχους τομείς ενεργειακής κατανάλωσης στις βιομηχανοποιημένες χώρες. Στην Ευρώπη περίπου το 40% της κατανάλωσης πρωταρχικής ενέργεια οφείλεται σε ανάγκες κτηρίων. Τόσο τα ιδιωτικά όσο και τα εμπορικά κτήρια καταναλώνουν ενέργεια για δραστηριότητες όπως η θέρμανση, το ζεστό νερό, ο κλιματισμός, ο φωτισμός και άλλο ηλεκτρικό - εξοπλισμό. Κατά την διάρκεια των περασμένων δεκαετιών η καταναλισκόμενη ενέργεια για εφαρμογές κλιματισμού αυξήθηκε δραματικά στις περισσότερες βιομηχανοποιημένες χώρες. Το 1996 περίπου GWh πρωταρχικής ενέργειας καταναλώθηκαν από μικρά κλιματιστικά δωματίου μέγιστης ψυκτικής ισχύος έως 12kW. Σύμφωνα με Ευρωπαϊκές μελέτες, η τιμή αυτή πρόκειται να τετραπλασιαστεί και να φτάσει τις GWh μέχρι το Τα στοιχεία δεν περιλαμβάνουν τις κεντρικές εγκαταστάσεις κλιματισμού ή τα συστήματα παγωμένου νερού (chilled water systems) τα οποία γενικά είναι εγκατεστημένα σε μεγάλα εμπορικά κτήρια. Οι κύριοι λόγοι της αυξημένης ενεργειακής ζήτησης για κλιματισμό το καλοκαίρι είναι τα αυξημένα θερμικά φορτία, τα αυξημένα πρότυπα διαβίωσης και απαιτήσεις άνεσης, και τα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά και τάσεις, όπως ο αυξημένος λόγος διάφανων προς αδιαφανών επιφανειών στο περίβλημα του κτηρίου που φτάνει μέχρι και τα διάσημα γυάλινα κτήρια Παθητικά συστήματα Η διατήρηση της ενέργεια σε εφαρμογές κλιματισμού αναφέρεται τόσο σε οικονομικό όσο και σε περιβαλλοντικό επίπεδο, έτσι ώστε να αντιμετωπισθούν τα μειονεκτήματα της συνεχούς αύξησης των ενεργειακών απαιτήσεων για κλιματισμό. Σήμερα, η τεχνογνωσία πάνω στον σχεδιασμό κτηρίων η οποία οδηγεί σε μείωση των ενεργειακών φορτίων είναι ευρέως διαδεδομένη και καλά αναπτυγμένη. Έχουν καθιερωθεί στην πράξη έπειτα και από εκτενείς μελέτες, με στόχο της τεχνολογίας στη μείωση των ψυκτικών αναγκών, για παράδειγμα, εφαρμογές όπως η σκίαση με χρήση εξωτερικών συσκευών, βελτιωμένες ιδέες φυσικού φωτισμού σε συνδυασμό με έξυπνο έλεγχο του τεχνητού και χρήση εξοπλισμού εξοικονόμησης ενέργειας. Ένα ακόμα βήμα έχει γίνει προς την κατεύθυνση της χρήσης φτηνών πηγών ενέργειας, όπως θερμοδεξαμενές, όπως αυτή του εξωτερικού αέρα για ψύξη τις νυχτερινές ώρες, είτε ψύξη με εξάτμιση, ή με ακτινοβολία, είτε ψύξη από το έδαφος με ειδικούς εναλλάκτες θερμότητας. Παρ όλα αυτά, γενικά η ικανότητα ψύξης αυτών των παθητικών (ή φυσικών) εφαρμογών κλιματισμού είναι περιορισμένη και δεν μπορεί να αντεπεξέλθει σε όλων των τύπων τα κτηρία, με διαφορετικές ανάγκες και κλιματικά χαρακτηριστικά το κάθε ένα. 1

10 1.3. Ενεργητικά συστήματα Κατά την διάρκεια των τελευταίων τριάντα χρόνων και ιδιαίτερα της τελευταίας δεκαετίας, το όλο και αυξανόμενο ενδιαφέρον για το περιβάλλον και οι σταθερές προσπάθειες στην έρευνα και στην εξέλιξη του προϊόντος άνοιξαν την αγορά ενεργητικών ηλιακών συστημάτων. Σημαντικές εξελίξεις έχουν πραγματοποιηθεί συμβάλλοντας σε σημαντική εμπειρία με τις μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις ηλιακών συλλεκτών. Παρά την σημαντική και όλο και αυξανόμενη διείσδυση των θερμικών ηλιακών συλλεκτών στην αγορά, το κύριο εμπόδιο στην ευρεία εξάπλωση των εφαρμογών τους σε περιοχές εκτός της παραγωγής ζεστού νερού χρήσης (DHW, domestic hot water) αποτελεί η εποχιακή αναντιστοιχία μεταξύ των απαιτήσεων θέρμανσης και των ηλιακών κερδών. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος απαιτούνται δεξαμενές μακροπρόθεσμης αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Η μεγάλη ανάγκη εποχιακής αποθήκευσης αίρεται σε περίπτωση που μπορούμε να εκμεταλλευθούμε την ηλιακή θερμική ενέργεια σε εφαρμογές κλιματισμού κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, όπως η ψύξη και η αφύγρανση. Το μεγάλο πλεονέκτημα τέτοιου τύπου εφαρμογών είναι ότι τα εποχιακά φορτία που απαιτούνται για ψύξη συμπίπτουν με υψηλή διαθεσιμότητα σε ηλιακή ακτινοβολία. Ο κύριος στόχος της εφαρμογής της ηλιακής ενέργειας για κλιματισμό είναι η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης και δημιουργία μεθόδων κλιματισμού κτηρίων φιλικών προς το περιβάλλον. Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας καθ όλη την διάρκεια του χρόνου τόσο για εφαρμογές θέρμανσης όσο και για ψύξης, βελτιώνει την απόδοση των ηλιακών θερμικών εγκαταστάσεων και των οικονομικών μεγεθών των επενδύσεων των Γιατί Ηλιακή Ψύξη Πρόσφατα το θέμα της Ηλιακής Ψύξης έχει συγκεντρώσει το ενδιαφέρον σε πολλές χώρες. Οι λόγοι για αυτό το ενδιαφέρον είναι πολλοί. Από την μία πλευρά, η συνειδητοποίηση των περιβαλλοντικών προβλημάτων που έχουν δημιουργηθεί από την χρήση ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την οποία τροφοδοτούνται τα συμβατικά συστήματα ψύξης, η χρήση ψυκτικών σε αυτά τα συστήματα τα οποία ενέχουν υψηλό κίνδυνο καταστροφής του όζοντος και/ ή θέρμανσης του πλανήτη, η επίδραση των κλιματιστικών στην αύξηση της ηλεκτρικής ζήτησης σε περιόδους αιχμής και έτσι η μείωση του χρόνου ζωής των δικτύων, η οποία έχει προκαλέσει σοβαρά προβλήματα σε πολλές χώρες. Από την άλλη πλευρά, η παρούσα κατάσταση όσον αφορά τις εφαρμογές της ηλιακής τεχνολογίας είναι πολύ πιο ευνοϊκές από ό,τι τις περασμένες δεκαετίες. Η βιομηχανική παραγωγή των εξαρτημάτων που απαιτούνται τόσο ηλιακών συλλεκτών όσο και φωτοβολταϊκών πάνελ έχει καθιερωθεί σε πολλές χώρες. Αξιόπιστα προϊόντα με βελτιωμένες αποδόσεις και ανταγωνιστικό κόστος είναι διαθέσιμα, τα οποία εγγυώνται την αξιόπιστη παροχή ενέργειας για πολλά χρόνια χωρίς δυσανάλογα κόστη συντήρησης. Ακόμα, τα αυτόματα συστήματα ελέγχου είναι τεχνολογικά εξελιγμένα σε τέτοιο στάδιο που να μπορούν με αποτελεσματικό τρόπο να χειριστούν σύνθετα συστήματα και εγκαταστάσεις αποδοτικά. Επιδοτούμενα προγράμματα για εφαρμογές ηλιακής τεχνολογίας σε πολλές χώρες καταγράφουν την 2

11 πολιτική βούληση για αύξηση της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σαν αντικατάστατο της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων 1.5. Μέθοδοι Ηλιακής Ψύξης Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τρόποι για την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε διεργασίες ψύξης ή κλιματισμού, μια επισκόπηση αυτών φαίνεται στο σχήμα Μία κύρια διάκριση μπορεί να γίνει μεταξύ των θερμικά και των ηλεκτρικά καθοδηγούμενων συστημάτων. Ανάμεσα στα θερμικά καθοδηγούμενα συστήματα μπορεί να γίνει μια ακόμα διάκριση σε θερμομηχανικές διεργασίες και διεργασίες βασισμένες στην μετατροπή θερμότητας. Όλες οι τελευταίες βασίζονται σε αναστρέψιμες θερμο-χημικές αντιδράσεις με σχετικά μικρά ποσά δεσμευμένης ενέργειας. Οι ανοικτοί κύκλοι έρχονται σε επαφή με την ατμόσφαιρα και έτσι πάντα πρέπει να χρησιμοποιείται το νερό ως ψυκτικό. Οι κλειστοί κύκλοι μπορούν να χρησιμοποιούν και άλλα ψυκτικά, όπως αμμωνία. Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε ηλεκτρική χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά πάνελ, και έπειτα να οδηγεί ένα μηχανικό κύκλο συμπίεσης ατμού. Παρ όλα αυτά, στις βιομηχανικές χώρες με καλά εξελιγμένο ηλεκτρικό δίκτυο, η μέγιστη χρήση των φωτοβολταϊκών επιτυγχάνεται με την τροφοδότηση της ηλεκτρικής ενέργεια που προέρχεται από αυτά στο δημόσιο δίκτυο. Από οικονομικής σκοπιάς, υπάρχει ακόμα μεγαλύτερο κίνητρο εάν η τιμή της μονάδας ενέργειας που παράγεται από την ηλιακή ενέργεια είναι μεγαλύτερη από αυτήν που παράγεται από συμβατικές πηγές. Έτσι, τα φωτοβολταϊκά καθοδηγούμενα συστήματα κλιματισμού είναι ελάχιστου ενδιαφέροντος εκτός και αν υπάρχει εφαρμογή αυτών εκτός του δικτύου. Ο ανταγωνισμός μεταξύ των διαφορετικών τύπων ηλιακών τεχνολογιών, όπως φωτοβολταϊκά σε σχέση με ηλιακά θερμικά συστήματα, σε εφαρμογές κλιματισμού, εγείρουν το ερώτημα: είναι πιο κατάλληλη η επιλογή ηλιακώς θερμικά καθοδηγούμενου κλιματισμού ή είναι πιο κατάλληλη η σύνδεση ενός Φ/Β στο δίκτυο και η χρήση ενός συμβατικού κλιματιστικού συστήματος; Κατά το στάδιο της κατασκευής ενός κτηρίου, το παραπάνω ερώτημα θα πρέπει να απαντηθεί λαμβάνοντας υπόψη τόσο την ενεργειακή απόδοση όσο και τα απαραίτητα οικονομικά μεγέθη. 3

12 Σχήμα Επισκόπηση μεθόδων χρήσης ηλιακής ακτινοβολίας για ψύξη ή κλιματισμό. Οι διεργασίες,οι εντόνως σημειωμένες με γκρι: εμπορικώς διαθέσιμες τεχνολογίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για ηλιακά υποβοηθούμενο κλιματισμό. Οι διεργασίες,οι ελαφρώς σημειωμένες με γκρι: τεχνολογία σε πιλοτικό ή δοκιμαστικό στάδιο. 1.6.Βιβλιογραφία-Αναφορές 1) Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings. A Handbook for Planners (Hans-Martin Henning(Ed.), Second revised Edition) 4

13 Κεφάλαιο 2. Η Ηλιακή Ακτινοβολία 2.1.Ο Ήλιος Ο ήλιος είναι μια σφαίρα αποτελούμενη από πυκνή και καυτή αέρια ύλη διαμέτρου m και είναι σε μια μέση απόσταση m από την γη. Όπως φαίνεται από την γη, ο ήλιος περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του περίπου μία φορά κάθε τέσσερις εβδομάδες. Παρ όλα αυτά, δεν περιστρέφεται σαν ένα συμπαγές στερεό σώμα,, αλλά ο ισημερινός περιστρέφεται σε 27 μέρες ενώ οι περιοχές κοντά στους πόλους σε 30 μέρες περίπου. Ο ήλιος έχει μια ενεργή θερμοκρασία μέλανος σώματος στους 5777ºΚ. Η θερμοκρασία στο κεντρικό εσωτερικό του μέρος υπολογίζεται χονδρικώς μεταξύ με 4010 Κ και η πυκνότητά του 100 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του νερού. Ο ήλιος είναι ένας αντιδραστήρας σύντηξης, με τα αέρια που τον απαρτίζουν να αποτελούν το περιέχoν κέλυφος το οποίο συντηρείται εξαιτίας βαρυτικών δυνάμεων. Πολλές αντιδράσεις σύντηξης έχουν προταθεί με επικρατέστερη αυτήν κατά την οποία δύο άτομα υδρογόνου (δηλ. τέσσερα πρωτόνια) ενώνονται σε ένα άτομο ηλίου, η μάζα του ηλίου που προκύπτει είναι λιγότερη από τα τέσσερα αρχικά πρωτόνια και έτσι η απώλεια αυτή της μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια. Η ενέργεια που παράγεται στο εσωτερικό της ηλιακής σφαίρας σε θερμοκρασίες πολλών εκατομμυρίων βαθμών Κ πρέπει να μεταφερθεί στην επιφάνεια και εν συνεχεία να ακτινοβολιθεί στο διάστημα. Μια διαδοχική διαδικασία ακτινοβολίας και συναγωγής συμβαίνει με διαδοχική εκπομπή, απορρόφηση και επανακτινοβόλιση. Η ακτινοβολία στον πυρήνα του ήλιου είναι στο φάσμα των ακτινών Χ και Γαμμα, με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας να μεγαλώνει όσο η θερμοκρασία μειώνεται και η ακτίνα αυξάνει. 5

14 2.2. Ακτινοβολίας έξω από την ατμόσφαιρα (Εξωγήινη ακτινοβολία,extraterrestrial Radiation) Ηλιακή Σταθερά Το σχήμα δείχνει σχηματικά τις γεωμετρικές σχέσης μεταξύ Ήλιου Γης. Σχήμα Σχέσεις μεταξύ Ήλιου - Γης Η εκκεντρότητα της τροχιάς της γης είναι τέτοια ώστε η απόσταση μεταξύ ήλιου και γης να μεταβάλλεται κατά ±1,7%. Σε απόσταση μίας αστρονομικής μονάδας, m (δηλ. την μέση απόσταση ήλιου γης) ο ήλιος είναι απέναντι από ένα σημείο πάνω στην γη κατά μία γωνία 32. Η εκπεμπόμενη από τον ήλιο ακτινοβολία και η χωρική της σχέση στην γη έχει ως αποτέλεσμα μια σχεδόν σταθερή τιμή έντασής της έξω από την ατμόσφαιρα της γης. Η ηλιακή σταθερά, G SC, είναι η ενέργεια στη μονάδα του χρόνου που εκπέμπεται από τον ήλιο και λαμβάνεται από μια επιφάνεια κάθετη στην διεύθυνση της πρόσπτωσής της σε μία μέση απόσταση έξω από την ατμόσφαιρα της γης. Στο παρελθόν οι μετρήσεις για τον καθορισμό της ηλιακής σταθεράς, γίνονταν από όργανα τοποθετημένα στην επιφάνεια της γης, με αποτέλεσμα ένα ποσοστό της ακτινοβολίας να έχει ήδη απορροφηθεί και σκεδαστεί. Αργότερα πρόσθετες μελέτες έγιναν πάνω σε βουνά με μεγάλο υψόμετρο, προσπάθεια που βοήθησε στην καλύτερη εκτίμηση της σταθεράς. Αρχικά η τιμή που δόθηκε για την ηλιακή σταθερά από C.G. 2 Abbot και τους συνεργάτες του ήταν 1322 W / m. Αργότερα ο Johnson[1954] 2 αναθεώρησε αυτήν την τιμή στις 1395W / m. Πολλές ερευνητικές προσπάθειες έγιναν για την εκτίμηση της τιμής της ηλιακής σταθεράς, ενώ παράλληλα υπάρχουν ακόμα και σήμερα διαφωνίες μεταξύ των ερευνητών για τον καθορισμό της τιμής αυτής. Η τιμή της ηλιακής σταθεράς που έχει γίνει γενικώς αποδεκτή είναι W / m, σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Μετεωρολογίας [WMO 1978] 6

15 2.2.2.Φασματική Κατανομή Επιπλέον της συνολικής ενέργειας της ακτινοβολίας ετός της γήινης ατμόσφαιρας (δηλ. ηλιακή σταθερά), είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε την κατανομή της στο φάσμα της συχνότητας. Ένα πρότυπο διάγραμμα για αυτόν τον λόγο έχει συνταχθεί βασισμένο σε μετρήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί σε μεγάλο υψόμετρο και στο διάστημα. Το πρότυπο διάγραμμα του Παγκοσμίου Κέντρου Ακτινοβολίας (World Radiation Center, WRC) φαίνεται στο σχήμα Σχήμα Φάσμα εξωγήινης ακτινοβολίας Διακύμανση ακτινοβολίας Δύο πηγές διακύμανσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας εξωτερικά της ατμόσφαιρας πρέπει να ληφθούν υπόψιν. Η πρώτη είναι διακύμανση στην ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον ήλιο και οφείλεται στην δραστηριότητα των ηλιακών κηλίδων (sunspots). Η οποία όμως για εφαρμογές μηχανικής μπορεί να θεωρηθεί σταθερή. Ενώ η δεύτερη η οποία έχει ως αποτέλεσμα μεταβολές της τάξης του ±3% στην ακτινοβολία οφείλεται στην μεταβολή της απόστασης Ήλιου-Γης. Έτσι, η εξάρτηση της ακτινοβολίας από τον χρόνο δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: G on 360n Gsc ( cos ) (2.1) 365 7

16 όπου G on η ακτινοβολία εξωτερικά της ατμόσφαιρας, η οποία μετράται σε ένα επίπεδο κάθετο στο επίπεδο πρόσπτωσης την n-στή μέρα του χρόνου Ηλιακός χρόνος Ο υπολογισμός της ηλιακής ακτινοβολίας απαιτεί τον υπολογισμό της ακριβούς θέσης του ήλιου ως προς τη θέση μίας επιφάνειας πάνω στην οποία προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία. Ο προσδιορισμός της βασίζεται στον υπολογισμό διαφόρων παραμέτρων που προκύπτουν από την ηλιακή γεωμετρία Σε όλους του υπολογισμούς που σχετίζονται με την ηλιακή ακτινοβολία, χρησιμοποιείται ο πραγματικός ηλιακός χρόνος ( ). H X Η Γη χωρίζεται σε 24 ζώνες. Κάθε μία από αυτές τις ζώνες έχει γεωγραφικό μήκος 15º (δηλαδή 1 ώρα, αφού η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της κατά 15º την ώρα). Για κάθε μία από αυτές τις ζώνες χρησιμοποιείται η ίδια τοπική ώρα. Ο ηλιακός χρόνος ( H X ) δεν συμπίπτει με τον τοπικό χρόνο ( TX ). Συνεπώς, χρειάζεται να γίνονται οι απαραίτητες διορθώσεις σύμφωνα με την σχέση: H X X 4 ( L L t (2.2) T ) (+) στο δυτικό ημισφαίριο και (-) στο ανατολικό ημισφαίριο, όπου L είναι ο μεσημβρινός για τη ζώνη χρόνου της περιοχής, L είναι ο τοπικός μεσημβρινός. Επίσης, μπορεί να χρειαστεί και μία ακόμα διόρθωση του τοπικού χρόνου για τη θερινή ώρα. Η παράμετρος t υπολογίζεται από την εξίσωση του χρόνου, με την οποία λαμβάνεται υπ όψη η ελλειπτική τροχιά και η εκκεντρότητα της τροχιάς της Γης γύρω από τον ήλιο. Η εξίσωση του χρόνου (εξίσωση του Watt) υπολογίζεται σε λεπτά. Χρησιμοποιώντας τη σχέση: 9.87 sin(2b) 7.53cos( B) 1.5sin( B) (2.3) t όπου B 360 ( D 81) (2.4) 364 και D είναι η μέρα του χρόνου Ηλιακή Γεωμετρία Ο υπολογισμός της ηλιακής ακτινοβολίας που τελικά φτάνει στην επιφάνεια της Γης, βασίζεται σε διάφορες τριγωνομετρικές σχέσεις μεταξύ της θέσης του ήλιου στον ουράνιο θόλο και τις συντεταγμένες μίας επιφάνειας πάνω στη Γη. Παρακάτω δίνονται οι κυριότερες παράμετροι: 8

17 Ωριαία γωνία (ω). Η γωνιακή μετατόπιση του ήλιου ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού (θέση του ήλιου στις 12 το μεσημέρι είναι η μεσημβρία δηλαδή το μέσο της ημέρας σε πραγματικό ηλιακό χρόνο) εκφράζεται με την ωριαία γωνία. Η ωριαία γωνία είναι μηδέν την μεσημβρία και έχει αρνητικές τιμές το πρωί και θετικές το απόγευμα. Ζενιθιακή γωνία ( ). Είναι η γωνία που σχηματίζουν οι ακτίνες του ήλιου με την κάθετο σε μία οριζόντια επιφάνεια σε ένα σημείο πάνω στην επιφάνεια της Γης(σχήμα 2.4.2). Η ζενιθιακή γωνία υπολογίζεται από την σχέση: cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) cos( ) cos( ) sin( a ) (2.5) όπου,φ το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής, ω η ωριαία γωνία για την δεδομένη χρονική στιγμή, και δ η ηλιακή απόκλιση η οποία υπολογίζεται για κάθε μέρα του χρόνου (D). Ηλιακή απόκλιση (δ). Είναι η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της ευθείας που ενώνει τα κέντρα Γης και Ήλιου με το εκλειπτικό επίπεδο του Ισημερινού. Η γωνία αυτή μεταβάλλεται συνεχώς και είναι μηδενική στις Ισημερίες ενώ παίρνει τις μέγιστες κατ απόλυτο τιμές της στο θερινό (+23,5º) και στο χειμερινό ηλιοστάσιο(-23,5º) (σχήμα 2.4.1). s Σχήμα Φαινομενική πορεία του ήλιου γύρω από τη Γη Κατά την διάρκεια ενός 24ώρου, η μέγιστη μεταβολή της (δ) είναι μικρότερη από 0,5º. Συνεπώς, εάν η ηλιακή απόκλιση θεωρηθεί σταθερή για 24 ώρες, έχουμε ένα μέγιστο σφάλμα στους υπολογισμούς των άλλων ηλιακών γωνιών μεγέθους 0,5º. Ο υπολογισμός του (δ) μπορεί να γίνει με μεγάλη ακρίβεια με την εξίσωση του Spencer(1971): 9

18 (0, , cos( ) sin( ) 0, cos( ) cos(3) 0,00148sin(3)) (180/ ) (2.6) ό 2 ( D 1) / 365 ( rad) (2.7) Απλούστερες σχέσεις, επιτυγχάνοντας ικανοποιητική ακρίβεια υπολογισμών, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν όπως αυτές των Cooper (1969): sin[360 ( D 284) / 365] (2.8) και Perrin de Brichambaut (1975): sin 1 {0.4 sin[360 ( D 82) / 365] (2.9) Ηλιακό ύψος ( a s ). Είναι το γωνιακό ύψος του ήλιου πάνω από τον ορίζοντα o o του παρατηρητή (σχήμα )( 0 as 90 ) και ισχύει ότι: a s 90 Αέρια μάζα (m). Η αέρια μάζα της ατμόσφαιρας την οποία πρέπει να διατρέξει η ηλιακή ακτινοβολία κατά την πορεία της μέσα από την ατμόσφαιρα είναι μια βασική παράμετρος που καθορίζει την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης. Η αέρια μάζα (m) είναι το πηλίκο του οπτικού πάχους της ατμόσφαιρας διαμέσου του οποίου περνά η άμεση ακτινοβολία ως προς το οπτικό πάχος της ατμόσφαιρας όταν ο ήλιος βρίσκεται στο ζενίθ. Εάν υποθέσουμε ότι η Γη είναι ένα επίπεδο με μία ομοιογενή και με χωρίς διάθλαση ατμόσφαιρα, τότε μπορούμε να υπολογίσουμε την αέρια μάζα σε σχέση με το ύψος του ήλιου ως εξής: m 1/ sin a s (2.10) Όσο μεγαλύτερο είναι το πάχος της ατμόσφαιρας διαμέσου της οποίας πρέπει να περάσει η ηλιακή ακτινοβολία, τόσο μεγαλύτερες είναι οι απώλειες λόγω της εξασθένισης της ηλιακής ακτινοβολίας.. Όταν ο ήλιος είναι χαμηλά στον ορίζοντα, το πάχος της ατμόσφαιρας είναι μεγαλύτερο, συνεπώς η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης είναι μικρότερη. Το σφάλμα του υπολογισμού της αέριας μάζας με την παραπάνω σχέση είναι 0,25% μέχρι <60º και φτάνει το 10% για =85º. Όταν η καμπυλότητα της ατμόσφαιρας είναι σηματνική, δηλαδή σε χαμηλά ηλιακά ύψη ( a s ), τότε προτιμάται ο υπολογισμός από πίνακες. Αζιμούθια γωνία ήλιου ( s ). Ορίζεται μεταξύ του επιπέδου του μεσημβρινού και του παρατηρητή (δηλ. τον νότιο προσανατολισμό) και του επιπέδου της o o προβολής του ήλιου πάνω στην απιφάνεια της γης ( 0 s 180 ) με αρνητικές τιμές στα ανατολικά και με θετικές τιμές στα δυτικά, ενώ ισούται με μηδέν όταν ο ήλιος βρίσκεται ακριβώς στον νότο (σχήμα ). 10

19 Σχήμα Ηλιακή Γεωμετρία Η μέχρι τώρα παρουσίαση αναφέρεται σε οριζόντιες επιφάνειες. Σε πολλές περιπτώσεις όμως, οι εφαρμογές αναφέρονται σε κεκλιμένες επιφάνειες και με συγκεκριμένο προσανατολισμό. Η κλίση της επιφάνειας σε σχέση με την οριζόντια επιφάνεια ορίζεται από την γωνία κλίσης (β), ενώ ο προσανατολισμός της καθορίζεται με το αζιμούθιο (γ) (σχήμα ) που είναι η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της καθέτου στην επιφάνεια του τοπικού μεσημβρινού (νότιος προσανατολισμός) πάνω στο οριζόντιο επίπεδο. Το αζιμούθιο είναι μηδέν στον νότιο προσανατολισμό, με αρνητικές τιμές προς την ανατολή και θετικές προς την δύση. Η γωνία πρόσπτωσης (θ) της ηλιακής ακτινοβολίας, πάνω σε μία κεκλιμένη επιφάνεια (σχήμα ), καθορίζει την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Σχήμα Προσπίπτουσα γωνία ακτινοβολίας σε επιφάνεια με κλίση β Η γωνία πρόσπτωσης είναι η γωνία που ορίζεται μεταξύ της καθέτου στην επιφάνεια και της διεύθυνσης της ακτινοβολίας. Υπολογίζεται από τις σχέσεις: cos sin sin cos sin cos sin cos cos cos cos cos cos sin sin cos cos cos sin sin sin (2.11.α) cos sin sin cos sin sin cos sin cos cos sin s s s s s (2.11.β) 11

20 cos cos sin sin sin cos( ) cos cos( ) cos cos sin( )sin s (2.11.γ) (2.11.δ) 2.5. Ολική ακτινοβολία, άμεση ακτινοβολία και ακτινοβολία διάχυσης Η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης, χωρίζεται στην άμεση και 2 διάχυτη ακτινοβολία. Η στιγμιαία ένταση ηλιακής ακτινοβολίας μετριέται σε W / m. Χρησιμοποιείται συνήθως το σύμβολο G, με κατάλληλους δείκτες σε περίπτωση που αναφερόμαστε στη άμεση (b, beam) ή στη διάχυτη (d, diffuse) ακτινοβολία. Η προσπίπτουσα ενέργεια σε μία επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας, για μία χρονική 2 περίοδο (π.χ. μία ώρα ή μία ημέρα), μετριέται σε J / m. Χρησιμοποιείται συνήθως το σύμβολο I για τις ωριαίες τιμές και το σύμβολο H για ημερήσιες τιμές με κατάλληλου δείκτες. Άμεση ακτινοβολία ( Gb ή Ib ή H b ). Ορίζουμε την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της Γης με ελάχιστη ή χωρίς σκέδαση στην ατμόσφαιρα. Η άμεση ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε μία επιφάνεια εξαρτάται από: την απορρόφηση και διάχυση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα, το ύψος του ήλιου, το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, το υψόμετρο του τόπου, την κλίση της επιφάνειας, την απόσταση ήλιου Γης, την απόκλιση του ήλιου. Διάχυτη ακτινοβολία ( Gd ή I d ή H d ). Ορίζουμε την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της Γης αφού έχει αλλάξει η διεύθυνσή της από ανάκλαση ή σκέδαση στην ατμόσφαιρα, και από ανάκλαση στην επιφάνεια της Γης. Η διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία εξαρτάται από: το ύψος του ήλιου, το υψόμετρο του τόπου, τη λευκαύγια (δηλαδή το συντελεστή ανάκλασης της επιφάνειας) του εδάφους, το ποσό και το είδος των νεφών, το ποσό και το είδος των σωματιδίων και των αερίων της ατμόσφαιρας. Ολική ακτινοβολία (G ή I ή H). Ορίζουμε το άθροισμα της άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Για μία οριζόντια επιφάνεια ισχύει, 12

21 για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ωριαίες τιμές της άμεσης και διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας : I I b I d (2.12) Το ίδιο ισοζύγιο ισχύει χρησιμοποιώντας τις αντίστοιχες τιμές και για άλλες χρονικές περιόδους, δηλαδή στιγμιαίες εντάσεις ή ημερήσιες τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας Απόσβεση Ηλιακής Ακτινοβολίας εξαιτίας της ατμόσφαιρας Η ηλιακή ακτινοβολία σε κάθετη πρόπτωση σε μία επιφάνεια πάνω στην επιφάνεια της γης υπόκειται σε ίδιες αιτίες διακύμανσης,όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενα, με την ακτινοβολία που προσπίπτει εξωτερικά της ατμόσφαιρας και σε δύο επί πρόσθετα και πιο σημαντικά φαινόμενα, αυτά (1) της ατμοσφαιρικής σκέδασης από μόρια του αέρα, νερού και σκόνης και (2) της ατμοσφαιρικής απορρόφησης από το O3, το H 2 O και το CO 2. Η σκέδαση της ακτινοβολίας κατά την διαδρομή της μέσα από την ατμόσφαιρα οφείλεται σε αλληλεπιδράσεις αυτής με μόρια του αέρα, νερού (ατμού ή σταγονίδια), και σκόνης. Ο βαθμός της σκέδασης είναι συνάρτηση του μήκους της διαδρομής μέσω της οποίας η ακτινοβολία περνάει και του μεγέθους των σωματιδίων σχετικά με το λ, το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Το μήκος της διαδρομής μέσω της οποία η ακτινοβολία περνάει μετράται με την αέρια μάζα (m). Ο αριθμός των μορίων του νερού και της σκόνης που συναντά η ακτινοβολία κατά το πέρασμά της εξαρτάται λοιπόν τόσο από την αέρια μάζα όσο και από τις ποσότητες σκόνης και υγρασίας της ατμόσφαιρας οι οποίες είναι συνάρτηση της συγκεκριμένης περιοχής και της ώρας. Η απορρόφηση της ακτινοβολίας στο φάσμα της ηλιακής ενέργεια οφείλεται κυρίως στο όζον για το φάσμα της υπεριώδους ακτινοβολίας και στο νερό και διοξείδιο του άνθρακα για το φάσμα της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Υπάρχει σχεδόν απόλυτη απορρόφηση των χαμηλού-μήκους κύματος ακτινοβολιών από το όζον στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας σε μήκη κύματος μικρότερα από 0,29μm. Η απορρόφηση του όζοντος μειώνεται όσο αυξάνεται το λ σε τιμές μεγαλύτερες από 0,29μm, ενώ σε μεγαλύτερες τιμές από 0,35μm είναι μηδενική. Υπάρχει επίσης μια ασθενής ζώνη απορρόφηση του όζοντος κοντά στα 0,6μm. Οι υδρατμοί απορροφούν κυρίως στο φάσμα της υπέρυθρης ακτινοβολίας με ισχυρές απορροφητικές ζώνες με κέντρα στα 1.0,1.4 και 1.8μm. Πέρα από τα 2.5μm, η περατότητα της ατμόσφαιρας είναι μικρή εξαιτίας της απορρόφησης από το H 2 O και το CO 2. Εξάλλου, η ενέργεια στο φάσμα της ακτινοβολίας της εξωτερικά από την ατμόσφαιρα για λ μεγαλύτερα από 2,5μm είναι λιγότερη από 5% της ολικής ενέργειας, έτσι και η ενέργεια που λαμβάνεται από το έδαφος για αυτά τα μήκη κύματος είναι πολύ μικρή 13

22 Έτσι, η κάθετη ακτινοβολία που προσπίπτει στην ατμόσφαιρα της γης έχει φασματική κατανομή όπως αυτή φαίνεται στο σχήμα σχήμα Όμως το φάσμα των ακτινών Χ και των άλλων πολύ χαμηλού μήκους ακτινοβολιών απορροφάται σε μεγάλο υψόμετρο στην ιονόσφαιρα από το άζωτο, το οξυγόνο και τα άλλα συστατικά της ατμόσφαιρας. Το μεγαλύτερο μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας απορροφάται από το όζων. Σε μήκη κύματος μεγαλύτερα από 2.5μm, ένα συνδυασμός μικρή εξωγήινης ακτινοβολίας και ισχυρής απορρόφησης από το CO 2 έχει ως αποτέλεσμα μικρά ποσά ενέργεια να φτάνουν στο έδαφος. Έτσι, από την σκοπιά των εφαρμογών στην επιφάνεια της γης, μόνο η ακτινοβολία σε μήκη κύματος μεταξύ 0,29 και 2,5 μm πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν Βιβλιογραφία-Αναφορές 1) Solar engineering of thermal processes (2 nd Edition, J.A.Duffie- W.a.Beckman,Wiley 1991) 2) Συμβατικές & Ήπιες μορφές ενέργεια (Κ.Α. Μπαλάρας-Α.Α.Αργυρίου- Φ.Ε.Καραγιάννης,Αθήνα 2006) 14

23 Κεφάλαιο 3.Ηλιακοί Συλλέκτες 3.1. Εισαγωγή Οι συλλέκτες ηλιακής ενέργειας είναι ειδικοί τύποι εναλλακτών θερμότητας οι οποίοι μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε εσωτερική ενέργεια ενός ρευστού μέσου. Το κυριότερο κομμάτι ενός ηλιακού συστήματος είναι οι ηλιακοί συλλέκτες. Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι συσκευές οι οποίες απορροφούν την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία, την μετατρέπουν σε θερμότητα και εν συνεχεία μεταφέρουν την θερμότητα αυτή σε ένα ρευστό ( συνήθως αέρας, νερό ή λάδι ) που ρέει διαμέσου αυτών. Η ηλιακή ενέργεια, που λαμβάνεται κατ αυτόν τον τρόπο, μεταφέρεται από το κυκλοφορούν ρευστό είτε άμεσα στο ζεστό νερό ή στον κλιματιζόμενο χώρο, είτε σε μία δεξαμενή αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, από την οποία μπορεί να αντληθεί για χρήση τις νυχτερινές ώρες και /ή τις μέρες που έχει συννεφιά. Υπάρχουν βασικά δύο τύποι ηλιακών συλλεκτών : οι μη-συγκεντρωτικοί ή σταθεροί και οι συγκεντρωτικοί. Ένας μη-συγκεντρωτικός συλλέκτης έχει την ίδια περιοχή τόσο για να λαμβάνει όσο και για να απορροφά ηλιακή ακτινοβολία, ενώ ένας συγκεντρωτικός συλλέκτης ο οποίος ακολουθεί τον ήλιο έχει συνήθως κοίλες ανακλαστικές επιφάνειες για να λαμβάνει την άμεση ηλιακή ακτινοβολία ( beam radiation) και να την συγκεντρώνει σε μια επιφάνεια λήψης (απορρόφησης), αυξάνοντας έτσι την ροή ακτινοβολίας. Ένας μεγάλος αριθμός διαφόρων τύπων ηλιακών συλλεκτών είναι διαθέσιμος στην αγορά. Παρακάτω δίνεται ένας χαρακτηριστικός πίνακας στον οποίο φαίνονται το είδος παρακολούθησης του κάθε συλλέκτη (tracking mode), ο τύπος του, το είδος του απορροφητικού στοιχείου του, ο λόγος συγκέντρωσης (Concentration ratio) και ένα ενδεικτικό εύρος της θερμοκρασία λειτουργίας του ρευστού που ρέει διαμέσου του απορροφητικού στοιχείου. Πίνακας Τυπικά είδη συλλεκτών 15

24 3.2.Σταθεροί ηλιακοί συλλέκτες Οι συλλέκτες ηλιακής ενέργειας διακρίνονται βάση της κίνησης του συστήματος παρακολούθησης της φαινομενικής πορείας της ηλιακής σφαίρας στον ουράνιο θόλο, (δηλ. σταθεροί, ενός άξονα και δύο αξόνων) και της θερμοκρασίας λειτουργίας τους. Αρχικά εξετάζονται οι σταθεροί ηλιακοί συλλέκτες. Αυτού του τύπου οι συλλέκτες είναι μόνιμα στερεωμένοι σε μία θέση και δεν χρησιμοποιούν κάποιο σύστημα παρακολούθησης. Τρεις τύποι συλλεκτών ανήκουν στην παραπάνω κατηγορία: 1. Συλλέκτες επίπεδης πλάκας (FPC, Flat Plate Collectors) 2. Σταθεροί σύνθετοι παραβολικοί συλλέκτες (CPC, Compound Parabolic Collectors) 3. Συλλέκτες σωλήνα κενού (ETC, Evacuated Tube Collectors) Συλλέκτες επίπεδης πλάκας (FPC, Flat Plate Collectors) Ένας τυπικός συλλέκτης επίπεδης πλάκας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (σχήμα ) Σχήμα Σχηματική άποψη FPC Όταν η ηλιακή ακτινοβολία περνά διαμέσου του διάφανου καλύμματος (Glazing) και προσπίπτει πάνω σε μια μαυρισμένη απορροφητική πλάκα επιλεκτικού υλικού 16

25 επιφανείας (absorber plate with selective finish), ένα μεγάλο μέρος αυτής της ακτινοβολίας απορροφάται από την πλάκα και έπειτα μεταφέρεται στο ρευστό που ρέει μέσα στους σωλήνες (copper risers), το οποίο εν συνεχεία οδηγείται είτε για αποθήκευση είτε για χρήση. Οι σωλήνες που ρέει το υγρό μπορούν είτε να συγκολληθούν είτε να αποτελούν ένα ενιαίο κομμάτι με την πλάκα. Οι σωλήνες αυτοί επίσης συνδέονται και στα δύο τους άκρα με συλλέκτες (header tubes). Το διαφανές κάλυμμα χρησιμοποιείται για την μείωση των απωλειών συναγωγής από την πλάκα απορρόφησης μέσω του περιορισμού του στάσιμου στρώματος αέρα μεταξύ της πλάκας απορρόφησης και του γυαλιού. Μειώνει επίσης και τις απώλειες ακτινοβολίας από τον συλλέκτη αφού το γυαλί είναι μεν διάφανο για την χαμηλού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία αλλά εμφανίζεται σχεδόν αδιαφανές για την μεγάλου μήκους κύματος θερμική ακτινοβολία (υπέρυθρη ακτινοβολία, IR) η οποία εκπέμπεται από την πλάκα απορρόφησης (φαινόμενο του θερμοκηπίου). Οι FPC είναι συνήθως σταθερά στερεωμένοι σε δεδομένο προσανατολισμό και δεν απαιτούν σύστημα παρακολούθησης του ήλιου. Οι συλλέκτες πρέπει να προσανατολίζονται προς τον ισημερινό, βλέποντας νότια για το βόριο ημισφαίριο και βόρια για το νότιο ημισφαίριο. Η ιδανική κλίση, που πρέπει να έχουν, ισούται με το γεωγραφικό πλάτος (latitude) της περιοχής που θα τοποθετηθούν με μια διακύμανση της γωνίας περίπου με 10 15,αναλόγως της εφαρμογής. Ένα FPC γενικά αποτελείται από τα ακόλουθα εξαρτήματα όπως αυτά φαίνονται και στο σχήμα Υαλοπίνακα: Ένα ή και περισσότερα στρώματα γυαλιού ή άλλου διαθερμικού (radiation-transmitting) υλικού Σωλήνες, πτερύγια ή περάσματα: βοηθούν στην αγωγή και στην κατεύθυνση του υγρού από την είσοδο στην έξοδο. Απορροφητική πλάκα: Επίπεδη, κυματοειδής ή αυλακωτή πάνω στην οποία οι σωλήνες, τα πτερύγια ή τα περάσματα είναι συνδεδεμένα. Η πλάκα μπορεί να είναι και ακέραια με τους σωλήνες. Διανομείς ή manifolds: για την υποδοχή ή απόρριψη του ρευστού. Θερμομόνωση: για την ελαχιστοποίηση των απωλειών θερμότητας από την πίσω και την πλαϊνή πλευρά του συλλέκτη. Θήκη: για συγκράτηση και προστασία των προηγούμενων εξαρτημάτων από σκόνη υγρασία κ.λ.π. Σχήμα Αποτελούμενα μέρη ενός FPC 17

26 Μια μεγάλη ποικιλία από FPC έχουν κατασκευαστεί με διαφορετική σχεδίαση και υλικά. Έχουν χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση υγρών όπως νερού, νερού σε συνδυασμό με πρόσθετα αντιπηκτικά ή αέρα. Ο κύριος τους σκοπός είναι να συγκεντρώσουν όση περισσότερη ηλιακή ενέργεια γίνεται στο χαμηλότερο δυνατό κόστος. Οι συλλέκτες πρέπει επίσης να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, ανεξάρτητα από τις αντίθετες συνέπειες της υπεριώδους ακτινοβολίας του ήλιου, της διάβρωσης και του εμφράγματος εξαιτίας της οξύτητας, αλκαλικότητας ή σκλήρυνσης του θερμαινόμενου υγρού, πήξης του νερού ή εναπόθεσης σκόνης υγρασίας στην επιφάνεια του υαλοπίνακα είτε σπάσιμο αυτού εξαιτίας θερμικής διαστολής, χαλαζιού, βανδαλισμού κ.λ.π Σύνθετοι παραβολικοί συλλέκτες (CPC, Compound Parabolic Collectors) Οι σύνθετοι παραβολικοί συλλέκτες ανήκουν στην κατηγορία των non-imaging συλλεκτών. Έχουν την δυνατότητα να αντανακλούν στον απορροφητή όλη την προσπίπτουσα ακτινοβολία εντός ευρέων ορίων της γωνίας που αυτή προσπίπτει πάνω στον συλλέκτη. Οι ανάγκες για κίνηση του συλλέκτη έτσι ώστε να λαμβάνει υπόψιν τις αλλαγές στον ηλιακό προσανατολισμό μπορούν να μειωθούν χρησιμοποιώντας τις τομές δύο παραβολών την μία απέναντι στην άλλη όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (σχήμα ) Σχήμα Τομή ενός CPC με κυλινδρικό απορροφητή Οι CPCs μπορούν να δεχτούν την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία για ένα μεγάλο εύρος γωνιών πρόπτωσης (Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. c ). Χρησιμοποιώντας πολλαπλές εσωτερικές ανακλάσεις, οποιαδήποτε ακτινοβολία εντός των ορίων της c (γωνίας υποδοχής), μπορεί να φτάσει το στοιχείο απορρόφησης, το οποίο μπορεί να είναι κυλινδρικό (σχήμα ), επίπεδο κ.α. Εφόσον το ανώτερο τμήμα των παραβολών συμμετέχουν ελάχιστα μπορούν να κοπούν και να σχηματίσουν μικρότερους σε μέγεθος CPCs (truncated).ακόμα τα CPCs συνήθως καλύπτονται με γυαλί για την αποφυγή της εισόδου σκόνης και άλλων 18

27 υλικών και συνεπακόλουθη μείωσης της αντανακλαστικότητας των επιφανειών των παραβολών των Συλλέκτες σωλήνα κενού (ETC, Evacuated Tube Collectors) Ένας συλλέκτη εκκενωμένου σωλήνα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (σχήμα ) Ο ETC χρησιμοποιεί την εναλλαγή της υγρής - αέριας φάσης για την μεταφορά θερμότητας με υψηλή απόδοση. Περιέχει ένα σωλήνα θερμότητας τοποθετημένο μέσα σε ένα εκκενωμένο σωλήνα. Ο σωλήνα, ο οποίος είναι ένας σφραγισμένος σωλήνας χαλκού, είναι συγκολλημένος με πτερύγιο χαλκού που συμπληρώνει τον κενό χώρο (πλάκα απορρόφησης). Η προεξοχή της μεταλλικής κορυφής συνδέεται με τον σφραγισμένο σωλήνα (συμπυκνωτής). Ο σωλήνας θερμότητας περιέχει μια μικρή ποσότητα υγρού (π.χ. μεθανόλης), η οποία υπόκειται σε κύκλο εξάτμισης συμπύκνωσης. Σε αυτόν τον κύκλο η ηλιακή ακτινοβολία εξατμίζει το υγρό, το οποίο στην συνέχεια συμπυκνώνεται και απελευθερώνει την λανθάνουσα θερμότητά του στο ρευστό. Σχήμα Συλλέκτης εκκενωμένου σωλήνα 19

28 3.3. Κινούμενοι Ηλιακοί συλλέκτες Η θερμοκρασία της ενέργειας που προσλαμβάνεται μπορεί να αυξηθεί μειώνοντας την επιφάνεια η οποία παρουσιάζει απώλεια θερμότητας. Θερμοκρασίες πολύ μεγαλύτερες από αυτές που είναι εφικτές με τους FPCs μπορούν να επιτευχθούν εφόσον ένα μεγάλο μέρος της ηλιακή ακτινοβολίας συγκεντρωθεί σε μία σχετικώς μικρή επιφάνεια συλλογής. Αυτό γίνεται με παρεμβολή μιας οπτικής συσκευής μεταξύ της πηγής της ακτινοβολίας και την επιφάνειας που την απορροφά. Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες έχουν κάποια πλεονεκτήματα συγκρινόμενοι με τους επίπεδους συλλέκτες. Τα κύρια από αυτά είναι: 1. Το ρευστό εργασίας μπορεί να φτάσει σε υψηλότερες θερμοκρασίες σε ένα συγκεντρωτικό σύστημα, συγκρινόμενο με αυτές ενός συστήματος επίπεδου συλλέκτη. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα μπορεί να πετύχει υψηλότερο θερμοδυναμικό βαθμό απόδοσης. 2. Είναι πιθανό, με ένα συγκεντρωτικό σύστημα να πετύχουμε εξίσωση της θερμοκρασίας εξόδου με αυτήν που χρειάζεται κάποια εφαρμογή. 3. Η θερμική απόδοση είναι μεγαλύτερη εξαιτίας της μικρότερης επιφάνειας από την οποία πραγματοποιούνται απώλειες θερμότητας, σε σχέση με την επιφάνεια του δέκτη. 4. Οι ανακλαστικές επιφάνειες απαιτούν λιγότερο υλικό και είναι δομικά απλούστερες από ένα FPC.Για ένα συγκεντρωτικό συλλέκτη το κόστος ανά μονάδα συλλεκτικής επιφάνειας είναι μικρότερο σε σχέση με ενός FPC. 5. Εξαιτίας της μικρής επιφάνειας του απορροφητικού στοιχείου ανά μονάδα επιφάνειας συλλέκτη, τεχνικές όπως, χρήση επιλεκτικών επιφανειών και μόνωση μέσω κενού έτσι ώστε να μειωθούν οι απώλειες θερμότητας, είναι οικονομικά δυνατές. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα, τα κύρια μειονεκτήματα τους είναι: 1. Τα συγκεντρωτικά συστήματα συλλέγουν ελάχιστη ακτινοβολία διάχυσης ανάλογα με τον λόγο συγκέντρωσής τους 2. Κάποιο είδος μηχανισμού παρακολούθησης της φαινομενικής πορείας του Ήλιου στον ουράνιο θόλο είναι απαραίτητο. 3. Οι ηλιακοί ανακλαστήρες μπορεί να χάσουν την ανακλαστική τους ικανότητα με την πάροδο του χρόνου και έτσι είναι απαραίτητο το περιοδικό καθάρισμα και αναστίλβωση αυτών. Πολλά σχέδια συγκεντρωτικών συλλεκτών έχουν συζητηθεί. Μπορεί να χρησιμοποιούν ανακλαστήρες ή διαθλαστικούς φακούς, μπορεί να είναι κυλινδρικοί ή παραβολικοί και επίσης μπορεί να είναι συνεχείς ή τμηματικοί. Οι δέκτες μπορεί να είναι κυρτοί, επίπεδοι, κυλινδρικοί ή κοίλοι. Ο λόγος συγκέντρωσης δηλ. ο λόγος της επιφάνειας του ανοίγματος του ανακλαστήρα προς την επιφάνεια του στοιχείου απορρόφησης, μπορεί να ποικίλει από μικρές τιμές όπως η μονάδα έως πολύ υψηλότερες όπως Αυξημένοι λόγοι ισοδυναμούν με αυξημένες θερμοκρασίες ρευστού αλλά συνεπακόλουθα και αυξημένες ανάγκες στο σύστημα παρακολούθησης αφού θα πρέπει να ακολουθεί το ήλιο με μεγαλύτερη ακρίβεια. 20

29 Μέθοδοι Παρακολούθησης Εξαιτίας της φαινομενικής πορείας του ήλιου στο ουράνιο θόλο, συμβατικοί συγκεντρωτικοί ανακλαστήρες πρέπει να ακολουθούν το ήλιο καθ όλη την διάρκεια της μέρας. Υπάρχουν δύο μέθοδοι σύμφωνα με τις οποίες ο ήλιος μπορεί εύκολα να παρακολουθηθεί. Η πρώτη είναι η διαξονική ή αζιμουθιακή μέθοδος (two axes ή altazimuth method) η οποία απαιτεί από την συσκευή παρακολούθησης να ακολουθεί τον ήλιο σε δύο άξονες (αζιμούθιο και γεωγραφικό πλάτος), όταν εφαρμόζεται κατάλληλα ακολουθεί το ήλιο ακριβώς. Οι παραβολοειδής ηλιακοί συλλέκτες υιοθετούν γενικά αυτήν τη μέθοδο. Η δεύτερη μέθοδος παρακολούθησης του ήλιου είναι η μονοαξονική παρακολούθηση του ήλιου. Σε αυτήν ο συλλέκτης μπορεί να τοποθετηθεί με Βόριο Νότιο, ή με Ανατολικό - Δυτικό προσανατολισμό. Παρακάτω (Πίνακα ) δίνονται οι γωνίες πρόσπτωσης για κάθε μέθοδο συστήματος παρακολούθησης. Πίνακας Τρόποι παρακολούθησης Τριγωνομετρικές σχέσεις Οι μηχανισμοί παρακολούθησης ποικίλουν από απλούς σε πολύ σύνθετους. Μπορούν να χωριστούν σε δύο ευρείες κατηγορίες, ήτοι μηχανικοί και ηλεκτρικοί/ ηλεκτρονικοί. Οι ηλεκτρονικοί μηχανισμοί γενικά επιδεικνύουν βελτιωμένη αξιοπιστία και ακρίβεια. Αυτοί μπορούν να χωριστούν περαιτέρω σε : 1. Μηχανισμούς που εισάγουν κινητήρες, οι οποίοι ελέγχονται ηλεκτρονικά από αισθητήρες, οι οποίοι εντοπίζουν το μέγεθος της ηλιακής ακτινοβολίας 2. Μηχανισμούς που χρησιμοποιούν κινητήρες ελεγχόμενους από υπολογιστή με έλεγχο ανάδρασης,η οποία παρέχεται από αισθητήρες που μετράνε την ροή της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες κατηγοριοποιούνται επίσης σε imaging και non-imaging συλλέκτες ανάλογα με το αν εστιάζουν την ηλιακή ακτινοβολία στο απορροφητικό στοιχείο η όχι αντίστοιχα. Για παράδειγμα οι CPCs είναι non-imaging συλλέκτες αφού δεν εστιάζουν την ηλιακή ακτινοβολία αλλά χρησιμοποιούν το φαινόμενο των πολλαπλών ανακλάσεων της ακτινοβολίας πάνω στα παραβολικά 21

30 τοιχώματα έτσι ώστε αυτή εν τέλει να πέσει πάνω στο στοιχείο απορρόφησης περισσότερα πάνω στις οπτικές και θερμικές ιδιότητες των CPCs ο αναγνώστης μπορεί να βρεί στις αναφορές [2,3].Στην κατηγορία των imaging συλλεκτών ανήκουν οι εξής τύποι: 1. Συλλέκτες Παραβολικού Κυλίνδρου (PTC, Parabolic Trough Collector) 2. Γραμμικός ανακλαστήρας τύπου Fresnel (LFR,Linear Fresnel Reflector) 3. Παραβολικό δίσκου (Parabolic Dish) 4. Κεντρικός δέκτης (Central receiver) Συλλέκτες Παραβολικού Κυλίνδρου (PTC, Parabolic Trough Collector) Εφόσον είναι αναγκαία η διανομή ρευστού υψηλής θερμοκρασίας με καλή απόδοση, απαιτούνται και υψηλής επίδοσης κάτοπτρα. Συστήματα με ελαφριά κατασκευή και χαμηλού κόστους τεχνολογία για την παραγωγή θερμότητας διεργασίας (process heat) μέχρι και 400 C μπορούν να δημιουργηθούν με χρήση συλλεκτών παραβολικού κυλίνδρου. Οι PTCs μπορούν να παράγουν αποτελεσματικά θερμότητα σε θερμοκρασίες μεταξύ 50 και 400 C. Οι PTCs κατασκευάζονται κυρτώνοντας ένα φύλλο από ανακλαστικό υλικό σε παραβολικό σχήμα. Ένας μεταλλικός μαύρος σωλήνας, καλυμμένος με ένα γυάλινο σωλήνα ώστε να ελαττωθούν οι απώλειες θερμότητας, τοποθετείται στον άξονα του συλλέκτη(σχήμα ).Όταν ο παραβολικού σχήματος ανακλαστήρας είναι ακριβώς απέναντι από τον ήλιο, οι παράλληλες ακτίνες του ήλιου, οι οποίες προσπίπτουν στον ανακλαστήρα, πέφτουν εν συνεχεία πάνω στον σωλήνα του δέκτη. Σχήμα Σχηματική απεικόνιση χαρακτηριστικών PTC Αρκεί η χρήση μονοαξονικού μηχανισμού παρακολούθησης οπότε έτσι κατασκευάζονται μονάδες συλλεκτών μεγάλου μήκους. Ο συλλέκτης τους μπορεί να είναι τοποθετημένος σε άξονα Ανατολικό-Δυτικό και έτσι ακολουθούν τον ήλιο από 22

31 Βορρά προς Νότο, ή σε άξονα Βόριο-Νότιο και έτσι ακολουθούν το ήλιο από Ανατολικά προς τα Δυτικά. Σε διάστημα ενός χρόνου, ο οριζόντιος σε Βόριο-Νότιο άξονα PTC συνήθως συλλέγει ελαφρώς μεγαλύτερη ενέργεια από τον ίδιο σε Ανατολικό-Δυτικό άξονα. Παρ όλα αυτά, όταν βρίσκεται σε Β-Ν άξονα συλλέγει πολύ ενέργεια το καλοκαίρι και λιγότερη τον χειμώνα. Όταν βρίσκεται σε Δ-Α άξονα συλλέγει περισσότερη ενέργεια τον χειμώνα και λιγότερη το καλοκαίρι, παρέχοντας έτσι μια πιο σταθερή έξοδο καθ όλη την διάρκεια του χρόνου. Παρακάτω (πίνακας ) δίνεται ένας χαρακτηριστικός πίνακας στον οποίο φαίνεται η ενέργεια που απορροφάται για κάθε είδους μηχανισμό παρακολούθησης και το ποσοστό αυτής ως προς την πλήρη παρακολούθηση που φυσικά δίνει τα μέγιστα αποτελέσματα, για μία επιφάνεια 2 1 m για το θερινό και χειμερινό ηλιοστάσιο καθώς επίσης και για τις ισημερίες. Έτσι, η επιλογή του προσανατολισμού εξαρτάται από την εφαρμογή στην οποία θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τους συλλέκτες. Πίνακας Ηλιακή ενέργεια ως προς τον μηχανισμό παρακολούθησης Η τεχνολογία του παραβολικού κυλίνδρου είναι η περισσότερο εξελιγμένη από τις ηλιακές θερμικές τεχνολογίες, εξαιτίας της σημαντικής εμπειρίας με αυτά τα συστήματα και της ανάπτυξης μιας μικρής εμπορικής βιομηχανίας για την παραγωγή και προώθησή τους. Οι PTCs κατασκευάζονται σε μονάδες οι οποίες στηρίζονται στο έδαφος με απλά βάθρα και στα δύο άκρα. Ο δέκτης ενός PTC είναι γραμμικός. Συνήθως ένας σωλήνας τοποθετείται κατά μήκος της γραμμής εστίας για να σχηματίσει έναν εξωτερικό επιφανειακό δέκτη. Οι διαστάσεις του σωλήνα, και έτσι ο λόγος συγκέντρωσης, καθορίζονται από το μέγεθος του ηλιακού ειδώλου και την αντοχή του κυλίνδρού. Η επιφάνεια του δέκτη είναι καλυμμένη με επιλεκτικό στρώμα και έχει υψηλή απορροφητικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία, αλλά χαμηλή εκπομπή για τις απώλειες της θερμική ακτινοβολίας. Ένα γυάλινο κάλυμμα τοποθετείται εξωτερικά του σωλήνα του δέκτη συνήθως για την μείωση των απωλειών εξαιτίας της συναγωγής μειώνοντας περαιτέρω τις απώλειές του. Ένα μειονέκτημα της χρήσης του γυάλινου καλύμματος είναι ότι η 23

32 ανακλώμενη ακτινοβολία από τον ανακλαστήρα πρέπει να περάσει διαμέσου του γυαλιού, προσθέτοντας έτσι απώλειες διελεύσεως. Το γυαλί έχει συνήθως αντίαντανακλαστική επένδυση για την βελτίωση της διελευστότητάς του. Ένας ακόμα τρόπος για την περαιτέρω μείωση των απωλειών λόγω της συναγωγής από των σωλήνα του δέκτη και έτσι την αύξηση της απόδοσης του κατόπτρου, ειδικά σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες, είναι η δημιουργία κενού στο μεταξύ του δέκτη και του καλύμματος. Ένας μηχανισμός παρακολούθησης πρέπει να είναι αξιόπιστος και ικανός να ακολουθεί τον ήλιο με κάποιο ικανοποιητικό βαθμό ακρίβειας, να επιστρέφει τον συλλέκτη στην αρχική του θέση στο τέλος της ημέρας ή κατά την διάρκεια της νύχτας και επίσης να ακολουθεί τον ήλιο σε μέρες που ο καιρός είναι νεφελώδης. Επιπροσθέτως, οι μηχανισμοί παρακολούθησης χρησιμοποιούνται για την προστασία των συλλεκτών, δηλ. στρέφουν τους συλλέκτες εκτός εστίασης για να τον προστατέψουν από επιβλαβείς περιβαλλοντικές συνθήκες και συνθήκες λειτουργίας, όπως ριπές ανέμου, υπερθέρμανση και αποτυχία της ροής του θερμικού υγρού. Η ακρίβεια του μηχανισμού παρακολούθησης εξαρτάται από την γωνία υποδοχής του συλλέκτη (η οποία αντιστοιχεί στα όρια της γωνίας που μπορεί να έχει η προσπίπτουσα ακτινοβολία έτσι ώστε να μπορεί να πέσει πάνω στην απορροφητική επιφάνεια) Γραμμικός ανακλαστήρας τύπου Fresnel (LFR, Linear Fresnel Reflector) Η τεχνολογία LFR βασίζεται σε μια διάταξη επίπεδων καθρεπτών, οι οποίοι συγκεντρώνουν το φως σε ένα σταθερό δέκτη τοποθετημένο πάνω σε ένα πύργο. Ένα πεδίο LFR μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από ένα διακεκομμένο ανακλαστήρα παραβολικού κυλίνδρου (σχήμα ), όμως ένα πεδίο LFR δεν χρειάζεται να είναι παραβολικού κυλίνδρου, αφού μεγάλες επιφάνειες απορρόφησης μπορούν να κατασκευαστούν και να παραμένουν σταθερές. Μια αναπαράσταση ενός πεδίου LFR φαίνεται στο σχήμα Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτού του συστήματος είναι η χρησιμοποίηση επίπεδων ή ελαστικά λιγισμένων ανακλαστών οι οποίοι είναι πιο οικονομικοί συγκρινόμενοι με τους παραβολικούς ανακλαστήρων. Επιπροσθέτως, είναι στερεωμένοι στο έδαφος, μειώνοντας έτσι τις απαιτήσεις εγκατάστασης. Σχήμα Σχηματική απεικόνιση LFR ανακλαστήρα παραβολικού αυλακιού 24

33 Σχήμα Χαρακτηριστικό πεδίο τύπου LFR Δυσκολίες με την διάταξη τύπου LFR παρουσιάζονται όσον αφορά την σκίαση και παρεμπόδιση μεταξύ κοντινών ανακλαστήρων. Η παρεμπόδιση μπορεί να βελτιωθεί αυξάνοντας το ύψος του πύργου, όμως αυτό θα αύξανε το κόστος. Λύση σε αυτό το πρόβλημα δίνουν διατάξεις όπως η παρακάτω (σχήμα ) με την χρήση περισσότερων του ενός πύργων. Η διάταξη αυτή ελαχιστοποιεί τα προβλήματα παρεμπόδισης μεταξύ των συλλεκτών, ενώ οι κοντινές θέσεις μεταξύ των συλλέκτων έχουν σαν αποτέλεσμα την μεγαλύτερη χρησιμοποίηση του υπάρχοντος χώρου. Σχήμα Compact Linear Fresnel Reflector (CLFR) διάταξη Παραβολικός δίσκος (Parabolic Dish) Ένας ανακλαστήρας παραβολικού δίσκου, σχηματική απεικόνιση του οποίου φαίνεται παρακάτω (σχήμα ), είναι ένας συλλέκτης σημειακής εστίασης, ο οποίος παρακολουθεί τον ήλιο σε δύο άξονες και συγκεντρώνει την ηλιακή ενέργεια σε έναν δέκτη τοποθετημένο στην κυρία εστία του πιάτου. Ο δίσκος πρέπει να παρακολουθεί ακριβώς τον ήλιο έτσι ώστε να αντανακλά τις ακτίνες του στον θερμικό δέκτη. Για αυτόν τον σκοπό χρησιμοποιείται σύστημα παρακολούθησης δύο αξόνων. 25

34 Σχήμα Συλλέκτης παραβολικού πιάτου Ο δέκτης απορροφά την ακτινοβολία του ήλιου και την μετατρέπει σε θερμική ενέργεια του κυκλοφορούντος μέσου. Η θερμική ενέργεια μπορεί είτε να μετατραπεί σε ηλεκτρική χρησιμοποιώντας μια διάταξη μηχανής γεννήτριας συνδεδεμένης απευθείας στον δέκτη, είτε να μεταφερθεί μέσω σωληνώσεων σε ένα κεντρικό σύστημα μετατροπής ισχύος. Τα συστήματα παραβολικού δίσκου μπορούν να δημιουργήσουν θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 1500 C. Επειδή οι δέκτες των συλλεκτών κατανέμονται στο πεδίο των συλλεκτών, αυτά τα συστήματα λέγονται και κατανεμημένου δέκτη. Οι παραβολικοί δίσκοι έχουν κάποια σημαντικά πλεονεκτήματα: 1. Επειδή συνεχώς είναι ακριβώς απέναντι από τον ήλιο, έχουν την μεγαλύτερη απόδοση μεταξύ όλων των συλλεκτών 2. Έχουν λόγους συγκέντρωσης μεταξύ , και έτσι είναι ιδιαίτερα αποδοτικοί σε συστήματα θερμικής απορρόφησης και μετατροπής ενέργειας 3. Μπορούν να λειτουργήσουν είτε ξεχωριστά είτε σαν μέρος ενός συνόλου. Ο δέκτης μπορεί να είναι μια συλλογή από σωλήνες με ένα ψυκτικό ρευστό να κυκλοφορεί εντός τους. Το ψυκτικό αυτό συνήθως είναι υδρογόνο ή ήλιο. Εναλλακτικοί δέκτες μπορεί να είναι σωλήνες θερμότητας στους οποίου η θερμότητα μεταφέρεται με την εξάτμιση και την συμπύκνωση ενός ενδιάμεσου υγρού Κεντρικός δέκτης (Central receiver) Για εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν διατάξεις με περισσότερους από έναν επίπεδους συλλέκτες (ή ηλιοστάτες), οι οποίες παρακολουθούν τον ήλιο σε δύο άξονες, και έτσι αντανακλούν την άμεση ηλιακή ακτινοβολία σε ένα κοινό στόχο όπως φαίνεται στο σχήμα Αυτό ονομάζεται ηλιοστατικό πεδίο ή πεδίο κεντρικού δέκτη. Χρησιμοποιώντας ελαφρώς κυρτούς καθρέπτες στους ηλιοστάτες, μεγάλες ποσότητες θερμικής ενέργειας μπορούν να 26

35 οδηγηθούν σε μία κοιλότητα μιας μηχανής ατμού για την παραγωγή ατμού υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Σχήμα Σύστημα κεντρικού δέκτη Η συγκεντρωμένη θερμική ενέργεια από τον δέκτη μεταφέρεται σε ένα κυκλοφορούν ρευστό το οποίο μπορεί να αποθηκευτεί και αργότερα να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Ορισμένα από τα πλεονεκτήματα των κεντρικών δεκτών είναι τα εξής: 1. Συλλέγουν ηλιακή ενέργεια οπτικά και την μεταφέρουν σε έναν και μόνο δέκτη, ελαχιστοποιώντας έτσι τις απαιτήσεις σε μεταφορά θερμικής ενέργειας. 2. Πετυχαίνουν λόγους συγκέντρωσης μεταξύ και έτσι είναι αρκετά αποδοτικοί στην συλλογή θερμικής ενέργεια και στην μετέπειτα μετατροπής της σε ηλεκτρική 3. Μπορούν πολύ εύκολα να αποθηκεύσουν θερμική ενέργεια 4. Είναι αρκετά μεγάλες (γενικά πάνω από 10MW) και έτσι επωφελούνται από οικονομίες κλίμακας Ιδιότητες υλικών καλύμματος και απορροφητικού στοιχείο Παρακάτω δίνονται περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τα υλικά των καλυμμάτων και των στοιχείων απορρόφησης. Οι περισσότερες από τις λεπτομέρειες αυτές βρίσκουν εφαρμογή σε πολλά διαφορετικά είδη ηλιακών συλλεκτών Κάλυμμα Το γυαλί έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε εφαρμογές καλυμμάτων εξαιτίας της υψηλής ικανότητάς μετάδοσής του (διασοιμότητα) η οποία φτάνει μέχρι και το 90% της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας μικρού-μήκους κύματος ενώ δεν μεταδίδει σχεδόν τίποτα από την μεγάλου-μήκους κύματος ακτινοβολία, η οποία εκπέμπεται 27

36 από το στοιχείο απορρόφησης. Γυαλί με χαμηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο έχει σχετικά υψηλή περατότητα για την ηλιακή ακτινοβολία (περίπου 0,85-0,90 σε κάθετη πρόσπτωση), αλλά σχεδόν μηδενική για την μεγάλου-μήκους κύματος θερμική ακτινοβολία (5,0 50 μm) η οποία εκπέμπεται από τις ηλιακά θερμαινόμενες επιφάνειες. Πλαστικές μεμβράνες και στρώματα επίσης προβάλουν υψηλή μικρού-μήκους κύματος περατότητα, αλλά επειδή οι περισσότερες χρησιμοποιούμενες ποικιλίες έχουν ζώνες περατότητας στο μέσο του φάσματος της θερμικής ακτινοβολίας, παρουσιάζουν υψηλή περατότητα και για την μεγάλου-μήκους κύματος ακτινοβολία (περίπου 0,4). Τα πλαστικά ακόμα περιορίζονται από άποψη θερμοκρασίών που μπορούν να αντέξουν χωρίς να αλλοιωθούν ή να μεταβληθούν οι διαστάσεις τους. Μόνο λίγα είδη πλαστικών μπορούν να αντέξουν την υπεριώδη ακτινοβολία για μεγάλες περιόδους. Παρ όλα αυτά, σε περίπτωση που δεν σπάσουν (από χαλάζι ή πέτρες) και σε μορφή λεπτών μεμβρανών, είναι απολύτως ελαστικές και έχουν μικρή μάζα. Οι εμπορικώς διαθέσιμοι τύπου γιαλού για παράθυρα και θερμοκήπια έχουν περατότητα σε κάθετα προσπίπτουσα ακτινοβολία περίπου 0,87 και 0,85, αντίστοιχα. Για άμεση ακτινοβολία, η περατότητα ποικίλει αισθητά αναλόγως της γωνίας πρόπτωσης της ακτινοβολίας. Αντί-ανακλαστικές επενδύσεις και επιφανειακές υφές μπορούν επίσης να βελτιώσουν την περατότητα σημαντικά. Η επίδραση από τις επικαθίσεις ακαθαρσιών και σκόνης στον υαλοπίνακα του συλλέκτη μπορεί να είναι μικρή, και ο καθαρισμός αυτού μέσω των εποχιακών βροχοπτώσεων είναι συνήθως αρκετός για την διατήρηση της περατότητας στο 2-4% της μέγιστης τιμής της. Το κάλυμμα πρέπει να αφήνει να περνά όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία και να μειώνει όσο το δυνατόν τις απώλειες θερμότητας. Παρ όλο που το γυαλί είναι σχεδόν αδιάφανο στην μεγάλου-μήκους κύματος ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται από την απορροφητική πλάκα, απορρόφηση αυτής της ακτινοβολίας από το κάλυμμα οδηγεί σε ανύψωση της θερμοκρασίας του γυαλιού και απώλειες θερμότητας στο περιβάλλον εξαιτίας ακτινοβολίας και συναγωγής Απορροφητικό στοιχείο Το στοιχείο απορρόφησης απορροφά όσο το δυνατόν περισσότερη ακτινοβολία διαμέσου του υαλοπίνακα, ενώ χάνει όσο το δυνατόν λιγότερη θερμότητα προς το περιβάλλον (είτε προς τον αέρα είτε προς το πίσω μέρος του συλλέκτη). Μεταφέρει έτσι την απορροφώμενη θερμότητα στο ρευστό. Η απορροφητικότητα της επιφάνειας του στοιχείου για την μικρού-μήκους κύματος ακτινοβολία εξαρτάται από την φύση και το χρώμα της επένδυσης και την γωνία πρόσπτωσης της ακτινοβολίας. Συνήθως χρησιμοποιείται μαύρο χρώμα, παρ όλα αυτά διάφορα χρώματα έχουν προταθεί κυρίως για αισθητικούς λόγους. Με κατάλληλη ηλεκτρολυτική η χημική επεξεργασία, οι επιφάνειες μπορούν να παραχθούν με υψηλές τιμές απορροφητικότητας για την ηλιακή ακτινοβολία (α) και χαμηλές τιμές για την μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (ε) (επιλεκτικές 28

37 επιφάνειες). Τυπικές επιλεκτικές επιφάνειες αποτελούνται από ένα λεπτό ανώτερο στρώμα, το οποίο είναι υψηλά απορροφητικό για την μεγάλου μήκους κύματος θερμική ακτινοβολία, επικαθίμενο σε ένα στρώμα με υψηλή αντανακλαστικότητα και χαμηλή εκπομπή για την μεγάλου-μήκους κύματος ακτινοβολία. Οι επιλεκτικές επιφάνειες είναι ιδιαίτερα σημαντικές όταν η θερμοκρασία τους είναι αρκετά υψηλότερη από την θερμοκρασία περιβάλλοντος αφού έτσι συνεισφέρουν σημαντικά στις απώλειες του συλλέκτη στο περιβάλλον. 3.5.Βιβλιογραφία-Αναφορές 1) Solar thermal collectors and applications (Soteris A. Kalogirou) 2) Optical and Thermal properties of Compound parabolic Concentrators (Ari Rabl) 3) Thermal analysis of CPC collectors(c.k.hsieh) 29

38 30

39 Κεφάλαιο 4. Ψύκτες Απορρόφησης 4.1 Εισαγωγή Οι κύκλοι απορρόφησης χρησιμοποιούνται για εφαρμογές κλιματισμού/ ψύξης εδώ και πάνω από 100 χρόνια. Όντας θερμικά-οδηγούμενες συσκευές παραγωγής ψύξης και απαιτώντας μέτρια υψηλές θερμοκρασίες εισόδου, ήταν φυσικό για τις μηχανές απορρόφησης να συνδυαστούν με ηλιακά κάτοπτρα για την δημιουργία ηλιακών συστημάτων. Οι απαραίτητες μετατροπές έτσι ώστε οι ήδη υπάρχοντες στην αγορά ψύκτες απορρόφησης να μπορέσουν να συνδυαστούν με ηλιακά-οδηγούμενες εφαρμογές είναι γενικά μέτριες. Πράγματι, κάποιες μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις ηλιακής ψύξης έχουν χρησιμοποιήσει εμπορικώς διαθέσιμους ψύκτες απορρόφησης χωρίς καμία μετατροπή, ίσως με κάποια μείωση της χωρητικότητάς τους λόγω της λειτουργίας αυτών σε θερμοκρασίες κάτω από αυτές για τις οποίες έχουν σχεδιαστεί. Οι ειδικές ανάγκες των ηλιακά οδηγούμενων συστημάτων είναι αρκετά διαφορετικές από αυτές των παραδοσιακών εφαρμογών των ψυκτών απορρόφησης,. Οι ηλιακοί συλλέκτες, πρωταρχικής σημασίας για τις ηλιακές εφαρμογές, αποτελούν ένα δαπανηρό κομμάτι του όλου συστήματος και έτσι πρέπει να γίνεται μέγιστη χρησιμοποίηση αυτών. Προς αυτήν την κατεύθυνση κινούμενη είναι απαραίτητη η εξέλιξη του εξοπλισμού απορρόφησης έτσι ώστε να λειτουργεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες εισόδου έτσι ώστε να έχουμε την μικρότερη δυνατή αναγκαία επιφάνεια κατόπτρων για το φορτίο. 4.2 Βασικές αρχές κύκλων απορρόφησης Στους ψυκτικούς κύκλου απορρόφησης, όπως ακριβώς και στους μηχανικούς κύκλους, το ψυκτικό φαινόμενο δημιουργείται από την εξάτμισης του ψυκτικού ρευστού. Σχήμα Σχηματική αναπαράσταση κύκλου παραγωγής ψύξη με συμπίεση ατμού 31

40 Σχήμα Ψυκτικός κύκλος παραγωγής ψύξης με απορρόφηση αμμωνίας Στα παραπάνω σχήματα (σχήμα και σχήμα 4.2.2) φαίνονται οι ψυκτικοί κύκλοι για ένα σύστημα ψύξης με συμπίεση ατμού και για ένα σύστημα ψύξης με απορρόφηση (με ψυκτικό μέσο/ μέσο απορρόφησης το ζεύγος NH 3 / H 2O ). Παρατηρείται ότι το αριστερό κομμάτι του συμπυκνωτή, της βαλβίδας εκτόνωσης και του εξατμιστή παραμένουν τα ίδια και στους δύο κύκλους και αυτό που τους διαφοροποιεί είναι ότι η συμπίεση στον πρώτο γίνεται από έναν ηλεκτρικό συμπιεστή ενώ στον δεύτερο χρησιμοποιώντας την τεχνολογία της απορρόφησης. Η θερμότητα που απαιτείται για την εξάτμιση του υγρού ψυκτικού (εξατμιστής) λαμβάνεται από τον χώρο τον οποίο επιθυμούμαι να ψύξουμε. Οι διάφοροι τύποι κύκλων απορρόφησης αναπαριστούν διαφορετικές μεθόδους με τις οποίες το ψυκτικό ρευστό μεταβαίνει από μια χαμηλή πίεση (πίεση εξτμιστή και απορροφητή) σε μια άλλη μεγαλύτερη (πίεση ατμογεννήτριας και συμπυκνωτή) και συμπυκνώνεται έτσι ώστε το ψυκτικό φαινόμενο να μπορεί να επαναληφθεί σε κύκλο. 4.3 Περιγραφή Κύκλων Απορρόφησης Κλειστοί κύκλοι Στους κλειστούς κύκλους απορρόφησης, το ψυκτικό διατηρείται και επαναχρησιμοποιείται σε διαδοχικούς κύκλους. Έτσι πραγματοποιείται μεταφορά θερμότητας αλλά όχι μεταφορά μάζας μεταξύ του ψυκτικού και της ατμόσφαιρας Κύκλοι Μονής Επίδρασης (single-effect) 32

41 Βασικός Κύκλος Στο σχήμα φαίνεται ψύκτης απορρόφησης μονής επίδρασης. Τα τέσσερα βασικά εξαρτήματα τα οποία είναι εναλλάκτες θερμότητας είναι τα εξής: η ατμογεννήτρια, ο συμπυκνωτής, ο εξατμιστής και ο απορροφητής. Η ατμογεννήτρια περιέχει το μίγμα των δύο ρευστών (δηλ. του διαλύματος του μέσου απορρόφησης με το ψυκτικό και τους ατμούς του ψυκτικού μέσου). Όσο θερμότητα (π.χ. από ηλιακά κάτοπτρα) προστίθεται στην ατμογεννήτρια, το ψυκτικό ρευστό διαχωρίζεται από το διάλυμα μέσου απορρόφησης/ψυκτικού μέσω του βρασμού του. Οι ατμοί του ψυκτικού ρέουν διαμέσου του συμπυκνωτή όπου και υγροποιούνται απελευθερώνοντας θερμότητας στο περιβάλλοντα αέρα, είτε άμεσα είτε μέσω ενός ψυκτικού κύκλου νερού (πύργου ψύξης). Το συμπυκνωμένο ρευστό περνά έπειτα από μια εκτονωτική βαλβίδα όπου η πίεση του μειώνεται και μερικώς εξατμίζεται. Μετά την εκτόνωση, το ψυκτικό ρέει στον εξατμιστή, όπου και εισάγεται η θερμότητα από τον ψυχώμενο χώρο, προκαλώντας έτσι την πλήρη εξάτμισή του στην χαμηλή πίεση. Ο χώρος έτσι ψύχεται, εφόσον ο εξατμιστής βρίσκεται σε μια θερμοκρασία περίπου o στους 7 C. Σχήμα Σχηματική απεικόνιση ψύκτη απορρόφησης μονής επίδρασης (single effect) Όσον αφορά πάλι στην ατμογεννήτρια, η διαδικασία της εξάτμισης του ψυκτικού παράγει μίγμα χαμηλής περιεκτικότητας σε ψυκτικό. Αυτό το μίγμα κατευθύνεται στον απορροφητή μέσω μια εκτονωτικής βαλβίδας. Έχοντας χαμηλή περιεκτικότητα σε ψυκτικό, είναι ένα ισχυρό προς απορρόφηση μίγμα και απορροφά έντονα το χαμηλής πίεσης ψυκτικό ρευστό που φτάνει από τον εξατμιστή. Η διαδικασία της απορρόφησης παράγει θερμότητα η οποία πρέπει να απομακρυνθεί στο περιβάλλον, με όμοιο τρόπο όπως η θερμότητα που αποβάλλεται από τον συμπυκνωτή. Το αποτέλεσμα της διεργασίας απορρόφησης είναι ένα διάλυμα πλούσιο σε ψυκτικό (δηλ. ασθενές προς απορρόφηση μίγμα). Αυτό το μίγμα αντλείται στην 33

42 ατμογεννήτρια όπου και προστίθεται η θερμότητα έτσι ώστε να γίνει ο διαχωρισμός του ψυκτικού μέσω του βρασμού, και να επαναληφθεί ο κύκλος. Η θερμική απόδοση του κύκλου εκφράζεται με τον συντελεστή λειτουργίας, COP (Coefficient of Performance). Αυτός ορίζεται ως ο λόγος της θερμότητας που απομακρύνεται από τον χώρο (δηλ. η θερμότητα που εισάγεται στον εξατμιστή) προς την θερμότητα που εισάγεται στην ατμογεννήτρια για την ίδια περίοδο του χρόνου. Ό ρυθμός παραγωγής ψύξης συνήθως εκφράζεται σε kw ή Btu/h ή τόνους ψύξης (rt, refrigeration tons), όπου 1rt=12000Btu/h Ένα δεύτερο μέτρο της απόδοσης του κύκλου είναι η ηλεκτρική ισχύ που απαιτείται για να λειτουργήσουν οι αντλίες και οι ανεμιστήρες προς την ψυκτική ισχύ του κύκλου Κύκλος με επιπλέον εναλλάκτες θερμότητας Στην πράξη ένας ή και περισσότεροι εναλλάκτες θερμότητας πρέπει να προστεθούν για να εκμεταλλευθούν την αισθητή θερμότητα μεταξύ των τεσσάρων βασικών εξαρτημάτων του κύκλου έτσι ώστε ο συντελεστής λειτουργίας να κρατηθεί σε ανεκτά επίπεδα. Ο πιο σημαντικός είναι ο προθερμαντής, όπως φαίνεται και στο σχήμα ο οποίος παίρνει μέρος από της θερμότητας από το ισχυρό προς απορρόφηση διάλυμα το οποίο εξέρχεται από την ατμογεννήτρια για να προθερμάνει το ασθενές προς απορρόφηση διάλυμα το οποίο αντλείται από τον απορροφητή προς την ατμογεννήτρια. Η αποτελεσματικότητα του προθερμαντή είναι συχνά πιο σημαντική από αυτήν των τεσσάρων βασικών εξαρτημάτων του κύκλου όσον αφορά τον συντελεστή λειτουργίας. Σχήμα Σχηματική αναπαράσταση κύκλου απορρόφησης με προθερμαντή και εναλλάκτη πρόψυξης 34

43 Για κάποια ζεύγη απορροφητικού / ψυκτικού μέσου είναι ακόμα πιο πλεονεκτική η χρήση ενός εναλλάκτη πρόψυξης ο οποίος ψύχει το υγρό ψυκτικό μέσο πριν εισαχθεί στον εξατμιστή, χρησιμοποιώντας τους ψυχρούς ατμός που εξέρχονται από αυτόν. Αναλόγως την εφαρμογή και του ζεύγους των ρευστών είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν και άλλοι μικρότεροι εναλλάκτες θερμότητας. Για παράδειγμα, ένας εναλλάκτης θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκμεταλλευθεί την θερμότητα του θερμού ψυκτικού που εξέρχεται από την ατμογεννήτρια, αυτή η θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επιπλέον προθέρμανση του ασθενούς διαλύματος πριν αυτό εισέλθει στην ατμογεννήτρια. Επιπρόσθετοι εναλλάκτες όπως και ο προηγούμενος μπορούν να δικαιολογηθούν μόνο εφόσον η προσαύξηση του συντελεστή λειτουργίας δικαιολογεί αυτήν του κόστους του εναλλάκτη Θερμοδυναμική Περιγραφή του κύκλου Ένας διάγραμμα Πίεσης-Συγκέντρωσης-Θερμοκρασίας P-X-T (pressureconcentration-temperature), σαν αυτό που δίνεται παρακάτω, είναι ένας βολικός τρόπος θερμοδυναμικής περιγραφής του κύκλου απορρόφησης. Στο διάγραμμα φαίνονται δύο επίπεδα πίεσης και τρεις θερμοκρασίες. Σχήμα Διάγραμμα P-x-T (Πίεσης - συγκέντρωσης θερμοκρασίας) για κύκλο απορρόφησης μονής επίδρασης με ζεύγος NH 3 / H 2O Η γεννήτρια (G) και ο συμπυκνωτής (C) είναι στην υψηλότερη πίεση ενώ ο απορροφητής (Α) και ο εξατμιστής (Ε) στη χαμηλότερη. Η υψηλότερη θερμοκρασία (από τους ηλιακούς συλλέκτες) χρησιμοποιείται για να παράγει την θερμότητα εισόδου ( ) στην ατμογεννήτρια. Ο συμπυκνωτής και ο απορροφητής είναι κοντά Q in 35

44 στην θερμοκρασία περιβάλλοντος ( θερμοκρασία ( T cold T sin k ), παρέχοντας την ψύξη στον χώρο. Q in T cold ). Ο εξατμιστής λειτουργεί στην χαμηλότερη Όσο θερμότητα προστίθεται στην ατμογεννήτρια, το διάλυμα ψυκτικού/απορροφητή απελευθερώνει ατμούς ψυκτικού (όπως φαίνεται από την διακεκομμένη γραμμή που κατευθύνεται προς τον συμπυκνωτή), και η συγκέντρωση του διαλύματος (ποσοστιαία ως προς το ψυκτικό) μειώνεται. Αυτό το μειωμένης συγκέντρωσης διάλυμα υπόκειται σε μια πτώση πίεσης καθώς κατευθύνεται προς τον απορροφητή. Εκεί απορροφά τον χαμηλής πίεσης ατμό ψυκτικού μέσου ο οποίος φτάνει από τον εξατμιστή, αυξάνοντας και πάλι την συγκέντρωση του σε ψυκτικό στις αρχικές τιμές. Η θερμότητα που παράγεται από την διαδικασία απορρόφησης αποβάλλεται στο περιβάλλον στη θερμοκρασία T sin k. Το υψηλής συγκέντρωση διάλυμα αντλείται τότε πίσω στην πίεση την ατμογεννήτριας, ολοκληρώνοντας έτσι τον κύκλο. Τα σημεία C και Ε τα οποί αφορούν στον συμπυκνωτή και στον εξατμιστή εμφανίζονται στην δεξιά άκρη του διαγράμματος, η οποία αντιστοιχεί σε καθαρό ψυκτικό μέσο (100%). Όταν ο ατμός συμπυκνώνεται σε υγρό θερμότητα αποβάλλεται στο περιβάλλον στην θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η πίεση του υγρού ψυκτικού μειώνεται μεταξύ του συμπυκνωτή και του εξατμιστή. Η θερμότητα που απαιτείται για την εξάτμιση του ψυκτικού στο σημείο Ε λαμβάνεται από τον ψυχωμένο χώρο στην θερμοκρασία. Η ποσότητα του ψυκτικού ατμού που διαχωρίζεται από το διάλυμα στην ατμογεννήτρια είναι ίδια με αυτήν του ψυκτικού που εξατμίζεται στον εξατμιστή. Έτσι η ποσότητα της θερμότητας που εναλλάσσεται μεταξύ εξωτερικών πηγών και περιβάλλοντος είναι σχεδόν η ίδια για κάθε ένα από τα τέσσερα κύρια εξαρτήματα. Η θερμότητα που παρέχεται στην ατμογεννήτρια πρέπει να υπερβαίνει αυτής που παρέχεται στον εξατμιστή κατά ένα ποσό που αντιστοιχεί στην θερμότητα του διαλύματος και των απωλειών του κύκλου. Γι αυτό ο συντελεστής λειτουργίας του κύκλου μονής επίδρασης είναι πάντα μικρότερος του 1. 36

45 Αναλυτική περιγραφή κύκλου ψύξης μονής επίδρασης με ζεύγος Αμμωνίας Νερού. Σχήμα Κύκλος απορρόφησης με ζέυγος αμμωνία/νερό Στο σχήμα το οποίο χάριν ευκολίας ξανά δίνεται παραπάνω φαίνεται το σύστημα NH 3 / H 2O η συμπίεση έχει αντικατασταθεί με ένα σύνθετο μηχανισμό απορρόφησης, ο οποίος αποτελείται από έναν απορροφητή, μια αντλία, μια γεννήτρια, έναν αναγεννητήρα, μια βαλβίδα και έναν ανορθωτή. Μόλις αυξηθεί η πίεση της NH3 με την βοήθεια των εξαρτημάτων του κουτιού, η NH3 ψύχεται και συμπυκνώνεται στο συμπυκνωτή, αποβάλλοντας θερμότητα στο περιβάλλον, κατόπιν στραγγαλίζεται στην πίεση του εξατμιστήρα και απορροφά θερμότητα από το ψυχωμένο χώρο καθώς διαρρέει τον εξατμιστήρα. (μέχρι εδώ δεν υπάρχει καμία διαφορά με το σύστημα μηχανικής συμπίεσης ατμού).από εδώ και πέρα, ατμός αμμωνίας εξέρχεται από τον εξατμιστήρα και εισέρχεται στον απορροφητή όπου διαλύεται και αντιδρά χημικά με το νερό για να σχηματιστεί NH 3 H 2 O.Αυτή είναι μια εξώθερμη αντίδραση με αποτέλεσμα κατά τη διάρκεια αυτής της διεργασίας να απελευθερώνεται θερμότητα. Η ποσότητα της αμμωνίας που μπορεί να διαλυθεί σε H 2 O είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη θερμοκρασία. Συνεπώς, είναι αναγκαίο να ψύχεται ο απορροφητής, ώστε η θερμοκρασία του να διατηρείται όσο το δυνατό χαμηλότερη, με αποτέλεσμα να μεγιστοποιείται το ποσό αμμωνίας που διαλύεται στο νερό. Στη συνέχεια, το υγρό διάλυμα αμμωνίας και νερού (NH 3 H 2 O ) που είναι πλούσιο σε αμμωνία αντλείται στη γεννήτρια. Στο διάλυμα αυτό μεταφέρεται θερμότητα, από μια πηγή, για να εξατμιστεί ένα μέρος του. Ο ατμός, που είναι και αυτός πολύ πλούσιος σε αμμωνία, περνάει μέσα από τον ανορθωτή ο οποίος διαχωρίζει το νερό και το επιστρέφει στη γεννήτρια. Ο υψηλής πίεσης ατμός της αμμωνίας συνεχίζει έπειτα τη διαδρομή του στο υπόλοιπο του κύκλου. Το ζεστό διάλυμα NH 3 H 2O που περιέχει λίγη αμμωνία, περνάει κατόπιν μέσα από τον 37

46 αναγεννητήρα μεταφέροντας κάποιο ποσό θερμότητας στο πλούσιο διάλυμα που αφήνει την αντλία και στραγγαλίζεται στην πίεση του απορροφητή. Ο συντελεστής λειτουργίας (COP), των ψυκτικών συστημάτων απορρόφησης ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: COP R Q Q gen L Q gen W pump, in Q όπου, Η θερμότητα που εισάγεται στην ατμογεννήτρια από το μέσο παραγωγής θερμότητας (π.χ. ηλιακά κάτοπτρα, καυστήρας) Q θερμότητα που απάγεται από τον χώρο Η ισχύς που απαιτείται για να κινήσει η αντλία το διάλυμα από την πίεση του απορροφητή σε αυτήν την ατμογεννήτριας. Επειδή όμως είναι ανάλογη του ειδικού όγκου, στα συστήματα απορρόφησης είναι πολύ μικρή (της τάξης του 1% της L W pump, in Q gen ) και συχνά θεωρείται αμελητέα στην ανάλυση του κύκλου. L Q gen 38

47 Κύκλοι διπλής επίδρασης Ένας τυπικός κύκλος απορρόφησης διπλής επίδρασης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (σχήμα ) Σχήμα Σχηματική απεικόνιση ψυκτικού κύκλου απορρόφησης διπλή επίδρασης (double effect) Όπως φαίνεται και στο σχήμα υπάρχουν δύο ατμογεννήτριες. Η πρώτη ατμογεννήτρια λειτουργεί όπως και αυτή του κύκλου απορρόφησης μονής επίδρασης: χρησιμοποιεί την θερμότητα από τα ηλιακά κάτοπτρα για να διαχωρίσει ( μέσω του 39

48 βρασμού) το ψυκτικό από το ασθενές (προ απορρόφηση) διάλυμα. Το μερικώς συγκεντρωμένο διάλυμα που εξέρχεται από την πρώτη ατμογεννήτρια εναλλάσσει θερμότητα με το ασθενές διάλυμα (που οδεύει προς αυτήν) μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας (1) και εν συνεχεία εισέρχεται στην δεύτερη ατμογεννήτρια. Στην δεύτερη ατμογεννήτρια, θερμότητα η οποία προέρχεται από την συμπύκνωση του ψυκτικού ατμού (ο οποίος εξέρχεται από την πρώτη ατμογεννήτρια) χρησιμοποιείται για να διαχωρίσει περαιτέρω ποσότητα ψυκτικού από το μερικώς συγκεντρωμένο (σε απορροφητή) διάλυμα. Ακολούθως, τόσο η υγρή όσο και η αέρια φάση του ψυκτικού περνούν μέσω του συμπυκνωτή. Ο συμπυκνωτής, ο εξατμιστής και ο απορροφητής παραμένουν κατά τον ίδιο τρόπο συνδεδεμένοι σε αυτόν τον κύκλο όπως και στον προηγούμενο (μονής επίδρασης). Το πλήρως συγκεντρωμένο (σε απορροφητή) διάλυμα (δηλ. το ισχυρό προς απορρόφηση διάλυμα) το οποίο εξέρχεται από την δεύτερη ατμογεννήτρια αρχικά χρησιμοποιείται για την προθέρμανση του ασθενούς διαλύματος (το οποίο οδεύει στην πρώτη ατμογεννήτρια) και στην συνέχεια εισέρχεται στον απορροφητή όπου και απορροφά τους χαμηλής πίεσης ατμούς του ψυκτικού. Τέλος, το ασθενές διάλυμα το οποίο εξέρχεται από τον απορροφητή αντλείται πίσω στην πρώτη ατμογεννήτρια, ολοκληρώνοντας έτσι τον κύκλο. Οι θερμοδυναμικές καταστάσεις και οι διεργασίες για ένα κύκλο διπλής επίδρασης φαίνονται παρακάτω. Σχήμα Διάγραμμα P-x-T (Πίεσης - συγκέντρωσης θερμοκρασίας) για κύκλο απορρόφησης διπλής επίδρασης Επιπροσθέτως των τριών χαρακτηριστικών θερμοκρασιών του κύκλου μονής επίδρασης ( T T, T και T T ), υπάρχει και μία τέταρτη high in sin k T ambient low cold 40

49 T int er ενδιάμεση θερμοκρασία,. Αυτή είναι η ενδιάμεση θερμοκρασία στην οποία ο υψηλής πίεσης ατμός (ο οποίος έχει απομακρυνθεί από το ασθενές διάλυμα στην ατμογεννήτρια 1 στην πίεση ) συμπυκνώνεται (σημείο C στο σχήμα). Η P high θερμότητα συμπύκνωσης Q σε θερμοκρασία χρησιμοποιείται για να cond T int er απομακρύνει επιπλέον ψυκτικό από την δεύτερη ατμογεννήτρια G 2. Ο κύκλος αυτός χρησιμοποιείται για τις περισσότερες μηχανές απορρόφησης διπλής επίδρασης με ζεύγος LiBr / H 2O. Αναλόγως της εφαρμογής και του ζεύγους απορροφητικού μέσου / ψυκτικού και άλλες διαφορετικές διατάξεις είναι πιθανές. Όπως για παράδειγμα, για το ζεύγος Αμμωνίας / Νερού η παραπάνω διάταξη δεν είναι πρακτική και έτσι αντί για δύο συμπυκνωτές χρησιμοποιούνται δύο απορροφητές. Λεπτομέρειες δίνονται σε συγγράμματα τα οποία αναφέρονται στο τέλος Ανοικτοί κύκλοι Υπάρχουν ακόμα και οι ανοικτοί κύκλοι απορρόφησης οι οποίοι δεν θα περιγραφούν εδώ, ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στην βιβλιογραφία. Στους ανοικτού κύκλους απορρόφησης, το ψυκτικό, μετά την χρήση του για την παραγωγή της ψύξης απελευθερώνεται στη ατμόσφαιρα και έτσι αναπληρώνεται για κάθε κύκλο. Από οικονομικής πλευράς το νερό είναι το μοναδικό ρευστό που είναι διαθέσιμο σε τέτοια έκταση και έτσι χρησιμοποιείται σε όλους τους ανοικτούς κύκλους απορρόφησης. 4.4 Ρευστά κύκλων Απορρόφησης Ζεύγος Βρωμιούχου Λίθιου / Νερού ( LiBr / H 2 O ) Μακράν το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο ζεύγος απορροφητή / ψυκτικού για χρήση σε εφαρμογές ψύξης με απορρόφηση σε συνδυασμό με ηλιακά κάτοπτρα αποτελεί το ζεύγος Βρωμιούχο Λίθιο / Νερό ( LiBr / H 2 O ).Το νερό είναι ένα εξαιρετικό ψυκτικό μέσο εξαιτίας της υψηλής λανθάνουσας θερμότητάς εξάτμισής του, την χημική o σταθερότητα του και το χαμηλό του κόστους. Το υψηλό σημείο πήξης του ( 0 C σε ατμοσφαιρικές συνθήκες) αποτελεί ένα πρόβλημα κατά την λειτουργία του ψύκτη απορρόφησης τόσο σε λειτουργία θέρμανσης όσο και σε λειτουργία ψύξης, ιδιαίτερα όμως θέρμανσης αφού σε αυτήν την λειτουργία απαιτείται η εναλλαγή θερμότητας του εξατμιστή με το περιβάλλον. Το βρωμιούχο λίθιο έχει υψηλή τάση για τους υδρατμούς. Η υψηλή αυτή διαλυτότητα του νερού στον απορροφητή βρωμιούχο λίθιο μειώνει την ποσότητα του διαλύματος που πρέπει να αντληθεί ανά μονάδα ψυκτικού. Επιπλέον, η υψηλή λανθάνουσα θερμότητα του νερού έχει ως αποτέλεσμα τις χαμηλές παρασιτικές αντλητικές απαιτήσεις για τα συστήματα με βρωμιούχο λίθιο. Επίσης σημαντική είναι η χαμηλή πίεση ατμού( ή η μη πτητικότητα) του βρωμιούχου λιθίου στις θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται στην ατμογεννήτρια για να ξεχωρίσουν τους 41

50 υδρατμούς από το διάλυμα, ελαχιστοποιώντας έτσι την μεταφορά του απορροφητικού μέσου στον συμπυκνωτή και στον εξατμιστή. Ένα σημαντικό μειονέκτημα του ζεύγους είναι ότι υπόκειται,σε μεγάλες συγκεντρώσεις απορροφητικού μέσου, σε κρυσταλοποίηση,σε σχέση πάντα με την θερμοκρασία και την πίεση του. Συνήθως υπάρχει πρόβλεψη των συνθηκών στις οποίες είναι δυνατό να λειτουργήσει ο ψύκτης, αν και η εμπειρία μέχρι σήμερα έχει δήξει ότι πολλοί ψύκτες απορροφήσεις με ζεύγος LiBr / H 2O έχουν υποστεί κρυσταλοποίηση κάποια στιγμή κατά την διάρκεια της λειτουργίας τους, Ευτυχώς, οι διαδικασίες αποκρυσταλλοποίησης αν και ενοχλητικές δεν είναι κάτι το δύσκολο. Πρόσθετες ουσίες μπορεί να προστεθούν έτσι ώστε να αποφευχθεί η κρυσταλοποίηση Ζεύγος Αμμωνίας / Νερού ( NH / 3 H 2O ) Η αμμωνία και το νερό ήταν το πρώτο ζεύγος που χρησιμοποιήθηκε όταν η ψύξη με απορρόφηση ανακαλύφθηκε. Αν και το ζεύγος έχει εξαιρετικές θερμοδυναμικές ιδιότητες, η εφαρμογή τους στην ψύξη μειώθηκε εξαιτίας της τοξικότητας και της ευφλεκτότητάς του. Το χαμηλό σημείο βρασμού της αμμωνίας καθιστά δυνατή την χρήση του ζεύγους αμμωνίας/ νερού τόσο για εφαρμογές θέρμανσης όσο και για εφαρμογές ψύξης. Ακόμα, δεν υπάρχει περίπτωση κρυσταλλοποίησης του διαλύματος και τόσο ο συμπυκνωτής όσο και ο απορροφητής μπορούν να είναι είτε αερόψυκτοι είτε υγρόψυκτοι. Η τάση ατμού του νερού στην ατμογεννήτρια δεν είναι αμελητέα ως προς αυτήν της αμμωνίας, έτσι μικρή ποσότητα νερού βράζει μαζί με τους ατμούς αμμωνίας. Καθίσταται έτσι η χρήση ενός ανορθωτή αναγκαία(βλ. σχήμα2). Μεταξύ της ατμογεννήτριας και του συμπυκνωτή, ο ανορθωτής συλλέγει ξανά τους υδρατμούς και τους συμπυκνώνει,επιστρέφοντάς τους στην ατμογεννήτρια Βιβλιογραφία αναφορές 1. Active Solar systems (MIT press, 1993) 2. Θερμοδυναμική για μηχανικού (Çengel Boles, 3 η εκδοση, εκδ. Τζιόλα) 42

51 Κεφάλαιο 5. Συλλέκτες Παραβολικού Αυλακιού (PTC, Parabolic Trough Collector) 5.1. Θερμικές απώλειες Ένα μοντέλο θερμικών απωλειών του συλλέκτη βασισμένο στην συνδυασμένη επίδραση των απωλειών εξαιτίας της ακτινοβολίας, συναγωγής και αγωγής αναλύεται παρακάτω. Όπως φαίνεται και στο σχήμα Οι θερμικές απώλειες είναι οι εξής: Θερμικές απώλειες από την εξωτερική επιφάνεια του σωλήνα απορρόφησης στον αερόκενο γυάλινο σωλήνα που τον περιβάλει εξαιτίας της ακτινοβολίας και της αγωγής από τα εναπομείναντα αέρια. 4 Εξαιτίας του υψηλού κενού ( 10 mmhg ) οι απώλειες συναγωγής μπορούν να μη ληφθούν υπόψη. Παρ όλα αυτά οι απώλειες αυτές μπορεί να είναι σημαντικές αν εισχωρήσει αέριο με οποιοδήποτε τρόπο στο χώρο αυτό. Απώλειες θερμότητας από τον σωλήνα απορρόφησης στο περιβάλλον μέσου των συνδέσεων και των στηριγμάτων. Απώλειες θερμότητας από το γυάλινο περίβλημα προς το περιβάλλον εξαιτίας συναγωγής και ακτινοβολίας. Σχήμα Σχηματική απεικόνιση απωλειών θερμότητας ενός PTC Για την καθιέρωση μιας έκφρασης για τις ολικές απώλειες από τον συλλέκτη θεωρείται ένα ισοζύγιο ενέργειας για τον σωλήνα απορρόφησης και το αερόκενο γυάλινο κάλυμμα (στην μόνιμη κατάσταση ισορροπίας) όπως ακολουθεί: (Σωλήνας απορρόφησης) όπου, Q Q total Q ab g ) ( Q (5.1.1) ( abg ) r,( abg ) d,( abg ) b Q Q (5.1.2) 43

52 (Γυάλινο κάλυμμα) και, Q total Q g a) ( Q (5.1.3) b όπου, Q ( ab g ) είναι οι απώλειες ακτινοβολίας και αγωγής (λόγω εναπομείναντος αερίου) μεταξύ του σωλήνα απορρόφησης και του αερόκενου καλύμματος (οι απώλειες συναγωγής μπορούν να μην ληφθούν υπόψη στην περίπτωση του υψηλού κενού), είναι οι απώλειες των μεταλλικών συνδέσεων του σωλήνα απορρόφησης Q b και του γυαλιού, και Q( g a) εξωτερική επιφάνεια του γυαλιού. είναι οι απώλειες ακτινοβολίας και συναγωγής από την Οι απώλειες ακτινοβολίας μεταξύ του σωλήνα απορρόφησης και του γυάλινου καλύμματος δίνονται από την σχέση: Q r,( abg ) 4 4 ( ab g ) A 1 Dab, o ab [ D 1 g ( 1)] g absorber (5.1.4) όπου η τιμή της εκπομπής της επιφάνειας του απορροφητικού στοιχείου (για θερμοκρασίες αυτής μεταξύ 373º 900ºΚ) θεωρήθηκε έπειτα από μελέτες από τον Dudley και τους συνεργάτες του (1994) ίση με : T (5.1.5) ab wall ακόμα, D η εσωτερική διάμετρος του γυάλινου σωλήνα, η εξωτερική g D ab, o διάμετρος του σωλήνα απορρόφησης, η θερμοκρασία της επιφάνειας του στοιχείου απορρόφησης, g η θερμοκρασία του γυαλιού, Aabsorber η επιφάνεια του απορροφητή πάνω από την οποία συμβαίνουν οι απώλειες και g ο συντελεστής εκπομπής του γυάλινου περιβλήματος. Οι μετάδοση θερμότητας μέσω αγωγής διαμέσου του εναπομείναντος αερίου στο διάκενο μεταξύ σωλήνα απορρόφησης και καλύμματος υπολογίζονται ως εξής: ab Q, h T T A (5.1.6) d ( ab g ) d ( ab g ) absorber h d όπου, είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας στο χαμηλής πυκνότητας αέριο υπολογισμένος από τον Ratzel και τους συνεργάτες του (1979) ως εξής: h d kair Dab o Dg Dab, ( ) ln( ) B [( 2 D, o ab, o Dg 1] (5.1.7) όπου, η θερμική αγωγιμότητα του αέρα σε κανονικές συνθήκες και k air 44

53 2 C 9 5 B (5.1.8) C 2( 1) όπου C=1 εκτός και αν οι επιφάνειες είναι εξαιρετικά καθαρές Η μέση ελεύθερη διαδρομή, λ(cm), του χαμηλής πίεσης αερίου στο μεσοδιάστημα δίνεται από τον τύπο: 2, m (5.1.9) 2 P όπου, m και P είναι η μέση θερμοκρασία (Κ) και πίεση (mmhg), αντίστοιχα. Η 8 μοριακή διάμετρος (δ) του αέρα είναι ισοδύναμη με 2,32 10 cm και ο λόγος θερμότητας (γ) είναι 1,4 για 300Κ και 1,37 για 600Κ. Η μέση θερμοκρασία m υπολογίζεται από την σχέση: Tab Tg m (5.1.10). 2 Οι απώλειες θερμότητας από την εξωτερική επιφάνεια του γυαλιού προς το περιβάλλον ( Q( g a) ) εξαιτίας συναγωγής και ( Q c, ( g a) ) και ακτινοβολίας ( Q r, ( ga) )στο περιβάλλοντα αέρα δίνονται από: Q Q Q (5.1.11) ( ga) c,( ga) r,( ga) όπου Q c, ( g a) hc ( Tg Ta ) Aglass (5.1.12) και h c είναι ο εξωτερικός συντελεστής συναγωγής εξαιτίας του ανέμου. Οι απώλειες ακτινοβολίας δίνονται από: Q 4 4 r, ( g a) g ( Tg Tsky ) A (5.1.13) glass Η θερμοκρασία ουρανού ( T sky ) μπορεί να συσχετιστεί με την θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου ( T ) και την θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου ( T ) ως εξής: a dp Tsky 0,25 ( ) (5.1.14) sky a 2 όπου, ( t /100) 0.73( t /100) (5.1.15) sky 0 dp dp Οι απώλειες θερμότητας μέσω των συνδέσεων ( Q b ) δίνεται από: 45

54 Q b A h ( T T ) (5.1.16) b c ab a b Ab όπου είναι η εκτιθέμενη επιφάνεια των συνδέσεων του συλλέκτη και απόδοση πτερυγίου των συνδέσεων. b είναι η 5.2. Μοντελοποίηση Οι απώλειες θερμότητας από τον συλλέκτη μπορούν να μοντελοποιηθούν έτσι ώστε να περιλαμβάνουν μόνο την θερμοκρασία της επιφάνειας απορρόφησης ( T ab ) και των εξωτερικών συνθηκών ως εξής: q loss 4 4 ( a c V ) ( T T ) b ( T T ) (5.2.1) wind ab a ab ab sky Οι συντελεστές a, b, c μπορούν να βρεθούν έπειτα από προσαρμογή της καμπύλης που προκύπτει από της εξισώσεις (5.1.1) (5.1.16) με πειραματικές μετρήσεις για διάφορες θερμοκρασίες επιφάνειας απορροφητή. Προκύπτει ότι, σε συνθήκες εξέτασης όπως αυτές στα εργαστήρια της Sandia για ένα τυπικό συλλέκτη παραβολικού αυλακιού (LS2), τεχνικά χαρακτηριστικά του οποίου δίνονται στο πίνακα 5.2.1, που λειτουργεί σε παρόμοιες συνθήκες με αυτές ενός εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (SEGS plant) στο Kramer Junction στην νότια Καλιφόρνια: a b c W K W K J K m m m (5.2.2) 0.066m 0.07m Οπτική απόδοση 73.3% ανακλαστήρα Εσωτερική διάμετρος απορροφητή ( D ab, i ) Εξωτερική διάμετρος απορροφητή ( D ab, o ) Θερμική αγωγιμότητα απορροφητή ( k ab ) 54 W m K Εσωτερική διάμετρος 0.115m γυάλινου σωλήνα ( D g ) Συντελεστής εκπομπής 0.9 γυάλινου σωλήνα ( g ) Λόγος Συγκέντρωσης (C) Πίνακας Χαρακτηριστικά PTC τύπου LS2 (απορροφητή και ανακλαστήρα) 46

55 Η απόδοση ενός κατόπτρου ορίζεται ίση με τον λόγο της θερμότητας που μπορεί να εξαχθεί από έναν συλλέκτη προς την συνολική ακτινοβόλιση αυτού. Δηλαδή: Q A G use (5.2.3) b Η απόδοση αυτή μπορεί να εκφραστεί ως προς τις απώλειες θερμότητας (5.2.1) και την οπτική απόδοση του ανακλαστήρα ( opt ) όπως ακολουθεί: 4 ( Tab Ta ) 4 ab sky opt ( a c Vwind ) ab b (5.2.4) Gb Gb ( T T ) όπου είναι συντελεστής που εξαρτάται από την γωνία πρόσπτωσης της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας( G b ) και υποδεικνύει τις οπτικές αλλαγές που συμβαίνουν στο κάτοπτρο εξαιτίας της μεταβολής της γωνίας αυτής. Υπολογίστηκε για ένα συλλέκτη τύπου LS2 από τον Dudley και τους συνεργάτες του ότι: 2 cos( ) ( ) 0, ( ) (5.2.5) ενώ η οπτική του απόδοση ( opt ) υπολογίστηκε ίση με 73,3% 5.3. Βιβλιογραφία - Αναφορές 1) Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings. A Handbook for Planners (Hans-Martin Henning(Ed.), Second revised Edition) 2) Modeling of parabolic trough direct steam generation solar collectors (S.D. Odeh, G.L. Morrison and M. Behnia) 47

56 48

57 Κεφάλαιο 6. Υπολογιστικό μέρος 6.1. Εισαγωγή Παρακάτω υπολογίζονται οι αποδόσεις των κατόπτρων για την περιοχή της Θεσσαλονίκης όπου και γίνεται η μελέτη του ηλιακά καθοδηγούμενου κλιματισμού. Για το υπολογισμό αυτό χρησιμοποιήθηκαν οι παρακάτω κώδικες σε Matlab με μετεωρολογικά δεδομένα από το μετεωρολογικό πάρκο του Α.Π.Θ. (βλ. παράρτημα) Κώδικες Matlab απόδοσης κατόπτρου τύπου PTC Κύριο μέρος a=1.9182*(10^(-2)); % b=2.02*(10^(-9)); % Συντελεστές c=6.612*(10^(-3)); % Tdb=273 + xlsread('tdb.xls'); %Μετατροπή βαθμών C σε K tdp=dewpointc; %κλήση συνάρτησης DewpointC για %υπολογισμό σημείού δρόσου DNI=xlsread('DNI.xls'); Wspd=xlsread('Wspd.xls'); Twall=523; nopt=0.733; Thita=TrackMode; %πίνακας ημερήσιων τιμών 365x1 %κάθετης προσπίπτουσας ακτινοβολίας %πίνακας ημερήσιων τιμών 365x1 %ταχύτητας ανέμου %θερμοκρασία επιφάνειας απορροφητή (Κ) %Οπτική απόδοση ανακλαστήρων συλλέκτη %κλήση της συνάρτησης TrackMode για %υπολογισμό της γωνίας πρόπτωσης της %ακτινοβολίας %Υπολογισμός του K (incidence angle modifier) για κάθε μέρα %σύμφωνα με την εξίσωση for i=1:1:365 Kta(i)=cosd(Thita(i)) *(Thita(i)) *((Thita(i))^2); end %Υπολογισμός του συντελεστή εκπομπής της επιφάνειας του απορροφητή %για μέση θερμοκρασία 250ºC eab= *twall ; %Υπολογισμός απόδοσης κατόπτρου για κάθε μέρα for i=1:1:length(tdb) if DNI(i)>0 %αποφεύγουμε τις περιπτώσεις που η %κάθετη προσπίπτουσα ακτινοβολία %είναι μηδενική (devide by zero) %Υπολογισμός συντελεστή εκπομπής ουρανού esky = *(tdp(i)/100) *((tdp(i)/100)^2); 49

58 Tsky = ((esky)^0.25)*tdb(i); %Υπολογισμός απόδοσης κατόπτρου σύμφωνα με την εξίσωση n(i)=nopt*kta(i) - (a+c*wspd(i))*(twall - Tdb(i))/DNI(i) - eab*b*(twall^4 -Tsky^4)/DNI(i); else n(i)=0 %Σε περίπτωση που η ακτινοβολία είναι %μηδενική, εξισώνουμε την απόδοση του %κατόπτρου με το μηδέν end if n(i)<0 end n(i)=0 %αν η απόδοση υπολογιστεί αρνητική %εξισώνεται με το 0 %έτσι προκύπτει ένας πίνακας 365x1 με τις ημερήσιες αποδόσεις των %κατόπτρων end %Αποθήκευση πίνακα σε ένα αρχείο excel xlswrite('ptc_efficiency',n'); Επί μέρους συναρτήσεις Υπολογισμός γωνίας πρόσπτωσης function [A]=TrackMode %Παρακολούθηση: %άξονας Β-Ν πολικός %κίνηση Α-Δ for i=1:1:365 A(i)=abs(23.45*sind(360*(i+284)/365)); %υπολογισμός γωνιακής %απόκλισης σύμφωνa με τύπο %του Cooper(1969) end xlswrite ('AsolutDeclination',A'); %εγγραφή αποτελεσμάτων σε %πίνακα σε αρχείο excel end Υπολογισμός σημείου δρόσου %Υπολογισμός θερμοκρασίας δρόσου σύμφωνα με την φόρμουλα Magnus %[νούμερο αναφοράς] function [Dp]=DewPoinC T=xlsread('tdb.xls'); RH=xlsread('HR.xls'); for i=1:1:length(t) H = (log10(rh(i))-2)/ (17.62*T(i))/( T(i)); Dp(i) = *H/(17.62-H); end xlswrite('tdp.xls',dp'); end 50

59 6.3. Αποδόσεις κατόπτρων Δίνονται τα γραφήματα με τις ημερήσιες αποδόσεις των κατόπτρων καθώς επίσης και την μέση τιμή απόδοσης για κάθε μήνα Απόδοση κατόπτρου Ιανουάριου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Ιανουάριο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,2875 ή 28,75%) 51

60 Απόδοση κατόπτρου Φεβρουαρίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Φεβρουάριο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,3899 ή 38,99%) Απόδοση κατόπτρου Μαρτίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Μάρτιο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,5012 ή 50,12%) 52

61 Απόδοση κατόπτρου Απριλίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Απρίλιο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,5531 ή 55,31%) Απόδοση κατόπτρου Μαίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Μάιο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,6022 ή 60,22%) 53

62 Απόδοση κατόπτρου Ιουνίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Ιούνιο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,5884 ή 58,84%) Απόδοση κατόπτρου Ιουλίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Ιούλιο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,5803 ή 58,08%) 54

63 Απόδοση κατόπτρου Αυγούστου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Αύγουστο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,6308 ή 63,08%) Απόδοση κατόπτρου Σεπτεμβρίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Σεπτέμβριο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,5736 ή 57,36%) 55

64 Απόδοση κατόπτρου Οκτωβρίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Οκτώβριο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,4282 ή 42,82%) Απόδοση κατόπτρου Νοεμβρίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Νοέμβριο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,4426 ή 44,26%) 56

65 Απόδοση κατόπτρου Δεκεμβρίου 0,7 0,6 0,5 Απόδοση 0,4 0,3 0,2 0, Μέρα Γράφημα Απόδοση κατόπτρου για το μήνα Δεκέμβριο (Μέση τιμή Απόδοσης 0,2526 ή 25,26%) Παρακάτω δίνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές απόδοσης των κατόπτρων σε πίνακα και σε γράφημα Πίνακας Μέσες μηνιαίες τιμές αποδόσεων κατόπτρων Μηνιαία Απόδοση Ιανουάριος 0, Φεβρουάριος 0, Μάρτιος 0, Απρίλιος 0, Μάιος 0, Ιούνιος 0, Ιούλιος 0, Αύγουστος 0, Σεπτέμβριος 0, Οκτώβριος 0,42822 Νοέμβριος 0, Δεκέμβριος 0,

66 Μέση Μηνιαία Απόδοση 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αυγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Μήνας Γράφημα Μέσες μηνιαίες αποδόσεις κατόπτρων 58

67 6.4. Υπολογισμός φορτίων Ο υπολογισμός των φορτίων κατά τους θερινούς μήνας θα γίνει από 10 Μαίου μέχρι 10 Σεπτεμβρίου Φορτίο Μήνα Μαΐου Πίνακες τιμών Μαΐου Μέρα\ώρα 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18: ,6 14,5 15,3 15,7 16,6 17,3 16,7 16,1 16,0 15,9 15,2 2 15,3 16,5 17,4 18,8 18,0 18,8 20,2 19,9 19,6 18,2 16,7 3 15,3 15,8 15,8 15,8 15,5 15,3 16,0 16,5 16,5 16,0 15,0 4 13,4 13,8 15,8 15,8 17,1 17,5 17,3 17,1 17,0 16,6 15,5 5 14,2 15,8 17,3 17,7 18,3 18,4 16,1 17,1 16,0 15,6 14,7 6 13,5 14,9 17,2 18,5 18,5 20,9 19,7 18,1 16,5 18,6 17,3 7 15,1 16,8 19,3 19,5 20,2 19,7 20,4 19,5 18,0 13,4 13,0 8 14,5 16,6 18,3 19,6 20,4 21,3 22,1 22,6 21,8 20,9 19,3 9 15,6 17,1 19,0 21,0 21,9 22,5 22,2 23,0 22,7 22,3 20, ,4 17,8 19,1 18,8 18,8 19,7 20,3 19,9 19,4 18,1 16, ,7 17,5 19,4 20,8 21,5 22,8 22,5 23,1 20,9 20,1 18, ,8 18,5 20,0 21,3 22,2 22,7 23,1 23,0 22,6 21,6 20, ,1 18,2 20,0 20,4 21,5 22,0 22,8 22,5 22,5 21,2 20, ,4 18,6 20,5 21,4 21,7 22,8 24,4 24,0 24,4 23,5 22, ,8 19,7 22,9 24,6 25,3 25,9 26,1 19,7 16,3 18,3 19, ,7 22,8 23,2 23,2 24,5 24,2 24,6 25,3 24,3 23,8 22, ,3 21,7 22,9 23,4 24,1 24,4 25,2 25,3 24,8 24,7 22, ,5 23,7 24,2 24,1 24,6 25,5 25,9 26,0 26,3 26,0 25, ,8 21,6 22,7 24,2 24,3 24,6 25,0 25,0 24,6 23,4 21, ,1 19,5 20,2 22,5 24,0 24,8 23,7 24,4 24,3 22,8 21, ,8 22,8 23,9 24,8 26,1 26,3 26,6 25,6 26,0 25,5 23, ,0 24,3 28,9 30,9 31,3 31,2 31,4 31,6 30,5 29,1 27, ,2 25,3 27,2 27,8 29,3 30,0 30,0 29,4 29,4 28,4 27, ,9 26,0 28,5 30,1 30,7 31,2 31,1 30,9 30,6 30,3 28, ,7 27,0 28,5 29,8 30,2 30,6 30,6 30,7 29,1 27,1 25, ,1 22,0 23,5 25,7 26,4 27,7 28,1 28,2 28,9 28,3 26, ,1 23,8 24,8 25,0 25,4 25,7 26,5 27,0 26,1 25,1 23, ,2 27,0 27,1 28,6 28,4 30,0 30,9 30,9 30,3 29,3 27, ,4 23,9 25,6 27,1 27,8 29,5 29,7 29,5 29,2 28,7 25, ,1 24,5 25,8 26,3 27,3 28,0 29,8 30,6 29,9 28,1 27, ,8 27,6 28,2 29,1 27,5 24,7 21,0 18,6 22,7 26,2 25,2 Πίνακας Ωριαίες τιμές θερμοκρασίας Μαΐου 59

68 Μέση τιμή (X ) Διακύμανση ( s 2 ) Τυπική απόκλιση (s) 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 21,36 22,45 23,96 25,00 25,59 26,10 26,33 25,96 25,60 24,98 23,59 10,60 10,21 10,35 11,70 10,90 10,69 11,76 15,35 15,31 12,85 11,64 3,26 3,20 3,22 3,42 3,30 3,27 3,43 3,92 3,91 3,59 3,41 Πίνακας Στατιστικοί υπολογισμοί Εύρεση του διαστήματος εμπιστοσύνης της μέσης θερμοκρασίας με πιθανότητα 90% Επειδή η 2 (του πληθυσμού) είναι άγνωστη, η κατανομή δειγματοληψίας του μέσου αριθμητικού X είναι η κατανομή t-student με μέσον μ και s 2 2 s X. n Το διάστημα εμπιστοσύνης του μ, θα είναι: [ X t s, X t s, X, X 2 2 ] όπου: τα X και τα s υπολογίζονται από τα στοιχεία του δείγματος και η τιμή X βρίσκεται από τους πίνακες της κατανομής t-student ανάλογα με την πιθανότητα α και τους βαθμούς ελευθερίας v=(n-1). ( Σημείωση: Αν έχουμε n>30 μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αντί της κανονικής κατανομής t-student την κανονική κατανομή, γιατί t z ), a 2 2 Θέλουμε η μέση τιμή να ανήκει με πιθανότητα 90% στο διάστημα εμπιστοσύνης που θα υπολογίσουμε άρα για v=22-1=21 και a προκύπτει ότι t ,0.05 Άρα για κάθε μέση τιμή του παραπάνω πίνακα υπολογίζονται τα άνω και κάτω όρια ως εξής: t, 2 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Μέση τιμή 21,36 22,45 23,96 25,00 25,59 26,10 26,33 25,96 25,60 24,98 23,59 (X ) Άνω όριο 22,55 23,62 25,14 26,25 26,80 27,30 27,59 27,40 27,03 26,30 24,84 Κάτω όριο 20,16 21,27 22,78 23,74 24,38 24,90 25,07 24,53 24,16 23,67 22,33 60

69 Υπολογισμός αναγκών κτηρίου Οι ανάγκες του κτηρίου υπολογίζονται για κάθε ώρα από τον τύπο: h Q Load % %( )( kw ) max Όπου, h η θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου για την h ώρα. Και o max 32.5 C είναι η μέγιστη μέση θερμοκρασία από 10/5 10/9. Έτσι προκύπτεί το παρακάτω διάγραμμα στο οποίο απεικονίζονται οι ανάγκες του χώρου και τα όριο για το παραπάνω διάστημα εμπιστοσύνης της μέσης τιμής της θερμοκρασίας. Μάιος 230 Φορτίο (kw) Max Average Min :00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Ώρα (hh:mm) Υπόλοιποι Μήνες Ο υπολογισμός του ωριαίου φορτίου και για τους υπόλοιπου μήνες γίνεται με ανάλογο τρόπο όπως αυτόν για τον μήνα Μάιο με μόνη διαφορά ότι για τον υπολογισμό των διαστημάτων εμπιστοσύνης θα χρησιμοποιήσουμε την τιμή t29, για τον Ιούνιο (αφού ν=30-1=29), t30, για Ιούλιο και Αύγουστο (ν=31-1=30) και t9, για τον Σεπτέμβριο (αφού θεωρούμε μόνο τις 10 πρώτες μέρες, και άρα ν=10-1=9). 61

70 Διαγράμματα φορτίου υπολοίπων μηνών Ιούνιος 230 Φορτίο (kw) Max Average Min :00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Ώρα (hh:mm) Διάγραμμα Φορτίο Ιουνίου Ιούλιος 230 Φορτίο (kw)t Max Average Min :00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Ώερα (hh:mm) Διάγραμμα Φορτίο Ιουλίου 62

71 Αύγουστος Φορτίο (kw) Max Average Min :00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Ώρα (hh:mm) Διάγραμμα Φορτίο Αυγούστου Σεπτέμβριος Φορτίο (kw) Max Average Min :00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Ώρα(hh:mm) Διάγραμμα Φορτίο Αυγούστου 63

72 6.5. Μελέτη κλιματισμού Επιλογή Ψύκτη Απορρόφησης Για τον κλιματισμού του χώρου επιλέγουμε ένα ψύκτη απορρόφησης διπλής επίδρασης. Το σχηματικό του διάγραμμα δίνεται παρακάτω (σχήμα 6.4.1) Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα ψύκτη απορρόφησης Στο σχήμα φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα του ψύκτη απορρόφησης που θα χρησιμοποιήσουμε. Για πηγή θερμότητας ο ψύκτης έχει ένα κύκλωμα σωλήνων (δευτερεύον κύκλωμα εναλλάκτη θερμότητας) εντός του οποίου ρέει νερό σε κατάλληλη θερμοκρασία (βλ. χαρακτηριστικά ψύκτη παρακάτω). 64

73 Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του ψύκτη όπως αυτά δίνονται από τον κατασκευαστή [1]. Δίνονται παρακάτω σε πίνακα. Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά Ψύκτη Κωδικός (model) Κατανάλωση ζεστού νερτού (Hot water consumption) Ψυκτική ικανότητα Παγωμένο νερό(chilled water) Ψυκτικό νερό (Cooling water) Two- stage hot water chiller BH. Ηot water 180ºC (20) m / h 233kW (66 Rt).3 Ροή: 28,6 m / h Πτώση πίεσης: 30kPa.3 Ροή: 48.8 m / h Πτώση πίεσης: 50kPa Οι ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας του παραπάνω ψύκτη είναι οι εξής: Ονομαστικές τιμές θερμοκρασίας εισόδου/ εξόδου ζεστού νερού (hot water): 180ºC/ 165ºC Ονομαστικές τιμές θερμοκρασίας εξόδου/ εισόδου παγωμένου νερού (chilled water): 7ºC/ 14ºC Ονομαστικές τιμές θερμοκρασίας εξόδου/ εισόδου ψυκτικού νερού (cooling water): 37ºC/ 30ºC Ονομαστικές τιμές θερμοκρασίας εξόδου/ εισόδου ζεστού νερού χρήσης: 80ºC/ 60ºC Ελάχιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία παγωμένου νερού (chilled water): 5ºC Υψηλότερη επιτρεπόμενη θερμοκρασία ζεστού νερού χρήσης: 95ºC Χαμηλότερη επιτρεπόμενη θερμοκρασία εισόδου ψυκτικού νερού: 10ºC Επιτρεπόμενα όρια ροής παγωμένου νερού (chilled water): 50%-120% Επιτρεπόμενο όριο πίεσης για το παγωμένο/ ψυκτικό νερό: 0,8MPa Επιτρεπόμενα όρια φορτίου: 5% - 115% Συγκέντρωση διαλύματος LiBr: 52% Ονομαστική τιμή συντελεστή λειτουργίας (COP):

74 Για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας από αυτές τις ονομαστικής κατάστασης του ψύκτη, ο συντελεστής λειτουργίας δίνεται από το παρακάτω διάγραμμα. Διάγραμμα Συντελεστής λειτουργίας (COP) Μέθοδος υπολογισμού συντελεστή λειτουργίας (COP) Ο συντελεστής λειτουργίας βρίσκεται αν βρούμε τον μέσο όρο τεσσάρων COP. Οι τέσσερις διαφορετικοί COP σημειώνονται με μπλε γράμματα στο διάγραμμα Με πράσινο σημειώνονται οι διαφορετικές θερμοκρασίες ψυκτικού νερού (cooling water) και οι οποίες αντιστοιχούν σε διαφορετικές τιμές COP (πάνω αριστερή γωνία), Στον κάθετο άξονα (δεξιά) στο πάνω μέρος σημειώνονται σε ποσοστά επί τοις εκατό οι διαφορετικές ικανότητες ψύξης, ενώ στο κάτω μέρος στον ίδιο άξονα σημειώνονται οι διαφορετικές θερμοκρασίες εισόδου του ζεστού νερό παροχής, αντίστοιχα με πριν κάθε παραπάνω τιμή αντιστοιχεί και σε ένα διαφορετικό COP. Τέλος, στο κάτω μέρος του διαγράμματος αναφέρονται οι αντιστοιχίες COP και θερμοκρασίες παγωμένου νερού. 66